Luận văn Nghiên cứu và thi công bộ nghịch lưu 3 pha 3 bậc Diode kẹp điều khiển bằng Card DSP F28335 (Phần 1)

Nội dung text: Luận văn Nghiên cứu và thi công bộ nghịch lưu 3 pha 3 bậc Diode kẹp điều khiển bằng Card DSP F28335 (Phần 1)

1. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH CÔNG TRÌNH NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CẤP TRƯỜNG NGHIÊN CỨU VÀ THI CÔNG BỘ NGHỊCH LƯU 3 PHA 3 BẬC DIODE KẸP ĐIỀU KHIỂN BẰNG CARD DSPS K C 0 0 3 9 5 9 F28335 MÃ SỐ: T2015-36TĐ S KC 0 0 4 8 1 7 Tp. Hồ Chí Minh, 2015
2. TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH ĐƠN VỊ BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI KH&CN CẤP TRƯỜNG TRỌNG ĐIỂM NGHIÊN CỨU VÀ THI CÔNG BỘ NGHỊCH LƯU 3 PHA 3 BẬC DIODE KẸP ĐIỀU KHIỂN BẰNG CARD DSP F28335 Mã số: T2015-36TĐ Chủ nhiệm đề tài:Ths. Đỗ Đức Trí TP. HCM, 11/2015
3. Mục Lục Mục lục 01 Danh mục các hình và bảng 03 THÔNG TIN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU 06 PHẦN MỞ ĐẦU 10 1. Lý do chọn đề tài 10 2. Mục tiêu nghiên cứu 10 3. Đối tƣợng nghiên cứu 10 4. Ý nghĩa khoa học, thực tiển của đề tài 10 5. Những đóng góp của đề tài 11 6. Cấu trúc của đề tài 11 CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN I. Tình hình nghiên cứu thuộc lĩnh vực của đề tài ở trong và ngoài nƣớc 12 1. Điều khiển nghịch lƣu 3 pha 2 bậc ở nƣớc ngoài 12 2. Điều khiển nghịch lƣu 3 pha 2 bậc ở trong nƣớc 12 CHƢƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT BỘ NGHỊCH LƢU ÁP 3 PHA 3 BẬC NPC 14 2.1. Mô hình hóa của bộ nghịch lƣu áp 3 pha n bậc NPC 14 2.2. Cơ sở lý thuyết và phƣơng trình toán bộ nghịch lƣu 3 pha 3 bậc NPC 15 2.2.1 Các phƣơng pháp điều khiển bộ nghịch lƣu áp 17 2.2.2 Kỹ thuật điều chế độ rộng xung dùng sóng mang (CPWM) 18 2.2.2.1 Một số chỉ tiêu đánh giá kỹ thuật PWM của bộ nghịch lƣu áp 18 2.2.3Phƣơng pháp điều chế độ rộng xung Sin dùng sóng mang (Sin PWM) 19 2.2.4 Phƣơng pháp điều khiển theo vector không gian 20 CHƢƠNG3: NỘI DUNG BỘ NGHỊCH LƢU 3 PHA 3 BẬC NPCĐIỀU KHIỂN BẰNG CARD DSP 23 3.1. Mô hình toán học, phƣơng trình toán bộ nghịch lƣu áp 3 pha 3 bậc NPC 23 3.1.1. Mô hình toán học bộ nghịch lƣu áp 3 pha 3 bậc NPC 23 3.1.2. Phƣơng trình toán của bộ nghịch lƣu áp3 pha 3 bậc NPC 23 3.1.3.Xây dựng bộ điều khiển 24 3.1.3.1Phƣơng trình toán điều khiển 24 3.1.3.2 Mô hình toán điều khiển 24 1
4. 3.2. Điều chế độ rộng xung SFO PWM 24 3.3 Xây dựng file đồ mô phỏng 25 3.3.1. Khối tạo xung tam giác 26 3.3.2 Khối tạo so sánh xung tam giác và sóng sin_Xung kích 27 3.3.3 Khối tạo công suất của bộ nghịch lƣu 3 pha 3 bậc NPC trong Matlad 29 3.3.4. Khối tải cho nghịch lƣu áp 3 pha 3 bậc NPC trong Simulink Matlad 30 3.3.5 Thông số mô phỏng cho bộ nghịch lƣu 3 pha 3 bậc NPC 30 3.3.6 Kết quả mô phỏng 31 3.3.6.1 Kết quả mô phỏng khi m=0.7, fabc=50Hz, fVc=1000 Hz 31 3.3.6.2 Kết quả mô phỏng khi m=0.8, fabc=50Hz, fVc=2000 Hz 33 3.3.6.3 Với các thông số m=1, fabc=50Hz, fVc=3000 Hz 34 3.4. Phần mềm mã hóa ngôn ngữ DSP và mô hình phần cứng 35 3.4.1 Chƣơng trình mã hóa nhúng vào mô hình thực 35 3.4.2. Phần cứng bộ nghịch lƣu áp 3 pha 3 bậc NPC 36 3.3.2.1 Sơ đồ nguyên lý nguồn kích 36 3.3.2.2 Sơ đồ nguyên lý mạch đệm 37 3.3.2.3 Sơ đồ nguyên lý mạch công suất 38 3.3.2.4 Chức năng các khối 39 CHƢƠNG 4. Kết luận và hƣớng nghiên cứu tiếp theo. 44 4.1 Những đóng góp của đề tài 44 4.2 Hạn chế đề tài 44 4.3 Hƣớng phát triển đề tài 44 Tài liệu tham khảo 45 2
