Nghiên cứu bộ nghịch lưu 3 pha 7 bậc dạng cascade dùng Card DSP F28335 điều khiển động cơ không đồng bộ ba pha

Nội dung text: Nghiên cứu bộ nghịch lưu 3 pha 7 bậc dạng cascade dùng Card DSP F28335 điều khiển động cơ không đồng bộ ba pha

1. NGHIÊN CỨU BỘ NGHỊCH LƯU 3 PHA 7 BẬC DẠNG CASCADE DÙNG CARD DSP F28335 ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ BA PHA Study Of The Casscade Three-Phase Seven-Level Inverter Using Card Dsp F28335 Control the Three –Phase Asynchronous Motor. Trần Thu Hà1, Đỗ Đức Trí2, Phạm Hữu Phúc3 1 HCMC University of Technology and Education,tran thu ha2000@yahoo.com. 2 HCMC University of Technology and Education, doductri2000@yahoo.com. 3 The Procter&Gamble company Việt Nam,jordan.phuc@gmail.com. Tóm tắt:Bộ nghịch lưu đóng vai trò rất quan trọng trong vấn đề cải thiện chất lượng điện năng, nhất là trong lĩnh vực công nghiệp dùng để điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ ba pha. Trong bài báo này đề cập đến vấn đề thiết kế mô hình bộ nghịch lưu 3 pha 7 bậc dạng Casscade. Chương trình mô phỏng được thực hiện trên phần mềm Matlab/ Simulink để đánh giá chất lượng sóng ngõ ra có hồi tiếp cảm biến dòng cảm biến áp và điều khiển tóc độ động cơ. Kết quả mô phỏng sẽ được kiểm chứng lại bằng mô hình thực nghiệm sử dụng Card DSP F28335 với kỹ thuật lập trình nhúng từ phần mềm MATLAB kết hợp chương trình Code Composer Studio V3.3 biên dịch ra ngôn ngữ C và nạp Card DSP. Kết quả từ nguồn điện một chiều (DC) ban đầu sau khi qua bộ nghịch lưu thu được nguồn điện xoay chiều (AC) có thể thể sử dụng được trong công nghiệp và dân dụng. Từ khóa: Bộ nghịch lưu 3 pha, bộ nghịch lưu 7 bậc, bộ nghịch lưu đa bậc. Abstract:The inverter plays an important role inthe improvement of power quality especially in the industrial sector used to adjust the motor speed three-phase asynchronous . In this paper, we describe the process to design the experimental model of cascaded three-phase inverters. The simulation program was implemented in Matlab software / Simulink to quality assessment the output wave with sensor feedback line pressure sensor and control engine speed.The simulation results will be verified by empirical models using the F28335 DSP Card with embedded programming technique of MATLAB software combines Code Composer Studio V3.3 program compiled and loaded into the C language DSP Card. The results were obtained three phases AC voltage from initial DC voltage source after inverted. This result can be used for demand of industry and home users. Keywords: Three - phase inverter, seven-level inverter, multi-level inverter. Trang 1
