Cân bằng điện áp trên tụ cho nghịch lưu ba pha ba bậc NPC

Bài viết này giới thiệu nghịch lưu 3 pha 3 bậc NPC với mục tiêu cân bằng điện áp dc-link trên tụ điện. Khi điện áp trên tụ biến thiên cần được ổn định ở mức không để trạng thái mất cân bằng xuất hiện trong hệ thống.

Tạp Chí Khoa Học Giáo Dục Kỹ Thuật Số 39 (12/2016) Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP Hồ Chí Minh 29 CÂN BẰNG ĐIỆN ÁP TRÊN TỤ CHO NGHỊCH LƯU BA PHA BA BẬC NPC BALANCING CAPACITOR VOLTAGE IN THREE-LEVEL NPC CONVERTER Nguyễn Minh Tâm, Đỗ Đức Trí, Hứa Duy Tiến, Trương Thị Bích Ngà Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM Ngày tòa soạn nhận 20/9/2016, ngày phản biện đánh giá 23/10/2016, ngày chấp nhận đăng 30/11/2016 TÓM TẮT Bài báo giới thiệu nghịch lưu pha bậc NPC với mục tiêu cân điện áp dc-link tụ điện Khi điện áp tụ biến thiên cần ổn định mức không để trạng thái cân xuất hệ thống Sự cân điện áp tụ gây sóng hài bậc thấp khơng mong muốn Mặt khác điện áp tụ cân bằng, điện áp pha tâm nguồn DC có chất lượng điện áp tốt so với sử dụng cấu hình nghịch lưu chưa cân Bài báo sử dụng phương pháp xét chiều dòng điện tụ, sau điều khiển lại khóa cho điện áp hai tụ cân Kết báo kiểm chứng qua mô thực nghiệm Từ khóa: Nghịch lưu NPC; offset; số điều chế; THD; ba bậc ABSTRACT This paper presents a solutionfor balancing capacitor voltage of a three-level NPC inverter by controlling DC-link in capacitors When the capacitor’s voltage varies, it should be stabilized at zero in order to not create imbalance in the system The imbalance of capacitor’s voltage will cause unexpected lower harmonic On the other hand, when capacitor’s voltage was balanced, the center source phase DC voltage will be better than when the inverter configuration works in imbalance mode This paper uses the method that firstly checking current direction on the power line in the capacitor, then accordingly controlling switches for capacitor voltage balance Simulation and experimental results are provided in order to validate the proposed method Keywords: Neutral point diode clamped converter; offset; modulation index; THD; Three levels GIỚI THIỆU Biến tần đa bậc là thiết bị biến đổi điện có vai trò ngày càng quan trọng các lĩnh vực ứng dụng khác phục vụ Ngày nay, thiết bị điện tử công suất ứng dụng nhiều công nghiệp Trong đó nghịch lưu áp sử dụng rộng rãi các lĩnh vực truyền động điện động không đồng ln đòi hỏi với độ xác cao, tăng độ tin cậy, giảm khả tiêu thụ điện năng, giảm thiểu chi phí bảo dưỡng và tăng khả điều khiển tinh vi Bộ nghịch lưu dùng phận biến tần, thiết bị lò cảm ứng trung tần, thiết bị hàn trung tần, dự trữ lượng Ngoài ra, nghịch lưu còn ứng dụng vào lĩnh vực bù nhuyễn công suất phản kháng lưới điện… Ưu điểm nghịch lưu áp đa bậc công suất nghịch lưu tăng lên, điện áp Tạp Chí Khoa Học Giáo Dục Kỹ Thuật Số 39 (12/2016) 30 Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP Hồ Chí Minh đặt lên linh kiện giảm xuống nên công suất tổn hao quá trình đóng ngắt linh kiện giảm theo, với tần số đóng ngắt, thành phần sóng hài bậc cao điện áp giảm nhỏ so với nghịch lưu áp hai bậc Ngược lại, nghịch lưu đa bậc có nhiều hạn chế như: số lượng khoá bán dẫn lớn, điều làm cho hệ thống trở nên phức tạp và đắt tiền [1] Sa1 Sb1 Sc1 Sb2 Sc2 + + Vdc - + Vdc/2 Uxg = udc.TSx/2 Sa2 a Sa1' b Sb1' c Sc1' ia ib U ag    u dc U bg   U cg    utb N ic - Sb2' Sc2' Hình Cấu trúc nghịch lưu NPC ba bậc Nếu gọi Sx,i Sx,i’là khóa cơng suất thứ i nhánh và nhánh pha x X= (a, b, c) i= (1, 2) Trạng thái kích khóa công suất nhánh (KSx,i) và nhánh (KSx,i’) số đối nghịch nhau; Nghĩa là KSxi + KSxi’ = (1) Gọi TSx,i trạng thái khóa cơng suất thứ i pha x (Sx,i) TSx,i = tức khóa mở, ngược lại TSx,i = là khóa đóng Như vậy, trạng thái pha phụ thuộc trang thái khóa cơng suất Nếu gọi TSx trạng thái khóa cơng suất nhánh x TSx định nghĩa: TSa  T   Sb  TSc  (4) Và tính điện áp pha tải điện áp dây(5) (6) utc Sa2' (3) Và điện áp pha tâm nguồn pha xác định (4) uta - (2) Do đó, thành phần điện áp pha tâm nguồn DCUxg xác định dựa vào (3) sau: CẤU TRÚC NGHỊCH LƯU BẬC NPC Mỗi pha nghịch lưu pha bậc cấu tạo từ khóa chuyển mạch IGBT chia thành nhánh và hình Vdc/2 TSx= TSx,1 + TSx,2 -1 U an   1 1 U ag  U    1 1 U   bn     bg  U cn   1 1  U cg  (5) U ab     U an  U     1 U bn   bc   U ca   1  U cn  (6) Do đó, thành phần Uxg chứa hài bậc hai thành phần điện áp pha Uxn và điện áp dây Uxy khơng có hài [3] Chính thấy nếu hàm offset giải thuật nghịch lưu đề xuất hài bậc khơng làm ảnh hưởng đến biên độ thành phần điện áp hài bậc tải Bên cạnh đó có thể thấy điện áp pha – tâm nguồn Uxg có mức với mức dương, mức âm giá trị zero [4-8] GIẢI THUẬT ĐIỀU KHIỂN CÂN BẰNG TỤ Phương pháp cân áp tụ trình bày sau là phương pháp cải tiến từ kỹ thuật điều chế SPWM Trong phương pháp SPWM, pha điều khiển tín hiệu điều chế, tín hiệu offset Tạp Chí Khoa Học Giáo Dục Kỹ Thuật Số 39 (12/2016) Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP Hồ Chí Minh cộng vào tín hiệu điều chế ban đầu để điều khiển iNP Kỹ thuật cung cấp dựa việc sử dụng hai tín hiệu điều chế cho pha nghịch lưu Với tín hiệu điều chế ban đầu [2]: va  m *sin(t )  vb  m *sin t  2 / 3  vc  m *sin t  2 / 3 p n Vxp  Vcarrier & Vxn  Vcarrier  p n Vxp  Vcarrier & Vxn  Vcarrier 1 0 -1 -1 (11) (7) TS va'  va  v0  ' vb  vb  v0  ' vc  vc  v0 31 (8) TS a) Trường hợp b) Trường hợp p n vxp  vcarrier & vxn  vcarrier p n vxp  vcarrier & vxn  vcarrier Hình Mối quan hệ áp điều khiển sóng mang với dịng qua điểm NP Với: v0  max(va , vb , vc )  min(va , vb , vc ) (9) Các tín hiệu điều chế ban đầu cải biến để tạo hai phần cho điện áp điều khiển vùng hoạt động tuyến tính Hai tín hiệu điều chế cải biến cho pha tạo có mối liên quan công thức (10) va'  vap  van  ' vb  vbp  vbn  ' vc  vcp  vcn (10) Với vxp ≥ và vxn ≤ 0, x là các pha a, b, c Tín hiệu có ký hiệu “p” so sánh với sóng mang trên, v p carrier  [0,1] , tín hiệu có ký hiệu “n” so sánh với sóng mang dưới, vcarrier  [1,0] n Có thể thấy được, dịng qua pha qua điểm NP xảy hai điều kiện sau( hình 2) [2]: Hai khóa bán dẫn (Sx2, Sx3) nghịch lưu trạng thái “ON” biến điều khiển áp nghịch lưu áp điểm NP (0) tương ứng, sx0, tích cực Nói cách khác sa0 =1 áp pha a nối đến điểm NP Tương tự cho sb0 sc0 Như vậy, dòng qua điểm NP là: i0  sa  ia  sb0  ib  sc  ic (12) Để tạo cân áp tụ, giá trị trung bình dịng i0 chu kỳ sóng mang khơng Do đó cần phải điều khiển hoạt động mạch việc điều khiển dịng trung bình iNP thay cho việc điều khiển dịng tức thời: t i(t )  Ts t Ts  i( ).d ( ) (13) t Với Ts chu kỳ lấy mẫu hay gọi chu kỳ chuyển mạch, thời gian khóa pha x trạng thái ON chu kỳ TS dx0 Áp dụng điều này vào (14), ta có được: Tạp Chí Khoa Học Giáo Dục Kỹ Thuật Số 39 (12/2016) 32 Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP Hồ Chí Minh i  d a  i a  db  i b  d c  i c (14) Với d x  s x , x pha a, b, c Vì tần số sóng mang lớn nhiều tần số tín hiệu điều chế, nên duty cycle tính bằng: biên Giá trị cực đại số điều chế biên vùng tuyến tính tính sau: mmax   1.1547 (21) i  van   vap i a  vbn   vbp i b  vcn   vcp i c (15) Từ (14) và (15) ta có được: Hình Dạng sóng điện áp điều khiển pha dạng sóng điện áp điều khiển cải biến pha a i  van   vap i a  vbn   vbp i b  vcn   vcp i c (16) Nếu đặt: v  van  vap  vbn  vbp  vcn  vcp (17) Dịng NP trung bình là: i   v (i a  i b  i c ) (18) Xác định v theo công thức 19 [4]: v max( va , vb , vc )  min(va , vb , vc ) (19) Từ ta tìm tín hiệu điều chế: v  min(va , vb , vc )  vxp  x    v  vx  max(va , vb , vc ) xn   (20) Hình mô tả mối liên quan điện áp điều khiển cải biến pha a với điện áp điều chế sin ban đầu Biên độ tín hiệu điều chế m hay gọi số điều chế Tín hiệu điều chế cải biến cho pha b c tương tự pha a lần lượt bị dịch pha Chú ý tín hiệu điều chế cải biến nằm khoảng [-1,1], đó biến tần hoạt động chế độ điều chế tuyến tính Dựa vào hình vẽ dạng sóng vap van ta thấy khoảng góc pha [π/3, 2π/3] và [4π/3, 5π/3] khơng có tín hiệu Do đó, tín hiệu điều chế cải biến pha a dịch lên xuống hai đoạn này mà không làm tăng tần số chuyển mạch linh kiện Ta làm tương tự cho pha b pha c Mặc dù, phương pháp giữ tần số chuyển mạch linh kiện tiến hành bù điện áp tụ, nó ý nghĩa sự xuất hiện dao động điện áp quanh điểm cân Sự xuất hiện tín hiệu điều chế cải biến kết hợp với cho pha dịch chuyển lúc Để khắc phục sự dao động, ta cần ý đến chiều dòng ngõ Hàm điện áp offset cho Vxp là: vx _ off  k p vc sign(vc ix ) sign(vxp  vxn  1) (22) Tạp Chí Khoa Học Giáo Dục Kỹ Thuật Số 39 (12/2016) Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP Hồ Chí Minh Giá trị tuyệt đối độ lệch áp hai tụ nhân với hệ số kp Dấu ∆VC*ix xem dấu bù Tuy nhiên, dấu hàm offset có phụ thuộc vào dấu biểu thức (vxp-vxn-1), điều phù hợp hai trường hợp xảy trình bày hình Dấu biểu thức (vxp-vxn-1) -1 (vxp-vxn-1) luôn nhỏ không với giá trị góc pha với áp điều khiển ba pha trình bày công thức (7) Nên công thức rút gọn tín hiệu offset là: vx _ off  k p vc sign(vc ix ) (23) Lưu đồ giải thuật Đo áp Khối tạo offset Vc1, Vc2 Đo dòng ia, ib, ic Vx_off=Kp.|ΔVc| sign(ΔVc.ix) 33 Tác giả đề xuất sử dụng Card DSP F28335 để liên kết chương trình mơ mơ hình thực kiểm chứng sự tương đồng sở lý thuyết tính ứng dụng DSP F28335 lập trình ngơn ngữ CCS nhiên có thể lập trình ngôn ngữ Matlab cách cài các driver tương ứng Trong báo các module điều khiển vào đa GPIO sử dụng để tạo 12 xung kích kích cho IGBT mạch động lực Với ứng dụng khác hoàn tồn sử dụng module khác vi mạch DSP F28335 module ADC, module PWM áp dụng phân tích [10] để thực hiện điều khiển Bộ giới hạn offset vmax Bộ tạo xung kích Giới hạn áp điều khiển vmin vxp Va, Vb, Vc vxn So sánh áp điều khiển ba pha với hai tín hiệu sóng mang Mạch nghịch lưu NPC ba pha, ba bậc Va, Vb, Vc Hình Lưu đồ giải thuật tạo điện áp offset Từ sở lý thuyết Tác giả xây dựng chương trình mơ để thử nghiệm với thơng số sau: - Điện áp DC nguồn vào Vdc= 200V - Tần số sóng mang fw= 5KHz - Tần số ngõ f0= 50Hz - Điện áp ban đầu tụ Vc1= 10V, Vc2= 190V Hình Nhúng chương trình mơ vào mơ hình thực nghiệm sử dụng Card DSP F28335 KẾT QUẢ MÔ PHỎNG VÀ THỰC NGHIỆM Mô THD dạng sóng điện áp và dòng điện nghịch lưu pha bậc tải RL Thực nghiệm THD dạng sóng điện áp và dòng điện nghịch lưu pha bậc tải RL, sử dung may o Tektronic 2014C áp nghịch l-u pha A 450 - Điện dung C1=C2= 220uF - Tải trở R= 50, Ti cm L= 0.05mH 350 Biên độ [V] - Chỉ số điều chế m= 0.8 400 300 250 200 150 100 50 -50 0.01 0.02 0.03 0.04 Time [s] 0.05 0.06 0.07 Tạp Chí Khoa Học Giáo Dục Kỹ Thuật Số 39 (12/2016) 34 Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP Hồ Chí Minh Hình Áp nghịch lưu áp tụ khơng cân ¸p nghịch l-u pha A 450 400 350 Biên độ [V] 300 250 200 150 100 50 -50 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 Time [s] Hình Áp nghịch lưu áp tụ cân Hình 11 Áp tải pha a áp tụ cân thc nghim Dòng tải pha Pha A Pha B Pha C Biên độ [A] -2 -4 -6 -8 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 0.08 0.09 0.1 Thêi gian [s] Hình 12 Dạng sóng dịng tải pha mơ Hình Áp nghịch lưu áp tụ cân mụ hỡnh thc nghim áp tải pha A 300 200 Biên độ [V] 100 -100 -200 -300 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 0.08 0.09 0.1 Thêi gian [s] Hình Áp tải pha a áp t khụng cõn bng áp tải pha A Hỡnh 13 Dạng sóng dịng tải pha thực nghiệm 300 200 Biên độ [V] 100 -100 -200 -300 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 0.08 0.09 Thêi gian [s] Hình 10 Áp tải pha a áp tụ cân 0.1 Tạp Chí Khoa Học Giáo Dục Kỹ Thuật Số 39 (12/2016) Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP Hồ Chí Minh 35 Điện áp tụ [V] Hình 16 Phổ hài dịng tải pha A tụ cân thực nghiệm Hình 14 Phổ hài dòng tải pha A tụ chưa cân mơ Hình 17 Điện áp tụ tụ cân mô Vc1 Vc2 Hình 18 Điện áp tụ tụ cân thực nghiệm Hình 15 Phổ hài dịng tải pha A tụ cân mô KẾT LUẬN Từ kết hình (6~16) cho thấy hệ số méo hài tổng THD củadòng điện tải nghịch lưu pha bậc chưa cân là: 6.07 nghịch lưu pha bậc cân mô thực nghiệm là: 3.28 3.5,theo thơng số vừa nêu kết Tạp Chí Khoa Học Giáo Dục Kỹ Thuật Số 39 (12/2016) 36 Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP Hồ Chí Minh cân điện áp tụ giảm trình mơ vào mơ hình thực để kiểm xuống57.66% so với chưa cân điện áp chứng kết Các kết thực nghiệm tụ, hình 17~18 đáp ứng thời gian tụ cân cho thấy việc sử dụng phần mềm Matlab 0.01s mơ mơ hình với các driver điều khiển cho card DSP thực.Điện áp pha tải và dòng điện tải F28355 thực hiện dễ dàng giúp có hệ số méo hài tổng (THD%) lần lượt rút ngắn thời gian lập trình 3,5 nhỏ giá trị yêu cầu theo tiêu chuẩn So với [2] bài báo thực nghiệm Việt Nam hiện (TCVN-7909 2.2-2008) sử dụng giải thuật cân điện áp tụ đồng thời đáp ứng tiêu chuẩn nhiễu có sự sai lệch V =190V, V =10V C1 C2 điện từ theo tiêu chuẩn quốc tế EN6100-2-2 nhanh chóng cân khoảng thời (theo hình 16).Mặt khác Tác giả ứng gian 0.01s dụng Card DSP F28335 để nhúng chương TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] [2] [3] [4] [5] [6] [7] [8] Phan Quốc Dũng, Tơ Hữu Phúc, Gáo trình Truyền động điện.: NXB Đại học Quốc gia TP.HCM, 2003 Vo Xuan Nam, Le Van Manh Giau., Nguyen Van Nho., Tran Thanh Trang., Neutral Point Voltage Balancing Method and the Influence of Some Parameters on Capacitor Voltage in Three-Level NPC Converter.: Springer Berlin Heidelberg, vol 282, pp 159-167, 2014 C A dos Santos and F L M Antunes, “Losses Comparison Among Carrier-Based PWM Modulation Strategies in Three-LevelNeutral-Point-Clamped Inverter”, International Conference on Renewable Energies and Power Quality, Spain April-2011 Lazhar Ben-Brahim, A Discontinuous PWM Method for Balancing the Neutral Point Voltage in Three-Level Inverter-Fed Variable Frequency Drives.: IEEE transactions on energy conversion, VOL 23, NO 4, DECEMBER 2008 L Ben-Brahim and S Tadakuma, A novel multilevel carrier-based PWM control method for GTO inverter in low index modulation region.: IEEE Trans Ind Appl., vol.42, no.1, pp 121–127, Jan/Feb 2006 Jordi Zaragoza, Josep Pou., Salvador Ceballos., Eider Robles., Carles Jaen., Montse Corbalan., Voltage Balance Compensator for a Carrier Based Modulation in the Neutral-Piont-Clamped Converter.: IEEE transactions on industrial electronics, vol 56, NO.2, February 2009 Sergio Busquets-Monge, Salvador Alepuz., Josep Bordonau., Juan Peracaula., Voltage Balancing Control of Diode-Clamped Multilevel Converters with Passive Front-Ends.: IEEE, April 13 2009 Nikola Celanovic, A Comprehensive Study of Neutral-Point Voltage Balancing Problem in Three-Level Neutral-Point-Clamped Voltage Source PWM Inverters.: Member, IEEE, Pages 535 - 541, vol.1, 1999 Tác giả chịu trách nhiệm viết: Đỗ Đức Trí Trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật Tp.HCM Email: tridd@hcmute.edu.vn ... Chí Minh 35 Điện áp tụ [V] Hình 16 Phổ hài dòng tải pha A tụ cân thực nghiệm Hình 14 Phổ hài dịng tải pha A tụ chưa cân mô Hình 17 Điện áp tụ tụ cân mơ Vc1 Vc2 Hình 18 Điện áp tụ tụ cân thực nghiệm... Giới hạn áp điều khiển vmin vxp Va, Vb, Vc vxn So sánh áp điều khiển ba pha với hai tín hiệu sóng mang Mạch nghịch lưu NPC ba pha, ba bậc Va, Vb, Vc Hình Lưu đồ giải thuật tạo điện áp offset... Hình Áp nghịch lưu áp tụ cân mơ hình thực nghiệm áp tải pha A 300 200 Biên độ [V] 100 -100 -200 -300 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 0.08 0.09 0.1 Thêi gian [s] Hình Áp tải pha a áp tụ không cân