Luận văn Nghiên cứu điều khiển giảm điện áp Common mode cho bộ nghịch lưu Cascade (Phần 1)

Nội dung text: Luận văn Nghiên cứu điều khiển giảm điện áp Common mode cho bộ nghịch lưu Cascade (Phần 1)

1. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ PHẠM THỊ KIM THÊ NGHIÊN CỨU ĐIỀU KHIỂN GIẢM ĐIỆN ÁP COMMON MODE CHO BỘ NGHỊCH LƯU CASCADE NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN – 60520202 S K C0 0 4 7 2 4 Tp. Hồ Chí Minh, tháng 10/2015
2. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ PHẠM THỊ KIM THÊ NGHIÊN CỨU ĐIỀU KHIỂN GIẢM ĐIỆN ÁP COMMON MODE CHO BỘ NGHỊCH LƯU CASCADE NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN – 60520202 Hướng dẫn khoa học: PGS.TS: NGUYỄN VĂN NHỜ Tp. Hồ Chí Minh, tháng 10 năm 2015
3. LÝ LỊCH KHOA HỌC I. LÝ LỊCH SƠ LƯỢC: Họ & tên: PHẠM THỊ KIM THÊ Giới tính: Nữ Ngày, tháng, năm sinh: 20/12/1985 Nơi sinh: Bến Tre Quê quán: Tân Thanh Tây, Mỏ Cày Bắc, Bến Tre Dân tộc: Kinh Chỗ ở riêng hoặc địa chỉ liên lạc: 113, Ấp 2, Tam Hiệp, Châu Thành, Tiền Giang Điện thoại cơ quan: 0733919922 Điện thoại di động: 01234559638 Fax: E-mail: kimthe2012@yahoo.com.vn II. QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO: 1. Cao đẳng sư phạm kỹ thuật: Hệ đào tạo: Chính qui Thời gian đào tạo từ 10/2004 đến 3/2008 Nơi học (trường, thành phố): Cao Đẳng Sư Phạm Kỹ Thuật Vĩnh Long Ngành học: Kỹ Thuật Điện 2. Đại học: Hệ đào tạo: Vừa học vừa làm Thời gian đào tạo từ 12/2010 đến 12/2012 Nơi học (trường, thành phố): Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP.HCM Ngành học: Kỹ Thuật Điện Tên đồ án, luận án hoặc môn thi tốt nghiệp: Ngày & nơi bảo vệ đồ án, luận án hoặc thi tốt nghiệp: Người hướng dẫn: III. QUÁ TRÌNH CÔNG TÁC CHUYÊN MÔN KỂ TỪ KHI TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC: Thời gian Nơi công tác Công việc đảm nhiệm 12/2012 đến nay Trường TCN Khu Vực Cai Lậy Giáo viên dạy nghề
4. LỜI CAM ĐOAN Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi. Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Tp. Hồ Chí Minh, ngày tháng năm 2015 (Ký tên và ghi rõ họ tên) Phạm Thị Kim Thê
5. LỜI CẢM ƠN Xin chân thành gửi lời cảm ơn đến PGS.TS Nguyễn Văn Nhờ đã nhiệt tình hướng dẫn tôi hoàn thành chuyên đề này. Xin chân thành gửi lời cảm ơn đến toàn thể quí thầy cô trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật TP. Hồ Chí Minh đã giảng dạy, hướng dẫn và tạo mọi điều kiện, môi trường học tập tốt, thân thiện cho tôi. Xin cảm ơn các anh chị em học viên lớp KĐĐ2013B ngành Kỹ thuật điện cùng các anh chị học viên cùng nghiên cứu trong phòng thí nghiệm HTNL trường Đại học Bách Khoa TP. Hồ Chí Minh đã chia sẽ, hỗ trợ, giúp đỡ trong suốt quá trình học tập.
