Kỹ thuật điều chế véctơ không gian cho bộ nghịch lưu áp ba pha bốn khóa trong điều kiện nguồn tụ DC mất cân bằng

Đại Học Quốc Gia Tp Hồ Chí Minh TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA LÊ ĐÌNH KHOA KỸ THUẬT ĐIỀU CHẾ VÉCTƠ KHÔNG GIAN CHO BỘ NGHỊCH LƯU ÁP BA PHA BỐN KHOÁ TRONG ĐIỀU KIỆN NGUỒN TỤ DC MẤT CÂN BẰNG Chuyên ngành : Thiết bị, Mạng Nhà máy điện LUẬN VĂN THẠC SĨ TP HỒ CHÍ MINH, tháng 12 năm 2008 CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH Cán hướng dẫn khoa học : GVC.TS PHAN QUỐC DŨNG 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 HỘI ĐỒNG CHẤM BẢO VỆ LUẬN VĂN THẠC SĨ TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA, ngày tháng năm 2008 ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HCM CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHIÃ VIỆT NAM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Độc Lập - Tự Do - Hạnh Phúc -oOo Tp HCM, ngày 15 tháng 06 năm 2008 NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên học viên: LÊ ĐÌNH KHOA Giới tính : Nam Ngày, tháng, năm sinh : 01-11-1984 Nơi sinh : ĐỒNG NAI Chuyên ngành : Thiết bị, Mạng Nhà máy điện MSHV: 01807281 Khoá (Năm trúng tuyển) : 2007 1- TÊN ĐỀ TÀI: KỸ THUẬT ĐIỀU CHẾ VÉCTƠ KHÔNG GIAN CHO BỘ NGHỊCH LƯU ÁP BA PHA BỐN KHOÁ TRONG ĐIỀU KIỆN NGUỒN TỤ DC MẤT CÂN BẰNG 2- NHIỆM VỤ LUẬN VĂN: Xây dựng giải thuật điều chế Véctơ không gian cho nghịch lưu áp ba pha bốn khoá điều kiện nguồn tụ DC không cân Xây dựng mô hình mơ điều khiển nghịch lưu áp ba pha bốn khoá điều kiện nguồn tụ DC cân Lập trình giải thuật điều chế Véctơ không gian cho nghịch lưu áp ba pha bốn khố điều kiện nguồn tụ DC khơng cân DSP TMS320LF2407A Thiết kế mơ hình biến tần ba pha bốn khoá điều khiển theo giải thuật điều chế Véctơ không gian cho nghịch lưu áp ba pha bốn khoá điều kiện nguồn tụ DC không cân 3- NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : 15-06-2008 4- NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ : 30-11-2008 5- HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: GVC.TS PHAN QUỐC DŨNG Nội dung đề cương Luận văn thạc sĩ Hội Đồng Chuyên Ngành thông qua CÁN BỘ HƯỚNG DẪN (Họ tên chữ ký) CHỦ NHIỆM BỘ MÔN QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH (Họ tên chữ ký) TS PHAN QUỐC DŨNG TS VŨ PHAN TÚ LỜI CẢM ƠN Xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành đến Thầy Phan Quốc Dũng tận tình hướng dẫn cung cấp tài liệu q giá giúp tơi hồn thành luận văn Đồng thời xin chân thành cảm ơn Thầy Lê Minh Phương thầy cô Bộ môn Cung cấp điện khoa Điện –Điện tử quan tâm giúp đỡ động viên tinh thần vật chất giúp tơi hồn thành đề tài Xin chân thành Thầy, Cơ tận tình dạy bảo suốt thời gian học Đại học Cao học, hành trang