(Luận văn thạc sĩ hcmute) nghịch lưu ba pha ba bậc hình t chịu lõi

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ PHẠM GIA TRÍ NGHỊCH LƯU BA PHA BA BẬC HÌNH T CHỊU LỖI NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ - 60520203 S K C0 1 Tp Hồ Chí Minh, tháng 04/2019 Luan van BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ PHẠM GIA TRÍ NGHỊCH LƯU BA PHA BA BẬC HÌNH T CHỊU LỖI NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ - 60520203 Hướng dẫn khoa học: PGS.TS TRẦN THU HÀ Tp Hồ Chí Minh, tháng 04 / 2019 Luan van Luan van LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP LÝ LỊCH KHOA HỌC I LÝ LỊCH SƠ LƯỢC: Họ tên: Phạm Gia Trí Giới tính: Nam Ngày, tháng, năm sinh: 06/04/1994 Nơi sinh: Quảng Ngãi Quê quán: Quảng Ngãi Dân tộc: Kinh Tôn giáo: Không Địa thường trú: Đội 5, Nho Lâm, Phổ Hòa, Đức Phổ, Quảng Ngãi Điện thoại: 0378437919 E-mail: giatrispkt@gmail.com II QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO: Đại học: Hệ đào tạo: Đại học quy Thời gian đào tạo từ 09/2012 đến 09/2016 Nơi học (trường, thành phố): Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM Ngành học: CNKT Điện Tử - Truyền Thông Tên đồ án tốt nghiệp: Xe tự động di chuyển dựa vào vật mốc dùng xử lý ảnh Ngày nơi bảo vệ đồ án tốt nghiêp: 07/2016 Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM Người hướng dẫn: PGS.TS Nguyễn Thanh Hải III QUÁ TRÌNH CƠNG TÁC CHUN MƠN KỂ TỪ KHI TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC: Thời gian Nơi công tác 02-2017 Công ty TNHH An đến Việt Long Công việc đảm nhiệm Kỹ sư phòng R&D i Luan van LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP LỜI CAM ĐOAN Tôi cam đoan công trình nghiên cứu tơi Các số liệu, kết nêu luận văn trung thực chưa cơng bố cơng trình khác Tp Hồ Chí Minh, ngày 30 tháng 03 năm 2019 (Ký tên ghi rõ họ tên) Phạm Gia Trí ii Luan van LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP LỜI CẢM TẠ Xin chân thành gửi lời cảm ơn đến PGS.TS Trần Thu Hà ThS Đỗ Đức Trí tận tình hướng dẫn tơi thời gian thực luận văn Xin chân thành gửi lời cảm ơn đến tồn thể q thầy trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật TP Hồ Chí Minh giảng dạy, hướng dẫn tạo điều kiện, môi trường học tập tốt cho Xin cảm ơn 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 công suất nâng cao D405 suốt thời gian thực luận văn Xin kính chúc sức khỏe chân thành cảm ơn Học viên Phạm Gia Trí iii Luan van LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP TÓM TẮT LUẬN VĂN Các nghịch lưu cơng suất đóng vai trị ngày quan trọng lĩnh vực công nghiệp hộ gia đình Việc nâng cao chất lượng nguồn cung cấp nhiệm vụ quan trọng lĩnh vực điện tử cơng suất Hiện nay, có nhiều loại cấu hình nghịch lưu hiệu suất cao Nhưng tồn số nhược điểm như: Điện áp ngõ nhỏ điện áp DC nguồn cấp; Các khóa bán dẫn khơng phép dẫn đồng thời (trùng dẫn); Chưa thiết kế, trang bị dự phòng nên có cố xảy tồn hệ thống bị trì trệ, gián đoạn Bộ nghịch lưu ba pha, ba bậc hình T dạng cải tiến mơ hình nghịch lưu NPC truyền thống sử dụng diode kẹp với số khóa bán dẫn, nhiên không sử dụng diode nên hiệu kinh tế tăng lên, kích thước mạch giảm xuống Đồng thời, thiết kế có khả phát hiện, xử lý lỗi giúp cho mạch hoạt động điều kiện lỗi hở mạch Việc kết hợp nghịch lưu hình T với tăng áp Quasi switch boost (qSBT2I) giải vấn đề mà nghịch lưu truyền thống gặp phải – điện áp ngõ lớn điện áp ngõ vào mà không cần thông qua tăng áp DC – DC, điện áp ngõ điều khiển thông qua số ngắn mạch Các kết lý thuyết kiểm chứng phần mềm PSIM thực nghiệm mơ hình điều khiển kit DSP TMS320F28335 với FPGA Cyclone II EP2C5T144 Bài nghiên cứu trình bày gồm chương: Chương 1: Trình bày tổng quan tình hình nghiên cứu nghịch lưu, ưu khuyết điểm ba nghịch lưu truyền thống NPC, Flying capacitor, Cascade multilevel, mục tiêu, phạm vi, phương pháp nghiên cứu ứng dụng đề tài Chương 2: Giới thiệu cấu hình nghịch lưu, mạch Quasi switch boost, vấn đề lỗi cấu hình nghịch lưu quy trình