Giải thuật điều chế sóng mang giảm số lần chuyển mạch cho nghịch lưu cascade 5 bậc

Nội dung text: Giải thuật điều chế sóng mang giảm số lần chuyển mạch cho nghịch lưu cascade 5 bậc

1. GIẢI THUẬT ĐIỀU CHẾ SÓNG MANG GIẢM SỐ LẦN CHUYỂN MẠCH CHO NGHỊCH LƯU CASCADE 5 BẬC CARRIER BASED PWM ALGORITHM TO REDUCE THE NUMBER OF COMMUTATIONS IN FIVES-LEVEL CASCADE INVERTER Trần Thu Hà, Đỗ Đức Trí, Lại Lê Anh Kiệt Phòng TN D405-Trường ĐH Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM TÓM TẮT Bài báo này thực hiện kỹ thuật điều chế độ rộng xung sóng mang, phương pháp điều chế đề xuất này được hỗ trợ bởi phần mềm MATLAB trên mạch 3 pha cầu H gồm 3 mạch Cascade 5 bậc để cung cấp nguồn cho phụ tải 3 pha, nhằm kiểm tra các trạng thái tại các điểm giao cắt giữa sóng điều khiển và sóng mang để giảm số lần chuyển mạch, giảm tổn hao đóng ngắt, giảm điện áp trên linh kiện. Với cách điều khiển như trên ta sẽ điều khiển được giá trị độ rộng xung như mong muốn. Do đó, những khoảng thời gian này, pha tương ứng sẽ không có sự chuyển mạch của các khoá công suất. Tổng thời gian không chuyển mạch của các pha là như nhau nên mỗi pha sẽ không có sự chuyển mạch trong 1/3 chu kỳ. Hay nói cách khác là số lần chuyển mạch sẽ giảm 33%. Kết quả của giải thuật được kiểm chứng qua mô phỏng và thực nghiệm. Các giải thuật điều khiển đề xuất được thực nghiệm bằng việc sử dụng vi xử lý điều khiển tín hiệu số trên card DSP F28335 với kỹ thuật lập trình nhúng từ phần mềm MATLAB/SIMULINK 2013b kết hợp chương trình Code Composer Studio V6.0.1 biên dịch ra ngôn ngữ C và nạp cho vi xử lý, kết quả trên mô hình phù hợp với lý thuyết đã trình bày và mục đích đề ra. Từ khóa: Điều chế sóng mang, giảm số lần chuyển mạch, nghịch lưu, Biến tần Cascade, 5 bậc ABSTRACT This paper implemented the pulse width carrier wave modulation technique. This technique is supported by MATLAB software on H circuit three phase consisting of three circuits five levels cascade to provide power to the three phases load, checking the status at the intersection between the control wave and the carrier wave to reduce the number of switches, reducing the loss of switching off, reducing the voltage on the component. This technique will control the pulse width value as desired. Therefore, during these periods, the corresponding phase will not have the switching of the power locks. The total non switching time of the phases is the same, so each phase will have no switching in 1/3 of the cycle. In other words, the number of switches will decrease by 33%. The results of the algorithm are verified by simulation and experiment. The paper has been experienced on digital signal controllers F28335 card with embedded programming technology from MATLAB/ SIMULINK 2013b software and Code Composer Studio V6.0.1 translated into C language and loaded into the microprocessor, the results the same with the presentation theory and the purpose. Keywords: Carrier Based Pulse width modulation, number of commutations reduction, inverter, cascade inverter, five levels.
2. 1. GIỚI THIỆU Hiện nay rất nhiều thiết bị biến đổi công suất được đề xuất để phục vụ những yêu cầu ngày càng cao của cuộc sống. Điện tử công suất đã giúp cho việc sử dụng điện năng một cách hiệu quả, các linh kiện điện tử công suất được sử dụng trong quá trình biến đổi cũng như điều khiển công suất hiệu quả cao và tổn hao thấp. Các thiết bị điện tử công suất mới hiện nay được cải tiến phát triển để nâng cao hiệu suất hơn nữa việc sử dụng năng lượng. Lợi ích nhìn thấy đầu tiên là tiết kiệm điện, hiệu suất chuyển đổi nguồn của các bộ nghịch lưu rất cao vì sử dụng các bộ linh kiện bán dẫn công suất chế tạo theo công nghệ hiện đại. Trong bài báo này chúng ta tập trung vào tìm hiểu và phân tích hoạt động của mạch nghịch lưu đa bậc và đề xuất thuật toán điều khiển điều chế độ rộng xung mới, dựa trên cấu hình mạch nghịch lưu đa bậc này thực hiện thuật toán điều chế độ rộng xung của sóng mang để giảm các thành phần sóng hài bậc cao của điện áp ngõ ra và giảm tổn hao chuyển mạch trên linh kiện. Điểm mới, giá trị thực của bài báo này: Giảm tổn hao bằng cách điều khiển độ rộng xung của sóng mang. Kết quả thực nghiệm giảm độ méo dạng tổng do hài và giảm tổn hao chuyển mạch trên linh kiện 2. CẤU TRÚC BỘ NGHỊCH LƯU 3 PHA 5 BẬC CASCADE Hình 1: Cấu trúc mạch nghịch lưu 5 bậc cascade Bộ nghịch lưu áp đa bậc dạng cascade có cấu tạo gồm nhiều bộ nghịch lưu áp cầu một pha ghép nối tiếp với nhau. Một bộ nghịch lưu áp dạng cascade n bậc thì trên mỗi nhánh pha sẽ có (n- 1)/2 bộ nghịch lưu áp cầu một pha ghép nối tiếp với nhau. Ta xét bộ nghịch lưu áp 5 bậc dạng cacade: cấu tạo gồm 2 bộ nghịch lưu áp cầu 1 pha ghép nối tiếp, mỗi bộ được cung cấp bởi 1 nguồn điện áp DC riêng biệt. Ðiện áp ngõ ra của mỗi bộ nghịch lưu áp cầu một pha có 3 bậc (–V, 0, +V), do đó điện áp ngõ ra của bộ nghịch lưu cascade sẽ có 5
3. bậc (-2V, -V, 0, +V, +2V). Trạng thái đóng ngắt các công tắc trong 1 nhánh pha phải thỏa mãn điều kiện kích đóng đối nghịch: S1x + S4x = 1 (1); S2x + S3x = 1 (2) S’1x + S’4x = 1 (3); S’2x + S’3x = 1 (4) Tùy theo trạng thái đóng ngắt, điện áp pha – tâm nguồn DC (phase – to pole voltage) của bộ nghịch lưu được tính theo công thức sau: Vxout = Vxo = Vx01 + Vx02 (5) Với x = A, B, C Ðiện áp pha tải trong truờng hợp 3 pha tải đối xứng đấu dạng sao Y có thể được thiết lập tương tự như trường hợp bộ nghịch lưu áp 2 bậc: 2 − − 푈 = 0 0 0 (6) 푡 3 2 − − 푈 = 0 0 0 (7) 푡 3 2 − − 푈 = 0 0 0 (8) 푡 3 Trong trường hợp 3 pha tải dạng tam giác, điện áp pha tải bằng điện áp dây do bộ nghịch lưu cung cấp: Utab = ua0 – ub0 (9) Utbc = ub0 – uc0 (10) Utca = uc0 – ua0 (11) Và tổng điện áp từ các pha đến tâm nguồn DC (common – mode voltage): + + 푈 = 0 0 0 (12) 3 3. PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHẾ ĐỘ RỘNG XUNG Phương pháp còn có tên Subharmonic PWM (SH-PWM), Multilevel carrier based PWM. Để thực hiện 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). Đối với bộ nghịch lưu áp m bậc, số sóng mang được sử dụng là (m-1). Chúng có cùng tần số f và cùng biên độ đỉnh-đỉnh Ac. Sóng điều khiển (hay sóng điều chế) có biên độ đỉnh- đỉnh bằng Am và tần số f và dạng sóng của nó thay đổi chung quanh trục tâm của hệ thống (m-1) sóng mang. Nếu sóng điều khiển lớn hơn sóng mang nào đó thì linh kiện tương ứng sóng mang đó sẽ được kích đóng, trong trường hợp sóng điều khiển nhỏ hơn sóng mang tương ứng của nó, linh kiện trên sẽ bị khóa kích.
