Báo cáo Nghịch lưu 3 pha 2 bậc ðiều khiển bằng card DSP (Phần 1)

Nội dung text: Báo cáo Nghịch lưu 3 pha 2 bậc ðiều khiển bằng card DSP (Phần 1)

1. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH CÔNG TRÌNH NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CẤP TRƯỜNG NGHỊCH LƯU 3 PHA 2 BẬC ÐIỀU KHIỂN BẰNGS K C 0 0 3 9 5 9 CARD DSP MÃ SỐ: T2014-13 S KC 0 0 5 5 5 9 Tp. Hồ Chí Minh, 2014
2. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI KH&CN CẤP TRƯỜNG NGHỊCH LƯU 3 PHA 2 BẬC ĐIỀU KHIỂN BẰNGCARD DSP Mã số: T2014-13 Chủ nhiệm đề tài: Ths. Đỗ Đức Trí TP. HCM, 12/2014
3. Mục Lục Mục lục 01 Danh mục các hình và bảng 03 THÔNG TIN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU 05 PHẦN MỞ ĐẦU 07 1. Lý do chọn đề tài 07 2. Mục tiêu nghiên cứu 07 3. Đối tƣợng nghiên cứu 07 4. Ý nghĩa khoa học, thực tiển của đề tài 07 5. Những đóng góp của đề tài 08 6. Cấu trúc của đề tài 08 CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN I. Tình hình nghiên cứu thuộc lĩnh vực của đề tài ở trong và ngoài nƣớc 09 1. Điều khiển nghịch lƣu 3 pha 2 bậc ở nƣớc ngoài 09 2. Điều khiển nghịch lƣu 3 pha 2 bậc ở trong nƣớc 09 CHƢƠNG 2: cơ sở lý thuyết 10 2.1. Mô hình toán của nghịch lƣu 3 pha 2 bậc 10 2.2. Cơ sở lý thuyết và phƣơng trình toán bộ nghịch lƣu 3 pha 2 bậc 10 2.2.1 Phƣơng trình toán bộ nghịch lƣu 3 pha 2 bậc 10 2.2.2 Giải thuật tính toán Udkj khi cho trƣớc áp tải 3 pha 13 2.2.3 Các phƣơng pháp điều khiển bộ nghịch lƣu áp 13 2.2.4 Kỹ thuật điều chế độ rộng xung dùng sóng mangCPWM 14 2.2.5 Phƣơng pháp điều chế độ rộng xung Sin dùng sóng mangSin PWM 15 2.2.6 Phƣơng pháp điều khiển theo vector không gian 17 2.2.7 Card DSP 18 CHƢƠNG3: Nội dung bộ nghịch lƣu 3 pha 2 bậc điều khiển bằng card DSP 23 3.1. Mô hình toán học, phƣơng trình toán bộ nghịch lƣu áp 3 pha 2 bậc 23 3.1.1. Mô hình toán học bộ nghịch lƣu áp 3 pha 2 bậc 23 3.1.2. Phƣơng trình toán của bộ nghịch lƣu áp 3 pha 2 bậc 23 3.1.3. Điều chế độ rộng xung 25 3.2. Xây dựng file đồ mô phỏng 26 1
4. 3.2.1. Tác giả nghiên cứu chọn tải AC có thông số 30 3.2.2. Kết quả mô phỏng 30 3.2.2.1.Kết quả mô phỏng khi m=0.5, fabc=50Hz, fVc=900 Hz 30 3.2.2.2. Kết quả mô phỏng khi m=0.6, fabc=50Hz, fVc=3000 Hz 33 3.2.2.3. Kết quả mô phỏng khi m=0.75, fabc=50Hz, fVc=7000 Hz 34 3.3. Phần mềm mã hóa ngôn ngữ DSP và mô hình phần cứng 36 3.3.1. Chƣơng trình mã hóa nhúng vào mô hình thực 36 3.3.2. Phần cứng bộ nghịch lƣu áp 3 pha 2 bậc 36 3.3.3. Kết quả nhúng vào mô hình thực 36 CHƢƠNG 4. Kết luận và hƣớng nghiên cứu tiếp theo. 40 4.1 Những đóng góp của đề tài 40 4.2 Hạn chế đề tài 40 4.3 Hƣớng phát triển đề tài 40 Tài liệu tham khảo 41 2
5. Danh mục các hình Hình 2.1 Mô hình hóa bộ nghịch lƣu áp 3 pha 2 bậc Hình 2.2 Mô hình toán bộ nghịch lƣu áp 3 pha 2 bậc Hình 2.3 Giản đồ đóng ngắt nghịch lƣu áp 3 pha Hình 2.4 Sơ đồ khối F28335 Hình 2.5 Mô hình tải 3 pha đấu sao Hình 2.6 Giải thuật tính toán uđkj khi biết áp tải Utj Hình 2.7 Quan hệ tuyến tính giữa m và ma trong phƣơng pháp điều chế độ rộng xung dùng sóng mang Hình 2.8 Giản đồ vector điện áp bộ nghịch lƣu áp 3 pha Hình 2.9 Card DSP họ F28335 Hình 2.10 Sơ đồ chân IC F28335 Hình 2.11 Sơ đồ khối F28335 Hình 2.12 Sơ đồ khối của mạch DAC Hình 3.1 Mô hình hóa của của bộ nghịch lƣu áp 3 pha 2 bậc Hình 3.2 Mô hình toán của bộ nghịch lƣu áp 3 pha 2 bậc Hình 3.3 Mô hình tải 3 pha đấu sao Hình 3.4 Mô hình áp tức thời và áp trung bình nghịch lƣu 3 pha Hình 3.5 Dạng sóng điều khiển của bộ nghịch lƣu 3 pha hai bậc Hình 3.6 Quan hệ tuyến tính giữa m và ma trong phƣơng pháp điều chế độ rộng xung dùng sóng mang Hình 3.7 Sơ đồ khai báo sóng sina, sinb, sinc Hình 3.8 Sơ đồ khai báo hệ số điều chế Hình 3.9 Sơ đồ khai báo sóng tam giác Hình 3.10 Sơ đồ khai báo bộ chia Hình 3.11 Sơ đồ khai báo bộ so sánh Hình 3.12 Sơ đồ kết nối khối điều khiển 3
6. Hình 3.13 Sơ đồ kết nối khối công suất Hình 3.14 Sơ đồ mô phỏng thực tế của bộ nghịch lƣu áp 3 pha 2 bậc trên Matlab Hình 3.15 Dạng sóng điện áp và sóng mang bộ nghịch lƣu 3 pha 2 bậc Hình 3.16 Dạng sóng tín hiệu điều khiển bộ nghịch lƣu 3 pha 2 bậc Hình 3.17 Dạng sóng điện áp trên tải bộ nghịch lƣu 3 pha 2 bậc Hình 3.18 Dạng sóng dòng điện trên tải bộ nghịch lƣu 3 pha 2 bậc Hình 3.19 Sơ đồ kiểm tra điện áp sóng hài trên tải bộ nghịch lƣu 3 pha 2 bậc Hình 3.20 Sơ đồ kiểm tra dòng điện sóng hài trên tải bộ nghịch lƣu 3 pha 2 bậc Hình 3.21 Sơ đồ kiểm tra điện áp sóng hài trên tải qua bộ lọc bậc 2 Hình 3.22 Dạng sóng điện áp trên tải bộ nghịch lƣu 3 pha 2 m=0.6, fVc=3000Hz Hình 3.23 Dạng sóng dòng điện trên tải bộ ngh ịch lƣu 3 pha 2 m=0.6, fVc=3000Hz Hình 3.24 Sơ đồ điện áp, dòng điện trên tải khi kiểm tra sóng hài m=0.6, fVc=3000Hz Hình 3.25 Sơ đồ điện áp trên tải qua bộ lọc khi kiểm tra sóng hài m=0.6, fVc=3000Hz Hình 3.26 Dạng sóng điện áp trên tải bộ nghịch lƣu 3 pha 2 m=0.75, fVc=7000Hz Hình 3.27 Dạng sóng dòng điện trên tải bộ nghịch lƣu 3 pha 2 m=0.75, fVc=7000Hz Hình 3.28 Sơ đồ điện áp, dòng điện trên tải khi kiểm tra sóng hài m=0.75, f Vc =7000Hz Hình 3.29 Mô hình phần mềm điều khiển bộ nghịch lƣu áp 3 pha 2 bậc Hình 3.30 Sơ đồmạch nguồn kích cho bộ driver Hình 3.31 Sơ đồmạch công suất Hình 3.32 Dạng sóng tín hiệu điều khiển bộ nghịch lƣu 3 pha 2 bậc mô hình thực Hình 3.33 Dạng sóng điện áp bộ nghịch lƣu 3 pha 2 bậc mô hình thực Hình 3.37 Dạng sóng dòng điện bộ nghịch lƣu 3 pha 2 bậc mô hình thực Danh mục các bảng Bảng 1 Điện áp ngõ ra của bộ nghịch lƣu áp 3 pha 2 bậc Bảng 2 Giá trị và thông số tải của bộ nghịch lƣu áp 3 pha 2 bậc 4
7. TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM KỸ THUẬT CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH Độc lập - Tự do - Hạnh phúc ĐƠN VỊ: KHOA ĐIỆN-ĐIỆN TỬ Tp. HCM, Ngày 10tháng 11 năm 2014 THÔNG TIN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU 1. Thông tin chung: - Tên đề tài: NGHỊCH LƢU 3 PHA 2 BẬC ĐIỀU KHIỂN BẰNG CARD DSP - Mã số: T2014-13 - Chủ nhiệm: Ths.Đỗ Đức Trí - Cơ quan chủ trì:Trƣờng Đại học Sƣ phạm Kỹ thuật Tp.HCM - Thời gian thực hiện:12 tháng 2. Mục tiêu:  Xây dựng mô hình hóa cho bộ nghịch lƣu áp 3 pha 2 bậc.  Xây dựng file mô phỏng cho bộ nghịch lƣu áp 3 pha 2 bậc .  Xây dựng chƣơng trình nhúng với mô hình thực. 3. Tính mới và sáng tạo:  Về lý thuyết: - Xây dựng phƣơng trình toán, mô hình toán, luật điều khiển cho bộ nghịch lƣu áp 3 pha 2 bậc. - Luật điều khiển hiện đại.  