(Luận văn thạc sĩ hcmute) nghiên cứu kỹ thuật điều chế sóng mang cho biến tần trực tiếp kiểu ma trận

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ NGUYỄN PHƯƠNG THỨC NGHIÊN CỨU KỸ THUẬT ĐIỀU CHẾ SÓNG MANG CHO BIẾN TẦN TRỰC TIẾP KIỂU MA TRẬN NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ - 60520203 S K C0 8 Tp Hồ Chí Minh, tháng 10/2018 Luan van BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ NGUYỄN PHƯƠNG THỨC NGHIÊN CỨU KỸ THUẬT ĐIỀU CHẾ SÓNG MANG CHO BIẾN TẦN TRỰC TIẾP KIỂU MA TRẬN NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ - 60520203 Tp Hồ Chí Minh, tháng 10 năm 2018 Luan van BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ NGUYỄN PHƯƠNG THỨC NGHIÊN CỨU KỸ THUẬT ĐIỀU CHẾ SÓNG MANG CHO BIẾN TẦN TRỰC TIẾP KIỂU MA TRẬN NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ - 60520203 Hướng dẫn khoa học: PGS.TS.Trần Thu Hà Tp.Hồ Chí Minh, tháng 10 năm 2018 Luan van QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI i Luan van LÝ LỊCH KHOA HỌC I LÝ LỊCH SƠ LƯỢC Họ & tên: Nguyễn Phương Thức Giới tính: Nam Ngày, tháng, năm sinh: 12/3/1992 Nơi sinh: Quảng Trị Quê quán: Bảo Lộc – Lâm Đồng Dân tộc: Kinh Chỗ riêng địa liên lạc: 200/Phan Đình Phùng, phường 2, Tp.Bảo Lộc, Lâm Đồng Điện thoại: 0964 807 986 Email: thucnguyen123spkt@gmail.com II QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO Đại học Hệ đào tạo đại học: Chính quy Thời gian đào tạo từ 6/2010 đến 3/2015 Nơi học (trường, thành phố): Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật TP Hồ Chí Minh Ngành học: Sư phạm kỹ thuật cơng nghệ điện tử - viễn thông Thạc sĩ Hệ đào tạo thạc sĩ: Chính quy Thời gian đào tạo từ 6/2017 đến 8/2018 Nơi học (trường, thành phố): Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật TP Hồ Chí Minh Ngành học: Kỹ thuật điện tử Tên luận văn: Nghiên cứu kỹ thuật điều chế sóng mang cho biến tần trực tiếp kiểu ma trận Người hướng dẫn: PGS.Ts Trần Thu Hà, Ts.Quách Thanh Hải ii Luan van LỜI CAM ĐOAN Tơi cam đoan cơng trình nghiên cứu Các số liệu, kết nêu luận văn trung thực chưa công bố cơng trình khác Tp Hồ Chí Minh, ngày 12 tháng 10 năm 2018 Nguyễn Phương Thức iii Luan van LỜI CẢM ƠN Cơng trình nghiên cứu hoàn 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 cám ơn đến PGS.Ts.Trần Thu Hà Ts.Quách Thanh Hải tận tình hướng dẫn để tác giả hoàn thành luận văn Cám ơn quý Thầy Cô Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh, Khoa Điện – Điện tử, môn Kỹ thuật điện tử hỗ trợ phịng thí nghiệm thiết bị nghiên cứu q trình thực luận văn Xin chân thành cám ơn Ba Mẹ, Anh Chị giúp đỡ tạo điều kiện thuận lợi động viên tác giả suốt thời gian nghiên cứu Cám ơn bạn giúp đỡ tác giả Kính chúc sức khỏe chân thành cảm ơn Tác giả Nguyễn Phương Thức iv Luan van MỤC LỤC Trang tựa TRANG QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI i LÝ LỊCH KHOA HỌC ii LỜI CAM ĐOAN iii LỜI CẢM ƠN iv MỤC LỤC v DANH SÁCH TỪ VIẾT TẮT vii DANH SÁCH BẢNG viii DANH SÁCH HÌNH ix CHƯƠNG TỔNG QUAN 1.1 Giới thiệu 1.2 Mục tiêu phạm vi nghiên cứu 1.3 Phương pháp nghiên cứu CHƯƠNG BIẾN