CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Lý thuyết về biến tần đa bậc
Biến tần là thiết bị chuyển đổi điện năng từ nguồn điện một chiều (DC) sang nguồn điện xoay chiều (AC), cho phép điều chỉnh mức điện áp và tần số theo nhu cầu sử dụng.
Một biến tần cơ bản gồm những thành phần sau:
Mạch chỉnh lưu: mạch này có nhiệm vụ chuyển đổi AC thành DC thông qua diode sau đó sẽ được nắn phẳng bởi các tụ điện
Mạch nghịch lưu có chức năng chuyển đổi năng lượng điện một chiều (DC) thành năng lượng điện xoay chiều (AC) để cung cấp cho tải xoay chiều Quá trình này được thực hiện thông qua các công tắc bán dẫn, thường là IGBT hoặc MOSFET, được kích hoạt và điều khiển bởi một mạch điều khiển.
Mạch điều khiển: mạch này sẽ điều khiển các công tắc bán dẫn để tạo ra dạng sóng
Bộ điều khiển AC đa bậc sử dụng thuật toán điều khiển Pulse Width Modulation (PWM) để điều chỉnh thời gian mở và đóng của các công tắc bán dẫn, từ đó tạo ra dạng sóng điện áp và tần số đầu ra theo yêu cầu.
Bộ nghịch lưu có thể phân loại như sau:
Theo số pha điện áp đầu ra: một pha, ba pha
Theo số bậc điện áp giữa một đầu pha tải và một điểm điện thế chuẩn trên mạch: hai mức (two level), đa mức (multilevel – lớn hơn 3 bậc)
Theo cấu trúc của bộ nghịch lưu có 3 dạng chính:
Bộ nghịch lưu 3 pha dạng diode kẹp (Neutral Point clamped - NPC)
Hình 2.1 Sơ đồ khối nghịch lưu dạng diode kẹp
Bộ nghịch lưu dạng này sử dụng các cặp diode kẹp với nguồn một chiều, chia điện áp thành nhiều cấp nhỏ hơn thông qua chuỗi tụ điện mắc nối tiếp Điện áp đầu ra tối đa chỉ bằng một nửa điện áp DC đầu vào, đây là nhược điểm chính của biến tần đa bậc có kẹp diode Để khắc phục vấn đề này, cần tăng cường các thành phần như khóa bán dẫn, diode và tụ điện, nhưng điều này cũng dẫn đến việc tăng chi phí của bộ nghịch lưu.
Do các vấn đề liên quan đến cân bằng tụ điện, số bậc của mạch bị giới hạn chỉ ở ba bậc Đây là một hạn chế đáng chú ý Trong trường hợp mạch nguồn có n tụ mắc nối tiếp, bộ nghịch lưu sẽ có tổng cộng n+1 bậc.
Nghịch lưu dạng tụ thay đổi (flying capacitor)
Bộ nghịch lưu dạng tụ điện thay thế cho các kẹp diode, với trạng thái chuyển mạch tương tự như biến tần kẹp diode Mức điện áp giữa hai chân tụ quyết định dạng sóng điện áp đầu ra, và đầu ra chỉ bằng một nửa điện áp DC đầu vào, đây là nhược điểm của biến tần đa bậc dạng tụ Mặc dù nó có khả năng điều khiển cả dòng công suất tác dụng và phản kháng, nhưng tổn thất chuyển mạch do tần số cao cũng là một hạn chế đáng kể Bộ nghịch lưu n bậc sử dụng (n-1)(n-2)/2 tụ kẹp trên mỗi pha.
Hình 2.2 Sơ đồ khối nghịch lưu dạng Flying capacitor đa bậc
Bộ nghịch lưu dạng nối tầng (cascade inverter)
Bài viết đề cập đến việc sử dụng nhiều bộ nghịch lưu cầu H được ghép nối tầng, mỗi bộ nghịch lưu này hoạt động với nguồn áp DC độc lập và cách ly Nguồn DC thường được cung cấp từ máy biến áp với nhiều cuộn dây thứ cấp độc lập, từ các biến áp riêng lẻ hoặc từ acquy.
Bằng cách kích hoạt các linh kiện trong mỗi bộ nghịch lưu áp một pha, ta tạo ra ba mức điện áp: -Vd, 0 và Vd Sự kết hợp hoạt động của n bộ nghịch lưu áp trong một nhánh sẽ tạo ra n mức điện áp âm (-Vd, -2*Vd, -n*Vd) và n mức điện áp dương.
Bộ nghịch lưu áp dạng cascade bao gồm n bộ nghịch lưu áp một pha trên mỗi nhánh, tạo thành bộ nghịch lưu (2n+1) bậc với mức áp từ Vd, 2*Vd đến n*Vd và áp suất ở mức 0.
Hình 2.3 Sơ đồ khối nghịch lưu dạng nối tầng
Cấu trúc nghịch lưu kiểu ghép tầng không sử dụng diode và tụ điện, mang lại nhiều ưu điểm vượt trội như tiết kiệm linh kiện, dễ dàng điều chỉnh số bậc bằng cách thay đổi số lượng cầu H, đảm bảo chất lượng điện áp đầu ra và công suất lớn Do đó, đồ án này lựa chọn nghiên cứu cấu trúc bộ nghịch lưu dạng ghép tầng.
Theo phương pháp điều chế:
Phương pháp điều chế độ rộng xung (sinPWM hoặc Multicarrier PWM)
Phương pháp điều chế độ rộng xung cải biến (SFO-PWM)
Phương pháp điều chế vectơ không gian (SVPWM).
Phương pháp điều chế độ rộng xung pwm
2.2.1 Điều chế PD-PWM (Phase Disposition)
PD – PWM (Phase disposition) sử dụng các sóng mang đồng pha, mang lại hiệu suất cao trong việc cung cấp điện áp và dòng điện tải Phương pháp này được ưa chuộng nhờ khả năng giảm thiểu độ méo hài, giúp cải thiện chất lượng tín hiệu điện.
Trong phương pháp PD, sóng điều khiển được so sánh với hai sóng mang Khi sóng điều khiển ở bán kỳ dương, nó có sự tương quan với sóng mang có biên độ là 1.
2) Khi sóng điều khiển ở bán kỳ âm, sóng điều khiển được so sánh với sóng mang có biên độ (0, 1) như hình 2.4
Trạng thái của xung PWM 3 bậc được thể hiện ở phương trình (2.1):
0 ( ) dk c abc dk c dk c dk c khi V V
Trong đó: Vdk là sóng điều khiển; Vc là sóng mang; Sabc là xung PWM dạng 3 bậc
Hình 2.4 Đồ thị dạng sóng mang PD, điện áp điều khiển và xung PWM 3 bậc
2.2.2 Điều chế POD-PWM (Phase Opposition Disposition)
POD – PWM (Phase Opposition Disposition) tương tự như phương pháp PD sử dụng sóng mang tam giác Điểm khác biệt chính giữa POD và PD là các sóng mang đối xứng qua trục giữa có pha ngược nhau.
Trong phương pháp POD, sóng điều khiển được so sánh với hai sóng mang tương tự như trong PD Khi sóng điều khiển ở bán kỳ dương, nó so sánh với sóng mang có biên độ (1, 2), trong khi ở bán kỳ âm, sóng điều khiển so sánh với sóng mang có biên độ (0, 1) như thể hiện trong hình 2.5 Trạng thái của xung PWM 3 bậc tương tự như ở phương trình (2.1), nhưng sóng mang Vc1 đã có sự khác biệt.
Hình 2.5 Đồ thị dạng sóng mang POD, điện áp điều khiển và xung PWM 3 bậc
2.2.3 Phương pháp cải biến SFO-PWM (Switching Frequency Optimal)
Phương pháp SFO-PWM sử dụng điện áp điều khiển được cải biến (VxSFO), trong đó mỗi điện áp điều khiển này là sự kết hợp giữa phương pháp sinPWM và một thành phần điện áp bổ sung gọi là điện áp offset (Voffset) Công thức thể hiện mối quan hệ này là: VxSFO = xSFO + Voffset.
Một trong các điện áp offset có thể được chọn bằng cách tính trung bình của giá trị điện áp lớn nhất và nhỏ nhất trong ba điện áp điều khiển.
Trong đó, x là chỉ số pha x=a, b, c
Hình 2.6 Dạng sóng điều khiển giải thuật SFO so với dạng sóng bình thường
2.2.4 Chiến lược giảm số lần chuyển mạch RNS (Reduce Number Switching)
Hình 2.7 Sơ đồ giải thuật giảm số lần chuyển mạch RNS
Trong chiến lược này [4], hàm offset được biểu diễn như phương trình (2.4):
n là số bậc của bộ nghịch lưu
L là trạng thái chuyển mạch mức thấp của pha x
εx là phần dư của tín hiệu điều khiển được tính bởi phương trình:
Sóng hài
Trong hệ thống điện, sóng hài là điện áp hoặc dòng điện có tần số là bội số của tần số cơ bản, thường là 50 Hz Khi dạng sóng lệch khỏi hình sin, chúng xuất hiện sóng hài, gây rắc rối cho hệ thống điện Tần số sóng hài có thể gấp đôi tần số cơ bản, ví dụ như 100 Hz, dẫn đến nhiều vấn đề trong việc vận hành và hiệu suất của hệ thống điện.
2.3.2 Nguyên nhân sinh ra sóng hài
Tải điện xoay chiều được gọi là tuyến tính hoặc phi tuyến tính, tùy thuộc vào cách chúng lấy dòng điện từ dạng sóng của nguồn điện lưới
Trong tải tuyến tính, điện áp và dòng điện có mối quan hệ hình sin, với dòng điện tại mỗi thời điểm tỷ lệ thuận với điện áp, theo định luật Ohm Các ví dụ về tải tuyến tính bao gồm máy biến áp, động cơ và tụ điện.
Tải phi tuyến tính gây ra dòng điện không tỷ lệ thuận với điện áp, dẫn đến sự dao động dựa trên trở kháng tải xoay chiều Dòng điện tạo ra có dạng sóng khác biệt so với điện áp cung cấp, với các xung ngắn đột ngột Những xung này làm biến dạng sóng dòng điện và tạo ra sóng hài, có thể gây ra sự cố điện ảnh hưởng đến thiết bị trong hệ thống phân phối và tải kết nối.
Tải phi tuyến tính bao gồm các thiết bị như bộ chỉnh lưu, ổ đĩa có tốc độ thay đổi, máy tính, máy in, TV, máy chủ và hệ thống viễn thông.
2.3.3 Ảnh hưởng của sóng hài
Sóng hài ảnh hưởng đến các thiết bị khác nhau một cách khác nhau Một số tác động bất lợi do sóng hài gây ra là:
Tụ điện có thể gặp hiện tượng đánh thủng do độ tự cảm của hệ thống cung cấp cộng hưởng với các tần số hài, dẫn đến sự gia tăng dòng điện và điện áp tại những tần số này Hiện tượng này làm tăng nhiệt độ của tụ điện, ảnh hưởng đến hiệu suất và độ bền của nó.
