Giải thuật điều chế sóng mang giảm số lần chuyển mạch cho nghịch lưu cầu H-NPC 5 bậc

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

1. GIẢI THUẬT ĐIỀU CHẾ SÓNG MANG GIẢM SỐ LẦN CHUYỂN MẠCH CHO NGHỊCH LƯU CẦU H-NPC 5 BẬC CARRIER PWM ALGORITHMIN FIVE-LEVEL HBRIGDE NPC INVERTER WITH REDUCED SWITCHING Quách Thanh Hải1 Trần Thu Hà1 Danh Tuấn Lê2 Đỗ Đức Trí1 1Phòng TN D406-Trường ĐH Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM 2Trường Cao đẳng kinh tế kỹ thuật Kiên Giang 3Trường Cao đẳng công nghiệp Huế TÓM TẮT Bài báo này trình bày kỹ thuật điều chế sóng mang thông qua việc sử dụng hàm offset nhằm giảm số làn chuyển mạch của các khóa công suất cho nghịch lưu cầu H-NPC 5 bậc. Kỹ thuật này sử dụng hàm offset là thành phần bậc 3 để chuyển các sóng điện áp điều khiển về các ngưỡng cực đại hoặc cực tiểu của biên độ sóng mang để giả giao cắt giữa sóng điều khiển và sóng mang để giảm số lần chuyển mạch. Với kỹ thuật xây dựng hàm offset trình bày trong nghiên cứu, số lần chuyển mạch của các khóa công suất/pha trong một chu kỳ có thể giảm đến 33%. Kết quả của giải thuật được kiểm chứng qua mô phỏng và qua quá trình thực nghiệm. Từ khóa: điều chế sóng mang, hàm offset, giảm số lần chuyển mạch, nghịch lưu. ABSTRACT This paper presents the carrier pulse width modulation with a novel offset based to reduce the number of switchings in five-level H-brigde neutral point clamped inverter. The proposed technique uses the offset is 3rd voltages to transfer the control voltage into the maximum or minimum amplitude of the carrier. So that reducing the intersection of control and the carrier wave to reduce the number of switching. With the pulse width modulation method and flexible offset voltages in this study, the number of switching/phase in a cycle can be reduced to 33%. Simulation and experimental results are provided in order to validate the proposed method. Keywords: carrier pulse width modulation, novel offset, reduce the number of switchings, inverter. 1. GIỚI THIỆU trong tín hiêụ điều khiển có thể làm tăng cương cac tinh năng xac lâp̣ va cac tinh chất Biến tần đa bâc̣ là thiết bi ̣biến đổi điêṇ ̀ ́ ́ ́ ̀ ́ ́ điêṇ của thiết bi ̣như phaṃ vi điều khiển điêṇ năng có vai trò ngày càng quan trọng trong các lĩnh vực ứng dụng khác nhau như phục áp (và dòng điện ) tối đa, khả năng cân bằng điện áp trên tụ DC link, khả năng giảm bớt vụ biến đổi điện cơ, giao thông, vâṇ tải, quản các nhiễu do sóng hài gây ra lý chất lượng hệ thống điện , chuyển đổi các dạng năng lượng tái tạo như năng lượng mặt Để đáp ứng nhu cầu thực tế thì công suất nghịch lưu ngày càng lớn do đó đòi hỏi phải trờ i, năng lươṇ g gió về hòa lướ i đ iêṇ . Hai kỹ có các khóa công suất lớn. Tuy nhiên tần số thuâṭ điều khiển biến tần đa bâc̣ thườ ng đươc̣ chuyển mạch của các khóa công suất lớn quan tâm là kỹ thuâṭ điều chế vectơ không luôn bị giới hạn (thời gian chuyển mạch lớn gian và kỹ thuâṭ điều chế sóng mang dưạ vào hàm offset . Khả năng khai thác hàm offset hơn rất nhiều so với linh kiện công suất nhỏ). Mặt khác Tổn hao trong mạch nghịch lưu
