Đề tài: Kỹ thuật điều chế độ rộng xung PWM (pulse width modulation) cho bộ biến tần

Bài báo cáo này trình bày kỹ thuật điều chế độ rộng xung (PWM) cho bộ biến tần AC – AC 3 pha các dạng 2 bậc, H – bridge cascade, Multilevel Diode Clamped. Mục tiêu khảo sát tính chất của bộ biến tần 3 pha bằng kỹ thuật điều chế sóng mang dựa trên các tham số cho trước.

Trang 1

Khoa Điện – Điện Tử

Ngành Thiết Bị, Mạng & Nhà Máy Điện

1

Kỹ thuật điều chế độ rộng xung PWM (Pulse Width Modulation) cho bộ biến tần

Phạm Hoàng Anh – MSHV : 10180070

TÓM TẮT : Bài báo cáo này trình bày kỹ thuật điều chế độ rộng xung (PWM) cho bộ biến tần

AC-AC 3 pha các dạng 2 bậc, H – bridge cascade, Multilevel Diode Clamped Mục tiêu khảo sát tính chất của bộ biến tần 3 pha bằng kỹ thuật điều chế sóng mang dựa trên các tham số cho trước

Từ khoá – Converter, PWM, 2Level, H – bridge cascade, Multilevel Diode Clampeb

I GIỚI THIỆU

1 Kỹ thuật PWM (Pulse Width Modulation)

Kỹ thuật điều chế độ rộng xung

Các bộ nghịch lưu áp thường điều khiển

dựa theo kỹ thuật điều chế độ rộng xung PWM

và qui tắc kích đóng đối nghịch Qui tắc kích

đóng đối nghịch đảm bảo dạng áp tải được điều

khiển tuân theo giản đồ kích đóng công tắc và kỹ

thuật điều chế độ rộng xung có tác dụng hạn chế

tối đa các ảnh hưởng bất lợi của sóng hài bậc

cao xuất hiện ở phía tải

Hình 1 – Sơ đồ kết nối giữa lưới

và bộ điều khiển PWM NPC 3 bậc

Phụ thuộc vào phương pháp thiết lập giản

đồ kích đóng các công tắc trong bộ nghịch lưu

áp, ta có thể phân biệt các dạng điều chế độ

rộng xung khác nhau Tài liệu [1] – Tr.205

2 Phương pháp điều chế vector không

gian – Space vector modulation – space vector

PWM

Phương pháp điều chế vector không gian

xuất phát từ các ứng dụng của vector không gian

trong máy điện xoay chiều, sau đó được mở

rộng triển khai trong các hệ thống điện 3 pha

Phương pháp điều chế vector không gian và các

dạng cải biến của nó có tính hiện đại, giải thuật

dựa chủ yếu vào kỹ thuật số và là các phương

pháp được sử dụng phổ biến nhất hiện nay trong

lãnh vực điện tử công suất liên quan đến điều

khiển các đại lượng xoay chiều ba pha như điều

khiển truyền động điện xoay chiều, điều khiển

các mạch lọc tích cực, điều khiển các thiết bị

công suất trên hệ thống truyền tải điện Tài liệu

Công suất ngõ ra S = 1MVA Điện áp nguồn dc bộ nghịch lưu không thay đổi

Tải 3 pha cân bằng với cosu = 0.9, tần số

áp 50Hz Với giá trị xác định của tải, giữ nguyên tham số khi xét hoạt động của bộ nghịch lưu ở các tần số và chỉ số điều chế khác nhau

2 Tính toán

 Xác định điện áp dc để có thể tạo điện

áp dây tải = 4.160V với chỉ số m = 1 P= S×cosu = 1 × 0.9 = 0.9 MW (A - 1) Q=S×sinu= 1 × 0.436 = 0.436 MVAr (A - 2) Dòng điện trên 1 pha tải