Về thực tiễn: - Ứng dụng DSP điều khiển cho bộ nghịch lƣu áp 3 pha 2 bậc điều khiển động cơ 3 pha không đồng bộ, tải đèn . . . 4. Kết quả nghiên cứu: - Xây dựng phƣơng trình toán, mô hình toán, luật điều khiển cho bộ nghịch lƣu áp 3 pha 2 bậc. - Xây dựng file mô phỏng hệ thống cho bộ nghịch lƣu áp 3 pha 2 bậc theo cơ sở lý thuyết. 5. Sản phẩm: 01 file mô phỏng cho bộ nghịch lƣu áp 3 pha 2 bậc. 01 bài báo 6. Hiệu quả, phƣơng thức chuyển giao kết quả nghiên cứu và khả năng áp dụng: - Cơ sở lý thuyết cho giảng dạy và nghiên cứu. - Ứng dụng kết quả mô phỏng nhúng vào mô hình thực thông qua card DSP. Trƣởng Đơn vị Chủ nhiệm đề tài (ký, họ và tên) (ký, họ và tên) 5
8. INFORMATION ON RESEARCH RESULTS 1. General information: Project title: Three phase Inverters two level controlled by card DSP F28335 Code number: T2014-13 Coordinator: Master DO DUC TRI Implementing institution: Ho Chi Minh City University of Technical Education Duration: from 01-2014 to 12-2014 2. Objective(s): - ModelingforThree phase Inverters two level. - Making simulationfileforThree phase Inverters two level. - Embedded program simulation for three phase Inverters two level controlled by card DSP F28335 3. Creativeness and innovativeness:  Theory - Modeling, contructing mathematical model, DSPcontrol forthree phase Inverters two level. - Modern control.  Practices - Applicatingthree phase Inverters two level controlled forthree phase motorsasynchronous. 4. Research results: - Modeling, Contructing mathematical model, Using card DSPcontrol forthree phase Inverters two level. - Making simulation file of three phase Inverters two level. 5. Products: - 01Simulation file of three phase Inverters two level. - 01article. - 01 CD Simulation file of three phase Inverters two level. 6. Effects, transfer alternatives of reserach results and applicability: - Theoretical basisforteachingand research. - Applicatingthree phase Inverters two level controlled forthree phase motorsasynchronousembedded by DSPcard. 6
9. PHẦN MỞ ĐẦU Trongnhữngnămgầnđâykhoahọckỹthuậtvàcôngnghệpháttriểnrất mạnhmẽ,lĩnh vựcĐiện- Điệntửcũngkhôngnằm ngoàitràolƣuđó.Chính khảnăngpháttriểnmạnhmẽnhƣvậyđãlàmnênquátrìnhchuyểnbiếnsâu sắccảvềlýthuyếtlẫnthựctiễntrongđờisốngkhoahọckỹthuậtvàcôngnghệ. Tùy theo nhu cầu và mục đích của các đối tƣợng mà ngƣời sử dụng có thể chọn mạch điều khiển nào thích hợp. Tuy nhiên trong môi trƣờng giáo dục cơ sở lý thuyết và thực tiễn phải đi đôi với nhau, với nhu cầu vừa nêu Tác giả nghiên cứu bộ nghịch lƣu áp 3 pha 2 bậc điều khiển cho động cơ 3 pha không đồng bộ. Ngoài ra đề tài còn là tiền đề để phát triển cho các hệ nghich lƣu đa bậc mà trên thế giới đang quan tâm.  Tính cấp thiết, mục đích và nhiệm vụ của đề tài 1. Tính cấp thiết của đề tài: Trong lĩnhvựckỹthuậthiệnđạingàynay,việcchếtạoracácbộnghịch lƣu cóchấtlƣợngđiệnápcao,kíchthƣớcnhỏgọnchocácthiếtbịsửdụngđiệnlà hếtsứccầnthiết. Mặt khác với môi trƣờng giáo dục chế tạo ra mô hình là chƣa đủ, phải hội đủ cơ sở lý thuyết rõ ràng đồng thời giữ cho mô hình sạch và xanh nữa. Dựa trên các lý luận trên Tác giả đề xuất nghiên cứu và chế tạo bộ nghịch lƣu áp 3 pha 2 bậc điều khiển cho động cơ 3 pha không đồng bộ hay các thiết bị khác. 2. Mục tiêu nghiên cứu:  Xây dựng mô hình hóa cho nghịch lƣu 3 pha 2 bậc.  