BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP.HCM

---------------

LÊ HOÀI THANH

NGHIÊN CỨU NGHỊCH LƯU ĐA BẬC

LUẬN VĂN THẠC SĨ
Chuyên ngành: KỸ THUẬT ĐIỆN
Mã ngành: 60520202

Tp Hồ Chí Minh 11/2015


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP.HCM

---------------

LÊ HOÀI THANH

NGHIÊN CỨU NGHỊCH LƯU ĐA BẬC

LUẬN VĂN THẠC SĨ
Chuyên ngành: KỸ THUẬT ĐIỆN
Mã ngành: 60520202
Cán bộ hướng dẫn khoa học : PGS.TS NGUYỄN THANH PHƯƠNG

Tp Hồ Chí Minh 11/2015

CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP. HCM
Cán bộ hướng dẫn khoa học : PGS. TS NGUYỄN THANH PHƯƠNG

Luận văn Thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại Học Công nghệTP. HCM ngày
… tháng … năm 2015
Thành phần Hội đồng đánh giá Luận văn Thạc sĩ gồm:
T
T
1T
S.
2T
S.
3P
G
4P
G
5T
S.

C
h
P
bi
P
bi
Ủ
v

Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá Luận sau khi Luận văn đã được

sửa chữa (nếu có).
Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV


TRƯỜNG ĐH CÔNG NGHỆ TP.HCM

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

PHÒNG QLKH – ĐTSĐH

Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ tên học viên: LÊ HOÀI THANH

Giới tính: NAM

Ngày, tháng, năm sinh: 21/10/1975

Nơi sinh: LONG AN

Chuyên ngành:KỸ THUẬT ĐIỆN

MSHV:1341830060

I- Tên đề tài:
NGHIÊN CỨU NGHỊCH LƯU ĐA BẬC
II- Nhiệm vụ và nội dung:

Nhiệm vụ
Từ việc nghiên cứu tài liệu, đề tài cần mạch thực nghiệm để minh chứng cho
kết quả nghiên cứu, cho nên đề tài cần mô phỏng mạch. Từ đó lắp mạch thực
nghiệm cho thấy kết quả của quá trình nghiên cứu.
Nội dung

 Nghiên cứu các dạng mạch nghịch lưu.
 Nghiên cứu phương pháp điều chế.
 Phân tích mạch nghịch lưu 5 bậc dạng NPC
 Dùng phần mềm Matlab mô phỏng mạch nghịch lưu 5 bậc dạng NPC
 Lắp mạch thực nghiệm mạch nghịch lưu 5 bậc dạng NPC
 So sánh, đánh giá dạng sóng của mạch thực nghiệm so với kết quả mô
phỏng , từ đó phân tích, cải thiện mạch để sóng ngõ ra có dạng sin nhất
III- Ngày giao nhiệm vụ: (Ngày bắt đầu thực hiện LV ghi trong QĐ giao đề tài)
IV- Ngày hoàn thành nhiệm vụ: 25/12/2015
V- Cán bộ hướng dẫn:PGS. TS NGUYỄN THANH PHƯƠNG

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

KHOA QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH
(Họ tên và chữ ký)

PGS.TS NGUYỄN THANH PHƯƠNG


i

LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết
quả nêu trong Luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ

công trình nào khác.
Tôi xin cam đoan rằng mọi sự giúp đỡ cho việc thực hiện Luận văn này đã được
cảm ơn và các thông tin trích dẫn trong Luận văn đã được chỉ rõ nguồn gốc.
Học viên thực hiện Luận văn

LÊ HOÀI THANH


ii

LỜI CẢM ƠN
Trước hết, tôi xin chân thành cảm ơn Phòng Quản Lý Khoa Học Và Đào Tạo
Sau Đại Học, Khoa Điện – Điện Tử, Trường Đại Học Công Nghệ TPHCM đã điều
kiện cho tôi được học tập, tiếp cận với khoa học kỹ thuật và được làm việc với Thầy
PGS. TS Nguyễn Thanh Phương đã nhiệt tình giúp đỡ tôi khi thực hiện đề tài luận
văn tốt nghiệp này.
Tôi chân thành cám ơn thầy, cô Trường Đại Học Công Nghệ tp HCM,
Trường Đại Học Bách Khoa tp HCM đã tận tình giảng dạy, trang bị cho tôi những
kiến thức quý báu trong khóa học vừa qua.
Xin chân thành cảm ơn các bạn học viên cùng khóa cũng đã giúp tôi trao đổi
kiến thức chuyên môn, tài liệu học tập...
Xin chân thành cảm ơn BGH, Thầy Cô Trường Cao Đẳng Nghề long an đã
tạo điểu kiện vể thời gian, thiết bị nghiên cứu để tôi hoàn thành luận văn này.
Mặc dù tôi đã cố gắng hoàn thành luận văn trong phạm vi và khả năng cho
phép nhưng chắc chắn không tránh khỏi những thiếu sót. Tôi kính mong nhận được
sự thông cảm và đóng góp ý kiến quý báo của quý thầy cô và các bạn đồng nghiệp
để luận văn được hoàn thiện tốt hơn.
Xin cám ơn.



