Mô phỏng và thiết kế bộ nghịch lưu ba pha split source
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (6.05 MB, 93 trang )
ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HỒ CHÍ MINH
TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
------------------
NGUYỄN HỒNG THIỆN
MƠ PHỎNG VÀ THIẾT KẾ BỘ NGHỊCH LƢU BA PHA
SPLIT - SOURCE
Chuyên ngành : KỸ THUẬT ĐIỆN
Mã số :
60520202
LUẬN VĂN THẠC SĨ
TP. HỒ CHÍ MINH ,tháng 12 năm 2018
Cơng trình đƣợc hồn thành tại : Trƣờng Đại Học Bách Khoa – ĐHQG-HCM
Cán bộ hƣớng dẫn khoa học : PGS.TS. NGUYỄN ĐÌNH TUYÊN
Cán bộ chấm nhận xét 1: TS. HUỲNH VĂN VẠN
Cán bộ chấm nhận xét 2: TS. HUỲNH QUỐC VIỆT
Luận văn thạc sĩ đƣợc bảo vệ tại Trƣờng Đại Học Bách Khoa, ĐHQG Tp.
HCM ngày …5…. tháng …1…năm…2019..
Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:
1. PGS.TS. HỒ VĂN NHẬT CHƢƠNG
2. PGS.TS. QUYỀN HUY ÁNH
3. TS. HUỲNH QUỐC VIỆT
4. TS. HUỲNH VĂN VẠN
5. TS. LÊ THỊ TỊNH MINH
Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá Luận Văn và Trƣởng Khoa quản lý
chuyên ngành sau khi luận văn đã đƣợc sửa chữa (nếu có)
CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG
TRƢỞNG KHOA ĐIỆN-ĐIỆN TỬ
ĐẠI HỌC QUỐC GIA TPHCM
CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
Độc Lập-Tự Do-Hạnh Phúc
NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ và tên học viên : Nguyễn Hoàng Thiện
MSHV: 1570874
Ngày, tháng, năm sinh: 30/12/1992
Nơi sinh: Long An
Chuyên ngành: Kỹ Thuật Điện
Mã số: 60520202
I.TÊN ĐỀ TÀI: MÔ PHỎNG VÀ THIẾT KẾ BỘ NGHỊCH LƢU BA PHA
SPLIT-SOURCE
II.NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG
- Tìm hiểu bộ nghịch lƣu ba pha Split-Source,
- Kỹ thuật điều chế SinPWM, Third Harmonic PWM và Bias Third Harmonic PWM cho bộ
nghịch lƣu ba pha Split-Source.
- Thiết kế bộ nghịch lƣu ba pha Split-Source và thực nghiệm trên DSP TMS320F28379D
III.NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : 20/2/1018
IV.NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 10/12/2018
V.CÁN BỘ HƢỚNG DẪN: PGS.TS. NGUYỄN ĐÌNH TUYÊN
Tp. HCM, ngày. . . . tháng. . . . năm 20. . . .
CÁN BỘ HƢỚNG DẪN
CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO
TRƢỞNG KHOA ĐIỆN-ĐIỆN TỬ
LỜI CẢM ƠN
Xin đƣợc gửi đến Thầy Nguyễn Đình Tuyên lịng biết ơn và kính trọng sâu sắc
nhất. 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 phƣơng pháp nghiên cứu khoa học mới. Đó là niềm vinh dự và
tự hào khi đƣợc 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 Trƣờng Đại Học
Bách Khoa Tp. Hồ Chí Minh đã nâng đỡ và dìu dắt, truyền đạt cho tôi những kiến
thức và kinh nghiệm quý báu nhất trong suốt q trình tơi học tập ở trƣờng. Đồng
thời cũng xin đƣợc 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 tôi đó là gia đình tơi, là nguồn động lực, điểm
tựa để tơi có thể vƣợt qua những hạn chế của bản thân. Cám ơn bố, mẹ đã hiểu, định
hƣớng, 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 12 năm 2018
Nguyễn Hoàng Thiện
TĨM TẮT LUẬN VĂN
Nội dung chính của luận văn là dựa trên việc sử dụng bài báo của tạp chí IEEE để
thiết kế và thực nghiệm một bộ nghịch lƣu ba pha Split-Source (SSI) để tăng điện
áp ngõ vào, cấu trúc có cùng số lƣợng khố nhƣ bộ nghịch lƣu thông thƣờng thêm
ba đi-ôt bổ sung và tám trạng thái đóng ngắt.
Luận văn này phân tích bộ nghịch lƣu SSI và thực hiện các phƣơng pháp điều chế
khác nhau để so sánh với bộ nghịch lƣu thông thƣờng và bộ nghịch lƣu nguồn Z.
Xác minh bằng thực nghiệm trên tải 3 pha .
ABSTRACT
The main content of the thesis is based on the use article of the IEEE to design and
test a three-phase Split-Source Inverter (SSI) to increase the input voltage, the
structure has the same number of keys as the inverter normally adds three additional
diodes and eight switching states.
This thesis analyzes the SSI inverter and performs various modulation methods for
comparison with conventional inverters and Z- source inverters. Experimental
verification on three-phase loads
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. Việc tham khảo tài liệu
đã đƣợc thực hiện trích dẫn và ghi nguồn tài liệu tham khảo đúng theo yêu cầu.
MỤC LỤC
CHƢƠNG 1:
GIỚI THIỆU TỔNG QUAN ĐỀ TÀI ......................................... 1
1.1.
Lý do chọn đề tài .......................................................................................1
1.2.
Mục tiêu của đề tài: ...................................................................................1
1.3.
Phạm vi và phƣơng pháp nghiên cứu: ....................................................1
1.4.
Cấu trúc luận văn: ....................................................................................2
CHƢƠNG 2: BỘ NGHỊCH LƢU ÁP BA PHA (VSI), Z-SOURCE (ZSI) VÀ
SPLIT-SOURCE (SSI) ............................................................................................. 3
2.1.
Bộ nghịch lƣu áp 3 pha VSI .....................................................................3
2.1.1.
Cấu hình bộ nghịch lƣu áp ba pha VSI ...........................................3
2.1.2.
Các trạng thái đóng ngắt ..................................................................3
2.2.
Bộ nghịch lƣu ba pha Z-Source ...............................................................5
2.2.1.
Cấu hình bộ nghịch lƣu Z-Source ...................................................5
2.2.2.
Xây dựng phƣơng trình tốn cho bộ nghịch lƣu Z – Source ........5
2.3.
Bộ nghịch lƣu ba pha Split-Source ..........................................................8
2.3.1.
Giới thiệu và cấu hình bộ nghịch lƣu Split-Source ........................8
2.3.2.
Nguyên lý hoạt động của bộ nghịch lƣu ba pha Split-Source .......8
CHƢƠNG 3: CÁC KỸ THUẬT ĐIỀU CHẾ CHO BỘ NGHỊCH LƢU BA
PHA SPLIT-SOURCE ........................................................................................... 11
3.1.
Phƣơng pháp điều rộng xung Sin ..........................................................11
3.2.
Kỹ thuật SPWM thêm thành phần Hài bậc ba (Third-Harmonic
injected PWM –THPWM) ..................................................................................13
3.3.
Kỹ thuật Bias TH-PWM (BTHPWM) ..................................................16
3.4.
Xây dựng phƣơng trình tốn học cho bộ nghịch lƣu ba pha SSI .......17
3.4.1.
Sử dụng phƣơng pháp SPWM .......................................................17
3.4.2.
Sử dụng kỹ thuật TH-SPWM ........................................................19
3.4.3.
Sử dụng kỹ thuật BTH-PWM ........................................................21
3.5.
Dịng điện và điện áp stress ....................................................................22
CHƢƠNG 4: MƠ PHỎNG BỘ NGHỊCH LƢU BA PHA SÁU KHOÁ VSI,
Z-SOURCE VÀ SPLIT-SOURCE ......................................................................... 23
4.1.
Mô phỏng bộ nghịch lƣu ba pha VSI ....................................................23
4.1.1.
Sơ đồ mô phỏng ...............................................................................23
4.1.2.
Kết quả mô phỏng ...........................................................................24
4.2.
Mô phỏng bộ nghịch lƣu ba pha Z-Source (ZSI) .................................25
4.2.1.
Simple boost control (SBC) ............................................................25
4.2.1.1. Sơ đồ mô phỏng ZSI-Single Boost Control (ZSI-SBC)............26
4.2.1.2. Kết quả mô phỏng ZSI-Simple Boost control...........................27
4.2.2.
Maximum boost control (MBC).....................................................28
4.2.2.1. Sơ đồ mô phỏng ZSI- Maximum boost control ........................28
4.2.2.2. Kết quả mô phỏng ZSI-Maximum boost control .....................29
4.2.3.
Maximum constant boost control (MCBC) ..................................30
4.2.3.1. Sơ đồ mô phỏng ZSI- MCBC .....................................................31
4.2.3.2. Kết quả mô phỏng ZSI Maximum constant boost control ......32
4.3.
