Điều khiển giảm nhiễu common mode trong bộ nghịch lưu ba pha ba bậc kiểu diode kẹp-Neutral Point Clamped

Nội dung text: Điều khiển giảm nhiễu common mode trong bộ nghịch lưu ba pha ba bậc kiểu diode kẹp-Neutral Point Clamped

1. ĐIỀU KHIỂN GIẢM NHIỄU COMMON MODE TRONG BỘ NGHỊCH LƯU BA PHA BA BẬC KIỂU DIODE KẸP - NEUTRAL POINT CLAMPED Nguyễn Văn Nhờ, Phạm Văn Hiếu, PTN năng lượng, khoa Kỹ thuật Điện - Điện tử Trường Đại học Bách khoa TP Hồ Chí Minh Nvnho@hcmut.edu.vn Tóm tắt: Các bộ nghịch lưu sử dụng các chuyển mạch điện tử như IGBT, MOSTFETs, GTO có tần số chuyển mạch nhanh và thời gian đóng cắt rất ngắn, dẫn đến tỷ số dv/dt cao, tạo ra điện áp common mode làm quá áp động cơ, giảm hiệu suất, gây ồn và nhiễu điện từ (EMI). Bài báo này trình bày giải thuật điều chế PWM bằng phương pháp sóng mang. Điện áp điều khiển sin ba pha được biến đổi với hàm offset triệt tiêu common mode tạo các tín hiệu chuyển mạch PWM. Giải thuật được cụ thể hóa bằng hai biểu đồ phân tích dạng sóng trong chu kỳ sóng mang. Điện áp CMV ngõ ra được giảm xuống dưới 10V (RMS). Giải thuật được thực hiện mô phỏng và đánh giá trên mô hình thực nghiệm NPC ba pha ba bậc. Từ khóa: reduce common mode, eliminate, inverter, CMV Như ta đã biết CMV gây ra dòng điện I. GỚI THIỆU bearing làm phá hủy cách điện vòng bi, giảm tuổi thọ của thiết bị và tạo nhiễu điện Các hệ thống truyền động ngày nay có từ EMI [7]. Có nhiều cách để hạn chế điện vai trò rất quan trọng và là mối quan tâm áp này như sử dụng thêm các phần cứng: các chính của các nhà nghiên cứu. Cấu trúc bộ lọc tích cực hoặc thụ động. Các phần chính của hệ thống truyền động điện là cứng bổ sung sẽ làm tăng kích thước mạch, mạch nghịch lưu. Các bộ nghịch lưu tạo ra phương pháp điều khiển sẽ phức tạp hơn. điện áp common mode làm quá áp động cơ, Các mạch nghịch lưu đa bậc có số lượng giảm hiệu suất, gây ồn và nhiễu điện từ chuyển mạch nhiều hơn có thể giảm hoặc (EMI). Các mạch nghịch lưu thường hay sử loại bỏ CMV. Dựa trên những ưu điểm này dụng là mạch kiểu đi ốt kẹp (NPC inverter) và phương pháp điều chế PWM để thực hiện và mạch nghịch lưu kiểu ghép tầng (cascade giảm CMV sử dụng các bộ nghịch lưu đa inverter) (Hình ). Các phương pháp điều bậc. khiển chính là: Phương pháp điều chế véc Trong phương pháp điều chế PWM giảm tơ không gian (SVPWM), phương pháp CMV, có thể sử dụng phương pháp điều chế điều chế sóng mang CBPWM và phương PWM gián đoạn [1]. Phương pháp loại bỏ pháp điều chế loại bỏ sóng hài bậc ba THI- hoàn toàn ảnh hưởng của CMV được K. SHE[1]. Ratnayake and Y. Murai [2][5] đề xuất sử dụng các véc tơ CMV bằng không cho bộ nghịch lưu ba bậc NPC sử dụng điều chế CBPWM và SVPWM. Trong bài báo này trình bày phương pháp điều khiển sóng mang để loại bỏ CMV. Bài báo trình bày sơ đồ trạng thái chuỗi các chuyển mạch và thời gian đáp ứng trong mỗi chu kỳ PWM. Phương pháp đề xuất được đánh giá bằng kết quả thực nghiệm trên bộ nghịch lưu NPC ba pha ba bậc. Hình 1. Mạch nghịch lưu 3 pha, 3 bậc NPC
2. II. PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHẾ PWM TRIỆT TIÊU ĐIỆN ÁP COMMON MODE A B C A B C Trong bộ nghịch lưu 3 pha 3 bậc, điện áp -Vdc -Vdc -Vdc common mode được tính như sau: -Vdc -Vdc -Vdc VVVABC0 0 0 VVCM N 0 A.V dc  A.V dc A.V dc 3 sA.Vdc sB.Vdc sC.Vdc (1) La.Vdc Lb.Vdc Lc.Vdc La.Vdc Lb.Vdc Lc.Vdc S1a; S2a tương ứng với trạng thái chyển 0 0 mạch của D1a và D2a, S1a là giá trị “1” khi A B C D1a đóng và khi ngắt thì giá trị D1a tương ứng với trạng thái “0”. Ta thấy rằng để điện -V áp common mode là 0 thì tổng điện áp -Vdc dc -Vdc nghịch lưu của ba pha phải là bội số của 3 như (111), (201), (210), (trong đó 1 tương v .V v .V v .V ứng với 1Vdc, 2 tương ứng với 2Vdc, 0 off dc off dc off dc tương ứng với 0 Vdc. Hình trình bày các véc tơ điện áp CMV bằng 0. Để giảm điện Va Vb Vc áp ngõ ra bộ nghịch lưu thì phải sử dụng các 0 véc tơ có điện áp common mode bằng không để điều khiển điện áp ngõ ra [2] [6]. Hình 2. Mô hình điện áp tương đương của bộ nghịch lưu Gọi O là điểm tâm nguồn DC, N là điểm trung tính của tải đấu sao Vx0: là điện áp VXN được phân tích thành 2 thành phần LX nghịch lưu mỗi pha. Điện áp trên một nhánh và SX: của bộ nghịch lưu 3 bậc được tính như sau: VLSXN X X (4) n 1 V s s V V s s V V A0 1 a 2 a dc dc 1 a 2 a dc2 dc Lx là hằng số nguyên thay thế cho các thành (2) phần cơ bản VXN và SXN và thay đổi từ 0 đến 1 trong chu kỳ thời gian lấy mẫu. Trong đó S1a và S2a là trạng thái chuyển mạch tương ứng với các khóa công suất D1a, Gọi  X là thành phần tích cực trung bình của D2a. S1a bằng ‘1’ nếu khóa D1a đóng và bằng SX trong chu kỳ lấy mẫu và VXN là giá trị ‘0’ nếu khóa D1a ngắt. trung bình của vXN ta có: Thành phần V s s V được gọi là AN 12 a a dc vLXN X X ; 01 X (5) điện áp chuyển mạch n 1 Gọi VX1 là thành phần điện áp cơ bản của là điện áp chuyển VXN s12 a s a  s jX ngõ ra j 1 mạch chuẩn hóa và được biểu diễn qua vX 1 vvXN offset (6) thành phần VX0 như sau: Vdc VXO n 1 MIN MAX VXN (3) vn ( 1) (7) V 2 offset dc VVdc dc MAX và MIN là giá trị lớn nhất và nhỏ nhất của điện áp 3 pha cơ bản và n là số bậc nghịch lưu. Xác định hàm offset triệt tiêu common mode
3. Từ (1) và (3) ta có: trạng thái của chuỗi các chuyển mạch được mô tả trong hình 3.19a. Điện áp hai trong 3 VAN V BN V CN 3 n 1 / 2 V dc pha được ánh xạ sang trạng thái các chyển VCM 3 mạch s1 với các giá trị 0-1-0 và trạng thái s2 (8) là 1-0-1 cho một chu kỳ lấy mẫu. Pha còn lại được ánh xạ sang trạng thái chuyển mạch Đặt fN V AN V BN V CN (9) s3 và chúng có các giá trị 1-0-1-0-1 và có 2 lần chuyển mạch trong 1 chu kỳ lấy mẫu. vn 1 / 2 (10) offset FLLLLABC (11) 1 1- s2 Fe  A B C (12) s1 F = FL+Fe=3(n-1)/2 (13) 0 Với các hàm F, FL, Fe xác định điện áp chuyển mạch tương ứng: A,,,, B C v AN L A v BN L B v CN L C 0 0 1 1 0 0 s1 (14) 1 0 0 0 0 1 s2 Vs Ls (15) 0 1 0 0 1 0 s0 floor v if v n 1 XN XN T1 T2 T3 T2 T1 LX (16) 2 2 2 2 n 1 if v n 1 XN s1 +s2 +s0 =1 1 β c B 020 120 220 s1 1- s2 210 021 101 110 0 A 200 022 011 000 100 a 0 1 1 1 1 0 s1 001 010 201 012 1 1 0 0 1 1 s2 1 0 1 1 0 1 C 002 102 202 s0 T1 T2 T3 T2 T1 2 2 2 2 