Nghiên cứu và thi công bộ nghịch lưu 3 pha 3 bậc diode kẹp điều khiển bằng card DSP f28335

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠOTRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH CÔNG TRÌNH NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CẤP TRƯỜNG NGHIÊN CỨU VÀ THI CÔNG BỘ NGHỊCH LƯU 3 PHA 3 BẬC DIODE KẸP ĐIỀU KHI

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

CÔNG TRÌNH NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CẤP TRƯỜNG

NGHIÊN CỨU VÀ THI CÔNG BỘ NGHỊCH LƯU

3 PHA 3 BẬC DIODE KẸP ĐIỀU KHIỂN

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

NGHIÊN CỨU VÀ THI CÔNG BỘ NGHỊCH LƯU

3 PHA 3 BẬC DIODE KẸP ĐIỀU KHIỂN

BẰNG CARD DSP F28335

Mã số: T2015-36TĐ

1

Mục Lục

Mục lục 01

Danh mục các hình và bảng 03

THÔNG TIN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU 06

PHẦN MỞ ĐẦU 10

1 Lý do chọn đề tài 10

2 Mục tiêu nghiên cứu 10

3 Đối tượng nghiên cứu 10

4 Ý nghĩa khoa học, thực tiển của đề tài 10

5 Những đóng góp của đề tài 11

6 Cấu trúc của đề tài 11

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN I Tình hình nghiên cứu thuộc lĩnh vực của đề tài ở trong và ngoài nước 12

1 Điều khiển nghịch lưu 3 pha 2 bậc ở nước ngoài 12

2 Điều khiển nghịch lưu 3 pha 2 bậc ở trong nước 12

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT BỘ NGHỊCH LƯU ÁP 3 PHA 3 BẬC NPC 14

2.1 Mô hình hóa của bộ nghịch lưu áp 3 pha n bậc NPC 14

2.2 Cơ sở lý thuyết và phương trình toán bộ nghịch lưu 3 pha 3 bậc NPC 15

2.2.1 Các phương pháp điều khiển bộ nghịch lưu áp 17

2.2.2 Kỹ thuật điều chế độ rộng xung dùng sóng mang (CPWM) 18

2.2.2.1 Một số chỉ tiêu đánh giá kỹ thuật PWM của bộ nghịch lưu áp 18

2.2.3Phương pháp điều chế độ rộng xung Sin dùng sóng mang (Sin PWM) 19

2.2.4 Phương pháp điều khiển theo vector không gian 20

CHƯƠNG3: NỘI DUNG BỘ NGHỊCH LƯU 3 PHA 3 BẬC NPCĐIỀU KHIỂN

BẰNG CARD DSP 23

3.1 Mô hình toán học, phương trình toán bộ nghịch lưu áp 3 pha 3 bậc NPC 23

3.1.1 Mô hình toán học bộ nghịch lưu áp 3 pha 3 bậc NPC 23

3.1.2 Phương trình toán của bộ nghịch lưu áp3 pha 3 bậc NPC 23

3.1.3.Xây dựng bộ điều khiển 24

2

3.3.2 Khối tạo so sánh xung tam giác và sóng sin_Xung kích 27

3.3.3 Khối tạo công suất của bộ nghịch lưu 3 pha 3 bậc NPC trong Matlad 29 3.3.4 Khối tải cho nghịch lưu áp 3 pha 3 bậc NPC trong Simulink Matlad 30 3.3.5 Thông số mô phỏng cho bộ nghịch lưu 3 pha 3 bậc NPC 30

3.3.6 Kết quả mô phỏng 31 3.3.6.1 Kết quả mô phỏng khi m=0.7, fabc=50Hz, fVc=1000 Hz 31

3.3.6.2 Kết quả mô phỏng khi m=0.8, fabc=50Hz, fVc=2000 Hz 33

3.3.6.3 Với các thông số m=1, fabc=50Hz, fVc=3000 Hz 34

3.4 Phần mềm mã hóa ngôn ngữ DSP và mô hình phần cứng 35

3.4.1 Chương trình mã hóa nhúng vào mô hình thực 35 3.4.2 Phần cứng bộ nghịch lưu áp 3 pha 3 bậc NPC 36 3.3.2.1 Sơ đồ nguyên lý nguồn kích 36 3.3.2.2 Sơ đồ nguyên lý mạch đệm 37

3.3.2.3 Sơ đồ nguyên lý mạch công suất 38

3.3.2.4 Chức năng các khối 39 CHƯƠNG 4 Kết luận và hướng nghiên cứu tiếp theo 44

4.1 Những đóng góp của đề tài 44

4.2 Hạn chế đề tài 44

4.3 Hướng phát triển đề tài 44

Tài liệu tham khảo 45

3

Danh mục các hình

Hình 2.1 Mô hình hóa bộ nghịch lưu áp 3 pha n bậc NPC

Hình 2.2 Giải thuật tính toán uđkj khi biết áp tải Utj

Hình 2.3 Quan hệ tuyến tính giữa m và ma trong phương pháp

điều chế độ rộng xung dùng sóng mang Hình 2.4 Giản đồ vector điện áp bộ nghịch lưu áp 3 pha

Hình 3.1 Mô hình hóa của bộ nghịch lưu 3 pha 3 bậc NPC

Hình 3.2 Giải thuật tính toán uđkj khi biết áp tải Utj

Hình 3.3 Quan hệ tuyến tính giữa m và ma trong phương pháp

điều chế độ rộng xung dùng sóng mang Hình 3.4 Kết quả mô phỏng giải thuật Sin PWM và giải thuật SFO PWM Hình 3.5 Dạng sóng điều khiển của bộ nghịch lưu 3 pha 3 bậc NPC áp dụng

giải thuật SFO PWM Hình 3.6 Sơ đồ kết nối mô phỏng nghịch lưu áp 3 pha 3 bậc

trong Simulink Matlab Hình 3.7 Sơ đồ kết nối tạo xung tam giác trong Simulink Matlab

Hình 3.8 Sơ đồ kết nối khối so sánh xung tam giác và sóng sin

trong Simulink Matlab Hình 3.9 Mạch công suất của mạch nghịch lưu áp 3 pha 3 bậc NPC

trong Simulink Matlab Hình 3.10 Sơ đồ khối tải nghịch lưu áp 3 pha 3 bậc NPC trong Simulink MatlabHình 3.11 Tín hiệu điều khiển pha A, B, C bộ nghịch lưu 3 pha 3 bậc NPC Hình 3.12 Dạng sóng điện áp trên tải bộ nghịch lưu 3 pha 3 bậc NPC

Hình 3.13 Dạng sóng dòng điện trên tải bộ nghịch lưu 3 pha 3 bậc NPC

Hình 3.14 THD Điện áp, dòng điện bộ nghịch lưu 3 pha 3 bậc NPC mô phỏng

trên powergui Matlab Hình 3.15 Dạng sóng điện áp trên tải bộ nghịch lưu 3 pha 2 m=0.6, fVc=3000Hz Hình 3.16 Dạng sóng dòng điện trên tải bộ nghịch lưu 3 pha 3 m=0.8,

fVc=2000Hz Hình 3.17 THD Điện áp, dòng điện bộ nghịch lưu 3 pha 3 bậc NPC mô phỏng

trên powergui m=0.8, fVc=2000Hz Hình 3.18 Dạng sóng điện áp trên tải bộ nghịch lưu 3 pha 2 m=1, fVc=3000Hz

4

Hình 3.19 Dạng sóng dòng điện trên tải bộ nghịch lưu 3 pha 2 m=1,

fVc=3000Hz Hình 3.20 THD Điện áp, dòng điện bộ nghịch lưu 3 pha 3 bậc NPC mô phỏng

trên powergui m=1, fVc=3000Hz Hình 3.21 Mô hình phần mềm điều khiểnbộ nghịch lưu áp 3 pha 3 bậc

NPCnhúng vào card DSP Hình 3.22 Sơ đồnguyên lý nguồn kích cho bộ driver

Hình 3.23 Sơ đồ mạch thực tế nguồn kích cho bộ driver

Hình 3.24 Sơ đồnguyên lý mạch đệm và mạch kích cho bộ driver

Hình 3.25 Sơ đồthực tế mạch đệm cho bộ driver

Hình 3.26 Sơ đồthực tế mạch kích cho bộ driver

Hình 3.27 Sơ đồnguyên lý mạch công suất 3 pha 3 bậc NPC

Hình 3.28 Sơ đồmạch thực tế công suất 3 pha 3 bậc NPC

Hình 3.29 Sơ đồmạch thực tế nguồn và công suất 3 pha 3 bậc NPC

Hình 3.30 Tín hiệu điều khiển bộ nghịch lưu 3 pha 3 bậc mô hình thực và mô

phỏng cho pha A Hình 3.31 Tín hiệu điều khiển bộ nghịch lưu 3 pha 3 bậc mô hình thực và mô

phỏng cho pha B Hình 3.32 Tín hiệu điều khiển bộ nghịch lưu 3 pha 3 bậc mô hình thực và mô

phỏng cho pha C Hình 3.33 Dạng sóng điện áp và dòng điện bộ nghịch lưu 3 pha 3 bậc NPC mô

phỏng với m=0.8, fc=2000 Hình 3.34 Dạng sóng điện áp và dòng điện bộ nghịch lưu 3 pha 3 bậc NPC mô

hình thực với m=0.8, fc=2000 Hình 3.35 Dạng sóng điện áp tải bộ nghịch lưu 3 pha 3 bậc NPC mô phỏng và

mô hình thực với m=0.8, fc=2000 Hình 3.36 Dạng sóng điện áp và dòng điện bộ nghịch lưu 3 pha 3 bậc NPC mô

phỏng với m=1, fc=3000 Hình 3.37 Dạng sóng điện áp và dòng điện bộ nghịch lưu 3 pha 3 bậc NPC mô

hình thực với m=1, fc=3000 Hình 3.38 Dạng sóng điện áp tải bộ nghịch lưu 3 pha 3 bậc NPC mô phỏng và

mô hình thực với m=1, fc=3000 Hình 3.39 Mô hình Nghịch lưu 3 pha 3 bậc NPC điều khiển bằng card DSP

hoàn chỉnh

5

Danh mục các bảng

Bảng 1 Mô hình toán của bộ nghịch lưu áp 3 pha 3 bậc NPC

Bảng 2 Giá trị và thông số tải của bộ nghịch lưu áp 3 pha 3 bậc NPC

6

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

ĐƠN VỊ: KHOA ĐIỆN-ĐIỆN TỬ

CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

Tp HCM, Ngày 26 tháng 10 năm 2015

THÔNG TIN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU

1 Thông tin chung:

- Tên đề tài: NGHIÊN CỨU VÀ THI CÔNG BỘ NGHỊCH LƯU 3 PHA 3 BẬC

DIODE KẸP ĐIỀU KHIỂN BẰNG CARD DSP F28335

- Mã số: T2015-36TĐ

- Chủ nhiệm: Ths.Đỗ Đức Trí

- Cơ quan chủ trì:Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp.HCM

- Thời gian thực hiện:12 tháng

2 Mục tiêu:

 Xây dựng mô hình hóa cho bộ nghịch lưu áp 3 pha 3 bậc NPC

 Xây dựng file mô phỏng cho bộ nghịch lưu áp 3 pha 3 bậc NPC

 Xây dựng chương trình nhúng với mô hình thực

- Cải thiện tổn hao, sóng hài và giá thành cho IGBT

- Ứng dụng DSP điều khiển cho bộ nghịch lưu áp 3 pha 3 bậc NPC

4 Kết quả nghiên cứu:

- Xây dựng mô hình toán, phương trình toán, luật điều khiển cho bộ nghịch lưu áp 3 pha 3

7

 01 file mô phỏng cho bộ nghịch lưu áp 3 pha 3 bậc NPC

 01 file nhúng mô hình thực

 01 bài báo

 01 đĩa CD của đề tài

6 Hiệu quả, phương thức chuyển giao kết quả nghiên cứu và khả năng áp dụng:

- Cơ sở lý thuyết cho giảng dạy và nghiên cứu

- Ứng dụng kết quả mô phỏng nhúng vào mô hình thực thông qua card DSP

Trưởng Đơn vị

(ký, họ và tên)

Chủ nhiệm đề tài

(ký, họ và tên)

Author: Master DO DUC TRI

Implementing institution: Ho Chi Minh City University of Technical Education

Duration: from 01-2015 to 12-2015

2 Objective(s):

- Modelingfor Three phases Inverter three levels NPC

- Constructing simulationfileforThree phases Inverter three levels NPC

- Embedded program simulation for three phases Inverter three levels NPCcontrolled by card DSP F28335

3 Creativeness and innovativeness:

- Improvingwitching loss, THD and value for IGBT

- AppliedDSP control for three phases Inverter voltagethree levels NPC

4 Research results:

- Modeling, Contructing mathematical model, Using card DSPcontrol forthree phases

Inverter three levels NPC

- Making simulation file of three phases Inverter three levels NPC

5 Products:

- 01Simulation fileof three phases Inverter three levels NPC

- 01article

- 01 file embedded of three phases Inverter three levels NPC for model

- 01 CD Simulation file of three phases Inverter three levels NPC

6 Effects, transfer alternatives of reserach results and applicability:

- Theoretical basisforteachingand research

9

- Applicating three phases Inverter of three phases Inverter three levels NPC controlled embedded by DSPcard

sắccảvềlýthuyếtlẫnthựctiễntrongđờisốngkhoahọckỹthuậtvàcôngnghệ Tùy theo nhu cầu

và mục đích của các đối tượng mà người sử dụng có thể chọn mạch điều khiển nào thích hợp Tuy nhiên trong môi trường giáo dục cơ sở lý thuyết và thực tiễn phải đi đôi với nhau, với nhu cầu vừa nêu Tác giả nghiên cứu bộ nghịch lưu áp 3 pha 3 bậc NPC điều khiển cho động cơ 3 pha không đồng bộ Ngoài ra đề tài còn là tiền đề để phát triển cho các hệ nghich lưu đa bậc mà trên thế giới đang quan tâm

 Tính cấp thiết, mục đích và nhiệm vụ của đề tài

1 Tính cấp thiết của đề tài:

cóchấtlượngđiệnápcao,kíchthướcnhỏgọn, giá thành thấpchocácthiếtbịsửdụngđiệnlà một thách thức lớn cho các nhà nghiên cứu cũng như nhà sản xuất Mặt khác với môi trường giáo dục chế tạo ra mô hình là chưa đủ, phải hội đủ cơ sở lý thuyết rõ ràng đồng thời thiết bị phải sạch và xanh để giữ môi trường trong sạch theo chủ trương của nhà nước Dựa trên các

lý luận trên Tác giả đề xuất nghiên cứu và chế tạo bộ nghịch lưu áp 3 pha 3 bậc NPC

2 Mục tiêu nghiên cứu:

 Xây dựng mô hình hóa cho nghịch lưu 3 pha 3 bậc NPC

 Xây dựng file mô phỏng cho nghịch lưu 3 pha 3 bậc NPC

 Nhúng kết quả mô phỏng cho mô hình nghịch lưu áp 3 pha 3 bậc NPC

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

Bộ nghịch lưu áp 3 pha 3 bậc NPC, xây dựng mô hình toán, phương trình toán, file

mô phỏng nghịch lưu áp 3 pha 3 bậc NPC, kiểm chứng, đánh giá kết quả mô phỏng, chế tạo mô hình thực, nhúng chương trình mô phỏng xuống mô hình thực

4 Ý nghĩa khoa học, thực tiễn của đề tài:

Hiện nay các phòng thực tập điện tử công suất D505, D506 với các mô hình đóng nên phát triển rất khó Mặt khác công nghệ phần mềm, phần cứng phát triển cho phép ta điều khiển nhiều đối tượng khác nhau bằng cách thay đổi giải thuật mà phần cứng không thay đổi Với nhiệm vụ đặt ra như trên rõ ràng đề tài sẽ bổ sung thêm phương pháp giảng dạy hiện đại, rõ ràng và trực quan, đề tài cho thấy việc cải thiện tổn hao, THD để giảm giá thành của IGBT khi thực hiện công suất lớn

 Từ cơ sở lý thuyết và mô phỏng, chế tạo mô hình thực sau đó nhúng chương trình

mô phỏng vào mô hình thực, từ đó cải tiến mô hình và chuyển giao công nghệ cho các

cơ sở có nhu cầu sử dụng

6 Cấu trúc của đề tài:

Cấu trúc của đề tài được mô tả ở phần mục lục

Cụ thể là:

Chương 1 Tổng quan

Chương 2 Cơ sở lý thuyết

Chương 3 Nội dung đề tài

Chương 4 Kết luận

12

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN

I Tình hình nghiên cứu thuộc lĩnh vực của đề tài ở trong và ngoài nước

Những thập niên 70-80 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, ba pha, làm các bộ nguồn công suất lớn trong công nghiệp…Với ưu điểm là kích thước nhỏ gọn, dễ điều khiển và thuận tiện, 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 Việc điều khiển chính xác để tạo nên các chuyển động phức tạp là nhiệm

vụ của hệ thống truyền động Từ việc phát triển công nghệ bán dẫn đã chế tạo các bộ điều khiển điện tử công suất để đáp ứng yêu cầu truyền đồng 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

I.1 Nghịch lưu áp ba pha 3 bậc ở nước ngoài:

1.1 Kapil Jain, Pradyumn Chaturvedi “Matlab -based Simulation & Analysis of Three - level SPWM Inverter”, IJSCE, 2012

1.2 Bendre, A.; Venkataramanan, G.; , "Radial state space vector modulation-a new space vector technique for reducing DC link capacitor harmonic currents in three level converters," in Proc of 38th IEEE IAS Annual Meeting2003, pp 684- 691 vol.1, 12-16 Oct 2003

1.3 Sun-Kyoung Lim; Jun-Ha Kim; Kwanghee Nam; , "A DC-link voltage balancing algorithm for 3-level converter using the zero sequence current," in Proc of IEEE PESC 1999,pp.1083-1088

1.4 Wang Shuwen;Research of Novel Three-phase Inverter and its Modulation Technique, 2006

I.2 Nghiên cứuNghịch lưu áp 3 pha 3 bậc NPC ở Việt Nam:

1.1 Nguyễn Văn Nhờ “Giáo trình điện tử công suất 1” Nha xuất bản Đại học Quốc gia

TP Hồ Chí Minh 2002

13

1.2 Nguyễn Văn Nhờ, Đới Văn Môn, Trần Quốc Hoàn, Quách Thanh Hải, “ Kỹ thuật

điều chế PWM ba bậc nhằm cân bằng điện áp hai tụ điện một chiều trong nghịch lưu 3 bậc NPC”, Hội nghị toàn quốc lần thứ 6 về cơ điện tử - VCM – 2012

1.3 Phòng thực tập điện tử công suất, Trường Đại học sư phạm kỹ thuật, TpHCM

1.4 Võ Xuân Nam, “ Cân bằng điê ̣n áp DC-Link cho bộ nghi ̣ch lưu NPC đa bậc”,

LVThS Trường Đa ̣i Ho ̣c Sư Pha ̣m Kỹ Thuâ ̣t TP.HCM, 2012

14

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT CHO BỘ NGHỊCH LƯU ÁP 3

PHA 3 BẬC NPC

2.1 Mô hình hóa của bộ nghịch lưu áp 3 pha n bậc NPC:

Mô hình toán của bộ nghịch lưu áp 3 pha n bậc NPC có điện áp ngõ vào là VDC và điện

áp ngõ ra là VAC ba pha và được mô tả như sau:

Hình 2.1 Mô hình hóa bộ nghịch lưu áp 3 pha n bậc NPC Với

2.2 Cơ sở lý thuyết và phương trình toán bộ nghịch lưu 3 pha n bậc NPC

Hình 2.1 là sơ đồ nguyên lý mạch nghịch lưu NPC n bậc Bộ nghịch lưu n bậc chứa các cặp Diodekẹp có một mạch nguồn một chiều udc được phân chia thành một số cấp điện

áp nhỏ hơn nhờ chuỗi hai tụ điện mắc nối tiếp.Giả sử tụ điện mắc nối tiếp có điện dung bằng nhau thì điện áp trên mỗi tụ điện là:

Chọn mức điện thế 0 là mass nguồn DC, thì điện áp từ cực dương tụ thứ j đến mass là:

u j u V

j i Ci

và (n-1) khóa công suất nhánh dưới ký hiệu là Sx1’, Sx2’

Trạng thái kích các khóa công suất nhánh trên (KSx) và nhánh dưới (KSx’) cùng chỉ số luôn đối nghịch nhau; nghĩa là:

Trong đó:

Gọi TSxj là trạng thái của khóa công suất thứ j pha x (Sxj).TSxj= 0 tức khóa mở, ngược lại TSxj=1 là khóa đóng Như vậy, trạng thái ra một pha sẽ phụ thuộc trạng thái các khóa công suất Với n-1 khóa ở nhánh trên sẽ có 2n-1 trạng thái điều khiển Tuy nhiên, do điện

áp trên các tụ phân áp là như nhau, sẽ chỉ có n mức ra điện áp khác nhau là 0, u, 2.u, 1).u ứng với các trạng thái ở nhánh trên như sau:

…(n- Không khóa nào đóng (TSx1=TSx2= …=TSx (n-1)=0) điện áp pha-tâm nguồn Uxg=0

 Khóa Sx1 đóng (TSx1=1; TSx2=TSx3=…TSx(n-1)=0) điện áp pha-tâm nguồn Uxg=u