xử lý lỗi Chương 3: Cấu hình nghịch lưu ba pha ba bậc hình T chịu lỗi đề xuất Chương 4: Kết mô thực nghiệm nghịch lưu đề xuất Chương 5: Ưu điểm, hạn chế hướng phát triển đề tài iv Luan van LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP ABSTRACT Multilevel inverters play an increasingly important role in industry as well as in household sector Improving the quality of supplies is always an important task in the field of power electronics Currently, there are many types of high-performance inverter configurations But there are still some disadvantages such as: The output voltage is always smaller than the supply DC voltage; Semiconductor switchs are not allowed to lead at the same time (overlapping); Not designed, equipped with backup, so when an incident occurs, the whole system is stagnant and interrupted The three-phase T-type inverter is an improved form of the traditional NPC inverter model using clamping diode with the same number of semiconductors, but it does not use diodes so it is more effective, the size of the circuit decreased At the same time, the system is designed to be able to detect and handle errors, making the circuit work under conditions of open-circuit fault The combination of the T-type inverter with the Quasi switch boost (qSBT2I) will solve the problem that traditional inverter encounters - the output voltage is greater than the input voltage without the DC - DC booster, output voltage is controlled via short circuit coefficient The theoretical results will be verified on PSIM software and experimented on the model controlled by kit TMS320F28335 with FPGA Cyclone II EP2C5T144 The paper is presented in chapters: Chapter 1: Overview of inverter researc, the advantages and disadvantages of three traditional inverters are NPC, Flying capacitor, Cascade multilevel inverter, objectives, scope, research methods and applications of topic Chapter 2: Introducing the inverter configurations, Quasi switch boost circuit, error problems on the inverter configuration and error handling process Chapter 3: The three-phase T-type inverter capacities with fault tolerance Chapter 4: Simulation results and experiment of proposed inverter Chapter 5: Advantages, limitations and the development direction of the topic v Luan van LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP MỤC LỤC LÝ LỊCH KHOA HỌC .i LỜI CAM ĐOAN ii LỜI CẢM TẠ iii TÓM TẮT LUẬN VĂN iv MỤC LỤC vi DANH SÁCH CÁC BẢNG ix DANH SÁCH CÁC HÌNH .x DANH SÁCH CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT xiv Chương TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan lĩnh vực nghiên cứu 1.2 Mục tiêu đề tài 1.3 Nhiệm vụ giới hạn đề tài 1.4 Phương pháp nghiên cứu 1.5 Điểm đề tài 1.6 Phạm vi ứng dụng .5 Chương CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Lý thuyết nghịch lưu 2.1.1 Khái niệm 2.1.2 Bộ nghịch lưu áp .6 2.1.3 Một số cấu trúc nghịch lưu ba bậc thông dụng 2.1.3.1 Nghịch lưu diode kẹp (NPC – Neural Point Clamped) .7 2.1.3.2 Nghịch lưu tụ kẹp (Flying capitor inverter) vi Luan van LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP 2.1.3.3 Nghịch lưu Cascade 2.1.4 Nghịch lưu ba pha ba bậc hình T (T type NPC Inverter) 2.1.4.1 Cấu hình 2.4.1.2 Nguyên lý hoạt động 10 2.2 Nghịch lưu tăng áp nghịch lưu Quasi switch boost 11 2.2.1 Nghịch lưu truyền thống kết hợp tăng áp .11 2.2.2 Nghịch lưu Quasi switch boost (qSBI) 11 2.3 Một số lỗi xảy bán dẫn cấu hình nghịch lưu 14 2.4 Lỗi hở mạch không cho phép lỗi dung sai 15 2.5 Quy trình xử lý lỗi .15 2.5.1 Phát lỗi 15 2.5.2 Cô lập linh kiện lỗi 16 2.5.3 Xử lý lỗi giải thuật điều khiển 16 Chương KHẢO SÁT BỘ NGHỊCH LƯU BA PHA BA BẬC HÌNH T TĂNG ÁP QUASI SWITCH BOOST CHỊU LỖI 17 3.1 Cấu hình nghịch lưu ba pha ba bậc hình T tăng áp Quasi switch boost (qSBT2I) chịu lỗi 17 3.2 Lưu đồ trình hoạt động nghịch lưu 18 3.2.1 Lưu đồ hoạt động nghịch lưu 18 3.2.2 Khi mạch nghịch lưu hoạt động bình thường 19 3.2.2.1 Nguyên lý hoạt động 19 3.2.2.2 Giải thuật điều chế độ rộng xung (PWM) cho nghịch lưu 22 3.2.3 Khi mạch nghịch lưu xảy lỗi 24 3.2.3.1 Phương pháp nhận biết lỗi 25 3.2.3.2 Nguyên lý hoạt động mạch chịu lỗi 26 3.2.3.3 Giải thuật điều chế độ rộng xung (PWM) mạch chịu lỗi 26 Chương MÔ PHỎNG VÀ THỰC NGHIỆM 30 vii Luan van LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP Sc4 = ((Pc2) | (P08)); Sa2 = ~((Sa1) ^ (Sa4)); Sa2 = (Sa2) | (~ (Sa1_err)); Sb2 = ~((Sb1) ^ (Sb4)); Sc2 = ~((Sc1) ^ (Sc4)); Sa1 = (Sa1) && (Sa_cre_err); Sa1 = (Sa1) && (Sa1_err Sa4 = (Sa4) && (Sa1_err); SDIo = (~P08); SDNONOT = P08; end assign SDi2=SDIo; endmodule 66 Luan van NGHỊCH LƯU BA PHA BA BẬC HÌNH T CHỊU LỖI FAULT TOLERANT THREE - LEVEL T-TYPE INVERTER Pham Gia Tri1, Tran Thu Ha1, Do Duc Tri1 1Trường đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM TÓM TẮT Thơng thường nghịch lưu tăng áp có điện áp đặt khóa cơng suất nhánh nghịch lưu lớn làm tăng tỉ lệ hư hỏng khóa cơng suất Trong báo trình bày phương pháp xử lý lỗi hở mạch khóa cơng suất cấu hình nghịch lưu ba pha ba bậc hình T tăng áp giải thuật điều khiển Phương pháp đề xuất giúp cho hệ thống vận hành điều kiện có cố hở mạch xảy mà không làm gián đoạn việc cung cấp điện năng, đảm bảo trì sản xuất xí nghiệp, nhà máy hộ gia đình,…Việc kết hợp nghịch lưu hình T với tăng áp (Quasi switch boost) dùng tượng ngắn mạch giúp cho điện áp ngõ lớn điện áp ngõ vào Việc phân tích mạch, giải thuật điều chế độ rộng xung, giải thuật xử lý lỗi phương pháp điều khiển trình bày Các kết lý thuyết kiểm chứng phần mềm PSIM thực nghiệm mơ hình điều khiển kit DSP TMS320F28335 với FPGA Cyclone II EP2C5T144 Từ khóa: Nghịch lưu ba bậc; Nghịch lưu hình T; Ngắn mạch; Bộ tăng áp; Chịu lỗi ABSTRACT Normally in the boost inverter the voltage stress across the inverter leg switches are quite higher ratings which increases the chances of inverter leg switch failure In this paper a three-level Ttype boost inverter is proposed to achieve the fault-tolerant operation with open-circuit faults by control algorithm This proposed method helps the system to operate in the event of an open circuit failure without disrupting the power supply, ensuring production maintenance in factories as well as families The combination of the T-type inverter with a booster (Quasi switch boost) uses shortcircuit state to make the output voltage greater than the input voltage Circuit analysis, PWM control algorithm and the transition principles from normal operations to post-fault operations are detailed The theoretical results will be verified on PSIM software and experimented on the model controlled by kit TMS320F28335 with FPGA Cyclone II EP2C5T144 Keywords: Three-level inverter; T-type inverter; Shout-through; Quasi switch boost; Faulttolerant Ký hiệu Ký hiệu VC Vm Vg Vab Ia Đơn vị V V V V V Ý nghĩa Điện áp tụ Điện áp pha đỉnh Điện áp đầu vào Điện áp dây Dòng điện tải Chữ viết tắt qSBT2I Quasi Switch Boost T Type Inverter PWM Pulse Width Modulation NPC Nuetral Point Clamped IGBT Insulated-Gate Bipolar Transistor THD Total Harmonic Distortion PHẦN MỞ ĐẦU Ngày nay, nghịch lưu cơng suất đóng vai trị ngày quan trọng cơng nghiệp hộ gia đình Những năm gần việc nghiên cứu lĩnh vực nghịch lưu cải thiện nhiều, ứng dụng công nghiệp địi hỏi chất lượng cơng suất ngõ nghịch lưu nguồn áp cao Do nghịch lưu đa bậc phát triển [1]-[3] Các nghịch lưu bao gồm cấu hình phổ biến như: Dạng Neutral Point Clamped (NPC) [1] dùng diode kẹp, dạng tụ bay – Flying capitor inverter (FC) [2], dạng ghép tầng – Cascade (CHB) [3] Hai cấu hình diode kẹp tụ bay có khố bán dẫn Luan van pha, nhiên phải sử dụng thêm diode tụ điện, mơ hình cascade sử dụng đến khóa bán dẫn pha Việc sử dụng nhiều khóa bán dẫn, diode hay tụ điện làm cho kích thước mạch tăng lên hiệu kinh tế thấp Do đó, nghiên cứu ứng dụng phát triển nghịch lưu hình T [4] cho cấu hình nghịch lưu ba pha giúp giải vấn đề Do có tổn hao chuyển mạch thấp nên hiệu suất đạt 