2. bao gồm tổn hao trên nguồn cung cấp (PS), Mỗi pha của nghịch lưu 3 pha 5 bậc cầu tổn hao trên dây nối (Pl), tổn hao cho mạch H-NPC được cấu tạo từ 2 nhánh NPC 3 bậc kích khóa công suất (PDr) và tổn hao trên hình 1 khóa công suất (PSW). Trong các tổn hao kể Do đó, thành phần Uxn được xác định trên thì tổn hao trên khóa công suất đóng vai dựa vào (2) như sau: trò chính, phụ thuộc nhiều vào giải thuật điều chế và cấu trúc mạch. Tổn hao trên khóa Uxn = UxnT - UxnP = udc.(TSxT - TSxP) (2) công suất của mạch nghịch lưu trong 1 chu kỳ điện áp điều khiển có thể xác định theo Với TSxch được định nghĩa theo (3) với (1) Ch=T,P (biểu thị nhánh trái và phải). PPP (1) SW SS CS TSxj = TSxPj - TSxTj (3) Với, PSW là tổn hao trong 1 chu kỳ điện áp điều khiển trên khóa công suất trong mạch Trong đó j là chỉ số khóa chuyển mạch nghịch lưu. PSS và PCS là tổn hao do sự có giá trị 1-4 và T là trạng thái khóa công chuyển mạch và tổn hao dẫn điện trong 1 chu suất. kỳ điện áp điều khiển trên khóa công suất Do đó điện áp pha tâm nguồn DC được mạch nghịch lưu. Theo [11] thì tổn hao do sự xác định theo (4) chuyển mạch phụ thuộc vào số lần chuyển mạch trong một chu kỳ điện áp điều khiển Uan TSaT TSaP của các khóa công suất. Do đó nếu số lần Ubn udc TSbT TSbP chuyển mạch lớn sẽ dẫn đế tổn hao trên khóa (4) U T T tăng và phải tăng chi phí để làm mát, để sản cn ScT ScP xuất các khóa công suất có khả năng chịu tăng nhiệt tốt hơn.Chính vì vậy việc ngoài Và có thể tính được điện áp pha-tâm tải việc nghiên cứu các dạng nghịch lưu đa bậc của nghịch lưu cầu H-NPC 5 bậc theo (5) và thì một hướng khác được quan tâm là nghiên (6) cứu giải thuật làm giảm số lần chuyển mạch. Nôị dung bài báo đề nghi ̣môṭ k ỹ thuật Uao 2 1 1 Uan điều chế mớ i giúp giảm số lần chuyển mạch U 1 1 2 1 U của các khóa công suất trên bộ nghịch lưu áp bo 3 bn (5) U 1 1 2 U 5 bâc̣ cầu H-NPC thông qua việc sử dụng co cn hàm offset đưa điện áp điều khiển về các ngưỡng cực đại hoặc cực tiểu của sóng mang. U ao 2 1 1 TSaT TSaP So vơi cac giải thuật điều chế chuẩn, kỹ thuật u (6) ́ ́ U dc 1 2 1 T T điều chế mớ i đề xuất có khả năng giảm đáng bo 3 SbT SbP kể số lần chuyển mạch. Kết quả đề xuất đươc̣ Uco 1 1 2 TScT TScP kiểm chứ ng qua mô ph ỏng bằng phần mềm Mathlab và thực nghiệm trên mô hình vật lý. Do đó, thành phần Uxn chứa hài bậc 3 2. CẤU TRÚC NGHỊCH LƯU 5 BẬC còn hai thành phần điện áp pha Uxo và điện CẦU H-NPC áp dây Uxy sẽ không có hài này [15]. Chính vì vậy có thể thấy rằng nếu hàm offset trong giải thuật nghịch lưu đề xuất là hài bậc 3 thì sẽ không làm ảnh hưởng đến biên độ thành phần điện áp hài bậc 3 trên tải. Bên cạnh đó cũng có thể thấy rằng điện áp pha – tâm nguồn Uxn sẽ có 5 mức với 2 mức dương, 2 mức âm và giá trị zero. Hình 1 : Sơ đồ nguyên lý bộ nghịch lưu ba pha năm bậc H-NPC
3. 3. GIẢI THUẬT PWM CẢI BIẾN hàm tạo điện áp offset (8) còn ợđư c gọi là (SFO-PWM) hàm offset điều chế cực tiểu common mode. Giải thuật PWM cải biến là giải thuật Biên độ đỉnh điện áp hài bậc 1 của PWM bổ xung thêm thành phần bậc 3 vào phương pháp SFO có giá trị: sóng mang mà ta gọi là điện áp offset. Theo udc (9) đó mỗi điện áp điều khiển (VxSFO) là tổng V1SFO điện áp điều khiển của giải thuật PWM và 3 thành phần điện áp offset (Voffset)[10]. Tức là: Do đó, khoảng điều khiển tuyến tính của VVV (7) phương pháp này được cải thiện lên đến chỉ xSFO x offset số mmax =0.91. Một số hàm offset khác cũng được đưa ra nhằm các