Công Nghệ Thông Tin - Kỹ thuật - Kỹ thuật 1 MỤC LỤC MỤC LỤC ........................................................................................................................ 1 DANH MỤC HÌNH ẢNH ................................................................................................ 3 LỜI NÓI ĐẦU .................................................................................................................. 6 CHƯƠNG 1...................................................................................................................... 8 TỔNG QUAN VỀ NGHỊCH LƯU ĐA MỨC................................................................... 8 1.1. Tổng quan về nghịch lưu đa mức ........................................................................... 8 1.2. Phân loại .............................................................................................................. 10 1.2.1. Cấu trúc dạng diode kẹp ................................................................................ 10 1.2.2. Cấu trúc tụ điện thay đổi FC .......................................................................... 11 1.2.3. Cấu trúc dạng cầu H nối tầng......................................................................... 11 1.3. Kết luận ............................................................................................................... 13 CHƯƠNG 2.................................................................................................................... 15 ĐIỀU CHẾ PWM CHO NGHỊCH LƯU ĐA MỨC ........................................................ 15 2.1 Phương pháp Sin-PWM ........................................................................................ 15 2.1.1. Dịch pha sóng mang ( phase shift) ................................................................. 15 2.1.2. Dịch mức sóng mang (Level shift)................................................................. 16 2.2. Phương pháp điều chế vector không gian SVM .................................................... 17 2.2.1 Xác định trạng thái đóng cắt van, trạng thái mức, trạng thái vector chuẩ n ( State switch, State level, State vector) .............................................................................. 18 2.2.2 Tổng hợp vector điện áp đầu ra từ vector trạng thái chuẩn. ............................. 25 2.2.3. Tính toán hệ số điều chế ................................................................................ 31 2.2.4 Nguyên lý phát xung đến các van ................................................................... 32 2 2.3 So sánh giữa SinPWM và SVM ............................................................................ 38 2.4 Kết luận ................................................................................................................ 39 CHƯƠNG 3.................................................................................................................... 40 ỨNG DỤNG FPGA TRONG ĐIỀU CHẾ ...................................................................... 40 3.1. Tổng quan về công nghệ FPGA............................................................................ 40 3.1.1. Lịch sử ra đời ................................................................................................ 40 3.1.2. Ưu điểm FPGA ............................................................................................. 41 3.1.3. Cấu trúc tổng quan FPGA ............................................................................. 