TÔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN cứu
Tổng quan tình hình nghiên cứu trên thế giới
Các bộ nghịch lưu truyền thống được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng công nghiệp như điều khiển động cơ, bộ lưu điện (UPS), hệthống xe điện,vànăng lượng tái tạo v.v Tuy nhiên, với bộ nghịch lưu ba pha ba truyền thống gồm 6 khóa bán dẫn Slx-S2x được thể hiện trong Hình 1-1 có những mặt hạn chế nhất định sau: hai khóa đóng ngắt trong cùng một nhánh (S1 và S4) không được đóng cùng lúc, vì khi đó sẽ dẫn đến ngắn mạch làm hưhỏng các thiết bị, điện ápcommon mode còn cao là nguyênnhân dẫn đến một loạtcác sựcố như sinh ra dòng ra, làm hư hỏng ổ bi [1], nhiễu điệntừ (EMI) [2]. Đối với những nguồn năng lượng tái tạo như pin mặttrời (PV), pin nhiên liệu v.v.điện áp ngõ racủa các dạng năng lượng này là điện áp một chiều, không được ổn định và phụ thuộc nhiều vào môi trường làm việc Sử dụng các nguồn năng lượng tái tạo nầy để chuyển đổi thành nguồn điện xoay chiều 220/380Vac, đòi hỏi phải có một nguồn điện áp một chiều phải có giá trị lớn hơn 310Vdc (Giá trị điện áp đỉnh sau khi qua bộ chỉnh lưu của điện áp 220 Vac)[l] Tuy nhiên, để có điện áp một chiều có giá trị như vậy, chúng có thể được thực hiện bằng cách mắc nối tiếp các tấm pin mặt trời với nhau, đồng nghĩa với điện áp xoay chiều220/380Vactừ nguồn điện áp thấp, người tathường dùng một máy biến áp có tần số (50Hz) để có thể năng áp lên thành nguồn điện 220/380Vac, được thể hiện trong hình 1-2.
KHÓI NGUÒN B$ MẤY BIẾN ÁP TẢI XOAY
Hình 1.2 Mô phỏng sơ đô hoạt động của bộ nghịch lun truyên thông sử dụng bộ tăng áp một chiêu Đểtăng khả năng ứng dụng của nghịch lưu trong các nguồn năng lượng tái tạo [3], noi mà điện áp một chiều có giá trị thấp cần chuyển đổi sang điện áp xoay chiều cótrị số cao,giảm điện áp common mode (CMV)đượctạo rabởi điện áp giữatrung tính tải vàtâm nguồn DC, chính điều nàysẽ ảnh hưởngđến sự ổn định củahệ thống [4], sinh ra dòng rò, làm hư hỏng ổ bi Do vậy, đề tài này đề xuất một mô hình nghịch lưu baphaba bậc hình
Tứng dụngkỹ thuậtvectorkhông gian nhằm giảmđiện áp common mode (nhỏ hon 17% so vớiđiệnápđầu vào), có khảnăng cung cấp dòng điện, điện áp ngõ ra hình sin với tổng độ méo hài THD thấp (dưới 5%), hoạt động có tổn chuyển mạch thấp, hiệu suất cao (>95%), có khả năng hoạt động voinhiềuloại tảiđầu rakhác nhau vàcó bộ lọc ngõ ra nhỏ.
Mô hình nghịch lưu này được mô phỏng dựa trên phần mềm mô phỏng điện tử công suất Psim và quá trình thực nghiệm mô hình được chế tạo dựa vào vi điều khiển DSP TM320F28379D củahãng TexasInstruments.
1.2 Tỗng quan tình hình nghiên cứu trong nuớc
Trongnhữngnăm gần đây, sự phát triển mạnh mẽ của các nguồn năng lượng tái tạo làm cho cácbộ nghịch lưu truyền thốngbaphađóngvai tròrất quan trọng trong hệ thống phân bố công suấtbời vì chúng đóng vai trò chuyển đỗi nguồn công suất DC thành nguồn công suất AC đề kết nối lên lưới Bộnghịch lưu đabậc có nhiều uu điểm như là chất lượng điện năng tốt, yêu cầu bộ lọc ngõ ra nhỏ, tỗn hao chuyển mạch khôngđángkể, điện áp và công suất ngõ ra cao, nhiễu điện từ (EMI) nhỏ Bộ nghịch lưu này thưòìig được sử dụng rộng rãi ưong công nghiệp như là trong hệthốngphân bố công suất, động cơ AC, nguồn chuyển đổi trong xeđiện, trong các hệ thốngnăng lượng tái tạo (PV), nhưng nguồn cung cấp và lưu trữ điện áp(UPS).
Trong thực tế, bộ nghịch lưu truyền thống thông thường chỉ cung cấp chuyển đỗi công suất giảm áp bởi vì điện ápđỉnh của AC ngõ ra khôngthể cao hơn điện áp nguồn DC, điều này gây ra nhưng khó khăn trong nhũng úng dụngliên quan đến hệ thống năng lượng tái tạo, nơi mà điện áp ngõ vào thấp cần được chuyển đỗi thành nguồn điện áp ngõ ra AC mong muốn Theo một số bài báo trong [1 ] [5] chỉ cung cấpchuyển đổi hai chặng mà việc chuyển đỗi đó rấtkhó choviệcđiềukhiển dosự độclập củahai bộ biến đổi Mặt khác, các mô hình nghịch lưu bapha truyền thống là các mô hình có hiệu suất thấp, tổng độ méo hài không đạt yêu cầu (THD > 9%),điện áp common modecòn lón dẫnđến các sự cố ngoàiý muốn khi do việc sinhra dòng rò ảnhhưởngđến việc sử dụng trong côngnghiệp vàhộ gia đình.Do đó, việc đảm bảo chấtlượngbộ chuyển đỗi nghịch lưu tốt là vấn đềcần quan tâm hàngđầutrong các hệ thốngsử dụng nguồn năng lưọng táitạo.
Với những vấn đề nêu trên để ứng dụng các nguồn năng lượng tái tạo trong việc: nghịch lưu nối lưới, xe điện, điều khiển động cơ AC.V.V., những bộ biến đỗi DC/DC và bộ nghịch lưu DC/AC nguồn ápđóng một vai tròrấtquan ưọng và được mô tả ở Hình 1.3.
] DC-DC ] DC-AC ] Bộ be ngõ ra ] Lưới3pha mặt trời m J (UPS) m J m J m J ỵ ' m J
Hình 1.3 Cấu trúc hệ thống của bộ nghịch luu
1.3 Đánh giá kết quả các công trình nghiên cứu đã côngbố
Cácthiết kếcủa bộnghịch lưuba pha ba bậc hìnhT trên sửdụng các linhkiện chuyên dụng như thiết kế [5] củahãng Texas Instruments thực hiện dựa trên vi điều khiển DSP điều khiển PWM cho bộ nghịch lưu này, giao tiếp truyền thôngnối tiếp(SCI) qua các cổng của PIC16F87A đểtheo dõi chấtlượng điện áp đầu ra, tổng độ méo hài (THD), dòng điện , Tuy nhiên, những nghiên cứu trên sử dụng nhữnglinh kiện chuyên dụng củatừng hãng khác nhau nên rất khó để nâng cấp lên hay chủ động được về công nghệ, phụ thuộc còn quá nhiều vào khảnăng sản xuất linh kiện của hãng Ở Việt Nam các sản phẩm về nghịch lưu ba pha ba bậc hình T được quan tâm và nhiều công trìnhnghiên cứu trong những năm gần đây Với nhiều ưu điểm trong việc giảm điện áp common mode, hạn chế được dòng rò, tuy nhiên vẫn còn nhiều hạn chế như độ phức tạp của thuật toán tối ưu chi chưong trình điều khiển Vì vậy, nhóm đề ra đề tài để giải quyết hạn chế đã nêu trên, làm tiền đề cho những nghiên cứu sau này từ đó làm chủ đượccông nghệ.
Đánh giá két quả các công trình nghiên cứu đã công bố
2.1 Nội dung 1: Đánh giá tổng quan các cấu hình nghịch lưu truyềnthống và các giải thuật điều khiển qua nhữngkết quả nghiên cứu trong nước và quốc tế.
- Cáctiếp cận: Tham khảo tài liệu trên các trang CƠ sở dữ liệu; các tài liệu kỹ thuật của công ty hoặccác hãng sản xuất và các thư viện khoa học chuyên ngành điện.
- Phương phápnghiên cứu, kỹ thuật sử dụng: Phương pháp thư thập dữ liệu thứ cấp; phương pháp phân tích và tổng hợp; tham khảo các bài báo trong nước và quốc tế liên quan.
- Kết quả: Báo cáo tổng quan về các cấu hình nghịch lưu truyền thống, giải thuật điều khiểndùng trongcông nghiệp, năng lượng tái tạo.
2.2 Nội dung 2: Nghiên cứu về cảm biến dòng điện, điện áp và vi điều khiển TMS320F28379Dcủa hãng Texas Instruments.
- Cách tiếp cận: Dựa trên tài liệu của hãng sản xuấtlinh kiện và các trang cơ sở dữ liệu củahãngTexas Instruments về bộ điều khiển và các thư viện khoa học liên quan đến
- Phươngpháp nghiên cứu, kỹ thuật sử dụng: Phươngpháp nghiên cứu tài liệu, tham khảo các ví dụ của nhà sản xuất đềxuâtvà các công ty liên quan.
- Kết quả: Báo cáo tổng quan về cảm biến dòng, điện áp, và vi điều khiển TMS320F28379Dcủa hãng Texas Instruments.
2.3 Nội dung 3: Đe xuấtphương án chế tạo mô hình nghịch lưu ba pha ba bậchình T.
- Cách tiếp cận: Tham khảo các tài liệu kỹ thuậtvàthiếtkế của nhà sản xuất hoặc của các công ty lớn liên quan đến bộ nghịch lưu ba pha ba bậc hìnhT.
- Phương pháp nghiên cứu, kỹ thuật sử dụng: Phương pháp thu thập dữ liệu thứ cấp, phươngphápnghiên cứu thựcnghiệm, phân tích nghiên lý hoạt động của mô hình, thiếtkế và lựa chọn các thông số linh kiện tối ưu cho mô hình nghịch lưu hình T.
- Kết quả: Dữ liệu mô hìnhbộ nghịch lưu ba pha ba bậc hình T được đềxuất, báocáo
NỘI DUNG THựC HIỆN, PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN cứu
2.1 Nội dung 1: Đánh giá tổng quan các cấu hình nghịch lưu truyềnthống và các giải thuật điều khiển qua nhữngkết quả nghiên cứu trong nước và quốc tế.
- Cáctiếp cận: Tham khảo tài liệu trên các trang CƠ sở dữ liệu; các tài liệu kỹ thuật của công ty hoặccác hãng sản xuất và các thư viện khoa học chuyên ngành điện.
- Phương phápnghiên cứu, kỹ thuật sử dụng: Phương pháp thư thập dữ liệu thứ cấp; phương pháp phân tích và tổng hợp; tham khảo các bài báo trong nước và quốc tế liên quan.
- Kết quả: Báo cáo tổng quan về các cấu hình nghịch lưu truyền thống, giải thuật điều khiểndùng trongcông nghiệp, năng lượng tái tạo.
2.2 Nội dung 2: Nghiên cứu về cảm biến dòng điện, điện áp và vi điều khiển TMS320F28379Dcủa hãng Texas Instruments.
- Cách tiếp cận: Dựa trên tài liệu của hãng sản xuấtlinh kiện và các trang cơ sở dữ liệu củahãngTexas Instruments về bộ điều khiển và các thư viện khoa học liên quan đến
- Phươngpháp nghiên cứu, kỹ thuật sử dụng: Phươngpháp nghiên cứu tài liệu, tham khảo các ví dụ của nhà sản xuất đềxuâtvà các công ty liên quan.
- Kết quả: Báo cáo tổng quan về cảm biến dòng, điện áp, và vi điều khiển TMS320F28379Dcủa hãng Texas Instruments.
2.3 Nội dung 3: Đe xuấtphương án chế tạo mô hình nghịch lưu ba pha ba bậchình T.
- Cách tiếp cận: Tham khảo các tài liệu kỹ thuậtvàthiếtkế của nhà sản xuất hoặc của các công ty lớn liên quan đến bộ nghịch lưu ba pha ba bậc hìnhT.
- Phương pháp nghiên cứu, kỹ thuật sử dụng: Phương pháp thu thập dữ liệu thứ cấp, phươngphápnghiên cứu thựcnghiệm, phân tích nghiên lý hoạt động của mô hình, thiếtkế và lựa chọn các thông số linh kiện tối ưu cho mô hình nghịch lưu hình T.
- Kết quả: Dữ liệu mô hìnhbộ nghịch lưu ba pha ba bậc hình T được đềxuất, báocáo
2.4 Nội dung 4: Mô phỏng bộ nghịch lưu ba pha ba bậc hình T sử dụng phương pháp điều chế vector không gian dựa trên phần mềm mô phỏng điện tử công suất Psim.
- Cách tiếp cận: Mô phỏng trên phần mềm mô phỏng điện tử công suất Psim và xây dựng mô hình nguyên lý cho hệ thống.
- Phương pháp nghiên cứu,kỹthuậtsử dụng: Phươngpháp mô phỏng và thựcnghiệm, phươngphápphân tích và tổnghợp, mô phỏng trên phần mềm môphỏng điện tử công suất Psim sửdụng ngôn ngữ c, xâydựngmô hìnhnguyên lý của hệthống và phân tích nguyên lí hoạt độngcủa hệ thống.
- Kết quả: Dữ liệu mô phỏng, có được các thông số tối ưu của hệ thống và các linh kiện phù hợp cho mô hình nghịch lưu ba pha ba bậc hình T.
2.5 Nội dung 5: Xây dựng mô hình thựcnghiệm cho bộ nghịch lưu ba pha ba bậc hìnhT sử dụng vi điều khiển TMS320F28379D và kiểm chứngthực nghiệm.
- Cáchtiếp cận: Tham khảo các mô hìnhnghịch lưu ba pha ba bậc hình T đãcó trong nước và thế giới, đặcbiệt là các bản thiết kế từ nhữngcông ty lớn Dựa trên những cơ sở nêu trên, nhóm sẽ xây dựng lại mô hình thực nghiệmcho bộ nghịch lưu ba pha ba bậchình
T, áp dụng kết quả mô phỏng từ phần mềm điện tử công suất Psim, vận dụng vào điều khiển mô hình nghịch lưu hình T thực.
- Phương pháp nghiên cứu, kỹ thuật sử dụng: Phương pháp thực nghiệm, phương pháp phân tích và tổng hợp, xây dựng mô hình với các chi tiết được hoàn thiện, so sánh đánh giá với cáccông trình nghiên cứu khác.
- Kết quả: Mô hình phần cứng của bộ nghịch lưu ba pha ba bậc hình T, lấy các hình ảnhvà dữ liệu thực nghiệm từ các thiết bị đo.
2.6 Nội dung 6: Viết báocáo tổng thể và bào báo khoa học.
- Các tiếp cận: Tiếp cận từ lý thuyết, mô phỏng kiểm chứng, phân tích, so sánh với các nghiên cứu trước đó.
- Phương pháp nghiên cứu, kỹ thuật sử dụng: Phương pháp phân tích và tổng hợp, viếtbáo cáo.
- Kết quả: Báo cáo tổng kết của cácnội dung nghiên cứucủa đềtài.
2.7 Nôi dung 7: Biên soạn hương dẫn sử dụng mô hình nghịch lưu ba pha ba bậc hình T sử dụng phương pháp điều chếvector không gian.
- Các tiếp cận: Dựa trên nguyên lý hoạt động của mô hình, hướng dẫn sử dụng của các mô hình trước đó.
- Phương pháp nghiên cứu, kỹ thuật sử dụng: Phương pháp phân tích và tổng hợp, hướng dẫn vận hành mô hình cho bộ nghịch lưuba pha ba bậc hình T và phương pháp điều chế vector khônggian.
- Kết quả: Hướng dẫn sử dụng mô hình cho bộ nghịch lưu ba pha ba bậc hình T và phương phápđiều chế vector không gian.
TỎNG QUAN VÈ GIẢI THUẶT VECTOR KHÔNG GIAN VÀ PHƯƠNG PHÁP ĐẺ XUẤT
Cấu hình nghịch lưu ba pha ba bậc hình T
3.1.1 Sơđồ của bộ nghịch lưu ba pha ba bậchình T
Hinh 3.1 Cấu trúc bộ nghịch lưu ba pha ba bậc hình T (T-Type).
MÔ hình nghịch lưu ba pha ba bậc Hình T đượcmô tả ở Hình 3-1 bao gồm ba nhánh cho ba pha điện áp Mỗi nhánh gồm 4 MOSFETS được xếp theo hình chữ T Nguồn điện áp một chiều DC cung cấpcho bộ nghịch lưu được chiathành2 cấp điện ápnhỏ bằng2 tụ điện (C1 vàC2) Từ đó, tacó ba cấp điện áp VDC/2, 0 và-VDC/2 [7].
Với cấu hình nghịch lưu ba pha ba bậc hình T đãđược trình bày ở trên bên thì hai khóabán dẫn trên cùng mộtnhánh (Slx và s4x, slx và S2X7 s3x và s4x) là không cho phép đượcdẫn trong một thời điểm vì nếu các nhanh nêu trên dẫn cùng lúc sẽ xảy rahiện tượng ngắn mạch làm hư hỏng các thiết bị. Điện ápngõ ramộtpha của nghịch lưu ba pha ba bậc được xác định theo công thức (3.1)[8].