TẦN TRỰC TIẾP KIỂU MA TRẬN 2.1 Giới thiệu biến tần 2.2 Biến tần trực tiếp kiểu ma trận 2.3 Cấu trúc thiết bị chuyển mạch hai chiều sử dụng IGBT 2.4 Biến tần ma trận DMC 12 2.5 Biến tần ma trận IMC 14 CHƯƠNG KỸ THUẬT ĐIỀU CHẾ SÓNG MANG 17 3.1 Phương pháp điều chế sóng mang 17 3.2 Điều chế sóng mang biến tần ma trận IMC 19 3.3 Điều chế sóng mang biến tần trực tiếp kiểu ma trận 24 3.4 Mô đánh giá giải thuật 28 CHƯƠNG THIẾT KẾ MẠCH BIẾN TẦN 34 4.1 Thiết kết mơ hình thực nghiệm 34 4.2 Mạch biến tần 36 v Luan van 4.3 Khối điều khiển 37 4.4 Kết mô thực nghiệm 41 CHƯƠNG KẾT LUẬN 48 5.1 Kết luận 48 5.2 Đóng góp đề tài 48 5.3 Hạn chế đề tài 49 5.4 Hướng phát triển 49 TÀI LIỆU THAM KHẢO 50 vi Luan van DANH SÁCH TỪ VIẾT TẮT MC Matrix converter Biến tần ma trận DMC Direct matrix converter Biến tần ma trận trực tiếp IMC Indirect matrix converter Biến tần ma trận gián tiếp AC Alternating Current Tín hiệu xoay chiều DC Direct Current Tín hiệu chiều THD Total harmonic distortion Tổng méo hài PF Power factors Hệ số công suất PWM Pulse with modulation Điều chế độ rộng xung SinPWM Sin pulse with modulation Điều chế độ rộng xung sóng sin IGBT Insulated gate bipolar transistor Linh kiện bán dẫn FFT Fast Fourier transform Phân tích phổ vii Luan van Hình 4.4: Kit vi xử lý DSP TMS320 F82335  Chức bao gồm khối sau:  Có 88 chân giao tiếp vào GPIO(General-Purpose IO) chân kết nối đến ngắt bên  16 kênh ADC 12 bit (0 – 3V) cho phép thời gian chuyển đổi nhanh (tối đa 80ns)  18 kênh PWM có kênh tốc độ cao sử dụng chức truy cập nhớ trực tiếp DMA  Sử dụng mã chương trình C/C++ Assembly  Timer 16 bit 32 bit cho phép thực chức bios/boot  Có đầy đủ chức giao tiếp UART, SPI, SCI truyền thơng eCAN  DSP có điểm thuận lợi viết giải thuật Matlab Psim nhúng giải thuật xuống DSP  Khả debug online, breakpoint giúp chạy chương trình bước, liên tục hay tạm dừng  Các chân TMS320 F28335 sử dụng 38 Luan van Tín hiệu để điều khiển mạch chỉnh lưu biến tần tín hiệu điện áp nguồn ba pha xoay chiều đọc vào TMS320F28335 qua ngõ vào ADC_A0, ADC_A1, ADC_A2 tương ứng với chân 57, 58 chân 59 jack cắm J6 Tín hiệu xung kích cho khóa bán dẫn hai chiều đưa chân GPIO_0 đến GPIO_8 thuộc jack cắm J4 J5 4.3.2 Mạch lái Tín hiệu điều khiển ngõ kit DSP TMS320 F28335 thấp khoảng 0V 3.3V không đủ để kích dẫn khóa cơng suất IGBT Vì vậy, mạch lái sử dụng để biến đổi biên độ tín hiệu dạng xung có hai mức mức thấp 0V mức cao 3.3V thành hai mức tương ứng -15V +15V để điều khiển khóa cơng suất IGBT Ngồi ra, mạch lái cịn có nhiệm vụ dùng để cách ly mạch điều khiển mạch công suất Hình 4.5: Mạch lái 4.3.3 Mạch hồi tiếp Mạch cảm biến áp dùng để lấy điện áp VAC cho ba pha sử dụng máy biến áp cung cấp tín hiệu đồng để phục vụ cho điều khiển đảm bảo thơng số biên độ điện áp dịng điện độ lệch pha ba pha để ổn định điều khiển đạt giá trị hệ số công suất cao Sơ đồ khối đo điện áp AC ngõ vào hình 4.6 39 Luan van Hình 4.6: Sơ đồ tổng quan khối cảm biến điện áp Card DSP TMS320 F28335 đọc tín hiệu ngõ vào ADC từ – 3V Vì vậy, thơng qua máy biến áp mạch điện tử để hồi tiếp điện áp