Mô phỏng và thực nghiệm indirect matrix converter sử dụng phương pháp điều chế sóng mang

ĐẠI HOC QUỐC GIA TP.HCM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ĐỚI VĂN MÔN MÔ PHỎNG VÀ THỰC NGHIỆM INDIRECT MATRIX CONVERTER SỬ DỤNG PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHẾ SÓNG MANG Chuyên ngành: Thiết bị, mạng nhà máy điện LUẬN VĂN THẠC SĨ TP Hồ Chí Minh Tháng năm 2011 CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH Cán hướng dẫn khoa học: PGS.TS NGUYỄN VĂN NHỜ Ký tên: Cán chấm nhận xét 1: Ký tên: Cán chấm nhận xét 2: Ký tên: Luận văn thạc sĩ bảo vệ HỘI ĐỒNG CHẤM BẢO VỆ LUẬNVĂN THẠC SĨ TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA, ngày tháng năm 2011 TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM PHÒNG ĐÀO TẠO SĐH Độc lập – Tự – Hạnh phúc Tp HCM, ngày tháng năm 2010 NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên học viên: ĐỚI VĂN MÔN Phái: Nam Ngày, tháng, năm sinh: 17/10/1974 Nơi sinh: Nam Định Chuyên ngành: Thiết bị, Mạng Nhà máy điện MSHV: 09180067 I/ TÊN ĐỀ TÀI MÔ PHỎNG VÀ THỰC NGHIỆM INDIRECT MATRIX CONVERTER SỬ DỤNG PHƢƠNG PHÁP ĐIỀU CHẾ SÓNG MANG II/ NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG - Nghiên cứu phƣơng pháp điều chế cho biến đổi ma trận - Xây dựng mơ hình viết chƣơng trình mơ phần mềm Matlab - Xây dựng mơ hình thực nghiệm viết chƣơng trình điều khiển vi xử lý TMS320F28335 Và FPGA III/ NG ÀY GIAO NHIỆM VỤ: 15/08/2010 IV/ NG ÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 02/07/2011 V/ HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: PGS.TS NGUYỄN VĂN NHỜ CÁN BỘ HƯỚNG DẪN CN BỘ MÔN QL CHUYÊN NGÀNH TRƯỞNG KHOA ĐIỆN - ĐIỆN TỬ LỜI CẢM ƠN Tôi xin kính gởi đến Thầy PGS.TS Nguyễn Văn Nhờ lời biết ơn sâu sắc Thầy dành nhiều thời gian quý báu trực tiếp hướng dẫn, tạo điều kiện thuận lợi cho lời khuyên bổ ích, giúp tơi hồn thành luận văn Tơi xin chân thành cảm ơn quý thầy cô trường Đại học Bách Khoa TP Hồ Chí Minh, người truyền đạt kiến thức, định hướng nghiên cứu; đồng thời xin cảm ơn Ban Giám Đốc đồng nghiệp Công Ty Cổ Phần Thiết Bị Điện tạo điều kiện thuận lợi để tập trung học tập trường Tôi nhận giúp đỡ nhiều từ bạn khóa, lớp, đặc biệt bạn bè, sinh viên nghiên cứu PTN Hệ Thống Năng Lượng trường Đại học Bách Khoa TP Hồ Chí Minh Các bạn đóng góp cho tơi ý kiến tài liệu giá trị Xin gởi đến bạn lời cảm ơn chân thành Cuối cùng, tơi xin kính gởi đến gia đình lịng biết ơn chân thành, sâu sắc nhất: Gia đình, Cha Mẹ, anh chị em, vợ động viên, giúp đỡ tạo điều kiện thuận lợi cho tơi suốt q trình học tập nghiên cứu TP HCM, ngày 02 tháng 05 năm 2011 Đới Văn Môn MỤC LỤC Trang Chương 1: Mở đầu 1.1 Lý chọn đề tài 1.2 Mục tiêu luận văn 1.3 Tính giá trị thực tiễn luận văn 1.4 Tóm tắt luận văn Chương 2: Giới thiệu chung biến đổi AC – AC 2.1 Giới thiệu biến đổi AC – AC 2.2 Bộ biến đổi AC – AC gián 2.3 Bộ biến đổi AC – AC trực tiếp 2.4 Phân loại biến đổi AC – AC trực tiếp 2.4.1 Bộ biến đổi ma trận trực tiếp 2.4.2 Bộ biến đổi ma trận gián tiếp 2.4.3 Ưu nhược điểm biến đổi ma trận Chương 3: Vấn đề chuyển mạch phương pháp điều chế biến đổi ma trận 11 3.1 Các phương pháp điều chế biến đổi ma trận 11 3.1.1 Cấu trúc mạch 11 3.1.2 Phương pháp điều chế 13 3.1.3 Phương pháp điều chế theo Alesina – Venturini 15 3.1.4 Phương pháp điều chế vô hướng 15 3.1.5 Phương pháp điều chế vector không gian 16 3.1.6 Phương pháp điều chế gián tiếp .17 3.2 Các phương pháp chuyển mạch biến đổi ma trận 18 3.2.1 Kỹ thuật chuyển mạch bước 18 3.2.2 Kỹ thuật chuyển mạch bước 21 3.2.2.1 Kỹ thuật chuyển mạch bước theo dòng điện ngõ 3.2.2.2 Kỹ thuật chuyển mạch bước theo điện áp ngõ vào Chương 4: Điều chế sóng mang điều khiển biến đổi ma trận gián tiếp 4.1 Hàm điều chế chỉnh lưu .28 4.2 Hàm đóng ngắt chỉnh lưu 31 4.3 Hàm điều chế nghịch lưu 33 4.4 Hàm đóng ngắt nghịch lưu 36 Chương 5: Mô thực nghiệm 38 5.1 Xây dựng mơ hình 38 5.1.1 Khối nguồn pha 39 5.1.2 Khối lọc nguồn 39 5.1.3 Khối tạo sóng mang 40 5.1.4 Khối lập trình Embedded 41 5.1.5 Khối IMC 43 5.1.6 Khối tải pha 44 5.1.7 Các khối đo tín hiệu 45 5.1.8 Khối Fliplop 45 5.1.9 Khối Pulse Generator 46 5.2 Xây dựng mơ hình thực nghiệm 47 5.2.1 Khối vi xử lý 47 5.2.2 Khối máy biến áp cách ly 49 5.2.3 Mạch kích điều khiển 49 5.2.4 Mạch nguồn 5V 51 5.2.5 Mạch lái opto TLP251 53 5.2.6 Mạch tạo deadtime ổn áp tín hiệu 54 5.2.7 Mạch đệm 54 5.2.8 Mạch đồng 56 5.2.9 Mạch nguồn cung cấp 57 5.2.10 Mạch lọc nguồn 57 5.2.11 Mạch IMC 60 5.2.12 Mạch kẹp 61 5.2.13 Mạch tải 63 5.2.14 Lập trình DSP 65 5.2.15 Lập trình FPGA 75 5.3 Kết 5.3.1 Khảo sát hệ số công suất ngõ vào 82 5.3.2 Khảo sát đáp ứng ngõ phạm vi điều khiển .84 Chương 6: Kết luận đánh giá 92 6.1 So sánh kết mô thực nghiệm 92 6.2 Kết luận 96 6.3 Kiến nghị 96 Phụ lục Phụ lục A: Giới thiệu kit DSP TMS320F28335 Phụ lục B: Giới thiệu kit FPGA Spartan 3E Tài liệu tham khảo Lý lịch trích ngang CÁC TỪ KHÓA SỬ DỤNG TRONG LUẬN VĂN CSB : Current Source Bridge VSB : Voltage Source Bridge USMC : Ultra Sparse Matrix Converter VSMC : Very Sparse Matrix Converter ILMC : Inverting Link Matrix Converter SMC : Sparse Matrix Converter IMC : Indirect matrix Converter DMC : Direct Matrix Converter PWM : Pulse Width Modulation SVM : Space Vector Modulation DSP : Digital Signal Process FPGA: Field Programable Gate Arrays VHDL: Very Hight speed intergrated circuit Hardware decription Language MC: Matrix Converter DC: Direct Circuit AC: Alternating Current Va : Điện áp nguồn pha a Vb : Điện áp nguồn pha b Vc: Điện áp nguồn pha c Vab: Điện áp dây pha a - b Vac: Điện áp dây pha a - c Vbc: Điện áp dây pha b - c Vi : Biên độ điện áp nguồn vào : Điện áp chỉnh lưu : Điện áp trung bình chỉnh lưu Io : Biên độ dịng điện ngõ ia : Dòng điện nguồn pha a ib : Dòng điện nguồn pha b ic : Dòng điện nguồn pha c iu: Dòng điện tải pha a iv : Dòng điện tải pha b iw: Dòng điện tải pha c fT : Tần số sóng mang fs : Tần số nguồn vào fo : Tần số ngõ ua: Điện áp dây ngõ pha a ub: Điện áp dây ngõ pha b uc: Điện áp dây ngõ pha c uo: Điện áp ngõ ui: Điện áp ngõ vào Sap : Khóa bán dẫn đơi nhánh p pha A San : Khóa bán dẫn đơi nhánh n pha A Sbp : Khóa bán dẫn đơi nhánh p pha B Sbn : Khóa bán dẫn đơi nhánh n pha B Scp : Khóa bán dẫn đơi nhánh p pha C Scn : Khóa bán dẫn đơi nhánh n pha C Sup : Khóa bán dẫn đơn nhánh p pha U Sun : Khóa bán dẫn đơn nhánh n pha U Svp : Khóa bán dẫn đơn nhánh ppha V Svn : Khóa bán dẫn đơn nhánh n pha V Swp : Khóa bán dẫn đơn nhánh p pha W Swn : Khóa bán dẫn đơn nhánh n pha W R : Điện trở L : Cuộn kháng C: Tụ điện Phụ lục D: Giới thiệu FPGA Để thiết lập chế độ nạp cho FPGA, ta set jumper JP 30 bảng 2.1 Bảng 2.1: thiết lập chế độ cấu hình cho FPGA * ý: lần thay đổi cấu hình phải nhấn nút PROG để resetlại cấu hình Trang B26 Phụ lục D: Giới thiệu FPGA Ở ta nạp vào Platform Flash PROM XCFO4F (4Mbit), cấu hình cho FPGA chế độ Master Serial mode Sau cài đặt chương trình ta kích ho ạt vào biểu tượng Xilinx ISE 11 hình Hoặc vào Start => Programs => xilinx ISE11 Design suite => Project Navigator Trang B27 Phụ lục D: Giới thiệu FPGA Để khởi động chương trình vào File => New Project Name: Đặt tên project Location: Nơi chứa project Click Next, cửa sổ Tùy vào kit mà ta làm việc chọn thông số cho phù hợp Ở ta chọn họ Spartan3E, chip xc3s500E, package FG320 click Next Trang B28 Phụ lục D: Giới thiệu FPGA Bước cần thực lần đầu, lần sau ta cần click Next Chọn tab New source Cửa sổ chọn VHDL Modul để viết code VHDL Đặt tên file VHDL (ở chọn four_steps), click Next Trang B29 Phụ lục D: Giới thiệu FPGA Tiếp tục click Next => Next => Finish Xuất cửa sổ thông báo tổng quan project ta vừa tạo Chọn tab four_steps.vhd hình soạn thảo sau: Trang B30 Phụ lục D: Giới thiệu FPGA Đến ta tạo project tên four_steps project chứa file VHDL có tên four_steps Tiếp theo viết code VHDL //////////////////////////////////////////////////////////////////////////// library IEEE; use IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL; use IEEE.STD_LOGIC_ARITH.ALL; use IEEE.STD_LOGIC_UNSIGNED.ALL; entity four_steps is Port ( CLK1 : in STD_LOGIC; (Khai báo biến) end four_steps; architecture Behavioral of four_steps is (Chương trình chính) end Behavioral; ////////////////////////////////////////////////////////////////// Lưu chương trình ta tiến hành biên dịch Click vào dấu “+” mục “User Constraints”, “Synthesize-XST”, “Implement Design” Màn hình cửa sổ trình sau Trang B31 Phụ lục D: Giới thiệu FPGA Tiếp theo, nhấp đúp vào “Check Syntax” để kiểm tra chương trình cú pháp hay khơng Nếu chương trình ISE đánh dấu check vào Check Syntax hình sau Nếu chương trình viết có lỗi ISE đánh dấu chéo màu đỏ vào Check Syntax, đồng thời thông báo lỗi cửa sổ thông báo Tiếp theo ta tiến hành gán chân cách click đúp vào “Assign Package Pin” cửa sổ Xilinx PlanAhead Trang B32 Phụ lục D: Giới thiệu FPGA Dùng chuột kéo tín hiệu cửa sổ Design Object List (phía bên phải) thả vào chân FPGA (bên phải) Hoặc ta ghi ký hiệu chân FPGA vào mục Loc Design Object List Chọn File => Save => Ok để hồn thành việc gán chân Ta tắt cưa sổ Xilinx PACE Tiếp theo tổng hợp: click đúp vào mục “Synthesize-XST” Sau tổng hợp ta tiến hành biên dịch cách click đúp vào “Implement Design”, kết sau Bước tạo file bitstream (.bit) cho FPGA Trang B33 Phụ lục D: Giới thiệu FPGA Click đúp vào Generate programming File để tạo file bit File bit file để nạp vào cho FPGA, đê nạp cho Flash PROM XCF04S ta cần tạo file mcs từ file bit Để tạo file mcs ta click đúp vào Generate PROM, ACE, or JTAG File để khởi động chương trình iMPACT Click đúp vào PROM File formattter hình Giao diện xuất hiện, ta chọn thơng số hình sau Trang B34 Phụ lục D: Giới thiệu FPGA Click vào mũi tên màu xanh để chuyển sang bước Chọn Storage Device(bits) 16M sau click vào Add Storage Device Click vào mũi tên màu xanh để chuyển sang bước đặt tên file vào ô File name lưu file vào ô File location Trang B35 Phụ lục D: Giới thiệu FPGA Click OK Click OK Chọn Ok Chương trình hỏi file bit Chọn file bit click Open Cửa sổ ra, tiếp tục click NO rối OK để bắt đầu format config cho PROM Trang B36 Phụ lục D: Giới thiệu FPGA Kết hình sau: Đến dây ta hồn tất việc tạo file cấu hình cho PROM Ở bước ta tạo file cần thiết cho việc cấu hình FPGA Đến ta nạp file cấu hình vào PROM Trong cửa sổ iMPACT , chọn Boundary Scan Trang B37 Phụ lục D: Giới thiệu FPGA Gán file PROM vào XCF04S cách click phải vào biểu tượng XCF04S chọn Assign New Configuration File, chọn file PROM tạo click OK Tiếp tục click phải vào biểu tượng xc3s500e, chọn Program Chương trình hỏi lại kiểu PROM mà ta cần nạp vào Chọn xc3s500erồi OK Trang B38 Phụ lục D: Giới thiệu FPGA Trước nạp vào PROM ta nên thêm vào tùy chọn sau: Đánh dấu vào ô: Erase Before Programming, Veryfy, Load FPGA nhu hình sau Cuối click OK để hoàn thành Trang B39 LÝ LỊCH KHOA HỌC Họ tên : Đới Văn Môn Ngày sinh : 17/10/1974 Lý lịch: Nguyên quán : Nghĩa Thịnh – Nghĩa Hưng – Nam Định Nơi sinh : Nghĩa Thịnh – Nghĩa Hưng – Nam Định Hộ thường trú: C12 – Tổ – Khu phố – Phường Tân Hiệp – Biên Hòa – Đồng Nai Nơi : C12 – Tổ – Khu phố – Phường Tân Hiệp – Biên Hịa – Đồng Nai Tơn giáo : Khơng Điện thoại : 0903 722 348 Email : doianhmon@yahoo.com; doianhmon@gmail.com Quá trình đào tạo: Đại học: Chế độ học : Chính quy Thời gian học : Từ 01/09/1996 đến 01/09/2001 Nơi học : Trường Đại Học Kỹ thuật Công Nghệ, Thành phố Hồ Chí Minh Ngành học : Điện Cơng Nghiệp Cao học: Chế độ học : Chính quy Thời gian học : Từ 15/09/2009 Nơi học : Trường Đại học Bách Khoa, Thành phố Hồ Chí Minh Ngành học : Thiết bị, Mạng Nhà máy điện Quá trình công tác: Công nhân viên Công Ty Cổ Phần Thiết Bị Điện Địa chỉ: Đường – Khu công Nghiệp Biên Hòa – Đồng Nai ... phương pháp điều chế biến đổi ma trận 11 3.1 Các phương pháp điều chế biến đổi ma trận 11 3.1.1 Cấu trúc mạch 11 3.1.2 Phương pháp điều chế 13 3.1.3 Phương pháp điều. .. điều chế theo Alesina – Venturini 15 3.1.4 Phương pháp điều chế vô hướng 15 3.1.5 Phương pháp điều chế vector không gian 16 3.1.6 Phương pháp điều chế gián tiếp .17 3.2 Các phương pháp. .. Nhận thấy tầm quan trọng vấn đề trên, tác giả chọn đề tài “ Mô thực nghiệm Indirect Matrix Converter sử dụng phương pháp sóng mang? ?? để thực luận văn tốt nghiệp với hy vọng nắm bắt công nghệ để