Với m làtỷ số điều chế, VDC làđện ápngõ vào. Đối với những nguồn năng lượng tái tạo như: pin mặttrời (PV), pin nhiên liệu (Fuel Cell) , điện áp ngõ ra của các dạng năng lượng này là điện áp một chiều có giátrị điện áp thấp, không ổn định và phụ thuộc theo thời gian, phụ thuộc vào môi trường làm việc. Khi sử dụng các nguồnnănglượng này để chuyểnđồi thànhđiện áp xoay chiều220V/380V đòi hỏi một điện áp một chiều khi đưavào bộ nghịch lưu phải có giá trị lớn hon 539 VDC với tỷ số điều chế m= 1 (VDC = 1' 22^v'2 ~ 539 PZ)C)[8].
3.1.2 Nguyênlý hoạt độngcủa bộ nghịch lưu ba pha ba bậc hình T
Nghịch lưu ba pha ba bậc hình T được thực hiện bằng cách thêm hai thiếtbị chuyển mạch vào phần sau của bộ nghịch lưu sáu khóa và điểm trung tính của nguồn một chiều được tạo bởi các tụ điện vào Hai thiếtbị chuyển mạch này kết hợp với cấu hình 6 khóa truyền thống có thể điều khiển dòng điện bằng cách bật hoặc tắt một trong hai thiết bị chuyển mạch trên, cấu hình nghịch lưu này cho phép chia nguồn điện đầu vào thành hai phần bằng nhau vì điện áp tham chiếu giống hệ nhau Hình 3.1 thểhiện cấu hình đãnêu ở trên [9].
Hình 3.2 Sơ đồ tương đương 1 pha của bộ nghịch lưu ba pha ba bậc hình T
Việc bổsung thêm hai thiết bị chuyển mạch sẽ làm phức tạp đi vềviệc điều khiển của hệ thống, nhưng khi đơn giản hóa sơ đồ của bộ nghịch lưu ba pha ba bậc hìnhT, ta có thể chứng minh, minh họa được rằngviệcđiều khiển bộ nghịch lưu hình T này vềcơ bản không phứctạp hơn cáccấu hìnhbộnghịch lưu truyền thống [10].
Trong sơ đồ tương đương 1 pha được thể hiện trong Hình 3-2, ta có thể nhận thấy rằng các dạng điện áp của bộ nghịch lưu nàylà: +VDC, -VDCvà o Cácdạng điện áp ngõ ra này có thể được thực hiện bằng các đóng các khóa chuyển mạch six S2x, S3x và S4x tươngứng Ví dụ, muốn đạt được điện áp ngõ ra là +VDC thì six và S2x được đóng lại, S2x và S3x đóng lại khi điện áp ngõ ra được nối với điểm trungtính và s3x và S4x sẽ tạo ramức điện áp là -VDC [10].
TrongHình 3.3 bắt đầu với điệnáp pha được kếtnối với nguồn +DCbằng cách đóng các khóa six và S2x , dẫn đến dòng điện đầu ra từ hệ thống dương Để chuyển sang kết nối với điểm trung tính o thì six được mở ra và sau một khoảng thời gian trễ S2x được đóng lại Quá trình chuyển mạch này cho phếp dòng điện chạy tự nhiên qua S2x và diode mắc song song với S3x[10].
Hình 3.6 Six On, S2x On, S3x Off và S4x Off
Hình 3.8 Six Off, S2x On, S3x On và S4x Off Đối với dòng điện âm được trình bày ở các Hình 3.6, Hình 3.7 và Hình 3.8, trình tự chuyển mạch tương tự cóthể được sử dụng Khi S3x đóng, dòng điện chạy qua nó và diode mắc song song với S2x chứ không phải là diode cửa six.
Hình 3.10 Six Off, S2x On, S3x Off và S4x On
Có thể quan sát thấy rằng dòng điện chạy từ điểm trung tính o ra đến tải Khi đó S2x và S3x bắt đầu đóng như trong hình 3.9 và sau khoảng thời gian trễ S3x được mởranhưng dòng điện vẫn chạy qua diode mắc song song với nó như Hình 3.10 Việc đóng six bây giờ sẽ làm cho quá trình chuyển đổi dòng điện từN sang +DC như trong Hình 3.11.
Hình 3.12 Six Off, S2x On, S3x On và S4x Off
Hình 3.13 Six On, S2x Of, S3x Off và S4x On
Hình 3.14 six On, S2x On, S3x Off và S4x Off
Trong Hình 3.12 S2x và S3x bắt đầu đóng lại, lúc này chiều điện chạy ngược từ tải và điểm trungtính o Sau khoảng thời gian trễ, S3xbắt đầu mở ra làm cho dòng điện lúc này chạy qua diode mắc song song với sixnhư hình 3.13 Sau đó, six đóng lại và dòng điện vẫn giữ nguyên phưong như trên được thể hiện qua Hình 3.14.
Tất cả 4 trạng thái chuyển mạch ở trên đãnêu từ(DC+ sang N,N sang DC+, với cả dòng thuận và dòng ngược) điều có chung hai trạng thái chuyển tiếp, sơ đồ chuyển mạch đơn giản Điều nàycũng đúng với các quá trình chuyển dổ từ -VDC sang điểm trung tinh o Bằngcách duy trì việc này, mô hình dễ dàng thông quacác chu trình chuyển đổi trạng thái củamạch và độtrễ giữa các sự kiện chuyển mạch đượcmô tả ở trên là tất cả những gì cần thiết để tránh các sự cố ngắn mạch xảy ra Tuy nhiên, để tăng tính an toàn trong quá trìnhchuyển đổi, ta có thể bổ sung thời gian chếtvàophần mềm điều khiển một cách tương đối là dễ dàng.
Mộtlợi ích nữa từ môhình nghịch lưu ba pha ba bậc hình T này là khi hoạt động thì S2x và S3x không bao giờ chuyển đổi trạng thái mạch cùng lúc Lợi ích nàygiảm điện áp đặt lên chúng cũng như công suất củanguồn cung cấpđể điều khiển các thiết bị này một cách cóhiệu quả.
3.1.3 ứng dụngcủa nghịch lưu ba pha ba bậc Hình T (T-type).
Bộ nghịch lưu baphaba bậc hình T được sửdụng rộng rãi trong các ứng dụng công nghiệp và nănglượngtái tạonhư trongviệc chuyển đổi DC/ACtừ các tấm pin năng lượng mặttròi (PV), pin nhiênliệu,sử dụng trong việc điều khiểntốcđộđộng cơ, cho băng truyền tự động v.v.v
Phương pháp sử dụng vector không gian truyền thống cho bộ nghịch lưu 24 1 Lý thuyết về vector không gian
Hình 3.15 Giản đồ vector cho TL-T2I
Việc đóng/ ngắt các khóa trên các nhánh nghịch lưu sẽ tạo ra điện áp tương ứng tại ngõ ra so với tâm nguồn, đối với mạch nghịch lưu ba bậc hình T,trong đó điện ápngõ ra sẽ có ba giá trị được đại diện bởi ba trạng thái làp,o và N được thể hiện trongBảng 3.1. Trong đó p đại diện cho mức điện áp dương tại ngõ ra, o đại diện cho mức điện ápov và
N làmức điệnápâm tại ngõ ra Tập hợp trạng thái ngõ ra của 3 pha sẽ tạo được mộtvector đại điện cho trạng thái hoạt động củamạch nghịch lưu Vì mỗi pha có 3 trạng thái, do đó, mạch nghịch lưu 3 bậc có thể hoạt động ở 27 trạng thái khác nhau vàmỗi trạng thái được biểu diễn dưới dạng vectorbằng biều thức sau[l1]:
U = |(^0 + UB0 e2"3n + uco.e~2^3^ (3.2) Bảng 3.1 Trạng thái kích đóng/ngắt của TL-T2I (x=a,b,c)
Kích đóng các khóa chuyên mạch
31% $2x $3x $4x p ON ON OFF OF VDC/2 o OFF ON ON OFF 0
N OFF OFF ON ON -VDC/2
Vị trí của mỗi vector trên Hình 3.15 có tọa độ [Va, Vpị được xác định bởi phương trình[l 1]:
(3.3)Trong đó l/4ỡ, VB0, vco là điện áp ngõ ra so với tâm nguôn của mạch nghịch lưu ba pha ba bậc hìnhT.