mục đích khác nhau Một trong các điện áp offset có thể chọn như giảm số lần chuyển mạch, giảm hệ số có giá trị bằng trung bình của giá trị điện áp méo hài tổng [5, 7, 10]. Vì vậy bài báo này lớn nhất và nhỏ nhất trong ba điện áp điều cũng chủ yếu tập trung vào việc đề xuất các khiển. hàm offset nhằm thực hiện mục tiêu chuyển mạch của các khóa công suất. Gọi Va, Vb, Vc là các điện áp offset theo phương pháp SFO-PWM (VxSFO) vừa được mô tả có thể biểu diễn dưới dạng toán học 4. GIẢI THUẬT ĐỀ XUẤT như sau: 4.1.1. Nguyên lý giải thuật: max(VV ) min( ) (8) V xx offset 2 Theo [5, 11] thì tổn hao do sự chuyển mạch phụ thuộc vào điện áp đặt lên khóa Trong đó, x là chỉ số pha x=a,b,c. dòng điện chạy qua khóa và số lần chuyển Đồ thị 1 hình 2 cho kết quả mô phỏng mạch trong một chu kỳ điện áp điều khiển của các khóa công suất. Do đó giải thuật sẽ tạo Voffset và VaSFO từ 3 điện áp điều khiển Va, tập trung giảm sự chuyển mạch của các khóa Vb, và Vc áp dụng với nghịch lưu 5 bậc cầu H-NPC có điện áp điều khiển tuyệt đối là lớn nhất. Gọi vx là điện áp điều khiển pha x ban đầu,vrx là điện áp điều khiển tính toán từ giải thuật (sẽ đưa vào mạch điều chế). Biên độ các sóng mang tam giác đều bằng nhau và bằng 1. Với nghịch lưu 5 bậc cầu H NPC, lúc này các ngưỡng so sánh chuyển mạch trên cùng và dưới cùng sẽ là +2 và -2. Gọi m là chỉ số điều chế. Giá tri m được định nghĩa theo . 3 (10) = 1, 4 vx =v 1,x .cos(ω.t+j x )+v offset (11) Hình 2: Mô phỏng nghịch lưu 5 bậc cầu H-NPC điều chế SFO PWM Gọi Px và Nx là chênh lệch điện áp giửa pha x với các ngưỡng điện áp trên cùng và Giải thuật SFO PWM cho kết quả giá trị dưới cùng của sóng mang. trung bình điện áp common mode (VcmAVG) sẽ thấp hơn so với giải thuật PWM. Vì vậy Px = 2 - Vx (12)
4. Nx = Vx – (-2) = Vx + 2 (13) Đặt MinP = min(Pa, Pb, Pc) (14) Và MinN = min(Na, Nb, Nc) (15) Lúc này MinP bằng giá trị Px của pha nào thì pha đó có biên độ điện áp điều khiển gần ngưỡng +2 nhất. Tương tự, MinN có giá trị bằng Nx của pha nào thì pha đó có biên độ điện áp điều khiển gần ngưỡng -2 nhất. Do đó nếu điện áp offset (Voffset) được xác định theo (16) 푖푛푃푛ế 푖푛푃 ≤ 푖푛 표 푠푒푡 = [ (16) − 푖푛 푛ế 푖푛푃 > 푖푛 Hình 4: Lưu đồ giải thuật đề xuất Lưu đồ giải thuật cho thấy giải thuật đề Thì hàm offset lúc này sẽ là thành phần xuất sử dụng các lệnh đơn giản như cộng, trừ, bậc 3 và điện áp điều khiển sau khi cộng so sánh trong chương trình. Do đó, khi triển offset sẽ dời về vị trí mới với độ dịch chuyển là nhỏ nhất đồng thời pha có biên độ gần khai giải thuật thì thời gian tính toán sẽ rất cộng hoặc trừ 2 nhất sẽ dời về ngưỡng +2 nhỏ, rất phù hợp với việc điều khiển vòng hoặc -2 (hình 3) kín hoặc điều khiển theo các định hướng kỹ thuật khác nhau. 5. KẾT QUẢ MÔ PHỎNG VÀ THỰC NGHIỆM Điều kiện mô phỏng, thực nghiệm nguồn a) b) Hình3: mô tả nguyên lý giải thuật đề xuất DC 150V, tần số sóng mang 3000Hz, tải 4.1.2. Lưu đồ giải thuật R=82Ω, L=50mH, máy đo Tektronix TPS Với các phân tích từ 4.1.1 có thể xây 2024B, máy đo THD : Hioki , Vi điều khiển dựng lưu đồ giải thuật như hình 4. DSP 28335 Kết quả mô phỏng (a) và thực nghiệm (b) điện áp pha tâm tải và dòng điện pha tải được trình bày ở hình 5. Với dạng sóng nhận được có thể thấy rằng kết quả mô phỏng và thực nghiệm khá tương đồng.
5. Hình 6:phân tích THD áp pha tải và dòng điện a) tải thực nghiệm giải thuật đề xuất tại chỉ số điều chế m=1. 210 200 190 THD u (%) ( Đề xuất) 180 170 THDu (%) Vo - Medium 160 150 140 130 120 110 100 90 80 70 THD ap tai pha a (%) a pha tai ap THD 60 50 40 30 20 10 0 0.1 0.3 0.5 0.7 0.9 1.1 b) Chi so dieu che m Hình 5:kết quả mô phỏng và thực nghiệm giải Hình 7:Quan hệ chỉ số điều chế và THD% thuật đề xuấttại chỉ số điều chế m=1. điện áp pha tâm tải giải thuật đề xuất và giải thuật medimum common mode Tại chỉ số điều chế m=1, điện áp pha tải Hình 7 cho thấy giải thuật đề xuất có hệ và dòng điện tải đều có hệ số méo hài tổng số méo hài tổng (THD) của điện áp pha tâm (THD%) lần lượt là 3,8 và 3,9 nhỏ hơn giá trị tải nhỏ hơn so với khi áp dụng giải thuật yêu cầu theo tiêu chuẩn Việt Nam hiện nay medimum common mode trên toàn bộ vùng (TCVN-7909 2.2-2008) đồng thời cũng đáp chỉ số điều chế. ứng tiêu chuẩn về nhiễu điện từ theo tiêu chuẩn quốc tế EN6100-2-2 (hình 6). Đặc tuyến điều khiển của giải thuật đề xuất cũng khá tuyến tính và so với giải thuật medimum common mode thì khá tương
6. đương nhau (hình 8). chu kỳ điện áp điều khiển. Giá trị giảm của 0.7 số lần chuyển mạch có thể đạt đến 33% theo 0.6 lý thuyết nhưng trên thực tế với tần số sóng 0.5 điều khiển số lần chuyển mạch giảm 30%. 0.4 Bên cạnh đó các thông số chất lượng điện năng như THD% của điện áp pha tải cũng 0.3 đảm bảo luôn thấp hơn so với khi áp dụng 0.2 Giải thuật đề xuất giải thuật Medimum common mode (hình 8). 0.1 Giải thuật medimum CM Giải thuật này có thể mở ra khả năng giảm số 0 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 lần chuyển mạch qua đó giảm tổn hao do chuyển mạch của khóa công suất cho nghịch Hình 8:Đặc tuyến điều khiển (mô phỏng) lưu lai cầu H-NPC 5 bậc mà vẫn đảm bảo 200 Medium CM 190 Đề xuất các thông số chất lượng như THD% và độ 180 170 tuyến tính của đặc tuyến điều khiển. 160 150 140 TÀI LIỆU THAM KHẢO 130 [1] Bin Wu, “High-Power Converters and 120 110 So lan chuyen mach chuyen lan So ac Drives”, IEEE Press/Wiley, November 100 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 2005, ISBN: 0-4717-3171-4. Chi so dieu che m [2] Bùi Thanh Hiếu, “ Nghiên cứu bộ Hình 9:Số lần chuyển mạch trong một chu kỳ theo chỉ số điều chế của giải thuật đề xuất và nguồn 3 pha cầu H gồm 2 mạch NPC ba giải thuật medimum common mode bậc’’, LVThS, Đại học Sư phạm Kỹ thuật Hình 9 cho thấy sự so sánh về số lần TPHCM, 2013 chuyển mạch trong một chu kỳ điện áp điều [3] B. Wu, Z. Cheng, “A Novel Switching khiển của giải thuật đề xuất và giải thuật Sequence Design for Five-Level medimum common mode. Từ đồ thị có thể HNPC-Bridge Inverters With Improved thấy rằng số lần chuyển mạch của giải thuật Output Voltage Spectrum and Minimized đề xuất luôn ít hơn so với khi áp dụng giải Device Switching Frequency”, IEEE thuật medimum common mode và số lần Transactions on Power Electron 6 2007, pp. chuyển mạch giảm nhiều nhất là 30% ứng 2138–2145. với trường hợp chỉ số điều chế là m=0.9 [4] C. A. dos Santos and F. L. M. Antunes, 6. KẾT LUẬN “Losses Comparison Among Carrier-Based Bằng cách sử dụng hàm offset mới đề PWM Modulation Strategies in Three-Level xuất theo công thức (15) có thể giải quyết tốt Neutral-Point-Clamped Inverter”, bài toán giảm số lần chuyển mạch trong một
7. International Conference on Renewable áp hai tụ điện một chiều trong nghịch lưu 3 Energies and Power Quality, Spain bậc NPC”, Hội nghị toàn quốc lần thứ 6 về April-2011. cơ điện tử - VCM – 2012. [5] Di Zhao, G. Narayanan and Raja [10] N.V.Nho, M.J.Youn, “A Ayyanar, “Switching Loss Characteristics Comprehensive Study On SVPWM – Carrier of Sequences Involving Active State Based PWM Correlation In Multilevel Division in Space Vector Based PWM”, Inverters”, IEE Proceedings -Electric Power IEEE-2004. Applications, 2005. [6] Lê Văn Maṇ h Giàu , “ Cân bằng điêṇ [11] Quách Thanh Hải, “nghiên cứu kỹ thế điểm trung tính trong biến tần NPC 3 bâc̣ thuật điều chế độ rộng xung điều khiển tối ưu dùng ZERO – SEQUENCE VOLTAGE”, nghịch lưu đa bậc”, LATS Đại học Bách LVThS, Trườ ng Đaị Hoc̣ Sư Phaṃ Kỹ Thuâṭ Khoa Tp.HCM, 2013. TP.HCM, 2013. [12] Võ Xuân Nam , “Cân bằng điêṇ áp [7] M.H. Bierhoff, F.W. DC-Link cho bô ̣ nghịch lưu NPC đa bậc” , Fuchs,“Semiconductor Losses in Voltage LVThS Trườ ng Đaị Hoc̣ Sư Phaṃ Kỹ Thuâṭ Source and Current Source IGBT Converters TP.HCM, 2012. Based on Analytical Derivation”. [13] Wei Wu, Jianguo Jiang, Guifeng Wang, [8] Nguyêñ Văn Nhờ , “Giáo trình điêṇ tử Shutong Qiao, He Liu, “A Multilevel công suất 1”, NXB Đaị hoc̣ quốc gia SVPWM Algorithm for Linear Modulation TP.HCM, 2012. and Over Modulation Operation”, Sensors & [9] Nguyễn Văn Nhờ, Đới Văn Môn, Trần Transducers, Vol. 159, Issue 11, November Quốc Hoàn, Quách Thanh Hải, “ Kỹ thuật 2013, pp. 198-205. điều chế PWM ba bậc nhằm cân bằng điện Thông tin liên hệ tác giả chính (người chịu trách nhiệm bài viết): Họ tên: Quách Thanh Hải Đơn vị: Phòng thí nghiệm điện tử công suất D406, đại học Sư Phạm Kỹ Thuật Tp.HCM Điện thoại: 0903.688.130 Email: haiqt@hcmute.edu.vn
8. 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 2016-2017 của Thư viện Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp. Hồ Chí Minh.