6. TÓM TẮT LUẬN VĂN Luận văn này trình bày toàn bộ nội dung nghiên cứu cũng như thiết kế và thực thi bộ nghịch lưu cầu H nối tầng đa bậc thông qua tải R-L hoặc động cơ. Trong đề tài này tập trung giải quyết bài toán giảm điện áp common-mode. Vẫn dựa trên nguyên tắc chung là sử dụng các vector "cho phép", những vector có điện áp common-mode nhỏ, để điều chế trên vector điện áp yêu cầu. Đề tài xây dựng một giải thuật đơn giản dựa trên kỹ thuật sóng mang cho phép dễ dàng kiểm soát và giảm điện áp common-mode ở vùng tuyến tính và quá điều chế. Kỹ thuật được thực hiện trước tiên ở 5 bậc và dễ dàng mở rộng ra bậc cao hơn. Các chương trình mô phỏng và lập trình trên DSP được đưa ra phân tích để chứng minh. Luận văn thực nghiệm trên phần cứng với IGBT STGW40N120K. Các giải thuật điều khiển đề xuất được thực hiện trên vi xử lý điều khiển tín hiệu số DSP TMS320F 28335 với kỹ thuật lập trình nhúng từ mô hình mô phỏng trên phần mềm MATLAB/SIMULINK kết hợp chương trình Code Composer Studio V3.3 tự động biên dịch ra ngôn ngữ C và nạp cho vi xử lý mà không cần phải lập trình lại. ABSTRACT This thesis presents the entire content of the research as well as design and implement H-bridge cascade inverter via a RL or engine load. In this topic focus on solving problems common-mode voltage reduction. Still based on the general principle of using the vector "enable", the vector common-mode voltage small, so the voltage vector modulation on request. Subject construct a simple algorithm based on carrier techniques allows easy control and reduce common-mode voltage in the linear region and the modulation. The technique first implemented in 5 level and easy expanding higher level. The program simulation and programming on DSP analysis is given to demonstrate. A simulated model was builded on Matlab/Simulink software for calculating parameters and ensuring proposed algorithms. A experimental model, which using STGW40N120K IGBT and TI microprocessor DSP TMS320F28335, was established for validation. Control program was program on Simulink model then generate C-code and import to CCS software , micro processor automatically but not required reprogramming.
7. MỤC LỤC Trang tựa Trang Quyết định giao đề tài Lý lịch cá nhân i Lời cam đoan ii Lời cảm ơn iii Tóm tắt iv Mục lục v Danh sách các chữ viết tắt vi Danh sách các hình vii Danh sách các bảng viii Chương 1: Tổng quan 1 1.1 Tổng quan lĩnh vực nghiên cứu 1 1.2 Mục đích của đề tài 2 1.3 Nhiệm vụ và giới hạn của đề tài 2 1.4 Phương pháp nghiên cứu 2 1.5 Điểm mới của đề tài 2 Chương 2: Cơ sở lý thuyết 3 2.1 Tổng quan về nghịch lưu đa bậc Cascade 3 2.2 Kỹ thuật điều chế độ rộng xung PWM cho bộ nghịch lưu 5 bậc Cascade 8 2.3 Kỹ thuật điều khiển bộ biến tần 5 bậc Cascade 13 Chương 3: Thiết kế mô hình thực nghiệm 18 3.1 Sơ đồ chung hệ thống mạch công suất 18 3.2 Khối điều khiển và các thành phần khác 19 Chương 4: Phân tích bài toán giảm điện áp Common mode cho bộ nghịch lưu đa bậc Cascade 27 4.1 Xây dựng giải thuật giảm điện áp Common mode 27 4.2 Mô phỏng biết tần 5 bậc Cascade 39 Chương 5: Thực nghiệm giảm Common-mode trên mô hình Cascade 5 bậc
8. với kỹ thuật lập trình nhúng 50 5.1 Mô tả thực nghiệm bằng kỹ thuật nhúng 50 5.2 Mô hình lập trình nhúng trên Matlab/Simulink 54 5.3 Kết quả thực nghiệm 57 Chương 6: Kết luận và đề xuất 76 Tài liệu tham khảo 77 Phụ lục 78