ngõ vào khối điều khiển cần giảm điện áp xuống mức cho phép cân chỉnh offset để đặt điện áp nằm khoảng điện áp từ – 3V hồi tiếp card DSP Do thực theo sơ đồ nguyên lý hình 4.7 Điện áp đưa đến ngõ vào ADC (jack cắm J6, J7) xác định theo điện áp biến trở V2 cộng điện áp không đổi rơi LED (VLED) Hình 4.7: Mạch cảm biến áp Thơng số kỹ thuật Experimenter Kit F28335 cho ≤ VADC ≤ 3V 𝑉ADC = 𝑉2 √2sin(𝜔𝑡 + 𝜑) + 𝑉𝐿𝐸𝐷 (4.2) Vì sử dụng LED màu đỏ điện áp rơi khoảng 1.5V đến 2V, kết đo thực tế 1.975V điện trở hạn dịng R = 300Ω Để tiết kiệm chi phí ta sử dụng biến áp có sẵn thị trường từ 220VAC 3VAC, 4.5VAC, 5VAC, 6VAC, 7VAC, 15VAC … Điện áp sử dụng ngõ vào có giá trị cao 40 Luan van lên tới 220/380VAC để đảm bảo an toàn cho card DSP F28335 cần sử dụng máy biến áp 220V/3VAC mạch cảm biến điện áp có sử dụng giới hạn biên độ ngõ vào ADC 4.4 Kết mô thực nghiệm Dạng sóng điện áp ba pha ngõ vào a b Hình 4.8: Điện áp ba pha ngõ vào Hình 4.8 kết mơ thực nghiệm tín hiệu thực tế khơng sin mơ chất lượng chuyển đổi AC-AC suy giảm TDHu Hình 4.9: Điện áp ba pha ngõ vào qua cảm biến Tín hiệu nguồn ngõ vào qua khối cảm biến thể hình 4.9 điều chỉnh biên độ phù hợp đảm bảo ADC kit DSP đọc mà không bị thông tin hư hại đến KIT DSP 41 Luan van Hình 4.10: Xung kích pha nghịch lưu Hình 4.11: Xung kích cho pha chỉnh lưu IMC nhánh p Hình 4.12: Xung kích cho nghịch lưu Trong hình 4.10 kết xung kích cho pha chỉnh lưu kết đạt bán kỳ dương biên độ sóng điều khiển lớn ba pha ngõ vào tương ứng khóa bán dẫn nhánh p kích dẫn khoảng lại điều chế PWM để điều khiển Trong bán kỳ âm sóng điều khiển có giá trị trị tuyệt đối lớn 42 Luan van ba pha ngõ vào tương ứng khóa bán dẫn nhánh n kích dẫn khoảng cịn lại điều chế PWM để điều khiển Hình 4.11 xung kích cho ba nhánh p tín hiệu ba pha điều khiển lệch pha nên xung kích lệch pha Hình 4.12 xung kích cho q trình nghịch lưu Xung kích cho mạch chỉnh lưu, nghịch lưu thực nghiệm xác với mơ Hình 4.13: Dạng sóng xung kích pha ngõ biến tần DMC Dạng sóng xung kích biến tần DMC xung kích cho pha ngõ đảm bảo khơng ngắn mạch ngõ vào Trong khoảng thời gian phép khóa cơng suất phép dẫn hai khóa cơng suất cịn lại khơng phép dẫn thời gian dead time đo 0.4𝜇𝑠 hình 4.13 kết xung đạt yêu cầu lý thuyết Hình 4.14: Điện áp ba pha tải 43 Luan van Quá trình điều khiển DMC từ chuyển đổi điều tương đương khóa từ IMC hình dạng sóng điện áp ngõ có hình dạng điện áp bậc ngõ nghịch lưu biến tần IMC hình 4.14 Điện áp dây biến tần DMC hình 4.15 dạng sóng mơ thực nghiệm có điện áp bậc cách 44,5Vrms Hình 4.15: Điện áp dây AB ngõ Dạng sóng điện áp tải với m = 0.76 kết mô thực nghiệm thể hình 4.16 Hình 4.16: Điện áp tải pha m = 0.76 44 Luan van Hình 4.17: Phân tích FFT áp tải với m = 0.76 Kết phân tích THDu tới thành phần hài bậc 49(2.5kHz) cho thấy thực nghiệm mơ có sai lệch biên độ tần số Nhưng tổng thể biên độ thành phần tần số Vf1 lớn nhiều lần biên độ thành phần hài bậc cao Vnf1 mô thực nghiệm, dẫn đến hệ số méo hài tổng THDu thấp (4.272%) giúp giảm chi phí cho mạch lọc áp dụng TCVN ME, đảm bảo tiêu chuẩn tiêu chuẩn TCVN 2008-2-2 