41 3.1.4. Ứng dụng ...................................................................................................... 44 3.2. Công cụ lập trình FPGA ....................................................................................... 44 3.2.1. Ngôn ngữ VHDL........................................................................................... 45 3.2.2. Toolbox System Generator for DSP trong MathlabSimulink ....................... 48 3.3. Sơ đồ thuật toán điều chế PWM cho nghịch lưu ba pha ba mức ........................... 49 3.3.1. Sơ đồ thuật toán Sin -PWM .......................................................................... 49 3.3.2. Sơ đồ thuật toán SVM ................................................................................... 50 3.4 Lập trình FPGA điều chế PWM cho nghịch lưu ba pha ba mức............................ 51 3.4.1 Lập trình FPGA cho điều chế Sin-PWM......................................................... 52 3.4.2. Lập trình FPGA trong điều chế vecto không gian SVM ................................. 58 KẾT LUẬN CHUNG ..................................................................................................... 67 TÀI LIỆU THAM KHẢO............................................................................................... 68 3 DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1.1. (a). Nghịch lưu cầu ba pha 2 mức, (b) Điện áp dây đầu ra, ................................ 8 (c) Điện áp pha đầu ra ....................................................................................................... 8 Hình 1.2. Cấu trúc nghịch lưu 11 mức cầu H nối tầng ....................................................... 9 Hình 1.3. Điện áp pha đầu ra 11 mức ................................................................................ 9 Hình 1.4. Sơ đồ cấu trúc bộ biến đổi năm mức 1 pha kiểu diode kẹp .............................. 10 Hình 1.5. Sơ đồ bộ biến đổi 5 mức 1 pha kiểu tụ điện thay đổi ....................................... 11 Hình 1.6. Trạng thái đóng cắt mỗi cell ............................................................................ 12 Hình 1.7. Sơ đồ cấu trúc bộ biến đổi 1 pha 7 mức kiểu cầu H nối tầng ............................ 13 Hình 2.1. Dịch pha sóng mang 3 pha mức ....................................................................... 16 Hình 2.2. Dịch mức sóng mang....................................................................................... 17 Hình 2.3. Sơ đồ xác định các trạng thái đóng cắt van ...................................................... 18 Hình 2.4. Nghịch lưu 3 mức cầu H nối tầng .................................................................... 19 Hình 2.5. Nghịch lưu ba mức cầu H một pha .................................................................. 19 Hình 2.6. Vecto không gian cho nghịch lưu ba mức ........................................................ 25 Hình 2.7. Hệ tọa độ không vuông góc tạo nên các góc phần sáu ( các sector) ................. 25 Hình 2.8. Thuật toán xác định sector lớn ......................................................................... 27 Hình 2.9. Thứ tự các tam giác có trong một sector lớn của nghịch lưu ba mức ................ 27 Bảng 2.4. Xác định thứ tự tam trong sector lớn 1 ............................................................ 28 Hình 2.10. Đồ thị minh họa quá trình tính toán các hệ số điều chế .................................. 29 Hình 2.11. Tổng hợp vector điện áp ra từ ba vector đỉnh của tam giác ............................ 30 Hình 2.12. Nguyên lý phát xung đến các van .................................................................. 32 Hình 2.13. Cấu trúc nghịch lưu ba pha ba mức cầu H ..................................................... 33 Hình 2.14. Bảng chọn tổ hợp trạng thái vector chuẩn ...................................................... 34 Hình 2.15. Thứ tự đóng cắt cho chế độ nghịch lưu 2 mức ............................................... 35 Hình.2.16. Thứ tự thực hiện vector cho Tam giác 1 của Sector 1 .................................... 36 Hình 2.17. Thứ tự đóng cắt cho chế độ ba mức ............................................................... 36 4 Hình 2.18. Thứ tự thực hiện vector trong Tam giác 3 của Sector 1 .................................. 37 Hình 3.1. Cấu trúc tổng quan FPGA ............................................................................... 41 Hình 3.2. Khối CLB........................................................................................................ 42 Hình 3.3. Khối kết nối .................................................................................................... 43 Hình 3.4. Cấu trúc một mô hình hệ thống mô tả bằng VHDL.......................................... 46 Hình 3.5. Khai báo thư viện ............................................................................................ 46 Hình 3.6. Thành phần chính trong System Generator ...................................................... 48 Hình 3.7. Các khối con trong Xilinx Blockset ................................................................. 49 Hình 3.8. Sơ đồ thuật toán điều chế Sin-PWM pha a....................................................... 49 Hình 3.9. Sơ đồ thuật toán SVM ..................................................................................... 50 Hình 3.10. Mã hóa tín hiệu phát xung ............................................................................. 51 Hình 3.11. Sơ đồ khối PWM ........................................................................................... 52 Hình 3.13. Khối tạo sóng Sin pha a bằng DDS Block ..................................................... 53 Hình 3.14. Khối tạo sóng răng cưa .................................................................................. 54 Hình 3.15. Khối logic ..................................................................................................... 54 Hình 3.16. Khối H-BRIDGE ........................................................................................... 55 Hình 3.17. Đồ thị điện áp, dòng điện ra tải và VZN .......................................................... 56 Hình 3.18. Mức điện áp đầu ra ba pha............................................................................. 56 Hình 3.19. Phân tích FFT biên độ Vref là 150, f = 50 hz ................................................. 57 Hình 3.20. Phân tích FFT biên độ Vref là 375V, f = 50 hz .............................................. 57 Hình 3.21. Sơ đồ khối SVM ............................................................................................ 58 Hình 3.22. Khối chuyển tọa độ abc sang alpha-beta ........................................................ 59 Hình 3.23. Khối tính toán hệ số biến điệu ....................................................................... 59 Hình 3.24. Khối transform .............................................................................................. 60 Hình 3.25. Khối LUT theo tối ưu VZN ............................................................................. 