Giải thuật điều chế sóng mang giảm số lần chuyển mạch cho nghịch lưu cầu H-NPC 5 bậc

Tạp Chí Khoa Học Giáo Dục Kỹ Thuật Số 37 (09/2016)
Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP. Hồ Chí Minh

7

GIẢI THUẬT ĐIỀU CHẾ SÓNG MANG
GIẢM SỐ LẦN CHUYỂN MẠCH CHO NGHỊCH LƯU CẦU H-NPC 5 BẬC
CARRIER PWM TECHNIQUE TO REDUCE
SWITCHING FOR 5 LEVELS H BRIGDE NPC INVERTER
Quách Thanh Hải, Đỗ Đức Trí, Bùi Minh Ẩn
Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM
Ngày tòa soạn nhận bài 16/2/2016, ngày phản biện đánh giá 26/3/2016, ngày chấp nhận đăng 15/4/2016

TÓM TẮT
Bài báo này trình bày kỹ thuật điều chế sóng mang thông qua việc sử dụng hàm offset
nhằm giảm số lần chuyển mạch từ đó giảm tổn hao do sự chuyển mạch của các khóa công suất
cho nghịch lưu cầu H-NPC 5 bậc. Kỹ thuật này sử dụng hàm offset là thành phần bậc 3 để
chuyển các sóng điện áp điều khiển về ngưỡng so sánh là cực đại hoặc cực tiểu của biên độ các
sóng mang trên cơ sở điều chế gián đoạn. Việc chuyển điện áp điều khiển của pha nào về nhiều
ngưỡng khác nhau và được lựa chọn tối ưu sao cho biên độ điện áp offset là nhỏ nhất. Với kỹ
thuật xây dựng hàm offset trình bày trong nghiên cứu toàn bộ các ngưỡng so sánh của sóng
mang sẽ được sử dụng để giảm số lần chuyển mạch của các khóa công suất. Số lần chuyển
mạch/pha/chu kỳ có thể giảm đến 33% theo lý thuyết và có thể đạt 15.25% ở tần số sóng mang
3000Hz. Kết quả của giải thuật được kiểm chứng qua mô phỏng và qua quá trình thực nghiệm.
Từ khóa: điều chế sóng mang; hàm offset; giảm số lần chuyển mạch; nghịch lưu cầu H-NPC;
5 bậc.
ABSTRACT
A new carrier pulse width modulation with a novel offset base to reduce switching times
and thus, all switching loss in five-level H-brigde neutral point clamped inverter will be
presented in this paper. The proposed technique uses the offset which is the 3rd voltages to
transfer the control voltage into the extremum levels of each carrier in a discontinuos manner.

This transferring depends on the distances of control voltage to levels is minimum. So that in this
research five levels of carrier will be used to reduce the intersection of control and the carrier
wave to reduce the amount of switching losses. With the pulse width modulation method and
flexible offset voltages in this study, the number of switchings/phase in a cycle can be reduced by
about 33% in theory and 15.25% in experimental at f carrier frequency 3000Hz. Simulation and
experimental results are provided in order to validate the proposed method.
Keywords: carrier pulse width modulator; offset function; reduce switching; H bridge NPC
inverter; five levels.
1.

GIỚI THIỆU
Bộ nghị

ị

H


8

Tạp Chí Khoa Học Giáo Dục Kỹ Thuật Số 37 (09/2016)
Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP. Hồ Chí Minh

ị

nghị

ị
â
ê

bằ

DC
â

Đ
ng nhu cầu th c t
ì
su t nghị
ỏi
ph
t l
T
ê
tần s chuy n m ch c
t
l
ị gi i h n (th i gian chuy n m ch
l
t nhi u so v i linh ki
t
nhỏ). Trong m ch nghị
n hao v
n bao gồm t
ê
ồn cung c p
(PS), t
ê â
i (PL), t n hao cho

m
t (PDR
n hao
ê
t (PSW). T
ê
c
t gồm t n hao dẫ
n (PCS)
n hao do s chuy n m ch (PSS
ịnh theo (1).
PS W  PS S  PC S

t t
C
ì y
vi
ê
u gi i thu
m s lần
chuy n m
C
ê
[4 5 7
10]
cho th y vi c gi m s lần chuy n m
qua gi m tần s
u ch
u ng
ph

THD
ộ
ị ộ
thu
u ch
m
s lần chuy n m ch c
t
i tần s
u ng ph
THD
T
ê
[11]
ã
c
hi
ê
thu
u
ch cho nghị
2
ê ộ
n nh
ở ù
u ch
ỉ
s
u ch th p. Gi i thu
xu t m i trong

ê
é
i quy t tri
ê
c th c nghi
ê ộ
ị
5
ầu H NPC.
2.