Khi chất điện môi của tụ điện bị khô, khả năng tản nhiệt của nó sẽ giảm Nếu tình trạng này tiếp tục xấu đi, có thể dẫn đến hiện tượng đoản mạch hoặc nổ tụ điện.
Máy biến áp chịu ảnh hưởng của điện áp sóng hài, gây ra điện áp cao hơn và ứng suất cách điện lớn, dẫn đến việc làm nóng máy biến áp Hệ quả là tuổi thọ của máy biến áp giảm, cùng với việc tăng tổn thất đồng và sắt.
Điện áp sóng hài gây ra nhiều vấn đề cho động cơ, bao gồm tăng tổn hao năng lượng và nhiệt độ, đồng thời tạo ra rung động cơ học và tiếng ồn Những yếu tố này dẫn đến mô men xoắn dao động, giảm hiệu suất hoạt động của động cơ, rút ngắn tuổi thọ và làm giảm khả năng cách điện của cuộn dây.
Đồng hồ đo được thiết kế với đĩa cảm ứng được hiệu chỉnh để hoạt động chính xác trên tần số cơ bản Tuy nhiên, sự xuất hiện của sóng hài có thể tạo ra mô-men xoắn không mong muốn trên các đĩa này, dẫn đến hoạt động không chính xác và kết quả đọc sai.
Thiết bị điện tử và điều khiển bằng máy tính thường phụ thuộc vào điểm về 0 của dòng điện hoặc đỉnh điện áp để hoạt động ổn định Tuy nhiên, sự xuất hiện của sóng hài có thể làm thay đổi các thông số này, dẫn đến hoạt động không bình thường và gây hư hỏng sớm cho thiết bị.
2.3.4 Giải pháp giảm thiểu sóng hài
Sóng hài có thể được giảm thiểu và ngăn chặn ở một mức nào đó bằng cách:
Việc lắp đặt cuộn kháng ở đầu nguồn hoặc máy biến áp cách ly nối tiếp không chỉ giúp giảm đáng kể sóng hài mà còn cung cấp lợi ích bảo vệ tạm thời.
- Thêm các bộ lọc để giảm bớt các dòng sóng hài
- Tạo các nhóm tải phi tuyến với mục đích là tách các tải phi tuyến ra
- Thay đổi kích thước tụ điện Đây thường là một trong những lựa chọn ít tốn kém nhất cho cả tiện ích và khách hàng công nghiệp.
Điện áp common – mode trong biến tần
Khi biến tần chuyển đổi nguồn DC sang AC, sẽ xuất hiện sự chênh lệch điện áp giữa nguồn và điểm trung tính của tải, được gọi là điện áp common-mode Yếu tố này rất quan trọng trong các ngành công nghiệp sử dụng động cơ lớn, đặc biệt là động cơ điện từ Việc sử dụng biến tần làm tăng điện áp common-mode, và tùy thuộc vào điều chế độ rộng xung, điện áp này có thể có tần số cao và biên độ lớn, gây ra những ảnh hưởng đáng kể.
Điện áp trục ở phía rôto của động cơ có thể gây ra sự cố nghiêm trọng nếu vượt quá điện áp đánh thủng của chất bôi trơn trong ổ trục Khi đó, dòng điện sẽ xuất hiện trong ổ trục, điều này không chỉ ảnh hưởng xấu đến động cơ mà còn có thể dẫn đến hỏng hóc hoặc trục trặc Hơn nữa, dòng điện trong vòng bi có thể gây hư hỏng cho các bộ phận điện tử kết nối với động cơ.
Bộ nghịch lưu 3 pha 3 bậc có điểm O là trung tính của tải và điểm N là trung tính của bộ nghịch lưu Điện áp giữa trung tính tải và trung tính nguồn được gọi là điện áp common-mode.
Hình 2.8 Sơ đồ khối bộ nghịch lưu 3 pha 3 bậc dạng Cascade kết nối với tải RL
Các điện áp pha tải được tính theo công thức:
Khi tải 3 pha cân bằng, ta có:
Điện áp giữa trung tính tải và trung tính nguồn, ký hiệu là VON = -VNO, được gọi là điện áp common-mode Theo các phương trình (2.6) và (2.7), điện áp common-mode có thể được xác định theo phương trình (2.8).
THIẾT KẾ MÔ HÌNH BỘ NGHỊCH LƯU 3 PHA 3 BẬC
Xây dựng mô hình mô phỏng trên Matlab Simulink
Mô hình bộ nghịch lưu 3 pha 3 bậc được xây dựng và mô phỏng trên phần mềm
Matlab Simulink hoạt động ở chế độ rời rạc với chu kỳ lấy mẫu Ts = 2e-5, bao gồm nhiều khối chức năng như thể hiện trong hình 3.1 Chi tiết về các khối trong mô phỏng được trình bày trong phụ lục A.
Hình 3.1 Mô hình mô phỏng bộ nghịch lưu 3 pha 3 bậc
Các thông số cho hệ thống được thể hiện trong bảng 3.1
Bảng 3.1 Thông số mô phỏng và thực nghiệm
Thời gian lấy mẫu 20 μs Tần số sóng mang 2.5 kHz
Cuộn cảm 268 mH Điện trở 50 Ω
Cấu hình và chức năng cụ thể của từng khối sẽ được làm rõ sau đây
Sóng điều khiển bao gồm 3 sóng sin (Va, Vb, Vc) có biên độ Am = 1.m (với m là chỉ số điều chế), tần số fPHz, và lệch pha nhau 120 0
Sóng mang là sóng tam giác có biên độ Ac, tần số fc và góc lệch pha θ được mô tả bằng phương trình (3.4):
Sóng mang theo phương trình trên có biên độ [-1,1], ta sẽ chuẩn hóa sóng mang trên về biên độ [0,1] như phương trình (3.5):
Từ các phương trình từ (2.1) đến (2.5) ta xây dựng được khối tạo xung PWM của từng giải thuật như sau: a Phương pháp PD
Hình 3.2 Khối tạo xung PWM bằng phương pháp PD b Phương pháp POD
Hình 3.3 Khối tạo xung PWM bằng phương pháp POD
Hình 3.4 Khối tạo xung PWM bằng phương pháp SFO d Chiến lược giảm số lần đóng ngắt IGBT (RNS)
Hình 3.5 Khối tạo xung PWM bằng phương pháp RNS
Xung PWM 3 bậc (Sabc) cần được chuyển đổi để điều khiển việc đóng ngắt các IGBT Mỗi giá trị của Sabc sẽ tương ứng với việc đóng ngắt các IGBT theo bảng 3.2.
Bảng 3.2 Bảng trạng thái đóng ngắt IGBT của pha A
Sabc [Sa1, Sa2] Điện áp ngõ ra
Bộ nghịch lưu 3 pha 3 bậc bao gồm 3 mạch cầu IGBT tương ứng với từng pha Mỗi mạch cầu được điều khiển bằng 2 xung PWM, S1 và S2, cùng với 2 xung đảo tương ứng.
Hình 3.6 Mô hình mạch cầu H pha A
Tải RL bao gồm điện trở R= 50Ω và điện cảm L= 268mH Các giá trị này được lựa chọn để phù hợp với các giá trị trong mô hình thực tế
Biến tần 3 bậc phát ra dạng sóng ngõ ra không phải là sóng sin chuẩn và chứa nhiều nhiễu Do đó, cuộn cảm L được sử dụng để lọc nhiễu và giảm thiểu sóng hài Trong khi đó, điện trở R hoạt động như một tải thực trong mạch.
Hình 3.7 Tải RL trên Simulink
Xây dựng mô hình thực nghiệm
Mô hình bộ nghịch lưu 3 pha 3 bậc cầu H ghép tầng được thiết kế để thực nghiệm và kiểm chứng các giải thuật đề xuất trong đồ án Mô hình thực nghiệm cần đáp ứng các yêu cầu nghiêm ngặt để đảm bảo tính chính xác và hiệu quả của các giải pháp được nghiên cứu.
- Giải quyết các yêu cầu thực nghiệm với giải thuật đề xuất và có thể mở rộng cho các giải thuật khác
- Có được sự ổn định và chính xác cao
- Cấu hình đơn giản, ít xảy ra sự cố
Hình 3.8 Sơ đồ khối mô hình thực nghiệm
Bộ Kit C2000™ LAUNCHXL-F28379D LaunchPad™ của Texas Instrument là giải pháp tiết kiệm chi phí cho nghiên cứu và phát triển ứng dụng kỹ thuật số Kit này phù hợp cho các ứng dụng điện công nghiệp như điều khiển động cơ, biến tần hệ thống PV và xe điện, mang lại hiệu suất cao với chi phí thấp.
Bộ kit C2000™ cho phép nạp các giải thuật từ phần mềm Matlab trên máy tính, tạo ra xung PWM để điều khiển IGBT thông qua các mạch đệm và mạch kích Trong đồ án, nhóm sử dụng các chân P0 – P5 để tạo xung PWM Thông số kỹ thuật chi tiết của kit C2000™ được trình bày trong phụ lục C.
Các thiết lập của file Matlab Simulink cho phần thực nghiệm được trình bày trong phụ lục D
Máy biến áp cách ly chuyển đổi điện áp đầu vào 220Vac thành ba mức điện áp độc lập 15Vac, 0Vac và 5Vac ở đầu ra Các điện áp này sau đó được biến đổi thành điện áp một chiều thông qua diode cầu.
IC 7905 và IC 7815 được sử dụng để ổn định điện áp tại các mức -5Vdc, 0Vdc và 15Vdc cho mạch kích Sơ đồ nguyên lý cùng với sơ đồ đi dây của mạch này có thể được tìm thấy ở phụ lục B.
Hình 3.10 Mạch nguồn mạch kích thực tế
3.2.3 Mạch đệm và mạch kích
Mạch đệm được thiết kế để thực hiện ba chức năng cho từng pha như sau:
- Từ 2 tín hiệu điều khiển cho ra từ kit C2000™ LAUNCHXL-F28379 cho một pha,
IC 74HC14 trên mạch đệm sẽ tạo ra thêm 2 tín hiệu đảo
- Các xung PWM cho ra từ kit C2000™ LAUNCHXL-F28379 có mức điện áp 3.3V sẽ được nâng lên mức điện áp 5V bằng IC 74HC245 để đưa vào mạch kích
IC 74HC245 không chỉ đóng vai trò quan trọng trong việc điều khiển, mà còn bảo vệ bộ kit điều khiển bằng cách ngăn chặn các tín hiệu ngược từ mạch kích tác động lên khi mạch gặp sự cố.
Mạch kích được thiết kế để thực hiện các chức năng sau:
- Các xung điều khiển có mức điện áp 5V từ mạch đệm được đưa vào các Opto TLP
250 để tạo ra xung điều khiển có mức điện áp phù hợp đưa đến các IGBT (Ở đây xung điều khiển này có mức điện áp 20V)
Mạch kích được thiết kế nhằm tạo độ trễ (deadtime) cho các xung kích IGBT, giúp ngăn ngừa tình trạng hai IGBT trên cùng một nhánh dẫn điện, gây ra ngắn mạch Để điều chỉnh giá trị deadtime, chỉ cần thay đổi điện trở và tụ điện trong mạch Trong đồ án này, độ trễ của mạch kích được xác định là 1,5μs.
