(Luận văn thạc sĩ) Nghiên cứu giải thuật điều chế sóng mang 3 pha 5 bậc triệt tiêu điện áp common mode

(Luận văn thạc sĩ) Nghiên cứu giải thuật điều chế sóng mang 3 pha 5 bậc triệt tiêu điện áp common mode(Luận văn thạc sĩ) Nghiên cứu giải thuật điều chế sóng mang 3 pha 5 bậc triệt tiêu điện áp common mode(Luận văn thạc sĩ) Nghiên cứu giải thuật điều chế sóng mang 3 pha 5 bậc triệt tiêu điện áp common mode(Luận văn thạc sĩ) Nghiên cứu giải thuật điều chế sóng mang 3 pha 5 bậc triệt tiêu điện áp common mode(Luận văn thạc sĩ) Nghiên cứu giải thuật điều chế sóng mang 3 pha 5 bậc triệt tiêu điện áp common mode(Luận văn thạc sĩ) Nghiên cứu giải thuật điều chế sóng mang 3 pha 5 bậc triệt tiêu điện áp common mode(Luận văn thạc sĩ) Nghiên cứu giải thuật điều chế sóng mang 3 pha 5 bậc triệt tiêu điện áp common mode(Luận văn thạc sĩ) Nghiên cứu giải thuật điều chế sóng mang 3 pha 5 bậc triệt tiêu điện áp common mode(Luận văn thạc sĩ) Nghiên cứu giải thuật điều chế sóng mang 3 pha 5 bậc triệt tiêu điện áp common mode(Luận văn thạc sĩ) Nghiên cứu giải thuật điều chế sóng mang 3 pha 5 bậc triệt tiêu điện áp common mode(Luận văn thạc sĩ) Nghiên cứu giải thuật điều chế sóng mang 3 pha 5 bậc triệt tiêu điện áp common mode(Luận văn thạc sĩ) Nghiên cứu giải thuật điều chế sóng mang 3 pha 5 bậc triệt tiêu điện áp common mode(Luận văn thạc sĩ) Nghiên cứu giải thuật điều chế sóng mang 3 pha 5 bậc triệt tiêu điện áp common mode

LỜI CAM ĐOAN Tơi cam đoan cơng trình nghiên cứu Các số liệu, kết nêu luận văn trung thực chưa cơng bố cơng trình khác Tp Hồ Chí Minh, ngày 28 tháng 02 năm 2019 (Ký tên ghi rõ họ tên) Lê Thị Lý viii LỜI CẢM ƠN Cơng trình nghiên cứu hồn thành nhờ giúp đỡ tận tình q Thầy Cơ, gia đình, đồng nghiệp bạn bè Tác giả xin bày tỏ lời cảm ơn chân thành tới gia đình, tất tổ chức cá nhân giúp đỡ tạo điều kiện cho tác giả hồn thành cơng trình nghiên cứu Xin chân thành gửi lời cảm ơn đến TS Quách Thanh Hải tận tình hướng dẫn tác giả thời gian thực luận văn Xin chân thành gửi lời cảm ơn đến tồn thể q thầy cơ, môn sở Kỹ thuật điện Khoa Điện – Điện tử Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh, thầy Đỗ Đức Trí hỗ trợ phịng thí nghiệm Điện tử cơng suất nâng cao P.D405 suốt thời gian thực luận văn Xin chân thành cám ơn gia đình, bạn bè, đồng nghiệp giúp đỡ tạo điều kiện thuận lợi động viên tác giả suốt thời gian nghiên cứu Xin kính chúc sức khỏe chân thành cảm ơn Học viên Lê Thị Lý ix TÓM TẮT LUẬN VĂN Nội dung luận văn nhằm nghiên cứu giải toán triệt tiêu điện áp common mode nghịch lưu cascade bậc, dựa nguyên tắc chọn tổ hợp khóa IBGT có trạng thái đóng ngắt không sinh điện áp common mode Đề tài xây dựng giải thuật đơn giản dựa kỹ thuật sóng mang cho phép dễ dàng kiểm sốt giảm điện áp common-mode Các kết lý thuyết kiểm chứng phần mềm mô PSIM thực nghiệm mơ hình điều khiển kit DSP TMS320F28355 x ABSTRACT The