Nghiên cứu kỹ thuật pwm cho bộ chỉnh lưu 3 pha 3 bậc NPC

Nội dung text: Nghiên cứu kỹ thuật pwm cho bộ chỉnh lưu 3 pha 3 bậc NPC

1. NGHIÊN CỨU KỸ THUẬT PWM CHO BỘ CHỈNH LƯU 3 PHA 3 BẬC NPC Đào Thành Sung1, PGS.TS Nguyễn Văn Nhờ2 1Trường đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM 2 Trường đại học Bách khoa TP.HCM TÓM TẮT Luận văn này thực hiện kỹ thuật điều chế độ rộng xung để điều khiển bộ chỉnh lưu ba pha ba bậc NPC. Kỹ thuật điều chế PWM sử dụng bởi phần mềm MATLAB nhằm kiểm tra các trạng thái hoạt động, thực hiện đối với tải R. Với bộ chỉnh lưu ba pha 3 bậc NPC điều khiển điều rộng xung làm cho hệ số công suất bằng một, tăng chất lượng dòng điện nguồn vào và tăng công suất cho mạch. Vấn đề cân bằng tụ cũng được nghiên cứu trong luận văn. Giải thuật điều khiển được thực hiện trên kit DSP TMS320F28335 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 biên dịch sang ngôn ngữ C và nạp cho kit DSP. Từ khóa: kỹ thuật nhúng, điều khiển số, hệ số công suất bằng 1, bộ chỉnh lưu 3 pha 3 bậc NPC ABSTRACT This thesis presents PWM method to control three-phase three-level NPC rectifier. PWM method used in this article is supported by MATLAB software to check the operating states, was tested with resistance load. Three-phase three-level NPC PWM rectifier makes the power factor reach reach the unit, the input current quality is improved and the power of system is larger. Balance the voltage of DC capacitors was mentioned in this thesis. the control algorithm was implemented using DSP TMS320F28335 kit with embedded code generator technique from Matlab/simulink, combined with CCS v3.3 programming compile to C language and download to DSP kit. Key Words : Embeded system, DSP control, unit power factor, Three-phase three-level NPC PWM rectifier Chúng có ưu điểm có cấu trúc đơn giản 1. GIỚI THIỆU nhưng khuyết điểm chính của các bộ Bộ chỉnh lưu có nhiệm vụ chuyển chuyển đổi này là phát ra các sóng hài. Các đổi năng lượng từ nguồn điện xoay chiều sóng hài có ảnh hưởng xấu lên hoạt động của hệ thống điện vì vậy cần phải quan tâm sang nguồn một chiều để cung cấp cho tải. Bộ chỉnh lưu AC/DC được sử dụng rộng đến vấn đề điều khiển chúng. rãi trong nhiều ứng dụng như: làm nguồn Một phương pháp cơ bản và phổ cung cấp cho các vi điều khiển, các thiết bị biến để làm giảm các sóng hài ở dòng điện điện dân dụng, tăng phô điện tử, nạp pin, ngõ vào là dùng các kết nối đa xung dựa điều khiển động cơ một chiều và các bộ trên các biến áp có nhiều cuộn dây, thêm chuyển đổi công suất vào đó là dùng các bộ lọc nguồn thụ động hay tích cực nhằm làm giảm sóng hài vào Các bộ chỉnh lưu chuyển mạch thẳng đơn giản nhất là dùng các diode để lưới điện. chuyển đổi năng lượng từ AC sang DC hay Bên cạnh đó, dựa trên các khái sử dụng các thyristor cho phép điều khiển. niệm về khử sóng hài được gọi là điều 1