5. Danh mục các hình Hình 2.1 Mô hình hóa bộ nghịch lƣu áp 3 pha n bậc NPC Hình 2.2 Giải thuật tính toán uđkj khi biết áp tải Utj Hình 2.3 Quan hệ tuyến tính giữa m và ma trong phƣơng pháp điều chế độ rộng xung dùng sóng mang Hình 2.4 Giản đồ vector điện áp bộ nghịch lƣ u áp 3 pha Hình 3.1 Mô hình hóa của bộ nghịch lƣu 3 pha 3 bậc NPC Hình 3.2 Giải thuật tính toán uđkj khi biết áp tải Utj Hình 3.3 Quan hệ tuyến tính giữa m và ma trong phƣơng pháp điều chế độ rộng xung dùng sóng mang Hình 3.4 Kết quả mô phỏng giải thuật Sin PWM và giải thuật SFO PWM Hình 3.5 Dạng sóng điều khiển của bộ nghịch lƣu 3 pha 3 bậc NPC áp dụng giải thuật SFO PWM Hình 3.6 Sơ đồ kết nối mô phỏng nghịch lƣu áp 3 pha 3 bậc trong Simulink Matlab Hình 3.7 Sơ đồ kết nối tạo xung tam giác trong Simulink Matlab Hình 3.8 Sơ đồ kết nối khối so sánh xung tam giác và sóng sin trong Simulink Matlab Hình 3.9 Mạch công suất của mạch nghịch lƣu áp 3 pha 3 bậc NPC trong Simulink Matlab Hình 3.10 Sơ đồ khối tải nghịch lƣu áp 3 pha 3 bậc NPC trong Simulink Matlab Hình 3.11 Tín hiệu điều khiển pha A, B, C bộ nghịch lƣu 3 pha 3 bậc NPC Hình 3.12 Dạng sóng điện áp trên tải bộ nghịch lƣu 3 pha 3 bậc NPC Hình 3.13 Dạng sóng dòng điện trên tải bộ nghịch lƣu 3 pha 3 bậc NPC Hình 3.14 THD Điện áp, dòng điện bộ nghịch lƣu 3 pha 3 bậc NPC mô phỏng trên powergui Matlab Hình 3.15 Dạng sóng điện áp trên tải bộ nghịch lƣu 3 pha 2 m=0.6, fVc=3000Hz Hình 3.16 Dạng sóng dòng điện trên tải bộ nghịch lƣu 3 pha 3 m=0.8, fVc=2000Hz Hình 3.17 THD Điện áp, dòng điện bộ nghịch lƣu 3 pha 3 bậc NPC mô phỏng trên powergui m=0.8, fVc=2000Hz Hình 3.18 Dạng sóng điện áp trên tải bộ nghịch lƣu 3 pha 2 m=1, fVc=3000Hz 3
6. Hình 3.19 Dạng sóng dòng điện trên tải bộ nghịch lƣu 3 pha 2 m=1, fVc=3000Hz Hình 3.20 THD Điện áp, dòng điện bộ nghịch lƣu 3 pha 3 bậc NPC mô phỏng trên powergui m=1, fVc=3000Hz Hình 3.21 Mô hình phần mềm điều khiểnbộ nghịch lƣu áp 3 pha 3 bậc NPCnhúng vào card DSP Hình 3.22 Sơ đồnguyên lý nguồn kích cho bộ driver Hình 3.23 Sơ đồ mạch thực tế nguồn kích cho bộ driver Hình 3.24 Sơ đồnguyên lý mạch đệm và mạch kích cho bộ driver Hình 3.25 Sơ đồthực tế mạch đệm cho bộ driver Hình 3.26 Sơ đồthực tế mạch kích cho bộ driver Hình 3.27 Sơ đồnguyên lý mạch công suất 3 pha 3 bậc NPC Hình 3.28 Sơ đồmạch thực tế công suất 3 pha 3 bậc NPC Hình 3.29 Sơ đồmạch thực tế nguồn và công suất 3 pha 3 bậc NPC Hình 3.30 Tín hiệu điều khiển bộ nghịch lƣu 3 pha 3 bậc mô hình thực và mô phỏng cho pha A Hình 3.31 Tín hiệu điều khiển bộ nghịch lƣu 3 pha 3 bậc mô hình thực và mô phỏng cho pha B Hình 3.32 Tín hiệu điều khiển bộ nghịch lƣu 3 pha 3 bậc mô hình thực và mô phỏng cho pha C Hình 3.33 Dạng sóng điện áp và dòng điện bộ nghịch lƣu 3 pha 3 bậc NPC mô phỏng với m=0.8, fc=2000 Hình 3.34 Dạng sóng điện áp và dòng điện bộ nghịch lƣu 3 pha 3 bậc NPC mô hình thực với m=0.8, fc=2000 Hình 3.35 Dạng sóng điện áp tải bộ nghịch lƣu 3 pha 3 bậc NPC mô phỏng và mô hình thực với m=0.8, fc=2000 Hình 3.36 Dạng sóng điện áp và dòng điện bộ nghịch lƣu 3 pha 3 bậc NPC mô phỏng với m=1, fc=3000 Hình 3.37 Dạng sóng điện áp và dòng điện bộ nghịch lƣu 3 pha 3 bậc NPC mô hình thực với m=1, fc=3000 Hình 3.38 Dạng sóng điện áp tải bộ nghịch lƣu 3 pha 3 bậc NPC mô phỏng và mô hình thực với m=1, fc=3000 Hình 3.39 Mô hình Nghịch lƣu 3 pha 3 bậc NPC điều khiển bằng card DSP hoàn chỉnh 4
7. Danh mục các bảng Bảng 1 Mô hình toán của bộ nghịch lƣu áp 3 pha 3 bậc NPC Bảng 2 Giá trị và thông số tải của bộ nghịch lƣu áp 3 pha 3 bậc NPC 5
8. TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM KỸ THUẬT CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH Độc lập - Tự do - Hạnh phúc ĐƠN VỊ: KHOA ĐIỆN-ĐIỆN TỬ Tp. HCM, Ngày 26 tháng 10 năm 2015 THÔNG TIN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU 1. Thông tin chung: - Tên đề tài: NGHIÊN CỨU VÀ THI CÔNG BỘ NGHỊCH LƢU 3 PHA 3 BẬC DIODE KẸP ĐIỀU KHIỂN BẰNG CARD DSP F28335 - Mã số: T2015-36TĐ - Chủ nhiệm: Ths.Đỗ Đức Trí - Cơ quan chủ trì:Trƣờng Đại học Sƣ phạm Kỹ thuật Tp.HCM - Thời gian thực hiện:12 tháng 2. Mục tiêu:  Xây dựng mô hình hóa cho bộ nghịch lƣu áp 3 pha 3 bậc NPC.  Xây dựng file mô phỏng cho bộ nghịch lƣu áp 3 pha 3 bậc NPC.  Xây dựng chƣơng trình nhúng với mô hình thực. 3. Tính mới và sáng tạo:  Về lý thuyết: - Xây dựng phƣơng trình toán, mô hình toán, luật điều khiển cho bộ nghịch lƣu áp 3 pha 3 bậc NPC. - Luật điều khiển hiện đại.  Về thực tiễn: - Cải thiện tổn hao, sóng hài và giá thành cho IGBT. - Ứng dụng DSP điều khiển cho bộ nghịch lƣu áp 3 pha 3 bậc NPC. 4. Kết quả nghiên cứu: - Xây dựng mô hình toán, phƣơng trình toán, luật điều khiển cho bộ nghịch lƣu áp 3 pha 3 bậc NPC. - Xây dựng file mô phỏng hệ thống cho bộ nghịch lƣu áp 3 pha 3 bậc NPC theo cơ sở lý thuyết. - Xây dựng mô hình thực để thực nghiệm kết quả mô phỏng. 5. Sản phẩm: 6
9. 01 file mô phỏng cho bộ nghịch lƣu áp 3 pha 3 bậc NPC. 01 file nhúng mô hình thực. 01 bài báo. 01 đĩa CD của đề tài. 6. Hiệu quả, phƣơng thức chuyển giao kết quả nghiên cứu và khả năng áp dụng: - Cơ sở lý thuyết cho giảng dạy và nghiên cứu. - Ứng dụng kết quả mô phỏng nhúng vào mô hình thực thông qua card DSP. Trƣởng Đơn vị Chủ nhiệm đề tài (ký, họ và tên) (ký, họ và tên) 7
10. INFORMATION ON RESEARCH RESULTS 1. General information: Project title: Three phase inverters three level controlled by card DSPF28335 Code number: T2015-36TĐ Author: Master DO DUC TRI Implementing institution: Ho Chi Minh City University of Technical Education Duration: from 01-2015 to 12-2015 2. Objective(s): - Modelingfor Three phases Inverter three levels NPC. - Constructing simulationfileforThree phases Inverter three levels NPC. - Embedded program simulation for three phases Inverter three levels NPCcontrolled by card DSP F28335 3. Creativeness and innovativeness:  Theory - Modeling, contructing mathematical model, DSPcontrol forthree phases Inverter three levels NPC. - Modern control.  