2. I. Giới thiệu Ngày nay động cơ không đồng bộ ba pha được sử dụng ngày càng rộng rãi trong công nghiệp và dân dụng vì những ưu điểm như: Công suất lớn, bảo trì đơn giản Tuy nhiên để sử dụng được động cơ này chúng ta cần có nguồn xoay chiều 3 pha. Xuất phát từ vấn đề trên tác giả xây dựng bộ nghịch lưu 3 pha 7 bậc , từ nguồn DC ban đầu sau khi qua bộ nghịch lưu ta sẽ thu được nguồn xoay chiều ba pha. Kết quả bộ nghịch lưu này có thể ứng dụng được đối với các khu vực không có nguồn điện xoay chiều 3 pha. Đã có các tác giả [1]; [2]; [3] đưa ra phương pháp điều khiển và thực hiện mô phỏng trên phần mềm Matlab của bộ nghịch lưu đa bậc giải thuật điều chế độ rộng xung(PWM). Tuy nhiên trong bài báo này tác giả phân tích sử dụng thuật toán xung cải biến Sine (PWM) để giảm độ gợn sóng điều khiển giúp cho ngõ ra giảm thiểu sóng hài để điều khiển tải động cơ 3 pha, đồng thời thông qua bộ nghịch này chúng ta có thể thay đổi được tần số mong muốn để điều chỉnh tốc độ động cơ. Kết quả đạt được thể hiện qua mô phỏng trên phần mềm MATLAB/Simulink và mô hình thực nghiệm. Với ý tưởng sử dụng sóng sin tần số 50Hz so sánh với 6 sóng tam giác tần số 5kHz để đưa ra luật điều khiển, đó chính là một điểm mới của phương pháp điều chế Sin(PWM) được đề cặp trong bài báo này. Tác giả đã xây dựng giao diện đánh giá chất lượng sóng và giám sát ngõ ra của bộ nghịch lưu kết hợp phần mềm Labview và ardunio để thu thập dữ liệu. Việc ứng dụng giao diện này để đánh giá chất lượng của áp và dòng giúp giảm đáng kể giá thành khi phải sử dụng thiết bị đo hiện đại . II. Mô hình toán, phương trình toán của bộ nghịch lưu 3 pha 7 bậc Casscade 2.1. Cơ sở lý thuyết. Hình 1: Mô hình bộ nghịch lưu 3 pha 7 bậc Trang 2
3. E1,2,3: Điện áp DC ngõ vào [V]. A: Điện ngõ ra pha A [V]. B : Điện ngõ ra pha B [V]. C: Điện ngõ ra pha C [V]. S1-12: Các khóa đóng, ngắt. D1-12: Các khóa đối song chân CE của IGBT. 2.2 . Phương trình toán bộ bộ nghịch lưu 3 pha 7 bậc Trạng thái đóng ngắt các công tắc trong một nhánh pha phải thỏa mãn điều kiện kích đóng đối nghịch. S1A + S3A = 1; S2A + S4A = 1 S5A + S7A = 1; S6A + S8A = 1 S9A+S11A =1;S10A+S12A = 1 Bảng trạng thái các khóa được kích dẫn ngõ ra được hình thành áp nghịch lưu 3 pha 7 bậc từ 1 pha, trên nguyên lý này sẽ tạo thành áp 3 pha 7 bậc lệch nhau 1200 về pha. Vout S1 S2 S3 S4 S5 S6 S7 S8 S9 S10 S11 S12 3Vd 1 0 0 1 1 0 0 1 1 0 0 1 2Vd 1 0 0 1 1 0 0 1 1 1 0 0 Vd 1 0 0 1 1 1 0 0 1 1 0 0 0 1 1 0 0 1 1 0 0 1 1 0 0 -Vd 1 1 0 0 1 1 0 0 0 1 1 0 -2Vd 1 1 0 0 0 1 1 0 0 1 1 0 -3Vd 0 1 1 0 0 1 1 0 0 1 1 0 Bảng 1: Trạng thái xung kích của một pha Từ bảng trạng thái ta có các phương trình toán khi 3 pha đấu sao như sau: 퐮퐀퐍 − 퐮퐁퐍 − 퐮퐂퐍 퐔퐁 = 푼 = 푼 푵 − 푼 푵 퐮퐂퐍 − 퐮퐁퐍 − 퐮퐀퐍 UAN=V1+V2+V3 (1) 퐔퐂 = ( ) { 푼 푪 = 푼 푵 − 푼푪푵 (3) 퐮 − 퐮 − 퐮 푼 = 푼 − 푼 퐔 = 퐀퐍 퐁퐍 퐂퐍 푪 푪푵 푵 { 퐀 Trang 3
4. II. Thiết kế bộ điều khiển theo phương pháp SinPWM Để giảm sóng hài tác giả đề nghị sử dụng phương pháp điều khiển xung cải tiến là SinPWM. 2 1.5 1 0.5 0 -0.5 Form wave control wave Form -1 -1.5 -2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 Time(s) -3 x 10 1 0.5 0 1 0.5 0 1 Pulse control. 0.5 0 1 0.5 0 0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 0.08 0.09 0.1 Time(s) Hình 2 .Dạng sóng điều chế cải biến và tín hiệu điều khiển SinPWM Chỉ số điều chế được tính theo công thức: Gọi chỉ số điều chế ma là tỉ số giữa biên độ áp điều khiển và biên độ áp sóng mang . 푈 = ( 0 ≤ ≤ 1 ) (4 푈 ∗( −1) 푈 : là biên độ sóng điều khiển. 푈 : là biên độ sóng mang. Common mode : là thành phần ảnh hưởng không tốt đến điện áp tải. Tuy nhiên, khi thêm vào một giá trị common mode thích hợp sẽ cải tiến đáng kể hiệu quả của kỹ thuật PWM. Thành phần này giúp cho các ứng dụng giảm số lần chuyển mạch trong trường hợp cần làm giảm độ nhấp nhô dòng điện. Trang 4
