Thực nghiệm mạch nghịch lưu áp một pha ba bậc NPC

Nội dung text: Thực nghiệm mạch nghịch lưu áp một pha ba bậc NPC

1. THỰC NGHIỆM MẠCH NGHỊCH LƯU ÁP MỘT PHA BA BẬC NPC EXPERIMENTAL SINGLE PHASE INVERTER THREE LEVELS NPC CIRCUIT (1)Huỳnh Thị Tú Trinh, (2)Nguyễn Văn Nhờ (1)Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Tp. Hồ Chí Minh, (2)Trường Đại Học Bách Khoa Tp. Hồ Chí minh TÓM TẮT Bài báo này thực hiện việc điều khiển một mô hình bộ nghịch lưu áp một pha ba bậc NPC thông qua tải R – L hoặc động cơ. Với cấu trúc này ta sẽ đạt được điện áp nghịch lưu ngõ ra ba bậc với độ méo dạng thấp, số lần chuyển mạch ít, điện áp common – mode nhỏ, điện áp trên mỗi linh kiện giảm. Trong bài báo này một phát triển biến đổi trong kỹ thuật điều chế độ rộng xung sóng mang (Carrier PWM) được đề xuất để giải quyết các bài toán điều khiển sự đóng ngắt của các công tắc bán dẫn để có được điện áp ngõ ra mong muốn. Tác giả thực nghiệm trên phần cứng với IGBT FGL60N100D. Các giải thuật điều khiển đề xuất được thực hiện trên vi xử lý điều khiển tín hiệu số DSP TMS320F 28335 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 tự động biên dịch ra ngôn ngữ C và nạp cho vi xử lý mà không cần phải lập trình lại. Từ khóa: bộ nghịch lưu, NPC, DSP ABSTRACT This article presents controlling a single phase inverter three levels NPC topology through R – L or motor load. By using this inverter topology, we can achieve a low THD% output voltage and reducing the number of commutations, the small common – mode voltage, reducing the working voltage on switches. In this article, the development of a carrier PWM technique is proposed to resolve the problem of the control of the switching semiconductor component to have the desired output voltage. A simulated model was builded on Matlab / Simulink software for calculating parameters and ensuring proposed algorithms. An experimental model, which using FGL60N100D IGBT and TI microprocessor DSP TMS320 F28335, was established for validation. Control program was program on Simulink model then generate C – code and import to CCS software, micro processor automatically but not required reprogramming. Keywords: inverter, NPC, DSP I. GIỚI THIỆU những phụ tải một, ba pha, làm các bộ nguồn Những thập niên 70 – 80 của thế kỷ công suất lớn trong công nghiệp Với ưu điểm XX, kỹ thuật điện tử chỉ được ứng dụng là kích thước nhỏ gọn, dễ điều khiển và thuận trong những mạch điều khiển, đo lường, tiện, đáp ứng tần số được mở rộng, khả năng về khống chế, bảo vệ hệ thống điện công công suất, điện áp, dòng điện và độ tin cậy ngày nghiệp gọi là điện tử công nghiệp. càng được cải tiến dần [4]. 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 dùng để đóng ngắt cung cấp nguồn cho
