Kỹ thuật cân bằng điện áp tụ cho nghịch lưu 3 pha 5 bậc lai NPC

Nội dung text: Kỹ thuật cân bằng điện áp tụ cho nghịch lưu 3 pha 5 bậc lai NPC

1. KỸ THUẬT CÂN BẰNG ĐIỆN ÁP TỤ CHO NGHỊCH LƯU 3 PHA 5 BẬC LAI NPC CAPACITOR VOLTAGE BALANCE TECHNIQUES ON A 5- LEVEL H-NPC INVERTER Trần Tuấn Anh1 Trần Thu Hà1 Đỗ Đức Trí1 1 Trường ĐH Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM TÓM TẮT Bài báo này thực hiện kỹ thuật điều chế sóng mang có kiểm soát thông qua việc cân bằng điện áp trên hai tụ nhằm giảm độ méo dạng sóng ngõ ra cung cấp cho tải trong bộ nghịch lưu NPC 5 bậc lai. Kỹ thuật này sử dụng việc giám sát điện áp trên hai tụ để điều khiển đóng ngắt các khóa công suất một cách hợp lí nhằm đảm bảo điện áp cung cấp ra tải ít bị méo dạng nhất. Với kỹ thuật xây dựng giải thuật cân bằng điện áp trên tụ được trình bày trong nghiên cứu, chỉ số THD điện áp có thể giảm từ 28,10% xuống 27,57%, THD dòng điện giảm từ 2,35% xuống mức 1.10%. Trong bài báo này, tác giả có so sánh giữa hai giải thuật điều khiển có cân bằng điện áp trên tụ và không điều khiển cân bằng điện áp trên tụ. Kết quả của giải thuật được kiểm chứng qua mô phỏng và qua quá trình thực nghiệm Từ khóa: điều chế sóng mang có kiểm soát, nghịch lưu NPC 5 bậc lai, THD. ABSTRACT In this paper, the Controlled Pulse Wide Modulation (CPWM) is performed through the balance of two capacitors voltage to reduce output waveform distortion provides load on a hybrid 5 level NPC inverter. This technique is applied to monitor the voltage on the capacitor to control two switching the power lock sensibly to ensure the load voltage supply at least distortion. With techniques balancing algorithms on the capacitor voltage, the voltage THD index decreased from 28.10% down to 27.57%, the current THD down from 2.35% to 0.75%. This study presents a comparative study of Capacitor Voltage balance and unbalance techniques. The proposed results can be verified through the simulation and the experiment. Keywords: Controlled Pulse Wide Modulation, hybrid 5 level NPC inverter, THD.
2. 1. GIỚI THIỆU nghịch lưu có số bậc càng cao thì THD Biến tần đa bậc là thiết bị chuyển đổi càng thấp. Tuy nhiên, việc điều khiển các điện năng từ điện một chiều sang điện khóa công suất trong bộ nghịch lưu bậc xoay chiều, có vai trò rất quan trọng trong cao sẽ phức tạp hơn nhiều so với điều việc ứng dụng ở các lính vực khác nhau khiển các khóa công suất trong các bộ như phục vụ trong vận tải, chuyển đổi các nghịch lưu bậc thấp. dạng năng lượng xanh như sóng biển, mặt Trong bài báo này, tác giả đề nghị một trời, gió để hòa lưới điện. Kỹ thuật điều giải thuật điều chế giúp giảm THD, điều chế song mang và kỹ thuật điều chế vector khiển các khóa công suất đơn giản. Đó là không gian là hai kỹ thuật điều khiển biến giải thuật điều chế độ rộng xung có kiểm tần đa bậc phổ biến nhất. Việc khai thác soát (CPWM) trên cấu hình mạch nghịch hàm offset trong tín hiệu điều khiển cũng lưu 5 bậc lai H-NPC gồm hai bộ NPC 3 được áp dụng làm tăng cường các tính bậc. Giải thuật này kết hợp việc điều chế chất xác lập và tính chất điện của thiết bị độ rộng xung sóng mang kết hợp cân bằng như phạm vi điều khiển điện áp tối đa, khả điện áp tụ sẽ giúp làm giảm độ méo hài năng cân bằng điện áp trên tụ DC link, khả tổng trên dòng và áp tải. Kết quả đề xuất năng giảm bớt các sóng hài gây ra. được kiểm chứng qua mô phỏng bằng Để đáp ứng nhu cầu thực tế thì công phần mềm Matlab và thực nghiệm trên suất nghịch lưu càng lớn đòi hỏi cần có mô hình vật lý. các linh kiện công suất lớn. Nhưng, các 2. CẤU TRÚC NGHỊCH LƯU 5 linh kiện công suất lớn luôn bị giới hạn BẬC LAI H-NPC tần số chuyển mạch. Bên cạnh đó, tổn hao Sa1 Sb1 Sc1 Vd/2_1 trong nghịch lưu bao gồm tổn hao trên Sa2 Sb2 Sc2 A1 Vd B1 C1 nguồn cung cấp (Ps), toorn hao trên dây S'a1 S'b1 S'c1 nối (Pl), tổn hao trên mạch kích (Pdr) và Vd/2 S'a2 S'b2 S'c2 tổn hao trên các linh kiện công suất (Psw). RL Trong đó, tổn hao trên các linh kiện công S'a4 S'b4 S'c4 suất là đáng kể, phụ thuộc nhiều vào giải S'a3 S'b3 S'c3 C2 B2 A2 thuật điều chế và cấu trúc mạch. Theo [1] Sa4 Sb4 Sc4 thì tổn hao do sự chuyển mạch phụ thuộc Sa3 Sb3 Sc3 vào số làn chuyển mạch trong một chu kỳ Hình 1: Sơ đồ nguyên lí bộ nghịch lưu điện áp điều khiển các linh kiện công suất. 3 pha 5 bậc lai H-NPC Do đó, nếu số làn chuyển mạch lớn sẽ dẫn Trong sơ đồ hình 1, mỗi pha gồm một đến tổn hao trên khóa tăng làm tăng chi bộ nghịch lưu cầu H 3 bậc, các pha hoạt phí làm mát. động tương tự nhau và cách nhau 1200 Việc giảm độ méo dạng sóng hài tổng điện. Đây là cấu hình mạch 3 pha 6 dây. (THD) cũng là một vấn đề rất được quan tâm trong nghịch lưu đa bậc. Với bộ
3. 3. GIẢI THUẬT PWM () = (3) Phương pháp SPWM sử dụng sóng Với Vd là tổng điện áp nguồn DC điều khiển dạng sin để so sánh với các Đối với bộ nghịch lưu 3 pha, biên độ sóng mang dạng tam giác tạo giản đồ kích điện áp hài cơ bản: đóng cho linh kiện. Đối với bộ nghịch lưu () = × (4) n bậc, số sóng mang được sử dụng là n-1, Phương pháp SPWM đạt được chỉ số chúng có cùng tần số và biên độ đỉnh- lớn nhất trong vùng tuyến tính khi biên độ đỉnh. Gọi A và f lần lượt là biên độ đỉnh m m sóng điều chế bằng biên độ sóng mang. – đỉnh và tần số của sóng điều khiển; A c Khi đó: và fc lần lượt là biên độ đỉnh – đỉnh và tần () _ = (5) số sóng điều khiển (sóng điều chế). Sóng ()_ điều khiển thay đổi quanh tâm của hệ Với: U(1)m là biên độ hài cơ bản thống sóng mang n-1. Nếu sóng điều U(1)m-Six_step là biên độ cực đại hài khiển lớn hơn sóng mang nào đó thì linh bậc cao theo phương pháp 6 bước. kiện tương ứng đó được điều khiển kích _ = = = 0.785(6) đóng tương ứng ngược lại nếu sóng điều khiển nhỏ hơn sóng mang nào đó thì linh kiện bị khóa. Đối với nghịch lưu áp đa bậc, chỉ số biên độ ma và chỉ số tần số mf được định nghĩa như sau: = (1) Hình 2: Dạng sóng mang, sóng điều () khiển và xung kích điều chế liên tục = (2) Nếu ma ≤ 1 thì biên độ sóng sin nhỏ hơn sóng mang, quan hệ giữa thành phần cơ bản của áp ra và áp điều khiển là tuyến tính. Khi giá trị ma > 1, biên độ tín hiệu điều Hình 3: Dạng sóng mang, sóng điều chế lớn hơn biên độ sóng mang thì biên khiển và xung kích điều chế gián đoạn độ áp hài cơ bản điện áp ra tăng không 4. GIẢI THUẬT ĐỀ XUẤT tuyến tính theo ma. Lúc này, bắt đầu xuất Thay vì sử dụng 1 sóng điều khiển uđkj hiện lượng sóng hài bậc cao tăng dần cho và nhiều sóng mang với biên độ khác đến khi đạt được mức giới hạn cho bởi nhau (0,1), (1,2), , (n-2,n-1), có thể sử phương pháp sáu bước. Trường hợp này dụng kỹ thuật CPWM với một sóng mang còn gọi là quá điều chế. đơn vị (0,1) cho các cặp linh kiện (Sj1, Đối với bộ nghịch lưu 1 pha, biên độ S’j1), (Sj2, S’j2), , (Sjn-2, S’jn-1). Tuy áp pha hài cơ bản : nhiên, kỹ thuật này cần (n-1) sóng điều
4. khiển ξ j1 , ξ j2 , , ξ jn-1 cho (n-1) cặp linh 5. KẾT QUẢ MÔ PHỎNG VÀ kiện. THỰC NGHIỆM Điều kiện mô phỏng, thực nghiệm với 1 tần số sóng mang 5kHz, sóng điều khiển tần số 50Hz, tải R=40Ω, L=50 mH, tụ điện C=1000µF, DSP 28335, máy đo 2 Tektronik TPS 2024B, Hioki. 4 Hình 6: Dạng sóng xung kích cho các 3 IGBT khi chưa cân bằng điện áp tụ trong mô phỏng (a) và thực nghiệm (b) Hình 4: Tách uđkj thành 4 sóng điều khiển ξ1 , ξ2 , ξ3 , ξ4 * Xác định giá trị ξ j Ta phân tích: u = Int(u ) + ξ đkj đkj j (7) Hình 7: Dạng sóng xung kích cho các ξ = u - Int(u ) IGBT khi cân b ằ ng điện áp tụ trong mô j đkj đkj (8) phỏng (a) và thực nghiệm (b) Trong hình 6 và 7, dạng sóng xung kích Với: Int(uđkj) là phần nguyên của uđkj cho các IGBT trong mô phỏng và thực Và ξ là phần dư của uđkj sau khi lấy đi j nghiệm tương đồng nhau phần nguyên. So sánh các áp điều khiển ξ j với sóng mang chuẩn có biên độ (0,1) sẽ được các xung kích tưng ướng cho các cập linh kiện. Hình 8: Dạng sóng điện áp trên pha a khi chưa cân bằng điện áp tụ trong mô phỏng (a) và thực nghiệm (b) Trong hình 8, dạng sóng điện áp trên tải bị méo dạng khá nhiều khi tác giả chưa Hình 5: Sơ đồ khối kỹ thuật PWM thực hiện cân bằng điện áp trên tụ. dùng một sóng mang
5. THD dòng điện Giải tải (%) thuật Mô Thực phỏng nghiệm Không cân bằng 2.68 4.06 Hình 9: Kết quả phân tích THD khi áp tụ chưa cân bằng điện áp tụ trong mô phỏng Có cân 1.10 3.65 (a) và thực nghiệm (b) bằng áp tụ Trong hình 9, kết quả phân tích THD Bảng 1: So sánh THD dòng điện trên cho thấy khi thực hiện mô phỏng THD tải giữa 2 giải thuật dòng điện trên tải là 2.68%, khi thực Nhận xét: Khi thực hiện điều khiển cân nghiệm là 4.06% bằng điện áp trên tụ, điện áp ngõ ra cân bằng, dòng tải hình sin. Tuy nhiên còn một lượng hài bậc 2 và bậc 3, tỉ lệ hài bậc 3 giảm còn gần bằng 3.65%. Khi ta so sánh kết quả giữa mô phỏng và thực nghiệm cả hai giải thuật không cân bằng điện áp tụ và có cân bằng điện áp tụ, THD Hình 10: Dạng sóng điện áp tâm nguồn dòng điện tải ở giải thuật cân bằng điện áp pha a khi thực hiện cân bằng điện áp tụ tụ thấp hơn nhiều so với giải thuật không trong mô phỏng (a) và thực nghiệm (b) cân bằng điện áp tụ. Nên giải thuật cân bằng điện áp tải được đề xuất để thực hiện Đặc tuyến THD Uta-m 238.3 227 201.19 207 187 167 Hình 11: Kết quả phân tích THD 147 126.1 113.62 127 97.9 dòng điện trên tải khi thực hiện cân 96.21 107 67.3 bằng điện áp tụ trong mô phỏng (a) 87 61.62 48.9 43.7 38.9 33.7 Tổng hài THD (%) áp 28.7 và thực nghiệm (b) 67 46.0342.55 38.2832.24 Trong hình 11, khi thực hiện cân 47 27.51 27 bằng điện áp trên tụ, dạng sóng điện áp và dòng điện ít bị méo dạng hơn. Mô phỏng Thực nghiệm Chỉ số m Kết quả phân tích THD dòng điện khi Hình 12: Đặc tuyến THD điện áp theo mô phỏng là 1.10%, khi thực nghiệm chỉ số m là 3.65%.
6. Trong hình 12, tác giả khảo sát THD Kết luận: Khi khảo sát trên cả 3 pha, điện áp theo chỉ số điều chế m. Theo khảo ta nhận thấy dạng sóng trên cả 3 pha là sát, chỉ số m tối ưu khi cả mô phỏng và như nhau. Các pha cách đều nhau 1200 thực nghiệm là 0.866. điện. - Khảo sát dạng sóng điện áp trên cả 6. KẾT LUẬN 3 pha Trong bài báo này, tác giả đã tiếp cận Để thực hiện khảo sát dạng sóng điện các phương pháp về phân tích kỹ thuật áp trên cả 3 pha. Tác giả thực hiện mô điều chế độ rộng xung sóng mang cho bộ phỏng và thực nghiệm với các thông số nguồn ba pha gồm hai mạch NPC ba bậc sau đây: để cung cấp cho phụ tải ba pha vòng hở. R=40 Ohm, L=50Mh, fs=3kHz, So với các nghiên cứu trước đây, khi sử C=1000µF, tần số sóng sin 50Hz. dụng bộ nghịch lưu 5 bậc NPC cần nhiều Kết quả như sau: linh kiện hơn và việc điều khiển phức tạp hơn, từ đó dẫn đến độ ổn định của hệ thống không cao, độ bền kém. Từ các kết quả mô phỏng và thực nghiệm cho thấy muốn nâng cao chất lượng điện áp ngõ ra phải nâng số bậc của biến tần, các biến tần lai ra đời với nhiều những ưu điểm điều Hình 13: Dạng sóng điện áp 3 pha trên khiển vượt trội so với các cấu hình biến mô phỏng (a) và thực nghiệm (b) tần cơ bản, hay sử dụng linh hoạt số lượng Và khảo sát độ lệch pha giữa 3 pha nguồn cấp DC (như một nguồn cho công nghiệp hay dân dụng, đa nguồn cho ứng dụng nguồn năng lượng mới). Trong các cấu hình biến tần lai thì cấu hình gồm hai mạch NPC ba bậc có nhiều ưu điểm, cụ thể là: khả năng điều khiển linh hoạt, có thể sử dụng cấu hình 6 tụ hoặc 2 tụ, các giải thuật điều khiển linh động và hiệu quả. Đây là điểm mới của bài báo TÀI LIÊU THAM KHẢO [1] Danh Tuấn Lê, “Nghiên cứu bộ nghịch lưu ba pha năm bậc NPC’’, LVThS, Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Hình 14: Khảo sát độ lệch pha của 3 TPHCM, 2015 pha
7. [2] Lê Văn Mạnh Giàu, “Cân bằng điện [6] Wei Wu, Jianguo Jiang, Guifeng thế điểm trung tính trong biến tần NPC 3 Wang, Shutong Qiao, He Liu, “A bậc dùng Zero-Sequence Voltage”, Multilevel SVPWM Algorithm for Linear LVThS, Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Modulation and Over Modulation Thuật TP.HCM, 2013. Operation” , 2013 [3] Nguyễn Văn Nhờ, Đới Văn Môn, [7] Mahmud Ismaila, “A Comparative Trần Quốc Hoàn, Quách Thanh Hải, “Kỹ Study of SPWM on A 5-Level H-NPC thuật điều chế PWM ba bậc nhằm cân Inverter”, Research Journal of Applied bằng điện áp hai tụ điện một chiều trong Sciences, Engineering and Technology nghịch lưu bậc NPC”, Hội nghị toàn quốc 6(12): 2277-2282, 2013 ISSN: 2040-7459 lần thứ 6 về cơ điện tử - VCM – 2012. [8] Võ Xuân Nam, “Cân bằng điện áp [4] Quách Thanh Hải, “Nghiên cứu kỹ DC-Link cho bộ nghịch lưu NPC đa bậc”, thuật điều chế độ rộng xung điều khiển tối LVThS Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ ưu nghịch lưu đa bậc”, LATS Đại học Thuật TP.HCM, 2012. Bách Khoa Tp.HCM, 2013. [9] Bin Wu, “High-Power Converters [5] Zhongyuan Cheng ,Bin Wu, “A and ac Drives”, IEEE Press / Wiley Novel Switching Sequence Design for November 2005, ISBN: 0-4717-3171-4 . Five-Level HNPC-Bridge Inverters With [10] Nguyễn Văn Nhờ, “Giáo trình điện Improved Output Voltage Spectrum and tử công suất”, NXB Đại học quốc gia Minimized Device Switching TP.HCM, 2012. Frequency”, 2007 Thông tin liên hệ tác giả chính (người chịu trách nhiệm bài viết): Họ tên: Trần Thu Hà Đơn vị: Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp.HCM Điện thoại: 0918 75 78 76 Email: tranthuha2000@yahoo.com.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 B n ti ng Vi t ©, T NG I H C S PH M K THU T TP. H CHÍ MINH và TÁC GI Bản quếy n táệc ph mRƯ ãỜ cĐ bẠ o hỌ b Ưi Lu tẠ xu t Ỹb n vàẬ Lu t S hỒ u trí tu Vi t Nam. NgẢhiêm c m m i hình th c xu t b n, sao ch p, phát tán n i dung khi c a có s ng ý c a tác gi và ả ng ề i h ẩ pđh đưm ợK thuả tộ TP.ở H ậChí Mấinh.ả ậ ở ữ ệ ệ ấ ọ ứ ấ ả ụ ộ hư ự đồ ủ ả Trườ Đạ ọCcÓ Sư BÀI BạÁO KHỹ OA ậH C T ồT, C N CHUNG TAY B O V TÁC QUY N! ĐỂ Ọ Ố Ầ Ả Ệ Ề Th c hi n theo MTCL & KHTHMTCL h c 2017-2018 c a T vi n ng i h c S ph m K thu t Tp. H Chí Minh. ự ệ Năm ọ ủ hư ệ Trườ Đạ ọ ư ạ ỹ ậ ồ