→ = = =

× = ×

×( )² = 15,575 Ω Tổng cảm trên 1 pha tải

Tải 3 pha cân bằng

Trang 2

Phổ biên độ dòng tải , áp dây , áp

nghịch lưu được trình bày trong phần báo

cáo kết quả A

 Phân tích phổ sóng hài

Với sự ứng dụng các linh kiện điện tử công

suất tần số đóng ngắt cao, thành phần hài bậc

cao của áp ra có thể bị loại bỏ hoặc giảm bớt

đáng kể bằng kĩ thuật đóng ngắt Các thuật toán

PWM tối ưu được đề xuất phần lớn đều xét đến

khía cạnh sóng hài Tài liệu [2] Tr.5-1

Kết quả mô phỏng các đại lượng phổ biên

độ dòng tải , áp dây , áp nghịch lưu

được trình bày trong phần báo cáo kết quả A

B Bộ biến tần 3 pha 5 bậc dạng H—bridge

độ làm việc khác nhau

2 Tính toán

 Vẽ giản đồ vector không gian điện áp với đầy đủ các trạng thái redundant states

Hình 6 – Giản đồ vector không gian điện áp

 Xác định giá trị điện áp của mỗi cell (

E ) của mỗi mạch H – bridge cascade sao cho điện áp dây tạo ra của bộ nghịch lưu có thành phần hài cơ bản đạt trị hiệu dụng 2.300V ứng với chỉ số điều chế m=1

Q=S×sinu= 2 × 0.436 = 0,872 MVAr (B – 2) Dòng điện trên 1 pha tải

→ = = =

× = , ×

×( , )² = 2.3805 Ω Tổng cảm trên 1 pha tải

 Thiết lập bảng 1 : Hàm giá trị của áp nghịch lưu theo các trạng thái áp/ trạng thái đóng ngắt các cặp linh kiện

Điện áp nghịch lưu tức thời tạo bởi sự kết hợp 4 áp , , , Tổ hợp ( , , , ) có giá trị , hay là

Trang 3

3

có thể đạt các giá trị khác nhau −2 ,

− , 0, , 2

Bảng 1 – Trạng thái áp/ Trạng thái đóng ngắt

Bảng trạng thái áp/ trạng thái đóng ngắt linh

kiện trên 1 pha áp ra được mô tả chi tiết trong

phần báo cáo kết quả B

 Phân tích kết quả bảng 1

Bảng 1 biểu diễn mức điện áp nghịch lưu

, liệt kê các trạng thái đóng ngắt và trạng thái

đóng ngắt của các cặp linh kiện tương ứng Có 5

bậc điện áp khác nhau thứ tự từ trên xuống

 Với các giá trị áp nghịch lưu yêu cầu

nằm trong phạm vi cho trước của bảng 1, chọn

các trạng thái tích cực và xác định hàm áp điều

khiển cho các cặp linh kiện ξ Giải tích hàm điều

khiển cho toàn miền hoạt động của áp nghịch

lưu Kết quả ghi vào bảng 2

Việc chọn các trạng thái tích cực để có số

chuyển mạch nhỏ nhất trong 1 lần chuyển trạng

thái đóng ngắt các cặp linh kiện Điều này dẫn

đến giảm tổn hao đóng ngắt trên linh kiện Tuỳ

thuộc vào mục đích yêu cầu sử dụng thực tế mà

ta chọn trạng thái, không bắt buộc chọn trạng

thái tích cực để giảm tổn hao đóng cắt đến mức

hiện mô phỏng với kỹ thuật điều chế độ rộng

xung sóng mang cho chế độ hoạt động fo=50 Hz,

fsw=720, m=0.9 Hàm áp nghịch lưu được thiết

kế với điện áp common mode trung bình ( medium common mode )

Vẽ điện áp hài cơ bản, điện áp offset và hàm điện áp nghịch lưu

Vẽ đồ thị kết quả dạng sóng áp ngõ ra của từng H – bridge , , áp nghịch lưu , áp dây

Phổ biên độ được mô tả chi tiết trong phần báo cáo kết quả B

 Thực hiện lại bước 5 và 6, sử dụng mẫu điều chế khác áp dụng cho áp ra có tần số fo=50Hz, fsw=4320Hz và chỉ số điều chế m=0.9 (0, , 0, )→ (0, , 0, 0)→ (0, , , 0)