60 Hình 3.26. Khối LUT theo tối ưu đóng cắt ...................................................................... 61 Hình 3.27. Khối SVector............................................................................................... 61 Hình 3.28. Khối Pulse ..................................................................................................... 62 Hình 3.29. Điện áp, dòng điện ra tải và VZN theo tối ưu VZN ........................................... 63 Hình 3.30. Điện áp, dòng điện ra tải và VZN theo tối ưu đóng cắt .................................... 63 5 Hình 3.31. Mức điện áp các pha theo tối ưu VZN ............................................................ 64 Hình 3.32. Mức điện áp các pha theo tối ưu đóng cắt ...................................................... 64 Hình 3.33. THD ứng với Vref =150, f=50hz ................................................................... 65 Hình 3..34. THD ứng với Vref =375, f=50hz .................................................................. 65 Hình 3.35. THD ứng với Vref =525, f=50hz ................................................................... 66 6 LỜI NÓI ĐẦU Ngày nay Khoa học – Kỹ thuật ngày càng có những bước tiến vượt bậc nhu cầu sử dụng năng lượng là yếu tố vô cùng quan trọng cho sự phát triển của mỗi quốc gia. Khi nguồn năng lượng hóa thạch truyền thống đang cạn kiệt dần, việc xây dựng và đưa vào các ứng dụng các hệ thống điện dùng năng lượng tái tạo đã trở nên một yêu cầu bức thiết. Các hệ thống năng lượng tái tạo đặc trưng bởi các nguồn phát phân tán trong một lưới điện yếu quy mô tương đối nhỏ. Việc kết nối nguồn phát phân tán trong lưới điện nhỏ có kết nối với lưới quốc gia đòi hỏi có các bộ biến đổi điện năng tin cậy. Nghịch lưu đa mức chính (NLĐM) là các thiết bị biến đổi có thể đáp ứng các yêu cầu này. NLĐM phân nhỏ các bước nhảy điện áp ra phía xoay chiều, giảm được tốc độ tăng điện áp trên tải, các van bán dẫn chỉ phải đóng cắt ở mức điện áp thấp, tần số đóng cắt của các đơn vị mạch lực thấp trong khi vẫn đảm bảo tần số điện áp ra của quá trình điều chế cao. NLĐM được coi như một giải pháp hiệu quả cho các ứng dụng công suất lớn và điện áp cao Các bộ nghịch lưu độc lập là một trong những bộ biến đổi rất quan trọng, có những ứng dụng cấp thiết trong thực tế. Các phụ tải xoay chiều ngày nay yêu cầu nguồn điện cung cấp có điện áp, tần số thay đổi được trong phạm vi rộng. Bên cạnh đó, công nghệ FPGA là một phương án ngày càng được ứng dụng rộng rãi trong Điên tử công suất. Trong thời gian của kỳ học 20172, em được sự phân công và thực hiện Đồ Án Chuyên Ngành với thầy giáo TS. Vũ Hoàng Phương, được thầy hướng dẫn cho đề tài: “Tìm hiểu và ứng dụng FPGA cho nghịch lưu nguồn áp ba pha ba mức sử dụng hai phương pháp SinPWM và SVM”. Nội dung của đồ án gồm 5 chương như sau: Chương 1: Tổng quan chung về nghịch lưu nguồn áp ba pha ba mức Chương 2: Phương pháp điều chế độ rộng xung Chương 3: Ứng dụng FPGA trong điều chế độ rộng xung Kết luận chung 7 Nhờ có sự hướng dẫn tận tình của thầy giáo TS. Vũ Hoàng Phương, đã giúp em nắ m bắt rõ nhiệm vụ và thực hiện đề tài hiệu quả, em xin chân thành cảm ơn thầy rất nhiề u. Bên cạnh đó, mặc dù em đã cố gắng thực hiện đồ án cẩn thận, nhưng do kiến thức và năng lự c còn hạn chế, bản báo cáo khó tránh khỏi những sai sót, em kính mong các thầ y cô, cùng các bạn góp ý thêm nữa. Em xin chân thành cảm ơn 8 CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ NGHỊCH LƯU ĐA MỨC 1.1. Tổng quan về nghịch lưu đa mức Nghịch