Cải thiện nâng cao hiệu suất của bộ nghịch lưu nguồn áp bằng kỹ thuật ARCP

LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan luận văn tự nghiên cứu hướng dẫn tận tình TS Đỗ Mạnh Cường Luận văn có sử dụng tài liệu ghi danh mục tài liệu tham khảo! Hà Nội, ngày 10 tháng 10 năm 2015 Học viên thực MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT MỤC LỤC DANH MỤC HÌNH VẼ LỜI MỞ ĐẦU CHƢƠNG TỔN HAO TRONG BỘ BIẾN ĐỔI 1.1 Các vấn đề chuyển mạch van biến đổi 1.1.1 Chuyển mạch cứng 1.1.2 Mạch trợ giúp van – Snubber Circuit 1.2 Tổn hao chuyển mạch biến đổi 1.2.1 Nhánh van nghịch lưu chuyển mạch cứng thông thường 1.2.2 Tổn hao trình mở tranzito 10 1.2.3 Tổn hao q trình khóa tranzito 12 1.3 Kết luận 15 CHƢƠNG NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA NGHỊCH LƢU ARCP 16 2.1 Nguyên lý chuyển mạch mềm 16 2.1.1 Chuyển mạch điện áp không ZVS 16 2.1.2 Chuyển mạch dịng điện khơng ZCS 17 2.2 Tổng quan nghịch lưu cộng hưởng 18 2.2.1 Hệ thống cộng hưởng liên tục 18 2.2.2 Hệ thống cộng hưởng không liên tục 23 2.3 Cấu trúc nguyên lý hoạt động nghịch lưu ARCP 27 2.3.1 Cấu trúc mạch lực nghịch lưu ARCP 27 2.3.2 Qúa trình chuyển mạch nghịch lưu ARCP 28 2.4 Phân tích q trình cộng hưởng xảy mạch nghịch lưu ARCP 36 2.4.1 Các phương trình trình cộng hưởng nghịch lưu ARCP 36 2.4.2 Biểu thức điện áp đầu trình cộng hưởng 39 2.4.3 Biểu thức dòng điện cộng hưởng 40 2.5 Kết luận 42 CHƢƠNG ĐIỀU KHIỂN NGHỊCH LƢU ARCP 43 3.1 Nghịch lưu PWM pha 43 3.1.1 Cấu trúc mạch lực nghịch lưu PWM 43 3.1.2 Phương pháp điều chế PWM cho nghịch lưu pha 45 3.2 Phương pháp điều khiển nghịch lưu ARCP pha 47 3.2.1 Tính tốn thời điểm phát xung 48 3.2.2 Thuật toán điều khiển nghịch lưu ARCP pha 52 3.3 Xây dựng mơ hình mơ nghịch lưu ARCP pha 53 3.3.1 Tính tốn thơng số mạch cộng hưởng 53 3.3.2 Mơ hình mơ nghịch lưu ARCP pha 54 3.4 Xây dựng mơ hình mơ nghịch lưu ARCP ba pha 61 3.4.1 Điều khiển nghịch lưu nguồn áp ba pha 61 3.4.2 Điều khiển nghịch lưu ARCP ba pha 68 3.4.3 Mơ hình mơ nghịch lưu ARCP ba pha 69 3.5 Kết luận 73 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 74 TÀI LIỆU THAM KHẢO 76 PHỤ LỤC 78 DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT ARCP Auxiliary Resonant Commutated Bộ biến đổi cộng hưởng mạch phụ Pole Converter chuyển mạch điểm cực ACRDCLI Actively Clamped Resonant DC Nghịch lưu cộng hưởng kẹp khâu PRDCLI link Invetter DC Parallel Resonant DC Link Inverter Nghịch lưu cộng hưởng song song khâu DC RPI Resonant Pole Inverter Nghịch lưu cộng hưởng điểm cực SRC Series Resonant Converter Bộ biến đổi cộng hưởng nối tiếp PRC Parallel Resonant Converter Bộ biến đổi cộng hưởng song song ZVS Zero Voltage Switching Chuyển mạch điện áp không ZCS Zero Current Switching Chuyển mạch dịng điện khơng PWM Pulse Width Modulation Điều chế độ rộng xung SVM Space Vector Modulation Điều chế vectơ không gian DC Direct Current Dòng điện chiều AC Alternating Current Dòng điện xoay chiều BBĐ Bộ biến đổi DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1 Quá trình chuyển mạch cứng Hình 1.2 Dạng xung điện áp dịng điện chuyển mạch Hình 1.3 Mạch trợ giúp van RC Hình 1.4 Mạch trợ giúp van RCD Hình 1.5 Đường quỹ đạo đóng cắt van bán dẫn cơng suất Hình 1.6 Nghịch lưu nửa cầu sử dụng BJT Hình 1.7 Đồ thị phụ thuộc ICtheo VCE IB số Hình 1.8 Dạng dịng, áp tổn hao mở BJT [1] 11 Hình 1.9 Dạng áp, dịng tổn hao khóa BJT [1] 13 Hình 2.1 Quá trình chuyển mạch ZVS 17 Hình 2.2 Quá trình chuyển mạch ZCS 17 Hình 2.3 Sơ đồ biến đổi cộng hưởng khâu AC 19 Hình 2.4.Sơ đồ biến đổi cộng hưởng khâu DC 21 Hình 2.5 Nghịch lưu cộng hưởng ACRDCLI 23 Hình 2.6 Nghịch lưu cộng hưởng điểm cực dạng sóng đầu 24 Hình 2.7 Nghịch lưu điểm cực pha lọc đầu 25 Hình 2.8 Nghịch lưu điểm cực ba pha 25 Hình 2.9 Hai sơ đồ mạch nghịch lưu PRDCLI 26 Hình 2.10 Cấu trúc mạch lực nghịch lưu ARCP 27 Hình 2.11 Giai đoạn ban đầu 29 Hình 2.12 Giai đoạn trước nạp 29 Hình 2.13 Giai đoạn nạp tăng dòng 30 Hình 2.14 Giai đoạn cộng hưởng 31 Hình 2.15 Giai đoạn bật van S1 32 Hình 2.16 Giai đoạn giảm dòng 32 Hình 2.17 Giai đoạn ngắt mạch cộng hưởng 33 Hình 2.18 Dạng sóng dịng cộng hưởng điện áp đầu giai đoạn cộng hưởng dòng 33 Hình 2.19 Giai đoạn ổn định 34 Hình 2.20 Giai đoạn tăng dịng 34 Hình 2.21 Giai đoạn cộng hưởng 35 Hình 2.22 Giai đoạn bật van S2 35 Hình 2.23 Giai đoạn hồn thành 36 Hình 2.24 Dạng sóng dịng cộng hưởng điện áp đầu giai đoạn cộng hưởng dòng 36 Hình 2.25 Mơ hình tương đương nghịch lưu ARCP giai đoạn cộng hưởng 37 Hình 3.1 Cấu trúc nghịch lưu PWM 43 Hình 3.2 Dạng điện áp dòng điện nghịch lưu 44 Hình 3.3 Hoạt động PWM 45 Hình 3.4 Thời gian chết  van V1,V4 47 Hình 3.5 Chu kỳ chuyển mạch nghịch lưu ARCP 48 Hình 3.6 Thuật tốn phát xung điều khiển nghịch lưu ARCP pha 53 Hình 3.7 Mơ hình mơ điều khiển nghịch lưu PWM pha 55 Hình 3.8 Mơ hình mơ điều khiển nghịch lưu ARCP pha 55 Hình 3.9 Mơ hình mơ mạch lực nghịch lưu ARCP 56 Hình 3.10 Mơ hình khâu chuyển mạch mềm 56 Hình 3.11 Chuyển mạch nghịch lưu: 57 Hình 3.13 Chuyển mạch van phụ nghịch lưu ARCP 58 Hình 3.14 Dòng điện điện áp tải: 59 Hình 3.15 Dịng cộng hưởng điện áp hai trường hợp 59 Hình 3.16 Phân tích phổ sóng hài điện áp đầu 60 Hình 3.17 Sơ đồ nghịch lưu nguồn áp ba pha 61 Hình 3.18 Sơ đồ tương đương mạch tải ứng với khoảng dẫn van 62 Hình 3.19 Dạng tín hiệu điều khiển van dạng dòng điện, điện áp phần tử sơ đồ nghịch lưu nguồn áp ba pha 63 Hình 3.20 Sơ đồ cấu trúc mạch điều khiển PWM nghịch lưu áp ba pha 64 Hình 3.21 Sơ đồ nghịch lưu ba pha ba sơ đồ nửa cầu 64 