(Luận văn thạc sĩ) Nghiên cứu bộ nghịch lưu ba pha năm bậc NPC

(Luận văn thạc sĩ) Nghiên cứu bộ nghịch lưu ba pha năm bậc NPC(Luận văn thạc sĩ) Nghiên cứu bộ nghịch lưu ba pha năm bậc NPC(Luận văn thạc sĩ) Nghiên cứu bộ nghịch lưu ba pha năm bậc NPC(Luận văn thạc sĩ) Nghiên cứu bộ nghịch lưu ba pha năm bậc NPC(Luận văn thạc sĩ) Nghiên cứu bộ nghịch lưu ba pha năm bậc NPC(Luận văn thạc sĩ) Nghiên cứu bộ nghịch lưu ba pha năm bậc NPC(Luận văn thạc sĩ) Nghiên cứu bộ nghịch lưu ba pha năm bậc NPC(Luận văn thạc sĩ) Nghiên cứu bộ nghịch lưu ba pha năm bậc NPC(Luận văn thạc sĩ) Nghiên cứu bộ nghịch lưu ba pha năm bậc NPC(Luận văn thạc sĩ) Nghiên cứu bộ nghịch lưu ba pha năm bậc NPC(Luận văn thạc sĩ) Nghiên cứu bộ nghịch lưu ba pha năm bậc NPC(Luận văn thạc sĩ) Nghiên cứu bộ nghịch lưu ba pha năm bậc NPC(Luận văn thạc sĩ) Nghiên cứu bộ nghịch lưu ba pha năm bậc NPC(Luận văn thạc sĩ) Nghiên cứu bộ nghịch lưu ba pha năm bậc NPC(Luận văn thạc sĩ) Nghiên cứu bộ nghịch lưu ba pha năm bậc NPC

LỜI CAM ĐOAN Tơi cam đoan cơng trình nghiên cứu Các số liệu, kết nêu luận văn trung thực chƣa đƣợc cơng bố cơng trình khác Tp Hồ Chí Minh, ngày 18 tháng 10 năm 2015 (Ký tên ghi rõ họ tên) Danh Tuấn Lê Trang ii LỜI CẢM TẠ Xin chân thành gửi lời cảm ơn đến PGS.TS Trần Thu Hà, TS Quách Thanh Hải,Ths Đỗ Đức Trí, tận tình hƣớng dẫn tơi để thực luận văn Xin chân thành gửi lời cảm ơn đến tồn thể q thầy trƣờng Đại học Sƣ Phạm Kỹ Thuật TP Hồ Chí Minh giảng dạy, hƣớng dẫn tạo điều kiện, môi trƣờng học tập tốt cho Xin cảm ơn ban lãnh đạo Khoa Điện – Điện tử Trƣờng Đại học Sƣ phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh hỗ trợ sử dụng phịng thí nghiệm Điện tử cơng suất nâng cao D406 suốt thời gian thực luận văn Cảm ơn ba mẹ, anh chị em, vợ bạn bè động viên suốt thời gian học Xin kính chúc sức khỏe chân thành cảm ơn Học viên Danh Tuấn Lê Trang iii TÓM TẮT LUẬN VĂN Đề tài thực kỹ thuật điều chế sóng mang thơng qua việc sử dụng hàm offset nhằm giảm số lần chuyển mạch khóa cơng suất cho nghịch lƣu cầu H-NPC Kỹ thuật sử dụng hàm offset thành phần bậc để chuyển sóng điện áp điều khiển ngƣỡng cực đại cực tiểu biên độ sóng mang để giả giao cắt sóng điều khiển sóng mang để giảm số lần chuyển mạch Với kỹ thuật xây dựng hàm offset trình bày nghiên cứu, số lần chuyển mạch khóa cơng suất/pha chu kỳ giảm đến 30% Kết giải thuật đƣợc kiểm chứng qua mô qua trình thực nghiệm Luận văn thực nghiệm phần cứng với IGBT STGW25N120K Các giải thuật điều khiển đề xuất đƣợc thực vi xử lý điều khiển tín hiệu số DSP TMS320F 28335 với kỹ thuật lập trình nhúng từ mơ hình mơ phần mềm MATLAB/SIMULINK kết hợp chƣơng trình Code