Xây dựng file mô phỏng cho bộ nghịch lƣu áp ba pha hai bậc  Nhúng kết quả mô phỏng cho mô hình nghịch lƣu áp 3 pha 2 bậc. 3. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu: Chọn Động cơ 3 pha không đồng bộ và bộ nghịch lƣu áp 3 pha 2 bậc, xây dựng mô hình toán, phƣơng trình toán, file mô phỏng nghịch lƣu áp 3 pha 2 bậc, kiểm chứng, đánh giá kết quả mô phỏng, chế tạo mô hình thực, nhúng chƣơng trình mô phỏng xuống mô hình thực. 4. Ý nghĩa khoa học, thực tiển của đề tài: Hiện nay các phòng thực tập điện tử công suất D505, D506 với các mô hình đóng nên phát triển rất khó. Hiện nay công nghệ phần mềm, phần cứng phát triển cho phép ta điều khiển nhiều đối tƣợng khác nhau bằng cách thay đổi giải thuật mà phần cứng không 7
10. thay đổi. Với nhiệm vụ đặt ra nhƣ trên rõ ràng đề tài sẽ bổ xung thêm phƣơng pháp giảng dạy hiện đại, rõ ràng và trực quan. 5. Những đóng góp của đề tài: Đề tài có những đóng góp sau:  Về lý thuyết: Xây dựng phƣơng trình toán, mô hình toán theo cơ sở lý thuyết, mô phỏng kiểm chứng cơ sở lý thuyết có đúng hay không. Giải thuật theo hƣớng điều khiển hiện đại.  Về thực tiễn: Từ cơ sở lý thuyết và mô phỏng, chế tạo mô hình thực sau đó nhúng chƣơng trình mô phỏng vào mô hình thực, từ đó cải tiến mô hình và chuyển giao công nghệ cho các cơ sở có nhu cầu sử dụng . . . 6. Cấu trúc của đề tài: Cấu trúc của đề tài đƣợc mô tả ở phần mục lục. Cụ thể là: Chƣơng 1 Tổng quan. Chƣơng 2 Cơ sở lý thuyết. Chƣơng 3 Nội dung đề tài. Chƣơng 4 Kết luận. 8
11. CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN I. Tình hình nghiên cứu thuộc lĩnh vực của đề tài ở trong và ngoài nƣớc Những thập niên 70-80 của thế kỷ XX, kỹ thuật điện tử chỉ đƣợc ứng dụng trong những mạch điều khiển, đo lƣờng, 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, ba pha, làm các bộ nguồn công suất lớn trong công nghiệp Với ƣu điểm là kích thƣớc nhỏ gọn, dễ điều khiển và thuận tiện, đáp ứng tần số đƣợc mở rộng, khả năng về công suất, điện áp, dòng điện và độ tin cậy ngày càng đƣợc cải tiến dần. Ngày nay, với tốc độ phát triển công nghiệp rất nhanh, đi kèm theo đó là các yêu cầu cao trong khâu truyền động động cơ, đó là khâu không thể thiếu đƣợc trong các dây chuyền công nghiệp. Việc điều khiển chính xác để tạo nên các chuyển động phức tạp là nhiệm vụ của hệ thống truyền động. Từ việc phát triển công nghệ bán dẫn đã chế tạo các bộ điều khiển điện tử công suất để đáp ứng yêu cầu truyền đồng ngày càng phức tạp trên. Một trong những thiết bị góp phần quan trọng trong lĩnh vực điều khiển truyền động điện đó là bộ biến đổi tần số hay còn gọi là biến tần. I.1.Nghịch lƣu áp ba pha 2 bậc ở nƣớc ngoài: 1.1. Sinusoidal PWM Signal Generation Technique for Three Phase Voltage Source Inverter with Analog Circuit & Simulation of PWM Inverter for Standalone Load & Micro-grid System, Nazmul Islam Raju. 1.2. Mathematical Modelling of PV Module With multilevel 3-Øinverter using SPWM technique for Grid application Lunavath Hemsingh 2013. 1.3. Online Harmonic Elimination of SVPWM for Three Phase Inverter and a Systematic Method for Practical Implementation. Nisha G. K. 1.4. Research of Novel Three-phase Inverter and its Modulation Technique, Wang Shuwen, 2006. I.2.Nghiên cứuNghịch lƣu áp 3 pha 2 bậc ở Việt Nam: 1.1. Nguyễn Văn Nhờ “Giáo trình điện tử công suất 1” Nha xuất bản Đại học Quốc gia TP. Hồ Chí Minh 2002. 1.2. Phòng thực tập điện tử công suất, Trƣờng Đại học sƣ phạm kỹ thuật, TpHCM. 9
12. CHƢƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT CHO BỘ NGHỊCH LƢU ÁP BA PHA HAI BẬC 2.1 Mô hình hóa của bộ nghịch lƣu áp 3 pha 2 bậc: Mô hình toán của bộ nghịch lƣu áp 3 pha 2 bậc có điện áp ngõ vào là VDC và điện áp ngõ ra là VAC ba pha và đƣợc mô tả nhƣ sau: S1 D1 S3 D3 S5 D5 TẢI 3 PHA Vd/2 ĐẤU SAO Vd + AA O - A B Vd/2 B C C N S4 D4 S6 D6 S2 D2 Hình 2.1Mô hình hóa bộ nghịch lƣu áp 3 pha 2 bậc Với Vd : Điện áp DC ngõ vào [V]. A :Điện ngõ ra pha A [V]. B: Điện ngõ ra pha B [V]. C:Điện ngõ ra pha C [V]. S1-6: Các khóa đóng, ngắt. D1-6:Các khóa đối song 2.2 Cơ sở lý thuyết và phƣơng trình toán bộ nghịch lƣu 3 pha 2 bậc 2.2.1 Phƣơng trình toán bộ nghịch lƣu áp 3 pha 2 bậc Từ mô hình toán điều kiện kích cho các khóa S: Bảng trạng thái các khóa đƣợc kích ở trạng thái dẫn 1800, lệch 600 Trạng thái UAB UAC UBC UBA UCA UCB 0 00 00 00 00 00 Khóa S 60 112200 118800 224400 330000 336600 UAB +Vd +Vd 00 Vd Vd 00 UBC Vd 00 +Vd +Vd 00 Vd UCA 00 Vd Vd 00 +Vd +Vd UAN +Vd//33 +22Vd//33 +Vd//33 Vd//33 22Vd//33 Vd//33 UBN 22Vd//33 Vd//33 +Vd//33 +22Vd//33 +Vd//33 Vd//33 UCN +Vd//33 Vd//33 22Vd//33 Vd//33 +Vd//33 +22Vd//33 Bảng 1 điện áp ngõ ra của bộ nghịch lƣu áp 3 pha 2 bậc 10
13. Từ bảng trạng thái ta có thể suy ra các phƣơng trình toán sau: (a) (b) (c) Hình 2.2:Mô hình toán bộ nghịch lƣu áp 3 pha 2 bậc a) Sơ đồ nguyên lý nghịch lƣu áp 3 pha b) Mô hình tƣơng đƣơng tức thời c) Mô hình tƣơng đƣơng trung bình Giản đồ đóng ngắt 1 uđka uđkb uđkc 0 1 S1 0 1 S2 0 1 S3 0 Hình 2.3: Giản đồ đóng ngắt nghịch lƣu áp 3 pha Áp nghịch lƣu (inverter leg voltage): Tức thời: ua0, ub0, uc0 Trung bình: Ua0, Ub0, Ub0 Áp điều khiển: uđka, uđkb, uđkc Quan hệ áp nghịch lƣu trung bình và áp điều khiển: Ua0 = k.uđka ; k = Vdc Ub0 = k.uđkb (2.1) Uc0 = k.uđkc Áp tải (load voltage) 11
14. Giả sử tải dạng sao, đối xứng 2 ua0 u b 0 u c 0 ut a 3 2 Ta có, áp tải: ub0 u c 0 u a 0 (2.2) ut b 3 2 uc0 u a 0 u b 0 ut c 3 Hình 2.4: Mô hình tải 3 pha đấu sao Điện áp common mode: ua0 u b 0 u c 0 (2.3) u N 0 3 Trị trung bình áp tải: 2UUUa0 b 0 c 0 U t a 3 2UUUb0 c 0 a 0 (2.4) U t b 3 2UUUc0 a 0 b 0 U t c 3 Điện áp common mode trung bình: UUUa0 b 0 c 0 (2.5) U N 0 3 Quan hệ áp tải và áp nghịch lƣu: aN00 u ut a u bN00 u ut b u cN00 Đặt: uN0 = V0 u ut c u Ta có: uj0 = utj + V0 (j = a, b, c) (2.6) Trị trung bình: Ua0= Uta + V0 Ub0= Utb + V0 hay Uj0 = Utj + V0 (2.7) Uc0= Utc + V0 Mạch tƣơng đƣơng: 12
15. Hình 2.5: Mô hình áp tức thời và áp trung bình nghịch lƣu 3 pha Quan hệ giữa áp điều khiển và áp tải: Từ các kết quả phân tích trên cho thấy để xác định điện áp điều khiển uđkj (j = a, b, c); cần biết áp nghịch lƣu Uj0. Nếu áp tải Utj đã cho trƣớc, chỉ cần chọn áp common mode (uN0) thích hợp là xác định đƣợc Uj0. Xác định điện áp common mode: Điện áp V0 có thể chọn bất kỳ giá trị nào trong giới hạn V0min và V0max của nó, tức: V0min ≤ V0 ≤ V0max (2.8) Lý luận tƣơng tự cho bộ nghịch lƣu áp 1 pha cầu dạng H-bridge, ta suy ra: V0Min = - Min V0Max = Vdc – Max (2.9) Với Max = Max(Uta, Utb, Utc) Min = Min(Uta, Utb, Utc) (2.10) 2.2.2 Giải thuật tính toán uđkj khi cho trƣớc áp tải 3 pha Hình 2.6:Giải thuật tính toán uđkj khi biết áp tải Utj Đây là giải thuật tính áp điều khiển khi biết áp tải. 2.2.3 Các phƣơng pháp điều khiển bộ nghịch lƣu áp - Phƣơng pháp điều chế độ rộng xung sin (Sin PWM-sin pulse width modulation). - Phƣơng pháp điều khiển theo biên độ. - Phƣơng pháp điều chế độ rộng xung (SH-PWM). - Phƣơng pháp điều chế độ rộng xung cải biến (Modified PWM). 13
16. - Phƣơng pháp điều chế vector không gian (SVPWM-space vector pulse width modulation). Những kỹ thuật điều khiển đƣợc áp dụng cho bộ nghịch lƣu áp 2 bậc nhƣ: kỹ thuật điều chế độ rộng xung và các dạng cải biến của nó, kỹ thuật điều khiển vector không gian, kỹ thuật khử sóng hài tối ƣu, các kỹ thuật điều khiển dòng, có thể ứng dụng điều khiển cho bộ nghịch lƣu áp đa bậc. Bộ nghịch lƣu áp đa bậc có phạm vi hoạt động chủ yếu đối với các tải công suất lớn. Do đó vấn đề giảm bớt tần số đóng ngắt và giảm shock điện áp trên linh kiện công suất có ý nghĩa quan trọng. Các thuật toán của các chuyên gia trên tạp chí IEEE, IEE nói chung và bất cứ ai muốn nghiên cứu nói riêng thì điều cố gắng thực hiện và duy trì trạng thái cân bằng các nguồn điện áp DC và khử bỏ hiện tƣợng common - mode voltage. Đây là một nguyên nhân gây ra một số hiện tƣợng làm lão hóa động cơ. Bộ nguồn điện một chiều thƣờng sử dụng bằng diode, SCR, Transistor với nhiều nhƣợc điểm: dòng vào chứa nhiều sóng hài bậc cao, quá trình chuyển mạch diễn ra chậm. Để khắc phục nhƣợc điểm trên, nghiên cứu một trong các phƣơng pháp mới đó là kỹ thuật điều chế dùng sóng mang (carrier based pulse width modulation – CPWM). Trong đề tài này chúng ta giới thiệu kỹ thuật chủ yếu đƣợc sử dụng để điều khiển các bộ nghịch lƣu áp đó là kỹ thuật điều chế dùng sóng mang (carrier based pulse width modulation – CPWM) để tạo xung kích điều khiển bộ nghịch lƣu áp 3 pha 3 bậc NPC, cả trong mô phỏng và thực nghiệm. 2.2.4 Kỹ thuật điều chế độ rộng xung dùng sóng mang (CPWM) 2.2.4.1 Một số chỉ tiêu đánh giá kỹ thuật PWM của bộ nghịch lƣu áp Chỉ số điều chế (Modulation Index) m: đƣợc định nghĩa nhƣ tỉ số giữa biên độ thành phần hài cơ bản tạo nên bởi phƣơng pháp điều khiển và biên độ thành phần hài cơ bản đạt đƣợc trong phƣơng pháp điều khiển sáu bƣớc (sixstep). m UU11mm (2.11) 2 U 1m sixstep V dc Với Vdc _ tổng điện áp các nguồn DC. Độ méo dạng tổng do sóng hài THD (Total Harmonic Distortion) là đại lƣợng dùng để đánh giá tác dụng của các sóng hài bậc cao (2,3 ) xuất hiện trong nguồn điện, đƣợc tính theo: 14
