ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA QUÁCH THANH HẢI NGHIÊN CỨU KỸ THUẬT ĐIỀU CHẾ ĐỘ RỘNG XUNG ĐIỀU KHIỂN TỐI ƯU NGHỊCH LƯU ĐA BẬC LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT TP.HỒ CHÍ MINH– 2013 i 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 án là trung thực và 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 tại liệu tham khảo đúng theo yêu cầu. Tác giả luận án Quách Thanh Hải ii TÓM TẮT LUẬN ÁN Nội dung chính của luận án là nghiên cứu đề xuất các giải thuật điều chế độ rộng xung tối ưu để giảm tổn hao do chuyển mạch trong mạch nghịch lưu đa bậc, nhằm góp phần đáp ứng nhu cầu tiết kiệm năng lượng trong tình hình hiện nay và đảm bảo khống chế các phát sinh không mong muốn trên mạng điện như sự tăng độ méo hài tổng (THD), biên độ điện áp common mode Trên cơ sở nghiên cứu, luận án đã đề xuất 6 giải thuật điều chế độ rộng xung với hàm mục tiêu tối ưu khác nhau. Trong đó ba giải thuật tối ưu nhằm giảm tổn hao và sai biệt điện áp điều khiển là cực tiểu, hai giải thuật tối ưu để triệt tiêu điện áp common mode và sai biệt điện áp điều khiển là cực tiểu, một giải thuật có tính chất phối hợp để khống chế sai biệt điện áp điều khiển nhỏ nhất và tối ưu giảm tổn hao. Cả 6 giải thuật đã được phân tích, tính toán, xác định các đặc điểm riêng của chúng và được kiểm chứng qua mô phỏng và thực nghiệm. Đặc điểm của các giải thuật đề xuất là chúng được xây dựng trên các hàm toán học không phức tạp. Đặc biệt do không sử dụng bảng tra nên các giải thuật trên không chiếm nhiều bộ nhớ và có thể áp dụng cho nhiều cấu trúc nghịch lưu khác nhau. Vì vậy khả năng áp dụng các giải thuật này trong thực tế là rất cao. iii ABSTRACT The main research contented of the thesis is proposal of the optimal pulse-width modulation to reduce the switching losses in the multi-level inverter. This can effectively contribute in a energy economy and control unexpected arises on the electrical network, such as an increase in the Total Harmonic Distortion (THD), amplitude voltage common mode In the research, six pulse width modulation algorithms with the different optimization objective functions are proposed. That included three optimization algorithms to reduce the losses and the minimum controlled voltage difference, two optimal algorithms to eliminate the common mode voltage and the minimum controlled voltage difference and one mixed algorithm to control the smallest difference voltage and to reduce losses. All six algorithms have been analyzed, calculated, indicated their characteristics and verified by the simulation and experiment. The features of the proposed algorithms are uncomplicated mathematical functions. There are no using tables that the algorithm does not take a lot of memory and can be applied to many different structures of an inverter. As a result, the ability to apply them in practice is very high. iv LỜI CẢM ƠN Công trình nghiên cứu này được hoàn thiện là nhờ sự giúp đỡ tận tình và phối hợp của nhiều cơ quan, đơn vị, các cơ sở sản xuất, các đồng nghiệp và bạn bè. Tác giả luận án bày tỏ lời cảm ơn chân thành tới tất cả các tổ chức và cá nhân đã giúp đỡ và tạo