TỔNG QUAN
Tổng quan chung về lĩnh vực nghiên cứu, các kết quả nghiên cứu trong và ngoài nước
1.1.1 Tổng quan chung về lĩnh vực nghiên cứu
Trong những năm gần đây, sự phát triển nhanh chóng của kỹ thuật điện tử, đặc biệt là các linh kiện bán dẫn công suất như SCR, MOSFET và IGBT, đã cho phép ứng dụng rộng rãi trong việc thay thế các khí cụ điện từ để điều khiển nguồn cung cấp cho các phụ tải một pha và ba pha Những linh kiện này không chỉ có kích thước nhỏ gọn và dễ điều khiển, mà còn đáp ứng tốt hơn về tần số, công suất, điện áp và độ tin cậy Đặc biệt, chúng đóng vai trò quan trọng trong việc chuyển đổi nguồn một chiều sang nguồn xoay chiều thông qua bộ nghịch lưu hay bộ biến tần, góp phần nâng cao hiệu quả trong các hệ thống công nghiệp.
Nghiên cứu điều khiển nghịch lưu đã diễn ra trong nhiều năm, nhưng gần đây, sự gia tăng sử dụng năng lượng sạch như năng lượng mặt trời và gió đã thúc đẩy nghiên cứu các phương pháp điều khiển này Ban đầu, các nghiên cứu tập trung chủ yếu vào phương pháp điều chế độ rộng sóng mang (CPWM) để tối ưu hóa hiệu suất của nghịch lưu.
1980 các nghiên cứu mới đã thu được nhiều thành quả nhất là nghiên cứu theo phương pháp vector không gian (Space Vector Pulse Width modulation – SVPWM)
Hiện nay bộ nghịch lưu áp đa bậc 3 pha được sử dụng rộng rãi do những ưu
1.1.2 Các kết quả trong và ngoài nước đã công bố
1.1.2.1Các công bố ngoài nước
Các nghiên cứu về nghịch lưu đa bậc chủ yếu đến từ các phòng thí nghiệm ở Mỹ, Úc, Hàn Quốc và Trung Quốc, và tập trung vào hai hướng chính Một số công trình tiêu biểu trong lĩnh vực này bao gồm các nghiên cứu của các tác giả nổi bật.
Nghiên cứu "Thiết kế trình tự chuyển mạch mới cho bộ nghịch lưu cầu HNPC năm bậc với quang phổ điện áp đầu ra cải thiện và tần số chuyển mạch thiết bị được tối thiểu hóa" tập trung vào việc áp dụng kỹ thuật điều chế SVPWM Bài báo trình bày một trình tự chuyển mạch theo điều chế vector không gian nhằm tối ưu hóa việc giảm thiểu hài bậc cao và tần số chuyển mạch của các khóa công suất Cấu hình nghịch lưu được nghiên cứu là cấu hình nghịch lưu lai năm bậc, trong đó mỗi pha bao gồm hai nhánh NPC: một nhánh kết nối với tải và nhánh còn lại kết nối với điểm trung tính, với mỗi cầu H được cung cấp bởi nguồn DC độc lập.
Bài báo "A Multilevel SVPWM Algorithm for Linear Modulation and Over Modulation Operation" đề xuất một thuật toán SVPWM chung cho biến tần đa bậc dựa trên tiêu chuẩn SVPWM hai bậc, giúp đơn giản hóa quá trình tính toán cho biến tần n bậc Thuật toán SVPWM này có thể áp dụng trong cả chế độ điều chế tuyến tính và chế độ quá điều chế Cụ thể, biến tần 5 bậc H-NPC sử dụng các phương pháp này với số lần chuyển mạch ít và tổng hài THD áp tải dưới 5%.
1.1.2.2 Tình hình nghiên cứu trong nước:
Nghiên cứu của tác giả Quách Thanh Hải tại trường Đại Học Bách Khoa Thành Phố Hồ Chí Minh tập trung vào kỹ thuật điều chế độ rộng xung nhằm tối ưu hóa điều khiển cho nghịch lưu đa bậc Luận án phân tích các cấu trúc nghịch lưu đa bậc, bao gồm cả nghịch lưu chuẩn truyền thống và các mạch nghịch lưu lai hiện đại thông qua các phương pháp mô phỏng và thực nghiệm.
Nghiên cứu bộ nghịch lưu ba pha cầu H của tác giả Bùi Thanh Hiếu tại trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TPHCM tập trung vào phân tích, mô phỏng và thực nghiệm một phương pháp điều chế mới cho biến tần lai cầu H ba pha Phương pháp này sử dụng hai nhánh NPC ba bậc với sóng mang có số lần chuyển mạch ít, giúp giảm thiểu hiện tượng common-mode một cách hiệu quả.
Nghiên cứu bộ nghịch lưu ba pha 5 bậc của tác giả Danh Tuấn Lê tại trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TPHCM trình bày kỹ thuật điều chế sóng mang thông qua hàm offset, nhằm giảm số lần chuyển mạch của các khóa công suất trong nghịch lưu cầu H-NPC 5 bậc Kỹ thuật này sử dụng hàm offset bậc 3 để điều chỉnh các sóng điện áp về ngưỡng cực đại hoặc cực tiểu, giúp giảm giao cắt giữa sóng điều khiển và sóng mang Nhờ vào việc áp dụng hàm offset, số lần chuyển mạch của các khóa công suất/pha trong một chu kỳ có thể giảm đến 30% Kết quả nghiên cứu đã được xác thực qua mô phỏng và thực nghiệm.
Tính cấp thiết của đề tài
Năng lượng là yếu tố then chốt cho sự phát triển kinh tế, nhưng sự gia tăng nhu cầu năng lượng đang dẫn đến sự cạn kiệt nhanh chóng của nguồn nhiên liệu hóa thạch, làm tăng giá nhiên liệu và lượng khí CO2 thải ra, góp phần vào biến đổi khí hậu Do đó, cần nghiên cứu và ứng dụng các công nghệ mới để phát triển nguồn năng lượng thay thế bên cạnh việc sử dụng năng lượng tiết kiệm và hiệu quả Một trong những vấn đề quan trọng cần giải quyết là tổn hao công suất điện, chủ yếu do sự chuyển mạch của các khóa công suất Đề tài “Nghiên cứu giải thuật nghịch lưu giảm tổn hao do chuyển mạch cho cấu hình NPC 5 bậc cầu H” được đề xuất nhằm tập trung vào giải pháp giảm thiểu tổn hao này.
Mục đích của đề tài
- Nghiên cứu và mô phỏng giải thuật nghịch lưu giảm tổn hao do chuyển mạch cho cấu hình NPC 5 bậc cầu H trên phần mềm PSIM
- Xây dựng mô hình và lấy kết trên mô hình thực nghiệm card điều khiển DSP F28335 với tải là điện trở và cuộn dây
So sánh tổn hao do chuyển mạch của giải thuật đề xuất với các kết quả đã công bố trước đó cho thấy hiệu suất cải thiện rõ rệt Đồng thời, việc so sánh chỉ số THD của giải thuật này với tiêu chuẩn Việt Nam cũng cho thấy sự phù hợp và ưu việt, từ đó khẳng định tính khả thi và hiệu quả của giải pháp được đề xuất.
Giới hạn của đề tài
- Đề tài được mô phỏng trên phần mềm PSIM
- Đề tài được thực hiện trên mô hình thực nghiệm cấu hình NPC 5 bậc cầu H và lập trình C cho card DSP F28335 bằng phần mềm CCS 6.1
- Đề tài thực hiện với tải là điện trở và cuộn dây
- Điện áp nguồn cung cấp là 200V.
Phương pháp nghiên cứu
- Nghiên cứu các kỹ thuật điều chế PWM cho nghịch lưu đa bậc
Ứng dụng kỹ thuật điều chế trong việc xây dựng mô hình mô phỏng và thuật toán điều khiển cho bộ nghịch lưu ba pha năm bậc H-NPC sử dụng phần mềm PSIM.
