(Luận văn thạc sĩ) nghiên cứu bộ nghịch lưu ba pha năm bậc NPC

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ DANH TUẤN LÊ NGHIÊN CỨU BỘ NGHỊCH LƯU BA PHA NĂM BẬC NPC NGÀNH:KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ-60520203 S K C0 Tp Hồ Chí Minh, tháng 10/2015 LÝ LỊCH KHOA HỌC I LÝ LỊCH SƠ LƢỢC : Họ tên: Danh Tuấn Lê Giới tính: Nam Ngày, tháng, năm sinh: 04/04/1973 Nơi sinh: Kiên Giang Quê quán: Kiên Giang Dân tộc: Khmer Địa liên lạc: 132 Cao Thắng, Khu phố 3, Phƣờng Vĩnh Lợi, Thành phố Rạch Giá, Tỉnh Kiên Giang II Điện thoại quan: 0773 863 530 Di động: 0918 526 678 Fax: 0773 863 421 Email: dtle@kgtec.edu.vn QUÁ TRÌNH ĐẢO TẠO : Hệ đào tạo: Chính qui Thời gian đào tạo từ : 10/1992 đến 07/1997 Nơi học: Trƣờng Đại Học Sƣ Phạm Kỹ Thuật Tp HCM Ngành học: Kỹ thuật Điện – Điện Tử Tên đồ án tốt nghiệp: KỸ THUẬT ĐO LƢỜNG TỪ XA Bảo vệ đồ án tốt nghiệp:ngày 10 tháng 07 năm 1997 Ngƣời hƣớng dẫn: Vi Đình Phƣơng III Q TRÌNH CƠNG TÁC CHUN MƠN KỂ TỪ KHI TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC : Thời gian Nơi công tác Công việc đảm nhiệm Từ 12/1997 Trƣờng Cao Đẳng Giáo viên giảng dạy Đến Kinh Tế– Kỹ Thuật Kiên Giang khoa Điện – Điện Tử Trang i LỜI CAM ĐOAN Tôi cam đoan cơng trình nghiên cứu tơi Các số liệu, kết nêu luận văn trung thực chƣa đƣợc cơng bố cơng trình khác Tp Hồ Chí Minh, ngày 18 tháng 10 năm 2015 (Ký tên ghi rõ họ tên) Danh Tuấn Lê Trang ii LỜI CẢM TẠ Xin chân thành gửi lời cảm ơn đến PGS.TS Trần Thu Hà, TS Qch Thanh Hải,Ths Đỗ Đức Trí, tận tình hƣớng dẫn để thực luận văn Xin chân thành gửi lời cảm ơn đến tồn thể q thầy trƣờng Đại học Sƣ Phạm Kỹ Thuật TP Hồ Chí Minh giảng dạy, hƣớng dẫn tạo điều kiện, môi trƣờng học tập tốt cho Xin cảm ơn ban lãnh đạo Khoa Điện – Điện tử Trƣờng Đại học Sƣ phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh hỗ trợ sử dụng phịng thí nghiệm Điện tử công suất nâng cao D406 suốt thời gian thực luận văn Cảm ơn ba mẹ, anh chị em, vợ bạn bè động viên suốt thời gian học Xin kính chúc sức khỏe chân thành cảm ơn Học viên Danh Tuấn Lê Trang iii TÓM TẮT LUẬN VĂN Đề tài thực kỹ thuật điều chế sóng mang thơng qua việc sử dụng hàm offset nhằm giảm số lần chuyển mạch khóa cơng suất cho nghịch lƣu cầu H-NPC Kỹ thuật sử dụng hàm offset thành phần bậc để chuyển sóng điện áp điều khiển ngƣỡng cực đại cực tiểu biên độ sóng mang để giả giao cắt sóng điều khiển sóng mang để giảm số lần chuyển mạch Với kỹ thuật xây dựng hàm offset trình bày nghiên cứu, số lần chuyển mạch khóa cơng suất/pha chu kỳ giảm đến 30% Kết giải thuật đƣợc kiểm chứng qua mô qua trình thực nghiệm Luận văn thực nghiệm phần cứng với IGBT STGW25N120K Các giải thuật điều khiển đề xuất đƣợc thực vi xử lý điều khiển tín hiệu số DSP TMS320F 28335 với kỹ thuật lập trình nhúng từ mơ hình mơ phần mềm MATLAB/SIMULINK kết hợp chƣơng trình Code Composer Studio V3.3 tự động biên dịch ngôn ngữ C nạp cho vi xử lý mà không cần phải lập trình lại Trang iv ABSTRACT This project implemented the carrier wave modulation technique using offset function aiming to reduce commutation of power switches in H-NPC inverter The technique uses the third-order offset function in order to move the control voltage signal to the maximum or minimum thresholds of the carrier wave amplitudes aiming to create the intersections for decreasing the number of commutations In the proposed technique, the commutations of the power switches per phase can reduce to 30% in every period The proposed results can be verified through the simulation and the experiment The project has been experienced on the hardware of IGBT STGW25N120 The proposed control techniques have been implemented on DSP - F28335 with the embedded programming technique of the simulation model in MATLAB/Simulink combined with the software Code Composer Studio V3.3, which compile automatically to C-language and download to processor without programming again Trang v MỤC LỤC LÝ LỊCH KHOA HỌC i LỜI CAM ĐOAN ii LỜI CẢM TẠ .iii TÓM TẮT LUẬN VĂN iv ABSTRACT v MỤC LỤC vi DANH SÁCH CHỮ VIẾT TẮT ix DANH SÁCH HÌNH x DANH SÁCH BẢNG xii Chƣơng 1: TỔNG QUAN 1.1 Tổ ng quan về lĩnh vực nghiên cứu, kết nghiên cứu nƣớc 1.1.1 Tổng quan chung lĩnh vực nghiên cứu 1.1.2 Các kết nƣớc công bố 1.1.2.1 Tình hình nghiên cứu nƣớc: 1.1.2.2 Tình hình nghiên cứu nƣớc 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 Phƣơng pháp nghiên cứu 1.6 Điểm đề tài : 1.7 Giá trị thực tiễn đề tài : Chƣơng : CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Tổ ng quan về nghich ̣ lƣu đa bâ ̣c 2.1.1 Khái niệm 2.1.2 Phân loại 2.2 Các cấu trúc nghịch lƣu đa bậc 2.2.1 Cấu trúc nghịch lƣu NPC (Neutral Point Clamped) 2.2.2 Cấu trúc nghịch lƣu kẹp tụ (Flying capacitor inverter) [2] 2.2.3 Cấu trúc nghịch lƣu áp dạng cascade 2.2.4 Cấu trúc nghịch lƣu áp dạng H-NPC Trang vi 2.2.5 Nhận xét 10 2.3 Kỹ thuật điều chế độ rộng xung (PWM) nghịch lƣu pha bậc H-NPC 10 2.3.1 Phƣơng pháp điều chế độ rộng xung Sin PWM 10 2.3.2 Phƣơng pháp điều chế độ rộng xung cải biến (MSPWM: Modified SPWM) 12 2.3.3 Phƣơng pháp điều chế vector