Bảng 3.1 Biên độ các vector điện áp củamạch nghịch lưu 3 pha 3 bậc
Vector Trạngthái Biên độ Vector
Trạng thái Biên độ v0 PPP, NNN, ooo 0
Với Vref là điện áp tham chiếu đại diện cho điện ápngõ ra ba pha của bộ nghịch lưu so vói tâm của tải đượctính theo phưong trinhfl 1]:
Trong đó VAG, VBG, VCG là sóng hài một pha của điện áp ngõ ra được tính toán theo công thức[l1] :
Với m là tỷ số điều chế [12]:
Thay biều thức (3.4) và biều thức (3.5), ta hoàn toàn có thể chứng minh được, với giá trị thay đổi từ 0 cho đến 2ĩĩ của góc ỡ và giá trị biên độ cố định là m.VDC/ự3 của
Vref có thể đượcbiều diễn dưới dạng phưong trình như sau[12]:
Vref = mv-^.ei° (3.7) Ý tưởng chủ yếu của kỹ thuậtvector không gian là dùng một điện áptham chiếu Vref có biên độ không đổi và góc pha dao động từ 0 cho đến 2ĩi đại diện cho điện áp ngõ racác thiết bị nghịch lưu ba pha Vref sẽ thay đổi trong giản đồ vector không gian được thể hiện ởHình 3-15, giản đồ vector khônggian sẽ đượcphân tách làm nhiều phần nhằm thuận lợi choquá trình tổnghợp Vref Việc phân loại này phụ thuộc vào mục tiêu của việc tính toán, ví dụ, để giảm THD điện áp ngõ ra hoặc giảm biên độ CMV, Giả sử, giản đồ vector trong ví dụ trên được chia làm 6 sector được đánhsố từ I đến VI, moi sector được chialàm
4 phần được đánh số từ 1 đến 4, được biểu diễn trong Hình 3.16.
Tùy thuộc vào vị trícủa Vref mà nó sẽ được tổng hợpbởi cácvector thànhphần Giả sử, Vref nằm trong sector 1 và vùng 2, lúcnày vector điện áp tham chiếu Vref đượctổng hợp bởi các vector thành phần là Vo,14, 14 như hình 3.16 Trong khoản thời gian lấymẫu, điện áp ngõ ra được kế hợp bởi ba vector điện áp phải trùng với điện áp tham chiếu Vì vậy, phương trình thời gian củaVref được biểu diễnnhư sau[13]:
Vref Ts — Vỵ Ta + 14• Tb + Vy Tc (3 8)
Hình 3.16 Tong hợp vector ở Sector I
Trong đó Ts là chu kỳ đóng/ngắt của các khóabán dẫn của nghịch lưu ba pha, Ta,
Tb, Tc làthời giantồn tại của cácvector 77 trong một chu kỳ Ts Dựa vào biểu thức trên tacó thể tính toán thời gian tác dụngcủa các vector thành phần trongvùng 2củasector
Thời gian tồn tại của các vector thành phần khi vectortham chiếu Vref nằm trong các sectorkhác cũng được thực hiện theonguyên tắc này Bảng3.2 trình bày thời gian tác dụng khi vref nằm trong sector I.
Bảng3.2 Thời gian tác dụng trong sector I
2 Ts — 2.m.sin(ớ) 2.m.sin(^ + ớ) — Ts Ts — 2.m.sin(^— ớ)
3 2.m.sin(ớ) — Ts 2.m.sin(| — ớ) 2.Ts-2.m.sinể+ớ)
4 2:TS —2.m.sin(^ + ớ) 2.m.sin(ớ) 2.m.sin(^ — ớ) — Ts
Neu tính toán được thời gian củacác vùng thì trình tự chuyển mạch phải được xác định Tuy nhiên, bộ chuyển đổi có một số trạng thái chuyển mạch dự phòng nên cómột số tùy chọn để xác định trình tự chuyển mạch Trình tự chuyển đổi có thể được sắp xếptheo mục tiêu tối ưu nhất định, ví dụ, tổn thất chuyển mạch tối thiểu hoặc độ méo hài tổng tối thiểu (THD) Ví dụ, để đạtđược THD thấp, tất cả cáctrạng thái chuyển mạch có liên quan được sắp xếp để tạo thành chuỗi chuyển mạch Trình tự chuyển mạch trong các vùng của khu vực A được sắpxếp như sau [15]:
Vùng 1: PPO-POO-OOO-OON-ONN-PPO
Vùng 2: PPO-POO-PON-OON-ONN-PPO
Vùng 3: PPO-PPN-PON-OON-PPO
Vùng 4: POO-PON-PNN-ONN-POO
Sau khi xác định thời gian tồn tại của moi vector trong một chu kỳ sóng mang thỏa mãn phưong trình (3.9), các vector 14, 14, 14 sẽ được xắp xếp theo một trật tự tùy ý vào một chu kỳ Ts Khi đó, tại mỗi thời điểm bất kỳ, luôn luôn xác định được duy nhất một vectortrạng thái hoạt động của mạchnghịch lưu.Từ đó,xácđịnh được trạng thái đóng/ngắt của các khóa trong mạch.
3.2.2 Phương pháptạo xung SVPWM truyền thống
Tín hiệu điều khiển xung có thểđược tạo bằng cách sử dụng bộ tạo xung điện xung để kích hoạt các công tắc Ví dụ: trình tự chuyển mạch ởvùng 2có thể được sắpxếp như minhhọatrong Hình 3.17, do đó cóthể dễ dàng tạo ra các tín hiệu xung đối xứng Như đã chỉ ratrongtên của cấutrúc liên kết, mỗi phacó ba mức điện áp, cần có hai máy phát xung điện để sản xuất Lấy pha B trong Hình 3.17 làm ví dụ, dạng sóng có thể được phân tách thành hai dạng sóng hai cấp,có thể được tạo ra dễ dàng bằng cách sử dụng hai bộ tạo xung điện xung nhưtrong Hình 3.17 Theo trình tự chuyển đổi được sắp xép theo mô hình đối xứng, xung có thể đạt được cài đặt thời gian kích hoạt cho mỗi công tắc trong khu vực A như được nêu trong Bảng3.3[16].
Hình 3.18 Sơ đồ trạng thái chuyển đối của khóa
Phưong pháp giảm điện áp common mode bang vector không gian
Với việc điều khiển bằng vector không gian truyền thông đãnêu ởtrên, thì lúc này điên áp CMV sẽ đượcgiaođộng trongvi +VDC/2 và -VDC/2 Vì điện áp CMV lớpnên là nguyên nhân chính dẫn đến dòngrò xuất hiện, điều này làm ảnh hưởng đến quá trình điều khiển động cơ, làm méo dạng điện áp đầu ra, THD lớn, nhiễu EMI v.v Cho nên việc cải thiện điện áp CMV rất quan trọng đối với bộ nghịch lứu và phần tiếp theo củabài báo cáo sẽ nêu raphương pháp để giảm điện áp CMV dưới đây.
3.3 Phươngpháp giảmđiện áp common mode bằng vector khônggian.
3.3.1 Điện áp common mode Điện ápcommm mode là quá trìnhchuyển đổi của bộ nghịch lưu từ điện áp DC thành
AC, điều này sẽ làm xuất hiện sự chêch lệch điện áp giữa nguồn điện và điểm trung tính của tải Điện áp commom mode này được tínhnhư sau[17]:
Trong đó VAG, VBG, VCG là điện áp đầu ra của từng pha của bộ nghịch lưu ba pha. Dựavào công thức(3.10), có thể tính biên độ điện áp common modecủa bộ nghịch lưu ba pha ba bậc hình T được tạo rabởi các vector thànhphần nhưtrong Bảng 3.4 Theo các giátrị CMV trong bảng thì giátrị lớn nhấtcủa CMVlà +VDC/2 đạt được bằng các sử dụng vector zero [PPP] và [NNN] Các vector nhỏ cóbốn giátrị điện ápCMVlà: +VDC/6 và +VDC/3 Các vector lớn cũng tạo ra CMV +VDC/6 Các vector trang bình và vector zero [OOO] có giá trị CMV là0 [18].
Bảng 3.4 CMV của nghịch lưu ba pha ba bậc hình T
Vector Trạngthái CMV Trạng thái CMV Trạngthái CMV
Zero [OOO] 0 [PPP] +VDC/2 [NNNJ -VDC/2
[POO] +VDC/6 [PPO] +VDC/3 [OPO] +VDC/6
[OPP] +VDC/3 [OOP] +VDC/6 [POP] +VDC/3
[ONN] -VDC/3 [OON] -VDC/6 [NON] -VDC/3
[NOO] -VDC/6 [NNO] -VDC/3 [ONO] -VDC/6
[PNN] -VDC/6 [PPN] +VDC/6 [NPN] -VDC/6
[NPP] +VDC/6 [NNP] -VDC/6 [PNP] +VDC/6
3.3.2 Phương phápđiều chế độ rộng xunggiảm điện ápcommon mode được đề xuất.
Phương pháp điều chế vector không gian (SVPWM) được đề xuấtbào gồm sử dụng vector lơn, vector trung bình vàvector zero [OOO] và bỏ qua các vector nhỏmà không gây ảnhhưởng gì trong quá trình chuyển đổi giữa các khóavới nhau. Đối với phương pháp được đề xuất, các khu vựcvector không gian được định nghĩa và hiển thị trong Hình 3.19 Trong đó mỗi khu vực bao gồm các vector LMZ (lớn, trung bình và không) lệch với nhau một góc là “ và khi phân tích từng khu vực của các vectorLMZ,taphát hiện một chuỗicác vector giống hệt nhaucó thểđược xác địnhbằng giữacác khu vực lẻ (sector 1, sector 3, sector 5, sector 7, sector 9, sector 11) và các khu vực chan(sector 2, sector 4, sector 6, sector 8, sector 10, sector 12) được thể hiện một cách chi tiết trong Hỉnh 3-20[19].
