ĐỒ án điều KHIỂN tự ĐỘNG HOÁ hệ THỐNG điện CÔNG NGHIỆP

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP HỒ CHÍ MINH KHOA ĐÀO TẠO CHẤT LƯỢNG CAO BỘ MÔN ĐIỆN CÔNG NGHIỆP  - - ĐỒ ÁN MÔN HỌC ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG ĐIỆN CÔNG NGHIỆP Giáo viên hướng dẫn: TS Nguyễn Vinh Quan Sinh viên thực hiện: Huỳnh Trung Phương 19142215 Thành phố Hồ Chí Minh, tháng 11 năm 2022 CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự – Hạnh phúc Thành phố Hồ Chí Minh, ngày tháng 12 năm 2022 PHIẾU NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN Họ tên sinh viên thực hiện: Huỳnh Trung Phương MSSV: 19142215 Chuyên ngành: CNKT Điện – Điện tử Nội dung: ĐỒ ÁN ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG HỐ HỆ THỐNG ĐIỆN CƠNG NGHIỆP GV hướng dẫn đánh giá: TS Nguyễn Vinh Quan NHẬN XÉT Thành phố Hồ Chí Minh, ngày tháng 12 năm 2022 GIẢNG VIÊN ĐÁNH GIÁ MỤC LỤC CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ BIẾN TẦN ĐA BẬC Giới thiệu biến tần bậc .5 1.2 Các loại biến tần đa bậc .7 1.2.1 Diode_clamped Inverter 1.2.2 Capacitor_Clamped Inverter 10 1.2.3 Cascade Inverter 13 1.3 Các phương pháp điều khiển 14 CHƯƠNG MÔ PHỎNG MATLAB 25 2.1 Cơ sở lí thuyết 26 2.2 Mô Matlab 27 Tài liệu tham khảo .36 LỜI MỞ ĐẦU Ngày nay, thiết bị điện tử công suất quan tâm sử dụng nhiều lĩnh vực khác hệ thống truyền tải, hệ thống phân phối điện năng, đùng công nghiệp… Và ứng dụng dùng cho ứng dụng cơng suất cao Do đó, điện áp dòng điện phải nâng lên tương ứng Vì mà cơng suất định mức linh kiện bán dẫn trở ngại Ngoài ra, khó sử dụng lính 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 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 hỗ trợ kỹ thuật số dựa vào lợi điểm hai phương pháp kỹ 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 Áp dụng kỹ thuật đa điều chế đơn sóng mang để điều khiển biến tần bậc cascade Khảo sát tính ổn định xác lập đáp ứng tải sử dụng biến tần bậc Trong đó, biến tần bậc dạng cascade đồng kích nam châm vĩnh cửu dùng để khảo sát CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ BIẾN TẦN ĐA BẬC Giới thiệu biến tần bậc Bộ nghịch lưu đa bậc có nhiệm vụ chuyển đổi lượng từ nguồn điện chiều không đổi sang nguồn xoay chiều để cung cấp cho tải xoay chiều Tùy thuộc vào đại lượng điều khiển ngõ điện áp hay dịng điện mà ta có tương ứng nghịch lưu áp VSI (Voltage Source Inverter) hay nghịch lưu dòng CSI (Current Source Inverter) Bộ nghịch lưu áp nghịch lưu có nguồn chiều cung cấp nguồn áp đối tượng điều khiển ngõ điện áp Bộ nghịch lưu dịng nghịch lưu có nguồn cung cấp nguồn dòng đối tượng điều khiển ngõ nguồn dòng Bộ nghịch lưu áp cung cấp điều khiển áp xoay chiều ngõ ra, nguồn điện áp chiều lấy từ: pin điện, ắc quy, từ điện áp xoay chiều chỉnh lưu lọc phẳng Các linh kiện nghịch lưu áp phải có khả kích đóng, ngắt dịng qua Trong ứng dụng nhỏ vừa sử dụng transistor BJT, MOSFET, IGBT Với công suất lớn dùng GTO, IGCT SCR kết hợp với chuyển mạch Mỗi cơng tắc có diode mắc đối song với Các diode mắc đối song tạo thành mạch chỉnh lưu cầu không điều khiển có chiều dẫn ngược lại với chiều dẫn điện cơng tắc Nó có nhiệm vụ để hạn chế điện áp phát sinh kích ngắt linh kiện Bộ nghịch lưu áp hai bậc chứa hai khóa bán dẫn nhánh pha tải gọi chung nghịch lưu áp hai bậc Nhược điểm tạo điện áp có độ dốc (dv/dt) lớn gây số vấn đề khó khăn tồn trạng thái điện từ pha đến tâm nguồn DC khác không Bộ nghịch lưu đa bậc phát triển để giải hạn chế nghịch lưu hai bậc thường sử dụng cho ứng dụng điện áp cao công suất lớn 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 hoạ 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) Hình Điện áp ngõ biến tần bậc – Ưu điểm nghịch lưu áp đa bậc: • Công suất nghịch lưu tăng lên Đối với tải công suất lớn, điện áp cung cấp cho tải đạt giá trị tương đối lớn • Điện áp đặt linh kiện giảm xuống nên cơng suất tổn hao q trình đóng ngắt linh kiện giảm theo • Tần số đóng ngắt lớn, thành phần sóng hài bậc cao điện áp giảm nhỏ so với nghịch lưu hai bậc - Nhược điểm: Cần nhiều linh kiện lắp đặt điều kiện khó khăn nghịch lưu hai bậc dẫn đến giá thành cao 1.2 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 1.2.1 Diode_clamped Inverter Biến tần bậc dạng diode_clamped (hay gọi NPC converter) giới thiệu vào năm 1981 Hình Biến tần bậc dạng diode kẹp Sau dạng mở rộng thành dạng biến tần bậc cao bên đây: Hình Biến tần bậc dạng diode kẹp Hình Dạng sóng biến tần bậc dạng diode kẹp Diode_clamped multilevel inverter sử dụng nguồn điện áp DC chia nhiều bậc DC tụ mắc nối tiếp Và dựa diode để cố định bậc điện áp ngõ ra, bậc tương ứng với mức điện áp tụ bus DC Hình Sơ đồ tương đương biến tần bậc dạng kẹp Với công tắc n vị trí pha có: với i = {a,b,c…}; Nếu điện áp phân bố tụ điên cân thì: với i = {a,b,c}; n: Bậc biến tần Dạng sóng điện áp ngõ biến tần đa bậc dạng với điện áp tụ điện cân bằng: Hình Các mức điện áp pha A ngõ biến tần với trạng thái đóng cắt khác Các đặc điểm biến tần đa bậc dạng diode_clamped • Số tụ điện 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 V DC (n2)/(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 1.2.2 Capacitor_Clamped Inverter Cũng tương tụ dạng diode_clamped, cấu trúc sơ đồ gồm tụ điện xếp lớp lên mà khơng có diode kẹp Điện áp ngõ kết hợp tụ điện mắc nối tiếp sơ đồ Hình 19 Topology of 7-level multilevel inverter Các đặc điểm điều chế đa mang: Các thành phần mẫu điều chế MP xác định từ thành phần mẫu đa điều chế MMP: Giá trị common mode (CM): Tín hiệu điều chế Vrxe tín hiệu tạo điện áp điểm trung tính DC Vx0: Tín hiệu điều chế xác định qua p_tín hiệu điều chế: Hoặc biểu diễn qua mẫu điều chế MP: Điện áp thứ tự không: Kỹ thuật điều chế PD discontinuous PWM trường hợp đặc biệt kỹ thuật điều chế Kỹ thuật đa điều chế kết hợp kỹ thuật SPWM SVPWM nên rõ ràng tốt phương pháp PD discontinuous PWM việc cân tổn thất đóng cắt thiết bị đóng cắt số điều chế khác nhau, giảm thiểu số lần đóng cắt phụ cách ln chuyển tín hiệu sóng điều chế thơng qua mẫu điều chế cách thích hợp Kỹ thuật đa điều chế sử dụng việc cân điện áp điểm trung tính biến tần đa bậc dạng diode kẹp Tuy nhiên, kỹ thuật đa điều chế có vài khó khan điều khiển số lượng sóng mang tam giác tín hiệu sóng điều chế không đầy đủ hay kỹ thuật điều đa điều chế đơn sóng mang thơng qua sự hỗ trợ kỹ thuật số 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 việc điều chế thơng qua ma trận [Sjk] với phần tủ có giá trị Xác định tín hiệu điều chế mong muốn cho cặp tiếp điểm pha theo công thức đề cập trên: Điện áp dây: Điện áp pha: CHƯƠNG MÔ PHỎNG MATLAB 2.1 Cơ sở lí thuyết • Biến tần bậc biến tần có sóng từ đến 86; • Sống điều khiển n = số bậc -1 = – 1= sóng mang; • Sóng mang PD sóng mang pha; • Sóng mang POD sóng mang đảo pha Hình 20 Sóng điều khiển Hình 21 Sóng mang PD Hình 22 Sóng mang với sóng mang đảo pha Bảng trạng thái n +S1 -S2 +S3 -S4 +S5 -S6 Điện áp [0,1,0,1,0,1] -3Vd [0,1,0,1,0,0] -2Vd [0,1,0,0,0,0] -1Vd [0,0,0,0,0,0] [1,0,0,0,0,0] +1Vd [1,0,1,0,0,0] +2Vd [1,0,1,0,1,0] +3Vd Gồm có trạng thái +S1 -S2 +S3 – S4 + S5 – S6 Điện áp -3Vd 2.2 Mơ Matlab Mơ hình mơ tổng quan biến tần bậc phần mềm MATLAB  Khối điều chế PWM  Khối IGBT:  Khối IGBT pha A tương tự cho pha B C  Biến đo điện áp  Đo dòng đo tải  Powergui điều chỉnh khối sau: Điều khiển điện áp Hệ số Điện điều chế < m < áp sóng mang  Dạng sóng điện áp dịng điện chế độ PD(m=1) Dạng sóng chế độ PD  Dạng sóng điện áp dịng điện chế độ POD(m=1) Dạng sóng chế độ POD  Dạng sóng điện áp dịng điện chế độ APOD(m=1) Dạng sóng APOD Dạng sóng khối PWM  Tính tốn THD% dịng điện  Nhận xét: Ưu điểm đề tài: − Tài liệu nhiều giúp cho việc thực đồ án trở nên dễ dàng tinh chinh xác độ tin cậy đồ án cao Nhược điểm đề tài: − Ở đồ án có sử dụng phần mềm Matlab để mơ phỏng, nhiên tính xác khơng phải tuyệt đối Khi điều khiển ngồi thực tế cần phải quan tâm nhiều yếu tố khơng mặt vật lý mà cịn mặt khí Khả tiếp thu thân đổi với đề đề tài − Đối với em đề tài tương đổi khó, khơng phải khơng thực được, khó nên nhơm chúng em danh nhiều thời gian tìm tịi, mày mị tài liệu liên quan từ dẫn thầy Nguyễn Vinh Quan chúng em hiểu nguyên lý, cấu tạo, đặc tinh quan trọng biến tần đa bậc Tuy hiểu biết sâu, chúng em nắm kiến thức bản, cốt lõi đề tài Tài liệu tham khảo [1] S Umashankar, T S Sreedevi, V G Nithya, D Vijayakumar, "A New 7Level Symmetric Multilevel Inverter with Minimum Number of Switches" [2] Sunita Kumari and Sudhir Y Kumar, “DESIGN AND CONTROL OF MULTILEVEL INVERTER TOPOLOGIES FOR INDUSTRIAL APPLICATIONS” [3] B Singh, N Mittal, K S Verma, “Multi-Level Inverter: A Literature Survey On Topologies And Control Strategies”, International Journal of Reviews in Computing, Vol 10, July 2012 [4] “Điên tử công suất”, TS Nguyễn Văn Nhờ ... Phương MSSV: 19142215 Chuyên ngành: CNKT Điện – Điện tử Nội dung: ĐỒ ÁN ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG HỐ HỆ THỐNG ĐIỆN CƠNG NGHIỆP GV hướng dẫn đánh giá: TS Nguyễn Vinh Quan NHẬN XÉT ...  Powergui điều chỉnh khối sau: Điều khiển điện áp Hệ số Điện điều chế < m < áp sóng mang  Dạng sóng điện áp dịng điện chế độ PD(m=1) Dạng sóng chế độ PD  Dạng sóng điện áp dịng điện chế độ... lĩnh vực khác hệ thống truyền tải, hệ thống phân phối điện năng, đùng công nghiệp? ?? Và ứng dụng dùng cho ứng dụng cơng suất cao Do đó, điện áp dịng điện phải nâng lên tương ứng Vì mà công suất định