Mô phỏng và thực nghiệm direct matrix converter bằng giải thuật điều chế vectơ không gian

Luận văn cao học CBHD: PGS.TS Nguyễn Văn Nhờ Đại Học Quốc Gia Thành Phố Hồ Chí Minh TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA DƯƠNG HỮU TRÍ MƠ PHỎNG VÀ THỰC NGHIỆM DIRECT MATRIX CONVERTER BẰNG GIẢI THUẬT ĐIỀU CHẾ VECTƠ KHÔNG GIAN Chuyên ngành: Thiết bị, mạng nhà máy điện LUẬN VĂN THẠC SĨ TP Hồ Chí Minh Tháng 12 năm 2010 HVTH: Dương Hữu Trí Luận văn cao học CBHD: PGS.TS Nguyễn Văn Nhờ CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH Cán hướng dẫn khoa học: PGS.TS Nguyễn Văn Nhờ ………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………… Cán chấm nhận xét 1: ………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………… (Ghi rõ họ, tên , học hàm, học vị chữ ký) Cán chấm nhận xét 2: ………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………… (Ghi rõ họ, tên , học hàm, học vị chữ ký) Luận văn thạc sĩ bảo vệ hội đồng chấm bảo vệ luận văn thạc sĩ Trường Đại Học Bách Khoa Ngày……… Tháng……… Năm 2010 HVTH: Dương Hữu Trí Luận văn cao học CBHD: PGS.TS Nguyễn Văn Nhờ TRƯỜNG ĐHBK TPHCM CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM PHÒNG ĐÀO TẠO SĐH Độc lập- Tự do_Hạnh Phúc - - TP.HCM, Ngày tháng năm 2010 NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên học viên: Dương Hữu Trí Phái: Nam Ngày, tháng, năm sinh: 26/03/1981 Nơi sinh: Tỉnh Cần Thơ Chuyên Ngành: Thiết Bị, Mạng Và Nhà Máy Điện MSHV: 01808325 Khoá ( Năm trúng tuyển): 2008-2010 I TÊN ĐỀ TÀI: MÔ PHỎNG VÀ THỰC NGHIỆM DIRECT MATRIX CONVERTER BẰNG GIẢI THUẬT ĐIỀU CHẾ VECTƠ KHÔNG GIAN II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG: a Tìm hiểu giải thuật điều chế véc tơ không gian cho direct matrix converter b Mô giải thuật phần mềm Matlab/simulink c Thực nghiệm giải thuật kit FPGA So sánh kết mô thực nghiệm III NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 25/01/2010 IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 30/11/2010 V CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: PGS.TS NGUYỄN VĂN NHỜ CÁN BỘ HƯỚNG DẪN (Học hàm, học vị, họ tên chữ ký) CHỦ NHIỆM BỘ MÔN QL CHUYÊN NGÀNH (Họ tên chữ ký) HVTH: Dương Hữu Trí Luận văn cao học CBHD: PGS.TS Nguyễn Văn Nhờ LỜI CẢM ƠN Trong khoảng thời gian học tập nghiên cứu trường Đại Học Bách Khoa TPHCM, đặc biệt phòng Hệ Thống Năng Lượng Tại nơi Tôi học nhiều điều bổ ích phục vụ cho chuyên mơn Tơi xin chân thành cảm ơn thầy cô Khoa Điện – Điện tử bạn bè trường nhiệt tình giúp đỡ Tơi, đặc biệt Tôi xin gởi lời cảm ơn sâu sắc đến thầy Nguyễn Văn Nhờ tận tình hướng dẫn Tơi thời gian qua cảm ơn tất bạn phòng TN Hệ Thống Năng Lượng trường Đại Học Bách Khoa TPHCM Tơi xin cảm ơn gia đình Tôi động viên giúp đỡ Tôi thời gian qua Cuối lời xin chúc tất người với tất tốt đẹp nhất! THỰC HIỆN DƯƠNG HỮU TRÍ HVTH: Dương Hữu Trí Luận văn cao học CBHD: PGS.TS Nguyễn Văn Nhờ TÓM TẮT LUẬN VĂN Luận văn trình bày giải thuật điều khiển PWM cho chuyển đổi nguồn pha AC-AC matrix converter với dịng đầu vào, áp đầu có dạng sin Giải thuật phát triển dựa kỹ thuật điều chế vec tơ không gian(SVPWM) Giải thuật đạt tỉ số điều chế cực đại 0.866 hệ số công suất đầu vào mà không phụ thuộc vào tính chất tải Giải thuật mơ phần mềm Matlab/Simulink thực nghiệm Card FPGA Spartan 3E starter skit với kết dòng đầu vào, áp đầu thể với tần số ngỏ khác Luận văn gồm vấn đề sau: Những vấn đề matrix converter: 1.1 Mơ hình direct matrix converter 1.2 Điện áp ngõ 1.3 Dòng điện ngõ vào 1.4 Kiểm sốt hệ số cơng suất đầu vào 1.5 Lọc đầu vào 1.6 Mạch kẹp 1.7 Các vấn đề chuyển mạch Giải thuật điều chế vec tơ không gian cho direct matrix converter 2.1 Mối quan hệ đầu vào đầu matrix converter 2.2 Giải thuật điều chế venturini 2.3 Giải thuật điều chế véc tơ không gian cho matrix converter Mơ hình mơ 3.1 Lưu đồ tính tốn 3.2 Xử lý giải thuật Mơ hình thực nghiệm 4.1 Bộ lọc đầu vào 4.2 Mạch kẹp 4.3 Mạch kích 4.4 Mạch nguồn HVTH: Dương Hữu Trí Luận văn cao học CBHD: PGS.TS Nguyễn Văn Nhờ 4.5 Mạch công suất 4.6 Xử lý giải thuật Kết mô thực nghiệm Kết luận kiến nghị 6.1 Kết luận 6.2 Kiến nghị HVTH: Dương Hữu Trí Luận văn cao học CBHD: PGS.TS Nguyễn Văn Nhờ Mục Lục GIỚI THIỆU Yêu cầu thực tế Tổng quan CHƯƠNG 1: NHỮNG VẤN ĐỀ CƠ BẢN CỦA MATRIX CONVERTER 12 1.1 Mơ hình direct matrix converter 12 1.2 Điện áp ngõ 12 1.3 Dòng điện vào 13 1.4 Điều khiển hệ số công suất đầu vào 14 1.5 Lọc đầu vào 14 1.6 Mạch kẹp 15 1.7 Các vấn đề chuyển mạch 16 1.7.1 Bố trí linh kiện IGBT 16 1.7.2 Thuật tốn chuyển mạch an tồn 18 CHƯƠNG 2: GIẢI THUẬT ĐIỀU CHẾ VÉC TƠ KHÔNG GIAN CHO DIRECT MATRIX CONVERTER 22 2.1 Mối quan hệ đầu vào đầu matrix coverter 22 2.2 Giải thuật điều chế venturini 24 2.3 Giải thuật điều chế véc tơ không gian cho matrix converter 26 2.3.1 Khái niệm véc tơ không gian hệ thống điện pha 26 2.3.2 Tiếp cận véc tơ không gian cho matrix converter 29 2.3.4 Kỹ thuật điều rộng xung (PWM): 36 CHƯƠNG 3: XỬ LÝ GIẢI THUẬT MATRIX CONVERTER BẰNG PHẦN MỀM MATLAB/SIMULINK 41 3.1 Lưu đồ tính toán 41 3.2 Xử lý giải thuật 42 3.2.1 Tạo vi v0 42 3.2.2 Chuyển trục tọa độ a - b 44 3.2.3 Tính tốn phân vùng vị trí véc tơ dịng vào áp nằm sector 45 3.2.4 Tính tốn d0,d1,d2,d3,d4 49 3.2.5 Tính tốn tạo xung kích (PWM) 51 CHƯƠNG 4: THIẾT KẾ PHẦN CỨNG CHO DIRECT MATRIX CONVERTER 59 4.1 Bộ lọc đầu vào 59 4.2 Mạch kẹp 62 4.3 Mạch kích 63 4.4 Mạch nguồn ± 15V +5V 64 4.5 Mạch công suất 65 4.6 Xử lý giải thuật 65 4.6.1 Xử lý giải thuật điều chế véc tơ không gian FPGA 67 4.6.2 Xử lý giải thuật chuyển mạch bốn bước 76 HVTH: Dương Hữu Trí Luận văn cao học CBHD: PGS.TS Nguyễn Văn Nhờ CHƯƠNG 5: KẾT QUẢ MÔ PHỎNG, THỰC NGHIỆM 82 CHƯƠNG 6: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 87 6.1 Kết luận 87 6.2 Kiến nghị 87 BÀI BÁO CÔNG BỐ 88 TÀI LIỆU THAM KHẢO 88 HVTH: Dương Hữu Trí Luận văn cao học CBHD: PGS.TS Nguyễn Văn Nhờ GIỚI THIỆU Yêu cầu thực tế Với phát triển không ngừng khoa học cơng nghệ nói chung lĩnh vực điện tử cơng suất nói riêng Bộ biến tần ngày phát triển tối ưu Trên giới nghiên cứu không ngừng cải tiến biến tần để làm giảm tổn hao nâng cao hiệu suất làm việc matrix converter mục tiêu nghiên cứu để đáp ứng yêu cầu Ở Việt Nam biến đổi ma trận đòi hỏi phải nghiên cứu tiếp cận để tạo tảng cho phát triển xa lĩnh vực nghiên cứu biến tần nước ta nhu cầu cấp thiết mà để tài nghiên cứu Tổng quan Matrix converter chuyển đổi nguồn cơng suất trực tiếp thay đổi điện áp tần số đầu theo mong muốn điều chỉnh hệ số công suất đầu vào mà khơng phụ thuộc tải Cấu tạo gồm dãy khoá bán dẫn hai chiều ( thường sử dụng IGBT đáp ứng tần số cao), kết nối theo dạng ma trận m x n m số pha nguồn n số pha tải kết nối trực tiếp Những thuận lợi so với nghịch lưu áp truyền thống bậc · Khơng có thành phần tụ DC làm trung gian · Cung cấp cấp công suất trực tiếp từ nguồn đến tải · Hệ số công suất đầu vào điều chỉnh Matrix conveter Venturini đề xuất vào đầu năm 80 [1] nhiên đạt tỉ số điều chế điện áp 0.5, sau cải tiến cách thêm thành phần hài bậc vào thành phần hài để nâng tỉ số điều chế lớn lên 0.866 [2] xem direct matrix converter Tuy nhiên, phương pháp hoạt động tốt điều kiện nguồn cân Tiếp theo phương pháp tiếp cận đời kỹ thuật điều chế vec tơ không gian[4,5,6,7] điều chế sóng mang áp dụng cho matrix converter [8] HVTH: Dương Hữu Trí Luận văn cao học CBHD: PGS.TS Nguyễn Văn Nhờ Bên cạnh đó, kỹ thuật điều khiển khác đời dựa điều khiển thành phần DC ảo thành lập Rodriguez vào năm 1983 [3] Trong phương pháp khoá bán dẫn chia làm hai tần rõ rệt, bên chỉnh lưu bên nghịch lưu, phương pháp điều khiển gọi indirect matrix converter Hình 1: Bộ direct matrix converter 3x3 đơn giản Khóa IGBT Hình 2: Bộ indirect matrix converter đơn giản Hiện có nghiên cứu nước matrix converter mà chủ yếu làm mơ làm thực nghiệm Trong luận văn trình phương pháp HVTH: Dương Hữu Trí 10 Luận văn cao học CBHD: PGS.TS Nguyễn Văn Nhờ sab21 := (sab13 or sab14 or sab15 or sab16 or sab17 or sab18); sac21 := (sac13 or sac14 or sac15 or sac16 or sac17 or sac18); sba21 := (sba13 or sba14 or sba15 or sba16 or sba17 or sba18); sbb21 := (sbb13 or sbb14 or sbb15 or sbb16 or sbb17 or sbb18); sbc21 := (sbc13 or sbc14 or sbc15 or sbc16 or sbc17 or sbc18); sca21 := (sca13 or sca14 or sca15 or sca16 or sca17 or sca18); scb21 := (scb13 or scb14 or scb15 or scb16 or scb17 or scb18); scc21 := (scc13 or scc14 or scc15 or scc16 or scc17 or scc18); -saa