Phƣơng pháp điều khiển 2 bộ nghịch lưu áp 3 pha kết nối song song

Nội dung text: Phƣơng pháp điều khiển 2 bộ nghịch lưu áp 3 pha kết nối song song

1. PHƢƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN 2 BỘ NGHỊCH LƢU ÁP 3 PHA KẾT NỐI SONG SONG RESEARCH METHODS TO CONTROL TWO THREE-PHASE INVERTERS CONNECTED IN PARALLEL 1 2 Nguyễn Minh Tuấn Nguyễn Văn Nhờ 1Học viên cao học trường Đại học sư phạm kỹ thuật TPHCM 2Trường Đại học bách khoa TPHCM TÓM TẮT – Trong các ứng dụng công suất lớn, cấu trúc ghép song song các bộ nghịch lưu là một trong các giải pháp giúp cải thiện chất lượng điện năng của hệ thống chuyển đổi. Cuộn kháng được chèn ở đầu ra của mỗi bộ chuyển đổi, những cuộn kháng này có chức năng hạn chế dòng lưu thông trong mạch, dòng điện này được sinh ra bởi sự chênh lệch điện áp đầu ra giữa các bộ chuyển đổi. Bài báo này mô tả phương thức kết nối song song của 2 bộ chuyển đổi 3 pha bằng cách sử dụng cuộn kháng ghép kết hợp phương pháp điều rộng xung xen kẻ, nhằm cải thiện hiệu suất và giảm các ảnh hưởng không mong muốn đến hệ thống. Kết quả thực nghiệm được trình bày để chứng minh cho các phân tích. Từ Khóa: Nghịch lưu 3 pha, Điều rộng xung (PWM), Cuộn kháng ghép. ABSTRACT - In high current applications, paralleling three-phase voltage sourced inverters represents a modular solution for improving the system power conversion quality, inductors are often inserted between the output terminals of the two inverters that supply the same phase output. One function of these inductors is to limit circulating currents between the two inverters. These currents are produced by common-mode voltage differences between the three-phase output terminals of the two inverters. This paper describes the parallelization of three-phase converters by using coupled inductors and interleaved PWM, parallel inverter system can be operated using coupled inductor and interleaved PWM, significantly improving the system powerconversion density as a result and reduces unwanted effects. Experimental results are presented to verify the analysis. Keywords: Three-phase inverters, pulse width modulation (PWM), coupled inductor. 1
2. I. GIỚI THIỆU lưu thông giữa 2 bộ nghịch lưu. Dòng lưu Với nhu cầu ngày càng tăng về công suất thông này có thể được hạn chế bởi nhiều và chất lượng điện năng của thiết bị điện, phương pháp, một vài phương pháp được làm thế nào để nâng cao công suất của bộ liệt kê dưới đây: chuyển đổi điện năng và cải thiện hiệu suất 1. Sử dụng cuộn cảm ghép trên cùng 1 pha ở đầu ra của nó là một hướng phát triển quan đầu ra của 2 bộ nghịch lưu. trọng của công nghệ điện tử hiện đại. Trong 2. Chế độ cung (CM) hoặc cuộn cảm liên những năm gần đây, nhiều hướng giải quyết động ở phía AC bộ nghịch lưu. đã được tìm hiểu và phát triển như: nâng cao công suất tự thân, điều khiển đa cấp, cấu 3. Sử dụng biến áp cách li ở đầu AC trúc hỗn hợp hoặc kết nối song song Phương pháp sử dụng biến áp cách li khá Nghịch