s1 +s2 +s0 =2 Hình 3. Véc tơ điện áp common mode bằng không Hình 4. Chuỗi trạng thái chyển mạch Trường hợp F =1 trạng thái của chuỗi các e a) Trường hợp Fe = 1 chuyển mạch được mô tả trong hình. Điện b) Trường hợp Fe = 2 áp hai trong ba pha được ánh xạ sang trạng thái các chyển mạch s1 với các giá trị 0-1-0 và trạng thái s2 là 1-0-1 cho một chu kỳ lấy mẫu [5]. Pha còn lại được ánh xạ sang trạng thái chuyển mạch s3 và chúng có các giá trị 0-1-0-1-0 và có 2 lần chuyển mạch trong chu kỳ lấy mẫu [2]. Trường hợp Fe = 2
4. Giá Bảng xác định hàm ánh xạ các tín hiệu điều Thông số mô phỏng Đơn vị chế [2]. trị Tần số điện áp tham chiếu 50 Hz Tần số sóng mang 2.100 Hz Chỉ số điều chế 0,41 Điện trở tải 33  Điện cảm tải 120 mH Điện áp nguồn 240 VDC Giá trị tụ lọc nguồn 4,7e3 F Với điện áp ngõ ra 3 pha sử dụng trong hình Giá trị điện trở cầu phân áp 10/50 k/W 3.3.3 có 6 hàm ánh xạ được cho trong bảng 3.7. Kết quả của các hàm này là chuỗi trạng thái các chuyển mạch. Ví dụ , khi sử dụng hàm ánh xạ (A→s0 ,B→s1 ,C→s2 ) trong chuỗi 1 thì chuỗi trạng thái chuyển mạch được biểu diễn qua các khóa đóng ngắt là (SA,SB,SC) tương ứng là (0,0,1) → (1,0,0) → (0,1,0) → (1,0,0) → (0,0,1). Giải thuật triệt tiêu điện áp common mode được thực hiện như sau: Bắt đầu Nhập Hình 6. Điện áp pha, điện áp dây,dòng điện và va,vb,vc,vo CMV với chỉ số điều chế m=0.4 x=vx-Lx x=A,B,C Fe= S x x=A,B,C S SPX,SNX Fe = 2 S0X= 1- SPX - SNX X=A,B,C Đ SPX,SNX S0X= 2- SPX - SNX X=A,B,C Xuất SX X=A,B,C Kết thúc Hình 7. Điện áp pha, điện áp dây,dòng điện và Hình 5. Giải thuật điều chế PWM triệt tiêu CMV với chỉ số điều chế m=0.86 CMV III. KẾT QUẢ A. Kết quả mô phỏng Thực hiện mô phỏng trên phần mềm Matlab/ Simulink với các thông số như sau
5. đã thực hiện được mục tiêu đề ra. Điện áp common mode được giảm xuống dưới 10 V (RMS). Bên cạnh đó phương pháp vẫn tồn tại một số nhược điểm sau: Độ méo dạng hài điện áp và dòng điện lớn Chuyển mạch giữa các nhánh chưa cân bằng, một pha sẽ có số lần chuyển mạch gấp 2 lần so với hai pha còn lại, pha này sẽ bị tổn hao công suất lớn. Như vậy phương pháp đã giải quyết được nhiệm vụ là giảm được CMV. Kết quả có ý nghĩa lớn cho các ứng dụng trong thực tế. Hình 8. Biểu đồ điện áp pha,dòng điện, %THD V. LỜI CẢM ƠN và CMV theo chỉ số điều chế Người thực hiện xin gởi lời cám ơn B. Kết quả thực nghiệm sâu sắc tới Thầy PGS.TS. Nguyễn Văn Nhờ đã tận tình giúp đỡ, truyền đạt nhiều kiến thức và hướng dẫn các phương pháp nghiên cứu, để người thực hiện hoàn thành bài báo này. Bên cạnh đó người thực hiện cũng gởi lời cảm ơn đến các anh chị nghiên cứu sinh và các bạn đồng nghiệp trong phòng thí nghiệm năng lượng Trường ĐH Bách Khoa Tp.HCM đã giúp đỡ tôi trong suốt thời gian học tập và nghiên cứu tại đây. VI. ABSTRACT Inverters using electronic switches such as IGBTs, MOSTFETs, GTOs have Hình 9. Kết quả thực nghiệm với chỉ số điều fast switching frequencies and very short chế m=0.4 switching times, resulting in high dv/dt ratios, which generating common mode voltages. Engine overload, performance