Nghiên cứu nghịch lưu đa bậc

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP.HCM - LÊ HOÀI THANH NGHIÊN CỨU NGHỊCH LƯU ĐA BẬC LUẬN VĂN THẠC SĨ Chuyên ngành: KỸ THUẬT ĐIỆN Mã ngành: 60520202 Tp Hồ Chí Minh 11/2015 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP.HCM - LÊ HOÀI THANH NGHIÊN CỨU NGHỊCH LƯU ĐA BẬC LUẬN VĂN THẠC SĨ Chuyên ngành: KỸ THUẬT ĐIỆN Mã ngành: 60520202 Cán hướng dẫn khoa học : PGS.TS NGUYỄN THANH PHƯƠNG Tp Hồ Chí Minh 11/2015 CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP HCM Cán hướng dẫn khoa học : PGS TS NGUYỄN THANH PHƯƠNG Luận văn Thạc sĩ bảo vệ Trường Đại Học Công nghệTP HCM ngày … tháng … năm 2015 Thành phần Hội đồng đánh giá Luận văn Thạc sĩ gồm: TT Họ tên Chức danh Hội đồng TS NGUYỄN HÙNG Chủ tịch TS ĐOÀN THỊ BẰNG Phản biện PGS.TS PHAN VIỆT ANH Phản biện PGS.TS LÊ CHÍ KIÊN TS.ĐINH HỒNG BÁCH Ủy viên Ủy viên, Thư ký Xác nhận Chủ tịch Hội đồng đánh giá Luận sau Luận văn sửa chữa (nếu có) Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV TRƯỜNG ĐH CƠNG NGHỆ TP.HCM CỘNG HỊA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM PHÒNG QLKH – ĐTSĐH Độc lập – Tự – Hạnh phúc NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên học viên: LÊ HOÀI THANH Giới tính: NAM Ngày, tháng, năm sinh: 21/10/1975 Nơi sinh: LONG AN Chuyên ngành:KỸ THUẬT ĐIỆN MSHV:1341830060 I- Tên đề tài: NGHIÊN CỨU NGHỊCH LƯU ĐA BẬC II- Nhiệm vụ nội dung: Nhiệm vụ Từ việc nghiên cứu tài liệu, đề tài cần mạch thực nghiệm để minh chứng cho kết nghiên cứu, đề tài cần mơ mạch Từ lắp mạch thực nghiệm cho thấy kết trình nghiên cứu Nội dung  Nghiên cứu dạng mạch nghịch lưu  Nghiên cứu phương pháp điều chế  Phân tích mạch nghịch lưu bậc dạng NPC  Dùng phần mềm Matlab mô mạch nghịch lưu bậc dạng NPC  Lắp mạch thực nghiệm mạch nghịch lưu bậc dạng NPC  So sánh, đánh giá dạng sóng mạch thực nghiệm so với kết mô , từ phân tích, cải thiện mạch để sóng ngõ có dạng sin III- Ngày giao nhiệm vụ: (Ngày bắt đầu thực LV ghi QĐ giao đề tài) IV- Ngày hoàn thành nhiệm vụ: 25/12/2015 V- Cán hướng dẫn:PGS TS NGUYỄN THANH PHƯƠNG CÁN BỘ HƯỚNG DẪN KHOA QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH (Họ tên chữ ký) PGS.TS NGUYỄN THANH PHƯƠNG i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu riêng Các số liệu, kết nêu Luận văn trung thực chưa công bố cơng trình khác Tơi xin cam đoan giúp đỡ cho việc thực Luận văn cảm ơn thơng tin trích dẫn Luận văn rõ nguồn gốc Học viên thực Luận văn LÊ HỒI THANH ii LỜI CẢM ƠN Trước hết, tơi xin chân thành cảm ơn Phòng Quản Lý Khoa Học Và Đào Tạo Sau Đại Học, Khoa Điện – Điện Tử, Trường Đại Học Công Nghệ TPHCM điều kiện cho học tập, tiếp cận với khoa học kỹ thuật làm việc với Thầy PGS TS Nguyễn Thanh Phương nhiệt tình giúp đỡ tơi thực đề tài luận văn tốt nghiệp Tôi chân thành cám ơn thầy, cô Trường Đại Học Công Nghệ HCM, Trường Đại Học Bách Khoa HCM tận tình giảng dạy, trang bị cho tơi kiến thức quý báu khóa học vừa qua Xin chân thành cảm ơn bạn học viên khóa giúp trao đổi kiến thức chuyên môn, tài liệu học tập Xin chân thành cảm ơn BGH, Thầy Cô Trường Cao Đẳng Nghề long an tạo điểu kiện vể thời gian, thiết bị nghiên cứu để tơi hồn thành luận văn Mặc dù tơi cố gắng hoàn thành luận văn phạm vi khả cho phép chắn không tránh khỏi thiếu sót Tơi kính mong nhận thơng cảm đóng góp ý kiến quý báo quý thầy cô