2. hiện ngày một nhiều hơn [5]. Đối tượng chính S1 D1 trong các nghiên cứu này, ở thời kỳ đầu, thường Vdc/2 là nghiên cứu nghịch lưu theo phương pháp S2 điều chế độ rộng xung dùng sóng mang V dc L (Carriers Pulse Width Modulation – CPWM). Chỉ đến những năm cuối 1980 các nghiên cứu S3 R Vdc/2 mới đã thu được nhiều thành quả nhất là nghiên ULN D2 L cứu theo phương pháp điều chế độ rộng xung S4 sử dụng vector không gian (Space Vector Pulse N Width Modulation – SVPWM) [9]. Hình 1. Sơ đồ mạch nghịch lưu một pha II. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ba bậc NPC 1. Nghiên cứu các kỹ thuật điều chế PWM, Ngày nay, với tốc độ phát triển công lập giải thuật cho các phương pháp, mô phỏng nghiệp rất nhanh, đi kèm theo đó là các yêu đánh giá từng phương pháp, chọn phương pháp cầu cao trong khâu truyền động động cơ, đó điều chế tối ưu nhất. Sử dụng kỹ thuật PWM là khâu không thể thiếu được trong các dây dùng một sóng mang. Thay vì sử dụng 1 sóng chuyền công nghiệp. Việc điều khiển chính điều khiển uđkj và nhiều sóng mang với biên độ xác để tạo nên các chuyển động phức tạp là khác nhau 0, 1 , 1, 2 , , n 2, n 1 , có thể nhiệm vụ của hệ thống truyền động. Từ việc sử dụng kỹ thuật CPWM với một sóng mang phát triển công nghệ bán dẫn đã chế tạo các đơn vị 0, 1 cho các cặp linh kiện bộ điều khiển điện tử công suất để đáp ứng S , S' , S , S' , , S , S' . Tuy yêu cầu truyền động ngày càng phức tạp trên. ξ1 ξ1 ξ 2 ξ 2 ξn 2 ξn 1 Một trong những thiết bị góp phần quan nhiên, kỹ thuật này cần n 1 sóng điều khiển trọng trong lĩnh vực điều khiển truyền động ξ j1, ξ j2 , , ξ jn 1 cho cặp linh kiện. điện đó là bộ biến đổi tần số hay còn gọi là biến tần. ξ1 Biến tần tĩnh điện được sử dụng trong một số ứng dụng như: Bộ biến đổi tần số cho ξ động cơ, bộ lưu điện (UPS), nguồn cấp điện 2 chung và cũng cho bộ cấp năng lượng trên mặt đất (GPU) cho máy bay. Một bộ điện Hình 2: Tách uđkj thành hai sóng điều mặt đất cung cấp cho máy bay với nguồn khiển ξ j ,  2 năng lượng bên ngoài trong thời gian dừng 2. Ứng dụng kỹ thuật điều chế xây dựng mô tại sân bay. Hiện nay chúng được ứng dụng hình mô phỏng và thuật toán điều khiển sử dụng trên khắp thế giới chủ yếu là do qui định sân phần mềm Matlab cho bộ nghịch lưu một pha bay đòi hỏi phải có sự chuyển đổi sang điện gồm một nhánh NPC ba bậc. để giảm tiếng ồn và ô nhiễm không khí từ các động cơ phản lực. Xây dựng mô hình mô phỏng Việc nghiên cứu điều khiển nghịch lưu đã có từ hơn 30 năm qua. Trong những năm gần đây, việc nghiên cứu các phương pháp điều khiển nghịch lưu đã và đang được thực
3. Hình 3. Mô hình mô phỏng trên Matlab 3. Thực nghiệm lập trình nhúng vi xử lý Hình 5. Mô hình thực nghiệm với kỹ thuật DSP F28335, thiết kế mô hình và đo đạt kết nhúng từ Matlab/ Simulink quả, so sánh với kết quả mô phỏng. Diode bridge and filter PWM inverter S1 D1 D2 z H C1 S2 0 R L 5 , C Load A V 0 2 2 Hình 6. Khối giao tiếp DSP và thông số cài , t u p S3 n I C2 đặt D4 D3 S4 IGBT DRIVE TMS320F28335 DSP CONTROLLER BOARD Hình 4. Sơ đồ tổng thể mô hình hệ thống Hình 7. Cửa số khai báo thông số khối tạo sóng sin
