Điều khiển cân bằng điện áp tụ trong nghịch lưu 3 pha 4 nhánh npc, ứng dụng trong điều khiển bộ nguồn hiện đại

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SỸ ĐIỀU KHIỂN CÂN BẰNG ĐIỆN ÁP TỤ TRONG NGHỊCH LƯU 3 PHA 4 NHÁNH NPC, ỨNG DỤNG ĐIỀU KHIỂN BỘ NGUỒN HIỆN ĐẠI + Thiết kế hệ thống cân bằng điện áp tụ trong nghịch lư

Trang 1

-

NGUYỄN MINH CHÁNH

ĐIỀU KHIỂN CÂN BẰNG ĐIỆN ÁP TỤ TRONG NGHỊCH LƯU 3 PHA 4 NHÁNH NPC , ỨNG DỤNG TRONG ĐIỀU KHIỂN BỘ NGUỒN HIỆN ĐẠI

Mã số: 605260

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP HỒ CHÍ MINH, tháng 12 năm 2014

Trang 2

Cán bộ hướng dẫn khoa học : PGS TS Nguyễn Văn Nhờ

Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:

1 Chủ tịch: TS Nguyễn Đức Thành …

3 Phản biện 1: PGS.TS Lê Minh Phương……

4 Phản biện 2: TS Võ Công Phương…………

5 Ủy viên: PGS.TS Huỳnh Thái Hoàng……

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)

Trang 3

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SỸ

ĐIỀU KHIỂN CÂN BẰNG ĐIỆN ÁP TỤ TRONG NGHỊCH LƯU 3 PHA 4 NHÁNH NPC, ỨNG DỤNG ĐIỀU KHIỂN BỘ NGUỒN HIỆN ĐẠI

+ Thiết kế hệ thống cân bằng điện áp tụ trong nghịch lưu 3 pha 4 dây NPC sử dụng cấu trúc nghịch lưu đa bậc Nhờ đó tạo được chất lượng ngõ ra tốt, giảm được tổn hao đóng ngắt so với các mô hình khác

+ Giải quyết các vấn đề liên quan khi sử dụng cấu trúc nghịch lưu đa bậc: Vấn đề cân bằng điện áp trên các tụ trong cấu trúc nghịch lưu đa bậc NPC với tải 3 pha không cân bằng bất kì

+ Nâng cao giải thuật trong việc tối ưu đóng ngắt trong các trường hợp như: Cân bằng tuyệt đối điện áp tụ, tối ưu tổn hao đóng ngắt trên linh kiện…

+ Sử dụng phần mềm Matlab/Simulink để mô phỏng kiểm chứng các giải thuật đã được lựa chọn

+ Thiết kế mô hình thực nghiệm Giải quyết các vấn đề trong thiết kế hệ thống cân bằng điện áp tụ trong bộ nghịch lưu: Đáp ứng của linh kiện bán dẫn sử dụng trong mô hình, đáp ứng của các mạch điện tử khi làm

Trang 4

tiếp ngắn (chu kì lấy mẫu ngắn)

+ Thử nghiệm mô hình với các giải thuật điều khiển ổn định đã xây dựng Giải quyết các vần đề liên quan phát sinh trong quá trình thử nghiệm

+ Trên cơ sở so sánh giữa kết quả mô phỏng và thực nghiệm thu được, đánh giá tính hiệu quả và độ chính xác của việc điều khiển cân bằng áp

tụ trong bộ nghịch lưu NPC từ đó ứng dụng các giải thuật điều khiển vào

bộ nghịch lưu có cấu trúc nghịch lưu đa bậc

+ Xây dựng lý thuyết điều khiển nguồn bằng phương pháp khuếch đại cộng hưởng ( proportional control ) và các giải pháp nhằm làm tăng chát lượng ngõ ra, giảm các sóng hài bậc cao

+ Thiết kế mô hình thực nghiệm bộ nguồn tần số sử dụng giải thuật P_resonant control Giải quyết các vấn đề trong thiết kế bộ nguồn tần số, như đáp ứng của linh kiện bán dẫn sử dụng trong mô hình, đáp ứng của các mạch điện tử khi làm việc ở tần số cao, thời gian cho phép tính toán

và cập nhật các giá trị hồi tiếp ngắn (chu kì lấy mẫu ngắn)

Trang 5

IV Ngày hoàn thành nhiệm vụ:21/11/2014

KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

Trang 6

1

LỜI CẢM ƠN

Đầu tiên, em xin gửi đến PGS TS Nguyễn Văn Nhờ lời cảm ơn sâu sắc Thầy đã dành nhiều thời gian quý báu để hướng dẫn em trong suốt quá trình học tập và nghiên cứu, đã luôn động viên, giúp đỡ và tạo điều kiện để em có thể vượt qua những khoảng thời gian khó khăn nhất và hoàn thành tốt luận văn này

Em cũng xin chân thành cảm ơn tất cả các thầy cô, anh chị, và các bạn cùng công tác và học tập tại Phòng Thí Nghiệm Hệ Thống Năng Lượng (Khoa Điện-Điện Tử - Trường Đại học Bách Khoa Tp HCM), đã giúp đỡ và đồng hành cùng em trong suốt thời gian em học tập và thực hiện luận văn tại đây

Trong suốt thời gian học tập tại trường Đại học Bách Khoa – ĐHQG Tp HCM, em cũng đã được các thầy cô Khoa Điện – Điện tử, đặc biệt là các thầy

cô Bộ môn Điều khiển tự động, giảng dạy, chỉ bảo cho em những bài học và nhiều kiến thức bổ ích Bên cạnh đó, các bạn học cùng lớp cũng đã luôn bên cạnh, giúp đỡ, cùng em hoàn thành tốt chương trình học tập Em xin gửi lời cảm

ơn đến tất cả các thầy cô và các bạn

Sau cùng, nhưng không kém phần quan trọng, con xin cám ơn Cha Mẹ

và các anh chị em trong gia đình đã luôn động viên, giúp đỡ, và tạo điều kiện thuận lợi giúp con vượt qua những khó khăn trong suốt quá trình học tập và nghiên cứu này

Tp Hồ Chí Minh, ngày 22 tháng 11 năm 2014

Nguyễn Minh Chánh

Trang 7

2

TÓM TẮT LUẬN VĂN

Biến tần đa bâ ̣c NPC nói chung và biến tần 3 bậc NPC nói riêng là thiết bi ̣ biến đổi điê ̣n năng có vai trò quan tro ̣ng trong các lĩnh vực ứng du ̣ng khác nhau như biến đổi điê ̣n cơ , giao thông vâ ̣n tải, quản lý chất lượng hệ thống điện , chuyển đổi các da ̣ng năng lượng tái ta ̣o như năng lượng mă ̣t trời, năng lượng gió …

Một thực tế đáng quan tâm là trong quá trình hoa ̣t đô ̣ng , viê ̣c đóng ngắt các khóa bán dẫn của các pha vào mạch DC khác nhau dẫn đến sự na ̣p và xả điê ̣n t ích khác nhau của dòng điện vào các tụ điện mắc phía mạch một chiều đã gây ra sự chênh lê ̣ch điê ̣n áp trên các tu ̣ điê ̣n , hình thành trạng thái không cân bằng điện áp giữa các tu ̣ điện

Với việc cân bằng áp tụ sẽ tạo tiền đề quan trọng cho bộ điều khiển nguồn sử dụng kĩ thuật điều khiển hiện đại Điểm khác biệt đáng lưu ý giữa bộ nguồn sử dụng kĩ thuật điều khiển hiện đại như khuếch đại cộng hưởng (Proportional Resonant Control) là tối ưu trong việc kiểm soát THD của bộ nguồn ở giá trị thấp Trong giới hạn là Luận văn Thạc sĩ, đề tài sẽ tập trung tìm hiểu cấu trúc của mạch nghịch lưu 3 pha 4 dây NPC cũng như các phương pháp điều khiển nó Từ

đó, tìm ra hướng phát triển phù hợp để điều khiển cân bằng điện áp tụ trong mạch nghịch lưu đa bậc 3 pha 4 dây

Đề tài cũng sẽ tập trung nghiên cứu giải thuật điều khiển cho bộ nguồn dựa trên bộ điều khiển khuếch đại cộng hưởng , nhằm tạo được chất lượng điện áp ngõ

ra như mong muốn Các phương pháp nhằm cải thiện, nâng cao chất lượng cân bằng điện áp tụ, điện áp ngõ ra khi sử dụng bộ nghịch lưu đa bậc trong việc thiết kế

bộ nguồn hiện đại cũng được đề cập trong Luận văn

Luận văn sử dụng phần mềm Matlab/Simulink thực hiện các mô hình mô phỏng để kiểm chứng lý thuyết của đề tài

Trang 8

3

Mô hình thực nghiệm được xây dựng sử dụng card điều khiển DSP TMS320F28335 và các cảm biến áp, biến dòng của hãng LEM Linh kiện công suất là các IGBT và mạch lọc LRC , tải thử nghiệm sẽ là tải tuyến tính RL , tải phi tuyến chỉnh lưu cầu 3 pha RL

Trang 10

5

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN 1

TÓM TẮT LUẬN VĂN 2

LỜI CAM KẾT 4

MỤC LỤC 5

DANH MỤC HÌNH ẢNH 8

DANH MỤC BẢNG BIỂU 14

CHƯƠNG 1 : TỔNG QUAN 15

1.1 Đặt vấn đề 15

1.2 Mục tiêu đề tài 18

1.3 Phạm vi đề tài 19

CHƯƠNG 2 CẤU TRÚC MẠCH NGHỊCH LƯU 3 PHA 4 NHÁNH NPC 21

2.1 Cấu trúc mạch nghịch lưu 3 pha 4 nhánh NPC 21

2.2 Mạch công suất 23

2.2.1 Mạch chỉnh lưu 23

2.2.2 Mạch nghịch lưu 24

2.2.3 Bộ lọc 29

2.3 Mô hình hóa bộ nguồn 33

CHƯƠNG 3 PHÂN TÍCH GIẢI THUẬT CÂN BẰNG ĐIỆN ÁP TỤ TRONG MẠCH NGHỊCH LƯU 3 PHA 4 DÂY NPC 34

3.1 Giải tích hàm dòng điện chuyển mạch 2 bậc ( 2 Level ) 34

3.1.1.Giải tích hàm dòng điện vùng 1 (max – min < 1) 35

Trang 11

6

3.1.2.Giải tích hàm dòng điện vùng 2 (max-min>1; mid1-min<1) 38

3.1.3.Giải tích hàm dòng điện vùng 3 (mid1-min>1;mid2-min<1) 42

3.1.4.Giải tích hàm dòng điện vùng 4 (mid2-min>1) 44

3.2 Kĩ thuật lựa chọn hàm offset trong chuyển mạch 2 bậc 45

3.3 Phân tích dòng trung tính và lựa chọn hàm offset trong chuyển mạch 3 bậc ( 3 level ) 49

CHƯƠNG 4 ỨNG DỤNG GIẢI THUẬT CÂN BẰNG TỤ ĐIỀU KHIỂN BỘ NGUỒN HIỆN ĐẠI 56

4.1 Bộ điều khiển Resonant 56

4.1.1 Giới thiệu bộ điều khiển Resonant controller 56

4.1.2 Điều khiển vòng kín một vòng hồi tiếp 62

CHƯƠNG 5 MÔ PHỎNG HỆ THỐNG 78

5.1 Mô phỏng giải thuật cân bằng tụ 78

5.1.1 Giải thuật cân bằng tụ dựa trên chuyển mạch 2 bậc 83

5.1.2 Giải thuật cân bằng tụ dựa trên chuyển mạch 2 bậc giảm tần số đóng ngắt 89 5.1.3 Giải thuật cân bằng tụ dựa trên chuyển mạch 3 bậc dựa theo dòng pha Mid1,Mid2 91

