ĐỒ án môn học điều KHIỂN hệ THỐNG điện CÔNG NGHIỆP tổng quan về biến tầng đa bậc

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP HỒ CHÍ MINH KHOA ĐÀO TẠO CHẤT LƯỢNG CAO B Ộ MÔN ĐIỆN CÔNG NGHIỆP - - BÁO CÁO THỰC TẬP ĐỒ ÁN MÔN HỌC ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG ĐIỆN CÔNG NGHIỆP Giáo viên hướng dẫn: TS Nguyễn Vinh Quan Sinh viên thực hiện: Trần Quang Luận 19142033 Thành phố Hồ Chí Minh, tháng năm 2022 CỘNG HỊA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM ĐỘC LẬP – TỰ DO – HẠNH PHÚC o0o -TP.Hồ Chí Minh, tháng 12 năm 2022 PHIẾU NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN Họ tên sinh viên thực hiện: Trần Quang Luận MSSV:19142033 Chuyên ngành: CNKT ĐIỆN – ĐIỆN TỬ Nội dung: ĐỒ ÁN ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG HOÁ HỆ THỐNG ĐIỆN CÔNG NGHIỆP GV hướng dẫn đánh giá: TS Nguyễn Vinh Quan NHẬN XÉT …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… TP Hồ Chí Minh, ngày…,tháng … ,năm 2022 GIẢNG VIÊN ĐÁNH GIÁ LỜI MỞ ĐẦU Ngày nay, thiết bị điện tử công suất quan tâm sử dụng nhiều lónh vực khác hệ thống truyền tải, hệ thống phân phối điện năng, dùng công nghiệp… Và ứng dụng dùng cho ứng dụng có công suất cao Do đó, điện áp dòng điện phải nâng lên tương ứng Vì mà công suất định mức linh kiện bán dẫn trở ngại Ngoài ra, khó sử dụng linh kiện bán dẫn công suất trực tiếp với lưới điện trung áp hay cao áp (2.3, 3.3, 6.9KV, ) mà cần có giải pháp tốt biến tần đa bậc để làm việc với cấp điện áp cao Khi điện áp cung cấp cho thiết bị điều khiển tốt Hiện nay, nhiều phương pháp điều khiển cho biến tần đa bậc nghiên cứu ứng dụng điển phương pháp điều chế độ rộng xung sin SPWM phương pháp điều chế vector không gian SVPWM cho số kết định Tuy nhiên, phương pháp gặp phải phức tạp việc điều khiển kết thu hạn chế Và phương pháp điều khiển cho biến tần đa bậc cho phép thực điều khiển cách đơn giản nhờ hổ trợ kỹ thuật số dựa vào lợi điểm phương pháp kỹ thuật đa điều chế MM (multimodulation) Xuất phát từ việc mà yêu cầu đặt cho luận văn này: Nghiên cứu kỹ thuật đa điều chế cho biến tần đa bậc Ap dụng kỹ thuật đa điều chế đơn sóng mang để điều khiển biến tần bậc dạng cascade Khảo sát tính ổn định xác lập đáp ứng tải sử dụng biến tần bậc Trong đó, biến tần bậc dạng cascade động đồng kích thích nam châm vỉnh cửu dùng để khảo sát LỜI CẢM ƠN Trong q trình làm đồ án hạn chế thời gian điều kiện thực tế nên em khó tránh khỏi sai sót, kính mong thầy giúp đỡ em hồn thành tốt nhiệm vụ thiết kế biến tần Hiện nay, đất nước ta giai đoạn phát triển, thực công cơng nghiệp hóa, đại hóa Cùng với phát triển kinh tế thị trường, việc giao lưu bn bán, trao đổi hàng hóa nhu cầu cần thiết người dân, quan xí nghiệp, tổ chức kinh tế toàn xã hội Là sinh viên khoa Đào tạo chất lượng cao cầu đường trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh, sau năm học tập rèn luyện bảo tận tình thầy, cô giáo môn Điện Điện Tử, em học hỏi nhiều điều bổ ích Theo nhiệm vụ thiết kế tốt nghiệp môn, đề tài biến tần đa bậc em là: biến