Composer Studio V3.3 tự động biên dịch ngôn ngữ C nạp cho vi xử lý mà khơng cần phải lập trình lại Trang iv ABSTRACT This project implemented the carrier wave modulation technique using offset function aiming to reduce commutation of power switches in H-NPC inverter The technique uses the third-order offset function in order to move the control voltage signal to the maximum or minimum thresholds of the carrier wave amplitudes aiming to create the intersections for decreasing the number of commutations In the proposed technique, the commutations of the power switches per phase can reduce to 30% in every period The proposed results can be verified through the simulation and the experiment The project has been experienced on the hardware of IGBT STGW25N120 The proposed control techniques have been implemented on DSP - F28335 with the embedded programming technique of the simulation model in MATLAB/Simulink combined with the software Code Composer Studio V3.3, which compile automatically to C-language and download to processor without programming again Trang v MỤC LỤC LÝ LỊCH KHOA HỌC i LỜI CAM ĐOAN ii LỜI CẢM TẠ .iii TÓM TẮT LUẬN VĂN iv ABSTRACT v MỤC LỤC vi DANH SÁCH CHỮ VIẾT TẮT ix DANH SÁCH HÌNH x DANH SÁCH BẢNG xii Chƣơng 1: TỔNG QUAN 1.1 Tổ ng quan về lĩnh vực nghiên cứu, kết nghiên cứu nƣớc 1.1.1 Tổng quan chung lĩnh vực nghiên cứu 1.1.2 Các kết ngồi nƣớc cơng bố 1.1.2.1 Tình hình nghiên cứu nƣớc: 1.1.2.2 Tình hình nghiên cứu nƣớc 1.2 Tính cấp thiết đề tài, ý nghĩa khoa học thực tiễn đề tài 1.3 Mục đích đề tài 1.4 Nhiệm vụ giới hạn đề tài : 1.5 Phƣơng pháp nghiên cứu 1.6 Điểm đề tài : 1.7 Giá trị thực tiễn đề tài : Chƣơng : CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Tổ ng quan về nghich ̣ lƣu đa bâ ̣c 2.1.1 Khái niệm 2.1.2 Phân loại 2.2 Các cấu trúc nghịch lƣu đa bậc 2.2.1 Cấu trúc nghịch lƣu NPC (Neutral Point Clamped) 2.2.2 Cấu trúc nghịch lƣu kẹp tụ (Flying capacitor inverter) [2] 2.2.3 Cấu trúc nghịch lƣu áp dạng cascade 2.2.4 Cấu trúc nghịch lƣu áp dạng H-NPC Trang vi 2.2.5 Nhận xét 10 2.3 Kỹ thuật điều chế độ rộng xung (PWM) nghịch lƣu pha bậc H-NPC 10 2.3.1 Phƣơng pháp điều chế độ rộng xung Sin PWM 10 2.3.2 Phƣơng pháp điều chế độ rộng xung cải biến (MSPWM: Modified SPWM) 12 2.3.3 Phƣơng pháp điều chế vector không gian: 13 2.3.3.1 Khái niệm vector không gian: 13 2.3.3.2 Vector không gian nghịch lƣu áp đa bậc: 14 2.3.3.3 Nguyên lý điều chế vector không gian nghịch lƣu áp đa bậc 17 Chƣơng : KỸ THUẬT ĐIỀU CHẾ SÓNG MANG VÀ 20 KẾT QUẢ MÔ PHỎNG CỦA BỘ NGHỊCH BA PHA NĂM BẬC H-NPC 20 3.1 Nguyên lý nghịch lƣu ba pha năm bậc H-NPC 20 3.2 Kỹ thuật điều khiển