Kỹ thuật điều khiển VECTOR cho bộ nghịch lưu áp đa bậc

LỜI CẢM ƠN o0o Tôi xin gởi lời cảm ơn chân thành đến TS. Nguyễn Văn Nhờ đã tận tình, hướng dẫn tôi để hoàn thành luận văn này. Tôi cũng xin cảm ơn Q thầy, cô và phòng Quản Lý Khoa Học – Sau Đại Học trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật Tp.HCM, Q thầy, cô bộ môn Hệ Thống Điện trường Đại Học Bách Khoa Tp.HCM, Các anh, chò quản lý phòng máy tính khoa Điện – Điện tử đã tạo mọi điều kiện thuận lợi cho tôi trong quá trình học tập và hoàn thành luận văn. Cuối cùng, tôi xin tỏ lòng biết ơn đến gia đình, bạn bè và đồng nghiệp đã động viên và tạo điều kiện cho tôi rất nhiều trong quá trình học tập và thực hiện luận văn này cũng như trong việc tìm kiếm thông tin và các tài liệu khác có liên quan. Tp. Hồ Chí Minh, ngày 24 tháng 08 năm 2005 Học viên Trần Dũng MỤC LỤC PHẦN A : MỤC LỤC Trang PHẦN B : NỘI DUNG CHƯƠNG I : GIỚI THIỆU VỀ BỘ NGHỊCH LƯU ÁP ĐA BẬC VÀ CÁC KỸ THUẬT ĐIỀU CHẾ NÓI CHUNG 1.1 TỔNG QUAN 1 1.1.1 Tính cần thiết phải nghiên cứu kỹ thuật điều khiển cho bộ nghòch lưu đa bậc nói chung . 1.1.2 Ưu điểm của nghòch lưu áp đa bậc nói chung. 2 1.1.3 Ưu điểm tiên đóan ban đầu của kỹ thuật SVC theo hướng đề xuất. 2 1.1.4 Một số hạn chế chưa được khảo sát theo kỹ thuật đã đề xuất. 3 1. 2 GIỚI THIỆU MỘT SỐ CẤU TRÚC CỦA BỘ NGHỊCH LƯU 3 ĐA BẬC 1.2.1 Giới thiệu về bộ nghòch lưu áp nói chung 1.2.2 Một số cấu trúc cơ bản của mạch động lực trong bộ nghòch lưu áp đa bậc. 1.2.2.1 Cấu trúc nghòch lưu dạng Cascade ( cascade inverter ) 1.2.2.2 Cấu Trúc Nghòch Lưu Chứa Cặp Diode kẹp ( Neutral Point Clamped Multilevel Inverter – NPC ). 4 1.2.2 3 Cấu Trúc Nghòch Lưu dùng tụ kẹp (Capacitor-Clamped Multilevel Inverter) . 6 1.3 CÁC KỸ THUẬT ĐIỀU CHẾ NÓI CHUNG 7 1.3.1 Quy Trình Đóng Ngắt của các linh kiện công suất trong bộ nghòch lưu áp đa bậc. 1. 3.1.1 Tổng Quát. 1.3.1.2 Trạng Thái Đóng Ngắt Bộ Nghòch Lưu p Ba Bậc 8 1.3.1.3 Trạng Thái Đóng Ngắt Bộ Nghòch Lưu p Năm Bậc 9 1.3.2 Phân loại các kỹ thuật điều chế nói chung 10 1.3.3 Một số chỉ tiêu để đánh giá kỹ thuật PWM của bộ nghòch lưu 11 CHƯƠNG II : PHÂN TÍCH CÁC KỸ THUẬT PWM 2.1 GIỚI THIỆU 14 2. 2 KỸ THUẬT ĐIỀU CHẾ DÙNG SÓNG MANG 14 2.2.1 Các dạng sóng sóng mang dùng trong kỹ thuật điều chế PWM 15 2.2 2 Mô phỏng và phân tích bộ nghòch lưu áp ba bậc 17 2.2.3 Mô Phỏng Bộ Nghòch Lưu ÁP 5 Bậc 20 2.3 PHƯƠNG PHÁP TRIỆT TIÊU SÓNG HÀI CHỌN LỌC. 23 2.4 PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHẾ VECTOR KHÔNG GIAN. 26 2.4.1 Vector Không Gian Của Bộ Nghòch Lưu p Đa Bậc 2.4.1.1 Khái niệm vector không gian 2.4.1.2 Vector không gian của bộ nghòch lưu áp đa bậc 27 2.4.2 Giản đồ vector điện áp bộ nghòch lưu ba bậc 2. 