Study on PWM method and tolerant for t type three level in case of open switch fault

49 Hình 5.17 Trình tự đóng ngắt mới của các khóa trên vùng 1a trong một chu kỳ đóng ngắt cho điều khiển chịu lỗi .... 52 Hình 5.18 Trình tự đóng ngắt mới của các khóa trên vùng 1b trong

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HCM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

-

ĐINH PHI HOÀNG LONG

NGHIÊN CỨU KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ KHẢ NĂNG CHỊU LỖI TRONG TRƯỜNG HỢP BỘ NGHỊCH

CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA –ĐHQG -HCM

Cán bộ hướng dẫn khoa học: PGS.TS Nguyễn Đình Tuyên

Cán bộ chấm nhận xét 1 :

(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký) Cán bộ chấm nhận xét 2 :

(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký) Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp HCM ngày tháng năm

Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm: (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị của Hội đồng chấm bảo vệ luận văn thạc sĩ) 1

2

3

4

5

Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV và Trưởng Khoa quản lý chuyên ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa (nếu có) CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG TRƯỞNG KHOA…………

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ tên học viên: Đinh Phi Hoàng Long MSHV: 1670810

Ngày, tháng, năm sinh: 29/12/1987 Nơi sinh: TP Hồ Chí Minh

I TÊN ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ KHẢ NĂNG CHỊU LỖI

TRONG TRƯỜNG HỢP BỘ NGHỊCH LƯU BA BẬC DẠNG T BỊ SỰ CỐ HỞ MẠCH

II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:

- Tìm hiểu bộ nghịch lưu ba bậc dạng T

- Kỹ thuật điều chế vector không gian cho bộ nghịch lưu ba bậc dạng T

- Kỹ thuật điều chế điều chế vector không gian trong trường hợp sự cố hở mạch

- Mô phỏng hoạt động của bộ nghịch lưu

-Thiết kế mô hình bộ nghịch lưu ba bậc dạng T và thực nghiệm trên DSP TMS320F28377S

III NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : 06/01/2019

IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 02/06/2019

V CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: PGS TS Nguyễn Đình Tuyên

LỜI CÁM ƠN



Tôi xin được gửi đến Thầy Nguyễn Đình Tuyên sự kính trọng và lòng biết ơn sâu sắc Cảm ơn Thầy đã giảng dạy kiến thức và kinh nghiệm của mình cũng như cung cấp tài liệu để tôi có thể hoàn thành luận văn này Thầy đã tạo điều kiện tốt nhất để tôi nghiên cứu, nâng cao kiến thức và tiếp cận phương pháp nghiên cứu khoa học mới Thật vinh dự

và tự hào khi được học tập và làm việc cùng Thầy trong suốt thời gian qua

Tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành nhất đến quý Thầy, Cô trong PTN Nghiên cứu Điện tử công suất, bộ môn Cung cấp điện, Khoa Điện – Điện tử Trường Đại Học Bách Khoa Tp Hồ Chí Minh đã nâng đỡ và dìu dắt, truyền đạt cho tôi những kiến thức và kinh nghiệm quý báu nhất trong suốt quá trình tôi học tập ở trường

Tôi cũng xin được cảm ơn sự giúp đỡ của anh chị em trong PTN Nghiên cứu điện

tử công suất – 115B1, các bạn cao học đã đồng hành, hỗ trợ, chia sẻ và giúp đỡ tôi hoàn thành luận văn này

Cuối cùng và quan trọng nhất đối với tôi đó là gia đình tôi, là nguồn động lực, chổ dựa vững chắc để tôi có thể vượt qua những khó khăn hạn chế của bản thân Cám ơn bố,

mẹ đã hiểu, định hướng, giúp đỡ và tạo mọi điều kiện thuận lợi nhất cho con có thể theo đuổi đam mê của mình

Tp Hồ Chí Minh, tháng 06 năm 2019

Đinh Phi Hoàng Long

TÓM TẮT LUẬN VĂN

Nội dung chính của luận văn là nghiên cứu phương pháp điều chế vector không gian để điều khiển cho bộ nghịch lưu ba bậc dạng T đồng thời đưa ra phương pháp điều chế trong trường hợp bị sự cố hở mạch

Trong luận văn, bộ nghịch lưu ba bậc dạng T hoạt động trong tình trạng có sự cố được phân tích và đề xuất kỹ thuật điều chế cho bộ nghịch lưu tiếp tục hoạt động khi xảy

ra sự cố hở mạch Phương pháp điều chế được đề xuất thì đơn giản mà không cần tính toán phức tạp Phương pháp này được phân tích, tính toán và được kiểm chứng thông qua

mô phỏng và thực nghiệm

Nội dung chính của luận văn được thể hiện qua 7 chương

Chương 1: Giới thiệu tổng quan đề tài

Chương 2: Bộ nghịch lưu ba bậc dạng T

Chương 3: Kỹ thuật điều chế vector không gian và sóng mang cho bộ nghịch lưu

ba bậc dạng T

Chương 4: Phân tích bộ nghịch lưu ba cấp kiểu T trong lỗi khóa hở mạch

Chương 5: Phương pháp điều khiển chiụ lỗi khi xảy ra lỗi hở mạch trên khóa Chương 6: Mô phỏng bộ nghịch lưu ba bậc dạng T

Chương 7: Thực nghiệm bộ nghịch lưu ba bậc dạng T

LỜI CAM ĐOAN

Tác giả xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của bản thân tác giả Các kết quả nghiên cứu và các kết luận nêu trong luận văn là trung thực, không sao chép từ bất kỳ một nguồn nào và dưới bất kỳ hình thức nào Việc tham khảo tài liệu đã được thực hiện trích dẫn và ghi nguồn tài liệu tham khảo đúng theo yêu cầu

Tác giả luận văn

Đinh Phi Hoàng Long

MỤC LỤC

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1

1.1 Lý do chọn đề tài 1

1.2 Mục tiêu đề tài 2

1.3 Phạm vi và phương pháp nghiên cứu 2

1.4 Ý nghĩa khoa học 3

1.5 Ý nghĩa thực tiễn 3

1.6 Bố cục luận văn 3

CHƯƠNG 2: BỘ NGHỊCH LƯU BA BẬC DẠNG T 4

2.1 Tổng quan về các bộ nghịch lưu 4

2.1.1 Giới thiệu về bộ nghịch lưu 4

2.1.2 Phân loại các bộ nghịch lưu 4

Bộ nghịch lưu ba bậc dạng T 9

2.2 2.2.1 Cấu hình bộ nghịch lưu ba bậc dạng T 9

2.2.2 Trạng thái đóng ngắt 11

2.3 Nhận xét 13

CHƯƠNG 3: KỸ THUẬT ĐIỀU CHẾ VECTOR KHÔNG GIAN CHO BỘ NGHỊCH LƯU BA BẬC DẠNG T 14

3.1 Giới thiệu 14

3.1.1 Khái niệm về vector không gian và phép biến đổi vector không gian 14

3.1.2 Vector không gian của bộ nghịch lưu ba bậc dạng T: 16

3.2 Phương pháp điều chế vector không gian (SVPWM) 20

3.3 Nhận xét 31

CHƯƠNG 4: PHÂN TÍCH BỘ NGHỊCH LƯU BA CẤP KIỂU T-TYPE TRONG LỖI KHÓA HỞ MẠCH 32

Lỗi làm thay đổi dòng pha và điện áp đầu ra 32

4.1 Lỗi làm thay đổi điện áp điểm trung tính 36 4.2

Phương pháp xác định các khóa hở mạch 39

4.3 CHƯƠNG 5: PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN CHỊU LỖI KHI XẢY RA LỖI HỞ MẠCH TRÊN KHÓA CHUYỂN MẠCH 41

5 Phương pháp điều khiển chịu lỗi: 41

5.1 Lỗi xảy ra trong các khóa nửa cầu (Sx1 và Sx4) 41

5.2 Lỗi xảy ra trong các khóa trung tính (Sx2 và Sx3) 58

CHƯƠNG 6: MÔ PHỎNG BỘ NGHỊCH LƯU BA BẬC DẠNG T 66

6.1 Bộ nghịch lưu ba bậc dạng T 66

6.1.1 Sơ đồ mô phỏng 66

6.1.2 Kết quả mô phỏng 69

6.2 Nhận xét 77

CHƯƠNG 7: THỰC NGHIỆM BỘ NGHỊCH LƯU BA BẬC DẠNG T 78

7.1 Phương pháp thực nghiệm 78

7.2 Mô hình thực nghiệm 78

7.2.1 Mạch nguồn DC 80

7.2.2 Mạch điều khiển 82

7.2.3 Mạch lái 84

7.2.4 Mạch công suất 86

7.3 Thực nghiệm 90

7.3.1 Bộ nghịch lưu ba bậc dạng T 90

7.4 Nhận xét 96

KẾT LUẬN 97

TÀI LIỆU THAM KHẢO 98

LÝ LỊCH TRÍCH NGANG 99

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 2.1: Bộ nghịch lưu diode kẹp NPC sáu bậc 5

Hình 2.2: Bộ nghịch lưu dạng tụ điện kẹp 6

Hình 2.3: Bộ nghịch lưu cascade chín bậc 8

Hình 2.4: Cấu hình bộ nghịch lưu ba bậc dạng T 9

Hình 3.1: Các vector không gian của bộ nghịch lưu ba bậc 17

Hình 3.2: Vector không gian và trạng thái đóng ngắt của bộ nghịch lưu ba bậc 20

Hình 3.3: Hình vector m1 và m2 của Vref  trong một tam giác đều lớn 22

Hình 3.4: Vector không gian và thời gian tồn tại của chúng 24

Hình 3.5: Trình tự đóng ngắt của các khóa trên của I-1 trong một chu kỳ đóng ngắt 29

Hình 3.6: Trạng thái đóng ngắt của các khóa trên của I-2 trong một chu kỳ đóng ngắt 30

Hình 3.7: Trạng thái đóng ngắt của các khóa trên của I-3 trong một chu kỳ đóng ngắt 30

Hình 3.8: Trạng thái đóng ngắt của các khóa trên của I-4 trong một chu kỳ đóng ngắt 31

Hình 4.1 Hướng của dòng điện ở điều kiện bình thường và trường hợp khóa Sa1 lỗi 33 Hình 4.2 Hướng của dòng điện ở điều kiện bình thường và trường hợp khóa Sa2 lỗi 34 Hình 4.3 Hướng của dòng điện ở điều kiện bình thường và trường hợp khóa Sa3 lỗi 35 Hình 4.4 Hướng của dòng điện ở điều kiện bình thường và trường hợp khóa Sa3 lỗi 36 Hình 4.5 cho ta thấy dòng 3 pha ngõ ra trong trường hợp bình thường 38

Hình 4.6 cho ta thấy dòng 3 pha ngõ ra trong trường hợp lỗi khóa Sa1 38

Hình 4.7 cho ta thấy dòng 3 pha ngõ ra trong trường hợp lỗi khóa Sa2 38

Hình 4.8 cho ta thấy dòng 3 pha ngõ ra trong trường hợp lỗi khóa Sa3 39

Hình 4.9 cho ta thấy dòng 3 pha ngõ ra trong trường hợp lỗi khóa Sa4 39

Hình 5.1 Sơ đồ vector không gian cho điều khiển chịu lỗi khi lỗi mở mạch xảy ra ở Sx1 và Sx4 41

Hình 5.2 Hình vector m1, m2 và Vref trong vùng 1 42

Hình 5.2 Trình tự đóng ngắt của các khóa trên của 1a trong một chu kỳ đóng ngắt 42 Hình 5.3 Trình tự đóng ngắt của các khóa trên của 1b trong một chu kỳ đóng ngắt 43 Hình 5.4 Trình tự đóng ngắt của các khóa trên của 2a trong một chu kỳ đóng ngắt 43 Hình 5.5 Trình tự đóng ngắt của các khóa trên của 2b trong một chu kỳ đóng ngắt 44 Hình 5.6 Trình tự đóng ngắt của các khóa trên của 3a trong một chu kỳ đóng ngắt 44 Hình 5.7 Trình tự đóng ngắt của các khóa trên của 3b trong một chu kỳ đóng ngắt 45 Hình 5.8 Trình tự đóng ngắt của các khóa trên của 4a trong một chu kỳ đóng ngắt 45 Hình 5.9 Trình tự đóng ngắt của các khóa trên của 4b trong một chu kỳ đóng ngắt 46 Hình 5.10 Trình tự đóng ngắt của các khóa trên của 5a trong một chu kỳ đóng ngắt 46 Hình 5.11 Trình tự đóng ngắt của các khóa trên của 5b trong một chu kỳ đóng ngắt 47 Hình 5.12 Trình tự đóng ngắt của các khóa trên của 6a trong một chu kỳ đóng ngắt 47 Hình 5.13 Trình tự đóng ngắt của các khóa trên của 6b trong một chu kỳ đóng ngắt 48 Hình 5.14 Trình tự đóng ngắt của các khóa trong vùng 1a trong một chu kỳ đóng ngắt (a) trước khi thêm Tmin (b) sau khi thêm Tmin 49 Hình 5.15 Trình tự đóng ngắt của các khóa trong vùng 2a trong một chu kỳ đóng ngắt (a) trước khi thêm Tmin (b) sau khi thêm Tmin 49 Hình 5.16 Trình tự đóng ngắt của các khóa trong vùng 2a trong một chu kỳ đóng ngắt (a) khi trạng thái POO thay bằng OON (b) khi được sắp xếp lại trình tự 49 Hình 5.17 Trình tự đóng ngắt mới của các khóa trên vùng 1a trong một chu kỳ đóng ngắt cho điều khiển chịu lỗi 52 Hình 5.18 Trình tự đóng ngắt mới của các khóa trên vùng 1b trong một chu kỳ đóng ngắt cho điều khiển chịu lỗi 52 Hình 5.19 Trình tự đóng ngắt mới của các khóa trên vùng 2a trong một chu kỳ đóng ngắt cho điều khiển chịu lỗi 53 Hình 5.20 Trình tự đóng ngắt mới của các khóa trên vùng 2b trong một chu kỳ đóng ngắt cho điều khiển chịu lỗi 53 Hình 5.21 Trình tự đóng ngắt mới của các khóa trên vùng 3a trong một chu kỳ đóng ngắt cho điều khiển chịu lỗi 54

Hình 5.22 Trình tự đóng ngắt mới của các khóa trên vùng 3b trong một chu kỳ đóng ngắt cho điều khiển chịu lỗi 54 Hình 5.23 Trình tự đóng ngắt mới của các khóa trên vùng 4a trong một chu kỳ đóng ngắt cho điều khiển chịu lỗi 55 Hình 5.24 Trình tự đóng ngắt mới của các khóa trên vùng 4b trong một chu kỳ đóng ngắt cho điều khiển chịu lỗi 55 Hình 5.25 Trình tự đóng ngắt mới của các khóa trên vùng 5a trong một chu kỳ đóng ngắt cho điều khiển chịu lỗi 56 Hình 5.26 Trình tự đóng ngắt mới của các khóa trên vùng 5b trong một chu kỳ đóng ngắt cho điều khiển chịu lỗi 56 Hình 5.27 Trình tự đóng ngắt mới của các khóa trên vùng 6a trong một chu kỳ đóng ngắt cho điều khiển chịu lỗi 57 Hình 5.28 Trình tự đóng ngắt mới của các khóa trên vùng 6b trong một chu kỳ đóng ngắt cho điều khiển chịu lỗi 57 Hình 5.29 Trình tự đóng ngắt của các khóa trong vùng I.1b trong một chu kỳ đóng ngắt (a) trong điều kiện bình thường (b) sau khi thêm Tlow (c) sau khi được sắp xếp lại 59 Hình 5.30 Trình tự đóng ngắt mới của các khóa trên vùng 1a trong một chu kỳ đóng ngắt cho điều khiển chịu lỗi Sa2 60 Hình 5.31 Trình tự đóng ngắt mới của các khóa trên vùng 1b trong một chu kỳ đóng ngắt cho điều khiển chịu lỗi Sa2 60 Hình 5.32 Trình tự đóng ngắt mới của các khóa trên vùng 2a trong một chu kỳ đóng ngắt cho điều khiển chịu lỗi Sa2 61 Hình 5.33 Trình tự đóng ngắt mới của các khóa trên vùng 2b trong một chu kỳ đóng ngắt cho điều khiển chịu lỗi Sa2 61 Hình 5.34 Trình tự đóng ngắt mới của các khóa trên vùng 3a trong một chu kỳ đóng ngắt cho điều khiển chịu lỗi Sa2 62 Hình 5.35 Trình tự đóng ngắt mới của các khóa trên vùng 3b trong một chu kỳ đóng ngắt cho điều khiển chịu lỗi Sa2 62

Hình 5.36 Trình tự đóng ngắt mới của các khóa trên vùng 4a trong một chu kỳ đóng

ngắt cho điều khiển chịu lỗi Sa2 63

Hình 5.37 Trình tự đóng ngắt mới của các khóa trên vùng 4b trong một chu kỳ đóng ngắt cho điều khiển chịu lỗi Sa2 63

Hình 5.38 Trình tự đóng ngắt mới của các khóa trên vùng 5a trong một chu kỳ đóng ngắt cho điều khiển chịu lỗi Sa2 64

Hình 5.39 Trình tự đóng ngắt mới của các khóa trên vùng 5b trong một chu kỳ đóng ngắt cho điều khiển chịu lỗi Sa2 64

Hình 5.40 Trình tự đóng ngắt mới của các khóa trên vùng 6a trong một chu kỳ đóng ngắt cho điều khiển chịu lỗi Sa2 65

Hình 5.41 Trình tự đóng ngắt mới của các khóa trên vùng 6b trong một chu kỳ đóng ngắt cho điều khiển chịu lỗi Sa2 65

Hình 6.1: Sơ đồ mô phỏng bộ nghịch lưu ba bậc dạng T 67

Hình 6.2 Khối điều chế vector không gian 68

Hình 6.2: Sơ đồ khối Inverter 68

Hình 6.3: Sơ đồ khối Load 69

Hình 6.4: Điện áp dây, áp pha và dòng điện qua tải phương pháp SVPWM 70

Hình 6.5 cho ta thấy dòng, áp dây, áp pha ngõ ra trong trường hợp lỗi khóa Sa1 71

Hình 6.6 cho ta thấy dòng, áp dây, áp pha ngõ ra trong trường hợp lỗi khóa Sa2 72

Hình 6.7 cho ta thấy dòng, áp dây, áp pha ngõ ra trong trường hợp lỗi khóa Sa3 73

Hình 6.8 cho ta thấy dòng, áp dây, áp pha ngõ ra trong trường hợp lỗi khóa Sa4 74

Hình 6.9 cho ta thấy dòng, áp dây, áp pha ngõ ra trong điều khiển chịu lỗi khóa Sa1 và Sa4 75

Hình 6.10 cho ta thấy dòng, áp dây, áp pha ngõ ra trong điều khiển chịu lỗi khóa Sa2 và Sa3 76

Hình 7.1: Sơ đồ khối mô hình thực nghiệm bộ nghịch lưu ba bậc dạng T 78

Hình 7.2: Mô hình thực nghiệm bộ nghịch lưu ba bậc dạng T 79

Hình 7.3: Nguồn DC 15V 80

Hình 7.4: Máy biến áp ba pha 0 - 380V 81

Hình 7.5: Mạch điều khiển sử dụng TMS320F28377S của hãng TI 83

Hình 7.6 Sơ đồ chân mạch LaunchpadXL-F28377S 83

Hình 7.7: Sơ đồ khối của mạch lái 85

Hình 7.8: Mạch lái thực tế 86

Hình 7.9: Sơ đồ bên trong FMG2G75US60 87

Hình 7.10: Sơ đồ của SK60GM123 88

Hình 7.11: Mô hình bộ nghịch lưu ba bậc dạng T 89

Hình 7.12: Tải 3 pha R-L mắc Y 90

Hình 7.13: Lưu đồ giải thuật phương pháp điều chế vector không gian 91

Hình 7.14: Lưu đồ giải thuật phương pháp điều chế vector không gian điều khiển chịu lỗi 92

Hình 7.3: Điện áp dây VAB và dòng điện qua tải theo phương pháp điều chế vector không gian (10V/div, 5ms/div) 93

Hình 7.2: Điện áp pha VAO và dòng điện qua tải theo phương pháp điều chế vector không gian (5V/div, 5ms/div) 93

Hình 7.3: Điện áp dây và dòng điện qua tải trường hợp xảy ra lỗi hở mạch Sa4 (5V/div, 5ms/div) 94

Hình 7.4 Điện áp pha và dòng điện qua tải trường hợp xảy ra lỗi hở mạch Sa4 (5V/div, 20ms/div) 94

Hình 7.5: Điện áp dây VAB và dòng điện qua tải trường hợp điều khiển chịu lỗi hở mạch Sa1, Sa4 (20V/div,5ms/div) 95

Hình 7.20: Điện áp pha VAO và dòng điện qua tải trường hợp điều khiển chịu lỗi hở mạch Sa1, Sa4 (20V/div,5ms/div) 95

Hình 7.21: Điện áp pha VAB và dòng điện qua tải trường hợp điều khiển chịu lỗi hở mạch Sa2, Sa3 (20V/div,5ms/div) 96

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 2.1: Bảng trạng thái đóng ngắt của bộ nghịch lưu ba bậc dạng T 12

Bảng 3.1: Trạng thái đóng ngắt và độ lớn của vector không gian 18

Bảng 3.2: Vị trí của V ref dựa vào góc lệch  21

Bảng 3.3: Vị trí của V ref dựa vàom1, m2 23

Bảng 3.4: Thời gian tác dụng Ta,Tb,Tc của vector V ref trong vùng I 26

Bảng 3.5: Trình tự đóng ngắt trong vùng I-1, II-1, III-1, IV-1, V-1, VI-1 27

Bảng 3.6: Trình tự đóng ngắt trong vùng I-2, II-2, III-2, IV-2, V-2, VI-2 27

Bảng 3.7: Trình tự đóng ngắt trong vùng I-3, II-3, III-3, IV-3, V-3, VI-3 28

Bảng 3.8: Trình tự đóng ngắt trong vùng I-4, II-4, III-4, IV-4, V-4, VI-4 28

Bảng 5.1: Trình tự đóng ngắt mới cho vùng 1a, 1b, 2a, 2b, 3a, 3b, 4a, 4b, 5a, 5b, 6a, 6b 51

Bảng 6.1: Thông số mô phỏng 66

Bảng 7.1: Thông số bộ nguồn DC 80

Bảng 7.2: Thông số kỹ thuật FMG2G75US60 87

Bảng 7.3: Thông số kỹ thuật của SK60GM123 88

Bảng 7.4: Thông số thực nghiệm cho bộ nghịch lưu ba bậc dạng T 90

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN

1.1 Lý do chọn đề tài

Ngày nay việc chuyển đổi năng lượng hiệu quả là một vấn đề quan trọng trong các ứng dụng dải điện áp thấp như bộ nghịch lưu lưới quang điện, bộ PFC (Power Factor Correction) và hệ thống nghịch lưu trên ô tô Trong các ứng dụng này, tần số chuyển mạch trung bình (10-25 kHz) được sử dụng để có các thành phần thụ động nhỏ và rẻ Hơn nữa, tần số chuyển đổi cũng có thể tăng lên trên 20 kHz để tránh nhiễu âm thanh trong các ứng dụng dân dụng Tuy nhiên, các tần số này dẫn đến tổn thất chuyển mạch cao hơn và hiệu suất cũng thấp hơn Để đáp ứng các yêu cầu về tần số chuyển mạch trung bình và hiệu suất cao, bộ biến tần ba bậc loại T đã được phát triển

Sự quan tâm đến độ tin cậy của các thiết bị điện tử công suất ngày càng tăng Thiết

bị điện tử công suất là một trong những thành phần dễ bị tổn thương trong số các thành phần của bộ chuyển đổi điện tử Như các bài báo lỗi bán dẫn và hàn trong mô-đun thiết bị chiếm tổng cộng 34% lỗi của hệ thống chuyển đổi Theo một cuộc khảo sát dựa trên hơn

200 sản phẩm từ 80 công ty, khoảng 38% lỗi trong bộ chuyển đổi xảy ra do hư hỏng của các thiết bị điện

Nói chung, lỗi của thiết bị chuyển mạch có thể được phân thành hai trường hợp: một lỗi ngắn mạch và một lỗi mạch hở Một lỗi ngắn mạch có thể xảy ra do một số lý do như sai cổng điện áp, quá áp, khóa tĩnh / khóa động , và nhiệt độ cao Một lỗi ngắn mạch rất khó xử lý vì một dòng điện quá bất thường, có thể gây ra hư hỏng nghiêm trọng cho các

bộ phận khác được tạo ra trong một thời gian rất ngắn

Do đó, hầu hết các phương pháp phát hiện lỗi ngắn mạch và điều khiển khả năng chịu lỗi được dựa trên các mạch phần cứng Một lỗi mạch hở xảy ra do việc hở và nứt dây liên kết trong các mô-đun IGBT do chu kỳ nhiệt Lỗi cực gate cũng là một trong những nguyên nhân phổ biến của lỗi hở mạch Một lỗi hở mạch không gây ra thiệt hại nghiêm trọng so với lỗi ngắn mạch, nhưng nó sẽ làm giảm hiệu suất hoạt động của hệ thống Nó dẫn đến biến dạng dòng và có thể gây ra các vấn đề thứ cấp trong các thành phần khác

thông qua gây nhiễu và rung động Do đó, các phương pháp phát hiện lỗi hở mạch và điều khiển khả năng chịu lỗi là cần thiết trong các hệ thống điện tử công suất, đã có nhiều nghiên cứu về độ tin cậy của các hệ thống chuyển đổi năng lượng [6]-[7]-[8] đã được tiến hành đặc biệt cho việc phát hiện lỗi của các thiết bị chuyển mạch và điều khiển khả năng chịu lỗi

Do đó đề tài này phân tích hoạt động của bộ biến tần ba cấp T theo điều kiện lỗi khóa hở mạch và trình bày các phương pháp phát hiện lỗi và các phương pháp kiểm soát lỗi Khóa bị lỗi có thể được xác định bằng mức trung bình của dòng điện chuẩn và sự thay đổi của điện áp điểm trung tính Phương pháp chịu lỗi đề xuất được giải thích bằng cách chia thành hai trường hợp: khi lỗi khóa hở mạch xảy ra trong các khóa nửa cầu (Sx1 và Sx4) và trong các khóa trung tính (Sx2 và Sx3)

Phương pháp được đề xuất có thể cải thiện độ tin cậy của các hệ thống điện nhỏ như

hệ thống nghịch lưu PV, bộ chỉnh lưu PFC và hệ thống truyền động điện Kết quả mô phỏng và thử nghiệm xác nhận tính khả thi và độ tin cậy của các phương pháp được đề xuất

1.3 Phạm vi và phương pháp nghiên cứu

Gồm hai phần: mô phỏng và thực nghiệm

- Mô phỏng: Dùng các phần mềm chuyên dụng MATLAB/Simulink để mô phỏng bộ nghịch lưu ba bậc dạng T điều khiển tải ba pha RL bằng phương pháp điều chế vector không gian và sử dụng phương pháp điều chế vector không gian để điều khiển bộ nghịch lưu ba bậc dạng T khi một nhánh của bộ nghịch lưu bị sự cố hở mạch

- Thực nghiệm: mục đích nhằm kiểm chứng kết quả mô phỏng thông qua mạch điều khiển thực tế sử dụng Card DSP TMS320F28377S của hãng Ti với tải được sử dụng là tải ba pha RL

1.4 Ý nghĩa khoa học

- Dựa vào giải thuật điều chế vector không gian cho bộ nghịch lưu ba bậc dạng T

- Đề xuất phương pháp điều khiển để giải quyết vấn đề sự cố hở mạch một nhánh của bộ nghịch lưu ba bậc dạng T

- Thiết kế mô hình thực nghiệm có thể được ứng dụng cho các nghiên cứu về nghịch lưu

1.5 Ý nghĩa thực tiễn

- Kết quả nghiên cứu của đề tài là cơ sở cho việc phát triển và ứng dụng bộ nghịch lưu ba bậc dạng T vào việc chế tạo biến tần trong thực tế

1.6 Bố cục luận văn

Nội dung chính của luận văn được thể hiện qua 7 chương

 Chương 1: Giới thiệu tổng quan đề tài

 Chương 2: Bộ nghịch lưu ba bậc dạng T

 Chương 3: Kỹ thuật điều chế vector không gian cho bộ nghịch lưu ba bậc dạng T

 Chương 4: Phân tích bộ nghịch lưu ba bậc dạng T trong trường hợp hở mạch

 Chương 5: Phương pháp kiểm soát chịu lỗi cho bộ nghịch lưu ba bậc dạng T trong

sự cố hở mạch

 Chương 6: Thực hiện mô phỏng bộ nghịch lưu dạng T bằng phần mềm MATLAB/Simulink

 Chương 7: Thiết kế và tiến hành thực nghiệm bộ nghịch lưu dạng T

 Kết luận và đề xuất các hướng nghiên cứu tiếp theo

CHƯƠNG 2: BỘ NGHỊCH LƯU BA BẬC DẠNG T

2.1 Tổng quan về các bộ nghịch lưu

2.1.1 Giới thiệu về bộ nghịch lưu

Bộ nghịch lưu có chức năng chuyển đổi năng lượng từ nguồn điện áp một chiều không đổi sang dạng năng lượng điện áp xoay chiều để cung cấp và điều khiển cho tải xoay chiều ở ngõ ra [1] Nguồn điện áp một chiều cung cấp cho bộ nghịch lưu có thể là pin, acquy hoặc nguồn điện áp xoay chiều được chỉnh lưu và lọc nhiễu

Trong bộ nghịch lưu áp các linh kiện có khả năng kích đóng và kích ngắt dòng điện qua nó, nên nó đóng vai trò như một khóa công tắc Trong các ứng dụng công suất vừa và nhỏ, ta có thể sử dụng các khóa bán dẫn là BJT, MOSFET, IGBT và ở phạm vi công suất lớn có thể sử dụng GTO, IGCT hay SCR kết hợp với bộ chuyển mạch

Mỗi khóa trang bị một diode mắc đối song với nhau Các diode mắc đối song tạo thành mạch chỉnh lưu cầu không điều khiển có chiều dẫn điện ngược với chiều dẫn điện của các khóa Nhiệm vụ của bộ chỉnh lưu cầu diode là tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình trao đổi công suất ảo giữa nguồn một chiều và tải xoay chiều, qua đó hạn chế quá điện áp phát sinh khi kích ngắt các khóa

2.1.2 Phân loại các bộ nghịch lưu

Dựa vào sự khác nhau của bộ nghịch lưu

 Theo điện áp đầu ra: ngõ ra là điện áp 1 pha và 3 pha

 Theo bậc của bộ nghịch lưu: 3 bậc, 5 bậc, 7 bậc…

 Theo phương pháp điều khiển: phương pháp điều chế độ rộng xung, phương pháp điều rộng xung cải biên, phương pháp vector không gian

Các mô hình của bộ nghịch lưu bao gồm: dạng diode kẹp NPC, dạng tụ điện thay đổi (Flying Capacitor), dạng cascade cầu

1 Bộ nghịch lưu dạng diode kẹp NPC

Hình 2.1: Bộ nghịch lưu diode kẹp NPC sáu bậc

Cấu tạo: Bộ nghịch lưu diode kẹp NPC được giới thiệu lần đầu bởi Nabae, Takahashi

và akagi vào năm 1981 Bộ nghịch lưu này sử dụng các diode kẹp giữa các cặp khoá kích đối nghịch với nhau, điện áp DC được tạo nên từ chỉnh lưu nguồn điện AC và được phân chia thành các điện áp nhỏ hơn nhờ chuỗi các tụ điện mắc nối tiếp với nhau [1]

Ứng dụng: Do việc cân bằng điện áp giữa các tụ điện và điện áp ngược trên diode

khó khăn Nên chỉ thông dụng bộ nghịch lưu 3 bậc NPC

 Các tụ điện nạp xả thiếu chính xác làm sai lệch giá trị ở ngõ ra Do vậy nên vấn

đề cân bằng điện áp trên các tụ điện cần được quan tâm

 Điện áp ngược đặt lên các diode không đồng đều (khi số bậc lớn hơn 3) dẫn đến không khả thi khi tăng số bậc của biến tần đa bậc lên Hiện nay có các kỹ thuật mới như nối chuỗi các diode chịu áp ngược thấp hay thay đổi cấu hình để phù hợp với mức chịu đựng của diode

 Khi ta nâng số bậc, thì đồng thời số lượng tụ điện tăng ,số lượng diode tăng theo làm mạch trở nên cồng kềnh và khó kiểm soát

2 Bộ nghịch lưu dạng tụ điện kẹp

Hình 2.2: Bộ nghịch lưu dạng tụ điện kẹp

Cấu tạo: Bộ nghịch lưu dạng tụ điện kẹp gồm các tụ điện ghép nối theo hình bậc

thang Nó cũng giống như trong cấu hình bộ nghịch lưu NPC, việc thay đổi các trạng thái đóng ngắt của các khoá dẫn đến thay đổi các điện áp ở ngõ ra

Ứng dụng: Bộ nghịch lưu dạng tụ điện kẹp cũng giống dạng diode kẹp được ứng

3 Bộ nghịch lưu cầu H dạng cascade

Hình 2.3: Bộ nghịch lưu cascade chín bậc

Cấu tạo: Gồm các bộ nghịch lưu cầu H nối cascade với nhau, và các bộ này có nguồn

DC riêng

Ứng dụng: Bộ nghịch lưu cascade được thiết kế để phù hợp với những ứng dụng

trong nguồn năng lượng tái tạo, năng lượng mới, hay những ứng dụng sử dụng pin.Trong đó, một chuỗi các pin riêng lẽ với mức điện áp DC bằng nhau được kết nối

với các khoá đóng ngắt IGBT theo cấu hình cầu H để tạo ra nguồn điện xoay chiều với công suất lớn cung cấp cho dân dụng hay lưới điện

Ưu điểm:

 Nó tạo ra số bậc điện áp lớn hơn gấp hơn hai lần số nguồn DC

 Do hệ thống nghịch lưu được ghép từ các bộ nghịch lưu cầu H đơn giản nên mạch dễ thi công thành các module nhỏ Nên dễ dàng cho việc sản xuất ,thay thế

và kiểm tra

Nhược điểm:

 Do yêu cầu các nguồn DC riêng biệt cho mỗi cầu H, do vậy làm giảm khả năng ứng dụng thực tế khi chỉ có một nguồn DC ( cần các bộ biến áp cách li lớn đi kèm trong thực tế dẫn đến cồng kềnh)

Bộ nghịch lưu ba bậc dạng T

2.2.

2.2.1 Cấu hình bộ nghịch lưu ba bậc dạng T

Hình 2.4: Cấu hình bộ nghịch lưu ba bậc dạng T

Cấu tạo

Dựa vào hình 2.4, bộ nghịch lưu ba bậc dạng T gồm:

Nguồn một chiều cung cấp cho bộ nghịch lưu có độ lớn VDC được phân chia thành các điện áp nhỏ hơn nhờ vào chuỗi hai tụ điện một chiều C1 và C2 mắc nối tiếp, giá trị điện

áp trên mỗi tụ là VDC1 và VDC2

Khối công suất gồm ba nhánh A, B, C nối ra tải ba pha Mỗi nhánh gồm có hai khóa công suất như mạch chỉnh lưu ba pha hai bậc truyền thống Để tăng số bậc điện áp ngõ ra, ba khóa công suất hai chiều được sử dụng để nối ngõ ra ba pha vào điểm giữa của nguồn DC [3]

Trong mỗi nhánh, hai khóa nối từ ngõ ra của tải đến cực dương và cực âm của nguồn một chiều gọi là khóa trên, kí hiệu là SX1, SX4 và hai khóa còn lại mắc nối tiếp với nhau và ngược cực nhau gọi là khóa trung tính, ký hiệu là SX2, SX3, với X = a, b, c

 Bộ nghịch lưu dạng T bao gồm hai IGBT nửa cầu và hai IGBT điểm trung tính

Bộ nghịch lưu dạng T sử dụng một khóa để chặn điện áp DC đầy đủ trong nửa cầu Không giống như các khóa nửa cầu, các khóa điểm trung tính chỉ phải chặn một nửa của điện áp DC liên kết Do đó, có thể sử dụng IGBT có điện áp thấp hơn

 So với bộ nghịch lưu NPC sử dụng hai khóa ghép nối tiếp với nhau để chặn điện

áp DC đầy đủ thì bộ nghịch lưu dạng T sử dụng một khóa duy nhất để chặn điện

áp DC đầy đủ Do đó, tổn thất dẫn truyền của bộ nghịch lưu dạng T được giảm đáng kể so với bộ nghịch lưu NPC

 So với bộ nghịch lưu NPC thì bộ nghịch lưu dạng T giảm 6 diode nên tổng tổn thất của bộ nghịch lưu dạng T là thấp nhất trong số các bộ nghịch lưu loại thông thường trong các tần số chuyển mạch trung bình (4 ~ 30 kHz)

Nhược điểm: Giống như các bộ nghịch lưu khác bộ nghịch lưu dạng T cũng có

những nhược điểm như

 Tụ điện nạp xả thiếu chính xác làm sai lệch giá trị ở ngõ ra Do vậy vấn đề cân bằng điện áp trên các tụ điện cần được quan tâm

 Khi nâng số bậc bộ nghịch lưu, thì số lượng linh kiện tăng làm mạch cồng kềnh, khó kiểm soát

2.2.2 Trạng thái đóng ngắt

Gọi điện áp ngõ ra pha X so với mass nguồn DC là VX 0 (điện áp pha – mass nguồn DC)

và hiệu điện áp ngõ ra pha X với điện áp tại N là VXN (điện áp pha – tâm nguồn DC) Gọi trạng thái đóng ngắt của khóa công suất là KXj

Xj Xj

- Các khóa trên đều ngắt: KX1 KX 2 0 thì điện áp VX 0 0

- KX1 0, KX 2 1 thì điện áp X0 VDC

V

2



- Các khóa trên đều đóng: KX1KX 2 1 thì điện áp VX 0 VDC

Tổng quát, ta có thể xác định điện áp ngõ 1 pha so với mass nguồn DC theo công thức:

Trạng thái [P] biểu thị hai khóa trên cùng đóng và điện áp XN VDC

 , dựa trên cơ sở

đó mà bộ nghịch lưu này là bộ nghịch lưu ba bậc Ba điện áp pha – tâm nguồn DC VAN,

BN

V , VCN là ba pha cân bằng, hai pha bất kỳ lệch nhau một góc 2

3

 Điện áp dây

Bộ nghịch lưu ba bậc dạng T có các đặc điểm sau:

- Mỗi khóa công suất trong bộ nghịch lưu chỉ chịu được điện áp VDC

2 trong quá trình chuyển mạch

- Giảm THD và dv dt / trên linh kiện: điện áp dây ngõ ra của bộ nghịch lưu có năm mức điện áp điều này làm giảm THD và dv dt / so với bộ nghịch lưu hai bậc hoạt động ở cùng mức điện áp ngõ vào và tần số đóng ngắt

CHƯƠNG 3: KỸ THUẬT ĐIỀU CHẾ VECTOR KHÔNG GIAN

CHO BỘ NGHỊCH LƯU BA BẬC DẠNG T

3.1 Giới thiệu

Kỹ thuật điều chế vector không gian (Space vector PWM – SVPWM hoặc Space vector modulation) đầu tiên xuất hiện từ các ứng dụng của vector không gian trong máy điện xoay chiều, sau đó được mở rộng triển khai trong các hệ thống điện ba pha Phương pháp điều chế vector không gian và các dạng cải biến mới, giải thuật chủ yếu dựa vào kỹ thuật số và là các phương pháp được sử dụng phổ biến nhất hiện nay trong lĩnh vực điện

tử công suất liên quan đến điều khiển các đại lượng xoay chiều ba pha như điều khiển truyền động điện xoay chiều, điều khiển các thiết bị công suất trên hệ thống truyền tải điện

3.1.1 Khái niệm về vector không gian và phép biến đổi vector không gian

Cho đại lượng ba pha v a, v b, v c:

gọi là phép biến đổi vector không gian và đại lượng vector V

được gọi là vector không gian của đại lượng ba pha

3.1.2 Vector không gian của bộ nghịch lưu ba bậc dạng T:

Đóng ngắt các khóa công suất trong các nhánh pha của mạch nghịch lưu tạo ra điện

áp pha tải với vector không gian của nó thay đổi nhảy cấp trên hình lục giác đa bậc Với

bộ nghịch lưu ba bậc sẽ có 27 trạng thái đóng ngắt khác nhau

Việc đóng ngắt một trạng thái được mô tả qua tổ hợp trạng thái (SA, SB, SC) với SX = N,

O, P là trạng thái đóng ngắt tương ứng với pha X và thỏa

 

2 2

( , , )

2 /3 DC

Bảng 3.1: Trạng thái đóng ngắt và độ lớn của vector không gian

Vector không gian

Trạng thái đóng ngắt Loại vector

Độ lớn vector

0

Vector không 0 (OOO)

Ta chia làm bốn nhóm dựa vào độ lớn điện áp của vector không gian:

- Vector không (Zero vector) V0

đại diện cho ba trạng thái (PPP), (OOO) và (NNN), độ lớn của V0

vector nhỏ có hai trạng thái đóng ngắt

- Vector trung bình (Medium vectors) gồm 6 vector (V7

đến V12

) có độ lớn bằng 3 DC

V 3

- Vector lớn (Large vectors) gồm 6 vector (V13

đến V18

) có độ lớn bằng 2 DC

V

3

Trên hình lục giác chứa vector không gian của bộ nghịch lưu ba bậc, ta chia hình lục giác

thành 6 tam giác đều lớn có chung một đỉnh là tâm của hình lục giác (I đến VI) Trong mỗi tam giác đều lớn, ta lại chia thành 4 tam giác đều nhỏ (1 đến 4), mỗi tam giác được

giới hạn bởi các vector không gian và được ký hiệu như trong hình 3.2

Với 27 trạng thái đóng ngắt các khóa công suất ứng với 19 vị trí vector không gian của vector điện áp tạo thành, bao gồm 12 vector nằm trên đỉnh và trung điểm của hình lục giác lớn bao ngoài, sáu vector điện áp nằm trên sáu đỉnh của hình lục giác bên trong và vector không tại tâm hình lục giác bên trong, tồn tại hai trạng thái đóng ngắt khác nhau của linh kiện nhưng lại có chung vị trí vector không gian Ngoài ra, tồn tại ba trạng thái đóng ngắt khác nhau cho cùng vị trí vector không được biểu diễn trong hình 3.2

Hình 3.2: Vector không gian và trạng thái đóng ngắt của bộ nghịch lưu ba bậc

3.2 Phương pháp điều chế vector không gian (SVPWM)

Phương pháp điều chế vector không gian tạo nên từ sự dịch chuyển liên tục của các vector không gian tương đương trên quĩ đạo đường tròn của vector điện áp bộ nghịch lưu, tương

tự như trường hợp vector không gian của đại lượng sin ba pha tạo được Với sự dịch chuyển đều đặn của vector không gian trên quĩ đạo tròn, các sóng hài bậc cao được loại

bỏ và quan hệ giữa tín hiệu điều khiển và biên độ áp ra trở nên tuyến tính

Gọi vector không gian tương đương trên quĩ đạo đường tròn của vector điện áp bộ nghịch lưu là vector tham chiếu V ref

quay trong không gian với vận tốc góc

Khi vector tham chiếu V ref

quay một vòng trong không gian, điện áp ngõ ra tức thời của

bộ nghịch lưu thay đổi theo thời gian trong chu kỳ Tần số ngõ ra của bộ nghịch lưu tương đương với tốc độ quay của Vref

Bước 1:

-Xác định vị trí của vector tham chiếu V ref

và ba vector không gian gần V ref

Hình 3.3: Hình vector m1 và m2 của V ref

trong một tam giác đều lớn Chiếu V ref

lên hai cạnh của tam giác ta được m1 và m2 như hình 3.3.a)

Theo như hình 3.3.b) ta tính được

2

2 sin 3

Sau khi tính được m1 và m2, ta dựa vào bảng 3.3 để xác định V ref

ở tam giác đều nhỏ nào trong tam giác đều lớn mà ta đã xác định được dựa vào góc lệch 

Khi đã xác định được vị trí của V ref

, từ đó xác định được ba vector không gian gần nhất của V ref

, là ba vector đỉnh của tam giác đều nhỏ chứa V ref

Bước 2:

-Xác định thời gian tác dụng Ta, Tb, Tc của từng vector không gian được chọn

Cách xác định thời gian tồn tại của từng vector ta dựa vào: Tích của vector tham chiếu

và V1

tác dụng trong khoảng thời gian Ta, V7

tác dụng trong khoảng thời gian Tb, V2 tác dụng trong khoảng thời gian Tc

Hình 3.4: Vector không gian và thời gian tồn tại của chúng

ref a

V