lưu nguồn áp kết nối song song là cồng kềnh, do đó phương pháp này không có nhiều ưu điểm, chẳng hạn như gợn dòng được ưa thích. đầu ra thấp, tính kinh tế, cải thiện phát nhiệt, tăng công suất đầu ra, dự phòng và dễ dàng bảo trì. Ngoài ra, nó còn được đề cập trong [1] rằng hệ thống có hiệu quả cao với các với các bộ chuyển đổi kết nối song song. Các bộ kết nối song song có chung nguồn DC, bên AC của bộ chuyển đổi được kết nối với cuộn cảm, được mô tả trong Hình 1. Hai bộ nghịch lưu kết nối song song hoạt động bởi phương pháp điều rộng xung đồng bộ được trình bày trong [2]. Tuy nhiên, các bộ chuyển đổi kết nối song song sử dụng Hình 1: Cấu trúc tiêu biểu của bộ nghịch phương pháp điều rộng xung xen kẻ đem lại lƣu kết nối song song. gợn dòng AC nhỏ hơn. Trường hợp này được phân tích và trình bày chi tiết trong Thông qua phân tích toàn diện sử dụng [3]. Nếu sóng mang trong phương pháp điều mô hình mô phỏng, bài báo này cho thấy rộng xung xen kẻ được dịch một góc làm thế nào để giảm dòng gợn đầu ra bộ thì dòng nhiễu được sinh ra bởi tần số nghịch lưu, nguyên nhân sinh ra dòng tuần chuyển đổi công tắt bị triệt tiêu và dòng gợn hoàn trong mạch và các hạn chế nó. AC đầu ra giảm. II. NGUYÊN LÍ ĐIỀU CHẾ XUNG XEN Mặc dù dòng gợn AC giảm, nhưng KẺ. phương pháp điều rộng xung xen kẻ tạo nên dòng lưu thông trong mạch, do sự không 1. KHÁI NIỆM CHUNG. đồng bộ giữa điện áp đầu ra trên 1 pha của Hệ thống được phân tích được thể hiện mỗi bộ. Tuy nhiên, hầu hết phương pháp trong Hình 1. Bao gồm 2 bộ nghịch lưu 3 điều rộng xung xen kẻ đều xuất hiện dòng pha kết nối song song với nhau sử dụng 2
3. chung nguồn DC và đầu ra AC được kết nối công suất tới lưới cùng với nhau, tại cùng với lưới hoặc tải thông qua cuộn kháng. một thời điểm , và L được xem như Phương pháp điều rộng xung xen kẻ được nằm trên cùng một đường truyền. Khi điện thể hiện trong Hình 2. áp ngõ ra và không đồng bộ hoặc các tham số ở mỗi bộ nghịch lưu khác nhau, nó sẽ tạo ra dòng tuần hoàn lưu thông trong mạch. Giả thuyết các thông số của 2 bộ nghịch lưu là như nhau, ta có công thức tính điện áp của bộ nghịch lưu [4,5]: ⁄ (1) Hình 2: Nguyên lí điều chế xen kẻ. Nếu suất hiện sự không đồng bộ ở điện áp đầu ra thì sẽ hình thành dòng hoàn với giá trị được tính: Bộ nghịch lưu 1 và nghịch lưu 2 sử dụng ⁄ (2) chung sóng điều khiển dạng sin 3 pha và sử dụng sóng mang dạng tam giác lệch nhau . Khi tần số chuyển mạch đủ lớn ta có Hai bộ nghịch lưu kết nối song song có thể xem sóng điều khiển là một hằng số DC cùng sóng điều khiển và sóng mang lệch trong một chu kỳ chuyển mạch. nhau . Trạng thái đóng cắt khóa công 2. PHÂN TÍCH DÒNG TUẦN HOÀN suất trong một chy kỳ sóng mang được thể TRONG MẠCH. hiện trong Hình 4. Chúng ta lấy pha A làm một ví dụ, giản đồ mạch điện cơ bản được thể hiện trong Hình 3. Hình 3: Sơ đồ cơ bản của 2 bộ nghịch lƣu với phƣơng pháp điều rộng xung xen kẻ. Hình 4: Trong cùng 1 chu kỳ chuyển mạch, trạng thái chuyển đổi của các khóa và là điện áp pha A giữa 2 bộ công suất. nghịch lưu, 2 bộ nghịch lưu sẽ truyền tải 3