2. chỉnh hệ số công suất (PFC). Ở các bộ Sc ngõ ra của khâu so sánh điều khiển các biến đổi này, điều khiển các chuyển mạch khóa bán dẫn: công suất IGBT, GTO hoặc IGCT để thay * U > U ⇒ S =1 đổi tích cực dạng sóng của dòng điện ngõ triangular * vào, làm giảm độ méo dạng của sóng và U < Utriangular ⇒ S =0 giảm các sóng hài do đó cải thiện được hệ số công suất. Để điều khiển các chuyển mạch công suất và làm giảm độ méo dạng sóng dòng điện ngõ vào, cải thiện hệ số công suất ta sử phương pháp PWM. Với phương pháp này có được những ưu điểm mà các bộ chỉnh lưu truyền thống chưa đạt được như: Hình 3: Sóng điều khiển SPWM - Có sự trao đổi năng lượng giữa tải  Giớ hạn điện áp tham chiếu cực và nguồn điện. đại: - Tăng hệ số công suất, hệ số công suất có thể đạt đến bằng 1. - Giảm sóng hài bậc cao đi vào lưới điện để cải thiện chất lượng điện năng. Hình 1. Cấu trúc mạch chỉnh lưu 3 pha, 3 bậc NPC. 2. CHIẾN THUẬT ĐIỀU KHIỂU Hình 4. Giới hạn điện áp tham chiếu cực đại SPWM  Giới hạn độ dốc: độ dốc của sóng tam giác phải cao hơn độ dốc của điện áp tham chiếu [10], thỏa mãn hệ thức: b) Cấu trúc điều khiển chỉnh lưu a) Kỹ thuật điều chế độ rộng xung PWM định hướng theo vector điện áp. sine – SPWM Đặc điểm của phương pháp điều khiển dựa vào dòng điện là xử lý tín hiệu trên hệ tọa độ quay d – q. Các giá trị dòng điện đo được trong hệ ba pha được biến đổi sang hệ tọa độ cố định d – q. Khi chọn trục d trùng với véc tơ Hình 2. Sine PWM điện áp lưới UL , khi đó ULd = UL , còn ULq = 0 SPWM cơ bản là dựa vào sóng mang hình Phương trình được rút gọn ( với giả tam giác Utriangular [10] . Sóng mang tam giác này so sánh với 3 tín hiệu điện áp thiết R = 0 ): tham chiếu Ua*, Ub*, Uc*. Tín hiệu Sa, Sb, 2
3. (1) (5) Cấu trúc các mạch vòng điều khiển chỉnh lưu PWM được trình bày trên hình (2.26), trong đó lượng đặt dòng iq* = 0 và đại lượng đặt dòng id* lấy ra từ bộ điều Với fa, fb, fc lấy giá trị 0 , ±1/3 và ±2/3 chỉnh điện áp một chiều. Ta có phương trình điện áp: Khi điều khiển vector dòng điện IL trùng với trục d thì ILd = IL và ILq = 0. Do dòng điện id và iq được ước lượng từ ia, ib (6) qua khâu biến đổi tọa độ a, b, c => d - q. Viết dạng 3 pha: (7) Phương trình dòng điện: Hình 5. Cấu trúc các mạch vòng điều (8) khiển chỉnh lưu PWM theo VOC c) Mô tả toán học chỉnh lưu PWM. Cấu trúc mô hình toán học chỉnh Điện áp vào 3 pha: lưu PWM trên hệ toạ độ ba pha: (2) Giả thiết điện áp nguồn ba pha đối xứng với tần số công nghiệp không đổi ω1 = 2πf1, khi đó: ia + ib + ic = 0  Mô tả toán học chỉnh lưu PWM trong hệ tọa độ 3 pha Hình 6. Cấu trúc mô hình toán học bộ Điện áp dây tại đầu vào chỉnh lưu chỉnh lưu PWM 3 pha (a , b , c) 3. CÂN BẰNG TỤ (3) Điện áp pha: Hình 7. Giảm đồ vector không gian (4) Xét vị trí vector nằm trong tam giác số 2: Trong đó: 3
4. - Nếu các dòng điện iNP cùng dấu ( Bảng 1. Thông số mô phỏng mạch chỉnh iNP_21.iNP_22 > 0) : thì giá trị hàm lưu 3 pha 3 bậc NPC offset sẽ được chọn theo dòng điện iNP nào gần bằng 0 nhất. - Nếu các dòng điện iNP trái dấu nhau ( iNP_21.iNP_22 < 0) : để cho dòng * điện yêu cầu i NP = 0 thì ta lựa chọn giá trị hàm offset  Dạng sóng điện áp dây chỉnh lưu 3 bậc Vab: 1000 900 Vab 800 600 400 200 0 -200 -400 -600 -800 -900 -1000 0.82 0.84 0.86 0.88 0.9 0.92 0.94 0.96 0.98 1 Hình 11. Dạng sóng điện áp dây Vab  Dạng sóng điện áp Van và dòng điện pha A ( iA ) 500 Van 400 iA 300 Hình 8. Lưu đồ giải thuật điều khiển cân 200 100 bằng tụ theo dòng điện iNP_min 0 -100 -200 4. MÔ PHỎNG -300 -400 -500 0.82 0.84 0.86 0.88 0.9 0.92 0.94 0.96 0.98 1 Hình 12. Dạng sóng Van và iA  Dạng sóng điện áp nguồn pha A ( Vsa ) và dòng điện pha A ( iA ) 600 iA 400 Vsa 200 0 -200 Hình 9. Mô hình mô phỏng bộ chỉnh lưu 3 -400 -600 pha 3 bậc NPC trong matlab 0.82 0.84 0.86 0.88 0.9 0.92 0.94 0.96 0.98 1 400 Hình 13. Dạng sóng V và i Vsa sa A 300 Vsb Vsc 200  Phân tích FFT của dòng điện: 100 - Dạng list: 0 -100 -200 -300 -400 0.32 0.33 0.34 0.35 0.36 0.37 Hình 10. Dạng sóng áp nguồn 3 pha 4
5. - Dạng sóng điện áp trên 2 tụ Vc1 , Vc2 500 Vc1 400 Vc2 300 200 100 0 -100 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 Hình 18. Dạng sóng áp trên 2 tụ C1, C2 - Độ chênh lệch điện áp giữa 2 tụ: 5 dVc=Vc1-Vc2 2.5 0 Hình 14. Phân tích FFT của dòng điện -2.5 -5 dạng list 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 Hình 19. Độ chênh lệch áp trên 2 tụ dVc - Dạng bar: - Hệ số cosφ: 1.01 cosphi 1 0.99 0.98 0.97 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 Hình 20. Hệ số cosφ Bảng 2. Tổng kết mô phỏng Hình 15. Phân tích FFT của dòng điện dạng bar Hình (14) và (15) cho ta thấy hệ số méo dạng dòng điện THDi = 1,43% - Dạng sóng điện áp chỉnh lưu Vdc : Với tiêu chí như trên, kết quả mô 1000 phỏng cho thấy, với dòng điện bù IQ = 0 hệ 900 Vdc 800 số cosφ đạt bằng 1, hệ số méo dạng dòng 600 điện thấp, thời gian đáp ứng quá độ tiến 400 đến xác lập nhanh (đạt xác lập tại thời 200 điểm 0,07s). Điện áp 2 tụ được cân bằng. 0 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 Với dòng điện bù khác 0 ( IQ = Hình 16. Dạng sóng điện áp ngõ ra Vdc 50/100/200 ) cũng đáp ứng được điện áp ngõ ra DC như mong muốn. Áp tụ vẫn - Dạng sóng dòng điện DC ngõ ra được cân bằng. Nhưng khi dòng điện IQ idc: khác 0 thì hệ số cosφ sẽ nhỏ hơn 1( nhưng 120 111.11 vẫn đạt được hệ số cao 0,95 ). Điều này 100 idc 80 làm cho hệ số méo dạng dòng điện tăng 60 cao, nhưng vẫn nằm trong giới hạn cho 40 20 phép. Thời gian đáp ứng quá độ lâu hơn so 0 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 với trường hợp IQ = 0. Vẫn kiểm soát được Hình 17. Dạng sóng dòng điện ngõ ra idc hệ thống. 5
6. 5. KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM - Tín hiệu điều khiển trước mạch kích: Hình 25. Áp trên 2 tụ và áp nghịch lưu pha A Hình (25) cho thấy áp trên 2 tụ và độ chênh lệch điện áp trên 2 tụ là 3,85 (v) Hình 21. Tín hiệu trước mạch kích - Điện áp pha và dòng điện pha A: - Tín hiệu sau mạch kích cho pha A Ta1, Ta2 Hình 26. Điện áp pha và dòng điện pha A - Dòng điện pha A và phân tích Hình 22. Tín hiệu điều khiển cho Ta1, Ta2 FFT của dòng điện Ta3, Ta4: Hình 27. Dòng điện và FFT của dòng điện Hình 23. Tín hiệu điều khiển cho T , T a3 a4 pha A Với pha B, pha C các tín hiệu điều  Với hệ số điều chế m = 0,8 khiển cho các khóa giống như pha A - Điện áp nghịch lưu 3 pha:  Với hệ số điều chế m = 0,3 - Điện áp nghịch lưu 3 pha: Hình 28. Áp nghịch lưu 3 pha - Điện áp trên 2 tụ C và áp nghịch Hình 24. Điện áp nghịch lưu 3 pha lưu pha A: - Điện áp trên 2 tụ C và áp nghịch lưu pha A 6