- Thực hiện giải thuật mới trên mô hình nghịch lưu 5 bậc H-NPC
Bài viết này so sánh kết quả thực nghiệm và mô phỏng của giải thuật đề xuất, đồng thời đối chiếu với các kết quả trước đó để đánh giá hiệu quả Ngoài ra, kết quả của giải thuật cũng được so sánh với các tiêu chuẩn TCVN nhằm rút ra những kết luận quan trọng cho việc ứng dụng thực tế của nghịch lưu 5 bậc H-NPC.
Điểm mới của đề tài
- Đề tài đã sử giải thuật mới để giảm tổn hao do chuyển mạch cho cấu hình nghịch lưu 3 pha NPC 5 bậc cầu H
- Đề tài sử dụng giải thuật điều khiển vòng kín nên việc điều khiển và kiểm soát ngõ ra dễ dàng và chính xác
1.7 Giá trị thực tiễn của đề tài
- Ứng dụng tạo bộ nguồn điện áp 3 pha dùng năng lượng mặt trời, năng lượng gió
- Ứng dụng làm bộ biến tần để điều khiển các động cơ 3 pha
- Nghiên cứu làm tài liệu giảng dạy cho sinh viên chuyên ngành điện, đặc biệt trong lĩnh vực điện tử công suất.
CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Tổng quan về nghi ̣ch lưu
Bộ nghịch lưu là thiết bị chuyển đổi năng lượng từ nguồn điện một chiều sang năng lượng xoay chiều, phục vụ cho tải xoay chiều Có hai loại bộ nghịch lưu chính, bao gồm bộ nghịch lưu áp và bộ nghịch lưu dòng, tùy thuộc vào đại lượng được điều khiển ở ngõ ra là điện áp hay dòng điện.
Nguồn một chiều cung cấp cho bộ nghịch lưu áp có đặc tính là nguồn điện áp, trong khi nguồn cung cấp cho bộ nghịch lưu dòng lại có tính chất là nguồn dòng điện Các bộ nghịch lưu này được phân loại thành bộ nghịch lưu áp nguồn và bộ nghịch lưu dòng, thường được gọi tắt là bộ nghịch lưu áp và bộ nghịch lưu dòng.
Khi nguồn điện đầu vào và đại lượng đầu ra không giống nhau, chẳng hạn như bộ nghịch lưu chuyển đổi dòng điện xoay chiều từ nguồn điện áp một chiều, chúng ta gọi đây là bộ nghịch lưu điều khiển dòng điện từ nguồn điện áp hoặc bộ nghịch lưu dòng nguồn áp.
Bộ nghịch lưu là thành phần chính trong cấu tạo của bộ biến tần, có ứng dụng quan trọng trong lĩnh vực truyền động điện động cơ xoay chiều với độ chính xác cao Chúng được sử dụng trong các thiết bị tần số cao như lò cảm ứng trung tần và thiết bị hàn trung tần Ngoài ra, bộ nghịch lưu còn cung cấp nguồn điện xoay chiều cho nhu cầu gia đình, nguồn điện liên tục UPS, điều khiển chiếu sáng, và hỗ trợ bù nhuyễn công suất phản kháng.
Các tải xoay chiều như động cơ không đồng bộ và lò cảm ứng thường có tính cảm kháng, khiến dòng điện không thể ngắt qua quá trình chuyển mạch tự nhiên Do đó, mạch bộ nghịch lưu thường sử dụng linh kiện tự kích ngắt để điều khiển quá trình ngắt dòng điện Trong trường hợp đặc biệt như mạch tải cộng hưởng hoặc tải có tính chất dung kháng như động cơ đồng bộ kích từ dư, dòng điện có thể bị ngắt nhờ quá trình chuyển mạch tự nhiên, phụ thuộc vào điện áp nguồn hoặc điện áp mạch tải Trong những tình huống này, IGBT thường được chọn làm linh kiện bán dẫn.
2.1.2Phân loạivà phương pháp điều khiển nghịch lưu
Bộ nghịch lưu có nhiều cách phân loại cũng như nhiều phương pháp điều khiển khác nhau
- Phân loại theo số pha : nghịch lưu một pha, nghịch lưu ba pha
Điện áp có thể được phân loại theo số cấp giữa một đầu pha tải và một điểm có điện thế chuẩn trong mạch, bao gồm hai bậc (two level) và đa bậc (multi level - ba bậc trở lên).
The classification of inverters can be categorized based on their configuration, including cascade converters, neutral point clamped multi converters (NPC), flying capacitor converters, and hybrid inverters.
- Phương pháp điều chế độ rộng xung sin (Sin PWM)
- Phương pháp điều chế độ rộng xung sin cải biến (Modifield SPWM)
- Phương pháp điều chế vector không gian ( SVPWM – Carrier Based PWM ).
Các cấu trúc bộ nghịch lưu đa bậc
2.2.1 Cấu trúc bộ nghịch lưu NPC (Neutral Point Clamped)
Bộ nghịch lưu đa bậc NPC sử dụng một mạch nguồn DC được phân chia thành nhiều cấp điện áp nhỏ hơn thông qua chuỗi tụ điện mắc nối tiếp Với n nguồn có độ lớn bằng nhau mắc nối tiếp, điện áp nguồn DC có thể đạt được n+1 giá trị khác nhau, tương ứng với số bậc điện áp nghịch lưu là n+1 bậc.
Hình 2.1:Bộ nghi ̣ch lưu áp da ̣ng NPC
Bộ nghịch lưu áp đa bậc sử dụng diode kẹp cải tiến giúp điều chỉnh dạng sóng điện áp tải và giảm thiểu sự tăng vọt điện áp trên linh kiện nhiều lần Với thiết kế này, dv/dt trên linh kiện và tần số đóng ngắt được giảm đến một nửa Tuy nhiên, khi n > 3, mức độ chịu gai áp trên các diode sẽ khác nhau, và việc cân bằng điện áp giữa các nguồn DC, đặc biệt là áp trên tụ, trở nên khó khăn hơn khi số bậc tăng cao.
2.2.2 Cấu trúc bộ nghịch lưu kẹp tụ (Flying capacitor inverter)
Hình 2.2:Bộ nghi ̣ch lưu áp da ̣ng ke ̣p tu ̣
Ưu điểm chính của bộ nghịch lưu này là:
+ Khi tần số tăng cao thì không dùng bộ lọc
+ Có thể điều tiết công suất tác dụng và công suất phản kháng từ đó có thể điều tiết được phân bố công suất trong lưới dùng biến tần
Nhược điểm chính của bộ nghịch lưu này là:
+ Số lượng tụ công suất lớn tham gia trong mạch nhiều dẫn đến giá thành tăng và độ tin cậy giảm
+ Việc điều khiển khó khăn khi số bậc nghịch lưu tăng cao
2.2.3Cấu trúc bộ nghịch lưu áp dạng Cascade
Sử dụng các nguồn DC riêng, như acquy hoặc pin, là lựa chọn phù hợp cho những trường hợp có nguồn DC sẵn Bộ nghịch lưu cascade bao gồm nhiều bộ nghịch lưu áp cầu H một pha nối tiếp với nhau Qua việc kích hoạt các linh kiện trong mỗi bộ nghịch lưu áp một pha, ba mức điện áp (-Vd/2, 0, Vd/2) được tạo ra Sự kết hợp hoạt động của n bộ nghịch lưu áp trên một nhánh sẽ tạo ra n mức điện áp âm (-Vd/2, -2*Vd/2,…, -n*Vd/2) và n mức điện áp dương (Vd/2, 2*Vd/2,…, n*Vd/2), cùng với mức áp 0 Như vậy, bộ nghịch lưu áp dạng cascade với n bộ nghịch lưu áp một pha trên mỗi nhánh sẽ hình thành bộ nghịch lưu (2n+1) bậc.
Tần số đóng ngắt và dv/dt trong linh kiện có thể giảm đến n lần, với điện áp đặt lên linh kiện giảm 0,57 lần, cho phép sử dụng IGBT điện áp thấp Hơn nữa, cấu trúc ghép từ ngõ ra của bộ nghịch lưu áp ba pha giúp giảm dv/dt và tần số đóng ngắt xuống còn 1/3 Mạch nghịch lưu này đạt được sự cân bằng điện áp giữa các nguồn DC mà không cần dòng cân bằng giữa các module, tuy nhiên, cần phải sử dụng biến áp ở ngõ ra.
Hình 2.3:Bộ nghi ̣ch lưu áp đa bâ ̣c da ̣ng cascade
Trong số các loại sơ đồ đã đề cập, sơ đồ Cascade và NPC là hai dạng phổ biến nhất do tính khả thi của chúng Sơ đồ dùng tụ gặp khó khăn trong việc thực hiện vì mỗi nhóm tụ trong mạch được nạp với điện áp khác nhau khi làm việc với số bậc lớn Bài viết này sẽ tập trung phân tích và ứng dụng bộ nghịch lưu áp theo cấu trúc sơ đồ NPC 5 bậc.
Kỹ thuật điều chế độ rộng xung (PWM) cho bộ nghịch lưu đa bậc
2.3.1 Các dạng song mang dùng trong kỹ thuật PWM
Hai sóng mang kế cận liên tiếp nhau sẽ bị dịch 180 độ - APOD (Alternative Phase Opposition Disposition)
Hình 2.4:Dạng song mang APOD
Bố trí cùng pha – PD (In Phase Disposition): tất cả các sóng mang đều cùngpha
Hình 2.5: Dạng sóng mang PD
Bố trí đối xứng qua trục zero, hay còn gọi là POD (Phase Opposition Disposition), cho thấy rằng các sóng mang nằm trên trục zero sẽ có cùng pha, trong khi các sóng mang nằm dưới trục zero sẽ bị dịch chuyển 180 độ.
Hình 2.6: Dạng sóng mang POD
2.3.2Phương pháp điều chế độ rộng xungPWM
2.3.2.1Phương pháp điều chế độ rộng xung Sin PWM [1]
Phương pháp này áp dụng sóng điều chế dạng sin để so sánh với sóng mang dạng tam giác, nhằm tạo ra giản đồ kích đóng cho linh kiện Trong bộ nghịch lưu n bậc, số sóng mang sử dụng là n-1, tất cả đều có tần số fc và biện độ đỉnh giống nhau.
Đỉnh Ac là sóng điều khiển có biên độ đỉnh Am và tần số fm, với dạng sóng thay đổi quanh trục tâm của hệ thống (n-1) sóng mang Khi sóng điều khiển có biên độ m a = A m, nó sẽ ảnh hưởng đến các thông số của hệ thống.
Khi ma ≤ 1, tức là biên độ sóng sin nhỏ hơn biên độ sóng mang, mối quan hệ giữa biên độ thành phần cơ bản áp ra và áp điều khiển sẽ là tuyến tính.
Khi giá trị ma lớn hơn 1, biên độ tín hiệu điều chế vượt quá biên độ sóng mang, dẫn đến biên độ áp hài cơ bản điện áp ra tăng không tuyến tính theo ma Tình trạng này gây ra sự xuất hiện của sóng hài bậc cao, gia tăng dần cho đến khi đạt mức giới hạn theo phương pháp sáu bước, được gọi là quá điều chế Đối với bộ nghịch lưu một pha, biên độ áp pha hài cơ bản sẽ bị ảnh hưởng bởi hiện tượng này.
U t(1)m = m a × V d ( 2.3 ) Với Vd là tổng điện áp nguồn DC Đối với bộ nghịch lưu 3 pha, biên độ áp pha hài cơ bản:
Phương pháp SPWM đạt được chỉ số lớn nhất trong vùng tuyến tính khi biên độ sóng điều chế bằng biên độ sóng mang Khi đó: m SPWM_max = U (1)m
Với : U(1)m là biên độ hài cơ bản
U(1)m-Six_step là biên độ cực đại hài bậc cao theo phương pháp 6 bước m SPWM_max V d
Hình 2.7:Dạng sóng mang, sóng điều khiển và xung kích điều chế liên tục m 1 0,785
Hình 2.8:Đường đặc tuyến giữa chỉ số m và tỉ sốbiên độ sóng sin/sóng mang [1] 2.3.2.2Phương pháp điều chế độ rộng xung cải biến (MSPWM: Modified
Nhược điểm của phương pháp SPWM là khả năng điều khiển tuyến tính chỉ thực hiện với chỉ số điều chế m nằm trong phạm vi 0 ≤ m ≤ 0.785 (tương ứng với ma
≤ 1) Để mở rộng phạm vi điều khiển tuyến tính, phương pháp điều chế độ rộng xung
Hình 2.9:Dạng sóng điều khiển và sóng mang
2.3.2.3Phương pháp điều chế vector không gian:
Khái niệm vector không gian
Phương pháp điều chế vector không gian được phát triển từ ứng dụng của vector không gian trong máy điện xoay chiều và đã được mở rộng để áp dụng trong các hệ thống điện ba pha.
