Mô phỏng và thiết kế bộ nghịch lưu ba pha split source

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA NGUYỄN HỒNG THIỆN MƠ PHỎNG VÀ THIẾT KẾ BỘ NGHỊCH LƢU BA PHA SPLIT - SOURCE Chuyên ngành : KỸ THUẬT ĐIỆN Mã số : 60520202 LUẬN VĂN THẠC SĨ TP HỒ CHÍ MINH ,tháng 12 năm 2018 Cơng trình đƣợc hồn thành : Trƣờng Đại Học Bách Khoa – ĐHQG-HCM Cán hƣớng dẫn khoa học : PGS.TS NGUYỄN ĐÌNH TUYÊN Cán chấm nhận xét 1: TS HUỲNH VĂN VẠN Cán chấm nhận xét 2: TS HUỲNH QUỐC VIỆT Luận văn thạc sĩ đƣợc bảo vệ Trƣờng Đại Học Bách Khoa, ĐHQG Tp HCM ngày …5… tháng …1…năm…2019 Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm: PGS.TS HỒ VĂN NHẬT CHƢƠNG PGS.TS QUYỀN HUY ÁNH TS HUỲNH QUỐC VIỆT TS HUỲNH VĂN VẠN TS LÊ THỊ TỊNH MINH Xác nhận Chủ tịch Hội đồng đánh giá Luận Văn Trƣởng Khoa quản lý chuyên ngành sau luận văn đƣợc sửa chữa (nếu có) CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG TRƢỞNG KHOA ĐIỆN-ĐIỆN TỬ ĐẠI HỌC QUỐC GIA TPHCM CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Độc Lập-Tự Do-Hạnh Phúc NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên học viên : Nguyễn Hoàng Thiện MSHV: 1570874 Ngày, tháng, năm sinh: 30/12/1992 Nơi sinh: Long An Chuyên ngành: Kỹ Thuật Điện Mã số: 60520202 I.TÊN ĐỀ TÀI: MÔ PHỎNG VÀ THIẾT KẾ BỘ NGHỊCH LƢU BA PHA SPLIT-SOURCE II.NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG - Tìm hiểu nghịch lƣu ba pha Split-Source, - Kỹ thuật điều chế SinPWM, Third Harmonic PWM Bias Third Harmonic PWM cho nghịch lƣu ba pha Split-Source - Thiết kế nghịch lƣu ba pha Split-Source thực nghiệm DSP TMS320F28379D III.NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : 20/2/1018 IV.NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 10/12/2018 V.CÁN BỘ HƢỚNG DẪN: PGS.TS NGUYỄN ĐÌNH TUYÊN Tp HCM, ngày tháng năm 20 CÁN BỘ HƢỚNG DẪN CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO TRƢỞNG KHOA ĐIỆN-ĐIỆN TỬ LỜI CẢM ƠN Xin đƣợc gửi đến Thầy Nguyễn Đình Tuyên lịng biết ơn kính trọng sâu sắc Cám ơn Thầy cung cấp tài liệu, kiến thức kinh nghiệm để tơi hồn thành luận văn Thầy tạo điều kiện để nghiên cứu, nâng cao kiến thức tiếp cận phƣơng pháp nghiên cứu khoa học Đó niềm vinh dự tự hào đƣợc 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 Trƣờng Đại Học Bách Khoa Tp Hồ Chí Minh nâng đỡ dìu dắt, truyền đạt cho tơi kiến thức kinh nghiệm quý báu suốt trình tơi học tập trƣờng Đồng thời xin đƣợc ghi nhớ tình cảm 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 tơi, nguồn động lực, điểm tựa để tơi vƣợt qua hạn chế thân Cám ơn bố, mẹ hiểu, định hƣớng, giúp đỡ tạo điều kiện thuận lợi cho theo đuổi đam mê Tp Hồ Chí Minh, tháng 12 năm 2018 Nguyễn Hồng Thiện TĨM TẮT LUẬN VĂN Nội dung luận