tần bậc Để đáp ứng nhu cầu lưu thông, trao đổi hàng hóa ngày tăng đẩy mạnh sở hạ tầng, đặc biệt hệ thống biến tần sở vấn đề quan trọng đặt cho nghành điều khiển nói chung, tự động hố nói riêng Em xin chân thành cảm ơn thầy,cô giáo môn, đặc biệt TS Nguyễn Vinh Quan giúp đỡ em trình làm đồ án môn học Chương 1: Tổng Quan Về Biến Tầng Đa Bậc Giới thiệu biến tầng bậc Về biến tần đa bậc gồm dãy linh kiện bán dẫn công suất nguồn áp phụ thuộc vào bậc biến tần Thuận lợi biến tần đa bậc so với biến tần bậc truyền thống điện áp ngõ cải thiện tốt số bậc điện áp nhiều Vì vậy, biến tần có bậc cao độ méo dạng họa tần điện áp ngõ giảm, lọc điện áp ngõ biến tần nhỏ hơn; điện áp chịu đựng tần số đóng cắt linh kiện đóng cắt giảm Tuy nhiên, mức độ phức tạp biến tần tăng lên Hình vẽ cho thấy điện áp sin ngõ biến tần đa bậc tổng hợp nhiều cấp điện áp (biến tần bậc 7) CÁC LOẠI BIẾN TẦN ĐA BẬC: Biến tần đa bậc thường phân loại theo cấu trúc sơ đồ nó, thường có ba dạng phổ biến là: Dạng diode_clamped inverter Dạng capacitor_clamped inverter ( hay flying capacitor) Dạng cascaded inverter Biến tần bậc dạng diode_clamped ( hay gọi NPC converter) giới thiệu vào năm 1981 Biến tần bậc kẹp diode Sau đó, dạng mở rộng thành dạng biến tần bậc cao bên dưới: Diode_clamped multilevel inverter sử dụng nguồn điện áp dc chia nhiều bậc áp dc tụ điện mắc nối tiếp Và dựa diode để cố định bậc điện áp ngõ ra, bậc tương ứng với mức điện áp tụ điện bus dc Với công tắc n vị trí pha có: Nếu điệp áp phân bố tụ điện cân thì: Dạng sóng điện áp ngõ biến tần đa bậc dạng với điện áp tụđiện cân bằng: Các đặc điểm biến tần đa bậc dạng diode_clamped: Số tụ điện ít, phải thêm diode kẹp sơ đồ Có thể sử dụng nguồn áp DC Khi biến tần có bậc lớn điện áp mà diode kẹp phải chịu đựng Vdc(n-2)/(n-1) cao Do phức tạp thiết kế phải kết nối nối tiếp diode Vấn đề không cân điện áp tụ điện biến tần đa bậc dạng gây áp hay nhiều linh kiện đóng cắt Capacitor_Clamped Inverter: Cũng tương tự dạng diode_clamped, cấu trúc sơ đồ gồm tụ điện xếp lớp lên mà diode kẹp Điện áp ngõ kết hợp tụ điện mắc nối tiếp sơ đồ Hay sơ đồ tương đương pha A: Ở công tắc SHi công tắc SLi cặp trạng thái ON Nhưng hai công tắc không trạng thái thời điểm, gây ngắn mạch tụ điện Bảng trạng thái đóng cắt có cặp công tắc cho biến tần bậc dạng capacitor_clamped: Mức điện áp ngõ pha A ứng với trạng thái đóng cắt co Các đặc điểm biến tần đa bậc dạng capacitor_clamped: Nhược điểm biến tần đa bậc dạng số lượng tụ điện sơ đồ nhiều Mỗi nhánh phân tích độc lập với nhánh khác Không biến tần đa bậc dạng diode_clamped phân tích phải quan tâm đến cân điện áp ba pha ngõ vào Giá trị tụ điện cao dần từ tụ lớp tới tụ lớp Ví dụ Cf2=2*Cf1 Cascaded Inverter: Cascade multilevel inverter gồm nhiều cầu nghịch lưu đầy đủ pha nối tiếp nhau, cầu nghịch lưu sử dụng nguồn áp dc độc lập Thông thường nguồn dc lấy từ máy biến áp có nhiều cuộn dây thứ cấp độc lập, từ nhiều biến áp riêng biệt Đối với biến tần đa bậc có bậc chẳn phải thêm vào nghịch lưu không đầy đủ vào cấu trúc