7. Hình 32. Dòng điện 3 pha - Dòng điện pha A và phân tích FFT của dòng điện: Hình 29. Áp trên 2 tụ và áp nghịch lưu pha A Hình 33. Dòng điện và FFT của dòng điện - Điện áp dây 3 bậc: pha A  Không gian thực nghiệm: Hình 30. Điện áp dây 3 bậc - Điện áp pha và dòng điện pha A: Hình 34. Không gian thực nghiệm 6. KẾT LUẬN Với phương pháp kỹ thuật điều chế độ rộng xung bằng phương pháp điều khiển dòng điện, luận văn đã mô phỏng được cho bộ chỉnh lưu 3 pha, 3 bậc NPC, hệ số công suất đạt gần bằng 1, điện áp trên 2 tụ DC Hình 31. Điện áp pha và dòng điện pha A được cân bằng, dòng điện AC ngõ vào đạt sine và có hệ số méo dạng thấp. - Dòng điện 3 pha: Việc sử dụng card DSP TMS320F28335, phần mềm matlab, phần mềm CCS v3.3 với kỹ thuật lập trình nhúng rất nhanh gọn và việc thực hiện cũng đơn giản. Tuy nhiên với kỹ thuật nhúng, ta hoàn toàn khó kiểm soát được tín hiệu ngõ ra của từng khối trong mô hình. 7
8. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1]. www.mathworks.com [2]. [3]. PGS.TS Nguyễn Văn Nhờ, “ Giáo trình điện tử công suất 1”, NXB Đại học quốc gia TpHCM, 2002. [4]. Ranjan K. Behera and Shyama P. Das “Space Vector Modulation for a Three-level NPC ac-dc Converter System: An Experimental Investigation” [5]. Zhou Jinghua “Research on Control Method of Three-Level NPC Voltage Source Rectifier”,2008. [6]. H. Lou, C. Mao J. Lu, D. Wang, W-J. Lee, “Pulse width modulation AC/DC converters with line current harmonics minimisation and high power factor using hybrid particle swarm optimisation”, 2008. [7]. Ranjan K. Behera, T. V. Dixit, and Shyama P. Das, “Describing Function Analysis and Experimental Investigation of a High Power Utility Friendly AC-DC Converter System”. [8]. B.-R. Lin and T.-Y. Yang, “Three-phase AC/DC converter with high power factor”, IEE Proc.-Electr. Power Appl., Vol. 152, No. 3, May 2005. [9]. Ashish Bendre and Giri Venkataramanan, “Neutral Current Ripple Minimization in a Three-Level Rectifier”, IEEE Transactions on Industry Applications, Vol. 42, No. 2, March/April 2006. [10]. Sylvain LECHAT SANJUAN, “Voltage Oriented Control of Three-Phase Boost PWM converters” , CHALMERS UNIVERSITY OF TECHNOLOGY, Sweden, 2010. [11]. M. Sc. Mariusz Cichowlas “PWM Rectifier with Active Filtering” , Warsaw, Poland 2014. [12]. Zhu Yi-Feng, Zheng Zheng, Yang Hai-Zhu, Tan Kai “A new control method for Neutral-Point-Clamped three-level PWM rectifier”. IEEE, 2011. [13]. Sergio Busquets-Monge, Josep Bordonau, Dushan Boroyevich, and Sergio Somavilla, “The Nearest Three Virtual Space Vector PWM—A Modulation for the Comprehensive Neutral-Point Balancing in the Three-Level NPC Inverter”, IEEE Power Electronics Letters,Vol.2, No.1,March 2004 11-15. Thông tin liên hệ tác giả chính (người chịu trách nhiệm bài viết): Họ tên: Đào Thành Sung Đơn vị: Học viên Cao học trường Đại học Sư phạm kỹ thuật Tp.HCM Điện thoại: 0968335111 Email: sungelectronics@gmail.com 8
9. 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