9. DANH SÁCH CÁC CHỮ VIẾT TẮT THD: Độ méo dạng hài tổng (Total Harmonic Distortion) CMV: Điện áp common mode (Common Mode Voltage) SPWM: Điều chế độ rộng xung sin (Sin Pulse Wide Modulation) DSP: Bộ xử lý tín hiệu số (Digital Signal Processor) CPU: Bộ xử lý trung tâm (Central Processing unit) IGBT: Transistor lưỡng cực có cổng cách điện (Insulated Gate Bipolar Transistor) ADC: Bộ chuyển đổi tương tự - số (Analog-to digital Converter) PWM: Điều chế độ rộng xung (Pulse Wide Modulation) CPWM: Điều chế độ rộng xung với kỹ thuật sóng mang (Carrier base Pulse Wide Modulation) SVPWM: Điều chế độ rộng xung với kỹ thuật vector không gian (Space Vector Pulse Wide Modulation) SCI: Giao diện truyền thông nối tiếp (Serial Communications Interface)
10. DANH SÁCH CÁC BẢNG BẢNG Trang Bảng 2.1: Trạng thái áp nghịch lưu xét trên từng pha (j = A, B, C) 6 Bảng 2.2: Trạng thái áp nghịch lưu xét trên từng pha (j = A, B, C) 7 Bảng 4.1: Bảng số liệu mô phỏng mạch công suất 40 Bảng 4.2: Kết quả mô phỏng khi chưa sử dụng giải thuật giảm điện áp common mode 46 Bảng 4.3: Kết quả mô phỏng khi sử dụng giải thuật giảm điện áp common mode 49 Bảng 5.1: Bảng số liệu thực nghiệm 57 Bảng 5.2: Bảng kết quả thực nghiệm trong vùng điều chế tuyến tính 52 Bảng 5.3: Kết quả thực nghiệm ở chỉ số m=0.4 58 Bảng 5.4: Kết quả thực nghiệm ở chỉ số m=0.5 60 Bảng 5.5: Kết quả thực nghiệm ở chỉ số m=0.6 62 Bảng 5.6: Kết quả thực nghiệm ở chỉ số m=0.7 64 Bảng 5.7: Kết quả thực nghiệm ở chỉ số m=0.8 66 Bảng 5.8: Kết quả thực nghiệm ở chỉ số m=0.866 68 Bảng 5.9: Bảng kết quả thực nghiệm trong vùng quá điều chế 70 Bảng 5.10: Kết quả thực nghiệm ở chỉ số m=1.0 70 Bảng 5.11: Kết quả thực nghiệm ở chỉ số m=1.017 72 Bảng 5.12: Tổng hợp kết quả thực nghiệm 74
11. DANH SÁCH CÁC HÌNH HÌNH Trang Hình 2.1: Bộ nghịch lưu áp đa bậc dạng cascade 4 Hình 2.2: Cấu trúc nghịch lưu cascade 3 bậc 5 Hình 2.3: Giản đồ vector không gian của bộ nghịch lưu cascade 3 bậc 6 Hình 2.4: Bộ nghịch lưu cascade 5 bậc 7 Hình 2.5: Giản đồ vector không gian của bộ nghịch lưu cascade 5 bậc 8 Hình 2.6: Dạng sóng mang, sóng điều khiển và xung kích điều chế liên tục 9 Hình 2.7: Dạng sóng mang, sóng điều khiển và xung kích điều chế gián đoạn 10 Hình 2.8: Đường đặc tuyến giữa chỉ số m và tỉ số biên độ sóng sin/ biên độ sóng mang 10 Hình 2.9: Giản đồ vector điện áp bộ nghịch lưu ba bậc 12 Hình 2.10: Sơ đồ mạch điện tương đương bộ nghịch lưu cascade 5 bậc 13 Hình 2.11: Lưu đồ phát xung PWM dùng nhiều sóng mang 14 Hình 2.12: Sơ đồ nguyên lý tạo xung PWM bằng nhiều sóng mang 15 Hình 2.13: Kết quả mô phỏng so sánh 1 sóng sin với 4 sóng mang 16 Hình 2.14: Tách u thành 4 sóng điều khiển  ,  , , 17 đkj 1 j 2 j 3 j 4 j Hình 2.15: Sơ đồ khối kỹ thuật PWM dùng một sóng mang 17 Hình 3.1: Sơ đồ chung của hệ thống 18 Hình 3.2: Sơ đồ nguyên lý mạch nguồn 19 Hình 3.3: Thi công mạch nguồn 19 Hình 3.4: Sơ đồ nguyên lý mạch nguồn và mạch kích 20 Hình 3.5: Thi công mạch lái các IGBT 20 Hình 3.6: Kit vi xử lý DSP TMS320F28335 21 Hình 3.7: Sơ đồ khối chức năng của DSP F28335 24 Hình 3.8: Sơ đồ mạch đệm bảo vệ DSP 25 Hình 3.9: Hình các mạch điều khiển xung kích mô hình thực nghiệm 25