CẤU TRÚC NGHỊCH LƯU 5 BẬC
CẦU H-NPC

Mỗi pha c a nghị
3
cầu H-NPC
c c u t o từ 2
b c
ì 1.

5 c
NPC 3

(1)

Theo [10] ì n hao do s chuy n
m ch (PSS) ph thuộ
lần chuy n
m ch trong một chu kỳ

u khi n
c
ịnh bằng
c (2).
∑

C

∑

C

(2)
C

Hình 1. Pha a nghịch lưu 5 bậc cầu H-NPC.

C

T
lầ
n m ch
từ OFF
ON;
lầ
n
m ch từ ON sang OFF. EON
EOFF
t dẫ
ắ;D

n u s lần chuy n m ch l n sẽ dẫ
nt n
ê
s n xu

D
d

ần Uxg
3

ịnh

:

Uxg = UxgT - UxgP = udc.(TSxT - TSxP)
V i TSxch
Ch=T,P (bi u thị
TSxj = TSxPj - TSxTj

ị

(3)
4) v i

i).
(4)


Tạp Chí Khoa Học Giáo Dục Kỹ Thuật Số 37 (09/2016)

Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP. Hồ Chí Minh

T

: j
ị 1-4

m

ỉ s
T

n

t.
D

U

U

U


ag

bg

cg

â

,
ịnh theo (5):



 u dc




 T SaT  T SaP

T
 T SbP
 SbT
 T ScT  T ScP

V
t i c a nghị
7):

ồn DC






(5)

-â
cầu H-NPC 5 b c theo (6)

u khi
ầu,
u khi
ừ gi i
ê
m s lần chuy n
u ch B ê ộ
u bằ
bằng 1. V i nghị
5 c cầu H NPC,
ỡ
u khi n dịch chuy n
±2 ù
ộc kho
ỏ nh t từ
u khi
ỡ
ê D
ị
8:
G i vx l
vrx
thu t PWM c
m ch (sẽ

offset

T
U

U

 U

U

U

 U

an

bn

cn

an

bn

cn








1
3

 2

1

  1


 2
u dc 


1

3 

  1

1
2
1

1
2
1

D

 1  U

1 U

2   U


ag

bg

cg







(6)

 1   T SaT  T SaP

 1 T SbT  T SbP

2   T ScT  T ScP






ần Uxg ch
ầ

Uxn
[4] C

(7)

ỡ

[

MinP nế𝑢 MinP ≤ Min
−Min nếu MinP > Min

, MinP
c ti u từ
+2 -2.

M

N

u khi

(8)
ng
n

N
ẽ
phần b 3
u khi n sau khi
cộng offset sẽ d i v vị
iv
ộ dịch
chuy
ỏ nh
3
ồng th i
ê ộ gần cộng ho c trừ 2 nh t sẽ
d iv
ỡng +2 ho c -2 (Hì 2).

c3
n
ì

â Uxy sẽ
v
th y rằng n
gi i thu t nghị
xu
3 ì
sẽ

ở
ê ộ
phầ
3 ê
Bê
ũ
th y rằ
– â
nguồn Uxg sẽ
5
cv i2m
2
m â
ị zero.
3.

9

GIẢI THUẬT PWM CẢI BIẾN
GIẢM SỐ LẦN CHUYỂN MẠCH
[11]

Gi i thu t PWM c i bi n gi m s lần
chuy n m
[11]
i thu t
PWM b
ê
ần b 3
i

m
m s chuy n m ch c
u khi n tuy
n nh t.

a)

b)

Hình 2. Mô tả nguyên lý giải thuật PWM cải
biến giảm số lần chuyển mạch [11].
N
y,
th y rằng gi i thu t
ỉ t n d ng 2 m
+2
-2 ê
ần kho ng dịch chuy
l
ê ộc
ỉs
u ch
nhỏ. Gi i thu
xu t m i sẽ t n d
bộ
ỡ
ồ ±2 ±1
0
ồng th i kho ng dịch chuy
ỏ nh t

ỏ
1 ê ộ ỉnh – ỉnh c a


10

Tạp Chí Khoa Học Giáo Dục Kỹ Thuật Số 37 (09/2016)
Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP. Hồ Chí Minh

GIẢI THUẬT ĐỀ XUẤT

4.

4.1. Nguyên lý giải thuật
G i vx
ầu, vrx
thu t (sẽ
0
ê ộ ỉ
bằ
ằ
Đ
theo (9):
𝑣𝑥

𝑣

u khi n pha x ban
u khi
ừ gi i

u ch ). Ch
m
ê ộ nhỏ nh t
u
1 ì
ỡng
ẽ 0 1 2 3
4.
ịnh
x

u khi

,𝑥

𝑗𝑥 )

cos(𝜔𝑡

2

𝑣𝑜𝑓𝑓𝑠𝑒𝑡

N
y, t i m i th
u khi n c a mỗ
t Lx

Hx

:

𝐿𝑥

𝑖𝑛𝑡(𝑣𝑥 )
𝑖𝑓 𝑖𝑛𝑡(𝑣𝑥 ) < 4
[
𝑖𝑛𝑡(𝑣𝑥 ) − 1
𝑒𝑙𝑠𝑒

(10)

𝐻𝑥

𝐿𝑥

(11)

1

T ì
ỡ
mang v
Lx
ê Vì y, kho
khi
ỡ
c
Nx P x
13 :

Hx

ỡng
ừ
u
ê
ịnh theo(12)

𝑁𝑥

𝑣𝑥 − 𝐿𝑥

(12)

𝑃𝑥

𝐻𝑥 − 𝑣𝑥

(13)

Đ t N
V

min(NA , NB , NC )
min( A ,

B, C)

L

𝑉𝑜𝑓𝑓𝑠𝑒𝑡

𝑛ế𝑢 ≤ N
−N 𝑛ế𝑢 N < 𝑃

a)

b)

Hình 4. Điện áp điều khiển ban đầu và sau
khi áp dụng giải thuật đề xuất
a) m=0.9,

b) m=0.4.

V i d
ix
ê

(15)

ần b c 3:
[

K t qu ở Hì 4 cho th y s
i
u khi n một pha ở
ỉs
u

ch
=0 9
=0 4 C
t qu
ỏng
cho th
u khi n dịch v
những kho ng th i gian) bằ
ỡng so
D
, những kho ng
th
ng sẽ
chuy n m ch c
t. T ng
th
n m ch c
ê
ỗi pha sẽ
chuy n
m ch trong 1/3 chu kỳ H
s lần chuy n m ch sẽ gi m 33%.

(14)

ịnh theo

16

Hình 3. Mô tả dịch chuyển điện áp điều

khiển theo giải thuật đề xuất

(9)

ị
n
ằm giữa 2
ần k . Do

ỡ

Đ
u khi n sau khi cộng offset
sẽ d i v vị
u khi
ỡng so
ỏ nh t sẽ
ị
u khi n
bằ
ỡng c
ần nh t.

ầ DC

u khi
a nghị
ầ

ẽ

b c chẵn.
4.2. Lưu đồ giải thuật
V

(16)
d

â
ồ gi i thu

ừ 411
ì 5

â


Tạp Chí Khoa Học Giáo Dục Kỹ Thuật Số 37 (09/2016)
Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP. Hồ Chí Minh

11

Bắt đầu
Nhập Va, Vb, Vc
Tính Lx = int(Vx)
Tính Hx = Hx+1
Tính NA, NB, NC
Tính PA, PB, PC
N=min(PA, PB, PC)
P=min(NA, NB, NC)

Voffset=N

P>N?

Voffset=P

Vox= Vx,+ Voffset

Kết thúc

b) Mô phỏng m=0.9

Hình 5. Lưu đồ giải thuật đề xuất
L
ồ gi i thu t cho th y gi i thu
xu t sử d
: cộng,
trừ
ì
D
tri n khai gi i thu
ì
ẽ
r t nhỏ, r
ù p v i vi
u khi
u khi
ị
ng k

thu
5.

KẾT QUẢ MÔ PHỎNG VÀ THỰC
NGHIỆM

Đ u ki
DC 100V, tần s
Ω L=30 H
HIO I 3197 V

c) Điện áp pha tâm nguồn khi m=0.4

ỏng, th c nghi m nguồn
3000Hz i R=10
Tektronix TPS 2024B,
u khi n DSP F28335.

d) Dòng điện pha tâm nguồn khi m=0.4

a) Mô phỏng m=0.4

e) Điện áp pha tâm nguồn khi m=0.9


12

Tạp Chí Khoa Học Giáo Dục Kỹ Thuật Số 37 (09/2016)
Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP. Hồ Chí Minh

Hì
chỉ s

8
u ch
c 49.

t qu kh

giữa
n

é

60 THD
50

%

40

f) Dòng điện pha tâm nguồn khi m=0.9

30

Hình 6. Kết quả mô phỏng (a, b) và thực
nghiệm (c, d, e, f) giải thuật đề xuất tại chỉ số
m=0.4 và m=0.9.

20

K t qu
th
ỡ

ỏng
c nghi m cho
u khi n nằm ở
ì
nm
ê
ỉ2
i

chuy n tr
su t. So v i gi i thu t c
ê
m s lần
chuy n m
[11] ì
i thu
ũ
gi m s chuy n m
ng
30% ồng th
ê ộ
ỏ
D
,
â

ồ DC
â ẽ THD% gi m so v i gi i thu t
[11]. T i chỉ s
u ch
=0 9
t
n t
s
é
t ng (THD%) lầ
56
25 ỏ
ị ê ầ
ê
ẩn Vi t Nam hi n
nay (TCVN-7909 2.2-2008 ồng th
ũ
ê
ẩn v nhi
n từ
ê
chuẩn qu c t EN6100-2-2 (Hì 7).

G
EN 61000-2-2

10
0

m

0 0,10,20,30,40,50,60,70,80,9 1 1,1

Hình 8. Quan hệ chỉ số điều chế và THD%
điện áp pha tâm tải giải thuật đề xuất và giải
thuật medimum common mode.
ì 8 cho th y gi i
thu
s
é
ng (THD)
c
â
mb
ê
ẩn
TCVN-7909 2.2-2008
EN6100-2-2 ở ù
u ch
≥ 0 7. V
ỉs
u ch nhỏ
ần ph
ộl
mb
ê
ẩ ê Bê
t qu
kh
ỉl %c

phầ
n cho th
c chẵ
xu t hi
3
ội 3 bị tri
ê
ã ì
5 6
(7). V
c lẻ
i b 51
ê ầu c
ê
ẩn) k t qu kh
th
ê ộ l
c 5, 7, 11
ng v
ì 9
5 ình 10
7
ì 11
c 11).
K t qu kh
xu

7
6
5

4

u5/u1
%
giải thuật đề
xuất

3
2
1

m

0

Hình 7. Phân tích THD áp pha tải và dòng
điện tải thực nghiệm giải thuật đề xuất tại chỉ
số điều chế m=0.9.

0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9

1

1,1

Hình 9. Tỉ lệ % biên độ hài bậc 5 và thành
phần cơ bản theo chỉ số điều chế m


Tạp Chí Khoa Học Giáo Dục Kỹ Thuật Số 37 (09/2016)

Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP. Hồ Chí Minh
6
5 u7/u1
%
4

G
EN 61000-2-2

3
2
1

m

0
0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9

1

1,1

Hình 10. Tỉ lệ % biên độ hài bậc 7 và thành
phần cơ bản theo chỉ số điều chế m
4
u11/u1
%

3,5
3

G

2,5

EN 61000-2-2

2
1,5

1
0

Hì 11
ys
s lần
chuy n m ch trong b n chu kỳ
u
khi n c a gi i thu
xu t v i gi i thu t
gi m s lần chuy n m
[11]
i thu t
medimum common mode. Từ ồ thị
th y rằng s lần chuy n m ch c a gi i thu t
xu
ng gi i
thu t Medimum Common Mode
u
i thu t gi m s lần chuy n m ch [11].

V i tần s
3000Hz
ì
i
thu
xu t gi
c nhi u nh
15,25% so v i gi i thu t truy n th ng
Medimum CM song l i nhi
n 28%
so v i gi i thu [11] T
ê
ù
gi m chuy n m ch r
ê
u kho ng th i
ê ẽ linh ho
i
gi i thu t gi m s lần chuy n m ch [11].
6.

0,5
m
0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1 1,1

Hình 11. Tỉ lệ % biên độ hài bậc 11 và thành
phần cơ bản theo chỉ số điều chế m.
T
ê
i TCVN-7909 2.2-2008

EN6100-2-2 ì ẫ
ù p.
V
5
ị ê ộ l n nh
i
chỉ s
u ch m=0.6. T
ê ộ
t
c
ị 2 6% ê ộ
b n. Kh
c tuy
u khi n c a gi i
thu
ũ
y kh
u khi n
tuy
i chỉ s m từ 0 n 1.
200
150
100
Medimum CM
G
[11]
G

50

0
0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

Hình 12. Số lần chuyển mạch trong 4 chu kỳ
theo chỉ số điều chế của giải thuật đề xuất với
giải thuật [11] và giải thuật medimum
common mode.

13

KẾT LUẬN
B

d
gi m s lần chuy n m ch
ở nhi u kho ng th
chu kỳ
u khi n. S lần chuy n
m
gi

i
thu [11] ã
xu
ộ linh ho t
c t
ỳ
u khi n
(do t n d
cc 5
ỡ
gi i thu
ng d ng
v i nhi
ê
ê
Common mode,
gi
ng t n hao do s chuy n m ch
â
G trị gi m c a s lần chuy n
m
ê
c t v i tần s
3000Hz
15 25% Đ i chi u v T ê
chuẩn Vi t Nam TCVN-7909 2.2-2008
Tê
ẩn qu c t EN6100-2-2 ì i thu t
ng v i tỉ s
u ch

≥0 7
N
ù
ỉs ê ầ
ê
ch
l ct
õ
a m ch nghị
V i kh
ộ
u ti t chuy n m ch ở
nhữ
ỡ
i
thu t
gi i quy t nhi
ê
ữa.


14

Tạp Chí Khoa Học Giáo Dục Kỹ Thuật Số 37 (09/2016)
Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP. Hồ Chí Minh

TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1]
[2]
[3]

[4]

[5]
[6]

[7]
[8]

[9]
[10]
[11]

[12]
[13]

Bin Wu, High-Power Converters and ac Drives, IEEE Press/Wiley, November 2005,
ISBN: 0-4717-3171-4.
Bù T
H u, N ê
u bộ nguồn 3 pha cầu H gồm 2 m ch NPC ba b ’, LVThS,
Đ ih S
m K thu t TPHCM, 2013.
B. Wu, Z. Cheng, A Novel Switching Sequence Design for Five-Level HNPC-Bridge
Inverters With Improved Output Voltage Spectrum and Minimized Device Switching
Frequency, IEEE Transactions on Power Electron 6 2007, pp. 2138–2145.
C. A. dos Santos and F. L. M. Antunes, Losses Comparison Among Carrier-Based
PWM Modulation Strategies in Three-Level Neutral-Point-Clamped Inverter,
International Conference on Renewable Energies and Power Quality, Spain April-2011.
Di Zhao, G. Narayanan and Raja Ayyanar, Switching Loss Characteristics of Sequences

Involving Active State Division in Space Vector Based PWM, IEEE-2004.
Lê V M
G
ân bằng điện thế điểm trung tính trong biến tần NP 3 bậc d ng
ZERO – SEQUENCE VOLTAGE LVT S T
Đ H
S P
T
TP.HCM, 2013.
M.H. Bierhoff, F.W. Fuchs, Semiconductor Losses in Voltage Source and Current
Source IGBT Converters Based on Analytical Derivation.
Nguy V N
Đ V M
T ần Qu H
Q
T
H i, Kỹ thuật điều
chế PWM ba bậc nhằm cân bằng điện áp hai tụ điện một chiều trong nghịch lưu 3 bậc
NPC, Hội nghị
c lần th 6 v
n tử - VCM – 2012.
N.V.Nho, M.J.Youn, A Comprehensive Study On SVPWM – Carrier Based PWM
Correlation In Multilevel Inverters, IEE Proceedings -Electric Power Applications, 2005.
Q
T
H i, Nghiên cứu kỹ thuật điều chế độ rộng xung điều khiển tối ưu nghịch
lưu đa bậc LATS Đ i h B
T HCM 2013
Q
T

H i, Trầ T H D
T
Lê
Giải thuật điều chế sóng mang giảm
số lần chuyển mạch cho nghịch lưu cầu H-NPC 5 bậc, T p
G
cK
thu t ISSN 1859 1272, vol 34 December 2015, pp 36-41.
Võ
â N
ân bằng điện áp D -Link cho bộ nghịch lưu NP đa bậc LVT S
T
Đ H S P
T
TP HCM 2012
Wei Wu, Jianguo Jiang, Guifeng Wang, Shutong Qiao, He Liu, A Multilevel SVPWM
Algorithm for Linear Modulation and Over Modulation Operation, Sensors &
Transducers, Vol. 159, Issue 11, November 2013, pp. 198-205.

Tác giả chịu trách nhiệm bài viết
TS. Q
T
H i
T ng Đ i h S ph m K thu t TP.HCM
Email: