Kỹ thuật điều chế độ rộng xung cho bộ nghịch lưu ba bậc npc
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (3.52 MB, 103 trang )
ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HCM
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
--------------------
NGUYỄN DUY TƯỜNG
KỸ THUẬT ĐIỀU CHẾ ĐỘ RỘNG XUNG CHO BỘ
NGHỊCH LƯU BA BẬC NPC
Chuyên ngành:
Mã số:
KỸ THUẬT ĐIỆN
60520202
LUẬN VĂN THẠC SĨ
TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 06 năm 2016
Trang 1
CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA –ĐHQG -HCM
Cán bộ hướng dẫn khoa học: TS. Nguyễn Đình Tuyên
Cán bộ chấm nhận xét 1 : ...........................................................................
(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký)
Cán bộ chấm nhận xét 2 : ...........................................................................
(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký)
Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp.
HCM ngày . . . . . tháng . . . . năm . . . . .
Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:
(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị của Hội đồng chấm bảo vệ luận văn thạc
sĩ)
1. ..............................................................
2. ..............................................................
3. ..............................................................
4. ..............................................................
5. ..............................................................
Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV và Trưởng Khoa quản lý
chuyên ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa (nếu có).
CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG
TRƯỞNG KHOA…………
Trang 2
ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập - Tự do - Hạnh phúc
NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ tên học viên: Nguyễn Duy Tường
MSHV: 13181113
Ngày, tháng, năm sinh: 24/10/1989
Nơi sinh: Đồng Nai
Chuyên ngành: Kỹ thuật điện
Mã số : 60520202
I. TÊN ĐỀ TÀI: KỸ THUẬT ĐIỀU CHẾ ĐỘ RỘNG XUNG CHO BỘ NGHỊCH LƯU
BA BẬC NPC
II. NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:
- Tìm hiểu bộ nghịch lưu ba bậc NPC.
- Kỹ thuật điều chế vector không gian cho bộ nghịch lưu ba bậc NPC đồng thời giảm và
triệt tiêu điện áp common-mode.
- Kỹ thuật điều chế sóng mang cho bộ nghịch lưu ba pha tám khóa.
- Thiết kế mơ hình bộ nghịch lưu ba bậc NPC và thực nghiệm trên DSP
TMS320F28335
III. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : 06/07/2015
IV. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 17/06/2016
V. CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: TS. Nguyễn Đình Tuyên
Tp. HCM, ngày . . . . tháng .. . . năm 20....
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN
(Họ tên và chữ ký)
CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO
(Họ tên và chữ ký)
TRƯỞNG KHOA….………
(Họ tên và chữ ký)
Trang 3
LỜI CÁM ƠN
Xin được gửi đến Thầy Nguyễn Đình Tuyên lịng biết ơn và kính trọng sâu sắc. Cám ơn
Thầy đã cung cấp tài liệu, kiến thức và kinh nghiệm của mình để tơi có thể hồn thành luận
văn này. Thầy đã tạo điều kiện để tôi nghiên cứu, nâng cao kiến thức và tiếp cận phương
pháp nghiên cứu khoa học mới. Đó là niềm vinh dự và tự hào khi được học tập và làm việc
cùng Thầy trong suốt thời gian qua.
Tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành nhất đến quý Thầy, Cô trong PTN Nghiên cứu Điện tử
công suất, bộ môn Cung cấp điện, Khoa Điện – Điện tử Trường Đại Học
Bách Khoa Tp. Hồ Chí Minh đã nâng đỡ và dìu dắt, truyền đạt cho tơi những kiến
thức và kinh nghiệm quý báu nhất trong suốt q trình tơi học tập ở trường.
Đồng thời cũng xin được ghi nhớ tình cảm và sự giúp đỡ của anh chị em trong PTN Nghiên
cứu điện tử công suất – 115B1, các bạn cao học đã đồng hành, hỗ trợ, chia sẻ và giúp đỡ
tơi hồn thành luận văn này.
Cuối cùng và quan trọng nhất đối với tơi đó là gia đình tơi, là nguồn động lực, điểm tựa để
tơi có thể vượt qua những hạn chế của bản thân. Cám ơn bố, mẹ đã hiểu, định hướng, giúp
đỡ và tạo mọi điều kiện thuận lợi nhất cho con có thể theo đuổi đam mê của mình.
Tp. Hồ Chí Minh, tháng 06 năm 2016
Nguyễn Duy Tường
Trang 4
TĨM TẮT LUẬN VĂN
Nội dung chính của luận văn là nghiên cứu phương pháp điều chế vector không gian để
điều khiển và giảm tổn hao do chuyển mạch trong bộ nghịch lưu ba bậc dạng diode kẹp
(NPC) đồng thời giảm và triệt tiêu điện áp common-mode là nguyên nhân gây ra một số
vấn đề không mong muốn như gây nhiễu điện từ cho thiết bị xung quanh, tổn hao ổ bi trục
động cơ, …
Trong luận văn này, vấn đề bộ nghịch lưu ba bậc NPC hoạt động trong tình trạng có sự cố
được phân tích và đề xuất kỹ thuật điều chế độ rộng xung để cho bộ nghịch lưu tiếp tục
hoạt động khi xảy ra sự cố. Phương pháp điều chế sóng mang được đề xuất thì đơn giản mà
khơng cần tính tốn phức tạp, tỷ số thời gian đóng được xác định dựa vào việc so sánh tín
hiệu điều chế và tín hiệu sóng mang tần số cao. Hơn nữa, dòng điện ngõ ra vẫn cân bằng
trong điều kiện điện áp tụ khơng cân bằng bởi vì tín hiệu điều chế được xác định dựa trên
tín hiệu hồi tiếp điện áp tụ. Những phương pháp này đều được phân tích, tính tốn và được
kiểm chứng thơng qua mơ phỏng và thực nghiệm.
Trang 5
ABSTRACT
The main research contented of the thesis is proposed of Space Vector Modulation to
control and reduce the switching losses in the three-level Neutral-Point-Clamping (NPC)
Inverter, simultaneously reduce and eliminate common-mode voltage, which cause many
unwanted problem such as motor bearing current in the induction motor drives and
electromagnetic interference to the surrounding equipment.
In this thesis, the operation of three-level NPC under device failure conditions is analyzed
and the proposed fault-tolerant PWM strategy is able to continuously the operation of the
inverter. The proposed carrier-based method is simple without complexity calculation, the
duty cycles are defined based on the comparison between the modulation signals and high
frequency carrier signal. Furthermore, the balanced output currents are obtained under the
imbalanced dc-link voltage condition because the modulation signals are determined based
on the feedback dc-link voltage. These methods are analyzed, calculated and verified
through simulations and experiments.
Trang 6
LỜI CAM ĐOAN
Tác giả xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của bản thân tác giả. Các kết quả nghiên
cứu và các kết luận nêu trong luận văn là trung thực và không sao chép từ bất kỳ một nguồn
nào và dưới bất kỳ hình thức nào. Việc tham khảo tài liệu đã được thực hiện trích dẫn và
ghi nguồn tài liệu tham khảo đúng theo yêu cầu.
Tác giả luận văn
Nguyễn Duy Tường
Trang 7
MỤC LỤC
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN ................................................................................................ 1
1.1. Lý do chọn đề tài ......................................................................................................... 1
1.2. Mục tiêu đề tài ............................................................................................................. 2
1.3. Phạm vi và phương pháp nghiên cứu .......................................................................... 2
1.4. Ý nghĩa khoa học ......................................................................................................... 3
1.5. Ý nghĩa thực tiễn.......................................................................................................... 3
1.6. Bố cục luận văn............................................................................................................ 3
CHƯƠNG 2: BỘ NGHỊCH LƯU BA BẬC NPC ............................................................... 4
2.1. Tổng quan về bộ nghịch lưu áp ................................................................................... 4
2.1.1. Giới thiệu về bộ nghịch lưu áp ............................................................................ 4
2.1.2. Phân loại bộ nghịch lưu áp .................................................................................. 4
2.2. Bộ nghịch lưu ba bậc NPC .......................................................................................... 9
2.2.1. Cấu hình bộ nghịch lưu ba bậc NPC ................................................................... 9
2.2.2. Trạng thái đóng ngắt ......................................................................................... 10
2.2.3. Sự chuyển mạch ................................................................................................ 12
2.3.
Nhận xét ............................................................................................................ 16
CHƯƠNG 3: KỸ THUẬT ĐIỀU CHẾ VECTOR KHÔNG GIAN CHO BỘ NGHỊCH
LƯU BA BẬC NPC ........................................................................................................... 18
3.1. Giới thiệu ................................................................................................................... 18
3.1.1. Khái niệm vector không gian và phép biến hình vector khơng gian ................ 18
3.1.2. Vector khơng gian của bộ nghịch lưu ba bậc NPC ........................................... 20
3.2. Phương pháp điều chế vector không gian (SVPWM) ............................................... 24
3.3. Nhận xét ..................................................................................................................... 34
CHƯƠNG 4: GIẢM VÀ TRIỆT TIÊU ĐIỆN ÁP COMMON-MODE BẰNG PHƯƠNG
PHÁP ĐIỀU CHẾ VECTOR KHÔNG GIAN ................................................................... 35
4.1. Điện áp common-mode (CMV) ................................................................................. 35
4.2. Giảm và triệt tiêu điện áp common-mode ................................................................. 38
4.2.1. Giảm điện áp common-mode ............................................................................ 38
4.2.2. Triệt tiêu điện áp common-mode ...................................................................... 43
4.3. Nhận xét ..................................................................................................................... 46
CHƯƠNG 5: KỸ THUẬT ĐIỀU CHẾ SÓNG MANG CHO BỘ NGHỊCH LƯU NPC
BA PHA TÁM KHÓA ....................................................................................................... 47
5.1. Giới thiệu ................................................................................................................... 47
5.2. Bộ nghịch lưu ba pha tám khóa ................................................................................. 48
5.3. Phương pháp điều chế sóng mang cho bộ nghịch lưu ba pha tám khóa .................... 49
5.3.1. Trường hợp điện áp hai tụ điện cân bằng.......................................................... 49
5.3.2. Trường hợp điện áp hai tụ không cân bằng ...................................................... 54
CHƯƠNG 6: MÔ PHỎNG BỘ NGHỊCH LƯU NPC ....................................................... 59
6.1. Bộ nghịch lưu ba bậc NPC ........................................................................................ 59
6.1.1. Sơ đồ mô phỏng ................................................................................................ 59
6.1.2. Kết quả mô phỏng ............................................................................................. 61
6.2. Bộ nghịch lưu ba pha tám khóa ................................................................................. 64
6.2.1. Trường hợp điện áp hai tụ điện cân bằng.......................................................... 64
6.2.2. Trường hợp điện áp hai tụ điện không cân bằng .............................................. 67
6.3. Nhận xét ..................................................................................................................... 69
CHƯƠNG 7: THỰC NGHIỆM BỘ NGHỊCH LƯU BA BẬC NPC ................................ 70
7.1. Phương pháp thực nghiệm ......................................................................................... 70
7.2. Mơ hình thực nghiệm ................................................................................................. 70
7.2.1. Mạch nguồn DC ................................................................................................ 71
7.2.2. Mạch điều khiển ................................................................................................ 73
7.2.3. Mạch lái ............................................................................................................. 75
7.2.4. Mạch công suất ................................................................................................. 76
7.3. Thực nghiệm .............................................................................................................. 79
7.3.1. Bộ nghịch lưu ba bậc NPC ................................................................................ 79
7.3.2. Bộ nghịch lưu ba pha tám khóa ........................................................................ 84
7.4. Nhận xét ..................................................................................................................... 87
KẾT LUẬN ........................................................................................................................ 88
TÀI LIỆU THAM KHẢO .................................................................................................. 90
LÝ LỊCH TRÍCH NGANG ................................................................................................ 91
DANH MỤC HÌNH ẢNH
Hình 2.1: Bộ nghịch lưu cascade chín bậc
Hình 2.2: Bộ nghịch lưu NPC sáu bậc
Hình 2.3: Bộ nghịch lưu dạng tụ điện kẹp
Hình 2.4: Cấu hình bộ nghịch lưu NPC ba bậc
Hình 2.5: Sự chuyển mạch từ [0] sang [1] (i > 0)
Hình 2.6: Sự chuyển mạch từ [0] sang [1] (i < 0)
Hình 2.7: Sự chuyển mạch từ [0] sang [-1] (i > 0)
Hình 2.8: Sự chuyển mạch từ [0] sang [-1] (i < 0)
Hình 3.1: Phân bố vector không gian của bộ nghịch lưu NPC ba bậc
Hình 3.2: Vector khơng gian và trạng thái đóng ngắt của bộ nghịch lưu NPC ba bậc
Hình 3.3: Hình chiếu m1 và m2 của Vref trong một tam giác đều lớn
Hình 3.4: Vector khơng gian và thời gian tồn tại của chúng
Hình 3.5: Trình tự đóng ngắt của các khóa trên của I-1 trong một chu kỳ đóng ngắt
Hình 3.6: Trạng thái đóng ngắt của các khóa trên của I-2 trong một chu kỳ đóng ngắt
Hình 3.7: Trạng thái đóng ngắt của các khóa trên của I-3 trong một chu kỳ đóng ngắt
Hình 3.8: Trạng thái đóng ngắt của các khóa trên của I-4 trong một chu kỳ đóng ngắt.
Hình 4.1: Bộ nghịch lưu NPC ba bậc
Hình 4.2: Trạng thái đóng ngắt của vector khơng gian trong trường hợp giảm điện áp
common-mode
Hình 4.3: Chuỗi đóng ngắt các khóa trên của vùng I-1