văn dựa việc sử dụng báo tạp chí IEEE để thiết kế thực nghiệm nghịch lƣu ba pha Split-Source (SSI) để tăng điện áp ngõ vào, cấu trúc có số lƣợng khố nhƣ nghịch lƣu thơng thƣờng thêm ba đi-ơt bổ sung tám trạng thái đóng ngắt Luận văn phân tích nghịch lƣu SSI thực phƣơng pháp điều chế khác để so sánh với nghịch lƣu thông thƣờng nghịch lƣu nguồn Z Xác minh thực nghiệm tải pha ABSTRACT The main content of the thesis is based on the use article of the IEEE to design and test a three-phase Split-Source Inverter (SSI) to increase the input voltage, the structure has the same number of keys as the inverter normally adds three additional diodes and eight switching states This thesis analyzes the SSI inverter and performs various modulation methods for comparison with conventional inverters and Z- source inverters Experimental verification on three-phase loads LỜI CAM ĐOAN Tác giả xin cam đoan công trình nghiên cứu thân tác giả Các kết nghiên cứu kết luận nêu luận văn trung thực Việc tham khảo tài liệu đƣợc thực trích dẫn ghi nguồn tài liệu tham khảo theo yêu cầu MỤC LỤC CHƢƠNG 1: GIỚI THIỆU TỔNG QUAN ĐỀ TÀI 1.1 Lý chọn đề tài .1 1.2 Mục tiêu đề tài: 1.3 Phạm vi phƣơng pháp nghiên cứu: 1.4 Cấu trúc luận văn: CHƢƠNG 2: BỘ NGHỊCH LƢU ÁP BA PHA (VSI), Z-SOURCE (ZSI) VÀ SPLIT-SOURCE (SSI) 2.1 Bộ nghịch lƣu áp pha VSI .3 2.1.1 Cấu hình nghịch lƣu áp ba pha VSI 2.1.2 Các trạng thái đóng ngắt 2.2 Bộ nghịch lƣu ba pha Z-Source .5 2.2.1 Cấu hình nghịch lƣu Z-Source 2.2.2 Xây dựng phƣơng trình tốn cho nghịch lƣu Z – Source 2.3 Bộ nghịch lƣu ba pha Split-Source 2.3.1 Giới thiệu cấu hình nghịch lƣu Split-Source 2.3.2 Nguyên lý hoạt động nghịch lƣu ba pha Split-Source .8 CHƢƠNG 3: CÁC KỸ THUẬT ĐIỀU CHẾ CHO BỘ NGHỊCH LƢU BA PHA SPLIT-SOURCE 11 3.1 Phƣơng pháp điều rộng xung Sin 11 3.2 Kỹ thuật SPWM thêm thành phần Hài bậc ba (Third-Harmonic injected PWM –THPWM) 13 3.3 Kỹ thuật Bias TH-PWM (BTHPWM) 16 3.4 Xây dựng phƣơng trình tốn học cho nghịch lƣu ba pha SSI .17 3.4.1 Sử dụng phƣơng pháp SPWM .17 3.4.2 Sử dụng kỹ thuật TH-SPWM 19 3.4.3 Sử dụng kỹ thuật BTH-PWM 21 3.5 Dòng điện điện áp stress 22 CHƢƠNG 4: MÔ PHỎNG BỘ NGHỊCH LƢU BA PHA SÁU KHOÁ VSI, Z-SOURCE VÀ SPLIT-SOURCE 23 4.1 Mô nghịch lƣu ba pha VSI 23 4.1.1 Sơ đồ mô .23 4.1.2 Kết mô 24 4.2 Mô nghịch lƣu ba pha Z-Source (ZSI) 25 4.2.1 Simple boost control (SBC) 25 4.2.1.1 Sơ đồ mô ZSI-Single Boost Control (ZSI-SBC) 26 4.2.1.2 Kết mô ZSI-Simple Boost control 27 4.2.2 Maximum boost control (MBC) 28 4.2.2.1 Sơ đồ mô ZSI- Maximum boost control 28 4.2.2.2 Kết mô ZSI-Maximum boost control .29 4.2.3 Maximum constant boost control (MCBC) 30 4.2.3.1 Sơ đồ mô ZSI- MCBC .31 4.2.3.2 Kết mô ZSI Maximum constant boost control 32 4.3 Kết sau mô nghịch lƣu ba pha ZSI 33 4.4 Tính tốn thơng số mơ nghịch lƣu ba pha Split-Source 36 4.4.1 Tính tốn thơng số mơ .36 4.4.2 Mô nghịch lƣu SSI 36 4.4.2.1 Kỹ thuật SPWM 36 4.4.2.1.1 Sơ đồ mô SSI-SPWM 36 4.4.2.1.2 Kết mô SSI-SPWM 38 4.4.2.2 Phƣơng pháp THPWM .39 4.4.2.2.1 Sơ đồ mô SSI-THPWM 39 4.4.2.2.2 Kết mô SSI-THPWM 40 4.4.2.3 Phƣơng pháp BTH-PWM 42 4.4.2.3.1 Sơ đồ mô BTH-PWM 42 4.4.2.3.2 Kết mô BTH-PWM 42 4.4.3 Kết thực nghiệm tác giả 44 4.4.3.1 Theo phƣơng pháp SPWM 44 4.4.3.2 Theo phƣơng pháp THPWM .44 4.4.3.3 Theo phƣơng pháp BTH-PWM 45 CHƢƠNG 5: THỰC NGHIỆM BỘ NGHỊCH LƢU BA PHA SÁU KHOÁ SPLIT-SOURCE 46 5.1 Phƣơng pháp thực nghiệm .46 5.2 Thiết kế mạch 46 5.2.1 Mạch nguồn DC 5V & ± 15V 46 5.2.2 Nguồn DC 46 5.2.3 Mạch điều khiển 47 5.2.4 Mạch lái 48 5.2.5 Mạch công suất 49 5.2.6 Tải ba pha R-L 51 5.3 Thực nghiệm 51 5.3.1 Thực nghiệm nghịch lƣu ba pha VSI .51 5.3.2 Thực nghiệm nghịch lƣu ba pha SSI 55 5.3.2.1 Theo phƣơng pháp SPWM 56 5.3.2.2 Theo phƣơng pháp TH-SPWM 62 5.3.2.3 Theo phƣơng pháp Bias-THPWM 68 5.4 Nhận xét 74 63 50V/div, 10m.s/div =58 (V) 50V/div, 20m.s/div =62 (V) Hình 5.34: Áp tải phổ FFT thực nghiệm (trái) áp tải mô (phải) (SSI, TH-PWM, m=0.4, Vdc=30V) 1A/div, 10m.s/div =2.2 (A) 1A/div, 20m.s/div =2.3 (A) Hình 5.35: Dịng điện tải, phổ FFT thực nghiệm (trái) dịng điện tải mơ (phải) (SSI, TH-PWM, m=0.4, Vdc=30V) 64 50V/div, 10m.s/div =88 (V) 100V/div, 20m.s/div =96 (V) Hình 5.36: Điện áp dây, phổ FFT thực nghiệm (trái) áp dây mô (phải) (SSI, TH-PWM, m=0.4, Vdc=30V) 2A/div, 10m.s/div =3.2 (A) 2A/div, 20m.s/div =2.8 (A) Hình 5.37: Dịng qua cuộn cảm thực nghiệm (trái) mơ (phải) (SSI, TH-PWM, m=0.4, Vdc=30V) 65 + Với m=0.5, Vdc=15V C3: 30V/div - = 33 (V) C4: 30V/div - =50 (V) C1: 1A/div - =1.5 (A) Hình 5.38: Áp tải, áp dây dòng điện tải thực nghiệm (SSI, TH-PWM, m=0.5, Vdc=15V) 30V/div, 10m.s/div =50 (V) Hình 5.39: Điện áp 30V/div, 20m.s/div =55 (V) thực nghiệm (trái) mô (phải) (SSI, TH-PWM, m=0.5, Vdc=15V) 66 30V/div, 10m.s/div =33 (V) 50V/div, 20m.s/div =37 (V) Hình 5.40: Điện áp tải phổ FFT thực nghiệm (trái) điện áp tải mô (phải) (SSI, TH-PWM, m=0.5, Vdc=15V) 1A/div, 10m.s/div =1.5 (A) 2A/div, 20m.s/div =1.6 (A) Hình 5.41: Dịng điện tải, phổ FFT thực nghiệm (trái) dịng điện tải mơ (phải) (SSI, TH-PWM, m=0.5, Vdc=15V) 67 30V/div, 10m.s/div =50 (V) 50V/div, 20m.s/div =55 (V) Hình 5.42: Điện áp dây, phổ FFT thực nghiệm (trái) áp dây mô (phải) (SSI, TH-PWM, m=0.5, Vdc=15V) 3A/div, 10m.s/div =3.2 (A) 2A/div, 20m.s/div =2.9 (A) Hình 5.43: Dịng cuộn cảm thực nghiệm (trái) mô (phải) (SSI, TH-PWM, m=0.5, Vdc=15V) 68 5.3.2.3 Theo phƣơng pháp Bias-THPWM + Với m=0.4 Vdc=30 (V) C3: 