Giải thuật điều chế sóng mang giảm số lần chuyển mạch cho nghịch lưu cầu H-NPC 5 bậc

Bài viết này trình bày kỹ thuật điều chế sóng mang thông qua việc sử dụng hàm offset nhằm giảm số lần chuyển mạch từ đó giảm tổn hao do sự chuyển mạch của các khóa công suất cho nghịch lưu cầu H-NPC 5 bậc.

Tạp Chí Khoa Học Giáo Dục Kỹ Thuật Số 37 (09/2016) Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP Hồ Chí Minh GIẢI THUẬT ĐIỀU CHẾ SĨNG MANG GIẢM SỐ LẦN CHUYỂN MẠCH CHO NGHỊCH LƯU CẦU H-NPC BẬC CARRIER PWM TECHNIQUE TO REDUCE SWITCHING FOR LEVELS H BRIGDE NPC INVERTER Quách Thanh Hải, Đỗ Đức Trí, Bùi Minh Ẩn Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM Ngày tòa soạn nhận 16/2/2016, ngày phản biện đánh giá 26/3/2016, ngày chấp nhận đăng 15/4/2016 TÓM TẮT Bài báo trình bày kỹ thuật điều chế sóng mang thông qua việc sử dụng hàm offset nhằm giảm số lần chuyển mạch từ giảm tổn hao chuyển mạch khóa cơng suất cho nghịch lưu cầu H-NPC bậc Kỹ thuật sử dụng hàm offset thành phần bậc để chuyển sóng điện áp điều khiển ngưỡng so sánh cực đại cực tiểu biên độ sóng mang sở điều chế gián đoạn Việc chuyển điện áp điều khiển pha nhiều ngưỡng khác lựa chọn tối ưu cho biên độ điện áp offset nhỏ Với kỹ thuật xây dựng hàm offset trình bày nghiên cứu tồn ngưỡng so sánh sóng mang sử dụng để giảm số lần chuyển mạch khóa cơng suất Số lần chuyển mạch/pha/chu kỳ giảm đến 33% theo lý thuyết đạt 15.25% tần số sóng mang 3000Hz Kết giải thuật kiểm chứng qua mô qua q trình thực nghiệm Từ khóa: điều chế sóng mang; hàm offset; giảm số lần chuyển mạch; nghịch lưu cầu H-NPC; bậc ABSTRACT A new carrier pulse width modulation with a novel offset base to reduce switching times and thus, all switching loss in five-level H-brigde neutral point clamped inverter will be presented in this paper The proposed technique uses the offset which is the 3rd voltages to transfer the control voltage into the extremum levels of each carrier in a discontinuos manner This transferring depends on the distances of control voltage to levels is minimum So that in this research five levels of carrier will be used to reduce the intersection of control and the carrier wave to reduce the amount of switching losses With the pulse width modulation method and flexible offset voltages in this study, the number of switchings/phase in a cycle can be reduced by about 33% in theory and 15.25% in experimental at f carrier frequency 3000Hz Simulation and experimental results are provided in order to validate the proposed method Keywords: carrier pulse width modulator; offset function; reduce switching; H bridge NPC inverter; five levels GIỚI THIỆU Bộ nghị ị H Tạp Chí Khoa Học Giáo Dục Kỹ Thuật Số 37 (09/2016) Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP Hồ Chí Minh ị nghị ị â ê bằ DC â Đ ng nhu cầu th c t ì su t nghị ỏi ph t l T ê tần s chuy n m ch c t l ị gi i h n (th i gian chuy n m ch l t nhi u so v i linh ki t nhỏ) Trong m ch nghị n hao v n bao gồm t ê ồn cung c p (PS), t ê â i (PL), t n hao cho m t (PDR n hao ê t (PSW) T ê c t gồm t n hao dẫ n (PCS) n hao s chuy n m ch (PSS ịnh theo (1) PS W  PS S  PC S t t C ì y vi ê u gi i thu m s lần chuy n m C ê [4 10] cho th y vi c gi m s lần chuy n m qua gi m tần s u ch u ng ph THD ộ ị ộ thu u ch m s lần chuy n m ch c t i tần s u ng ph THD T ê [11] ã c hi ê thu u ch cho nghị ê ộ n nh ù u ch ỉ s u ch th p Gi i thu xu t m i ê é i quy t tri ê c th c nghi ê ộ ị ầu H NPC CẤU TRÚC NGHỊCH LƯU BẬC CẦU H-NPC Mỗi pha c a nghị cầu H-NPC c c u t o từ b c ì c NPC (1) Theo [10] ì n hao s chuy n m ch (PSS) ph thuộ lần chuy n m ch chu kỳ u n c ịnh c (2) ∑ C ∑ C (2) C Hình Pha a nghịch lưu bậc cầu H-NPC C T lầ n m ch từ OFF ON; lầ n m ch từ ON sang OFF EON EOFF t dẫ ắ;D n u s lần chuy n m ch l n dẫ nt n ê s n xu D d ần Uxg ịnh : Uxg = UxgT - UxgP = udc.(TSxT - TSxP) V i TSxch Ch=T,P (bi u thị TSxj = TSxPj - TSxTj ị (3) 4) v i i) (4) Tạp Chí Khoa Học Giáo Dục Kỹ Thuật Số 37 (09/2016) Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP Hồ Chí Minh T : j ị 1-4 m ỉ s T n t D U  U  U  ag bg cg â , ịnh theo (5):    u dc     T SaT  T SaP  T  T SbP  SbT  T ScT  T ScP V t i c a nghị 7): ồn DC     (5) -â cầu H-NPC b c theo (6) u ầu, u gi i ê m s lần chuy n u ch B ê ộ u bằ V i nghị c cầu H NPC, ỡ u n dịch chuy n ±2 ù ộc kho ỏ nh t từ u ỡ ê D ị 8: G i vx l vrx thu t PWM c m ch (sẽ offset T U  U   U U  U   U an bn cn an bn cn        1      u dc    1      1 1 1 1 D   U  1 U    U  ag bg cg      (6)    T SaT  T SaP   T SbT  T SbP    T ScT  T ScP     ần Uxg ch ầ Uxn [4] C (7) ỡ [ MinP nế𝑢 MinP ≤ Min −Min MinP > Min , MinP c ti u từ +2 -2 M N u (8) ng n N ẽ phần b u n sau cộng offset d i v vị iv ộ dịch chuy ỏ nh ồng th i ê ộ gần cộng ho c trừ nh t d iv ỡng +2 ho c -2 (Hì 2) c3 n ì â Uxy v th y n gi i thu t nghị xu ì ê ộ phầ ê Bê ũ th y rằ – â nguồn Uxg cv i2m m â ị zero GIẢI THUẬT PWM CẢI BIẾN GIẢM SỐ LẦN CHUYỂN MẠCH [11] Gi i thu t PWM c i bi n gi m s lần chuy n m [11] i thu t PWM b ê ần b i m m s chuy n m ch c u n n nh t a) b) Hình Mơ tả ngun lý giải thuật PWM cải biến giảm số lần chuyển mạch [11] N y, th y gi i thu t ỉ t n d ng m +2 -2 ê ần kho ng dịch chuy l ê ộc ỉs u ch nhỏ Gi i thu xu t m i t n d ỡ ±2 ±1 ồng th i kho ng dịch chuy ỏ nh t ỏ ê ộ ỉnh – ỉnh c a 10 Tạp Chí Khoa Học Giáo Dục Kỹ Thuật Số 37 (09/2016) Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP Hồ Chí Minh GIẢI THUẬT ĐỀ XUẤT 4.1 Nguyên lý giải thuật G i vx ầu, vrx thu t (sẽ ê ộ ỉ bằ ằ Đ theo (9): 𝑣𝑥 𝑣 u n pha x ban u gi i u ch ) Ch m ê ộ nhỏ nh t u ì ỡng ẽ ịnh x u ,𝑥 𝑗𝑥 ) cos(𝜔𝑡 𝑣𝑜𝑓𝑓𝑠𝑒𝑡 N y, t i m i th u n c a mỗ t Lx Hx : 𝐿𝑥 𝑖𝑛𝑡(𝑣𝑥 ) 𝑖𝑓 𝑖𝑛𝑡(𝑣𝑥 ) < [ 𝑖𝑛𝑡(𝑣𝑥 ) − 𝑒𝑙𝑠𝑒 (10) 𝐻𝑥 𝐿𝑥 (11) T ì ỡ mang v Lx ê Vì y, kho ỡ c Nx P x 13 : Hx ỡng u ê ịnh theo(12) 𝑁𝑥 𝑣𝑥 − 𝐿𝑥 (12) 𝑃𝑥 𝐻𝑥 − 𝑣𝑥 (13) Đ t N V min(NA , NB , NC ) min( A , B, C) L 𝑉𝑜𝑓𝑓𝑠𝑒𝑡 𝑛ế𝑢 ≤ N −N 𝑛ế𝑢 N < 𝑃 a) b) Hình Điện áp điều khiển ban đầu sau áp dụng giải thuật đề xuất a) m=0.9, b) m=0.4 V i d ix ê (15) ần b c 3: [ K t qu Hì cho th y s i u n pha ỉs u ch =0 =0 C t qu ỏng cho th u n dịch v kho ng th i gian) bằ ỡng so D , kho ng th ng chuy n m ch c t T ng th n m ch c ê ỗi pha chuy n m ch 1/3 chu kỳ H s lần chuy n m ch gi m 33% (14) ịnh theo 16 Hình Mơ tả dịch chuyển điện áp điều khiển theo giải thuật đề xuất (9) ị n ằm ần k Do ỡ Đ u n sau cộng offset d i v vị u ỡng so ỏ nh t ị u n bằ ỡng c ần nh t ầ DC u a nghị ầ ẽ b c chẵn 4.2 Lưu đồ giải thuật V (16) d â gi i thu 411 ì â Tạp Chí Khoa Học Giáo Dục Kỹ Thuật Số 37 (09/2016) Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP Hồ Chí Minh 11 Bắt đầu Nhập Va, Vb, Vc Tính Lx = int(Vx) Tính Hx = Hx+1 Tính NA, NB, NC Tính PA, PB, PC N=min(PA, PB, PC) P=min(NA, NB, NC) Voffset=N P>N? Voffset=P Vox= Vx,+ Voffset Kết thúc b) Mơ m=0.9 Hình Lưu đồ giải thuật đề xuất L gi i thu t cho th y gi i thu xu t sử d : cộng, trừ ì D tri n khai gi i thu ì ẽ r t nhỏ, r ù p v i vi u u ị ng k thu KẾT QUẢ MÔ PHỎNG VÀ THỰC NGHIỆM Đ u ki DC 100V, tần s Ω L=30 H HIO I 3197 V c) Điện áp pha tâm nguồn m=0.4 ỏng, th c nghi m nguồn 3000Hz i R=10 Tektronix TPS 2024B, u n DSP F28335 d) Dòng điện pha tâm nguồn m=0.4 a) Mô m=0.4 e) Điện áp pha tâm nguồn m=0.9 12 Tạp Chí Khoa Học Giáo Dục Kỹ Thuật Số 37 (09/2016) Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP Hồ Chí Minh Hì s u ch c 49 t qu kh n é 60 THD 50 % 40 f) Dòng điện pha tâm nguồn m=0.9 30 Hình Kết mơ (a, b) thực nghiệm (c, d, e, f) giải thuật đề xuất số m=0.4 m=0.9 20 K t qu th ỡ ỏng c nghi m cho u n nằm ì nm ê ỉ2 i chuy n tr su t So v i gi i thu t c ê m s lần chuy n m [11] ì i thu ũ gi m s chuy n m ng 30% ồng th ê ộ ỏ D , â DC â ẽ THD% gi m so v i gi i thu t [11] T i s u ch =0 t n t s é t ng (THD%) lầ 56 25 ỏ ị ê ầ ê ẩn Vi t Nam hi n (TCVN-7909 2.2-2008 ồng th ũ ê ẩn v nhi n từ ê chuẩn qu c t EN6100-2-2 (Hì 7) G EN 61000-2-2 10 m 0,10,20,30,40,50,60,70,80,9 1,1 Hình Quan hệ số điều chế THD% điện áp pha tâm tải giải thuật đề xuất giải thuật medimum common mode ì cho th y gi i thu s é ng (THD) c â mb ê ẩn TCVN-7909 2.2-2008 EN6100-2-2 ù u ch ≥ V ỉs u ch nhỏ ần ph ộl mb ê ẩ ê Bê t qu kh ỉl %c phầ n cho th c chẵ xu t hi ội bị tri ê ã ì (7) V c lẻ i b 51 ê ầu c ê ẩn) k t qu kh th ê ộ l c 5, 7, 11 ng v ì ình 10 ì 11 c 11) K t qu kh xu u5/u1 % giải thuật đề xuất m Hình Phân tích THD áp pha tải dòng điện tải thực nghiệm giải thuật đề xuất số điều chế m=0.9 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,1 Hình Tỉ lệ % biên độ hài bậc thành phần theo số điều chế m Tạp Chí Khoa Học Giáo Dục Kỹ Thuật Số 37 (09/2016) Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP Hồ Chí Minh u7/u1 % G EN 61000-2-2 m 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,1 Hình 10 Tỉ lệ % biên độ hài bậc thành phần theo số điều chế m u11/u1 % 3,5 G 2,5 EN 61000-2-2 1,5 Hì 11 ys s lần chuy n m ch b n chu kỳ u n c a gi i thu xu t v i gi i thu t gi m s lần chuy n m [11] i thu t medimum common mode Từ thị th y s lần chuy n m ch c a gi i thu t xu ng gi i thu t Medimum Common Mode u i thu t gi m s lần chuy n m ch [11] V i tần s 3000Hz ì i thu xu t gi c nhi u nh 15,25% so v i gi i thu t truy n th ng Medimum CM song l i nhi n 28% so v i gi i thu [11] T ê ù gi m chuy n m ch r ê u kho ng th i ê ẽ linh ho i gi i thu t gi m s lần chuy n m ch [11] 0,5 m 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,1 Hình 11 Tỉ lệ % biên độ hài bậc 11 thành phần theo số điều chế m T ê i TCVN-7909 2.2-2008 EN6100-2-2 ì ẫ ù p V ị ê ộ l n nh i s u ch m=0.6 T ê ộ t c ị 6% ê ộ b n Kh c u n c a gi i thu ũ y kh u n i s m từ n 200 150 100 Medimum CM G [11] G 50 0 0,2 0,4 0,6 0,8 Hình 12 Số lần chuyển mạch chu kỳ theo số điều chế giải thuật đề xuất với giải thuật [11] giải thuật medimum common mode 13 KẾT LUẬN B d gi m s lần chuy n m ch nhi u kho ng th chu kỳ u n S lần chuy n m gi i thu [11] ã xu ộ linh ho t c t ỳ u n (do t n d cc ỡ gi i thu ng d ng v i nhi ê ê Common mode, gi ng t n hao s chuy n m ch â G trị gi m c a s lần chuy n m ê c t v i tần s 3000Hz 15 25% Đ i chi u v T ê chuẩn Vi t Nam TCVN-7909 2.2-2008 Tê ẩn qu c t EN6100-2-2 ì i thu t ng v i tỉ s u ch ≥0 N ù ỉs ê ầ ê ch l ct õ a m ch nghị V i kh ộ u ti t chuy n m ch nhữ ỡ i thu t gi i quy t nhi ê ữa 14 Tạp Chí Khoa Học Giáo Dục Kỹ Thuật Số 37 (09/2016) Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP Hồ Chí Minh TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] [2] [3] [4] [5] [6] [7] [8] [9] [10] [11] [12] [13] Bin Wu, High-Power Converters and ac Drives, IEEE Press/Wiley, November 2005, ISBN: 0-4717-3171-4 Bù T H u, N ê u nguồn pha cầu H gồm m ch NPC ba b ’, LVThS, Đ ih S m K thu t TPHCM, 2013 B Wu, Z Cheng, A Novel Switching Sequence Design for Five-Level HNPC-Bridge Inverters With Improved Output Voltage Spectrum and Minimized Device Switching Frequency, IEEE Transactions on Power Electron 2007, pp 2138–2145 C A dos Santos and F L M Antunes, Losses Comparison Among Carrier-Based PWM Modulation Strategies in Three-Level Neutral-Point-Clamped Inverter, International Conference on Renewable Energies and Power Quality, Spain April-2011 Di Zhao, G Narayanan and Raja Ayyanar, Switching Loss Characteristics of Sequences Involving Active State Division in Space Vector Based PWM, IEEE-2004 Lê V M G ân điện điểm trung tính biến tần NP bậc d ng ZERO – SEQUENCE VOLTAGE LVT S T Đ H S P T TP.HCM, 2013 M.H Bierhoff, F.W Fuchs, Semiconductor Losses in Voltage Source and Current Source IGBT Converters Based on Analytical Derivation Nguy V N Đ V M T ần Qu H Q T H i, Kỹ thuật điều chế PWM ba bậc nhằm cân điện áp hai tụ điện chiều nghịch lưu bậc NPC, Hội nghị c lần th v n tử - VCM – 2012 N.V.Nho, M.J.Youn, A Comprehensive Study On SVPWM – Carrier Based PWM Correlation In Multilevel Inverters, IEE Proceedings -Electric Power Applications, 2005 Q T H i, Nghiên cứu kỹ thuật điều chế độ rộng xung điều khiển tối ưu nghịch lưu đa bậc LATS Đ i h B T HCM 2013 Q T H i, Trầ T H D T Lê Giải thuật điều chế sóng mang giảm số lần chuyển mạch cho nghịch lưu cầu H-NPC bậc, T p G cK thu t ISSN 1859 1272, vol 34 December 2015, pp 36-41 Võ â N ân điện áp D -Link cho nghịch lưu NP đa bậc LVT S T Đ H S P T TP HCM 2012 Wei Wu, Jianguo Jiang, Guifeng Wang, Shutong Qiao, He Liu, A Multilevel SVPWM Algorithm for Linear Modulation and Over Modulation Operation, Sensors & Transducers, Vol 159, Issue 11, November 2013, pp 198-205 Tác giả chịu trách nhiệm viết TS Q T H i T ng Đ i h S ph m K thu t TP.HCM Email: haiqt@hcmute.edu.vn ... 20 05 Q T H i, Nghiên cứu kỹ thuật điều chế độ rộng xung điều khiển tối ưu nghịch lưu đa bậc LATS Đ i h B T HCM 2013 Q T H i, Trầ T H D T Lê Giải thuật điều chế sóng mang giảm số lần chuyển mạch. .. y kh u n i s m từ n 200 150 100 Medimum CM G [11] G 50 0 0,2 0,4 0,6 0,8 Hình 12 Số lần chuyển mạch chu kỳ theo số điều chế giải thuật đề xuất với giải thuật [11] giải thuật medimum common mode... tải thực nghiệm giải thuật đề xuất số điều chế m=0.9 0,3 0,4 0 ,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,1 Hình Tỉ lệ % biên độ hài bậc thành phần theo số điều chế m Tạp Chí Khoa Học Giáo Dục Kỹ Thuật Số 37 (09/2016)