Giảm điện áp common mode cho bộ nghịch lưu 3 pha 3 bậc

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGÀNH CNKT ĐIỆN - ĐIỆN TỬ GIẢM ĐIỆN ÁP COMMON – MODE CHO BỘ NGHỊCH LƯU PHA BẬC GVHD: TS NGUYỄN NHÂN BỔN SVTH : BÙI XUÂN HẢO PHẠM ĐÀI THẾ SKL011239 Tp Hồ Chí Minh, tháng 07/2023 - TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP HỒ CHÍ MINH KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GIẢM ĐIỆN ÁP COMMON – MODE CHO BỘ NGHỊCH LƯU PHA BẬC GVHD: TS NGUYỄN NHÂN BỔN SVTH: BÙI XUÂN HẢO MSSV: 19142308 PHẠM ĐÀI THẾ MSSV: 19142381 Khóa : 2019 Ngành: ĐIỆN – ĐIỆN TỬ Tp Hồ Chí Minh, tháng năm 2023 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TPHCM KHOA: ĐIỆN – ĐIỆN TỬ Họ tên: Ngành: CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM ĐỘC LẬP – TỰ DO – HẠNH PHÚC -✡✡✡ - Bùi Xuân Hảo MSSV: 19142308 Phạm Đài Thế MSSV: 19142381 Công Nghệ Kỹ Thuật Điện – Điện Tử Hệ đào tạo: Đại học quy Khóa: 2019 NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Tên đề tài: “Giảm điện áp common – mode cho nghịch lưu pha bậc” Mục tiêu đề tài: - Xây dựng mơ hình mơ mơ hình thực nghiệm nghịch lưu pha bậc kiểu ghép tầng giải thuật điều khiển cho nghịch lưu phần mềm Matlab Simulink - Giải yêu cầu thực nghiệm với giải thuật đề xuất thông qua kit C2000™ LAUNCHXL-F28379D LaunchPad - Mơ hình nghịch lưu phải tạo điện áp xoay chiều pha ổn định liên tục - So sánh, đánh giá kết mô thực nghiệm - Đánh giá ưu nhược điểm giải thuật Ngày giao nhiệm vụ:………………………………………………………………… Ngày hoàn thành nhiệm vụ:………………………………………………………… Họ tên cán hướng dẫn: TS Nguyễn Nhân Bổn Tp HCM, ngày tháng năm 2023 Giáo viên hướng dẫn Tp HCM, ngày tháng năm 2023 Chủ nhiệm môn ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP.HCM KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ BỘ MÔN: ĐIỆN CÔNG NGHIỆP BẢNG NHẬN XÉT VÀ ĐÁNH GIÁ CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN I TÓM TẮT NỘI DUNG CHÍNH II MÔ TẢ ĐỀ TÀI II.1 Tính cần thiết II.2 Bài toán đặt (Nội dung cần giải quyết) II.3 Kỹ thuật – Phương pháp sử dụng để giải vấn đề II.4 Kết đạt Tp HCM, ngày tháng… năm 2023 Nhóm sinh viên Tp HCM, ngày… tháng… năm 2023 Giáo viên hướng dẫn LỜI CẢM ƠN Trong khoảng thời gian nghiên cứu hồn thiện đồ án tốt nghiệp, nhóm xin gửi lời cảm ơn chân thành đến người đồng hành đóng góp vào thành cơng đồ án Đầu tiên, nhóm em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến Thầy Nguyễn Nhân Bổn Sự hướng dẫn, kiến thức kinh nghiệm quý báu Thầy giúp nhóm qua khó khăn tìm giải pháp thực tế Những đóng góp, gợi ý phản hồi đáng giá Thầy góp phần quan trọng việc hồn thiện đồ án tốt nghiệp Nhóm muốn cảm ơn đến tồn thể quý Thầy Cô khoa Điện – Điện tử, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh, gia đình bạn bè giúp đỡ chúng em nhiều suốt khoảng thời gian năm học qua Những chia sẻ, trò chuyện lời động viên Thầy Cô bạn truyền động lực lớn cho nhóm suốt q trình nghiên cứu Cuối cùng, nhóm muốn gửi lời cảm ơn đến tất tác giả tham gia nghiên cứu cung cấp tài liệu hữu ích lĩnh vực Những đóng góp mở rộng kiến thức tạo nhìn sâu đề tài mà nhóm thực Trên tất cả, nhóm biết ơn người tin tưởng ủng hộ suốt trình i LỜI CAM ĐOAN Chúng em xin cam đoan đề tài nghiên cứu chúng em thực Mọi số liệu kết đưa hồn tồn trung thực khơng chép hay lấy kết với đề tài nghiên cứu trước Các tài liệu tham khảo có trích dẫn Tp Hồ Chí Minh, ngày … tháng … năm 2023 Người thực đề tài (Ký ghi rõ họ tên) ii TÓM TẮT Đề tài đồ án “Giảm điện áp Common – mode cho nghịch lưu pha bậc” xây dựng mơ hình thực tế nghịch lưu pha bậc kiểu ghép tầng nhằm đánh giá giải thuật giảm điện áp Common – mode áp dụng lên mơ hình Việc xây dựng mơ hình nghịch lưu thực nghiệm thực phần mềm Altium Designer, giải thuật viết phần mềm Matlab Simulink để điều khiển nghịch lưu thông qua vi điều khiển F28379D kit C2000™ LAUNCHXL-F28379D LaunchPad hãng Texas Instruments Các kết mô thực nghiệm thu so sánh với để ưu nhược điểm giải thuật iii MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN i LỜI CAM ĐOAN ii TÓM TẮT iii MỤC LỤC iv DANH MỤC HÌNH ẢNH vii DANH MỤC BẢNG BIỂU xii DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT xiii CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN ĐỀ TÀI .1 1.1 Đặt vấn đề .1 1.2 Mục tiêu đề tài 1.3 Nhiệm vụ đề tài 1.4 Phương pháp nghiên cứu 1.5 Phạm vi đề tài .3 1.6 Bố cục CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Lý thuyết biến tần đa bậc 2.1.1 Khái niệm 2.1.2 Phân loại 2.2 Phương pháp điều chế độ rộng xung pwm 2.2.1 Điều chế PD-PWM (Phase Disposition) 2.2.2 Điều chế POD-PWM (Phase Opposition Disposition) 2.2.3 Phương pháp cải biến SFO-PWM (Switching Frequency Optimal) 2.2.4 Chiến lược giảm số lần chuyển mạch RNS (Reduce Number Switching) 2.3 Sóng hài 2.3.1 Khái niệm .9 2.3.2 Nguyên nhân sinh sóng hài 2.3.3 Ảnh hưởng sóng hài .9 2.3.4 Giải pháp giảm thiểu sóng hài 10 iv 2.4 Điện áp common – mode biến tần .10 CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ MƠ HÌNH BỘ NGHỊCH LƯU PHA BẬC 12 3.1 Xây dựng mơ hình mơ Matlab Simulink 12 3.1.1 Sóng điều khiển 12 3.1.2 Sóng mang 13 3.1.3 Khối tạo xung PWM 13 3.1.4 Mạch kích IGBT 14 3.1.5 Khối công suất 15 3.1.6 Tải RL 15 3.2 Xây dựng mơ hình thực nghiệm 16 3.2.1 Kit C2000™ LAUNCHXL-F28379D LaunchPad™ 16 3.2.2 Nguồn mạch kích 17 3.2.3 Mạch đệm mạch kích 17 3.2.4 Mạch công suất nguồn mạch công suất 18 3.2.5 Tải RL 19 CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ MÔ PHỎNG 20 4.1 Kết mô .20 4.1.1 Phương pháp PD 20 4.1.2 Phương pháp POD .26 4.1.3 Phương pháp SFO 32 4.1.4 Phương pháp RNS 38 4.2 Đánh giá kết mô 44 CHƯƠNG 5: KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM 46 5.1 Kết thực nghiệm 46 5.1.1 Phương pháp PD 46 5.1.2 Phương pháp POD .52 5.1.3 Phương pháp SFO 58 5.1.4 Phương pháp RNS 64 5.2 Đánh giá kết thực nghiệm 70 CHƯƠNG 6: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 74 6.1 Kết luận .74 v 6.2 Hướng phát triển tương lai 74 TÀI LIỆU THAM KHẢO .75 PHỤ LỤC A: CÁC KHỐI MÔ PHỎNG TRÊN MATLAB SIMULINK 77 PHỤ LỤC B: SƠ ĐỒ NGUYÊN LÝ VÀ SƠ ĐỒ ĐI DÂY CỦA CÁC MẠCH ĐIỆN .81 PHỤ LỤC C: THÔNG SỐ KỸ THUẬT CỦA CÁC THIẾT BỊ VÀ LINH KIỆN .84 PHỤ LỤC D: TẠO FILE MATLAB SIMULINK CHO THỰC NGHIỆM 91 PHỤ LỤC E: LƯU VÀ XỬ LÝ SỐ LIỆU LẤY ĐƯỢC TỪ OSCILLOSCOPE OWON SDS 1104 .94 vi  Mạch đệm mạch kích Hình B_ Sơ đồ ngun lý mạch đệm mạch kích b, Bottom layer a, Top layer Hình B_ Sơ đồ dây mạch đệm mạch kích 83 PHỤ LỤC C: THƠNG SỐ KỸ THUẬT CỦA CÁC THIẾT BỊ VÀ LINH KIỆN  Thông số kỹ thuật Kit C2000™ LAUNCHXL-F28379D LaunchPad™ Một vài thông số quan trọng: Vi điều khiển chính:  Loại vi điều khiển: Texas Instruments C2000 Delfino TMS320F28379D  Lõi vi xử lý: C28x real-time, CLA (Control Law Accelerator), Floating-Point Unit (FPU)  Tần số hoạt động: 200 MHz  Bộ nhớ Flash: MB  Bộ nhớ RAM: 256 KB Cổng kết nối giao tiếp:  cổng SCI (UART)  cổng SPI cổng I2C  cổng Ethernet cổng CAN  10 cổng ADC (12-bit, 200 ksps)  10 cổng PWM Nguồn cung cấp:  Điện áp hoạt động: 5V (từ cổng USB nguồn bên ngoài)  Giao diện Debug: XDS100v2 Onboard JTAG cổng JTAG ngồi Kích thước vị trí cắm:  Kích thước board: 131mm x 96.5mm  Cổng cắm BoosterPack™ mang tính tương thích, với hỗ trợ cho tiện ích mở rộng khác Phần mềm hỗ trợ:  Texas Instruments Code Composer Studio™ IDE  TI ControlSUITE™ software library  TI MotorWare™ software library  TI C2000Ware™ software library 84 Hình C_ Kit C2000™ LAUNCHXL-F28379D LaunchPad™ Hình C_ Sơ đồ chân Kit C2000™ LAUNCHXL-F28379  Thông số kỹ thuật Diode cầu KBPC3510 35A 1000V (Diode dùng cho mạch nguồn mạch công suất) - Điện áp ngược cực đại: 1000V - Dòng thuận cực đại: 35A - Điện áp rơi thuận: 1.2V - Dòng ngược: 1mA - Dải nhiệt độ hoạt động: -65oC ~ 150 oC 85 Hình C_ Diode cầu KBPC3510 35A 1000V  Thông số kỹ thuật Diode cầu KBP310 3A 1000V (Diode dùng cho mạch nguồn mạch kích) - Điện áp ngược cực đại: 1000V - Dòng thuận cực đại: 3A - Điện áp rơi thuận: 1.1V - Dòng ngược: 5μA - Dải nhiệt độ hoạt động: -55oC ~ 150 oC Hình C_ Diode cầu KBP310 3A 1000V  Thông số kỹ thuật IC7815 - Điện áp ngõ ra: 15V - Điện áp ngõ vào cực đại: 35V - Điện áp ngõ vào tối thiểu: 17V - Dòng điện ngõ ra: 1.5A 86 - Nhiệt độ vận hành tối đa: +125oC - Kiểu chân: TO – 220 Hình C_ IC ổn áp L7815CV  Thông số kỹ thuật IC7905 - Điện áp ngõ ra: -5V - Điện áp ngõ vào cực đại: -35V - Điện áp ngõ vào tối thiểu: -7V - Dòng điện ngõ ra: 1.5A - Nhiệt độ vận hành tối đa: +150oC - Kiểu chân: TO – 220 Hình C_ IC ổn áp L7815CV  Thông số kỹ thuật IGBT 87 Bảng C_1 Thông số kỹ thuật IGBT FGA25N150ANTD Symbol Description VCES Collector-Emitter Voltage VGES Gate-Emitter Voltage Collector Current IC Collector Current TC = 25oC TC = 100oC ICM Pulsed Collector Current IF Diode Continuous Forward Current IFM Diode Maximum Forward Current Maximum Power Dissipation PD Maximum Power Dissipation TC = 100oC TC = 25oC TC = 100oC Value 1200 ±20 50 Units V V A 25 A 75 A 25 A 150 312 A W 125 W -55 to +150 -55 to +150 TJ Operating Junction Temperature Tstg Storage Temperature Range TL Maximum Lead Temp for soldering Purposes, 1/8'' from case for seconds 300 o C o C o C Hình C_ IGBT FGA25N120ANTD  Thông số kỹ thuật IC 74HC245N Bảng C_2 Trạng thái vận hành Chân cho phép Chân điều khiển Trạng thái vận hành hướng DIR L L Tín hiệu từ bus B chuyển sang bus A L H Tín hiệu từ bus A chuyển sang bus B H X Bus A cách ly với bus B 88 Trong đó: H trạng thái mức cao, L trạng thái mức thấp, X trạng thái mà ta không cần quan tâm đến Thông số kỹ thuật: - Điện áp cung cấp: 5VDC (bình thường), 7VDC (cực đại) - Điện áp ngõ ra: Vcc (max) - Nhiệt độ vận hành: -40 oC – 125oC - Công suất: 500mW ~ 750mW - Kiểu chân: DIP20 Hình C_ IC 74HC245N  Thông số kỹ thuật IC 74HC14N Thông số kỹ thuật: - Điện áp cung cấp: 0.5 – 7VDC - Điện áp ngõ ra: Vcc (max) - Dòng điện ngõ ra: ±25mA (max) - Dòng tối đa cung cấp cho chân VCC chân GND: ±50mA - Nhiệt độ vận hành: -55 oC – 125oC - Kiểu chân: DIP14 Hình C_ Sơ đồ chân, sơ đồ nguyên lý bảng trạng thái IC 74HC14 89  Thông số kỹ thuật TLP250 Bảng C_3 Điều kiện hoạt động đề xuất Input current, on Symbol Min Typ IF(ON) Input voltage, off VF(OFF) - VCC 15 - IOPH/IOPL - - Topr -20 25 Characteristic Supply voltage Peak output current Operating temperature Max 10 Unit mA 0.8 V 30 20 ±0.5 70 V A 85 o C Hình C_ 10 Sơ đồ nguyên lý, sơ đồ chân bảng trạng thái TLP250 Hình C_ 11 IC TLP 250 90 PHỤ LỤC D: TẠO FILE MATLAB SIMULINK CHO THỰC NGHIỆM Từ file mô ban đầu, ta cần sửa đổi lại cách phù hợp để nạp cho phần cứng Đầu tiên, ta cần cài đặt lại thơng số cấu hình Matlab Hình D_ Chọn phần cứng phù hợp với thực tế Tiếp theo, ta bỏ khối công suất khối tải file mô thêm vào khối Digital Output phù hợp Hình D_ Tổng quan mơ hình chương trình thực nghiệm Matlab Simulink 91 Lấy khối tín hiệu đầu từ thư viện: Library Browser → Embedded Coder Support Package For Texas Instruments C2000 Processors → F2837xD → Digital Output Hình D_ Chọn khối Digital Output thư viện Trong khối IGBT trên, pha cho xung điều khiển S1, S2 Các xung đưa vào khối Digital Output lấy Trong khối Digital Output, ta thiết lập chân phát xung PWM phần cứng xác định (các chân P0 – P5 tương ứng với kí hiệu GPIO0 – GPIO5) Với pha A, hai xung S1, S2 đưa chân GPIO0, GPIO1 Tương tự với pha cịn lại hình D_4 Các xung đảo phần mô tạo nhờ IC có chức đảo tín hiệu SN74HC14N 92 Hình D_ Cấu hình bên khối IGBT 93 PHỤ LỤC E: LƯU VÀ XỬ LÝ SỐ LIỆU LẤY ĐƯỢC TỪ OSCILLOSCOPE OWON SDS 1104 Kết thực nghiệm đo oscilloscope OWON SDS1104 Kết từ oscilloscope OWON SDS1104 lưu lại dạng bảng giá trị dạng sóng (file.bin) dạng hình ảnh (file.bmp) thơng qua phần mềm OWON Oscilloscope Software hình E_1 hình E_2 Hình E_ Phần mềm OWON Oscilloscope Software Hình E_ Các kiểu lưu file phần mềm Để phân tích FFT đo giá trị THD dạng sóng điện áp dịng điện, ta cần đưa dạng sóng thực nghiệm vào phần mềm Matlab Simulink để sử dụng công cụ FFT Analysis Đầu tiên ta cần mở file.bin dạng sóng cần phân tích FFT lên phần mềm OWON Oscilloscope Software Sau đó, ta chọn View → Data Table → Save as để lưu số liệu dạng file excel 94 Hình E_ Lưu file dạng sóng thực nghiệm dạng file excel Tiếp theo, từ file excel vừa tạo ra, ta vẽ lại dạng sóng cần phân tích FFT phần mềm Matlab hình E_4 Hình E_ Dạng sóng thực nghiệm vẽ phần mềm Matlab từ file excel Sau đó, ta xây dựng mơ hình Simulink hình E_5 Trong đó, khối Repeating Sequence có tác dụng vẽ lại dạng sóng thực nghiệm Simulink từ hai tham số t & v sau chạy chương trình hình E_4 95 Hình E_ Mơ hình Simulink mơ lại dạng sóng thực nghiệm Cuối cùng, ta vào Powergui → Tools → FFT Analysis, để phân tích FFT đo giá trị THD dạng sóng thực nghiệm hình E_6 Hình E_ Kết phân tích FFT điện áp dây phương pháp PD m = 96 S K L 0