4.3 Giản đồ vector điện áp bộ nghòch lưu năm bậc 29 2. 5 MỘT SỐ NHẬN XÉT VỀ PHƯƠNG PHÁP VÀ KỸ THUẬT CỦA CPWM , SVPWM , SHE . 31 CHƯƠNG III KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VECTOR (SVC) VÀ CẢI TIẾN KỸ THUẬT SVC . 3.1 KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VECTOR ( SVC : Space Vector Control ) 3.1.1 Giới thiệu 34 3.1.2 Kỹ thuật điều khiển vector 3.2 KỸ THUẬT SVC CẢI TIẾN THEO HƯỚNG ĐỀ XUẤT CỦA ĐỀ TÀI. 38 3. 2 .1 Xây dựng mô hình toán học 3.2.2 Các hàm toán học dựa trên mối tương quan của hai phương pháp SVPWM và CPWM . 42 3.2 .2.1 Đònh nghóa hàm Max, Mid, Min, Interger . 3.2 .2 .2. Khối hàm Offset cực trò (Extreme Offset). 43 3. 2 .2 .3 Hàm S để xác đònh K 1 , K 2 , K 3 3.3 GIẢI THUẬT THEO PHƯƠNG PHÁP ĐỀ XUẤT 45 3.4 VIẾT CHƯƠNG TRÌNH CHO CÁC KHỐI TRONG GIẢI THUẬT TRÊN 45 3.4.1 Chương trình cho khối tìm cực trò. 3.4.2 Chương trình cho khối logic bao gồm hàm f max ,và f min 3.4.3 Hàm S được thiết lập trực tiếp bằng logic trên PSIM . 3.4.4 Các hàm của P a10 , P b10 , P c10 được thiết lập trực tiếp bằng logic trên PSIM . 3.4.5 Chương trình của khối chính được viết chương trình trên phần mềm C ++ sau đó đưa vào khối DLL (ở phụ lục 4.3) 3.5 SƠ ĐỒ MẠCH MÔ PHỎNG VÀ KẾT QUẢ MÔ PHỎNG. 47 3.5.1 Sơ đồ mạch mô phỏng 3.5.1.1 Mạch mô phỏng bộ nghòch lưu ba bậc 48 3.5.1.2 Mạch mô phỏng bộ nghòch lưu ba bậc 49 3.5.2 Kết quả mô phỏng 50 3.5.3 Phân tích và nhận xét về tính ưu việt của bộ nghòch lưu đa bậc. 57 3.5.4 Phân tích kết quả mô phỏng giữa tỉ số điều chế m và tổng méo hài THD trên các pha của bộ nghòch lưu 5 bậc dùng cấu trúc diode kẹp. 57 3.5.5 Mô phỏng bộ nghòch lưu áp 5 bậc với tải là động cơ 59 3.5.5.1 Mô phỏng bộ nghòch lưu áp 5 bậc với tải là động cơ 61 3.5.5.2 Dạng sóng Vf mô phõng ở hình 3.30 62 3.5.5.3 Nhận xét về kết quả mô phỏng ở mục 3.5.5.1 62 PHẦN C 4. KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI 63 4.1 Kết luận 63 4.2 Đề xuất theo hướng phát triển của đề tài 64 PHẦN D PHỤ LỤC Tài liệu thao khảo Lý lòch trích ngang Trang 1 CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU VỀ BỘ NGHỊCH LƯU ÁP ĐA BẬC VÀ CÁC KỸ THUẬT ĐIỀU CHẾ NÓI CHUNG 1.1 TỔNG QUAN 1.1.1 Tính cần thiết phải nghiên cứu kỹ thuật điều khiển cho bộ nghòch lưu đa bậc nói chung . Trong những năm gần đây, các bộ nghòch lưu nói chung đã được ứng dụng rất phổ biến. Chúng đóng vai trò quan trọng trong nhiều lónh vực như : 1) Điều khiển động cơ AC. 2) Bộ nguồn dự trữ AC (UPSs –Uninterruptible Power Supplies). 3) Sự nung cảm ứng. 4) Dùng làm nguồn phát điện AC mà năng lượng đầu vào từ mặt trời, khí đốt 5) Dùng trong bộ lọc tích cực, bộ lọc hài hay bộ bù SVC. 6) Khi nhà máy điện chạy bằng năng lượng gió, hay lượng mặt trời đang được quan tâm như hiện nay thì nhất thiết phải có bộ nghòch lưu nhằm chuyển đổi điện áp một chiều thành xoay chiều ba pha. 7) Khi chế tạo các bộ biến tần chắc chắn bộ phận nghòch lưu không thể thiếu. 8) Đặt biệt có nghóa quan trọng khi kỹ thuật truyền năng lượng điện bằng hệ thống HVDC (High Voltage Direct Current) phát triển toàn cầu. Mặt khác, bộ nghòch lưu áp hai bậc (xem phụ lục 1) có nhược điểm điện áp ở ngỏ ra cung cấp cho cuộn dây động cơ với độ dốc ( dv/dt ) khá lớn và gây ra một số vấn đề khó khăn bởi tồn tại trạng thái khác zero của tổng điện thế từ các pha đến tâm nguồn DC (hiện tượng common-mode voltage). Thêm vào đó, bộ nghòch lưu hai bậc chỉ dùng rộng rãi trong phạm vi công suất vừa và nhỏ. Nhưng xu hướng hiện nay, trong công nghiệp đòi hỏi sử dụng các hệ thống điện áp cao (2.3kv, 3.3kv, 4.16kv, 6.9kv ), công suất lớn (từ MW trở lên ). Do đó bộ nghòch lưu áp đa bậc được nghiên cứu và phát triển để giải quyết các vấn đề gây ra nêu trên của bộ nghòch lưu áp hai bậc [1]. Song tính mâu thuẩn của vấn đề về bộ nghòch lưu có công suất lớn và chất lượng điện áp ở ngỏ ra cao, ít hài thì nhất thiết cấu trúc của bộ nghòch lưu phải là bộ nghòch lưu đa bậc (hình 1.1, hình 1.2). Khi chúng ta dùng cấu trúc đa bậc sẽ kéo theo kỹ thuật điều khiển khó khăn, giải thuật phức tạp. Theo tạp chí IEEE, IEE đã đề cập rất nhiều kỹ thuật điều chế cho bộ nghòch lưu áp đa bậc như : - Kỹ thuật điều chế dùng sóng mang (Carrier based PWM ) [2,3,4] Trang 2 - Kỹ thuật điều chế dùng vector không gian (Space Vector PWM ) [ 5,6,7] - Kỹ thuật triệt tiêu các sóng hài chọn lọc (SHE- Selective Harmonic Elimination )[8,9] - Kỹ thuật điều khiển vector (SVC- Space Vector Control) bằng cách tra bảng [10,11] Những kỹ thuật điều chế nêu trên liên quan đến kỹ thuật đề xuất. Thông qua kết quả nghiên cứu của những chuyên gia của tạp chí IEEE, IEE cho ta nhận xét rằng : mỗi kỹ thuật mà tác giả đưa ra đều tập trung khắc phục một số chỉ tiêu như : 1) Tổng méo hài (THD) thấp. 2) Tăng tỷ số điều chế. 3) Khử sóng hài bậc cao. 3) Giảm tối đa tổn thất . 4) Giảm độ nhấp nhô dòng hài. 5) Tối ưu giải thuật điều khiển, dễ thực hiện và mang tính tổng quát cao. Song mỗi kỹ thuật khó có thể đạt được hết các chỉ tiêu nêu trên. Khi điện áp nghòch lưu ra không đảm bảo chất lượng điện năng tốt sẽ gây ra một số vấn đề như : tổn hao đồng trong máy điện tăng, tiếng ồn, gây công hưởng hài với tải hay làm động cơ lão hóa nhanh 1.1.2 Ưu điểm của nghòch lưu áp đa bậc nói chung. 1) Công suất của bộ nghòch lưu áp đa bậc là rất lớn (từ MW trở lên ). 2) Điện áp đặt trên linh kiện bò giảm xuống nên công suất tổn hao do quá trình đóng ngắt của linh kiện cũng giảm theo. 3) Với cùng tần số đóng ngắt, các thành phần sóng hài bậc cao của điện áp ra giảm nhỏ hơn so với trường hợp bộ nghòch lưu áp hai bậc. 4) Điện áp common-mode nhỏ hơn, nên làm giảm ứng suất trên trục động cơ.Nghóa là tuổi thọ của động cơ được tăng lên. 1.1.3 Ưu điểm tiên đoán ban đầu của kỹ thuật SVC theo hướng đề xuất. 1) Giảm tối đa số lần chuyển mạch trên mỗi chu kỳ 2) Chất lượng điện áp ở ngỏ ra của bộ nghòch lưu cao khi số bậc càng tăng nhưng giải thuật ít thay đổi. 3) Mô hình tóan học mang tính khái quát cao nên đơn giản hóa về kỹ thuật điều khiển vector. 4) Chủ động kiểm tra số lượng vector dư thừa trong nghòch lưu đa bậc. Trang 3 1.1.4 Một số hạn chế chưa được khảo sát theo kỹ thuật đã đề xuất. 1) Chưa khảo sát chất lượng điện áp ra với tải động cơ, chỉ thực hiện với tải RL. 2) Do thời gian có hạn nên kết quả đạt được chưa đánh giá triệt để. 1.2 GIỚI THIỆU MỘT SỐ CẤU TRÚC CỦA BỘ NGHỊCH LƯU ĐA BẬC 1.2.1 Giới thiệu về bộ nghòch lưu áp nói chung. Bộ nghòch lưu áp nhận điện áp một chiều rồi biến thành điện áp xoay chiều với giá trò điện áp và tần số có thể thay đổi hay cố đònh tùy thuộc vào tính ứng dụng. Thực tế chúng có thể làm việc như bộ lọc. Điện áp dc cung cấp bộ nghòch lưu có thể cố đònh hay thay đổi. Điện áp đầu vào này có thể từ ắcquy, năng lượng mặt trời hay từ lưới điện xoay chiều thông qua bộ nắn điện Điện áp ở ngỏ ra cũng có thể một pha hay ba pha, dạng sóng có thể vuông, bậc thang, hay dạng sin, gần sin tùy theo kỹ thuật điều chế . Bộ nghòch lưu bao gồm hai loại : bộ nghòch lưu dòng, bộ nghòch lưu áp. Trước đây, linh kiện trong bộ nghòch lưu thường là thyristor. Nay thường dùng các linh kiện như GTOs , BJTs , IGBTs và IGCTs. 1.2.2 Một số cấu trúc cơ bản của mạch động lực trong bộ nghòch lưu đa bậc 1.2.2.1 Cấu trúc nghòch lưu dạng Cascade ( 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 (hình 1.1) gồm nhiều bộ nghòch lưu áp cầu một pha ghép nối tiếp, các bộ nghòch lưu áp dạng cầu một pha này có các nguồn DC riêng. Bằng cách kích đóng các linh kiện trong mỗi bộ nghòch lưu áp một pha, ba mức điện áp ( -U, 0, U ) được tạo thành. Sự kết hợp hoạt động của n bộ nghòch 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. Do đó, bộ nghòch lưu áp dạng cascade gồm n bộ nghòch lưu áp một pha trên mỗi nhánh sẽ tạo thành bộ nghòch lưu ( 2n + 1 ) bậc. Trang 4 Hình 1.1- Cascade inverter Tần số đóng ngắt trong mỗi module của dạng mạch này có thể giảm đi n lần và tốc độ biến thiên (dv/dt) cũng giảm đi n. Điện áp trên áp đặt lên các linh kiện giảm đi 0,57 lần, cho phép sử dụng IGBT điện áp thấp. 1.2.2.2 Cấu Trúc Nghòch Lưu Chứa Cặp Diode kẹp (Neutral Point Clamped Multilevel Inverter – NPC ) Sử dụng thích hợp khi các nguồn DC tạo nên từ hệ thống điện AC. Bộ nghòch lưu đa bậc chứa các cặp diode kèm có một mạch nguồn DC được phân chia thành một số cấp điện áp nhỏ hơn nhờ chuỗi các tụ điện mắc nối tiếp (hình 1.2) [...]... , f  f1 Trang 13 CHƯƠNG 2 PHÂN TÍCH CÁC KỸ THUẬT PWM 2.1 GIỚI THIỆU Những kỹ thuật điều khiển được áp dụng cho bộ nghòch lưu áp hai bậc như kỹ thuật điều chế độ rộng xung và các dạng cải biến của nó, kỹ thuật điều khiển vector, kỹ thuật khử sóng hài tối ưu, các kỹ thuật điều khiển dòng điện ,…có thể được ứng dụng cho bộ nghòch lưu đa bậc Bộ nghòch lưu áp đa bậc có phạm vi hoạt động chủ yếu đối với... trong khoảng 0  m  0.907 Hoặc trong kỹ thuật SHE cho phép thực hiện triệt tiêu sóng hài với số lần đóng ngắt tối thiểu Còn kỹ thuật điều chế vector không gian khắc phục được các nhược điểm của kỹ thuật điều khiển sáu bước ( -kỹ thuật này hình thành chứa nhiều sóng hài bậc cao) và kỹ thuật SPWM 1.3 3 Một số chỉ tiêu để đánh giá kỹ thuật PWM của bộ nghòch lưu Chỉ số điều chế m (Modulation index) được... nên phần dưới đây người thực hiện chỉ phân tích một số kỹ thuật liên quan như : 1) Kỹ thuật điều chế dùng sóng mang (CPWM hay SH-PWM ) 2) Kỹ thuật điều chế vectơ không gian (SVPWM ) 3) Kỹ thuật triệt tiêu sóng hài chọn lọc( SHE ) Thông qua đó để giới thiệu kỹ thuật mới – kỹ thuật điều khiển vectơ (SVC) 2 2 KỸ THUẬT ĐIỀU CHẾ DÙNG SÓNG MANG Kỹ thuật còn có tên Subharmonic PWM (SH-PWM),Multilevel carrier... Trong các phương pháp bố trí sóng mang, phương pháp bố trí các sóng mang đa bậc cùng pha PD cho độ méo dạng áp dây nhỏ nhất Riêng đối với bộ nghòch lưu áp 3 bậc, phương pháp POD và APOD cho cùng kết quả như tài liệu [3] 2.2.2 Mô phỏng và phân tích bộ nghòch lưu áp ba bậc Để tiện cho việc so sánh kết quả của phương án đề xuất người thực hiện tiến hành mô phỏng lại bộ nghòch lưu áp ba bậc (trên cùng phần... cùng chung vò trí vector không gian Ngoài ra, tồn tại ba trạng thái kích dẫn khác nhau cho cùng vò trí vector không Trang 28  120 020 121 010 021 022 112 012 221 110 000 111 222 122 011 001 002 220 102 210 211 100 212 101  200 201 202 Hình (2.13)- Giản đồ vector điện áp bộ nghòch lưu áp 3 bậc 2.4.3 Giản đồ vector điện áp bộ nghòch lưu năm bậc : Với bộ nghòch lưu năm bậc, khả năng điều khiển kích dẫn... của bộ nghòch lưu 5 bậc (Với tần số sóng mang 1.000Hz – tần số sóng điều khiển 50Hz ) Qua hình 2.6 và hình 2.8 cho thấy ưu điểm của bộ nghòch lưu áp cao bậc hơn ở chổ : Bậc càng cao thì dạng sóng tạo ra càng tốt hơn Nếu cùng yêu cầu điện áp ở ra thì khả năng chòu áp trên mỗi linh kiện của bộ nghòch lưu cao bậc hơn sẽ giảm Ngược lại với cùng giá trò điện áp làm việc trên mỗi linh kiện thì điện áp ở... Sóng điều khiển( thường sóng tam giác) mang thông tin về độ lớn trò hiệu dụng và tần số sóng hài cơ bản của điện áp ở ngỏ ra Tiến hành mô phỏng cho bộ nghòch lưu áp ba bậc và năm bậc Dùng phần mềm Psim mô phỏng cho bộ nghòch lưu áp dạng diode kềm 2.2.1 Các dạng sóng mang dùng trong kỹ thuật điều chế PWM Bố trí sóng mang đã được một số tác giả nghiên cứu và mang lại những kết quả nhất đònh Do kỹ thuật. .. 2.8a,b,c,d Trang 21 Hình 2.8a: điện áp ở ngỏ ra trên pha b của bộ nghòch lưu 5 bậc (Với tần số sóng mang 10.000Hz – tần số sóng điều khiển 50Hz ) Hình 2.8b :dòng điện 3 pha ngỏ ra của bộ nghòch lưu 5 bậc (Với tần số sóng mang 10.000Hz – tần số sóng điều khiển 50Hz ) Hình 2.8c : điện áp ở ngỏ ra trên pha b của bộ nghòch lưu 5 bậc (Với tần số sóng mang 1.000Hz – tần số sóng điều khiển 50Hz ) Trang 22 Hình 2.8d... dụng các cấu hình nghòch lưu áp ba pha chuẩn cũng như đạt được sự cân bằng điện áp các nguồn DC và không tồn tại dòng cân bằng giữa các modul Tuy nhiên theo tính chất và cấu tạo bắt buộc sử dụng các máy biến áp ngỏ ra 1.3 CÁC KỸ THUẬT ĐIỀU CHẾ NÓI CHUNG 1.3.1 Quy Trình Đóng Ngắt của các linh kiện công suất trong bộ nghòch lưu áp đa bậc 1.3.1.1 Tổng Quát Xét bộ nghòch lưu áp n bậc dạng chứa cặp diode... 0,40 m 0,60 0,80 1,00 Hình 2.12 - Mối quan hệ giữa m và  2.4 KỸ THUẬT ĐIỀU CHẾ VECTOR KHÔNG GIAN (Space -Vector PWM) Đây là kỹ thuật được các chuyên gia của tạp chí IEEE,IEE đề cập rất nhiều Kỹ thuật còn được viết tắt là SVPWM (hay còn gọi SVM ) 2 4 1 Vector Không Gian Của Bộ Nghòch Lưu p Đa Bậc 2.4.1.1 Khái niệm vector không gian : Ta giả sử cho đại lượng 3 pha va , v b , v c cân bằng, thoả hệ thức sau . CÁC KỸ THUẬT PWM 2.1 GIỚI THIỆU Những kỹ thuật điều khiển được áp dụng cho bộ nghòch lưu áp hai bậc như kỹ thuật điều chế độ rộng xung và các dạng cải biến của nó, kỹ thuật điều khiển vector, . CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU VỀ BỘ NGHỊCH LƯU ÁP ĐA BẬC VÀ CÁC KỸ THUẬT ĐIỀU CHẾ NÓI CHUNG 1.1 TỔNG QUAN 1.1.1 Tính cần thiết phải nghiên cứu kỹ thuật điều khiển cho bộ nghòch lưu đa bậc nói chung . Trong. : GIỚI THIỆU VỀ BỘ NGHỊCH LƯU ÁP ĐA BẬC VÀ CÁC KỸ THUẬT ĐIỀU CHẾ NÓI CHUNG 1.1 TỔNG QUAN 1 1.1.1 Tính cần thiết phải nghiên cứu kỹ thuật điều khiển cho bộ nghòch lưu đa bậc nói chung . 1.1.2