1. Mô phỏng cho trường hợp nguồn DC không cân bằ ng
1.1 Thực hiện mô phỏng
Để thấy rõ được ảnh hưởng của nguồn DC không cân bằng lên dạng dòng điện tải, ta sẽ thực hiện mô phỏng cho bộ nghịch lưu dạng cascade 5 bậc.
Phương pháp được sử dụng là Medium common mode – DPWM như trong trường hợp nguồn DC cân bằng. Thông số mô phỏng:
• Các nguồn DC có giá trị lần lượt là Va1 = 250V, Va2 = 150V, Vb1 = 280V, Vb2 = 120V, Vc1 = 160V, Vc2 = 240V.
• Sóng điều khiển có tần số 50Hz, sóng mang dạng PD tần số 2000 Hz; • Chỉ sốđiều chế m = 0.8;
SVTH: Trần Quốc Hoàn 77/102 Hình 6.1: Các nguồn DC không cân bằng.
SVTH: Trần Quốc Hoàn 78/102 Hình 6.3: Dạng điện áp pha – tâm nguồn DC trên pha A.
Hình 6.4: Dạng điện áp pha – tâm nguồn DC trên pha B.
SVTH: Trần Quốc Hoàn 79/102 Hình 6.6: Dạng điện áp tải trên pha A.
Hình 6.7: Dạng điện áp tải trên pha B.
SVTH: Trần Quốc Hoàn 80/102 Hình 6.9: Phân tích Fourier cho điện áp tải pha A.
¾ Nhận xét:
Khi nguồn DC không cân bằng đáp ứng dòng điện tải bị méo dạng rất nhiều, còn trên dạng của điện áp tải tồn tại nhiều sóng hài bậc cao. Từ vấn đề trên đòi hỏi phải có phương pháp thích hợp để điều khiển bộ nghịch lưu trong điều kiện nguồn DC không cân bằng – điều này gặp rất nhiều trong thực tế vì không thểđiều khiển nguồn DC cân bằng tuyệt đối.
2. Phương pháp điều khiển bộ nghịch lưu áp đa bậc với nguồn DC không cân bằng
2.1 Nguyên lý điều chế
Phương pháp này được phân tích dựa trên bộ nghịch lưu áp đa bậc dạng diode kẹp NPC, và các thành phần điện áp cũng được phân tích như trong trường hợp nguồn DC cân bằng (nhưđã trình bày trong chương 5).
¾ Reference phase to pole voltages:
Vxref = Vx12 + V0ref ; x = a,b,c (6.1)
¾ Active voltages: Va12 = Vm.cosθ Vb12 = Vm.cos(θ−2π/3) (6.2) Vc12 = Vm.cos(θ−4π /3) ¾ Giới hạn của điện áp điều chế: 0≤ Vxref ≤Vs (6.3)
SVTH: Trần Quốc Hoàn 81/102
Vomax = Vs – Vmax (6.6)
Vomin ≤ Voref ≤ Vomax
¾ Định nghĩa hai bậc điện áp H(x), L(x) gần nhất với Vxref và điện áp tương
ứng của chúng VH(x), VL(x) : 0≤VL(x) ≤Vxref ≤VH(x) ≤Vn−1 (6.7) Vdx = VH(x) – VL(x) (6.8) ¾ Mối quan hệ giữa VH(x), VL(x) : ⎪⎩ ⎪ ⎨ ⎧ = = < < ≤ − − − 1 1 ) ( 1 ) ( ) ( n xref n x H n xref x H xref x L V V khi V V V V khi V V V (6.9) H(x) = L(x) + 1 ; x = a,b,c (6.10)
¾ Định nghĩa hai giá trị EHx và ExL = Exref như là độ chênh lệch điện áp giữa Vxref và VH(x), VL(x) như sau: ⎪⎩ ⎪ ⎨ ⎧ − = = = − = ) ( ) ( ; , , x L xref xL xref xref x H Hx V V E E c b a x V V E (6.11) Hình 6.10: Điện áp điều chế và quan hệ giữa các bậc điện áp.
SVTH: Trần Quốc Hoàn 82/102 ⎩ ⎨ ⎧ = = ) , , ( ) , , ( min min Hc Hb Ha H cref bref aref L E E E Min E E E E Min E (6.12) ¾ Định nghĩa thông số ξxref như là tín hiệu điều chế nhỏ: dx xref xref V E = ξ ; 0 ≤ξxref ≤1 (6.13) ¾ Do đó, điện áp điều chế có thể biểu diễn như sau: dx xref x L xref V V V = ( ) +ξ . (6.14) Hình 6.11: Nguyên lý điều chế của phương pháp a)Quan hệ giữa các điện áp điều chế b)Tín hiệu điều chế trong đồ thịđa sóng mang c)Tín hiệu điều chế nhỏ trong đồ thị một sóng mang.
Quan hệ giữa các tín hiệu điều chế với dạng sóng mang tương ứng và mẫu điện áp DC trong bộ nghịch lưu 5 bậc dạng NPC được biểu diễn trong đồ thị sau:
SVTH: Trần Quốc Hoàn 83/102 Hình 6.12: Mối quan hệ giữa các tín hiệu điều chế trong đồ thị sóng mang. Nguyên lý hiệu chỉnh trong trường hợp nguồn DC không cân bằng được biểu diễn như sau:
Hình 6.13: Sơđồ giải thuật trong trường hợp nguồn DC không cân bằng.
Tóm lại, phương pháp điều chế vector không gian dùng sóng mang đối với trường hợp nguồn DC không cân bằng có thểđược biểu diễn tổng quát như sau:
SVTH: Trần Quốc Hoàn 84/102 Hình 6.14: Sơđồ giải thuật của phương pháp điều chế vector không gian dùng sóng
mang trong trường hợp nguồn DC không cân bằng.
2.2 Ứng dụng cho bộ nghịch lưu đa bậc dạng cascade
Ta xét trường hợp bộ nghịch lưu dạng cascade 5 bậc với nguồn DC không cân bằng như sau:
SVTH: Trần Quốc Hoàn 85/102 Hình 6.16: Các mức điện áp có thểđạt được của bộ nghịch lưu cascade 5 bậc.
Tùy theo từng cách bố trí sóng mang cụ thể mà mỗi bộ nghịch lưu cascade 5 bậc cũng chỉ có thể tạo ra được điện áp dạng 5 bậc ở ngõ ra. Ví dụ một số cách bố trí sóng mang và điện áp tạo được tương ứng như sau:
SVTH: Trần Quốc Hoàn 86/102 a)
b)
Hình 6.17: Một số trường hợp bố trí sóng mang và mức điện áp DC tạo được. Trong luận văn này chọn cách bố trí sóng mang như H6.17a, vì theo cách bố trí sóng mang này sẽ đạt được sự cân bằng công suất giữa 2 bộ nghịch lưu cầu một pha (đã trình bày trong chương 3 phần 2.2.2).
Tương tự như trường hợp nguồn DC cân bằng, với cách phân bố của các nguồn DC như H6.17a thì sẽ gặp khó khăn trong việc xác định các bậc điện áp H(x), L(x) và
SVTH: Trần Quốc Hoàn 87/102
Hình 6.18: Biến đổi tương đương các mức điện áp.
Khi đó trong mạch nghịch lưu ta xem như tồn tại 1 điểm trung tính O’ có điện thế
bằng 0 (zero), quan hệ với trung tính O như sau:
VOO’ = Va1 + Va2 (6.15)
Và điện áp điều chế cũng thay đổi tương ứng:
Vxref,O’ = Vxref,O + VOO’ = Vxref,O + (Va1 + Va2) (6.16) Cấu trúc mạch nghịch lưu sau khi thực hiện phép biến đổi này có thể minh họa như sau:
SVTH: Trần Quốc Hoàn 88/102 Hình 6.19: Minh họa mạch nghịch lưu sau khi biến đổi.
Để thuận tiện cho quá trình tính toán trong mô phỏng, các mức điện áp DC sẽ được chuyển thành các mức tín hiệu điện áp DC theo phép tham chiếu:
vx1 = Vx1 / Vdx ;
vx2 = Vx2 / Vdx ; (6.17)
Với Vdx = (Vx1 + Vx2) / 2 ; x = A,B,C.
Tóm lại, để ứng dụng phương pháp điều chế vector không gian dùng sóng mang vào bộ nghịch lưu dạng cascade ta phải thực hiện các bước biến đổi sau:
SVTH: Trần Quốc Hoàn 89/102
3.1 Chương trình trong khối DLL
Ta xây dựng khối DLL phục vụ cho mô phỏng bộ nghịch lưu cascade đối với nguồn không cân bằng như sau:
• Ngõ vào lần lượt là Va1, Va2, Vb1, Vb2, Vc1, Vc2, va12, vb12, vc12 tương ứng với in[0], in[1], in[2], in[3], in[4], in[5], in[6], in[7], in[8]. • Ngõ ra lần lượt là vap, varef, vbp, vbref, vcp, vcref, vomax, vomin, vop,
voadd tương ứng với out[0], out[1], out[2], out[3], out[4], out[5], out[6], out[7], out[8], out[9].
Chương trình trong khối DLL:
// KCB_MedCM_DPWM.h #pragma once
using namespace System; namespace KCB_MedCM_DPWM { #include <math.h>
__declspec(dllexport) void math (double t,double delt,double *in, double *out) { double Va1,Va2,Vb1,Vb2,Vc1,Vc2; double a,b,c,Max,Min,e; double vomax,vomin,vop,vap,vbp,vcp; double Eha,Ehb,Ehc,Earef,Ebref,Ecref; double Vda,va1,va2; double Vdb,vb1,vb2; double Vdc,vc1,vc2; double EminH,EminL,voadd; double vaf,vbf,vcf,varef,vbref,vcref;
e = 0.1; // Bien e khong có gia tri trong thuat toan va Va1 = in[0]+ e; // khong anh huong den ket qua, no chi la Va2 = in[1]+ e; // mot sai so de mo phong duoc trong Psim Vb1 = in[2]+ e; // ta co the chon gia tri bat ki
Vb2 = in[3]+ e; Vc1 = in[4]+ e; Vc2 = in[5]+ e;
SVTH: Trần Quốc Hoàn 90/102
a = in[6]; b = in[7]; c = in[8];
// Tinh gia tri Primitive Phase to Pole Voltage Vxp if(a>b) { if(a>c) { Max = a; if(b>c) { Min = c;} else { Min = b;} }
else { Max = c; Min = b;}
} else
{ if(b>c)
{ Max = b;
if(a>c) { Min = c;}
else { Min = a;}
}
else { Max = c; Min = a;}
}
vomax = 4-Max; vomin = -Min; // Tinh Medium Common Mode
vop = (vomax + vomin)/2; vap = a + vop;
vbp = b + vop; vcp = c + vop;
// Tinh cac muc dien ap trung binh Vda = (Va1 + Va2)/2; va1 = Va1/Vda; va2 = Va2/Vda; Vdb = (Vb1 + Vb2)/2; vb1 = Vb1/Vdb; vb2 = Vb2/Vdb; Vdc = (Vc1 + Vc2)/2; vc1 = Vc1/Vdc; vc2 = Vc2/Vdc; // Tinh Eha, Earef
if(vap<=va2) {Eha = va2-vap; Earef = vap;}
else if(vap<=2) {Eha = 2-vap; Earef = vap-va2;}
else if(vap<=(2+va1)) {Eha = 2+va1-vap; Earef = vap-2;}
else {Eha = 4-vap; Earef = vap-(2+va1);}
// Tinh Ehb, Ebref
if(vbp<=vb2) {Ehb = vb2-vbp; Ebref = vbp;}
else if(vbp<=2) {Ehb = 2-vbp; Ebref = vbp-vb2;}
else if(vbp<=(2+vb1)) {Ehb = 2+vb1-vbp; Ebref = vbp-2;}
else {Ehb = 4-vbp; Ebref = vbp-(2+vb1);}
// Tinh Ehc, Ecref
if(vcp<=vc2) {Ehc = vc2-vcp; Ecref = vcp;}
else if(vcp<=2) {Ehc = 2-vcp; Ecref = vcp-vc2;}
else if(vcp<=(2+vc1)) {Ehc = 2+vc1-vcp; Ecref = vcp-2;}
else {Ehc = 4-vcp; Ecref = vcp-(2+vc1);}
// Tinh EminH, EminL
if((Eha<=Ehb)&&(Eha<=Ehc)) {EminH = Eha;}
if((Ehb<=Eha)&&(Ehb<=Ehc)) {EminH = Ehb;}
SVTH: Trần Quốc Hoàn 91/102
vbf = vbp + voadd; vcf = vcp + voadd; // Comparator and Selector // Tinh varef
if(vaf<=va2) {varef = 0 + vaf/va2;}
else if(vaf<=2) {varef = 1 + (vaf-va2)/(2-va2);}
else if(vaf<=(2+va1)) {varef = 2 + (vaf-2)/va1;}
else {varef = 3 + (vaf-2-va1)/(2-va1);} // Tinh vbref
if(vbf<=vb2) {vbref = 0 + vbf/vb2;}
else if(vbf<=2) {vbref = 1 + (vbf-vb2)/(2-vb2);}
else if(vbf<=(2+vb1)) {vbref = 2 + (vbf-2)/vb1;}
else {vbref = 3 + (vbf-2-vb1)/(2-vb1);} // Tinh vcref
if(vcf<=vc2) {vcref = 0 + vcf/vc2;}
else if(vcf<=2) {vcref = 1 + (vcf-vc2)/(2-vc2);}
else if(vcf<=(2+vc1)) {vcref = 2 + (vcf-2)/vc1;}
else {vcref = 3 + (vcf-2-vc1)/(2-vc1);} // Gan gia tri cho cac ngo ra
out[0] = vap; out[1] = varef; out[2] = vbp; out[3] = vbref; out[4] = vcp; out[5] = vcref; out[6] = vomax; out[7] = vomin; out[8] = vop; out[9] = voadd; } }
3.2 Mô phỏng trong trường hợp nguồn không cân bằng là nguồn DC 3.2.1 Thông số mô phỏng
Chếđộ mô phỏng là Medium common mode – DPWM. Thông số mô phỏng: • Các nguồn DC có giá trị lần lượt là Va1 = 250V, Va2 = 150V, Vb1 =
280V, Vb2 = 120V, Vc1 = 160V, Vc2 = 240V.
• Sóng điều khiển có tần số 50Hz, sóng mang dạng PD tần số 2000 Hz; • Chỉ sốđiều chế m = 0.8;
SVTH: Trần Quốc Hoàn 92/102 • Tải RL đấu dạng sao (Y) có R = 5Ω, L = 0.02H.
3.2.2 Kết quả mô phỏng
Hình 6.21: Các nguồn điện áp DC không cân bằng.
Hình 6.22: Các thành phần tín hiệu điện áp điều chế.
SVTH: Trần Quốc Hoàn 93/102 Hình 6.24: Điện áp pha – tâm nguồn pha B.
Hình 6.25: Điện áp pha – tâm nguồn pha C.
SVTH: Trần Quốc Hoàn 94/102 Hình 6.27: Điện áp tải pha B.
Hình 6.28: Điện áp tải pha C.
SVTH: Trần Quốc Hoàn 95/102 Hình 6.30: Dòng điện tải pha A.
Hình 6.31: Dòng điện tải trên 3 pha.
3.3 Mô phỏng trong trường hợp nguồn không cân bằng được lấy từ bộ chỉnh lưu cầu 3 pha diode
3.3.1 Các thông số mô phỏng
Chếđộ mô phỏng là Medium common mode – DPWM. Thông số mô phỏng: • Các nguồn DC được lấy thông qua bộ chỉnh lưu cầu diode 3 pha, các tụ
điện C = 1F, với các điện áp nhập vào nguồn sin 3 pha lần lượt là Vsina1[line–line–rms] = 155V, Vsina2 = 145V, Vsinb1 = 160V, Vsinb2 = 140V, Vsinc1 = 135V, Vsinc2 = 165V.
• Sóng điều khiển có tần số 50Hz, sóng mang dạng PD tần số 2000 Hz; • Chỉ sốđiều chế m = 0.8;
SVTH: Trần Quốc Hoàn 96/102 • Tải RL đấu dạng sao (Y) có R = 5Ω, L = 0.02H.
3.3.2 Kết quả mô phỏng
Hình 6.32: Các nguồn DC không cân bằng.
SVTH: Trần Quốc Hoàn 97/102 Hình 6.34: Điện áp pha – tâm nguồn trên pha A.
Hình 6.35: Điện áp pha – tâm nguồn trên pha B.
SVTH: Trần Quốc Hoàn 98/102 Hình 6.37: Điện áp tải trên pha A.
Hình 6.38: Điện áp tải trên pha B.
SVTH: Trần Quốc Hoàn 99/102 Hình 6.40: Phân tích Fourier cho điện áp tải pha A.
Hình 6.41: Dòng điện tải trên pha A.
SVTH: Trần Quốc Hoàn 100/102
4. Nhận xét
Dạng điện áp tải trong trường hợp nguồn không cân bằng rõ ràng là có chất lượng kém hơn so với trường hợp nguồn DC cân bằng mặc dù đã được hiệu chỉnh. Qua phân tích Fourier ta thấy thành phần sóng hài bậc bậc cao vẫn còn tồn tại trong dạng sóng của điện áp tải.
Dòng điện tải trên 3 pha trong trạng thái xác lập có thể xem là cân bằng.
Việc điều khiển bộ nghịch lưu áp trong trường hợp nguồn không cân bằng có thể
kết hợp với các chế độ common mode khác nhau giống như trong trường hợp nguồn cân bằng.
SVTH: Trần Quốc Hoàn 101/102 giải thuật tương ứng cho bộ nghịch lưu cascade để có thể thực hiện mô phỏng. Trong trường hợp điều khiển với nguồn không cân bằng đã hiệu chỉnh được đáp ứng dòng
điện và điện áp về dạng cân bằng.
Tuy nhiên, do quỹ thời gian hạn chế nên luận văn chưa thực hiện mô phỏng được cho bộ nghịch lưu cascade dạng 7 bậc (hoặc cao hơn nữa), chưa mô phỏng được việc
điều khiển với tải có tính thực tế nhưđộng cơ không đồng bộ...
Hướng phát triển của đề tài có thể là nghiên cứu mở rộng phạm vi điều khiển tuyến tính điện áp ngõ ra, thực hiện mô phỏng cho bộ nghịch lưu với số bậc cao hơn, hay điều khiển vòng kín trong trường hợp tải là động cơ có hồi tiếp để đạt được chất lượng điện áp và dòng điện cao hơn.
SVTH: Trần Quốc Hoàn 102/102
Tài liệu tham khảo
[1] Nguyễn Văn Nhờ, Giáo trình Điện tử công suất 1, Nhà xuất bản Đại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh, 2002.
[2] Nguyễn Văn Nhờ & Hong Hee Lee, Analysis of Carrier Based PWM Methods Based on Optimization of Voltage Errors.
[3] Nguyễn Văn Nhờ & Hong Hee Lee, Theoretical Analysis of Carrier Algorithms For Multilevel Inverters with Unbalanced DC Voltages.
[4] Nguyễn Văn Nhờ & Hong Hee Lee, Optimized Discontinuous PWM Algorithm with Variable Load Power Factor for Multilevel Inverters.
[5] Nguyễn Quang Tiến, Kỹ thuật PWM, Luận văn tốt nghiệp Đại học, Trường Đại học Bách Khoa Tp HCM, 2006.
[6] Nguyễn Bá Mịch, Nghiên cứu kỹ thuật điều chế PWM cho bộ nghịch lưu đa bậc với nguồn áp DC không cân bằng, Luận văn Thạc sĩ, Trường Đại học Sư Phạm Kỹ
Thuật Tp HCM, 2006.
[7] Phạm Xuân Hổ, So sánh các kỹ thuật điều chế gián đoạn cho bộ nghịch lưu áp đa bậc, Luận văn Thạc sĩ, 2006.