Giả sử ba điện áp pha va, vb, vc trong hệ thống điện là cân bằng, chúng thỏa mãn điều kiện va + vb + vc = 0 Để phân tích hệ thống này, ta thực hiện phép biến đổi từ các điện áp ba pha va, vb, vc sang đại lượng vector v theo hệ thức đã định.
Phép biến hình vector không gian là quá trình chuyển đổi được thực hiện như đã nêu, trong đó đại lượng v được xác định là vector không gian của đại lượng ba pha.
Hằng số k có thể chọn các giá trị khác nhau Với k = 2
3 ta có phép biến hình không bảo toàn công suất Với k = √ 2
3phép biến hình bảo toàn công suất
Ví dụ :Xác định vector không gian cho các đại lượng ba pha dạng cosin như sau: a m 0 b m 0 c m 0 v = v cos(x - θ ) v = v cos(x - θ - 2π )
Vector không gian theo định nghĩa sẽ là:
Trong tọa độ vuông góc α - β, vector không gian v có biên độ Vm bắt đầu từ vị trí V m e −jθ 0 và sẽ quay quanh trục tọa độ với tần số góc ω Biểu thức j(x - θ) cho thấy sự liên hệ giữa các thành phần của vector trong không gian, với V được xác định bởi công thức V = Vm (cos(x - θ) + j.sin(x - θ)).
Vector không gian của bộ nghịch lưu áp đa bậc
Quá trình đóng ngắt các linh kiện tạo ra điện áp ba pha tải, có thể được mô tả theo lý thuyết không gian vector Theo lý thuyết này, điện áp ba pha có thể được biểu diễn dưới dạng vector không gian, giúp hiểu rõ hơn về các đặc điểm và ứng dụng của nó trong hệ thống điện.
Nó sẽ thay đổi nhảy cấp trên hình lục giác đa bậc, với vị trí của mỗi vector điện áp trong không gian phụ thuộc vào các trạng thái đóng ngắt linh kiện Tiến hành khảo sát với các giá trị ka = 0, 1, 2; kb = 0, 1, 2; kc = 0, 1, 2.
Và Ka, Kb, Kc là các hệ số trạng thái tương ứng với các pha a, b, c, phụ thuộc vào quy ước đã được thiết lập trước Quy ước này dựa trên bảng trạng thái đóng ngắt.
Trong quá trình kích theo qui luật đối nghịch:
S Xi + S Xi ′ = 1 ( 2.14 ) Với X = a, b, c và I là chỉ số khóa α β
Hình 2.11:Giản đồ vector điện áp bộ nghịch lưu 3 bậc
Theo định nghĩa về vector không gian, có tổng cộng 27 trạng thái kích dẫn linh kiện, trong đó có 19 vị trí vector không gian của vector điện áp Những vector này bao gồm 12 vector nằm trên đỉnh và trung điểm của lục giác lớn bên ngoài, cùng với 6 vector điện áp ở các đỉnh của lục giác bên trong và một vector không tại tâm lục giác Đặc biệt, các vector tại đỉnh của lục giác bên trong có hai trạng thái kích dẫn khác nhau nhưng lại có cùng vị trí vector không gian, trong khi có ba trạng thái kích dẫn khác nhau cho cùng một vector không.
Vector điện áp bộ nghịch lưu năm bậc
Bộ nghịch lưu áp 5 bậc có khả năng điều khiển linh kiện kích dẫn, tạo ra 125 trạng thái khác nhau, được biểu diễn bằng tổ hợp Kx với x = a, b, c.
Bộ nghịch lưu hoạt động tương tự như vector không gian của đại lượng sin ba pha, trong đó sự dịch chuyển đều đặn của vector trên quỹ đạo tròn giúp loại bỏ các sóng hài bậc cao, tạo ra mối quan hệ tuyến tính giữa tín hiệu điều khiển và biên độ đầu ra Vector trung bình trong thời gian một chu kỳ lấy mẫu Ts của quá trình điều khiển bộ nghịch lưu áp là yếu tố quan trọng Nguyên lý điều chế vector không gian cho bộ nghịch lưu áp đa bậc được thực hiện tương tự như ở nghịch lưu hai bậc Để tạo vector trung bình tương ứng với vector V⃗⃗, cần xác định vị trí của vector V⃗⃗ trong hình lục giác, thường được chia nhỏ thành các hình tam giác con để thuận tiện trong việc tính toán.
Hình 2.13:Phân tích phương pháp SVM
GIẢI THUẬT ĐIỀU CHẾ SÓNG MANG GIẢM TỔN HAO DO SỰ CHUYỂN MẠCH CHO NGHỊCH LƯU CẦU H-NPC 5 BẬC
Nguyên lý bộ nghịch lưu ba pha năm bậc H-NPC
Xét bộ nghịch lưu ba pha năm bậc H-NPC sử dụng ba bộ nguồn Vd1 , Vd2 và
Vd3 với sáu tụ lọc nguồn Vc1, Vc2, Vc3, Vc4, Vc5, Vc6như hình 3.1[3]
Hình 3.1:Sơ đồ nguyên lý
Cấu trúc này sử dụng ba nguồn DC độc lập để cung cấp năng lượng cho các khối Để hiểu nguyên lý hoạt động của bộ nghịch lưu, chúng ta sẽ xem xét nguyên lý làm việc của một pha nghịch lưu.
Trạng thái đóng ngắt các khóa trong 1 pha phải thỏa mãn điều kiện kích đóng, ngắt đối nghịch như (3.1):
Ua0 Sa11 Sa12 Sa13 Sa14 Sa21 Sa22 Sa23 Sa24
Bảng 3.1:Trạng thái đóng ngắt các khóa pha A
Hình 3.2:Sơ đồ phân tích 1 pha 5 bậc H-NPC
Do đó, thành phần Uxg được xác định dựa vào (3.2) như sau:
Uxg = UxgT - UxgP = udc.(TSxT - TSxP) (3.2) Với TSxch được định nghĩa theo (4) với Ch=T,P (biểu thị nhánh trái và phải)
TSxj = TSxPj - TSxTj (3.3) Trong đó j là chỉ số khóa chuyển mạch có giá trị 1-4 và T là trạng thái khóa công suất
Do đó điện áp pha tâm nguồn DC được xác định theo (5):
SaP SaT dc cg bg ag
Và có thể tính được điện áp pha-tâm tải của nghịch lưu cầu H-NPC 5 bậc theo(3.5) và (3.6):
cg bg ag cn bn an
SaP SaT dc cn bn an
Thành phần Uxg chứa hài bậc 3, trong khi hai thành phần điện áp pha Uxn và điện áp dây Uxy không có hài này, cho thấy hàm offset trong thuật toán nghịch lưu không ảnh hưởng đến biên độ thành phần điện áp hài bậc 3 trên tải Hơn nữa, điện áp pha – tâm nguồn Uxg có 5 mức, bao gồm 2 mức dương, 2 mức âm và một giá trị zero.
Kỹ thuật điều khiển bộ nghịch lưu ba pha 5 bậc H-NPC
3.2.1Điện áp điều khiển u đkj
Xét bộ nghịch lưu ba pha năm bậc H-NPC như hình 3.1, từ giá trị áp tải ba pha yêu cầu Utj (với j = a,b,c), điện áp điều khiển uđkj được xác định theo sơ đồ trong hình 3.3.
