Luận văn bộ biến đổi ac dc ac 3 bận

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH CHƯƠNG TRÌNH ĐÀO TẠO KỸ SƯ CHẤT LƯNG CAO VIỆT-PHÁP KHOA ĐIỆN-ĐIỆN TỬ o0o LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC BỘ BIẾN ĐỔI AC-DC-AC 3 BẬC GVHD : TS. NGUYỄN VĂN NHỜø SVTH : ĐẶNG TRẦN THÁI MSSV : P0110008 TP. HỒ CHÍ MINH, 06/2006 - NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN -  - NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN -  LỜI CẢM ƠN Xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến tất cả các Thầy Cô Trường Đại Học Bách Khoa Thành Phố Hồ Chí Minh đã tận tình giảng dạy em trong suốt thời gian học tập và thực hiện luận văn. Đặc biệt em xin chân thành cảm ơn Thầy, Tiến Só Nguyễn Văn Nhờ. Người đã tận tình hướng dẫn và giúp đở em trong quá trình thực hiện luận văn. Xin chân thành cám ơn bạn bè, các đồng nghiệp và những người thân trong gia đình đã động viên, hỗ trợ em trong suốt khóa học và thời gian làm luận văn này. Đặng Trần Thái LỜI NÓI ĐẦU Trong nội dung luận văn tốt nghiệp, lý thuyết về bộ nghòch lưu ba bậc và các phương pháp điều chế được nghiên cứu. Trong đó phương pháp chủ yếu được áp dụng xuyên suốt luận văn là Space vector modulation. Sử dụng các lý thuyết về không gian vector để cải thiện chất lượng điều khiển của bộ nghòch lưu như giảm thiểu điện áp common mode, hay cân bằng áp tụ DC Link trong mô hình Neutral Point Clamped three level inverter. Đồng thời so sánh với các phương pháp điều chế khác. Lý thuyết về bộ chỉnh lưu cũng được đề cập, đề cập các mô hình chỉnh lưu để cải thiện các chỉ tiêu chất lượng như ổn đònh áp DC đầu ra, giảm độ méo dạng dòng điện nguồn, tăng đònh mức công suất linh kiện để áp dụng cho các ứng dụng công suất lớn. Cuối cùng là nêu một số sản phẩm biến tần thực tế của các tập đoàn lớn như ABB, Siemens vv Mục lục Đề mục Trang Trang bìa i Nhiệm vụ luận văn. Lời cảm ơn ii Lời nói đầu iii Mục lục iv CHƯONG I: GIỚI THIỆU 1. Giới thiệu bộ nghòch lưu 3 bậc 1 2. Cascade multilevel inverter 1 3. Capacitor clamped mutilevel inverter 3 4. Neutral Point clamped multilevel inverter 4 5. Các phương pháp điều khiển bộ nghòch lưu đa bậc 5 a) Phương pháp SinPWM 5 b) Switching frequency optimal PWM method - SFO PWM 9 c) Space vector modulation method (SVM) 11 6. Các vấn đề nghiên cứu trong phạm vi đồ án 16 CHƯƠNG II: BỘ CHỈNH LƯU 1. Giới thiệu 19 2. Bộ chỉnh lưu cầu 3 pha 19 3. Bộ chỉnh lưu 12 xung 24 CHƯƠNG III: VẤN ĐỀ CÂN BẰNG ÁP TỤ 1. Mô tả vấn đề 27 2. Phương pháp Space vector modulation 30 A) Phương pháp không gian vector cổ điển 32 B) Phương pháp vector ảo 45 CHƯƠNG IV: VẤN ĐỀ COMMON MODE VOLTAGE 1. Giới thiệu 56 2. Phương pháp Không gian vector 58 a) Phương pháp triệt bỏ hoàn toàn Common mode voltage 60 b) Phương pháp triệt bỏ một phần Common mode voltage 64 CHƯƠNG V : BỘ BIẾN ĐỔI AC-DC-AC 3 BẬC 1. p dụng phương pháp cân bằng áp tụ bằng vector ảo 70 a) Dùng bộ chỉnh lưu 6 xung 70 b) Dùng chỉnh lưu 12 xung 72 2. Áp dụng phương pháp giảm Common mode voltage 74 a) Dùng bộ chỉnh lưu 6 xung 74 b) Dùng chỉnh lưu 12 xung 76 3. Các sản phẩm thực tế 77 a) Dãy sản phẩm SIMOVERT MV của Siemens 77 b) Dãy sản phẩm Dura Bilt5 MV của Toshiba-GE 79 c) Dãy sản phẩm ACS 6000 của ABB 81 Tài liệu tham khảo 82 Phụ lục 83 Đề tài: Bộ biến đổi AC-DC-AC 3 bậc GVHD: Ts. Nguyễn Văn Nhờ SVTH: Đặng Trần Thái Trang 1 CHƯƠNG I : GIỚI THIỆU 1. GIỚI THIỆU BỘ NGHỊCH LƯU 3 BẬC Các bộ điều khiển tốc độ động cơ hiện nay đã áp dụng cho dải rất rộng các ứng dụng với hiệu suất cao như máy nghiền, bơm, quạt vv Rất nhiều các ứng dụng này cần sử dụng các động cơ trung áp bởi dòng đònh mức thấp, đặc biệt là các ứng dụng công suất trung bình và lớn. Với bộ biến tần 2 bậc cổ điển tuy có rất nhiều sự phát triển và có nhiều ưu điểm như điều khiển đơn giản, kích cỡ nhỏ gọn chỉ phù hợp với các ứng dụng công suất thấp. Hơn nữa, dạng sóng điện áp đầu ra bộ nghòch lưu 2 bậc có các thành phần hài bậc cao khá lớn. Để cải thiện chất lượng dạng sóng đầu ra hơn nữa, bộ nghòch lưu 3 bậc được áp dụng. Với các ưu điểm nổi bật như giảm đònh mức dv/dt trên từng linh kiện làm tăng công suất của bộ biến tần, dạng sóng đầu ra được cải thiện rất nhiều. Hiện nay đây là mô hình phổ biến cho các bộ biến tần công suất lớn điều khiển động cơ điện không đồng bộ với mức điện áp trung thế (Medium Voltage). Tuy vậy với bộ nghòch lưu 3 bậc có những vấn đề riêng của nó: -Sự phức tạp của các giản thuật điều khiển. -Sự mất cân bằng áp tụ DC-Link trong bộ nghòch lưu dạng diode kẹp(NPC) -Vấn đề điện áp Common mode và cách giảm thiểu loại điện áp này. vv Khái niệm bộ nghòch lưu đa bậc thể hiện đến sự đa mức điện thế giữa 1 điểm trên pha tải đến 1 điểm chuẩn trên mạch DC-Link (điểm 0) Hiện nay có một số loại bộ nghòch lưu 3 bậc nói riêng và đa bậc nói chung như sau: - Nghòch lưu dạng diode kẹp( Neutral point clamped multilevel inverter – NPC) -Nghòch lưu đa bậc dạng Cascade (Cascade multilevel inverter) -Nghòch lưu đa bậc dạng Flying capacitor -Một sốâ dạng tổ hợp của các loại trên và không được xem xét trong phạm vi luận án này. 2. CASCADE MULTILEVEL INVERTER Cấu hình bộ nghòch lưu đa bậc dạng cascade xuất hiện lần đầu vào năm 1975 ,sử dụng các nguồn DC riêng, gồm nhiều bộ nghòch lưu cầu một pha ghép nối tiếp Đề tài: Bộ biến đổi AC-DC-AC 3 bậc GVHD: Ts. Nguyễn Văn Nhờ SVTH: Đặng Trần Thái Trang 2 Hình 1.1 Bộ nghòch lưu cầu 1 pha Sử dụng quy tắc kích đối nghòch cho từng cặp S1-S4 và S2-S3. Mỗi một bộ nghòch lưu áp cầu 1 pha tạo ra điện áp đầu ra 3 mức –U, 0, U. Với sự kết hợp n bộ nghòch lưu cầu 1 pha trên 1 nhánh tải tạo nên điện áp đầu ra có - n mức điện áp dương ( U, 2U, nU). -n mức điện áp âm (-U,-2U, –nU) -1 mức điện áp 0 Và như thế sẽ tạo ra 2n+1 mức điện áp và tạo ra bộ nghòch lưu 2n+1 bậc Hình 1.3 Sơ đồ bộ nghòch lưu cascade 5 bậc 1 nhánh tải và dạng điện áp Pha- Tâm nguồn DC (điểm 0) Ví dụ một bộ nghòch lưu 5 bậc dạng cascade với 2 bộ nghòch lưu cầu 1 pha mắc nối tiếp. Như trên hình ta thấy điện áp giữa điểm pha a với điểm 0 có 5 bậc. Ưu điểm của hệ thống là: - Dễ dàng thiết kế thành các modul lắp ráp dễ dàng tăng số bậc lên -Mỗi modul gồm 1 nguồn DC, một tụ lọc và 1 mạch cầu 1 pha H-Bridge -Đối với hệ thống cung cấp AC, các cầu diode chỉnh lưu đóng vai trò là mạch cầu đa xung làm giảm méo dạng dòng điện cho nguồn cung cấp. -Dạng sóng đầu ra có thành phần hài rất thấp mặc cho tần sô đóng ngắt khoá là thấp. Đề tài: Bộ biến đổi AC-DC-AC 3 bậc GVHD: Ts. Nguyễn Văn Nhờ SVTH: Đặng Trần Thái Trang 3 Nhược điểm chính của hệ thống này là khi không sử dụng các nguồn DC độc lập mà sử dụng các máy biến thế. Ví dụ với một bộ nghòch lưu 5 bậc dạng cascade sẽ cần tới 1 máy biến áp 1 đầu vào 2 đầu ra. tổng cộng 3 pha sẽ là 6 đầu ra (secondaries). Như vậy sẽ tăng kích thước và giá thành lên rất nhiều chưa kể tới tổn hao máy biến áp. 3. CAPACITOR CLAMPED MULTILEVEL INVERTER a) 3 bậc b) 5 bậc Hình 1.4 Sơ đồ một nhánh tải của mô hình capacitor clamped multilevel inverter Với sơ đồ 3 bậc, các mức điện áp đạt được như sau: V AN = V DC /2 khi s1=s2=1 V AN = 0 khi s2=s3=1 V AN =-V DC /2 khi s3=s4=1 Tụ C1 nạp điện khi cặp (s1,s4) được bật( =1) và xả điện khi s2=s3=1 . Quá trình nạp xả được cân bằng khi có sự chọn lựa hợp lý các tổ hợp trạng thái có mức điện áp 0. Sự phân tích ở các bậc cao hơn là khá phức tạp. Ưu điểm của mô hình này là: -Sắp xếp đơn giản, kết cấu thành từng khối -Cân bằng áp tụ dễ dàng hơn Nhược điểm : -Giải thuật điều khiển PWM phức tạp -Có số lượng tụ lớn [...]... nhau.Với k = 2 /3 ta có phép biến hình không bảo toàn công suất.Với k = 2/ 3 phép biến hình bảo toàn công suất Phương pháp SVM cho bộ nghòch lưu 3 bậc dạng Diode kẹp NPC Hình 1.17 Bộ nghòch lưu 3 bậc NPC SVTH: Đặng Trần Thái Trang 11 Đề tài: Bộ biến đổi AC- DC -AC 3 bậc GVHD: Ts Nguyễn Văn Nhờ Quá trình đóng ngắt các linh kiện tạo ra điện áp 3 pha tải Trên mỗi 1 pha, ví dụ pha A, điện áp VA-O sẽ có 3 trạng thái... θ d2= − 1 + ma (sin θ + 3 cos θ ) d3= 1 + ma (sin θ − 3 cos θ ) (4) V3, V4, V5 d1= 2 − ma (sin θ + 3 cos θ ) d2= − 1 + 2.ma sin θ d3= ma (− sin θ + 3 cos θ ) SVTH: Đặng Trần Thái Trang 14 Đề tài: Bộ biến đổi AC- DC -AC 3 bậc Với ma = V VDC / 3 GVHD: Ts Nguyễn Văn Nhờ là chỉ số điều chế Nếu vector trung bình nằm ở góc phần 6 khác với góc phần 6 thứ nhất, Ta có công thức chuyển đổi sau : (1.7) Vref m Ts... tài: Bộ biến đổi AC- DC -AC 3 bậc CHƯƠNG II : - GVHD: Ts Nguyễn Văn Nhờ BỘ CHỈNH LƯU 1 Giới thiệu Bộ chỉnh lưu là bộ biến đổi dòng xoay chiều thành dòng một chiều để làm nguồn điện áp một chiều cho các ứng dụng như các thiết bò sử dụng điện một chiều, nguồn điện cho các bộ nghòch lưu điều khiển tốc độ động cơ Ngoài ra còn được sử dụng trong ứng dụng HVDC (High Voltage DC transmission) Có nhiều loại bộ. .. tiếp với tải SVTH: Đặng Trần Thái Trang 21 Đề tài: Bộ biến đổi AC- DC -AC 3 bậc GVHD: Ts Nguyễn Văn Nhờ Thông thường, để giảm độ gợn áp DC link, cách phổ biến là mắc bộ lọc điện áp DC với tụ lọc Quá trình nạp xả tụ sẽ làm cho điện áp DC đầu ra trở nên phẳng hơn Hình 2.7 Dùng tụ DC link để lọc áp tải DC đầu ra Hình 2.8 p DC đầu ra Qua mô phỏng ta thấy áp DC đầu ra đã trở nên rất phẳng, độ gợn điện áp giảm... pulsation) và tổn hao công suất đồng thời gây ra sự biến thiên bất thường của vận tốc rotor Hình 3. 3 a) Áp tải trong tường hợp mất cân bằng (Vc1=1.5 Vc2) Hình 3. 3 b) Phổ Fourier của Áp tải khi mất cân bằng (Vc1=1.5 Vc2) SVTH: Đặng Trần Thái Trang 28 Đề tài: Bộ biến đổi AC- DC -AC 3 bậc GVHD: Ts Nguyễn Văn Nhờ Hình 3. 3 c) Áp tải khi cân bằng Hình 3. 3 d) Phổ Fourier của áp tải khi cân bằng Mức độ dao động... SVTH: Đặng Trần Thái Trang 19 Đề tài: Bộ biến đổi AC- DC -AC 3 bậc GVHD: Ts Nguyễn Văn Nhờ Hình 2.2 Giản đồ áp dây nguồn AC và điện áp DC đầu ra (red) Điện áp DC đầu ra bằng sáu đoạn giá trò tuyệt đối lớn nhất của điện áp dây nguồn AC trên 3 pha trong 1 chu kỳ áp nguồn Do vậy dạng mạch chỉnh lưu này còn gọi là chỉnh lưu 6 xung Điện áp trung bình chỉnh lưu là VDC_average = 3 2U LL π (2.1) Quan tâm đến dạng... cho S1, S3 với Vcar2 cho ra giản đồ đóng ngắt cho S2, S4 ura > Vcar1 S1=1 S3=0 ura < Vcar1 S1=0 S3=1 ura > Vcar2 ura < Vcar2 SVTH: Đặng Trần Thái S2=1 S2=0 S4=0 S4=1 Trang 6 Đề tài: Bộ biến đổi AC- DC -AC 3 bậc GVHD: Ts Nguyễn Văn Nhờ Từ giản đồ đóng ngắt ta rút ra dạng điện áp pha-tâm nguồn DC của pha a như sau: u AO ⎧U ⎪2 ⎪ = ⎨0 ⎪ U ⎪− ⎩ 2 S1 = S 2 = 1 (1.1) S2 = S3 = 1 S3 = S4 = 1 U ta (1) 3 Chỉ số... bộ chỉnh lưu tia 3 pha SVTH: Đặng Trần Thái Trang 26 Đề tài: Bộ biến đổi AC- DC -AC 3 bậc GVHD: Ts Nguyễn Văn Nhờ CHƯƠNG III : - VẤN ĐỀ CÂN BẰNG ÁP TỤ 1 Mô tả vấn đề: Đặc điểm của bộ nghòch lưu dạng NPC nói chung và 3 bậc nói riêng, là sự xuất hiện của các tụ điện tại phần DC link, trong quá trình nạp xả của tụ dẫn đến sự dao động của điện áp trên tụ Hình 3. 1 Sơ đồ bộ nghòch lưu NPC 3 bậc Ví dụ: Với... bình bằng cách thực hiện v 1 r r trong thời gian T1, v 2 trong thời gian T2, v 3 trong thời gian T3 : r r r r Ts v = T1 v 1+T2 v 2+T3 v 3 (1.4) Với Ts=T1+T2+T3 là chu kỳ lấy mẫu( Chu ký đóng cắt khoá) SVTH: Đặng Trần Thái Trang 13 Đề tài: Bộ biến đổi AC- DC -AC 3 bậc GVHD: Ts Nguyễn Văn Nhờ r Ta xác đònh thời gian T1, T2, T3 như sau Nếu ta biết được vector v dưới dạng các thành phần vuông góc Vα và Vβ... lưu được như sau: -Bộ chỉnh lưu có điều khiển sử dụng các khoá bán dẫn -Bộ chỉnh lưu không điều khiển sử dụng Diode Trong phạm vi nghiên cứu của đồ án này, chỉ nghiên cứu các bộ chỉnh lưu cấu để làm nguồn điện áp cho bộ biến tần điều khiển tốc độ động cơ không đồng bộ AC -Bộ chỉnh lưu cầu diode 3 pha -Bộ chỉng lưu 12 xung 2 Bộ chỉnh lưu cầu 3 pha sáu xung Hình 2.1 Bộ chỉnh lưu cầu 3 pha không điều khiển . sản phẩm biến tần thực tế của các tập đoàn lớn như ABB, Siemens vv Mục lục Đề mục Trang Trang bìa i Nhiệm vụ luận văn. Lời cảm ơn ii Lời nói đầu iii Mục lục iv CHƯONG I: GIỚI. lục 83 Đề tài: Bộ biến đổi AC-DC-AC 3 bậc GVHD: Ts. Nguyễn Văn Nhờ SVTH: Đặng Trần Thái Trang 1 CHƯƠNG I : GIỚI THIỆU 1. GIỚI THIỆU BỘ NGHỊCH LƯU 3 BẬC Các bộ điều khiển tốc độ động. nối tiếp Đề tài: Bộ biến đổi AC-DC-AC 3 bậc GVHD: Ts. Nguyễn Văn Nhờ SVTH: Đặng Trần Thái Trang 2 Hình 1.1 Bộ nghòch lưu cầu 1 pha Sử dụng quy tắc kích đối nghòch cho từng cặp S1-S4