Đồ án môn học Nghịch lưu điện áp Cascade 3 pha 5 bậc

Nội dung đồ án môn học chuyên ngành công nghệ kỹ thuật điện điện tử về điều khiển động cơ bằng phương pháp nghịch lưu điện áp Cascade 3 pha 5 bậc ; Phục vụ cho các bạn sinh viên đang theo học bậc đại học chuyên ngành điện điện tử; có mô phỏng kết quả điều khiển

MỤC LỤC

Chương 1 -1

TỔNG QUAN VỀ BỘ NGHỊCH LƯU ÁP -1

I Giới thiệu tổng quát 1

1 Bộ nghịch lưu áp 1

2 Phân loại bộ nghịch lưu áp 2

II Các dạng cấu trúc cơ bản của bộ nghịch lưu áp đa bậc 2

1 Cấu trúc dạng Diode kẹp NPC (Diode Clamped Multilevel Inverter) 2

2 Cấu trúc dùng tụ điện thay đổi (Flying Capacitor Multilevel Inverter) 4

3 Cấu trúc dạng ghép tầng (Cascade Inverter) 5

4 So sánh số linh kiện sử dụng trong 3 dạng nghịch lưu áp đa bậc trên 6

III Nhận xét 7

Chương 2 -8

CẤU TRÚC BỘ NGHỊCH LƯU ÁP ĐA BẬC DẠNG CASCADE -8

I Bộ nghịch lưu áp cầu 1 pha 8

II Bộ nghịch lưu áp đa bậc dạng cascade 9

Chương 3 -12

ĐIỀU KHIỂN BỘ NGHỊCH LƯU ÁP ĐA BẬC DẠNG -12

CASCADE – PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHẾ ĐỘ RỘNG XUNG -12

(Carrier based PWM) -12

I Tổng quát về kỹ thuật điều chế độ rộng xung – PWM 12

1 Một số chỉ tiêu đánh giá kỹ thuật PWM của bộ nghịch lưu 12

2 Các dạng sóng mang dùng trong kỹ thuật PWM 13

II Phương pháp điều chế độ rộng xung Sin (Sin PWM) 14

1 Nguyên tắc thực hiện 14

2 Mô phỏng cho bộ nghịch lưu áp cascade 5 bậc 16

2.1 Phân tích cách tạo xung kích 16

2.2 Phân tích các trường hợp điều khiển 17

Chương 4 -19

KẾT QUẢ MÔ PHỎNG -19

I Các thông số mô phỏng trong Psim 19

II Kết quả mô phỏng 20 III Nhận xét 23

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ BỘ NGHỊCH LƯU ÁP

I Giới thiệu tổng quát

Bộ nghịch lưu có nhiệm vụ chuyển đổi năng lượng từ nguồn điện

nghịch lưu được gọi là bộ nghịch lưu áp và bộ nghịch dòng

Nguồn một chiều cung cấp cho bộ nghịch lưu áp có tính chất

hoặc gọi tắt là bộ nghịch lưu áp và bộ nghịch lưu dòng

Trong trường hợp nguồn điện ở đầu vào và đại lượng ở ngõ ra

ví dụ bộ nghịch lưu cung cấp dòng điện xoay chiều từ nguồn điện áp

còn được dùng làm nguồn điện xoay chiều cho nhu cầu gia đình, làm

tục UPS, điều khiển chiếu sáng, bộ nghịch lưu còn được ứng dụng vào

nhuyễn công suất phản kháng

Các tải xoay chiều thường mang tính cảm kháng (ví dụ động cơ

khiển quá trình ngắt dòng điện.

Trong các trường hợp đặc biệt như mạch tải cộng hưởng, tải

kháng (động cơ đồng bộ kích từ dư), dòng điện qua các linh kiện cóthể bị ngắt do quá trình chuyển mạch tự nhiên phụ thuộc vào điện ápnguồn hoặc phụ thuộc vào điện áp mạch tải Khi đó linh kiện bán dẫn có thểchọn là thyristor (SCR)

1 Bộ nghịch lưu áp

Bộ nghịch lưu áp cung cấp và điều khiển điện áp xoay chiều ở ngõ ra Nguồnđiện áp một chiều có thể ở dạng đơn giản như acquy, pin điện hoặc ở dạng phức tạpgồm điện áp xoay chiều được chỉnh lưu và lọc phẳng

Linh kiện trong bộ nghịch lưu áp có khả năng kích đóng và kích ngắt dòng điệnqua nó, tức đóng vai trò một công tắc Trong các ứng dụng công suất vừa và nhỏ, cóthể sử dụng transistor BJT, MOSFET, IGBT làm công tắc và ở phạm vi công suất lớn

có thể sử dụng GTO, IGCT hoặc SCR kết hợp với bộ chuyển mạch

Với tải tổng quát, mỗi công tắc còn trang bị một diode mắc đối song với nó Cácdiode mắc đối song này tạo thành mạch chỉnh lưu cầu không điều khiển có chiều dẫnđiện ngược với chiều dẫn điện của các công tắc Nhiệm vụ của bộ chỉnh lưu cầu diode

là tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình trao đổi công suất ảo giữa nguồn một chiều vàtải xoay chiều, qua đó hạn chế quá điện áp phát sinh khi kích ngắt các công tắc

2 Phân loại bộ nghịch lưu áp

Bộ nghịch lưu áp có rất nhiều loại cũng như nhiều phương pháp điều khiển khácnhau

 Theo số pha điện áp đầu ra: 1 pha, 3 pha

 Theo số bậc điện áp giữa một đầu pha tải và một điểm điện thế chuẩn trên

mạch (phase to pole voltage): 2 bậc (two level), đa bậc (multi – level , từ 3bậc trở lên)

 Theo cấu hình của bộ nghịch lưu: dạng cascade (Cascade inverter), dạng

diode kẹp NPC (Neutral Point Clamped Multilevel Inverter), hoặc dạngdùng tụ điện thay đổi (Flying Capacitor Multilevel Inverter)…

 Theo phương pháp điều khiển:

• Phương pháp điều rộng

• Phương pháp điều biên.

• Phương pháp điều chế độ rộng xung sin (Sin PWM)

• Phương pháp điều chế độ rộng sung sin cải biến (Modifield SPWM)

• Phương pháp điều chế vector không gian (Space vector modulation,hoặc Space vector PWM)

• Phương pháp Discontinuous PWM

II Các dạng cấu trúc cơ bản của bộ nghịch lưu áp đa bậc

Có 3 dạng thường được sử dụng trong bộ nghịch lưu áp đa bậc:

• Dạng diode kẹp NPC (Diode Clamped Multilevel Inverter)

• Dạng dùng tụ điện thay đổi (Flying Capacitor Multilevel Inverter)

• Dạng ghép tầng cascade (Cascade Inverter)

1 Cấu trúc dạng Diode kẹp NPC (Diode Clamped Multilevel Inverter)

Sử dụng thích hợp khi các nguồn DC tạo nên từ hệ thống điện AC Bộ nghịch lưu

đa bậc chứa các cặp diode kẹp có một mạch nguồn DC được phân chia thành một sốcấp điện áp nhỏ hơn nhờ chuỗi các tụ điện mắc nối tiếp

Giả sử nhánh mạch DC gồm n nguồn có độ lớn bằng nhau mắc nối tiếp Điện áppha - nguồn DC (phase to pole voltage) có thể đạt được (n+1) giá trị khác nhau và từ

đó bộ nghịch lưu được gọi là bộ nghịch lưu áp (n+1) bậc Ví dụ (như hình 1.1) chọnmức điện thế 0 ở cuối dãy nguồn, các mức điện áp có thể đạt được gồm (0, U, 2U,3U,…nU) Điện áp từ một pha tải (ví dụ pha a) thông đến một vị trí bất kỳ trên mạch

DC (ví dụ M) nhờ cặp diode kẹp tại điểm đó (ví dụ D1, D1’) Để điện áp pha - nguồn

DC đạt được mức điện áp nêu trên (Uao = U), tất cả các linh kiện bị kẹp giữa hai diode(D1, D1’) - gồm n linh kiện mắc nối tiếp liên tục kề nhau, phải được kích đóng (ví dụS1, S5’, S4’, S3’, S2’), các linh kiện còn lại phải được khoá theo nguyên tắc kích đốinghịch Tương ứng với sáu trường hợp kích đóng linh kiện bị kẹp giữa sáu cặp diode,

ta thu được sáu mức điện áp pha - nguồn DC: 0, 1U, 2U, 3U, 4U, 5U Vì có khả năngtạo ra sáu mức điện áp pha - nguồn DC nên mạch nghịch lưu trên H1.1 gọi là bộnghịch lưu 6 bậc

Bộ nghịch lưu áp đa bậc dùng diode kẹp cải tiến dạng sóng điện áp tải và giảmshock điện áp trên linh kiện n lần Với bộ nghịch lưu ba bậc, dv/dt trên linh kiện và tần

số đóng cắt giảm đi một nửa Tuy nhiên với n > 3, mức độ chịu gai áp trên các diode

sẽ khác nhau Ngoài ra, cân bằng điện áp giữa các nguồn DC (áp trên tụ) trở nên khókhăn, đặc biệt khi số bậc lớn

Bảng 1.1: Điện áp ra của Bộ nghịch lưu NPC ứng với các trạng tháikích đóng.

Hình 1.2: Flying Capacitor Multilevel Inverter.

Ưu điểm chính của nghịch lưu dạng này là:

• Khi số bậc tăng cao thì không cần dùng bộ lọc

• Có thể điều tiết công suất tác dụng và phản kháng nên hiệnđược việc điều tiết công suất

• Mỗi nhánh có thể được phân tích độc lập với các nhánh khác.Không như nghịch lưu đa bậc dạng NPC khi phân tích phải quantâm đến cân bằng điện áp ba pha ở ngõ vào

Nhược điểm:

• Số lượng tụ công suất lớn tham gia trong mạch nhiều, dẫn đến

tăng và độ tin cậy giảm

• Việc điều khiển sẽ khó khăn khi số bậc của nghịch lưu tăng cao

3 Cấu trúc dạng ghép tầng (Cascade Inverter)

một nhánh pha tải sẽ tạo nên n khả năng mức điện áp theo chiều âm

-4U, –nU), n khả năng mức điện áp theo chiều dương (U, 2U, 3U, 4U,

điện áp 0 Như vậy, bộ nghịch lưu áp dạng cascade gồm n bộ nghịch

trên mỗi nhánh sẽ tạo thành bộ nghịch lưu (2n+1) bậc

Tần số đóng ngắt trong mỗi module của dạng mạch này có thể

dv/dt cũng giảm đi như vậy Điện áp trên áp đặt lên các linh kiện giảm

cho phép sử dụng IGBT điện áp thấp

Ngoài dạng mạch gồm các bộ nghịch lưu áp một pha, mạch

4 So sánh số linh kiện sử dụng trong 3 dạng nghịch lưu áp đa bậc trên

Bảng 1.2 so sánh số linh kiện được sử dụng trong mỗi pha của 3

Một ưu điểm khác của cascade inverter là cấu hình có thể thay

thể tăng hoặc giảm số bậc một cách dễ dàng, bằng cách thêm hoặc

lưu cầu 1 pha tương ứng

III Nhận xét

Ưu điểm của bộ nghịch lưu áp đa bậc: công suất của bộ nghịch

điện áp đặt lên các linh kiện bị giảm xuống nên công suất tổn hao do

ngắt các linh kiện cũng giảm theo; với cùng tần số đóng ngắt, các

thành phần sóng hàibậc cao của điện áp ra giảm nhỏ hơn so với trường hợp bộ nghịch lưu

áp 2 bậc

Đối với tải công suất lớn, điện áp cung cấp cho các tải có thể đạt

lớn

Chương 2 CẤU TRÚC BỘ NGHỊCH LƯU ÁP ĐA BẬC DẠNG CASCADE

I Bộ nghịch lưu áp cầu 1 pha

Bộ nghịch lưu áp một pha dạng mạch cầu (còn được gọi là bộ

chữ H) chứa bốn công tắc và bốn diode mắc đối song

Hình 2.1: Bộ nghịch lưu áp cầu 01 pha

Quy tắc kích đóng đối nghịch: cặp công tắc trên cùng một nhánh

đóng đồng thời, tức là 2 công tắc trên cùng một nhánh luôn ở trong

được kích đóng và một được kích ngắt Trạng thái cả 2 cùng kích đóng

ngõ ra của bộ nghịch lưu Điện áp ở ngõ ra trên 2 điểm A, B của bộ

đổi giữa 3 trạng thái +V, 0, -V Điện áp của bộ nghịch lưu được tạo ra

S1 và S2 đồng thời được kích đóng sẽ tạo ra điện áp VAB = +V, khóa

thời kích đóng sẽ tạo ra điện áp VAB = -V và khi (S1, S3) hoặc (S4, S2)

đóng sẽ tạo ra mức điện áp 0

Hình 2.2: Dạng điện áp ngõ ra bộ nghịch lưu cầu 01 pha

II Bộ nghịch lưu áp đa bậc dạng cascade

Bộ nghịch lưu áp đa bậc dạng cascade như đã giới thiệu ở trên,

ghép nối tiếp với nhau

Ta xét bộ nghịch lưu áp 5 bậc dạng cacade: cấu tạo gồm 2 bộ

nghịch lưu áp cầu 1pha ghép nối tiếp, mỗi bộ được cung cấp bởi 1 nguồn điện áp DC riêng

ngõ ra của mỗi bộ nghịch lưu áp cầu một pha có 3 bậc (–V, 0, +V), do

ra của bộ nghịch lưu cascade sẽ có 5 bậc (-2V, -V, 0, +V, +2V)

Hình 2.3: Cấu trúc mạch của bộ nghịch lưu áp 5 bậc dạng cascade

Trạng thái đóng ngắt các công tắc trong 1 nhánh pha phải thỏa

đóng đối nghịch:

S1x + S4x = 1; S2x + S3x = 1 (2.2)

S’1x + S’4x = 1; S’2x + S’3x = 1 Tùy theo trạng thái đóng ngắt, điện áp pha – tâm nguồn DC

voltage) của bộ nghịch lưu được tính theo công thức sau:

Vx out = Vxo = Vx 01 + Vx 02 (2.3)

Với x = A, B, C

Hình 2.4: Biểu diễn 01 pha của cascade inverter 5 bậcĐiện áp pha tải trong trường hợp 3 pha tải đối xứng đấu dạng sao

thiết lập tương tự như trường hợp bộ nghịch lưu áp 2 bậc:

(2.4) Trong trường hợp 3 pha tải dạng tam giác, điện áp pha tải bằng

Hình 2.5: Dạng điện áp ngõ ra của bộ nghịch lưu cascade 5 bậc.

Bảng 2.1: Điện áp ngõ ra ứng với các trạng thái đóng, ngắt của cascade inverter 5 bậc

Chương 3 ĐIỀU KHIỂN BỘ NGHỊCH LƯU ÁP ĐA BẬC DẠNG CASCADE – PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHẾ ĐỘ RỘNG XUNG

bất lợi của sóng hài bậc cao xuất hiện ở phía tải

Phụ thuộc vào phương pháp thiết lập giản đồ kích đóng các công

nghịch lưu áp, ta có thể phân biệt các dạng điều chế độ rộng xungkhác nhau

I Tổng quát về kỹ thuật điều chế độ rộng xung – PWM

1 Một số chỉ tiêu đánh giá kỹ thuật PWM của bộ nghịch lưu

 Chỉ số điều chế (Modulation Index) m: được định nghĩa như tỉ số

 Độ méo dạng tổng do sóng hài THD (Total Harmonic Distortion)

Là đại lượng dùng để đánh giá tác dụng của các sóng hài bậc cao

Trong đó I(j): trị hiệu dụng sóng hài bậc j, j ≥ 2

I(1): trị hiệu dụng thành phần hài cơ bản của dòng điện

 Tần số đóng ngắt và công suất tổn hao do đóng ngắt:

Công suất tổn hao xuất hiện trên linh kiện bao gồm hai thành

của linh kiện không thể tăng lên tùy ý vì những lí do sau:

• Công suất tổn hao trên linh kiện tăng lên tỉ lệ với tần số đóngngắt

• Linh kiện công suất lớn thường gây ra công suất tổn hao đóng

2 Các dạng sóng mang dùng trong kỹ thuật PWM

 Hai sóng mang kế cận liên tiếp nhau sẽ bị dịch 180 độ - APOD (Alternative

Phase Opposition Disposition)

Trong các phương pháp bố trí sóng mang, phương pháp bố trí các

bậc cùng pha – PD cho độ méo dạng áp dây nhỏ nhất Đối với bộ

bậc, phương pháp POD và APOD cho cùng kết quả dạng sóng mang

II Phương pháp điều chế độ rộng xung Sin (Sin PWM)

Phương pháp còn có tên Subharmonic PWM (SH – PWM), hay

sóng mang (dạng tam giác) và một tín hiệu điều khiển (dạng sin)

Về nguyên lý, phương pháp được thực hiện dựa vào kỹ thuật

và dòng điện tải bị khử càng nhiều

Đối với bộ nghịch lưu áp n bậc, số sóng mang được sử dụng là

cùng tần số fc và cùng biên độ đỉnh - đỉnh Ac Sóng điều chế (hay

biên độ đỉnh bằng Am và tần số fm, dạng sóng của nó thay đổi xung

hệ thống (n-1) sóng mang Nếu sóng điều khiển lớn hơn sóng mang

kiện tương ứng với sóng mang đó sẽ được kích đóng, ngược lại nếu

sóng điều khiểnnhỏ hơn sóng mang thì linh kiện đó sẽ bị khoá kích

Gọi mf là tỉ số điều chế tần số ( frequency modulation ratio):

thành phần cơ bản của điện áp ra và điện áp điều khiển là tuyến tính.

Hình 3.4: Quan hệ giữa biên độ sóng mang và sóng điều khiển

Khi giá trị ma > 1, biên độ tín hiệu điều chế lớn hơn tổng biên độ

biên độ hài cơ bản của điện áp ra tăng không tuyến tính theo ma Lúc

hiện lượng sóng hài bậc cao tăng dần cho đến khi đạt ở mức giới hạn

cho bởi phươngpháp 6 bước Trường hợp này còn được gọi là quá điều chế

Trong đó U_tổng điện áp các nguồn DC

2 Mô phỏng cho bộ nghịch lưu áp cascade 5 bậc

2.1 Phân tích cách tạo xung kích

Phân tích cho một pha (ví dụ pha a), xung kích cho các linh kiện

Hình 3.5: Sơ đồ xung kích 1 pha của BNL áp 5 bậc.

2.2 Phân tích các trường hợp điều khiển

Điều khiển bộ nghịch lưu áp dạng cascade phải thỏa mãn yêu

hao trên các linh kiện trong một chu kì phải tương đối bằng nhau, tức

lưu cầu một pha cần phải đạt được trạng thái cân bằng công suất

và ngắt phải tương đối đều nhau) Muốn vậy ta phải bố trí các sóng

được các yêu cầu trên Dưới đây phân tích các trường hợp đóng ngắt

Hình 3.6: Các khoảng giá trị của Vref.

 Trường hợp 1: 2Vd ≥ Vd ≥ Vref ≥ 0

Có 2 cách điều khiển:

• Cố định điện áp ngõ ra của bộ nghịch lưu H1 với V01 = 0, điều

nghịch lưu H2 sao cho điện áp ngõ ra thay đổi tùy theo Vref

• Điều khiển bộ nghịch lưu H1 sao cho điện áp ngõ ra thay đổi

đạt được giá trị mong muốn V0 = V01 + V02 = Vref

• Điều khiển bộ nghịch lưu H1 sao cho tổng điện áp V0 = Vref ,

chọn phương án điều khiển như sau:

 Trường hợp 1 (2Vd ≥ Vd ≥ Vref ≥ 0): cố định điện áp của bộ

áp của 2 bộ nghịch lưu V0 = Vref

Do đó ta bố trí sóng mang với dạng như sau:

Hình 3.7: Dạng bố trí các sóng mang PD

Chương 4

KẾT QUẢ MÔ PHỎNG

I Các thông số mô phỏng trong Psim

Để so sánh kết quả giữa các phương pháp điều chế, từ đây về

với n là số bậc của bộ nghịch lưu

Ud là tổng điện áp các nguồn DC (ví dụ đối với bộ nghịch lưu cascade 5bậc như trên thì Ud = 4Vd)

Sơ đồ mô phỏng bộ nghịch lưu áp 5 bậc dạng cascade theo phương pháp PWM(bản vẽ A3) Các thông số mô phỏng:

II Kết quả mô phỏng

Hình 4.1: Tín hiệu điện áp điều khiển trên 3 pha A, B, C

Hình 4.2: Điện áp pha – tâm nguồn trên pha A (phase to pole voltage)

Hình 4.3: Điện áp pha – tâm nguồn DC của pha B.

Hình 4.4: Điện áp pha – tâm nguồn DC trên pha C

Hình 4.5: Điện áp tải trên pha A

Hình 4.6: Điện áp tải trên pha B.

Hình 4.7: Điện áp tải trên C

Hình 4.8: Phân tích Fourier cho điện áp tải trên pha A

Hình 4.9: Dòng điện tải trên pha A.

Hình 4.10: Dòng điện tải trên 3 pha A, B, C

Hình 4.11: Điện áp ngõ ra của 2 bộ nghịch lưu cầu một pha

III Nhận xét

Điện áp ngõ ra của bộ nghịch lưu có dạng 5 bậc, gần với dạng sin hơn so với điện

áp ngõ ra của bộ nghịch lưu cầu 1 pha (dạng chữ H, ba bậc).

Sóng hài bậc cao vẫn còn tồn tại trong dạng điện áp trên tải, nếu tần số sóng

mang càng lớn thì lượng sóng hài xuất hiện sẽ giảm.

Thời gian quá độ của dòng điện trên 3 pha nhỏ, do đó dòng điện nhanh

được trạng thái xác lập.

Dòng điện tải trên 3 pha trong trạng thái xác lập là cân bằng.

Trong 1 chu kì khoảng đóng và ngắt của mỗi bộ nghịch lưu cầu 1 pha là tương

đối đều nhau.