Luận án tiến sĩ: Bộ nghịch lưu ba pha ba bậc hình T tăng áp chịu lỗi - ĐH Sư phạm Kỹ thuật TPHCM

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH ĐỖ ĐỨC TRÍ NGHIÊN CỨU BỘ NGHỊCH LƯU BA PHA BA BẬC HÌNH T VỚI KHẢ NĂNG TĂNG ÁP VÀ CHỊU ĐƯỢC LỖI Tập 1 LUẬN ÁN TIẾN SĨ NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ MÃ SỐ: 92520203 Tp. Hồ Chí Minh, tháng 09/2020 luan an CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH Người hướng dẫn khoa học 1: TS. NGUYỄN MINH KHAI (Ghi rõ họ, tên, chức danh khoa học, học vị và chữ ký) Người hướng dẫn khoa học 2: TS. QUÁCH THANH HẢI (Ghi rõ họ, tên, chức danh khoa học, học vị và chữ ký) Luận án tiến sĩ được bảo vệ trước HỘI ĐỒNG CHẤM BẢO VỆ LUẬN ÁN TIẾN SĨ TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT, Ngày 26 tháng 09 năm 2020 luan an luan an luan an LÝ LỊCH CÁ NHÂN I.

LÝ LỊCH SƠ LƯỢC: Họ & tên: Đỗ Đức Trí Giới tính: Nam Ngày, tháng, năm sinh: 27/04/1973 Nơi sinh: Sài Gòn Quê quán: Trà Vinh Dân tộc: Kinh Học vị cao nhất: Thạc sỹ Năm, nước nhận học vị: 2013 Đơn vị công tác: Khoa Điện – Điện Tử Chỗ ở riêng hoặc địa chỉ liên lạc: 171/12, Lê Văn Việt, Phường Hiệp Phú, Quận 9, Tp. Hồ Chí Minh Điện thoại liên hệ: CQ: +84 28 38960985 DĐ: 0903666073 Email: tridd@hcmute. QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO 1. Đại học: Hệ đào tạo: Nơi đào tạo: Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.

Hồ Chí Minh Ngành học: Kỹ thuật điện-điện tử Nước đào tạo: Việt nam Năm tốt nghiệp: 1999 2. Sau đại học: Thạc sỹ chuyên ngành: Kỹ thuật điện tử Năm cấp bằng: 2013 Trang i luan an Nơi đào tạo: Đại học Sư phạm kỹ thuật Tp. Ngoại ngữ Tiếng Anh: B2 III. QUÁ TRÌNH CÔNG TÁC CHUYÊN MÔN Thời gian Nơi công tác Vai trò Khoa Điện – Điện Tử, trường Đại 2003 đến nay học Sư phạm kỹ thuật TP.

Hồ Chí Giảng viên Minh Trang ii luan an LỜI CAM ĐOAN Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi. Các số liệu, kết quả nêu trong luận án là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Hồ Chí Minh, ngày 25 tháng 9 năm 2020 Tác giả luận án Đỗ Đức Trí Trang iii luan an LỜI CẢM ƠN Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến thầy TS. Nguyễn Minh Khai - Đại học kỹ thuật Qeensland Úc - Trường đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.

HCM và thầy TS. Quách Thanh Hải - Trường đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. HCM đã tận tình hướng dẫn và giúp đỡ tôi trong suốt quá trình nghiên cứu, thực hiện luận án. Tác giả cũng xin chân thành cảm ơn Ban giám hiệu Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật thành phố Hồ Chí Minh, Phòng Đào tạo -bộ phận quản lý sau đại học, các thầy, cô thuộc Khoa Điện – Điện Tử và các đồng nghiệp trong trường đã tạo điều kiện, giúp đỡ tôi trong quá trình thực hiện luận án.