→ (0, 0, , 0)→ ( , 0, , 0) Phổ biên độ được mô tả chi tiết trong phần báo cáo kết quả B

 So sánh kết quả từ 2 kết quả trên

Hình 7 – Kết quả 1

Hình 8 – Kết quả 2

Tần số sóng mang càng cao, chu kì đóng ngắt linh kiện càng cao, ít xuất hiện sóng hài, biên độ sóng hài giảm Tuy nhiên, chu kì đóng ngắt càng cao, số lần đóng ngắt linh kiện càng nhiều, gây tổn hao do đóng ngắt trên linh kiện, giảm tuổi tho của linh kiện

Trang 4

Điện áp hiệu dụng dây của nghịch lưu 6.6kV

Công suất ngõ ra ba pha nghịch lưu 5MVA

Tần số áp ra 50Hz

Điện áp Vdc hằng số, cần xác định

Sử dụng ba nguồn Vdc như nhau

Tải ba pha RL cân bằng với hệ số công suất

cosu=0.9 ở tần số 50Hz Với giá trị RL tính toán

được, giữ không thay đổi tham số tải RL cho các

chế độ làm việc khác nhau

2 Tính toán

 Vẽ giản đồ vector không gian điện áp

với đầy đủ trạng thái redundant states

Hình 10 – Giản đồ vector không gian điện áp

 Xác định điện áp nguồn Vdc tổng sao

cho trị hiệu dụng của thành phần cơ bản của

điện áp dây tải có độ lớn 6.6kV ứng với chỉ số

→ = = =

× = , ×

×( , )² = 7,841 Ω Tổng cảm trên 1 pha tải

Biên độ điện áp tải Max

→ = = 2200 V

 Thiết kế kỹ thuật PWM cho bộ nghịch lưu bằng phương án sử dụng kỹ thuật PWM nhiều sóng mang

Hình 11 – Giải thuật PWM 3 sóng mang

Thực hiện mô phỏng cho trường hợp fo=50Hz, fsw=900Hz và m=0.9; hàm offset chọn theo chế độ common mode trung bình (medium common mode)

Thực hiện mô phỏng cho trường hợp fo=20Hz, fsw=900Hz và m=0.3; hàm offset chọn theo chế độ common mode trung bình (medium common mode)

Kết quả đồ thị dạng sóng xung kích các cặp linh kiện , , , , , điện áp pha nghịch lưu , điện áp dây nghịch lưu , phân tích phổ FFT cho các dạng áp nghịch lưu được

mô tả chi tiết trong phần báo cáo kết quả C

 Thiết kế kỹ thuật PWM cho bộ nghịch lưu bằng phương án lập bảng hàm áp nghịch lưu

và thiết lập hàm áp điều khiển từng cặp linh kiện

bộ nghịch lưu

Trang 5

linh kiện , , , , , điện áp pha

nghịch lưu , điện áp dây nghịch lưu , phân

tích phổ FFT cho các dạng áp nghịch lưu được

mô tả chi tiết trong phần báo cáo kết quả C

III KẾT QUẢ

Phần A, cơ bản trình bày cách sử dụng kỹ

thuật PWM, tính toán, mô phỏng bộ biến tần 3

pha 2 bậc, vẽ đồ thị áp, phổ biên độ sóng hài

Phần B, cơ bản trình bày cách sử dụng kỹ

pha 5 bậc dạng H – bridge Cascade, vẽ đồ thị

áp, phổ biên độ sóng hài

Phần C, cơ bản trình bày cách sử dụng kỹ

pha 4 bậc dạng Multilevel Diode Clamped, vẽ đồ

thị áp, phổ biên độ sóng hài

Tần số sóng mang cao, tần số đóng cắt các valve điều khiển áp DC của IGBT lớn, dạng sóng

áp ra chất lượng (gần sin) Tần số đóng cắt thiết

bị cao, nhiệt độ trên linh kiện tăng, tuổi thọ linh kiện giảm

IV KẾT LUẬN

Bài báo cáo trình bày cơ bản kỹ thuật điều chế độ rộng xung PWM ( Pulse Width Modulation ) bằng phương pháp vector không gian cho bộ biến tần các dạng