bạn đồng nghiệp để luận văn hoàn thiện tốt Xin cám ơn iii TÓM TẮT Ngày nay, với phát triển mạnh mẽ điện tử công suất nên việc chế tạo linh kiện điện tử cơng suất lớn khơng cịn trở ngại Các linh kiện cơng suất có điện áp làm việc đến hàng nghìn vơn, cơng suất đến hàng kw Trong công nghiệp, kỹ thuật truyền động địi hỏi điều chỉnh tốc độ động phải xác, thiết bị nhỏ gọn, tổn thất điện năng, đạt hiệu cao Nguồn cấp cho động đưa vào mạch chỉnh lưu, nghịch lưu để biến đổi nguồn chiều thành nguồn xoay chiều cung cấp cho động Với nghịch lưu ta điều khiển tần số chúng nên tần số ngõ thay đổi làm tốc độ động thay đổi theo Bộ nghịch lưu phận chủ yếu biến tần, nghịch lưu nhiều ứng dụng khác máy hàn điện tử, nghịch lưu nguồn hệ thống pin mặt trời, nguồn UPS Bộ nghịch lưu sử dụng rộng rãi công nghiệp đời sống, tiêu chuẩn để đánh giá chất lượng nghịch lưu dạng sóng ngõ phải giống sin tốt Xuất phát từ yêu cầu luận văn tập trung vào việc nghiên cứu dạng mạch nghịch lưu, phương pháp điều chế dạng sóng, sau dùng phần mềm Matlab để mơ để từ điều chỉnh thông số mạch cho kết ngõ mạch nghịch lưu tốt Trong luận văn này, tập trung nghiên cứu, khảo sát lắp mạch thực nghiệm dạng NPC bậc, từ đánh giá kết nghiên cứu biện pháp khắc phục để dạng sóng ngõ đạt yêu cầu iv ABSTRACT Nowadays, with the strong development of power electronics to the manufacture of electronic components power no longer obstacles The power electronics work with working voltages up to thousands of voltages, power up to hundreds kW In industry, especially in technical control require adjusting the motor speed to be accurate, compact, low power loss, high efficiency The power of the motor is put into rectifier, inverters convert the direct current into alternating current power supply to the motor With this inverter, we can control the frequency of the output frequency, we should change the engine speed Inverters are an important component of the inverter, inverter in addition there are many other applications such as electronic welding machines, power inverters in solar systems, UPS power Inverter has been widely used in industry as well as in life, the criteria for assessing the quality of the inverter output waveform to be as similar as possible sin Starting from the requirements on, thesis focuses on the study of the form inverter circuit, waveform modulation methods, then use Matlab software simulate so that adjustment of circuit parameters that result lane out of the best inverter circuit In this thesis, focused research, survey and experimental circuit assembly NPC form places, from which evaluate research results and the corrective measures to waveform output desired unsatisfactory v MỤC LỤC Lời cam đoan i Lời cảm ơn ii Tóm tắt iii Mục lục v Danh mục từ viết tắt vi Danh mục biểu đồ, đồ thị, sơ đồ, hình ảnh vii Chương Mở đầu 1.1 Tỏng quan lĩnh vực nghiên cứu 1.2 Tính cấp thiết đề tài, ý nghĩa khoa học thực tiễn đề tài 1.3 Mục đích đề tài 1.4 Nhiệm vụ giới hạn đề tài: 1.5 Phương pháp nghiên cứu 1.6 Điểm đề tài: 1.7 Giá trị thực tiễn đề tài: Chương I Tổng quan nghịch lưu nghịch lưu đa bậc Sự cần thiết nghịch lưu Bộ nghịch lưu 2.1 Bộ nghịch lưu trực tiếp 2.2 Bộ nghịch lưu gián tiếp 13 3.Bộ nghịch lưu đa bậc 18 3.1 Giới thiệu 18 3.2 Phân tích nghịch lưu áp đa bậc 27 Chương II Kỹ thuật điều chế 