Applied - Improvingwitching loss, THD and value for IGBT - AppliedDSP control for three phases Inverter voltagethree levels NPC. 4. Research results: - Modeling, Contructing mathematical model, Using card DSPcontrol forthree phases Inverter three levels NPC. - Making simulation file of three phases Inverter three levels NPC. 5. Products: - 01Simulation fileof three phases Inverter three levels NPC. - 01article. - 01 file embedded of three phases Inverter three levels NPC for model. - 01 CD Simulation file of three phases Inverter three levels NPC. 6. Effects, transfer alternatives of reserach results and applicability: - Theoretical basisforteachingand research. 8
11. - Applicating three phases Inverter of three phases Inverter three levels NPC controlled embedded by DSPcard. 9
12. PHẦN MỞ ĐẦU Trongnhữngnămgầnđâykhoahọckỹthuậtvàcôngnghệpháttriểnrất mạnhmẽ,lĩnh vựcĐiện- Điệntửcũngkhôngnằm ngoàitràolƣuđó.Chính khảnăngpháttriểnmạnhmẽnhƣvậyđãlàmnênquátrìnhchuyểnbiếnsâu sắccảvềlýthuyếtlẫnthựctiễntrongđờisốngkhoahọckỹthuậtvàcôngnghệ. Tùy theo nhu cầu và mục đích của các đối tƣợng mà ngƣời sử dụng có thể chọn mạch điều khiển nào thích hợp. Tuy nhiên trong môi trƣờng giáo dục cơ sở lý thuyết và thực tiễn phải đi đôi với nhau, với nhu cầu vừa nêu Tác giả nghiên cứu bộ nghịch lƣu áp 3 pha 3 bậc NPC điều khiển cho động cơ 3 pha không đồng bộ. Ngoài ra đề tài còn là tiền đề để phát triển cho các hệ nghich lƣu đa bậc mà trên thế giới đang quan tâm.  Tính cấp thiết, mục đích và nhiệm vụ của đề tài 1. Tính cấp thiết của đề tài: Trong lĩnhvựckỹthuậthiệnđạingàynay,việcchếtạoracácbộnghịch lƣu cóchấtlƣợngđiệnápcao,kíchthƣớcnhỏgọn, giá thành thấpchocácthiếtbịsửdụngđiệnlà một thách thức lớn cho các nhà nghiên cứu cũng nhƣ nhà sản xuất. Mặt khác với môi trƣờng giáo dục chế tạo ra mô hình là chƣa đủ, phải hội đủ cơ sở lý thuyết rõ ràng đồng thời thiết bị phải sạch và xanh để giữ môi trƣờng trong sạch theo chủ trƣơng của nhà nƣớc. Dựa trên các lý luận trên Tác giả đề xuất nghiên cứu và chế tạo bộ nghịch lƣu áp 3 pha 3 bậc NPC. 2. Mục tiêu nghiên cứu:  Xây dựng mô hình hóa cho nghịch lƣu 3 pha 3 bậc NPC.  Xây dựng file mô phỏng cho nghịch lƣu 3 pha 3 bậc NPC.  Nhúng kết quả mô phỏng cho mô hình nghịch lƣu áp 3 pha 3 bậc NPC. 3. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu: Bộ nghịch lƣu áp 3 pha 3 bậc NPC, xây dựng mô hình toán, phƣơng trình toán, file mô phỏng nghịch lƣu áp 3 pha 3 bậc NPC, kiểm chứng, đánh giá kết quả mô phỏng, chế tạo mô hình thực, nhúng chƣơng trình mô phỏng xuống mô hình thực. 4. Ý nghĩa khoa học, thực tiễn của đề tài: Hiện nay các phòng thực tập điện tử công suất D505, D506 với các mô hình đóng nên phát triển rất khó. Mặt khác công nghệ phần mềm, phần cứng phát triển cho phép ta điều khiển nhiều đối tƣợng khác nhau bằng cách thay đổi giải thuật mà phần cứng không thay đổi. Với nhiệm vụ đặt ra nhƣ trên rõ ràng đề tài sẽ bổ sung thêm phƣơng pháp giảng dạy hiện đại, rõ ràng và trực quan, đề tài cho thấy việc cải thiện tổn hao, THD để giảm giá thành của IGBT khi thực hiện công suất lớn. 10