Cảm ơn gia đình đã chia sẻ, gánh vác công việc để tôi yên tâm nghiên cứu và thực hiện luận án. Nghiên cứu sinh Đỗ Đức Trí Trang iv luan an TÓM TẮT Trong những năm gần đây, cấu hình nghịch lưu hình T ba pha ba bậc truyền thống được ứng dụng rất phổ biến so với nghịch lưu hai bậc. Bởi vì, nghịch lưu hình T ba pha ba bậc truyền thống có nhiều ưu điểm như: chất lượng điện năng tốt hơn, yêu cầu bộ lọc ngõ ra AC nhỏ hơn, điện áp đặt trên các khóa công suất nhỏ hơn và điện áp ngõ ra cao hơn so với nghịch lưu hai bậc. Tuy nhiên, cấu hình nghịch lưu hình T ba pha ba bậc truyền thống là bộ chuyển đổi giảm áp.

Mặt khác, để tạo ra điện áp ngõ ra cao từ điện áp ngõ vào thấp, một bộ DC-DC tăng áp cần phải được lắp đặt phía trước bộ nghịch lưu, lúc này, bộ nghịch lưu 3 bậc hình T truyền thống làm việc như bộ chuyển đổi hai chặng. Ngoài ra, trạng thái ngắn mạch (hai khóa công suất trên một nhánh pha có thể được đóng trong cùng thời điểm) là bị cấm trong nghịch lưu truyền thống. Nghịch lưu nguồn Z ba bậc (được gọi là bộ chuyển đổi công suất một chặng với khả năng tăng giảm điện áp và chịu đựng ngắn mạch) được đề xuất để khắc phục hạn chế của nghịch lưu ba bậc truyền thống. Tuy nhiên, bất lợi của cấu hình này là dòng điện ngõ vào không liên tục dẫn đến việc hạn chế cho các ứng dụng trong hệ thống PV và Pin nhiên liệu.

Để giải quyết những bất lợi của các bộ nghịch lưu nguồn Z ba bậc, các bộ nghịch lưu tựa nguồn Z ba bậc được đề xuất. Cấu hình nghịch lưu tựa nguồn Z ba bậc có vài ưu điểm như: điện áp đặt trên các phần tử công suất thấp và dòng điện ngõ vào liên tục. Tuy nhiên, cấu hình nghịch lưu tựa nguồn Z ba bậc sử dụng nhiều phần tử thụ động điều này làm gia tăng trọng lượng, kích thước và tổn hao của hệ thống nghịch lưu. Nhằm cải thiện các nhược điểm nêu trên, cấu hình nghịch lưu tăng áp tựa khóa chuyển mạch ba bậc hình T và giải thuật điều chế độ rộng xung (pulse width modulation - PWM) được đề xuất với những tính năng theo sau: ˗ Giảm độ gợn sóng dòng điện ngõ vào so với cấu hình tương tự; ˗ Độ lợi điện áp cao so với cấu hình tương tự; ˗ Chỉ số điều chế cao so với cấu hình tương tự.

Trang v luan an Trong quá trình hoạt động, bộ nghịch lưu tạo ra điện áp common mode (CMV), quá trình này là nguyên nhân chính dẫn đến nhiều vấn đề bất lợi cho bộ nghịch lưu như: dòng rò, điện áp trục trong các ứng dụng điều khiển động cơ cũng như nhiễu điện từ. Để giải quyết vấn đề điện áp common mode của cấu hình nghịch lưu tăng áp tựa khóa chuyển mạch ba bậc hình T, giải thuật điều chế độ rộng xung (pulse width modulation - PWM) với khả năng triệt tiêu điện áp common mode được đề xuất. Tính ổn định và độ tin cậy của các bộ nghịch lưu rất quan trọng trong hệ thống phân phối công suất như là: hệ thống cung cấp điện không ngắt UPS, hệ thống y tế công suất cao và hệ thống chuyển đổi năng lượng kết nối lưới. Trong thực tế, lỗi các thiết bị đóng/ngắt thường được chia thành hai loại, là lỗi ngắn mạch hoặc lỗi hở mạch.