điều kiện cho tác giả hoàn thành công trình nghiên cứu của mình. Trước hết tôi xin gửi đến Ban lãnh đạo Đại học Quốc gia Tp.Hồ Chí Minh, Ban giám hiệu trường Đại học Bách khoa, phòng Quản lý sau Đại học, Khoa Điện – Điện tử, Bộ môn Cung cấp điện, và Bộ môn Kỹ thuật điện sự kính trọng và lòng tự hào được học tập nghiên cứu tại đây trong những năm qua. Sự biết ơn sâu sắc nhất xin được dành cho: PGS.TS. Nguyễn Văn Nhờ, PGS.TS. Phan Quốc Dũng là hai người thầy hướng dẫn tận tình và động viên tôi trong suốt quá trình thực hiện luận án. Xin cảm ơn các thầy, cô Bộ môn Cung cấp điện, Khoa Điện – Điện tử, đã hết lòng giúp đỡ và tạo điều kiện cho tác giả thực hiện thành công luận án. Xin cảm ơn Ban giám hiệu Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật thành phố Hồ Chí Minh, các cô, thầy thuộc Khoa Điện – Điện tử và các đồng nghiệp trong trường đã tạo điều kiện cho tôi thực hiện tốt luận án. Đặc biệt cảm ơn em và gia đình đã tạo mọi điều kiện giúp anh thực hiện và hoàn thành luận văn. Cuối cùng xin được ghi nhớ tình cảm và sự giúp đỡ ấm áp của các các anh chị em trong phòng thí nghiệm Hệ thống năng lượng, các bạn nghiên cứu sinh, cao học những người luôn hỗ trợ, chia sẻ, động viên và tạo điều kiện giúp đỡ để hoàn thiện công trình nghiên cứu này. ¤ ۩ ¤ v MỤC LỤC MỞ ĐẦU 1 Mục tiêu của luận án 2 Nội dung và phạm vi nghiên cứu 2 Phương pháp nghiên cứu 3 Đóng góp mới về mặt khoa học của luận án 3 Ý nghĩa thực tiễn 3 Bố cục của luận án: 4 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ NGHỊCH LƯU ĐA BẬC 5 1.1Mạch nghịch lưu 2 bậc 5 1.2Nghịch lưu đa bậc kiểu diode kẹp 7 1.3Nghịch lưu đa bậc kiểu cascade (cascaded multilevel inverter) 10 1.4Nghịch lưu đa bậc kiểu lai (Hybrid mutilevel inverter) 14 1.4.1.Nghịch lưu đa bậc kiểu cascade diode kẹp 14 1.4.2.Nghịch lưu đa bậc kiểu cascade cầu H 16 1.5Kết luận chương 1 18 CHƯƠNG 2: CÁC THUẬT TOÁN ĐIỀU CHẾ TRONG NGHỊCH LƯU ĐA BẬC 20 2.1.Phương pháp điều chế độ rộng xung (sinPWM) 20 2.2.Phương pháp PWM cải biến (SFO-PWM) 23 2.3.Phương pháp điều chế vector không gian 25 2.4.Các nghiên cứu về giải thuật tối ưu trong nghịch lưu đa bậc 28 CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ MÔ HÌNH THỰC NGHIỆM 32 3.1.Cấu trúc mô hình nghịch lưu 32 3.2.Module cầu H và mạch lái 34 3.3.Module nguồn chỉnh lưu 38 3.4.Kết quả chương 3 42 CHƯƠNG 4: GIẢI THUẬT ĐIỀU CHẾ TỐI ƯU GIẢM TỔN HAO DO SỰ CHUYỂN MẠCH VÀ CỰC TIỂU SAI SỐ VECTOR ĐIỀU KHIỂN 43 4.1.Giải thuật một vector cực tiểu sai số vector điều khiển 44 4.1.1.Nguyên lý giải thuật 44 4.1.2.Lưu đồ giải thuật 47 4.1.3.Khảo sát và đánh giá giải thuật 48 4.2.Giải thuật hai vector với sai biệt điện áp điều khiển là cực tiểu 58 4.2.1.Nguyên lý giải thuật 59 4.2.2.Lưu đồ giải thuật 62 4.2.3.Khảo sát và đánh giá giải thuật 64 4.3.Giải thuật ba vector 70 4.3.1.Nguyên lý giải thuật 70 4.3.2.Lưu đồ giải thuật 72 4.3.3.Khảo sát và đánh giá giải thuật 73 4.4.Kết luận chương 4 78 CHƯƠNG 5: GIẢI THUẬT ĐIỀU CHẾ TỐI ƯU GIẢM TỔN HAO DO SỰ CHUYỂN MẠCH, TRIỆT TIÊU ĐIỆN ÁP COMMON MODE, CỰC TIỂU SAI SỐ ĐIỆN ÁP ĐIỀU KHIỂN 80 5.1.Khái niệm về điện áp common mode 80 5.2.Giải thuật một vector triệt tiêu điện áp common mode 82 5.2.1.Nguyên lý giải thuật 82 5.2.2.Lưu đồ giải thuật 85 5.2.3.Khảo sát và đánh giá giải thuật 87 vi 5.3.Giải thuật 3 vector triệt tiêu điện áp common mode và giảm tổn hao 96 5.3.1.Nguyên lý giải thuật 96 5.3.2.Lưu đồ giải thuật 101 5.3.3.Khảo sát và đánh giá giải thuật 102 5.4.Kết luận chương 5 107 CHƯƠNG 6: GIẢI THUẬT PHỐI HỢP GIẢM TỔN HAO DO SỰ CHUYỂN MẠCH VÀ KHỐNG CHẾ SAI BIỆT ĐIỆN ÁP ĐIỀU KHIỂN 108 6.1.Nguyên lý giải thuật 108 6.2.Lưu đồ giải thuật 112 6.3.Khảo sát và đánh giá giải thuật 114 6.4.Kết luận chương 6 126 KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ 127 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH CỦA TÁC GIẢ 130 TÀI LIỆU THAM KHẢO 131 vii DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH viii DANH MỤC BẢNG BIỂU ix DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT NPC: Neutral Point clamped Multilevel Inverter - Nghịch lưu đa bậc kiểu diode kẹp THD: Total Harmonic Distortion - Tổng méo dạng do sóng hài. THDn: Tổng méo dạng do sóng hài tính đến hài bậc n. HMI: Hybrid mutilevel inverter - Nghịch lưu đa bậc kiểu lai CMH : Cascaded multilevel H-bridge inverter - Nghịch lưu kiểu cascade cầu H. DPWM: Điều chế độ rộng xung gián đoạn. minCM: offset minimum common mode. midCM: offset mdeimum common mode. PD: In Phase Disposition - sóng mang dạng tam giác bố trí cùng pha. APOD: Alternative Phase Opposition Disposition - sóng mang dạng tam giác bố trí dịch pha 180 o . POD: Phase opposition Disposition - sóng mang dạng tam giác bố trí đối xứng qua trục zero. x [...]... về nghịch lưu đa bậc; những vấn đề chủ yếu về cấu trúc mạch nghịch lưu đa bậc bao gồm nghịch lưu chuẩn và nghịch lưu lai  Chương 2, Các giải thuật điều chế trong nghịch lưu đa bậc; những thuật toán về điều chế với nghịch lưu đa bậc hiện tại  Chương 3, Thiết kế chế tạo cấu hình nghịch lưu phục vụ cho nghiên cứu, khảo sát và đánh giá các giải thuật điều chế cho nghịch lưu đa bậc  Chương 4, Giải thuật. .. giải thuật được trình bày các nội dung: Nguyên lý giải thuật; Lưu đồ giải thuật; Các kết quả mô phỏng và thực nghiệm; Phân tích và đánh giá giải thuật 4 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ NGHỊCH LƯU ĐA BẬC 1.1 Mạch nghịch lưu 2 bậc Mạch nghịch lưu đa bậc được xây dựng trên cơ sở của nghịch lưu 3 pha 2 bậc và nghịch lưu cầu 1 pha (hình 1.1 a, b) Hình 1.1: Mạch nghịch lưu 3 pha 2 bậc (a) và 1 pha cầu H (b) Mạch nghịch. .. giải thuật điều chế sóng mang, luận án đã tiến hành nghiên cứu, tổng hợp và đưa ra những nhận định đánh giá về tối ưu hóa trong việc giảm tổn hao do chuyển mạch, triệt tiêu điện áp common mode, khống chế sai biệt điện áp điều khiển trong mạch nghịch lưu đa bậc 2 Đề xuất sáu giải thuật điều chế sóng mang với các hàm tối ưu hóa giảm tổn hao do chuyển mạch trong nghịch lưu đa bậc, đồng thời khống chế sai... tượng phát sinh điện áp common mode, nguyên nhân gây ra một số hiện tượng làm sớm lão hóa động cơ [15] Các giải thuật điều chế cho bộ nghịch lưu đa bậc gồm: • Phương pháp điều chế độ rộng xung • Phương pháp điều chế độ rộng xung cải biến • Phương pháp điều chế vector không gian 2.1 Phương pháp điều chế độ rộng xung (sinPWM) Phương pháp còn có tên Subharmonic PWM (SH-PWM) hoặc Multilevel Carrier based... có thể thấy mạch nghịch lưu đa bậc kiểu cascade chuẩn cũng có thể biểu diễn toán học như mạch nghịch lưu đa bậc kiểu diode kẹp chuẩn So sánh công thức tính số khóa chuyển mạch phải sử dụng trong hai dạng mạch nghịch lưu sẽ dễ dàng nhận thấy chúng là như nhau nếu cùng số bậc nghịch lưu tuy nhiên mạch nghịch lưu kiểu cascade ít diode hơn do không cần các diode kẹp 1.4 Nghịch lưu đa bậc kiểu lai (Hybrid... cấu trúc chính của các bộ truyền động mới là mạch nghịch lưu Bằng cách nghiên cứu phát triển các cấu trúc và các phương pháp điều khiển mạch nghịch lưu chúng ta có nhiều bộ truyền động khác nhau tối ưu hơn Ngày nay, bộ nghịch lưu đa bậc (multilevel inverter) với những ưu điểm vượt trội của nó được phát triển để giải quyết các vấn đề hạn chế của bộ nghịch lưu áp hai bậc và thường được sử dụng cho các... tăng độ méo hài tổng (THD), biên độ điện áp common mode Nội dung và phạm vi nghiên cứu Về lý thuyết, đề tài sẽ tiến hành nghiên cứu các giải thuật nghịch lưu nhằm thực hiện khả năng giảm tổn hao do sự chuyển mạch, triệt tiêu điện áp common mode… trong nghịch lưu đa bậc Từ các nghiên cứu trên luận án đề xuất thuật toán điều khiển tối ưu giảm tổn hao do sự chuyển mạch, cực tiểu sai biệt điện áp điều khiển ... nhưng có nhiều ưu điểm về giảm linh kiện công suất (với 18 cùng số bậc nghịch lưu) nên sẽ được áp dụng nhiều khi cần mạch nghịch lưu với số bậc lớn 19 CHƯƠNG 2: CÁC THUẬT TOÁN ĐIỀU CHẾ TRONG NGHỊCH LƯU ĐA BẬC Do nghịch lưu đa bậc có phạm vi hoạt động chủ yếu với tải công suất lớn nên vấn đề giảm bớt tần số đóng ngắt và giảm sốc điện áp trên linh kiện công suất có ý nghĩa quan trọng Các thuật toán cố... biệt điện áp điều khiển và triệt tiêu điện áp common mode 3 Thiết kế chế tạo mô hình thực nghiệm có thể được ứng dụng cho các nghiên cứu về nghịch lưu Ý nghĩa thực tiễn 1 Xác định được các giải thuật điều chế sóng mang với các hàm tối ưu giảm tổn hao do sự chuyển mạch, tối ưu triệt tiêu điện áp common mode, cực tiểu sai số điện áp điều khiển trong mạch nghịch lưu đa bậc Kết quả nghiên cứu là cơ sở... thể xem mỗi pha của nghịch lưu đa bậc kiểu cascade gồm nhiều bộ nghịch lưu cầu một pha ghép nối tiếp, các bộ nghịch lưu áp dạng cầu một pha này có các nguồn một chiều riêng [10, 23, 25] 10 Hình 1.4: Cấu trúc nghịch lưu cascade 5 bậc Bằng cách kích đóng các khóa công suất trong mỗi bộ nghịch lưu áp một pha, ba mức điện áp (-u, 0, u) được tạo thành Sự kết hợp hoạt động của p bộ nghịch lưu áp trên một nhánh . về nghịch lưu đa bậc; những vấn đề chủ yếu về cấu trúc mạch nghịch lưu đa bậc bao gồm nghịch lưu chuẩn và nghịch lưu lai.  Chương 2, Các giải thuật điều chế trong nghịch lưu đa bậc; những thuật toán. thuật toán về điều chế với nghịch lưu đa bậc hiện tại.  Chương 3, Thiết kế chế tạo cấu hình nghịch lưu phục vụ cho nghiên cứu, khảo sát và đánh giá các giải thuật điều chế cho nghịch lưu đa bậc. . MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA QUÁCH THANH HẢI NGHIÊN CỨU KỸ THUẬT ĐIỀU CHẾ ĐỘ RỘNG XUNG ĐIỀU KHIỂN TỐI ƯU NGHỊCH LƯU ĐA BẬC LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT TP.HỒ CHÍ MINH– 2013 i LỜI