5.1.4 Giải thuật cân bằng tụ dựa trên chuyển mạch 3 bậc dựa theo dòng pha Max,Min 99

5.1.5 Tổng Kết về các giải thuật cân bằng tụ dựa trên chuyển mạch 2 bậc và 3 bậc : 103

5.2 Mô phỏng ứng dụng bộ điều khiển khuếch đại cộng hưởng ( proportional resonant ) trong điều khiển bộ nguồn hiện đại 104

5.2.1 Trường hợp 1 : Tải tuyến tính 3 pha cân bằng 105

Trang 12

7

5.2.2 Trường hợp 2 : Tải tuyến tính 3 pha không cân bằng 108

5.2.3 Trường hợp 3 : Tải phi tuyến : 110

5.2.4 : Kết luận về phạm vi điều khiển khuếch đại cộng hưởng 112

CHƯƠNG 6 THỰC NGHIỆM 114

6.1 Mạch công suất 115

6.1.1 Bộ nghịch lưu 3 pha 4 dây NPC 115

6.1.2 Các mạch phụ trợ (bao gồm cả mạch lọc) 116

6.2 Mạch điều khiển và đo lường 117

6.2.1 Cảm biến dòng áp 118

6.2.2 Mạch lái IGBT& DSP TMS320F28335 119

6.3 Kết quả thực nghiệm 120

6.3.1 Kết quả thực nghiệm cân bằng áp tụ 120

6.3.2 Kết quả thực nghiệm bộ điều khiển Resonant 129

CHƯƠNG 7 KẾT LUẬN 137

7.1 Các kết quả đã đạt được 137

7.2 Hướng phát triển của đề tài 138

TÀI LIỆU THAM KHẢO 139

PHẦN LÝ LỊCH TRÍCH NGANG 141

QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO 141

QUÁ TRÌNH CÔNG TÁC 141

Trang 13

8

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1.1: Nghịch lưu 3 pha 3 nhánh 4 dây 16

Hình 1.2: Nghịch lưu 3 pha 4 nhánh 4 dây 17

Hình 2.1: Cấu trúc tổng quan hệ thống nghịch lưu đa bậc dùng làm bộ nguồn 22

Hình 2.2: Mô hình nghịch lưu 3 pha 4 dây NPC 23

Hình 2.3: Bộ chỉnh lưu cầu 3 pha kết hợp với biến áp 23

Hình 2.4: Cấu trúc mạch nghịch lưu 3 pha 4 dây NPC 24

Hình 2.5: Cấu trúc mạch nghịch NPC 25

Hình 2.6: Phân loại các phương pháp điều khiển bộ nghịch lưu 27

Hình 2.7: Phương pháp sóng mang điều khiển bộ nghịch lưu 3 bậc NPC 28

Hình 2.8: Bộ lọc thông thấp LC 29

Hình 2.9: Mô hình liên tục của bộ nguồn 1 pha 33

Hình 3.1: Mạch nghịch lưu 3 pha 4 dây NPC để giải tích hàm dòng điện 35

Hình 3.2: Giải thuật cân bằng tụ dựa theo phương pháp dòng I NP = 0 46

Hình 3.3: Giải thuật cân bằng tụ dựa theo phương pháp I NP ít bị ảnh hưởng nhất 47 Hình 3.4: Giải thuật cân bằng tụ dựa theo phương pháp giảm tần số đóng ngắt 48

Hình 3.5: Chuyển mạch 3 bậc PWM trong nghịch lưu 3 bậc NPC 50

Hình 3.6: Lưu đồ điều khiển dòng trung tình I NP dựa trên dòng I mid1 và I mid2 53

Hình 3.7: Lưu đồ điều khiển dòng trung tình I NP dựa trên dòng I max và I min 55

Hình 4.1: Phổ tần số của một dạng tín hiệu 56

Hình 4.2: Điều khiển tín hiệu tham chiếu DC và AC 58

Hình 4.3: Giản đổ Bode của điều khiển PI C(s) = 10 + 1/s, và P_resonant C(s) = 1+ 2π50s/(s 2 +(2π50) 2 ) 59

Trang 14

9

Hình 4.4: Kết nối tải 3 pha và hệ thống nguồn 3 pha , 4 dây 61

Hình 4.5: Hệ thống điều khiển vòng kín dùng bộ điều khiền Resonant 62

Hình 4.6: Điều khiển vòng đơn bộ khảo sát trên 1 pha 63

Hình 4.7: Root Locus của hệ thống vòng kín dùng bộ điều khiển Resonant 66

Hình 4.8: Mô hình Matlab bộ điều khiển Resonant vòng đơn 66

Hình 4.9: Tín hiệu đầu vào (màu xanh lá) và điện áp ngõ ra (màu xanh dương) ứng với Krv=50 67

Hình 4.10: Tín hiệu đầu vào (màu xanh lá) và điện áp ngõ ra (màu xanh dương) ứng với K rv =100 67

Hình 4.11: Tín hiệu đầu vào (màu xanh lá) và điện áp ngõ ra (màu xanh dương) ứng với K rv =210 68

Hình 4.12: Root Locus của hệ thống vòng kín dùng PR với Kpv=0.1 70

Hình 4.13: Root Locus của hệ thống vòng kín dùng PR với K pv =0.5 70

Hình 4.14: Root Locus của hệ thống vòng kín dùng bộ điều khiển PR với K pv =2 71

Hình 4.15: Mô hình mô phỏng Matlab bộ điều khiển Resonant có khâu tỉ lệ P 72

Hình 4.16: Tín hiệu đầu vào (màu xanh lá) và điện áp ngõ ra (màu xanh dương) ứng với K pv =0.1 và K rv =100 72

Hình 4.17: Tín hiệu đầu vào (màu xanh lá) và điện áp ngõ ra (màu xanh dương) ứng với Kpv=0.1 và K rv =210 73

Hình 4.18: Tín hiệu đầu vào (màu xanh lá) và điện áp ngõ ra (màu xanh dương) ứng với K pv =0.5 và K rv =50 74

Hình 4.19: Tín hiệu đầu vào (màu xanh lá) và điện áp ngõ ra (màu xanh dương) ứng với K pv =2 và K rv =0 75

