(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 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 ngồi 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 Mô 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 Mô 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 Mơ 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 Mô 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 Chương Chƣơng 1: TỔNG QUAN 1.1 Tổ ng quan về lĩnh v ực nghiên cứu, kết nghiên cứu nƣớc 1.1.1 Tổng quan chung lĩnh vực nghiên cứu Từ thập niên 80 kỷ XX, kỹ thuật điện tử đƣợc ứng dụng mạch điều khiển, đo lƣờng, khống chế, bảo vệ…hệ thống điện công nghiệp gọi điện tử công nghiệp Đến thập niên 90 kỷ XX, kỹ thuật điện tử ứng dụng rộng rãi thành cơng việc thay khí cụ điện từ dùng để đóng ngắt cung cấp nguồn cho phụ tải pha, ba pha, làm nguồn công suất lớn công nghiệp…Với ƣu điểm kích thƣớc nhỏ gọn, điều khiển dễ dàng, đáp ứng tần số đƣợc mở rộng, khả công suất, điện áp, dòng điện độ tin cậy ngày đƣợc cải tiến dần Ngày nay, với tốc độ phát triển cơng nghiệp nhanh, kèm theo yêu cầu cao khâu truyền động động cơ, khâu khơng thể thiếu đƣợc dây chuyền cơng nghiệp Nhiệm vụ hệ thống truyền động thực điều khiển xác cấu chấp hành để tạo nên chuyển động phức tạp Việc phát triển công nghệ bán dẫn giúp chế tạo điều khiển điện tử công suất để đáp ứng yêu cầu truyền động ngày phức tạp Một thiết bị góp phần quan trọng lĩnh vực điều khiển truyền động điện biến đổi tần số hay cịn gọi biến tần Có loại biến tần biến tần tĩnh biến tần động Biến tần tĩnh dựa việc điều khiển đóng ngắt khóa bán dẫn công suất chúng đƣợc sử dụng số ứng dụng nhƣ: Bộ biến đổi tần số cho động cơ, lƣu điện (UPS), nguồn cấp điện chung cho cấp lƣợng mặt đất (GPU) cho máy bay Biến tần tĩnh thƣờng đƣợc chia thành loại biến tần trực tiếp biến tần gián tiếp Việc điều khiển biến tần gián tiếp tập trung vào điều khiển mạch nghịch lƣu, tức điều khiển biến đổi DC/AC.Nghiên cứu điều khiển nghịch lƣu có từ 30 năm qua Trong năm gần đây, việc nghiên cứu phƣơng pháp điều khiển nghịch lƣu đƣợc thực ngày nhiều Trang Chương chủ yếu tập trung vào mạch nghịch lƣu đa bậc Hiện có hƣớng nghiên cứu giải thuật nghịch lƣu đa bậc kỹ thuật nghịch lƣu theo điều chế vector không gian kỹ thuật nghịch lƣu điều chế sóng mang Năm 2005, tạp chí IEE Proceedings Electric Power Applications đăng tải nghiên cứu Nguyen Van Nho Myung-Joong Youn, viết tác giả nêu lý thuyết cho phép giải tích hóa tƣơng quan SVPWM CPWM Kết nghiên cứu giúp thống hai trƣờng phái nghiên cứu SVPWM CPWM, hoàn thiện kỹ thuật đa điều chế cho phép điều khiển toàn diện nghịch lƣu đa bậc.Hiện nghịch lƣu áp đa bậc pha đƣợc sử dụng rộng rãi ƣu điểm nhƣ cơng suất cao hơn, chất lƣợng dịng điện điện áp ngõ tốt hơn, mạch lọc ngõ nhỏ v.v ứng dụng thực tiễn đạt hiệu cao Với cấu hình nghịch lƣu bậc có nhiều nghiên cứu nghịch lƣu bậc bắt đầu tiến tới việc sản xuất thƣơng mại hóa Tuy nhiên, cấu hình nghịch lƣu bậc bắt đầu bộc lộ số nhƣợc điểm mà ta khó khắc phục Ví dụ nhƣ độ méo hài tổng lớn, điện áp common mode lớn [6,12] việc triệt tiệu điện áp khó khăn Vì vấn đề đặt phải nghiên cứu cấu hình giải thỏa mãn yêu cầu thực tế đề Cấu hình nghịch lƣu bậc lai cấu hình nghịch lƣu cho thấy nhiều khả đáp ứng điều Chính việc chọn hƣớng nghiên cƣ́u của đ ề tài là: “Nghiên cƣ́u bô ̣ n ghịch lƣu pha bậc NPC”là phù hợp cấp bách 1.1.2 Các kết ngồi 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 lƣu ba pha cầu H gồm hai mạch NPC ba bậc (5 bậc lai) luận văn thạc sĩ tác giả Bùi Thanh Hiếu trình bày mô thực nghiệm phƣơng pháp điều chế cho biến tần lai cầu H ba pha gồm hai nhánh NPC bậc sử dụng sóng mang có số lần chuyển mạch ít, hiệu việc giảm common-modevới THDUta = 27,11%[2] Trang Chương Vấn đề cân điện điểm trung tính biến tần NPC bậc dùng Zero-Sequence Vottage đƣợc tác giả Lê Văn Mạnh Giàu trình bày mơ Matlab với nhiều số điều chế tải khác để kiểm tra độ xác giải thuật, với số lần chuyển mạch cao THDUta = 35,66% [6] Năm 2012, hội nghị toàn quốc lần thứ điện tử - VCM – 2012 nhóm tác giả Nguyễn Văn Nhờ, Đới Văn Môn, Trần Quốc Hồn, Qch Thanh Hải trình bày nghiên cứu nhằm cân điện áp hai tụ điện chiều nghịch lƣu bậc NPC, với số lần chuyển mạch cao THDUta = 50,99% [9] Trong luận án tiến sĩ “Nghiên cứu kỹ thuật điều chế độ rộng xung để điều khiển tối ƣu nghịch lƣu đa bậc”, tác giả Quách Thanh Hải phân tích cấu trúc nghịch lƣu đa bậc bao gồm nghịch lƣu chuẩn truyền thống mạch nghịch lƣu lai (bằng mơ thực nghiệm) [11] 1.1.2.2 Tình hình nghiên cứu ngồi nƣớc Có nhiều nghiên cứu nƣớc liên quan đến đề tài đề xuất phải kể đến nghiên cứu sau: - “A Novel Switching Sequence Design for Five-Level HNPC-Bridge Inverters With Improved Output Voltage Spectrum and Minimized Device Switching Frequency” [3].Đây nghiên cứu tiêu biểucho hƣớng điều chế sử dụng kỹ thuật SVPWM Bài báo tập trungtrình bàymộttrình tựchuyển mạchtheođiều chếvector khơng giannhằm tối ƣu hóachocáccải thiệngiảm hài bậc cao giảm tần số chuyển mạch khóa cơng suất Cấu hình nghịch lƣu nghiên cứu cấu hình nghịch lƣu lai bậc Trong đó, pha nghịch lƣu bao gồm hai nhánh NPC, nhánh đƣợc kết nối với thiết bị đầu (tải) nhánh cịn lại kết nối với điểm trung tính Mỗi cầu H đƣợc cung cấp nguồn DC độc lập - “A Multilevel SVPWM Algorithm for Linear Modulation and Over Modulation Operation” [13] Bài báo đề xuất thuật toán SVPWM chung cho biến tần đa bậc dựa tiêu chuẩn SVPWM hai bậc Kể từ phƣơng pháp SVPWM đa cấp đề xuất sử dụng điều chế hai bậc để tính tốn trƣớc đó,việc tính tốn cho biến tần n bậc trở nên dễ dàng Các thuật toán SVPWM Trang 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 mô mô (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 dịng 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 mơ phỏng, (b) kết thực nghiệm (c) kết thực nghiệm đo máy Hioki điện áp tải pha dịng 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 mô 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 mô thực nghiệm Trong hình 8.15 (c) có điện áp tải pha a : U1 = 158.8 v dòng điện I1 = 0.99 A  Phân tích FFT điện áp tải pha a (a) (b) Hình 16 : kết mơ 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 mô 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 mơ 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 ngồi 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... MÔ 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,