12. Hình 3.10: Hình mạch công suất và các CB đóng cắt 26 Hình 4.1: Sơ đồ bộ nghịch lưu ba pha 5 bậc kết nối với tải 28 Hình 4.2: Sơ đồ một pha của bộ nghịch lưu cascade 5 bậc và bảng trạng thái 30 Hình 4.3: Giản đồ vector không gian của bộ nghịch lưu 5 bậc 30 Hình 4.4: Giới hạn của vùng giảm điện áp common-mode của bộ nghịch lưu 5 bậc 32 Hình 4.5: Giản đồ đóng ngắt 3 pha theo các giá trị phần nguyên và phần dư 34 Hình 4.6: Giản đồ không gian điện áp với các giá trị của FL và F 35 Hình 4.7: Giản đồ chuyển mạch theo các trường hợp của FL a) FL=5, 6 b) FL=3, 4 36 Hình 4.8: Sơ đồ giải thuật cho kỹ thuật giảm điện áp common mode 37 Hình 4.9: Giới hạn của các vùng điều chế bộ nghịch lưu 5 bậc 38 Hình 4.10: Tổng quan mô hình mô phỏng cascade 5 bậc 41 Hình 4.11: Chi tiết khối tạo sóng sin rời rạc 41 Hình 4.12: Chi tiết khối xử lý áp điều khiển 42 Hình 4.13: Kết quả mô phỏng khối tách áp điều khiển 43 Hình 4.14: Chi tiết mạch công suất cascade 5 bậc 43 Hình 4.15: Khối tải RL 3 pha 44 Hình 4.16: Dạng sóng điện áp nghịch lưu UA0 khi chưa giảm CMV 44 Hình 4.17: Dạng sóng dòng tải khi chưa giảm CMV 45 Hình 4.18: Phân tích hài dòng tải khi chưa giảm CMV 45 Hình 4.19: Điện áp dây UAB khi chưa giảm CMV 46 Hình 4.20: Điện áp common mode khi chưa sử dụng giải thuật 46 Hình 4.21: Mô hình mô phỏng kỹ thuật giảm CMV bằng kỹ thuật Offset Base PWM 47 Hình 4.22: Dạng sóng điện áp nghịch lưu UA0 khi giảm CMV 47 Hình 4.23: Dạng sóng dòng tải khi giảm CMV 48 Hình 4.24: Phân tích hài dòng tải khi giảm CMV 48 Hình 4.25: Điện áp dây UAB khi giảm CMV 49 Hình 4.26: Điện áp common mode khi sử dụng giải thuật 49 Hình 5.1: Sơ đồ tín hiệu của hệ thống thực nghiệm với kỹ thuật lập trình nhúng 50 Hình 5.2: Thư viện Target Preferences 51
13. Hình 5.3: Cửa sổ khai báo cấu hình phần cứng 52 Hình 5.4: Thư viện chip support với các khối chức năng lập trình nhúng 52 Hình 5.5: Cửa sổ lựa chọn ngõ vào/ ra digital 53 Hình 5.6: Cửa sổ khai báo ePWM 53 Hình 5.7: Mô hình thực nghiệm với kỹ thuật nhúng từ Matlab/ simulink điều khiển giảm CMV cho bộ nghịch lưu cascade 5 bậc 54 Hình 5.8: Cửa sổ khai báo thông số khối F28335 eZdsp 55 Hình 5.9: Cửa sổ khai báo thông số khối tạo sóng sin 55 Hình 5.10: Khối xử lý tạo xung kích 56 Hình 5.11: Khối xuất xung kích từ card DSP28335 56 Hình 5.12: Biểu đồ thực nghiệm giảm CMV theo chỉ số điều chế 74
14. Luận văn tốt nghiệp GVHD: PGS.TS Nguyễn Văn Nhờ Chương 1: TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan lĩnh vực nghiên cứu Bộ nghịch lưu hiện nay không còn là một khái niệm mới mẽ nữa, có trên tất cả các quốc gia trên thế giới và hiện đang đóng một vai trò rất quan trong trong các ngành công nghiệp và ngành điện. Việc nghiên cứu bộ nghịch lưu đã có từ hơn 30 năm. Trong những năm gần đây việc nghiên cứu các phương pháp điều khiển nghịch lưu đã và đang được thực hiện ngày càng nhiều hơn và với sự phát triển nhanh của khoa học kỹ thuật và công nghệ trên thế giới, Việt Nam từng ngày hội nhập và tiếp nhận những thành tựu mới của khoa học và công nghệ. Đặc biệt trong công nghiệp điện tử, các thiết bị điện tử công suất được sản xất ngày càng nhiều, được ứng dụng trong công nghiệp và đời sống hằng ngày phát triển mạnh mẽ. Tuy nhiên ở nước ta, các công trình nghiên cứu về nghịch lưu lại rất khiêm tốn đặc biệt là về nghịch lưu đa bậc. Phần lớn kết quả các công trình nghiên cứu dựa trên cơ sở lý thuyết và phần mềm mô phỏng, số bậc trong các mô hình thực tế còn thấp. Do đó việc đưa