4. FFT dòng tải mô FFT dòng tải thực phỏng m = 0,8 nghiệm m = 0,8 - Kết quả thực nghiệm cho thấy dòng tải tăng tuyến tính trong vùng điều khiển tuyến tính, khi 0,4 m 0,6 thì ta thấy các hài bậc 3 gần như không thay đổi gần bằng 3%, hài bậc 5 có xu hướng giảm gần bằng 0,3%, khi m 0,7 và m 0,8 phát sinh các hài không mong muốn như hài bậc 2 làm ảnh hưởng không tốt đến chất lượng điện áp và dòng điện ngõ ra. - Kết quả mô phỏng cho thấy THD dòng điện Hình 8. Cửa sổ PWM của F28335 giảm dần khi chỉ số m tăng trong vùng điều chế III. KẾT QUẢ MÔ PHỎNG VÀ THỰC tuyến tính, THD không quá 5%, chất lượng NGHIỆM dòng điện tốt có THD thấp. 1. Sự ảnh hưởng của phổ tần số đến dòng - Chỉ số điều chế m khác nhau cũng có sự sai điện và điện áp tải khác về độ méo dạng, do đó trong điều khiển các bộ nghịch lưu cần điều chỉnh các thông số Bảng 1: Thông số mô phỏng và thực này sao cho đạt hiệu suất cao nhất. nghiệm 2. Sự mất cân bằng điện áp trên tụ Các thông Mô phỏng Thực số nghiệm a. Ảnh hưởng của chỉ số điều chế Điện áp DC VC1 = VC2 = VC1 = VC2 = Bảng 3. Thông số mô phỏng và thực nghiệm trên hai tụ 70V 70V Các thông Mô phỏng Thực Tần số sóng F = 5KHz F = 5KHz SW SW số nghiệm mang Điện áp DC VC1 = VC2 = VC1 = VC2 = Tụ lọc C 5600µF 5600µF trên hai tụ 70V 70V Tải R = 10Ω, L = R = 10Ω, L = Tần số sóng FSW = 5KHz FSW = 5KHz 120mH 120mH mang Bảng 2: FFT dòng tải tương ứng với sự Tụ lọc C 5600µF 5600µF thay đổi chỉ số m Tải R = 10Ω, L = R = 10Ω, L = 120mH 120mH Bảng 4. Điện áp trên tụ và độ lệch tụ khi chỉ số m thay đổi FFT dòng tải mô FFT dòng tải thực phỏng m = 0,4 nghiệm m = 0,4 Điện áp tụ và độ lệch tụ khi m = 0,4
5. sóng điện áp ra, cụ thể là các hài bậc thấp như hài bậc 2. Sự tồn tại này làm cho tổn hao tăng, đồng thời khó bị lọc bỏ bởi các bộ lọc tần số cao. - Sự mất cân bằng tụ còn có thể dẫn tới vần đề quá điện áp trên các khóa bán dẫn. Điện áp tụ và độ lệch tụ khi m = 0,8 Điện áp trên hai tụ - Ngoài ra, việc điều khiển đóng ngắt các Áp trên hai tụ mô thực nghiệm khóa làm cho điện áp nạp xả của hai tụ không cân bằng làm méo dạng sin áp ngõ ra. phỏng - Màu cam: áp đo - Màu cam: áp đo trên tụ C1 - Việc điều khiển điện áp cao nếu để mất cân trên tụ C1 - Màu xanh: áp đo bằng điện áp 2 tụ thì toàn bộ áp DC rơi trên 1 tụ - Màu xanh: áp trên tụ C2 có thể làm nổ tụ nếu mức áp dự phòng tụ nhỏ đo trên tụ C2 - Màu đỏ: độ hơn 50%. Trong điều kiện này chúng ta cần phải chênh lệch áp hai tụ đưa ra giải thuật cân bằng hai tụ thật hiệu quả Chú thích sóng đo để giải quyết vấn đề trên. Kết quả mô phỏng cho thấy b. Ảnh hưởng của hệ số công suất tải - Khi chỉ số điều chế thay đổi thì khoảng Bảng 5. Thông số mô phỏng và thực nghiệm thời gian để áp trên hai tụ cân bằng cũng thay Các thông Mô phỏng Thực đổi theo, chứng tỏ chỉ số điều chế ảnh hưởng số nghiệm tới sự cân bằng điện áp tụ. Điện áp DC VC1 = VC2 = VC1 = VC2 = trên hai tụ 70V 70V - Khi m 0,4  0,8 thì khoảng thời gian Tần số sóng FSW = 5KHz FSW = 5KHz để điện áp trên hai tụ cân bằng khoảng 0,02 mang s đến 0,04 s. Chỉ số điều 0,7 0,7 - Khi chỉ số điều chế thay đổi ngoài thời chế m gian hội tụ điện áp trên tụ bị ảnh hưởng thì Tụ lọc C 5600µF 5600µF khoảng dao động điện áp trên tụ khi cân bằng Tải Thay đổi Thay đổi cũng bị thay đổi theo như Hình 4.18. Với chỉ Bảng 6. Dạng sóng áp tụ và độ lệch áp tụ số điều chế nhỏ thì độ dao động nhỏ, chỉ số tương ứng với sự thay đổi cosφ điều chế lớn độ dao động càng lớn. Theo Áp tải mô Áp tải thực Bảng thì độ dao động trên tụ là nhỏ nhất khi Cosφ m 0,4 , và khi m 0,8 thì độ dao động là phỏng nghiệm lớn nhất. Kết quả thực nghiệm cho thấy 0,51 - Do thời gian nạp xả các tụ không cân bằng nên xảy ra hiện tượng mất cân bằng điện áp trên tụ, áp trên hai tụ lệch nhau không đáng kể gần bằng 2 V do điện dung 0,77 hai tụ lớn 5600 µF. - Tuy nhiên sự mất cân bằng này dẫn tới phát sinh các hài không mong muốn trên
