Dsp f28335 Điều khiển bộ nghịch lưu 3 pha 5 bậc cho Động cơ 3 pha không Đồng bộ

Bộ nghịch lưu còn được dùng làm nguồn điện xoay chiều cho các nhu cầu trong gia đình, làm nguồn điện liên tục UPS, điều khiển chiếu sáng và còn được ứng dụng trong lĩnh vực bù nhuyễn c

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRUONG DAI HOC SU’ PHAM KY THUAT

THÀNH PHÓ HÒ CHÍ MINH

HGMUIIE

ĐỎ ÁN TÓT NGHIỆP NGÀNH KỸ THUẬT ĐIỆN - ĐIỆN TỬ

DSP F28335 DIEU KHIEN

BO NGHICH LUU 3 PHA 5 BAC

CHO DONG CO’ 3 PHA KHONG DONG BO

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT ĐỘC LẬP- TỰ DO- HẠNH PHÚC

Họ tên sinh viên: Nguyễn Văn Chung MSSV: 10101011

Mai Sil inh MSSV: 10101072

Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện - Điện tứ Mãngành: OL

Hệ đảo tạo: Đại học chính quy Mã lệ: 1

Khoa: 2010 Lop: 101011

LPN DE TAL DSP 128448 DIEU KEEN BO NGHICH LUL 3 PHA S BAC CHO DONG COATT KHÔNG ĐỒNG BỘ

1 NHHM VŨ

Nội dung nhiệm vụ

© Tim biểu Can DSP, phan mém Matlab, cai phan mém nap cho DSP

© Tiên hành nghiền cứu mô phỏng bộ nghịch lưu trên Matlab , nghién ciru

thì công, phần cứng

©— Tiên hành nghiên cứu mô phỏng bộ nghịch lưu trên Matlab , viết chương trình điều khiển, nghiên cứu thỉ công phần cứng

e_ Hoàn thành phần mô phỏng bộ nghịch lưu, thi công, phần cứng

* Làm mô hình chạy hoàn chỉnh chỉnh theo yêu cầu đề ra

© Tiến hành đo đạc lấy kết quả dạng sóng nghịch lưu ,viết báo cáo

II NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 15/2/2014

IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 12/7/2014

V.HO TEN CAN BO HUONG DAN: Th.§ Đỗ Đức Trí

CAN BO HUONG DAN BM ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP

Th.§ Đỗ Đức Trí TS NGUYỄN THANH HẢI

ii

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SPKT TPHCM CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Khoa Điện - Điện Tử Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

i tần Caydat Cant DSP, phan mém Matlab

Tuần 4ˆ Tin hiểu Cau DSP, phần mềm Matlab, cai phan 7”

tiềm

nap cho DSP

Fpudn § | tiến hành nghiên cứu mô phông bộ nghịch lưu trên _'

Matlab, nghiên cứu thi công phần cứng |

Tuần 6- | Tiến hành nghiên cứu mô phỏng bộ nghịch lưu trên | |

tuần 9 | Matlab, viét chuong trinh diéu khién, nghiên cứu thi

công phân cứng

Tuần 10- | Hoàn thành phần mô phỏng bộ nghịch lưu, thi công

tuần 14 | phần cứng

Tuần 15 | Mô hình chạy hoàn chỉnh chỉnh theo yêu cầu đề ra

Tuần 16- | Tiến hành đo đạc lấy kết quả đạng sóng nghịch lưu,

về sau | viết báo cáo

GV HƯỚNG DẪN

(Ký và ghi rõ họ và tên)

ThS Đỗ Đức Trí

iii

Trường ĐH Sư Phạm Kỹ Thuật PHIẾU CHÁM ĐÒ ÁN TÓT NGHIỆP

Khoa Điện ~ Điện Tử (Dành cho cán bộ hướng dẫn)

'BM Điện Tử Công Nghiệp Ngày tháng 07 năm 2014

1.Tên đề tài tốt nghiệp:

“DSP F28335 DIEU KHIEN BO NGHICH LUU 3 PHA 5 BAC CHO ĐỘNG CƠ 3 PHA

KHONG DONG BO"

2.Can b6 hirong din: Ths DO DUC TRI

3.Nhận xét:

4.Đề nghị :Được bảo vệ:o Bổ sung để được bão vệ:o Không được bảo vệ: o

5.Các câu hỗi sinh viên phải trả lời trước hội đồng : (đành cho cán bộ phản biện)

Câu ï:

Câu 2:

6.Đánh giá chung (bằng chữ: gidi, khá, TB, yếu): «eee ĐIỂM: , /10,

7.Xin mời GV hướng dẫn và GV phản biện tham gia hội đồng bảo vệ của thư mời

đính kèm

Cán bộ hướng dẫn

Th.s Đỗ Đức Trí

iv

Trường ĐH Sư Phạm Kỹ Thuật PHIẾU CHẤM ĐỒ AN TÓT NGHIỆP

“DSP F28335 DIEU KHIEN BỘ NGHỊCH LƯU 3 PHA 5 BẬC CHO ĐỘNG CƠ 3 PHA

KHONG DONG BO”

4.Đề nghị :Được bảo vệ: Bổ sung để được bảo vệ:o_ Không được bảo vệ: o

5,Các câu hõi sinh viên phải trả lời trước hội đồng : (dành cho cán bộ phản biện)

LOI MO DAU

Thé giới ngày nay với khoa học kĩ thuật phát triển mạnh mẽ, cuộc sống con người ngày cảng được phát triển tốt hơn Khoa học kỹ thuật đem lại nhi

tiện ích thiết thực hơn cho cuộc sống con người Góp phần không thể thiếu để

mang lại những thành tựu to lớn là sự phát triển không ngừng của Điện tử công

suất

Điện tử công suất được ứng dụng, rộng rãi trong hầu hết các ngành công,

nghiệp hiện đại Có thể kể đến cúc ngành kỹ thuật mà trong đó có những ứng

dụng tiêu biến của các bộ biên đội bán din công suất như truyền động điện,

Ất, nâu luyện thép, gia nhiệt cám ứng, điện phân nhôm từ

và ngày cảng tà nén hoàn thiện dân đến việc chế tạo các bộ biến đói ø cảng

+ và sử dụng ngày càng dé dang hon

nhỏ gon, nhiều tt nà

Việc nghiên cũu và ứng dụng các hệ thống điện tử công s

cuộc sông là một điều cất cần thiết trong vai trò làm chủ công nị

thé nhom thực hiện dé tai da tập trung nghiên cứu đề tài: “DSP F28335 DIEU KHIEN BQ NGHICH LUU 3 PHA 5 BAC CHO DONG CO 3 PHA

KHONG DONG BQ”

Những kiến thức, năng lực đạt được trong quá trình học tập ở trường sẽ

được đánh giá qua đợt bảo vỆ đồ án cuối khóa Vì vậy nhóm thực hiện đê tài cô

găng tận dụng những, kiến thức đã học ở trường cùng với sự tìm tòi, nghiên cứu cùng với sự hướng dẫn tận tình của Giáo viên hướng dẫn cùng Thây/Cô thuộc Khoa Điện-Điện Tử để có thể hoàn thành tốt đồ án này

Mặc dù nhóm thực hiện đề tài đã cố gắng hoàn thành nhiệm vụ đặt

ra và đúng thời hạn nhưng, chắc chắn sẽ không tránh khỏi những thiếu sót,

mong quý Thầy/Cô và các bạn sinh viên thông cảm Nhóm thực hiện đề tài

mong nhận được những ý kiến đóng góp của quý Thầy/Cô và các bạn sinh viên

Xin chân thành cảm ơn!

Nhóm thực hiện đề tài:

Nguyễn Văn Chung

Mai Sĩ Linh

vi

Trong suốt quá trình làm đồ án nhóm thực hiện đã nhận được nhiều sự

giúp đỡ cũng như động viên từ các Thẩy/Cô và các bạn để đồ án hoàn thành

đúng tiến độ và đạt được những yêu cầu đã đề ra bán đầu

Đầu tiên, nhóm thực hiện xin gửi lời cảm ơn đến lất cả quý thầy cô giảng

dạy tại Trường Đại Học Sử Phạm Kỹ Thuật Thánh Phố Hồ Chí Minh, đặc biệt

là quý thấy cỗ khoa Diện - Điện Tử đã giáng dạy vá cúng cấp những kiến thức

bổ ích tạo tiển để quan trọng chế nhóm thực hiện đồ ân náy,

Nhận: xin trấn rong gói đến giáo viên hướng dẫn ~ Thấy Đỗ Đức Trí lời

cảm ơn sâu sắc nhất Thấy đã tạn tình hướng dẫn, định hướng

kiến thức và thiết bị quan trọng giúp nhóm có điều kiện thuận lợi troz

Cuối cùng, nhóm cũng xin bày tỏ lòng biết ơn thư viện trường Đại học

Sư phạm Kỹ thuật Tp Hồ Chí Minh đã cung cấp các luận văn và tài liệu tham

khảo cần thiết liên quan đến đề tài

Nhóm thực hiện:

Nguyễn Văn Chung

Mai Sĩ Linh

vii

MỤC LỤC

NỘI DUNG TRANG

PHAN A: GIỚI THIỆU

1.5 Phương pháp nghiên cứu

1.6 Ý nghĩa của đề tài

2.1.3 Phân loại bộ nghịch lưu ái

2.2 Các dạng cấu trúc cơ bản của bộ nghịch lưu áp đa bậc

2.2.1 Cấu trúc dạng Diode kẹp NPC ( Diode Clamped

Multilevel Inverter )

2.2.2 Cấu trúc ding tu thay d6i ( Flying Capacitor Multilevel

Inverter)

2.2.3 Cấu trúc dạng ghép tang ( Cascade Inverter )

2.2.4 So sánh số linh kiện sử dụng trong 3 dạng nghịch lưu

đa bậc trên

BES IMB T0" iiSOBEE 10

2,6 Tổng quát về kỹ thuật điều chế g xung — PWM 5

2.6.1 Một số chỉ tiêu đánh giá kỹ thuật PWM của bộ nghịch lưu 5 2.6.2 Các đạng sóng mang dùng trong kỹ thuật PWM 6

2.7 Phương pháp điều chế độ rộng xung cải biến 18

2.7.1 Nguyên tắc thực hiện đôi với bộ nghịch lưu cascade 5 b;

3.72 Giải thuật tính toán 0a, khủ chủ trước i 3 pha

2,8 Sơ lược động cơ không động bộ bà phá

39.1 Anh hướng của tân số nguôn f¡ đên đặc tính cơ

3.10 Các yêu cầu đôi với việc điều khiến động cơ không ở:

3.1 Mô phỏng cho bộ nghịch lưu áp cascade 5 bậc

3.2 Phân tích sơ đồ khối

3.2.1 Khối tạo sóng sỉ

3.2.2 Khối tạo sóng tam giác

3.2.3 Khối tạo xung kích pha A,B,C

3.3 Nghịch lưu cascade 5 bậc 3 pha

3.3.1 Xung kích nghịch lưu áp 3 pha 5 bậc

3.3.2 Ap tai pha A, Ua0, Uta, Ita_Itb_Ite

PHAN C: PHU LUC

TÀI LIỆU THAM KHẢO

NỘI DUNG ĐÍNH KÈM

LIỆT KÊ HÌNH VẼ

Hình

Hình 2.1: Diode Clamped Multilevel Inverter — NPC

Hinh 2.2: Flying Capacitor Multilevel Inverter

Hinh 2.3: Cascade Inverter

Hinh 2.4: Bộ nghịch lưu áp cầu 1 pha

Hình 2.5: Dạng điện áp ngô ra bộ nghịch lưu cau 1 pha

Hình 2,6: Cấu trủc mạch của bệ nghịch lưu áp 5 bac dang cascade

Hình 2,7: Hiểu diễn | pha cia cascade inverter 4 hic

Hinh 2.8) Dang điện áp ngũ tả của bộ nèhịch lưu cascade 5

Hinh 2.9 Tink dang g trang APOS)

Hình 3.15: Quan hệ giữa biên độ áp điều khiển và biên độ sóng man

Hình 3.16: Giải thuật tính toán uạy khi biết áp tải U

Hình 2.17: Cầu tạo bên trong một động cơ KĐB roto lông sóc

Hình 2.18: Sơ đồ thay thế một pha động cơ không đồng bộ

Hình 2.19: Đường đặc tính cơ của động cơ không đồng bộ ba pha

Hình 2.20: Họ đặc tính cơ của động cơ KĐB khi thay an số :

Hình 2.21: Đặc tính cơ của động cơ KĐB khi thay đổi tần số nguồn kết

hợp với thay đổi điện áp

Hình 2.22: Sơ đồ các khối chức năng kháng DSP F28335

Hình 2.23: Địa chỉ các vùng nhớ DSP F28335

Hình 3.1: Sơ đồ khối mô phỏng trong Matlab

Hình 3.2: Sơ đồ mạch mô phỏng trong Simulink Matlab

Hình 3.3: Khối tạo sóng sin trong Simulink Matlab

Hình 3 lạng sóng sin có thành phan Voffset cho 3 pha

Hình 3.5: Khối tạo sóng tam giác trong Simulink Matlab

Hình 3 ang điện áp sóng mang trong Simulink Matlab

Hình 3.7: Khối tạo xung kích trong Simulink Matlab

Hình 3.8: Bốn xung kích được tạo ra từ sóng điều khiển và sóng mang

pha A

Hình 3.9: Sơ đồ nghịch lưu cascade 5 bậc của 1 pha

Hình 3.10: Sơ đồ khối mạch nghịch lưu cascade 5 bậc 3 pha trong

Hình 3.11: Sơ đồ nguyên lý mạch nghịch lưu cascade 5 bậc 3 pha trong

Simulink Matlab

Hình 3.12: Xung kích nghịch lưu áp 3 pha 5 bậc pha A

Hình 3.13: Xung kích nghịch lưu áp 3 pha 5 bậc pha B

Hình 3.14: Xung kích nghịch lưu áp 3 pha 5 bậc pha C

Hình 3.15: Điện áp tải pha A.Uao.Uta.Ita_Itb_Ite nghịch lưu áp 3

pha 5 bậc Hình 3.16: Diện áp Uab ng

lưu áp 3 pha Š Hình 3.17: Dạng sông điện áp 3 pha Š bậc sơ với 4

Hình 4.11: Chương trình viết trên pi

Hinh 4.12: Chương trình tạo sóng sin

Hình 4.13: Chương trình tạo sóng mang

Hình 4.14: Chương trình tạo xung kích pha A

Hình 4.15: Chương trình tạo xung kích pha B

Hình 4.16: Chương trình tạo xung kích pha C

Hình 5.1]: Thông số xung kích thực nghiệm ( từ trên xuống dưới, từ trái

qua phải ) tương ứng với các IGBT S1, §3, S°1, S°3, S4, S2,

S°4, S2 của pha A

Hình 5.2: Thông số xung kích mô phỏng ( từ trên xuống dưới, từ trái

qua phải ) tương ứng, với các IGBT S1, $3, S71, 8°3, $4, $2,

§?4, S'2 của pha A

Hình 5.3: Thông số xung kích thực nghiệm ( từ trên xuống dưới, từ trái

qua phải ) tương ứng với các IGBT S1, S3, S°1, S'3, S4, S2,

xii

Hình 5.4: Thông số xung kích mô phỏng ( từ trên xuống dưới, từ trái

qua phải ) tương ứng với các IGBT S1, S3, S}1, §”3,

S4, S2,S'4, S`2 của pha B

Hình 5.5: Thông số xung kích thực nghiệm ( từ trên xuông dưới, từ trái

qua phải ) tương ứng với các IGBT SI, 83, 8'1, §'3,

84, 82,874,872 60d Pla € ‹asc.ceeesiiiiiiediiieanisieienseeiidie 72 Hình 5.6: Thông số xung kích mô phóng ( từ trên xuống dưới, từ trái

Hình 5.8: Điện Ap pha tim npnon thực nehicin Và thô phóng phá Í3

Hình S9 Điện áp pha tâm nguồn thục nehiệm và mồ phóng pha £

o sánh số linh kiện trong 1 pha của 3 dạng nghịch lưu

iện áp ngõ ra ứng với các trạng thái đóng ngắt của cascade

NOI DUNG

pO ÁN TÓT NGHIỆP

1.1 Đặt vấn đề

Trong những năm gần đây, các hệ thống điện tử công suất được phát

triển rất mạnh Lý do thứ nhất là vì các thiết bị điện tử công suất ngày càng được sử dụng nhiều, không những trong lĩnh vực công nghiệp mà còn thâm

nhập vào cả lĩnh vực thương mại và dân dụng Lý do khác là nhu cầu phát triển

các thiết bị sử dụng hiệu quả và tiết kiệm năng lượng đồng thời với việc sử

dụng ngiồn năng lượng mới như nàng lượng gió, náng lượng mặt trời trực

tiếp nơi liên thụ

1.2, Lý đo chạn để tài

Các hộ chuyển đết AC «> DC (chinh lưu, nghịch lưu, biế

cảng dược quan tầm nghiền cứu Để đáp ứng các nhụ cầu công suố

phai nẵng cào điện áp và dòng điện, Tuy nhiên do khả năng chịu đò;

các lình Kiện điện tử công suât có giới hạn nên song song với việc p'

linh kiện công suất lớn, người ta dùng giải pháp mắc song song để 149

điện cao và mắc nối tiếp để tăng điện áp Giải pháp mắc nối tiếp cho ra đơi các

cấu trúc mạch nghịch lưu áp đa bậc thay cho nghịch lưu áp hai bác truy én

thống Mạch nghịch lưu áp đa bậc có nhiều ưu điểm như công suất cao hơn,

chất lượng điện áp và dòng điện ngõ ra tốt hơn, mạch lọc đầu ra nhỗ hơn so với

nghịch lưu áp hai bậc Tuy nhiên nó cũng có nhiều nhược điểm như cần nhiều

linh kiện hơn, giải thuật điều khiển phức tạp hơn và vì vậy giá thành cũng đất

hơn Bộ nghịch lưu là thành phần chủ yếu trong bộ biến tần Ứng dụng của

chúng khá quan trọng và tương đối rộng rãi, chủ yếu nhằm vào lĩnh vực truyền động điện động cơ xoay chiều với độ chính xác cao Trong lĩnh vực tần số cao,

bộ nghịch lưu được dùng trong các thiết bị lò cảm ứng trung tần, thiết bị hàn

trung tần Bộ nghịch lưu còn được dùng làm nguồn điện xoay chiều cho các

nhu cầu trong gia đình, làm nguồn điện liên tục UPS, điều khiển chiếu sáng và

còn được ứng dụng trong lĩnh vực bù nhuyễn công suất phản kháng

Vì tầm quan trọng cũng như những ứng dụng rộng rãi của ngành Điện

tử công suất nói chung và bộ nghịch lưu đa mức nói riêng, cùng những kiến

thức thu được trong suốt quá trình học tập trên giảng đường đại học, nên nhóm

ĐỒ ÁN TÓT NGHIỆP

thực hiện đồ án quyết định chon đề tài “DSP F28335 ĐIỀU KHIỂN BỘ

NGHICH LUU 3 PHA 5 BAC CHO DONG CO 3 PHA KHONG DONG BỘ”

1.3 Mục tiêu nghiên cứu

Mục đích nghiên cứu của đề tài là phân tích quá trình chuyển mạch của

các khóa trong bộ nghịch lưu áp sơ đồ cầu II phép tầng; điều khiển động cơ không đồng bộ ba pha rotor lồng sóc sứ dụng bộ nghịch lưu áp đa mức

1.4 Đối trọ # và phạm ví nghiền cou

Nghiên củu cầu trúc nghịch lưu áp 5 mức câu H ghép tô

cascaded H-ligde invetter) dé chay dòng cơ không đồng bộ bá phá rườớy lòng

sóc

1.5 Phường phầp nghiền cứu

Để thực hiện đề tải này, cần kết hợp 2 phương pháp sau:

- Phương pháp nghiên cứu lý thuyết: nghiên cứu quá trình chuyến mm;

các khóa trong các cấu trúc nghịch lưu áp đa bậc như: nghịch lưu dạng ghép

tầng (cascade inverter)

~ Phương pháp mô phỏng: mô phỏng hoạt động của bộ nghịch lưu áp 5 mức sơ

đồ cầu H ghép tằng với tải động cơ 3 pha bằng phần mềm Matlab

1.6 Ý nghĩa của đề tài

Để giúp sinh viên có thể củng cố kiến thức, tổng hợp và nâng cao kiến thức chuyên ngành cũng như kiến thức ngoài thực tế Đề tài còn thiết kế chế tạo

thiết bị, mô hình để các sinh viên trong trường đặc biệt là sinh viên khoa Điện-

Điện tử tham khảo, học hỏi tạo tiền đề nguồn tài liệu cho các sinh viên khóa sau

có thêm nguồn tài liệu để nghiên cứu và học tập

'Những kết quả thu được sau khi hoàn thành đề tài này trước tiên là sẽ

giúp chúng em có thể hiểu sâu hơn về các bộ nghịch lưu, các phương pháp biến

đổi điện áp Từ đó sẽ tích lũy được kiến thức khi ra ngoài thực tế

———ễ

CHUONG I: DAN NHAP 3

CHƯƠNG II

CO SO LY THUYET

ĐỒ ÁN TÓT NGHIỆP

2.1 Tổng quan về bộ nghịch lưu áp

2.1.1 Giới thiệu tổng quát

Bộ nghịch lưu có nhiệm vụ chuyển đổi năng lượng từ nguồn một chiều không đổi sang dạng năng lượng điện xoay chiều để cung cấp cho tải xoay

chiều

Đại lượng được điều khiển ở ngô ra là điện áp hoặc dòng điện, tương

ứng ta có bộ nghịch lưu được gọi là bộ nghịch lưu áp và bộ nghịch lưu dòng

Nguồn một chiều cũng cấp chế bọ nghịch lưu áp có tính chất nguồn điện

ấp và nguồn cho hộ nghịch lún đồng vò tình chất là dong điện, Các bộ nghịch lưu tương ứng được gọi là bộ nghịch lưu áp nguồn áp và bộ nghịch lựa dòng

nguồn dòng huặc pái tất là Bà tạ hịch lưu áp và bộ nghịch lưu dòng

Hrong Hường họp nguồn điện ở đầu vào và đại lượng ở

áp hoặc bộ nghịch lưu dòng nguồn áp

Các tải xoay chiều thường mang tính cảm kháng ( ví dụ động cơ ï

đồng bộ, lò cảm ứng ), dòng điện qua các linh kiện không thể ngất báng quá

trình chuyển mạch tự nhiên Do đó, bộ nghịch lưu thường chứa linh kiện tự kích

ngắt để có thể điều khiển quá trình ngắt dòng điện

Trong các trường hợp đặc biệt như mạch tải cộng hưởng, tải mang tính

chất dung kháng ( động cơ đồng bộ kích từ dư ), ding điện qua các linh kiện có thể bị ngất do quá trình chuyển mạch tự nhiên phụ thuộc vào điện áp nguồn

hoặc phụ thuộc vào điện áp mạch tải Khi đó linh kiện bán dẫn có thể chọn là thyristor (SCR)

2.1.2 Bộ nghịch lưu áp

Bộ nghịch lưu áp cung cấp và điều khiển điện áp xoay chiều ở ngõ ra

Nguồn điện áp một chiều có thể ở đạng đơn giản như acquy, pin điện hoặc ở dạng phức tạp gồm điện áp xoay chiều được chỉnh lưu và lọc phẳng

Linh kiện trong bộ nghịch lưu áp có khả năng kích đóng và kích ngắt dòng điện qua nó, tức đóng vai trò một công tắc Trong các ứng dụng công suất

vừa và nhỏ, có thể sử dụng transistor BJT, MOSFET, IGBT làm công tắc và ở

> Theo xố phá điện áp đầu ra: | pha, 3pha

3 Theo số bác điệu ấp giữa một đầu pha tải và một điểm điện th

trên mạch ( phase to pole voltage ): 2 bac (two level), đa b

level, tt 3 bậc trở lên)

> theo cầu hình của bộ nghịch lưu: dang cascade (Cascade inverter), dang diode kep NPC (Neutral Point Clamped Multilevel Inverter), hoae dang

ding ty dién thay d6i (Flying Capacitor Multilevel Inverter)

> Theo phương pháp điều khiển:

© Phương pháp điều rộng

© — Phương pháp điều biên

s _ Phương pháp điều chế độ rộng xung sỉn (Sin PWM)

Phương pháp điều chế độ rộng xung sin cai bién (Modifield SPWM)

2.2 Các dạng cấu trúc cơ bản của bộ nghịch lưu áp đa bậc

Có 3 dạng thường được sử dụng trong bộ nghịch lưu áp đa bậc:

e Dang diode kep NPC (Neutral Point Clamped Multilevel

Inverter)

e Dang dig tu thay đổi (Flying Capacitor Multilevel Inverter)

© Dang ghép tang (Cascade inverter)

pO AN TÓT NGHIỆP

———————-———

2.2.1 Cấu trúc đạng Diode kep NPC (Diode Clamped Multilevel Inverter)

Sử dụng thích hợp khi các nguồn DC tao nên từ hệ thống điện AC Bộ nghịch lưu đa bậc chứa các cặp diode kẹp có một mạch nguồn DC được phân chia thành một số cấp điện áp nhỏ hơn nhờ chuỗi các tụ điện mắc nói tiếp

Giả sử nhánh mạch DC gồm n nguồn có độ lớn bằng nhau mắc nối

Điện áp pha - ngudn DC (phase to pole voltage) có thể đạt được (n+1) gid tri

khác nhau và từ đó bộ nghịch lu được gọi là bộ nghịch lưu áp (n+1) bậc Ví dụ

(như hình 1.1) chọn mức điện thẻ Ð ð cuối đây nguồn, các mức điện áp có thể

đạt được gồm (0 LÍ, 2U, 3, nÓ 1 Địcn áp ta mot pha tar (vi dy pha a) thông

đến một vị trí bắt kỳ tên mạch DC (ví dụ M) nhờ cập diode kep tai diam đó (ví

voi sau trường hợp kích đóng linh kiện bị kẹp giữa sáu cap diode, ta thu

sấu mức điện áp pha - nguồn DC: 0, IU, 2U, 3U, 4U, 5U Vì có khả né

sấu mức điện áp pha - nguồn DC nên mạch nghịch lưu trên HI.I gọi l2 bộ

nghịch lưu 6 bậc

Bộ nghịch lưu áp đa bậc ding diode kep cai tiến dạng sóng điện áp tải và

giảm shock điện áp trên linh kiện n lần Với bộ nghịch lưu ba bậc, dv/dt trên

lỉnh kiện và tần số đóng cắt giảm đi một nửa Tuy nhiên với n > 3, mức độ chịu

gai áp trên các diode sẽ khác nhau Ngoài ra, cân bằng điện áp giữa các nguồn

DC (áp trên tụ) trở nên khó khăn, đặc biệt khi số bậc lớn

Hinh 2.2: Flying Capacitor Multilevel Inverter

Ưu điểm chính của nghịch lưu dạng này là:

© _ Khi số bậc tăng cao thì không cần dùng bộ lọc

© C6 thể điều tiết công suất tác dụng và phản kháng nên thực hiện được

việc điều tiết công suất

e Mỗi nhánh có thể được phân tích độc lập với các nhánh khác Không

như nghịch lưu đa bậc dạng NPC khi phân tích phải quan tâm đến cân

bằng điện áp ba pha ở ngõ vào

Nhược điểm:

© Số lượng tụ công suất lớn tham gia trong mạch nhiều, dẫn đến giá thành

tăng và độ tin cậy giảm

ø Việc điều khiển sẽ khó khăn khi số bậc của nghịch lưu tăng cao

CHƯƠNG II: CƠ SỞ LÝ THUYẾT F J 8 ,

£ \ A4

pO AN TÓT NGHIỆP

2.2.3 Cấu trúc dạng ghép tầng (Cascade Inverter)

Hinh 2.3: Cascade Inverter

Sử dụng các nguồn DC riêng, thích hợp trong trường hợp sử dụng nguồn

DC có sẵn, ví dụ dưới dạng acquy, battery Cascade inverter gồm nhiều bộ

nghịch lưu áp cầu một pha ghép nói tiếp, các bộ nghịch lưu áp dạng cầu một

pha này có các nguồn DC riêng

Bằng cách kích đóng cáo linh kiện trong mỗi bộ nghịch lưu áp một pha,

ba mức điện áp ( -U, 0, U) được tạo thành Sự kết hợp hoạt động của n bộ

nghịch lưu áp trên một nhánh pha tải sẽ tạo nên n khả năng mức điện áp theo

chiều âm (-U, -2U, -3U, -4U, ~nU ), n khả năng mức điện áp theo chiều dương

(U, 2U, 3U, 4U, nU) và mức điện áp 0 Như vậy, bộ nghịch lưu áp đạng

cascade gồm n bộ nghịch lưu áp một pha trên mỗi nhánh sẽ tạo thành bộ nghịch

lưu (2n+1) bậc

ĐỎ ÁN TỐT NGHIỆP

Tần số đóng ngắt trong mỗi module của dạng mạch này có thể giảm đi n

lần và dv/dt cũng giảm đi như vậy, Điện áp đặt lên các linh kiện giảm đi 0,57n

lần, cho phép sử dụng IGBT điện áp thấp

2.2.4 So sánh số linh kiện sử dụng trong 3 dạng nghịch lưu áp đa bậc trên

Bảng 2.2 so sánh số linh kiện được sử dụng trong mỗi pha của 3 đạng

nghịch lưu kể trên, Ta thấy, sổ công tắc IGBT và số điode mắc đối song được

sử dụng trong mỗi đạng nghịch lưu cùng bậc là như nhan, Diode kep thì không,

cần trong dạng tụ thay đối và dạng vaseade mveder, trong khi đó tụ cân bằng

thì không cần cho dạng diode hep va cascade inverter, ‘T6m lại, dạng cascade

invenet là sứ đụng Ít Tình kiến nhất

Cấu tuc De kẹp — Tụthayđỗi | Cascade x

nehich lua

Công tắc IGR† | — a1) 2(n-1)

“Diode ddi song | — 2(n-1) 2-1)

Bang 2.2: So sánh số linh kiện trong 1 pha của 3 dạng nghịch lưu

Một ưu điểm khác của cascade inverter là cấu hình có thể thay đổi linh

hoạt, ta có thể tăng hoặc giảm số bậc một cách dễ dàng, bằng cách thêm hoặc bớt số bộ nghịch lưu cầu 1 pha tương ứng

2.3 Nhận xét

Ưu điểm của bộ nghịch lưu áp đa bậc: công suất của bộ nghịch lưu áp tăng lên; điện áp đặt lên các linh kiện bị giảm xuống nên công suất tổn hao do

quá trình đóng ngắt các linh kiện cũng giảm theo; với cùng tần số đóng ngất,

các thành phần sóng hài bậc cao của điện áp ra giảm nhỏ hơn so với trường hợp

ĐỒ ÁN TÓT NGHIỆP

2.4 Bộ nghịch lưu áp cầu 1 pha

Bộ nghịch lưu áp một pha dạng mạch cầu (còn được gọi là bộ nghịch lưu

áp dạng chữ H) chứa bốn công tắc và bốn diode mắc đối song

ụ 24 Bộ nghịch lưu áp edu I pha

Quy tắc kịch đếng đôi nghịch: cặp công tắc trên cùng một ni

được kích động đồng thời, tức là 2 công tắc trên cùng một nhánh luôn ở trong

trạng thái mệt được kích đóng và một được kích ngất Trạng thai ca 2 củng kích

Bằng cách điều khiển đóng ngất các khóa ta có thể thu được điện áp

xoay chiều ở ngõ ra của bộ nghịch lưu Điện áp ở ngõ ra trên 2 điểm A, B của

bộ nghịch lưu thay đổi giữa 3 trạng thái +V, 0, -V Điện áp của bộ nghịch lưu được tạo ra như sau: khóa S1 và S2 đồng thời được kích đóng sẽ tạo ra điện áp

VAB= +V, khóa S3 và S4 đồng thời kích đóng sẽ tạo ra điện áp VAB= -V và

khi (S1, S3) hoặc (S4, S2) được kích đóng sẽ tạo ra mức điện áp 0

2.5 Hộ nghịch lun áp đa bậc dang caveade

Hộ nghịch lưu áp đã bác đang cascade như đã giới thiệu ở trên, có cấu

tạo góm nhiều bồ nghịch lu áit cau một pha ghép nội tiếp với

nghịch lưu ap dang cascade a bae thì trên mỗi nhánh pha sé

nghịch lưu áp cầu mốt phá ghép nội tiệp với nhau

Ich lưu áp 5 bậc dạng cacade: cấu tạo gôm 2 bộ

Hình 2.6: Cấu trúc mạch của bộ nghịch lưu áp 5 bậc dạng eascade

Trang thái đóng, ngắt các công tắc trong 1 nhánh pha phải thỏa mãn điều

kiện kích đóng đối nghịch:

pO AN TOT NGHIỆP

Slx+$4x = 1; S2x + S3x = 1; (2.2)

S'lx+§'4x=l; §'2x+§'3x=l;

Tùy theo trạng thái đóng ngắt, điện áp pha - tâm nguồn DC (phase — to

pole voltage) của bộ nghịch lưu được tính theo công thức sau:

Với x=a,b,c

Hình 2.7: Biểu diễn 1 pha của cascade inverter 5 bậc

Điện áp pha tải trong trường hợp 3 pha tải đối xứng đấu đạng sao Y có

thể được thiết lập tương tự như trường hợp bộ nghịch lưu áp 2 bậc:

2uao—Ubo—Uco 2upo—Uco-Uad 2Uco—~wa0~p0

U= “—;Us= 3 ;Ue= 3 Ỹ (24)

Trong trường hợp 3 pha tải đạng tam giác, điện áp pha tải bằng điện áp

dây do bộ nghịch lưu cung cấp:

Upab= Yao tạo; — Ure Uso Yeo Urea = Yeo = Yao 5 (2.5)

va téng dién 4p tir cde pha dén tém nguén DC (common — mode

Vận = Wen | Vin | Var | Ser | See | Sev | See bee | Sie [so[#|

Vu-12VJ+V|[adl 1 fa jo totals toto}

ĐÔ ÁN TÓT NGHIỆP

2.6 Tông quát về kỹ thuật điều chế độ rộng xung -PWM

Các bộ nghịch lưu áp thường được điều khiển dựa theo kỹ thuật điều chế

` độ rộng xung - PWM (Pulse Width Modulation) và qui tắc kích đóng đối nghịch Qui tắc kích đóng đối nghịch đảm bảo dạng áp tải được điều khiển tuân theo giản đồ kích đóng công tắc và kỹ thuật điều chế độ rộng xung có tác dụng, hạn chế tối đa các ảnh hưởng bất lợi của sóng bài

> Chí số điều chế (Mlnlaten Tidex) mị được định nghĩa nà

biển độ thành phản hát cơ bạn tạo nên bởi phương pháp đ:ể

biển độ thành phản hài cơ bản đạt được trong phương pháp đ

sau Dire (stastep)

=r (27)

Vim—sixsteps Tag

Với Vd là tổng điện áp các nguồn DC

»> Độ méo dạng tổng do sóng hài THD (Total Harmonic Distortion)

Là đại lượng dùng để đánh giá tác dụng của các sóng hải bậc cao (2,3 ) xuất

hiện trong nguồn điện, được tính theo:

Jefe G

Độ méo dang trong trường hợp dòng điện không chứa thành phần DC

được tính theo hệ thức sau:

THD: Tây TT (2.9)

Trong dé 1(j): tri hiệu dụng sóng hài bậc j với j >2

1(1): trị hiệu dụng thành phần hài cơ bản của đòng điện

> Tần số đóng ngắt và công suất tổn hao do đóng ngất:

DO AN TOT NGHIEP

Công suất tổn hao xuất hiện trên linh kiện bao gồm hai thành phần: tổn

hao công suất khi linh kiện ở trạng thái dẫn điện Pạ, và tổn hao công suất động

P¿y, TỔn hao công suất Puy„ tăng lên khi tần số đóng ngắt của linh kiện tăng lên Tần số đóng ngắt của linh kiện không thê tăng lên tùy ý vì những lí do sau:

« _ Công suất tôn hao trên linh kiện tăng lên tỉ lệ với tần số đóng ngất

* Linh kiện công suất lớn thường gây ra công suất tổn hao đóng ngắt lớn

hơn Do đó, tần số kích đồng của nó phải giám cho phù hợp, ví dụ các linh kiện GTO công suất MW chỉ có thế đồng ngất ở tần số khoảng

T0DHz

EM) qui dint bla nyliem agat doi với các bộ bien

ngàt với tần xả cau hơn 9T

ĐÒ ÁN TỐT NGHIỆP

> BO tri déi xứng qua truc zero — POD (Phase Opposition Disposition): céc

sóng mang nằm trên trục zcro sẽ cùng pha nhau, ngược lại các sóng

mang cùng nằm dưới trục zero sẽ bị dịch đi 180 độ

Minh 3 11: Hình dụng sóng mang POID

Trong các phường pháp bố trí sóng mang, phương pháp bó tí các sóng

mang đa bậc cùng pha - PD cho độ méo dạng áp dây nhỏ nhất Đối với bộ

nghịch lưu áp ba bậc, phương pháp POD và APOD cho cùng kết quả dạng sóng

ĐÔ ÁN TÓT NGHIỆP

—

2.7 Phương pháp điều chế độ rộng xung Sin cãi biến

Phương pháp còn có tên là Modified PWM hoặc Switching Frequency

Optimal PWM method - SFO PWM

2.7.1 Nguyên tắc thực hiện đối với bộ nghịch lưu caseade 5 bậc được sử:

dụng trong đồ án

Để lạo giản để kích đóng các linh kiện trong cùng một pha tải, ta sử

dụng mội sóng mang (dang tam giác) và bón tín hiệu điều khiển (dạng sin)

Gian đỏ kích đồng các công tắc của bộ nghịch lưu dựa trên cơ sở so sánh

hai tín hiệu cơ bản

®- Nóng Hiang tu (catrtet spnal) tan so cao, 0 dang 20) giác

© Sóng điều khiển a, (etetence signal) hode séng điều chế (r

sông điều khiển ) được tạo ra từ một sóng điều khiển ban đầu băng cá

pha và dịch biên độ Bốn sóng điều khiển trên có cùng biên độ và tân só

Sóng điều chế ban đầu ở đây đã được cải biến Theo đó, mỗi sóng điều

chế được cộng thêm tín hiệu tín hiệu thứ tự không ( sóng hài bội ba ) Tôn tại

nhiều khả năng tạo nên thành phần thứ tự không, một trong các tín hiệu thử tự

không có thể chọn bằng trị trung bình của giá trị tín hiệu lớn nhất trong 3 tín hiệu điều chế với tín hiệu nhỏ nhất trong 3 tín hiệu điều chế - phương pháp SFO

PWM

Gọi Va, Vb,Vc là các tín hiệu điều khiển của phương pháp điều chế

PWM Tin hiệu điều khiển theo phương pháp SFO — PWM có thể biểu diễn

đưới dạng toán học như sau:

max (Va Vp Ve)+min (Wa po¥e)

Hình 2.14: Bồn sóng điều khiến được điều chế từ sóng điều khiển ban đâu

Gọi mự là tỉ số điều chế tần số ( frequency modulation ratio):

fcmrter— — Ức,

việc tăng giá trị tần số các sóng hài xuất

Việc tăng giá trị my sẽ dẫn đề

hiện Điểm bắt lợi của việc tăng tần số sóng mang là vấn đề tổn hao do số lần

đóng cắt lớn

Tương tự, gọi m, là tỉ số điều chế biên độ (amplitude modulation ratio):

Um-—carrier _ _4m Um-reference (t—=1)Ắc mạ=

Nếu m, <1 (biên độ sóng sin nhỏ hơn tổng biên độ sóng mang) thì quan

hệ giữa thành phẩn cơ bản của điện áp ra và điện áp điều khiễn là tuyến tính

——=—

CHƯƠNG II: CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Ty

ĐỒ ÁN TÓT NGHIỆP

———7Ễ`5-—ễễ==-ễ>===

Khi giá trị mạ > 1, biên độ tín hiệu điều chế lớn hơn tổng biên độ sóng

mang thì biên độ hài cơ bản của điện áp ra tăng không tuyến tính theo mạ Lúc

này, bắt đầu xuất hiện lượng sóng hài bậc cao tăng dần cho đến khi đạt ở mức

giới hạn cho bởi phương pháp 6 bước Trường hợp này còn được gọi là quá điều chế (overmodulation) hoặc điều chế mở rộng

Phương pháp này cho phép thực hiện điều khiển tuyến tính điện áp tải

với chỉ số điều chế nằm trong phạm vị 0 = m = 0.007, biên độ sóng hài điện áp

Hình 2.15: Quan hệ giữa biên độ áp điều khiển và biên độ sóng mang

2.7.2 Giải thuật tính toán uạy khi cho trước áp tải 3 pha

Động cơ không đồng bộ được sử dụng để điều khiển trong đề tài là động

cơ roto lồng sóc công suất 750W, tần số định mức 50Hz/60Hz

Hình 2.17: Cầu tạo bên trong một động co KPB roto léng sóc

2.8.2 Ưu điểm và nhược điểm

e_ Cấu tạo đơn giản, đặc biệt là động cơ roto lông sóc

e Lâm việc tin cậy, chắc chắn, giá thành hạ, trọng lượng, kích thước nhỏ

hơn so với động cơ một chiều cùng công suất định mức

©_ Chỉ phí vận hành, bảo trì, sửa chữa thấp,

CHƯƠNG 1: CƠ SỞ LÝ THUYẾT

ĐỒ ÁN TÓT NGHIỆP

a

2.8.2.2 Nhược điểm

Việc điều chỉnh tốc độ và khống chế các quá trình quá độ khó khăn hơn

so với máy điện một chiều bởi vì các thông số của máy điện xoay chiều

là các thông số biến đổi theo thời gian

® Động cơ không đồng bộ roto lồng sóc có các chỉ tiêu khởi động xấu

(dong khởi động lớn mỏmen khởi đồng nhỏ)

2.9 Đặc tính cơ của động cơ điện không đồng bộ ba pha

2.9.1 Phương trình đặc tính cứ

Eheo lý thuyết máy điện, Khí còi động cơ và lưới điện lá lý tưởng, nghĩa ý 7, ng

là bà phá của động cơ đối sung, vác thông số đây quấn phư điện trợ vá điện

kháng không đất, tầng Hà mạch từ hoa không đôi, bỏ quả tôn thất múa sát v

© U;: Tri số hiệu dụng của điện áp pha stato (V)

Ju, V2: Dòng điện từ hóa, dòng dign stato và dòng điện roto đã quy

đổi vé stato (A)

© Xu, Xị, X';: Điện kháng mạch từ hóa, điện kháng stato và điện kháng

roto da quy ddi về stato (Q)

Ry, Ra, R’2! Điện trở tác dụng mạch từ hóa, mạch stato và mạch roto

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

TT TT———>—>—-

_—

Nếu gọi tốc độ từ trường quay là ø, (rad/s) hay nạ (vòng/phút) thì tốc độ

quay cia roto 14 w ( hay n ) luôn nhỏ hơn (®<®;;n <n, ) Sai lệch tương tối

giữa hai tốc độ gọi là độ trượt s:

ty Tần số điện áp đặt lên cuộn day stato

p: So doi cực từ của động cơ

Phương trình đặc tính cơ của động cơ không đồng bộ biểu diễn mối quan

hệ giữa mômen quay và tốc độ của động cơ có dạng :

Với những giá trị khác nhau của s (0 < s < 1), phương trình cho những

giá trị của M Đường biều điễn M = (s) trên trục tọa độ sOM như hình 2.3, đó

là đường đặc tính cơ của động cơ điện xoay chiều không đồng bộ ba pha

CHƯƠNG M: CƠ SỞ LÝ THUYÉT

5

sự và Mạ, của đặc tính cơ trên hình ứng với đầu(+)

Đặc tính cơ của động cơ điện xoay chiều KĐB là một đường cong phức

tạp có hai đoạn AK và BK phân bởi điềm tới hạn K Đoạn AK gân thang va

cứng Trên đoạn này momen động cơ tăng khi tốc độ giảm và ngược lại Do

vậy động cơ làm việc trên đoạn này sẽ ôn định Đoạn BK cong với độ dốc

dương Trên đoạn này động cơ làm việc không ổn định

CHUONG Il: CO SO LY THUYET

m

p

2.9.3 Ảnh

ng của (Ân số nguồn f, đếu đặc tính cơ

Khi thầy đổi Tý thi thee’ ey tee do dong bộ 6c thay đôi, đồng thời X:, X;

cũng bị thầy đội @Ì N— 3411), Keo theo sự thay đôi của cá độ trượt tới hạn sự

va momen toy han May

Quan hé dé tot tor han theo tan sé sq = £(f,) và momen tới hạn tử

E 5

Ma ~ tt) la phuc tap ntumg vi @, va X; phy thuéc ty 1é với tần số f;

từ các biểu thức của s„ và Mụ rút ra:

" one

1 MoS

°

Khi tần số f, giảm, độ trượt tới hạn sạ và momen tới hạn Mụ, đều tăng nhưng

Mz, tang nhanh hơn

Khi giảm tần số f, xuống dưới tần số định mức fiạm thì tổng trở của các cuộn dây giảm nên nếu giữ nguyên điện áp cấp cho động cơ sẽ dẫn đến dòng

điện động cơ tăng mạnh, đốt nóng động cơ quá mức Vì vậy khi giảm tần số

nguồn xuống dưới giá trị định mức cần phải đồng thời giảm điện áp cấp cho

động cơ theo quan hệ:

CHƯƠNG H: CƠ SỞ LÝ THUYET