Mục tiêu nghiên cứu
Xây dựng mô hình hóa cho bộ nghịch lưu áp 3 pha 2 bậc
Xây dựng file mô phỏng cho bộ nghịch lưu áp 3 pha 2 bậc
Xây dựng chương trình nhúng với mô hình thực
3 Tính mới và sáng tạo:
- Xây dựng phương trình toán, mô hình toán, luật điều khiển cho bộ nghịch lưu áp 3 pha 2 bậc
- Luật điều khiển hiện đại
- Ứng dụng DSP điều khiển cho bộ nghịch lưu áp 3 pha 2 bậc điều khiển động cơ 3 pha không đồng bộ, tải đèn
- Xây dựng phương trình toán, mô hình toán, luật điều khiển cho bộ nghịch lưu áp 3 pha 2 bậc
- Xây dựng file mô phỏng hệ thống cho bộ nghịch lưu áp 3 pha 2 bậc theo cơ sở lý thuyết
01 file mô phỏng cho bộ nghịch lưu áp 3 pha 2 bậc
6 Hiệu quả, phương thức chuyển giao kết quả nghiên cứu và khả năng áp dụng:
- Cơ sở lý thuyết cho giảng dạy và nghiên cứu
- Ứng dụng kết quả mô phỏng nhúng vào mô hình thực thông qua card DSP
Project title: Three phase Inverters two level controlled by card DSP F28335
Coordinator: Master DO DUC TRI
Implementing institution: Ho Chi Minh City University of Technical Education
- ModelingforThree phase Inverters two level
- Making simulationfileforThree phase Inverters two level
- Embedded program simulation for three phase Inverters two level controlled by card DSP F28335
- Modeling, contructing mathematical model, DSPcontrol forthree phase Inverters two level
- Applicatingthree phase Inverters two level controlled forthree phase motorsasynchronous
- Modeling, Contructing mathematical model, Using card DSPcontrol forthree phase Inverters two level
- Making simulation file of three phase Inverters two level
- 01Simulation file of three phase Inverters two level
- 01 CD Simulation file of three phase Inverters two level
6 Effects, transfer alternatives of reserach results and applicability:
- Applicatingthree phase Inverters two level controlled forthree phase motorsasynchronousembedded by DSPcard
Trong những năm gần đây, lĩnh vực Điện-Điện tử đã phát triển mạnh mẽ, góp phần vào sự chuyển biến sâu sắc về lý thuyết và thực tiễn trong khoa học kỹ thuật và công nghệ Người sử dụng có thể lựa chọn mạch điều khiển phù hợp tùy theo nhu cầu và mục đích của mình Trong môi trường giáo dục, việc kết hợp lý thuyết và thực hành là rất quan trọng Tác giả nghiên cứu bộ nghịch lưu áp 3 pha 2 bậc điều khiển cho động cơ 3 pha không đồng bộ, đồng thời mở ra hướng phát triển cho các hệ nghịch lưu đa bậc đang được quan tâm trên thế giới.
Tính cấp thiết, mục đích và nhiệm vụ của đề tài
1 Tính cấp thiết của đề tài:
Trong lĩnh vực kỹ thuật hiện đại, việc chế tạo các bộ nghịch lưu có chất lượng điện áp cao và kích thước nhỏ gọn cho các thiết bị sử dụng điện là rất cần thiết Bên cạnh đó, trong môi trường giáo dục, việc tạo ra mô hình không chỉ cần có cơ sở lý thuyết rõ ràng mà còn phải đảm bảo tính sạch và xanh Dựa trên các lý luận này, tác giả đề xuất nghiên cứu và chế tạo bộ nghịch lưu áp 3 pha 2 bậc điều khiển cho động cơ 3 pha không đồng bộ hoặc các thiết bị khác.
Xây dựng mô hình hóa cho nghịch lưu 3 pha 2 bậc
Xây dựng file mô phỏng cho bộ nghịch lưu áp ba pha hai bậc
Nhúng kết quả mô phỏng cho mô hình nghịch lưu áp 3 pha 2 bậc
3 Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu:
Chọn động cơ 3 pha không đồng bộ và bộ nghịch lưu áp 3 pha 2 bậc để xây dựng mô hình toán học và phương trình liên quan Tiến hành tạo file mô phỏng cho nghịch lưu áp 3 pha 2 bậc, kiểm chứng và đánh giá kết quả mô phỏng Cuối cùng, chế tạo mô hình thực tế và nhúng chương trình mô phỏng vào mô hình này.
4 Ý nghĩa khoa học, thực tiển của đề tài:
Hiện nay, việc phát triển các phòng thực tập điện tử công suất D505 và D506 gặp nhiều khó khăn do mô hình đóng Tuy nhiên, sự phát triển của công nghệ phần mềm và phần cứng cho phép chúng ta điều khiển nhiều đối tượng khác nhau chỉ bằng cách thay đổi thuật toán mà không cần can thiệp vào phần cứng.
