Nghiên cứu và mô phỏng bộ nghịch lưu áp ba pha ba bậc dùng diode kẹp_điều khiển bằng card DSP

Nội dung text: Nghiên cứu và mô phỏng bộ nghịch lưu áp ba pha ba bậc dùng diode kẹp_điều khiển bằng card DSP

1. NGHIÊN CỨU VÀ MÔ PHỎNG BỘ NGHỊCH LƢU ÁP BA PHA BA BẬC DÙNG DIODE KẸP_ĐIỀU KHIỂN BẰNG CARD DSP RESEARCH AND SIMULATION OF THREE PHASE INVERTERS RESSURE LEVEL THREE USED DIODE PATCH - DSP CONTROL WITH CARD Trần Thị Cẩm Thia, Trần Thu Hàb Khoa Điện – Điện Tử, Trường TCN Việt-Hàn Bình Dương a Khoa Điện – Điện Tử, Trường ĐH Sư Phạm Kỹ Thuật TP.HCMb acamthi03kdd@yahoo.com btranthuha2000@yahoo.com TÓM TẮT Bộ nghịch lưu áp ba pha ba bậc có khả năng ứng dụng rộng rãi trong một số trường hợp tải công suất nhỏ, đặc biệt trong lĩnh vực điều khiển động cơ, tiết kiệm năng lượng. Bài báo đề xuất một giải pháp điều chế SPWM đơn giản, linh hoạt dùng sóng mang dạng tam giác, tín hiệu điều khiển dạng sin. Kết quả giải thuật được kiểm chứng thông qua kết quả mô phỏng trên phần mềm Matlab/Simulink và thực nghiệm sử dụng card DSP TMS320f28335. Từ khoá: Thuật toán SPWM, nghịch lưu áp, card DSP ABSTRACT Three phase inverters three places capable widely applied in some cases, small-capacity load, especially in the field of motor control, energy saving. This paper proposes a solution SPWM Modulation simple, flexible carrier using triangular, sinusoidal control signal. Results of the algorithm was verified through simulation results on software Matlab / Simulink and DSP experiments using TMS320f28335 card. Key words: SPWM algorithm, inverters, DSP cards 1. TỔNG QUAN Mục đích nghiên cứu bộ nghịch minh, xử lý với tốc độ nhanh, tần số cao, lưu tạo ra điện áp tối ưu nhất, tần số ổn ổn định. Công cụ để thực hiện triệt để định để áp ứng điều đó. Trong bài báo vấn đề này tại thời điểm hiện nay là dòng này nhóm tác giả chỉ nghiên cứu bộ IC DSP TMS320F28335 kết hợp với nghịch lưu áp chứa cặp diode kẹp. Mặc Matlab. khác các kết quả nghiên cứu gần đây cho Việc kết hợp giữa IC DSP thấy, kỹ thuật điều chế SPWM đơn giản, TMS320F28335 và Matlab sẽ tạo ra dễ dàng và linh hoạt cao hơn so với các nhiều bộ điều khiển linh hoạt, giúp người kỹ thuật điều chế còn lại. Cộng với sự học nắm rõ hơn các giải thuật điều khiển phát triển ngày càng cao của kỹ thuật vi trong lĩnh vực tự động hóa mà không cần xử lý và máy tính, hệ truyền động điều thiết phải thí nghiệm trên nhiều đối khiển số ngày càng được ứng dụng rộng tượng. rãi và dần thay thế cho hệ truyền động điều khiển tương tự. Kết hợp Card DSP Thiết kế thành công phần cứng bộ nhúng các thuật toán điều khiển thông nghịch lưu áp 3 pha 3 bậc NPC và chạy cho ra kết quả thực nghiệm, điều khiển