13. 5. Những đóng góp của đề tài: Đề tài có những đóng góp sau:  Về lý thuyết: Xây dựng phƣơng trình toán, mô hình toán theo cơ sở lý thuyết, mô phỏng kiểm chứng cơ sở lý thuyết có đúng hay không. Giải thuật theo hƣớng điều khiển hiện đại.  Về thực tiễn: Từ cơ sở lý thuyết và mô phỏng, chế tạo mô hình thực sau đó nhúng chƣơng trình mô phỏng vào mô hình thực, từ đó cải tiến mô hình và chuyển giao công nghệ cho các cơ sở có nhu cầu sử dụng . . . 6. Cấu trúc của đề tài: Cấu trúc của đề tài đƣợc mô tả ở phần mục lục. Cụ thể là: Chƣơng 1 Tổng quan. Chƣơng 2 Cơ sở lý thuyết. Chƣơng 3 Nội dung đề tài. Chƣơng 4 Kết luận. 11
14. CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN I. Tình hình nghiên cứu thuộc lĩnh vực của đề tài ở trong và ngoài nƣớc Những thập niên 70-80 của thế kỷ XX, kỹ thuật điện tử chỉ đƣợc ứng dụng trong những mạch điều khiển, đo lƣờng, khống chế, bảo vệ hệ thống điện công nghiệp gọi là điện tử công nghiệp. Đến thập niên 90 của thế kỷ XX, kỹ thuật điện tử đã ứng dụng khá rộng rãi và thành công trong việc thay thế các khí cụ điện từ dùng để đóng ngắt cung cấp nguồn cho những phụ tải một, ba pha, làm các bộ nguồn công suất lớn trong công nghiệp Với ƣu điểm là kích thƣớc nhỏ gọn, dễ điều khiển và thuận tiện, đáp ứng tần số đƣợc mở rộng, khả năng về công suất, điện áp, dòng điện và độ tin cậy ngày càng đƣợc cải tiến dần. Ngày nay, với tốc độ phát triển công nghiệp rất nhanh, đi kèm theo đó là các yêu cầu cao trong khâu truyền động động cơ, đó là khâu không thể thiếu đƣợc trong các dây chuyền công nghiệp. Việc điều khiển chính xác để tạo nên các chuyển động phức tạp là nhiệm vụ của hệ thống truyền động. Từ việc phát triển công nghệ bán dẫn đã chế tạo các bộ điều khiển điện tử công suất để đáp ứng yêu cầu truyền đồng ngày càng phức tạp trên. Một trong những thiết bị góp phần quan trọng trong lĩnh vực điều khiển truyền động điện đó là bộ biến đổi tần số hay còn gọi là biến tần. I.1. Nghịch lƣu áp ba pha 3 bậc ở nƣớc ngoài: 1.1. Kapil Jain, Pradyumn Chaturvedi “Matlab -based Simulation & Analysis of Three - level SPWM Inverter”, IJSCE, 2012. 1.2. Bendre, A.; Venkataramanan, G.; , "Radial state space vector modulation-a new space vector technique for reducing DC link capacitor harmonic currents in three level converters," in Proc. of 38th IEEE IAS Annual Meeting2003, pp. 684- 691 vol.1, 12-16 Oct. 2003. 1.3. Sun-Kyoung Lim; Jun-Ha Kim; Kwanghee Nam; , "A DC-link voltage balancing algorithm for 3-level converter using the zero sequence current," in Proc. of IEEE PESC 1999,pp.1083-1088. 1.4. Wang Shuwen;Research of Novel Three-phase Inverter and its Modulation Technique, 2006. I.2. Nghiên cứuNghịch lƣu áp 3 pha 3 bậc NPC ở Việt Nam: 1.1. Nguyễn Văn Nhờ “Giáo trình điện tử công suất 1” Nha xuất bản Đại học Quốc gia TP. Hồ Chí Minh 2002. 12
15. 1.2. Nguyễn Văn Nhờ, Đới Văn Môn, Trần Quốc Hoàn, Quách Thanh Hải, “ Kỹ thuật điều chế PWM ba bậc nhằm cân bằng điện áp hai tụ điện một chiều trong nghịch lưu 3 bậc NPC”, Hội nghị toàn quốc lần thứ 6 về cơ điện tử - VCM – 2012 1.3. Phòng thực tập điện tử công suất, Trƣờng Đại học sƣ phạm kỹ thuật, TpHCM. 1.4. Võ Xuân Nam, “ Cân bằng điêṇ á p DC-Link cho bô ̣ nghic̣ h lưu NPC đa bâc̣ ”, LVThS Trƣờng Đaị Hoc̣ Sƣ Phaṃ Kỹ Thuâṭ TP.HCM, 2012. 13
16. CHƢƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT CHO BỘ NGHỊCH LƢU ÁP 3 PHA 3 BẬC NPC 2.1 Mô hình hóa của bộ nghịch lƣu áp 3 pha n bậc NPC: Mô hình toán của bộ nghịch lƣu áp 3 pha n bậc NPC có điện áp ngõ vào là VDC và điện áp ngõ ra là VAC ba pha và đƣợc mô tả nhƣ sau: Vc(n-1) Sa(n-1) Sb(n-1) Sc(n-1) Da(n-2) Cn-1 D u b(n-2) c(n-1) Dc(n-2) Vc(n-2) Sa(n-2) Sb(n-2) Sc(n-2) D C a(n-3) n-2 Db(n-3) uc(n-2) Dc(n-3) Vc(n-3) C n-3 Sa2 Sb2 Sc2 u c(n-3) Da1 Db1 Dc1 Sa1 Sb1 Sc1 Uxn + udc N d- Uxy c S’a(n-1) S’b(n-1) S’c(n-1) D’a(n-2) D’b(n-2) D’c(n-2) S’a(n-2) S’b(n-2) S’c(n-2) D’a(n-3) D’b(n-3) D’c(n-3) Uxg S’a2 S’b2 S’c2 D’a1 D’b1 Vc1 D’c1 uc1 C1 S’a1 S’b1 S’c1 Ground Hình 2.1 Mô hình hóa bộ nghịch lƣu áp 3 pha n bậc NPC Với Vd : Điện áp DC ngõ vào [V]. 14
17. A :Điện ngõ ra pha A [V]. B: Điện ngõ ra pha B [V]. C:Điện ngõ ra pha C [V]. Sa(n-1): Các khóa đóng, ngắt ( n số bậc). 2.2 Cơ sở lý thuyết và phƣơng trình toán bộ nghịch lƣu 3 pha n bậc NPC Hình 2.1 là sơ đồ nguyên lý mạch nghịch lƣu NPC n bậc. Bộ nghịch lƣu n bậc chứa các cặp Diodekẹp có một mạch nguồn một chiều udc đƣợc phân chia thành một số cấp điện áp nhỏ hơn nhờ chuỗi hai tụ điện mắc nối tiếp.Giả sử tụ điện mắc nối tiếp có điện dung bằng nhau thì điện áp trên mỗi tụ điện là: udc u = u = u = (2.1) c1 c2 n − 1 Chọn mức điện thế 0 là mass nguồn DC, thì điện áp từ cực dƣơng tụ thứ j đến mass là: j VCj uCi j *u (2.2) i 1 Để điện áp pha-nguồn DC đạt đƣợc mức điện áp Uxg=j*u (1≤j≤n-1), thì tất cả các khóa công suất bị kẹp giữa hai Diode (Dxj, Dxj’) – gồm n-1 khóa mắc nối tiếp liên tục kề nhau, phải đƣợc kích đóng, các khóa còn lại phải đƣợc ngắt theo nguyên tắc kích đối nghịch. Số khóa công suất 1 pha phải sử dụng là k=2.(n-1). Trong đó có (n-1) khóa nối từ ngõ ra tải đến nguồn dƣơng gọi là khóa công suất nhánh trên, ký hiệu hiệu là Sx1, Sx2, , và (n-1) khóa công suất nhánh dƣới ký hiệu là Sx1’, Sx2’. Trạng thái kích các khóa công suất nhánh trên (KSx) và nhánh dƣới (KSx’) cùng chỉ số luôn đối nghịch nhau; nghĩa là: KSxj + KSxj’=1 (2.3) Trong đó: x=a,b,c nhánh pha (2.4) j=1, 2, 3, n chỉ số của khóa công suất (2.5) Gọi TSxj là trạng thái của khóa công suất thứ j pha x (Sxj).TSxj= 0 tức khóa mở, ngƣợc lại TSxj=1 là khóa đóng. Nhƣ vậy, trạng thái ra một pha sẽ phụ thuộc trạng thái các khóa công suất. Với n-1 khóa ở nhánh trên sẽ có 2n-1 trạng thái điều khiển. Tuy nhiên, do điện áp trên các tụ phân áp là nhƣ nhau, sẽ chỉ có n mức ra điện áp khác nhau là 0, u, 2.u, (n- 1).u ứng với các trạng thái ở nhánh trên nhƣ sau: Không khóa nào đóng (TSx1=TSx2= =TSx (n-1)=0) điện áp pha-tâm nguồn Uxg=0 Khóa Sx1 đóng (TSx1=1; TSx2=TSx3= TSx(n-1)=0) điện áp pha-tâm nguồn Uxg=u 15
18. j khóa từ khoá Sx1 đóng (TSx1= TSx2= = TSxj=1; TSx(j+1)= TSx(j+2)= = TSx(n-1)=0) điện áp pha-tâm nguồn Uxg=j*u. Mọi khóa đều đóng (TSx1= TSx2= = TSx(n-1)=1) điện áp ra Uxg=(n-1)*u. Tổng quát lên có thể xác định điện áp ra 1 pha so với mass nguồn theo Uxg=( TSx1 + TSx2 + + TSx(n-1)).u (2.6) n 1 Uxg u. T Sxj (2.7) j 1 Nếu điện áp trên hai tụ phân áp khác nhau và lần lƣợt là UC1, UC2thì (2.6) đƣợc viết lại Do đó, thành phần Uxg đƣợc xác định dựa vào (2.8) nhƣ sau: Uxg = UxgT - UxgP = udc.