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 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 PHA BẬC DIODE KẸP ĐIỀU KHIỂN BẰNG CARD DSP F28335 S K C 0 9 MÃ SỐ: T2015-36TĐ S KC 0 Tp Hồ Chí Minh, 2015 TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH ĐƠN VỊ BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI KH&CN CẤP TRƯỜNG TRỌNG ĐIỂM NGHIÊN CỨU VÀ THI CÔNG BỘ NGHỊCH LƯU PHA BẬC DIODE KẸP ĐIỀU KHIỂN BẰNG CARD DSP F28335 Mã số: T2015-36TĐ Chủ nhiệm đề tài:Ths Đỗ Đức Trí TP HCM, 11/2015 Mục Lục Mục lục 01 Danh mục hình bảng 03 THÔNG TIN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU 06 PHẦN MỞ ĐẦU 10 Lý chọn đề tài 10 Mục tiêu nghiên cứu 10 Đối tƣợng nghiên cứu 10 Ý nghĩa khoa học, thực tiển đề tài 10 Những đóng góp đề tài 11 Cấu trúc đề tài 11 CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN I Tình hình nghiên cứu thuộc lĩnh vực đề tài nƣớc 12 Điều khiển nghịch lƣu pha bậc nƣớc 12 Điều khiển nghịch lƣu pha bậc nƣớc 12 CHƢƠNG CƠ SỞ LÝ THUYẾT BỘ NGHỊCH LƢU ÁP PHA BẬC NPC 14 2.1 Mô hình hóa nghịch lƣu áp pha n bậc NPC 14 2.2 Cơ sở lý thuyết phƣơng trình toán nghịch lƣu pha bậc NPC 15 2.2.1 Các phƣơng pháp điều khiển nghịch lƣu áp 17 2.2.2 Kỹ thuật điều chế độ rộng xung dùng sóng mang (CPWM) 18 2.2.2.1 Một số tiêu đánh giá kỹ thuật PWM nghịch lƣu áp 18 2.2.3Phƣơng pháp điều chế độ rộng xung Sin dùng sóng mang (Sin PWM) 19 2.2.4 Phƣơng pháp điều khiển theo vector không gian 20 CHƢƠNG3: NỘI DUNG BỘ NGHỊCH LƢU PHA BẬC NPCĐIỀU KHIỂN BẰNG CARD DSP 23 3.1 Mô hình toán học, phƣơng trình toán nghịch lƣu áp pha bậc NPC 23 3.1.1 Mô hình toán học nghịch lƣu áp pha bậc NPC 23 3.1.2 Phƣơng trình toán nghịch lƣu áp3 pha bậc NPC 23 3.1.3.Xây dựng điều khiển 24 3.1.3.1Phƣơng trình toán điều khiển 24 3.1.3.2 Mô hình toán điều khiển 24 3.2 Điều chế độ rộng xung SFO PWM 24 3.3 Xây dựng file đồ mô 25 3.3.1 Khối tạo xung tam giác 26 3.3.2 Khối tạo so sánh xung tam giác sóng sin_Xung kích 27 3.3.3 Khối tạo công suất nghịch lƣu pha bậc NPC Matlad 29 3.3.4 Khối tải cho nghịch lƣu áp pha bậc NPC Simulink Matlad 30 3.3.5 Thông số mô cho nghịch lƣu pha bậc NPC 30 3.3.6 Kết mô 31 3.3.6.1 Kết mô m=0.7, fabc=50Hz, fVc=1000 Hz 31 3.3.6.2 Kết mô m=0.8, fabc=50Hz, fVc=2000 Hz 33 3.3.6.3 Với thông số m=1, fabc=50Hz, fVc=3000 Hz 34 3.4 Phần mềm mã hóa ngôn ngữ DSP mô hình phần cứng 35 3.4.1 Chƣơng trình mã hóa nhúng vào mô hình thực 35 3.4.2 Phần cứng nghịch lƣu áp pha 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 khối 39 CHƢƠNG Kết luận hƣớng nghiên cứu 44 4.1 Những đóng góp đề tài 44 4.2 Hạn chế đề tài 44 4.3 Hƣớng phát triển đề tài 44 Tài liệu tham khảo 45 Danh mục hình Hình 2.1 Hình 2.2 Mô hình hóa nghịch lƣu áp pha n bậc NPC Giải thuật tính toán uđkj biết áp tải Utj Hình 2.3 Quan hệ tuyến tính m ma phƣơng pháp điều chế độ rộng xung dùng sóng mang Hình 2.4 Giản đồ vector điện áp nghịch lƣu áp pha Hình 3.1 Mô hình hóa nghịch lƣu pha bậc NPC Hình 3.2 Giải thuật tính toán uđkj biết áp tải Utj Hình 3.3 Quan hệ tuyến tính m ma phƣơng pháp điều chế độ rộng xung dùng sóng mang Hình 3.4 Kết mô giải thuật Sin PWM giải thuật SFO PWM Hình 3.5 Dạng sóng điều khiển nghịch lƣu pha bậc NPC áp dụng giải thuật SFO PWM Hình 3.6 Sơ đồ kết nối mô nghịch lƣu áp pha bậc Simulink Matlab Hình 3.7 Sơ đồ kết nối tạo xung tam giác Simulink Matlab Hình 3.8 Sơ đồ kết nối khối so sánh xung tam giác sóng sin Simulink Matlab Hình 3.9 Mạch công suất mạch nghịch lƣu áp pha bậc NPC Simulink Matlab Hình 3.10 Sơ đồ khối tải nghịch lƣu áp pha bậc NPC Simulink Matlab Hình 3.11 Tín hiệu điều khiển pha A, B, C nghịch lƣu pha bậc NPC Hình 3.12 Dạng sóng điện áp tải nghịch lƣu pha bậc NPC Hình 3.13 Dạng sóng dòng điện tải nghịch lƣu pha bậc NPC Hình 3.14 THD Điện áp, dòng điện nghịch lƣu pha bậc NPC mô powergui Matlab Dạng sóng điện áp tải nghịch lƣu pha m=0.6, fVc=3000Hz Hình 3.15 Hình 3.16 Dạng sóng dòng điện tải nghịch lƣu pha m=0.8, fVc=2000Hz Hình 3.17 THD Điện áp, dòng điện nghịch lƣu pha bậc NPC mô powergui m=0.8, fVc=2000Hz Hình 3.18 Dạng sóng điện áp tải nghịch lƣu pha m=1, fVc=3000Hz Hình 3.19 Dạng sóng dòng điện tải nghịch lƣu pha m=1, fVc=3000Hz Hình 3.20 THD Điện áp, dòng điện nghịch lƣu pha bậc NPC mô powergui m=1, fVc=3000Hz Hình 3.21 Mô hình phần mềm điều khiểnbộ nghịch lƣu áp pha bậc NPCnhúng vào card DSP Hình 3.22 Sơ đồnguyên lý nguồn kích cho driver Hình 3.23 Sơ đồ mạch thực tế nguồn kích cho driver Hình 3.24 Sơ đồnguyên lý mạch đệm mạch kích cho driver Hình 3.25 Sơ đồthực tế mạch đệm cho driver Hình 3.26 Sơ đồthực tế mạch kích cho driver Hình 3.27 Sơ đồnguyên lý mạch công suất pha bậc NPC Hình 3.28 Sơ đồmạch thực tế công suất pha bậc NPC Hình 3.29 Sơ đồmạch thực tế nguồn công suất pha bậc NPC Hình 3.30 Tín hiệu điều khiển nghịch lƣu pha bậc mô hình thực mô cho pha A Hình 3.31 Tín hiệu điều khiển nghịch lƣu pha bậc mô hình thực mô cho pha B Hình 3.32 Tín hiệu điều khiển nghịch lƣu pha bậc mô hình thực mô cho pha C Hình 3.33 Dạng sóng điện áp dòng điện nghịch lƣu pha bậc NPC mô với m=0.8, fc=2000 Hình 3.34 Dạng sóng điện áp dòng điện nghịch lƣu pha bậc NPC mô hình thực với m=0.8, fc=2000 Hình 3.35 Dạng sóng điện áp tải nghịch lƣu pha bậc NPC mô mô hình thực với m=0.8, fc=2000 Hình 3.36 Dạng sóng điện áp dòng điện nghịch lƣu pha bậc NPC mô với m=1, fc=3000 Hình 3.37 Dạng sóng điện áp dòng điện nghịch lƣu pha bậc NPC mô hình thực với m=1, fc=3000 Hình 3.38 Dạng sóng điện áp tải nghịch lƣu pha bậc NPC mô mô hình thực với m=1, fc=3000 Mô hình Nghịch lƣu pha bậc NPC điều khiển card DSP hoàn chỉnh Hình 3.39 Danh mục bảng Bảng Mô hình toán nghịch lƣu áp pha bậc NPC Bảng Giá trị thông số tải nghịch lƣu áp pha bậc NPC TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập - Tự - Hạnh phúc ĐƠN VỊ: KHOA ĐIỆN-ĐIỆN TỬ Tp HCM, Ngày 26 tháng 10 năm 2015 THÔNG TIN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU Thông tin chung: - Tên đề tài: NGHIÊN CỨU VÀ THI CÔNG BỘ NGHỊCH LƢU PHA BẬC DIODE KẸP ĐIỀU KHIỂN BẰNG CARD DSP F28335 - Mã số: T2015-36TĐ - Chủ nhiệm: Ths.Đỗ Đức Trí - Cơ quan chủ trì:Trƣờng Đại học Sƣ phạm Kỹ thuật Tp.HCM - Thời gian thực hiện:12 tháng Mục tiêu:  Xây dựng mô hình hóa cho nghịch lƣu áp pha bậc NPC  Xây dựng file mô cho nghịch lƣu áp pha bậc NPC  Xây dựng chƣơng trình nhúng với mô hình thực Tính sáng tạo:  Về lý thuyết: - Xây dựng phƣơng trình toán, mô hình toán, luật điều khiển cho nghịch lƣu áp pha bậc NPC - Luật điều khiển đại  Về thực tiễn: - Cải thiện tổn hao, sóng hài giá thành cho IGBT - Ứng dụng DSP điều khiển cho nghịch lƣu áp pha bậc NPC Kết nghiên cứu: - Xây dựng mô hình toán, phƣơng trình toán, luật điều khiển cho nghịch lƣu áp pha bậc NPC - Xây dựng file mô hệ thống cho nghịch lƣu áp pha bậc NPC theo sở lý thuyết - Xây dựng mô hình thực để thực nghiệm kết mô Sản phẩm:  01 file mô cho nghịch lƣu áp pha bậc NPC  01 file nhúng mô hình thực  01 báo  01 đĩa CD đề tài Hiệu quả, phƣơng thức chuyển giao kết nghiên cứu khả áp dụng: - Cơ sở lý thuyết cho giảng dạy nghiên cứu - Ứng dụng kết mô nhúng vào mô hình thực thông qua card DSP Trƣởng Đơn vị Chủ nhiệm đề tài (ký, họ tên) (ký, họ tên) INFORMATION ON RESEARCH RESULTS General information: Project title: Three phase inverters three level controlled by card DSPF28335 Code number: T2015-36TĐ Author: Master DO DUC TRI Implementing institution: Ho Chi Minh City University of Technical Education Duration: from 01-2015 to 12-2015 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 Creativeness and innovativeness:  Theory - Modeling, contructing mathematical model, DSPcontrol forthree phases Inverter three levels NPC - Modern control  Applied - Improvingwitching loss, THD and value for IGBT - AppliedDSP control for three phases Inverter voltagethree levels NPC 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 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 Effects, transfer alternatives of reserach results and applicability: - Theoretical basisforteachingand research - Applicating three phases Inverter of three phases Inverter three levels NPC controlled embedded by DSPcard PHẦN MỞ ĐẦU Trongnhữngnămgầnđâykhoahọckỹthuậtvàcôngnghệpháttriểnrất vựcĐiện- Điệntửcũngkhôngnằm mạnhmẽ,lĩnh ngoàitràolƣuđó.Chính khảnăngpháttriểnmạnhmẽnhƣvậyđãlàmnênquátrìnhchuyểnbiếnsâu sắccảvềlýthuyếtlẫnthựctiễntrongđờisốngkhoahọckỹthuậtvàcôngnghệ Tùy theo nhu cầu mục đích đối tƣợng mà ngƣời sử dụng chọn mạch điều khiển thích hợp Tuy nhiên môi trƣờng giáo dục sở lý thuyết thực tiễn phải đôi với nhau, với nhu cầu vừa nêu Tác giả nghiên cứu nghịch lƣu áp pha bậc NPC điều khiển cho động pha không đồng Ngoài đề tài tiền đề để phát triển cho hệ nghich lƣu đa bậc mà giới quan tâm  Tính cấp thiết, mục đích nhiệm vụ đề tài Tính cấp thiết đề tài: Trong lĩnhvựckỹthuậthiệnđạingàynay,việcchếtạoracácbộnghịch lƣu cóchấtlƣợngđiệnápcao,kíchthƣớcnhỏgọn, giá thành thấpchocácthiếtbịsửdụngđiệnlà thách thức lớn cho nhà nghiên cứu nhƣ nhà sản xuất Mặt khác với môi trƣờng giáo dục chế tạo mô hình chƣa đủ, phải hội đủ sở lý thuyết rõ ràng đồng thời thiết bị phải xanh để giữ môi trƣờng theo chủ trƣơng nhà nƣớc Dựa lý luận Tác giả đề xuất nghiên cứu chế tạo nghịch lƣu áp pha bậc NPC Mục tiêu nghiên cứu:  Xây dựng mô hình hóa cho nghịch lƣu pha bậc NPC  Xây dựng file mô cho nghịch lƣu pha bậc NPC  Nhúng kết mô cho mô hình nghịch lƣu áp pha bậc NPC Đối tƣợng phạm vi nghiên cứu: Bộ nghịch lƣu áp pha bậc NPC, xây dựng mô hình toán, phƣơng trình toán, file mô nghịch lƣu áp pha bậc NPC, kiểm chứng, đánh giá kết mô phỏng, chế tạo mô hình thực, nhúng chƣơng trình mô xuống mô hình thực Ý nghĩa khoa học, thực tiễn đề tài: Hiện phòng thực tập điện tử công suất D505, D506 với mô hình đóng nên phát triển khó Mặt khác công nghệ phần mềm, phần cứng phát triển cho phép ta điều khiển nhiều đối tƣợng khác cách thay đổi giải thuật mà phần cứng không thay đổi Với nhiệm vụ đặt nhƣ rõ ràng đề tài bổ sung thêm phƣơng pháp giảng dạy đại, rõ ràng trực quan, đề tài cho thấy việc cải thiện tổn hao, THD để giảm giá thành IGBT thực công suất lớn 10 Những đóng góp đề tài: Đề tài có đóng góp sau:  Về lý thuyết:  Xây dựng phƣơng trình toán, mô hình toán theo sở lý thuyết, mô kiểm chứng sở lý thuyết có hay không  Giải thuật theo hƣớng điều khiển đại  Về thực tiễn:  Từ sở lý thuyết mô phỏng, chế tạo mô hình thực sau nhúng chƣơng trình mô vào mô hình thực, từ cải tiến mô hình chuyển giao công nghệ cho sở có nhu cầu sử dụng Cấu trúc đề tài: Cấu trúc đề tài đƣợc mô tả phần mục lục Cụ thể là: Chƣơng Tổng quan Chƣơng Cơ sở lý thuyết Chƣơng Nội dung đề tài Chƣơng Kết luận 11 CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN I Tình hình nghiên cứu thuộc lĩnh vực đề tài nƣớc Những thập niên 70-80 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 một, ba pha, làm nguồn công suất lớn công nghiệp…Với ƣu điểm kích thƣớc nhỏ gọn, dễ điều khiển thuận tiện, 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 Việc điều khiển xác để tạo nên chuyển động phức tạp nhiệm vụ hệ thống truyền động Từ việc phát triển công nghệ bán dẫn chế tạo điều khiển điện tử công suất để đáp ứng yêu cầu truyền đồng 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 I.1 Nghịch lƣu áp ba pha bậc nƣớc 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 lƣu áp pha bậc NPC Việt Nam: 1.1 Nguyễn Văn Nhờ “Giáo trình điện tử công suất 1” Nha xuất Đại học Quốc gia TP Hồ Chí Minh 2002 12 1.2 Nguyễn Văn Nhờ, Đới Văn Môn, Trần Quốc Hoàn, Quách Thanh Hải, “ Kỹ thuật điều chế PWM ba bậc nhằm cân điện áp hai tụ điện chiều nghịch lưu bậc NPC”, Hội nghị toàn quốc lần thứ điện tử - VCM – 2012 1.3 Phòng thực tập điện tử công suất, Trƣờng Đại học sƣ phạm kỹ thuật, TpHCM 1.4 Võ Xuân Nam, “ Cân bằ ng điê ̣n áp DC-Link cho bộ nghi ̣ch lưu NPC đa bậc”, LVThS Trƣờng Đa ̣i Ho ̣c Sƣ Pha ̣m Kỹ Thuâ ̣t TP.HCM, 2012 13 CHƢƠNG CƠ SỞ LÝ THUYẾT CHO BỘ NGHỊCH LƢU ÁP PHA BẬC NPC 2.1 Mô hình hóa nghịch lƣu áp pha n bậc NPC: Mô hình toán nghịch lƣu áp pha n bậc NPC có điện áp ngõ vào VDC điện áp ngõ VAC ba pha đƣợc mô tả nhƣ sau: Vc(n-1) Sa(n-1) uc(n-1) Cn-1 Vc(n-2) Sb(n-1) Da(n-2) Db(n-2) Dc(n-2) Sc(n-1) Sa(n-2) Da(n-3) Db(n-3) Dc(n-3) Sb(n-2) Sc(n-2) Cn-2 Cn-3 Sa2 Sb2 Sc2 Sb1 Sc1 uc(n-2) Vc(n-3) uc(n-3) Da1 Db1 Dc1 Sa1 Uxn + udc N Uxy d - S’a(n-1) c S’b(n-1) S’c(n-1) S’b(n-2) S’c(n-2) D’a(n-2) D’b(n-2) D’c(n-2) S’a(n-2) D’a(n-3) D’b(n-3) D’c(n-3) Uxg S’a2 Vc1 S’b2 S’c2 S’b1 S’c1 D’a1 D’b1 D’c1 uc1 C1 S’a1 Ground Hình 2.1 Mô hình hóa nghịch lƣu áp pha n bậc NPC Với Vd : Điện áp DC ngõ vào [V] 14 A :Điện ngõ pha A [V] B: Điện ngõ pha B [V] C:Điện ngõ pha C [V] Sa(n-1): Các khóa đóng, ngắt ( n số bậc) 2.2 Cơ sở lý thuyết phƣơng trình toán nghịch lƣu pha n bậc NPC Hình 2.1 sơ đồ nguyên lý mạch nghịch lƣu NPC n bậc Bộ nghịch lƣu n bậc chứa cặp Diodekẹp có mạch nguồn chiều udc đƣợc phân chia thành số cấp điện áp nhỏ nhờ chuỗi hai tụ điện mắc nối tiếp.Giả sử tụ điện mắc nối tiếp có điện dung điện áp tụ điện là: uc1 = uc2 = u = udc n−1 (2.1) Chọn mức điện mass nguồn DC, điện áp từ cực dƣơng tụ thứ j đến mass là: j VCj   uCi  j * u (2.2) i 1 Để điện áp pha-nguồn DC đạt đƣợc mức điện áp Uxg=j*u (1≤j≤n-1), tất khóa công suất bị kẹp hai Diode (Dxj, Dxj’) – gồm n-1 khóa mắc nối tiếp liên tục kề nhau, phải đƣợc kích đóng, khóa lại phải đƣợc ngắt theo nguyên tắc kích đối nghịch Số khóa công suất pha phải sử dụng k=2.(n-1) Trong có (n-1) khóa nối từ ngõ tải đến nguồn dƣơng gọi khóa công suất nhánh trên, ký hiệu hiệu S x1, Sx2, …, (n-1) khóa công suất nhánh dƣới ký hiệu Sx1’, Sx2’ Trạng thái kích khóa công suất nhánh (KSx) nhánh dƣới (KSx’) số đối nghịch nhau; nghĩa là: KSxj + KSxj’=1 (2.3) x=a,b,c nhánh pha (2.4) j=1, 2, 3, …n số khóa công suất (2.5) Trong đó: Gọi TSxj trạng thái khóa công suất thứ j pha x (Sxj).TSxj= tức khóa mở, ngƣợc lại TSxj=1 khóa đóng Nhƣ vậy, trạng thái pha phụ thuộc trạng thái khóa công suất Với n-1 khóa nhánh có 2n-1 trạng thái điều khiển Tuy nhiên, điện áp tụ phân áp nhƣ nhau, có n mức điện áp khác 0, u, 2.u, …(n1).u ứng với trạng thái nhánh nhƣ sau:  Không khóa 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 15  j khóa từ khoá Sx1 đóng (TSx1= TSx2=…= TSxj=1; TSx(j+1)= TSx(j+2)=…= TSx(n-1)=0) điện áp pha-tâm nguồn Uxg=j*u  Mọi khóa đóng (TSx1= TSx2= …= TSx(n-1)=1) điện áp Uxg=(n-1)*u Tổng quát lên xác định điện áp pha so với mass nguồn theo Uxg=( TSx1 + TSx2 + + TSx(n-1)).u (2.6) n 1 U xg  u. TSxj j 1 (2.7) Nếu điện áp hai tụ phân áp khác lần lƣợt UC1, UC2thì (2.6) đƣợc viết lại Do đó, thành phần Uxg đƣợc xác định dựa vào (2.8) nhƣ sau: Uxg = UxgT - UxgP = udc.(TSxT - TSxP) (2.8) Với TSxch đƣợc định nghĩa theo (2.9) với Ch=T,P (biểu thị nhánh trái phải) TSxj = TSxPj - TSxTj (2.9) Trong j số khóa chuyển mạch có giá trị 1-n T trạng thái khóa công suất Do điện áp pha tâm nguồn DC đƣợc xác định theo (2.10) U ag  TSaT  TSaP      U bg   u dc TSbT  TSbP  U cg  TScT  TScP    (2.10) Và tính đƣợc điện áp pha tải điện áp dây (2.11) (2.12) U an  U    bn  U cn     1 U ag    1  1 U bg      U cg  U ab     U an  U     1 U   bc     bn  U ca   1  U cn  (2.11) (2.12) Từ kết phân tích cho thấy để xác định điện áp điều khiển uđkj (j = a, b, c); cần biết áp nghịch lƣu Uj0 Nếu áp tải Utj cho trƣớc, cần chọn áp common mode (uN0) thích hợp xác định đƣợc Uj0 Xác định điện áp common mode: Điện áp V0 chọn giá trị giới hạn V0min V0max nó, tức: V0min ≤ V0 ≤ V0max (2.13) Lý luận tƣơng tự cho nghịch lƣu áp pha cầu dạng H-bridge, ta suy ra: V0Min = - Min V0Max = Vdc – Max 16 (2.14) Với Max = Max(Uta, Utb, Utc) (2.15) Min = Min(Uta, Utb, Utc) Giải thuật tính toán uđkj cho trƣớc áp tải pha + Udkj Hình 2.2:Giải thuật tính toán uđkj biết áp tải Utj Đây giải thuật tính áp điều khiển biết áp tải 2.2.1 Các phƣơng pháp điều khiển nghịch lƣu áp - Phƣơng pháp điều chế độ rộng xung sin (Sin PWM-sin pulse width modulation) - Phƣơng pháp điều khiển theo biên độ - Phƣơng pháp điều chế độ rộng xung (SH-PWM) - Phƣơng pháp điều chế độ rộng xung cải biến (Modified PWM) - Phƣơng pháp điều chế vector không gian (SVPWM-space vector pulse width modulation) Những kỹ thuật điều khiển đƣợc áp dụng cho nghịch lƣu áp bậc nhƣ: kỹ thuật điều chế độ rộng xung dạng cải biến nó, kỹ thuật điều khiển vector không gian, kỹ thuật khử sóng hài tối ƣu, kỹ thuật điều khiển dòng,… ứng dụng điều khiển cho nghịch lƣu áp đa bậc Bộ nghịch lƣu áp đa bậc có phạm vi hoạt động chủ yếu tải công suất lớn Do vấn đề giảm bớt tần số đóng ngắt giảm shock điện áp linh kiện công suất có ý nghĩa quan trọng Các thuật toán chuyên gia tạp chí IEEE, IEE nói chung muốn nghiên cứu nói riêng điều cố gắng thực trì trạng thái cân nguồn điện áp DC khử bỏ tƣợng common - mode voltage Đây nguyên nhân gây số tƣợng làm lão hóa động Bộ nguồn điện chiều thƣờng sử dụng Diode, SCR, Transistor với nhiều nhƣợc điểm: dòng vào chứa nhiều sóng hài bậc cao, trình chuyển mạch diễn chậm Để khắc phục nhƣợc điểm trên, tác giả nghiên cứu phƣơng pháp 17 kỹ thuật điều chế dùng sóng mang (carrier based pulse width modulation – CPWM) Trong đề tài giới thiệu kỹ thuật chủ yếu đƣợc sử dụng để điều khiển nghịch lƣu áp kỹ thuật điều chế dùng sóng mang (carrier based pulse width modulation – CPWM) để tạo xung kích điều khiển nghịch lƣu áp pha bậc NPC NPC, mô thực nghiệm 2.2.2 Kỹ thuật điều chế độ rộng xung dùng sóng mang (CPWM) 2.2.2.1 Một số tiêu đánh giá kỹ thuật PWM nghịch lƣu áp Chỉ số điều chế (Modulation Index) m: đƣợc định nghĩa nhƣ tỉ số biên độ thành phần hài tạo nên phƣơng pháp điều khiển biên độ thành phần hài đạt đƣợc phƣơng pháp điều khiển sáu bƣớc (sixstep) m U U  1m 1m  sixstep U 1m (2.16)  V dc Với Vdc _ tổng điện áp nguồn DC Độ méo dạng tổng sóng hài THD (Total Harmonic Distortion) đại lƣợng dùng để đánh giá tác dụng sóng hài bậc cao (2,3…) xuất nguồn điện, đƣợc tính theo:  THD I I j 1  I (2.17) t( j) t (1) Độ méo dạng trƣờng hợp dòng điện không chứa thành phần DC đƣợc tính theo hệ thức sau:  THD I  I j 1 I t( j) t (1)  2 t t (1) I I I (2.18) t (1) Trong đó: It(j): trị hiệu dụng sóng hài bậc j, j ≥ It(1): trị hiệu dụng thành phần hài dòng điện It: trị hiệu dụng dòng tải Tần số đóng ngắt công suất tổn hao đóng ngắt: Công suất tổn hao xuất linh kiện bao gồm hai thành phần: tổn hao công suất linh kiện trạng thái dẫn điện Pon tổn hao công suất động Pdyn Tổn hao công suất Pdyn tăng lên tần số đóng ngắt linh kiện tăng lên Tần số đóng ngắt linh kiện tăng lên tùy ý lí sau: 18 + Công suất tổn hao linh kiện tăng lên tỉ lệ với tần số đóng ngắt Linh kiện công suất lớn thƣờng gây công suất tổn hao đóng ngắt lớn Do đó, tần số kích đóng phải giảm cho phù hợp, ví dụ linh kiện GTO công suất MW đóng ngắt tần số khoảng 100Hz + Các qui định tƣơng thích điện từ (Electromagnet Compatibility – EMC) qui định nghiêm ngặt biến đổi công suất đóng ngắt với tần số cao 9KHz 2.2.3 Phƣơng pháp điều chế độ rộng xung Sin dùng sóng mang (Sin PWM) Phƣơng pháp có tên Subharmonic PWM (SH – PWM), hay Multi carrier based PWM Để tạo giản đồ kích đóng linh kiện pha tải, ta sử dụng số sóng mang (dạng tam giác) tín hiệu điều khiển (dạng sin) Về nguyên lý, phƣơng pháp đƣợc thực dựa vào kỹ thuật analog Giản đồ kích đóng công tắc nghịch lƣu dựa sở so sánh hai tín hiệu bản:  Sóng mang up (carrier signal) tần số cao, dạng tam giác  Sóng điều khiển ur (reference signal) sóng điều chế (modulating signal) dạng sin Ví dụ, công tắc đƣợc kích đóng sóng điều khiển lớn sóng mang (ur> up) Trong trƣờng hợp ngƣợc lại, công tắc đƣợc kích mở sóng điều khiển nhỏ sóng mang (ur up) Tần số sóng mang cao, lƣợng sóng hài bậc cao xuất dạng sóng điện áp dòng điện tải bị khử nhiều Đối với nghịch lƣu áp n bậc, số sóng mang đƣợc sử dụng (n-1) Chúng có tần số fc biên độ đỉnh - đỉnh Ac Sóng điều chế (hay sóng điều khiển) có biên độ đỉnh Am tần số fm, dạng sóng thay đổi xung quanh trục tâm hệ thống (n-1) sóng mang Nếu sóng điều khiển lớn sóng mang linh kiện tƣơng ứng với sóng mang đƣợc kích đóng, ngƣợc lại sóng điều khiển nhỏ sóng mang linh kiện bị kích mở Gọi mf tỉ số điều chế tần số (frequency modulation ratio) ta có: m f  f f carrier  reference f f c (2.19) m Việc tăng giá trị mf dẫn đến việc tăng giá trị tần số sóng hài xuất Điểm bất lợi việc tăng tần số sóng mang vấn đề tổn hao số lần đóng cắt lớn Tƣơng tự, gọi ma tỉ số điều chế biên độ (amplitude modulation ratio): 19 S K L 0 [...]... nghiên cứu và chế tạo bộ nghịch lƣu áp 3 pha 3 bậc NPC 2 Mục tiêu nghiên cứu:  Xây dựng mô hình hóa cho nghịch lƣu 3 pha 3 bậc NPC  Xây dựng file mô phỏng cho nghịch lƣu 3 pha 3 bậc NPC  Nhúng kết quả mô phỏng cho mô hình nghịch lƣu áp 3 pha 3 bậc NPC 3 Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu: Bộ nghịch lƣu áp 3 pha 3 bậc NPC, xây dựng mô hình toán, phƣơng trình toán, file mô phỏng nghịch lƣu áp 3 pha 3. .. Cân bằ ng điê ̣n áp DC-Link cho bộ nghi ̣ch lưu NPC đa bậc”, LVThS Trƣờng Đa ̣i Ho ̣c Sƣ Pha ̣m Kỹ Thuâ ̣t TP.HCM, 2012 13 CHƢƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT CHO BỘ NGHỊCH LƢU ÁP 3 PHA 3 BẬC NPC 2.1 Mô hình hóa của bộ nghịch lƣu áp 3 pha n bậc NPC: Mô hình toán của bộ nghịch lƣu áp 3 pha n bậc NPC có điện áp ngõ vào là VDC và điện áp ngõ ra là VAC ba pha và đƣợc mô tả nhƣ sau: Vc(n-1) Sa(n-1) uc(n-1) Cn-1... mạch điều khiển nào thích hợp Tuy nhiên trong môi trƣờng 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 lƣu 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 lƣu đa bậc mà trên thế giới đang quan tâm  Tính cấp thi t, mục đích và nhiệm vụ của đề tài 1 Tính cấp thi t... nghiên cứu một trong các phƣơng pháp 17 mới đó là kỹ thuật điều chế dùng sóng mang (carrier based pulse width modulation – CPWM) Trong đề tài này chúng ta giới thi u kỹ thuật chủ yếu đƣợc sử dụng để điều khiển các bộ nghịch lƣu áp đó là kỹ thuật điều chế dùng sóng mang (carrier based pulse width modulation – CPWM) để tạo xung kích điều khiển bộ nghịch lƣu áp 3 pha 3 bậc NPC NPC, cả trong mô phỏng và. .. bậc nhƣ: kỹ thuật điều chế độ rộng xung và các dạng cải biến của nó, kỹ thuật điều khiển vector không gian, kỹ thuật khử sóng hài tối ƣu, các kỹ thuật điều khiển dòng,… có thể ứng dụng điều khiển cho bộ nghịch lƣu áp đa bậc Bộ nghịch lƣu áp đa bậc có phạm vi hoạt động chủ yếu đối với các tải công suất lớn Do đó vấn đề giảm bớt tần số đóng ngắt và giảm shock điện áp trên linh kiện công suất có ý nghĩa... áp 3 pha n bậc NPC Với Vd : Điện áp DC ngõ vào [V] 14 A :Điện ngõ ra pha A [V] B: Điện ngõ ra pha B [V] C:Điện ngõ ra pha C [V] Sa(n-1): Các khóa đóng, ngắt ( n số bậc) 2.2 Cơ sở lý thuyết và phƣơng trình toán bộ nghịch lƣu 3 pha n bậc NPC Hình 2.1 là sơ đồ nguyên lý mạch nghịch lƣu NPC n bậc Bộ nghịch lƣu n bậc chứa các cặp Diodekẹp có một mạch nguồn một chiều udc đƣợc phân chia thành một số cấp điện... Sa(n-2) Da(n -3) Db(n -3) Dc(n -3) Sb(n-2) Sc(n-2) Cn-2 Cn -3 Sa2 Sb2 Sc2 Sb1 Sc1 uc(n-2) Vc(n -3) uc(n -3) Da1 Db1 Dc1 Sa1 Uxn + udc N Uxy d - S’a(n-1) c S’b(n-1) S’c(n-1) S’b(n-2) S’c(n-2) D’a(n-2) D’b(n-2) D’c(n-2) S’a(n-2) D’a(n -3) D’b(n -3) D’c(n -3) Uxg S’a2 Vc1 S’b2 S’c2 S’b1 S’c1 D’a1 D’b1 D’c1 uc1 C1 S’a1 Ground Hình 2.1 Mô hình hóa bộ nghịch lƣu áp 3 pha n bậc NPC Với Vd : Điện áp DC ngõ vào [V] 14... pháp điều khiển bộ nghịch lƣu áp - Phƣơng pháp điều chế độ rộng xung sin (Sin PWM-sin pulse width modulation) - Phƣơng pháp điều khiển theo biên độ - Phƣơng pháp điều chế độ rộng xung (SH-PWM) - Phƣơng pháp điều chế độ rộng xung cải biến (Modified PWM) - Phƣơng pháp điều chế vector không gian (SVPWM-space vector pulse width modulation) Những kỹ thuật điều khiển đƣợc áp dụng cho bộ nghịch lƣu áp 2 bậc. .. converters," in Proc of 38 th IEEE IAS Annual Meeting20 03, pp 684- 691 vol.1, 12-16 Oct 20 03 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.10 83- 1088 1.4 Wang Shuwen;Research of Novel Three-phase Inverter and its Modulation Technique, 2006 I.2 Nghiên cứuNghịch lƣu áp 3 pha 3 bậc NPC ở Việt... những mạch điều khiển, đo lƣờng, 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 ƣu điểm là kích thƣớc nhỏ gọn, dễ điều khiển và thuận tiện,