3

TÓM TẮT
Ngày nay, với sự phát triển mạnh mẽ của điện tử công suất nên việc chế tạo
các linh kiện điện tử công suất lớn không còn trở ngại. Các linh kiện công suất có
điện áp làm việc đến hàng nghìn vôn, công suất đến hàng kw.
Trong công nghiệp, nhất là trong kỹ thuật truyền động đòi hỏi điều chỉnh tốc
độ động cơ phải chính xác, thiết bị nhỏ gọn, tổn thất ít điện năng, đạt hiệu quả cao.
Nguồn cấp cho động cơ được đưa vào mạch chỉnh lưu, bộ nghịch lưu để biến đổi
nguồn một chiều thành nguồn xoay chiều cung cấp cho động cơ. Với bộ nghịch lưu
này ta có thể điều khiển được tần số của chúng nên tần số ngõ ra thay đổi làm tốc độ
động cơ sẽ thay đổi theo
Bộ nghịch lưu là bộ phận chủ yếu của bộ biến tần, ngoài ra bộ nghịch lưu
còn rất nhiều ứng dụng khác như máy hàn điện tử, bộ nghịch lưu nguồn trong hệ
thống pin mặt trời, nguồn UPS ....
Bộ nghịch lưu càng được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp cũng như trong
đời sống, tiêu chuẩn để đánh giá chất lượng của bộ nghịch lưu là dạng sóng ngõ ra
phải càng giống sin càng tốt. Xuất phát từ yêu cầu trên luận văn tập trung vào việc
nghiên cứu các dạng mạch nghịch lưu, phương pháp điều chế dạng sóng, sau đó
dùng phần mềm Matlab để mô phỏng để từ đó điều chỉnh thông số của mạch sao
cho kết quả ngõ ra của mạch nghịch lưu là tốt nhất. Trong luận văn này, tập trung
nghiên cứu, khảo sát và lắp mạch thực nghiệm dạng NPC 5 bậc, từ đó đánh giá
được kết quả nghiên cứu và các biện pháp khắc phục để dạng sóng ngõ ra đạt yêu
cầu


4

ABSTRACT
Nowadays, with the strong development of power electronics to the

manufacture of electronic components power no longer obstacles. The power
electronics work with working voltages up to thousands of voltages, power up to
hundreds kW .
In industry, especially in technical control require adjusting the motor speed
to be accurate, compact, low power loss, high efficiency. The power of the motor is
put into rectifier, inverters convert the direct current into alternating current power
supply to the motor. With this inverter, we can control the frequency of the output
frequency, we should change the engine speed
Inverters are an important component of the inverter, inverter in addition
there are many other applications such as electronic welding machines, power
inverters in solar systems, UPS power ....
Inverter has been widely used in industry as well as in life, the criteria for
assessing the quality of the inverter output waveform to be as similar as possible
sin. Starting from the requirements on, thesis focuses on the study of the form
inverter circuit, waveform modulation methods, then use Matlab software simulate
so that adjustment of circuit parameters that result lane out of the best inverter
circuit. In this thesis, focused research, survey and experimental circuit assembly
NPC form 5 places, from which evaluate research results and the corrective
measures to waveform output desired unsatisfactory


5

MỤC LỤC
Lời cam đoan............................................................................................................... i
Lời cảm ơn ..................................................................................................................ii
Tóm tắt ..................................................................................................................... iii
Mục lục........................................................................................................................ v
Danh mục các từ viết tắt.............................................................................................vi
Danh mục các biểu đồ, đồ thị, sơ đồ, hình ảnh .........................................................vii


Chương 0 Mở đầu ............................................................................................ 1
1.1 Tỏng quan lĩnh vực nghiên cứu ................................................. 1
1.2. Tính cấp thiết của đề tài, ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài ...........
3
1.3. Mục đích của đề tài ............................................................................ 4
1.4. Nhiệm vụ và giới hạn của đề tài: ....................................................... 5
1.5. Phương pháp nghiên cứu ................................................................... 5
1.6. Điểm mới của đề tài:......................................................................... 6
1.7. Giá trị thực tiễn của đề tài:................................................................. 6

Chương I. Tổng quan về nghịch lưu và nghịch lưu đa bậc ............................... 7
1. Sự cần thiết của bộ nghịch lưu ..................................................................... 7
2. Bộ nghịch lưu............................................................................................... 9
2.1 Bộ nghịch lưu trực tiếp .................................................................. 9
2.2. Bộ nghịch lưu gián tiếp ........................................................................ 13
3.Bộ nghịch lưu đa bậc ....................................................................................... 18
3.1 Giới thiệu ....................................................................................... 18
3.2 Phân tích bộ nghịch lưu áp đa bậc ........................................................ 27
Chương II. Kỹ thuật điều chế .................................................................................. 32
1.Phương pháp điều chế sóng mang .................................................. 32
1.1 Phương pháp điều chế độ rộng xung sin ........................................... 32
1.2. Phương pháp điều chế độ rộng xung cải biến .................................. 34
2. Điều chế vectơ không gian PWM ........................................................... 35
2.1 Khái niệm vectơ không gian ..................................................... 35
2.2 Vector không gian của bộ nghịch lưu áp đa bậc ............................... 36
Chương III. Kết quả mô phỏng .............................................................................. 44