(TSxT - TSxP) (2.8) Với TSxch đƣợc định nghĩa theo (2.9) với Ch=T,P (biểu thị nhánh trái và phải). TSxj = TSxPj - TSxTj (2.9) Trong đó j là chỉ số khóa chuyển mạch có giá trị 1-n và T là trạng thái khóa công suất. Do đó điện áp pha tâm nguồn DC đƣợc xác định theo (2.10) U ag TSaT TSaP U u T T bg dc SbT SbP (2.10) U cg TScT TScP Và có thể tính đƣợc điện áp pha tải và điện áp dây (2.11) và (2.12) U an 2 1 1 U ag U 1 1 2 1 U bn 3 bg (2.11) U cn 1 1 2 U cg U ab 1 1 0 U an U 0 1 1 U bc bn (2.12) U 1 0 1 U ca cn Từ các kết quả phân tích trên cho thấy để xác định điện áp điều khiển uđkj (j = a, b, c); cần biết áp nghịch lƣu Uj0. Nếu áp tải Utj đã cho trƣớc, chỉ cần chọn áp common mode (uN0) thích hợp là xác định đƣợc Uj0. Xác định điện áp common mode: Điện áp V0 có thể chọn bất kỳ giá trị nào trong giới hạn V0min và V0max của nó, tức: V0min ≤ V0 ≤ V0max (2.13) Lý luận tƣơng tự cho bộ nghịch lƣu áp 1 pha cầu dạng H-bridge, ta suy ra: V0Min = - Min (2.14) V0Max = Vdc – Max 16
19. Với Max = Max(Uta, Utb, Utc) (2.15) Min = Min(Uta, Utb, Utc) Giải thuật tính toán uđkj khi cho trƣớc áp tải 3 pha + - Udkj Hình 2.2:Giải thuật tính toán uđkj khi biết áp tải Utj Đây là giải thuật tính áp điều khiển khi biết áp tải. 2.2.1 Các phƣơng pháp điều khiển bộ nghịch lƣu áp - Phƣơng pháp điều chế độ rộng xung sin (Sin PWM-sin pulse width modulation). - Phƣơng pháp điều khiển theo biên độ. - Phƣơng pháp điều chế độ rộng xung (SH-PWM). - Phƣơng pháp điều chế độ rộng xung cải biến (Modified PWM). - Phƣơng pháp điều chế vector không gian (SVPWM-space vector pulse width modulation). Những kỹ thuật điều khiển đƣợc áp dụng cho bộ nghịch lƣu áp 2 bậc nhƣ: kỹ thuật điều chế độ rộng xung và các dạng cải biến của nó, kỹ thuật điều khiển vector không gian, kỹ thuật khử sóng hài tối ƣu, các kỹ thuật điều khiển dòng, có thể ứng dụng điều khiển cho bộ nghịch lƣu áp đa bậc. Bộ nghịch lƣu áp đa bậc có phạm vi hoạt động chủ yếu đối với các tải công suất lớn. Do đó vấn đề giảm bớt tần số đóng ngắt và giảm shock điện áp trên linh kiện công suất có ý nghĩa quan trọng. Các thuật toán của các chuyên gia trên tạp chí IEEE, IEE nói chung và bất cứ ai muốn nghiên cứu nói riêng thì điều cố gắng thực hiện và duy trì trạng thái cân bằng các nguồn điện áp DC và khử bỏ hiện tƣợng common - mode voltage. Đây là một nguyên nhân gây ra một số hiện tƣợng làm lão hóa động cơ. Bộ nguồn điện một chiều thƣờng sử dụng bằng Diode, SCR, Transistor với nhiều nhƣợc điểm: dòng vào chứa nhiều sóng hài bậc cao, quá trình chuyển mạch diễn ra chậm. Để khắc phục nhƣợc điểm trên, tác giả đã nghiên cứu một trong các phƣơng pháp 17
20. mới đó là kỹ thuật điều chế dùng sóng mang (carrier based pulse width modulation – CPWM). Trong đề tài này chúng ta giới thiệu kỹ thuật chủ yếu đƣợc sử dụng để điều khiển các bộ nghịch lƣu áp đó là kỹ thuật điều chế dùng sóng mang (carrier based pulse width modulation – CPWM) để tạo xung kích điều khiển bộ nghịch lƣu áp 3 pha 3 bậc NPC NPC, cả trong mô phỏng và thực nghiệm. 