(Luận văn thạc sĩ) nghiên cứu giải thuật nghịch lưu giảm tổn hao do chuyển mạch cho cấu hình NPC 5 bậc cầu h

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ PHAN THANH MINH NGHIÊN CỨU GIẢI THUẬT NGHỊCH LƯU GIẢM TỔN HAO DO CHUYỂN MẠCH CHO CẤU HÌNH NPC BẬC CẦU H NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN - 60520202 S K C0 Tp Hồ Chí Minh, tháng 04/2017 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ PHAN THANH MINH NGHIÊN CỨU GIẢI THUẬT NGHỊCH LƯU GIẢM TỔN HAO DO CHUYỂN MẠCH CHO CẤU HÌNH NPC BẬC CẦU H NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN - 60520202 Tp Hồ Chí Minh, tháng 04/2017 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ PHAN THANH MINH NGHIÊN CỨU GIẢI THUẬT NGHỊCH LƯU GIẢM TỔN HAO DO CHUYỂN MẠCH CHO CẤU HÌNH NPC BẬC CẦU H NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN - 60520202 Hướng dẫn khoa học: TS QUÁCH THANH HẢI Tp Hồ Chí Minh, tháng 04/2017 i LÝ LỊCH KHOA HỌC LÝ LỊCH SƠ LƯỢC: I Họ tên: Phan Thanh Minh Giới tính: Nam Ngày, tháng, năm sinh: 15/03/1978 Nơi sinh: Quảng Binh Quê quán: Quảng Bình Dân tộc: Kinh Địa liên lạc: E41 Lê Anh Xuâng, Khu phố Lê Anh Xuân, Phường Vĩnh Quang, Thành phố Rạch Giá, Tỉnh Kiên Giang Điện thoại quan: 0773 863 530 Di động: 0989220288 Fax: 0773 863 421 Email: ptminh@kgtec.edu.vn Q TRÌNH ĐẢO TẠO: II Hệ đào tạo: Chính qui (chuyển tiếp), Thời gian đào tạo từ : 08/2008 đến 01/2010 Nơi học: Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Tp HCM Ngành học: Kỹ thuật Điện – Điện Tử Tên đồ án tốt nghiệp: Thiết kế mạch điều khiển máy in hóa đơn Người hướng dẫn: Nguyễn Văn Chương III Q TRÌNH CƠNG TÁC CHUN MƠN KỂ TỪ KHI TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC: Thời gian Nơi công tác Công việc đảm nhiệm Từ 2010 Trường Cao Đẳng Giáo viên giảng dạy Đến Kinh Tế– Kỹ Thuật Kiên Giang khoa Điện – Điện Tử i LỜI CAM ĐOAN Tơi cam đoan cơng trình nghiên cứu Các số liệu, kết nêu luận văn trung thực chưa công bố cơng trình khác Tp Hồ Chí Minh, ngày 25 tháng 02 năm 2017 (Ký tên ghi rõ họ tên) Phan Thanh Minh ii LỜI CẢM TẠ Xin chân thành gửi lời cảm ơn đến TS Qch Thanh Hải,Ths Đỗ Đức Trí, tận tình hướng dẫn tơi để thực hồn thành luận văn Xin chân thành gửi lời cảm ơn đến toàn thể q thầy trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật TP Hồ Chí Minh giảng dạy, hướng dẫn tạo điều kiện, môi trường học tập tốt cho Xin cảm ơn ban lãnh đạo Khoa Điện – Điện tử Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh hỗ trợ sử dụng phịng thí nghiệmĐiện tử cơng suất nâng cao D405vàthiết bị sử dụng suốt thời gian thực luận văn Xin gửi lời đồng cảm ơn đến bạn sau đại học phịng thực tập Điện Tử Cơng Suất D405 chia sẻ trao đổi kiến thức kinh nghiệm quý báu thời gian thực đề tài Xin kính chúc sức khỏe chân thành cảm ơn! Học viên Phan Thanh Minh iii TÓM TẮT Đề tài trình bày kỹ thuật điều chế sóng mang thông qua việc sử dụng hàm offset nhằm giảm tổn hao chuyển mạch khóa cơng suất cho nghịch lưu cầu H-NPC bậc Kỹ thuật sử dụng hàm offset thành phần bậc để chuyển sóng điện áp điều khiển ngưỡng cực đại cực tiểu biên độ sóng mang thời điểm dịng điện pha khơng đạt cực tiểu biên độ dịch chuyển điện áp điều khiển cực tiểu Khi điện áp điều khiển ngưỡng cực đại cực tiểu biên độ sóng mang giảm giao cắt sóng điều khiển sóng mang để giảm số lần chuyển mạch vùng tổn hao chuyển mạch lớn Với kỹ thuật xây dựng hàm offset trình bày nghiên cứu, khóa cơng suất chịu dịng tải lớn hạn chế chuyển trạng thái Do tổng tổn hao chuyển mạch giảm Kết giải thuật kiểm chứng qua mô thực nghiệm Từ khóa: Điều chế sóng mang, hàm offset, giảm số lần chuyển mạch, nghịch lưu, bậc ABSTRACT This project presents a new carrier pulse width modulator algorithm to reduce switching loss in five-level H-bridge neutral point clamped inverter The proposed technique is based on the offset function being 3rd harmonic voltage The offset voltage will be added to the control voltages so that the voltage of phase which has absolute of load current largest move into top (or bottom) of the carriers So reducing the intersection of control voltage in that phase and the carriers and then reducing the number of switching losses With the pulse width modulation method and flexible offset voltages in this study, switching loss in a cycle will be decrease Simulation and experiment results will be provides in order to validate the proposed algorithm Keywords: carrier based pulse width modulation, offset function, reducing the number of switching losses, five-level h-bridge neutral point clamped inverter, control voltage iv MỤC LỤC LÝ LỊCH KHOA HỌC i LỜI CAM ĐOAN ii LỜI CẢM TẠ iii TÓM TẮT iv MỤC LỤC v DANH SÁCH CHỮ VIẾT TẮT ix DANH SÁCH HÌNH x DANH SÁCH BẢNG xiii Chương TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan chung lĩnh vực nghiên cứu, kết nghiên cứu nước 1.1.1 Tổng quan chung lĩnh vực nghiên cứu .1 1.1.2 Các kết nước công bố 1.1.2.1Các cơng bố ngồi nước 1.1.2.2 Tình hình nghiên cứu nước: .2 1.2 Tính cấp thiết đề tài .3 1.3 Mục đích đề tài 1.4 Giới hạn đề tài 1.5 Phương pháp nghiên cứu 1.6 Điểm đề tài Chương CƠ SỞ LÝ THUYẾT .6 2.1Tổ ng quan về nghich ̣ lưu .6 2.1.1Khái niệm nghịch lưu .6 2.1.2Phân loạivà phương pháp điều khiển nghịch lưu 2.1.2.1Phân loại 2.1.2.2Phương pháp điều khiển 2.2 Các cấu trúc nghịch lưu đa bậc 2.2.1 Cấu trúc nghịch lưu NPC (Neutral Point Clamped) v 2.2.2 Cấu trúc nghịch lưu kẹp tụ (Flying capacitor inverter) 2.2.3Cấu trúc nghịch lưu áp dạng Cascade 2.2.4 Nhận xét .10 2.3 Kỹ thuật điều chế độ rộng xung (PWM) cho nghịch lưu đa bậc 10 2.3.1 Các dạng song mang dùng kỹ thuật PWM 10 2.3.2Phương pháp điều chế độ rộng xungPWM 11 2.3.2.1Phương pháp điều chế độ rộng xung Sin PWM [1] .11 2.3.2.2Phương pháp điều chế độ rộng xung cải biến (MSPWM: Modified (PWM) 13 2.3.2.3Phương pháp điều chế vector không gian: 14 Chương GIẢI THUẬT ĐIỀU CHẾ SÓNG MANG GIẢM TỔN HAO DO SỰ CHUYỂN MẠCH CHO NGHỊCH LƯU CẦU H-NPC BẬC 21 3.1Nguyên lý nghịch lưu ba pha năm bậc H-NPC 21 3.2Kỹ thuật điều khiển nghịch lưu ba pha bậc H-NPC 23 3.2.1Điện áp điều khiển uđkj .23 3.2.2Điều chế PWM dùng nhiều sóng mang 25 3.3Vấn đề tổn hao chuyển mạch đề xuất giải thuật 27 3.4Vấn đề đề xuất .27 3.5Giải thuật đề xuất 29 3.5.1Nguyên lý giải thuật 29 3.5.2 Lưu đồ giải thuật 31 3.6Mô giải thuật đề xuất nghịch lưu ba pha năm bậc H-NPC 32 3.6.1Thông số mô 32 3.6.2Mơ hình mơ 33 3.6.3 Chức khối mơ hình 33 3.6.3.1Khối tạo sóng điều khiển .33 3.6.3.2Khối sóng mang so sánh tạo xung kích .34 3.7Kết mô với số điều chế m = 0.75 tải R = 40Ω, L = 0,1H .35 3.7.1Kết mô 35 vi Chương 4.4.7Phân tích FFT điện áp pha A tâm tải  Kết mô thực nghiệm : (b) (a) Hình 4.32:Kết mơ thực nghiệm Trong hình 4.35 kết mơ thực nghiệm (a) kết mô phỏng, (b) kết thực nghiệm Ta thấy điện áp tải THD mô thực nghiệm tương đối gần nhau, cịn đối dịng điện mô thực chênh lệch Tuy nhiên điệnáp pha tâm tải THD = 4.8 % đạt tiêu chuẩn Việt Nam[12] nhỏ 6.5% Trang 57 Chương 4.4.8 Thông số thực nghiêm điện áp pha, THD%, số lần chuyển mạch theo số m giải thuật đề xuất THD (%) 0.10 Điện áp tải rms (V) 30.2 24.9 Số lần chuyển mạch chu kỳ 314 0.15 42.6 23.5 314 0.20 52.4 12.9 310 0.25 64.2 8.9 312 0.30 75.3 8.7 348 0.35 89.2 7.5 340 0.40 107 6.5 328 0.45 110 5.2 308 0.50 121 4.1 300 0.55 133 302 0.60 143 3.6 306 0.65 158 4.6 308 0.70 163.6 4.9 320 0.75 171.7 5.7 328 0.80 178.4 6.3 320 0.85 181 7.4 304 0.90 181.8 8.5 296 0.95 183.9 9.2 302 1.00 184 10.3 286 Chỉ số m Bảng 4.1:Giá trị điện áp, THD%, số lần chuyển mạch theo số m Trang 58 Chương  Đặc tuyến điều khiển điện áp tải theo số điều chế m Dien ap hieu dung pha (V) 200 175 150 125 100 75 50 25 0 0.2 0.4 0.6 0.8 Chi so dieu che m 1.2 Hình 4.33:Đặc tuyến điều khiển áp tải hiệu dụng pha A theo số m Từ hình 4.36 ta thấy điện áp lớn số điều chế m=1  Đặc tuyến THD% điện áp pha theo số điều chế m Hình 4.34:Đặc tuyến THD theo số m Từ hình 4.36 ta thấy THD% nhỏ số điều chế m=0.6 Trang 59 Chương  Đặc tuyến số lần chuyển mạch chu kỳ theo số điều chế m Hình 4.35:Đặc tuyến sơ lần chuyển mạch chu kỳ pha theo số m Từ đặc tuyến từ hình 4.36 đến 4.38 ta thấy số điều chế m phù hợp có điện áp lớn số lần chuyển mạch khóa cơng suất nhỏ m=0.75 mà bảo đảm số THD% theo tiêu chuẩn Việt Nam [12] 4.4.9 So sánh giải thuật đề xuất với kết công bố Việt Nam  Bảng thông sô THD% số lần chuyển mạch giải thuật đề xuất giải thuật Min Common Mode Chỉ số THDu THDu Số lần chuyển mạch Số lần chuyển mạch điều chế GTĐX GT-Min CM GTĐX GT-MinCM m (%) (%) (%) 0.1 24.9 10.4 314 400 0.2 12.9 6.9 310 398 0.3 8.7 4.9 348 398 0.4 6.5 3.3 328 400 0.5 4.1 3.7 300 398 0.6 3.6 2.9 306 398 0.7 4.9 320 398 0.8 6.3 2.6 320 398 0.9 8.5 2.4 296 400 1.00 10.3 3.1 286 396 Bảng 4.2:Thông sô THD%, số lần chuyển mạch giải thuật đề xuất giải thuật Min CM Trang 60 Chương  So sánh đặc tuyến số lần chuyển mạch giải thuật đề xuất giải thuật Min CM Hình 4.36:So sánh số lần chuyển mạch giải thuật đề xuất giải thuật MinCommon Mode Từ hình 4.39 ta thấy giải thuật đề xuất có số lần chuyên mạch giảm 25% so với giải thuật Min Common Mode  So sánh đặc tuyến THD% giải thuật đề xuất giải thuật Min Common Mode Hình 4.37:So sánh số THD% giải thuật đề xuất giải thuật Min Common Mode Trang 61 Chương Từ hình 4.40: ta thấy THD% giải thuật đề xuất cao giải thuật Min Common Mode, đảm bảo tiêu chuẩn Việt Nam[12] với số điều chế m=0.4 đến 0.8 4.5 Kết luận Khi sử dụng giải thuật đề xuất cho nghịch lưu bậc cầu H – NPC ta nhận thấy rằng: - Kết mô gần giống với kết thực nghiệm - Số lần chuyển mạch giảm 25% so với giải thuật nêu trước - Các khóa cơng suất khơng chuyển mạch vị trí có dịng điện cao nên tổn hao khóa cơng suất chuyển mạch giảm dẫn đến hiệu suất mạch tăng lên (theo công thức 3.15) - Từ kết ta thấy số điều chế m tối ưu giá trị 0.75 - Các giá trị THD% điện áp dòng điện đảm bảo theo tiêu chuẩn Việt Nam[8] Trang 62 Chương Chương KẾT LUẬN VÀHƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI 5.1 Kết luận  Bằng cách sử dụng hàm offset đề xuất theo cơng thức (3.26) ta giải tốt toán giảm số lần chuyển mạch chu kỳ điện áp điều khiển Giá trị giảm số lần chuyển mạch đạt đến 25% đặc biệt vị trí giảm chuyển mạch pha ln tương ứng với thời điểm dòng điện pha cực đại giải thuật đề xuất có khả giảm số lần chuyển mạch đồng thới giảm tổn hao chuyển mạch so với giải thuật giảm số lần chuyển mạch thông thường Tuy nhiên thông số chất lượng điện THD% điện áp pha tải cần có cải tiến tồn dải điều chế có giá trị lớn so với áp dụng giải thuật Min Common Mode(hình 4.40) Giải thuật mở khả giảm số lần chuyển mạch giảm tổn hao chuyển mạch khóa cơng suất nghịch lưu lai cầu H-NPC bậc mà đảm bảo thông số chất lượng THD% theo tiêu chuẩn Việt Nam [12]và độ tuyến tính đặc tuyến điều khiển  Từ kết mô thực nghiệm ta thấy với số điều chế m=0.4 đến 0.8 THD% >4));//he so kdai=580 read_adc2 =((AdcRegs.ADCRESULT1>>4));//he so kdai=580 read_adc3 =((AdcRegs.ADCRESULT2>>4));//he so kdai=580 ////adc ia///////// curr_temp1=read_adc1-2240; peak_in1=((double)(curr_temp1))*10/1365; ia=peak_in1*1.05; ////adc ib1///////// curr_temp2=read_adc2-2245; peak_in2=((double)(curr_temp2))*10/1365; ib=peak_in2*1.15; ////adc ic///////// curr_temp3=read_adc3-2197; peak_in3=((double)(curr_temp3))*10/1365; ic=peak_in3*0.9; }  Chương trình tạo sóng điều khiển: void cal_udk(void) { m=0.75*4/sqrt(3); va =m*sin(w*t); //2^28 268435456 vb= m*sin(w*t-2*PI/3); //2^28 268435456 vc =m*sin(w*t-4*PI/3); //2^28 268435456 ia1=abs(ia); ib1=abs(ib); ic1=abs(ic); vmax=va*(va>vb)*(va>vc)+vb*(vb>va)*(vb>vc)+vc*(vc>vb)*(vc>va); vmin=va*(vaib1)*(ic1>ia1)+0*(ib1>=ic1)+0*(ia1>=ic1); amin=1*(ia1