sơ đồ Các đặc điểm biến tần đa bậc dạng cascaded inverter: Dạng biến tần không cần thêm diode hay tụ điện biến tần đa bậc dạng diode_clamped, nhiên số bậc điện áp ngõ tương tự Số bậc điện áp tăng lên dể dàng cách mắc nối tiếp thêm cầu nghịch lưu vào Biến tần dạng cascade lại cần nhiều nguồn dc độc lập nghịch lưu, dạng diode_clamped cần nguồn dc Để cân công suất cho nguồn dc tuần hoàn sử dụng nguồn dc chu kỳ Việc làm cho tần số đóng cắt linh kiện bán dẫn sơ đồ cân Các phương pháp điều khiển: Tương ứng với loại biến tần đa bậc cần có phương pháp điều khiển, điều chế thích hợp Các phương pháp điều chế phân loại theo tần số đóng cắt Nói chung có hai phương pháp phổ biến dùng cho biến tần đa bậc phương pháp điều chế độ rộng xung sin ( SPWM) phương pháp điều chế vector không gian (SVM) Khi làm việc với tần số đóng cắt cao phổ biến phương pháp cổ điển SPWM, cách dịch chuyển pha sóng mang sóng điều chế để giảm méo dạng điện áp ngõ Khi làm việc với tần số đóng cắt thấp ( tức có hai lần đóng cắt linh kiện bán dẩn công suất chu kỳ điện áp bản) phương pháp đại diện điều khiển vector không gian SVC Do hai loại biến tần đa bậc phổ biến dạng diode_clamped dạng cascade nên giới thiệu phương pháp điều khiển thường gặp hai loại Đối với biến tần đa bậc dạng diode_clamped phương pháp phổ biến SPWM: theo phương pháp trạng thái đóng cắt cặp linh kiện bán dẩn xác định dựa vào phần giao sóng mang tam giác tín hiệu điều chế dạng sin Biến tần n bậc có (n-1) sóng mang tam giác pha, tần số, biên độ phân bố dãy –VDC tới +VDC sóng điều chế hình sin so sánh với sóng mang tam giác để xác định trạng thái đóng cắt cặp tiếp điểm biến tần đa bậc Bằng việc thay đổi pha sóng mang từ sóng mang tam giác nguyên thủy có phương pháp điều chế dạng SPWM đưa là: cải thiện kỹ thuật đa điều chế không đầy đủ hay kỹ thuật đa điều chế đơn sóng mang thông qua hỗ trợ kỹ thuật số Mẫu đa điều chế MP biểu diễn qua phần tử S xjkt đa điều chế tương ứng: Tín hiệu điều chế mong muốn: tín hiệu điều chế cho cặp công tắc SW với TON khoảng thời gian bậc ON cặp công tắc SWxt tương ứng Tín hiệu vrxe tính theo tín hiệu điều chế mong muốn: Kỹ thuật đa điều chế đơn sóng mang SMM phương pháp đơn giản kỹ thuật đa điều chế đa mang Nó hỗ trợ điều khiển kỹ thuật số [ ] với phần từ có giá trị việc điều chế thông qua ma trận S jk Xác định tín hiệu điều chế mong muốn cho cặp tiếp điểm pha theo công thức đề cập Điện áp dây: Điện áp thứ tự không: V0= pmin + (vra_1 +vra_2 +vra_3 +vra_4) – vra1 Chương 2: Mô PHỎNG TRÊN MATLAB Cơ sở lý thuyết Nguyên lý: - Biến tần bậc biến tần có sóng từ đến - Sống điều khiển n = số bậc -1 = – 1= sóng mang Sóng mang PD sóng mang pha Sóng điều khiển Sóng mang PD Sóng mang POD sóng mang đảo pha sóng mang với sóng mang đảo pha Bảng trạng thái Gồm có trạng thái +S1 -S2 +S3 – S4 + S5 – S6 + S7 – S8 Điện áp -2Vd Biến tần đa bậc: PD Khối IGBT Pha A tương tự cho pha B C Biến đo điện áp Tổng trung bình cộng Đo dịng đo tải Tải thiết lập thơng số Powergui điều chỉnh khối sau Điều khiển điện áp 0