Hình 3.19 Phân chia khu vực trong SVPWM LMZ
Hình 3.20 Khu vục của sector 1 và sector 2
Giả sử, vector Vref nằm ở khu vực 1 nhưHình 3.20 (a) Lúc này, sẽ được biểu diễn theo phưong trình sau [20]:
= r/13 ítIz + V7 tMIz + Lo ÍZ(Z (3.11) Với
Trong đó v13, v7, Vq, là lượt là các vector lớn, vector trung bình và vector không của từng khu vực trong không gian và có thể được tínhnhư sau [20]:
Thời gian của các vector lớn (V13), vector trung bình (V7), và vector không (Vo) có thể được tính như sau [20]:
' tLV = my[Ỉ.Ts.sin(^ — ỡ) tMV = 2msin Ts(tf) (3-14)
Trong đó tLV,tMV, tzv lần lượt là thời gian của các vector lớn(V13), vector trung bình (V7) và vector không (Vo) Ts là chu kì chuyển đổi trong thòi gian 0 < ớ < 7, m là tỷ số điều chế,có thể được định nghĩalà[20]:
*dc Độ lớn cực đại của vector điện áptham chiếu Vref bằng độ dài của vector trung bình và đượcthể hiện như sau [20]:
Thay thế công thức số (3.15) và công thức số (3.16) tatìm được tỷ số điều chế lớn nhất là[20]:
Giátrị RMS lớn nhất của điện áp giữa cácdây phavói nhau được tạo rabởi phưong pháp điều chế đượcđề xuấtcó thể được tính băng côngthức như sau[20]:
Cóthềnhận thấyrằng, việcsử dụnggiản đồ được được đề xuấttrong phương pháp cũng giống với giản đồ trongphươngphương vector không gian đã được trình bày trong phần cơ sở lý thuyết vềvectorkhông gian ở trên Mặc dù phương pháp nàykhông sử dụng cácvector nhỏ để tổng họp vector điện áp tham chiếu vref thì các liên kết về các vấn đềchuyển mạch hay điệnáp không bị ảnh hưởng nhiều.
Trong giản đồ vector khônggian được đề xuất trong Hình 3-19, trình tự chuyển đổi đượcchọnưong khuvực I là [000] - [PON] - [PNN] -[PON] - [000] và thòi gian chuyển đổi trạng thái cácpha A, B, c được thể hiện trong Hình 3-21 [21 ].
Hình 3.21 Trình tự chuyển mạch ở khu vực 1
Trong Hình3-21, ta nhận thấyrằng độ rộngxungdương ở phaAvà độ rộng xung âm của phac có thời gian dùng để chuyển đổi là như nhau.
Tiếptheo, ta tiếptục xét vectorđiện áp tham chiếu Vref nằm trongkhi vực II, được tổng họp bởi các vector thành phần là vector lơn p14, vector trung bình v7và vector không vữ theo phưong trình[22]:
Trong đócác vector y14, v7, vo được tính theophương trình [22]:
Thời gian của các vector lớn (ỸĨ7),vector trung bình (y7\ và vector không (Vo) có thể được tính như sau[22]:
{ tMV tzv t ư = = = 2msinỌ^- Ts- mv3Tsin(d rì - T2 — (3-21) Ởđõychu kỡ chuyển đỗi trong khoảng 7 ô ớ < 7-
Trình tự chuyển đỗi được chọntrong Khu vực2 là [000] -[PON] - [PPN] - [P0N]
- [000], và thời gian chuyển đổi trạng thái củaphaA, B, c được hiển thị trong Hình 3-
Hình 3.22 Trình tự chuyển mạch ở Khu vực 2
Sau khi xácđịnh thời gian tôn tại của môi vector trong cácchu kì sóng mang, các vector V q , V7, 713 và vector V q , 1/7, Ị714 được sắpxếptheo một trật tự theo mỗi chu kỳ Khi đó, tại mỗi thời điêm bất kỳ trong các khu vực ta luôn luôn xác định đượcduy nhất một vector thể hiện trạng thái hoạt độngcủa mạch nghịch lưu ba pha ba bậc hìnhT Từ dó, xác đinh được thời gian tồn tại của các vector và trình tự chuyển mạch của các khóatrong phưong phápđiều chế SVPWM được đề xuất trong Bảng 3.5 [23],
Bảng 3.5 Tóm tắt thời gian tồn tại của các vector và trình tự chuyển mạch của phưong pháp vector không gian được đề xuất
Thời gian tồn tại của vector lớn (tLV)
Thời gian tồn tại của vector trung bình
Thời gian tồn tại của vector không (tzv)
Trình tự chuyển đổi các trạngthái
6 t MV = 2msín.Ts(ỡ) tzv — ts ~ ^LV ~ tf4V
6 t MV = 2msin.Ts w | a 1 tzv = ts — ^LV ~ ^MV
6 t MV = 2msin.Ts(0') tzv = ts ~ ^LV ~ tf4V
6 t MV = 2msin.Ts w | 3 1 C ồ tzv = t-s ~ ^LV ~ tM V
000 -OPN- NPN- OPN - 000 and return
0 tMV = 2msin.Ts(0) tzv = ts ~ ^LV ~ ^MV
6 t MV = 2msin.Ts w | $ 1 C ù tzv — ~ ^LV ~
000-NP0-NPP- NPO - 000 and return
7 t LV = y/3.Ts.sin( — — ổ) t MV = 2msin.Ts(0') tzv = ts — t LV — tMV
OOO-NOP-NPP-N0P-000 and return
6 t MV = 2msin.Ts w | 3 1 tzv — ts ~ Cv ■ — tfrỉV
6 t MV = 2msín.Ts(ỡ) tzv — ts ~ Lv — tfriV
000 - 0NP - NNP- 0NP - 000 and return
10 = ^3- T s - ® t MV = 2msin.Ts w|a 1 tzv = ts ~ Lv ■ — tf4V
000-0NP-PNP- ONP - 000 and return
6 t MV = 2msin.Ts(0') tzv — L — Lv — Í m V
000 - PNO -PNP- PNO - 000 and return
6 t MV = 2msin.Ts 1 tzv = t s — t LV — tMV
000-PNO- PNN- PNO - 000 and return
Việc triển khai tổngthể phương pháp SVPWM đượcđềxuất được hiển thị trong Hình 3.17 Đầu tiên, ba điện áp đầu ra vàdòng điện mong muốn được đọc vàbằng ADC được truyền sang trụcap đểxác định vectơtham chiếu bằng cách sử dụng phép biến đổi abc/ap, như trong Hình 3.17 Dựa trên vị trí củavectơtham chiếu, ba các vectơ gần nhất được xác định để điều khiển điện áp đầu ra Lưu ý rằng chỉ những vectơ có CMVthấp và đượcgiới hạn trong phạm vi +-VDC/6 Thứ hai,thời gian dừng của các vectơ ứng cử viên được tính theo cách tương tự như trong Bảng 3.4 Thứ ba, trình tự chuyển mạch đã được xác định, được trình bày trong Bảng 3.5 Chi tiết của phương pháp này được trình bày trong phần 3.3.2 và được trình bày bằng sơđồ khối trongHình 3.23 Tấtcả các bước này là đủ để thực hiện chiến lược điều khiển SVPWM được đề xuất
Hình 3.23 cấu trúc tổng quát bộ điều khiển của mô hình
3.3.3 Két luậnvề hai phương phápđược trình bày
Với phương pháp vector không gian đầutiên, tacó thể nhận thấy rằng đối với vector khônggian truyền thống khi đưa vào mô phỏng hay một mô hình thực nghiệm thì điện áp CMV của nó dao động từ ± VDC/ 2 Điều này làm xảy ra các vấn đề về EMI,dòng ra sinh ra lớn làm ảnh hưởng đén động cơ như làm hỏng ổbi trong trục, chất lượng điện áp đầu ra thấp không đạt tiêu chuẩn, sử dụngcác bộ lọc lớn, chi phí cao.
Với giải thuật được đề xuất,việc sử dụng cácvectorlớn, trung bình và vector không đã giới hạn điện áp CMV trong khoản ± VDC/ 6 Nhờ việc giới hạn CMV ±VDC/ 6 làm cho dòng điệnrò rấtnhỏnên việcảnh hưởng đến tuổi thọ của động cơ không đáng kể, chất lượng điện áp được cải thiện, các bộ lọc nhỏ, chi phí ít hơn.