q giá giúp tơi công việc chuyên môn sống Xin chân thành cảm ơn anh, bạn lớp cao học Thiết bị, Mạng Nhà máy điện khoá 2007 giúp đỡ tơi suốt q trình học Cuối xin bày tỏ lòng cảm ơn sâu nặng đến Bố, Mẹ sinh thành nuôi khôn lớn, chỗ dựa vững tinh thần vật chất, tạo điều kiện thuận lợi cho học tập trưởng thành ngày hôm Lê Đình Khoa TĨM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ Luận văn đưa thuật toán điều chế độ rộng xung véc-tơ không gian (ĐCVTKG) cho nghịch lưu áp ba pha bốn khóa (B4) áp tụ DC khơng cân Bằng cách sử dụng biến đổi toán học hợp lý, kỹ thuật điều chế độ rộng xung véc-tơ không gian cho B4 áp tụ DC khơng cân giải dựa véc-tơ kỹ thuật điều chế tương tự nghịch lưu áp ba pha sáu khóa (B6) Cách tiếp cận chưa nghiên cứu giới, phương pháp tạo hướng để giải vấn đề cho B4 điều kiện áp tụ DC không cân bằng, ví dụ đảm bảo điện áp yêu cầu cho vùng điều chế tuyến tính, điều chế chế độ mở rộng đến phương pháp six-step Matlab/Simulink dùng để mơ thuật tốn điều chế độ rộng xung véc-tơ khơng gian cho vùng tuyến tính, vùng điều chế chế độ Giải thuật điều chế độ rộng xung véc-tơ không gian đề xuất kiểm chứng thực nghiệm DSP TMS320LF2407A (Texas Instruments) hệ truyền động động không đồng ba pha theo giải thuật điều khiển V/f MỤC LỤC Chương TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan tình hình nghiên cứu nghịch lưu áp ba pha bốn khoá 1.2 Ưu khuyết điểm nghịch lưu áp ba pha bốn khoá 1.3 Mục tiêu luận văn Chương PHÂN TÍCH BỘ NGHỊCH LƯU BỐN KHỐ 5 2.1 Phân tích sơ đồ nguyên lý biến tần 3P6K 2.2 Phân tích sơ đồ nguyên lý biến tần 3P4K 2.3 Phân tích giải thuật điều chế VTKG đề xuất áp hai tụ DC cân 10 2.3.1 Trong vùng điều chế tuyến tính 12 2.3.2 Vùng điều chế chế độ 13 2.3.3 Vùng điều chế chế độ 14 Chương XÂY DỰNG GIẢI THUẬT ĐIỀU CHẾ CHO TRƯỜNG HỢP MẤT CÂN BẰNG ĐIỆN ÁP TỤ DC 17 3.1 Phân tích véc-tơ khơng gian điện áp 18 3.2 Xây dựng giải thuật điều chế véc-tơ không gian cho trường hợp cân điện 20 áp tụ DC 3.2.1 Vùng điều chế tuyến tính 21 3.2.2 Quá điều chế chế độ 24 3.2.3 Quá điều chế chế độ 25 3.2.4 Khảo sát phụ thuộc số điều chế M vào độ sai lệch điện áp ε 26 Chương MƠ HÌNH MƠ PHỎNG BỘ BIẾN TẦN BA PHA BỐN KHỐ 27 4.1 Mơ hình mơ mơ hình nghịch lưu áp ba pha bốn khoá điều khiển tải RL 27 27 4.1.1 Mơ hình mơ 4.1.2 Kết mơ 28 4.1.3 Nhận xét 31 4.2 Mơ hình mơ biến tần ba pha bốn khố điều khiển mơ hình động khơng đồng ba pha theo ngun lý V/f=const 31 4.2.1 Mơ hình mơ 31 4.2.2 Kết mô 33 4.2.2.1 Trường hợp ε = 0.05, M=0.5667 Vùng điều chế tuyến tính 33 4.2.2.2 Trường hợp ε = 0.2, M=0.5667 Vùng điều chế chế độ 37 40 4.2.2.3 Trường hợp ε = 0.3, M=0.38 Vùng điều chế chế độ Chương THIẾT KẾ MƠ HÌNH THỬ NGHIỆM BỘ BIẾN TẦN PHA KHÓA ÁP DỤNG GIẢI THUẬT ĐỀ XUẤT 45 5.1 THIẾT KẾ MẠCH CÔNG SUẤT 46 5.1.1 Mạch nghịch lưu bốn khoá 5.1.2 Mạch chỉnh lưu hai nhánh tụ 5.1.2.1 Mạch chỉnh lưu 5.1.2.2 Mạch hai nhánh tụ DC 5.1.3 Mạch nạp tụ 5.2 THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN 5.2.1 Mạch điều khiển dùng IC DSP TMS320LF2407A 5.2.2 Mạch giao tiếp SCI dùng IC MAX232 46 49 50 51 54 55 55 56 5.2.3 Mạch hiển thị LCD 5.2.4 Mạch lái IGBT 5.2.5 Mạch hồi tiếp áp hai nhánh tụ 5.2.6 Nguồn DC cấp cho mạch Chương LẬP TRÌNH GIẢI THUẬT ĐỀ XUẤT TRÊN DSP TMS320LF2407A 6.1 Nguyên lý điều khiển V/f 6.2 Lưu đồ giải thuật chương trình DSP 6.3 Giới thiệu phần mềm Code Composer 3.1 6.4 Giao diện máy tính hiển thị tốc độ 6.5 Chương trình DSP Chương KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM 7.1 Mơ hình thực nghiệm 7.2 Kết thực nghiệm 7.2.1 Đáp ứng tốc độ động 7.2.2 Phân tích Fourier áp tải động 7.2.3 Giản đồ dòng ba pha động 7.3 Nhận xét Chương KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI 8.1 Kết luận 8.2 Hướng phát triển đề tài DANH MỤC CƠNG TRÌNH CƠNG BỐ CỦA TÁC GIẢ TÀI LIỆU THAM KHẢO PHỤ LỤC 58 59 62 63 66 66 69 71 71 72 87 87 88 88 89 91 91 92 92 92 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan tình hình nghiên cứu nghịch lưu áp ba pha bốn khoá Hiện nay, biến tần điều khiển vận tốc động không đồng ba pha cấp nguồn từ lưới xoay chiều pha, ba pha sử dụng rộng rãi cho ứng dụng hệ truyền động nông nghiệp, công nghiệp, máy quạt, máy bơm, máy điều hịa khơng khí… Các biến tần ngoại nhập có nhược điểm giá thành cao (các biến tần giá thấp chất lượng điều khiển thấp), chương trình điều khiển khơng thay đổi cập nhật khơng có mã nguồn, việc sửa chữa, bảo trì gặp nhiều khó khăn khơng làm chủ quy trình thiết kế mạch điều khiển cơng suất, khơng có sơ đồ ngun lý mạch Để giảm giá thành thông thường người ta giảm tiêu hao vật tư, giảm kích thước, khối lượng linh kiện, nhiên điều kiện điều khó thực cơng nghệ thiết kế hãng đại hồn thiện Vì việc giảm số lượng linh kiện bán dẫn giải pháp thường sử dụng Có nhiểu báo, cơng trình đề cập đến việc giảm số lượng linh kiện bán dẫn sơ đồ biến tần thông dụng Một sơ đồ biến tần đề xuất sơ đồ nghịch lưu pha bốn khóa (3P4K) với IGBT Sơ đồ sử dụng cho hệ truyền động công suất nhỏ Hình 1.1 Sơ đồ nghịch lưu ba pha khóa (3P4K) HVTH: LÊ ĐÌNH KHOA  Trang 1  CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN Các nghiên cứu gần lĩnh vực biến tần tiết kiệm ngồi nước từ năm 19842007 tóm tắt điểm sau : - 1984 : Van Der Broeck H.W., Van Wyk J.D đề xuất cấu hình nghịch lưu ba pha tiết kiệm (4 khóa thay khóa) khả điều khiển tốc độ động ba pha - 1993 : Enjeti P N et al đưa cấu hình biến tần có cấu hình rút gọn (2 IGBT khâu chỉnh lưu IGBT khâu nghịch lưu) để chuyển đổi lượng từ pha sang pha với tính giá thành hạ điều khiển nâng cao hệ số công suất nguồn Phương pháp điều khiển loại bỏ sóng hài bậc cao theo u cầu cách tính tốn ngoại tuyến tra bảng nhiều hạn chế Phương pháp điều khiển vectơ kỹ thuật sóng mang chưa đề cập - 1995 : Jacobina C.B et al đưa giải thuật điều khiển vụ hướng điều khiển vec tơ cho nghịch lưu tiết kiệm (4 khóa) [3], 1996 – nhóm đề xuất cấu hình biến tần tiết kiệm với ngõ vào pha ngõ cấp nguồn cho động pha Cũng năm này, Covic G A et al đề xuất phương pháp điều chế PWM vec tơ không gian dạng bất đối xứng cho biến tần cấu trúc tiết kiệm Covic G A đưa phương pháp bù cân điện áp nguồn DC kỹ thuật SVPWM năm 1997-1999 - 1997 : Darwin T.W Liang đề xuất phương pháp SVPWM kế thừa cơng trình nhóm Jacobina tiếp cận theo cách phân tích từ thơng stator - 1999 : nhóm nghiên cứu Jacobina tiếp tục hoàn thiện phương pháp điều chế PWM vec tơ khơng gian cách tổng hợp phương pháp SVPWM sử dụng tổ hợp vec tơ không gian số vec tơ - 2004 : Nhóm Rahman M.A., Uddin Nasir (Canada) đề xuất giải thuật điều khiển vec tơ động KĐB pha ứng dụng biến tần pha giá thấp 3P4K [11] - 2005 : nhóm Jacobina đề xuất biến tần tiết kiệm cấp nguồn cho động KĐB có cuộn dây kẹp, Klima J đưa phương pháp giải tích phân tích Fourier cho nghịch lưu tiết kiệm HVTH: LÊ ĐÌNH KHOA  Trang 2  CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN - 2006 : nhóm Jacobina tiếp tục đề xuất biến tần tiết kiệm nhánh với khâu chỉnh lưu ba pha PWM khâu nghịch lưu ba pha PWM Các phương pháp điều khiển vô hướng điều khiển vec tơ trình bày - 2006 : nhóm tác giả Mutsuo Nakaoka, Shinichiro Nagai (Nhật) trình bày giải thuật điều khiển kết lưới pha nguồn lượng tái tạo dạng DC (PV, Fuel Cell) thông qua chopper dạng boost nghịch lưu 3P4K [12] - 2007 : Dong Choon Lee Young-Sin Kim (Hàn Quốc) đề xuất giải thuật điều khiển tổng hợp chỉnh lưu PWM nghịch lưu 3P4K hệ truyền động động KĐB pha [8] 1.2 - Ưu, khuyết điểm nghịch lưu áp ba pha bốn khoá So với nghịch lưu áp ba pha sáu khố bộn 3P4K có số ưu điểm sau: • Số lượng khóa cơng suất giảm 1/3 • Số mạch lái giảm hai mạch cịn hai nhánh điều khiển • Dù định mức áp cho khóa cơng suất 3P4K cao hơn, giá thành giảm tỷ số giá cho khóa nghịch lưu 3P4K 3P6K thường thấp 3/2 • Giá trị tối đa điện áp chế độ trung tính chung (common-mode voltage) 3P4K 2/3 so với 3P6K - Tuy nhiên nghịch lưu áp 3P4K có số khuyết điểm so với 3P6K: • Cần điện áp DC cao • Điện áp tụ dễ cân 1.3 Mục tiêu đề tài: Đưa giải thuật điều khiển biến tần ba pha bốn khóa điều kiện nguồn tụ DC khơng cân để khắc phục nhược điểm biến tần ba pha bốn khóa q trình hoạt động điện áp hai tụ cân dẫn đến giải thuật điều khiển thông thường viết cho trường hợp tụ cân đưa đến kết điều khiển không tốt HVTH: LÊ ĐÌNH KHOA  Trang 3  CHƯƠNG 6: LẬP TRÌNH GIẢI THUẬT ĐỀ XUẤT TRÊN DSP TMS320LF2407A XlcdCursor(2,1); LCD_PutStr(" "); } /****************************************/ void CLRLCD1(void) { XlcdCursor(1,1); LCD_PutStr(" "); } //******************************/ void CLRLCD2(void) { XlcdCursor(2,1); LCD_PutStr(" "); } /*************************/ ///////////////////////////////////////////////////////////// // Chuong trinh chinh // ///////////////////////////////////////////////////////////// void main(void) { /*** Initialization ***/ init_sys(); init_EntreeSortie(); init_rtm(); init_adc(); XlcdInit(); //SETUP 4BIT LCD XlcdWriteCmd(DON & CURSOR_OFF & BLINK_OFF); /*** Main loop ***/ PEDATDIR= 0xFF00; /*Port E is output_port*/ PFDATDIR=PFDATDIR & 0x00FF; /*Port F is input_port*/ alpha = -pi * fpre / fh / 1000; m = M * 65535; x = 0; kf = 1; thongso(); hamsin(); init_EVA_PWM(); CLRLCD(); while(1) { ACTRA=0x0000; HTHV: LÊ ĐÌNH KHOA  Trang 83  CHƯƠNG 6: LẬP TRÌNH GIẢI THUẬT ĐỀ XUẤT TRÊN DSP TMS320LF2407A XlcdCursor(1,1); LCD_PutStr("CAI DAT TAN SO"); readADC(); XlcdCursor(2,10); LCD_PutStr("fd"); XlcdCursor(2,12); LCD_PutStr(":"); /***********************************/ XlcdCursor(2,13); LCD_PutNum(fd); if((PFDATDIR & 0xFFBF)==PFDATDIR) /**Nhan nut RUN**/ { asm(" CLRC INTM"); CLRLCD1(); XlcdCursor(1,1); LCD_PutStr("Running"); XlcdCursor(2,1); LCD_PutStr("fpre:"); while(1) { readADC(); /***********************************/ XlcdCursor(2,6); LCD_PutNum(fpre); XlcdCursor(2,10); LCD_PutStr("fd:"); /***********************************/ XlcdCursor(2,13); LCD_PutNum(fd); if((PFDATDIR & 0xFFDF)==PFDATDIR) /*Nhan nut STOP RUNNING*/ { XlcdDelayC(10); if((PFDATDIR & 0xFFDF)==PFDATDIR) { CLRLCD(); while(1) { HTHV: LÊ ĐÌNH KHOA  Trang 84  CHƯƠNG 6: LẬP TRÌNH GIẢI THUẬT ĐỀ XUẤT TRÊN DSP TMS320LF2407A XlcdCursor(1,1); LCD_PutStr("Stopping"); XlcdCursor(2,1); LCD_PutStr("fpre:"); /**********************/ XlcdCursor(2,6); LCD_PutNum(fpre); XlcdCursor(2,10); LCD_PutStr("fd:"); /*******************************/ XlcdCursor(2,13); LCD_PutNum(fd); fd=0; if(fpre==0) { XlcdDelayC(500000); asm(" SETC INTM"); break;} } CLRLCD(); break; } } } } if((PFDATDIR & 0xFFDF)==PFDATDIR) /*Nhan nut STOP tu dau*/ { CLRLCD(); while(1) { XlcdCursor(1,1); LCD_PutStr("Stop"); XlcdCursor(2,1); LCD_PutStr("fpre:"); /*****************************/ XlcdCursor(2,6); LCD_PutNum(fpre); XlcdCursor(2,10); LCD_PutStr("fd:"); HTHV: LÊ ĐÌNH KHOA  Trang 85  CHƯƠNG 6: LẬP TRÌNH GIẢI THUẬT ĐỀ XUẤT TRÊN DSP TMS320LF2407A /*******************************/ XlcdCursor(2,13); LCD_PutNum(fd); fd=0; /****khi fpre==0 thi thoat vong lap chinh*/ if(fpre