nghịch lƣu ba pha bậc H-NPC 22 3.2.1 Kỹ thuật PWM dùng sóng mang 22 3.2.1.1 Tổng quan kỹ thuật PWM dùng sóng mang 22 3.2.2.2 Kỹ thuật PWM dùng nhiều sóng mang 24 3.2.2.3 Phƣơng pháp PWM đề xuất : 25 3.3 Mô giải thuật đề xuất nghịch lƣu ba pha năm bậc H-NPC 27 3.3.1 Thông số mô 27 3.2.2 Mơ hình mơ 28 3.2.3 Chức khối mơ hình 29 3.2.3.1 Khối tạo sóng sin 29 3.2.3.2 Khối sóng mang: 29 3.2.3.3 Khối xung kích: 30 3.3.1 Kết mô 31 3.3.2 Phân tích FFT 33 3.3.3 Bảng phân tích FFT áp tải với số điều chế 34 3.3.3.1 Phân tích FFT áp tải 34 3.3.3.2 So sánh phƣơng pháp đề xuất với phƣơng pháp công bố Việt Nam 35 3.4 Kết luận : 37 Chƣơng 4: XÂY DỰNG MƠ HÌNH THỰC NGHIỆM 38 VÀ KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM 38 Trang vii 4.1 Sơ đồ tổng thể mơ hình thực nghiệm 38 4.2 Mơ tả chi tiết mơ hình thực nghiệm 38 4.2.1.Mạch động lực 38 4.2.2 Mạch điều khiển 39 4.3 Tổng thể mô hình thực nghiệm 43 4.4 Mơ tả mơ hình thực nghiệm kỹ thuật lập trình nhúng 44 4.4.1 Sơ đồ tín hiệu hệ thống lập trình nhúng 44 4.4.2 Mơ hình lập trình nhúng Matlab/Simulink 45 4.5 Kết thực nghiệm mô 46 4.5.1 Kết xung kích 46 4.5.2 Điện áp pha tâm nguồn 47 4.5.3 Điện áp pha tâm tải 49 4.5.3.1 Điện áp tải với số điều chế m =1, tải R-L , R = 82Ω L = 50mH 49 4.5.3.2 Phân tích FFT điện áp pha tâm tải 52 4.5.3.3 Đặc tuyến điều khiển áp tải dòng điện tải theo số điều chế m 52 4.5.3.3 So sánh THD mô thực nghiệm 54 4.5.3.4 So sánh THDu giải thuật đề xuất với kết công bố Việt Nam 55 4.6 Kết luận 56 CHƢƠNG : KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI 57 5.1 Những kết đạt đƣợc 57 5.2 Kết luận 57 5.3 Hƣớng phát triển đề tài 58 TÀI LIỆU THAM KHẢO 59 PHỤ LỤC 61 Trang viii DANH SÁCH CHỮ VIẾT TẮT Ac : Biên độ đỉnh sóng mang Am : Biên độ đỉnh sóng điều khiển APOD : Alternative Phase Opposition Disposition - sóng mang dạng tam giác bố trí dịch pha 1800 C : Tụ lọc nguồn DC fc : Tần số sóng mang fm : Tần số sóng điều khiển H-NPC : Neutral Point clamped Multilevel H-bridge Inverter - Nghịch lƣu đa bậc kiểu diode kẹp cầu H IA : Dòng điện tải pha A K : Số khóa chuyển mạch/1 pha L : Điện cảm tải m : Chỉ số điều chế ma : Tỉ số điều chế biên độ mf : Tỉ số tần số MSPWM : Modified Sin Pulse width modulation – Điều chế độ rộng xung cải biên PD : In Phase Disposition - sóng mang dạng tam giác bố trí pha PWM : Pulse width modulation - điều chế độ rộng xung R : Điện trở tải S : Các khóa đóng ngắt THD : Total Harmonic Distortion - Tổng méo dạng sóng hài Vac : Điện áp dây nguồn lƣới ba pha Vd : Điện áp DC chỉnh Vref : Điện áp tải tham chiếu A : Ampe – Đơn vị đo dòng điện V : Voltage – Đơn vị đo điện áp CPWM :Carrier Based Pulse Width Modulation – Điều chế sóng mangPWM Trang ix DANH SÁCH HÌNH Hình 1: Bợ nghi ̣ch lưu áp dạng NPC Hình 2: Bợ nghi ̣ch lưu áp dạng ke ̣p tụ Hình 3: Bộ nghi ̣ch lưu áp đa bậc dạng cascade Hình 4: Bộ nghịch lưu áp đa bậc dạng H-NPC Hình 5: Dạng sóng mang, sóng điều khiển xung kích điều chế liên tục.