4. Đối với bộ nghịch lưu áp đa bậc, chỉ số biên độ ma và chỉ số tần số mf được định nghĩa như sau: Am (13) ma = ( n−1 ).Ac fc (14) mf = fm Nếu ma ≤ 1 (biên độ sóng sin nhỏ hơn biên độ sóng mang) thì quan hệ giữa biên độ thành phần cơ bản áp ra và áp điều khiển là tuyến tính. Khi giá trị ma > 1, biên độ tín hiệu điều chế lớn hơn biên độ sóng mang thì biên độ áp hài cơ bản điện áp ra tăng không tuyến tính theo ma. Lúc này, bắt đầu xuất hiện lượng sóng hài bậc cao tăng dần cho đến khi đạt được mức giới hạn cho bởi phương pháp sáu bước. Trường hợp này còn gọi là quá điều chế. Bộ nghịch lưu đa bậc dạng cascade: phương pháp điều chế độ rộng xung sử dụng sóng mang dịch pha (Phase Shifted Carrier PWM-PSCPWM) là phương pháp điều chế cơ bản được sử dụng. Theo đó, mỗi bộ nghịch lưu áp cầu một pha trong mạch cascade có nguyên lý điều chế PWM giống nhau của một bộ nghịch lưu cầu một pha. Các sóng mang của các bộ nghịch lưu có cùng biên độ và tần số và độ dịch pha giữa các sóng mang này bằng p /m, m là số bộ nghịch lưu cầu một pha. 4. GIẢI THUẬT ĐIỀU CHẾ SÓNG MANG ĐỀ XUẤT 4.1 Nguyên lý giải thuật Gọi k là giá trị độ rộng xung của sóng mang. Tại các giao điểm cắt giữa sóng điều khiển và sóng mang, ta có thể điều khiển trạng thái đóng cắt của sóng mang dựa theo công thức: sinx = k*cary (15) (Với x=a,b,c; y=1,2,3,4). Như vậy, tại thời điểm sóng điều khiển giao cắt với sóng mang thứ nhất ta sẽ thay đổi độ rộng của sóng mang, nhưng không được vượt quá thời điểm sóng điều khiển giao cắt với sóng mang thứ hai. SA = 1, Nếu 푠푖푛 k ∗ v 0 π 2π ωt k 0 k1 ωt π 2π Hình 3: Mô tả sự điều khiển độ rộng xung theo sóng mang của giải thuật đề xuất.
5. Với cách điều khiển như trên ta sẽ điều khiển được giá trị độ rộng xung của sóng mang như mong muốn. Do đó, những khoảng thời gian này, pha tương ứng sẽ không có sự chuyển mạch của các khoá công suất. Tổng thời gian không chuyển mạch của các pha là như nhau nên mỗi pha sẽ không có sự chuyển mạch trong 1/3 chu kỳ. Hay nói cách khác là số lần chuyển mạch sẽ giảm 33%. 4.2 Lưu đồ giải thuật Bắt đầu Tạo sóng sin và sóng mang Tính giá trị độ rộng xung S So sánh trạng thái giao cắt của sóng điều khiển với các sóng mang Đ Tạo xung kích cho các pha tương ứng Kết thúc Hình 4: Lưu đồ giải thuật đề xuất Lưu đồ giải thuật cho thấy giải thuật đề xuất sử dụng các lệnh tính toán đơn giản và lệnh so sánh trong chương trình. Do đó, khi triển khai giải thuật ta có thể thực hiện và kiểm tra chương trình dễ dàng. 5. KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM Chương trình điều khiển được viết bằng các khối chức năng trên giao điện Matlab/Simulink sau đó được nhúng xuống DSP nhờ sự hỗ trợ phần mềm biên dịch Code Composer Studio CCS V6.0.1, Card DSP nhận các tín hiệu từ cảm biến dòng và cảm biến áp vào các chân chức năng đọc tín hiệu tương tự ADC. Từ các giải thuật tạo xung PWM mà giá trị ADC đọc vào được xử lý, tính toán và tạo ra xung kích tương ứng.
6. Hình 5: Dạng sóng điện áp 3 pha tâm nguồn thực nghiệm Dạng sóng điện áp 3 pha tâm nguồn có 5 bậc: -200V, -100V, 0V, 100V, 200V và lệch pha nhau 120o. Hình 6: Dạng sóng điện áp 3 pha tâm tải thực nghiệm Dạng sóng điện áp 3 pha tâm tải với điện áp đỉnh – đỉnh (-220V, 220V) và lệch pha nhau 120o. Hình 7: Dạng sóng điện áp tâm nguồn pha a và dòng điện 3 pha tải Ta thấy dạng sóng điện áp tâm nguồn pha a và dòng điện 3 pha tải, ở tại các đỉnh của dòng điện 3 pha tải thì dạng sóng điện áp tâm nguồn pha a có độ rộng thay đổi điều này sẽ làm giảm tần số đóng cắt trên linh kiện công suất và giảm tổn hao công suất.
7. Hình 8: Dạng sóng điện áp 3 pha tâm tải và dòng điện 3 pha Ta thấy dạng sóng điện áp 3 pha tâm tải và dòng điện 3 pha tải dạng sóng ra tương đối sin. Hình 9: Phân tích FFT điện áp 3 pha tâm tải. Ta thấy phân tích FFT điện áp 3 pha tâm tải với THD =4.6%, đạt so với tiêu chuẩn Việt Nam THD nhỏ hơn 5% Các nghiên cứu trước đã đưa ra các giải thuật điều chế và phân tích các cấu trúc nghịch lưu đa bậc bao gồm các nghịch lưu chuẩn truyền thống và các mạch nghịch lưu lai hiện nay, cấu trúc nghịch lưu lai sẽ có số khóa chuyển mạch ít hơn cấu trúc nghịch lưu chuẩn cùng số bậc. Ðánh giá ưu nhược điểm của chúng và xác định các vấn đề cần tiếp tục nghiên cứu. Các kết quả nghiên cứu trước đã được công bố tại các tạp chí hội nghị quốc tế chuyên ngành về điện tử công suất, với kết quả trên mô hình thực nghiệm tương tự như lý thuyết trình bày, kết quả cũng cho thấy tổn hao đóng ngắt và tỷ lệ hài giảm xuống thấp nhất khi số bậc tăng, đồng thời bậc tăng cũng làm tăng khả năng tuyến tính của đặc tính điều chế, với số lần chuyển mạch giảm 1/3 lần, hệ số méo dạng hài tổng THD nhỏ hơn giá trị yêu cầu theo tiêu chuẩn Việt Nam hiện nay ( TCVN – 7909 22-2008) đồng thời cũng đáp ứng tiêu chuẩn về nhiễu điện từ theo tiêu chuẩn quốc tế EN6100-2-2.