Hình 3.22 Dạng xung điện áp nghịch lưu ba pha 66 Hình 3.23 Dạng tín hiệu điều khiển dạng điện áp PWM ba pha 67 Hình 3.24 Cấu trúc mạch lực nghịch lưu ARCP ba pha 68 Hình 3.25 Cáu trúc điều khiển nghịch lưu ARCP ba pha 69 Hình 3.26 Mơ hình mơ nghịch lưu ARCP ba pha 70 Hình 3.27 Cấu trúc mơ hình mơ mạch lực nghịch lưu ba pha ARCP 70 Hình 3.28 Thuật toán phát xung chuyển mạch mềm nghịch lưu ARCP ba pha 71 Hình 3.29 Thuật tốn điều chế PWM ba pha 71 Hình 3.30 Điện áp ba pha tải đầu nghịch lưu ARCP 72 Hình 3.31 Dòng điện ba pha tải đầu nghịch lưu ARCP 72 LỜI MỞ ĐẦU Nghịch lưu thơng thường sử dụng thuật tốn PWM để chuyển mạch van bán dẫn điều kiện dịng điện điện áp khác khơng gây tổn hao chuyển mạch đặc biệt tần số chuyển mạch lớn công suất lớn Để làm giảm tổn hao trường hợp người ta thường sử dụng mạch cộng hưởng để cưỡng chuyển mạch van điều kiện điện áp khơng dịng điện khơng gọi phương pháp chuyển mạch mềm Có nhiều biến đổi sử dụng nguyên lý chuyển mạch mềm để giảm tổn thất chuyển mạch van, đáng ý nghịch lưu ARCP Nghịch lưu ARCP phát triển General Electric Corporation sử dụng biến tần có hiệu suất cao Bằng cách tăng hiệu suất biến tần, không làm giảm tổn hao công suất biến tần, mà cịn làm kích thước khối lượng biến tần giảm đáng kể Điều làm cho công nghệ chuyển mạch ARCP hữu dụng ứng dụng công suất lớn hạn chế kích thước Mục đích luận văn “ Cải thiện nâng cao hiệu suất nghịch lưu nguồn áp kỹ thuật ARCP (Auxiliary Resonant Commutated Pole)‟‟ phân tích cấu trúc phương pháp điều khiển nghịch lưu ARCP từ thay mạch nghịch lưu thông thường ứng dụng địi hỏi hiệu suất cao, cơng suất lớn Luận văn chia làm ba chương: Chương 1: Tổn hao biến đổi Chương 2: Nguyên lý hoạt động nghịch lưu ARCP Chương 3: Điều khiển nghịch lưu ARCP Để hồn thành luận văn tơi xin gửi lời cảm ơn chân thành đến TS Đỗ Mạnh Cường, người nhiệt tình hướng dẫn tơi suốt q trình thực luận văn Tơi xin cảm ơn thầy cô, Bộ môn, Viện Điện giảng dạy, tạo điều kiện cho tơi suốt q trình học tập nghiên cứu trường Hà Nội ng y 10 th ng 10 năm 2015 H c n c n Chương 1: Tổn hao biến đổi CHƢƠNG TỔN HAO TRONG BỘ BIẾN ĐỔI 1.1 Các vấn đề chuyển mạch van biến đổi 1.1.1 Chuyển mạch cứng trình chuyển mạch van biến đổi (BBĐ) xung truyền thống thể hình 1.1 Hình 1.1 Q trình chuyển mạch cứng Do dịng điện điện áp van thay đổi nên thời điểm đóng cắt, van tồn điện áp dòng điện lớn gây tổn hao đóng cắt Tổn hao phụ thuộc vào tần số chuyển mạch nên tần số tăng cao, tổn hao chuyển mạch tăng đáng kể Điều làm giới hạn tần số làm việc BBĐ xung truyền thống ( 100kHz) Mặt khác, tồn thành phần điện cảm rò tụ ký sinh mạch nên điều kiện chuyển mạch cứng (hard switch), van bán dẫn phải chịu xung dao động dòng điện điện áp hình 1.2 Chính xung dao động nguyên nhân gây tượng nhiễu trường điện từ EMI mạch, ngồi xung đỉnh có giá trị lớn cịn phá hỏng van bán dẫn công suất mạch Chương 1: Tổn hao biến đổi Hình 1.2 Dạng xung điện áp dòng điện chuyển mạch a) Dạng xung lý thuyết b) Dạng xung thực tế Để khắc phục tượng mạch phụ trợ (snubber circuit) thêm vào mạch 1.1.2 Mạch trợ giúp van – Snubber Circuit Mạch trợ giúp van mạch nối thêm vào bên cạnh van để bảo vệ tăng hiệu làm việc van Mạch trợ giúp mang lại nhiều khả cho van: - Giảm triệt tiêu xung áp dòng - Hạn chế du di dt dt - Đưa điểm làm việc van vùng làm việc an toàn SOA - Truyền lượng phát nhiệt van sang điện trở sang hướng khác có lợi - Giảm tổn hao cơng suất q trình đóng cắt - Giảm nhiễu trường điện từ dập tắt nhanh dao động dịng áp Có nhiều loại mạch trợ giúp van phổ biến hai loại: Mạch RC (trở - tụ) mạch RCD (trở - tụ - diot) Chương 3: Điều khiển nghịch lưu ARCP Hình 3.26 Mơ hình mơ nghịch lưu ARCP ba pha Hình 3.27 Cấu trúc mơ hình mơ mạch lực nghịch lưu ba pha ARCP 70 Chương 3: Điều khiển nghịch lưu ARCP Hình 3.28 Thuật tốn phát xung chuyển mạch mềm nghịch lưu ARCP ba pha Hình 3.29 Thuật tốn điều chế PWM ba pha Mơ hình mơ thuật tốn điều chế độ rộng xung cho nghịch lưu ba pha thông thường thể hình 3.29 Thuật tốn phát xung PWM làm tín hiệu định thời điểm để bắt đầu xảy trình cộng hưởng mở van phụ pha đầu vào cho thuật toán phát xung chuyển mạch ARCP Thuật toán 71 Chương 3: Điều khiển nghịch lưu ARCP phát xung chuyển mạch ARCP tính tốn khoảng thời gian trình cộng hưởng chu kỳ chuyển mạch cho pha DIEN AP DAU RA TAI 200 PHA A PHA B PHA C 150 100 DIEN AP(V) 50 -50 -100 -150 -200 0.005 0.01 0.015 Thoi gian(s) 0.02 0.025 0.03 Hình 3.30 Điện áp ba pha tải đầu nghịch lưu ARCP DONG DIEN BA PHA PHA A PHA B PHA C DONG DIEN (A) -2 -4 -6 -8 0.005 0.01 0.015 Thoi gian(s) 0.02 0.025 0.03 Hình 3.31 Dịng điện ba pha tải đầu nghịch lưu ARCP Kết mô điện áp đầu dòng điện tải sử dụng nghịch lưu ba pha ARCP thu hình 3.30 3.31 Kết mô cho thấy điện áp đầu dòng điện đầu ba pha cân Kết mơ cịn cho thấy hồn tồn sử dụng nghịch lưu ba pha ARCP thay cho nghịch lưu ba pha PWM đặc biệt ứng dụng điện áp cao, công suất lớn đòi hỏi hiệu suất cao 72 Chương 3: Điều khiển nghịch lưu ARCP 3.5 Kết luận Phương pháp điều khiển nghịch lưu ARCP gần tương tự phương pháp điều khiển nghịch lưu nguồn áp thông thường, khác trình chuyển mạch Đối với nghịch lưu ARCP trình chuyển mạch định qua hai van phụ A1, A2 Qúa trình phát xung điều khiển A1 A2 để bắt đầu kết thúc trình chuyển mạch cộng hưởng phân tích chi tiết chương Qua phân tích ta thấy thời điểm phát xung phụ thuộc vào thông số mạch cộng hưởng, điều nhược điểm cần cải thiện phương pháp điều khiển nghịch lưu ARCP Kết mô cho thấy đáp ứng điện áp nghịch lưu ARCP hoàn toàn tương tự nghịch lưu thông thường tổn thất chuyển mạch van giảm đáng kể chuyển mạch điều kiện ZVS van ZCS van phụ Điều mở khả ứng dụng lớn cho nghịch lưu ARCP thực tế ứng dụng đòi hỏi hiệu suất cao 73 Kết luận Kiến nghị KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ KẾT LUẬN Vấn đề xây dựng cấu trúc mạch lực phương pháp điều khiển biến đổi hiệu suất cao dựa nguyên lý cộng hưởng chuyển mạch mềm hướng phát triển quan trọng hệ thống điện tử công suất đại Các hệ thống điều khiển chuyển mạch mềm phát triển năm gần đặc biệt hệ thống nghịch lưu chuyển mạch mềm Luận văn nghiên cứu mạch nghịch lưu chuyển mạch mềm tiêu biểu ARCP mạch nghịch lưu cộng hưởng điểm cực sử dụng phổ biến thương phẩm Qua nghiên cứu luận văn đạt số kết sau: - Phân tích nguyên tắc chuyển mạch mềm ZVS ZCS - Phân tích cấu trúc nguyên lý hoạt động số lớp nghịch lưu chuyển mạch mềm - Nghiên cứu cấu trúc mạch lực nguyên lý hoạt động nghịch lưu ARCP - Xây dựng thuật toán điều khiển nghịch lưu ARCP - Xây dựng mơ hình mơ so sánh kết mô nghịch lưu ARCP với nghịch lưu chuyển mạch thông thường KIẾN NGHỊ Vấn đề nghịch lưu ARCP cần phải tiếp tục nghiên cứu phát triển để hoàn thiện Ở tác giả xin nêu số hướng để tiếp tục phát triển đề tài: - Thuật toán điều khiển nghịch lưu ARCP phát triển để giảm ứng suất dòng điện cách thay đổi dòng ngưỡng cho phù hợp với dòng tải – phương pháp variable timing - Tỷ số điều chế cực đại phương pháp điều chế sử dụng cho nghịch lưu ARCP cần phân tích 74 Kết luận Kiến nghị - Áp dụng nghịch lưu ARCP để điều khiển động thay mạch nghịch lưu chuyển mạch mềm ứng dụng lọc tích cực, STATCOM…hay cấu trúc back – to – back - Xây dựng mơ hình thực nghiệm nghịch lưu ARCP 75 Kết luận Kiến nghị TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Eric A Walter and Oleg Wasynczuk, “ Analysis of the Auxiliary Resonant Commutated Pole Inverter ”, ECE Technique Report, pp 142, August 1995 [2] D.M Divan, “ The resonant DC link inverter – a new concept in static power conversion‟‟, IEEE Trans Ind Appl, vol 25, pp 317-325, March/April 1989 [3] D.M Divan and G Skibinski, “ Zero – switching – loss inverters for high – power applications‟‟, IEEE Trans Ind Appl, vol 25, pp 634-643, July/August 1989 [4] A.Mertens, “ Design of a 20 KVA resonant DC link IGBT inverter on the base of experimental device evaluation‟‟, European Conference on Power Electronics and Applications Conf Proc, pp.4.172-4.177, 1991 [5] Y.Murai and T.A.Lipo, “ High – frequency series – resonant DC link power conversion‟‟, IEEE Trans Ind Appl, vol.28, pp.1277-1285, November/December 1992 [6] Khalil Rahimi and Hosein Farzanehfard, “ An Analysis and Modification of a ZVT Inverter Behavior”, IEEE Symposiumon Industrial Electronics and Applycation, October 2009 [7] D.M Divan, G.Venkataramanan, and R.DeDoncker, “ Design methodologies for soft switched inverters‟‟, IEEE Trans Ind Appl, vol.29, pp.126-135, January /February 1993 [8] R.W De Doncker and J.P Lyons, “ The Auxiliary Resonant Commutated Pole Inverter‟‟, IEEE – IAS Conference proceeding, pp.1228-1235, 1990 [9] H.J Beukes, J.H.R Enslin, and R Spee, “ Performance of Auxiliary Resonant Commutated Pole Converter in Converter Based Utility Devices‟‟, IEEE – PESC Conference Record, pp 1033-1039, 1991 [10] J Dawidziuk, S Jalbrzykowski, and Z Prajs, “ An Analysis and Experimental Studies of Auxiliary Resonant Commutated Pole Inverters‟‟, IEEE Industrial Electronics Conference Proceeding, pp 780 – 785, 1993 76 Kết luận Kiến nghị [11] Todd D Batzel and Kipp Adams, “ Variable timing control for ARCP voltage source inverters operating at low DC voltage”, International Journal of Morden Engineering, vol 13, num2, Spring/Summer 2013 [12] T C Green and B W.Williams, “ Spectra of delta-sigma modulated inverters: An analytical treatment‟‟, IEEE Trans Power Electronics, vol 7, pp 644-654, October 1992 [13] A Mertens and H C Skudelny, “ Calculation on the spectral performance of discrete pluse modulation strategies‟‟, in IEEE Power Electronics Specialists Conf.Rec, pp 457-574, 1988 [14] G Venkataramanan and D M Divan, “ Pulse width modulation with resonant DC link converters‟‟, IEEE Trans Ind Appl, vol.29, pp 113-120, January/February 1993 [15] V G Agelidis, P.D Ziogas, and G Joos, “ An optimum modulation strategy for a novel „notch commutated 3-ϕ pwm inverter‟‟, IEEE Trans Ind Appl, vol.30, pp 52-61, January/February 1994 [16] J He and N Mohan, “ Parallel resonant DC link circuit – a novel zero switching loss topology with minimumvoltage stresses‟‟, IEEE Trans Power Electronics, vol.6, pp 687-694, October 1991 [17] J He and N Mohan, “ Zero-voltage-switching PWM inverter for high – frequency DC-AC power conversion‟‟, IEEE Trans Ind Appl, vol.29, pp 959-967, September/October 1993 [18] P.K Sood and T A Lipo, “ Power conversion distribution system using a high frequency AC link‟‟, IEEE - Las Annual Meeting Conf Record, pp 533-541, 1986 77 Kết luận Kiến nghị PHỤ LỤC Phụ lục 1: Tính tốn thời gian phát xung cho van ARCP pha function [S1,S2,A1,A2]= fcn(G,tt,t2,t3,t4,t5,t6,t7) t23=t2+t3 t234=t23+t4 t2345=t234+t5 t23456=t2345+t6 %CHUYEN MACH CUA CAC VAN BAN DAN if (G==1) if ((tt>=0)&(tt=t2)&(tt=t23)&(tt=(t234+t5/2))&(tt=t2345)&(tt=0)&(tt=t2)&(tt=t23+t4)&(tt=0)&(tt=t2)&(tt=t23)&(tt=(t234+t5/2))&(tt=t2345)&(tt=0)&(tt=t2)&(tt=t23+t4)&(tt=0)&(tt=t2)&(tt=t23)&(tt=(t234+t5/2))&(tt=t2345)&(tt=0)&(tt=t2)&(tt=t23+t4)&(tt=0)&(tt=t2)&(tt=t23)&(tt=(t234+t5/2))&(tt=t2345)&(tt=0)&(tt=t2)&(tt=t23+t4)&(tt