Hình 4.18: Dạng sóng điện áp tải với m = 0.86 Dạng sóng tải sin hệ số điều chế tăng so với m =0.76 THDu giảm 45 Luan van Hình 4.19: Phân tích FFT áp tải RL với m = 0.86 Kết phân tích THDu cho thấy thực nghiệm mơ có chênh lệch biên độ nhỏ Biên độ thành phần tần số Vf1 lớn nhiều lần biên độ thành phần hài bậc cao Vnf1 Vì vậy, THDu thấp(3,2036%) Khi hệ số điều m chế tăng biên độ phổ (tính theo Vrms) thành phần hài tăng chứng tỏ giải thuật với lý thuyết phù hợp với tiêu chuẩn TCVN 2008-2-2 Hình 4.20: Điện áp tải với m = 0.91 46 Luan van Hình 4.21: Phân tích FFT áp tải với m = 0.91 Kết phân tích THDu cho thấy thực nghiệm mô gần tương đương biên độ thành phần tần số Vf1 lớn nhiều lần biên độ thành phần hài bậc cao Vnf1 Vì vậy, THDu thấp (3,026%) phù hợp với tiêu chuẩn TCVN 2008-2-2 Khi hệ số điều m chế tăng biên độ phổ (tính theo Vrms) thành phần hài tăng theo chứng minh đường đăc tuyến điều khiển tuyến tính đảm bảo mạch biến tần hoạt động ổn định khoảng hệ số điều chế thực nghiệm 47 Luan van CHƯƠNG KẾT LUẬN 5.1 Kết luận Trong luận văn nghiên cứu điều khiển biến tần ma trận DMC giải thuật điều chế sóng mang với sóng mang tam giác cân thu kết sau: Q trình mơ điện áp cao 220/380VAC trình bày tiêu chí THDi, THDu PF Dựa vào mục đích sử dụng chọn hệ số điều chế thích hợp để đạt THDi,THDu PF mong muốn Hệ số công suất tổng méo hài đạt đảm bảo phù hợp với tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 2008-2.2 không sử dụng mạch lọc ngõ vào, ngõ thực vùng điều chế với số thấp Trong khoảng m > 0.39 hệ thống không cần sử dụng mạch lọc cho ngõ vào, Với số điều chế 0.39 > m > 0.1 hệ số công suất (PF) đảm bảo, nhiên cần thêm lọc để THDi bé ngưỡng cho phép tiêu chuẩn Q trình mơ thực nghiệm điện áp thấp 40/69VAC dạng sóng điện áp tải khơng sin điện áp cao THDu giảm nửa hệ số điều chế 0.76 Phân tích phổ hệ số điều chế cao 0.86, 0.91 cho thấy hài có biên độ lớn so với thành phần hài bậc cao nên tổng méo hài giảm phù hợp với tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 2008-2.2 Giải thuật đảm bảo với hệ số điều chế cao lên đến 0.91 biến tần DMC sử dụng với cơng suất lớn Tính tốn lý thuyết kết mơ phỏng, thực nghiệm xác 5.2 Đóng góp đề tài Trong đề tài có đóng góp mặt khoa học sau: Cơ sở lý thuyết:  Xây dựng file mô DMC phương pháp điều chế sóng mang theo sở lý thuyết phần mền Psim 48 Luan van  Xây dựng bảng chuyển đổi điều khiển biến tần IMC với DMC phương pháp điều chế sóng mang sử dụng tam giác cân  Điều khiển biến tần IMC phương pháp điều chế sóng mang cho biến tần với sóng mang tam giác cân cho hai q trình riêng biệt Vì tối ưu biến tần DMC cách kiểm soát hai trình chỉnh lưu nghịch lưu từ biến tần IMC giảm chuyển mạch giảm THD nâng cao PF Trên sở thực nghiệm:  Xây dựng mơ hình vật lý DMC làm sở nghiên cứu phát triển tối ưu mạch biến  Trên sở vật lý có nghiên cứu phát triển cấu trúc biến tần DMC  Ứng dụng chuyển đổi điện áp AC-AC 5.3 Hạn chế đề tài Đề tài chưa nghiên cứu đến tối ưu mạch biến tần giảm chuyển mạch, giảm THD nâng cao hệ số công suất Mạch biến tần trực tiếp kiểu ma trận DMC chưa