lưu là bộ biến đổi DC-AC, cung cấp dạng sóng sin đầu ra với biên độ (V), tần số (rads) và pha (a,b,c) từ một nguồn DC. Hình 1.1. (a). Nghịch lưu cầu ba pha 2 mức, (b) Điện áp dây đầu ra, (c) Điện áp pha đầu ra Nghịch lưu đa mức là bộ biến đổi sử dụng chuỗi các van bán dẫn và nhiều nguồ n DC kết hợp lại với nhau đưa ra điên áp có dạng sóng sin đầu ra với chất lượng tốt, các bước nhảy điện áp bé ( dv dt) , hệ số méo sóng hài (THD) thấp. Nghịch lưu đa mứ c không chỉ đạt tới công suất cao mà còn cho phép sử dụng các nguồn năng lượng tái tạo Nguồn DC có thể là PIN, ACQUY, các nguồn điện áp từ năng lượng tái tạo(gió,mặ t trời,..),... 9 Hình 1.2. Cấu trúc nghịch lưu 11 mức cầu H nối tầng Hình 1.3. Điện áp pha đầu ra 11 mức 10 1.2. Phân loại Hiện nay, nghịch lưu đa mức có các cấu trúc phổ biến sau: - Cấu trúc dạng diode kẹp (Neutural Point Clamped Multilevel Inverter-NPC). - Cấu trúc dùng tụ điện thay đổi (Flying Capacitor -FC). - Cấu trúc dạng cầu H nối tầng (Cascade H-Bridge). 1.2.1. Cấu trúc dạng diode kẹp Cấu trúc này được giới thiệu bởi A. Nabae, I. Takahashi và H. Akagi vào năm 1981. Sử dụng thích hợp khi các nguồn DC tạo nên từ hệ thống điện AC. Bộ nghịch lưu đa bậ c chứa các cặp diode kẹp có một mạch nguồn DC được phân chia thành một số cấp điệ n áp nhỏ hơn nhờ chuỗi các tụ điện mắc nối tiếp. Bộ biến đổi điốt kẹp sử dụng các điốt và tụ điện nối tầng để tạo ra nhiều mức điện áp khác nhau. Hình 1.4. là sơ đồ cấu trúc bộ biến đổi điốt kẹp một pha năm mức 1 pha, nó tạo ra các mức điện áp Vdc, Vdc2, 0, -Vdc2, -Vdc. Hình 1.4. Sơ đồ cấu trúc bộ biến đổi năm mức 1 pha kiểu diode kẹp Nếu bộ nghịch lưu được thiết kế sao cho mỗi điốt khóa đều có cùng mức điện áp vớ i các van chuyển mạch, thì điốt Dn sẽ phải tương đương với n điốt mắc nối tiếp nhau. Khi đó dẫn đến số lượng điốt cần có của bộ biến đổi m mức sẽ là 2(m-2). 11 Các ứng dụng tiêu biểu của NLĐM cấu trúc điốt kẹp là: kết nối trung gian giữa đườ ng dây truyền tải điện áp cao một chiều với đường dây truyền tải xoay chiều; dùng trong điề u khiển tốc độ cho động cơ công suất lớn, sử dụng điện trung áp. 1.2.2. Cấu trúc tụ điện thay đổi FC Cấu trúc này được đề xuất năm 1993 bởi Meynard và Foch. Hình 1.5 mô tả cấ u trúc bộ biến đổi đa mức 1 pha dùng tụ điện thay đổi với 5 mức điện áp. Hình 1.5. Sơ đồ bộ biến đổi 5 mức 1 pha kiểu tụ điện thay đổi Với sự kết hợp giữa nạpxả các tụ có thể giúp cân bằng điện áp trên tụ. Tương tự cấu trúc điốt kẹp, ta cũng cần một số lượng lớn các tụ để kẹp điện áp. Với điều kiện áp nạ p trên mỗi tụ là như nhau, một BBĐ m mức cần (m-1)(m-2)2 tụ kẹp trên mỗi pha cùng (m-1) tụ trên bus DC chung. 1.2.3. Cấu trúc dạng cầu H nối tầng Cấu trúc cầu H nối tầng (Cascaded H-Bridge) được cấu thành từ nhiều cầu H mắc nố i tiếp, mỗi cầu H (hay mỗi cell) gồm 4 khóa bán dẫn mắc theo sơ đồ cầu, được cung cấp bở i một nguồn DC. Mỗi cell sẽ tạo ra ba mức điện áp (1,0,-1), các trạng thái đóng cắt ứng vớ i mỗi mức điện áp thể hiện dưới Hình 1.6. 12 Hình 1.6. Trạng thái đóng cắt mỗi cell Hoạt động của n bộ nghịch lưu áp trên một nhánh pha tải sẽ tạo nên n khả năng mức điện áp theo chiều dương, mức điện áp 0 và n khả năng mức điện áp theo chiều âm. Hình 1.7. là cấu trúc một pha của nghịch lưu bảy mức dùng 3 cầu chữ H nối tầng. Các nguồ n DC có thể có giá trị bằng nhau hoặc khác nhau theo một quy luật nhất định. Điện áp đầu ra củ a nghịch lưu m mức là tổng của tất cả các giá trị đầu ra của các mạch cầu. Nếu tất cả các nguồn DC có giá trị bằng nhau thì với m mức trên dạng sóng điện áp đầu ra có một mứ c không là