17. 2 I tj() j 1 THD I (2.12) I t(1) Độ méo dạng trong trƣờng hợp dòng điện không chứa thành phần DC đƣợc tính theo hệ thức sau: 2 22 I tj() j 1II t t (1) THD I (2.13) IItt(1) (1) Trong đó: It(j): trị hiệu dụng sóng hài bậc j, j ≥ 2. It(1): trị hiệu dụng thành phần hài cơ bản của dòng điện. It: trị hiệu dụng của dòng tải Tần số đóng ngắt và công suất tổn hao do đóng ngắt: Công suất tổn hao xuất hiện trên linh kiện bao gồm hai thành phần: tổn hao công suất khi linh kiện ở trạng thái dẫn điện Pon và tổn hao công suất động Pdyn. Tổn hao công suất Pdyn tăng lên khi tần số đóng ngắt của linh kiện tăng lên. Tần số đóng ngắt của linh kiện không thể tăng lên tùy ý vì những lí do sau: + Công suất tổn hao trên linh kiện tăng lên tỉ lệ với tần số đóng ngắt. Linh kiện công suất lớn thƣờng gây ra công suất tổn hao đóng ngắt lớn hơn. Do đó, tần số kích đóng của nó phải giảm cho phù hợp, ví dụ các linh kiện GTO công suất MW chỉ có thể đóng ngắt ở tần số khoảng 100Hz. + Các qui định về tƣơng thích điện từ (Electromagnet Compatibility – EMC) qui định khá nghiêm ngặt đối với các bộ biến đổi công suất đóng ngắt với tần số cao hơn 9KHz. 2.2.5 Phƣơng pháp điều chế độ rộng xung Sin dùng sóng mang (Sin PWM) Phƣơng pháp còn có tên Subharmonic PWM (SH – PWM), hay Multi carrier based PWM. Để tạo giản đồ kích đóng các linh kiện trong cùng một pha tải, ta sử dụng một số sóng mang (dạng tam giác) và một tín hiệu điều khiển (dạng sin). Về nguyên lý, phƣơng pháp đƣợc thực hiện dựa vào kỹ thuật analog. Giản đồ kích đóng các công tắc của bộ nghịch lƣu dựa trên cơ sở so sánh hai tín hiệu cơ bản: . Sóng mang up (carrier signal) tần số cao, có thể ở dạng tam giác. 15
18. . Sóng điều khiển ur (reference signal) hoặc sóng điều chế (modulating signal) dạng sin. Ví dụ, công tắc đƣợc kích đóng khi sóng điều khiển lớn hơn sóng mang (ur> up). Trong trƣờng hợp ngƣợc lại, công tắc đƣợc kích mở khi sóng điều khiển nhỏ hơn sóng mang (ur up). Tần số sóng mang càng cao, lƣợng sóng hài bậc cao xuất hiện trong dạng sóng điện áp và dòng điện tải bị khử càng nhiều. Đối với bộ nghịch lƣu áp n bậc, số sóng mang đƣợc sử dụng là (n-1). Chúng có cùng tần số fc và cùng biên độ đỉnh - đỉnh Ac. Sóng điều chế (hay sóng điều khiển) có biên độ đỉnh bằng Am và tần số fm, dạng sóng của nó thay đổi xung quanh trục tâm của hệ thống (n-1) sóng mang. Nếu sóng điều khiển lớn hơn sóng mang nào đó thì linh kiện tƣơng ứng với sóng mang đó sẽ đƣợc kích đóng, ngƣợc lại nếu sóng điều khiển nhỏ hơn sóng mang thì linh kiện đó sẽ bị kích mở. Gọi mf là tỉ số điều chế tần số (frequency modulation ratio) ta có: f f carrier c (2.14) m f f reference f m Việc tăng giá trị mf sẽ dẫn đến việc tăng giá trị tần số các sóng hài xuất hiện. Điểm bất lợi của việc tăng tần số sóng mang là vấn đề tổn hao do số lần đóng cắt lớn. Tƣơng tự, gọi ma là tỉ số điều chế biên độ (amplitude modulation ratio): U m reference m A (2.15) ma (n 1). U m carrier Ac Nếu ma≤ 1 (biên độ sóng sin nhỏ hơn tổng biên độ sóng mang) thì quan hệ giữa thành phần cơ bản của điện áp ra và điện áp điều khiển là tuyến tính. Hình 2.7:Quan hệ tuyến tính giữa m và ma trong phƣơng pháp điều chế độ rộng xung dùng sóng mang Khi giá trị ma> 1, biên độ tín hiệu điều chế lớn hơn tổng biên độ sóng mang thì biên độ hài cơ bản của điện áp ra tăng không tuyến tính theo ma. Lúc này, bắt đầu xuất hiện 16