99% [4] Tuy nhiên, nghịch lưu nguồn áp thông thường, hoạt động giảm áp Vì để đạt điện áp AC ngõ theo yêu cầu, ta phải cung cấp biến đổi tăng áp DC - DC trước nghịch lưu nối biến áp tăng áp ngõ nghịch lưu làm cho hiệu kinh tế thấp Bộ nghịch lưu T - NPC ba bậc nguồn Z (ZSI) sử dụng để cải thiện tạo điện áp ba pha ngõ có cơng suất tốt [5] Nó sử dụng trạng thái ngắn mạch để tăng điện áp DC - link cho điện áp ba pha ba bậc chặng Gần đây, để giảm dòng điện ngõ vào giảm điện áp đặt khóa cơng suất chuyển đổi nguồn Z nhà nghiên cứu phát triển chuyển đổi Quasi Z-Source (qZSI) [6] Bộ nghịch lưu ba pha ba bậc hình T q-ZS sử dụng nhiều phần tử thụ động bốn cuộn dây, bốn tụ điện hai diode làm tăng giá thành, kích thước Việc sử dụng nhiều khóa bán dẫn làm ảnh hưởng đến độ tin cậy toàn hệ thống Các linh kiện bán dẫn IGBT, MOSFET dễ hư hỏng (hở mạch, ngắn mạch) [7] không thiết kế, trang bị phương án dự phòng nên xảy cố làm cho tồn hệ thống bị trì trệ gián đoạn Đặc biệt, lĩnh vực quân sự, y tế, … đòi hỏi cao độ tin cậy hệ thống Việc xảy lỗi không cho phép gây tổn thất lớn tài sản tính mạng người Từ vấn đề trên, đề xuất nghịch lưu ba pha ba bậc tăng áp hình T Quasi switch boost (qSBT2I) [8] có khả chịu lỗi Bài báo tập trung phân tích hoạt động cấu hình nghịch lưu ba pha ba bậc hình T Quasi switch boost kết hợp giải thuật điều khiển xử lý lỗi hở mạch cấu hình Kết mơ thực nghiệm trình bày cụ thể báo CẤU HÌNH BỘ qSBT2I VÀ CHỊU LỖI Hình cho thấy sơ đồ nghịch lưu ba pha ba bậc hình T tăng áp Quasi switch boost có khả chịu lỗi, tăng điện áp thấp đầu vào Vg chuyển đổi thành phần sang ngõ tải ba pha Một mạng trở kháng kết nối Vg nhánh nghịch lưu bao gồm cuộn dây L, hai tụ điện (C1, C2), bốn diode (D1, D2, D3, D4) hai khóa (S1, S2) Các khóa S1, S2 transistor lưỡng cực (BJT), MOSFET, IGBT Trong đó, khóa S1x, S2x, S3x, S4x (x = a, b, c) giúp cho ngõ đạt ba mức điện áp (+VC, 0, -VC) trì cân điện áp dây tải lỗi khóa cơng suất nhánh nghịch lưu L S1 + Vg - D1 + C1 - S1b S1c a Bộ lọc b tải c pha S3b D2 G D3 S2a S3c S2b + S2 S1a S3a C2 - D4 S4a S4b S2c S4c Hình Sơ đồ mạch qSBT2I Bảng Trạng thái khóa qSBT2I (x = a, b, c) Kích Điện áp Trạng thái khóa S ngõ Khơng ngắn mạch S1x +VC Không ngắn mạch S4x -VC S1, S2, Ngắn mạch S1x, S4x Zero S2x, S3x 2.1 Khi mạch hoạt động bình thường L L S1 Vg +- D1+ - C1 D2 G D3 S2 D4 + - S1a S1 C2 S2 C1 S1a S3a a S2a D4 + - S4a C2 (b) L S1 Vg +- - D2 G D3 S3a a Vg + S2a S4a (a) D1 + D1 + - C1 D2 G D3 S2 S1a S3a a S2a D4 + - S4a C2 (c) Hình Nguyên lý qSBT2I (a) Trạng thái không ngắn mạch, (b) Trạng thái Zero, (c) Trạng thái ngắn mạch Bộ nghịch lưu đa bậc nguồn áp thông thường hoạt động dựa vào trạng thái: trạng thái tích cực trạng thái zero Trong nghịch lưu đề xuất hoạt động dựa vào trạng thái: trạng thái tích cực – trạng thái khơng ngắn mạch, trạng thái zero trạng thái ngắn mạch trình bày Bảng Để đơn giản dễ hiểu, Luan van trạng thái mạch nghịch lưu xét cho nhánh nghịch lưu pha A Nguyên lý trạng thái mô tả sau 2.1.1 Trạng thái không ngắn mạch Trạng thái không ngắn mạch giống nghịch lưu pha bậc nguồn áp thông thường, công suất truyền từ điện áp ngõ vào Vg đến điện áp AC pha ngõ Hình 2(a) Trong khoảng thời gian S1, S2 S2x, S3x không dẫn, điện áp tải AC xác định “+VC” “-VC”, với VC điện áp đặt tụ Để đạt điện áp “+VC” ta kích S1x (với x = a, b, c) Tương tự, để đạt điện áp “-VC” ta kích S4x khoảng thời gian D1, D2, D3, D4 phân cực thuận Năng lượng từ nguồn Vg qua cuộn dây đồng thời cung cấp cho tụ C1, C2 tải Có thể thấy, dịng điện cuộn dây L tổng dòng điện qua tụ với qua tải 2.1.2 Trạng thái không ngắn mạch giống nghịch lưu pha bậc nguồn áp thông thường, công suất truyền từ điện áp ngõ vào Vg đến điện áp AC pha ngõ Hình 2(a) Trong khoảng thời gian S1, S2 S2x, S3x không dẫn, điện áp tải AC xác định “+VC” “-VC”, với VC điện áp đặt tụ Để đạt điện áp “+VC” ta kích S1x (với x = a, b, c) Tương tự, để đạt điện áp “-VC” ta kích S4x khoảng thời gian D1, D2, D3, D4 phân cực thuận Năng lượng từ nguồn Vg qua cuộn dây đồng thời cung cấp cho tụ C1, C2 tải Có thể thấy, dịng điện cuộn dây L tổng dòng điện qua tụ với qua tải Điện áp cuộn dây L xác định theo Hình 2(a), 2(b) sau: (1) Tương tự, dòng điện qua tụ C1 C2 xác định: iC1 = iC = C1 2.1.3 dVC1 dV = C C = iL − iLoad dt dt VL = L diL = Vg + VC1 + VC dt (4) Tương tự, dòng điện qua tụ C1 C2 xác định: iC1 = iC = C1 dVC1 dV = C C = −iL dt dt (5) Áp dụng định luật cân điện áp cuộn dây trạng thái ổn định từ phương trình (1) (4) sau: (Vg − VC1 − VC )(1 − D ) + (Vg + VC1 + VC ) D = (6) Điện áp tụ xác định sau: VC1 = VC = VC = Vg 2(1 − D) (7) Điện áp DC - link (V PN) sau: Trạng thái Zero di VL = L L = Vg − VC1 − VC dt mạch Trong trạng thái ngắn mạch, điện áp qua tải xác định tương tự trạng thái Zero Khoảng thời gian ngắn mạch DT Điện áp cuộn dây L xác định theo Hình 3(c) sau: (2) Trạng thái ngắn mạch Trong trạng thái khóa cơng suất S1, S2, S1x, S4x kích đồng thời làm phân cực ngược diode D1, D2, D3, D4 Kết quả, lượng từ nguồn Vg tụ điện C1, C2 nạp cho cuộn dây Hình 2(c) Điều kiện để hệ thống làm việc hiệu thì: (3) M + D 1 Với M số điều chế, D tỷ số ngắn VPN = VC1 + VC = Vg (1 − D) (8) Điện áp pha đỉnh ngõ xác định: Vm = M VPN MVg = MVC = 2(1 − D) (9) Hệ số tăng áp “B” nghịch lưu xác định: B= M 2(1 − D) (10) Từ cơng thức (9) thấy điện áp đỉnh ngõ AC phụ thuộc vào hệ số M D theo giá trị nguồn vào Vg Chú ý rằng, tỉ số ngắn mạch D phải nhỏ 0.5, việc chọn M D tùy vào ứng dụng 2.2 Khi mạch hoạt động sau lỗi Bộ nghịch lưu nguồn áp thông thường phải đối mặt với hai loại lỗi bán dẫn nhánh nghịch lưu pha lỗi ngắn mạch lỗi hở mạch Lỗi ngắn mạch xảy hai công tắc nhánh nghịch lưu vơ tình kích dẫn, kết làm ngắn mạch nguồn áp đầu vào Vì vậy, mạch delay mạch bảo vệ sử dụng để tránh chồng chéo tín hiệu cực cổng khóa bán dẫn, trễ tín hiệu cực cổng làm cho điện áp ngõ bị méo Đối với mạch nghịch lưu đề xuất vốn có khả chống lại lỗi ngắn mạch xuất mạch trở kháng ngõ vào nhánh nghịch lưu Trong nghịch lưu nguồn áp thông thường, lỗi hở mạch thường giải Luan van khóa dự phòng Đối với nghịch lưu đề xuất, lỗi hở mạch hai (S 1x, S4x) (x = a, b, c) hai Hình giải việc thay đổi giải thuật điều khiển P P P + S1a C1 - S3a D2 G D3 S4a C2 - N - + - (a) N S1a C1 S3a D2 G D3 a S2a + + - S4a + - (b) N S1a C1 S3a D2 G D3 a S2a C2 + S4a (c) Hình Phần nhánh nghịch lưu pha A bị lỗi (a) S1a hở mạch, (b) S4a hở mạch, (c) S1a S4a hở mạch Khi xảy lỗi hở mạch hai khóa S1a, S4a hai, mạch hoạt động theo ba trạng thái hoạt động bình thường: tích cực (khơng ngắn mạch), ngắn mạch Zero Tuy nhiên, chịu lỗi xung điều khiển PWM ba nhánh nghịch lưu cần có thay đổi để đảm bảo điện áp dây ngõ cân trình bày phần ĐIỀU KHIỂN PWM CỦA BỘ qSBT I 3.1 Khi mạch hoạt động bình thường Vcontrol t vref_a -VST Vcar S1a S2a, S3a S4a S1,S Vref _ c (11) 3.2 Khi mạch hoạt động sau lỗi Đối với lỗi hở mạch hai khóa S1a, S4a hai giải thuật điều khiển giống cho ba trường hợp S1a PWM t S2a, S3a PWM t S4a PWM t VAG VC Pha A kết nối trung tính nguồn G Hình trình bày phương pháp điều khiển PWM cho khóa pha A mạch nghịch lưu, thành phần VST số điện áp điều khiển ngắn mạch cho khóa S1, S2 Ở điều kiện bình thường, tín hiệu điều chế pha sử dụng cặp điện áp tham chiếu Vref_x -Vref_x (x = a, b, c), cặp điện áp lệch 1800 theo công thức (11) VST -vref_a 2 ) 2 = M sin(2 f 0t + ) Vref _ b = M sin(2 f 0t − Trong đó, M hệ số điều chế f0 tần số ngõ a S2a C2 M D định Vref _ a = M sin 2 f 0t t t t t Hình Tín hiệu điều khiển PWM cho khóa cơng suất pha A qSBT2I Tín hiệu ngắn mạch (S1, S2) tạo cách so sánh số (VST, -VST) với sóng mang tần số cao Vcar Tín hiệu điều khiển cho khóa S1a, S2a, S3a, S4a tạo cách so sánh điện áp tham chiếu Vref_a -Vref_a kết hợp số điện áp ngắn mạch VST, -VST với sóng mang Vcar Hình Phương pháp điều khiển tương tự cho pha lại Biên độ điện áp tham chiếu Vref_a số VST giá trị Hoạt động bình thường Phát lỗi S1a Hoạt động chịu lỗi t Hình Dạng xung PWM nhánh nghịch lưu pha A điện