thesis study and solve the problems of eliminating common mode voltage on 5-step cascade inverter by choosing the combination of IBGT keys with switching states that not generate voltage common mode The study builds a simple algorithm based on carrier technology to allows easy control and reduction of common-mode voltage The theoretical results are verified on PSIM simulation software and experimented on the TMS320F28355 DSP model controlled kit xi MỤC LỤC QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI i LÝ LỊCH KHOA HỌC vii LỜI CAM ĐOAN viii LỜI CẢM ƠN……………… ix TÓM TẮT LUẬN VĂN……………… x MỤC LỤC xii DANH MỤC KÍ HIỆU ẢNH SỬ DỤNG xiv DANH MỤC HÌNH ẢNH .xv DANH MỤC BẢNG xvii CHƯƠNG TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan lĩnh vực nghiên cứu 1.2 Mục đích đề tài 1.3 Nhiệm vụ giới hạn đề tài 1.4 Phương pháp nghiên cứu 1.5 Điểm đề tài 1.6 Ý nghĩa thực tiễn CHƯƠNG CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Lý thuyết nghịch lưu 2.1.1 Khái niệm 2.1.2 Bộ nghịch lưu áp 2.2 Bộ nghịch lưu áp bậc dạng cascade 2.2.1 Bộ nghịch lưu cầu pha 2.2.2 Nghịch lưu áp pha bậc dạng cascade 2.3 Phương pháp điều chế độ rộng xung (SPWM) 10 2.4 Điện áp common mode 12 CHƯƠNG TRIỆT TIÊU ĐIỆN ÁP COMMON MODE CHO MẠCH NGHỊCH LƯU PHA BẬC CASCADE 14 xii 3.1 Phương pháp triệt tiêu điện áp comon mode 14 3.2 Nguyên lý giải thuật 14 3.3 LƯU ĐỒ GIẢI THUẬT: 22 CHƯƠNG MẠCH MÔ PHỎNG – KẾT QUẢ MÔ PHỎNG 23 4.1 Cấu hình nghịch lưu ba pha bậc triệt tiêu điện áp common mode 23 4.1.1 Sơ đồ khối: 23 4.1.2 Chức khối: 23 4.2 Kết mô 27 4.2.1 Số liệu mô 27 4.2.2 Kết mô mạch nghịch lưu cascade pha bậc triệt tiêu điện áp commom mode 27 4.2.3 Đánh giá giải thuật 32 CHƯƠNG THỰC NGHIỆM - KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM 33 5.1 Mô hình thực nghiệm 33 5.2 Các thành phần sơ đồ khối 34 5.2.1 Khối tạo sóng điều khiển 34 5.2.2 Khối công suất 37 5.3 Kết thực nghiệm 40 5.3.1 Số liệu thực nghiệm 40 5.3.2 Kết thực nghiệm mạch nghịch lưu cascade pha bậc triệt tiêu điện áp commom mode 40 CHƯƠNG KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 46 6.1 Kết luận 46 6.2 Hướng phát triển 47 TÀI LIỆU THAM KHẢO 48 xiii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU SỬ DỤNG x: tên pha (x = A, B, C) SxTj, SxTjN: Các khóa bên trái pha x nghịch lưu cầu pha SXPj, SXPjN: Các khóa bên phải pha x nghịch lưu cầu pha UDC: Điện áp nguồn chiều cung cấp cho nghịch lưu ma: số biên độ (amplitude modulation ratio) fc: Tần số sóng mang fm: Tần số sóng điều khiển Ac: Biên độ đỉnh sóng mang Am: Biên độ đỉnh sóng điều khiển UxN: Điện áp pha tải (pha x) Sxi: Trạng thái khóa chuyển mạch thứ i nhánh pha x SxiN: Trạng thái khóa chuyển mạch thứ i nhánh pha x SxTi: Trạng thái khóa chuyển mạch bên trái nhánh nghịch lưu cầu thứ i pha x SxTiN: Trạng thái khóa chuyển mạch bên trái nhánh nghịch lưu cầu thứ i pha x SxPi: Trạng thái khóa chuyển mạch