Sơ đồ nguyên lý, sơ đồ đi dây của mạch đệm và mạch kích được trình bày ở phụ lục B
Hình 3.11 Mạch đệm và mạch kích thực tế
3.2.4 Mạch công suất và nguồn mạch công suất
Bộ nghịch lưu 3 pha 3 bậc cầu H ghép tầng cần sử dụng ba mạch cầu H đi kèm với ba nguồn một chiều hoàn toàn độc lập cho mỗi mạch
Nguồn mạch công suất sử dụng máy biến áp cách ly đầu vào 220Vac, tạo ra ba nguồn xoay chiều 100Vac độc lập cùng với ba mạch chỉnh lưu cầu Mỗi mạch chỉnh lưu được trang bị 4 tụ lọc 450V/470μF, giúp tạo ra điện áp một chiều phẳng và ít gợn sóng.
Hình 3.12 Mạch chỉnh lưu cầu
Mạch công suất sử dụng mạch cầu H với 4 IGBT, trong đó loại IGBT phổ biến được sử dụng là FGA25N150ANTD Loại IGBT này có giá thành rẻ và công suất lớn, có khả năng chịu dòng điện lên đến 50A và điện áp 1200V tại nhiệt độ 25 o C Tầm hoạt động tối đa của nó đạt 100 o C.
Sơ đồ nguyên lý, sơ đồ đi dây của mạch chỉnh lưu cầu cũng như mạch cầu IGBT được trình bày ở phụ lục B
Hình 3.13 Mạch cầu IGBT thực nghiệm
Mô hình bộ nghịch lưu 3 pha 3 bậc đã được thực nghiệm trên tải RL với điện trở 50Ω Cuộn cảm L được sử dụng từ các thiết bị có sẵn, với giá trị đo được là 268mH.
Hình 3.14 Tải RL thực nghiệm
Mô hình thực nghiệm hoàn chỉnh:
Hình 3.15 Mô hình thực nghiệm hoàn chỉnh
KẾT QUẢ MÔ PHỎNG
Kết quả mô phỏng
4.1.1 Phương pháp PD a Chỉ số điều chế m = 0.4
Hình 4.1 Kết quả mô phỏng phương pháp PD tại m = 0.4
Hình 4.1 minh họa biên độ điện áp dây trong chế độ PD với chỉ số điều chế thấp (m 0.4), dao động từ -75V đến 75V và chỉ có dạng 3 bậc Biên độ điện áp pha cũng nằm trong khoảng -75V đến 75V, trong khi điện áp common-mode có biên độ từ -50V đến 50V (±2Vdc/3).
21 điện áp và dòng điện 3 pha trên tải R đều có dạng sóng sin hoàn chỉnh và có biên độ lần lượt là ±15V và ±0.3A
(b) Hình 4.2 Kết quả phân tích FFT phương pháp PD tại m = 0.4 (a) THD điện áp dây
Kết quả phân tích FFT trong Hình 4.2 cho thấy điện áp dây có tổng độ méo hài (THD) là 1.72%, trong khi dòng điện pha có THD là 1.74% trên tải trở.
Hình 4.3 Kết quả mô phỏng phương pháp PD tại m = 0.8
Hình 4.3 minh họa biên độ điện áp dây trong chế độ PD với chỉ số điều chế m = 0.8, dao động từ -150V đến 150V, cho thấy độ đầy đủ hơn so với m = 0.4 Biên độ điện áp pha nằm trong khoảng -75V đến 75V, trong khi điện áp common-mode có biên độ từ -50V đến 50V (±2Vdc/3) Ngoài ra, hình 4.3 cũng chỉ ra rằng điện áp và dòng điện 3 pha trên tải R đều có dạng sóng sin hoàn chỉnh, với biên độ lần lượt là ±30.5V và ±0.6A.
(b) Hình 4.4 Kết quả phân tích FFT phương pháp PD tại m = 0.8 (a) THD điện áp dây
Kết quả phân tích FFT trong Hình 4.4 cho thấy điện áp dây có chỉ số THD là 0.78%, trong khi dòng điện pha có chỉ số THD là 0.85%.
Hình 4.5 Kết quả mô phỏng phương pháp PD tại m = 1
Hình 4.5 cho thấy biên độ điện áp dây trong chế độ PD với chỉ số điều chế m = 1 dao động từ -150V đến 150V, tương tự như khi m = 0.8 Biên độ điện áp pha nằm trong khoảng -75V đến 75V, trong khi điện áp common-mode có biên độ từ -50V đến 50V (±2Vdc/3) Ngoài ra, hình 4.5 cũng chỉ ra rằng điện áp và dòng điện 3 pha trên tải R đều có dạng sóng sin hoàn chỉnh với biên độ lần lượt là ±38V và ±0.76A.
(b) Hình 4.6 Kết quả phân tích FFT phương pháp PD tại m = 1 (a) THD điện áp dây
Kết quả phân tích FFT của điện áp dây và dòng điện pha trên tải trở, như thể hiện trong Hình 4.6, cho thấy chỉ số THD của điện áp dây là 0.74% và THD của dòng điện pha là 0.76%.
4.1.2 Phương pháp POD a Chỉ số điều chế m = 0.4
Hình 4.7 Kết quả mô phỏng phương pháp POD tại m = 0.4
Hình 4.7 cho thấy biên độ điện áp dây trong chế độ POD với chỉ số điều chế thấp (m 0.4) dao động từ -150V đến 150V Biên độ điện áp pha nằm trong khoảng -75V đến 75V, trong khi điện áp common-mode có biên độ -25V đến 25V (±Vdc/3), thấp hơn so với phương pháp PD Ngoài ra, hình 4.7 cũng chỉ ra rằng điện áp và dòng điện 3 pha trên tải R có dạng sóng sin hoàn chỉnh với biên độ lần lượt là ±15V và ±0.3A.
(b) Hình 4.8 Kết quả phân tích FFT phương pháp POD tại m = 0.4 (a) THD điện áp dây
Kết quả phân tích FFT cho thấy điện áp dây có THD là 3.06% và dòng điện pha có THD là 3.09% trên tải trở, như thể hiện trong Hình 4.8.
Hình 4.9 Kết quả mô phỏng phương pháp POD tại m = 0.8
Hình 4.9 minh họa biên độ điện áp dây trong chế độ POD với chỉ số điều chế m = 0.8, dao động từ -150V đến 150V Biên độ điện áp pha nằm trong khoảng -75V đến 75V, trong khi điện áp common-mode có biên độ từ -25V đến 25V (±Vdc/3) Ngoài ra, hình 4.9 cũng thể hiện mối quan hệ giữa điện áp và dòng điện.
3 pha trên tải R đều có dạng sóng sin hoàn chỉnh và có biên độ lần lượt là ±30.5V và ±0.6A
(b) Hình 4.10 Kết quả phân tích FFT phương pháp POD tại m = 0.8 (a) THD điện áp dây
Hình 4.10 trình bày kết quả phân tích FFT của điện áp dây và dòng điện pha trên tải trở Kết quả cho thấy tổng hài (THD) của điện áp dây đạt 1.45%, trong khi THD của dòng điện pha là 1.42%.
Hình 4.11 Kết quả mô phỏng phương pháp POD tại m = 1
Hình 4.11 minh họa biên độ điện áp dây trong chế độ POD với chỉ số điều chế m = 1, dao động từ -150V đến 150V Biên độ điện áp pha nằm trong khoảng -75V đến 75V, trong khi điện áp common-mode có biên độ từ -25V đến 25V (±Vdc/3) Ngoài ra, hình 4.11 cũng thể hiện mối quan hệ giữa điện áp và dòng điện.
3 pha trên tải R đều có dạng sóng sin hoàn chỉnh và có biên độ lần lượt là ±38V và ±0.76A
(b) Hình 4.12 Kết quả phân tích FFT phương pháp POD tại m = 1 (a) THD điện áp dây
Kết quả phân tích FFT của điện áp dây và dòng điện pha trên tải trở, như thể hiện trong Hình 4.12, cho thấy tổng độ méo hài (THD) của điện áp dây là 0.85% và của dòng điện pha là 0.84%.
4.1.3 Phương pháp SFO a Chỉ số điều chế m = 0.4
Hình 4.13 Kết quả mô phỏng phương pháp SFO tại m = 0.4
Hình 4.13 minh họa biên độ điện áp dây trong chế độ SFO với chỉ số điều chế m = 0.4, dao động từ -150V đến 150V Biên độ điện áp pha nằm trong khoảng -75V đến 75V, trong khi điện áp common-mode có biên độ từ -25V đến 25V (±Vdc/3), tương tự như phương pháp POD nhưng có nhiều khoảng bằng 0 hơn Ngoài ra, hình 4.13 cũng thể hiện điện áp và dòng điện 3 pha trên tải.
R đều có dạng sóng sin hoàn chỉnh và có biên độ lần lượt là ±15V và ±0.3A
(b) Hình 4.14 Kết quả phân tích FFT phương pháp SFO tại m = 0.4 (a) THD điện áp dây
Kết quả phân tích FFT của điện áp dây và dòng điện pha trên tải trở, như thể hiện trong Hình 4.14, cho thấy chỉ số THD của điện áp dây là 2.85% và THD của dòng điện pha là 2.87%.
Hình 4.15 Kết quả mô phỏng phương pháp SFO tại m = 0.8
Hình 4.15 minh họa biên độ điện áp dây trong chế độ SFO với chỉ số điều chế m = 0.8, dao động từ -150V đến 150V Biên độ điện áp pha nằm trong khoảng -75V đến 75V, trong khi điện áp common-mode có biên độ từ -25V đến 25V (±Vdc/3) Ngoài ra, hình 4.15 cũng thể hiện mối quan hệ giữa điện áp và dòng điện.
3 pha trên tải R đều có dạng sóng sin hoàn chỉnh và có biên độ lần lượt là ±30.5V và ±0.6A
(b) Hình 4.16 Kết quả phân tích FFT phương pháp SFO tại m = 0.8 (a) THD điện áp dây
Đánh giá kết quả mô phỏng
Bảng 4.1 Tổng hợp các kết quả mô phỏng
PD - PWM POD - PWM SFO - PWM RNS - PWM m 1 0.8 0.4 1 0.8 0.4 1 0.8 0.4 1 0.8 0.4
V AB-peak (V) 150 150 75 150 150 150 150 150 150 150 150 75 Điện áp trên tải trở
Dựa trên các kết quả mô phỏng và bảng 4.1, phương pháp SFO nổi bật với khả năng giảm điện áp common-mode tốt nhất Mặc dù cả SFO và POD đều cho biên độ điện áp common-mode từ -25V đến 25V (±Vdc/3), nhưng sóng điện áp common-mode từ SFO có nhiều khoảng bằng 0 hơn so với POD, như thể hiện trong hình 4.25 (b), (c) Kết quả đo điện áp hiệu dụng common-mode trong bảng 4.1 cho thấy phương pháp SFO có giá trị thấp hơn so với phương pháp POD, và là thấp nhất trong số bốn phương pháp.
