Luận văn thạc sĩ Kỹ thuật điện: Nghiên cứu kỹ thuật điều chế và điều khiển cho bộ chỉnh lưu ba pha ba bậc T-NPC

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HCM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA - ĐHQG - HCM

Cán bộ hướng dẫn khoa học: PGS TS Nguyễn Đình Tuyên

3 Phản biện 1: PGS TS Phan Quốc Dũng 4 Phản biện 2: TS Trần Thanh Ngọc 5 Ủy viên: TS Huỳnh Văn Vạn

Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV và Trưởng Khoa quản lý chuyên ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa (nếu có)

CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG TRƯỞNG KHOA ĐIỆN - ĐIỆN TỬ

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ tên học viên: Đỗ Ngọc Phát MSHV: 2170140 Ngày, tháng, năm sinh: 14/08/1998 Nơi sinh: Quảng Ngãi Chuyên ngành: Kỹ Thuật Điện Mã số: 8520201

I TÊN ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU KỸ THUẬT ĐIỀU CHẾ VÀ ĐIỀU KHIỂN CHO BỘ CHỈNH LƯU BA PHA BA BẬC T-NPC

THE STUDY ON MODULATION AND CONTROL STRATEGY FOR A THREE-PHASE THREE-LEVEL T-TYPE NPC RECTIFIER

II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:

1 Tìm hiểu và phân tích hoạt động của bộ chỉnh lưu ba pha ba bậc T-NPC 2 Tìm hiểu phương pháp điều chế và các giải thuật điều khiển cho bộ chỉnh lưu

ba pha ba bậc T-NPC

3 Mô phỏng bộ chỉnh lưu ba pha ba bậc T-NPC trên phần mềm PLECS

4 Xây dựng mô hình thực nghiệm, thực nghiệm và phân tích kết quả thực nghiệm cho bộ chỉnh lưu ba pha ba bậc T-NPC

III NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 05/09/2022

IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 18/12/2022 V CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: PGS.TS Nguyễn Đình Tuyên.

Tp HCM, ngày 18 tháng 12 năm 2022

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO

TRƯỞNG KHOA ĐIỆN - ĐIỆN TỬ

LỜI CẢM ƠN

Trong quá trình thực hiện luận văn em đã nhận được sự giúp đỡ quý báu của quý thầy cô, bạn bè Em xin bày tỏ lời cảm ơn chân thành tới Thầy PGS.TS Nguyễn Đình Tuyên và Thầy TS Phạm Minh Đức đã hết lòng hướng dẫn, truyền đạt kiến thức và kinh nghiệm để em hoàn thành luận văn này Các Thầy đã tạo điều kiện để em nghiên cứu, nâng cao kiến thức và tiếp cận phương pháp nghiên cứu khoa học mới Đó là niềm vinh dự và tự hào khi được học tập và làm việc cùng các Thầy trong suốt thời gian qua

Em xin cảm ơn tới quý Thầy Cô trường Đại học Bách Khoa thành phố Hồ Chí Minh, đặc biệt các quý thầy cô khoa Điện - Điện Tử trang bị kiến thức bổ ích trong suốt ngày tháng theo học ở trường

Tất nhiên không thể thiếu các Thầy Cô, những người bạn, những anh chị em trong phòng PELAB Mọi người đã giúp đỡ mình rất nhiều trong suốt những ngày tháng thực hiện luận văn

Xin chân thành cảm ơn !

Tp HCM, ngày 18 tháng 12 năm 2022

Đỗ Ngọc Phát

TÓM TẮT LUẬN VĂN

Trong những năm gần đây, cấu hình chỉnh lưu ba pha ba bậc T-NPC được ứng dụng rất phổ biến so với chỉnh lưu hai bậc Bởi vì, chỉnh lưu ba pha ba bậc T-NPC có nhiều ưu điểm như: chất lượng điện năng tốt hơn, yêu cầu bộ lọc ngõ ra AC nhỏ hơn, điện áp đặt trên các khóa công suất nhỏ hơn và điện áp ngõ ra cao hơn so với chỉnh lưu hai bậc

Trong khuôn khổ luận văn này sẽ trình bày các nội dung sau:

- Tìm hiểu và phân tích hoạt động của bộ chỉnh lưu ba pha ba bậc dạng T

- Tìm hiểu phương pháp điều chế vectơ không gian dạng tổng quát cho bộ chỉnh lưu 3LT2NPC Sử dụng thuật toán DSOGI-PLL, để xác định góc pha điện áp lưới Tìm hiểu các giải thuật điều khiển điện áp, dòng điện Tìm hiểu phương

pháp cân bằng điện áp điểm trung tính

- Mô phỏng: Sử dụng phầm mềm PLECS để thực hiện mô phỏng bộ chỉnh lưu 3LT2NPC Với các mục tiêu chính đó chính là giảm thiểu sóng hài bậc cao, hệ số công suất đơn vị, giá trị điện áp đầu ra cần điều khiển, cân bằng điện áp điểm

trung tính

- Thực nghiệm: Thực hiện kiểm chứng kết quả mô phỏng trên mạch công suất TIDA-01606-10kW với vi điều khiển (MCU) TMS320F28379D của hãng Texas Instruments

ABSTRACT

In recent years, the T-NPC three-phase three-level rectifier configuration is very popular compared to the two-level rectifier because T-NPC three-phase three-level rectifier has many advantages over two-level rectifier such as good power quality, small AC output filter, low tress across the power switches and high voltage output

In this thesis, the following topics will be presented:

- Analyzing the operating principle for a three-phase three-level T-type Neutral point clamped rectifier

- Researching the general nearest three space vector pulse width modulation for the 3LT2NPC rectifier Using DSOGI-PLL algorithm to determine the grid voltage phase angle Learning voltage and current control algorithms Learning how to balance neutral point voltage

- Simulation: Use PLECS software to simulate 3LT2NPC rectifier The main goals are to minimize high harmonics, power factor equal to 1, control output voltage value, and balance neutral point voltage

- Experiment: Verify simulation results on TIDA-01606-10kW power board with TMS320F28379D microcontroller (MCU) of Texas Instruments.

LỜI CAM ĐOAN

Tôi tên là Đỗ Ngọc Phát, xin cam đoan đề tài luận văn thạc sĩ “Nghiên cứu kỹ thuật điều chế và điều khiển cho bộ chỉnh lưu ba pha ba bậc T-NPC” là công nghiên cứu của cá nhân tôi, dưới sự hướng dẫn của khoa học của PGS.TS Nguyễn Đình Tuyên

Tôi xin cam đoan không sao chép bất kỳ tài liệu, ấn phẩm nào Các tư liệu tham khảo được sử dụng đúng quy định và có trích dẫn rõ ràng Các số liệu, kết quả mô phỏng, thực nghiệm trong luận văn này đều là trung thực

Tôi xin chịu trách nhiệm với lời cam đoan này

Tác giả luận văn

Đỗ Ngọc Phát

DANH MỤC BẢNG BIỂU xii

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT xiii

CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI 1

2.1.1 Biến đổi Clarke 5

2.1.2 Phép biển đổi Park 6

2.2.Phân tích bộ chỉnh lưu 3LT2NPC 7

2.2.1 Cấu trúc phần cứng 7

2.2.2 Sự chuyển trạng thái của bộ chỉnh lưu 3LT2NPC 10CHƯƠNG 3 KỸ THUẬT ĐIỀU CHẾ VECTƠ KHÔNG GIAN DẠNG TỔNG

3.1.Mục tiêu điều chế độ rộng xung cho bộ chỉnh lưu 3LT2NPC 15

3.2.Kỹ thuật điều chế vectơ không gian dạng tổng quát (GNPWM) 16

3.2.1 Xác định tỉ số common mode (mcm) 22

3.2.2 Xác định vị trí của 𝑚ref trên các Sub-Sector và Sub-Sub-Sector 24

CHƯƠNG 4 GIẢI PHÁP PLL, BỘ ĐIỀU KHIỂN ĐIỆN ÁP - DÒNG ĐIỆN, CÂN BẰNG ĐIỆN ÁP ĐIỂM TRUNG TÍNH 26

4.1.Thuật toán vòng khóa pha PLL (Phase - Locked Loop) 26

4.1.1 PLL dựa trên hệ quy chiếu đồng bộ (SRF-PLL) 27

4.1.2 PLL dựa trên tích phân bậc hai kép tổng quát (DSOGI-PLL) 28

4.2.Hệ thống điều khiển cho bộ chỉnh lưu 3LT2NPC 33

4.2.1 Điều khiển dòng điện 34

4.2.2 Điều khiển điện áp 36

4.2.3 Cân bằng điện áp điểm trung tính 37

CHƯƠNG 5 MÔ PHỎNG BỘ CHỈNH LƯU 3LT2NPC BẰNG PHẦN MỀM PLECS 41

5.1.Mô phỏng kỹ thuật điều chế vectơ không gian dạng tổng quát 41

5.2.Mô phỏng hoạt động của DSOGI-PLL 43

5.3.Mô phỏng hoạt động của bộ chỉnh lưu 3LT2NPC 47

CHƯƠNG 6 THỰC NGHIỆM VÀ KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM 56

6.1.Giới thiệu DSP TMS320F28379D và phần cứng 56

6.2.Thực nghiệm và kết quả thực nghiệm 58

CHƯƠNG 7 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI 62

7.1.Kết luận 62

7.2.Hướng phát triển 62

DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC 63TÀI LIỆU THAM KHẢO 64LÝ LỊCH TRÍCH NGANG 66

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 2.1: Hệ tọa độ abc và αβ và vòng tròn đơn vị 5