áp cực VAG khóa S1a hở mạch Xét Hình lỗi hở mạch khóa S1a nhánh nghịch lưu pha A Trước thời điểm xảy lỗi, điện áp cực VAG có ba mức điện áp: +VC, 0, -VC Sau phát lỗi hở mạch, khóa S1a, S4a ngắt xung hồn tồn khóa S2a, S3a kích dẫn hồn tồn, làm cho pha A kết nối liên tục với điểm trung tính nguồn G, dẫn đến điện áp cực VAG mức điện áp V Đối với khóa cơng suất hai nhánh nghịch lưu bình thường cịn lại (pha B, C) xung điều khiển cần phải có thay đổi Từ Hình 6(a), điện áp ba pha ngõ có công thức (12) Va = Vm sin 2 f 0t 2 Vb = Vm sin(2 f 0t − ) (12) 2 Vc = Vm sin(2 f 0t + ) Tương ứng, điện áp dây ngõ có cơng thức (13) Luan van  Vab = Va − Vb = 3Vm sin(2 f 0t + )  Vbc = Vb − Vc = 3Vm sin(2 f 0t − ) 5 Vca = Vc − Va = 3Vm sin(2 f 0t + ) Vc Vc 300 1200 V 'bc Va V 'a 300 Vab Vb Vca Vbc 1200 1200 V 'ca Vca Vbc (13) Va O Vab V 'ab Vb (a) Từ công thức (13) (16) thấy biên độ điện áp dây sau lỗi bị giảm lần so với lúc mạch hoạt động bình thường [10] Để bù lại biên độ điện áp so với lúc mạch hoạt động bình thường, cần chọn lại thơng số M D dựa cơng thức (3) (9) (b) Hình Sơ đồ góc pha điện áp (a) Điều kiện bình thường, (b) S1a, S4a hở mạch Để điện áp dây ba pha cân góc pha phải thỏa mãn điều kiện [9] công thức (14) Va + Vb − 2VaVb cos( ab ) = Vb + Vc  −2VbVc cos(bc ) V + V − 2V V cos( ) = V + V  b c b c bc c a  − V V cos(  ) c a ca    ab + bc +  ca = 360o   (14) KẾT QUẢ MÔ PHỎNG VÀ THỰC NGHIỆM Bảng Thông số qSBT2I Các phần tử Thông số Điện áp ngõ vào Vg 70 V Điện áp dây ngõ 75 V(rms) Tần số sóng mang kHz Cuộn cảm L mH Tụ điện C1, C2 2200 µF Khóa bán dẫn S1, S2, S1x, FGL40N120/ S2x, S3x , S4x, (x = a, b, c) FGL40N150D Diode D1, D2 DSEP60-12A Cuộn dây lọc ngõ Lf mH Tụ điện lọc ngõ Cf 10 µF Điện trở tải R 40 Ω Bộ nghịch lưu đề xuất phân tích chứng thực mô PSIM thực nghiệm Các tham số nghịch lưu thể Bảng Từ công thức (14), điều kiện bình thường góc pha B C bc = 120o Khi lỗi hở mạch (S1a, S4a) xảy điện áp Va = lúc góc pha B C phải bc = 60o để điện áp dây cân Hình 6(b) Có thể thấy, góc pha điện áp tham chiếu pha B bị giảm góc 30o góc pha điện áp tham chiếu pha C tăng lên góc 30o so với điều kiện bình thường Như vậy, điện áp tham chiếu ba pha cần thay để sửa lỗi hở mạch trình bày công thức (15) (a) (b) (c) Vref _ a ' = 5 ) 5 = M sin(2 f 0t + ) Vref _ b ' = M sin(2 f 0t − Vref _ c ' (15) Tương ứng, điện áp dây ngõ chịu lỗi có cơng thức (16)  V 'ab = Vm sin(2 f 0t + )  V 'bc = Vm sin(2 f 0t − ) 5 V 'ca = Vm sin(2 f 0t + ) (16) (d) Hình Kết mơ qSBT2I chịu lỗi (a) Điện áp cực VAG, (b) Điện áp pha VAN, (c) Điện áp dây VAB, (d) Dòng điện tải IR Bộ nghịch lưu mô để đạt điện áp dây ngõ 75 V(rms) từ nguồn đầu vào Vg = 70 V Tỉ số ngắn mạch D hệ số điều chế M xác định tương ứng 0.3 0.7 Tần số sóng mang (fcar) 5kHz sử dụng để tạo tín hiệu xung PWM cho thiết bị chuyển mạch Tần số tín hiệu điều chế thực giống với tần số điện áp AC Luan van ngõ yêu cầu Từ Hình 7(a), phần hình bên trái mạch hoạt động bình thường điện áp cực VAG có đủ ba bậc (87.5 V, V, -87.5 V), đến lỗi hở mạch xảy khóa S2a S3a liên tục kích dẫn pha A kết nối trực tiếp với trung tính nguồn G làm cho điện áp cực VAG trì mức V Ở Hình 7(b) với phần hình bên trái điện áp pha VAN mạch hoạt động bình thường, giá trị đo 43 V(rms) phù hợp với lý thuyết phân tích, phần hình bên phải mạch hoạt động chịu lỗi hở mạch điện áp pha giảm bậc biên độ điện áp trì mạch hoạt động bình thường Với Hình 7(c) 7(d) hồn tồn tương tự, phần hình bên trái điện áp dây VAB dòng điện tải IR mạch hoạt động bình thường có giá trị đo tương ứng 75 V(rms) 1.08 A(rms) phù hợp với lý thuyết phân tích, phần hình bên phải mạch hoạt động chịu lỗi hở mạch biên độ điện áp dịng điện trì lúc mạch bình thường Để đảm bảo biên độ điện áp dòng điện xảy lỗi hở mạch M D cần thay đổi tương ứng 0.6 0.4 (a) (b) Hình Kết mơ (a) Điện áp VPN, (b) Điện áp tụ VC Từ Hình 8(a) 8(b), phần hình bên trái dạng sóng điện áp VPN VC mạch hoạt động bình thường, giá trị điện áp đo tương ứng 175 V 87.5 