các công trình nghiên cứu trên ứng dụng vào thực tiễn cũng còn rất hạn chế. Ngày nay, với tốc độ phát triển công nghiệp rất nhanh, đi kèm theo đó là các yêu cầu trong khâu kỹ thuật truyền động phải có độ chính xác cao và một trong những cấu trúc được nghiên cứu đưa vào ứng dụng để điều khiển đó là các bộ nghịch lưu đa bậc điển hình là các cấu trúc (Cascade, NPC, tụ kẹp ) [2]-[5]. Nhưng phần lớn quá trình đóng ngắt chuyển mạch của các khóa trong bộ nghịch lưu sinh ra điện áp Common- mode ảnh hưởng đến tải. Vì thế, vấn đề đặt ra là làm thế nào để giảm điện áp common- mode trên bộ nghịch lưu mà điển hình là bộ nghịch lưu cascade. 1.2 Lý do chọn đề tài Điện tử công suất là một kỹ thuật nghiên cứu ứng dụng các phần tử bán dẫn trong các bộ biến đổi nguồn năng lượng điện. Điện tử công suất được ứng dụng rộng rãi HVTH: Phạm Thị Kim Thê Trang 1
15. Luận văn tốt nghiệp GVHD: PGS.TS Nguyễn Văn Nhờ trong hầu hết các ngành công nghiệp hiện tại. Có thể kể đến các ngành kỹ thuật mà trong đó có những ứng dụng tiêu biểu của các bộ biến đổi bán dẫn công suất như: truyền động điện, giao thông đường sắt, nấu luyện thép, gia nhiệt cảm ứng, điện phân nhôm từ quặng mỏ, các quá trình điện phân trong công nghiệp hóa chất, trong rất nhiều các thiết bị công nghiệp và dân dụng khác nhau. Trong những năm gần đây công nghệ chế tạo các phần tử bán dẫn công suất đã có những tiến bộ vượt bậc và ngày càng trở nên hoàn thiện dẫn đến việc chế tạo các bộ biến đổi ngày càng nhỏ gọn, nhiều tính năng và sử dụng ngày càng dễ dàng hơn. Trong các bộ biến đổi điện tử công suất không thể không nhắc đến các bộ nghịch lưu điện áp,nghịch lưu dòng điện. Các bộ biến đổi này ngày càng được ứng dụng rộng rãi đặc biệt trong lĩnh vực điều khiển động cơ, tiết kiệm năng lượng. Các bộ chuyển đổi (chỉnh lưu, nghịch lưu, biến tần) ngày càng được quan tâm nghiên cứu. Để đáp ứng các nhu cầu công suất lớn, cần phải nâng cao điện áp và dòng điện. Tuy nhiên do khả năng chịu dòng và áp của các linh kiện điện tử công suất có giới hạn nên song song với việc phát triển các linh kiện công suất lớn, người ta dùng giải pháp mắc song song để tạo dòng điện cao và mắc nối tiếp để tăng điện áp. Giải pháp mắc nối tiếp cho ra đời các cấu trúc mạch nghịch lưu áp đa bậc thay cho nghịch lưu áp hai bậc truyền thống. Mạch nghịch lưu áp đa bậc có nhiều ưu điểm như công suất cao hơn, chất lượng điện áp và dòng điện ngõ ra tốt hơn, mạch lọc đầu ra nhỏ hơn so với nghịch lưu áp hai bậc. Tuy nhiên nó cũng có nhiều nhược điểm như cần nhiều linh kiện hơn, giải thuật điều khiển phức tạp hơn và vì vậy giá thành cũng đắt hơn. Hiện nay bộ nghịch lưu áp ba pha đa bậc được sử dụng rộng rãi do những ưu điểm của nó như công suất cao hơn, chất lượng dòng điện và điện áp ngõ ra tốt hơn, mạch lọc ngõ ra nhỏ hơn,v.v và ứng dụng thực tiễn của nó đạt hiệu quả rất cao. Chính vì vậy, người thực hiện chọn đề tài: “NGHIÊN CỨU ĐIỀU KHIỂN GIẢM ĐIỆN ÁP COMMON – MODE CHO BỘ NGHỊCH LƯU CASCADE ”. Khi hoàn thành xong đề tài này, thiết nghĩ sẽ đáp ứng trong thực tiễn nghiên cứu cho các sinh viên thực hành, các nghiên cứu sinh và trong đời sống, trong công nghiệp,v.v HVTH: Phạm Thị Kim Thê Trang 2
16. Luận văn tốt nghiệp GVHD: PGS.TS Nguyễn Văn Nhờ Tuy nhiên đối với bộ nghịch lưu áp đa bậc đã được nghiên cứu rất nhiều, đặc biệt là hai bậc hay ba bậc. Nhưng ở đây người thực hiện đã kết hợp việc nghiên cứu mô phỏng và thực nghiệm lập trình nhúng điều khiển bằng DSP28335 trên thuật toán cascade, chạy thực nghiệm tải RL đây chính là điểm mới của đề tài. 1.3 Các kết quả nghiên cứu trong và ngoài nước Năm 2005 tạp chí IEE Proccedings Electric Power Applications đã đăng tải nghiên cứu của Nguyen Van Nho và Myung-Joong Youn [12], trong bài viết này các tác giả đã nêu ra một lý thuyết mới cho phép giai thích hóa tương quan SVPWM và CPWM . Kết quả nghiên cứu đã giúp thống nhất hai trường phái nghiên cứu và hoàn thiện kỹ thuật đa điều chế cho phép điều khiển toàn diện bộ nghịch lưu đa bậc. Đã các tác giả [3]; [4]; [5] đưa ra phương pháp điều khiển và thực hiện mô phỏng trên phần mềm Matlab của bộ nghịch lưu 3 pha 5 bậc dạng Cascade. Tuy nhiên trong luận văn này chúng ta tập chung vào hai vấn đề chính đó là: Áp dụng thuật toán Sine Pulse Width Modulation (SPWM) để điều khiển và mô phỏng trên phần mềm Matlab và xây dựng mô hình thực nghiệm để so sánh giữa kết quả mô phỏng và kết quả thực tế. Năm 2009 nhóm nghiên cứu Roberto Gonzaslez, Eugenio Gubía, Jesús Lospez, Lui Marroyo là thành viên của IEEE đã mô phỏng và thực hiện thành công bộ nghịch lưu một pha ba bậc NPC sử dụng trọng các hệ thống PV không dùng biến áp. Cấu trúc này không làm thay đổi tổng điện áp, hiệu suất tối đa đạt 98,16%[32]. Năm 2010 nhóm nghiên cứu của Federal University of Pernambuco - Recife, PE - BraZil [33], đã mô phỏng và thực hiện thành công bộ nghịch lưu một pha và ba pha ba bậc NPC sử dụng hệ thống điều khiển có chức năng chọn lọc tích cực dùng lý thuyết p- q. Điểm trung tính của bộ nghịch lưu NPC làm giảm dòng rò mà không cần bổ sung thêm phần cứng. Nghiên cứu nghịch lưu áp đa bậc và thiết kế bộ nghịch lưu áp ba pha ba bậc NPC của luận văn thạc sĩ Nguyễn Thanh Toàn Trường đại học sư phạm kỹ Thuật TPHCM[8]. Đã trình bày mô phỏng hai loại nghịch lưu áp hai, ba bậc kết hợp với việc HVTH: Phạm Thị Kim Thê Trang 3
17. Luận văn tốt nghiệp GVHD: PGS.TS Nguyễn Văn Nhờ lập trình điều khiển DSP TMS320F2812 để điều khiển nghịch lưu áp ba pha ba bậc NPC. Điều khiển mạch chỉnh lưu ba pha PWM bằng bộ điều khiển PSO-PID của Dương Trần Đình Thảo Trường đại học sư phạm kỹ Thuật TPHCM[6]. Điều khiển bộ chỉnh lưu ba pha PWM bằng phương pháp PID kết hợp với giải thuật PSO và áp dụng để xác định thông số tối ưu cho bộ điều khiển PID và sau cùng là điều khiển bộ chỉnh lưu ba pha PWM bằng bộ điều khiển PSO-PID. Nghiên cứu điều khiển bộ nguồn ba pha cầu H gồm hai nhánh của thạc sỹ Bùi Thanh Hiếu Trường Đại học sư phạm kỹ thuật TP HCM [7]. Đã thực hiện điều khiển thành công bộ biến tần lai gồm hai nhánh NPC 3 bậc với kỹ thuật điều chế song mang, thực hiện thực hiện thành công kỹ thuật cân bằng tụ thực nghiệm với kỹ thuật lập trình nhúng DSP 28335 từ Matlab/Simulink. 1.4. Mục tiêu của đề tài Nghiên cứu giảm điện áp Common-mode cho bộ nghịch lưu đa bậc Cascade sử dụng phương pháp điều chế độ rộng xung PWM dựa trên tính toán không gian Vector điều khiển bằng Card DSP28335 với kỹ thuật lập trình nhúng từ Matlab/Simulink Nội dung nghiên cứu: - Nghiên cứu kỹ thuật điều khiển bộ nghịch lưu áp 3 pha 5 bậc. Phân tích kỹ thuật giảm điện áp Common-mode cho bộ nghịch lưu đa bậc Cascade sử dụng phương pháp điều chế độ rộng xung PWM dựa trên tính toán không gian Vector. - Xây dựng mô hình hóa mô phỏng bộ nghịch lưu áp 3 pha 5 bậc cascade với kỹ thuật giảm điện áp Common-mode. - Xây dựng mô hình thực nghiệm sử dụng card DSP 28335. - So sánh mô phỏng với thực nghiệm. - Chạy thực nghiệm chạy không tải, tải RL. 1.5 Giới hạn đề tài Trong đề tài này tập trung nghiên cứu: - Chỉ khảo sát mô hình và mô phỏng kỹ thuật giảm điện áp Common-mode cho bộ nghịch lưu 5 bậc Cascade với các thông số tải RL. HVTH: Phạm Thị Kim Thê Trang 4