Hình 2.2: Hệ tọa độ abc, αβ và dq và vòng tròn đơn vị 6

Hình 2.3: Phân tích vectơ v 6

Hình 2.4: Bộ chỉnh lưu 3LT2NPC với bộ lọc LCL 8

Hình 2.5: Sơ đồ tương đương một pha của bộ chỉnh lưu tích cực ba pha 8

Hình 2.6: Mối quan hệ giữa các vectơ a) Khi 0< PF<1 và b) Khi PF=1 9

Hình 2.7: Quá trình chuyển trạng thái từ P sang O (I > 0) 10

Hình 2.8: Quá trình chuyển trạng thái từ P sang O (I < 0) 11

Hình 2.9: Quá trình chuyển trạng thái từ O sang P (I > 0) 11

Hình 2.10: Quá trình chuyển trạng thái từ O sang P (I < 0) 12

Hình 2.11: Quá trình chuyển trạng thái từ N sang O (I > 0) 12

Hình 2.12: Quá trình chuyển trạng thái từ N sang O (I < 0) 13

Hình 2.13: Quá trình chuyển trạng thái từ O sang N (I > 0) 13

Hình 2.14: Quá trình chuyển trạng thái từ O sang N (I < 0) 14

Hình 3.1: Các bước cho phương pháp SVPWM 15

Hình 3.2: Cấu trúc bộ chỉnh lưu 3LT2NPC 16

Hình 3.3: Vectơ điện áp trên mặt phẳng αβ 18

Hình 3.4: Sector I và vị trí 𝑚ref trong trong Sector I 19

Hình 3.5: Điện áp vXO trong Sub-Sector 1p của Sector I 22

Hình 3.6: Các bước cho kỹ thuật điều chế GNPWM 25

Hình 4.1: Cấu trúc PLL cơ bản 26

Hình 4.2: Cấu trúc của SRF-PLL 27

Hình 4.4: Cấu trúc SOGI-QSG 30

Hình 4.5: Đáp ứng tần số của khối PSC trong DSOGI 32

Hình 4.6: Tính toán thứ tự thuận dựa trên DSOGI-QSG 32

Hình 4.7: Sơ đồ điều khiển cho bộ chỉnh lưu 3LT2NPC 33

Hình 4.8: Sơ đồ điều khiển dòng điện của dòng điện id 35

Hình 4.9: Sơ đồ điều khiển điện áp 36

Hình 4.10: Mô hình điều khiển cân bằng điện áp điểm trung tính 40

Hình 5.1: Mô hình mô phỏng GNPWM 41

Hình 5.2: Kết quả mô phỏng khi điều chế điện áp V_ref = 75 (V) 41

Hình 5.3: Kết quả mô phỏng khi điều chế điện áp V_ref = 57.74 (V) 42

Hình 5.4: Sự ảnh hưởng đến cân bằng điện áp tụ 43

Hình 5.5: Mô hình của DSOGI-PLL trên phần mềm PLECS 43

Hình 5.6: Điện áp và góc pha của lưới điện 44

Hình 5.7: Biên độ và tần số góc của lưới điện 45

Hình 5.8: Điện áp và góc pha của lưới điện 46

Hình 5.9: Biên độ và tần số góc của lưới điện 46

Hình 5.10: Mô hình điều khiển 47

Hình 5.11: Mô hình bộ chỉnh lưu 3LT2NPC 48

Hình 5.12: Điện áp lưới và góc pha điện áp lưới 49

Hình 5.13: Kết quả của điều khiển điện áp 50

Hình 5.14: Kết quả của điều khiển dòng điện 51

Hình 5.15: Điện áp tham chiếu cho converter trên hệ tọa độ dq và tỉ số điều chế 52

Hình 5.16: Hệ số công suất và THD dòng điện 53

Hình 6.1: DSP TMS320F28379D 56

Hình 6.2: Mạch lái 56

Hình 6.3: Sơ đồ nguyên lý của bộ TIDA-01606 57

Hình 6.4: Bộ TIDA-01606 của Texas Instruments 57

Hình 6.5: Mô hình thực nghiệm bộ chỉnh lưu 3LT2NPC 58

Hình 6.6: Điện áp, dòng điện và góc pha phía lưới 59

Hình 6.7: Điện áp phía DC 59

Hình 6.8: Điện áp và dòng điện phía lưới 60

Hình 6.9: THD của dòng điện 60

Bảng 5.1: Thông số mô phỏng bộ chỉnh lưu 3LT2NPC 48

Bảng 5.2: Đánh giá hiệu suất hoạt động của bộ chỉnh lưu 3LT2NPC 54

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT

AC Alternating Current

DSOGI-PLL Dual Sencond Order Generalized Intergrator PLL DC Direct Current

DSP Digital Signal Processing

GNPWM General Nearest three space vector Pulse Width Modulation HVDC High Voltage Direct Current

IGBT Insulated Gate Bipolar Transistor

IEEE Institute of Electrical and Electronics Engineers

MOSFET Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor MCU Microcontroller Unit

PSC Positive-Sequence Calculator PD Phase Detector

PLL Phase Locked Loop PWM Pulse Width Modulation

SVC Static VAR Compensator

SVPWM Space Vectơ Pulse Width Modulation SRF-PLL Synchronous Rotation Frame PLL

SOGI-QSG Sencond Order Generalized Intergrator - Quadrature Signals Generator UPS Uninterruptible Power Supply

VCO Voltage Controlled Oscillator

CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI 1.1 Lý do chọn đề tài

Điện tử công suất là một ngành kỹ thuật vốn đã có rất nhiều tiến bộ trong thời gian gần đây và đã tác động đến cuộc sống con người trong hầu hết mọi lĩnh vực

- Trong cuộc sống hằng ngày: Nếu chúng ta quan sát xung quanh mình, chúng ta có thể tìm thấy rất nhiều ứng dụng điện tử công suất như điều khiển tốc độ quạt, điều chỉnh độ sáng đèn, điều hòa không khí, bếp từ, máy tính cá nhân, máy hút bụi, bộ lưu điện UPS (Uninterruptible Power Supply), bộ sạc pin, - Ô tô và sức kéo: Tàu điện ngầm, xe điện, hệ thống sạc xe điện Bản thân một chiếc xe hiện đại có rất nhiều bộ phận sử dụng điện tử như công tắc đánh lửa, điều khiển gạt nước kính chắn gió, đèn chiếu sáng phía trước thích ứng, đèn chiếu sáng nội thất, tay lái trợ lực điện, Bên cạnh đó, điện tử công suất được sử dụng rộng rãi trong các hệ thống sức kéo và tàu thủy hiện đại