6


1.Giới thiệu Matlab..................................................................................... 44
2.Mô hình hóa mạch.................................................................................... 45
3. Kết quả mô phỏng ............................................................................ 47
Chương IV. Kết quả thực nghiệm ........................................................................... 52
1. Giới thiệu kit STM32F4 ............................................................................. 52
2. Sơ đồ mạch động lực................................................................................... 59
3. Kết quả thực nghiệm ........................................................................... 64
Chương V. Đánh giá và hướng phát triển đề tài .................................................... 65
Tài liệu tham khảo..................................................................................................... 66


vii

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
DSP

: Digital Signal Processor

IGBT

: Insulated Gate Bipolar Transistor

PLL

: Phase Locked Loop

PWM

: Pulse-Width Modulation


SVM

: Space Vector Modulation

SPWM : Space vector Pulse-Width Modulation


8

DANH MỤC CÁC BIỂU ĐỒ, ĐỒ THỊ, SƠ ĐỒ, HÌNH ẢNH
Hình 1.1 Biểu diễn khoảng dẫn của các van bán dẫn và dòng điện của nguồn cấp.. 10
Hình 1.2 Mạch nghịch lưu trực tiếp. .........................................................................12
Hình 1.3 Sơ đồ bộ nghịch lưu gián tiếp. ................................................................... 14
Hình 1.4 Các dạng mạch nghịch lưu ......................................................................... 14
Hình 1.5 Mạch nghịch lưu dòng ............................................................................... 15
Hình 1.6 Mạch nghịch lưu 3 pha

...........................................................................16

Hình 1.7 Mạch nghịch lưu dòng 3 pha...................................................................... 17
Hình 1.8 Mạch nghịch lưu NPC................................................................................21
Hình 1.9 Nghịch lưu đa bậc dạng dùng tụ điện thay đổi ......................................... 22
Hình 1.10 Dạng Cascade Inverter...........................................................................24
Hình 1.11 Dạng Cascade Inverter dùng biến áp.......................................................25
Hình 1.12 Nghịch lưu 5 bậc NPC 3 pha.................................................................... 27
Hình 1.13 Nghịch lưu 5 bậc NPC 1 pha ................................................................. .30
Hình 2.1 Quan hệ giữa biên độ sóng mang và sóng điều khiển................................ 33
Hình 2.2 Quan hệ giữa biên độ sóng mang và sóng điều khiển................................ 35
Hình 2.3 Nghịch lưu áp 5 bậc dạng cascade ............................................................. 37

Hình 2.4 Vector không gian của điều chế đa bậc...................................................... 39
Hình 2.5 Nguyên lý điều chế vector không gian....................................................... 40
Hình 3.1 Mạch mô phỏng bộ nghịch lưu 5 bậc NPC ................................................ 46
Hình 3.2 Dạng sóng xung kích IGBT pha A............................................................ .47
Hình 3.3 Dạng sóng xung kích IGBT pha B ............................................................. 47
Hình 3.4 Dạng sóng xung kích IGBT pha C ............................................................. 48
Hình 3.5 Dạng sóng điều khiển sin và sóng mang tam giác ..................................... 48
Hình 3.6 Điện áp 3 pha - tâm nguồn DC .................................................................. 49
Hình 3.7 Điện áp pha tải 3 pha.................................................................................. 49
Hình 3.8 Điện áp pha tải sau khi qua bộ lọc thông thấp ........................................... 50
Hình 3.9 Dòng điện tải 3 pha .................................................................................... 50
Hình 4.1 Biểu đồ sự phát triển dòng ARM...............................................................52
Hình 4.2 Ứng dụng của STM .................................................................................... 52


9

Hình 4.3 Cấu trúc của STM32F4 .............................................................................. 54
Hình 4.4 Kit STM32F4 ............................................................................................. 55
Hình 4.5 Sơ đồ bố trí của STM32F4. ........................................................................ 56
Hình 4.6 Sơ đồ mạch động lực..................................................................................59
Hình 4.7 Sơ đồ mạch in mạch động lực....................................................................60
Hĩnh 4.8 Mạch Kit STM32F4.................................................................................. . 61
Hình 4.9 Mạch đệm xung kích..................................................................................61
Hình 4.10 Mạch nguồn cấp mạch động lực .............................................................. 62
Hình 4.11 Mạch công suất 1 pha.............................................................................. .62
Hình 4.12 Sơ đồ kết nối của mạch nghịch lưu.... ......................................................63
Hình 4.13 Sơ đồ kết nối của mạch nghịch lưu kết nối với tải...................................62
Hình 4.14 Dạng sóng kích pha A.. .......................................................................... .64



1

CHƯƠNG 0 MỞ ĐẦU
1.1.

ực nghiên cứu, các kết quả nghiên cứu trong và ngoài

ước
1.1.1

c

h ực

iê cứ

- Từ thập niên 80 của thế kỷ XX, kỹ thuật điện tử chỉ được ứng dụng trong
những mạchđiều khiển, đo lường, khống chế, bảo vệ…hệ thống điện công nghiệp
gọi là điện tử công nghiệp.
- Đến thập niên 90 của thế kỷ XX, kỹ thuật điện tử đã ứng dụng khá rộng rãi
và thành công trong việc thay thế các khí cụ điện từ dùng để đóng ngắt cung cấp
nguồn cho những phụ tải một pha, ba pha, làm các bộ nguồn công suất lớn trong
công nghiệp…Với ưu điểm là kích thước nhỏ gọn, điều khiển dễ dàng, đáp ứng tần
số được mở rộng, khả năng về công suất, điện áp, dòng điện và độ tin cậy ngày càng
được cải tiến dần.
- Hiện nay, các linh kiện điện tử công suất được ứng dụng rất nhiều trong công
nghiệp, đặc biệt trong kỹ thuât truyền động để điều khiển tốc độ động cơ trong
nghiệp...Đó chính là bộ biến tần ngày càng được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp
cũng như trong đời sống. Bộ nghịch lưu là thành phần chủ yếu của bộ biến tần, các

bộ nghịch lưu được dùng trong các thiết bị lò cảm ứng trung tần, máy hàn điện tử,
nghịch lưu hòa lưới...Bộ nghịch lưu còn được ứng dụng trong các thiết bị chuyển
đổi trong gia đình bộ nghịch lưu dùng trong pin mặt trời, nguồn UPS.. Hiện nay, các
bộ nghịch lưu còn được nghiên cứu và phát triển nhằm đạt được yêu cầu cao về chất
lượng cũng như giảm tổn hao công suất trên các van.
1.1.2 Các kết

ả tro

à

oài ước được cô

1.1.2.1. Tình hình nghiên cứ tro

bố

ước:

- Năm 2012, tại hội nghị toàn quốc lần thứ 6 về cơ điện tử - VCM – 2012
nhóm tác giả Nguyễn Văn Nhờ, Đới Văn Môn, Trần Quốc Hoàn, Quách Thanh Hải
đã trình bày một nghiên cứu nhằm cân bằng điện áp hai tụ điện một chiều trong
nghịch lưu 3 bậc NPC, với số lần chuyển mạch cao và THDUta = 50,99% [9].
- Trong luận án tiến sĩ “Nghiên cứu kỹ thuật điều chế độ rộng xung để điều
khiển tối ưu nghịch lưu đa bậc”, tác giả Quách Thanh Hải đã phân tích các cấu trúc


2

nghịch lưu đa bậc bao gồm các nghịch lưu chuẩn truyền thống và các mạch

nghịch lưu lai hiện nay (bằng mô phỏng và thực nghiệm) [11].
- Phan Quốc Dũng, Lê Minh Phương, Lê Đình Khoa, Giải thuật điều chế
vector không gian cải tiến cho nghịch lưu ba pha bốn khóa, Tạp chí Khoa học và
Công nghệ, Viện KHCN Việt Nam, Tập 46- Số 6, 2008
Phan Quốc Dũng, Lê Minh Phương, Lê Đình Khoa, Giải thuật điều chế
vector không gian cải tiến cho nghịch lưu ba pha bốn khóa, Tạp chí Khoa học và
Công nghệ, Viện KHCN Việt Nam, Tập 46- Số 6, 2008
Phan Quoc Dung, L.D.Khoa. L.M.Phuong, H.T.Thanh, Phương pháp điều
chế véc –tơ không gian cải tiến cho bộ nghịch lưu ba pha bốn khóa trong điều kiện
mất cân bằng áp tụ DC, Tạp chí Khoa học công nghệ 6 trường ĐH, số 70, p.12-17,
2009
1.1.2.2. Tình hình nghiên cứ

oài ước

Có khá nhiều nghiên cứu ngoài nước liên quan đến đề tài đã đề xuất trong đó
phải kể đến các nghiên cứu sau:
A Three Phase Three-level PWM Switched Voltage Source Inverter
with Zero Neutral Point Potential
Won-Sik Oh*, Sang-Kyoo Han*, Seong-Wook Choi* and Gun-Woo Moon† Dept.
of Electrical Engineering and Computer Science, Korea Advanced Institute of
Science and Technology, Korea
- Nhóm tác giả nghiên cứu và mô phỏng mạch nghịch lưu 3 bậc 3 pha và so sánh
với mạch nghịch lưu có số bậc cao hơn, từ đó đánh giá được chất lượng của mạch.
Design and Implementation of Seven Level Cascaded H-Bridge Inverter Using
Low frequency transformer with Single DC Source
T. Singaravelu1, M.Balasubramani2 , J.Gowrishankar3
School of

Electrical and Electronics Engineering, SASTRA University,


Tirumalaisamudram,Thanjavur,Tamilnadu-613 401
- Tác giả mô phỏng nghịch lưu 7 bậc dạng cầu cascade với biến áp ngõ ra, so sánh
với mạch thực nghiệm để đánh giá chất lượng của mạch
Operation and Design of Multilevel Inverters
Dr. Keith Corzine


3

University of Missouri - RollaDeveloped for the Office of Naval Research
December 2003
- Tác giả nghiên cứu về hoạt động và khảo sát các dạng sóng của các dạng mạch
nghịch lưu có nhiều bậc, từ đó đánh giá chất lượng của từng dạng mạch cũng như
ưu, khuyết điểm của từng dạng mạch
Hybrid 5-level inverter fed induction motor drive
Dr. P.V.V. Rama Rao_, P. Devi Kiran, A. Phani Kumar
Department of Electrical and Electronics Engineering, Shri Vishnu Engineering
College for Women Bhimavaram - 534
202, Andhra Pradesh, India
- Tác giả mô phỏng và phân tích dạng sóng mạch nghịch lưu 5 bậc dạng cầu H với
sóng điều chế SVPWM
Analysis of Cascaded Five Level Multilevel Inverter UsingHybrid Pulse Width
Modulation
M.S.Sivagamasundari1, Dr.P.Melba Mary2
1Assistant