19. lƣợng sóng hài bậc cao tăng dần cho đến khi đạt ở mức giới hạn cho bởi phƣơng pháp 6 bƣớc. Trƣờng hợp này còn đƣợc gọi là quá điều chế (overmodulation) hoặc điều chế mở rộng. Phƣơng pháp Sin PWM đạt đƣợc chỉ số điều chế lớn nhất trong vùng tuyến tính khi biên độ sóng điều chế bằng tổng biên độ sóng mang: U U (1)m 2 0.785 (2.16) mSPWM _ max 2 4 U (1)m six _ step U dc trong đó Udc_ tổng điện áp các nguồn DC. 2.2.6 Phƣơng pháp điều chế vector không gian Quá trình đóng ngắt các linh kiện tạo ra điện áp ba pha tải . Theo lý thuyết về không gian vector thì điêṇ áp ba pha đó có thể biểu diêñ dƣới daṇ g vector không gian. Và nó sẽ thay đổi nhảy cấp trên hình luc̣ giác đa bâc̣ . Vị trí của mỗi vector điện áp trong không gian se ̃ phu ̣thuôc̣ vào các traṇ g thái đóng ngắt linh kiêṇ . Tiến hành khảo sát cu ̣thể cho bô ̣nghic̣ h lƣu ba bâc̣ để xác điṇ h giản đồ vector không gian điêṇ áp. Giản đồ vector điện áp bộ nghịch lƣu áp ba bâc̣ NPC: Sơ đồ nguyên lý hình 2.1 Nhƣ đa ̃ biết, khảnăng điều khiển kích dẫn linh kiện tạo nên 27 trạng thái khác nhau . Ta xét mỗi trạng thái minh hoa ̣bởi tổ hơp̣ (ka kb kc), với: k = 0,1,2 a k = 0,1,2 b k = 0,1,2 c Và ka, kb, kc là hệ số trạng thái tƣơng ứng của các pha a , b, c. Các hệ số này phụ thuộc vào cách quy ƣớc trƣớc , giả sử quy ƣớc nhƣ sau : (sƣ ̣ quy ƣớc này d ựa vào bảng trạng thái đóng ngắt) '' '' 01khi S12aa S 01khi S12bb S ' ' ka 11 S12 a S a kb 11 S12 b S b 21SS 21SS 12aa 12bb '' 01khi S12cc S ' kc 11 S12 c S c 21SS 12cc 17
20. Trong quá trình kích, quy luâṭ đóng ngắt đối nghic̣ h phải tuân thủ : ' SS22xx 1 ' (2.17) SS11xx 1 Với x = a, b, c. Ví dụ nhƣ : Trạng thái (111) là : S1a = S’2a = 1; S1b = S’2b = 1; S1c = S’2c =1 Trạng thái (100) là : S1a = S’2a = 1; S’1b = S’2b=1; S’1c = S’2c =1 Theo điṇ h nghiã vector không gian , tƣơng ƣ́ ng 27 trạng thái kích dẫn linh kiện ta thu đƣơc̣ 19 vị trí vector không gian của vector điện áp tạo thành , bao gồm 12 vector nằm trên đỉnh và trung điểm của hình luc̣ giác lớn bao ngoài , sáu vector điện áp nằm trên 6 đỉnh của hình luc̣ giác bên trong và vector không taị tâm củ a hình luc̣ giác. Đối với các vector nằm taị đỉnh các hình luc̣ giác bên trong , tồn taị hai traṇ g thái kích dâñ khác nhau của linh kiện nhƣng lại có cùng chung vị trí vector không gian . Ngoài ra, tồn taị ba traṇ g thái kích dẫn khác nhau cho cùng vi ̣trí vector không. Hình 2.8 : Giản đồ vector điện áp bộ nghịch lƣu áp 3 pha 2.2.7Card DSP(Digital Signal Processor) Quá trình khảo sát cơ sở lý thuyết chỉ dựa vào phần mềm để mô phỏng còn điều khiển mô hình động cơ DC thực sự là một minh chứng thực tế cho việc mô phỏng. Để điều khiển Online cho động cơ DC có nhiều phƣơng pháp, ở đây nhóm nghiên cứu sẽ sử dụng Card DSP chuyển đổi tín hiệu số thành tín hiệu điều khiển mô hình thực. 18
21. Card DSP có rất nhiều họ DSP, ở đây nhóm nghiên cứu chọn Card DSP F28335 để thực hiện. hình dạng thực tế của card đƣợc thể hiện nhƣ hình 2: Hình 2.9: Card DSP họ F28335 . Các thông số cơ bản của DSP TMS 320F28335ZJZA của hãng Texas Instrument(TI): - Tốc độ 150Mhz - Giao tiếp máy tính: USB - Áp IO: 3,3/5V - Bộ nhớ: 256K x 16 Flash,34K x 16 SARAM . - Boot ROM(8K x 16) . - 64 chân GPIO(GPIO0- GPIO63) . - Timer 32 bit 2.2.7.1.Sơ đồ chân IC TMS320F28335. Hình 2.10: Sơ đồ chân IC F28335. 19
22. S K L 0 0 2 1 5 4