chung khi tất cả các cầu H đều cho đầu ra không, vậy trong nửa chu kỳ sẽ có số mức là (m-1)2, chính là số cầu H thành phần. Như vậy số mức chỉ có thể là số lẻ, ví dụ ba mức (chỉ gồm một cell, n=1), năm mức (hai cell, n=2),... Nghịch lưu đa mức cấu trúc cầ u H nối tầng có thể tạo ra dạng sóng điện áp gần như hình sin từ một số nguồn DC, có thể được lấy từ pin mặt trời, pin nhiên liệu, tụ điện, từ chỉnh lưu với máy biến áp có nhiều cuộ n thứ cấp..., nhưng đều phải đảm bảo yêu cầu các nguồn DC đó cách ly nhau. 13 Hình 1.7. Sơ đồ cấu trúc bộ biến đổi 1 pha 7 mức kiểu cầu H nối tầng 1.3. Kết luận Ngày nay, trong công nghiệp sử dụng các thiết bị công suất cao vì vậy yêu cầu các bộ biến đổi đáp ứng được chất lượng tốt mà còn phải tiết kiệm năng lượng t ối đa. Nghịch lưu đa mức đáp ứng được yêu cầu trên. Nghịch lưu đa mức phổ biến trong các ứng dụng công suất vừa và cao như nối lướ i (tiết kiệm năng lượng), động cơ công suất lớn,…. Giữa các cấu trúc nghịch lưu đa mức ta thấy cấu trúc nối tầng “Dạng nối tầng cầ u H (Cascade Multillevel H-Bridge Inverter)” chiếm ưu thế vì nó có các ưu điểm: - Tiết kiệm được số linh kiện, thể hiện ở Bảng 1.1. - Dễ dàng thay đổi cấu hình, tăng số bậc bằng cách tăng số mạch cầu H. - Đảm bảo chất lượng về mặt điện áp và yêu cầu công suất lớn. 14 Bảng 1.1. So sánh linh kiện 1 pha giữa các dạng nghịch lưu đa mức Vì những ưu điểm trên trong đồ án này em chọn cấu trúc nghịch lưu đa mức dạng nố i tầng cầu H (Cascade Multillevel H-Bridge Inverter) cho nghịch lưu ba pha ba mức. 15 CHƯƠNG 2 ĐIỀU CHẾ PWM CHO NGHỊCH LƯU ĐA MỨC Kỹ thuật điều chế độ rộng xung PWM cho nghịch lưu đa mức gồm 2 phương pháp chính là : điều chế Sin-PWM và điều chế vector không gian SVM. Các dạng PWM nhiề u sóng mang sử dụng cho nghịch lưu đa mức là dịch pha sóng mang và dịch mức sóng mang. 2.1 Phương pháp Sin-PWM Sin-PWM là phương pháp so sánh một sóng sin chuẩn, có tần số bằng tần số ra nghịch lưu mong muốn, với một điện áp răng cưa tần số cao cỡ 2-10Khz từ đó thay đổi được độ rộng xung mở van. Có 2 phương pháp phổ biến để điều chế độ rộng xung Sin-PWM trong nghịch lưu cầ u 1 pha : điều chế đơn cực và điều chế lưỡng cực. Điều chế đơn cực sẽ cho sóng hài t ốt hơn. Vì khi điều chế một cực tính mỗi nhánh nửa cầu được điều khiển bởi tín hiệu PWM bởi 2 răng cưa lệch nhau 180º. Như vậy số răng cưa có thể tăng lên g ấp đôi hay nói cách khác là điện áp đầu ra có tần số gấp đôi tần số chuyển mạch. Do đó điện áp đầu ra cho chỉ số sóng hài tốt hơn. Có hai phương pháp điều chế sóng mang : - Dịch pha sóng mang (Phase-shifted). - Dịch mức (Level- shifted). Phương pháp dịch mức(Level- shifted) sẽ cho hệ số méo sóng hài (THD) tốt hơn so với dịch pha (Phase-shifted). 2.1.1. Dịch pha sóng mang ( phase shift) Theo phương pháp dịch pha tất cả các cầu H đều tuân theo cùng một sóng sin chuẩn. Sóng mang là sóng răng cưa, có (m-1) sóng răng cưa (với m là số mức của NLĐM). Độ dịch pha giữa hai sóng mang liền kề nhau: 360° (
MỤC LỤC MỤC LỤC DANH MỤC HÌNH ẢNH LỜI NÓI ĐẦU CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ NGHỊCH LƯU ĐA MỨC 1.1 Tổng quan nghịch lưu đa mức 1.2 Phân loại 10 1.2.1 Cấu trúc dạng diode kẹp 10 1.2.2 Cấu trúc tụ điện thay đổi FC 11 1.2.3 Cấu trúc dạng cầu H nối tầng .11 1.3 Kết luận .13 CHƯƠNG 15 ĐIỀU CHẾ PWM CHO NGHỊCH LƯU ĐA MỨC 15 2.1 Phương pháp Sin-PWM 15 2.1.1 Dịch pha sóng mang ( phase shift) .15 2.1.2 Dịch mức sóng mang (Level shift) .16 2.2 Phương pháp điều chế vector không gian SVM 17 2.2.1 Xác định trạng thái đóng cắt van, trạng thái mức, trạng thái vector