6. - Với giá trị cos độ biến thiên của dòng điện nhỏ do ảnh hưởng của điện cảm, vì vậy 0,92 dòng điện trong trường hợp cos nhỏ đẹp hơn so với lớn. Kết quả mô phỏng cho thấy - Nhưng hệ số càng lớn thì tỉ lệ hài Khi hệ số công suất tải thay đổi thì quá bậc cao càng giảm. trình cân bằng điện áp trên tụ cũng thay đổi Tất cả các kết quả được thực hiện trên mô theo. Trong Bảng 4.6 khi cos 0,3 thì hình phần cứng ở hình 9 độ dao động điện áp trên tụ là lớn nhất, và khi cos 0,92 thì độ dao động điện áp trên tụ là nhỏ nhất. Khoảng thời gian để tụ đạt mức cân bằng là khoảng 0,02 s. Kết quả thực nghiệm cho thấy - Điện áp tải 3 bậc (-70, 0, 70V), mỗi tụ có mức điện áp luôn giữ ổn định gần điểm điện áp gần 70 V và độ chêch lệch điện áp trên hai tụ V < 1,3 V. - Độ lệch tụ phụ thuộc vào sự thay đổi tải, theo thực nghiệm ta nhận thấy hệ số cos 0,92 thì độ lệch của hai tụ điện không đáng kể nhỏ hơn V < 1,0 V Hình 9. Mô hình thực nghiệm
7. TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt [1] Nguyễn Minh Chính, Phạm Quốc Hải, Giáo trình Điện Tử Công Suất, NXB Khoa Học Kỹ Thuật Hà Nội, 2007. [2] Nguyễn Văn Nhờ, Giáo trình Điện tử công suất 1, Nhà xuất bản ĐHQG, 2002, 289 trang. [3] Lê Minh Phương, Phan Quốc Dũng, Mô phỏng Điện tử công suất trong Matlab – Simulink, NXB Đại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh. Tiếng nước ngoài [4] Roberto González, Eugenio Gubía, Jesús López,and Luis Marroyo, IEEETransformerless Single Phase Multilevel Based Photovoltaic Inverter, 2009 [5] K. C. Oliveira, M. C. Cavalcanti, J. L. Afonso, A. M. Farias, F. A. S. Neves, Transformerless Photovoltaic Systems Using Neutral Point Clamped Multilevel Inverters, Department of Electrical Engineering Federal University of Pernambuco – Recife, PE – Brazil, 2010 [6] T. Kerekes, R. Teodorescu, U. Borup, Transformerless Photovoltaic Inverters Connected to the Grid, Institute of Energy Technology Aalborg University Pontoppidanstraede 101 9220 Aalborg DENMARK. [7] Attia, John Okyere, Matlab Fundamentals, Electronics and Circuit Analysis using MATLAB. Ed. John Okyere Attia Boca Raton: CRC Press LLC, 1999. [8] Bin Wu, High – Power Converters and ac Drives, © 2006 The Institute of Electrical and Electronics Engineers, Inc. [9] N.V.Nho, M.J. Youn, Two – mode overmodulation in two – level VSI using principle control between limit trajectories, CD – ROM Proceedings PEDS 2003, pp.1274 – 1279. Thông tin liên hệ tác giả chính (người chịu trách nhiệm bài viết): Họ tên: Huỳnh Thị Tú Trinh Đơn vị: Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp. Hồ Chí Minh Điện thoại: 0982.763.409 Email: tutrinh@dongan.edu.vn
8. 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.