Tiểu luận điện tử công suất nâng cao SIN PWM

Tiểu luận điện tử công suất nâng cao ACDC Converter dùng kỹ thuật SINPWM 2 bậc, 3 bậc Bạn nào cần file mô phỏng và file DLL thì liên hệ qua mail: thanhtri.ddt92gmail.com Mình dùng phần mềm PSIM để mô phỏng

MỤC LỤC CHƯƠNG 1: PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHẾ ĐỘ RỘNG XUNG VECTOR

KHÔNG GIAN (SVM) 2

1.1 Giới thiệu phương pháp điều chế độ rộng xung vector không gian 2

1.2 Nguyên lý của phương pháp điều chế vectơ không gian SVM 7

1.3 So sánh giữa phương pháp Sin PWM và SV PWM (SVM) 8

1.4Phương pháp điều chế vectơ không gian SVM 9

CHƯƠNG 2:CÁC BỘ CHUYỂN ĐỔI CÔNG SUẤT 15

2.1 Bộ chỉnh lưu 2 bậc 15

2.2 Bộ chỉnh lưu 3 bậc 17

2.3 Một số ví dụ 20

CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ BỘ CHỈNH LƯU 21

3.1 Tính toán và thiết kế bộ chỉnh lưu 2 bậc dùng kỹ thuật SIN PWM 21

3.2 Tính toán và thiết kế bộ chỉnh lưu 3 bậc dùng kỹ thuật SIN PWM 22

CHƯƠNG 4: MÔ PHỎNG VÀ BÀN LUẬN 23

4.1 Giới thiệu phần mềm PSIM 23

4.1.1 Giới thiệu 23

4.1.2 Các phần tử, linh kiện trong PSIM 24

4.2 Bộ chỉnh lưu 2 bậc dùng kỹ thuật SIN PWM 25

4.2.1 Mô hình mô phỏng PSIM 25

4.2.2 Kết quả mô phỏng 25

4.2.3 Nhận xét 28

4.3 Bộ chỉnh lưu 3 bậc dùng kỹ thuật SIN PWM 28

4.3.1 Mô hình mô phỏng PSIM 28

4.3.2 Kết quả mô phỏng 29

4.3.3 Nhận xét 32

KẾT LUẬN 33

Tài liệu tham khảo 34

CHƯƠNG 1: PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHẾ ĐỘ RỘNG XUNG

VECTOR KHÔNG GIAN (SVM) 1.1 Giới thiệu phương pháp điều chế độ rộng xung vector không gian

Điện áp ra của bộ nghịch lưu 3 pha

Hình 1.1: Bộ nghịch lưu 3 phaTrong đó:

Các transistors nhóm trên: S1, S3, S5

Các transistors nhóm dưới: S4, S6, S2

Các vector biến chuyển mạnh: a, b, c

- Các transistor từ S1 đến S6 là các transistor công suất chuyển mạnh tạo điện

Vector điện áp dây [V

8 vectơ điện áp của bộ nghịch lưu (từ V0 tới V7)

Hình 1.2: Vector điện áp của bộ nghịch lưu

8 khả năng kết hợp, các điện áp pha và điện áp dây đầu ra

Vecto điện

áp

Vecto chuyển mạch

Điện áp pha Điện áp dây

b

Vb c

Vc a

-1/3

1/3

(Điện áp ra nhân tương ứng với Vdc)

Biến đổi d,q từ giá trị pha sang hệ toạ độ trục biến đổi d,q trong cuộn statođược viết dưới dạng:

Dòng trong pha as:

1.2 Nguyên lý của phương pháp điều chế vectơ không gian SVM

- Xem điện áp hình sin như một vectơ có biên độ không đổi và quay vớitốc độ (tần số) không đổi

- Kỹ thuật PWM thực hiện xấp xỉ điện áp đặt Vref bằng một kết hợp của 8vectơ chuyển mạch (từ V0 đến V7)

- Chuyển đổi tọa độ (từ hệ tọa độ tự nhiên abc sang hệ tọa độ cố định statod,q): Một vectơ điện áp ba pha được chuyển đổi thành một vectơ trong hệ tọa

độ cố định d,q mà các thành phần của nó thể hiện các thành phần của vectơkhông gian là tổng của điện áp ba pha

- Các vectơ (V1 → V6) chia mặt phẳng thành sáu phần - sector (mỗisector: 60 độ) Vref được tạo ra bằng cách kết hợp hai vectơ tích cực và haivectơ zero

Hình 1.4: Các vector chuyển mạch và các góc sector

6 vectơ tích cực (V1 ,V2, V3, V4, V5, V6)

- Các trục của hình lục giác

- Điện áp một chiều đầu vào “DC link” được đưa tới tải.

- Mỗi sector (1 →6): 60 độ

2 vectơ zero (V0, V7)

- Ở gốc hệ tọa độ

- Không có điện áp được đưa tới tải

1.3 So sánh giữa phương pháp Sin PWM và SV PWM (SVM)

+ Phương pháp điều chế SVM tạo ít sóng hài trong điện áp và dòng điện ra hơn so với phương pháp điều chế Sin PWM

+ SVM tận dụng hiệu quả hơn điện áp một chiều đầu vào so với Sin PWM

- Sin PWM:

 Vùng điều chế được nằm phía trong đường tròn có bán kính bằng 1/2 Vdc

- Space Vector PWM:

 Vùng điều chế được nằm phía trong đường tròn có bán kính bằng 1/√3 Vdc.

Tận dụng điện áp: SVM = 2/√3 ≈1,15 lần so với Sin PWM

Hình 1.5: Giới hạn điều chế của SV PWM

1.4 Phương pháp điều chế vectơ không gian SVM

Gồm có 4 bước:

- Bước 1 Xác định Vd, Vq, Vref, và góc (α))

- Bước 2 Xác định các khoảng thời gian T1, T2, T0

- Bước 3 Xác định thời gian chuyển mạch của mỗi transistor (S1 →S6)

2 2 1

bn q

V V

sin / 3

1

;

23

z

z

z

ref z

Bước 3 Xác định thời gian chuyển mạch của mỗi transistor (S 1 →S 6 )

Thông thường, một trong những tiêu chuẩn để lựa chọn giản đồ đóngkín linh kiện là sao cho giảm thiểu tối đa số lần chuyển mạch của linh kiện từ

đó giảm tổn hao trong quá trình đóng ngắt chúng Số lần chuyển mạch sẽ ítnếu ta thực hiện trình tự điều khiển sau:

Hình 1.7: Các mẫu xung chuyển mạch ở mỗi sector

Bảng thời gian chuyển mạch ở mỗi Sector:

Sector Upper Switches (S1, S3, S5) Lower Switches (S4, S6, S2)

1 S1= T1 + T2 + T0/2

S3= T2 + T0/2 S5= T0/2

S4= T0/2 S6= T1 + T0/2 S2= T1 + T2 + T0/2

2 S1= T1 + T0/2

S3= T1 + T2 + T0/2 S5= T0/2

S4= T2 + T0/2 S6= T0/2 S2= T1 + T2 + T0/2

3 S1= T0/2

S3= T1 + T2 + T0/2 S5= T2 + T0/2

S4= T1 + T2 + T0/2 S6= T0/2

S2= T1 + T0/2

4 S1= T0/2

S3= T1 + T0/2 S5= T1 + T2 + T0/2

S4= T1 + T2 + T0/2 S6= T2 + T0/2 S2= T0/2

5 S1= T2 + T0/2

S3= T0/2 S5= T1 + T2 + T0/2

S4= T1 + T0/2 S6= T1 + T2 + T0/2 S2= T0/2

6 S1= T1 + T2 + T0/2

S3= T0/2 S5= T1 + T0/2

S4= T0/2 S6= T1 + T2 + T0/2 S2= T2 + T0/2

CHƯƠNG 2:CÁC BỘ CHUYỂN ĐỔI CÔNG SUẤT 2.1 Bộ chỉnh lưu 2 bậc

Hình 2.1: Bộ chỉnh lưu 2 bậc

Hình 2.2: Mạch tương đương

Hình 2.3: Kỹ thuật SPWM và xung đóng cắt cho nhánh pha A

a) Sóng mang Vtri và sóng điều chế Vmod

b) Xung kích cho khóa S1c) Xung kích cho khóa S4d) Hàm chuyển mạch

2.2 Bộ chỉnh lưu 3 bậc

Hàm chuyển mạch của bộ chỉnh lưu ba bậc được cho bởi phương trình:

Với x tương ứng pha a, b và c

Điện áp ngõ vào (va(t),vb(t),vc(t)):

Điện áp ngõ ra (Idc1, Idc2, Inp1):

Trong đó:

Hình 2.4: Bộ chình lưu 3 bậc

Hình 2.5: Mạch tương đương bộ chỉnh lưu 3 bậc

Hình 2.6: Kỹ thuật SPWMba bậc và xung đóng cắt cho nhánh pha A

a) Sóng mang Vtri và sóng điều chế Vmod

b) Xung kích cho khóa Sa1c) Xung kích cho khóa Sa2d) Xung kích cho khóa Sa3e) Xung kích cho khóa Sa4

2.3 Một số ví dụ

Mô hình mô phỏng bộ chỉnh lưu 3 pha dùng kỹ thuật sin PWM 2 bậc:

Hình 2.3.1:Bộ chỉnh lưu 3pha PWMDòng điện trên các pha:

Hình 2 3.2: Mô phỏng I(RL1a) I(RL1b) và I(RL1c)

CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ BỘ CHỈNH LƯU 3.1 Tính toán và thiết kế bộ chỉnh lưu 2 bậc dùng kỹ thuật SIN PWM

Theo đề bài yêu cầu:

Điện áp pha trên lưới có giá trị là 220V

3.2 Tính toán và thiết kế bộ chỉnh lưu 3 bậc dùng kỹ thuật SIN PWM

Theo đề bài yêu cầu:

Điện áp pha trên lưới có giá trị là 220V

CHƯƠNG 4: MÔ PHỎNG VÀ BÀN LUẬN 4.1 Giới thiệu phần mềm PSIM

4.1.1 Giới thiệu

PSIM (Power Electronics Simulation Software) là phần mềm chuyên

về mô phỏng kỹ thuật điện và các công cụ cho việc nghiên cứu và phát triểncác sản phẩm liên quan đến nguồn cung cấp, truyền động điện và các hệthống chuyển đổi và điều khiển năng lượng

Chương trình thiết kế mạch của PSIM là một chương trình có tínhtương tác cao giữa giao diện của các thư mục và phần mềm soạn thảo mạchđiện với người sử dụng

PSIM bao gồm có ba chương trình tương tác lẫn nhau:

 PSIM Schematic: chương trình dùng để vẽ, thiết kế mạch điện

 PSIM Simulator: chương trình mô phỏng

 PSIM View: chương trình hiển thị kết quả mô phỏng

Hình 4.1: Giao diện phần mềm PSIM

4.1.2 Các phần tử, linh kiện trong PSIM

PSIM chia ra 4 nhóm phần tử gồm:

 Phần tử linh kiện công suất (Power)

 Phần tử mạch điều khiển (Control)

 Phần tử nguồn (Soure)

 Các phần tử khác (Other)

Trên giao diện PSIM Schematic, vào File/New để tạo một mạch điện mới.Các phần tử và linh kiện nằm ở Menu Elements, nhấp vào ta sẽ thấy bốnnhóm phần tử: Power, Control, Sources, Other

Hình 4.2: Giao diện vẽ mạch PSIMNhìn chung, PSIM được đánh giá là một phần mềm dễ sử dụng trựcquan dung lượng nhẹ và khá mạnh trong lĩnh vực điện tử công suất PSIM có

ưu điểm mô phỏng độc lập mạch lực vì các khối điều khiển đã được xây dựngsẵn, ta chỉ việc lắp ghép

4.2 Bộ chỉnh lưu 2 bậc dùng kỹ thuật SIN PWM

4.2.1 Mô hình mô phỏng PSIM

Hình 4.3: Bộ chỉnh lưu 2 bậc SIN PWM4.2.2 Kết quả mô phỏng

Hình 4.4: Điện áp DC ngõ ra (VDC) và giá trị tham chiếu của điện áp DC ngõ

ra (VDC_ref)

Hình 4.5: Dòng điện nguồn theo phương q (Iqe) và giá trị tham chiếu của

dòng điện theo phương q (Iqe_ref)

Hình 4.6: Dòng điện nguồn theo phương d (Ide) và giá trị tham chiếu của

dòng điện theo phương d (Ide_ref)

Hình 4.7: Xung kích khóa S1 và S4

Hình 4.8: Dòng điện nguồn tức thời pha A (Isa) và điện áp nguồn tức thời pha

A (VSa)

4.3 Bộ chỉnh lưu 3 bậc dùng kỹ thuật SIN PWM

4.3.1 Mô hình mô phỏng PSIM

Hình 4.9: Bộ chỉnh lưu 3 bậc Sin PWM

4.3.2 Kết quả mô phỏng

Hình 4.10: Điện áp DC ngõ ra (VDC) và giá trị tham chiếu của điện áp DC ngõ

ra (VDC_ref)

Hình 4.11: Dòng điện nguồn theo phương q (Iqe) và giá trị tham chiếu của

dòng điện theo phương q (Iqe_ref)

Hình 4.12: Dòng điện nguồn theo phương d (Ide) và giá trị tham chiếu của

dòng điện theo phương d (Ide_ref)

Hình 4.13: Xung kích khóa S1 và S4

Hình 4.14: Dòng điện nguồn tức thời pha A (Isa) và điện áp nguồn tức

thời pha A (VSa)

Hình 4.15: Hình điều chế xung 3 bậc Vcarr1, Vcarr2, Vam

4.3.3 Nhận xét

Theo kết quả mô phỏng như Hình 4.10 điện áp DC ngõ ra (VDC) bám sát với điện áp DC tham chiếu (VDC_ref), sau khoảng thời gian quá độ 0,12 giây

Để điều khiển bộ chỉnh lưu có hệ số cosphi =1, thì dòng điện theo phương

d được điều khiển bằng 0 (tức Ide_ref=0) Theo kết quả mô phỏng như Hình4.12, dòng điện Ide đo được được điều khiển bám sát giá trị dòng điện thamchiếu của nó Sai số phần trăm giữa dòng điện đo theo phương d được vàdòng tham chiếu là 2% Sai số này bé, không đáng kể nên bộ điều khiển đượcthiết kế tốt, ổn định

Vì dòng điện theo phương d được điều khiển bằng 0, tức là cosphi của bộchỉnh lưu bằng 1 Như vậy dòng điện nguồn pha A đồng pha như điện ápnguồn pha A, như được thể hiện trong Hình 4.14

KẾT LUẬN

Phương pháp điều chế độ rông xung sin (SIN PWM) và phương phươngpháp điều chế độ rộng xung vector không gian (SVPWM), giúp cho việcthiết kế bộ chỉnh lưu trở nên đơn giản và hiệu quả hơn, nhờ việc điều chế thayđổi độ rộng xung vuông kích các IGBT trong việc chuyển từ điện áp AC sangđiện áp DC, từ đó giá trị điện áp DC ngõ ra đạt bằng với giá trị điện áp DC đãđặt trước đó Từ kết quả mô phỏng của bộ chình lưu 2 bậc và bộ chỉnh lưu 3bậc, cho thấy bộ chỉnh lưu càng nhiều bậc thì các giá trị như giá trị dòng điệnnguồn theo phương d (Ide) bám sát với giá trị tham chiếu của dòng điện theophương d (Ide_ref = 0) Các tín hiệu quá độ trong thời gian rất ngắn từ 0.01-0.2 giây, sau đó đạt giá trị xác lập Dòng điện nguồn và điện áp nguồn trênmỗi pha luôn cùng pha với nhau Qua đó khẳng định phương pháp đạt hiệuquả điều khiển cao, nâng cao được tính năng của hệ thống chỉnh lưu, giảmthiểu sóng hài nhiễu đến mạng điện, nâng cao chất lượng điện năng và hệ sốcông suất sử dụng điện

Tài liệu tham khảo

[1] Bài giảng Điện tử công suất nâng cao, TS Văn Tấn Lượng, Trường Đạihọc Công nghiệp thực phẩm Tp Hồ Chí Minh

[2] Developing Function Models of Back-to-Back PWM Converters forSimplified Simulation Tan Luong Van∗ and Dong-Choon Lee† †∗ Dept ofElectrical Engineering, Yeungnam University, Gyeongsan, Korea