8. Đánh giá được kết quả hệ số méo dạng hài tổng THD. Rút ra được kết luận bậc càng cao điện áp không mong muốn càng giảm. 250 200 150 Giải thuật đề xuất 100 Giải thuật CPWM THD(Uta) THD(Uta) % 50 Voffset Medium 0 0 0.5 1 1.5 m Hình 10: So sánh đặc tuyến của THD điện áp tải thực nghiệm của giải thuật đề xuất với các kết quả đã công bố khác tại Việt Nam Ta thấy đặc tuyến của THD điện áp tải thực nghiệm của giải thuật đề xuất với các kết quả đã công bố khác tại Việt Nam, THD của giải thuật đề xuất nhỏ nhất có giá trị bằng 4.6% cao hơn giải thuật điều chế CPWM có giá trị bằng 3.6%, nhưng giá trị THD của giải thuật đề xuất tương đối ổn định với các hệ số điều chế từ m=0.1 đến m=1 và giá trị THD của giải thuật đề xuất nhỏ hơn 5%, đạt yêu cầu so với tiêu chuẩn của Việt Nam. 6. KẾT LUẬN Ta có thể điều chỉnh độ rộng xung của sóng mang để giảm tần suất đóng cắt linh kiện và giảm công suất tiêu tán, số lần chuyển mạch sẽ giảm 33%, kết quả của giải thuật được kiểm chứng qua mô phỏng và thực nghiệm. Kết quả thực nghiệm giảm độ méo dạng tổng do hài. Qua phân tích FFT điện áp tải thực nghiệm nhỏ nhất với THD = 4.6%, đạt theo tiêu chuẩn Việt Nam hiện nay ( TCVN – 7909 22-2008) TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Quách Thanh Hải, Trần Thu Hà, Danh Tuấn Lê, “Giải thuật điều chế sóng mang giảm số lần chuyển mạch cho nghịch lưu cầu H-NPC 5 bậc”, Tạp chí Khoa học Giáo dục Kỹ thuật ISSN 1859 1272, vol 34 December 2015, pp 36-41. [2] Lê Minh Phương, Phan Quốc Dũng, “Mô phỏng điện tử công suất trong Matlab- Simulink”, Nhà xuất bản Đại học Quốc gia TP. Hồ Chí Minh, 2011. [3] Quách Thanh Hải, “Nghiên cứu kỹ thuật điều chế độ rộng xung điều khiển tối ưu nghịch lưu đa bậc”, LATS Đại học Bách Khoa Tp.HCM, 2013. [4] Lê Thanh Lâm, Trần Quang Thọ, “Xây dựng kỹ thuật điều chế PWM mới để giảm sóng hài của bộ nghịch lưu nối lưới”, Báo cáo tổng kết đề tài KH&CN cấp trường trọng điểm, 2015 [5] Jae Hoon Lee and Bo Hyung Cho, “Large time-scale electro-thermal simulation for loss and thermal management of power MOSFET”, in Procedings of IEEE Power Electron Spec. Conf., pp. 112-117, 2003
9. [6] Nguyen Van Nho, Myung Joong Youn, “A Novel Simple Linear Pulse Width Modulation in TwoLevel Voltage Source”, IEEE 2003. [7] Di Zhao, Gopalaratnam Narayanan and Raja Ayyanar, “Switching Loss Characteristics of Sequences Involving Active State Division in Space Vector Based PWM”, IEEE2004. [8] Nguyen Van Nho, Hong Hee Lee and Nguyen Huy Khuong, “Sinusoidal Based Step Pulse PWM Method in Cascade Multilevel Inverters”, IEEE 2006. [9] Nguyen Van Nho, Quach Thanh Hai and Hong Hee Lee, “Carrier Based Single-state PWM Technique In multilevel Inverter”, PEDS Bangkok 2007. Thông tin liên hệ tác giả chính (nguời chịu trách nhiệm bài viết): Họ tên: Ðơn vị: Ðiện thoại: Email:
10. 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.