Kỹ thuật pwm sóng mang cho nghịch lưu đa bậc lai

Đại Học Quốc Gia Tp Hồ Chí Minh TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA NGUYỄN VĂN PHỤC KỸ THUẬT PWM SÓNG MANG CHO NGHỊCH LƯU ĐA BẬC LAI Chuyên ngành : THIẾT BỊ, MẠNG VÀ NHÀ MÁY ĐIỆN Mã số ngành : 2.02.01 LUẬN VĂN THẠC SĨ TP HỒ CHÍ MINH, tháng 10/2006 CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH Cán hướng dẫn khoa học : Tiến sĩ NGUYỄN VĂN NHỜ Cán chấm nhận xét : Cán chấm nhận xét : Luận văn thạc sĩ bảo vệ HỘI ĐỒNG CHẤM BẢO VỆ LUẬN VĂN THẠC SĨ TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA, ngày tháng năm TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA PHÒNG ĐÀO TẠO SĐH CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM ĐỘC LẬP – TỰ DO – HẠNH PHÚC Tp HCM, ngày 10 tháng 01 năm 2006 NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên học viên: NGUYỄN VĂN PHỤC Ngày, tháng, năm sinh: 26/04/2006 Chuyên ngành: THIẾT BỊ, MẠNG VÀ NHÀ MÁY ĐIỆN Phái: Nam Nơi sinh: Khánh hòa MSHV: 01804502 I- TÊN ĐỀ TÀI: KỸ THUẬT PWM SÓNG MANG CHO NGHỊCH LƯU ĐA BẬC LAI II- NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG: Giới thiệu nghịch lưu đa bậc lai, ứng dụng Trình bày cấu trúc nghịch lưu hai bậc, đa bậc Trình bày phương pháp điều khiển nghịch lưu Trình bày phương pháp thiết kế, điều khiển nghịch lưu đa bậc lai Thực mô phỏng, đánh giá kết luận III- NGÀY GIAO NHIỆM VỤ IV- NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ V- CÁN BỘ HƯỚNG DẪN : CÁN BỘ HƯỚNG DẪN : 10/01/2006 : 06/10/2006 : Tiến sĩ NGUYỄN VĂN NHỜ CN BỘ MÔN QL CHUYÊN NGÀNH Tiến sĩ Nguyễn Văn Nhờ Nội dung đề cương luận văn thạc sĩ Hội đồng chuyên ngành thông qua TRƯỞNG PHÒNG ĐT – SĐH Ngày tháng năm TRƯỞNG KHOA QL NGÀNH LỜI CẢM ƠN Xin gởi lời cám ơn chân thành đến Tiến sĩ Nguyễn Văn Nhờ nhiệt tình hướng dẫn tơi hồn thành cơng trình nghiên cứu Xin chân thành gửi lời cám ơn đến tồn thể q thầy trường Đại học Bách Khoa Tp Hồ Chí Minh giảng dạy, hướng dẫn tạo điều kiện tốt cho tơi hồn thành cơng trình nghiên cứu Xin cám ơn anh chị em khoá K15 ngành Thiết Bị Mạng Và Nhà Máy Điện chia sẽ, hỗ trợ, giúp đỡ suốt trình học tập vừa qua Cuối cùng, quan trọng nhất, xin gửi lời cám ơn đến thành viên gia đình bạn bè động viên, khích lệ, hỗ trợ cách hay cách khác cho công việc học tập Học viên Nguyễn Văn Phục I LUẬN VĂN CAO HỌC Trang 1/125 GVHD:NGUYỄN VĂN NHỜ TÓM TẮT NỘI DUNG Luận văn trình bày, phân tích chi tiết phương pháp thiết kế nghịch lưu đa bậc lai Với cấu tạo lai này, tạo số bậc điện áp lớn với số cell cầu H Tuy nhiên, độ méo dạng họa tần đảm bảo cấu trúc không lai khác Vì vậy, giảm thiểu hay loại bỏ lọc ngõ ra[4] Với kiểu thiết kế giới thiệu, số cell cầu H giá trị nguồn DC chúng xác định rõ Để đảm bảo, với số cell cầu H định tạo số bậc điện áp lớn Đồng thời, lượng tuần hoàn cell cầu H giảm thiểu, giúp tăng hiệu suất toàn hệ thống Đặc biệt, luận văn trình bày kỹ thuật PWM sóng mang cho nghịch lưu lai Từ đưa nhận xét, đánh giá ưu nhược điểm kỹ thuật Các kỹ thuật ứng dụng luận văn là: - Phương pháp điều chế độ rộâng xung sin (SPWM) - Phương pháp mô điều chế vector không gian dùng sóng mang với common-mode cực tiểu (SVPWMmin) - Phương pháp mô điều chế vector không gian dùng sóng mang với common-mode trung bình (SVPWMmid) - Phương pháp mô điều chế Discontinuous dùng sóng mang với commonmode cực tiểu (DPWMmin) - Phương pháp mô điều chế Discontinuous dùng sóng mang với commonmode trung bình (DPWMmid) Trong kỹ thuật DPWMmin đánh giá cao Vì cho kết độ méo dạng họa tần, tổn hao công suất, điện áp hài tốt phương pháp điều khiển khác, kể phương pháp điều rộng xung sin thông thường Nội dung luận văn gồm năm chương - Chương 1: Giới thiệu, phân tích ,đánh giá vấn đề liên quan đến nghịch lưu đa bậc lai Đồng thời đưa vấn đề tồn cần giải HVTH: NGUYỄN VĂN PHỤC LUẬN VĂN CAO HỌC - Trang 2/125 GVHD:NGUYỄN VĂN NHỜ Chương 2: Trình bày cấu tạo nghịch lưu áp giới thiệu cấu trúc nghịch lưu đa bậc lai - Chương 3: Trình bày phương pháp điều khiển cho nghịch lưu lai Đặc biệt phương pháp mô vector không gian dùng sóng mang cho phép điều khiển nghịch lưu vùng điều chế - Chương 4: Trình bày phương pháp thiết kế chi tiết nghịch lưu đa bậc lai Nó đảm bảo đạt số bậc điện áp lớn lượng tuần hoàn toàn hệ thống nhỏ Giúp tăng hiệu suất toàn hệ thống - Chương 5: Trình bày kết mô phỏng, đồ thị khảo sát Từ đưa nhận xét đánh giá nghịch lưu lai phương pháp điều khiển tương ứng HVTH: NGUYỄN VĂN PHỤC LUẬN VĂN CAO HỌC GVHD:NGUYỄN VĂN NHỜ MỤC LỤC Chương TỔNG QUAN 1.1 Mở đầu 1.2 Giới thiệu Chương CẤU TRÚC BỘ NGHỊCH LƯU ÁP 2.1 Giới thiệu 2.2 Bộ nghịch lưu áp pha 2.3 Bộ nghịch lưu áp ba pha 2.4 Bộ nghịch lưu áp đa bậc 2.4.1 Cấu trúc nghịch lưu áp đa bậc dùng diode kèm 2.4.2 Cấu trúc nghịch lưu áp đa bậc dùng tụ kèm 2.4.5 Cấu trúc nghịch lưu đa bậc daïng cascade 10 2.4.6 Cấu trúc nghịch lưu đa bậc lai .11 Chương PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN NGHỊCH LƯU ÁP .14 3.1 Các tiêu đánh giá nghịch lưu aùp 14 3.2 Phương pháp điều rộng xung sin (SPWM) .16 3.3 Phương pháp điều chế vector không gian(SVPWM) 18 HVTH: NGUYỄN VĂN PHỤC LUẬN VĂN CAO HỌC GVHD:NGUYỄN VĂN NHỜ 3.3.1 Điều chế vector không gian nghịch lưu áp 20 3.3.2 Phương pháp điều chế tuyến tính .23 3.3.3 Phương pháp điều chế mở rộng(overmodulation) 24 3.4 Phương pháp mô điều chế vector không gian dùng sóng mang25 3.4.1 Khối tạo tín hiệu active-signal 26 3.4.2 Khối tạo tín hiệu offset-generator tín hiệu điều chế v , v , v rb rc 29 Chương THIẾT KẾ NGHỊCH LƯU ĐA BẬC LAI 32 4.1 Nghịch lưu đa bậc lai kiểu điều chế 32 4.1.1 Mô tả 32 4.1.2 Phương pháp điều chế .34 4.2 Phương pháp thiết kế 36 4.2.1 Số bậc điện áp 36 4.2.2 Tín hiệu điều chế mức so sánh 37 4.2.3 Chọn mức so sánh .44 4.2.4 Điện áp nguồn DC cell công suất lớn 44 4.2.5 Cell cầu H nghịch lưu đa bậc lai .51 4.2.6 Điện áp nguồn DC cell công suất khác 53 Chương KẾT QUẢ MÔ PHỎNG 56 5.1 Mô nghịch lưu lai với phương pháp điều chế khác .56 HVTH: NGUYỄN VĂN PHỤC LUẬN VĂN CAO HỌC GVHD:NGUYỄN VĂN NHỜ 5.1.1 Phương pháp SPWM 57 5.1.2 Phương pháp Discontinuous PWM với Common mode trung bình 62 5.1.3 Phương pháp Discontinuous PWM với Common mode cực tiểu 66 5.1.4 Phương pháp SVPWM với Common mode trung bình .71 5.1.5 Phương pháp SVPWM với Common mode cực tiểu 75 5.1.6 Nhận xét 80 5.2 Kết khảo saùt 80 5.2.1 Độ méo dạng họa tần 82 5.2.2 Tổn hao chuyển mạch .87 5.2.3 Phân bố công suất nghịch lưu lai 87 5.2.3.1 Phương pháp SPWM 87 5.2.3.2 Phương pháp SVPWM_CMmin 88 5.2.3.3 Phương pháp DPWM_CMmin .90 5.2.3.4 Phương pháp SVPWM_CMmid 92 5.2.3.5 Phương phaùp DPWM_CMmid .93 5.3 Kết luận 94 5.4 Hướng phát triển đề tài 95 Tài liệu tham khảo 97 Phuï luïc 1: Chương trình khối DLL ngôn ngữ VC6.0 99 Phụ lục 2: Bảng liệu khảo sát số điều chế thay đổi 112 Phụ lục 3: Sơ đồ mạch điện phần mềm PSIN 128 HVTH: NGUYỄN VĂN PHỤC LUẬN VĂN CAO HỌC Trang 1/133 GVHD:NGUYỄN VĂN NHỜ Chương TỔNG QUAN 1.1.MỞ ĐẦU Trong năm gần đây, nghịch lưu đa bậc nghiên cứu rộng rãi Nó chấp nhận, để thay nghịch lưu áp hai bậc cho ứng dụng công suất lớn điện áp cao[11] Với cấu tạo đa bậc, điện áp ngõ tăng lên, tổn hao chuyển mạch linh kiện giảm họa tần ngõ cải thiện đáng kể Kiểu đa bậc thông dụng nhất, dạng cascaded với lợi dạng khác[11]như : cấu tạo đơn giản, thành phần linh kiện, cấu trúc dạng môdun, tránh vấn đề cân áp tụ Tuy nhiên, cần tăng số bậc điện áp ngõ số lượng linh kiện tăng lên Vì thế, nghịch lưu trở nên cồâng kềnh Kiểu nghịch lưu đa bậc lai tối giản linh kiện công suất Với kiểu cấu tạo lai, cell cầu H đạt số bậc điện áp ngõ cấu tạo không lai Mặt khác, với kiểu điều chế lai linh kiện công suất cell cầu H sử dụng khác dựa vào tính chất khác cell cầu H Cell có công suất lớn chuyển mạch tần số nên dùng linh kiện chuyển mạch chậm như: IGCT, GTO, IEGT Còn cell công suất thấp điều chế tần số cao dùng linh kiện: IGBT, MOSFET,BJT Với thiết kế đề nghị, vài cell cầu H điện áp nguồn DC tương ứng tạo số lượng lớn bậc điện áp Đồng thời lượng tuần hoàn cell cầu H giảm thiểu đáng kể, góp phần làm tăng hiệu suất toàn hệ thống Kỹ thuật PWM sóng mang cho nghịch lưu đa bậc lai HVTH: NGUYỄN VĂN PHỤC LUẬN VĂN CAO HỌC Trang 99/133 GVHD:NGUYỄN VĂN NHỜ Phụ Lục CÁC CHƯƠNG TRÌNH VC6.0 CHO CÁC KHỐI DLL Chương trình xây dựng hàm Active_signal dùng VC6.0: ****************************************** #include double sgn(double Fx); double Vrx1055(double Fx, double n); //Dung xac dinh Vrx,m vung qua dieu che double Vrx12m (double Vrx12m1, double Vrx12m2, double m1, double m2,double m); // dung xac dinh Vrx12m int double_int(double n); declspec(dllexport) void simuser (t, delt, in, out) double t, delt; double *in, *out; // in[0]=n :so bac cua bien tan // in[1]=m :chi so dieu che // in[2]= goc phase // out[0]=vra12m // out[1]=vrb12m // out[2]=vrc12m { double m,gocpha,Fa,Fb,Fc; double Vra12m,Vrb12m,Vrc12m; int n; double const pi=3.1416; // Tinh cac gia tri gioi han cua vrx12m tai: m=0;m=1;m=1.055;m=1.1 m=in[1]; Kỹ thuật PWM sóng mang cho nghịch lưu đa bậc lai HVTH: NGUYỄN VĂN PHỤC LUẬN VĂN CAO HỌC Trang 100/133 GVHD:NGUYỄN VĂN NHỜ n=double_int(in[0]); // luon la so le gocpha=in[2]; //Rad Fa= cos(gocpha); Fb= cos(gocpha-2*pi/3); Fc= cos(gocpha+2*pi/3); // Tinh cac gia tri gioi han if ( m==0 ) { Vra12m=0.0; Vrb12m=0.0; Vrc12m=0.0; } // if ( m==1.0 ) { Vra12m=(n-1)*Fa/sqrt(3); Vrb12m=(n-1)*Fb/sqrt(3); Vrc12m=(n-1)*Fc/sqrt(3); } // if ( m==1.055 ) { Vra12m=Vrx1055(Fa,n)(Vrx1055(Fa,n)+Vrx1055(Fb,n)+Vrx1055(Fc,n))/3; Vrb12m=Vrx1055(Fb,n)(Vrx1055(Fa,n)+Vrx1055(Fb,n)+Vrx1055(Fc,n))/3; Vrc12m=Vrx1055(Fc,n)(Vrx1055(Fa,n)+Vrx1055(Fb,n)+Vrx1055(Fc,n))/3; } // if ( m==1.1 ) { Vra12m=0.5*(n-1)*(sgn(Fa)-(sgn(Fa)+sgn(Fb)+sgn(Fc))/3); Vrb12m=0.5*(n-1)*(sgn(Fb)-(sgn(Fa)+sgn(Fb)+sgn(Fc))/3); Vrc12m=0.5*(n-1)*(sgn(Fc)-(sgn(Fa)+sgn(Fb)+sgn(Fc))/3); Kỹ thuật PWM sóng mang cho nghịch lưu đa bậc lai HVTH: NGUYỄN VĂN PHỤC LUẬN VĂN CAO HỌC Trang 101/133 GVHD:NGUYỄN VĂN NHỜ } // Ket thuc tinh cac gia tri gioi han //************************************************************* **** // Tinh cac gia tri cua vrx12m tuong ung tung vung dieu khien if ((m>0)&&(m1)&&(m1.055)&&(m 0.0 ) ketqua= 1.0; if (Fx -Pmin) ketqua=-Pmin; Kỹ thuật PWM sóng mang cho nghịch lưu đa bậc lai HVTH: NGUYỄN VĂN PHỤC LUẬN VĂN CAO HỌC } Trang 103/133 GVHD:NGUYỄN VĂN NHỜ if (r*Fx=-0.5) && (n=0.5) && (n=1.5) && (n=2.5) && (n=3.5) && (n=4.5) && (n=5.5) && (n=6.5) && (n=7.5) && (n=8.5) && (n=9.5) && (n=10.5) && (n=11.5) && (n=12.5) && (n=13.5) && (n=14.5) && (n=15.5) && (n=16.5) && (n=17.5) && (n=18.5) && (n=19.5) && (n=20.5) && (n=21.5) && (n=22.5) && (n=0) && (Vromin=K1/2) c1=K1; else Kỹ thuật PWM sóng mang cho nghịch lưu đa bậc lai HVTH: NGUYỄN VĂN PHỤC LUẬN VĂN CAO HỌC GVHD:NGUYỄN VĂN NHỜ c1=0; // if ((Vr1-K1)>=K2/2) c2=K2; else c2=0; // // Trang 108/133 if ((Vr1-K1-K2)>=K3/2) c3=K3; else c3=0; //} } //Gia tri Vro_PWM if ((Vr1>=0)&&(Vr1K1)&&(Vr1(K1+K2))&&(Vr1=b) max=a; else max=b; if (maxb) min=b; else min=a; if (min>c) min=c; return(min); } // double Mid(double a,double b,double c) { double mid; Kyõ thuật PWM sóng mang cho nghịch lưu đa bậc lai HVTH: NGUYỄN VĂN PHỤC LUẬN VĂN CAO HỌC Trang 110/133 GVHD:NGUYỄN VĂN NHỜ if (((a>=b) && (a=a) && (b=a) && (c=-0.5) && (n=0.5) && (n=1.5) && (n=2.5) && (n=3.5) && (n=4.5) && (n=5.5) && (n=6.5) && (n=7.5) && (n=8.5) && (n=9.5) && (n=10.5) && (n=11.5) && (n=12.5) && (n=13.5) && (n=14.5) && (n=15.5) && (n=16.5) && (n=17.5) && (n=18.5) && (n=19.5) && (n=20.5) && (n=21.5) && (n=22.5) && (n