V, mạch hoạt động chịu lỗi tương ứng với phần hình bên phải điện áp VPN VC tương ứng 303 V 151 V, tức tăng lên lần so với lúc bình thường phù hợp với lý thuyết Để tiến hành thực nghiệm, sử dụng điện áp đầu vào Vg = 70 V, cuộn cảm tụ điện chọn giống mô tương ứng với Bảng Tín hiệu PWM tạo cách lập trình FPGA Quartus II (Cyclone II EP2C5T144) DSP Code Composer Studio (TMS32F28335) Để đạt điện áp pha yêu cầu, tỉ số ngắn mạch D hệ số điều chế M chọn giống mô tức 0.3 0.7 mạch hoạt động bình thường hoạt động chịu lỗi 0.4 0.6 [50V/div] (a) [50V/div] (b) [50V/div] (c) [0.5A/div] (d) Hình Kết thực nghiệm qSBT2I chịu lỗi (a) Điện áp cực VAG, (b) Điện áp pha VAN, (c) Điện áp dây VAB, (d) Dòng điện tải IR Từ Hình (a), phần hình bên trái điện áp cực VAG mạch hoạt động bình thường có đủ ba bậc (87 V, V, -87 V) phù hợp với mô phỏng, lỗi hở mạch xảy khóa S2a S3a điều khiển dẫn liên tục làm cho pha A kết nối hồn tồn trung tính nguồn G, dẫn đến điện áp cực VAG ln trì mức V phần hình bên phải Tương tự Hình 9(b), 9(c) 9(d) phần hình bên trái điện áp pha VAN, điện áp dây VAB có đủ bậc dòng điện tải IR mạch hoạt động bình thường, giá trị đo 42.5 V(rms), 74.1 V(rms) 1.05 A(rms) phù hợp với lý thuyết mô phỏng, mạch hoạt động chịu lỗi hở mạch phần hình bên phải có biên độ điện áp dịng điện trì lúc mạch hoạt động bình thường (a) (a) (b) (b) Hình 10 Kết thực nghiệm (a) Điện áp VPN, (b) Điện áp tụ VC Luan van Từ Hình 11(a), THD dịng điện tải mạch hoạt động bình thường có giá trị đo 1.92 % mạch hoạt động chịu lỗi hở mạch Hình 11(b), giá trị đo 2.45 %, thỏa mãn tiêu chuẩn chất lượng điện áp (a) (b) Hình 11 Kết thực nghiệm THD dịng điện tải (a) Khi mạch hoạt bình thường, (b) Khi hoạt động chịu lỗi Từ Hình 10(a) 10(b), phần hình bên trái kết thực nghiệm điện áp VPN VC mạch hoạt động bình thường, giá trị điện áp đo tương ứng 175 V 87 V, mạch hoạt động chịu lỗi tương ứng với phần hình bên phải điện áp VPN VC 302 V 150 V, tức tăng lên lần so với lúc bình thường KẾT LUẬN Trong báo này, nghịch lưu ba pha ba bậc hình T trình bày có khả tăng điện áp nguồn DC thấp đầu vào để đạt điện áp AC ngõ với ba cấp điện áp định mức mạng trở kháng kết nối linh kiện bao gồm cuộn dây, hai tụ điện, bốn diode hai khóa hoạt động Nó sử dụng nửa số lượng tụ điện, phần tư số lượng cuộn dây mà trì lợi nghịch lưu ba pha ba bậc q-ZS giúp làm giảm kích thước hệ thống Bộ nghịch lưu có khả trì điện áp tải cân thời điểm khóa bán dẫn (S1a, S4a) nhánh nghịch lưu pha A bị lỗi hở mạch xảy cách thay đổi giải thuật điều khiển Bộ nghịch lưu phù hợp với ứng dụng pin nhiên liệu, hệ thống điện mặt trời Giải thuật điều khiển PWM sử dụng cho việc chuyển đổi trình bày Mơ thực phần mềm PSIM phân tích thực nghiệm thực việc xây dựng mơ hình thử nghiệm để kiểm tra cấu hình trình bày LỜI CẢM ƠN Nghiên cứu thực phịng thí nghiệm điện tử công suất nâng cao D405 Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp.HCM, email: www.hcmute.edu.vn TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Jose Rodriguez, Steffen Bernet and Peter K Steimer, “A Survey on Neutral-Point-Clamped Invertes”, in IEEE Transactions on Industrial Electronics, vol 57, no 7, pp 2219-2230, Jul 2010 [2] Javad Ebrahimi and Hamid Reza Karshenas, “A New Reduced-Component Hybrid Flying Capacitor Multicell Converter”, in IEEE Transactions on Industrial Electronics, vol 64, no 2, pp 912-921, Feb 2017 [3] M Malinowski, K Gopakumar, J Rodriguez and M.A Perez, “A survey on cascaded multilevel inverters”, in IEEE Transactions on Industrial Electronics, vol 57, no 7, pp 2197-2206, Jul 2010 [4] Javad Ebrahimi and Johann W Kolar, “Design and Implementation of a Highly Efficient ThreeLevel T-Type Converter for Low Voltage Applications”, in IEEE Transactions on Industrial Electronics, vol 28, no 2, pp 899-907, Feb 2013 [5] Omar Ellabban and Haitham Abu-Rub, “Z-Source Inverter: Topology Improvements Review”, in IEEE Transactions on Industrial Electronics, vol 10, no 1, pp 6-24, Mar 