Xin cảm ơn ban lãnh đạo Khoa Điện – Điện tử Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh đã hỗ trợ sử dụng phòng thí nghiệm Điện tử công suất nâng cao D406 trong suốt thời gian
Trang 1BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
LUẬN VĂN THẠC SĨ DANH TUẤN LÊ
NGHIÊN CỨU BỘ NGHỊCH LƯU BA PHA NĂM BẬC NPC
NGÀNH:KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ-60520203
S K C0 0 4 7 2 8
Trang 2Trang i
LÝ LỊCH KHOA HỌC
I LÝ LỊCH SƠ LƯỢC :
Họ và tên: Danh Tuấn Lê Giới tính: Nam
Ngày, tháng, năm sinh: 04/04/1973 Nơi sinh: Kiên Giang
Quê quán: Kiên Giang Dân tộc: Khmer
Địa chỉ liên lạc: 132 Cao Thắng, Khu phố 3, Phường Vĩnh Lợi, Thành phố Rạch Giá, Tỉnh Kiên Giang
Điện thoại cơ quan: 0773 863 530 Di động: 0918 526 678 Fax: 0773 863 421 Email: dtle@kgtec.edu.vn
II QUÁ TRÌNH ĐẢO TẠO :
Hệ đào tạo: Chính qui Thời gian đào tạo từ : 10/1992 đến 07/1997 Nơi học: Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Tp HCM
Ngành học: Kỹ thuật Điện – Điện Tử
Tên đồ án tốt nghiệp: KỸ THUẬT ĐO LƯỜNG TỪ XA
Bảo vệ đồ án tốt nghiệp:ngày 10 tháng 07 năm 1997
Giáo viên giảng dạy tại khoa Điện – Điện Tử
Trang 3LỜI CAM ĐOAN
Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi
Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chƣa từng đƣợc ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác
Tp Hồ Chí Minh, ngày 18 tháng 10 năm 2015
(Ký tên và ghi rõ họ tên)
Danh Tuấn Lê
Trang 4Trang iii
LỜI CẢM TẠ
Xin chân thành gửi lời cảm ơn đến PGS.TS Trần Thu Hà, TS
Quách Thanh Hải,Ths Đỗ Đức Trí, đã tận tình hướng dẫn tôi để
thực hiện luận văn
Xin chân thành gửi lời cảm ơn đến toàn thể quí thầy cô trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật TP Hồ Chí Minh đã giảng dạy, hướng
dẫn và tạo mọi điều kiện, môi trường học tập tốt cho tôi
Xin cảm ơn ban lãnh đạo Khoa Điện – Điện tử Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh đã hỗ trợ sử dụng
phòng thí nghiệm Điện tử công suất nâng cao D406 trong suốt
thời gian thực hiện luận văn này
Cảm ơn ba mẹ, anh chị em, vợ và bạn bè đã động viên tôi trong suốt thời gian học
Xin kính chúc sức khỏe và chân thành cảm ơn
Học viên
Danh Tuấn Lê
Trang 5TÓM TẮT LUẬN VĂN
Đề tài này thực hiện kỹ thuật điều chế sóng mang thông qua việc sử dụng hàm offset nhằm giảm số lần chuyển mạch của các khóa công suất cho nghịch lưu cầu H-NPC Kỹ thuật này sử dụng hàm offset là thành phần bậc 3 để chuyển các sóng điện áp điều khiển về các ngưỡng cực đại hoặc cực tiểu của biên độ sóng mang để giả giao cắt giữa sóng điều khiển và sóng mang để giảm số lần chuyển mạch Với
kỹ thuật xây dựng hàm offset trình bày trong nghiên cứu, số lần chuyển mạch của các khóa công suất/pha trong một chu kỳ có thể giảm đến 30% Kết quả của giải thuật được kiểm chứng qua mô phỏng và qua quá trình thực nghiệm
Luận văn thực nghiệm trên phần cứng với IGBT STGW25N120K Các giải thuật điều khiển đề xuất được thực hiện trên vi xử lý điều khiển tín hiệu số DSP TMS320F 28335 với kỹ thuật lập trình nhúng từ mô hình mô phỏng trên phần mềm MATLAB/SIMULINK kết hợp chương trình Code Composer Studio V3.3 tự động biên dịch ra ngôn ngữ C và nạp cho vi xử lý mà không cần phải lập trình lại
Trang 6Trang v
ABSTRACT
This project implemented the carrier wave modulation technique using offset function aiming to reduce commutation of power switches in H-NPC inverter The technique uses the third-order offset function in order to move the control voltage signal to the maximum or minimum thresholds of the carrier wave amplitudes aiming to create the intersections for decreasing the number of commutations In the proposed technique, the commutations of the power switches per phase can reduce to 30% in every period The proposed results can be verified through the simulation and the experiment
The project has been experienced on the hardware of IGBT STGW25N120 The proposed control techniques have been implemented on DSP - F28335 with the embedded programming technique of the simulation model in MATLAB/Simulink combined with the software Code Composer Studio V3.3, which compile automatically to C-language and download to processor without programming again
Trang 7MỤC LỤC
LÝ LỊCH KHOA HỌC i
LỜI CAM ĐOAN ii
LỜI CẢM TẠ iii
TÓM TẮT LUẬN VĂN iv
ABSTRACT v
MỤC LỤC vi
DANH SÁCH CHỮ VIẾT TẮT ix
DANH SÁCH HÌNH x
DANH SÁCH BẢNG xii
Chương 1: TỔNG QUAN 1
1.1 Tổng quan về lĩnh vực nghiên cứu, các kết quả nghiên cứu trong và ngoài nước 1
1.1.1 Tổng quan chung về lĩnh vực nghiên cứu 1
1.1.2 Các kết quả trong và ngoài nước đã công bố 2
1.1.2.1 Tình hình nghiên cứu trong nước: 2
1.1.2.2 Tình hình nghiên cứu ngoài nước 3
1.2 Tính cấp thiết của đề tài, ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài 4
1.3 Mục đích của đề tài 4
1.4 Nhiệm vụ và giới hạn của đề tài : 5
1.5 Phương pháp nghiên cứu 5
1.6 Điểm mới của đề tài : 5
1.7 Giá trị thực tiễn của đề tài : 5
Chương 2 : CƠ SỞ LÝ THUYẾT 6
2.1 Tổng quan về nghi ̣ch lưu đa bâ ̣c 6
2.1.1 Khái niệm 6
2.1.2 Phân loại 6
2.2 Các cấu trúc bộ nghịch lưu đa bậc 7
2.2.1 Cấu trúc bộ nghịch lưu NPC (Neutral Point Clamped) 7
2.2.2 Cấu trúc bộ nghịch lưu kẹp tụ (Flying capacitor inverter) [2] 8
2.2.3 Cấu trúc bộ nghịch lưu áp dạng cascade 8
2.2.4 Cấu trúc bộ nghịch lưu áp dạng H-NPC 9
Trang 8Trang vii
2.2.5 Nhận xét 10
2.3 Kỹ thuật điều chế độ rộng xung (PWM) nghịch lưu 3 pha 5 bậc H-NPC 10
2.3.1 Phương pháp điều chế độ rộng xung Sin PWM 10
2.3.2 Phương pháp điều chế độ rộng xung cải biến (MSPWM: Modified SPWM) 12
2.3.3 Phương pháp điều chế vector không gian: 13
2.3.3.1 Khái niệm vector không gian: 13
2.3.3.2 Vector không gian của bộ nghịch lưu áp đa bậc: 14
2.3.3.3 Nguyên lý điều chế vector không gian của bộ nghịch lưu áp đa bậc 17
Chương 3 : KỸ THUẬT ĐIỀU CHẾ SÓNG MANG VÀ 20
KẾT QUẢ MÔ PHỎNG CỦA BỘ NGHỊCH BA PHA NĂM BẬC H-NPC 20
3.1 Nguyên lý bộ nghịch lưu ba pha năm bậc H-NPC 20
3.2 Kỹ thuật điều khiển bộ nghịch lưu ba pha 5 bậc H-NPC 22
3.2.1 Kỹ thuật PWM dùng sóng mang 22
3.2.1.1 Tổng quan kỹ thuật PWM dùng sóng mang 22
3.2.2.2 Kỹ thuật PWM dùng nhiều sóng mang 24
3.2.2.3 Phương pháp PWM đề xuất : 25
3.3 Mô phỏng giải thuật đề xuất trên bộ nghịch lưu ba pha năm bậc H-NPC 27
3.3.1 Thông số mô phỏng 27
3.2.2 Mô hình mô phỏng 28
3.2.3 Chức năng các khối trong mô hình 29
3.2.3.1 Khối tạo sóng sin 29
3.2.3.2 Khối sóng mang: 29
3.2.3.3 Khối xung kích: 30
3.3.1 Kết quả mô phỏng 31
3.3.2 Phân tích FFT 33
3.3.3 Bảng phân tích FFT áp tải với các chỉ số điều chế 34
3.3.3.1 Phân tích FFT áp tải 34
3.3.3.2 So sánh phương pháp đề xuất với các phương pháp đã công bố ở Việt Nam 35 3.4 Kết luận : 37
Chương 4: XÂY DỰNG MÔ HÌNH THỰC NGHIỆM 38
VÀ KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM 38
Trang 94.1 Sơ đồ tổng thể mô hình thực nghiệm 38
4.2 Mô tả chi tiết mô hình thực nghiệm 38
4.2.1.Mạch động lực 38
4.2.2 Mạch điều khiển 39
4.3 Tổng thể mô hình thực nghiệm 43
4.4 Mô tả mô hình thực nghiệm bằng kỹ thuật lập trình nhúng 44
4.4.1 Sơ đồ tín hiệu hệ thống lập trình nhúng 44
4.4.2 Mô hình lập trình nhúng trên Matlab/Simulink 45
4.5 Kết quả thực nghiệm và mô phỏng 46
4.5.1 Kết quả xung kích 46
4.5.2 Điện áp pha tâm nguồn 47
4.5.3 Điện áp pha tâm tải 49
4.5.3.1 Điện áp tải với chỉ số điều chế m =1, tải R-L , R = 82Ω và L = 50mH 49
4.5.3.2 Phân tích FFT điện áp pha tâm tải 52
4.5.3.3 Đặc tuyến điều khiển áp tải và dòng điện tải theo chỉ số điều chế m 52
4.5.3.3 So sánh THD giữa mô phỏng và thực nghiệm 54
4.5.3.4 So sánh THDu giải thuật đề xuất với các kết quả đã công bố ở Việt Nam 55
4.6 Kết luận 56
CHƯƠNG 5 : KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI 57
5.1 Những kết quả đạt được 57
5.2 Kết luận 57
5.3 Hướng phát triển của đề tài 58
TÀI LIỆU THAM KHẢO 59
PHỤ LỤC 61
Trang 10Trang ix
DANH SÁCH CHỮ VIẾT TẮT
A c : Biên độ đỉnh sóng mang
A m : Biên độ đỉnh sóng điều khiển
APOD : Alternative Phase Opposition Disposition - sóng mang dạng tam giác
bố trí dịch pha 1800
C : Tụ lọc nguồn DC
f c : Tần số sóng mang
f m : Tần số sóng điều khiển
H-NPC : Neutral Point clamped Multilevel H-bridge Inverter - Nghịch lưu đa bậc
kiểu diode kẹp cầu H
I A : Dòng điện tải pha A
K : Số khóa chuyển mạch/1 pha
L : Điện cảm tải
m : Chỉ số điều chế
m a : Tỉ số điều chế biên độ
m f : Tỉ số tần số
MSPWM : Modified Sin Pulse width modulation – Điều chế độ rộng xung cải biên
PD : In Phase Disposition - sóng mang dạng tam giác bố trí cùng pha
PWM : Pulse width modulation - điều chế độ rộng xung
R : Điện trở tải
S : Các khóa đóng ngắt
THD : Total Harmonic Distortion - Tổng méo dạng do sóng hài
Vac : Điện áp dây nguồn lưới ba pha
Vd : Điện áp DC của bộ chỉnh
V ref : Điện áp tải tham chiếu
A : Ampe – Đơn vị đo dòng điện
V : Voltage – Đơn vị đo điện áp
CPWM :Carrier Based Pulse Width Modulation – Điều chế sóng mangPWM
Trang 11DANH SÁCH HÌNH
Hình 2 1: Bộ nghi ̣ch lưu áp dạng NPC 7
Hình 2 2: Bộ nghi ̣ch lưu áp dạng ke ̣p tụ 8
Hình 2 3: Bộ nghi ̣ch lưu áp đa bậc dạng cascade 9
Hình 2 4: Bộ nghịch lưu áp đa bậc dạng H-NPC 9
Hình 2 5: Dạng sóng mang, sóng điều khiển và xung kích điều chế liên tục.[8] 12
Hình 2 6 :Dạng sóng mang, sóng điều khiển và xung kích điều chế gián đoạn [8] 12
Hình 2 7 : Đường đặc tuyến giữa chỉ số m và tỉ số biên độ sóng sin/sóng mang [8] 12
Hình 2 8 : Dạng sóng điều khiển, 13
Hình 2 9: Giản đồ vector điện áp bộ nghịch lưu 3 bậc 15
Hình 2 10: Giản đồ vector điện áp bộ nghịch lưu 5 bậc 16
Hình 2 11: Phân tích phương pháp SVM 17
Hình 3.1: Sơ đồ nguyên lý 20
Hình 3.2 : Sơ đồ phân tích 1 pha 5 bậc H-NPC 21
Hình 3.3 : Lưu đồ phát xung PWM dùng nhiều sóng mang 22
Hình 3.4: sơ đồ khối tạo xung PWM bằng nhiều sóng mang 24
Hình 3 5: So sánh sóng mang và u dk tạo xung kích 24
Hình 3.6: Kết quả mô phỏng so sánh 1 sóng sin với 4 sóng mang 25
Hình 3.7 : Mô tả nguyên lý giải thuật đề xuất 26
Hình 3 8 : Lưu đồ giải thuật đề xuất 27
Hình 3 9: Sơ đồ khối mô phỏng trong Matlab 28
Hình 3.10: Mô hình mô phỏng vòng hở bộ nghịch lưu 3 pha 5 bậc H-NPC 28
Hình 3.11: Khối tạo áp điều khiển 29
Hình 3.12: Áp điều khiển 3 pha với dạng sóng sin cải biến 29
Hình 3.13: Khối tạo sóng tam giác với tần 3kHz 29
Hình 3.14: Dạng sóng mang tam giác với tần số 3kHZ : C 1 , C 2 , C 3 , C 4 30
Hình 3.15:Sơ đồ khối tạo xung kích 30
Hình 3.16: Udk kết hợp với 4 sóng mang Uc1, Uc2, Uc3, Uc4 31
Hình 3.17: Dạng sóng tạo xung kích pha a 31
Hình 3.18: Dạng sóng điện áp pha tâm nguồn 31
Hình 3.19: Dạng sóng điện áp dây 3 pha : U ab , U bc , U ca 32
Hình 3 20: Dạng sóng điện áp tải pha a 32
Hình 3 21: Dạng sóng điện áp tải 3 pha 32
Hình 3 22: Dạng sóng dòng điện tải pha a 33
Hình 3 23 : Dạng sóng dòng điện tải 3 pha 33
Hình 3.24: kết quả phân tích FFT áp tải và dòng tải pha a 33
Hình 3.25: Đặc tuyến THD u theo chỉ số điều chế m 36
Trang 12Trang xi
Hình 4.1: Sơ đồ tổng thể mô hình thực nghiệm 38
Hình 4 2 : Sơ đồ nối dây và ảnh thực tế board mạch IGBT 39
Hình 4 3: Hình dạng và sơ đồ chân của IGBT FGA25N120 39
Hình 4 4: Kit vi xử lý DSP TMS320F28335 40
Hình 4 5 : Sơ đồ nguyên lý mạch đệm 40
Hình 4 6 : Sơ đồ mạch đệm thực nghiệm 40
Hình 4 7 : Sơ đồ nguyên lý hoạt động IGBT Driver 41
Hình 4 8 : Sơ đồ nguyên lý mạch driver 41
Hình 4 9: Sơ đồ mạch driver thực nghiệm 42
Hình 4 10 : Sơ đồ nguyên lý mạch nguồn 42
Hình 4 11: Sơ đồ mạch nguồn thực nghiệm 42
Hình 4 12: Mô hình thực nghiệm 43
Hình 4 13 : Mô hình thực nghiệm sử dụng tải R-L 43
Hình 4 14 : Sơ đồ tín hiệu của hệ thống thực nghiệm với kỹ thuật lập trình nhúng 44
Hình 4 15 : Mô hình thực nghiệm với kỹ thuật nhúng từ Matlab/Simulink 45
Hình 4 16 : Dạng sóng xung kích (từ trên xuống dưới, từ trái qua phải ) 46
Hình 4 17 : Dạng sóng xung kích mô phỏng và thực nghiệm 46
Hình 4 18 : Dạng sóng xung kích pha c mô phỏng và thực nghiệm 46
Hình 4 19 Dạng sóng điện áp pha a tâm nguồn 47
Hình 4 20 Dạng sóng điện áp pha b tâm nguồn 47
Hình 4 21 Dạng sóng điện áp pha c tâm nguồn 48
Hình 4 22 : Kết quả mô phỏng và thực nghiệm điện áp pha a tâm tải 49
Hình 4 23 : Kết quả mô phỏng và thực nghiệm điện áp pha b tâm tải 49
Hình 4 24 : là dạng sóng điện áp pha c tâm tải 50
Hình 4 25: kết quả dạng sóng điện áp pha tâm tải, mô phỏng và thực nghiệm 50
Hình 4 26 : kết quả thực nghiệm 51
Hình 4 27 : kết quả thực nghiệm 51
Hình 4 28 : Kết quả mô phỏng và thực nghiệm 52
Hình 4 29 Đặc tuyến điều khiển áp tải hiệu dụng pha a theo chỉ số m 53
Hình 4 30 : Đặc tuyến điều khiển dòng tải hiệu dụng pha a theo chỉ số m 53
Hình 4 31 Đặc tuyến THD theo chỉ số m 54
Hình 4 32 : Kết quả phân tích FFT của 3 phương pháp bằng thực nghiệm 56
Trang 13DANH SÁCH BẢNG
Bảng 3.1 : Trạng thái đóng ngắt các khóa pha a 21 Bảng 3 2: Phân tích FFT áp tải pha a 34 Bảng 3 3 : phân tích FFT áp tải của các phương pháp khác 35 Bảng 4 2: Đặc tuyến THDu theo chỉ số điều chế của kết quả mô phỏng và thực nghiệm 54 Bảng 4 3 : Kết quả thực nghiệm của các phương pháp đề xuất, 55
Trang 141.1.1 Tổng quan chung về lĩnh vực nghiên cứu
Từ thập niên 80 của thế kỷ XX, kỹ thuật điện tử chỉ được ứng dụng trong những mạch điều khiển, đo lường, khống chế, bảo vệ…hệ thống điện công nghiệp gọi là điện tử công nghiệp
Đến thập niên 90 của thế kỷ XX, kỹ thuật điện tử đã ứng dụng khá rộng rãi
và thành công trong việc thay thế các khí cụ điện từ dùng để đóng ngắt cung cấp nguồn cho những phụ tải một pha, ba pha, làm các bộ nguồn công suất lớn trong công nghiệp…Với ưu điểm là kích thước nhỏ gọn, điều khiển dễ dàng, đáp ứng tần
số được mở rộng, khả năng về công suất, điện áp, dòng điện và độ tin cậy ngày càng được cải tiến dần
Ngày nay, với tốc độ phát triển công nghiệp rất nhanh, đi kèm theo đó là các yêu cầu cao trong khâu truyền động động cơ, đó là khâu không thể thiếu được trong các dây chuyền công nghiệp Nhiệm vụ chính của hệ thống truyền động là thực hiện điều khiển chính xác các cơ cấu chấp hành để tạo nên các chuyển động phức tạp Việc phát triển công nghệ bán dẫn đã giúp chế tạo các bộ điều khiển điện tử công suất để đáp ứng yêu cầu truyền động ngày càng phức tạp trên Một trong những thiết bị góp phần quan trọng trong lĩnh vực điều khiển truyền động điện đó là bộ biến đổi tần số hay còn gọi là biến tần Có 2 loại biến tần là biến tần tĩnh và biến tần động Biến tần tĩnh dựa trên việc điều khiển đóng ngắt các khóa bán dẫn công suất
và chúng được sử dụng trong một số ứng dụng như: Bộ biến đổi tần số cho động cơ,
bộ lưu điện (UPS), nguồn cấp điện chung và cũng cho bộ cấp năng lượng trên mặt đất (GPU) cho máy bay Biến tần tĩnh thường được chia ra thành 2 loại là biến tần trực tiếp và biến tần gián tiếp Việc điều khiển biến tần gián tiếp tập trung vào điều khiển mạch nghịch lưu, tức là điều khiển biến đổi DC/AC.Nghiên cứu điều khiển nghịch lưu đã có từ hơn 30 năm qua Trong những năm gần đây, việc nghiên cứu các phương pháp điều khiển nghịch lưu đã và đang được thực hiện ngày một nhiều