4. Trong một chu kỳ sóng mang, ta chia ra (3) làm 13 phân đoạn. Với mỗi phân đoạn ta thu được điện áp như Bảng 1. Từ Bảng 1 ta có thể có được dạng sóng III. NGUYÊN LÍ HOẠT ĐỘNG CỦA điện áp tuần hoàn trong các bộ chuyển đổi CUỘN KHÁNG GHÉP. khi sử dụng phương pháp điều rộng xung Bởi vì hiệu ứng ghép nối, 2 cuộn dây xen kẻ trong một chu kỳ xung sóng mang trong 2 bộ nghịch lưu không còn coi là độc được thể hiện trong Hình 5. lập. Hỗ cảm M giữa 2 cuộn dây được giới thiệu đại diện choc ho ảnh hưởng khi nối nghịch đảo [6], được thể hiện trong Hình 6. Bảng 1: Giá trị điện áp trong một chu kỳ sóng mang. Hình 6: Ảnh hƣởng qua lại giữa 2 cuộn kháng. Với các biến được định nghĩa như phương trình trên, ta thu được phương trình sau: { (4) Từ công thức trên ta có thể thấy được cuộn cảm có hỗ cảm có giá trị điện cảm thay đổi theo chy kỳ đóng cắt mạch còn cuộn cảm đơn có giá trị điện cảm luôn là hằng số trong toàn bộ chu kỳ chuyển mạch . Đối với việc sử dụng cuộn cảm rời chỉ có một giá trị điện cảm cho đầu vào và cho dòng gợn đầu ra trên cuộn cảm, còn đối với cuộn cảm Hình 5: Dạng sóng trong một chu kỳ ghép tổng dòng gợn ở đầu vào và trên cuộn sóng mang. cảm được xác định bằng điện cảm tương đương khác nhau. Qua đó ta có được biên độ dòng thứ tự không là: 4
5. Với từng khoảng thời gian -> , - > , -> , -> , . Ta có giá trị và Giải thuật nhúng xây dựng cho mô hình tương ứng khác nhau như Hình 7. thông qua phần mềm chuyên dụng Matlab, phương pháp điều khiển SPWM với cùng song điều khiển nhưng sóng mang lệch nhau . Mô hình sau khi xây dựng: Hình 7: Dạng sóng dòng điện trên cuộn kháng và dòng tổng khi có và không có hổ cảm. Đối với trường hợp sử dụng cuộn cảm ghép dòng rò ở cuộn cảm là nhỏ hơn so với việc dùng cuộn cảm rời, dòng gợn có thể nhỏ hơn 35%. Tuy nhiên độ gợn dòng tổng khi sử Hình 8: Mô-đun tạo nguồn DC dụng cuộn cảm ghép lại lớn hơn so với cuộn cảm rời . Độ nhiễu lớn ở dòng tổng làm cho độ nhiễu DM tăng dẫn đến tăng kích thước bộ lọc DM lớn hơn dự kiến. Tuy nhiện khi kích thước cuộn cảm lọc DM lớn, thì tổng kích thước cuộn cảm toàn mạch sẽ giảm. IV. KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM. Do điều kiện nghiên cứu còn hạn chế nên trong phần mô hình sử dụng tải dạng RL Hình 9: Mô-đun tạo nguồn kích với các thông số mô hình như sau: - = 5 , = 1.26mH. - = 20V. - = = 1mH. - = 2500Hz. - = 50Hz. Mô hình thực nghiệm sẽ có 12 IGBT và mạch kích. Để có thể thực nghiệm với dòng tải phù hợp thì mỗi khóa công suất IGBT phải chịu được dòng điện tải cực đại là: Hình 10: Mô-đun mạch kích cách li 5
6. Hình 13: xung đồng bộ Hình 11: Mô-đun IGBT Hình 14: xung xen kẻ Hình 12: Mô hình vật lý Hình 15: Uab ( xung đồng bộ) Kết quả mô phỏng giữa 2 trường hợp xung đồng bộ và xung xen kẻ 6