32 1.Phương pháp điều chế sóng mang 32 1.1 Phương pháp điều chế độ rộng xung sin 32 1.2 Phương pháp điều chế độ rộng xung cải biến 34 Điều chế vectơ không gian PWM 35 2.1 Khái niệm vectơ không gian 35 2.2 Vector không gian nghịch lưu áp đa bậc 36 Chương III Kết mô 44 vi 1.Giới thiệu Matlab 44 2.Mơ hình hóa mạch 45 Kết mô 47 Chương IV Kết thực nghiệm 52 Giới thiệu kit STM32F4 52 Sơ đồ mạch động lực 59 Kết thực nghiệm 64 Chương V Đánh giá hướng phát triển đề tài 65 Tài liệu tham khảo 66 41 Hình 3.6 Điện áp pha - tâm nguồn DC Hình 3.7 Điện áp pha tải pha 42 Hình 3.8 Điện áp pha tải sau qua lọc thơng thấp Hình 3.9 Dịng điện tải pha Đá iá kết ả mô p ỏ - Trong q trình mơ nghịch lưu đa bậc, nghịch lưu có số bậc cao đáp ứng điện áp tải, dịng điện méo dạng dạng sóng gần sin - Tần số sóng mang cao méo dạng giảm ngược lại, nhiên tần số sóng mang cao tổn thất cơng suất van tăng lên - Sóng hài bậc cao cịn tồn tại, tần số sóng mang lớn sóng hài giảm - Điện áp pha tâm nguồn DC pha khác - Phần đầu mơ dịng tải pha méo dạng lớn trinh độ nên chưa xác lập - Trong chu kì khoảng đóng ngắt nghịch lưu cầu pha tương đối Qua kết mô ta thấy phù hợp với yêu cầu đặt mạch nghịch lưu năm bậc dạng NPC 43 CHƯƠNG IV KẾ QUẢ HỰC NGHIỆM Giới t iệ c rd S M32F4 STM32 chip ST, dựa lõi ARM Cortex-M Dòng ARM Cortex™-M hệ mới, thiết lập tiêu chuẩn hiệu suất, chi phí, ứng dụng cho thiết bị cần tiêu thụ lượng thấp, đáp ứng yêu cầu thời gian thực khắc khe Hình 4.1 Biểu đồ phát triển dịng ARM Ứ dụ S M32: Hình 4.2 Ứng dụng STM Ứng dụng rộng : từ điện tử dân dụng (tivi, đầu máy, máy giặt ), xe đời mới, game, mobile, laptop chỗ ARM có mặt í ă i bật: -Tiêu thụ lượng cực thấp: 44 -Hiệu suất cực cao: - Coding cực dễ: -Với đồ sộ ngoại vi (GPIO, I2C, SPI, ADC, USB, Ethernet, CAN ), ST cung cấp cho thư viện trực tiếp cho dòng ARM (gọi CMSIS - Cortex Microcontroller Software Interface Standard), nhiệm vụ dễ dàng hơn: khai báo sử dụng mà Giá tiền cực rẻ: STM32F100x giá khoảng 29 usd mà STM32F100x chạy tốc độ 24Mhz Cấu trúc STM32F4 Hình 4.3 Cấu trúc STM32F4 45 Hình 4.4 Kit STM32F4 46 Hình 4.5 Sơ đồ bố trí STM32F4 Thơng số kit STM32F4 - STM 32F4 giúp khám phá cấu trúc phát triển ứng dụng Nó phát triển dựa STM32F407VGT6 ST LINK/V2 thêm vào công cụ khắc phục lỗi giao tiếp STM MEMS đo tốc độ số, micro số, mạch DAC âm thanh, nút nhấn, LEDs cổng micro USB - STM32F4 có giá thành thấp, dễ vận chuyển dễ dàng phát triển ứng dụng từ kit vi điều khiển Cấu trúc hệ thống : Window pc (xp, vista, ) USB loai A micro USB 47 ô số kỹ t ật củ S M32F4 Datasheets STM32F405/407xx STM32F4 Series Brochure Category Integrated Circuits (ICs) Family Embedded - Microcontrollers Series STM32 F4 Packaging Tray Core Processor ARM® Cortex®-M4 Core Size 32-Bit Speed 168MHz Connectivity CAN, DCMI, EBI/EMI, Ethernet, I²C, IrDA, LIN, SPI, UART/USART, USB OTG Peripherals Brown-out Detect/Reset, DMA, I²S, LCD, POR, PWM, WDT Number of I/O 82 Program Memory Size Program Memory Type 1MB (1M x 8) FLASH EEPROM Size RAM Size 192K x Voltage - Supply (Vcc/Vdd) 1.8 V ~ 3.6 V Data Converters A/D 16x12b, D/A 2x12b Oscillator Type Internal Operating -40°C ~ 85°C 48 Temperature Package / Case 100-LQFP Supplier Device Package 100-LQFP (14x14) Dynamic Catalog STM32 F4 Series Kit thiết kế với 1MB nhớ flash, 192 KB nhớ RAM đóng vỏ theo lqfp100 Trên