2016 [6] M Ruiz-Cortés, E Romero-Cadaval, C Roncero-Clemente and E González-Romera, Luan van “Evaluation of losses in three-level neutral-point-clamped and T-type quasi-Z-source inverters with modified carrier based modulation method”, in IEEE Transactions on Industrial Electronics, vol 24, no 10, pp 638-643, Apr 2017 [7] Pablo Lezana, Josep Pou and Thierry A Meynard, “Survey on Fault Operation on Multilevel Inverters”, in IEEE Transactions on Industrial Electronics, vol 57, no 7, pp 2207-2218, Jul 2018 [8] Đỗ Đức Trí, Nguyễn Minh Khai, Quách Thanh Hải, Nguyễn Trung Hiếu, “Bộ nghịch lưu ba bậc hình T tăng áp dựa chuyển mạch LC”, Hội nghị triển lãm quốc tế điều khiển tự động hóa lần 4, 2017, tr 1-6 [9] Mohsen Aleenejad, Hamid Mahmoudi and Reza Ahmadi, “A Fault-Tolerant Strategy Based on Fundamental Phase-Shift Compensation for Three-Phase Multilevel Converters With Quasi-ZSource Networks With Discontinuous Input Current”, in IEEE Transactions on Industrial Electronics, vol 31, no 11, pp 7480-7488, Nov 2016 [10] Shuai Xu, Jianzhong Zhang and Jun Hang, “Investigation of a Fault-Tolerant Three-Level TType Inverter System”, in IEEE Transactions on Industrial Electronics, vol 53, no 5, pp 46134623, Sept.-Oct 2017 Tác giả chịu trách nhiệm viết: Họ tên: Phạm Gia Trí Đơn vị: Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM Điện thoại: 0378437919 Email: giatrispkt@gmail.com Luan van Luan van %Ӝ*,È2'Ө&9¬ĈҤ27Ҥ2 75ѬӠ1*ĈҤ,+Ӑ&6Ѭ3+Ҥ0.Ӻ7+8Ұ7 7+¬1+3+Ӕ+Ӗ&+Ë0,1+ 3+,ӂ81+Ұ1;e7/8Ұ19Ă17+Ҥ&6Ӻ 'jQKFKRJLҧQJYLrQSKҧQELӋQ 7rQÿӅWjLOXұQYăQWKҥFVӻ 1JKӏFKOѭXSKDEұFKuQK7FKӏXOӛL 7rQWiFJLҧ 3+Ҥ0*,$75Ë MSHV: 1720704 Ngành: ӻWKXұWÿLӋQWӱ Khóa: 2017 Ĉӏnh Kѭӟng: ӬQJGөQJ +ӑYjWrQQJѭӡLSKҧQELӋQ 761JX\ӉQ9ăQ7KiL &ѫTXDQF{QJWiF KRDĈLӋQĈLӋQWӱ ĈLӋQWKRҥLOLrQKӋ 0902807576 ,é.,ӂ11+Ұ1;e7 9ӅKuQKWKӭF NӃWFҩXOXұQYăQ +uQKWKӭFYjNӃWFҩXOXұQYăQÿҥW\rXFҫXFӫDPӝWFXӕQEiRFiROXұQYăQWӕWQJKLӋSWKҥFVӻ 9ӅQӝLGXQJ 2.1 Nh̵n xét v͉–ÀŠŠ‘ƒŠб…ǡ”Ù”‰ǡЛ…ŠŽЛ…ǡŠï……Š‹Ъ––”‘‰OX̵QYăQ 1ӝLGXQJFXӕQEiRFiROXұQYăQWӕWQJKLӋSWKҥFVӻÿѭӧFWiFJLҧWUuQKEj\U}UjQJNKRDKӑF 2.2 Nh̵š±–¯žŠ‰‹ž˜‹Ю…•у†о‰Š‘Ц…–”À…Š†РЪ–“—М…пƒ‰рк‹Šž……ׯ“—‹¯аŠ Š‹ЮŠŠ…пƒ’Šž’Ž—С–•лŠф—–”À–—Ю 7iFJLҧFyWUtFKGүQKӧSOӋÿӕLYӟLFiFWjLOLӋXQJKLrQFӭXWUѭӟFÿyFӫDFiFWiFJLҧNKiFFyOLrQTXDQÿӃQQӝL GXQJQJKLrQFӭXFӫDÿӅWjL 2.3 Nh̵š±–˜Ыͭc tiêu nghiên cͱu, ph˱˯ng pháp nghiên cͱu s͵ dͭng LVTN 0өFWLrXQJKLrQFӭXFӫDÿӅWjLÿѭӧFWiFJLҧ[iFÿӏQKU}UjQJYjFөWKӇ &iFSKѭѫQJSKiSQJKLrQFӭXWiFJLҧVӱGөQJWURQJÿӅWjLOjKӧSOêNKRDKӑF 2.4 Nh̵n xét T͝ng quan cͯƒ¯͉ tài 7URQJSKҫQWәQJTXDQFӫDÿӅWjLWiFJLҧÿmWyPWҳWÿѭӧFWѭѫQJÿӕLFiFQJKLrQFӭXNKiFFӫDFiFWiFJLҧNKiF ÿmWKӵFKLӋQWUѭӟFÿy7ӯÿyWiFJLҧ[iFÿӏQKÿѭӧFQӝLGXQJVӁWLӃQKjQKQJKLrQFӭXÿӇJLҧLTX\ӃWEjLWRiQ FөWKӇFӫDÿӅWjLÿӅUD 2.5 ŠСš±–¯žŠ‰‹ž˜͉ n͡‹†—‰Ƭ…ŠН–Žрн‰…пƒ 1ӝLGXQJYjFKҩWOѭӧQJFӫDOXұQYăQWӕWQJKLӋSWKҥFVӻQj\ÿҥW\rXFҫXÿӫKjPOѭӧQJÿӇEҧRYӋWӕWQJKLӋS WKҥFVӻ 2.6 ŠСš±–¯žŠ‰‹ž˜͉ kh̫£‰ͱng dͭ‰ǡ‰‹ž–”а–Šх…–‹Э…ͯƒ¯͉ tài &ҫQSKҧLWLӃQKjQKWKӵFQJKLӋPWKrPÿӇWKҩ\ÿѭӧFWtQKNKҧWKLWKӵFWLӉQFӫDVҧQSKҭPFӫDÿӅWjL 2.7 Lu̵˜£…О…ŠЯŠ•уƒǡ„е•—‰Šф‰з‹†—‰‰¿ȋ–Š‹͇t sót t͛n t̩i): &ҫQWUuQKEj\U}KѫQQӝLGXQJWiFJLҧWLӃQKjQKFiFWKtQJKLӋPWUuQKEj\ÿҫ\ÿӫFҧQKӳQJWUѭӡQJKӧSWӕWYj [ҩXWURQJNӃWTXҧWKӵFQJKLӋP1ӃXOjNӃWTXҧ[ҩXWKuFҫQSKҧLWUuQKEj\QJX\rQQKkIQYuVDRKѭӟQJNKҳF SKөFWKӃQjRFKRQKӳQJWUѭӡQJKӧSFKҥ\WKӵFQJKLӋPPjFKRUDNӃWTXҧNK{QJWӕW 7URQJSKҫQSKөOөFQrQWUuQKEj\FiFÿRҥQFRGHFKtQKFӫDÿӅWjL II CÁC VҨ0ӄ CҪN LÀM RÕ &iFFkXK͗LFͯDJL̫QJYLrQSK̫QEL͏Q Luan van 13KkQWtFKU}KѫQFiFNӃWTXҧWKӵFQJKLӋP 27UuQKEj\VѫÿӗPҥFKQJKӏFKOѭXPjWiFJLҧWKLӃWNӃVӱGөQJÿӇFKҥ\WKӵFQJKLӋP ... Cấu hình nghịch lưu ba pha ba bậc dạng t? ?? kẹp .8 Hình 2.3 Cấu hình nghịch lưu ba pha ba bậc dạng cascade Hình 2.4 Cấu hình nghịch lưu ba pha ba bậc hình T 10 Hình 2.5 Cấu hình nghịch. .. t? ?? … 16 Luan van LUẬN VĂN T? ? ?T NGHIỆP Chương KHẢO S? ?T BỘ NGHỊCH LƯU BA PHA BA BẬC HÌNH T TĂNG ÁP QUASI SWITCH BOOST CHỊU LỖI Cấu hình nghịch lưu ba pha ba bậc hình T tăng áp Quasi switch boost... giải thu? ?t điều khiển 16 Chương KHẢO S? ?T BỘ NGHỊCH LƯU BA PHA BA BẬC HÌNH T TĂNG ÁP QUASI SWITCH BOOST CHỊU LỖI 17 3.1 Cấu hình nghịch lưu ba pha ba bậc hình T tăng áp Quasi switch