[8] 12 Hình :Dạng sóng mang, sóng điều khiển xung kích điều chế gián đoạn [8] 12 Hình : Đường đặc tuyến số m tỉ số biên độ sóng sin/sóng mang [8] 12 Hình : Dạng sóng điều khiển, 13 Hình 9: Giản đồ vector điện áp nghịch lưu bậc 15 Hình 10: Giản đồ vector điện áp nghịch lưu bậc 16 Hình 11: Phân tích phương pháp SVM 17 Hình 3.1: Sơ đồ nguyên lý 20 Hình 3.2 : Sơ đồ phân tích pha bậc H-NPC 21 Hình 3.3 : Lưu đồ phát xung PWM dùng nhiều sóng mang 22 Hình 3.4: sơ đồ khối tạo xung PWM nhiều sóng mang 24 Hình 5: So sánh sóng mang udk tạo xung kích 24 Hình 3.6: Kết mơ so sánh sóng sin với sóng mang 25 Hình 3.7 : Mơ tả ngun lý giải thuật đề xuất 26 Hình : Lưu đồ giải thuật đề xuất 27 Hình 9: Sơ đồ khối mơ Matlab 28 Hình 3.10: Mơ hình mơ vịng hở nghịch lưu pha bậc H-NPC 28 Hình 3.11: Khối tạo áp điều khiển 29 Hình 3.12: Áp điều khiển pha với dạng sóng sin cải biến 29 Hình 3.13: Khối tạo sóng tam giác với tần 3kHz 29 Hình 3.14: Dạng sóng mang tam giác với tần số 3kHZ : C1, C2, C3, C4 30 Hình 3.15:Sơ đồ khối tạo xung kích 30 Hình 3.16: Udk kết hợp với sóng mang Uc1, Uc2, Uc3, Uc4 31 Hình 3.17: Dạng sóng tạo xung kích pha a 31 Hình 3.18: Dạng sóng điện áp pha tâm nguồn 31 Hình 3.19: Dạng sóng điện áp dây pha : Uab, Ubc, Uca 32 Hình 20: Dạng sóng điện áp tải pha a 32 Hình 21: Dạng sóng điện áp tải pha 32 Hình 22: Dạng sóng dịng điện tải pha a 33 Hình 23 : Dạng sóng dịng điện tải pha 33 Hình 3.24: kết phân tích FFT áp tải dòng tải pha a 33 Hình 3.25: Đặc tuyến THD u theo số điều chế m 36 Trang x Hình 4.1: Sơ đồ tổng thể mơ hình thực nghiệm 38 Hình : Sơ đồ nối dây ảnh thực tế board mạch IGBT 39 Hình 3: Hình dạng sơ đồ chân IGBT FGA25N120 39 Hình 4: Kit vi xử lý DSP TMS320F28335 40 Hình : Sơ đồ nguyên lý mạch đệm 40 Hình : Sơ đồ mạch đệm thực nghiệm 40 Hình : Sơ đồ nguyên lý hoạt động IGBT Driver 41 Hình : Sơ đồ nguyên lý mạch driver 41 Hình 9: Sơ đồ mạch driver thực nghiệm 42 Hình 10 : Sơ đồ nguyên lý mạch nguồn 42 Hình 11: Sơ đồ mạch nguồn thực nghiệm 42 Hình 12: Mơ hình thực nghiệm 43 Hình 13 : Mơ hình thực nghiệm sử dụng tải R-L 43 Hình 14 : Sơ đồ tín hiệu hệ thống thực nghiệm với kỹ thuật lập trình nhúng 44 Hình 15 : Mơ hình thực nghiệm với kỹ thuật nhúng từ Matlab/Simulink 45 Hình 16 : Dạng sóng xung kích (từ xuống dưới, từ trái qua phải ) 46 Hình 17 : Dạng sóng xung kích mô thực