không gian: 13 2.3.3.1 Khái niệm vector không gian: 13 2.3.3.2 Vector không gian nghịch lƣu áp đa bậc: 14 2.3.3.3 Nguyên lý điều chế vector không gian nghịch lƣu áp đa bậc 17 Chƣơng : KỸ THUẬT ĐIỀU CHẾ SÓNG MANG VÀ 20 KẾT QUẢ MÔ PHỎNG CỦA BỘ NGHỊCH BA PHA NĂM BẬC H-NPC 20 3.1 Nguyên lý nghịch lƣu ba pha năm bậc H-NPC 20 3.2 Kỹ thuật điều khiển nghịch lƣu ba pha bậc H-NPC 22 3.2.1 Kỹ thuật PWM dùng sóng mang 22 3.2.1.1 Tổng quan kỹ thuật PWM dùng sóng mang 22 3.2.2.2 Kỹ thuật PWM dùng nhiều sóng mang 24 3.2.2.3 Phƣơng pháp PWM đề xuất : 25 3.3 Mô giải thuật đề xuất nghịch lƣu ba pha năm bậc H-NPC 27 3.3.1 Thông số mô 27 3.2.2 Mơ hình mơ 28 3.2.3 Chức khối mơ hình 29 3.2.3.1 Khối tạo sóng sin 29 3.2.3.2 Khối sóng mang: 29 3.2.3.3 Khối xung kích: 30 3.3.1 Kết mô 31 3.3.2 Phân tích FFT 33 3.3.3 Bảng phân tích FFT áp tải với số điều chế 34 3.3.3.1 Phân tích FFT áp tải 34 3.3.3.2 So sánh phƣơng pháp đề xuất với phƣơng pháp công bố Việt Nam 35 3.4 Kết luận : 37 Chƣơng 4: XÂY DỰNG MƠ HÌNH THỰC NGHIỆM 38 VÀ KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM 38 Trang vii 4.1 Sơ đồ tổng thể mơ hình thực nghiệm 38 4.2 Mơ tả chi tiết mơ hình thực nghiệm 38 4.2.1.Mạch động lực 38 4.2.2 Mạch điều khiển 39 4.3 Tổng thể mơ hình thực nghiệm 43 4.4 Mô tả mơ hình thực nghiệm kỹ thuật lập trình nhúng 44 4.4.1 Sơ đồ tín hiệu hệ thống lập trình nhúng 44 4.4.2 Mơ hình lập trình nhúng Matlab/Simulink 45 4.5 Kết thực nghiệm mô 46 4.5.1 Kết xung kích 46 4.5.2 Điện áp pha tâm nguồn 47 4.5.3 Điện áp pha tâm tải 49 4.5.3.1 Điện áp tải với số điều chế m =1, tải R-L , R = 82Ω L = 50mH 49 4.5.3.2 Phân tích FFT điện áp pha tâm tải 52 4.5.3.3 Đặc tuyến điều khiển áp tải dòng điện tải theo số điều chế m 52 4.5.3.3 So sánh THD mô thực nghiệm 54 4.5.3.4 So sánh THDu giải thuật đề xuất với kết công bố Việt Nam 55 4.6 Kết luận 56 CHƢƠNG : KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI 57 5.1 Những kết đạt đƣợc 57 5.2 Kết luận 57 5.3 Hƣớng phát triển đề tài 58 TÀI LIỆU THAM KHẢO 59 PHỤ LỤC 61 Trang viii DANH SÁCH CHỮ VIẾT TẮT Ac : Biên độ đỉnh sóng mang Am : Biên độ đỉnh sóng điều khiển APOD : Alternative Phase Opposition Disposition - sóng mang dạng tam giác bố trí dịch pha 1800 C : Tụ lọc nguồn DC fc : Tần số sóng mang fm : Tần số sóng điều khiển H-NPC : Neutral Point clamped Multilevel H-bridge Inverter - Nghịch lƣu đa bậc kiểu diode kẹp cầu H IA : Dòng điện tải pha A K : Số khóa chuyển mạch/1 pha L : Điện cảm tải m : Chỉ số điều chế ma : Tỉ số điều chế biên độ mf : Tỉ số tần số MSPWM : Modified Sin Pulse width modulation – Điều chế độ rộng xung cải biên PD : In Phase Disposition - sóng mang dạng tam giác bố trí pha PWM : Pulse width modulation - điều chế độ rộng xung R : Điện trở tải S : Các khóa đóng ngắt THD : Total Harmonic Distortion - Tổng méo dạng sóng hài Vac : Điện áp dây nguồn lƣới ba pha Vd : Điện áp DC chỉnh Vref : Điện áp tải tham chiếu A : Ampe – Đơn vị đo dòng điện V : Voltage – Đơn vị đo điện áp CPWM :Carrier Based Pulse Width Modulation – Điều chế sóng mangPWM Trang ix PHỤ LỤC  Điện áp pha c tâm tải  Điện áp lệch pha pha tâm tải  Phân tích FFT ta có THD = 18.5% Trang 68 PHỤ LỤC Phụ lục : Kết thông số thực nghiệm tải động HP  Điện áp pha a tâm nguồn  Điện áp pha b tâm nguồn  Điện áp pha c tâm nguồn Trang 69 PHỤ LỤC  Điện áp pha tâm nguồn  Điện áp pha a tâm tải  Điện áp pha b tâm tải Trang 70 PHỤ LỤC  Điện áp pha c tâm tải  Điện áp pha tâm tải  Điện áp lệch pha pha tâm tải Trang 71 PHỤ LỤC  Phân tích FFT ta có THD = 19% Trang 72 PHỤ LỤC Phụ lục : kết mô thực nghiệm phƣơng pháp Voffset medium Chỉ số điều chế m = 0.1  Điện áp tải pha a (a) (b) Hình 1: Dạng sóng điện áp tải pha a, Trong hình 8.1 (a) kết mơ mơ (b) thực nghiệm  Phân tích FFT điện áp tải pha a (a) (b) Hình 2: Kết phân tích FFT điện áp tải pha a Trong hình 8.2 (a) kết phân tích FFT mơ có THD áp tải = 36.57 % (b) kết phân tích FFT thực nghiệm, có THD áp tải lớn thông số đƣợc Chỉ số điều chế m = 0.2  Điện áp tải pha a (a) (b) Hình 3: Dạng sóng điện áp tải pha a Trang 73 PHỤ LỤC Trong hình 8.3 kết dạng sóng điện áp tải(a) mơ (b) thực nghiệm  Phân tích FFT điện áp pha a tâm tải (a) (b) Hình 4: Phân tích FFT áp tải pha a Trong hình kết phân tích FFT áp tải pha a, (a) kết mơ có THD = 24.36% (b) kết thực nghiệm có THD = 76.5% Chỉ số điều chế m = 0.3  Điện áp tải pha a (a) (b) Hình : Dạng sóng điện tải pha a  Phân tích FFT điện áp pha a tâm tải (a) (b) Hình : Phân tích FFT điện áp tải pha a Trang 74 PHỤ LỤC Trong hình 8.6 kết phân tích FFT điện tải pha a, có (a) mơ THD = 15.32% Và (b) thực nghiệm có THD = 19.8% Chỉ số điều chế m = 0.4  Điện áp tải pha a (b) (a) (c) Hình : Dạng sóngđiện áp tải pha a Hình 8.7 (a) kết thực nghiệm đo máy Hioki dạng sóng điện áp pha tâm tải dòng điện tải pha, (b) kết mô điện áp tải pha a (c) kết thực nghiệm đo máy dao động ký Tektronic  Phân tích FFT điện áp tải pha a (a) (b) Hình 8 : Phân tích FFT điện áp tải pha a Trong hình 8.8 kết phân tích FFT điện tải pha a, có (a) mơ THD = 11.78% Và (b) thực nghiệm có THD = 30.9% Trang 75 PHỤ LỤC Chỉ số điều chế m = 0.5  Điện áp tải pha a (a) (b) (c) Hình 9Dạng sóng điện áp tải pha a pha áp tải ,dịng tải Hình 8.9 (a) kết mô phỏng, (b) kết thực nghiệm (c) kết thực nghiệm đo máy Hioki điện áp tải pha dòng điện tải pha  Phân tích FFT điện áp tải pha a (a) (b) Hình 10 : Phân tích FFT điện áp tải pha a Hình 8.10 (a) kết phân tích FFT mơ có THD = 8.07% (b) FFT thực nghiệm có THD = 24.5 % Trang 76 PHỤ LỤC Chỉ số điều chế m = 0.6  Điện áp tải pha a (a) (b) (c) Hình 11 : Dạng sóng điện áp dịng điện  Phân tích FFT điện áp tải pha a (a) (b) Hình 12 Phân tích FFT Hình 8.12 (a) mơ có THD = 6.67% (b) thực nghiệm có THD = 12.9% Trang 77 PHỤ LỤC Chỉ số điều chế m = 0.7  Điện áp tải pha a (c) (a) (b) Hình 13 : Kết mơ thực nghiệm điện áp tải  Phân tích FFT điện áp tải pha a (a) (b) Hình 14Kết phân tích FFT điện áp tải pha a Trong hình 8.14 (a) phân tích FFT mơ có THD = 5.88% (b) kết thực nghiệm có THD = 12.5% Trang 78 PHỤ LỤC Chỉ số điều chế m = 0.8  Điện áp tải pha a (a) (b) (c) Hình 15 : Kết mơ thực nghiệm Trong hình 8.15 (c) có điện áp tải pha a : U1 = 158.8 v dịng điện I1 = 0.99 A  Phân tích FFT điện áp tải pha a (a) (b) Hình 16 : kết mô thực nghiệm Trong hình 8.16 kết phân tích FFT (a) mơ có THD = 5.59% (b) thực nghiệm có THD = 11.0% Trang 79 PHỤ LỤC Chỉ số điều chế m = 0.9  Điện áp tải pha a (a) (b) (c) Hình 17 : Kết mơ thực nghiệm Trong 8.17 (c) phân thực nghiệm có điện áp tải pha a U 1= 171v dòng điện tải I1 = 1.08A  Phân tích FFT điện áp tải pha a (a) (b) Hình 18 : Kết mơ thực nghiệm Trong hình 8.18 (a) phân tích FFT mơ có THD = 4.81 % (b) thực nghiệm có THD = 8.4% Trang 80 PHỤ LỤC Chỉ số điều chế m =  Điện áp tải pha a (a) (b) (c) Hình 19 : Kết mô thực nghiệm Trong hình 8.19 (c) có kết nhƣ sau : điện áp tải pha a U1 = 186 v dòng điện tải I1 = 1.17 A  Phân tích FFT điện áp tải pha a (a) (b) Hình 20 : Kết mơ thực nghiệm Trong hình 8.20 (a) có THD = 4.72% (b) THD = 7.4% Trang 81 S K L 0 ... lƣu pha bậc NPC? ??là phù hợp cấp bách 1.1.2 Các kết nƣớc cơng bố 1.1.2.1 Tình hình nghiên cứu nƣớc: Trong năm vừa qua nhóm nghiên cứu nƣớc có nhiều nghiên cứu nghịch lƣu đa bậc Nghiên cứu nghịch. .. QUẢ MÔ PHỎNG CỦA BỘ NGHỊCH BA PHA NĂM BẬC H -NPC 20 3.1 Nguyên lý nghịch lƣu ba pha năm bậc H -NPC 20 3.2 Kỹ thuật điều khiển nghịch lƣu ba pha bậc H -NPC 22 3.2.1 Kỹ thuật PWM dùng... MƠ PHỎNG CỦA BỘ NGHỊCH BA PHA NĂM BẬC H -NPC 3.1 Nguyên lý nghịch lƣu ba pha năm bậc H -NPC Xét nghịch lƣu ba pha năm bậc H -NPC sử dụng ba nguồn Vd1 , Vd2 Vd3 với sáu tụ lọc nguồn Vc1, Vc2, Vc3,