THIẾT KẾ MÔ HÌNH
Mạch công suất
4.2.1 Tính toán cho mạch TL-T2I
Sau đây là các thông số thiết kế mạch TL-T2I
Bảng 4.2 Thông số kỹ thuậtmạch công suất Điện áp đầu vào Vd 400 VDC Điện ápngõ ra v out 200VAC
Công suất cực đại 1 p out lkw
Tần số chuyển mạch fs 20kHz
■ Thiết kế bộ lọc LC
Trong các hệ thống có các bộ nghịch lưu thì bộ lọc LCthường đóng vai trong việc suy giảm sóng hài, cùngvới việc giảm kích thước thiết kếtổng thể sovới thiết kếtruyền thống khác Tuy nhiên, do tính chất của cuộn cảm và tụ lọc nên phải cẩn thận trong quá trình tínhtoán Hình 4.1 thể hiện bộ lọc LC điển hình[24]. lin ** lout *1 Vin Cf—!~ Vout
Hình 4.1 Bộ lọc ngõ ra LC
Cuộn cảm Lf được tính toán dưới dạng công thức sau [25]:
Sử dụng các thông số trong Bảng 4.2 ta có thể tính toán giá trị chính xác của cuộn cảm[25]. ĩ 8*20000*2*40%
Tụ lọc Cf được tínhtoán tưong tự bằng các sử dụngcông thức sau [25]: c _ %x*Qrated / 2*fsw*Irate*%rtpple
Giả sử trong để có thể tính được giá trị của Cf, người ta đã giói hạn tổng công sức phản kháng màtụ điện hấp thụ ởmức 5% (%x) Khi chiatỷ lệ tổng côngsuất hệthống theo công suất mỗi phata cóthể tính được giátrị củatụ như sau [25]:
Hình 4.2 Bô lọc ngõ raLC thục ú
Sic MOSFET Đehỗ trợ điện ápliên kết DC củabộ nghịch lưu, ta cóthe sửdựng các linh kiện bán dẫn MOSFET hoặcIGBT Tuy nhiên, ỏ các cấp điện áp lơn, việc chuyển đổi sang SiC lả cân thiêt bời các yeu to sau[26]
- Tồc độ chuyểntnach của S1CMOSFET nhanh hơn đáng kể so VỚI các MOSFET và IGET thôngthường, làtn gi ảm đi tồn thất chuyển mạch.
- Điện áp ngược phục hồi nhở trong S1C MOSFET lảm giảm đi hiện tương điện áp vàdòng điện vọt 1 ố
- Sựphụ thuộcvào nhiệt độ thấp hơn ỏmức đầy tà do ton thất được giảm, xuống Các cong tắc ở giữa chỉtiếp xúc một nữa điên, áp liên kếtDC Như vậy, thiếtkế
Sí cđẩy đù m ang 1ại hiêu suất tốtnhất nhờ những tính năng tương tự.
Theo cáctiêu chí lưa chọn MOSFET đãnói ở trên và bảng tonthat trong Bảng Ọ Collector
Tổn thất dẫn điện bởi thời gian hoạt động của MOSFET,dòng điện trở mạch và điện trở bậtđượctính như sau [26]
^ton_th.at_dan ~ ” • Jo K:e(t).Zc(t).PQ(t)dt (4.5)
• Vce là độ sụp áp trên MOSFET
• T là thểhiệnmột chu kỳ điều chế
Tổn thất trên MOSFET được xác định bởi năng lượng chuyển mạch của thiếtbị và điện áp chuyển mạch tại điểm kiểm ha và được biểu thị bởi côngthức sau [26]:
D _ (pon~ Eoff)lpeakfswVDC ,, r ton_that_FEr - „, ' t4 - 0 )
Trong Hình 4-3 và Hình 4-4 thể hiệnmột vídụ về biều đồ đượcsử dụng để hích các giá trị năng lượng chuyển mạch của SicMOSFET
S w it c h in g E n e rg y L o s s e s [m J ] S w it c h in g E n e rg y L o s s e s [m J ]
Hình 4.4 Chuyển đổi năng lượng vói dòng điện
Tổn thất dẫn diode đượctính toán tưongtự bằng cách sử dụng các giá trị đã biết là
Psw_diode — p/() Vfự).ĩf(t).DD(t)dt (4.7)
• ỉf là dòng điện trên diode
• T là chu kỳ điều chế
Sử dụng 3 phưong pháp trình bày ở trên, tổn thấp dự kiến trong quá trình thiết kế được tínhtoán cho cảSic MOSFETnhưtrong bảng4-3 [26].
Bảng 4.3 Tôn that dự kiên của thiêt bị chuyên mạch
Tổn thất trên Diode ow
Dựa vào Bảng 4.3 ta có thể tính tổngtổn thất năng lượng cho thiết kế này là[26]:
Ploss_total — 12ô ? sw total T 3 Pintjoss (4.8)
Sử dụng công thức 4.7 đểxácđịnh tổng hiệu suấtdự kiến của bộ nghịchlưu Lưu ý rằng đây chỉ là ướctính, nhưng ước tính nàychophép xác thực thiết kế cho đến thời điểm hiện tại [26]. n = D—77^ - * 100 (4.10)
Các dao động còn sót lại trong các quátrình chuyển mạch có thể tạo ra nhiễu bức xạvà nhiễu dẫn, tạo ra hiện tượng chập chờn mạch vàtiêu tán quámức, đồng thời dễ khiến các thành phần bị quá tải Các dao động này là mối quan tâm lớn trong các ứng dụng như âmthanh, tốc độ xử lýcủa vi điều khiển và các thiết kế chống nhiễu điện từ (EMI)[27]. Đểkhắc phụcđượcsự daođộng đó bằng cách thêm một bộ snubber(R-C)đon giản mắc song song vớiIGBTnhư được thể hiệnưong hình4-6.
Các bước trình bình ưong Bâng 3.9 đã sử dụng môt phưong pháp phỗ biến giúp thay đỗi tần số cộng hưởng của sự dao động khi chuyển mạch đềcó thễ tính điện dungký sinh (Co) và độ tựcảm (L) của mạch Sau khi biết đượcnhững thông sốtrên, ta có thể tính toán tụ điện snubber (C^nUbber) và điện trở (JRmubber)- Để có thề trực quang hon, ta lấy một dạng sóngmẫu trong Hình 3 là dạng sóng khi bị giao động trong quá trình chuyển mạch
Bảng 4.4 Các bước tínhtoán cácgiá trị snubber
7 bướctínhtoán giá trị R-C của snubber Bước 1 Đo tần số dao động của mạch (/q)
Bước2 Thêm một tụ điện song song vớiIGBT và đo tầnsố dao động bằng máy đo chuyên dụng Chọngiá trị C1 có giá trị lớnhon vài lần so với điện dung ban đầu.
Bước 3 Tính toán \ỷ lệ tân sô dịch chuyên m = -T- fi
Bươc4 Tính toán giá trị của điện dung ký sinh C q — - '
Bươc5 Tính toán giátrị của độ tựcảm L= -^,-7^"
Bước 6 Tínhtoán giátrị của tụ điên snubber C snu bber = 3 * C q
Tính toán giátrị của điện trở snubber Rsnubber —
Khi quan sátHinh 3.38 ta dễ dàngnhânthấyrằngsựdao đông doquá trinh chuyển mạch củalGBT đã đươc gàm di rầt nhiều lấn so VỚI Hình3.37 Ta có thể thay dổi mach snubber đe giâm các ạ ao động bang cách thây đồi gịá trị(Gwị,ị,flr) Luu ý, Kin tụ điện (Gmibber) có giá trị cao thì biênđộ xung điện áp sẽ giâm đi nhunglại làm tang ton thất điện năng trên điên trở V ì vậy, khi gắn mạch snubber cầnphài cân nhấc sự can bánggiữa biên độ tacó the chap nhận duợc và tonthấttrên đên txỡ (/?5nt4Í?tír)[28].
Hùih4.8: Sựdao đông của mạchkỉúgan nụchsrubber
422 Thiếtke PCB của mạch công suắt
Hình 4.9 Mạch cấp nguồn và bảo vệ đầu vào modul_HCPL3I6j
Hỉnh 4.11 Moldul mạch kích được thiết kế theo kiểu cắm
Hình 4.13 Thiết kế 3D của mô hình nghịch lưu
Hình 4.14 Lóp đồng dây dẫn phần Top layer của mạch
Hỡnh 4.15 Lỡpđồng dắydanphầii Bottotn l&5ằr cũa nạch
Hình 4 16 Mạch cór Ấ Chi phí cao, yêu câu đượccác tín hiệu hài vàtuyên Ằ Ấ , , ,
, nguon cap cách ly tính VỚI tín hiệu đo.
Chốngnhiễu, lặp tại Chi phí cao, nhiều thành đượccác tín hiệu hài vàtuyến phần, yêu cầu nguồn cấp cách tính với tín hiệu đo ly.
Với mô hình về cấu trúc nghịch lưu ba pha ba bậc hình T, các tín hiệu cần hồi tiếp bao gồm cả tín hiệu có tần số cơ bản và tín hiệu DC, nên phương pháp sử dụng opamp là phù hợp nhất, đáp ứng đủ các yêu cầu và giá cả ngoài thực tế lại không quá cao Đối với cảm biến dòng điện, cónhiều loạiIC cảm biến Hall trên thị trường với giá rẻ, đáp ứng được nhu cầu cơbản và đơn giản về khâu thiết kế cũngnhư giáthànhtổng thể của mô hình trên.