Hình 4.25 Dạng sóng mô phỏng điện áp common – mode tại m = 0.8 (a) PD (b) POD
Bảng 4.1 chỉ ra rằng tổng méo hài của các phương pháp tỷ lệ nghịch với khả năng giảm điện áp chế độ chung Cụ thể, phương pháp SFO có tổng méo hài cao nhất, trong khi phương pháp PD lại có tổng méo hài thấp nhất.
Ngoài ra, số lần đóng ngắt của IGBT đối với từng phương pháp cũng được thể hiện trong hình 4.26
Hình 4.26 Số lần đóng ngắt của 1 IGBT trên 1 pha tại mọi chỉ số điều chế
Phương pháp RNS, như thể hiện trong Hình 4.26, có khả năng giảm số lần đóng ngắt của IGBT, từ đó giúp giảm tổn thất chuyển mạch của bộ nghịch lưu Điều này không chỉ làm giảm nhiệt độ hoạt động của IGBT mà còn kéo dài tuổi thọ của thiết bị.
Số lầ n đ ó n g n gắ t củ a IG B T p h a A
KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM
Kết quả thực nghiệm
Kết quả thực nghiệm được đo trên oscilloscope OWON SDS1104.Và các bước để lấy kết quả được trình bày trong phần phụ lục E
5.1.1 Phương pháp PD a Chỉ số điều chế m = 0.4
Hình 5.1 Kết quả thực nghiệm phương pháp PD tại m = 0.4 (a) Điện áp dây (b) Điện áp pha và điện áp common – mode (c) Điện áp 3 pha trên tải R
Kết quả thực nghiệm phương pháp PD tại chỉ số điều chế m=0.4 cho thấy sự tương đồng với kết quả mô phỏng, với biên độ điện áp dây dao động từ -75V đến 75V và biên độ điện áp common-mode từ -50V đến 50V Đồng thời, điện áp 3 pha trên tải R cũng có dạng sóng sin hoàn chỉnh như trong mô phỏng.
(b) Hình 5.2 Kết quả phân tích FFT phương pháp PD tại m = 0.4 (a) THD điện áp dây
Kết quả phân tích FFT trên tải trở cho thấy điện áp dây có tổng hài (THD) là 16.41%, trong khi dòng điện pha có THD là 5.73%.
Hình 5.3 Kết quả thực nghiệm phương pháp PD tại m = 0.8 (a) Điện áp dây (b) Điện áp pha và điện áp common – mode (c) Điện áp 3 pha trên tải R
Kết quả thực nghiệm phương pháp PD tại chỉ số điều chế m=0.8 cho thấy sự tương đồng với kết quả mô phỏng Biên độ điện áp dây dao động từ -150V đến 150V, trong khi biên độ điện áp common-mode nằm trong khoảng -50V đến 50V Đồng thời, điện áp 3 pha trên tải R cũng thể hiện dạng sóng sin hoàn chỉnh giống như trong mô phỏng.
(b) Hình 5.4 Kết quả phân tích FFT phương pháp PD tại m = 0.8 (a) THD điện áp dây
Hình 5.4 trình bày kết quả phân tích FFT của điện áp dây và dòng điện pha trên tải trở, cho thấy tổng méo hài (THD) của điện áp dây đạt 11.58% và THD của dòng điện pha là 4.77%.
Hình 5.5 Kết quả thực nghiệm phương pháp PD tại m = 1 (a) Điện áp dây (b) Điện áp pha và điện áp common – mode (c) Điện áp 3 pha trên tải R
Kết quả thực nghiệm phương pháp PD tại chỉ số điều chế m=1 tương tự như kết quả mô phỏng, với biên độ điện áp dây từ -150V đến 150V và biên độ điện áp common-mode từ -50V đến 50V Điện áp 3 pha trên tải R cũng cho dạng sóng sin hoàn chỉnh giống như trong mô phỏng.
(b) Hình 5.6 Kết quả phân tích FFT phương pháp PD tại m = 1 (a) THD điện áp dây
Hình 5.6 trình bày kết quả phân tích FFT của điện áp dây và dòng điện pha trên tải trở Kết quả cho thấy tổng hài của điện áp dây (THD) là 10.12%, trong khi tổng hài của dòng điện pha (THD) là 4.03%.
5.1.2 Phương pháp POD a Chỉ số điều chế m = 0.4
Hình 5.7 Kết quả thực nghiệm phương pháp POD tại m = 0.4 (a) Điện áp dây (b) Điện áp pha và điện áp common – mode (c) Điện áp 3 pha trên tải R
Kết quả thực nghiệm phương pháp POD tại chỉ số điều chế m=0.4 cho thấy sự tương đồng với kết quả mô phỏng, với biên độ điện áp dây dao động từ -150V đến 150V và biên độ điện áp common-mode từ -25V đến 25V Điện áp 3 pha trên tải R cũng thể hiện dạng sóng sin hoàn chỉnh tương tự như trong mô phỏng.
(b) Hình 5.8 Kết quả phân tích FFT phương pháp POD tại m = 0.4 (a) THD điện áp dây
Kết quả phân tích FFT cho thấy điện áp dây có THD là 18.41% và dòng điện pha có THD là 8.38%, như thể hiện trong Hình 5.8.
Hình 5.9 Kết quả thực nghiệm phương pháp POD tại m = 0.8 (a) Điện áp dây (b) Điện áp pha và điện áp common – mode (c) Điện áp 3 pha trên tải R
Kết quả thực nghiệm phương pháp POD tại chỉ số điều chế m=0.8 cho thấy sự tương đồng với kết quả mô phỏng Biên độ điện áp dây dao động từ -150V đến 150V, trong khi biên độ điện áp common-mode nằm trong khoảng -25V đến 25V Điện áp 3 pha trên tải R cũng thể hiện dạng sóng sin hoàn chỉnh như trong mô phỏng.