tính tốn đến mạch bảo vệ nên khơng an tồn kết nối trực tiếp với điện lưới Hạn chế thiết bị nghiên cứu công suất lớn mạch bảo vệ biến tần nên áp dụng thử nghiệm với điện áp thấp, công suất thấp 5.4 Hướng phát triển Nghiên cứu đến tối ưu mạch biến tần giảm chuyển mạch, giảm THDi dòng ngõ vào, giảm THDu áp ngõ nâng cao hệ số công suất Nghiên cứu mạch lọc mạch bảo vệ biến tần Thực nghiệm với công suất lớn Xây dựng phát triển cấu trúc biến tần ma trận trực tiếp DMC Phát triển giải thuật điều khiển cấu trúc biến tần dựa điều khiển DMC 49 Luan van TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Quách Thanh Hải, “Nghiên cứu kỹ thuật điều chế độ rộng xung điều khiển tối ưu nghịch lưu đa bậc”, LATS Đại học Bách Khoa Tp.HCM, 2013 [2] Dinh-Tuyen Nguyen, Hong-Hee Lee, and Tae-Won Chun “A Carrier - Based Pulse Width Modulation Method for Indirect Matrix Converters” Journal of Power Electronics, Vol 12, No 3, May 2012 [3] Johann W.Kolar, Frank Schafmeister, Simon D Round, Hans Ertl “Novel threepha AC-AC sparse matrix converter” IEEE transactions on power electronic, vol.22, no.5, September 2007 [4] Mohammed Ahmed Saleh ”Development of Control tectniques for Direct ACAC Matrix Converter fed Multipphase” Electrical & Electronics Engineering College of Engineering & Science Victoria University, Melbourne, Australia September 2013 [5] Siddharth Raju, LakshmiNarayanan Srivatchan, Visweshwar Chandrasekaran and Ned Mohan “Contant pluse width modulation stategy for direct three-level matrix convertet” University of Minnesota, December16-19, 2012, Bengaluru, India [6] Thomas Friedli, Johann W.Kolar, Jose Rodriguez, Patrick W.Wheeler “Comparative Evaluation of Three-Phase AC-AC Matrix Converter and Voltage DC-Link Back-to-Back Converter Systems” Vol.59, No.12, December 2012 [7] Johann W Kolar, Thomas Friedli, Jose Rodriguez, Patrick W Wheeler Review of Three-Phase PWM AC–AC Converter Topologies IEEE transaction on industrial industrial electronics, vol 58, no 11, novenber2011 [8] Siti Hajar Yusoff, Nur Shahida Midi, Sheroz Khan, Majdee Tohtayong “Predictive control of AC/AC matrix converter” International Journal of Power Electronics and Drive System (IJPEDS), Oct 11, 2017 50 Luan van [9] Ms.Poonam B.Shinde, Prof Mrs.Tanuja N Date “Pulse Width Modulation Control of Phase AC-AC Matrix Converter” Proceedings of the IEEE 2017 International Conference on Computing Methodologies and Communication 51 Luan van S K L 0 Luan van ... 2.4 Biến tần ma trận DMC 12 2.5 Biến tần ma trận IMC 14 CHƯƠNG KỸ THUẬT ĐIỀU CHẾ SÓNG MANG 17 3.1 Phương pháp điều chế sóng mang 17 3.2 Điều chế sóng mang biến tần ma trận IMC 19 3.3 Điều chế sóng. .. pháp điều chế PWM cải biến giảm điện áp common mode 3.2 Điều chế sóng mang biến tần ma trận IMC Kỹ thuật điều chế sóng mang cho biến tần IMC q trình biến đổi sóng điều khiển kết hợp so sánh với sóng. .. tần IMC  Điều khiển biến tần DMC áp dụng giải thuật điều chế sóng mang với sóng mang tam giác cân để điều khiển cho biến tần trực tiếp kiểu ma trận DMC 1.2.2 Phạm vi nghiên cứu Nghiên cứu cấu