7. - Thông số THDv và THDi giảm khi sử dụng kỹ thuật Interleaved Pulses so với khi sử dụng kỹ thuật Synchronized Pulses. - Do khác kỹ thuật điều chế nên xuất hiện dòng lệch áp trên cuộn L từ đó sinh ra dòng tuần hoàn trong mạch. Qua các kết quả đo đạt ta thu được biểu đo so sánh THDv giữa 2 phương pháp điều khiển như Hình 19. Hình 16: Uab ( xung xen kẻ) Hình 19: Đồ thị so sánh THDv giữa 2 phƣơng pháp điều khiển Để hạn chế dòng tuần hoàn trong mạch Hình 17: THDv ( xung đồng bộ) ta thay đổi cuộn kháng rời thành cuộn kháng ghép và đo đạt các thông số trong phần mêm mô phỏng Matlab: Hình 20: Dòng Ia1, Ia2, Ia khi kết nối cuộn kháng rời Hình 18: THDv ( xung xen kẻ) Nhận xét - Việc sử dụng kỹ thuật Interleaved giúp giảm dòng gợn đầu ra. Hình 21: Dòng Ia1, Ia2, Ia khi kết nối cuộn kháng ghép 7
8. Nhận xét: [2] Song, C.Zhao, R.Zhu, M.Zeng - Qua Hình 2.20 và Hình 2.21 ta thấy khi :‘Operation method for parallel inverter tăng hệ số ghép của cuộn kháng dòng điện system with common dc link’, IET Power tuần hoàn trong 2 mạch nghịch lưu giảm, Electron., 2014, 7, (5), pp. 1138–1147. nhưng kèm theo đó độ méo song hài THDi [3] Mao, X., Jain, A.K., Ayyanar, và THDv tăng. R.:‘Hybrid the interleaved space vector => Sử dụng cuộn cảm ghép đôi lõi sắt từ đạt PWM for ripple reduction in modular hệ số ghép cao => giảm dòng tuần hoàn converters’, IEEE Trans. Power Electron., trong bộ nghịch lưu. 2011, 26, (7), pp. 1954–1967. [4] B.Cougo, G.Gateau, T.Meynard, M.Bobrowska-Rafal and M.Cousineau, ‘PD V. KẾT LUẬN. Modulation Scheme for Three-Phase Từ các kết quả nghiên cứu đã thực hiện, Parallel Multilevel Inverters’ IEEE đề tài có thể đề xuất một số kết luận như Transactions on Industrial Electronics, Vol. sau: 59, No. 2, 2012. 1. Cấu trúc nghịch lưu kết nối song song [5] F.J.Liu, ‘Multi-level inverter technology giúp tăng công suất đầu ra cho hệ thống and its applications’ Beijing. China điều khiển. Machine Press 2007. 2. Việc sử dụng phương pháp điều khiển [6] Fred C.Lee (Co-chair), Ming Xu (Co- Interleaved đem lại chất lượng điện đầu chair),DushanBoroyevich,William ra tốt hơn phương pháp Synchronized. T.Baumann, Linbing Wang ‘Investigation 3. Giải thuật Interleaved kết hợp cuộn cảm on Interleaved Boost Converters and ghép giúp giảm dòng tuần hoàn trong Applications’ Blacksburg, Virginia, July 21 mạch nghịch lưu khi kết nối song song. st, 2009. Hệ thống nghịch lưu kết nối song song Thông tin liên hệ tác giả chính: đem lại hiệu quả cao trong thực tế vì có Họ tên: Nguyễn Minh Tuấn nhiều ưu điểm. Tuy nhiên còn một số tồn tại Đơn vị: Học viên cao học trƣờng ĐH sƣ cần xem xét. Vì vậy người ta cần đi sâu vào phạm kỹ thuật Tp. Hồ Chí Minh nghiên cứu hệ thống có chất lượng cao hơn. Điện thoại: 0939011379 Email: diencomt@gmail.com VI. TÀI LIỆU THAM KHẢO. [1] Neacsu, D.O., Wagner, E., Borowy, B.S.:‘A simulation benchmark for selection Giảng viên hƣớng dẫn of the PWM algorithms for three-phase the interleaved converters’, IEEE Trans. Ind Electron., 2008, 55, (4), pp. 1628–1636. PGS.TS Nguyễn Văn Nhờ 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