chuẩn ( State switch, State level, State vector) 18 2.2.2 Tổng hợp vector điện áp đầu từ vector trạng thái chuẩn 25 2.2.3 Tính tốn hệ số điều chế 31 2.2.4 Nguyên lý phát xung đến van 32 2.3 So sánh SinPWM SVM 38 2.4 Kết luận 39 CHƯƠNG 40 ỨNG DỤNG FPGA TRONG ĐIỀU CHẾ 40 3.1 Tổng quan công nghệ FPGA 40 3.1.1 Lịch sử đời 40 3.1.2 Ưu điểm FPGA .41 3.1.3 Cấu trúc tổng quan FPGA .41 3.1.4 Ứng dụng 44 3.2 Cơng cụ lập trình FPGA .44 3.2.1 Ngôn ngữ VHDL 45 3.2.2 Toolbox System Generator for DSP Mathlab/Simulink .48 3.3 Sơ đồ thuật toán điều chế PWM cho nghịch lưu ba pha ba mức 49 3.3.1 Sơ đồ thuật toán Sin -PWM 49 3.3.2 Sơ đồ thuật toán SVM 50 3.4 Lập trình FPGA điều chế PWM cho nghịch lưu ba pha ba mức 51 3.4.1 Lập trình FPGA cho điều chế Sin-PWM .52 3.4.2 Lập trình FPGA điều chế vecto không gian SVM .58 KẾT LUẬN CHUNG .67 TÀI LIỆU THAM KHẢO .68 DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1.1 (a) Nghịch lưu cầu ba pha mức, (b) Điện áp dây đầu ra, (c) Điện áp pha đầu .8 Hình 1.2 Cấu trúc nghịch lưu 11 mức cầu H nối tầng .9 Hình 1.3 Điện áp pha đầu 11 mức Hình 1.4 Sơ đồ cấu trúc biến đổi năm mức pha kiểu diode kẹp 10 Hình 1.5 Sơ đồ biến đổi mức pha kiểu tụ điện thay đổi .11 Hình 1.6 Trạng thái đóng cắt cell 12 Hình 1.7 Sơ đồ cấu trúc biến đổi pha mức kiểu cầu H nối tầng 13 Hình 2.1 Dịch pha sóng mang pha mức .16 Hình 2.2 Dịch mức sóng mang .17 Hình 2.3 Sơ đồ xác định trạng thái đóng cắt van 18 Hình 2.4 Nghịch lưu mức cầu H nối tầng 19 Hình 2.5 Nghịch lưu ba mức cầu H pha 19 Hình 2.6 Vecto khơng gian cho nghịch lưu ba mức 25 Hình 2.7 Hệ tọa độ khơng vng góc tạo nên góc phần sáu ( sector) 25 Hình 2.8 Thuật tốn xác định sector lớn .27 Hình 2.9 Thứ tự tam giác có sector lớn nghịch lưu ba mức 27 Bảng 2.4 Xác định thứ tự tam sector lớn 28 Hình 2.10 Đồ thị minh họa q trình tính tốn hệ số điều chế 29 Hình 2.11 Tổng hợp vector điện áp từ ba vector đỉnh tam giác 30 Hình 2.12 Nguyên lý phát xung đến van 32 Hình 2.13 Cấu trúc nghịch lưu ba pha ba mức cầu H .33 Hình 2.14 Bảng chọn tổ hợp trạng thái vector chuẩn 34 Hình 2.15 Thứ tự đóng cắt cho chế độ nghịch lưu mức .35 Hình.2.16 Thứ tự thực vector cho Tam giác Sector 36 Hình 2.17 Thứ tự đóng cắt cho chế độ ba mức .36 Hình 2.18 Thứ tự thực vector Tam giác Sector 37 Hình 3.1 Cấu trúc tổng quan FPGA .41 Hình 3.2 Khối CLB 42 Hình 3.3 Khối kết nối 43 Hình 3.4 Cấu trúc mơ hình hệ thống mơ tả VHDL 46 Hình 3.5 Khai báo thư viện 46 Hình 3.6 Thành phần System Generator 48 Hình 3.7 Các khối Xilinx Blockset 49 Hình 3.8 Sơ đồ thuật toán điều chế Sin-PWM pha a .49 Hình 3.9 Sơ đồ thuật toán SVM .50 Hình 3.10 Mã hóa tín hiệu phát xung .51 Hình 3.11 Sơ đồ khối PWM 52 Hình 3.13 Khối tạo sóng Sin pha a DDS Block .53 Hình 3.14 Khối tạo sóng cưa 54 Hình 3.15 Khối logic .54 Hình 3.16 Khối H-BRIDGE 55 Hình 3.17 Đồ thị điện áp, dòng điện tải VZN 56 Hình 3.18 Mức điện áp đầu ba pha 56 Hình 3.19 Phân tích FFT biên độ Vref 150, f = 50 hz .57 Hình 3.20 Phân tích FFT biên độ Vref 375V, f = 50 hz 57 Hình 3.21 Sơ đồ khối SVM 58 Hình 3.22 Khối chuyển tọa độ abc sang alpha-beta 59 Hình 3.23 Khối tính tốn hệ số biến điệu .59 Hình 3.24 Khối transform 60 Hình 3.25 Khối LUT theo tối ưu VZN 60 Hình 3.26 Khối LUT theo tối ưu đóng cắt 61 Hình 3.27 Khối S_Vector .61 Hình 3.28 Khối Pulse 62 Hình 3.29 Điện áp, dòng điện tải VZN theo tối ưu VZN 63 Hình 3.30 Điện áp, dịng điện tải VZN theo tối ưu đóng cắt 63 Hình 3.31 Mức điện áp pha theo tối ưu VZN 64 Hình 3.32 Mức điện áp pha theo tối ưu đóng cắt 64 Hình 3.33 THD ứng với Vref =150, f=50hz 65 Hình 34 THD ứng với Vref =375, f=50hz 65 Hình 3.35 THD ứng với Vref =525, f=50hz 66 LỜI NÓI ĐẦU Ngày Khoa học – Kỹ thuật ngày có bước tiến vượt bậc nhu cầu sử dụng lượng yếu tố vô quan trọng cho phát triển quốc gia Khi nguồn lượng hóa thạch truyền thống cạn kiệt dần, việc xây dựng đưa vào ứng dụng hệ thống điện dùng lượng tái tạo trở nên yêu cầu thiết Các hệ thống lượng tái tạo đặc trưng nguồn phát phân tán lưới điện yếu quy mô tương đối nhỏ Việc kết nối nguồn phát phân tán lưới điện nhỏ có kết nối với lưới quốc gia địi hỏi có biến đổi điện tin cậy Nghịch lưu đa mức (NLĐM) thiết bị biến đổi đáp ứng yêu cầu NLĐM phân nhỏ bước nhảy điện áp phía xoay chiều, giảm tốc độ tăng điện áp tải, van bán dẫn phải đóng cắt mức điện áp thấp, tần số đóng cắt đơn vị mạch lực thấp đảm bảo tần số điện áp trình điều chế cao NLĐM coi giải pháp hiệu cho ứng dụng công suất lớn điện áp cao Các nghịch lưu độc lập biến đổi quan trọng, có ứng dụng cấp thiết thực tế Các phụ tải xoay chiều ngày yêu cầu nguồn điện cung cấp có điện áp, tần số thay đổi phạm vi rộng Bên cạnh đó, cơng nghệ FPGA phương án ngày ứng dụng rộng rãi Điên tử công suất Trong thời gian kỳ học 20172, em phân công thực Đồ Án Chuyên Ngành với thầy giáo TS Vũ Hoàng Phương, thầy hướng dẫn cho đề tài: “Tìm hiểu ứng dụng FPGA cho nghịch lưu nguồn áp ba pha ba mức sử dụng hai phương pháp SinPWM SVM” Nội dung đồ án gồm chương sau: Chương 1: Tổng quan chung nghịch lưu nguồn áp ba pha ba mức Chương 2: Phương pháp điều chế độ rộng xung Chương 3: Ứng dụng FPGA điều chế độ rộng xung Kết luận chung Nhờ có hướng dẫn tận tình thầy giáo TS Vũ Hồng Phương, giúp em nắm bắt rõ nhiệm vụ thực đề tài hiệu quả, em xin chân thành cảm ơn thầy nhiều Bên cạnh đó, em cố gắng thực đồ án cẩn thận, kiến thức lực hạn chế, báo cáo khó tránh khỏi sai sót, em kính mong thầy cơ, bạn góp ý thêm Em xin chân thành cảm ơn! CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ NGHỊCH LƯU ĐA MỨC 1.1 Tổng quan nghịch lưu đa mức Nghịch lưu biến đổi DC-AC, cung cấp dạng sóng sin đầu với biên độ (V), tần số (rad/s) pha (a,b,c) từ nguồn DC Hình 1.1 (a) Nghịch lưu cầu ba pha mức, (b) Điện áp dây đầu ra, (c) Điện áp pha đầu Nghịch lưu đa mức biến đổi sử dụng chuỗi van bán dẫn nhiều nguồn DC kết hợp lại với đưa điên áp có dạng sóng sin đầu với chất lượng tốt, bước nhảy điện áp bé ( dv /dt) , hệ số méo sóng hài (THD) thấp Nghịch lưu đa mức không đạt tới công suất cao mà cho phép sử dụng nguồn lượng tái tạo Nguồn DC PIN, ACQUY, nguồn điện áp từ lượng tái tạo(gió,mặt trời, ), Hình 1.2 Cấu trúc nghịch lưu 11 mức cầu H nối tầng Hình 1.3 Điện áp pha đầu 11 mức 1.2 Phân loại Hiện nay, nghịch lưu đa mức có cấu trúc phổ biến sau: - Cấu trúc dạng diode kẹp (Neutural Point Clamped Multilevel Inverter-NPC) - Cấu trúc dùng tụ điện thay đổi (Flying Capacitor -FC) - Cấu trúc dạng cầu H nối tầng (Cascade H-Bridge) 1.2.1 Cấu trúc dạng diode kẹp Cấu trúc giới thiệu A Nabae, I Takahashi H Akagi vào năm 1981 Sử dụng thích hợp nguồn DC tạo nên từ hệ thống điện AC Bộ nghịch lưu đa bậc chứa cặp diode kẹp có mạch nguồn DC phân chia thành số cấp điện áp nhỏ nhờ chuỗi tụ điện mắc nối tiếp Bộ biến đổi điốt kẹp sử dụng điốt tụ điện nối tầng để tạo nhiều mức điện áp khác Hình 1.4 sơ đồ cấu trúc biến đổi điốt kẹp pha năm mức pha, tạo mức điện áp Vdc, Vdc/2, 0, -Vdc/2, -Vdc Hình 1.4 Sơ đồ cấu trúc biến đổi năm mức pha kiểu diode kẹp Nếu nghịch lưu thiết kế cho điốt khóa có mức điện áp với van chuyển mạch, điốt Dn phải tương đương với n điốt mắc nối tiếp Khi dẫn đến số lượng điốt cần có biến đổi m mức 2(m-2) 10