2. được động cơ 1Hp chạy êm, dạng sóng ít Gọi mf là tỉ số điều chế tần số (frequency nhiễu, giảm sóng hài, độ mịn sóng sin modulation ratio) ta có: cao, ứng dụng trong thực tiễn nghiên cứu f f carrier c ( 2.1) cho các sinh viên thực hành, các nghiên m f f f cứu sinh và trong đời sống, trong công reference m nghiệp. Tương tự, gọi ma là tỉ số điều chế biên độ (amplitude modulation ratio) : S2a S2b S2c Da1 U m reference Am (2.2) ma + Vdc/2 (n 1). U m carrier Ac - S1a S1b S1c M a 0 b c Nếu ma≤ 1 (biên độ sóng sin nhỏ + Vdc/2 S'2a S'2b S'2c hơn tổng biên độ sóng mang) thì quan hệ D'a1 - giữa thành phần cơ bản của điện áp ra và điện áp điều khiển là tuyến tính. S'1a S'1b S'1c pha a pha b pha c 3. PHƢƠNG TRÌNH TOÁN HỌC Hình 1: Sơ đồ nghịch lƣu áp ba pha ba bậc Hình 3:Sơ đồ nguyên lý; Mô hình tƣơng đƣơng tức thời;Mô hình tƣơng đƣơng trung bình Hình 2: Card DSP TMS320F28335 1 uđka 2. Phƣơng pháp điều chế độ rộng uđkb xung Sin dùng sóng mang (Sin PWM) uđkc Để tạo giản đồ kích đóng các linh 0 kiện trong cùng một pha tải, ta sử dụng 1 một số sóng mang (dạng tam giác) và S1 0 một tín hiệu điều khiển (dạng sin). 1 -Sóng mang up (carrier signal) tần S2 0 số cao, có thể ở dạng tam giác. 1 S -Sóng điều khiển ur (reference 3 0 signal) hoặc sóng điều chế (modulating signal) dạng sin. Ví dụ, công tắc được Hình 4:Giản đồ đóng ngắt kích đóng khi sóng điều khiển lớn hơn Tức thời: ua0, ub0, uc0 sóng mang (ur> up). Trong trường hợp ngược lại, công tắc được kích mở khi Trung bình: Ua0, Ub0, Ub0 Áp điều khiển: uđka, uđkb, uđkc sóng điều khiển nhỏ hơn sóng mang (ur up).
3. Quan hệ áp nghịch lưu trung bình và áp Ua0= Uta + V0 điều khiển: Ub0= Utb + V0 k = Vdc Ua0 = k.uđka Uj0 = Utj + V0 Ub0 = k.uđkb (2.3) 4.MÔ PHỎNG BỘ NGHỊCH LƢU 3 PHA 3 BẬC NPC BẰNG MATLAB U = k.u c0 đkc Tần số sóng điều khiển: fr = 50Hz; Sóng Giả sử tải dạng sao, đối xứng mang tam giác dạng PD 2 Tần số sóng mang: fc = 3000Hz; Hệ số ua0 u b 0 u c 0 điều chế : 0.9 ut a 3 2 Nguồn DC cân bằng có tổng điện áp: Ta có, áp tải : ub0 u c 0 u a 0 100V; Tải RL: R=15, L=0.06H ut b 3 2 uc0 u a 0 u b 0 ut c 3 Hình 5:Mô hình tải 3 pha đấu sao Điện áp common mode : ua0 u b 0 u c 0 (2.4) u N 0 3 Hình 6: Sơ đồ kết nối mô phỏng trong Trị trung bình áp tải : MatlabSimulink 2UUUa0 b 0 c 0 U t a 3 4.1 Xung kích nghịch lƣu áp 3 pha 3 2UUUb0 c 0 a 0 (2.5) bậc U t b 3 2UUUc0 a 0 b 0 U t c 3 Điện áp common mode trung UUUa0 b 0 c 0 (2.6) U N 0 3 Quan hệ áp tải và áp nghịch lưu : uaN00 u u t a bN00 u ut b u Hình 7: Xung kích nghịch lƣu áp 3 cN00 pha 3 bậc NPC của pha A u ut c u - Tín hiệu đối lập nhau tuân thủ qui luật Ta có : u = u + V (j = a, b, c) j0 tj 0 đóng ngắt của các cặp linh kiện. Trị trung bình :
4. 4.2 Dòng tải 3 pha ita, itb, itc iabc 1.5 4.5 Điện áp Uab 1 0.5 0 Magnitude(A) -0.5 -1 -1.5 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 0.08 0.09 0.1 Time(s) Hình 8: Dòng tải ita, itb, itc nghịch lƣu áp 3 pha 3 bậc NPC Hình 11: Điện áp Uab nghịch lƣu Tín hiệu phân tích FFT của dòng tải ita, áp 3 pha 3 bậc NPC itb, itc nghịch lưu áp 3 pha 3 bậc NPC đạt Tín hiệu điện áp dây Uab của nghịch lưu được khi mô phỏng hệ số điều chế 0.9; áp 3 pha 3 bậc NPC có 5 mức khác nhau lệch pha nhau 120o; i = 1.1A. là: -200, -100, 0, 100, 200. 4.3 Điện áp tải Uta, Utb, Utc 5. THỰC NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ 5.1 Sơ đồ khối tổng quát Mạch Chỉnh Mạch lưu, Mạch công suất Đ Lọc C Mạch * Nguồn DC hoặc kích và AC cách ly Cảm biến Hình 9: Điện áp tải nghịch lƣu áp 3 áp, dòng pha 3 bậc NPC Điện áp trên các pha tải Uta, Utb, Utc của Bộ nguồn nghịch lưu áp 3 pha 3 bậc NPC có nấc nuôi mạch Mạch điện áp tương ứng với các trạng thái dẫn kích, mạch Mạch Ngu ồn kích(nuôi đệm, đảo ngắt của các van bán dẫn, ba điện áp này opto trong mạch kích) đệm, cảm giống nhau nhưng lệch pha nhau 120o biến, card DSP 4.4 Điện áp pha tâm nguồn Ua0, Ub0, Uc0 PC Mạch điều khiển DSPTMS320F28335 Hình 3.10: Điện áp pha tâm nguồn nghịch lƣu áp 3 pha 3 bậc NPC Tín hiệu điện áp pha tâm nguồn Uao, Ubo, Uco của nghịch lưu áp 3 pha 3 bậc NPC có 3 bậc tương ứng mức điện áp 0V, 100V, 200V; và luôn giữ mức điện áp ổn Hình 12: Mô hình tổng thể định với nhau.
5. 5.2 Kết quả thực nghiệm đạt đƣợc c) Xung kích pha C : Sau đây là kết quả đạt được khi tiến hành chạy thử nghiệm và so sánh với kết quả chạy mô phỏng trong Simulink Matlab.Do tính an toàn trong phòng thí nghiệm nên học viên chỉ chạy thử nghiệm bộ nghịch lưu áp ba pha ba bậc với điện áp Vdc= 114V , cụ thể thông số chạy thử nghiệm như sau: - Tổng điện áp trên hai tụ: 900V; Tần số sóng điều khiển :50HZ - Tần số sóng mang: 3000HZ; Phương pháp điều khiển: SH-PWM. - Biên độ sóng điều khiển: Af = 0.9; Hình 15: Kết quả thực nghiệm mô Biên độ sóng mang:Ac = 1. phỏng xung kích pha B - Tải động cơ 220/380 Vac, công suất P= Kết quả thực nghiệm phù hợp với mô 1 HP phỏng. 5.3 Kết quả xung kích 5.4 Điện áp pha tâm nguồn a) Xung kích pha A: Hình 13:Kết quả thực nghiệm mô phỏng xung kích pha A b) Xung kích pha B : Hình 16: Kết quả thực nghiệm mô phỏng điệnáp pha tâm nguồn Tín hiệu thực nghiệm áp pha tâm nguồn Uao, Ubo, Ucocủa nghịch lưu áp 3 pha 3 bậc NPC có 3 mức điện áp -60, 0, 60; scale điện áp 50V/div. Tín hiệu mô phỏng điện áp pha tâm nguồn Uao, Ubo, Uco của nghịch lưu áp 3 pha 3 bậc NPC có 3 bậc tương ứng mức điện áp 0V, 100V, 200V Hình 14: Kết quả thực nghiệm mô Kết quả thực nghiệm phù hợp với mô phỏng xung kích pha B phỏng