Kết quả sau mô phỏng bộ nghịch lƣu ba pha ZSI................................33
4.4.
Tính tốn thơng số và mơ phỏng bộ nghịch lƣu ba pha Split-Source 36
4.4.1.
Tính tốn thơng số mơ phỏng.........................................................36
4.4.2.
Mơ phỏng bộ nghịch lƣu SSI ..........................................................36
4.4.2.1. Kỹ thuật SPWM ..........................................................................36
4.4.2.1.1. Sơ đồ mô phỏng SSI-SPWM ................................................36
4.4.2.1.2. Kết quả mô phỏng SSI-SPWM ............................................38
4.4.2.2. Phƣơng pháp THPWM...............................................................39
4.4.2.2.1. Sơ đồ mô phỏng SSI-THPWM ............................................39
4.4.2.2.2. Kết quả mô phỏng SSI-THPWM ........................................40
4.4.2.3. Phƣơng pháp BTH-PWM ..........................................................42
4.4.2.3.1. Sơ đồ mô phỏng BTH-PWM................................................42
4.4.2.3.2. Kết quả mô phỏng BTH-PWM............................................42
4.4.3.
Kết quả thực nghiệm của tác giả ...................................................44
4.4.3.1. Theo phƣơng pháp SPWM .........................................................44
4.4.3.2. Theo phƣơng pháp THPWM .....................................................44
4.4.3.3. Theo phƣơng pháp BTH-PWM .................................................45
CHƢƠNG 5: THỰC NGHIỆM BỘ NGHỊCH LƢU BA PHA SÁU KHOÁ
SPLIT-SOURCE ..................................................................................................... 46
5.1.
Phƣơng pháp thực nghiệm .....................................................................46
5.2.
Thiết kế mạch ..........................................................................................46
5.2.1.
Mạch nguồn DC 5V & ± 15V .........................................................46
5.2.2.
Nguồn DC .........................................................................................46
5.2.3.
Mạch điều khiển ..............................................................................47
5.2.4.
Mạch lái ............................................................................................48
5.2.5.
Mạch công suất ................................................................................49
5.2.6.
Tải ba pha R-L ................................................................................51
5.3.
Thực nghiệm ............................................................................................51
5.3.1.
Thực nghiệm bộ nghịch lƣu ba pha VSI .......................................51
5.3.2.
Thực nghiệm bộ nghịch lƣu ba pha SSI ........................................55
5.3.2.1. Theo phƣơng pháp SPWM .........................................................56
5.3.2.2. Theo phƣơng pháp TH-SPWM .................................................62
5.3.2.3. Theo phƣơng pháp Bias-THPWM ............................................68
5.4.
Nhận xét ...................................................................................................74
DANH SÁCH HÌNH
Hình 2.1: Bộ nghịch lƣu ba pha VSI .......................................................................3
Hình 2.2: Bộ nghịch lƣu ba ba pha Z-Source .........................................................5
Hình 2.3: Non-Shoot-Through và Shoot-Through của ZSI ..................................6
Hình 2.4: Bộ nghịch lƣu ba pha SSI ........................................................................8
Hình 2.5: Các chế độ hoạt động của mạch SSI .....................................................10
Hình 3.1: Giải thích việc sử dụng sóng tam giác để so sánh ...............................11
Hình 3.2: Tổng thành phần của sóng cơ bản và sóng hài bậc ba .......................13
Hình 3.3: Một phần điện áp ngõ ra TH-PWM .....................................................15
Hình 3.4: Tồn bộ dãy điện áp ngõ ra TH-PWM ................................................16
Hình 3.5: Dạng sóng Bias TH-PWM .....................................................................16
Hình 3.6: Sóng mang và sóng điều khiển SPWM ................................................17
Hình 3.7: Sóng mang và sóng điều khiển TH-PWM ............................................19
Hình 3.8: Sóng mang và sóng điều khiển TH-PWM ............................................21
Hình 4.1: Khối cơng suất VSI-SPWM ...................................................................23
Hình 4.2: Khối điều khiển VSI-SPWM .................................................................23
Hình 4.3: Điện áp dây, áp tải và dịng điện qua tải (Mơ phỏng VSI, Vdc=30V,
m=0.4) .......................................................................................................................24
Hình 4.4: Điện áp dây, áp tải và dịng điện tải ( mơ phỏng VSI, Vdc=20V,
m=0.4) .......................................................................................................................25
Hình 4.5: Khối cơng suất ZSI-SBC........................................................................26
Hình 4.6: Khối điều khiển ZSI –SBC ....................................................................26
Hình 4.7: Điện áp
và áp trên tụ (mô phỏng ZSI-SBC, Vdc=150V,
m=0.642) ...................................................................................................................27
Hình 4.8: Áp dây, áp tải và dịng tải (mơ phỏng ZSI-SBC, Vdc=150V, m=0.642)
...................................................................................................................................28
Hình 4.9: Khối cơng suất ZSI Maximum boost control.......................................29
Hình 4.10: Khối điều khiển ZSI Maximum boost control ...................................29
Hình 4.11: Áp
và áp trên tụ (mơ phỏng ZSI-MBC, Vdc=170V, m=0.88) 29
Hình 4.12: Áp dây, áp tải và dịng điện tải (mơ phỏng ZSI-MBC, Vdc=170V,
m=0.88) .....................................................................................................................30
Hình 4.13: Khối cơng suất ZSI Maximum constant boost control .....................31
Hình 4.14: Khối điều khiển ZSI Maximum constant boost control ...................32
Hình 4.15: Áp
và áp trên tụ (mơ phỏng ZSI-MCBC, Vdc=145V,
m=0.812) ...................................................................................................................32
Hình 4.16:Áp dây, áp tải và dịng điện tải (mơ phỏng ZSI-MCBC, Vdc=145V,
m=0.812) ...................................................................................................................33
Hình 4.17: Đƣờng cong thể hiện mối quan hệ giữa M (chỉ số điều chế) và hệ số
Boost (theo phƣơng pháp Simple boost control) ..................................................34
Hình 4.18: Đƣờng cong thể hiện mối quan hệ giữa M (chỉ số điều chế) và hệ số
Boost (theo phƣơng pháp Maximum boost control) ............................................34
Hình 4.19: Đƣờng cong thể hiện mối quan hệ giữa M (chỉ số điều chế) và hệ số
Boost (theo phƣơng pháp Maximum constant boost control).............................35
Hình 4.20: Khối cơng suất SSI-SPWM .................................................................37
Hình 4.21: Khối điều khiển SSI-SPWM................................................................37
Hình 4.22: Điện áp
và áp dây (mơ phỏng SSI-SPWM, Vdc=100,
m=0,6804) .................................................................................................................38
Hình 4.23: Áp tải và dịng điện tải (mơ phỏng SSI-SPWM, Vdc=100, m=0,6804)
...................................................................................................................................38
Hình 4.24: Dịng điện trên cuộn cảm (mơ phỏng SSI-SPWM,............................39
Hình 4.25: Khối cơng suất SSI-THPWM ..............................................................39
Hình 4.26: Khối điều khiển SSI - THPWM ..........................................................40
Hình 4.27: Điện áp
và áp dây dùng phƣơng pháp TH-PWM ...................40
Hình 4.28: Điện áp tải và dòng điện tải dùng phƣơng pháp TH-PWM .............41
Hình 4.29: Dịng qua cuộn cảm dùng phƣơng pháp TH-PWM ..........................41
Hình 4.30: Khối cơng suất SSI-Bias-THPWM .....................................................42
Hình 4.31: Khối điều khiển SSI-Bias-THPWM ...................................................42
Hình 4.32: Điện áp
,áp dây dùng phƣơng pháp Bias-THPWM ...............43
Hình 4.33: Điện áp tải và dịng tải dùng phƣơng pháp Bias-THPWM ..............43
Hình 4.34: Dịng qua cuộn cảm dùng phƣơng pháp Bias-THPWM ..................44
Hình 4.35: Áp
, dịng điện tải và dòng trên cuộn cảm theo kết quả thực
nghiệm của tác giả ( phƣơng pháp SPWM) ..........................................................44
Hình 4.36: Áp
, dịng điện tải và dòng trên cuộn cảm theo kết quả thực
nghiệm của tác giả ( phƣơng pháp TH-PWM) .....................................................45
Hình 4.37: Áp
, dòng điện tải và dòng trên cuộn cảm theo kết quả thực
nghiệm của tác giả ( phƣơng pháp BTH-PWM) ..................................................45
Hình 5.1: Cấu trúc phần cứng của bộ nghịch lƣu ba pha ...................................46
Hình 5.2: Bộ nguồn DC đầu vào của bộ nghịch lƣu SSI .....................................47
Hình 5.3: Mạch điều khiển DSP TMS320F28379D của hãng TI ........................47
Hình 5.4: Mạch lái TX-DA962D6 ..........................................................................48
Hình 5.5: Sơ đồ nguyên lý mạch cách ly ...............................................................48
Hình 5.6: Xung qua mạch lái .................................................................................49
Hình 5.7: IGBT FMG2G100US60 .........................................................................49
Hình 5.8: Đi-ơt 6RI100G-160 .................................................................................50
Hình 5.9: Cuộn cảm 6mH-20A ...............................................................................50
Hình 5.10: Tụ 110µF-450V .....................................................................................50
Hình 5.11: Tải 3 pha R-L mắc Y............................................................................51
Hình 5.12: Áp tải, áp dây và dòng điện tải thực nghiệm (VSI, m=0.4,Vdc=30V)
...................................................................................................................................52
Hình 5.13: Áp tải, phổ FFT thực nghiệm (trái) và mơ phỏng (phải) (VSI,
m=0.4, Vdc=30V) .....................................................................................................52
Hình 5.14: Dịng điện tải, phổ FFT thực nghiệm (trái) và mô phỏng (phải)
(VSI, m=0.4, Vdc=30V) ...........................................................................................53
Hình 5.15: Áp tải, phổ FFT thực nghiệm (trái) và mơ phỏng (phải) (VSI,
m=0.4, Vdc=30V) .....................................................................................................53
Hình 5.16: Áp tải, áp dây và dòng điện tải thực nghiệm (VSI, m=0.5, Vdc=20V)
...................................................................................................................................54
Hình 5.17: Dịng tải, phổ FFT thực nghiệm (trái) và dịng tải mơ phỏng (phải)
(VSI, m=0.5, Vdc=20V) ...........................................................................................54
Hình 5.18: Áp tải, phổ FFT thực nghiệm (trái ) và áp tải mơ phỏng (phải)
(VSI, m=0.5, Vdc=20V) ...........................................................................................55
Hình 5.19: Áp dây, phổ FFT thực nghiệm (trái) và áp dây mô phỏng (phải)
(VSI, m=0.5, Vdc=20V) ...........................................................................................55
Hình 5.20: Áp tải, áp dây và dịng điện tải (SSI, SPWM, m=0.4, Vdc=30V) ....56
Hình 5.21: Điện áp
thực nghiệm (trái) và mơ phỏng (phải) (SSI, SPWM,
m=0.4, Vdc=30V) .....................................................................................................56
Hình 5.22: Áp tải và phổ FFT thực nghiệm (trái) và áp tải mơ phỏng (phải)
(SSI, SPWM, m=0.4, Vdc=30V) .............................................................................57
Hình 5.23: Dòng tải, phổ FFT thực nghiệm (trái) và dòng tải mơ phỏng (phải)
(SSI, SPWM, m=0.4, Vdc=30V) .............................................................................57
Hình 5.24: Áp dây, phổ FFT thực nghiệm (trái) và áp dây mô phỏng (phải)
(SSI, SPWM, m=0.4, Vdc=30V) .............................................................................58
Hình 5.25: Dịng qua cuộn cảm thực nghiệm (trái) và mô phỏng (phải) (SSI,
SPWM, m=0.4, Vdc=30V) ......................................................................................58
Hình 5.26: Áp tải, áp dây và dịng điện tải thực nghiệm (SSI, SPWM, m=0.5,
Vdc=20V) .................................................................................................................59
Hình 5.27: Điện áp
thực nghiệm (trái) và mơ phỏng (phải) (SSI, SPWM,
m=0.5, Vdc=20V) .....................................................................................................59
Hình 5.28: Áp tải và phổ FFT thực nghiệm (trái) và áp tải mơ phỏng (phải)
(SSI, SPWM, m=0.5, Vdc=20V) .............................................................................60
Hình 5.29: Dịng điện tải, phổ FFT thực nghiệm (trái) và dòng điện tải mơ
phỏng (phải) (SSI, SPWM, m=0.5, Vdc=20V) .....................................................60
Hình 5.30: Áp dây, phổ FFT thực nghiệm (trái) và áp dây mô phỏng (phải)
(SSI, SPWM, m=0.5, Vdc=20V) .............................................................................61
Hình 5.31: Dịng qua cuộn cảm thực nghiệm (trái) và mơ phỏng (phải) (SSI,
SPWM, m=0.5, Vdc=20V) ......................................................................................61
Hình 5.32: Áp tải, áp dây và dòng điện tải (SSI, TH-PWM, m=0.4, Vdc=30V) 62
Hình 5.33: Điện áp
thực nghiệm (trái) và mơ phỏng (phải) (SSI, ............62
Hình 5.34: Áp tải và phổ FFT thực nghiệm (trái) và áp tải mô phỏng (phải)
(SSI, TH-PWM, m=0.4, Vdc=30V) ........................................................................63
Hình 5.35: Dịng điện tải, phổ FFT thực nghiệm (trái) và dịng điện tải mơ
phỏng (phải) (SSI, TH-PWM, m=0.4, Vdc=30V) .................................................63
Hình 5.36: Điện áp dây, phổ FFT thực nghiệm (trái) và áp dây mơ phỏng
(phải) (SSI, TH-PWM, m=0.4, Vdc=30V) .............................................................64
Hình 5.37: Dịng qua cuộn cảm thực nghiệm (trái) và mơ phỏng (phải) (SSI,
TH-PWM, m=0.4, Vdc=30V) .................................................................................64
Hình 5.38: Áp tải, áp dây và dòng điện tải thực nghiệm (SSI, TH-PWM,
m=0.5, Vdc=15V) .....................................................................................................65
Hình 5.39: Điện áp
thực nghiệm (trái) và mơ phỏng (phải) (SSI, THPWM, m=0.5, Vdc=15V).........................................................................................65
Hình 5.40: Điện áp tải và phổ FFT thực nghiệm (trái) và điện áp tải mô phỏng
(phải) (SSI, TH-PWM, m=0.5, Vdc=15V) .............................................................66
Hình 5.41: Dịng điện tải, phổ FFT thực nghiệm (trái) và dịng điện tải mơ
phỏng (phải) (SSI, TH-PWM, m=0.5, Vdc=15V) .................................................66
Hình 5.42: Điện áp dây, phổ FFT thực nghiệm (trái) và áp dây mô phỏng
(phải) (SSI, TH-PWM, m=0.5, Vdc=15V) .............................................................67
Hình 5.43: Dịng trên cuộn cảm thực nghiệm (trái) và mơ phỏng (phải) (SSI,
TH-PWM, m=0.5, Vdc=15V) .................................................................................67
Hình 5.44: Áp dây, áp tải và dòng điện tải thực nghiệm (SSI, Bias-THPWM,
m=0.4, Vdc= 30V) ....................................................................................................68
Hình 5.45: Điện áp
thực nghiệm (trái) và mô phỏng (phải) (SSI, BiasTHPWM, m=0.4, Vdc= 30V) ..................................................................................68
Hình 5.46: Điện áp tải, phổ FFT thực nghiệm (trái) và điện áp tải mô phỏng
(phải) (SSI, Bias-THPWM, m=0.4, Vdc= 30V) ....................................................69
Hình 5.47: Dịng điện tải và phổ FFT (SSI, Bias-THPWM, m=0.4, Vdc= 30V) 69
Hình 5.48: Điện áp dây và phổ FFT thực nghiệm (trái) và áp dây mô phỏng
(phải) (SSI, Bias-THPWM, m=0.4, Vdc= 30V) ...................................................70
Hình 5.49: Dịng trên cuộn cảm thực nghiệm (trái) và mô phỏng (phải) (SSI,
Bias-THPWM, m=0.4, Vdc= 30V) .........................................................................70
Hình 5.50: Áp tải, áp dây và dịng điện tải (SSI, Bias-THPWM, m=0.5, Vdc=
20V) ...........................................................................................................................71
Hình 5.51: Điện áp
thực nghiệm (trái) và mô phỏng (phải) (SSI, BiasTHPWM, m=0.5, Vdc= 20V) ..................................................................................71
Hình 5.52: Điện áp tải, phổ FFT thực nghiệm (trái) và điện áp tải mô phỏng
(phải) (SSI, Bias-THPWM, m=0.5, Vdc= 20V) ....................................................72
Hình 5.53: Dịng điện tải, phổ FFT thực nghiệm (trái) và dịng điện tải mơ
phỏng (phải) (SSI, Bias-THPWM, m=0.5, Vdc= 20V) .........................................72
Hình 5.54: Điện áp dây, phổ FFT thực nghiệm (trái) và áp dây mô phỏng
(phải) (SSI, Bias-THPWM, m=0.5, Vdc= 20V) ....................................................73
Hình 5.55: Dịng trên cuộn cảm thực nghiệm (trái) và mô phỏng (phải) (SSI,
Bias-THPWM, m=0.5, Vdc= 20V) .........................................................................73
DANH SÁCH BẢNG BIỂU
Bảng 2.1: Trạng thái đóng ngắt của bộ nghịch lƣu ba pha ...................................4
Bảng 3.1: Dòng điện stress trên các khóa của mạch SSI và ZSI ........................22
Bảng 4.1: Thông số mô phỏng bộ nghịch lƣu ba pha VSI ...................................23
Bảng 4.2: Bảng thông số mô phỏng bộ nghịch lƣu ba pha ZSI-Simple Boost
control .......................................................................................................................26
Bảng 4.3: Thông số mô phỏng bộ nghịch lƣu ba pha ZSI – Maximum boost
control .......................................................................................................................28
Bảng 4.4: Thông số mô phỏng bộ nghịch lƣu ba pha ZSI – Maximum constant
boost control ............................................................................................................31
Bảng 4.5: Quan hệ điện áp vào ra của bộ nghịch lƣu ba pha ZSI ......................35
Bảng 4.6: Thông số mô phỏng bộ nghịch lƣu ba pha SSI....................................36
Bảng 5.1: Thông số thực nghiệm cho bộ nghịch lƣu ba pha VSI .......................51
1
CHƢƠNG 1:
1.1.
GIỚI THIỆU TỔNG QUAN ĐỀ TÀI
Lý do chọn đề tài
Trong sản xuất công nghiệp, các bộ biến tần nguồn áp (Voltage source
inverters) đƣợc sử dụng rộng rãi trong điều khiển động cơ điện xoay chiều, bộ lƣu
điện (UPS), hệ thống phân phối điện, xe điện… Tuy nhiên bộ biến tần truyền thống
có một vài hạn chế nhất định:
1) Điện áp xoay chiều ngõ ra không thể lớn hơn điện áp nguồn một chiều cung cấp,
hay nói cách khác nó chỉ thể hiện là bộ biến tần giảm áp.
2) Hai khóa đóng ngắt trên cùng một nhánh khơng đƣợc đóng cùng lúc vì khi đó
ngắn mạch nguồn áp một chiều sẽ xảy ra làm hƣ hỏng thiết bị.
Đối với những ứng dụng, nơi mà bộ nghịch lƣu phải đáp ứng đƣợc yêu cầu tăng áp
và giảm áp, thì một bộ chuyển đổi điện một chiều (DC-DC converter) phải đƣợc
thêm vào phía trƣớc bộ nghịch lƣu. Kết quả là sẽ có hai giai đoạn chuyển đổi (DCDC, DC-AC). Điều này làm tăng kích thƣớc, tăng giá thành.
1.2.
Mục tiêu của đề tài:
-
Thiết kế bộ nghịch lƣu ba pha Split-Source tăng điện áp ngõ ra.
-
Sử dụng phƣơng pháp điều chế sóng mang SinPWM ,Third Harmonic PWM, Bias
Third Harmonic PWM cho bộ nghịch lƣu ba pha sáu khóa .
1.3.
Phạm vi và phƣơng pháp nghiên cứu:
-
Đề tài nghiên cứu gồm hai phần: Mô phỏng và Thực nghiệm
-
Mô phỏng: Sử dụng phần mềm chuyên dụng PSIM để mô phỏng bộ nghịch lƣu
Split- Source ba pha sáu khóa điều khiển tải ba pha RL bằng phƣơng pháp điều chế
sóng mang SinPWM , Third Harmonic PWM và Bias Third Harmonic PWM
-
Lập trình điều khiển trên phần mềm chuyên dụng Code Composer Studio với vi
mạch TMS320F28379D của tập đoàn Texas Instruments và đƣợc kiểm chứng bằng
thực tế.
2
1.4.
Cấu trúc luận văn:
Ngoài phần mở đầu, phần kết thúc và phụ lục. Luận văn gồm có 5 chƣơng. Cụ thể
nhƣ sau:
Chƣơng 1: Giới thiệu tổng quan đề tài
Chƣơng 2: Bộ nghịch lƣu áp ba pha VSI, Z-Source và Split-Source
Chƣơng 3: Các kỹ thuật điều chế cho bộ nghịch lƣu ba pha Split-Source
Chƣơng 4: Mô phỏng bộ nghịch lƣu ba pha VSI, ZSI và SSI
Chƣơng 5: Thực nghiệm bộ nghịch lƣu ba pha sáu khoá Spit-Source
3
CHƢƠNG 2:
BỘ NGHỊCH LƢU ÁP BA PHA (VSI), Z-SOURCE (ZSI)
VÀ SPLIT-SOURCE (SSI)
2.1.
Bộ nghịch lƣu áp 3 pha VSI
Hình 2.1: Bộ nghịch lƣu ba pha VSI
2.1.1. Cấu hình bộ nghịch lƣu áp ba pha VSI
Với một VSI điện áp ngõ vào bộ nghịch lƣu đƣợc cung cấp từ một nguồn điện áp
DC với một tụ điện tƣơng đối lớn kết nối song song nhƣ Hình 2.1
Trên mỗi nhánh, mỗi khóa nối từ ngõ ra của tải đến cực dƣơng của nguồn một chiều
gọi là khóa trên, kí hiệu là S1, S3, S5 và khóa cịn lại gọi là khóa dƣới, kí hiệu là S4,
S6, S2
2.1.2. Các trạng thái đóng ngắt
Gọi trạng thái đóng ngắt của khóa cơng suất là Sj
Sj
{
Trạng thái đóng ngắt của các khóa trên và khóa dƣới ln ở trạng thái đối nghịch
nhau
4
{
Nhƣ vậy T1, T4 dẫn điện lệch nhau 180 và tạo ra pha A. T3, T6 dẫn điện lệch nhau
180 để tạo ra pha B. T5, T2 dẫn điện lệch nhau 180 để tạo ra pha C, và các pha lệch
nhau 120
Bảng 2.1: Trạng thái đóng ngắt của bộ nghịch lƣu ba pha
Bảng Trạng Thái Đóng Ngắt
S1
S3
S5
Va
Vb
Vc
0
0
0
0
0
0
1
1
1
0
0
0
1
0
0
1
1
0
0
1
0
0
1
1
0
0
1
1
0
1
Có sáu trạng thái tích cực
Khuyết điểm:
-Trạng thái 000 và 111 làm cho áp tải bằng 0
-Điện áp ngõ ra AC bị giới hạn và không thể vƣợt quá điện áp áp DC ngõ vào.
-Muốn boost điện áp cần thêm thiết bị làm tăng thêm chi phí.
-Nếu có Shoot through làm hƣ hỏng thiết bị.
5
-Ngõ ra phải có thêm mạch lọc LC là nguyên nhân gây tổn thất và điều khiển phức
tạp [1]
2.2.
Bộ nghịch lƣu ba pha Z-Source
Hình 2.2: Bộ nghịch lƣu ba ba pha Z-Source
2.2.1. Cấu hình bộ nghịch lƣu Z-Source
Gồm 3 phần:
-Phía Source có nguồn VDC và một Đi-ot
-Phần mạch Z có cấu tạo gồm: 2 cuộn cảm L1, L2 đối xứng 2 bên và 2 tụ C1 và C2
bắt chéo hình chữ X .Với L1= L2 , C1 = C2 .
-Phía Inverter : có 6 khóa bán dẫn kích đối nghịc S1, S3, S5 và S4, S6, S2
2.2.2. Xây dựng phƣơng trình tốn cho bộ nghịch lƣu Z – Source
6
Hình 2.3: Non-Shoot-Through và Shoot-Through của ZSI
Mạch Z:
VC1=VC2=VC
(2-1)
VL1= VL2=VL
(2-2)
+ Ở chế độ non-shoot-through:
Gọi Tn : là thời gian Non-shoot-through
Ta có:
{
(2-3 )
+ Ở chế độ shoot-through:
Gọi Tsr : là thời gian Shoot-through
{
(2-4)
7
Đặt Ts= Tn+ Tsr
Ta có :
(2-5)
Ta có:
(2-6)
(2-7)
Kết hợp (2.4) và (2.8):
(2-8)
Với
=>
/2
[2]
Cải tiến của ZSI so với VSI :
- Boost điện áp DC ở nhánh trên hoặc nhánh dƣới mỗi nhánh
-Shoot through ở trạng thái zero bị cấm ở VSI ( gây hƣ hỏng biến tần)
-Độ tin cậy cao, giảm chi phí
-Shoot through ở trạng thái zero khơng bị cấm ở Z-Source [1]
Khuyết điểm:
-Phức tạp.
-Dịng ngõ vào gián đoạn do có 4 phần tử thụ động [3] [4]
8
2.3.
Bộ nghịch lƣu ba pha Split-Source
Đƣợc dịch từ bài báo nghiên cứu của tác giả A. Abdelhakim, P. Mattavelli, and
G. Spiazzi, “Three-phase split-source inverter (ssi): Analysis and modulation,”
IEEE Trans. on Power Electronics, vol.31, no.11, pp. 7451–7461, Nov 2016.
2.3.1. Giới thiệu và cấu hình bộ nghịch lƣu Split-Source
Hình 2.4: Bộ nghịch lƣu ba pha SSI
Gồm một tụ điện C , 3 Điot bán dẫn nối với cuộn cảm L phân chia điện áp DC
6 linh kiện bán dẫn : S1 ,S3 ,S5 nằm phía trên và S4 ,S6 ,S2 ở phía dƣới tƣơng tự nhƣ
bộ VSI
2.3.2. Nguyên lý hoạt động của bộ nghịch lƣu ba pha Split-Source
Có tám trạng thái hoạt động
9