2.2.2 Kỹ thuật điều chế độ rộng xung dùng sóng mang (CPWM) 2.2.2.1 Một số chỉ tiêu đánh giá kỹ thuật PWM của bộ nghịch lƣu áp Chỉ số điều chế (Modulation Index) m: đƣợc định nghĩa nhƣ tỉ số giữa biên độ thành phần hài cơ bản tạo nên bởi phƣơng pháp điều khiển và biên độ thành phần hài cơ bản đạt đƣợc trong phƣơng pháp điều khiển sáu bƣớc (sixstep). m UU11mm 2 (2.16) U 1m sixstep V dc Với Vdc _ tổng điện áp các nguồn DC. Độ méo dạng tổng do sóng hài THD (Total Harmonic Distortion) là đại lƣợng dùng để đánh giá tác dụng của các sóng hài bậc cao (2,3 ) xuất hiện trong nguồn điện, đƣợc tính theo: 2 I tj() j 1 (2.17) THD I I t(1) Độ méo dạng trong trƣờng hợp dòng điện không chứa thành phần DC đƣợc tính theo hệ thức sau: 2 22 I tj() j 1II t t (1) (2.18) THD I IItt(1) (1) Trong đó: It(j): trị hiệu dụng sóng hài bậc j, j ≥ 2. It(1): trị hiệu dụng thành phần hài cơ bản của dòng điện. It: trị hiệu dụng của dòng tải Tần số đóng ngắt và công suất tổn hao do đóng ngắt: Công suất tổn hao xuất hiện trên linh kiện bao gồm hai thành phần: tổn hao công suất khi linh kiện ở trạng thái dẫn điện Pon và tổn hao công suất động Pdyn. Tổn hao công suất Pdyn tăng lên khi tần số đóng ngắt của linh kiện tăng lên. Tần số đóng ngắt của linh kiện không thể tăng lên tùy ý vì những lí do sau: 18
21. + Công suất tổn hao trên linh kiện tăng lên tỉ lệ với tần số đóng ngắt. Linh kiện công suất lớn thƣờng gây ra công suất tổn hao đóng ngắt lớn hơn. Do đó, tần số kích đóng của nó phải giảm cho phù hợp, ví dụ các linh kiện GTO công suất MW chỉ có thể đóng ngắt ở tần số khoảng 100Hz. + Các qui định về tƣơng thích điện từ (Electromagnet Compatibility – EMC) qui định khá nghiêm ngặt đối với các bộ biến đổi công suất đóng ngắt với tần số cao hơn 9KHz. 2.2.3 Phƣơng pháp điều chế độ rộng xung Sin dùng sóng mang (Sin PWM) Phƣơng pháp còn có tên Subharmonic PWM (SH – PWM), hay Multi carrier based PWM. Để 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). Về nguyên lý, phƣơng pháp đƣợc thực hiện dựa vào kỹ thuật analog. Giản đồ kích đóng các công tắc của bộ nghịch lƣu dựa trên cơ sở so sánh hai tín hiệu cơ bản: . Sóng mang up (carrier signal) tần số cao, có thể ở dạng tam giác. . Sóng điều khiển ur (reference signal) hoặc sóng điều chế (modulating signal) dạng sin. Ví dụ, công tắc đƣợc kích đóng khi sóng điều khiển lớn hơn sóng mang (ur> up). Trong trƣờng hợp ngƣợc lại, công tắc đƣợc kích mở khi sóng điều khiển nhỏ hơn sóng mang (ur up). Tần số sóng mang càng cao, lƣợng sóng hài bậc cao xuất hiện trong dạng sóng điện áp và dòng điện tải bị khử càng nhiều. Đối với bộ nghịch lƣu áp n bậc, số sóng mang đƣợc sử dụng là (n-1). Chúng có cùng tần số fc và cùng biên độ đỉnh - đỉnh Ac. Sóng điều chế (hay sóng điều khiển) có biên độ đỉnh bằng Am và tần số fm, dạng sóng của nó thay đổi xung quanh trục tâm của hệ thống (n-1) sóng mang. Nếu sóng điều khiển lớn hơn sóng mang nào đó thì linh kiện tƣơng ứng với sóng mang đó sẽ đƣợc kích đóng, ngƣợc lại nếu sóng điều khiển nhỏ hơn sóng mang thì linh kiện đó sẽ bị kích mở. Gọi mf là tỉ số điều chế tần số (frequency modulation ratio) ta có: f f carrier c m f (2.19) f reference f m Việc tăng giá trị mf sẽ dẫn đến việc tăng giá trị tần số các sóng hài xuất hiện. Điểm bất lợi của việc tăng tần số sóng mang là vấn đề tổn hao do số lần đóng cắt lớn. Tƣơng tự, gọi ma là tỉ số điều chế biên độ (amplitude modulation ratio): 19
22. S K L 0 0 2 1 5 4