Opamp cảm biến được sử dụng cho mô hình là IC AMC-1301 đến từ nhà sản xuất Texas Intruments [29].
AMC-1301 là bộ khuếch đại cách lỵ, cóđộ tin cậy cao với đầu ra và đầu vào được tách biệt với nhau bằng một rào cản cách lỵ có khả năng chống nhiễu từ tính cao.Rào cản này được chứngnhận có khả năng tăng cường lên tới 7070 VPEAK theo tiêu chuẩn DIN
ENIEC 60747-17 (VDE 0884-17) vàUL1577,đồng thời hỗ trợ điện áp làm việclên đến IKVrms Rào cản cách ly ngăn cản các thiết bị của hệ thống hoạt động ở mứcđiện áp ở các chế độ chung khác nhau vàbảo vệ phía điện áp thấp khỏi các mứcđiện ápcó thể gây ra hư hỏng và có khả nănggâyhại cho người vận hành[30]. Đầu vào của AMCđược của AMC-1301 được tối ưu hóa để liên kết với điện trở shunt hoặc các nguồn tín hiệu có các cấp điện áp thấp khác nhau Cóđộchính xáccao về đo điện áp DC và độ lệch nhiệt độ thấphỗ trợđiềukhiển dòng điện chích các trong các bộ sạc tích họp (OBC),bộ chuyền đổi DC/DC, bộ nghịch lưu ba pha hoặc cácứng dụngđiện áp cao khác.
Tín hiệu điện áp đi vào Opamp phải được giới hạntừ -250mV đến 250mV ở ngõ ra tín hiệu sẽ được khuếchđại8.2 lần so với đầu vào, điện áp VOUTN và VOUTPlà +1.0257 vói điện áp chếđộ chung là 1.44V và ngược lạiđiện áp đầu ra là +2.057 như đượcthể hiện trong Hỉnh4-18 [30],
Hình 4.20: Tín hiệu cùa opamp khi đưa vào vi điều khiển.
Lúc này ở ngỗ ra, ta có thểđưa 2 tín hiệu vào ở 2 chân ố và 7 đưa vào thẳng viđiều khiển để xử lý hoặc có thể sử dụng mộtOpamp chuyên dụng khác để lay vi sai của hai tín hiệu đểđưa về nhưđượcthể hiện tronghình4-19 [30].
Các điện trở RI,R2, R3,R4 đóngvai trò là cầu phân áp, hạ tín hiệu cần đoxuốngcòn + 250mV đến -250mV như đã được giói thiệu ở trên [31].
Tụ điện C1 có chức năng lọc các tín hiệu nhiễu trước khi đưa vào bộ cảm biến, R5 được nối vào chân VINP để giảm sai số điện áp bù đầu vào, điều này sẽ làm cho tín hiệu đầu vào của bộ khuếch đại trở nên chính xác hon.
Sau khi quaAMC-1301B, tínhiệuđầu vào sẽ được khuếch đạilên K = 8.2 lần.opamp phíasau được thiết kếtheo mạch khuếch đại vi sai, lấy hiệu điện thế của 2 ngõ ra của AMC và khuếch đại [31].
VoUTP ~ V qư TN = Vịn x K — Vịn x 8-2 (4-13) Các điện trởR6, R7, RIO, Rl 1 đóng vai trò là điện trở khuếch đại của mạch vi sai. Neu R6 = R7 và RI0 = RI 1 Thì điện áp V0UT đươc tính với công thức như sau[31]:
Trong hình Hình 4-20 hiển thị điện ápđầu vào và điện ápđầu racủaAMC-1301 cùng với điện áp đầu ra khi qua opamp để vi điều khiển xử lý Lưu ý rằng điện áp vi sai ±2.05L trởthành tín hiệu một đầu ratừ 0.5V đến 4.5V.
Hình 4.22: Tín hiệu đầu ra khi điện áp vi sai đưa vào Opamp
Hình 4.24 Lóp đồng dây dân phần Top layer của mạch
Hình 4.26 Cảm biến điện áp sau khi hoàn thiện
Tương tự với cảm biến áp, cảm biến dòng sử dụng opamp AMC1301 với sự thay đổi đầu vàolàđiện trở Rshunt với công suất lớn được thểbởi sơ đồ nguyên lýtrong Hình 4.25. Với bộ nguồn phía Rshunt (VDDl)được tách rời bởi tụ điện ESR thấp, C1 (100nF) song song với tụ điện C2 (luF) Bộ nguồn phía tín hiệu đưa vào bộ sử lý (VDD2) cũng được tác riêng bởi tụ điện ESR thấp, C3 (100nF) song song với tụ điện C4 (luF) Khithiết kế, lưu ý phải đặt 4 tụ điện (Cl, C2, C3, C4)càng gần với thiết bị càngtốt [32].
Hình 4.27 Sơ đồ nguyên lý mạch cảm biến dòng qua Rshunt
■ PCB mạch cảm biến dòng
Hình 4.28 PCB mạch cảm biến dòng
Hình 4.29 Lóp đồng dây dẫn phần Top layer của mạch
Hình 4.30 Lóp đồng dây dẫn phần Bottom layer của mạch
Hình 4.31 Mạch cảm biến dòng sau khi thi công
Mạch láiđơn giảnnhất bao gồm mộtđiệntrở Rg, được sử dụng đểgiới hạn dòngđiều khiển cổng và kiểm soát thời gian chuyển đổi Điều này làcần thiết để hạn chế EMI và nó cũng làm giảm daođộng cóthểxuất hiện ở cổng do dv/dt hoạt động nhanh kếthợp với các phần tử điện dung và điện cảm ký sinh MOSFET Daođộngnhưvậycóthể khiến MOSFET bật và tắt nhiều lần ở tần số rất cao thay vì một lầnchuyển đổi rõ ràng và điều này có thể khiến thiết bị bị lỗi khi chuyển đổi điện áp vàdòng điện quan trọng Một điện trở RGS , trong phạm vi kQ (thường là 10 kQ), được khuyên dùng giữa cổng và nguồn để cổng MOSFET sẽ được xả nếu cổngbị ngắt kếtnối khỏi mạch trình điều khiển Nếu không có điềunày, mộtMOSFET cóthể vẫn bật khi nó nên tắt, do đó khi một MOSFETkhác trong mạch bật lên, hiện tượng đoản mạch cóthể xảy ratrong đó dòng điện rấtcao khiển một số thành phần bị phá hủy và cũng cóthể làm cháy PCB. Đểthiết kế mạch lái ta cần phải chú ý đến các yếu tố về dòng kích, tần số chuyển mạch để chọnopamp lái và điệntrởphù hợp với mạch.
Dòng điện kích phải phù hợp với MOSFET đã chọn, nên trong mô hình này là HCPL-316J Ta có [33]. ĩ =
Trong đó Tr[se là thời gian chuyểnmạch từ mức logic thấp đến mức logic cao của MOSFET, từ đó ta có thể tính được dòng điện kích nhưsau [33]: r Qg 200X10"9 ỉa = 7^- = = 4/1
Với nguồn kích cho nguồn âm là-5VDC và với nguồn dương là 15VDC, ta có thể tính được điện trở kích lúc này là[33]:
Từ các thông số trên, ta chọn Opto cách ly HCPL-316Jcủa nhà sản xuất Broadcom như hình 4-30.
Hình 4.32 Opto cách ly HCPL-316J
Hình 4.33 Sơ đô nguyên lý mạch lái
Hình 4.35 Lóp đồng dây dẫn Top layer của mạch
Hình 4.36 Lớp đồng dây dẫnBtottom layer của mạch
Hình 4.37 Mạch lái trước khi thi công
Hình 4.38 Mạch lái sau khi thi công hoàn thiện
Cáctín hiệu ADC khi đưa vào vi điều khiển phải được xử lý quabộ lọc thông thấp nhằm hạn chếcác tín nhiễu do EMI tạora Do đó tần số cắt của bộ lọc thôngthấp này phải nhỏ hơn tần số chuyển mạch của MOSFET,
Hình 4.39 Sơ đồ mạch lọc thông thấp
Tínhtoán tân sô cătcủa bộ lọc thôngthâp đượcthê biêu diên như sau [34]:
Sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển
GND J7 ADC ỊN15/ANAL0GN ADC INC5/ANALOGIN' ADCDỈB5/ANAL0GIN ADC INA5/ANALOGĨN ADC ESC4/ANALOGDI ADCINB4/ANALOGỈN ADC DĨA4/ANALOGIN ADCDJA1/ANALOGIN(DAC ì) LAUNC HXL-F2S3 79D Ư1H
GPIOOPWMOUT1A GPIO1/PWMOUT1B GPIO2//PWMOUT2A GPIO3/PWMOUT2B GPIO4/PWMOUT3A GPIO5/PWMOUT3B GPIO24/OPXBARÌ GPIO1Ổ/OPXBAR7 PWM/BASED/DAC1 P\VM/BA$ED?DAC2
GNDT2 GPIO61/SPIACS GPIO123/SD1CLK1 GPIOI22?‘ SDĨDĨ RESET J2 GPIO58/SPIA.MOSI GPIO5P/SPIAXĨISÒ GPIO124/SD1D2 GPIO125/SD1CLK2 GPIO29/OPXBARỔ LAUNCHXL-F2S37PD
GNDJS GPIOÓ6/SPIBCS GPIO131/SD2CLK1
GPIOÓ3/SPIBMOSI GPIOỔ4/SPIBMISO GPIO26/SD2D2 GPIO27/SD2CLK2 GPIO25/OPXBAR2 LAUNCHXL-F2S37ỌD
Hình 4.41 Dènbáo hiệu và các test kiểm tra
Hình 4.42 Bệ lọc thòng thấp’ ra zenner bảo vệ đua vào vi điều khiển
Hình 4.43 PCB mạch điều khiển
Hình 4.45 lớp dồng dây dẫn Bottom layer của mạch
Hình 4.46 2D của mạch điều khiển
Hình 4.47 Mạch điều khiển sau khi hoàn thiện
KÉT QUẢ MÔ PHỎNG VÀ THựC NGHIỆM
Mô phỏng
Phần mền được sử dụng để mô phòng các kết quả là phần mềm điện tử công suất Psim, do công tyPowers imphát triển, Psim là mộtphần mềm chuyênvề điệntử côngsức, có thiếtkế đơn giản, dễ sử dụng, nên được đa số các chuyên gia, nhà nghiêncứutin dùng trong quá trìnhmô phỏng về cácmạch điện tửcông suất.