18. Luận văn tốt nghiệp GVHD: PGS.TS Nguyễn Văn Nhờ - Tổng quát các khối phần cứng của bộ nghịch lưu áp 3 pha 5 bậc cascade. - Phương thức nhúng chương trình mô phỏng từ Matlab Simulink qua card DSP28335. 1.6 Phương pháp nghiên cứu - Tham khảo, phân tích, tổng hợp, sử dụng có chọn lọc tài liệu từ các công trình nghiên cứu, các bài báo đã được công bố trên các tạp chí chuyên ngành trong nước và ngoài nước. - Mô phỏng bằng phần mềm chuyên dụng trên máy tính như MATLAB. - Lập trình nhúng điều khiển mô hình thực nghiệm trên phần mềm Matlab cho vi xử lý DSP28335 và được kiểm chứng bằng thực tế. - Các thực nghiệm thực tế được thực hiện trên mô hình thực với các thiết bị đo chính xác của hãng Tektronic. - So sánh đánh giá kết quả dựa trên mô phỏng và thực nghiệm. 1.7 Điểm mới của đề tài - Kết hợp việc nghiên cứu mô phỏng và thực nghiệm điều khiển bằng vi xử lý DSP28335 trên thuật toán giảm điện áp Common-mode cho bộ nghịch lưu cascade, chạy thực nghiệm tải RL. - Chứng minh việc cải thiện điện áp Common mode khi nghịch lưu 5 bậc thông qua mô phỏng và kiểm chứng bằng thực nghiệm . - Thu thập dữ liệu trên máy tinh , giám sát chất lượng sóng thông qua thông qua máy đo hiển thi sóng của hãng Tektronic - Kết hợp nhúng matlab với tool C2000 DSP28335 kết hợp với chương trình lập trình C CCS V3.0 để lập trình cho DSP28335. 1.8. Ý nghĩa thực tiễn Để đáp ứng cho nhu cầu thực hành trong lĩnh vực tự động hóa ngày nay, cũng như nhu cầu về năng lượng cao của các thiết bị công nghiệp. Các trường đại học, Cao đẳng, các phòng thí nghiệm phải trang bị rất nhiều các mô hình thí nghiệm hiện đại, đắt tiền. Đối với một số trường, nguồn kinh phí để đáp ứng cho nhu cầu này lại rất hạn chế. Điểm chung của các mô hình này có thể ứng dụng nhúng các thuật toán để điều khiển . HVTH: Phạm Thị Kim Thê Trang 5
19. Luận văn tốt nghiệp GVHD: PGS.TS Nguyễn Văn Nhờ Trong lĩnh vực tự động hóa, có rất nhiều thuật toán điều khiển từ cổ điển đến hiện đại nhưng ở đây đòi hỏi bộ điều khiển phải xử lý với tốc độ rất nhanh. Công cụ để thực hiện triệt để vấn đề này tại thời điểm hiện nay được chọn dùng DSP28335 kết hợp với Matlab. Đây là một công cụ mạnh, linh hoạt mà giá thành lại rất phù hợp. Việc kết hợp giữa DSP28335 và Matlab sẽ tạo ra nhiều bộ điều khiển linh hoạt, giúp người học nắm rõ hơn các giải thuật điều khiển trong lĩnh vực tự động hóa mà không cần thiết phải thí nghiệm trên nhiều đối tượng. Các kết quả mô phỏng và thực tiễn trên mô hình bộ nghịch lưu áp 3 pha 5 bậc Cascade cho thấy dạng sóng ra tương ứng gần giống như mô phỏng bằng phần mềm Matlab-Simulink, điện áp Common-mode giám 50%, dạng sóng ít nhiễu, giảm sóng hài, độ mịn sóng sin cao, ứng dụng trong thực tiễn nghiên cứu cho các sinh viên thực hành, các nghiên cứu sinh và trong đời sống, trong công nghiệp.v.v Đề tài này phát triển giải thuật giảm điện áp Common-mode dựa trên kỹ thuật sóng mang và không gian vector. Trong đề tài này còn trình bày một kỹ thuật lập trình nhúng DSP F28335 từ Matlab/Simulink, điều này giúp cho những người lập trình không chuyên có thể dễ dàng lập trình vi xử lý để phát triển giải thuật. HVTH: Phạm Thị Kim Thê Trang 6