Sự kết hợp giữa cầu chì nhanh kết nối nối tiếp với các nhánh công suất của nghịch lưu dẫn đến lỗi ngắn mạch trở thành lỗi hở mạch. Để đảm bảo tính ổn định và độ tin cậy của cấu hình nghịch lưu tăng áp tựa khóa chuyển mạch ba bậc hình T, giải thuật điều chế độ rộng xung (pulse width modulation - PWM) được đề xuất với những tính năng theo sau: ˗ Cải tiến thông số điều khiển so với cấu hình tương tự; ˗ Khả năng hoạt động ở điều kiện bình thường và điều kiện lỗi; ˗ Giảm điện áp đặt trên các khóa công suất so với cấu hình tương tự. Ngoài ra, phần mềm PSIM và mô hình thực nghiệm được thực hiện để kiểm chứng nguyên lý hoạt động của cấu hình nghịch lưu tăng áp tựa khóa chuyển mạch ba bậc hình T với khả năng triệt tiêu điện áp common mode và chịu lỗi hở mạch các khóa công suất. Trang vi luan an ABSTRACT In recent years, the traditional three-phase three-level T-type inverter topology has been used very commonly compared to the two-level inverter topology.

Because the traditional three-phase three-level T-type inverter has many advantages such as better power quality, smaller output AC filter requirement, lower voltage stress across the inverter switches, and higher output voltage compared to the two-level inverter. However, the traditional three-phase three-level T-type inverter is only a buck converter. On the other hand, to create a high output voltage from a low input voltage, a DC-DC boost converter needs to be installed in front of the inverter which the traditional three-level T-type inverter will work as a two-stage converter. Besides, a shoot-through mode, where both the upper and lower switches in the same leg can be switched on at the same time, is forbidden in the traditional inverter.

The three-level Z-source inverter topology, known as a single-stage power converter with a buck- boost capability and ST immune, is proposed to overcome the limitation of the traditional three-level inverter. However, the disadvantage of this topology is to have the discontinuous input current which results in the limitation of applications in PV and fuel cell systems. To overcome the disadvantages of the three-level Z-source inverters, the three- level quasi Z-source inverters are proposed. The quasi Z-source inverter topology has some advantages such as low voltage stress on power switches and continuous input current.

However, the three-level quasi Z-source inverter topology uses a large number of passive components that increase the weight, size, and loss of the inverter system. To improve the aforementioned disadvantages, the three-level quasi switched boost T-type inverter topology and PWM algorithm is proposed with the following features: ˗ The input current ripple is reduced compared with the similar topology; ˗ High voltage gain compared with the similar topology; ˗ High modulation index compared with the similar topology. Trang vii luan an During its operation, the inverter generates the common-mode voltage (CMV), which causes a lot of disadvantage problems for inverter, such as bearing currents and shaft voltage in motor drives applications as well as electromagnetic interference. To address the common-mode voltage problems of the three-level quasi switched boost T-type inverter topology, the PWM algorithm with the ability to eliminate common-mode voltage is proposed.

The stability and reliability of the inverters are important in power distribution systems such as UPS, high-power medical instruments, and grid-connected renewable energy conversion systems. In fact, switching device faults are usually classified as either a short-circuit switch fault or an open-circuit switch fault. The combination of the fast fuses connected in series with the power switch legs of the inverter results in converting the short-circuit switch fault into the open-circuit switch fault. To ensure the stability and reliability of the three-level quasi switched boost T- type inverter topology, the PWM algorithm is proposed with the following features: ˗ Improving control parameters in comparison with the similar topology; ˗ Having the ability to operate in normal and fault modes; ˗ Reducing voltage stress in power semiconductors in comparison with the similar topology.

In addition, a PSIM software and a prototype is implemented to verify the operating principle of the three-level quasi switched boost T-type inverter topology with the ability to eliminate common-mode voltage and to tolerate open-circuit fault of the power switches. Trang viii luan an MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN. vii MỤC LỤC. ix DANH SÁCH CÁC CHỮ VIẾT TẮT.

xv DANH SÁCH HÌNH. xvi DANH SÁCH BẢNG. xxi MỞ ĐẦU. Tính cấp thiết của đề tài.

Mục tiêu nghiên cứu của luận án. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu. Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu. Cách tiếp cận.

Lựa chọn phương pháp nghiên cứu .