Hình 4.20: Biểu đồ Bode của hàm truyền bộ lọc rLC theo Bảng 4.1 76

Trang 15

10

Hình 5.1: Mô phỏng chuyển mạch 2 bậc 3 pha 4 dây NPC 79

Hình 5.2: Mô hình mô phỏng phần công suất trên Matlab/Simulink 80

Hình 5.3: Mô hình 16 IGBT của mạch 3 pha 4 dây NPC 81

Hình 5.4: Mô hình tải của mạch 3 pha 4 dây NPC 82

Hình 5.5: Giải thuật cân bằng tụ dựa trên chuyển mạch 2 bậc_ giải thuật 1 84

Hình 5.6: Điện áp tham chiếu ( hình trên ) và dòng tải ( hình dưới ) 85

Hình 5.7: Điện áp 2 tụ ( hình trên ) và sai lệch điện áp 2 tụ Vc1-Vc2 ( hình dưới ) 85 Hình 5.8: Giá trị dòng trung tính I_NP 86

Hình 5.9: Điện áp nghịch lưu của pha A 86

Hình 5.10: Giá trị hàm offset và giới hạn offset max & offset min 87

Hình 5.11: Điện áp trên 2 tụ Vc1 và Vc2 88

Hình 5.12: Sai lệch điện áp trên 2 tụ Vc1 - Vc2 88

Hình 5.13: Giải thuật cân bằng tụ dựa trên chuyển mạch 2 bậc_ giải thuật 2 89

Hình 5.14: Điện áp nghịch lưu của 1 pha dựa trên giải thuật 1 m =0.5 90

Hình 5.15: Điện áp nghịch lưu của 1 pha dựa trên giải thuật 2 m =0.5 90

Hình 5.16: Giá trị hàm offset khi m =0.3 91

Hình 5.19: Giải thuật cân bằng tụ chuyển mạch 3 bậc dựa vào dòng Imid1,Imid2 92 Hình 5.20: Điện áp tham chiếu ( hình trên ) và dòng tải ( hình dưới ) Khi tỉ số điều chế m = 0.5 93

Hình 5.21: Điện áp trên 2 tụ (hình trên) và sai lệch điện áp trên 2 tụ ( hình dưới ) Khi tỉ số điều chế m = 0.5 93

Trang 16

11

Hình 5.22: Áp nghịch lưu của 4 pha Max,Mid1,Mid2,Min 94

Hình 5.23: Dòng trung tính Inp 94

Hình 5.24: Điện áp tham chiếu ( hình trên ) và dòng tải ( hình dưới ) Khi tỉ số điều chế m = 0.8 95

Hình 5.28: Điện áp tham chiếu ( hình trên ) và dòng tải ( hình dưới ) Khi tỉ số điều chế m = 1 97

Hình 5.29: Điện áp trên 2 tụ (hình trên) và sai lệch điện áp trên 2 tụ ( hình dưới ) Khi tỉ số điều chế m = 1 98

Hình 5.31: Điện áp pha A sau khi cộng hàm offset 99

Hình 5.34: Điện áp trên 2 tụ (hình trên) và sai lệch điện áp trên 2 tụ ( hình dưới ) Khi tỉ số điều chế m = 1 101

Hình 5.35: Điện áp pha A sau khi cộng hàm offset 102

Hình 5.37: Mạch nghịch lưu 3 pha 4 dây NPC 104

Hình 5.38: Sơ đồ khối mô phỏng của matlab 105

Trang 17

12

Hình 5.39: Điện áp tải 3 pha 106

Hình 5.40: Điện áp tải pha A tham chiếu ( xanh dương ) – thực tế ( xanh lá cây )

106

Hình 5.41: THD Điện áp tải pha A 107

Hình 5.42: Điện áp 2 tụ ( hình trên ) và sai lệch điện áp 2 tụ ( hình dưới ) 107

Hình 5.43: Dòng tải 3 pha 108

108

110

Hình 6.1: Mô hình thực nghiệm 114

Hình 6.2: Mạch nghịch lưu 3 pha 4 dây NPC sử dụng 16 IGBT 115

Hình 6.3: Mạch tạo điện áp DC Bus 116

Hình 6.4: Mạch lọc RLC của bộ nguồn 117

Hình 6.5: 2 cảm biến áp LV20-P đo điện áp trên 2 tụ 118

Hình 6.6: 4 Cảm biến dòng LA-25NP dòng tải qua mạch lọc 118

Hình 6.7: 3 Cảm biến áp LV20-P đo áp tải ngõ ra 119

Trang 18

13

Hình 6.8: Mạch lái IGBT 16 xung & vi xử lý DSP TMS320F28335 119 Hình 6.9: Sơ đồ mạch thực nghiệm cân bằng điện áp tụ 120 Hình 6.10: Điện áp tụ bị lệch khi chưa thực hiện giải thuật cân bằng 121

Trang 19

14

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 2.1 Trạng thái đóng ngắt của bộ nghịch lưu NPC 3 bậc 25

Bảng 4.1: Thông số tham khảo bộ nguồn 65

Bảng 5.1: Thông số mô hình mô phỏng 78

Bảng 5.2: So sánh các kết quả mô phỏng khi thay đổi tỉ số điều chế 87

Bảng 5.3: So sánh các kết quả mô phỏng chuyển mạch 3 bậc (3 Level) –giải thuật Mid 99

Bảng 5.4: So sánh các kết quả mô phỏng chuyển mạch 3 bậc (3 Level) –giải thuật Max_Min 102

Bảng 5.5: Bảng thông số của mạch lọc 104

Bảng 6.1: Thông số thực nghiệm cân bằng điện áp tụ 120

Bảng 6.2: Sai lệch điện áp tụ (Vdc1,Vdc2) & điện áp nghịch lưu 122

Bảng 6.3: Dòng tải 4 pha R=13.3ohm , Vrms = 15.2 => I = 1.2(A) 123

Bảng 6.5: Dòng tải 4 pha R=13.3ohm , Vrms = 19 => I = 1.42(A) 125

Bảng 6.6: Dòng tải 4 pha R=13.3ohm , Vrms = 25.8 => I = 1.94(A) 127

Bảng 6.7: Tổng kết điện áp sai lệch tụ trong các trường hợp 128

Bảng 6.8: Thông số mô hình chạy thực nghiệm 129

Bảng 6.9: Kết Quả Trường hợp không điều khiển PR – chỉ cân bằng tụ 130

Bảng 6.10: Kết Quả Điều khiển PR – Không Tải ( No Load ) 131

Bảng 6.11: Kết Quả Điều khiển PR – Tải tuyến tính ( Linear Load ) 132

Bảng 6.12: Kết Quả Điều khiển PR – Tải phi tuyến ( NonLinear Load ) 133

Trang 20

15

CHƯƠNG 1 : TỔNG QUAN

1.1 Đặt vấn đề

Biến tần đa bậc NPC đã ra đời từ rất lâu , trải qua nhiều giai đoạn phát triển

và có nhiều ứng dụng trong thực tiển

Hai kỹ thuâ ̣t điều khiển biến tần đa bâ ̣c thường được quan tâm là kỹ thuâ ̣t điều chế vectơ không gian và kỹ thuâ ̣t điều chế sóng mang dựa vào hàm offset

cường tính xác lâ ̣p và các tính chất điê ̣n của thiết bi ̣ như pha ̣m vi điều khiển điê ̣n áp (và dòng điện ) tối đa , khả năng giảm tổn hao nhiệt phát sinh trong thiết bị , khả năng giảm bớt các nhiễu do sóng hài gây ra

Sự mất cân bằng quá mức cho phép của điê ̣n áp gi ữa các tu ̣ đi ện của b ộ nghịch lưu áp có thể gây ra hi ện tượng quá áp trên các linh kiê ̣n công suất và các tu ̣ điện, gây ra các sóng hài bâ ̣c cao ngoài ý muốn ở phía tải như hài bâ ̣c 3,5,7 gây ra các tác hại trực tiếp trên tải động cơ , làm giảm khả năng kiểm soát điện áp nghịch lưu và dòng điê ̣n bù lo ̣c cho ma ̣ch lo ̣c tích cực

Việc duy trì cân bằng điê ̣n áp gi ữa các tu ̣ đi ện sẽ kiểm soát chất lươ ̣ng ngõ vào của bộ nghịch lưu áp đa bậc NPC và đảm bảo chất lượng ngõ ra về độ méo dạng THD, cho phép thiết kế b ộ nghịch lưu áp với dung lượng tu ̣ nhỏ nhất , giảm stress điê ̣n áp cho linh kiê ̣n

Trong hệ thống mạch 3 pha , 4 dây NPC , vấn đề cân bằng áp tụ hiện nay trong nước vẫn chưa có nhiều nguồn thông tin về lĩnh vực này để tiếp cận Bên cạnh đó, trên thế giới các công trình nghiên cứu về đề tài này vẫn đang ở trong quá trình mô phỏng, chưa được thực nghiệm

Trong nhiều bài báo nghiên cứu hệ thống nghịch lưu 3 pha 4 dây, mạch NPC được ứng dụng ở dạng 3 nhánh NPC [4-5], trong đó dây trung tính của tải sẽ mắc vào điểm trung tính NP của bộ nghịch lưu và điều khiển hệ thống được kết hợp với điều khiển cân bằng điện áp tụ như (hình 1.1) Giải pháp này có ưu điểm là giảm

Trang 21

16

bớt 1 nhánh NPC Tuy nhiên, các kết quả nghiên cứu cho thấy, do không kiểm soát nhánh thứ 4 nên chất lượng của cấu trúc này bị hạn chế, đặc biệt cho các ứng dụng

có kiểm soát dòng điện nhánh thứ 4

Hình 1.1: Nghịch lưu 3 pha 3 nhánh 4 dây

Hệ thống 3 pha, 4 dây 4 nhánh (hình 1.2) cho phép khắc phục được các nhược điểm trên và đã được phát triển cho hệ thống nghịch lưu 4 nhánh 3 bậc [6]-[8] Để

có thể tận dụng ưu điểm của hệ thống nghịch lưu 4 nhánh cho trường hợp nghịch lưu 3 bậc NPC cần phải giải quyết bài toán cân bằng điện áp các tụ DC

Hiện nay, chưa có nhiều công bố về việc giải quyết này

Nghiên cứu đề xuất kỹ thuật mới để giải quyết điều khiển nghịch lưu áp 3 pha

4 dây 4 nhánh dạng NPC có điều khiển cân bằng điện áp các tụ

Trang 22

Hình 1.2: Nghịch lưu 3 pha 4 nhánh 4 dây

Phương pháp mới giúp kiểm soát cân bằng điê ̣n áp gi ữa 2 tụ điện trong ma ̣ch một chiều của bộ nghịch lưu áp 3 bậc NPC s ử dụng nguyên lý phân ly hàm offset ,

đó là kỹ thu ật chuyển mạch 2 bậc (two-level modulation), chuyển mạch 3 bậc (three-level modulation) để đạt dòng trung tính yêu cầu (Neutral Point Current) Cấu trúc này thường gặp được xây dựng dựa trên bộ nghịch lưu 3 bậc Cấu trúc này tuy tốn nhiều linh kiện bán dẫn nhưng đòi hỏi tầm chịu đựng của các linh kiện này không cao về dòng và áp, đồng thời tổn hao trong quá trình đóng ngắt không lớn Thiết kế này đòi hỏi một số lượng linh kiện bán dẫn phù hợp, làm tăng

độ tin cậy và ổn định giá thành của thiết kế so với các thiết kế dựa trên nghịch lưu 2 bậc hoặc 5 bậc, 7 bậc

Với những cấu trúc trên, giải thuật điều khiển được lựa chọn thường là các giải thuật giải tích các hàm dòng điện trong các vùng, điều khiển P, PI, Nơron, Mờ… Sai lệch điện áp tụ bằng việc điều khiển các dòng điện chạy qua các pha dựa trên giái tích dòng điện nói trên

Ngoài ra giải thuật còn đề cập đến các vấn đề tối ưu tổn hao đóng ngắt trong linh kiện khi hoạt động ở điện áp lớn và dòng điện cao

Mô hình điều khiển cân bằng điện áp tụ nghịch lưu 3 pha 4 dây NPC với cấu trúc là bộ nghịch lưu đa bậc vẫn chưa được đề cập, nghiên cứu nhiều trong ứng

Trang 23

18

dụng bộ nghịch lưu, dù nghịch lưu đa bậc có nhiều lợi điểm về linh kiện bán dẫn,

ít tổn hao trong quá trình đóng ngắt cũng như khả năng tương tác giữa các thành phần trong mô hình Các giải thuật điều khiển vẫn chưa được áp dụng cho mô hình này

Với các kết quả đạt được sau khi cân bằng điện áp tụ trong nghịch lưu 3 pha

4 nhánh NPC, giải thuật điều khiển bộ nguồn được lựa chọn thường là các giải thuật đơn giản như điều khiển hồi tiếp dòng áp như, điều khiển P, PI Một số nghiên cứu chuyên sâu hơn tập trung vào bộ điều khiển cộng hưởng (resonant controller) như trong [10] [11] [12] Tuy nhiên, việc sử dụng các phương pháp điều khiển này cũng không thể loại bỏ các hạn chế mà việc sử dụng các cấu trúc nghịch lưu nêu trên mắc phải

Vì thế, luận văn sẽ tập trung nghiên cứu cân bằng điện áp tụ trong bộ nghịch lưu 3 bậc – 3pha, 4 dây NPC Từ đó áp dụng cho bộ điều khiển nguồn sử dụng phương pháp khuếch đại công hưởng (Proportional resonant control)

1.2 Mục tiêu đề tài

sử dụng cấu trúc nghịch lưu đa bậc Nhờ đó tạo được chất lượng ngõ ra tốt, giảm được tổn hao đóng ngắt so với các mô hình khác

Vấn đề cân bằng điện áp trên các tụ trong cấu trúc nghịch lưu đa bậc NPC với tải 3 pha không cân bằng bất kì

- Nâng cao giải thuật trong việc tối ưu đóng ngắt trong các trường hợp như: Cân bằng tuyệt đối điện áp tụ, tối ưu tổn hao đóng ngắt trên linh kiện…

thuật đã được lựa chọn

Trang 24

Giải quyết các vần đề liên quan phát sinh trong quá trình thử nghiệm

- Trên cơ sở so sánh giữa kết quả mô phỏng và thực nghiệm thu được, đánh giá tính hiệu quả và độ chính xác của việc điều khiển cân bằng áp tụ trong

bộ nghịch lưu NPC từ đó ứng dụng các giải thuật điều khiển vào bộ nghịch lưu

có cấu trúc nghịch lưu đa bậc

- Thiết kế mô hình thực nghiệm bộ nguồn tần số sử dụng giải thuật P_resonant control Giải quyết các vấn đề trong thiết kế bộ nguồn tần số, như đáp ứng của linh kiện bán dẫn sử dụng trong mô hình, đáp ứng của các mạch điện tử khi làm việc ở tần số cao, thời gian cho phép tính toán và cập nhật các giá trị hồi tiếp ngắn (chu kì lấy mẫu ngắn)

1.3 Phạm vi đề tài

khiển cân bằng điện áp tụ với tải bất kỉ

lưu để có được điện áp ngõ ra True-Sine

- Xây dựng giải thuật điều khiển bộ nguồn 50hz dựa trên bộ điều khiển khuếch đại – cộng hưởng (Proportional Resonant Controller)

sử dụng phần mềm Matlab/Simulink của MathWorks

- Mô phỏng bộ nguồn 50hz với các giải thuật điều khiển đã xây dựng, sử dụng phần mềm Matlab/Simulink của MathWorks

Trang 25

kết quả thu được, từ đó rút ra các kết luận, ưu nhược điểm và hướng phát triển của đề tài

Trang 26

21

CHƯƠNG 2 CẤU TRÚC MẠCH NGHỊCH LƯU 3 PHA 4 NHÁNH NPC

Mô hình cấu trúc chung của một bộ nghịch lưu được cho trong Hình 2.1 Điện áp nguồn lưới sẽ có thể được đưa qua biến áp để giảm/ tăng đến điện áp mong muốn và sau đó được đưa qua bộ chỉnh lưu diode để biến thành điện áp DC

và nạp cho tụ điện Điện áp DC này được cung cấp cho bộ nghịch lưu Tùy thuộc vào cấu trúc của bộ nghịch lưu mà cấu trúc của hệ thống tụ DC có thể khác nhau

Bộ nghịch lưu (thường sử dụng IGBT) sẽ nghịch lưu điện áp DC thành điện áp AC tần số mong muốn Mức điện áp AC sau nghịch lưu tùy thuộc vào cấu trúc của hệ thống biến áp và mạch lọc ngõ ra, cũng như tùy thuộc vào lựa chọn của nhà sản xuất Hệ thống biến áp đóng vai trò trung gian, vừa để kết nối các điện áp 1 pha riêng biệt sau bộ nghịch lưu thành hệ thống điện áp 3 pha, vừa giúp thay đổi giá trị điện áp sau bộ nghịch lưu thành mức điện áp ngõ ra mong muốn Sau đó, điện áp ngõ ra được lọc thông qua bộ lọc thông thấp C hoặc L-C

Trang 27

22

Hình 2.1: Cấu trúc tổng quan hệ thống nghịch lưu đa bậc dùng làm bộ nguồn

Luận văn nghiên cứu tập trung vào các giải thuật cân bằng điện áp tụ DC của mạch nghịch lưu NPC 3 pha 4 dây , từ đó đề xuất giải pháp điều khiển bộ nguồn hiện đại trong đó điện áp tụ VDC được cung cấp bởi mạch chỉnh lưu cầu diode 3 pha

-

-LoadZ

iob

LoadZ

ioc

Trang 28

tụ điện ngõ ra mà độ gợn sóng của điện áp trên tụ thay đổi Để giảm bớt độ gợn của điện áp DC trên tụ, ta có thể tăng giá trị của tụ điện Tuy nhiên, trong phạm vi luận văn này, mục đích cân bằng tụ bằng các giải thuật khác nhau nên giá trị tụ điện sẽ được lựa chọn dể thể hiện rõ vai trò của giải thuật cân bằng trong điều khiện giá tri

tụ nhỏ Ngoài ra, để giảm độ gợn sóng của điện áp DC, ta có thể sử dụng bộ chỉnh lưu cầu diode 3 pha

Hình 2.3: Bộ chỉnh lưu cầu 3 pha kết hợp với biến áp

Trang 29

Cấu trúc mạch mạch nghịch lưu được sử dụng trong luận văn

-

-LoadZ

iob

LoadZ

ioc

Trang 30

25

Xét pha A của bộ nghịch lưu áp 3 bậc dạng diode kẹp Gọi Udc là độ lớn điện

áp trên mỗi nguồn riêng lẻ phụ thuộc vào độ lớn điện áp pha Các linh kiện kẹp giữa các cặp diode nối đến điện thế trên mạch DC cần thiết lập sẽ ở trạng thái kích Điện áp pha tâm nguồn DC đạt được các giá trị cho bảng sau

Trang 31

Về cơ bản, các phương án đó có thể được chia làm 2 loại:

+ Điều chế sóng đơn cực (single polar modulation)

+ Điều chế sóng lưỡng cực (dual polar modulation)

Thông thường, các bộ nghịch lưu dùng cấu hình full-bridge được điều khiển bằng phương pháp điều chế đơn cực So với phương pháp điều chế SPWM lưỡng cực, thì điều chế đơn cực sẽ giảm được hiện tượng méo dạng và giảm tổn hao trên

bộ lọc LC ngõ ra

Ưu điểm của bộ nghịch lưu cấu hình full-bridge là:

+ Thiết kế đơn giản, dễ dàng thi công

+ Số lượng linh kiện ít nên mang tính kinh tế cao

+ Dễ điều khiển cũng như kiểm soát quá trình vận hành

Tuy nhiên bên cạnh đó, việc số lượng bậc của bộ nghịch lưu thấp làm cho các linh kiện bán dẫn phải có định mức chịu đựng cao, và tổn hao trong quá trình đóng ngắt lớn do quá trình chuyển trạng thái diễn ra giữa các mức điện áp lớn

Các phương pháp điều khiển cho biến tần đa bậc được chia làm 2 loại chính: Điều khiển đóng ngắt khóa với tần số thấp và điều khiển đóng ngắt khóa với tần số cao

Trang 32

27

Các phương pháp điều khiển biến tần đa bậc

Phương pháp

điều rộng

Điều khiển Vector Không gian SHE-PWM

Phương pháp điều biên Six-step

Carrier PWM

+ Điều khiển đóng ngắt khoá với tần số thấp Bao gồm:

- Phương pháp điều biên

- Phương pháp điều chế độ rộng xung tối ưu SHE (Selective harmonics elimination)

- Phương pháp điều biên six-step áp dụng cho NPC và cascade multilevel inverter Cần nguồn DC điều khiển được để thay đổi biên

độ

+ Điều khiển đóng ngắt khoá ở tần số cao:

- Điều chế độ rộng xung dựa vào sóng mang (carrier based PWM) bao gồm SinPWM, modified SinPWM như SFO PWM, …

- Điều chế độ rộng xung theo vector không gian- space vector modulation

Trong phạm vi đề tài này, bộ nghịch lưu 3 pha 4 nhánh NPC được điều khiển

bằng phương pháp điều rộng xung dựa vào sóng mang

Mô hình nghịch lưu này được điều khiển bằng phương pháp sóng mang Tín hiệu điều chế Um được so sánh với 2 sóng mang dạng tam giác C1 và C2 như trong

Trang 33

28

Hình 2.7 để tạo ra tín hiệu điều khiển mong muốn S1 và S2 cho các khóa bán dẫn T1

và T2 cũng như tín hiệu điều khiển cho các khóa đối nghịch tương ứng Quy tắc đóng ngắt cho S1 và S2 như sau:

1 1

2

1 if S

Việc sử dụng bộ nghịch lưu đa bậc mang lại nhiều ưu điểm so với việc sử dụng mạch nghịch lưu 2 bậc trong các bộ nguồn tần số như các nghiên cứu trước đây Khi sử dụng nghịch lưu đa bậc, công suất của bộ nghịch lưu có thể được đẩy lên khá cao, thích hợp cho các bộ nguồn công suất cao Tổn hao trong quá trình đóng ngắt cũng giảm so với tổn hao khi sử dụng bộ nghịch lưu 2 bậc Việc kiểm soát nhiễu hài cũng như EMI cũng khả thi hơn Ngoài ra, khi sử dụng bộ nghịch lưu đa bậc, ta còn có thể giảm được stress trên linh kiện Tuy nhiên, trong quá trình

Trang 34

29

vận hành, việc nạp xả không đồng đều của các tụ điện dẫn đến sai lệch giá trị điện

áp trên các tụ DC, kéo theo sự méo dạng của điện áp ngõ ra, gây nên các thành phần sóng hài làm ảnh hưởng xấu đến chất lượng của điện áp đầu ra Vì thế, việc điều khiển cân bằng điện áp trên các tụ DC cần được quan tâm khắc phục để nâng cao chất lượng điện áp nghịch lưu

2.2.3 Bộ lọc

Như ta đã biết, điện áp ngõ ra của bộ nghịch lưu có dạng xung PWM Mặc dù

có giá trị trung bình tương đương giá trị của điện áp hình Sine, nhưng điện áp này không thể được sử dụng để làm nguồn điện cung cấp cho các thiết bị do chứa các thành phần hài bậc cao sinh ra trong quá trình điều chế Do đó, một bộ lọc công suất được sử dụng để loại bỏ các thành phần sóng hài bậc cao này Đây được coi là

bộ lọc ngõ ra của inverter Nó chính là một bộ lọc thông thấp với tần số cắt nằm giữa tần số cơ bản của điện áp ngõ ra và tần số đóng ngắt của linh kiện trong quá

trình điều chế điện áp của inverter

Trang 35

1 p

m

Q H

Trang 36

2 2

1

2 2

21

Trang 37

Thêm nữa, giá trị của r, L cũng quyết định sụt áp trên bộ lọc trong quá trình hoạt động, vì khi dòng tải tăng lên, sụt áp trên r, L do đó cũng tăng theo và ảnh hưởng không nhỏ đến hoạt động của hệ thống

Khi đó, điện áp ngõ ra của bộ nghịch lưu phải tăng lên một lượng đáng kể để

có thể duy trì điện áp mong muốn tại ngõ ra của bộ lọc (điện áp tải)

Tham khảo các bộ lọc được sử dụng trong các nghiên cứu trước đây, giá trị r,

L, C được sử dụng là: r = 0.2 Ohm, L=1.5mH, và C=50uF Một thông số bộ lọc khác là: r=0.2 Ohm, L=0.75mH và C=100uF So sánh giá trị của các bộ lọc này, ta thấy tích số LC không đổi Điều này đồng nghĩa với việc tần số dao động tự nhiên của cả 2 bộ lọc là bằng nhau Do giá trị r thay đổi tỉ lệ thuận với L, còn C thay đổi

tỉ nghịch với L nên hệ số Q cũng không đổi Do đó tần số cắt của cả 2 bộ lọc cũng bằng nhau Điều này nhấn mạnh tần số cắt của cả 2 bộ lọc và giá trị tích số LC Tuy nhiên, do giá trị r, L, C khác nhau nên tổng trở của các bộ lọc cũng khác nhau Như vậy ta có thể thấy, với tần số cắt và hệ số chất lượng không đổi, khi tăng giá trị cảm kháng L và giảm giá trị tụ điện C, tổng trở của bộ lọc sẽ tăng lên Điều này sẽ hạn chế dòng điện qua bộ lọc, làm giảm dòng điện tổn hao không tải trên bộ lọc Tuy nhiên, khi tăng giá trị cảm kháng L và điện trở r thì độ sụt áp trên bộ lọc khi có dòng tải sẽ nhiều hơn

Trang 38

33

Như vậy, nếu lựa chon tần số cắt wc và hệ số chất lượng giống 2 bộ lọc trên thì việc lựa chọn các giá trị r, L, C cũng đòi hỏi phải cân nhắc giữa giá trị tổn hao dòng không tải và sụt áp khi có tải

2.3 Mô hình hóa bộ nguồn

Trong giới hạn luận văn, các khảo sát và tính toán được thực hiện trên mô hình bộ nguồn 3 pha 50Hz Hình 2.8 mô tả cấu trúc bộ nghịch lưu và bộ lọc của bộ nguồn 1 pha Trong đó L, C và io lần lượt là cảm kháng bộ lọc, tụ lọc và dòng điện tải Điện trở tương đương của cuộn cảm được kí hiệu là r, và bỏ qua điện trở tương đương kí sinh của tụ lọc

Vì bộ lọc ngõ ra đã lọc tín hiệu điện áp dạng xung sau bộ nghịch lưu, chỉ để lại các thành phần tần số thấp xung quanh tần số cơ bản, nên khi mô hình hóa bộ nguồn hiện đại, ta có thể bỏ qua bộ nghịch lưu mà chỉ cần mô hình hóa bộ lọc ngõ

ra Khi đó, mô hình liên tục dùng để phân tích bộ nguồn hiện đại được trình bày trong hình 2.9

1 L.s+r

1 C.s

Phương trình trạng thái của bộ lọc ngõ ra (và coi như là phương trình trạng thái của bộ nguồn 1 pha ) được thể hiện trong công thức (2.14) như sau:

Trang 39

34

CHƯƠNG 3 PHÂN TÍCH GIẢI THUẬT CÂN BẰNG ĐIỆN ÁP TỤ TRONG MẠCH NGHỊCH LƯU 3 PHA 4 DÂY NPC

3.1 Giải tích hàm dòng điện chuyển mạch 2 bậc ( 2 Level )

Các giá trị điện áp tham chiếu được qui đổi sang đơn vị Từ đó, giá trị điện áp

sẽ nằm trong phạm vi các biên từ 0 cho đến 2 của các tín hiệu sóng mang Giá trị điện áp thấp nhất là zero (0), tương ứng vị trí (-1) trên sơ đồ hình 3.1 Giá trị điện

áp tại điểm NP (điểm 0) tương ứng mức áp 1, và giá trị điện áp cao nhất là 2, tương ứng vị trí (1)

Định nghĩa các giá trị Max, Mid1, Mid2, Min là 4 thành phần điện áp cơ bản (ví dụ dạng sin) được tạo bởi 4 nhánh nghịch lưu pha được sắp xếp theo giá trị từ lớn đến nhỏ [9] Tương ứng các mức áp trên là các giá trị dòng điện là imax , imid1, imid2, imin Các điện áp cơ bản được cộng thêm hàm offset để tạo nên áp điều khiển cho 4 nhánh nghịch lưu Giá trị offset định dạng 0, được định nghĩa là

thành phần cơ bản của offset Giá trị offset cục bộ  , được định nghĩa là thành 0

phần hiệu chỉnh của offset 0 offset định dạng sẽ được thêm vào các điện áp tham chiếu, dòng i NP trong quá trình đóng ngắt sẽ phụ thuộc vào offset cục bộ  , 0

được thay đổi từ minimum zero offset cục bộ đến maximum offset cục bộ, tương ứng với hai giá trị i NP1,i NP2

Các mức áp điều khiển nghịch lưu 4 nhánh (tức thành phần cơ bản có cộng thêm offset) Tổ hợp các tình huống của chúng có thể phân tích theo 4 vùng như sau:

Trang 40

Hình 3.1: Mạch nghịch lưu 3 pha 4 dây NPC để giải tích hàm dòng điện

3.1.1.Giải tích hàm dòng điện vùng 1 (max – min < 1)

3.1.1.1 Nghịch lưu có hàm offset định dạng:  0 min,

giới hạn hàm offset cục bộ 0 min  , 0 0 max 1 min max ,

1

NP

i là dòng trung tính ứng với 00 min

Định dạng
Số trang	146
Dung lượng	7,45 MB