bo, ST LINK/V2 có cơng tắc chọn kit làm việc độc lập Nguồn cung cấp cho bo cung cấp qua cổng USB nguồn 5V bên ngồi Hai phím ấn ( dành cho người sử dụng reset ) 49 Sơ đồ mạc độ ực Hình 4.6 Sơ đồ mạch động lực 50 Sơ đồ mạch in : Hình 4.7 Sơ đồ mạch in mạch động lực Một số hình ảnh phần cứng mạch nghịch lưu bậc NPC Hình 4.8 Mạch Kit STM32F4 51 Hình 4.9 Mạch đệm xung kích Hình 4.10 Mạch nguồn cấp mạch động lực 52 Hình 4.11 Mạch cơng suất pha Hình 4.12 Sơ đồ kết nối mạch nghịch lưu 53 Hình 4.13 Sơ đồ kết nối mạch nghịch lưu kết nối với tải 3.Kết ả t ực iệm: Hiện tại, mạch thực nghiệm hoàn thiện phần cứng, kết nối kit STM với máy tính, mạch hoạt động đạt so với yêu cầu luận, nhiên trình thi cơng mạch gặp nhiều trở ngại xung kích bị nhiễu, chưa khảo sát hết dạng tải khác để đánh giá chất lượng sau Hình 4.14 Dạng sóng tâm DC với tải 54 CHƯƠNG V ĐÁNH GIÁ VÀ HƯỚNG PHÁ RIỂN ĐỀ ÀI - Mạch thực nghiệm hoạt động yêu cầu đặt ra, từ giúp tác giả hiểu rõ mach nghịch lưu đa bậc, đặc biệt việc lắp mạch thực nghiệm năm bậc Qua thấy giải thuật điều chế nguyên lý mạch nghịch lưu đa bậc, từ giúp tác giả có thêm nhiều kiến thức lĩnh vực điện tử công suất đặc biệt ứng dụng điện tử công suất lĩnh vực nghịch lưu - Về hoạt động mạch thực nghiệm mạch hoạt động tốt, dạng sóng ngõ mạch nghịch lưu đạt theo yêu cầu Trong thời gian lại thời gian tới, tác giả tiếp tục nghiên cứu hoàn thiện mạch để mạch hoạt động tốt Hướ p át triể đ tài - Nghiên cứu mạch nghịch lưu có số bậc cao để dạng sóng ngõ sin - Nghiên cứu biện pháp triệt áp common, triệt nhiễu dạng sóng ngõ - Nghiên cứu giảm công suất tổn hao van 55 ÀI LIỆU HAM KHẢO TS Nguyễn Văn Nhờ, “ Điện Tử Công Suất ’’, Nhà xuất Đại học quốc gia Tp.Hồ Chí Minh – 2003 Trần văn Trọng Giáo trình điện tử cơng nghiệp 3.Lê Minh Phương, Phan Quốc Dũng, “Mô Điện tử công suất MatladSimulink’’, Nhà xuất Đại học quốc gia Tp Hồ Chí Minh – 2011 Điện tử cơng suất & điều khiển động điện Cyril W Lander Naumanen, V.; Luukko, J.; Itkonen, T.; Pyrhönen, O & Pyrhönen, J (2009), "Modulation technique for series-connected H-bridge multilevel converters with equal load sharing", IET Power Electronics, vol 2, pp 275–286 Naumanen, V.; Luukko, J.; Silventoinen, P.; Pyrhönen, J.; Sarén, H & Rauma, K (2009), "Compensation of Unequal Voltages in the DC links of a Multilevel SeriesConnected HBridge Inverter", In proceedings of the 35th Annual Conference of the IEEE Industrial Electronics Society, IECON 2009 Naumanen, V.; Luukko, J.; Silventoinen, P.; Pyrhönen, J.; Sarén, H & Rauma, K (2010),"Compensation of DC Link Voltage Variation of a Multilevel SeriesConnected H-Bridge Inverter", IET Power Electronics, Accepted for publication Naumanen, V.; Luukko, J.; Pyrhönen, J & Silventoinen, P (2009), "Analysis of dynamic ... quan nghịch lưu nghịch lưu đa bậc Sự cần thiết nghịch lưu Bộ nghịch lưu 2.1 Bộ nghịch lưu trực tiếp 2.2 Bộ nghịch lưu gián tiếp 13 3.Bộ nghịch lưu đa bậc. .. Kết nghiên cứu sở khoa học để giải vấn đề tối ưu hoá mạch nghịch lưu đa bậc thực tế 6 - Xây dựng mơ hình nghịch lưu đa bậc bản, tăng số bậc nghịch lưu có khả chuyển sang cấu hình nghịch lưu. .. điện, tương ứng ta có nghịch lưu áp nghịch dòng Các nghịch lưu tương ứng gọi nghịch lưu áp nguồn áp nghịch lưu dòng nguồn dòng gọi tắt nghịch lưu áp nghịch lưu dòng Các nghịch lưu phận chủ yếu cấu