50V/div - = 33 (V) C4: 30V/div - =50 (V) C1: 1A/div - =1.2 (A) Hình 5.44: Áp dây, áp tải dòng điện tải thực nghiệm (SSI, Bias-THPWM, m=0.4, Vdc= 30V) 30V/div, 10m.s/div =50 (V) Hình 5.45: Điện áp 40V/div, 20m.s/div =50 (V) thực nghiệm (trái) mô (phải) (SSI, Bias-THPWM, m=0.4, Vdc= 30V) 69 50V/div, 10m.s/div =33 (V) 50V/div, 20m.s/div =33 (V) Hình 5.46: Điện áp tải, phổ FFT thực nghiệm (trái) điện áp tải mô (phải) (SSI, Bias-THPWM, m=0.4, Vdc= 30V) 1A/div, 10m.s/div =1.26 (A) 2A/div, 20m.s/div =1.26 (A) Hình 5.47: Dịng điện tải phổ FFT (SSI, Bias-THPWM, m=0.4, Vdc= 30V) 70 30V/div, 10m.s/div =50 (V) 50V/div, 20m.s/div =50 (V) Hình 5.48: Điện áp dây phổ FFT thực nghiệm (trái) áp dây mô (phải) (SSI, Bias-THPWM, m=0.4, Vdc= 30V) 1A/div, 10m.s/div =1.1 (A) 1A/div, 20m.s/div =0.96 (A) Hình 5.49: Dịng cuộn cảm thực nghiệm (trái) mơ (phải) (SSI, Bias-THPWM, m=0.4, Vdc= 30V) + Với m=0.5 Vdc=20V 71 C3: 30V/div - = 26 (V) C4: 30V/div - =39 (V) C1: 1A/div - =1.2 (A) Hình 5.50: Áp tải, áp dây dòng điện tải (SSI, Bias-THPWM, m=0.5, Vdc= 20V) 30V/div, 10m.s/div =39 (V) Hình 5.51: Điện áp 10V/div, 20m.s/div =39 (V) thực nghiệm (trái) mô (phải) (SSI, Bias-THPWM, m=0.5, Vdc= 20V) 72 30V/div, 10m.s/div =26 (V) 50V/div, 10m.s/div =26 (V) Hình 5.52: Điện áp tải, phổ FFT thực nghiệm (trái) điện áp tải mô (phải) (SSI, Bias-THPWM, m=0.5, Vdc= 20V) 1A/div, 10m.s/div =1.2 (A) 2A/div, 20m.s/div =1.2 (A) Hình 5.53: Dịng điện tải, phổ FFT thực nghiệm (trái) dịng điện tải mơ (phải) (SSI, Bias-THPWM, m=0.5, Vdc= 20V) 73 30V/div, 10m.s/div =39 (V) 50V/div, 20m.s/div =39 (V) Hình 5.54: Điện áp dây, phổ FFT thực nghiệm (trái) áp dây mô (phải) (SSI, Bias-THPWM, m=0.5, Vdc= 20V) 2A/div, 10m.s/div =1.4 (A) 2A/div, 20m.s/div =1.2 (A) Hình 5.55: Dịng cuộn cảm thực nghiệm (trái) mô (phải) (SSI, Bias-THPWM, m=0.5, Vdc= 20V) 74 5.4 Nhận xét -Kết thực nghiệm kết mô tƣơng đối giống -Mạch SSI cho ta hệ số tăng áp cao so với mạch VSI -Dòng ngõ liên tục không bị gián đoạn -Phƣơng pháp TH-PWM cho ta hệ số tăng áp cao so với phƣơng pháp SPWM ( với lý thuyết) -Phƣơng pháp BTH-PWM cho ta kết điện áp thấp so với TH-PWM hình ảnh mờ so với hai phƣơng pháp cịn lại điều phản ánh thực tế phƣơng pháp làm giảm số lần đóng ngắt linh kiện - Do ảnh hƣởng thiết bị đo nên áp dịng điện có độ nhấp nhơ so với kết mô - Do điều kiện thiết bị hạn chế nên thực nghiệm đƣợc điện áp thấp - Cần cải thiện mơ hình thực nghiệm để cải thiện chất lƣợng dòng điện điện áp ngõ KẾT LUẬN Kết luận:  Luận văn đáp ứng nhu cầu cấp thiết cấu trúc nghịch lƣu ba pha làm tăng điện áp ngõ vào dựa công nghệ chế tạo van bán dẫn thiết bị xử lý tín hiệu số đại, cấu trúc đơn giản  Xây dựng thành công nghịch lƣu ba pha SSI kiểm chứng đƣợc kết mô thông qua thực nghiệm Kết mô thực nghiệm xác mặt lý thuyết, đem so sánh với kết đƣợc công bố tập chí khoa học có kết tƣơng tự  Các kết đạt đƣợc trình thực đề tài liệu đầu vào đáng tin cậy cho nghiên cứu sau Hƣớng phát triển đề tài:  Ứng dụng điều khiển động để chế tạo biến tần ba pha thực tế  Nâng cao chất lƣợng điện áp thiết kế lọc làm giảm nhiễu cho nghịch lƣu  Nghiên cứu thêm giải thuật để điều khiển làm giảm kích thƣớc mạch TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] F Z Peng, “Z-source inverter,” IEEE Trans Ind Applicat., vol.39, no.2, pp 504–510, Mar/Apr 2003 [2] Poh Chiang Loh, Vilathgamuwa D.M, Yue Sen Lai, Geok Tin Chua,Yunwei Li , "Pulse-width modulation of Z-source inverters," Industry Applications Conference, 2004 39th IAS Annual Meeting Conference Record of the 2004 IEEE , vol.1, no., pp vol 3-7 Oct 2004 [3] A Abdelhakim, P Mattavelli, and G Spiazzi, “Three-phase split-source inverter (ssi): Analysis and modulation,” IEEE Trans on Power Electronics, vol.31, no.11, pp 7451–7461, Nov 2016 [4] A Abdelhakim, P Mattavelli, and G Spiazzi, “Three-level operation of the split-source inverter using the flying capacitors topology,” in 2016 IEEE 8th Int Power Electron and Motion Control Conf (IPEMC-ECCE Asia), May 2016, pp 223–228 [5] F Z Peng, M Shen, and Z Qian, “Maximum boost control of the z-source inverter,” IEEE Transactions on Power Electronics, vol 20, no 4, pp 833–838, July 2005 [6] M Shen, J Wang, A Joseph, F Z Peng, L Tolbert, and D Adams, “Constant boost control of the z-source inverter to minimize current ripple and voltage stress,” IEEE Transactions on Industry Applications, vol 42, no 3, pp 770–778, May 2006 LÝ LỊCH TRÍCH NGANG Họ tên : Nguyễn Hoàng Thiện Ngày, tháng, năm sinh: 30/12/1992 Nơi sinh: Long An Địa liên lạc: 539, Ấp Chánh, Đức Lập Hạ, Đức Hoà, Long An Email: thientudong789@gmail.com Phone: 0383407647 QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO 2010-2015: Trƣờng Đại Học Bách Khoa Tp HCM 2015-2018: Trƣờng Đại Học Bách Khoa Tp HCM Q TRÌNH CƠNG TÁC 2016-Nay: Cơng Ty TNHH Sapporo Việt Nam ... CHƢƠNG 4: MÔ PHỎNG BỘ NGHỊCH LƢU BA PHA SÁU KHOÁ VSI, Z -SOURCE VÀ SPLIT- SOURCE 23 4.1 Mô nghịch lƣu ba pha VSI 23 4.1.1 Sơ đồ mô .23 4.1.2 Kết mô 24 4.2 Mô nghịch. .. 4.1 MÔ PHỎNG BỘ NGHỊCH LƢU BA PHA SÁU KHỐ VSI, Z -SOURCE VÀ SPLIT- SOURCE Mơ nghịch lƣu ba pha VSI 4.1.1 Sơ đồ mô Bảng 4.1: Thông số mô nghịch lƣu ba pha VSI Tần số đóng cắt 10kHz Điện áp DC ngõ vào... chế cho nghịch lƣu ba pha Split- Source Chƣơng 4: Mô nghịch lƣu ba pha VSI, ZSI SSI Chƣơng 5: Thực nghiệm nghịch lƣu ba pha sáu khoá Spit -Source CHƢƠNG 2: BỘ NGHỊCH LƢU ÁP BA PHA (VSI), Z-SOURCE