Professor,2Principal,Department

of


EEE,V

V

College

of

Engineering,Tisaiyanvilai
- Tác giả phân tích và mô phỏng mạch nghịch lưu 5 bậc dạng cascade với phương
thức điều chế độ rộng xung PWM
1.2. Tính cấp thiết củ đ tài, ý

k o

ọc và thực tiễn của đ tài

- Với các ứng dụng bộ nghịch lưu trong thực tế, hiệu quả kinh tế của nghịch
lưu đem lại. Việc cần nghiên cứu về cấu tạo, phương thức điều chế để tạo ra các bộ
nghịch lưu với chất lượng cao nhất để phục vụ trong ngành điện ngày càng hiệu quả
cao hơn là cần thiết nhất hiện nay.
- Với sự phát triển của kỹ thuật điện tử, nhất là công nghệ sản xuất vi mạch đạt
đến công nghệ IC đã cho ra đời các chíp, kit thông dụng và được sử dụng rộng rãi
như hiện nay. Linh kiện điện tử công suất lớn cũng đã sản xuất suất lớn đến vài kw
và điện áp làm việc lên đến hàng kv. Với các điều kiện thuận lợi trên, việc nghiên
cứu và thực nghiệm các mạch nghịch lưu để ứng dụng hiệu quả trong thực tế là cần
thiết.



4

- Ngày nay, với sự phát triển các kit đã tạo bước đột phá trong việc ứng dụng
các kit này vào việc nghiên cứu và ứng dụng trong thực tế mà điển hình là ứng dụng
kit STM32F4 vào thực nghiệm mạch nghịch lưu năm bậc.
- Giải thuật điều khiển hiện đại đòi hỏi bộ điều khiển phải xử lý với tốc độ rất
nhanh. Công cụ để thực hiện triệt để vấn đề này tại thời điểm hiện nay là KIT
STM32F4 kết hợp với Matlab. Đây là một công cụ mạnh, linh hoạt mà giá thành lại
rất phù hợp.
- Việc kết hợp giữa KIT STM32F4 và Matlab sẽ tạo ra nhiều bộ điều khiển
linh hoạt, giúp người học hiểu rõ hơn các giải thuật điều khiển trong lĩnh vực tự
động hóa mà không cần thiết phải thí nghiệm trên nhiều đối tượng.
1.3. Mục đíc củ đ tài
- Nghiên cứu các giải thuật điều chế sóng mang, sòng điều chế, từ đó chọn
giải thuật điều chế phù hợp với yêu cầu.
- Nghiên cứu các dạng mạch nghịch lưu, ưu khuyết điểm của từng dạng
mạch, từ đó lựa chọn dạng mạch thích hơp để nghiên cứu, mô phỏng trên Matlab để
đánh giá các dạng sóng mô phỏng
- Thiết lập mô hình mạch thực nghiệm, từ kết quả của mô hình ta đánh giá lại
kết quả của quá trình nghiên cứu, đồng thời từ kết quả này ta đưa ra cá biện pháp
khắc phục các tồn tại của mạch nghịch lưu năm bậc
1.4. Nhiệm vụ và giới hạn của đề tài:
- Về lý thuyết, đề tài sẽ tiến hành nghiên cứu các giải thuật nghịch điều chế
xung chế, các dạng mạch nghịch lưu đa bậc. Từ các nghiên cứu trên luận văn đề
xuất giải thuật tạo xung cũng như chọn dạng mạch nghịch lưu đa :
- Thành lập mô hình mạch và mô phỏng mạch nghịch lưu năm bậc trên
Matlab
- Thiết lập mô hình và lập trình nhúng kit STM32F4 bằng Matlab simulink
để chạy chương trình mô phỏng
- Các giải thuật đề xuất sẽ được kiểm nghiệm, đánh giá trên mô hình thực

nghiệm và được so sánh với các giải thuật chuẩn để có các kết luận khoa học và
chính xác.
- Đánh giá, báo cáo các kết quả mô phỏng và kết quả thực nghiệm :


5

- Với những ưu điểm của kỹ thuật điều chế cũng như dạng mạch nghịch lưu
NPC thì dạng nghịch lưu này vẫn còn những hạn chế chưa được khắc phục :
* Sóng hài bậc cao vẫn còn tồn tại
* Vấn đề điện áp common mode chưa khắc phục
* Tổn hao công suất trên các van
1.5. P ươ

p áp

iê cứu

- Nghiên cứu nhu cầu và ứng dụng của bộ nghịch lưu đa bậc
-Nghiên cứu tham khảo tài liệu, tính toán lý thuyết, kết hợp mô phỏng và
thực nghiệm.
- Mô phỏng bằng phần mềm chuyên dụng Matlab
- Lập trình điều khiển trên kti STM32F4 và được kiểm chứng bằng thực tế.
- Nhận xét đánh giá và so sánh kết quả : Thiết kế mạch thực nghiệm, đánh giá
toàn bộ chất lượng của mạch thực nghiệm. Từ đó đưa ra kết quả sau cùng của quá
trình nghiên cứu, đồng thời từ kết quả của thực nghiệm ta điều chỉnh các thông số
sao cho đạt yêu cầu đặt ra
1.6. Điểm mới củ đ tài:
-Trên cơ sở giải thuật điều chế sóng mang, luận văn đã tiến hành nghiên cứu,
tổng hợp và thực nghiệm nhằm đánh giá kết quả của quá trình nghiên cứu .

-Với kit STM đa dụng, giá thành rẻ sẽ đem lại hiệu quả kinh tế so với các kit
chuyên dụng giá thành cao.
-Từ kết quả mô phỏng Matlab simulink, ta nhúng vào kit STM .Đây là điểm
mạnh của kit. Như vậy, với mỗi kit ta có thể chạy nhiều chương trình mà rất hiệu
quả
- Thiết kế chế tạo mô hình thực nghiệm có thể được ứng dụng cho các
nghiên cứu về nghịch lưu
1.7. Giá trị thực tiễn củ đ tài:
- Làm cơ sở cho việc nghiên cứu các dạng nghịch lưu bậc cao hơn
- Xác định được các giải thuật điều chế sóng mang, kết hợp với kit STM để
điều khiển các van sao cho dạng sóng đạt yêu cầu
- Kết quả nghiên cứu là cơ sở khoa học để giải quyết vấn đề tối ưu hoá trong
mạch nghịch lưu đa bậc thực tế.


6

- Xây dựng được mô hình nghịch lưu đa bậc căn bản, có thể tăng số bậc
nghịch lưu và có khả năng chuyển sang các cấu hình nghịch lưu với số bậc thấp
hơn để thực hiện các thực nghiệm theo các yêu cầu khác.


7

CHƯƠNG I. ỔNG QUAN VỀ NGHỊCH LƯU VÀ NGHỊCH LƯU ĐA BẬC
1. Giới thiệu bộ nghịch lưu
Bộ nghịch lưu có nhiệm vụ chuyển đổi năng lượng từ nguồn điện một chiều
không đổi sang dạng năng lượng điện xoay chiều để cung cấp cho tải xoay chiều.
Đại lượng được điều khiển ở ngõ ra là điện áp hoặc dòng điện, tương ứng ta có bộ
nghịch lưu áp và bộ nghịch dòng.

Các bộ nghịch lưu tương ứng được gọi là bộ nghịch lưu áp nguồn áp và bộ
nghịch lưu dòng nguồn dòng hoặc gọi tắt là bộ nghịch lưu áp và bộ nghịch lưu
dòng. Các bộ nghịch lưu là bộ phận chủ yếu trong cấu tạo của bộ biến tần. Ứng
dụng quan trọng và tương đối rộng rãi của chúng nhằm vào lĩnh vực truyền động
điện, điều khiển tốc độ động cơ xoay chiều với độ chính xác cao. Trong lĩnh vực
tần số cao, bộ nghịch lưu được dùng trong các thiết bị lò cảm ứng trung tần, thiết bị
hàn trung tần. Bộ nghịch lưu còn được dùng làm nguồn điện xoay chiều cho nhu
cầu gia đình, làm nguồn điện liên tục UPS, điều khiển chiếu sáng, bộ nghịch lưu
còn được ứng dụng vào lĩnh vực bù nhuyễn công suất phản kháng.
Ngày nay, linh kiện điện tử công suất lớn được sản xuất và sử dụng nhiều
trong các lĩnh vực khác nhau như hệ thống truyền tải, hệ thống phân phối điện
năng, dùng trong công nghiệp... Đặc biệt linh kiện điện tử được dùng trong các ứng
dụng có công suất cao và tần số làm việc lớn. Do đó vấn đề linh kiện không còn là
trở ngại, các linh kiện này có thể làm việc với áp hàng nghìn volt, công suất có thể
lên đến vài kw, vì vậy bộ nghịch lưu có thể lam việc với các cấp điện áp cao hơn
và thiết bị sẽ được điều khiển tốt hơn.
Các bộ điều khiển tốc độ động cơ được áp dụng rộng rãi với hiệu suất cao
như máy nghiền, máy bơm, quạt... các bộ điều khiển này là các biến tần 2 bậc nhỏ
gọn, dễ điều khiển nhưng nó chỉ phù hợp với công suất nhỏ, hơn nữa dạng sóng
điện áp ngõ ra có thành phần hài bậc cao khá lớn và tổn hao tương đối lớn. Để cải
thiện chất lượng dạng sóng ngõ ra thì bộ nghịch lưu đa bậc được áp dụng, với ưu
điểm như giảm định mức dv/dt trên từng linh kiện làm tăng công suất của bộ
nghich lưu và dạng sóng ở ngõ ra được cải thiện rất tốt.
Hiện nay có nhiều phương pháp điều khiển cho nghịch lưu đa bậc được
nghiên cứu và ứng dụng như phương pháp điều chế độ rộng xung sin SPWM,


8

phương pháp điều chế vectơ không gian SVPWM đã cho kết quả nhất định. Tuy

nhiên, các phương pháp này gặp khó khăn trong việc điều khiển các van. Và một
trong những phương pháp điều khiển nghịch lưu đa bậc đơn giản hơn nhờ sự hổ trợ
của kỹ thật số cũng như dựa vào những ưu điểm của kỹ thuật đa điều chế.
Những năm gần đây, sự phát triển công nghệ vi mạch rất cao thì khả năng
tích hợp các chip xử lý càng lớn, các vi xử lý, các vi điều khiển ngày càng được sử
dụng phổ biến trong công nghiệp cũng như trong đời sống. Nội dung luận văn
nghiên cứu và thực nghiệm với ứng dụng của kit STM32F4 điều khiển mạch
nghịch lưu 5 bậc dạng NPC.
Các ư điểm

