Nghiên cứu bộ nghịch lưu ba pha năm bậc NPC

BỘ 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 Tp Hồ Chí Minh, tháng 10/2015 LÝ LỊCH KHOA HỌC I LÝ LỊCH SƠ LƢỢC : Họ 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 liên lạc: 132 Cao Thắng, Khu phố 3, Phƣờng Vĩnh Lợi, Thành phố Rạch Giá, Tỉnh Kiên Giang II Điện thoại quan: 0773 863 530 Di động: 0918 526 678 Fax: 0773 863 421 Email: dtle@kgtec.edu.vn QUÁ TRÌNH ĐẢO TẠO : Hệ đào tạo: Chính qui Thời gian đào tạo từ : 10/1992 đến 07/1997 Nơi học: Trƣờng Đại Học Sƣ Phạm Kỹ Thuật Tp HCM Ngành học: Kỹ thuật Điện – Điện Tử Tên đồ án tốt nghiệp: KỸ THUẬT ĐO LƢỜNG TỪ XA Bảo vệ đồ án tốt nghiệp:ngày 10 tháng 07 năm 1997 Ngƣời hƣớng dẫn: Vi Đình Phƣơng III QUÁ TRÌNH CÔNG TÁC CHUYÊN MÔN KỂ TỪ KHI TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC : Thời gian Nơi công tác Công việc đảm nhiệm Từ 12/1997 Trƣờng Cao Đẳng Giáo viên giảng dạy Đến Kinh Tế– Kỹ Thuật Kiên Giang khoa Điện – Điện Tử Trang i LỜI CAM ĐOAN Tôi cam đoan công trình nghiên cứu Các số liệu, kết nêu luận văn trung thực chƣa đƣợc công bố công trình khác Tp Hồ Chí Minh, ngày 18 tháng 10 năm 2015 (Ký tên ghi rõ họ tên) Danh Tuấn Lê Trang ii LỜI CẢM TẠ Xin chân thành gửi lời cảm ơn đến PGS.TS Trần Thu Hà, TS Quách Thanh Hải,Ths Đỗ Đức Trí, tận tình hƣớng dẫn để thực luận văn Xin chân thành gửi lời cảm ơn đến toàn thể quí thầy cô trƣờng Đại học Sƣ Phạm Kỹ Thuật TP Hồ Chí Minh giảng dạy, hƣớng dẫn tạo điều kiện, môi trƣờng học tập tốt cho Xin cảm ơn ban lãnh đạo Khoa Điện – Điện tử Trƣờng Đại học Sƣ phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh hỗ trợ sử dụng phòng thí nghiệm Điện tử công suất nâng cao D406 suốt thời gian thực luận văn Cảm ơn ba mẹ, anh chị em, vợ bạn bè động viên suốt thời gian học Xin kính chúc sức khỏe chân thành cảm ơn Học viên Danh Tuấn Lê Trang iii TÓM TẮT LUẬN VĂN Đề tài thực kỹ thuật điều chế sóng mang thông qua việc sử dụng hàm offset nhằm giảm số lần chuyển mạch khóa công suất cho nghịch lƣu cầu H-NPC Kỹ thuật sử dụng hàm offset thành phần bậc để chuyển sóng điện áp điều khiển ngƣỡng cực đại cực tiểu biên độ sóng mang để giả giao cắt sóng điều khiển sóng mang để giảm số lần chuyển mạch Với kỹ thuật xây dựng hàm offset trình bày nghiên cứu, số lần chuyển mạch khóa công suất/pha chu kỳ giảm đến 30% Kết giải thuật đƣợc kiểm chứng qua mô qua trình thực nghiệm Luận văn thực nghiệm phần cứng với IGBT STGW25N120K Các giải thuật điều khiển đề xuất đƣợc thực vi xử lý điều khiển tín hiệu số DSP TMS320F 28335 với kỹ thuật lập trình nhúng từ mô hình mô phần mềm MATLAB/SIMULINK kết hợp chƣơng trình Code Composer Studio V3.3 tự động biên dịch ngôn ngữ C nạp cho vi xử lý mà không cần phải lập trình lại Trang iv 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 v MỤC 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 Chƣơng 1: TỔNG QUAN 1.1 Tổ ng quan về lĩnh vực nghiên cứu, kết nghiên cứu nƣớc 1.1.1 Tổng quan chung lĩnh vực nghiên cứu 1.1.2 Các kết nƣớc công bố 1.1.2.1 Tình hình nghiên cứu nƣớc: 1.1.2.2 Tình hình nghiên cứu nƣớc 1.2 Tính cấp thiết đề tài, ý nghĩa khoa học thực tiễn đề tài 1.3 Mục đích đề tài 1.4 Nhiệm vụ giới hạn đề tài : 1.5 Phƣơng pháp nghiên cứu 1.6 Điểm đề tài : 1.7 Giá trị thực tiễn đề tài : Chƣơng : CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Tổ ng quan về nghich ̣ lƣu đa bâ ̣c 2.1.1 Khái niệm 2.1.2 Phân loại 2.2 Các cấu trúc nghịch lƣu đa bậc 2.2.1 Cấu trúc nghịch lƣu NPC (Neutral Point Clamped) 2.2.2 Cấu trúc nghịch lƣu kẹp tụ (Flying capacitor inverter) [2] 2.2.3 Cấu trúc nghịch lƣu áp dạng cascade 2.2.4 Cấu trúc nghịch lƣu áp dạng H-NPC Trang vi 2.2.5 Nhận xét 10 2.3 Kỹ thuật điều chế độ rộng xung (PWM) nghịch lƣu pha bậc H-NPC 10 2.3.1 Phƣơng pháp điều chế độ rộng xung Sin PWM 10 2.3.2 Phƣơng pháp điều chế độ rộng xung cải biến (MSPWM: Modified SPWM) 12 2.3.3 Phƣơng pháp điều chế vector không gian: 13 2.3.3.1 Khái niệm vector không gian: 13 2.3.3.2 Vector không gian nghịch lƣu áp đa bậc: 14 2.3.3.3 Nguyên lý điều chế vector không gian nghịch lƣu áp đa bậc 17 Chƣơng : 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 nghịch lƣu ba pha năm bậc H-NPC 20 3.2 Kỹ thuật điều khiển nghịch lƣu ba pha 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 Phƣơng pháp PWM đề xuất : 25 3.3 Mô giải thuật đề xuất nghịch lƣu ba pha năm bậc H-NPC 27 3.3.1 Thông số mô 27 3.2.2 Mô hình mô 28 3.2.3 Chức khối 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 mô 31 3.3.2 Phân tích FFT 33 3.3.3 Bảng phân tích FFT áp tải với số điều chế 34 3.3.3.1 Phân tích FFT áp tải 34 3.3.3.2 So sánh phƣơng pháp đề xuất với phƣơng pháp công bố Việt Nam 35 3.4 Kết luận : 37 Chƣơng 4: XÂY DỰNG MÔ HÌNH THỰC NGHIỆM 38 VÀ KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM 38 Trang vii 4.1 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 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 Matlab/Simulink 45 4.5 Kết thực nghiệm mô 46 4.5.1 Kết 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 số điều chế m =1, tải R-L , R = 82Ω 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 dòng điện tải theo số điều chế m 52 4.5.3.3 So sánh THD mô thực nghiệm 54 4.5.3.4 So sánh THDu giải thuật đề xuất với kết công bố Việt Nam 55 4.6 Kết luận 56 CHƢƠNG : KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI 57 5.1 Những kết đạt đƣợc 57 5.2 Kết luận 57 5.3 Hƣớng phát triển đề tài 58 TÀI LIỆU THAM KHẢO 59 PHỤ LỤC 61 Trang viii DANH SÁCH CHỮ VIẾT TẮT Ac : Biên độ đỉnh sóng mang Am : 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 fc : Tần số sóng mang fm : Tần số sóng điều khiển H-NPC : Neutral Point clamped Multilevel H-bridge Inverter - Nghịch lƣu đa bậc kiểu diode kẹp cầu H IA : Dòng điện tải pha A K : Số khóa chuyển mạch/1 pha L : Điện cảm tải m : Chỉ số điều chế ma : Tỉ số điều chế biên độ mf : 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 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 sóng hài Vac : Điện áp dây nguồn lƣới ba pha Vd : Điện áp DC chỉnh Vref : 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 ix DANH SÁCH HÌNH Hình 1: Bộ nghi ̣ch lưu áp dạng NPC Hình 2: Bộ nghi ̣ch lưu áp dạng ke ̣p tụ Hình 3: Bộ nghi ̣ch lưu áp đa bậc dạng cascade Hình 4: Bộ nghịch lưu áp đa bậc dạng H-NPC Hình 5: Dạng sóng mang, sóng điều khiển xung kích điều chế liên tục.[8] 12 Hình :Dạng sóng mang, sóng điều khiển xung kích điều chế gián đoạn [8] 12 Hình : Đường đặc tuyến số m tỉ số biên độ sóng sin/sóng mang [8] 12 Hình : Dạng sóng điều khiển, 13 Hình 9: Giản đồ vector điện áp nghịch lưu bậc 15 Hình 10: Giản đồ vector điện áp nghịch lưu bậc 16 Hình 11: Phân tích phương pháp SVM 17 Hình 3.1: Sơ đồ nguyên lý 20 Hình 3.2 : Sơ đồ phân tích pha 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 nhiều sóng mang 24 Hình 5: So sánh sóng mang udk tạo xung kích 24 Hình 3.6: Kết mô so sánh sóng sin với sóng mang 25 Hình 3.7 : Mô tả nguyên lý giải thuật đề xuất 26 Hình : Lưu đồ giải thuật đề xuất 27 Hình 9: Sơ đồ khối mô Matlab 28 Hình 3.10: Mô hình mô vòng hở nghịch lưu pha bậc H-NPC 28 Hình 3.11: Khối tạo áp điều khiển 29 Hình 3.12: Áp điều khiển 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 : C1, C2, C3, C4 30 Hình 3.15:Sơ đồ khối tạo xung kích 30 Hình 3.16: Udk kết hợp với 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 pha : Uab, Ubc, Uca 32 Hình 20: Dạng sóng điện áp tải pha a 32 Hình 21: Dạng sóng điện áp tải pha 32 Hình 22: Dạng sóng dòng điện tải pha a 33 Hình 23 : Dạng sóng dòng điện tải pha 33 Hình 3.24: kết phân tích FFT áp tải dòng tải pha a 33 Hình 3.25: Đặc tuyến THD u theo số điều chế m 36 Trang x Hình 4.1: Sơ đồ tổng thể mô hình thực nghiệm 38 Hình : Sơ đồ nối dây ảnh thực tế board mạch IGBT 39 Hình 3: Hình dạng sơ đồ chân IGBT FGA25N120 39 Hình 4: Kit vi xử lý DSP TMS320F28335 40 Hình : Sơ đồ nguyên lý mạch đệm 40 Hình : Sơ đồ mạch đệm thực nghiệm 40 Hình : Sơ đồ nguyên lý hoạt động IGBT Driver 41 Hình : Sơ đồ nguyên lý mạch driver 41 Hình 9: Sơ đồ mạch driver thực nghiệm 42 Hình 10 : Sơ đồ nguyên lý mạch nguồn 42 Hình 11: Sơ đồ mạch nguồn thực nghiệm 42 Hình 12: Mô hình thực nghiệm 43 Hình 13 : Mô hình thực nghiệm sử dụng tải R-L 43 Hình 14 : Sơ đồ tín hiệu hệ thống thực nghiệm với kỹ thuật lập trình nhúng 44 Hình 15 : Mô hình thực nghiệm với kỹ thuật nhúng từ Matlab/Simulink 45 Hình 16 : Dạng sóng xung kích (từ xuống dưới, từ trái qua phải ) 46 Hình 17 : Dạng sóng xung kích mô thực nghiệm 46 Hình 18 : Dạng sóng xung kích pha c mô thực nghiệm 46 Hình 19 Dạng sóng điện áp pha a tâm nguồn 47 Hình 20 Dạng sóng điện áp pha b tâm nguồn 47 Hình 21 Dạng sóng điện áp pha c tâm nguồn 48 Hình 22 : Kết mô thực nghiệm điện áp pha a tâm tải 49 Hình 23 : Kết mô thực nghiệm điện áp pha b tâm tải 49 Hình 24 : dạng sóng điện áp pha c tâm tải 50 Hình 25: kết dạng sóng điện áp pha tâm tải, mô thực nghiệm 50 Hình 26 : kết thực nghiệm 51 Hình 27 : kết thực nghiệm 51 Hình 28 : Kết mô thực nghiệm 52 Hình 29 Đặc tuyến điều khiển áp tải hiệu dụng pha a theo số m 53 Hình 30 : Đặc tuyến điều khiển dòng tải hiệu dụng pha a theo số m 53 Hình 31 Đặc tuyến THD theo số m 54 Hình 32 : Kết phân tích FFT phương pháp thực nghiệm 56 Trang xi DANH SÁCH BẢNG Bảng 3.1 : Trạng thái đóng ngắt khóa pha a 21 Bảng 2: Phân tích FFT áp tải pha a 34 Bảng 3 : phân tích FFT áp tải phương pháp khác 35 Bảng 2: Đặc tuyến THDu theo số điều chế kết mô thực nghiệm 54 Bảng : Kết thực nghiệm phương pháp đề xuất, 55 Trang xii Chương Chƣơng 1: TỔNG QUAN 1.1 Tổ ng quan về lĩnh v ực nghiên cứu, kết nghiên cứu nƣớc 1.1.1 Tổng quan chung lĩnh vực nghiên cứu Từ thập niên 80 kỷ XX, kỹ thuật điện tử đƣợc ứng dụng mạch điều khiển, đo lƣờng, khống chế, bảo vệ…hệ thống điện công nghiệp gọi điện tử công nghiệp Đến thập niên 90 kỷ XX, kỹ thuật điện tử ứng dụng rộng rãi thành công việc thay khí cụ điện từ dùng để đóng ngắt cung cấp nguồn cho phụ tải pha, ba pha, làm nguồn công suất lớn công nghiệp…Với ƣu điểm kích thƣớc nhỏ gọn, điều khiển dễ dàng, đáp ứng tần số đƣợc mở rộng, khả công suất, điện áp, dòng điện độ tin cậy ngày đƣợc cải tiến dần Ngày nay, với tốc độ phát triển công nghiệp nhanh, kèm theo yêu cầu cao khâu truyền động động cơ, khâu thiếu đƣợc dây chuyền công nghiệp Nhiệm vụ hệ thống truyền động thực điều khiển xác cấu chấp hành để tạo nên chuyển động phức tạp Việc phát triển công nghệ bán dẫn giúp chế tạo điều khiển điện tử công suất để đáp ứng yêu cầu truyền động ngày phức tạp Một thiết bị góp phần quan trọng lĩnh vực điều khiển truyền động điện biến đổi tần số hay gọi biến tần Có loại biến tần biến tần tĩnh biến tần động Biến tần tĩnh dựa việc điều khiển đóng ngắt khóa bán dẫn công suất chúng đƣợc sử dụng số ứng dụng nhƣ: Bộ biến đổi tần số cho động cơ, lƣu điện (UPS), nguồn cấp điện chung cho cấp lƣợng mặt đất (GPU) cho máy bay Biến tần tĩnh thƣờng đƣợc chia thành loại biến tần trực tiếp biến tần gián tiếp Việc điều khiển biến tần gián tiếp tập trung vào điều khiển mạch nghịch lƣu, tức điều khiển biến đổi DC/AC.Nghiên cứu điều khiển nghịch lƣu có từ 30 năm qua Trong năm gần đây, việc nghiên cứu phƣơng pháp điều khiển nghịch lƣu đƣợc thực ngày nhiều Trang Chương chủ yếu tập trung vào mạch nghịch lƣu đa bậc Hiện có hƣớng nghiên cứu giải thuật nghịch lƣu đa bậc kỹ thuật nghịch lƣu theo điều chế vector không gian kỹ thuật nghịch lƣu điều chế sóng mang Năm 2005, tạp chí IEE Proceedings Electric Power Applications đăng tải nghiên cứu Nguyen Van Nho Myung-Joong Youn, viết tác giả nêu lý thuyết cho phép giải tích hóa tƣơng quan SVPWM CPWM Kết nghiên cứu giúp thống hai trƣờng phái nghiên cứu SVPWM CPWM, hoàn thiện kỹ thuật đa điều chế cho phép điều khiển toàn diện nghịch lƣu đa bậc.Hiện nghịch lƣu áp đa bậc pha đƣợc sử dụng rộng rãi ƣu điểm nhƣ công suất cao hơn, chất lƣợng dòng điện điện áp ngõ tốt hơn, mạch lọc ngõ nhỏ v.v ứng dụng thực tiễn đạt hiệu cao Với cấu hình nghịch lƣu bậc có nhiều nghiên cứu nghịch lƣu bậc bắt đầu tiến tới việc sản xuất thƣơng mại hóa Tuy nhiên, cấu hình nghịch lƣu bậc bắt đầu bộc lộ số nhƣợc điểm mà ta khó khắc phục Ví dụ nhƣ độ méo hài tổng lớn, điện áp common mode lớn [6,12] việc triệt tiệu điện áp khó khăn Vì vấn đề đặt phải nghiên cứu cấu hình giải thỏa mãn yêu cầu thực tế đề Cấu hình nghịch lƣu bậc lai cấu hình nghịch lƣu cho thấy nhiều khả đáp ứng điều Chính việc chọn hƣớng nghiên cƣ́u của đ ề tài là: “Nghiên cƣ́u bô ̣ n ghịch lƣu pha bậc NPC”là phù hợp cấp bách 1.1.2 Các kết nƣớc công bố 1.1.2.1 Tình hình nghiên cứu nƣớc: Trong năm vừa qua nhóm nghiên cứu nƣớc có nhiều nghiên cứu nghịch lƣu đa bậc Nghiên cứu nghịch lƣu ba pha cầu H gồm hai mạch NPC ba bậc (5 bậc lai) luận văn thạc sĩ tác giả Bùi Thanh Hiếu trình bày mô thực nghiệm phƣơng pháp điều chế cho biến tần lai cầu H ba pha gồm hai nhánh NPC bậc sử dụng sóng mang có số lần chuyển mạch ít, hiệu việc giảm common-modevới THDUta = 27,11%[2] Trang Chương Vấn đề cân điện điểm trung tính biến tần NPC bậc dùng Zero-Sequence Vottage đƣợc tác giả Lê Văn Mạnh Giàu trình bày mô Matlab với nhiều số điều chế tải khác để kiểm tra độ xác giải thuật, với số lần chuyển mạch cao THDUta = 35,66% [6] Năm 2012, hội nghị toàn quốc lần thứ điện tử - VCM – 2012 nhóm tác giả Nguyễn Văn Nhờ, Đới Văn Môn, Trần Quốc Hoàn, Quách Thanh Hải trình bày nghiên cứu nhằm cân điện áp hai tụ điện chiều nghịch lƣu bậc NPC, với số lần chuyển mạch cao THDUta = 50,99% [9] Trong luận án tiến sĩ “Nghiên cứu kỹ thuật điều chế độ rộng xung để điều khiển tối ƣu nghịch lƣu đa bậc”, tác giả Quách Thanh Hải phân tích cấu trúc nghịch lƣu đa bậc bao gồm nghịch lƣu chuẩn truyền thống mạch nghịch lƣu lai (bằng mô thực nghiệm) [11] 1.1.2.2 Tình hình nghiên cứu nƣớc Có nhiều nghiên cứu nƣớc liên quan đến đề tài đề xuất phải kể đến nghiên cứu sau: - “A Novel Switching Sequence Design for Five-Level HNPC-Bridge Inverters With Improved Output Voltage Spectrum and Minimized Device Switching Frequency” [3].Đây nghiên cứu tiêu biểucho hƣớng điều chế sử dụng kỹ thuật SVPWM Bài báo tập trungtrình bàymộttrình tựchuyển mạchtheođiều chếvector không giannhằm tối ƣu hóachocáccải thiệngiảm hài bậc cao giảm tần số chuyển mạch khóa công suất Cấu hình nghịch lƣu nghiên cứu cấu hình nghịch lƣu lai bậc Trong đó, pha nghịch lƣu bao gồm hai nhánh NPC, nhánh đƣợc kết nối với thiết bị đầu (tải) nhánh lại kết nối với điểm trung tính Mỗi cầu H đƣợc cung cấp nguồn DC độc lập - “A Multilevel SVPWM Algorithm for Linear Modulation and Over Modulation Operation” [13] Bài báo đề xuất thuật toán SVPWM chung cho biến tần đa bậc dựa tiêu chuẩn SVPWM hai bậc Kể từ phƣơng pháp SVPWM đa cấp đề xuất sử dụng điều chế hai bậc để tính toán trƣớc đó,việc tính toán cho biến tần n bậc trở nên dễ dàng Các thuật toán SVPWM Trang Chương đề xuất đƣợc áp dụng hai chế độ điều chế tuyến tính chế độ điều chế Biến tần bậc H-NPC sử dụng phƣơng pháp đƣợc đề xuất trên, với số lần chuyển mạch THD áp tải < 5% 1.2 Tính cấp thiết đề tài, ý nghĩa khoa học thực tiễn đề tài Trong năm gần việc nghiên cứu phƣơng pháp điều khiển nghịch lƣu đƣợc thực ngày nhiều với phát triển nhanh chóng khoa học kỹ thuật công nghệ giới, Việt Nam ngày hội nhập tiếp nhận thành tựu khoa học công nghệ Đặc biệt công nghiệp điện tử, thiết bị điện tử công suất đƣợc sản xuất ngày nhiều, đƣợc ứng dụng công nghiệp đời sống ngày phát triển mạnh mẽ Để đáp ứng cho nhu cầu thực hành lĩnh vực tự động hóa ngày trƣờng Đại học, Cao đẳng, phòng thí nghiệm phải trang bị nhiều mô hình thí nghiệm đại, đắt tiền Đối với số trƣờng, nguồn kinh phí để đáp ứng cho nhu cầu lại hạn chế Điểm chung mô hình điều khiển có khả nhúng thuật toán điều khiển thông minh Trong lĩnh vực tự động hóa, có nhiều thuật toán điều khiển từ cổ điển đến đại đòi hỏi điều khiển phải xử lý với tốc độ nhanh Công cụ để thực triệt để vấn đề thời điểm DSP TMS320F28335 kết hợp với Matlab Đây công cụ mạnh, linh hoạt mà giá thành lại phù hợp Việckết hợp IC DSP TMS320F28335 Matlab tạo nhiều điều khiển linh hoạt, giúp ngƣời học hiểu rõ giải thuật điều khiển lĩnh vực tự động hóa mà không cần thiết phải thí nghiệm nhiều đối tƣợng 1.3 Mục đích đề tài Nghiên cứuphƣơng pháp kỹ thuật điều chếđộ rộng xung cải biến cho nghịch lƣu áp bậc H-NPC Thực mô giải thuật đề xuất phần mềm Matlab thực nghiệm môhình nghịch lƣu pha bậc H-NPC Trang Chương Từ kết so sánh mô với mô hình thực nghiệm đề xuất hƣớng nghiên cứu ứng dụng cho nghịch lƣu bậc H-NPC sở tiêu chuẩn Việt Nam nguồn điện 1.4 Nhiệm vụ giới hạn đề tài:  Thành lập mô hình mô giải thuật đề xuất Matlab  Xây dựng mô hình thực nghiệm Lập trình nhúng DSP F28335 Matlab/Simulink để thực nghiệm mô hình thực tế  Đánh giá, báo cáo kết mô kết thực nghiệm 1.5 Phƣơng pháp nghiên cứu - Nghiên cứu kỹ thuật điều chế PWM cho nghịch lƣu đa bậc - Ứng dụng kỹ thuật điều chế CPWM xây dựng mô hình mô thuật toán điều khiển sử dụng phần mềm Matlab cho nghịch lƣu ba pha năm bậc HNPC - Thực nghiệm giải thuật mô hình nghịch lƣu bậc H-NPC - So sánh kết thực nghiệm mô kết hợp với TCVN để rút kết luận việc ứng dụng thực tế nghịch lƣu bậc H-NPC 1.6 Điểm đề tài: - Đề tài triển khai ứng dụng phƣơng pháp điều chế CPWM cấu hình nghịch lƣu pha bậc H-NPC - Mô thực nghiệm giải thuật CPWM nghịch lƣu pha bậc HNPC - Dựa tiêu chuẩn TCVN để đề xuất khả phạm vi ứng dụng nghịch lƣu pha bậc H-NPC 1.7 Giá trị thực tiễn đề tài: - Nghiên cứu làm tài liệu giảng dạy cho sinh viên chuyên ngành điện, đặc biệt lĩnh vực điện tử công suất -Cho thấy khả triển khai ứng dụng nguyên lý điều chế CPWM cấu hình nghịch lƣu pha bậc H-NPC - Xác định đƣợc phạm vi ứng dụng nghịch lƣu pha bậc H-NPC Trang Chƣơng Chƣơng : CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Tổ ng quan về nghịch lƣu đa bậc 2.1.1 Khái niệm Bộ nghịch lƣu đa bậc có nhiệm vụ chuyển đổi nănglƣợng từ nguồn điện chiều không đổi sang nguồn xoay chiều để cung cấp cho tải xoay chiều Bộ nghịch lƣu áp nghịch lƣu có nguồn chiều cung cấp nguồn áp đối tƣợng điều khiển ngõ điện áp Bộ nghịch lƣu dòng nghịch lƣu có nguồn cung cấp nguồn dòng đối tƣợng điều khiển ngõ nguồn dòng Bộ nghịch lƣu áp cung cấp điều khiển áp xoay chiều ngõ ra, nguồn điện áp chiều là: pin điện, ắc quy, điện áp chiều đƣợc chỉnh lƣu từ điện áp xoay chiều đƣợc lọc phẳng…Các tải xoay chiều thƣờng mang tính cảm kháng nhƣ động xoay chiều, lò cảm ứng…), dòng điện qua linh kiện đóng ngắt trình chuyển mạch tự nhiên Do đó, linh kiện nghịch lƣu áp phải có khả kích đóng, ngắt dòng qua Trong ứng dụng với công suất lớn dùng GTO, IGBT SCR kết hợp với chuyển mạch Mỗi linh kiện mắc thêm diode đối song để hạn chế điện áp phát sinh kích ngắt linh kiện 2.1.2 Phân loại Bộ nghịch lƣu áp có nhiều loại nhƣ nhiều phƣơng pháp điều khiển khác nhau: + Theo số pha : nghịch lƣu pha, nghịch lƣu ba pha + Theo số cấp điện áp đầu pha tải đến điểm có điện chuẩn mạch có: hai bậc (two level), đa bậc (multi level - ba bậc trở lên) Bộ nghịch lƣu áp hai bậc có nhƣợc điểm tạo điện áp cung cấp cho cuộn dây động với độ dốc (dv/dt) lớn gây số vấn đề khó khăn tồn trạng thái khác zero tổng điện từ pha đến tâm nguồn DC (commonmode voltage) lớn Bộ nghịch lƣu đa bậc phát triển để giải hạn chế nghịch lƣu hai bậc thƣờng đƣợc sử dụng cho ứng dụng điện áp cao công suất lớn Trang Chƣơng Ƣu điểm nghịch lƣu áp đa bậc công suất nghịch lƣu tăng lên, điện áp đặt linh kiện giảm xuống nên công suất tổn hao trình đóng ngắt linh kiện giảm theo; tần số đóng ngắt lớn, thành phần hài bậc cao điện áp giảm nhỏ so với nghịch lƣu hai bậc [2] + Theo cấu hình nghịch lƣu: dạng cascade (cascade converter), dạng diode kẹp NPC (neutral point clamped multi converter), dạng nghịch lƣu kẹp tụ (Flying capacitor converter), loại nghịch lƣu lai … + Theo phƣơng pháp điều chế:  Phƣơng pháp điều chế độ rộng xung sin (Sin PWM)  Phƣơng pháp điề u chế vector không gian (SVPWM)  Phƣơng pháp điều chế sóng mang(Carrier Based PWM) 2.2 Các cấu trúc nghịch lƣu đa bậc 2.2.1 Cấu trúc nghịch lƣu NPC (Neutral Point Clamped) Hình 2.1 sơ đồ nguyên lý mạch nghịch lƣu áp NPC Bộ nghịch lƣu đa bậc NPC có mạch nguồn DC đƣợc phân chia thành số cấp điện áp nhỏ nhờ chuỗi tụ điện mắc nối tiếp Giả sử mạch nguồn DC gồm n nguồn có độ lớn mắc nối tiếp, điện áp nguồn DC đạt đƣợc n+1 giá trị khác số bậc điện áp nghịch lƣu n+1 bậc Hình 1: Bô ̣ nghich ̣ lƣu áp da ̣ng NPC Trang Chƣơng Bộ nghịch lƣu áp đa bậc dùng diode kẹp cải tiến dạng sóng điện áp tải giảm tăng vọt điện áp linh kiện n lần Với nghịch lƣu đa bậc, dv/dt linh kiện tần số đóng ngắt giảm nửa [2] Tuy nhiên với n > 3, mức độ chịu gai áp diode khác nhau, cân điện áp nguồn DC (áp tụ) trở nên khó khăn, đặc biệt số bậc lớn 2.2.2 Cấu trúc nghịch lƣu kẹp tụ (Flying capacitor inverter) [2] Hình 2: Bô ̣ nghich ̣ lƣu áp dạng kẹp tụ Ƣu điểm nghịch lƣu là: + Khi tần số tăng cao không dùng lọc + Có thể điều tiết công suất tác dụng công suất phản kháng từ điều tiết đƣợc phân bố công suất lƣới dùng biến tần Nhƣợc điểm nghịch lƣu là: + Số lƣợng tụ công suất lớn tham gia mạch nhiều dẫn đến giá thành tăng độ tin cậy giảm + Việc điều khiển khó khăn số bậc nghịch lƣu tăng cao 2.2.3 Cấu trúc nghịch lƣu áp dạng cascade Sƣ̉ du ̣ng các nguồ n DC r iêng, thích hợp cho trƣờng hợp sử dụng nguồn DC có sẵn, ví dụ : dƣới da ̣ng acquy, pin Hình 2.3 nghịch lƣu Cascad e gồ m nhiề u Trang S K L 0 [...]... pháp nghiên cứu - Nghiên cứu các kỹ thuật điều chế PWM cho nghịch lƣu đa bậc - Ứng dụng kỹ thuật điều chế CPWM xây dựng mô hình mô phỏng và thuật toán điều khiển sử dụng phần mềm Matlab cho bộ nghịch lƣu ba pha năm bậc HNPC - Thực nghiệm giải thuật trên mô hình nghịch lƣu 5 bậc H -NPC - So sánh kết quả thực nghiệm và mô phỏng kết hợp với các TCVN để rút ra các kết luận trong việc ứng dụng thực tế nghịch. .. CPWM trên cấu hình nghịch lƣu 3 pha 5 bậc H -NPC - Xác định đƣợc phạm vi ứng dụng của nghịch lƣu 3 pha 5 bậc H -NPC Trang 5 Chƣơng 2 Chƣơng 2 : CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Tổ ng quan về nghịch lƣu đa bậc 2.1.1 Khái niệm Bộ nghịch lƣu đa bậc có nhiệm vụ chuyển đổi nănglƣợng từ nguồn điện một chiều không đổi sang nguồn xoay chiều để cung cấp cho tải xoay chiều Bộ nghịch lƣu áp là một bộ nghịch lƣu có nguồn... thực tế nghịch lƣu 5 bậc H -NPC 1.6 Điểm mới của đề tài: - Đề tài đã triển khai ứng dụng phƣơng pháp điều chế CPWM trên cấu hình nghịch lƣu 3 pha 5 bậc H -NPC - Mô phỏng và thực nghiệm giải thuật CPWM trên nghịch lƣu 3 pha 5 bậc HNPC - Dựa trên các tiêu chuẩn TCVN để đề xuất khả năng và phạm vi ứng dụng của nghịch lƣu 3 pha 5 bậc H -NPC 1.7 Giá trị thực tiễn của đề tài: - Nghiên cứu làm tài liệu giảng... Cấu hình nghịch lƣu 5 bậc lai là một cấu hình nghịch lƣu cho thấy nhiều khả năng đáp ứng điều này Chính vì vậy việc chọn hƣớng nghiên cƣ́u của đ ề tài là: Nghiên cƣ́u bô ̣ n ghịch lƣu 3 pha 5 bậc NPC là phù hợp và cấp bách 1.1.2 Các kết quả trong và ngoài nƣớc đã công bố 1.1.2.1 Tình hình nghiên cứu trong nƣớc: Trong những năm vừa qua các nhóm nghiên cứu trong nƣớc có khá nhiều nghiên cứu về nghịch. .. qua các nhóm nghiên cứu trong nƣớc có khá nhiều nghiên cứu về nghịch lƣu đa bậc Nghiên cứu bộ nghịch lƣu ba pha cầu H gồm hai mạch NPC ba bậc (5 bậc lai) trong luận văn thạc sĩ của mình tác giả Bùi Thanh Hiếu đã trình bày mô phỏng và thực nghiệm bằng phƣơng pháp điều chế mới cho biến tần lai cầu H ba pha gồm hai nhánh NPC 3 bậc sử dụng một sóng mang có số lần chuyển mạch ít, hiệu quả trong việc giảm... trúc bộ nghịch lƣu đa bậc 2.2.1 Cấu trúc bộ nghịch lƣu NPC (Neutral Point Clamped) Hình 2.1 là sơ đồ nguyên lý mạch nghịch lƣu áp NPC Bộ nghịch lƣu đa bậc NPC có một mạch nguồn DC đƣợc phân chia thành một số cấp điện áp nhỏ hơn nhờ chuỗi các tụ điện mắc nối tiếp Giả sử mạch nguồn DC gồm n nguồn có độ lớn bằng nhau mắc nối tiếp, điện áp nguồn DC có thể đạt đƣợc n+1 giá trị khác nhau và số bậc điện áp nghịch. .. Applications đã đăng tải nghiên cứu của Nguyen Van Nho và Myung-Joong Youn, trong bài viết này các tác giả đã nêu ra một lý thuyết mới cho phép giải tích hóa tƣơng quan SVPWM và CPWM Kết quả nghiên cứu trên đã giúp thống nhất hai trƣờng phái nghiên cứu SVPWM và CPWM, hoàn thiện kỹ thuật đa điều chế cho phép điều khiển toàn diện bộ nghịch lƣu đa bậc. Hiện nay bộ nghịch lƣu áp đa bậc 3 pha đƣợc sử dụng rộng... đã trình bày một nghiên cứu nhằm cân bằng điện áp hai tụ điện một chiều trong nghịch lƣu 3 bậc NPC, với số lần chuyển mạch cao và THDUta = 50,99% [9] Trong luận án tiến sĩ Nghiên cứu kỹ thuật điều chế độ rộng xung để điều khiển tối ƣu nghịch lƣu đa bậc , tác giả Quách Thanh Hải đã phân tích các cấu trúc nghịch lƣu đa bậc bao gồm các nghịch lƣu chuẩn truyền thống và các mạch nghịch lƣu lai hiện nay... từ hơn 30 năm qua Trong những năm gần đây, việc nghiên cứu các phƣơng pháp điều khiển nghịch lƣu đã và đang đƣợc thực hiện ngày một nhiều Trang 1 Chương 1 hơn và chủ yếu tập trung vào các mạch nghịch lƣu đa bậc Hiện nay có 2 hƣớng nghiên cứu về giải thuật nghịch lƣu đa bậc là kỹ thuật nghịch lƣu theo điều chế vector không gian và kỹ thuật nghịch lƣu điều chế sóng mang Năm 2005, tạp chí IEE Proceedings... giữa một đầu pha tải đến một điểm có điện thế chuẩn trên mạch có: hai bậc (two level), đa bậc (multi level - ba bậc trở lên) Bộ nghịch lƣu áp hai bậc có nhƣợc điểm là tạo điện áp cung cấp cho cuộn dây động cơ với độ dốc (dv/dt) khá lớn 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 (commonmode voltage) lớn Bộ nghịch lƣu đa bậc phát triển