bên phải nhánh nghịch lưu cầu thứ i pha x SxPiN: Trạng thái khóa chuyển mạch bên phải nhánh nghịch lưu cầu thứ i pha x Sx: Trạng thái tổ hợp khóa pha x n: Số bậc mạch nghịch lưu xiv DANH MỤC HÌNH ẢNH HÌNH TRANG Hình 1:Nghịch lưu cầu pha Hình 2: Mạch nghịch lưu cascade pha bậc Hình 3: Sơ đồ mạch nghịch lưu cascade pha bậc Hình 4: Dạng sóng mang, sóng điều khiển xung kích điều chế liên tục 10 Hình 5: Dạng sóng mang, sóng điều khiển xung kích điều chế gián đoạn 11 Hình 6: Điện áp common mode mạch nghịch lưu bậc 13 Hình 1: So sánh vx với sóng mang 15 Hình 2: Giản đồ chuyển mạch SA, SB, SC 18 Hình 3: Giản đồ chuyển mạch triệt tiêu điện áp common mode 19 Hình 4: Lưu đồ giải thuật triệt tiêu điện áp common mode pha bậc 22 Hình 1:Sơ đồ khối 23 Hình 2: Khối tạo sóng mang 23 Hình 3: Khối tạo sóng điều khiển 24 Hình 4: Mạch kích cho pha A,B pha C sử dụng mạch so sánh 25 Hình 5: Mạch kích cho pha A, B, C sử dụng F28335 25 Hình 6: Mạch cơng suất cho pha A,B,C 26 Hình 7: Tải RL 26 Hình 8: Dạng sóng điều khiển trước sau điều chế (m = 0,866) 27 Hình 9: Điện áp pha nguồn trước sau sử dụng giải thuật (m = 0,866) 28 Hình 10: Điện áp dây tải trước sau sử dụng giải thuật (m = 0,866) 28 Hình 11: Dịng điện pha tải trước sau sử dụng giải thuật (m = 0,866) 29 Hình 12: Điện áp UAN, UNO trước sau sử dụng giải thuật (m = 0,866) 29 Hình 13:Phân tích FFT UAN trước sau sử dụng giải thuật (m = 0,866) 30 Hình 1: Sơ đồ khối 33 Hình 2: Mơ hình thí nghiệm thực tế 33 xv Hình 3: Nguồn mạch kích 34 Hình 4: Kit vi xử lý DSP TMS320 F82335 35 Hình 5: Mạch đệm 36 Hình 6: Mạch kích 36 Hình 7:Nguồn mạch cơng suất 37 Hình 8: Mạch cơng suất cho pha A,B,C 39 Hình 9: Tải RL 39 Hình 10: Điện áp pha nguồn trước sau sử dụng giải thuật (m = 0,866) 40 Hình 11: Điện áp pha tải trước sau sử dụng giải thuật (m = 0,866) 41 Hình 12: Điện áp dây tải trước sau sử dụng giải thuật (m = 0,866) 41 Hình 13: Dòng điện pha tải trước sau sử dụng giải thuật (m = 0,866) 42 Hình 14: Điện áp UAN, UNO trước sau sử dụng giải thuật (m = 0,866) 42 Hình 15: Phân tích FFT UAN trước sau sử dụng giải thuật (m = 0,866) 43 xvi DANH MỤC BẢNG BẢNG TRANG Bảng 2.1: Trạng thái ngõ nghịch lưu cầu pha Bảng 2:Tổ hợp trạng thái đóng ngắt (SP1 ,ST1N) Bảng 3:Quan hệ điện áp với trạng thái chuyển mạch nghịch lưu cầu Bảng 4: Quan hệ điện áp tổ hợp trạng thái khóa cơng suất Bảng 1: Trạng thái SA, SB, SC chu kì T 16 Bảng 2: Bảng điều kiện (ε A ; ε B , ε C ) giá trị K1 K3 F  20 Bảng 3: Bảng điều kiện (ε A ; ε B , ε C ) giá trị K1 K3 F  21 Bảng 1: Quan hệ điện áp tổ hợp trạng thái khóa cơng suất 26 Bảng 2:Số liệu mô 27 Bảng :Kết mô trước sau triệt tiêu UNO m = 0,4 đến 0,7 31 Bảng 4 : Kết mô trước sau triệt tiêu UNO m = 0,8 đến 32 Bảng 1: Thông số kỹ thuật IGBT FGA25N120ANTD 250C 1000C 38 Bảng 2: Số liệu thực nghiệm 40 Bảng 3: Kết thực nghiệm áp dụng không áp dụng giải thuật đề xuất UNO m = 0,4 đến 0,7 44 Bảng 4: Kết thực nghiệm áp dụng không áp dụng giải thuật đề xuất UNO m = 0,8 đến 45 xvii trị hiệu dụng 3,19 V giảm 82% Như ta thấy điện áp common mode khơng triệt tiêu hồn tồn mơ ta sử dụng nguồn điện áp thấp, chất lượng nguồn DC pha khơng hồn tồn giống nhau, tổn hao linh kiện khác Sau áp dụng giải thuật giá trị hiệu dụng điện áp pha tải hài bậc không đổi 58 V Phân tích FFT UAN trước sử dụng giải thuật Phân tích FFT UAN sau sử dụng giải thuật Hình 15: Phân tích FFT UAN trước sau sử dụng giải thuật (m = 0,866) Nhận xét: Kết phân tích FFT cho thấy điện áp pha tải trước sau sử dụng giải thuật (hình 5.15) biên độ hài bậc không đổi Sau sử dụng giải thuật biên độ thành phần hài bậc cao cao dẫn đến hệ số méo hài tổng THDu (tới thành phần hài bậc 49 (2,5kHz)) tăng từ 2,4 % lên %, đảm bảo tiêu chuẩn TCVN 2008-2-2 43  Kết thực nghiệm trước sau áp dụng giải thuật triệt tiêu điện áp common mode giá trị m khác nhau: Bảng 3: Kết thực nghiệm áp dụng không áp dụng giải thuật đề xuất UNO m = 0,4 đến 0,7 0,4 Chỉ số m 0,5 0,6 0,7 Không Áp Không Áp Không Áp Không Áp áp dụng áp dụng áp dụng áp dụng dụng giải dụng giải dụng giải dụng giải giải thuật giải thuật giải thuật giải thuật thuật thuật thuật thuật UAN(V)rms 27 27 33 33 40 40 46 46 UAO(V)rms 27 27 33 33 40 40 46 46 UAB(V)rms 46 46 58 58 68 68 79 79 IA(V)rms 0,58 0,57 0,75 0,75 0,9 0,9 1,05 1,05 THDu tải (%) 5,7 6,8 5,04 6,3 4,2 4,9 3,6 4,4 18,1 3,2 13,3 2,45 15 2,65 16,3 2,88 UNO(V)rms Tỉ lệ triệt tiêu UNO (%) 82,3 81,5 44 82,3 82,3 Bảng 4: Kết thực nghiệm áp dụng không áp dụng giải thuật đề xuất UNO m = 0,8 đến 0,8 Chỉ số m 0,866 0,9 Không Áp Không Áp Không Áp Không Áp áp dụng áp dụng áp dụng áp dụng dụng giải dụng giải dụng giải dụng giải giải thuật giải thuật giải thuật giải thuật thuật thuật thuật thuật UAN(V)rms 53 53 58 58 59 59 66 66 UAO(V)rms 53 53 58 58 59 59 66 66 UAB(V)rms 91 91 99 99 103 103 114 114 IA(V)rms 1,24 1,24 1,35 1,35 1,4 1,4 1,56 1,56 THDu tải (%) 2,8 4,1 2,4 2,7 3,6 2,6 3,2 17,6 3,08 18,4 3,19 18 3,08 14,2 2,46 UNO(V)rms Tỉ lệ triệt tiêu UNO (%) 82,4 82,6 82,8 82,6  Nhận xét giải thuật: Ta thấy điện áp pha, điện áp pha tải, điện áp dây tải thực nghiệm có dạng sóng giống với mơ Các giá trị hiệu dụng điện áp pha tải, điện áp pha nguồn, điện áp dây tải hài bậc trước sau áp dụng giải thuật không đổi Các thực nghiệm tồn tổn hao linh kiện, chất lượng linh kiện nên giá trị điện áp thực nghiệm có giá trị điện áp giảm so với mô Điện áp common mode chưa triệt tiêu hoàn toàn giảm đáng kể khoảng 82% giá trị m khác Do THDu tăng sau triệt tiêu nên dịng điện có tượng nhiễu sau sử dụng giải thuật, m = 0,4 m = 0,5 nên sử dụng mạch lọc để mạch hoạt động tốt 45 Chương KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 6.1 Kết luận Sau thực luận văn, tơi tìm hiểu dạng nghịch lưu cascade bậc cách tạo mạch nghịch lưu bậc từ mạch nghịch lưu cầu pha Đề tài nghiên