5. III. Kết quả trên mô phỏng và mô hình thực nghiệm Kết quả của phương trình (1) đến (4) cũng như mô hình hình 1 được chứng minh bởi kết quả mô phỏng và nhúng vào mô hình thực. 3.1. Kết quả mô phỏng. Hình 3. Mô phỏng mạch nghịch lưu 3 pha 7 bậc điều chế SinPWM bằng MatlabSimulink Kết quả mô phỏng trên tải R – L, với R = 32훺 và L = 50mH. Dạng sóng điện áp ngõ ra của bộ nghịch lưu Hình 4: Áp pha của bộ nghịch lưu khi chưa sử dụng mạch lọc. Trang 5
6. Hình 5: Áp pha của bộ nghịch lưu khi chưa sử dụng mạch lọc. Hình 6: Dạng sóng dòng điện ngõ ra của bộ nghịch lưu Hình 7: Độ méo dạng của ngõ ra dòng điện pha A Hình 8: Độ méo dạng của ngõ ra áp pha A Trang 6
7. Kết quả mô phỏng trên tải động cơ Dạng sóng đáp ứng tốc độ của động cơ không đồng bộ ba pha, với các thông số: Công suất 4.5Hp, điện áp định mức 400V, tần số 50Hz, tốc độ 1430rpm. Hình 9: Đáp ứng tốc độ của động cơ. Nhận xét: từ hình 4 ta thấy rằng điện áp ngõ ra của bộ nghịch lưu đủ 7 bậc (225v,150v; 75v; 0; -75v; -150v,-225v) và dòng điện,điện áp pha cũng có dạng sóng Sin với độ méo dạng rất nhỏ 0.20% và áp 8.71%. Khi mô phỏng với tải động cơ ta thấy rằng bộ nghịch lưu hoàn toàn đáp ứng được tốc độ định mức của động cơ và thời gian xác lập của động cơ là khá nhỏ khoảng 0.13s. Từ những ưu điểm trên chúng ta tiến hành xây dựng mô bộ nghịch lưu 3 pha 7 bậc để kiểm chứng lại so vời kết quả mô phỏng. 3.2 Kết quả thực nghiệm. Hình 10: Mô hình nhúng trên Matlab/Simulink. Trang 7
8. Hình 11:Xung kích pha thực nghiệm Hình 12: Dạng sóng thực nghiệm áp pha tâm nguồn - Tín hiệu thực nghiệm áp pha tâm nguồn :UAo, UBo, UCo của nghịch lưu áp 3 pha 7 bậc có 7 mức điện áp -225v,-150v,-75v, 0v,75v,150v,225v; scale điện áp 50V/div. - Dạng sóng thực nghiệm áp pha, áp tải trên tải động cơ không đồng bộ 3 pha. Hình 13: Dạng sóng thực nghiệm áp pha và tải ttrên động cơ Điện áp trên các pha tải Uta, Utb, Utc của nghịch lưu áp 3 pha 7 bậc có nấc điện áp tương ứng với các trạng thái dẫn ngắt của các van bán dẫn, lệch pha nhau 120.o Trang 8
9. Các thông số cơ bản được đo bằng máy Hioki 3197 đối với phương pháp các phương pháp điều chế sóng mang được thực hiện trên tải thuần trở và tải động cơ được trình bày trong bảng dưới đây: Hình14:THD% áp pha khi chưa qua mạch lọc Hình15:THD% áp pha khi qua mạch lọc Hình16: Biên độ áp chạy động cơ Hình17: Góc lệch pha của áp của động cơ Hình18: Dạng sóng điện áp ngõ ra động cơ khi f=10hz Trang 9
10. Hình19: Dạng sóng điện áp ngõ ra động cơ khi f=25hz Hình20: Dạng sóng điện áp ngõ ra động cơ khi f=50hz 3.3. Kết luận: Kết quả mô phỏng và thực nghiệm cho thấy rằng đề xuất cuả tác giả có nhiều ưu điểm như: làm giảm số đáng kể số lần chuyển mạch đóng ngắt linh kiện, biến dạng và THD% của bộ nghịch lưu được đề xuất kết quả mô phỏng kiểm chứng thực nghiệm được đề xuất để giảm thiểu các THD% nhỏ. Từ những kết quả thu được từ chương trình mô phỏng và thực nghiệm chúng ta thấy rằng sự tương thích giữa kết quả mô phỏng và kết thực nghiệm đáp ứng được yêu cầu cơ bản của thuật toán. Chúng hoàn toàn đạt được số bậc như ta mong muốn vì vậy bộ nghịch lưu này có thể ứng dụng được trong các phòng thí nghiệm và có thể ứng dụng được trong lĩnh vực công nghiệp và dân dụng, rất có lợi khi sử dụng các nguồn năng lượng sạch tái tạo thông qua bộ nghịch lưu cho ra áp 3 pha gần sin có thể hòa lưới điện quốc gia, thúc đẩy phát triển sản xuất công nghiệp và phát triển kinh tế đất nước. Trang 10
11. 4. Tài liệu tham khảo. [1] A. Boudaghi B. Tousi“Dstatcom based five-level cascade h-bridge multilevel inverter for power quality improvement” Technical and Physical Problems of Engineering, Issue 12, Vol.4, No. 3, pp. 110-117, Sep.2012. [2] Abdelaziz Talhaa,*, Dalila Beriberb, Mohamed Seghir Boucheritb “Performances of Photovoltaic Generator Multi-Level Cascade” Jordan Journal of Mechanical and Industrial Engineering, Vol.4, No.1, Jan. 2010. [3]W.Menzies,P.Steimer,andJ.K.Steinke,“Five-levelGTO inverters for large induction motor drives,” IEEE Transactions on Industry Applications, vol. 30, No. 4, pp. 938-944, Jul. 1994. [4] Nguyễn Văn Nhờ “ Giáo trình điện tử công suất 1” Nhà xuất bản Đại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh. [5] Bùi Văn Hiếu “ Nghiên cứu bộ nguồn ba pha cầu h gồm hai mạch npc ba bậc” Luận văn cao học Trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành phố Hồ Chí Minh. [6] Kang, D. W., Lee, Y. H., Suh, B. S., Choi, C. H., and Hyun, D. S. “Animproved carrierwave- based SVPWM method using phase voltageredundancies for generalized cascaded multilevel inverter topology,”. inProc. IEEE APEC, 2000, pp. 542–5 48. [7] S. Mekhilef and M. N. Abdul Kadir “Voltage control of three-stage hybrid multilevel inverter using vector transformation” IEEE Trans. Power Electron.,vol.25,no.10,pp 2599-2606, Oct. 2010. [8] M.E.Ahmed, S.Mekhilef, “Design and implementation of a multilevel three-Phase inverter with less switches and low output voltage distortion,” Journal of Power Electronics, vol.9, no.4, pp.593– 603, Jul. 2009. [9] L.M. Tolbert, F. Z. Peng, T. G. Habetler, “Multilevel PWM Methods at Low Modulation Indices,” IEEE Trans. Power Electron.,vol. 15, no. 4,pp. 719-725, July 2000. [10] Zhengming Zhao, Senior Member, IEEE, Yulin Zhong, Hongwei Gao, Senior Member, IEEE, Liqiang Yuan, Member, IEEE, and Ting Lu, Member, IEEE, "Hybrid Selective Harmonic Elimination PWM for Common-Mode Voltage Reduction in Three-Level Neutral-Point-Clamped Inverters for Variable Speed Induction Drives" IEEE transactions on power electronics. Trang 11
12. 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.