Tiền đề cơ sở cho việc nghiên cứu, thiết kế, chế tạo các dạng biến tần bậc cao trong tương lai

V TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1] PGS TS Nguyễn Văn Nhờ, “Giáo Trình

Điện Tử Công Suất 1”, Khoa Điện – Điện Tử Đại

Học Bách Khoa TP.HCM [2] “Bài Giảng Điện Tử Công Suất 1”, Khoa

Điện – Điện Tử Đại Học Bách Khoa TP.HCM [3] PGS TS Nguyễn Văn Nhờ, “Kỹ Thuật

Điều Chế PWM Cho Biến Tần Đa Bậc”, Khoa

Điện – Điện Tử Đại Học Bách Khoa TP.HCM

Trang 6

6

BÁO CÁO KẾT QUẢ PHẦN A

KỸ THUẬT ĐIỀU CHẾ PWM BIẾN TẦN 3 PHA 2 BẬC

Trang 7

7

THÍ NGHIỆM MÔ PHỎNG A 1 → 3

Hình A1 - Sơ đồ mô phỏng bộ nghịch lưu 3 pha 2 bậc

Hình A2 - Kỹ thuật sóng mang

Trang 8

1.03 1.04 1.05 1.06 1.07 1.08 1.09 1.1 1.11 1.12 -3000

Trang 9

1.03 1.04 1.05 1.06 1.07 1.08 1.09 1.1 1.11 1.12 -3000

Trang 10

1.03 1.04 1.05 1.06 1.07 1.08 1.09 1.1 1.11 1.12 -3000

Trang 11

1.03 1.04 1.05 1.06 1.07 1.08 1.09 1.1 1.11 1.12 -3000

Trang 12

1.03 1.04 1.05 1.06 1.07 1.08 1.09 1.1 1.11 1.12 -3000

Trang 13

13

A fo=50Hz, fsw=900Hz, m=0.7,

Ts=1.11ms

Phổ biên độ sóng hài dòng tải

Phổ biên độ sóng hài áp tải

Phổ biên độ sóng hài áp dây nghịch lưu

B fo=50Hz, fsw=900Hz, m=0.5, Ts=1.11ms

Trang 14

14

C fo=50Hz, fsw=900Hz, m=0.2,

Ts=1.11ms

D fo=30Hz, fsw=900Hz, m=0.9, Ts=1.11ms

Trang 15

15

E fo=10Hz, fsw=900Hz, m=0.9,

Ts=1.11ms

Trang 16

16

BÁO CÁO KẾT QUẢ PHẦN B KỸ THUẬT ĐIỀU CHẾ PWM BIẾN TẦN 5 BẬC DẠNG CASCADE H - BRIDGE

Trang 17

17

THÍ NGHIỆM MÔ PHỎNG B 1 → 5

Sơ đồ mô phỏng bộ biến tần dạng H-bridge cascade 5 bậc

Bảng 1 – Trạng thái áp/ Trạng thái đóng ngắt 1 pha

Từ công thức : = × ( - + - ) Ta có bảng chuyển đổi trạng thái sau

Bảng 2 – Kết quả

Mức điện áp

nghịch lưu Các trạng thái đóng ngắt tương ứng Trạng thái đóng ngắt của các cặp linh kiện = (s11,s21,s31,s41) Ghi chú

-(0, , 0, 0) (0, , , ) (0, 0, 0, ) ( , , 0, )

s11 = Off, s21 = On, s31 = Off, s41 = Off s11 = Off, s21 = On, s31 = On, s41 = On s11 = Off, s21 = Off, s31 = Off, s41 = On s11 = On, s21 = On, s31 = Off, s41 = On

× 4

0

(0, 0, 0, 0) ( , , 0,0) (0, 0, , ) ( , , , ) (0, , , 0) ( , 0, 0, )

s11 = Off, s21 = Off, s31 = Off, s41 = Off s11 = On, s21 = On, s31 = Off, s41 = Off s11 = Off, s21 = Off, s31 = On, s41 = On s11 = On, s21 = On, s31 = On, s41 = On s11 = Off, s21 = On, s31 = On, s41 = Off s11 = On, s21 = Off, s31 = Off, s41 = On

× 6

( , 0, 0, 0) ( , 0, , ) (0, 0, , 0) ( , , , 0)

s11 = On, s21 = Off, s31 = Off, s41 = Off s11 = On, s21 = Off, s31 = On, s41 = On s11 = Off, s21 = Off, s31 = On, s41 = Off s11 = On, s21 = On, s31 = On, s41 = Off

× 4

Phạm vi thay đổi của Hai trạng thái tích cực được

chọn (, , ,),(,,,)

Hàm áp điều khiển của

Trang 18

1.03 1.04 1.05 1.06 1.07 1.08 1.09 1.1 1.11 1.12 -3000

Trang 19

1.03 1.04 1.05 1.06 1.07 1.08 1.09 1.1 1.11 1.12 -3000

Trang 20

1.03 1.04 1.05 1.06 1.07 1.08 1.09 1.1 1.11 1.12 -3000

Trang 21

1.03 1.04 1.05 1.06 1.07 1.08 1.09 1.1 1.11 1.12 -3000

Trang 22

22

THÍ NGHIỆM MÔ PHỎNG B 6

Phổ biên độ sóng hài áp H-bridge

Phổ biên độ sóng hài áp pha tâm nguồn

Trang 23

23

THÍ NGHIỆM MÔ PHỎNG B 7

Phổ biên độ sóng hài áp H-bridge

Trang 24

24

BÁO CÁO KẾT QUẢ PHẦN C KỸ THUẬT ĐIỀU CHẾ PWM BIẾN TẦN 4 BẬC DẠNG MULTILEVEL DIODE CLAMPED

Trang 25

25

THÍ NGHIỆM MÔ PHỎNG C 1 → 2

Sơ đồ mô phỏng bộ biến tần dạng Multilevel Diode Clamped 4 bậc

Từ công thức : = × ( + + ) Ta có bảng chuyển đổi trạng thái sau

Bảng 1 – Trạng thái áp/ Trạng thái đóng ngắt 1 pha

Phạm vi thay đổi

của

Hai trạng thái tích cực được chọn (, , ,),(,,,)

Hàm áp điều khiển của các cặp linh kiện j

(0, 0, )

Trang 26

1.03 1.04 1.05 1.06 1.07 1.08 1.09 1.1 1.11 1.12 -1

Trang 27

1.03 1.04 1.05 1.06 1.07 1.08 1.09 1.1 1.11 1.12 -1000

Trang 28

1.04 1.05 1.06 1.07 1.08 1.09 1.1 1.11 1.12 0

Trang 29

1.03 1.04 1.05 1.06 1.07 1.08 1.09 1.1 1.11 1.12 -3000

Trang 30

1.03 1.04 1.05 1.06 1.07 1.08 1.09 1.1 1.11 1.12 2000

Trang 31

1.040 1.05 1.06 1.07 1.08 1.09 1.1 1.11 1.12 0.2

Trang 32

1.03 1.04 1.05 1.06 1.07 1.08 1.09 1.1 1.11 1.12 -1

Trang 33

1.03 1.04 1.05 1.06 1.07 1.08 1.09 1.1 1.11 1.12 -1000

Trang 34

1.04 1.05 1.06 1.07 1.08 1.09 1.1 1.11 1.12 0

Trang 35

1.03 1.04 1.05 1.06 1.07 1.08 1.09 1.1 1.11 1.12 -3000

Trang 36

1.03 1.04 1.05 1.06 1.07 1.08 1.09 1.1 1.11 1.12 2000

Trang 37

1.040 1.05 1.06 1.07 1.08 1.09 1.1 1.11 1.12 0.2

Trang 38

fo=20Hz, fsw=900Hz, m=0.3, Ts=1.11ms

Trang 39

39

THÍ NGHIỆM MÔ PHỎNG C 4

KỸ THUẬT SVPWM

fo=50Hz, fsw=900Hz, m=0.9, Ts=1.11ms

fo=20Hz, fsw=900Hz, m=0.3, Ts=1.11ms

Định dạng
Số trang	39
Dung lượng	4,48 MB