- Trong công nghiệp: Hầu hết các động cơ được sử dụng trong các ngành công nghiệp đều được điều khiển bởi các bộ truyền động công suất Các nhà máy cán, nhà máy dệt, nhà máy xi măng, máy nén, máy bơm, quạt, máy thổi, thang máy, lò quay, Các ứng dụng khác bao gồm hàn, lò hồ quang, cần cẩu, ứng dụng gia nhiệt, hệ thống điện khẩn cấp, máy xây dựng, máy xúc,

- Năng lượng tái tạo: Các hệ thống phát điện như năng lượng mặt trời, gió, hệ thống lưu trữ,

- Hệ thống điện: Hệ thống truyền tải điện một chiều điện áp cao HVDC, bù công suất phản kháng (SVC), bộ ngắt mạch tĩnh, hệ thống kích từ máy phát, lưới điện thông minh,

Trong các bộ biến đổi công suất thì bộ chỉnh lưu AC/DC giữ vai trò là bộ biến đổi điện áp xoay chiều sang một chiều để cung cấp cho tải một chiều hoạt động Ngoài các loại chỉnh lưu không điều khiển một pha, ba pha thì còn có các loại chỉnh lưu tích cực một pha, ba pha, Những bộ chỉnh lưu này cung cấp nguồn cho các loại tải một chiều, động cơ một chiều hoạt động Mỗi loại loại chỉnh lưu đều có những ưu điểm

Với các yêu cầu tạo ra nguồn một chiều thông thường, không cần điều khiển phức tạp thì các bộ chỉnh lưu thông thường dùng Diode hoặc Thyristor đã đủ để đáp ứng như cầu và mang lại hiệu quả kinh tế khi giảm được chi phí, bảo trì,… Tuy nhiên, các bộ chỉnh lưu này lại có những hạn chế:

- Phát ra sóng hài lớn lên lưới, tốn chi phí lọc, không thỏa được tiêu chuẩn khi kết nối lưới.

- Hệ số công suất thấp: hệ số công suất (PF) của bộ chỉnh lưu thấp và khó điều chỉnh

- Khi điều khiển động cơ, dòng điện động cơ xuất hiện ripple làm ảnh hưởng đến hiệu suất khi tăng tổn thất đồng và suy hao lõi cũng như gây ảnh hưởng tốc độ, chất lượng động cơ

Hiện nay quy định về chất lượng điện năng càng nghiêm ngặt bởi sự gia tăng của các một lượng lớn sóng hài, trong các bộ biến đổi điện tử công suất thì các bộ chỉnh lưu dùng Diode và Thyristor không còn phù hợp trong các trường hợp này Bên cạnh đó, hệ số công suất cũng phải đảm bảo theo nhu cầu cũng nhu quy định của nơi cung cấp điện lưới Các bộ chỉnh lưu không điều khiển dần được bởi các khóa bán dẫn MOSFET và IGBT trong các trường hợp cụ thể bởi khả năng đóng cắt ở tần số cao Và trong công nghệ ngày nay cần sự trao đổi năng lượng nhiều thì bộ chỉnh lưu tích cực đáp ứng được việc có thể tải công suất lên – tức hoạt động như một bộ nghịch lưu và tiêu thụ công suất như một bộ chỉnh lưu với chất lượng điện năng tốt cho cả hai chế độ làm việc Hoặc trong việc điều khiển động cơ thì hãm tái sinh cũng có thể được thực hiện bởi bộ chỉnh lưu tích cực Trong một vài năm gần đây, công nghệ vật liệu ngày càng tiến bộ làm cho khóa công suất như MOSFET, IGBT ngày càng hiệu quả Như vậy, bộ chỉnh lưu tích cực là hiệu quả và phù hợp hơn bộ chỉnh lưu không điều khiển trong các ứng dụng Bài báo [1] so sánh hiệu suất khi lựa chọn các bộ cấu hình cho bộ chỉnh lưu ba pha, cho thấy rằng cấu hình bộ chỉnh lưu ba pha ba bậc T-NPC mang lại hiệu suất cao Trong [2] trình bày kết quả thực nghiệm điều khiển cho bộ chỉnh lưu ba pha ba bậc T-NPC, luận văn lấy kết quả này là cơ sở để đánh giá và so sánh cho phần thực nghiệm trong luận văn này

pháp cân bằng điện áp điểm trung tính

- Tìm hiểu mô phỏng, thực nghiệm thành công bộ chỉnh lưu 3LT2NPC

1.3 Phạm vi và phương pháp nghiên cứu

Nội dung thực hiện gồm có 3 phần bao gồm: Phân tích lý thuyết, xây dựng mô phỏng và thực nghiệm

- Phân tích lý thuyết: Dựa vào các tài liệu nghiên cứu trước đây về các bộ chỉnh lưu tích cực, sử dụng các nguồn tài liệu là các bài báo khoa học trong và ngoài nước như thư viện IEEE, Science Direct, Elsevier,

- Mô phỏng: Sử dụng phần mềm PLECS để thực hiện mô phỏng bộ chỉnh lưu 3LT2NPC Phương pháp điều chế vectơ không gian dạng tổng quát được sử dụng Có các giải thuật điều khiển điều khiển điện áp, dòng điện với bộ điều khiển PI và xác định cụ thể giá trị nhằm đạt được các mục tiêu chính đó chính là giảm thiểu sóng hài bậc cao, hệ số công suất đơn vị, giá trị điện áp đầu ra cần điều khiển, cân bằng điện áp điểm trung tính Sử dụng PLECS để tính toán đánh giá hiệu suất và chất lượng điện năng cho bộ chỉnh lưu này - Thực nghiệm: Thực hiện kiểm chứng kết quả mô phỏng trên mạch công suất

TIDA-01606-10kW với vi điều khiển (MCU) TMS320F28379D của hãng Texas Instruments

1.4 Bố cục luận văn

Nội dung chính của luận văn dự kiến có 7 chương Chương 1: Giới thiệu tổng quan đề tài

Chương 2: Phân tích hoạt động của bộ chỉnh lưu 3LT2NPC

Chương 3: Kỹ thuật điều chế vectơ không gian dạng tổng quát cho bộ chỉnh lưu 3LT2NPC

Chương 4: Giải pháp PLL (Phase Locked Loop), bộ điều khiển điện áp - dòng điện, cân bằng điện áp điểm trung tính

Chương 5: Mô phỏng bộ chỉnh lưu 3LT2NPC bằng phần mềm PLECS Chương 6: Thực nghiệm và kết quả thực nghiệm

Chương 7: Kết luận và hướng phát triển đề tài.

CHƯƠNG 2 PHÂN TÍCH HOẠT ĐỘNG CỦA BỘ CHỈNH LƯU 3LT2NPC 2.1 Các phép biến đổi [3]

2.1.1 Biến đổi Clarke

α β

Hình 2.1: Hệ tọa độ abc và αβ và vòng tròn đơn vị Mối liên hệ giữa hệ tọa độ abc và αβ được viết như sau:

  



Suy ra được phép biến đổi ngược:

2.1.2 Phép biển đổi Park

Là phép biến đổi hệ tọa độ abc sang dq hoặc từ αβ sang dq

α β

Hình 2.2: Hệ tọa độ abc, αβ và dq và vòng tròn đơn vị

α β

θ

Hình 2.3: Phân tích vectơ v

Gọi ud, uq, u, ulà các vectơ đơn vị

Một vectơ ảo trong hệ được viết thành v =v +v =v u  +v u  Dựa theo hình 2.3 ta có:

Có nhiều cấu hình cho bộ AC/DC như NPC, 3LT2NPC, Vienna, Bridgeless Boost Converter,…Và để phù hợp việc thực nghiệm với phần cứng có sẵn thì luận

văn sử dụng bộ chỉnh lưu 3LT2NPC Bộ chỉnh lưu này gồm 12 khóa bán dẫn, hai tụ điện ở đầu ra của bộ chỉnh lưu và một bộ lọc LCL như hình 2.1

VC2TA2DA2

Vì 𝑉⃗ 𝑔 là cố định nên 𝑖 𝑔 hoàn toàn có thể được điều khiển thông qua 𝑉⃗ 𝑐 Như vậy, thông qua điều khiển điện áp trên RL, dòng nạp vào tụ điện chỉnh lưu hoàn toàn có thể được điều khiển Hình 2.3 trình bày giản đồ vectơ của bộ chỉnh lưu trong thường hợp hệ số công suất thay đổi

d q

  

2.2.2 Sự chuyển trạng thái của bộ chỉnh lưu 3LT2NPC [4]

Trong thực tế, các khóa công suất khi thay đổi trạng thái thì mạch không thể chuyển trạng thái ngay tức thời được mà cần một khoảng thời gian chuyển mạch Vì vậy, ta cần phân tích sự chuyển mạch giữa các trạng thái Trạng thái của khóa công suất: On - Khóa công suất ở trạng thái đóng Off - Khóa công suất ở trạng thái ngắt

▪ Chuyển trạng thái từ P sang O

Với chiều dòng điện dương (I > 0): Hình 2.7 khi mạch đang ở trạng thái P, khóa T1 và T4 On, dòng chạy qua diode D1 và đi ra phía DC Trong thời gian chuyển mạch, khóa T1 Off, dòng vẫn chạy qua diode D1 và đi ra phía DC Khi mạch chuyển sang trạng thái O, khóa T3 và T4 On, dòng chạy qua khóa T3 và diode D4 và đi ra phía DC

OVdc/2

Với chiều dòng điện dương (I < 0): Hình 2.8 khi mạch đang ở trạng thái P, khóa T1và T4 On, dòng chạy qua khóa T1 và đi về phía AC Trong thời gian chuyển mạch, khóa T1 Off, dòng chạy qua khóa T4 và diode D3 và đi về phía AC Khi mạch chuyển sang trạng thái O, khóa T3 và T4 On, dòng vẫn chạy qua khóa T3 và diode D4 và đi về phía AC

Hình 2.8: Quá trình chuyển trạng thái từ P sang O (I < 0) a Trạng thái P b Chuyển mạch c Trạng thái O

▪ Chuyển trạng thái từ O sang P

Với chiều dòng điện dương (I > 0): Hình 2.9 khi mạch đang ở trạng thái O, khóa T3 và T4 On, dòng chạy qua khóa T3 và diode D4 và đi ra phía DC Trong thời gian chuyển mạch, khóa T3 Off, dòng chạy qua diode D1 và đi ra phía DC Khi mạch chuyển sang trạng thái P, khóa T1 và T4 On, dòng vẫn chạy qua diode D1 và đi ra phía DC

Vdc/2Vdc/2 D1

NP

Với chiều dòng điện dương (I < 0): Hình 2.10 khi mạch đang ở trạng thái O, khóa T3 và T4 On, dòng chạy qua khóa T4 và diode D3 và đi về phía AC Trong thời gian chuyển mạch, khóa T3 Off, dòng vẫn chạy qua khóa T4 và diode D3 và đi về phía AC Khi mạch chuyển sang trạng thái P, khóa T1 và T4 On, dòng chạy qua khóa T1 và đi về phía AC

▪ Chuyển trạng thái từ N sang O

Với chiều dòng điện dương (I > 0): Hình 2.11 khi mạch đang ở trạng thái N, khóa T2 và T3 On, dòng chạy qua khóa T2 và đi ra phía DC Trong thời gian chuyển mạch, khóa T2 Off, dòng chạy qua khóa T3 và diode D4 và đi ra phía DC Khi mạch chuyển sang trạng thái O, khóa T1 và T4 On, dòng vẫn chạy qua khóa T3 và diode D4 và đi ra phía DC

Hình 2.11: Quá trình chuyển trạng thái từ N sang O (I > 0) a Trạng thái N b Chuyển mạch c Trạng thái O

Với chiều dòng điện dương (I < 0): Hình 2.12 khi mạch đang ở trạng thái N, khóa T2 và T3 On, dòng chạy qua diode D2 và đi về phía AC Trong thời gian chuyển mạch, khóa T2 Off, dòng vẫn chạy qua diode D2 và đi về phía AC Khi mạch chuyển sang trạng thái O, khóa T3 và T4 On, dòng chạy qua khóa T4 và diode D3 và đi về phía AC

Hình 2.12: Quá trình chuyển trạng thái từ N sang O (I < 0) a Trạng thái N b Chuyển mạch c Trạng thái O

▪ Chuyển trạng thái từ O sang N

Với chiều dòng điện dương (I > 0): Hình 2.13 Khi mạch đang ở trạng thái O, khóa T3 và T4 On, dòng chạy qua khóa T3 và diode D4 và đi ra phía DC Trong thời gian chuyển mạch, khóa T4 Off, dòng vẫn chạy qua khóa T3 và diode D4 và đi ra phía DC Khi mạch chuyển sang trạng thái O, khóa T2 và T3 On, dòng chạy qua khóa T2 và đi ra phía DC

Hình 2.13: Quá trình chuyển trạng thái từ O sang N (I > 0) a Trạng thái O b Chuyển mạch c Trạng thái N

Với chiều dòng điện dương (I < 0): Hình 2.14 khi mạch đang ở trạng thái O, khóa T3 và T4 On, dòng chạy qua T4 và diode D3 và đi về phía AC Trong thời gian chuyển mạch, khóa T4 Off, dòng chạy qua diode D2 và đi về phía AC Khi mạch chuyển sang trạng thái O, khóa T2 và T3 On, dòng vẫn chạy qua diode D2 và đi về phía AC

Hình 2.14: Quá trình chuyển trạng thái từ O sang N (I < 0) a Trạng thái O b Chuyển mạch c Trạng thái N

Kết luận: Chương 2 đã trình bày về các phép biến đổi Clarke và Park, sử dụng

các phép biến đổi này để chuyển hệ trục tọa độ trong các phương pháp điều khiển cho bộ chỉnh lưu 3LT2NPC ở chương 4 Dựa vào sự chuyển trạng thái của bộ chỉnh lưu 3LT2NPC ở chương này để nghiên cứu phương pháp điều chế độ rộng xung cho bộ chỉnh lưu 3LT2NPC ở chương 3 Các phương pháp điều khiển sẽ được trình bày ở chương 4 dựa trên phân tích hoạt động của bộ chỉnh lưu 3LT2NPC bằng mô hình toán

CHƯƠNG 3 KỸ THUẬT ĐIỀU CHẾ VECTƠ KHÔNG GIAN DẠNG TỔNG QUÁT CHO BỘ CHỈNH LƯU 3LT2NPC

3.1 Mục tiêu điều chế độ rộng xung cho bộ chỉnh lưu 3LT2NPC

Trong bộ chỉnh lưu 3LT2NPC, hai tụ điện giống nhau phía DC được mắc nối tiếp, nó có nhiệm vụ cung cấp nguồn các tải DC Điện áp trung bình trên hai tụ điện này phải được duy trì bằng một nửa điện áp phía DC Độ ripple trên các điện áp này cũng phải được giữ càng nhỏ càng tốt Bất phương pháp điều chế độ rộng xung nào cho 3LT2NPC đều cần đạt được hai mục tiêu này, bằng cách điều khiển dòng điện điểm trung tính chạy qua hai tụ phía DC

Trong phương pháp điều chế động rộng xung, tín hiệu đóng cắt được tạo ra bằng cách so sánh tỉ số đóng cắt với sóng mang hình tam giác Mục tiêu của bất kỳ phương pháp điều chế động rộng xung nào là tạo ra các tỉ số đóng cắt (duty cycle) này từ các tỉ số điều chế (modulation index) thông qua một số bước tính toán Điều chế vectơ không gian truyền thống (SVPWM) là phổ biến nhất của bộ chỉnh lưu hai hoặc ba bậc [6]

Hình 3.1: Các bước cho phương pháp SVPWM

Để giảm bớt các bước tính toán như: Phép biến đổi Clarke để tính toán vectơ điện áp tham chiếu từ các tỉ số điều chế, xác định vị trí của vectơ điện áp tham chiếu

trên các Sector, tính toán thời gian cho mỗi trạng thái thông qua tính toán lượng giác Bài báo [5] đề xuất phương pháp điều chế vectơ không gian dạng tổng quát (GNPWM – General nearest three space vectơ pulse width modulation) Thuật toán trong phương pháp được phát triển để tính toán các tỉ số đóng cắt cho sáu khóa (sáu khóa

còn lại sẽ lấy mức logic bù từ các khóa này) trực tiếp từ các tỉ số điều chế (mA, mB, mC) mà không cần xác định Sector, tính toán thời gian đóng cắt, Phương pháp này làm giảm bớt các bước tính toán khi so với các phương pháp SVPWM truyền thống Đây là cấu hình ba pha ba bậc nên bài toán cân bằng điện áp tụ phía DC cũng cần được quan tâm, trong [5] vấn đề này cũng đã được đề cập và giải quyết

3.2 Kỹ thuật điều chế vectơ không gian dạng tổng quát (GNPWM)

Các khóa SXP và S’XP (SXP + S’XP =1) đóng cắt với mức logic ngược nhau, tương

tự cho các khóa SXN và S’XN (SXN + S’XN =1) với X là các pha A, B, C, Vxo là điện áp pha X với trung tính phía DC, ta có bảng trạng thái đóng cắt như sau

Gọi SX (SX= {2, 1, 0}) là trạng thái đóng cắt của pha X (A, B, C) Điện áp pha phía xoay chiều của bộ converter với ba pha cân bằng:

= −

(Trạng thái P) (Trạng thái O) (Trạng thái N)

(3.3)

Vì mỗi pha trong ba pha có ba trạng thái (P, O, N), tổng số trạng thái đóng cắt có thể có là 33 = 27 Dựa vào bảng 3.1 trong chương 2, để điều khiển được bộ chỉnh lưu 3LT2NPC ta cần tạo hai xung đóng cắt các khóa cho mỗi pha (mỗi xung điều

khiển hai khóa, ví dụ: SXP và S’XP đóng cắt ngược mức logic nhau, tương tự cho SXN

và S’XN, như vậy cần sáu xung cho ba pha Từ phương trình (3.1) và (3.3) qua phép biến đổi Clarke ta được:

Hình 3.3: Vectơ điện áp trên mặt phẳng αβ

Việc đóng cắt các khóa công suất trong các nhánh pha của bộ chỉnh lưu tạo ra điện áp pha phía AC với vectơ không gian của nó thay đổi nhảy cấp trên hình lục giác đa bậc Có bốn loại vectơ: 6 vectơ lớn, 6 vectơ trung bình, 6 vectơ nhỏ, 3 vectơ không

ứng với biên độ lần lượt 2Vdc/3, Vdc/sqrt(3), Vdc/3, 0 Chia lục giác lớn chứa các vectơ

không gian thành 6 tam giác đều lớn chung đỉnh tại tâm lục giác lớn, các tam giác đều lớn này gọi là các Sector từ I đến VI

Ta có refrefdc

= trong đóvXN (X = A, B, C) là giá trị trung bình

của vXN trong một chu kỳ sóng mang Ts, vectơ điện áp tham chiếu Vref được tính

trong công thức (3.5a) mref là vectơ tỉ số điều chế tham chiếu được tính trong ( 3.5b)

mA, mB, mC là tỉ số điều chế của các pha A, B, C

Sector I Gọi d1, d2, d3 là tỉ số đóng cắt tương ứng cho các vectơ như hình 3.4

POOONNPPN

PON

L3L1L4

▪ Xét Sub-Sector 3 (Sector I)

Tương tự cho các Sub-Sector còn lại, ta có bảng sau:

Bảng 3.2: Tỉ số đóng cắt của các vectơ trên các Sub-Sector

1 V1

→ 2(mA−mB) V→0 2(mB−mC) V→2 1 2− (mA−mC)

2 V1→

1 2− mB−mCV→7 1 2− (mA−mB) V→2 2(mA−mC)− 1

3 V1→

𝑉⃗ ONN có tỉ số đóng cắt là (1-x)d1, x =[0,1] và x là hệ số đóng cắt của hai vectơ phụ nhau Tỉ số đóng cắt này có thể được phân phối theo vô số cách Hệ số này có thể ảnh

hưởng đến bài toán cân bằng điện áp tụ, để không mất cân bằng điện áp tụ thì hệ số này được chọn là 0.5

Vì Sub-Sector 1 và Sub-Sector 2 đều có hai vectơ phụ nhau nên Sub-Sector này

có thể được chia thành hai Sub-Sub-Sector p và q Trình tự đóng cắt trong bảng 3.3 Hình 3.5 là trình tự đóng cắt và điện áp pha tương ứng trong một chu kỳ Ts khi 𝑚⃗⃗ ref nằm trong Sub-Sector 3 của Sector I

Như đã đề cập ở trên, phương pháp GNPWM yêu cầu tạo ra 6 xung để điều khiển 12 khóa Theo hình 3.2 SXP và SXN là hai khóa cho pha X (A, B, C) Để tạo ra

hai xung cho pha X, ta cần xác định hai tỉ số đóng cắt dXP và dXN, phải được so sánh

với các sóng mang hình tam giác khác nhau là CrrP và CrrN tương ứng (CrrN lệch pha 1800 so với CrrP)

Theo bảng 3.1 khi ở trạng thái P (SXP = ON) hoặc O hoặc N (SXN = ON) điện áp

VXO tương ứng là Vdc/2, 0, -Vdc/2 Do đó, điện áp trung bình vXO có thể được như trong phương trình (3.10b) Điện áp pha X (A, B, C) với trung tính DC =+

với vNO là điện áp common mode, ta viết lại với giá trị trung bình của chu kỳ sóng mang ta được phương trình (3.10a) Từ (3.10a) và (3.10b) ta có phương trình (3.10c),

(xd(1xd+1d+2d+3d)3)( )xd13

Hình 3.5: Điện áp vXO trong Sub-Sector 1p của Sector I

Sector I có thể được viết dưới dạng một hàm của mA, mB, mC và x như trong (3.12)

2p −0.5 1( − −x) x m B− −(1 x m) C −0.5 1( − −x) x m mid− −(1 x m) min

2q 0.5.x x m− A− −(1 x m) B 0.5.x x m− max− −(1 x m) mid3 −(0.5− −x) x m A− −(1 x m) C −(0.5− −x) x m max− −(1 x m) min

4 −(0.5− −x) x m A− −(1 x m) C −(0.5− −x) x m max− −(1 x m) min

Tương tự, biểu thức của mcm cho tất cả các Sub-Sector khác cũng có thể được xác định.Bảng 3.4 liệt kê tất cả các trường hợp của mcm Tương tự cho các Sector còn

lại, ta có thể viết mcm theo dạng tổng quát cho tất cả các Sector Trong đó mmax, mmid,

mmin được xác định như sau: mmax = max(mA, mB, mC), mmin = min(mA, mB, mC),

mmid = -(mmax+ mmin)

3.2.2 Xác định vị trí của 𝒎ref trên các Sub-Sector và Sub-Sub-Sector

Từ bảng 3.4 có thể thấy mcm phụ thuộc vào vị trí của 𝑚⃗⃗ ref đang ở Sub-Sector và Sub-Sub-Sector nào Để xác định vị trí của 𝑚⃗⃗ ref ta dựa vào các đường thẳng L1, L2, L3, L4 trên hình 3.4 Phương trình đường thẳng của các đường này trong Sector I trên

mặt phẳng αβ, có thể được viết dưới dạng αβ

Bảng 3.5: Xác định vị trí của của 𝑚⃗⃗ ref trên các Sub-Sector và Sub-Sub Sector

if/else Sector I Tổng quát Sub/Sub-Sub Sector

m −m  max min 12

Ví dụ: L1 (trong Sector I) đi qua (1/3, 0) và tạo với trục α góc 1200 như trong

hình 3.4 Do đó, phương trình của nó là √3α+β=1/√3 hoặc√3mα+mβ=1/√3thì 𝑚⃗⃗ ref

sẽ nằm trên L1, 𝑚⃗⃗ ref nằm trong Sub-Sub-Sector 1p hoặc 1q khi (1/√3)mα-mβ > 0

hoặc (1/√3)mα-mβ < 0 tương ứng Tương tự như vậy, phương trình của ba đường

thẳng còn lại có thể tìm được, từ đó ta xác định được vị trí của 𝑚⃗⃗ ref ở bất kỳ thời điểm

nào Sử dụng (3.5b), các bất đẳng thức này có thể được viết dưới dạng mA, mB, mC Từ đây, ta có thể suy ra các bất đẳng thức tổng quát cho các Sector khác, và các bất

đẳng thức được viết theo mmax, mmid, mmin Bảng 3.5 thể hiện vị trí của của 𝑚⃗⃗ ref trên

x = 0.5

Sáu tỉ số đóng ngắt

Tính mcm từ bảng 3.4

mmax , mmid , mmin

Xác định

Sub-Sector, Sub-Sub-Sector từ bảng 3.5

mA , mB , mC

Hình 3.6: Các bước cho kỹ thuật điều chế GNPWM

Kết luận: Chương 3 đã trình bày kỹ thuật điều chế vectơ không gian dạng tổng

quát cho bộ chỉnh lưu 3LT2NPC Kỹ thuật điều chế độ rộng xung này này đã làm giảm bớt các bước tính toán khi so với các kỹ thuật SVPWM truyền thống Sử dụng phương pháp điều chế này để đóng cắt các khóa của bộ chỉnh lưu 3LT2NPC, việc này được làm trong mô phỏng ở chương 5 và thực nghiệm ở chương 6