ịc

ư đ bậc:

Bộ nghịch lưu dạng NPC mà đề tài nghiên cứu sử dụng thích hợp khi các
nguồn DC tạo nên từ hệ thống điện AC. Bộ nghịch lưu đa bậc chứa các cặp diode
kẹp có một mạch nguồn DC được phân chia thành một số cấp điện áp nhỏ hơn nhờ
chuỗi các tụ điện mắc nối tiếp. Bộ nghịch lưu áp đa bậc dùng diode kẹp cải tiến
dạng sóng điện áp tải và giảm shock điện áp trên linh kiện n lần. Với bộ nghịch lưu
ba bậc, dv/dt trên linh kiện và tần số đóng cắt giảm đi một nửa. Công suất bộ nghịch
lưu áp tăng lên, đối với tải có công suất lớn thì điện áp cung cấp cho tải có thể đạt
giá trị lớn. Điện áp đặt lên linh kiện giảm xuống nên công suất tổn hao do quá trình
đóng ngắt của linh kiện cũng giảm theo. Với cùng tần số đóng ngắt thì các thành
phần sóng hài bậc cao của điện áp ngõ ra giảm nhỏ hơn so với bộ nghịch lưu 2 bậc
Xuất phát từ nhu cầu thực tế của bộ nghịch lưu đa bậc và yêu cầu của luận
văn đặt ra cho luận văn này là nghiên cứu các dạng nghịch lưu, các phương pháp
điều chế ... để từ đó nghiên cứu để tạo ra các bộ nghịch lưu đạt hiệu quả cao và
được ứng dụng trong công nghiệp và đời sống.
Trong nội dung luận văn nghiên cứu :




Nghiên cứu các dạng nghịch lưu
Nghiên cứu các phương pháp điều chế xung kích



Nghiên cứu kỹ thuật điều khiển nghịch lưu 5 bậc dạng NPC



Khảo sát tính ổn định ở trạng thái xác lập khi đáp ứng tải là động

cơ
không đồng bộ 3 pha


9



Khảo sát dạng sóng điện áp ngõ ra va đưa ra biện pháp xử lý

dạng
sóng để đạt kết quả cao nhất.

2. Bộ

ịc


ư .

2.1 Bộ

ịc

ư trực tiếp:

Bộ nghịch lưu trực tiếp gồm hai nhóm chuyển mạch song song nối ngược như
hình vẽ. Trên đồ thị dạng sóng của bộ nghịch lưu ta thấy công suất tức thời của bộ
nghịch lưu bao gồm có bốn giai đoạn. Trong hai khoảng ta có tích điện áp và dòng
điện của bộ nghịch lưu dương, bộ nghịch lưu lấy công suất từ lưới cung cấp cho tải.
Trong hai khoảng còn lại ta có tích giữa điện áp và dòng điện trong bộ nghịch lưu
âm nên bộ nghịch lưu biến đổi cung cấp lại công suất cho lưới.
2.1.1 N

yê

ý àm iệc củ bộ

ịc

ư trực tiếp:

Để thấy được nguyên lý hoạt động, ta xét mạch hoạt động của mạch nghịch
lưu như hình vẽ (hình a). Đầu vào của bộ nghịch lưu là điện xoay chiều một pha,
đầu ra là một phụ tải một pha thuần trở. Nhóm chuyển mạch nối theo sơ đồ hai pha
nửa chu kì.

Hình 1.1 Biểu diễn khoảng dẫn của các van bán dẫn và dòng điện của nguồn cấp.



10

Nhóm chuyển mạch dương được kí hiệu bắng chữ P (Positive), nhóm âm kí
hiệu bằng chữ N (Negative). Dạng sóng dòng điện được vẽ như hình b, cụm P chỉ
dẫn trong năm nửa chu kì của điện áp, các thyritor được mồi không có trễ, điều đó
có nghĩa là coi P như là bộ chỉnh lưu diode. Trong năm nửa chu kì sau chỉ có nhóm
N dẫn để tổng hợp ra phần điện áp âm của nửa chu kì điện áp ra. Theo dạng sóng
của điện áp biểu diễn trên hình b thì tần số điện áp ra bằng 1/5 tần số điện áp vào.
Dạng sóng điện áp này gần với dạng của sóng điện áp hình chữ nhật và có chứa một
số lượng khá lớn các thành phần sóng hài.
- Ta thấy dòng điện chảy qua van bán dẫn là 1/2 sóng hình sin còn dòng điện
nguồn cấp là hoàn toàn sin. Việc điều khiển các van bán dẫn như trên không mang
lại hiệu quả cao trong điều khiển, sóng điện áp ra có độ sin không cao. Muốn sóng
ra có dạng sin cao phải điều khiển thay đổi khoảng dẫn của các van thay đổi theo
một qui luật nhất định. Hình d biểu diễn gần đúng một sóng hình sin được tổng hợp
bằng cách điều khiển các thời điểm mồi các thyristor.
- Phương pháp này cùng với việc điều chỉnh pha làm giảm các điều hòa bậc cao
của dạng sóng điện áp đầu ra so với dạng sóng điện áo cho trước. Theo các dạng
sóng của dòng điện trên hình e dòng điện ra mang nhiều thành phần đập mạch ứng
với tần số nguồn, dòng điện của mạch bị biến dạng nhiều.
2.1.2. L ật đi

k iể

ịc

ư trực tiếp:


- Để thuận tiện trong việc xem xét luật điều khiển của một nhóm chỉnh lưu
nghịch lưu ta gọi góc mở của một nhóm là α. Góc α phải được điều khiển sao cho trị
số điện áp ra trung bình trong từng khoảng của các nhóm hợp thành dạng sóng tức
thời của nghịch lưu có dạng như mong muốn.
-Thông thường trong các mạch điều khiển ta thường điều khiển theo hàm
arccos nên giá trị góc α phải biến thiên theo qui luật hình sin theo thời gian với chu
kì điện áp ra của bộ nghịch lưu.


11

Hình 1.2 Mạch nghịch lưu trực tiếp
Dạng sóng biểu diễn trong hình được vẽ trong trường hợp biên độ ra lớn
điện áp ra có thẻ đạt được. Cho nhóm dương làm việc để có điện áp ra cực đại,
dạng sóng ứng điện áp ra ứng với góc mở bằng 0. Chuyển mạch tiếp theo phải thỏa
mãn một giá trị sao cho điện áp ra đạt giá trị như mong muốn. Các giao điểm của
sóng sin chuẩn (dạng điện áp đấu ra như mong muốn) với các sóng cosin được vẽ
với cực đại tại các thời điểm góc mở bằng 0 xác định thời điểm kích mở các
thyristor. Hình vẽ trên biểu diễn đầu ra của nhóm dương. Ta cần phải chú ý rằng
trong chế độ chỉnh lưu góc mở của vanbán dẫn nhỏ hơn 900 (góc mở αpl ) nhưng trong
0

chế độ nghịch lưu, trong nửa chu kì âm, góc mở phải lớn hơn 90 (góc mở αp2 ), góc βp2 là

góc mở vượt trước hay góc mở nhanh.
- Quá trình xác định hoạt động cuả nhóm âm được tiến hành tương tự. Trong
quá trình mở các van có thể tiến hành cho mở sớm hơn để quá trình chuyển mạch
kết thúc sớm hơn.
- Để giảm điện áp đầu ra ta tiến hành giảm biên độ của sóng sin chuẩn ở giá trị
như mong muốn. Quá trình giảm điện áp ra đi liền với đó là thành phần sóng hài

trong dòng điện cũng tăng lên.
- Quá trình điều khiển bộ nghịch lưu trực tiếp là quá trình quá phức tạp. Sơ đồ
mạch điều khiển được trình bày trên hình 1.9. Tín hiệu phát điện có dòng điện vòng
trong bộ biến đổi sẽ chuyển tín hiệu kích mở từ nhóm này sang nhóm khác để đảm
bảo phải có một nhóm bị khóa.


12

2.2. Bộ

ịc

ư

iá tiếp.

- Bộ nghịch lưu trực tiếp có ưu điểm là có thể đưa ra một công suất khá lớn ở
đầu ra nhưng có một số nhược điểm sau:
- Chỉ có thể cho điện áp ra có tần số nhỏ hơn tần số điện áp lưới.
- Khó điều khiển ở tần số nhỏ vì khi đó tổn hao sóng hài trong động cơ khá lớn.
- Độ tinh và độ chính xác trong điều khiển không cao.
- Sóng điện áp đầu ra không thật sự gần sin.
- Chính vì những đặc điểm trên mà một loại nghịch lưu khác được đưa ra để
nâng cao chất lượng trong cung cấp nguồn đó là nghịch lưu gián tiếp. Bộ nghịch
lưu gián tiếp cho phép khắc phục những nhược điểm của bộ nghịch lưu trực tiếp ở
trên.
-Trong bộ nghịch lưu gián tiếp thì trước khi được nghịch lưu điện áp lưới
được chỉnh lưu thành điện áp một chiều bằng bộ chỉnh lưu diode hoặc bộ chỉnh lưu
có điều khiển. Điện áp một chiều được qua một bộ lọc để cung cấp cho bô nghịch

lưu một nguồn điện áp một chiều tương đối ổn định cho mạch nghịch lưu.
Sơ đồ bộ nghịch lưu gián tiếp có sơ đồ khối như hình vẽ:
C
h
ỉ
n

L
ọ
c

N
g
h
ị
Hình 1.3 Sơ đồ bộ nghịch lưu gián tiếp.

2.2.1. Nguyên lý oạt độ

củ bộ

ịc

ư

ĐC

iá tiếp:

- Điện áp xoay chiều tần số công nghiệp (50/60 Hz) được chỉnh lưu thành

nguồn một chiều nhờ bộ chỉnh lưu (CL) không điều khiển (chỉnh lưu diode) hoặc
chỉnh lưu có điều khiển (chỉnh lưu thyristor), sau đó được lọc và được bộ nghịch
lưu (NL) sẽ biến đổi thành điện áp xoay chiều có tần số thay đổi. Tùy thuộc vào bộ
chỉnh lưu và nghịch lưu như hình vẽ mà ta chia bộ nghịch lưu gián tiếp thành ba
loại: