Study on PWM method and tolerant for t type three level in case of open switch fault

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HCM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ĐINH PHI HOÀNG LONG NGHIÊN CỨU KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ KHẢ NĂNG CHỊU LỖI TRONG TRƯỜNG HỢP BỘ NGHỊCH LƯU BA BẬC DẠNG T BỊ SỰ CỐ HỞ MẠCH Chuyên ngành: Mã số: KỸ THUẬT ĐIỆN 60520202 LUẬN VĂN THẠC SĨ TP HỒ CHÍ MINH, tháng 06 năm 2019 CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA –ĐHQG -HCM Cán hướng dẫn khoa học: PGS.TS Nguyễn Đình Tuyên Cán chấm nhận xét : (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị chữ ký) Cán chấm nhận xét : (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị chữ ký) Luận văn thạc sĩ bảo vệ Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp HCM ngày tháng năm Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm: (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị Hội đồng chấm bảo vệ luận văn thạc sĩ) Xác nhận Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV Trưởng Khoa quản lý chuyên ngành sau luận văn sửa chữa (nếu có) CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG TRƯỞNG KHOA………… ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập - Tự - Hạnh phúc NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên học viên: Đinh Phi Hoàng Long MSHV: 1670810 Ngày, tháng, năm sinh: 29/12/1987 Nơi sinh: TP Hồ Chí Minh Chuyên ngành: Kỹ thuật điện Mã số : 60520202 I TÊN ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ KHẢ NĂNG CHỊU LỖI TRONG TRƯỜNG HỢP BỘ NGHỊCH LƯU BA BẬC DẠNG T BỊ SỰ CỐ HỞ MẠCH II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG: - Tìm hiểu nghịch lưu ba bậc dạng T - Kỹ thuật điều chế vector không gian cho nghịch lưu ba bậc dạng T - Kỹ thuật điều chế điều chế vector không gian trường hợp cố hở mạch - Mô hoạt động nghịch lưu -Thiết kế mơ hình nghịch lưu ba bậc dạng T thực nghiệm DSP TMS320F28377S III NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : 06/01/2019 IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 02/06/2019 V CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: PGS TS Nguyễn Đình Tuyên Tp HCM, ngày tháng năm 20 CÁN BỘ HƯỚNG DẪN (Họ tên chữ ký) CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO (Họ tên chữ ký) TRƯỞNG KHOA….……… (Họ tên chữ ký) LỜI CÁM ƠN  Tôi xin gửi đến Thầy Nguyễn Đình Tun kính trọng lịng biết ơn sâu sắc Cảm ơn Thầy giảng dạy kiến thức kinh nghiệm cung cấp tài liệu để tơi hồn thành luận văn Thầy tạo điều kiện tốt để nghiên cứu, nâng cao kiến thức tiếp cận phương pháp nghiên cứu khoa học Thật vinh dự tự hào học tập làm việc Thầy suốt thời gian qua Tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành đến quý Thầy, Cô PTN Nghiên cứu Điện tử công suất, môn Cung cấp điện, Khoa Điện – Điện tử Trường Đại Học Bách Khoa Tp Hồ Chí Minh nâng đỡ dìu dắt, truyền đạt cho tơi kiến thức kinh nghiệm q báu suốt q trình tơi học tập trường Tôi xin cảm ơn giúp đỡ anh chị em PTN Nghiên cứu điện tử công suất – 115B1, bạn cao học đồng hành, hỗ trợ, chia sẻ giúp đỡ tơi hồn thành luận văn Cuối quan trọng tơi gia đình tôi, nguồn động lực, chổ dựa vững để tơi vượt qua khó khăn hạn chế thân Cám ơn bố, mẹ hiểu, định hướng, giúp đỡ tạo điều kiện thuận lợi cho theo đuổi đam mê Tp Hồ Chí Minh, tháng 06 năm 2019 Đinh Phi Hồng Long TĨM TẮT LUẬN VĂN Nội dung luận văn nghiên cứu phương pháp điều chế vector không gian để điều khiển cho nghịch lưu ba bậc dạng T đồng thời đưa phương pháp điều chế trường hợp bị cố hở mạch Trong luận văn, nghịch lưu ba bậc dạng T hoạt động tình trạng có cố phân tích đề xuất kỹ thuật điều chế cho nghịch lưu tiếp tục hoạt động xảy cố hở mạch Phương pháp điều chế đề xuất đơn giản mà khơng cần tính tốn phức tạp Phương pháp phân tích, tính tốn kiểm chứng thông qua mô thực nghiệm Nội dung luận văn thể qua chương Chương 1: Giới thiệu tổng quan đề tài Chương 2: Bộ nghịch lưu ba bậc dạng T Chương 3: Kỹ thuật điều chế vector khơng gian sóng mang cho nghịch lưu ba bậc dạng T Chương 4: Phân tích nghịch lưu ba cấp kiểu T lỗi khóa hở mạch Chương 5: Phương pháp điều khiển chiụ lỗi xảy lỗi hở mạch khóa Chương 6: Mô nghịch lưu ba bậc dạng T Chương 7: Thực nghiệm nghịch lưu ba bậc dạng T ABSTRACT This thesis presents the space vector modulation for T-Type three-level inverter uder normal and open-fault conditions The open-fault of T-Type three-level inverter is analyzed and the PWM method is proposed to control the inverter even though the switch is fault The proposed method is simple based on the SVPWM for the conventional T-Type three-level inverter First, the theory analyses are considered Hence, some simulation results are provided to verify the theory Finally, an experimental setup was built in laboratory and some experimental results are shown to validate the simulation results LỜI CAM ĐOAN Tác giả xin cam đoan cơng trình nghiên cứu thân tác giả Các kết nghiên cứu kết luận nêu luận văn trung thực, không chép từ nguồn hình thức Việc tham khảo tài liệu thực trích dẫn ghi nguồn tài liệu tham khảo theo yêu cầu Tác giả luận văn Đinh Phi Hoàng Long MỤC LỤC CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 Lý chọn đề tài 1.2 Mục tiêu đề tài 1.3 Phạm vi phương pháp nghiên cứu 1.4 Ý nghĩa khoa học 1.5 Ý nghĩa thực tiễn 1.6 Bố cục luận văn CHƯƠNG 2: BỘ NGHỊCH LƯU BA BẬC DẠNG T 2.1 Tổng quan nghịch lưu 2.1.1 Giới thiệu nghịch lưu 2.1.2 Phân loại nghịch lưu 2.2 Bộ nghịch lưu ba bậc dạng T 2.2.1 Cấu hình nghịch lưu ba bậc dạng T 2.2.2 Trạng thái đóng ngắt 11 2.3 Nhận xét 13 CHƯƠNG 3: KỸ THUẬT ĐIỀU CHẾ VECTOR KHÔNG GIAN CHO BỘ NGHỊCH LƯU BA BẬC DẠNG T 14 3.1 Giới thiệu 14 3.1.1 Khái niệm vector không gian phép biến đổi vector không gian 14 3.1.2 Vector không gian nghịch lưu ba bậc dạng T: 16 3.2 Phương pháp điều chế vector không gian (SVPWM) 20 3.3 Nhận xét 31 CHƯƠNG 4: PHÂN TÍCH BỘ NGHỊCH LƯU BA CẤP KIỂU T-TYPE TRONG LỖI KHÓA HỞ MẠCH 32 4.1 Lỗi làm thay đổi dòng pha điện áp đầu 32 4.2 Lỗi làm thay đổi điện áp điểm trung tính 36 4.3 Phương pháp xác định khóa hở mạch 39 CHƯƠNG 5: PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN CHỊU LỖI KHI XẢY RA LỖI HỞ MẠCH TRÊN KHÓA CHUYỂN MẠCH 41 Phương pháp điều khiển chịu lỗi: 41 5.1 Lỗi xảy khóa nửa cầu (Sx1 Sx4) 41 5.2 Lỗi xảy khóa trung tính (Sx2 Sx3) 58 CHƯƠNG 6: MÔ PHỎNG BỘ NGHỊCH LƯU BA BẬC DẠNG T 66 6.1 Bộ nghịch lưu ba bậc dạng T 66 6.1.1 Sơ đồ mô 66 6.1.2 Kết mô 69 6.2 Nhận xét 77 CHƯƠNG 7: THỰC NGHIỆM BỘ NGHỊCH LƯU BA BẬC DẠNG T 78 7.1 Phương pháp thực nghiệm 78 7.2 Mơ hình thực nghiệm 78 7.2.1 Mạch nguồn DC 80 7.2.2 Mạch điều khiển 82 7.2.3 Mạch lái 84 7.2.4 Mạch công suất 86 7.3 Thực nghiệm 90 7.3.1 Bộ nghịch lưu ba bậc dạng T 90 7.4 Nhận xét 96 KẾT LUẬN 97 TÀI LIỆU THAM KHẢO 98 LÝ LỊCH TRÍCH NGANG 99 DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 2.1: Bộ nghịch lưu diode kẹp NPC sáu bậc Hình 2.2: Bộ nghịch lưu dạng tụ điện kẹp Hình 2.3: Bộ nghịch lưu cascade chín bậc Hình 2.4: Cấu hình nghịch lưu ba bậc dạng T Hình 3.1: Các vector khơng gian nghịch lưu ba bậc 17 Hình 3.2: Vector khơng gian trạng thái đóng ngắt nghịch lưu ba bậc 20  Hình 3.3: Hình vector m1 m2 Vref tam giác lớn 22 Hình 3.4: Vector khơng gian thời gian tồn chúng 24 Hình 3.5: Trình tự đóng ngắt khóa I-1 chu kỳ đóng ngắt 29 Hình 3.6: Trạng thái đóng ngắt khóa I-2 chu kỳ đóng ngắt 30 Hình 3.7: Trạng thái đóng ngắt khóa I-3 chu kỳ đóng ngắt 30 Hình 3.8: Trạng thái đóng ngắt khóa I-4 chu kỳ đóng ngắt 31 Hình 4.1 Hướng dịng điện điều kiện bình thường trường hợp khóa Sa1 lỗi 33 Hình 4.2 Hướng dịng điện điều kiện bình thường trường hợp khóa Sa2 lỗi 34 Hình 4.3 Hướng dịng điện điều kiện bình thường trường hợp khóa Sa3 lỗi 35 Hình 4.4 Hướng dịng điện điều kiện bình thường trường hợp khóa Sa3 lỗi 36 Hình 4.5 cho ta thấy dịng pha ngõ trường hợp bình thường 38 Hình 4.6 cho ta thấy dịng pha ngõ trường hợp lỗi khóa Sa1 38 Hình 4.7 cho ta thấy dịng pha ngõ trường hợp lỗi khóa Sa2 38 Hình 4.8 cho ta thấy dịng pha ngõ trường hợp lỗi khóa Sa3 39 Hình 4.9 cho ta thấy dịng pha ngõ trường hợp lỗi khóa Sa4 39 Hình 5.1 Sơ đồ vector khơng gian cho điều khiển chịu lỗi lỗi mở mạch xảy Sx1 Sx4 41 Hình 5.2 Hình vector m1, m2 Vref vùng 42 Hình 7.7: Sơ đồ khối mạch lái Mạch lái thiết kế gồm ngõ vào PWM từ mạch điều khiển ngõ kích cho mạch công suất Bộ nghịch lưu ba bậc dạng T cần 12 xung kích cho IGBT, ta cần đến hai mạch lái ghép lại với hình 7.7 85 Hình 7.8: Mạch lái thực tế 7.2.4 Mạch cơng suất Bộ nghịch lưu ba bậc NPC gồm FMG2G75US60 SK60GM123 hãng Fairchild Semiconductor SEMIKRON có thơng số bảng 7.2 bảng 7.3 86 Bảng 7.2: Thơng số kỹ thuật FMG2G75US60 Hình 7.9: Sơ đồ bên FMG2G75US60 87 Bảng 7.3: Thông số kỹ thuật SK60GM123 Hình 7.10: Sơ đồ SK60GM123 88 Hình 7.11: Mơ hình nghịch lưu ba bậc dạng T 7.2.5 Tải ba pha R-L Mỗi pha tải gồm điện trở R = 10Ω cuộn cảm L = 240mH mắc nối tiếp Tải ba pha mắc kiểu Y hình 7.12 89 Hình 7.12: Tải pha R-L mắc Y 7.3 Thực nghiệm Để kiểm chứng lại kết mô đạt chương 6, ta tiến hành làm thực với thông số thực nghiệm thông số mô 7.3.1 Bộ nghịch lưu ba bậc dạng T Bảng 7.4: Thông số thực nghiệm cho nghịch lưu ba bậc dạng T Tần số đóng ngắt 10 kHz Điện áp DC ngõ vào 50 V C1 2200 F C2 2200 F R 10 Ohm L 240 mH Tần số ngõ 50 Hz Chỉ số điều chế ma 0.7 90 a Phương pháp điều chế vector khơng gian  Lưu đồ giải thuật Hình 7.13: Lưu đồ giải thuật phương pháp điều chế vector khơng gian 91 Hình 7.14: Lưu đồ giải thuật phương pháp điều chế vector không gian điều khiển chịu lỗi 92  Kết thực nghiệm Hình 7.3: Điện áp dây VAB dòng điện qua tải theo phương pháp điều chế vector khơng gian (10V/div, 5ms/div) Hình 7.2: Điện áp pha VAO dòng điện qua tải theo phương pháp điều chế vector không gian (5V/div, 5ms/div) 93 a Khi xảy lỗi hở mạch pha A Hình 7.3: Điện áp dây dòng điện qua tải trường hợp xảy lỗi hở mạch Sa1 (5V/div, 5ms/div) Hình 7.4 Điện áp pha dòng điện qua tải trường hợp xảy lỗi hở mạch Sa1 (5V/div, 20ms/div) 94 Hình 7.5: Điện áp dây VAB dòng điện qua tải trường hợp điều khiển chịu lỗi hở mạch Sa1, Sa4 (20V/div,5ms/div) Hình 7.20: Điện áp pha VAO dịng điện qua tải trường hợp điều khiển chịu lỗi hở mạch Sa1, Sa4 (20V/div,5ms/div) 95 Hình 7.21: Điện áp pha VAB dòng điện qua tải trường hợp điều khiển chịu lỗi hở mạch Sa2, Sa3 (20V/div,5ms/div) 7.4 Nhận xét - Kết thực nghiệm kết mô tương đối giống Tuy nhiên ảnh hưởng thiết bị đo nên dịng điện qua tải có độ nhấp nhô nhiều so với kết mô -Nên cải thiện mơ hình thực nghiệm để cải thiện chất lượng dòng điện điện áp ngõ 96 KẾT LUẬN Kết luận  Đề tài giới thiệu cấu hình nguyên lý hoạt động nghịch lưu ba bậc dạng T có nhánh bị cố hở mạch  Đề tài trình bày phương pháp điều chế vector không gian để điều khiển nghịch lưu ba bậc dạng T  Đề tài trình bày phương pháp điều chế vector không gian để điều khiển nghịch lưu ba bậc dạng T bị cố hở mạch  Các phương pháp mô thực nghiệm để đánh giá, chứng minh tính đắn đề tài  Các kết đạt trình thực đề tài liệu đầu vào đáng tin cậy cho nghiên cứu sau Hướng phát triển đề tài  Ứng dụng điều khiển động để chế tạo biến tần ba pha thực tế  Kết hợp biến đổi điện áp chiều kết hợp với nghịch lưu để sử dụng điện mặt trời cho ứng dụng công suất lớn  Nghiên cứu vấn đề cân điện áp tụ sử dụng nguồn DC 97 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Nguyễn Văn Nhờ, “Điện tử công suất 1”, NXB Đại học Quốc gia Tp Hồ Chí Minh, 2008 [2] Lê Minh Phương, Phan Quốc Dũng, “Mô Điện tử công suất MATLAB/SIMULINK”, NXB Đại học Quốc gia Tp Hồ Chí Minh, 2011 [3] M Schweizer, and J W Kolar, “Design and Implementation of a Highly Efficient Three-level T-type Converter for LowVoltage Application,” IEEE Transaction on Power Electronics, vol 28, no 2, pp 1504-1511, Feb 2013 [4] U M Choi, H G Jeong, K B Lee, and F Blaabjerg, “Method for detecting an open-switch fault in a grid-connected NPC inverter system,” IEEE Trans Power Electron., vol 27, no 6, pp 2726–2739, Jun 2012 [5] U M Choi and K B Lee, “Detection method of an open-switch fault and fault- tolerant strategy for a grid-connected T-type three-level inverter system,” in Conf Rec ECCE, 2012, pp 4188–4195 [6] U M Choi, K B Lee, and F Blaabjerg, “Diagnosis method of an openswitch fault for a grid-connected T-type three-level inverter system,” in Conf Rec PEDG, 2012, pp 470–475 [7] U M Choi, K B Lee and Frede Blaabjerg, “Diagnosis and Tolerant Strategy of an Open-Switch Fault for T-type ThreeLevel Inverter Systems ,” IEEE Transactions on Industry Applications, vol 50, no 1, Jan./Feb 2014 [8] J C Lee, T J Kim, D W Kang, and D S Hyun, “A control method for improvement of reliability in fault tolerant NPC inverter system,” in Proc Power Electron Spec Conf., Jun 2006, pp 1–5 98 LÝ LỊCH TRÍCH NGANG Họ tên: Đinh Phi Hồng Long Ngày, tháng, năm sinh: 29/12/1987 Nơi sinh: TP Hồ Chí Minh Địa liên lạc: 860/26/6, KP3, PTân Phú, Quận 7, TP Hồ Chí Minh Email: dinhphihoanglong@gmail.com Phone: 0903872760 QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO 2007-2012: Trường Đại Học Kỹ Thuật Cơng Nghệ TP Hồ Chí Minh 2016-2018: Trường Đại Học Bách Khoa Tp HCM Q TRÌNH CƠNG TÁC 2012-nay: Cơng ty thí Nghiệm Điện Miền Nam 99 ... open- fault of T- Type three- level inverter is analyzed and the PWM method is proposed to control the inverter even though the switch is fault The proposed method is simple based on the SVPWM for the conventional... dạng T Chương 7: Thực nghiệm nghịch lưu ba bậc dạng T ABSTRACT This thesis presents the space vector modulation for T- Type three- level inverter uder normal and open- fault conditions The open- fault. .. conventional T- Type three- level inverter First, the theory analyses are considered Hence, some simulation results are provided to verify the theory Finally, an experimental setup was built in laboratory