8 thay đổi Với nhiệm vụ đặt ra như trên rõ ràng đề tài sẽ bổ xung thêm phương pháp giảng dạy hiện đại, rõ ràng và trực quan
5 Những đóng góp của đề tài: Đề tài có những đóng góp sau:
Xây dựng phương trình toán, mô hình toán theo cơ sở lý thuyết, mô phỏng kiểm chứng cơ sở lý thuyết có đúng hay không
Giải thuật theo hướng điều khiển hiện đại
Dựa trên lý thuyết và mô phỏng, chúng tôi đã chế tạo mô hình thực tế và tích hợp chương trình mô phỏng vào mô hình này Qua đó, chúng tôi tiến hành cải tiến mô hình và chuyển giao công nghệ cho các cơ sở có nhu cầu sử dụng.
6 Cấu trúc của đề tài:
Cấu trúc của đề tài đƣợc mô tả ở phần mục lục
Chương 2 Cơ sở lý thuyết
Chương 3 Nội dung đề tài
I Tình hình nghiên cứu thuộc lĩnh vực của đề tài ở trong và ngoài nước
Trong những thập niên 70-80 của thế kỷ XX, kỹ thuật điện tử chủ yếu được ứng dụng trong các mạch điều khiển, đo lường và bảo vệ trong hệ thống điện công nghiệp, được gọi là điện tử công nghiệp Đến thập niên 90, kỹ thuật này đã phát triển mạnh mẽ, thay thế các khí cụ điện từ trong việc cung cấp nguồn cho phụ tải một và ba pha, cũng như trong việc chế tạo các bộ nguồn công suất lớn Những ưu điểm như kích thước nhỏ gọn, dễ dàng điều khiển, khả năng mở rộng tần số, cùng với sự cải tiến về công suất, điện áp, dòng điện và độ tin cậy đã giúp điện tử công nghiệp ngày càng trở nên phổ biến và hiệu quả hơn.
Ngày nay, sự phát triển nhanh chóng của ngành công nghiệp đòi hỏi các hệ thống truyền động động cơ phải hoạt động hiệu quả và chính xác Hệ thống truyền động đóng vai trò quan trọng trong việc điều khiển các chuyển động phức tạp trong dây chuyền sản xuất Nhờ vào sự tiến bộ của công nghệ bán dẫn, các bộ điều khiển điện tử công suất đã được phát triển để đáp ứng nhu cầu ngày càng cao Một thiết bị quan trọng trong lĩnh vực điều khiển truyền động điện là bộ biến đổi tần số, hay còn gọi là biến tần, giúp cải thiện hiệu suất và linh hoạt trong quá trình điều khiển.
I.1.Nghịch lưu áp ba pha 2 bậc ở nước ngoài:
1.1 Sinusoidal PWM Signal Generation Technique for Three Phase Voltage Source Inverter with Analog Circuit & Simulation of PWM Inverter for Standalone Load & Micro-grid System, Nazmul Islam Raju
1.2 Mathematical Modelling of PV Module With multilevel 3-ỉinverter using SPWM technique for Grid application Lunavath Hemsingh 2013
1.3 Online Harmonic Elimination of SVPWM for Three Phase Inverter and a Systematic Method for Practical Implementation Nisha G K
1.4 Research of Novel Three-phase Inverter and its Modulation Technique, Wang Shuwen, 2006
I.2.Nghiên cứuNghịch lưu áp 3 pha 2 bậc ở Việt Nam:
1.1 Nguyễn Văn Nhờ “Giáo trình điện tử công suất 1” Nha xuất bản Đại học Quốc gia
1.2 Phòng thực tập điện tử công suất, Trường Đại học sư phạm kỹ thuật, TpHCM
CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT CHO BỘ NGHỊCH LƯU ÁP BA
2.1 Mô hình hóa của bộ nghịch lưu áp 3 pha 2 bậc:
Mô hình toán học của bộ nghịch lưu áp 3 pha 2 bậc có điện áp đầu vào là V DC và điện áp đầu ra là V AC ba pha được mô tả chi tiết như sau:
Hình 2.1Mô hình hóa bộ nghịch lưu áp 3 pha 2 bậc Với
V d : Điện áp DC ngõ vào [V]
2.2 Cơ sở lý thuyết và phương trình toán bộ nghịch lưu 3 pha 2 bậc
2.2.1 Phương trình toán bộ nghịch lưu áp 3 pha 2 bậc
Từ mô hình toán điều kiện kích cho các khóa S:
Bảng trạng thái các khóa đƣợc kích ở trạng thái dẫn 180 0 , lệch 60 0
U AB U AC U BC U BA U CA U CB
+Vd +Vd -Vd -Vd -Vd -Vd -Vd -Vd +Vd +Vd +Vd +Vd -Vd -Vd
0 0 -Vd -Vd -Vd -Vd 0 0 +Vd +Vd +Vd +Vd +Vd/3
+Vd/3 +2Vd/3 +2Vd/3 +Vd/3 +Vd/3 -Vd/3 -Vd/3 -2Vd/3 -2Vd/3 -Vd/3 -Vd/3
-2Vd/3 -2Vd/3 -Vd/3 -Vd/3 +Vd/3 +Vd/3 +2Vd/3 +2Vd/3 +Vd/3 +Vd/3 -Vd/3 -Vd/3
+Vd/3 +Vd/3 -Vd/3 -Vd/3 -2Vd/3 -2Vd/3 -Vd/3 -Vd/3 +Vd/3 +Vd/3 +2Vd/3 +2Vd/3
Bảng 1 điện áp ngõ ra của bộ nghịch lưu áp 3 pha 2 bậc
Từ bảng trạng thái ta có thể suy ra các phương trình toán sau:
Hình 2.2 trình bày mô hình toán bộ nghịch lưu áp 3 pha 2 bậc, bao gồm sơ đồ nguyên lý của nghịch lưu áp 3 pha, mô hình tương đương tức thời và mô hình tương đương trung bình.
Hình 2.3: Giản đồ đóng ngắt nghịch lưu áp 3 pha Áp nghịch lưu (inverter leg voltage):
Tức thời: u a0 , u b0 , u c0 Trung bình: U a0 , U b0 , U b0 Áp điều khiển: uđka, u đkb , u đkc Quan hệ áp nghịch lưu trung bình và áp điều khiển:
U c0 = k.u đkc Áp tải (load voltage)
Giả sử tải dạng sao, đối xứng
Hình 2.4: Mô hình tải 3 pha đấu sao Điện áp common mode: 0 0 0 0
Trị trung bình áp tải:
(2.4) Điện áp common mode trung bình: 0 0 0 0
Quan hệ áp tải và áp nghịch lưu: Đặt: u N0 = V 0
Ta có: u j0 = u tj + V 0 (j = a, b, c) (2.6) Trị trung bình:
Hình 2.5: Mô hình áp tức thời và áp trung bình nghịch lưu 3 pha Quan hệ giữa áp điều khiển và áp tải:
Để xác định điện áp điều khiển uđkj (j = a, b, c), cần có thông tin về áp nghịch lưu U j0 Nếu áp tải U tj đã được xác định trước, chỉ cần lựa chọn áp common mode (u N0) phù hợp để xác định Uj0.
Xác định điện áp common mode: Điện áp V 0 có thể chọn bất kỳ giá trị nào trong giới hạn V 0min và V 0max của nó, tức:
Lý luận tương tự cho bộ nghịch lưu áp 1 pha cầu dạng H-bridge, ta suy ra:
Với Max = Max(U ta , U tb , U tc )
Min = Min(U ta , U tb , U tc ) (2.10)
2.2.2 Giải thuật tính toán u đkj khi cho trước áp tải 3 pha
Hình 2.6:Giải thuật tính toán u đkj khi biết áp tải U tj Đây là giải thuật tính áp điều khiển khi biết áp tải
2.2.3 Các phương pháp điều khiển bộ nghịch lưu áp
- Phương pháp điều chế độ rộng xung sin (Sin PWM-sin pulse width modulation)
- Phương pháp điều khiển theo biên độ
- Phương pháp điều chế độ rộng xung (SH-PWM)
- Phương pháp điều chế độ rộng xung cải biến (Modified PWM)
- Phương pháp điều chế vector không gian (SVPWM-space vector pulse width modulation)
Các kỹ thuật điều khiển như điều chế độ rộng xung, điều khiển vector không gian, khử sóng hài tối ưu và điều khiển dòng có thể được áp dụng cho bộ nghịch lưu áp 2 bậc, đồng thời cũng có thể mở rộng ứng dụng cho bộ nghịch lưu áp đa bậc.
Bộ nghịch lưu áp đa bậc chủ yếu được sử dụng cho các tải công suất lớn, do đó việc giảm tần số đóng ngắt và giảm shock điện áp trên linh kiện công suất là rất quan trọng Các chuyên gia trong lĩnh vực này, như được đề cập trong tạp chí IEEE và IEE, nỗ lực duy trì trạng thái cân bằng giữa các nguồn điện áp DC và loại bỏ hiện tượng common-mode voltage, một nguyên nhân gây lão hóa động cơ.
Bộ nguồn điện một chiều thường gặp nhược điểm như sóng hài bậc cao và quá trình chuyển mạch chậm do sử dụng diode, SCR, transistor Để khắc phục những vấn đề này, kỹ thuật điều chế dùng sóng mang (CPWM) đã được nghiên cứu và áp dụng Trong đề tài này, chúng tôi giới thiệu kỹ thuật CPWM chủ yếu được sử dụng để điều khiển bộ nghịch lưu áp 3 pha 3 bậc NPC, thông qua cả mô phỏng và thực nghiệm.
2.2.4 Kỹ thuật điều chế độ rộng xung dùng sóng mang (CPWM)
2.2.4.1 Một số chỉ tiêu đánh giá kỹ thuật PWM của bộ nghịch lưu áp
Chỉ số điều chế (Modulation Index) m được định nghĩa là tỷ số giữa biên độ của thành phần hài cơ bản do phương pháp điều khiển tạo ra và biên độ của thành phần hài cơ bản đạt được trong phương pháp điều khiển sáu bước (six-step).
V dc là tổng điện áp của các nguồn DC Độ méo dạng tổng, hay THD (Total Harmonic Distortion), là chỉ số đánh giá ảnh hưởng của các sóng hài bậc cao (như bậc 2, bậc 3, ) trong nguồn điện.
(2.12) Độ méo dạng trong trường hợp dòng điện không chứa thành phần DC được tính theo hệ thức sau:
I t(j) : trị hiệu dụng sóng hài bậc j, j ≥ 2
I t(1) : trị hiệu dụng thành phần hài cơ bản của dòng điện
I t : trị hiệu dụng của dòng tải
Ý nghĩa khoa học, thực tiển của đề tài
Hiện nay, các phòng thực tập điện tử công suất D505 và D506 đang gặp khó khăn trong việc phát triển các mô hình đóng Công nghệ phần mềm và phần cứng hiện đại cho phép điều khiển nhiều đối tượng khác nhau chỉ bằng cách thay đổi thuật toán mà không cần can thiệp vào phần cứng.
8 thay đổi Với nhiệm vụ đặt ra như trên rõ ràng đề tài sẽ bổ xung thêm phương pháp giảng dạy hiện đại, rõ ràng và trực quan.
Những đóng góp của đề tài
Đề tài có những đóng góp sau:
Xây dựng phương trình toán, mô hình toán theo cơ sở lý thuyết, mô phỏng kiểm chứng cơ sở lý thuyết có đúng hay không
Giải thuật theo hướng điều khiển hiện đại
Dựa trên cơ sở lý thuyết và mô phỏng, chúng tôi đã chế tạo mô hình thực tế và nhúng chương trình mô phỏng vào mô hình đó Qua quá trình này, mô hình được cải tiến và công nghệ sẽ được chuyển giao cho các cơ sở có nhu cầu sử dụng.
Cấu trúc của đề tài
Cấu trúc của đề tài đƣợc mô tả ở phần mục lục
Chương 2 Cơ sở lý thuyết
Chương 3 Nội dung đề tài
TỔNG QUAN I Tình hình nghiên cứu thuộc lĩnh vực của đề tài ở trong và ngoài nước
cơ sở lý thuyết
Cơ sở lý thuyết và phương trình toán bộ nghịch lưu 3 pha 2 bậc
2.2.1 Phương trình toán bộ nghịch lưu áp 3 pha 2 bậc
Từ mô hình toán điều kiện kích cho các khóa S:
Bảng trạng thái các khóa đƣợc kích ở trạng thái dẫn 180 0 , lệch 60 0
U AB U AC U BC U BA U CA U CB
+Vd +Vd -Vd -Vd -Vd -Vd -Vd -Vd +Vd +Vd +Vd +Vd -Vd -Vd
0 0 -Vd -Vd -Vd -Vd 0 0 +Vd +Vd +Vd +Vd +Vd/3
+Vd/3 +2Vd/3 +2Vd/3 +Vd/3 +Vd/3 -Vd/3 -Vd/3 -2Vd/3 -2Vd/3 -Vd/3 -Vd/3
-2Vd/3 -2Vd/3 -Vd/3 -Vd/3 +Vd/3 +Vd/3 +2Vd/3 +2Vd/3 +Vd/3 +Vd/3 -Vd/3 -Vd/3
+Vd/3 +Vd/3 -Vd/3 -Vd/3 -2Vd/3 -2Vd/3 -Vd/3 -Vd/3 +Vd/3 +Vd/3 +2Vd/3 +2Vd/3
Bảng 1 điện áp ngõ ra của bộ nghịch lưu áp 3 pha 2 bậc
Từ bảng trạng thái ta có thể suy ra các phương trình toán sau:
Mô hình toán bộ nghịch lưu áp 3 pha 2 bậc bao gồm ba phần chính: a) sơ đồ nguyên lý nghịch lưu áp 3 pha, b) mô hình tương đương tức thời, và c) mô hình tương đương trung bình Những phần này giúp phân tích và hiểu rõ hơn về hoạt động của nghịch lưu áp trong hệ thống điện.
Hình 2.3: Giản đồ đóng ngắt nghịch lưu áp 3 pha Áp nghịch lưu (inverter leg voltage):
Tức thời: u a0 , u b0 , u c0 Trung bình: U a0 , U b0 , U b0 Áp điều khiển: uđka, u đkb , u đkc Quan hệ áp nghịch lưu trung bình và áp điều khiển:
U c0 = k.u đkc Áp tải (load voltage)
Giả sử tải dạng sao, đối xứng
Hình 2.4: Mô hình tải 3 pha đấu sao Điện áp common mode: 0 0 0 0
Trị trung bình áp tải:
(2.4) Điện áp common mode trung bình: 0 0 0 0
Quan hệ áp tải và áp nghịch lưu: Đặt: u N0 = V 0
Ta có: u j0 = u tj + V 0 (j = a, b, c) (2.6) Trị trung bình:
Hình 2.5: Mô hình áp tức thời và áp trung bình nghịch lưu 3 pha Quan hệ giữa áp điều khiển và áp tải:
Để xác định điện áp điều khiển uđkj (j = a, b, c), cần biết áp nghịch lưu U j0 Nếu áp tải U tj đã được xác định, chỉ cần chọn áp common mode (u N0) thích hợp để xác định U j0.
Xác định điện áp common mode: Điện áp V 0 có thể chọn bất kỳ giá trị nào trong giới hạn V 0min và V 0max của nó, tức:
Lý luận tương tự cho bộ nghịch lưu áp 1 pha cầu dạng H-bridge, ta suy ra:
Với Max = Max(U ta , U tb , U tc )
Min = Min(U ta , U tb , U tc ) (2.10)
2.2.2 Giải thuật tính toán u đkj khi cho trước áp tải 3 pha
Hình 2.6:Giải thuật tính toán u đkj khi biết áp tải U tj Đây là giải thuật tính áp điều khiển khi biết áp tải
2.2.3 Các phương pháp điều khiển bộ nghịch lưu áp
- Phương pháp điều chế độ rộng xung sin (Sin PWM-sin pulse width modulation)
- Phương pháp điều khiển theo biên độ
- Phương pháp điều chế độ rộng xung (SH-PWM)
- Phương pháp điều chế độ rộng xung cải biến (Modified PWM)
- Phương pháp điều chế vector không gian (SVPWM-space vector pulse width modulation)
Các kỹ thuật điều khiển cho bộ nghịch lưu áp 2 bậc bao gồm điều chế độ rộng xung, điều khiển vector không gian, khử sóng hài tối ưu và các kỹ thuật điều khiển dòng Những phương pháp này có thể được áp dụng để điều khiển bộ nghịch lưu áp đa bậc một cách hiệu quả.
Bộ nghịch lưu áp đa bậc chủ yếu hoạt động hiệu quả với các tải công suất lớn, do đó việc giảm tần số đóng ngắt và giảm sốc điện áp trên linh kiện công suất là rất quan trọng Các chuyên gia từ tạp chí IEEE và IEE nhấn mạnh rằng việc duy trì trạng thái cân bằng các nguồn điện áp DC và loại bỏ hiện tượng common-mode voltage là cần thiết, bởi đây là nguyên nhân gây ra hiện tượng lão hóa động cơ.
Bộ nguồn điện một chiều thường gặp nhiều nhược điểm như dòng vào chứa sóng hài bậc cao và quá trình chuyển mạch chậm, thường sử dụng diode, SCR, hoặc transistor Để khắc phục những vấn đề này, kỹ thuật điều chế dùng sóng mang (CPWM) đã được nghiên cứu và áp dụng Bài viết này giới thiệu CPWM như một phương pháp chủ yếu để điều khiển bộ nghịch lưu áp 3 pha 3 bậc NPC, với cả mô phỏng và thực nghiệm.
2.2.4 Kỹ thuật điều chế độ rộng xung dùng sóng mang (CPWM)
2.2.4.1 Một số chỉ tiêu đánh giá kỹ thuật PWM của bộ nghịch lưu áp
Chỉ số điều chế (Modulation Index) m được định nghĩa là tỉ số giữa biên độ của thành phần hài cơ bản do phương pháp điều khiển tạo ra và biên độ của thành phần hài cơ bản đạt được thông qua phương pháp điều khiển sáu bước (six-step).
Với V dc _ tổng điện áp các nguồn DC Độ méo dạng tổng do sóng hài THD (Total Harmonic Distortion) là đại lƣợng dùng để đánh giá tác dụng của các sóng hài bậc cao (2,3…) xuất hiện trong nguồn điện, đƣợc tính theo:
(2.12) Độ méo dạng trong trường hợp dòng điện không chứa thành phần DC được tính theo hệ thức sau:
I t(j) : trị hiệu dụng sóng hài bậc j, j ≥ 2
I t(1) : trị hiệu dụng thành phần hài cơ bản của dòng điện
I t : trị hiệu dụng của dòng tải
Tần số đóng ngắt và công suất tổn hao là hai yếu tố quan trọng trong linh kiện điện tử Công suất tổn hao bao gồm tổn hao khi linh kiện dẫn điện (Pon) và tổn hao động (Pdyn) Khi tần số đóng ngắt tăng, tổn hao công suất động Pdyn cũng tăng theo Tuy nhiên, tần số đóng ngắt không thể tăng một cách tùy ý do một số lý do nhất định.
+ Công suất tổn hao trên linh kiện tăng lên tỉ lệ với tần số đóng ngắt
Linh kiện công suất lớn thường dẫn đến tổn hao công suất cao khi đóng ngắt Do đó, tần số kích đóng của chúng cần được giảm xuống, ví dụ như các linh kiện GTO công suất MW chỉ có thể hoạt động hiệu quả ở tần số khoảng 100Hz.
Các quy định về tương thích điện từ (Electromagnetic Compatibility - EMC) rất nghiêm ngặt đối với các bộ biến đổi công suất hoạt động ở tần số cao hơn 9KHz.
2.2.5 Phương pháp điều chế độ rộng xung Sin dùng sóng mang (Sin PWM)
Phương pháp Subharmonic PWM (SH-PWM), hay còn gọi là Multi carrier based PWM, sử dụng nhiều sóng mang hình tam giác kết hợp với tín hiệu điều khiển dạng sin để tạo ra giản đồ kích đóng các linh kiện trong cùng một pha tải.
Phương pháp này hoạt động dựa trên nguyên lý kỹ thuật analog, với giản đồ kích đóng các công tắc của bộ nghịch lưu được xác định thông qua việc so sánh hai tín hiệu cơ bản.
Sóng mang u p (carrier signal) tần số cao, có thể ở dạng tam giác
Sóng điều khiển u r (reference signal) hoặc sóng điều chế (modulating signal) dạng sin
Công tắc sẽ được kích đóng khi sóng điều khiển có biên độ lớn hơn sóng mang (ur > up) Ngược lại, khi sóng điều khiển nhỏ hơn sóng mang, công tắc sẽ được kích mở.
Tần số sóng mang cao giúp giảm thiểu lượng sóng hài bậc cao trong điện áp và dòng điện tải Đối với bộ nghịch lưu áp n bậc, số sóng mang là (n-1), tất cả đều có tần số fc và biên độ đỉnh - đỉnh Ac giống nhau Sóng điều chế có biên độ đỉnh Am và tần số fm, thay đổi xung quanh trục tâm của (n-1) sóng mang Khi sóng điều khiển lớn hơn sóng mang, linh kiện tương ứng sẽ được kích đóng; ngược lại, nếu sóng điều khiển nhỏ hơn, linh kiện đó sẽ bị kích mở.
Gọi m f là tỉ số điều chế tần số (frequency modulation ratio) ta có: f f f m f m c reference carrier f (2.14)
Việc nâng cao giá trị m f sẽ làm gia tăng tần số các sóng hài xuất hiện Tuy nhiên, một nhược điểm của việc tăng tần số sóng mang là tổn hao do số lần đóng cắt gia tăng.
Tương tự, gọi m a là tỉ số điều chế biên độ (amplitude modulation ratio):
Mô hình toán học, phương trình toán bộ nghịch lưu áp 3 pha 2 bậc
3.1.1 Mô hình toán học bộ nghịch lưu áp 3 pha 2 bậc
Hình 3.1: Mô hình hóa của động cơ DC Với
V d : Điện áp DC ngõ vào [V]
Mô hình toán của bộ nghịch lưu áp 3 pha 2 bậc
Hình 3.2: Mô hình toán của bộ nghịch lưu áp 3 pha 2 bậc
3.1.2 Phương trình toán của bộ nghịch lưu áp 3 pha 2 bậc Áp nghịch lưu (inverter leg voltage):
Trung bình: U a0 , U b0 , U b0 Áp điều khiển: uđka, u đkb , u đkc
Quan hệ áp nghịch lưu trung bình và áp điều khiển:
U c0 = k.u đkc Áp tải (load voltage)
Giả sử tải dạng sao, đối xứng
Hình 3.3: Mô hình tải 3 pha đấu sao Điện áp common mode: 0 0 0 0
Trị trung bình áp tải:
(3.4) Điện áp common mode trung bình: 0 0 0 0
Quan hệ áp tải và áp nghịch lưu: Đặt: uN0 = V 0
Ta có: u j0 = u tj + V 0 (j = a, b, c) (3.6) Trị trung bình:
Hình 3.4: Mô hình áp tức thời và áp trung bình nghịch lưu 3 pha
3.1.3 Điều chế độ rộng xung:
3.1.3.1Điều chế độ rộng xung theo phương pháp SinPWM
Để tạo ra giản đồ kích hoạt cho các linh kiện trong cùng một pha tải của bộ nghịch lưu 3 pha hai bậc, ta cần sử dụng sóng mang hình tam giác kết hợp với tín hiệu điều khiển hình sin.
Phương pháp này hoạt động dựa trên nguyên lý kỹ thuật analog, trong đó giản đồ kích đóng các công tắc của bộ nghịch lưu được thực hiện thông qua việc so sánh hai tín hiệu cơ bản.
Sóng mang u p (carrier signal) tần số cao, có thể ở dạng tam giác
Sóng điều khiển u r (reference signal) hoặc sóng điều chế (modulating signal) dạng sin Gọi mf là tỉ số điều chế tần số (frequency modulation ratio) ta có:
Gọi ma là tỉ số điều chế biên độ (amplitude modulation ratio):
Khi ma ≤ 1, tức là biên độ sóng sin nhỏ hơn tổng biên độ sóng mang, mối quan hệ giữa thành phần cơ bản của điện áp ra và điện áp điều khiển sẽ là tuyến tính.
Khi giá trị m a lớn hơn 1, biên độ tín hiệu điều chế vượt quá tổng biên độ sóng mang, dẫn đến việc biên độ hài cơ bản của điện áp ra tăng không tuyến tính theo m a Tại thời điểm này, sóng hài bậc cao bắt đầu xuất hiện và gia tăng cho đến khi đạt mức giới hạn do phương pháp 6 bước quy định Tình huống này được gọi là quá điều chế (overmodulation) hoặc điều chế mở rộng.
Phương pháp Sin PWM đạt được chỉ số điều chế lớn nhất trong vùng tuyến tính khi biên độ sóng điều chế bằng tổng biên độ sóng mang:
(3.10) trong đó U dc_ tổng điện áp các nguồn DC.
Xây dựng file đồ mô phỏng
Tạo sin a,b,c: vào Simulink => function block lấy 3 khối sau đó khai báo cho khối nhƣ sau
Hình 3.7:Sơ đồ khai báo sóng sina, sinb, sinc Tạo hệ số điều chế m vào Simulink =>function block lấy khối ra, sau đó khai báo nhƣ sau
Hình 3.8:Sơ đồ khai báo hệ số điều chế Chọn sóng tam giác Simulink => Source =>repeating sequence sau đó khai báo
Hình 3.9:Sơ đồ khai báo sóng tam giác
Chọn khối chia ( vì tín hiệu sóng sin ta chọn 200 V mà tín hiệu điều khiển chỉ bằng
1 nên ta chia cho 200 để tín hiệu điều khiển bằng 1) vào Simulink=>Math operations=>Divide sau đó khai báo
Hình 3.10:Sơ đồ khai báo bộ chia Chọn khối so sánh sóng sin với sóng tam giác vào Simulink=>comonly used block=>Relational operator
Hình 3.11:Sơ đồ khai báo bộ so sánh
Kết nối các khối lại với nhau ta đã phát đƣợc 3 xung điều khiển cho S 1 , S 3 , S 5 Cho
3 tín hiệu S 1 , S 3 , S 5 qua công Not ta có S 4 , S 6 , S 2 đảo 180 0 so với S 1 , S 3 , S 5
Hình 3.12:Sơ đồ kết nối khối điều khiển Xây dựng sơ đồ công suất tải R+L
Lấy IGBT vào Simulink=> Simpowersystem=>Power electronic=> Ideal Switch
Lấy các Scope để đo các điện áp và dòng điện, kết nối các linh kiện lại ta đƣợc sơ đồ nhƣ sau:
Hình 3.13:Sơ đồ kết nối khối công suất Gộp chung các linh kiện lại 1 khối cho sơ đồ dễ nhìn
Hình 3.14:Sơ đồ mô phỏng thực tế của bộ nghịch lưu áp 3 pha 2 bậc trên Matlab
3.2.1 Tác giả nghiên cứu chọn tải AC có thông số:
Giá trị và thông số của mạch mô phỏng
Thông số Chức năng Giá trị Đơn vị tính
M Hệ số điều chế 0,85 f abc Tần số áp điều khiển 50 [Hz] f Vc Tần số sóng mang 3000 [Hz]
Bảng 2: Giá trị và thông số tải của bộ nghịch lưu áp 3 pha 2 bậc
3.2.2.1Kết quả mô phỏng khi m=0.5, f abc PHz, f Vc 0 Hz
Tr ạn g th ái đ iệ n á p đ iề u k h iể n v à só n g m an g[ V ]
Trạng thái sina, sinb, sinc Sóng mang
Hình 3.15: Dạng sóng điện áp và sóng mang bộ nghịch lưu 3 pha 2 bậc
Tr ạn g th ái á p đ iề u k h iể n 3 p h a[ V ]
Trạng thái Udka, Udkb, Udkc
Hình 3.16: Dạng sóng tín hiệu điều khiển bộ nghịch lưu 3 pha 2 bậc
Tr ạn g th ái đ iệ n á p t ải 3 p h a[ V ]
Trạng thái điện áp trên tải Uta, Utb, Utc
Hình 3.17: Dạng sóng điện áp trên tải bộ nghịch lưu 3 pha 2 bậc
T rạ n g th ái d òn g đ iệ n t ải [A ]
Time/Div Trạng thái dòng điện trên tải Ita, Itb, Itc
Hình 3.18: Dạng sóng dòng điện trên tải bộ nghịch lưu 3 pha 2 bậc
Hình 3.19: Sơ đồ kiểm tra điện áp sóng hài trên tải bộ nghịch lưu 3 pha 2 bậc
Hình 3.20: Sơ đồ kiểm tra dòng điện sóng hài trên tải bộ nghịch lưu 3 pha 2 bậc
Hình 3.21: Sơ đồ kiểm tra điện áp sóng hài trên tải qua bộ lọc bậc 2
Với các thông số m=0.5, f abc PHz, f Vc 0 Hz Tác giả nhận thấy sóng hài điện áp 123,68%, dòng điện= 95,21% trên tải rất lớn gây bất lợi cho tải
3.2.2.2 Kết quả mô phỏng khi m=0.6, f abc PHz, f Vc 000 Hz
Tr ạn g th ái đ iệ n á p t ải 3 p h a[ V ]
Trạng thái điện áp trên tải Uta, Utb, Utc
Hình 3.22: Dạng sóng điện áp trên tải bộ nghịch lưu 3 pha 2 m=0.6, f Vc 000Hz
T rạ n g th ái d òn g đ iệ n t ải [A ]
Trạng thái điện áp trên tải Ita, Itb, Itc
Hình 3.23: Dạng sóng dòng điện trên tải bộ nghịch lưu 3 pha 2 m=0.6, f Vc 000Hz
Hình 3.24: Sơ đồ điện áp, dòng điện trên tải khi kiểm tra sóng hài m=0.6, f Vc 000Hz
Hình 3.25: Sơ đồ điện áp trên tải qua bộ lọc khi kiểm tra sóng hài m=0.6, f Vc 000Hz
Với các thông số m=0.6, f abc PHz, f Vc 000 Hz Tác giả nhận thấy sóng hài điện áp 105,36%, dòng điện= 44,27% trên tải nhỏ lại nhƣng vẫn còn lớn
3.2.2.3 Với các thông số m=0.75, f abc PHz, f Vc p00 Hz
Tr ạn g th ái đ iệ n á p t ải 3 p h a[ V ]
Trạng thái điện áp trên tải Uta, Utb, Utc
Hình 3.26: Dạng sóng điện áp trên tải bộ nghịch lưu 3 pha 2 m=0.75, f Vc p00Hz
Tr ạn g th ái d ò n g đ iệ n á p t ải 3 p h a[ A ]
Trạng thái điện áp trên tải Ita, Itb, Itc
Hình 3.27: Dạng sóng dòng điện trên tải bộ nghịch lưu 3 pha 2 m=0.75, f Vc p00Hz
Khi kiểm tra sóng hài với thông số m=0.75 và f Vc p00 Hz, tác giả ghi nhận rằng sóng hài điện áp đạt 81,95% và dòng điện là 18,72%, cho thấy mức độ hài trên tải là tương đối chấp nhận được.
Phần mềm mã hóa ngôn ngữ DSP và mô hình phần cứng
3.3.1 Chương trình mã hóa nhúng vào mô hình thực
Ngôn ngữ mô phỏng trên Simulink Matlab chỉ hiển thị kết quả mô phỏng, trong khi việc điều khiển mô hình thực cần trải qua giai đoạn mã hóa ngôn ngữ Simulink Để thực hiện điều này, ngôn ngữ của Simulink phải tương thích với ngôn ngữ DSP, sau đó tiến hành biên dịch và nạp vào card DSP để điều khiển mô hình thực.
Hình 3.29: mô hình phần mềm điều khiểnbộ nghịch lưu áp 3 pha 2 bậc
3.3.2.Phần cứng bộ nghịch lưu áp 3 pha 2 bậc
Hình 3.30: Sơ đồmạch nguồn kích cho bộ driver
Hình 3.31: Sơ đồmạch kích cho bộ driver
Hình 3.32: Sơ đồmạch công suất
3.3.3 Kết quả nhúng vào mô hình thực
Hình 3.33: Dạng sóng tín hiệu điều khiển bộ nghịch lưu 3 pha 2 bậc mô hình thực
Hình 3.34: Dạng sóng điện áp bộ nghịch lưu 3 pha 2 bậc mô hình thực
Hình 3.35: Dạng sóng điện áp bộ nghịch lưu 3 pha 2 bậc mô hình thực
Hình 3.36: Dạng sóng điện áp 3 pha bộ nghịch lưu 3 pha 2 bậc mô hình thực
Hình 3.37: Dạng sóng dòng điện bộ nghịch lưu 3 pha 2 bậc mô hình thực
Hình 3.38: Dạng sóng dòng điện bộ nghịch lưu 3 pha 2 bậc mô hình thực