(b) Hình 5.10 Kết quả phân tích FFT phương pháp POD tại m = 0.8 (a) THD điện áp dây
Hình 5.10 trình bày kết quả phân tích FFT của điện áp dây và dòng điện pha trên tải trở, cho thấy tổng độ méo hài (THD) của điện áp dây là 12.41% và THD của dòng điện pha là 4.53%.
Hình 5.11 Kết quả thực nghiệm phương pháp POD tại m = 1 (a) Điện áp dây (b) Điện áp pha và điện áp common – mode (c) Điện áp 3 pha trên tải R
Kết quả thực nghiệm phương pháp POD tại chỉ số điều chế m = 1 cho thấy sự tương đồng với kết quả mô phỏng Biên độ điện áp dây dao động từ -150V đến 150V, trong khi biên độ điện áp common-mode nằm trong khoảng -25V đến 25V Điện áp 3 pha trên tải R cũng thể hiện dạng sóng sin hoàn chỉnh, tương tự như trong mô phỏng.
(b) Hình 5.12 Kết quả phân tích FFT phương pháp POD tại m = 1 (a) THD điện áp dây
Kết quả phân tích FFT cho thấy điện áp dây có THD là 10.14%, trong khi dòng điện pha có THD là 4.36%.
5.1.3 Phương pháp SFO a Chỉ số điều chế m = 0.4
Hình 5.13 Kết quả thực nghiệm phương pháp SFO tại m = 0.4 (a) Điện áp dây (b) Điện áp pha và điện áp common – mode (c) Điện áp 3 pha trên tải R
Kết quả thực nghiệm phương pháp SFO tại chỉ số điều chế m=0.4, như thể hiện trong Hình 5.13, tương đồng với kết quả mô phỏng Biên độ điện áp dây được ghi nhận trong khoảng từ -150V đến 150V.
59 độ điện áp common – mode từ -25V đến 25V Điện áp 3 pha trên tải R cũng có dạng sóng sin hoàn chỉnh tương tự như khi mô phỏng
(b) Hình 5.14 Kết quả phân tích FFT phương pháp SFO tại m = 0.4 (a) THD điện áp dây
Kết quả phân tích FFT cho thấy điện áp dây có THD là 17.21%, trong khi dòng điện pha có THD là 7.52%.
Hình 5.15 Kết quả thực nghiệm phương pháp SFO tại m = 0.8 (a) Điện áp dây (b) Điện áp pha và điện áp common – mode (c) Điện áp 3 pha trên tải R
Kết quả thực nghiệm phương pháp SFO tại chỉ số điều chế m=0.8 cho thấy sự tương đồng với kết quả mô phỏng Biên độ điện áp dây dao động từ -150V đến 150V, trong khi biên độ điện áp common-mode nằm trong khoảng -25V đến 25V Điện áp 3 pha trên tải R cũng thể hiện dạng sóng sin hoàn chỉnh tương tự như trong mô phỏng.
(b) Hình 5.16 Kết quả phân tích FFT phương pháp SFO tại m = 0.8 (a) THD điện áp dây
Đánh giá kết quả thực nghiệm
Hình 5.25 So sánh dạng sóng mô phỏng và thực nghiệm phương pháp PD tại m=0.8
Hình 5.26 So sánh dạng sóng mô phỏng và thực nghiệm phương pháp POD tại m=0.8 (a) Mô phỏng (b) Thực nghiệm
Hình 5.27 So sánh dạng sóng mô phỏng và thực nghiệm phương pháp SFO tại m=0.8
Hình 5.28 So sánh dạng sóng mô phỏng và thực nghiệm phương pháp RNS tại m=0.8
Các hình 5.25 tới 5.28 cho thấy dạng sóng đo được từ oscilloscope có sự tương đồng với dạng sóng khi mô phỏng trên Matlab Simulink
Các số liệu cụ thể thu được từ thực nghiệm được tổng hợp trong bảng 5.1:
Bảng 5.1 Tổng hợp các kết quả thực nghiệm
PD - PWM POD - PWM SFO - PWM RNS - PWM m 1 0.8 0.4 1 0.8 0.4 1 0.8 0.4 1 0.8 0.4
V AB-peak (V) 150 150 75 150 150 150 150 150 150 150 150 75 Điện áp trên tải trở
Theo bảng 5.1, phương pháp SFO – PWM tạo ra điện áp chế độ chung nhỏ nhất, xếp thứ nhất Phương pháp POD – PWM đứng thứ hai, trong khi phương pháp RNS – PWM xếp thứ ba, và cuối cùng là phương pháp khác.
PD – PWM Xếp hạng về khả năng giảm điện áp chế độ chung này tương tự như kết quả mô phỏng
Hình 5.29 Dạng sóng thực nghiệm điện áp common – mode tại m = 0.8 (a) PD (b)
Các giá trị sóng hài đo đạc thực nghiệm cao hơn nhiều so với mô phỏng, do cuộn cảm L trong mô hình thực nghiệm chưa được tối ưu Tuy nhiên, kết quả đo THD của điện áp dây và dòng điện pha cho thấy mối quan hệ tỷ lệ nghịch giữa khả năng giảm điện áp common-mode và sóng hài tạo ra Phương pháp SFO ghi nhận giá trị THD cao nhất, tiếp theo là các phương pháp POD, RNS, trong khi phương pháp PD có giá trị THD thấp nhất.