cứu giải thuật điều chế sóng mang ba pha bậc triệt tiêu điện áp common mode thu kết sau: Khi áp dụng giải thuật đề xuất triệt tiêu điện áp common mode ta thấy giải thuật sử dụng khoảng điều chế rộng (m = 0,4 đến m = 1), trường hợp mô điện áp common mode triệt tiêu hoàn toàn 99,9 %, trường hợp thực nghiệm điện áp common mode giảm 82% với nguồn DC thấp 50V Như ta thấy mô điện áp common mode bị triệt tiêu hoàn toàn Nhưng thực nghiệm thiết kế mạch, tính tốn sai số, tổn hao, … linh kiện mạch chưa xác với mơ thực tế nên điện áp common mode giá trị thấp (18%) So với đề tài tác giả Phạm Thị Kim Thê [14] ta thấy giải thuật đề xuất có đặc điểm bật điện áp common mode giảm biên độ mà giảm mật độ, giải thuật tác giả [14] giảm biên độ mà khơng giảm mật độ Vì giá trị hiệu dụng điện áp common mode sau giảm tác [14] cao (trong khoảng 22% đến 32%) so với giải thuật đề xuất (khoảng 82%) Ngoài ra, sau áp dụng giải thuật giá trị hiệu dụng điện áp pha tải, điện áp dây tải có chứa hài bậc cao tăng so với giá trị hiệu dụng điện áp pha tải, điện áp dây tải trước sử dụng giải thuật THDu tăng Sau áp dụng giải thuật đề xuất THDu tăng nên dịng điện có tượng nhiễu, số điều chế m = 0,6 đến m = THDu tăng đảm bảo tiêu chuẩn TCVN 2008-2-2 nên không cần sử dụng mạch lọc, trường 46 hợp m = 0,4 m = 0,5 THDu tăng không đảm bảo tiêu chuẩn TCVN 2008-2-2 nên cần sử dụng mạch lọc để mạch hoạt động tốt 6.2 Hướng phát triển Đề tài nghiên cứu giải thuật điều chế sóng mang ba pha bậc triệt tiêu điện áp common mode có số hạn chế sau: Trong q trình thiết kế mạch sử dụng nguồn DC thấp, chưa tính tốn xác sai số, tổn hao mạch Do thực nghiệm điện áp common mode mạch tồn với giá trị thấp THDu tăng nên dịng điện có tượng nhiễu, số điều chế m = 0,4 m = 0,5 THDu tăng không đảm bảo tiêu chuẩn TCVN 2008-2-2 Hạn chế thiết bị nghiên cứu nên áp dụng thử nghiệm với điện áp thấp (50V) Vì hướng phát triển đề tài là: Tiếp tục nghiên để triệt tiêu hoàn toàn điện áp common mode mạch cascade bậc Nghiên cứu giảm THDu sau điện áp common mode giảm Thực nghiệm với điện áp cao Phát triển giải thuật điều khiển với mạch Cascade có bậc cao 47 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] J Rodriguez, L G Franquelo, S Kouro, J I Leon, R C Portillo, M A M Prats, M A Perez, “Multilevel Converters: An Enabling Technology for High-Power Applications,” Proceedings of the IEEE, vol 97, no 11, pp 1786-1817, Nov 2009 [2] Y Liu, F L Luo, “Multilevel inverter with the ability of self-voltage balancing,” IEE Proceedings - Electric Power Applications, vol 153, no 1, pp 105-115, Jan 2006 [3] S Kouro, M Malinowski, K Gopakumar, J Pou, L Franquelo, B Wu, J Rodriguez, M Perez and J Leon, “Recent advances and industrial applications of multilevel converters,” IEEE Trans Ind Electron., vol 57, no 8, pp 25532580, Aug 2010 [4] J Rodriguez, J.-S Lai, F Z Peng, “Multilevel inverters: A survey of topologies, controls, and applications,” IEEE Trans Ind Electron., vol 49, no 4, pp 724-738, Aug 2002 [5] T B Soeiro, J W Kolar, “The new high-efficiency hybrid neutral-pointclamped converter,” IEEE Trans Ind Electron., vol 60, no 5, pp 1919-1935, May 2013 [6] S Dargahi, E Babaei, S Eskandari, V Dargahi, M Sabahi, “Flying-capacitor stacked multicell multilevel voltage source inverters: analysis and modelling,” IET Power Electron., , vol 7, no 12, pp 2929-2987, Dec 2014 [7] X Zha, L Xiong, J Gong, F Liu, “Cascaded multilevel converter for medium-voltage motor drive capable of regenerating with part of cells,” IET Power Electron., vol 7, no 5, pp 1313-1320, May 2014 [8] K Ding, K W E Cheng, Y P Zou, “Analysis of an asymmetric modulation methods for cascaded multilevel inverters,” IET Power Electron., vol 5, no 1, pp 74-85, Jan 2012 48 [9] Quách Thanh Hải, “Nghiên cứu kỹ thuật điều chế độ rộng xung điều khiển tối ưu nghịch lưu đa bậc”, Luận án tiến sĩ, Đại học Bách Khoa Tp.HCM, 2013 [10] Nguyen-Van Nho, Myung - Bok Kim, et al, “A Novel Carrier Based PWM Method In Three Phase Four Wire Inverters”, Busan, Korea, 2004 [11] Haoran Zhang, Annette von Jouanne, Shaoan Dai, Alan K.Wallace, Fei Wang, “Multilevel inverter modulation schemes to eliminate common-mode voltages” Industry Applications, IEEE Transactions on, Nov/Dec 2000, Volume: 36, Page(s): 1645- 1653 [12] Hee-Jung Kim, Hyeoun-Dong Lee, Seung-Ki Sul” A new PWM strategy for common-mode voltage reduction in neutral-point-clamped inverter-fed AC motor drives”, Industry Applications, IEEE Transactions on, Nov/Dec 2001, Volume: 37, Page(s): 1840- 1845 [13] Loh, P.C, Holmes, D.G , Fukuta, Y , Lipo, T.A “Reduced common mode carrier-based modulation strategies for cascaded multilevel inverters” Industry Applications Conference, 2002 37th IAS Annual Meeting Conference, Page(s): 2002- 2009 vol.3 [14] Phạm Thị Kim Thê, “Nghiên cứu điều khiển giảm điện áp Common mode cho nghịch lưu Cascade”, Luận văn Thạc sĩ, Trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật Tp HCM, 2015 [15] Nguyễn Văn Nhờ,“Điện tử công suất 1” NXB ĐHQG Tp.HCM – 2003 [16] D.G Holmes, T.A.Lipo, “ Modern Pulse Width Modulation Techniques for Power Converter”, IEEE Press, 2003 49 S K L 0 ... UAN(V)rms 30 30 37 37 43 43 50 50 UAO(V)rms 30 30 37 37 43 43 50 50 UAB(V)rms 53 53 65 65 75 75 88 88 IA(V)rms 0,7 0,7 0,88 0,88 1, 05 1,06 1, 23 1, 23 THDu tải (%) 1 ,33 3, 2 1,2 2,91 1,1 2,9 0,99 3, 3 UNO(V)rms... Không Áp Không Áp Không Áp Không Áp áp dụng áp dụng áp dụng áp dụng dụng giải dụng giải dụng giải dụng giải giải thuật giải thuật giải thuật giải thuật thuật thuật thuật thuật UAN(V)rms 57 57 62... số m 0 ,5 0,6 0,7 Không Áp Không Áp Không Áp Không Áp áp dụng áp dụng áp dụng áp dụng dụng giải dụng giải dụng giải dụng giải giải thuật giải thuật giải thuật giải thuật thuật thuật thuật thuật