degradation, makes noise and electromagnetic interference (EMI). This article presents PWM modulation by carrier method. The three-phase sinusoidal control voltage is modified with the common mode offset function that generates PWM switching signals. The algorithm is concretized by two waveform analysis charts in the carrier cycle. The CMV output voltage is reduced to less than 10V (RMS). The algorithm was simulated and evaluated Hình 10. Kết quả thực nghiệm với chỉ số điều on a three-phase three-levels NPC model. chế m=0.86 Keywords: reduce common mode, IV. THẢO LUẬN eliminate, inverter, CMV Phương pháp đề xuất đã thực hiện triệt tiêu được điện áp common mode. Kết VII. TÀI LIỆU THAM KHẢO quả phù hợp với lập luận trong phần lý [1]Nguyễn Văn Nhờ (2002). Giáo trình Điện tử thuyết. So sánh với phương pháp điều chế công suất 1, NXB ĐHQG. SPWM truyền thống, phương pháp đề xuất
6. [2] Nho-Van Ng., T. N. K. T., Hai Quach Thanh and Hong-Hee Lee (2014). "A Reduced Switching Loss PWM Strategy to Eliminate Common Mode Voltage In Multilevel Inverters." IEEE 978(1). [3]N.V.Nho, Q. T. H., H.H.Lee (July 2012). "Novel Single-State PWM Technique for Common-Mode Voltage Elimination in Multilevel Inverters." Journal of Power Electronics (SCI-E) ISSN 1598-2092 (SCI-E) Vol.12 (No.4). [4]Nguyen Van Nho, H.-H. L. (2007). "Analysis of Carrier PWM Method for Common Mode Elimination in Multilevel Inverters." Aalborg EPE. [5]Seyed Kazem Hoseini, J. A., Abdolreza Sheikholeslami (2014). "Predictive modulation schemes to reduce common-mode voltage in three-phase inverters-fed AC drive systems." IET Power Electron Vol. 7(Iss. 4): 840–849. [6] Somogyi, C. A. (2015). "Common Mode Voltage Mitigation Strategies Using PWM in Neutral-Point-Clamped Multilevel Inverters." Master's Teses: 327. [7]Youn, N. V. N. a. M. J. ( 2005). "A Single Carrier Multi-Modulation Method In Multilevel Inverters." Journal of Power Electronics Vol. 5(No. 1). [8] Youn, N. V. N. a. M.-J. (January 2006). "Comprehensive study on space-vector- PWM and carrier-based-PWM correlation in multilevel invectors." IEE Proc.-Electr. Power Appl Vol. 153(No. 1). [9]Mario Cacciato, A. C., Giuseppe Scarcella and Antonio Testa (1999). "Reduction of Common-Mode Currents in PWM Inverter Motor Drives." IEEE TRANSACTIONS ON INDUSTRY APPLICATIONS VOL. 35(NO. 2).
7. BÀI BÁO KHOA HỌC THỰC HIỆN CÔNG BỐ THEO QUY CHẾ ĐÀO TẠO THẠC SỸ Bài báo khoa học của học viên có xác nhận và đề xuất cho đăng của Giảng viên hướng dẫn Bản tiếng Việt ©, TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP. HỒ CHÍ MINH và TÁC GIẢ Bản quyền tác phẩm đã được bảo hộ bởi Luật xuất bản và Luật Sở hữu trí tuệ Việt Nam. Nghiêm cấm mọi hình thức xuất bản, sao chụp, phát tán nội dung khi chưa có sự đồng ý của tác giả và Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh. ĐỂ CÓ BÀI BÁO KHOA HỌC TỐT, CẦN CHUNG TAY BẢO VỆ TÁC QUYỀN! Thực hiện theo MTCL & KHTHMTCL Năm học 2017-2018 của Thư viện Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp. Hồ Chí Minh.