20. Luận văn tốt nghiệp GVHD: PGS.TS Nguyễn Văn Nhờ Chương 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Tổng quan về bộ nghịch lưu đa bậc cascade 2.1.1 Giới thiệu về bộ nghịch lưu Bộ nghịch lưu đa bậc có nhiệm vụ chuyển đổi năng lượng từ nguồn điện một chiều không đổi sang nguồn xoay chiều để cung cấp cho tải xoay chiều [1]-[5]. Bộ nghịch lưu áp là một bộ nghịch lưu có nguồn một chiều cung cấp là nguồn áp và đối tượng điều khiển ngõ ra là điện áp. Bộ nghịch lưu dòng là bộ nghịch lưu có nguồn cung cấp là nguồn dòng và đối tượng điều khiển ở ngõ ra là nguồn dòng. Bộ nghịch lưu áp cung cấp và điều khiển áp xoay chiều ở ngõ ra, nguồn điện áp một chiều có thể là: pin điện, ắc quy, điện áp một chiều được chỉnh lưu từ điện áp xoay chiều được lọc phẳng Các tải xoay chiều thường mang tính cảm kháng như động cơ xoay chiều, lò cảm ứng ), dòng điện qua các linh kiện không thể đóng ngắt bằng quá trình chuyển mạch tự nhiên. Do đó, linh kiện trong bộ nghịch lưu áp phải có khả năng kích đóng, ngắt dòng qua nó. Trong các ứng dụng với công suất lớn có thể dùng GTO, IGBT hoặc SCR kết hợp với bộ chuyển mạch. Mỗi linh kiện còn mắc thêm diode đối song để hạn chế điện áp phát sinh khi kích ngắt linh kiện. Phân loại: Bộ nghịch lưu áp có nhiều loại cũng như nhiều phương pháp điều khiển khác nhau: + Theo số pha: nghịch lưu một pha, nghịch lưu ba pha. + Theo số cấp điện áp giữa một đầu pha tải đến một điểm có điện thế chuẩn trên mạch có: hai bậc (two level), đa bậc (multi level - ba bậc trở lên) Bộ nghịch lưu áp hai bậc có nhược điểm là tạo điện áp cung cấp cho cuộn dây động cơ dv/dt khá lớn gây ra hiện tượng common- mode (UNO 0) rất lớn. Bộ nghịch lưu đa bậc phát triển để giải quyết hạn chế của nghịch lưu hai bậc và nó thường được sử dụng cho các ứng dụng điện áp cao và công suất lớn. HVTH: Phạm Thị Kim Thê Trang 7
21. Luận văn tốt nghiệp GVHD: PGS.TS Nguyễn Văn Nhờ Ưu điểm của bộ nghịch lưu áp đa bậc là công suất của bộ nghịch lưu tăng lên, điện áp đặt trên các linh kiện giảm xuống nên công suất tổn hao do quá trình đóng ngắt của linh kiện cũng giảm theo; tần số đóng ngắt lớn, các thành phần hài bậc cao của điện áp ra giảm nhỏ hơn so với bộ nghịch lưu hai bậc. + Theo cấu hình bộ nghịch lưu: dạng cascade (cascade converter), dạng nghịch lưu chứa diode kẹp NPC (neutral point clamped multi converter), dạng nghịch lưu tụ điện thay đổi (Flying capacitor converter),các loại nghịch lưu lai. 2.1.2 Cấu trúc bộ nghịch lưu dạng cascade Hình 2.1 Bộ nghịch lưu áp đa bậc dạng Cascade Sử dụng các nguồn DC riêng, thích hợp cho trường hợp sử dụng nguồn DC có sẵn, ví dụ: dạng acquy, pin. Bộ nghịch lưu Cascade gồm nhiều bộ nghịch lưu áp cầu H một pha ghép nối tiếp với nhau. Bằng cách kích đóng các linh kiện trong mỗi bộ nghịch lưu áp một pha, ba mức điện áp (-Vd , 0, Vd) được tạo thành. Sự kết hợp hoạt động của n bộ nghịch lưu áp trên một nhánh sẽ tạo nên n mức điện áp âm (-Vd, -2Vd, -nVd); n mức điện áp dương (Vd, 2Vd, nVd) và mức áp 0. Như vậy, bộ nghịch lưu HVTH: Phạm Thị Kim Thê Trang 8