5.1.1 Xâydụng mô hình mô phỏng
Hình 5.1 Mạch công suất nghịch lull ba pha hình T
Hình 5.2 Khối giải thuật SVPWM
Bảng 5.1 Những thông số sửdụngtrong thí nghiệm mô phỏng và thựcnghiệm
Thông số và các thành phần Giá trị Điện ápngõ vào ^DC 80 - 160VDC Điện ápngõ ra mong muốn V, v ph 50Vrms
Tần số ngõ ra fo 50Hz
Tần số sóng mang fs 12.5KHZ
Tỷ số đều chế m 0.8 đến 1
Bộ lọc3 pha LC Liỹ VcL Cỹ ImH và 10uF
Tải 3 pha R-load 40Q Để kiểm chứng hiệu suất của cấu hình nghịch lưu ba pha ba bậc hình T với kỹthuật điều khiển SVPWM đề xuất,được mô phỏngbởi phần mềm điệntử công suất Psim.Những thông sốcủacấu hình nghịch lưu ba pha ba bậc hình T được trình bày trong Bảng 5-1 đã đượctính toán vói giải thuật SVPWM thông thường đã được giới thiệu ở phần 3 thì điện áp CMV được thể hiện trong Hình 5.4 Lúcnày, ta cósẽ có cái nhìn tổng quan hon đối với ảnh hưởng của CMV trongthực tế.
Hình 5.4 Điện áp CMV với giải thuật truyền thống
Với điện áp CMV nhưtrên thì sẽ là nguyên nhân của hàng lọt các sự cố trong quá trình vận hànhcủa mô hình Do đó, dưới đây là hình ảnh của SVPWM được đềxuất.
Hình 5.5 Dòng điện trên tải một pha
Hình 5.6 Điện áp dây ngố ra VAB khi chưa qua bộ lọc
Hình 5.7 Điện áp một pha vói đất
Hình 5.8 Điện áp ngố vào và điện áp trên tụ C1 và C2
Hình 5.9 Điện áp một pha nối với trung tính o
Hình 5.10 Điện áp ba pha khi qua bộ lọc
Hình 3-24 trình bày kết quả mô phỏngcho cấu hìnhnghịch lưu ba pha ba bậc hình
T khi điện áp ngõ vào là 160 VDC và tỷsố điều chếm = 0.8 Từ trên xuống dưới: a)Dòng điện trêntải la,điện áp ngõra 1 pha VAG khi chưa qua bộ loc RC,điện áp pha so với điểm trungtính củanguồn VAO; và b) điện áp dây ngõ ra VAB, điện áp ngõ vào VDC và điện áptụ điện C1 và C2, điện áp ba phangõ ra khi qua bộ lọc RLC; c) điện áp common mode được giới hạn trong phạm vi +- VDC/6, dòng điện rò nhỏ hon 30mA.
Môhình thực nghiệm bao gôm mạch công suât, mạch điêu khiên được thiêt kê theo kiểu modul để đặt trên mạch công suất, và các thiết bị đo như hình dưới.
Hình 5.12 Mô hình thực nghiệm
Hình 5.13 Mạch điện công suất vói mạch lái được gắn trên mạch
MÔ hình nghịch lưu dựa vào vi điều khiển xử lý cáctín hiệu số TMS320F28379D để kiểm chứng hiệu quả của cấu hình nghịch lưu ba pha ba bậc hình T với phương pháp vector không gian được đề xuất Hình 5.12 thể hiện mô hình thựcnghiệm Điệnápngõvào trong dãy từ 80V đến 160V Điện áp ngõ ra mong muốn là 50Vrms Tần số ngõ ra 50Hz Tần số đóng/ngắt của mạch nghịch lưu cấu hình T là 20kHz Tấtcả MOSFET40G120HD trong mô hình thực nghiệm được điều khiển bởi những mạch lái và cách ly HCPL-316j
Tụ điện C1 và C2(được mắc songsong hai tụ điện)có giátrị là 470uF và điện áp định mức là450V Điện áp ngõ ra được lọc bởi một bộ lọc thông thấp 3 pha LC Chỉ số điều chế trongcấu hình có thông số là 0.8 và 1.
Hình 5.14 Điện áp dây thực tế
Hình 5.15 Điện áp ba pha sau khi qua bộ lọc thực tế
Hình 5 lố Điện áp một pha thực tê oso-x 2014A MYS6201656 Tue hhv 141Q 12:50 2023
DC 10.0.1 mertí Period( ): Low signal
Source o Type Add Settings Clear Meas
Hỉnh 5.17 Điện áp ngõ vào
50 OV/ 2 3 4 0.0$ 200.05/ Auto? í 9.78V DSO-X 2014A MY56201656 Tuehkw 1410:1358 2023
Hình 5.18 Điện áp trên các tụ C1 và C2
Hình 5.19 Điện áp CMV thực tế
Quan sát các dạng sóng thực nghiệm ta thấy nó phù hợp với kết quả đã mô phỏng bằng phần mềm điện tử công suất Psim Tuy nhiên, cần phải lưu ý trong quá trình thực nghiệm ta cần phải cócác trang bị, thiết bị đo cách ly để đo các tính hiệu điện áp, dòng điện, hoặcdòng rò để có cái nhìn khách quan hon Vì điều kiện trong phòng thí nghiệm còn thiếu nên việc sát với kết quả môcòn thiếu sót và điều đó sẽ được bổ sung trong các quátrình nghiên cứu sau này.
Két quả thực nghiệm
Trongbài nghiên cứu này, em đã tiến hành thiết kế và ứngdụng ứng dụng kĩ thuật điều chế vector không gian cho bộnghịch lứu ba pha ba bậc hìnhT Mục tiêu của đề tài này làtạo ramộtmô hình giảm điện áp common mode, đảm bảo chấtlượng điện áp đầu ra, dòng cung cấpliên tục.
Qua quá trình nghiên cứu, mô hình trên đã đáp ứng đượccác yêu cầu phân tích về cơ sở lý thuyết cũng như các kết quả mô phỏng Em đã phân tíchcác yếu tốchínhảnh hưởng đến bộ nghịch lưu ba bậc hìnhT, bao gồm hiệu suấtchuyển đổi vàquá trình điều khiển Đồng thời, em cũng đã tìm hiểu về các phương pháp giảm điện áp common mode hiện có để cóthể tìm ragiải pháp tối ưu nhất.
Kết quả của bài nghiên cứu cho thấy bộ nghịch lưu ba pha ba bậc hình T ở trên đã giảm được điện áp common mode Tuy nhiên, mô hình vẫn còn nhiều hạn chếdo chưacó nhiều kinh nghiệm thiết kế, chương trình điều khiển chuyển mạch của các khóakhông tốt, trong quá trình thực nghiệm thường xuyên xảy ra các hiện tượng chập cháycác khóa bán dẫn.
Mô hình nghiên cứu đã được một số kết quả nhất định, tuy nhiên để pháttriển thành một mô hình thực té hoàn chỉnh, còn rấtnhiểu vấn đề nghiên cứu vàchỉnh sửa Trong đó phải kể đến các vấn đề về nhiễu điện từ, dòng ngắn mạch xảy ra khi đóng các khoá bán dẫn.
Từ mô hìnhđã có sẵn, các hướng pháttriển tiềm năngcó thểthực hiện trong thời gian tới như giám sát các điện áp và dòng điện trongbộ nghịch lưu, điều khiển động cơ không đồngbộ, động cơ servo Triển khai các thuật toán, phương pháp giảm điện áp common