nghiệm 46 Hình 18 : Dạng sóng xung kích pha c mô thực nghiệm 46 Hình 19 Dạng sóng điện áp pha a tâm nguồn 47 Hình 20 Dạng sóng điện áp pha b tâm nguồn 47 Hình 21 Dạng sóng điện áp pha c tâm nguồn 48 Hình 22 : Kết mô thực nghiệm điện áp pha a tâm tải 49 Hình 23 : Kết mô thực nghiệm điện áp pha b tâm tải 49 Hình 24 : dạng sóng điện áp pha c tâm tải 50 Hình 25: kết dạng sóng điện áp pha tâm tải, mô thực nghiệm 50 Hình 26 : kết thực nghiệm 51 Hình 27 : kết thực nghiệm 51 Hình 28 : Kết mô thực nghiệm 52 Hình 29 Đặc tuyến điều khiển áp tải hiệu dụng pha a theo số m 53 Hình 30 : Đặc tuyến điều khiển dòng tải hiệu dụng pha a theo số m 53 Hình 31 Đặc tuyến THD theo số m 54 Hình 32 : Kết phân tích FFT phương pháp thực nghiệm 56 Trang xi PHỤ LỤC  Điện áp pha c tâm tải  Điện áp lệch pha pha tâm tải  Phân tích FFT ta có THD = 18.5% Trang 68 PHỤ LỤC Phụ lục : Kết thông số thực nghiệm tải động HP  Điện áp pha a tâm nguồn  Điện áp pha b tâm nguồn  Điện áp pha c tâm nguồn Trang 69 PHỤ LỤC  Điện áp pha tâm nguồn  Điện áp pha a tâm tải  Điện áp pha b tâm tải Trang 70 PHỤ LỤC  Điện áp pha c tâm tải  Điện áp pha tâm tải  Điện áp lệch pha pha tâm tải Trang 71 PHỤ LỤC  Phân tích FFT ta có THD = 19% Trang 72 PHỤ LỤC Phụ lục : kết mô thực nghiệm phƣơng pháp Voffset medium Chỉ số điều chế m = 0.1  Điện áp tải pha a (a) (b) Hình 1: Dạng sóng điện áp tải pha a, Trong hình 8.1 (a) kết mô mô (b) thực nghiệm  Phân tích FFT điện áp tải pha a (a) (b) Hình 2: Kết phân tích FFT điện áp tải pha a Trong hình 8.2 (a) kết phân tích FFT mơ có THD áp tải = 36.57 % (b) kết phân tích FFT thực nghiệm, có THD áp tải lớn khơng thể thông số đƣợc Chỉ số điều chế m = 0.2  Điện áp tải pha a (a) (b) Hình 3: Dạng sóng điện áp tải pha a Trang 73 PHỤ LỤC Trong hình 8.3 kết dạng sóng điện áp tải(a) mơ (b) thực nghiệm  Phân tích FFT điện áp pha a tâm tải (a) (b) Hình 4: Phân tích FFT áp tải pha a Trong hình kết phân tích FFT áp tải pha a, (a) kết mơ có THD = 24.36% (b) kết thực nghiệm có THD = 76.5% Chỉ số điều chế m = 0.3  Điện áp tải pha a (a) (b) Hình : Dạng sóng điện tải pha a  Phân tích FFT điện áp pha a tâm tải (a) (b) Hình : Phân tích FFT điện áp tải pha a Trang 74 PHỤ LỤC Trong hình 8.6 kết phân tích FFT điện tải pha a, có (a) mơ THD = 15.32% Và (b) thực nghiệm có THD = 19.8% Chỉ số điều chế m = 0.4  Điện áp tải pha a (b) (a) (c) Hình : Dạng sóngđiện áp tải pha a Hình 8.7 (a) kết thực nghiệm đo máy Hioki dạng sóng điện áp pha tâm tải dòng điện tải pha, (b) kết mô điện áp tải pha a (c) kết thực nghiệm đo máy dao động ký Tektronic  Phân tích FFT điện áp tải pha a (a) (b) Hình 8 : Phân tích FFT điện áp tải pha a Trong hình 8.8 kết phân tích FFT điện tải pha a, có (a) mơ THD = 11.78% Và (b) thực nghiệm có THD = 30.9% Trang 75 PHỤ LỤC Chỉ số điều chế m = 0.5  Điện áp tải pha a (a) (b) (c) Hình 9Dạng sóng điện áp tải pha a pha áp tải ,dịng tải Hình 8.9 (a) kết mô phỏng, (b) kết thực nghiệm (c) kết thực nghiệm đo máy Hioki điện áp tải pha dòng điện tải pha  Phân tích FFT điện áp tải pha a (a) (b) Hình 10 : Phân tích FFT điện áp tải pha a Hình 8.10 (a) kết phân tích FFT mơ có THD = 8.07% (b) FFT thực nghiệm có THD = 24.5 % Trang 76 PHỤ LỤC Chỉ số điều chế m = 0.6  Điện áp tải pha a (a) (b) (c) Hình 11 : Dạng sóng điện áp dịng điện  Phân tích FFT điện áp tải pha a (a) (b) Hình 12 Phân tích FFT Hình 8.12 (a) mơ có THD = 6.67% (b) thực nghiệm có THD = 12.9% Trang 77 PHỤ LỤC Chỉ số điều chế m = 0.7  Điện áp tải pha a (c) (a) (b) Hình 13 : Kết mơ thực nghiệm điện áp tải  Phân tích FFT điện áp tải pha a (a) (b) Hình 14Kết phân tích FFT điện áp tải pha a Trong hình 8.14 (a) phân tích FFT mơ có THD = 5.88% (b) kết thực nghiệm có THD = 12.5% Trang 78 PHỤ LỤC Chỉ số điều chế m = 0.8  Điện áp tải pha a (a) (b) (c) Hình 15 : Kết mơ thực nghiệm Trong hình 8.15 (c) có điện áp tải pha a : U1 = 158.8 v dịng điện I1 = 0.99 A  Phân tích FFT điện áp tải pha a (a) (b) Hình 16 : kết mơ thực nghiệm Trong hình 8.16 kết phân tích FFT (a) mơ có THD = 5.59% (b) thực nghiệm có THD = 11.0% Trang 79 PHỤ LỤC Chỉ số điều chế m = 0.9  Điện áp tải pha a (a) (b) (c) Hình 17 : Kết mơ thực nghiệm Trong 8.17 (c) phân thực nghiệm có điện áp tải pha a U 1= 171v dòng điện tải I1 = 1.08A  Phân tích FFT điện áp tải pha a (a) (b) Hình 18 : Kết mơ thực nghiệm Trong hình 8.18 (a) phân tích FFT mơ có THD = 4.81 % (b) thực nghiệm có THD = 8.4% Trang 80 PHỤ LỤC Chỉ số điều chế m =  Điện áp tải pha a (a) (b) (c) Hình 19 : Kết mô thực nghiệm Trong hình 8.19 (c) có kết nhƣ sau : điện áp tải pha a U1 = 186 v dòng điện tải I1 = 1.17 A  Phân tích FFT điện áp tải pha a (a) (b) Hình 20 : Kết mơ thực nghiệm Trong hình 8.20 (a) có THD = 4.72% (b) THD = 7.4% Trang 81 S K L 0 ... lƣu pha bậc NPC? ??là phù hợp cấp bách 1.1.2 Các kết nƣớc cơng bố 1.1.2.1 Tình hình nghiên cứu nƣớc: Trong năm vừa qua nhóm nghiên cứu nƣớc có nhiều nghiên cứu nghịch lƣu đa bậc Nghiên cứu nghịch. .. QUẢ MÔ PHỎNG CỦA BỘ NGHỊCH BA PHA NĂM BẬC H -NPC 20 3.1 Nguyên lý nghịch lƣu ba pha năm bậc H -NPC 20 3.2 Kỹ thuật điều khiển nghịch lƣu ba pha bậc H -NPC 22 3.2.1 Kỹ thuật PWM dùng... MƠ PHỎNG CỦA BỘ NGHỊCH BA PHA NĂM BẬC H -NPC 3.1 Nguyên lý nghịch lƣu ba pha năm bậc H -NPC Xét nghịch lƣu ba pha năm bậc H -NPC sử dụng ba nguồn Vd1 , Vd2 Vd3 với sáu tụ lọc nguồn Vc1, Vc2, Vc3,