6. 5.5 Điện áp tải 3 pha 5.7Điện áp Ud: UAB, UBC, UAC Hình 19: Kết quả thực nghiệm điện áp UAB Nhận xét: Với chu kỳ T = 20ms; điện áp U = 50V, f = 1/T = 1/0.02 = 50Hz bằng tần số lưới điện; scale điện áp 50V/div. Suy ra tần số, điện áp ổn định và với tần số và điện áp trên ứng dụng xài được cho nhiều tải khác. Hình 17: Kết quả thực nghiệm mô 5.8Điện áp Common mode tải R phỏng điện áp tải. Điện áp trên các pha tải Uta, Utb, Utc của nghịch lưu áp 3 pha 3 bậc NPC có nấc điện áp tương ứng với các trạng thái dẫn ngắt của các van bán dẫn; Điện áp tải 3 pha tương đối giống nhau, sai lệch không đáng kể, scale điện áp 50V/div; lệch pha nhau 120o 5.6 Dòng tải 3 pha Hình 20: Kết quả thực nghiệm điện áp common mode tải R 5.9Điện áp Common mode tải động cơ Hình 18: Kết quả mô phỏng dòng điện tải Dòng tải 3 pha với m = 0.9; scale Hình 21: Kết quả thực nghiệm điện áp 1A/div common mode tải động cơ
7. Nhận xét: Điện áp common mode là 6. KẾT LUẬN điện áp không mong muốn nên sẽ gây Xây dựng được mô hình nghịch lưu áp 3 tổn hao trên tải chính vì vậy khi quan sát pha 3 bậc là công cụ để thực nghiệm và thấy common mode trên tải động cơ phát triển các nghiên cứu. Trong đề tài nhiễu, gai sóng nhiều, chập chờn hơn tải này, người thực hiện luận văn đã đưa ra đèn do ảnh hưởng của ảnh hưởng của L kết quả so sánh giữa mô phỏng và thực trong động cơ. nghiệm. Mô hình bộ nghịch lưu được thiết kế, chế tạo có tính năng ổn định, tin cậy và cho phép tái cấu trúc, tạo sự linh hoạt khi áp dụng. Trên cơ sở nghiên cứu luận văn đã đề xuất và chứng minh tính đúng đắn bằng mô phỏng và thực nghiệm TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Hoàng Ngọc Văn, “Giáo trình Điện tử công suất”, Trường ĐH Sư Phạm Kỹ Thuật, năm 2012. [2] Hoàng Ngọc Văn, “Giáo trình Thực hành Điện tử công suất”, Trường ĐH Sư Phạm Kỹ Thuật, năm 2012 [3] Nguyễn Văn Nhờ - Điện Tử Công Suất – NXB quốc gia Tp. Hồ Chí Minh – 2004. [4] Nguyễn Văn Nhờ - Điện Tử Công Suất – NXB quốc gia Tp. Hồ Chí Minh – 2003. [5] Đỗ Đức Trí, “Giáo trình Điện tử thực hành”, Trường ĐH Sư Phạm Kỹ Thuật, năm 2012 [6] Nguyễn Phùng Quang, Matlab & Simulink Dành cho kỹ sư điều khiển tự động, NXB khoa học và kỹ thuật năm 2006. [7] Nguyễn Văn Nhờ - Giáo Trình Điện Tử Công Suất 1 – NXB quốc gia Tp. Hồ Chí Minh – 2002. [8] Cơ sở Truyền Động Điện, Tác giả: Nguyễn Văn Nhờ NXB ĐHQG TP.HCM 2003 [9] Nguyễn Văn Nhờ & Hong Hee Lee, Analysis of Carrier Based PWM Methods Based on Optimization of Voltage Errors. [10] Nguyễn Văn Nhờ & Hong Hee Lee, Theoretical Analysis of Carrier Algorithms For Multilevel Inverters with Unbalanced DC Voltages. [11] Nguyễn Văn Nhờ & Hong Hee Lee, Optimized Discontinuous PWM Algorithm with Variable Load Power Factor for Multilevel Inverters.
8. Họ tên: Trần Thị Cẩm Thi Đơn vị: Trường Trung Cấp Nghề Việt – Hàn Bình Dương Điện thoại: 0909789566 Email: camthi03kd@yahoo.com
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 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.