Hình 4.4: Chuỗi đóng ngắt các khóa trên của vùng I-2
Hình 4.5: Chuỗi đóng ngắt các khóa trên của vùng I-3
Hình 4.6: Chuỗi đóng ngắt các khóa trên của vùng I-4
Hình 4.7: Vector khơng gian cho phương pháp ZCM
Hình 4.8: Trình tự đóng ngắt của các khóa trên ở vùng I, II, III trong ZCM.
Hình 4.9: Trình tự đóng ngắt của các khóa trên ở vùng IV, V, VI trong ZCM
Hình 5.1: Bộ nghịch lưu ba pha tám khóa
Hình 5.2: Giao điểm giữa tín hiệu điều chế và sóng tam giác tạo chuỗi đóng ngắt.
Hình 5.3: Sơ đồ khối của phương pháp điều chế sóng mang trong trường hợp điện áp tụ
cân bằng
Hình 5.4: Chuỗi đóng ngắt của các khóa trên nhánh A
Hình 5.5: Sơ đồ khối của phương pháp điều chế sóng mang
Hình 6.1: Sơ đồ mơ phỏng bộ nghịch lưu ba bậc NPC
Hình 6.2: Sơ đồ khối NPC_Inverter
Hình 6.3: Sơ đồ khối Load
Hình 6.4: Điện áp dây và dịng điện qua tải phương pháp SVPWM
Hình 6.5: Điện áp common-mode phương pháp SVPWM
Hình 6.6: Điện áp dây và dịng điện qua tải trong trường hợp giảm CMV
Hình 6.7: Điện áp common-mode trong trường hợp giảm CMV
Hình 6.8: Điện áp dây và dòng điện qua tải trong trường hợp ZCM
Hình 6.9: Điện áp common-mode trong trường hợp ZCM
Hình 6.10: Sơ đồ mô phỏng bộ nghịch lưu ba pha tám khóa
Hình 6.11: Điện áp trên hai tụ trường hợp điện áp tụ cân bằng
Hình 6.12: Điện áp dây ngõ ra trong trường hợp điện áp tụ cân bằng
Hình 6.13: Điện áp tải trong trường hợp điện áp tụ cân bằng
Hình 6.14: Dòng điện ba pha ngõ ra trường hợp điện áp tụ cân bằng
Hình 6.15: Sơ đồ mơ phỏng bộ nghịch lưu ba pha tám khóa trường hợp điện áp tụ khơng
cân bằng
Hình 6.16: Điện áp dây ngõ ra trường hợp điện áp tụ khơng cân bằng
Hình 6.17: Điện áp tải trường hợp điện áp tụ khơng cân bằng
Hình 6.18: Dòng điện qua tải ba pha trường hợp điện áp tụ khơng cân bằng
Hình 7.1: Sơ đồ khối mơ hình thực nghiệm bộ nghịch lưu ba bậc NPC
Hình 7.2: Nguồn DC 5V & ± 15V
Hình 7.3: Sơ đồ khối mạch nguồn
Hình 7.4: Máy biến áp ba pha 0 - 380V
Hình 7.5: Nguồn DC thay đổi được
Hình 7.6: Mạch điều khiển sử dụng TMS320F28335 của hãng TI
Hình 7.7: Bộ thu phát quang HFBR-T1521Z và HFBR-R2521Z
Hình 7.8: Sơ đồ khối của mạch lái
Hình 7.9: Mạch lái thực tế
Hình 7.10: FMG2G150US60E
Hình 7.11: RURG8060
Hình 7.12: Mơ hình bộ nghịch lưu ba bậc NPC
Hình 7.13: Tải 3 pha R-L mắc Y
Hình 7.14: Lưu đồ giải thuật phương pháp điều chế vector khơng gian
Hình 7.15: Điện áp dây và dòng điện qua tải theo phương pháp điều chế vector khơng gian
(50V/div, 4A/div, 20ms/div)
Hình 7.16: Điện áp dây và dòng điện qua tải theo phương pháp điều chế vector khơng gian
(20V/div, 20ms/div)
Hình 7.17: Điện áp dây và dòng điện qua tải trường hợp giảm điện áp common-mode
(50V/div, 4A/div, 20ms/div)
Hình 7.18: Điện áp common-mode trường hợp giảm điện áp common-mode (20V/div,
20ms/div)
Hình 7.19: Điện áp dây và dịng điện qua tải trường hợp triệt tiêu điện áp common-mode
(50V/div, 4A/div, 20ms/div)
Hình 7.20: Điện áp common-mode trường hợp triệt tiêu điện áp common-mode (20V/div,
5ms/div)
Hình 7.21: Điện áp dây trường hợp điện áp tụ cân bằng (100v/div, 5ms/div)
Hình 7.22: Điện áp pha trường hợp điện áp tụ cân bằng (50v/div, 5ms/div)
Hình 7.23: Dòng điện qua tải trường hợp điện áp tụ cân bằng (5A/div, 5ms/div)
Hình 7.24: Dịng điện qua tải và điện áp dây trong trường hợp VDC1 =120v, VDC2 =100v
DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 2.1: Bảng trạng thái đóng ngắt của bộ nghịch lưu NPC ba bậc
Bảng 3.1: Độ lớn và trạng thái đóng ngắt của vector khơng gian
Bảng 3.2: Vị trí của Vref dựa vào góc lệch
Bảng 3.3: Vị trí của Vref dựa vào m1 , m2
Bảng 3.4: Thời gian tác dụng của Vref trong vùng I
Bảng 3.5: Trình tự đóng ngắt trong vùng I-1, II-1, III-1, IV-1, V-1, VI-1.
Bảng 3.6: Trình tự đóng ngắt trong vùng I-2, II-2, III-2, IV-2, V-2, VI-2.
Bảng 3.7: Trình tự đóng ngắt trong vùng I-3, II-3, III-3, IV-3, V-3, VI-3
Bảng 3.8: Trình tự đóng ngắt trong vùng I-4, II-4, III-4, IV-4, V-4, VI-4
Bảng 4.1: Điện áp common-mode của từng vector không gian
Bảng 4.2: Trình tự đóng ngắt trong vùng I-1, II-1, III-1, IV-1, V-1, VI-1
Bảng 4.3: Trình tự đóng ngắt trong vùng I-2, II-2, III-2, IV-2, V-2, VI-2
Bảng 4.4: Trình tự đóng ngắt trong vùng I-3, II-3, III-3, IV-3, V-3, VI-3
Bảng 4.5: Trình tự đóng ngắt trong vùng I-4, II-4, III-4, IV-4, V-4, VI-4
Bảng 5.1: Sự kết hợp các trạng thái đóng ngắt và điện áp pha -mass nguồn DC
Bảng 5.2: Giá trị điện áp dây VAC
Bảng 5.3: Tỷ số thời gian đóng các khóa trên của mỗi nhánh
Bảng 5.4: Giá trị điện áp VA0 và VB0 trong trường hợp tụ không cân bằng
Bảng 5.5: Tỷ số thời gian đóng của khóa trên nhánh A
Bảng 5.6: Tỷ số thời gian đóng của khóa trên nhánh B
Bảng 6.1: Thơng số mơ phỏng
Bảng 6.2: Thông số mô phỏng bộ nghịch lưu ba pha tám khóa
Bảng 6.3: Thơng số mơ phỏng bộ nghịch lưu ba pha tám khóa trường hợp điện áp tụ khơng
cân bằng
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
1.1.
Lý do chọn đề tài
Ngày nay cùng với việc phát triển mạnh mẽ của các ứng dụng khoa học kỹ thuật trong công
nghiệp, đặc biệt là nền cơng nghiệp điện tử thì các thiết bị điện tử cơng suất càng cho thấy
tầm quan trọng của mình khi đang được ứng dụng rộng rãi vào trong hầu hết các ngành
công nghiệp hiện đại, đặc biệt trong lĩnh vực sản xuất cũng như trong các thiết bị công
nghiệp và dân dụng phục vụ đời sống sinh hoạt của con người. Điện tử công suất đã giúp
tạo ra các bộ truyền động điện mới, các bộ lọc tích cực mới…
Cấu trúc chính trong các bộ truyền động là mạch nghịch lưu. Bằng cách nghiên cứu phát
triển các cấu trúc và các phương pháp điều khiển mạch nghịch lưu chúng ta có nhiều bộ
truyền động khác nhau tối ưu hơn. Ngày nay, bộ nghịch lưu đa bậc (multilevel inverter) với
những ưu điểm vượt trội của nó được phát triển để giải quyết các vấn đề hạn chế của bộ
nghịch lưu áp hai bậc và thường được sử dụng cho các ứng dụng điện áp cao và cơng suất
lớn.
Tuy nhiên có một thực tế là ứng dụng các cấu trúc điện tử công suất trong mạch nghịch lưu
bị giới hạn khá nhiều bởi các đặc tính điện của linh kiện bán dẫn cơng suất như điện áp chịu
đựng và tần số đóng cắt. Để giải quyết vấn đề này các cấu trúc ghép nối tiếp các linh kiện
công suất đã được đề xuất như cấu trúc cascade cầu H được đưa ra bởi R. H. Baker và L.
H. Bannister (1975), cấu trúc diode kẹp được đưa ra bỏi Baker vào năm 1980, cấu trúc
flying-capacitor đưa ra bởi T. A. Meynard và H. Foch (1992) và hàng loạt cấu trúc lai gần
đây. Kết quả là hiện nay có khá nhiều cấu trúc nghịch lưu đa bậc và công suất mạch nghịch
lưu ngày càng tăng.
Bên cạnh đó, việc ngày càng tăng của giá thành năng lượng, sự cạn kiệt của các nguồn năng
lượng hóa thạch thì việc nghiên cứu các giải thuật điều chế để giảm tổn hao do chuyển
mạch là một vấn đề cấp thiết được đặt ra. Tuy nhiên có một thực tế là hầu hết trường hợp
giảm chuyển mạch nhằm giảm tổn hao đều dẫn đến tăng hệ số méo hài tổng và biên độ các
sóng hài bậc thấp. Ngồi ra, việc sử dụng thiết bị điện tử cơng suất cịn phát sinh điện áp
1
common mode làm ảnh hưởng đến tuổi thọ của cơ cấu chấp hành. Vì vậy, việc nghiên cứu
các giải pháp điều chế tối ưu làm giảm số lần chuyển mạch của các linh kiện trên mạch
nghịch lưu, giảm hoặc triệt tiêu điện áp common mode mà vẫn đảm bảo độ méo hài tổng
(THD) và biên độ các sóng hài bậc thấp vẫn nằm trong giới hạn cho phép theo hàm mục
tiêu là yêu cầu cấp thiết.
Ngoài ra, trong bộ nghịch lưu đa bậc, số lượng thiết bị điện tử công suất và nguồn điện áp
sẽ tăng khi số bậc của nghịch lưu tăng. Chính vì thế, số lượng thiết bị và mạch điều khiển
sẽ trở nên phức tạp và cồng kềnh hơn. Hệ thống bộ nghịch lưu đa bậc gồm nhiều thiết bị
đóng ngắt nên xác suất hư hỏng thiết bị sẽ cao hơn dẫn đến độ tin cậy của hệ thống của hệ
thống giảm. Khi một thiết bị bị hư hỏng thì bộ nghịch lưu sẽ ngừng hoạt động để đảm bảo
an tồn cho hệ thống. Vì vây, khả năng chịu lỗi ngày càng quan trọng trong ứng dụng địi
hỏi cao về độ an tồn, bộ nghịch lưu phải được hoạt động trong suốt quá trình xảy ra sự cố
cũng là một vấn đề cần được quan tâm.
1.2.
Mục tiêu đề tài
- Thiết kế bộ nghịch lưu ba bậc chứa cặp diode kẹp (NPC) và nghiên cứu phương pháp điều
chế vector không gian để điều khiển bộ nghịch lưu đồng thời giảm và triệt tiêu điện áp
common-mode.
- Sử dụng phương pháp điều chế sóng mang để điều khiển bộ nghịch lưu ba bậc NPC khi
một nhánh của bộ nghịch lưu bị sự cố hở mạch hay còn gọi là bộ nghịch lưu NPC ba pha
tám khóa.
1.3.
Phạm vi và phương pháp nghiên cứu
Đề tài nghiên cứu gồm hai phần: mô phỏng và thực nghiệm
- Mô phỏng: Sử dụng phần mềm chuyên dụng MATLAB/Simulink và PSIM để mô phỏng
bộ nghịch lưu ba bậc NPC điều khiển tải ba pha RL bằng phương pháp điều chế vector
không gian đồng thời giảm và triệt tiêu điện áp common-mode và bộ nghịch lưu NPC ba
pha tám khóa bằng phương pháp điều chế sóng mang trong hai trường hợp điện áp tụ cân
bằng và không cân bằng.
2
- Thực nghiệm: nhằm kiểm chứng kết quả mô phỏng thông qua mạch điều khiển thực tế sử
dụng Card DSP TMS320F28335 của hãng TI với tải được sử dụng là tải ba pha RL.
1.4.
Ý nghĩa khoa học
- Trên cơ sở giải thuật điều chế vector không gian để giảm và triệt tiêu điện áp commonmode cho bộ nghịch lưu ba bậc NPC.
- Đề xuất phương pháp điều chế sóng mang để giải quyết vấn đề sự cố hở mạch một nhánh
của bộ nghịch lưu ba bậc NPC.
- Thiết kế mô hình thực nghiệm có thể được ứng dụng cho các nghiên cứu về nghịch lưu.
1.5.
Ý nghĩa thực tiễn
- Kết quả của đề tài là cơ sở cho việc phát triển và ứng dụng bộ nghịch lưu ba bậc NPC vào
việc chế tạo biến tần trong thực tế.
1.6.
Bố cục luận văn
Nội dung chính của luận văn được thể hiện qua 7 chương
Chương 1: Giới thiệu tổng quan đề tài.
Chương 2: Bộ nghịch lưu ba bậc NPC.
Chương 3: Kỹ thuật điều chế vector không gian cho bộ nghịch lưu ba bậc NPC.
Chương 4: Giảm và triệt tiêu điện áp common-mode dựa trên phương pháp điều chế
vector không gian.
Chương 5: Kỹ thuật điều chế sóng mang cho bộ nghịch lưu NPC ba pha tám khóa.
Chương 6: Thực hiện mô phỏng bộ nghịch lưu NPC bằng phần mềm
MATLAB/Simulink và PSIM 9.1.
Chương 7: Thiết kế và tiến hành thực nghiệm bộ nghịch lưu NPC.
Kết luận và đề xuất các hướng nghiên cứu tiếp theo.
3
CHƯƠNG 2: BỘ NGHỊCH LƯU BA BẬC NPC
2.1.
Tổng quan về bộ nghịch lưu áp
2.1.1. Giới thiệu về bộ nghịch lưu áp
Bộ nghịch lưu áp có nhiệm vụ chuyển đổi năng lượng từ nguồn điện áp một chiều không
đổi sang dạng năng lượng điện áp xoay chiều để cung cấp và điều khiển cho tải xoay chiều
ở ngõ ra.
Nguồn điện áp một chiều có thể ở dạng đơn giản như acquy, pin điện hoặc ở dạng phức tạp
gồm điện áp xoay chiều được chỉnh lưu và lọc phẳng.
Linh kiện trong bộ nghịch lưu áp có khả năng kích đóng và kích ngắt dịng điện qua nó, tức
là đóng vai trị một công tắc. Trong các ứng dụng công suất nhỏ và vừa, có thể sử dụng các
khóa bán dẫn là BJT, MOSFET, IGBT và ở phạm vi cơng suất lớn có thể sử dụng GTO,
IGCT hay SCR kết hợp với bộ chuyển mạch.
Với tải tổng qt, mỗi cơng tắc cịn trang bị một diode mắc đối song với nó. Các diode mắc
đối song tạo thành mạch chỉnh lưu cầu không điều khiển có chiều dẫn điện ngược với chiều
dẫn điện của các công tắc. Nhiệm vụ của bộ chỉnh lưu cầu diode là tạo điều kiện thuận lợi
cho quá trình trao đổi công suất ảo giữa nguồn một chiều và tải xoay chiều, qua đó hạn chế
quá điện áp phát sinh khi kích ngắt các cơng tắc.
2.1.2. Phân loại bộ nghịch lưu áp
Phân loại các mơ hình bộ biến tần chủ yếu dựa vào sự khác nhau của bộ nghịch lưu.
Phân loại theo điện áp đâu ra: ngõ ra là điện áp 1 pha và 3 pha.
Phân loại theo bậc của bộ nghịch lưu: 3 bậc, 5 bậc, 7 bậc….
Phân loại theo phương pháp điều khiển: phương pháp điều chế độ rộng xung, phương
pháp điều rộng xung cải biên, phương pháp vector khơng gian.
Các mơ hình của bộ nghịch lưu bao gồm: dạng cascade cầu, dạng diode kẹp NPC, dạng tụ
điện thay đổi (Flying Capacitor).
4
1. Bộ nghịch lưu cầu H dạng cascade
Hình 2.1: Bộ nghịch lưu cascade chín bậc
Cấu tạo: Gồm các bộ nghịch lưu cầu H nối cascade với nhau.
Ứng dụng: Bộ nghịch lưu này được thiết kế phù hợp với những ứng dụng trong nguồn
năng lượng mới, hay những ứng dụng sử dụng pin.Trong đó, một chuỗi các pin riêng
lẽ với mức điện áp DC bằng nhau được kết nôi với các khố đóng ngắt IGBT theo cấu
hình cầu H để tạo ra nguồn điện xoay chiều với công suất lớn cung cấp cho lưới điện
hay dân dụng.
Ưu điểm:
Tạo ra số bậc điện áp gấp hơn hai lần số nguồn DC
5
Do hệ thống nghịch lưu ghép từ các bộ nghịch lưu cầu H đơn giản nên mạch dễ
thi công thành các module nhỏ. Do vậy, dễ dàng sản xuất hay kiểm tra hàng loạt.
Nhược điểm:
Do yêu cầu các nguồn DC riêng biệt cho mỗi cầu H, nên làm giảm khả năng ứng
dụng thực tế khi chỉ có một nguồn DC (do đó cần các bộ biến áp cách li lớn đi
kèm trong thực tế dẫn đến cồng kềnh).
2. Bộ nghịch lưu dạng diode kẹp NPC
Hình 2.2: Bộ nghịch lưu NPC sáu bậc
Cấu tạo: Được giới thiệu bởi Nabae, Takahashi và akagi vào năm 1981. Bộ nghịch lưu
sử dụng các diode kẹp giữa các cặp khố kích đối nghịch, điện áp DC tạo nên từ chỉnh
6
lưu nguồn điện AC và được phân chia thay các điện áp nhỏ nhờ chuỗi các tụ điện mắc
nối tiếp.
Ứng dụng: Do vấn đề về cân bằng các tụ điện và điện áp ngược trên diode. Nên trên
thị trường chỉ thông dụng bộ nghịch lưu 3 bậc NPC.
Ưu điểm:
Tất cả các pha sử dụng chung duy nhất một nguồn DC, nên có ứng dụng thực tiễn.
Hiệu quả cao trong đóng ngắt tần số cơ bản.
Nhược điểm:
Tụ điện nạp xả thiếu chính xác làm sai lệch giá trị ở ngõ ra. Do vậy vấn đề cân
bằng điện áp trên các tụ điện cần được quan tâm.
Đồng thời điện áp ngược đặt lên các diode không đồng đều (khi số bậc lớn hơn
3) dẫn đến không khả thi khi tăng số bậc của biến tần đa bậc lên. Hiện nay có các
kỹ thuật như nối chuỗi các diode chịu áp ngược thấp hay thay đổi cấu hình cấu
hình để phù hợp với mức chịu đựng của diode.
Khi nâng số bậc, thì số tụ điện tăng đồng thời số diode tăng làm mạch cồng kềnh,
khó kiểm sốt.
3. Bộ nghịch lưu dạng tụ điện kẹp
Hình 2.3: Bộ nghịch lưu dạng tụ điện kẹp
7
a) Ba bậc b) Bốn bậc
Cấu tạo: Gồm có các tụ ghép nối theo cấu hình bậc thang. Cũng giống như trong cấu
hình NPC, do thay đổi các trạng thái đóng ngắt của các khố dẫn đến thay đổi các điện
áp ở ngõ ra.
Ứng dụng: cũng như dạng diode kẹp hầu hết được ứng dụng khi chỉ dùng một nguồn
DC.
Ưu điểm:
Có đa dạng các trạng thái đóng ngắt khố. Một mức điện áp ở ngõ ra một pha có
thể được tạo ra nhờ nhiều tập hợp các trạng thái đóng ngắt của các khố khác
nhau.
Nhờ nhiều trạng thái đóng ngắt khố nên có thể được sử dụng cho vấn đề cân
bằng tụ sao cho chỉ cần cấp bằng một nguồn DC.
Khi số bậc tăng cao thì khơng cần dùng nguồn lọc.
Nhược điểm:
Số lượng tụ lớn dẫn đến tăng giá thành, và phức tạp trong việc khiểm soát nạp xả
các tụ với các điện áp cố định.
Cần phải nạp tụ trước khi điều khiển nên công đoạn ban đầu phức tạp.
Do số lượng tụ khá nhiều cho cấu hình này nên dẫn đến cũng như cấu hình NPC khả năng
tần số bậc lên cao (N>5) là kém khả thi.
8
2.2.
Bộ nghịch lưu ba bậc NPC
2.2.1. Cấu hình bộ nghịch lưu ba bậc NPC
SA1
DA1
SB1
DB1
SC1
DC1
C1
Da1
Db1
SA2
DA2
Dc1
SB2
DB2
SC2
DC2
A
B
VDC
O
N
C
Load
SA3
C2
SB3
DA3
Da2
DB3
Db2
SA4
DA4
SC3
DC3
SC4
DC4
Dc2
SB4
DB4
0
Hình 2.4: Cấu hình bộ nghịch lưu NPC ba bậc
Dựa vào hình 2.4, bộ nghịch lưu NPC ba bậc gồm:
- Nguồn một chiều cung cấp cho bộ nghịch lưu có độ lớn VDC được phân chia thành các
điện áp nhỏ hơn nhờ vào chuỗi hai tụ điện một chiều C1 và C2 mắc nối tiếp, gọi điểm nối
chung của hai tụ điện này là N. Hai diode Dx1 và Dx2 nối với điểm N là hai diode kẹp, với
x = a, b, c. Giả sử hai tụ có điện dung như nhau thì điện áp trên mỗi tụ điện là
VC1 VC 2
VDC
.
2
9
- Khối công suất gồm ba nhánh A, B, C. Mỗi nhánh gồm có bốn khóa cơng suất mắc đối
song với bốn diode tần số cao. Những diode này có nhiệm vụ tạo điều kiện thuận lợi cho
quá trình trao đổi công suất ảo giữa nguồn một chiều và tải xoay chiều, qua đó hạn chế quá
điện áp phát sinh khi kích ngắt các khóa cơng suất. Trong thực tế các khóa cơng suất là các
transistor cơng suất như BJT, MOSFET cho các ứng dụng công suất nhỏ và IGBT, GTO
cho các ứng dụng công suất lớn.
Trong mỗi nhánh, hai khóa nối từ ngõ ra của tải đến cực dương của nguồn một chiều gọi là
khóa trên, kí hiệu là SX1, SX2 và hai khóa cịn lại gọi là khóa dưới, ký hiệu là SX3, SX4. Với
X = A, B, C.
2.2.2. Trạng thái đóng ngắt
Gọi điện áp ngõ ra pha X so với mass nguồn DC là VX 0 (điện áp pha – mass nguồn DC)
và hiệu điện áp ngõ ra pha X với điện áp tại N là VXN (điện áp pha – tâm nguồn DC)
Gọi trạng thái đóng ngắt của khóa cơng suất là K Xj
1
K Xj
0
khi SXj on
(2.1)
khi SXj off
Trạng thái đóng ngắt của các khóa trên và khóa dưới ln ở trạng thái đối nghịch nhau, có
nghĩa là
K X1 K X 3 1
K X 2 K X 4 1
K K
X1
X2
(2.2)
Trong đó: X = A, B, C và j 1,4 .
Giả sử điện áp trên các tụ phân áp là như nhau và bằng
VDC
nên sẽ chỉ có 3 mức ra điện
2
áp khác nhau ứng với các trạng thái của các khóa trên trên như sau:
10
- Các khóa trên đều ngắt: K X1 K X 2 0 thì điện áp VX 0 0 .
- K X1 0 , K X 2 1 thì điện áp VX 0
VDC
2
- Các khóa trên đều đóng: K X1 K X 2 1 thì điện áp VX 0 VDC .
Tổng quát, ta có thể xác định điện áp ngõ 1 pha so với mass nguồn DC theo công thức:
VX 0
VDC
. K X1 K X 2
2
(2.3)
Điện áp pha – tâm nguồn DC VXN :
VXN VX 0 VN 0 VX 0
VDC
2
(2.4)
Dựa vào các phân tích trên, ta có bảng đóng ngắt của các khóa cơng suất trên một nhánh
được trình bày ở bảng 2.1
Bảng 2.1: Bảng trạng thái đóng ngắt của bộ nghịch lưu NPC ba bậc
Trạng thái đóng ngắt của từng khóa
Trạng thái của
VX 0
mỗi nhánh
SX1
SX2
SX3
SX4
1
On
On
Off
Off
VDC
0
Off
On
On
Off
VDC
2
-1
Off
Off
On
On
0
Trạng thái [1] biểu thị hai khóa trên cùng đóng và điện áp VXN
VXN
VDC
2
0
VDC
2
VDC
, và điện áp
2
VX 0 VDC . Trong khi đó trạng thái [-1] biểu thị hai khóa dưới cùng đóng, lúc này điện áp
11
VXN
VDC
V
và VX 0 DC . Trạng thái [0] biểu thị hai khóa cơng suất ở giữa SX2 và SX3
2
2
cùng đóng và điện áp VXN VX 0 0 .
Điện áp pha – tâm nguồn DC VXN có ba mức điện áp
V
VDC
, 0 và DC , dựa trên cơ sở
2
2
đó mà bộ nghịch lưu này là bộ nghịch lưu ba bậc. Ba điện áp pha – tâm nguồn DC VAN ,
VBN , VCN là ba pha cân bằng, hai pha bất kỳ lệch nhau một góc
VAB VAN VBN có năm mức điện áp VDC ,
2
. Điện áp dây
3
V
VDC
, 0, DC và VDC .
2
2
2.2.3. Sự chuyển mạch
Trong thực tế, các khóa cơng suất khi thay đổi trạng thái thì mạch không thể chuyển trạng
thái ngay tức thời được mà cần một khoảng thời gian chuyển mạch. Vì vậy, ta cần phân tích
sự chuyển mạch giữa các trạng thái. Giả sử rằng trong thời gian chuyển mạch dịng điện
qua tải khơng đổi; hai tụ C1 và C2 có điện dung đủ lớn và điện áp của mỗi tụ giữ ở mức
VDC
; tất cả các khóa cơng suất ở trạng thái lý tưởng.
2
Chuyển mạch từ trạng thái [0] sang [1] với dịng điện theo chiều dương trong hình
2.5
- Mạch đang ở trạng thái [0], khóa SX2 và SX3 thì On, dịng điện chạy qua diode kẹp Da1 và
khóa SX2 rồi qua tải (dịng khơng chạy qua diode DA2 do bị phân cực ngược).
- Trong khoảng thời gian chuyển mạch, SX3 thì Off, dịng điện chạy qua diode kẹp Da1 và
khóa SX2 rồi qua tải.
- Khi mạch ở trạng thái [1], SX1 và SX2 thì On, SX3 và SX4 Off, dịng điện chạy qua SX1 và
SX2 rồi qua tải.
12
DA1
VDC/2
VDC/2
C1
SA1
Da1
SA2
A
Da1
DA2
iA
N
DA1
SA1
VDC/2
SA1
DA2
SA2
A
iA
A
Da2
DA4
0
DA3
VDC/2
SA3
VDC/2
VDC/2
SA4
SA4
iA
SA3
DA3
SA4
DA4
Da2
DA4
0
a)
DA2
N
DA3
Da2
C2
Da1
SA2
N
SA3
DA1
0
b)
c)
Hình 2.5: Sự chuyển mạch từ [0] sang [1] (i > 0)
a) Trạng thái [0]
b) Chuyển mạch
c) Trạng thái [1]
Chuyển mạch từ trạng thái [0] sang trạng thái [1] với dịng điện theo chiều âm như
hình 2.6
- Mạch đang ở trạng thái [0], khóa SX2 và SX3 thì On, dịng điện chạy khóa SX3 và diode kẹp
Da2.
- Trong khoảng thời gian chuyển mạch, SX3 thì Off, dịng vẫn chạy qua diode DA1 và DA2.
- Khi mạch ở trạng thái [1], SX1 và SX2 thì On, SX3 và SX4 Off, dòng điện chạy qua diode
DA1 và DA2.
13
