KỸ THUẬT PWM SÓNG MANG CHO NGHỊCH LƯU ĐA BẬC LAI

KỸ THUẬT PWM SÓNG MANG CHO NGHỊCH LƯU ĐA BẬC LAI

http://www.ebook.edu.vn Đại Học Quốc Gia Tp. Hồ Chí Minh TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA -------------------- NGUYỄN VĂN PHỤC KỸ THUẬT PWM SÓNG MANG CHO NGHỊCH LƯU ĐA BẬC LAI Chuyên ngành : THIẾT BỊ, MẠNG VÀ NHÀ MÁY ĐIỆN Mã số ngành : 2.02.01 LUẬN VĂN THẠC SĨ TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 10/2006. http://www.ebook.edu.vn CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH Cán bộ hướng dẫn khoa học : Tiến sĩ NGUYỄN VĂN NHỜ Cán bộ chấm nhận xét 1 : Cán bộ chấm nhận xét 2 : Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại HỘI ĐỒNG CHẤM BẢO VỆ LUẬN VĂN THẠC SĨ TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA, ngày . . . . . tháng . . . . năm . . . . . http://www.ebook.edu.vn . . I Xin gởi lời cám ơn chân thành nhất đến Tiến sĩ Nguyễn Văn Nhờ đã nhiệt tình hướng dẫn tôi hoàn thành công trình nghiên cứu này. Xin chân thành gửi lời cám ơn đến toàn thể quý thầy cô trường Đại học Bách Khoa Tp. Hồ Chí Minh đã giảng dạy, hướng dẫn và tạo mọi điều kiện tốt cho tôi hoàn thành công trình nghiên cứu này. Xin cám ơn các anh chị em khoá K15 ngành Thiết Bị Mạng Và Nhà Máy Điện đã chia s ẽ, hỗ trợ, giúp đỡ trong suốt quá trình học tập vừa qua. Cuối cùng, nhưng quan trọng nhất, xin gửi lời cám ơn đến các thành viên trong gia đình cùng bạn bè đã động viên, khích lệ, hỗ trợ cách này hay cách khác cho công việc học tập của tôi. Học viên Nguyễn Văn Phục LỜI CẢM ƠN http://www.ebook.edu.vn TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM PHÒNG ĐÀO TẠO SĐH ĐỘC LẬP – TỰ DO – HẠNH PHÚC Tp. HCM, ngày 10 tháng 01 năm 2006 NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên học viên: NGUYỄN VĂN PHỤC Phái: Nam Ngày, tháng, năm sinh: 26/04/2006 Nơi sinh: Khánh hòa Chuyên ngành: THIẾT BỊ, MẠNG VÀ NHÀ MÁY ĐIỆN MSHV: 01804502 I- TÊN ĐỀ TÀI: KỸ THUẬT PWM SÓNG MANG CHO NGHỊCH LƯU ĐA BẬC LAI II- NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG: 1. Giới thiệu nghịch lưu đa bậc lai, ứng dụng 2. Trình bày các cấu trúc nghịch lưu hai bậc, đa bậc 3. Trình bày các phương pháp điều khiển các bộ nghịch lưu 4. Trình bày phương pháp thiết kế, điều khiển bộ nghịch lưu đa bậc lai 5. Thực hiện mô phỏng, đánh giá kết luận III- NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : 10/01/2006 IV- NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ : 06/10/2006 V- CÁN BỘ HƯỚNG DẪN : : Tiến sĩ NGUYỄN VĂN NHỜ CÁN BỘ HƯỚNG DẪN CN BỘ MÔN QL CHUYÊN NGÀNH Tiến sĩ Nguyễn Văn Nhờ Nội dung và đề cương luận văn thạc sĩ đã được Hội đồng chuyên ngành thông qua. Ngày tháng năm TRƯỞNG PHÒNG ĐT – SĐH TRƯỞNG KHOA QL NGÀNH http://www.ebook.edu.vn LUẬN VĂN CAO HỌC Trang 1/125 GVHD:NGUYỄN VĂN NHỜ HVTH: NGUYỄN VĂN PHỤC TÓM TẮT NỘI DUNG Luận văn trình bày, phân tích chi tiết phương pháp thiết kế nghòch lưu đa bậc lai. Với cấu tạo lai này, có thể tạo được số bậc điện áp lớn nhất với cùng số cell cầu H. Tuy nhiên, độ méo dạng họa tần của nó vẫn đảm bảo như các cấu trúc không lai khác. Vì vậy, có thể giảm thiểu hay loại bỏ bộ lọc ngõ ra[4]. Với kiểu thiết kế giới thiệu, số cell cầu H và giá trò nguồn DC của chúng được xác đònh rõ. Để đảm bảo, với số cell cầu H nhất đònh có thể tạo ra số bậc điện áp lớn nhất. Đồng thời, năng lượng tuần hoàn trong các cell cầu H được giảm thiểu, giúp tăng hiệu suất toàn hệ thống. Đặc biệt, luận văn còn trình bày các kỹ thuật PWM sóng mang cho nghòch lưu lai. Từ đó đưa ra nhận xét, đánh giá ưu nhược điểm của mỗi kỹ thuật. Các kỹ thuật được ứng dụng trong luận văn là: - Phương pháp điều chế độ rộâng xung sin (SPWM) - Phương pháp mô phỏng điều chế vector không gian dùng sóng mang với common-mode cực tiểu (SVPWMmin) - Phương pháp mô phỏng điều chế vector không gian dùng sóng mang với common-mode trung bình (SVPWMmid) - Phương pháp mô phỏng điều chế Discontinuous dùng sóng mang với common- mode cực tiểu (DPWMmin) - Phương pháp mô phỏng điều chế Discontinuous dùng sóng mang với common- mode trung bình (DPWMmid). Trong đó kỹ thuật DPWMmin được đánh giá cao. Vì nó cho kết quả về độ méo dạng họa tần, tổn hao công suất, điện áp hài cơ bản tốt hơn phương pháp điều khiển khác, kể cả phương pháp điều rộng xung sin thông thường. Nội dung luận văn gồm năm chương - Chương 1: Giới thiệu, phân tích ,đánh giá các vấn đề liên quan đến nghòch lưu đa bậc lai. Đồng thời đưa ra các vấn đề tồn tại cần giải quyết. http://www.ebook.edu.vn LUẬN VĂN CAO HỌC Trang 2/125 GVHD:NGUYỄN VĂN NHỜ HVTH: NGUYỄN VĂN PHỤC - Chương 2: Trình bày cấu tạo các bộ nghòch lưu áp và giới thiệu cấu trúc cơ bản của nghòch lưu đa bậc lai. - Chương 3: Trình bày các phương pháp điều khiển cho nghòch lưu lai. Đặc biệt là phương pháp mô phỏng vector không gian dùng sóng mang cho phép điều khiển nghòch lưu trong vùng quá điều chế. - Chương 4: Trình bày phương pháp thiết kế chi tiết nghòch lưu đa bậc lai. Nó đảm bảo đạt số bậc điện áp lớn và năng lượng tuần hoàn trên toàn hệ thống là nhỏ nhất. Giúp tăng hiệu suất trên toàn hệ thống. - Chương 5: Trình bày các kết quả mô phỏng, các đồ thò khảo sát được. Từ đó đưa ra các nhận xét đánh giá về bộ nghòch lưu lai cũng như phương pháp điều khiển tương ứng. http://www.ebook.edu.vn LUẬN VĂN CAO HỌC Trang 1/129 GVHD:NGUYỄN VĂN NHỜ Kỹ thuật PWM sóng mang cho nghòch lưu đa bậc lai HVTH: NGUYỄN VĂN PHỤC Chương 1 TỔNG QUAN 1.1.MỞ ĐẦU Trong những năm gần đây, nghòch lưu đa bậc đã được nghiên cứu rộng rãi. Nó đã được chấp nhận, để thay thế nghòch lưu áp hai bậc cho ứng dụng công suất lớn và điện áp cao[11]. Với cấu tạo đa bậc, điện áp ngõ ra được tăng lên, tổn hao chuyển mạch linh kiện giảm và họa tần ngõ ra được cải thiện đáng kể. Kiểu đa bậc thông dụng nhất, là dạng cascaded với lợi thế hơn các dạng khác[11]như: cấu tạo đơn giản, ít thành phần linh kiện, cấu trúc dạng modun, tránh được vấn đề cân bằng áp tụ. Tuy nhiên, khi cần tăng số bậc điện áp ngõ thì số lượng linh kiện sẽ tăng lên. Vì thế, bộ nghòch lưu trở nên cồâng kềnh. Kiểu nghòch lưu đa bậc lai dùng trong luận văn có thể tối giản linh kiện công suất. Với kiểu cấu tạo lai này, có thể tối giản các cell cầu H nhưng vẫn đạt được số bậc điện áp ngõ ra như cấu tạo không lai. Mặt khác, với kiểu điều chế lai có thể dùng các linh kiện công suất trên các cell cầu H khác nhau. Do cell công suất lớn nhất chỉ chuyển mạch ở tần số cơ bản nên có thể dùng linh kiện chuyển mạch chậm như: IGCT, GTO, IEGT. Còn cell công suất thấp nhất được điều chế sóng mang tam giác tần số cao có thể dùng linh kiện: IGBT, MOSFET,BJT Với thiết kế đề nghò, chỉ vài cell cầu H và điện áp nguồn DC tương ứng tạo ra số lượng lớn bậc điện áp. Đồng thời năng lượng tuần hoàn trong những cell cầu H giảm thiểu đáng kể, góp phần làm tăng hiệu suất của toàn hệ thống. http://www.ebook.edu.vn LUẬN VĂN CAO HỌC Trang 2/129 GVHD:NGUYỄN VĂN NHỜ Kỹ thuật PWM sóng mang cho nghòch lưu đa bậc lai HVTH: NGUYỄN VĂN PHỤC Đặc biệt, luận văn còn trình bày ứng dụng phương pháp mô phỏng điều chế vector không gian dùng sóng mang (SVPWM) và phương pháp Discontinuos PWM(DPWM). Việc ứng dụng hai phương pháp này, để tăng chỉ số điều điều chế cũng như giảm tổn hao chuyển mạch trên linh kiện mà phương pháp SPWM chưa giải quyết được. Nhờ đó, góp phần làm giảm tổn hao trên toàn hệ thống và nâng cao hiệu quả các linh kiện công suất. Luận văn thực hiện nghiên cứu tổng quát cách thiết kế nghòch lưu đa bậc thông qua giải tích. Sau đó, dùng phần mềâm mô phỏng PSIM để kiểm chứng và khảo sát các phương pháp điều khiển khi chỉ số điều chế thay đổi từ 0 đến 1.1. Đề tài nghiên cứu có ý nghóa thực tiễn trong việc đưa ra giải pháp giảm thiểu tổn hao trên hệ thống nghòch lưu. Giải quyết vấn đề quá điều chế trong nghòch lưu đa bậc lai giúp tận dụng triệt để khả năng linh kiện. Các vấn đề đó được thể hiện qua giá trò công suất tuần hoàn trong hệ thống, tổn hao chuyển mạch trên linh kiện và hài bậc một lớn nhất điện áp ngõ ra. 1.2 GIỚI THIỆU Trong những năm gần đây, có nhiều công trình nghiên cứu nghòch lưu đa bậc lai cho ứng dụng điện áp cao và công suất lớn[4]. Với thuận lợi là điện áp ngõ ra có thành phần họa tần thấp. Thêm vào đó, với số lượng cell cầu H nhất đònh có thể tổng hợp số bậc điện áp ngõ ra lớn nhất [4]. Để đạt được số bậc điện áp lớn, người ta cấp nguồn cho các cell cầu H có giá trò khác nhau. Khái niệm nghòch lưu lai cơ bản dựa trên nguyên tắc này. Thông thường nguồn DC nghòch lưu lai được cung cấp theo tỉ lệ(Vdc1: Vdc2: Vdc3: Vdc4 = 1:3:9:27… hay 1:2:4:8…). Tuy nhiên, mặc dù cấu tạo đó cho số bậc điện áp lớn, nhưng thành phần họa tần cũng như hiệu suất trên toàn hệ thống không cao. Ví dụ, cấu tạo kiểu trinary (1:3:9:27 ) hay binary http://www.ebook.edu.vn LUẬN VĂN CAO HỌC Trang 3/129 GVHD:NGUYỄN VĂN NHỜ Kỹ thuật PWM sóng mang cho nghòch lưu đa bậc lai HVTH: NGUYỄN VĂN PHỤC (1:2:4:8…) năng lượng tuần hoàn trong hệ thống cao tại một số vùng chỉ số điều chế. Lý do là, cell có điện áp DC cao nhất cung cấp họa tần cơ bản lớn hơn họa tần cơ bản cần thiết ngõ ra. Trong trường hợp này, các cell công suất thấp hơn phải cung cấp công suất âm. Vì vậy, cần thiết kế lại nguồn DC của bộ nghòch lưu lai. Sao cho, các cell cầu H không cung cấp công suất vượt quá công suất cần thiết. Trước đây, điều khiển nghòch lưu lai chủ yếu dựa vào phương pháp điều rộng xung sin(SPWM). Phương pháp SPWM cho điện áp hài cơ bản tối đa là Ud (Ud=Vdc1+ Vdc2+ + Vdcn). Gần đây, đã có sự hoàn tất mối liên hệ giữa phương pháp sóng mang PWM và phương pháp vector không. Hơn nữa, một kỹ thuật điều khiển tương tự được đề nghò là discontinuos PWM (DPWM) giúp làm giảm tổn thất chuyển mạch trên linh kiên công suất. Vì thế, luận văn trình bày phương pháp thiết kế nghòch lưu đa bậc lai để hạn chế công suất tuần hoàn trong hệ thống. Ngoài ra còn trình bày, so sánh các phương pháp điều khiển để tận dụng khả năng các linh kiện trong bộ nghòch lưu. http://www.ebook.edu.vn LUẬN VĂN CAO HỌC Trang 4/129 GVHD:NGUYỄN VĂN NHỜ Kỹ thuật PWM sóng mang cho nghòch lưu đa bậc lai HVTH: NGUYỄN VĂN PHỤC Chương 2 CẤU TRÚC BỘ NGHỊCH LƯU ÁP 2.1 GIỚI THIỆU Bộ nghòch lưu áp cung cấp và điều khiển điện áp xoay chiều ngõ ra. Trong luận văn ta bộ nghòch lưu áp với quá trình chuyển mạch cưỡng bức, sử dụng linh kiện có khả năng điều khiển kích ngắt dòng điện. Nguồn điện áp một chiều có thể ở dạng đơn giản như acquy, pin điện hoặc dạng phức tạp gồm điện áp xoay chiều được chỉnh lưu và lọc phẳng. Linh kiện dùng trong phạm vi công suất nhỏ và vừa sử dụng BJT, MOSFET, IGBT làm công tắc còn ở phạm vi công suất lớn dùng GTO, IGCT, IEGT hoặc SCR kết hợp với bộ chuyển mạch. Với tải tổng quát, mỗi công tắc còn trang bò một diode mắc đối song với nó. Các diode này tạo thành cầu diode chỉnh lưu không điều khiển có chiều dẫn điện ngược lại với chiều dẫn của các công tắc. Nhiệm vụ của cầu diode là tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình trao đổi công suất ảo giữa nguồn một chiều và tải xoay chiều, qua đó hạn chế phát sinh quá điện áp khi kích ngắt các công tắc. Sau đây, giới thiệu sơ lược các bộ nghòch lưu áp cơ bản, có liên quan đến luận văn. 2.2 BỘ NGHỊCH LƯU ÁP 1 PHA Bộ nghòch lưu áp một pha có dạng mạch cầu (còn gọi là cell cầu H hay có thể gọi tắt là cell) (H1.1a) chứa bốn công tắc và bốn diode mắc đối song. Giản đồ kích đóng các công tắc và đồ thò áp tải được vẽ trên hình (H1.1b) [...]... méo dạng sóng hài toàn phần ∞ THD = ∑H n=2 2 (n) H1 Kỹ thuật PWM sóng mang cho nghòch lưu đa bậc lai (3.2) HVTH: NGUYỄN VĂN PHỤC LUẬN VĂN CAO HỌC Trang 15/129 GVHD:NGUYỄN VĂN NHỜ http://www.ebook.edu.vn Với: n là số nguyên, H(n) là sóng hài bậc thứ n, H1 là sóng hài bậc một hay sóng hài cơ bản Để đánh giá ảnh hưởng của từng sóng hài riêng lẻ ta có thể dùng phương pháp phân tích phổ sóng hài cho đại... hỏi sử dụng các máy biến áp ngõ ra 2.4.6 Cấu trúc nghòch lưu đa bậc lai (Hybrid Voltage Source Inverter) Hình 1.7: Cấu trúc nghòch lưu lai một pha bảy bậc Bộ chuyển đổi nguồn áp lai được giới thiệu bởi Manjrekar et al [2] là một cấu trúc dạng cascaded được bổ sung bởi những đầy cầu H bao gồm ít nhất một Kỹ thuật PWM sóng mang cho nghòch lưu đa bậc lai HVTH: NGUYỄN VĂN PHỤC LUẬN VĂN CAO HỌC Trang 12/129... việc chọn tần số sóng mang Sóng điều khiển ur mang thông tin về độ lớn trò hiệu dụng và tần số sóng hài cơ bản của điện áp ngõ ra Trong trường hợp bộ nghòch lưu áp ba pha phải được tạo lệch nhau về pha 1/3 chu kỳ của nó Trong trường hợp bộ nghòch lưu áp một pha, ta cần tạo hai sóng điều khiển lệch pha nhau nữa chu kỳ (tức chúng ngược pha nhau) Kỹ thuật PWM sóng mang cho nghòch lưu đa bậc lai HVTH: NGUYỄN... nghòch lưu áp hai bậc Kỹ thuật PWM sóng mang cho nghòch lưu đa bậc lai HVTH: NGUYỄN VĂN PHỤC LUẬN VĂN CAO HỌC Trang 7/129 GVHD:NGUYỄN VĂN NHỜ http://www.ebook.edu.vn - Đối với tải công suất lớn, điện áp cung cấp cho tải có thể đạt giá trò tương đối lớn 2.4.1 Cấu trúc nghòch lưu áp đa bậc dùng diode kèm ( Neutral Point clamped Multilevel Inverter – NPC ) D1 D1’ Hình 1.3: Cấu trúc nghòch lưu dùng diode... biên độ tín hiệu điều chế lớn hơn tín hiệu sóng mang thì biên độ hài cơ bản điện áp ra tăng không tuyến tính theo biến ma 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 gọi là quá điều chế (overmodulation) hoặc điều chế mở rộng Kỹ thuật PWM sóng mang cho nghòch lưu đa bậc lai HVTH: NGUYỄN VĂN PHỤC LUẬN VĂN CAO HỌC... quả là cho ra tín hiệu điều chế tối ưu nhất Phần dưới đây sẽ phân tích chi tiết cho từng khối Kỹ thuật PWM sóng mang cho nghòch lưu đa bậc lai HVTH: NGUYỄN VĂN PHỤC LUẬN VĂN CAO HỌC Trang 26/129 GVHD:NGUYỄN VĂN NHỜ http://www.ebook.edu.vn Hình 3.4: Giải thuật của sóng điều chế Vrx = Vrx12 + Vr 0, PWM ; x= a,b,c (3.22) 3.4.1 Khối tạo tín hiệu Active-signal Xác đònh tín hiệu vrx12,m theo giải thuật điều... http://www.ebook.edu.vn π a) 2π b) Hình 1.1: Bộ nghòch lưu áp một pha dạng mạch cầu 2.3 BỘ NGHỊCH LƯU ÁP BA PHA Bộ nghòch lưu áp ba pha thường có dạng mạch cầu hình (H1.2a) Mạch chứa sáu công tắc S1, S2… S6 và sáu diode mắc đối song D1, D2… D6 Tải ba pha có thể mắc hình sao(H1.2b) hoặc tam giác (H1.2c) Hình 1.2: Cấu hình bộ nghòch lưu áp ba pha Kỹ thuật PWM sóng mang cho nghòch lưu đa bậc lai HVTH: NGUYỄN VĂN PHỤC LUẬN VĂN... U Bảng 2.1: Nguyên tắc tổng hợp điện áp nghòch lưu lai bảy bậc hình 1.7 Những thuận lợi của cấu trúc lai - Có thể kết hợp của hai loại thiết bò điện tử công suất có đặc tính khác nhau trong cùng một bộ nghòch lưu - Số lượng chuyển mạch trên các cell công suất lớn rất ít, chỉ xảy ra ở cell công suất thấp nhất Kỹ thuật PWM sóng mang cho nghòch lưu đa bậc lai HVTH: NGUYỄN VĂN PHỤC LUẬN VĂN CAO HỌC Trang... VĂN CAO HỌC Trang 9/129 GVHD:NGUYỄN VĂN NHỜ http://www.ebook.edu.vn Hình 1.4: Cấu trúc nghòch lưu năm bậc dùng tụ kèm Hình 1.5: Cấu trúc nghòch lưu ba bậc dùng tụ kèm Ưu điểm chính của nghòch lưu dạng này là : + Khi số bậc tăng cao thì không cần dùng bộ lọc Kỹ thuật PWM sóng mang cho nghòch lưu đa bậc lai HVTH: NGUYỄN VĂN PHỤC LUẬN VĂN CAO HỌC Trang 10/129 GVHD:NGUYỄN VĂN NHỜ http://www.ebook.edu.vn... dưới dạng acquy, battery Cascade inverter 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 và bằng nhau (VDC1=VDC2=…=VDCn=U) Bằng cách kích đóng các linh kiện trong mỗi bộ nghòch lưu áp một pha, ba bậc điện áp ( -U, 0, U ) được Kỹ thuật PWM sóng mang cho nghòch lưu đa bậc lai HVTH: NGUYỄN VĂN PHỤC LUẬN VĂN CAO HỌC Trang 11/129 GVHD:NGUYỄN