Với bộ nghịch lưu ba pha năm bậc H-NPC thì điện áp tải ba pha cực đại trong phạm vi điều khiển tuyến tính V tjmax = 2∗V d
√3 ( j = a,b,c) Điện áp tải trên ba pha a,b,c xác định bằng :
Với m: chỉ số điều chế, trong vùng tuyến tính m có giá trị cực đại bằng 3 2
Vd: Điện áp nguồn DC cung cấp cho các nhánh f: tần số cơ bản của áp tải
Xác định giá trị Max, Min của điện áp tải 3 pha như sau:
ta ta tb tb tc tc
Giá trị V0max, V0min được tính toán từ giá trị của MAX, MIN và điện áp nguồn Vd:
V0min = - 2Vd – MIN ( 3.9 ) Điện áp V0 có thể chọn bất kỳ giá trị nào trong giới hạn V0max và V0min của nó, tức là:
Từ quan hệ áp tải trung bình và áp nghịch lưu trung bình ta có hệ thức như 3.11:
Uj0 = Vtj + V0 ( 3.11 ) Áp nghịch lưu trung bình thay đổi tỉ lệ với áp điều khiển:
Kết quả áp ta được áp điều khiển uđkj (với j = a,b,c) ba pha tương ứng với áp đạt được
3.2.2Điều chế PWM dùng nhiều sóng mang
So sánh các sóng mang C1, C2, C3 và C4 với các biên độ khác nhau và uđkj để tạo ra xung kích cho các tín hiệu Sj1, Sj2, Sj3 và Sj4 C1 có biên độ (1,0.5), C2 có biên độ (0.5,0), C3 có biên độ (0,-0.5), và C4 có biên độ (-0.5,-1) Nguyên lý tạo xung PWM bằng nhiều sóng mang được thể hiện qua sơ đồ minh họa.
Hình 3.4:Sơ đồ khối tạo xung PWM bằng nhiều sóng mang dkj 1 dkj 2
Hình 3.5:So sánh sóng mang và uđk tạo xung kích
Kết quả mô phỏng so sánh 1 sóng uđk với bốn sóng mang C1, C2, C3 và C4 như sau:
Hình 3.6:Kết quả mô phỏng so sánh 1 sóng sin với 4 sóng mang
Vấn đề tổn hao do chuyển mạch và đề xuất giải thuật
Trong mạch nghịch lưu, tổn hao điện bao gồm tổn hao trên nguồn cung cấp (PS), dây nối (PL), mạch kích khóa công suất (PDR) và khóa công suất (PSW) Trong các loại tổn thất này, tổn thất trên các khóa công suất là lớn nhất, phụ thuộc vào kỹ thuật và thuật toán điều chế được sử dụng.
[5] Tổn hao trên các khóa công suất gồm tổn hao dẫn điện (PCS) và tổn hao do sự chuyển mạch (PSS) và có thể xác định theo(3.14)
Tổn hao do sự chuyển mạch (PSS) được xác định bởi số lần chuyển mạch trong một chu kỳ điện áp điều khiển của các khóa công suất, theo công thức (3.15).
Công thức P SS = ∑ n i=1 E ON V CEi I Ci + ∑ m j=1 E OFF V CEj I Cj (3.15) thể hiện tổng công suất tiêu thụ trong quá trình chuyển mạch Trong đó, n đại diện cho số lần chuyển từ trạng thái OFF sang ON, m là số lần chuyển từ ON sang OFF EON và EOFF lần lượt là năng lượng cần thiết để kích hoạt và ngắt công suất.
VCEi và ICi đại diện cho điện áp và dòng điện tại lần chuyển mạch đầu tiên sang trạng thái ON, trong khi VCEj và ICj tương ứng với điện áp và dòng điện tại lần chuyển mạch thứ j khi chuyển sang trạng thái OFF Số lần chuyển mạch cao, đặc biệt trong vùng điện áp và dòng điện lớn, sẽ dẫn đến tổn hao trên khóa, làm tăng chi phí làm mát và yêu cầu sản xuất các khóa công suất có khả năng chịu nhiệt tốt hơn Do đó, bên cạnh việc nghiên cứu các dạng nghịch lưu đa bậc, việc phát triển các giải thuật để giảm số lần chuyển mạch hoặc hạn chế chuyển mạch trong vùng tích cũng trở thành một hướng nghiên cứu quan trọng.
VCE và IC lớn trong tam giác đều có giá trị bằng nhau và bằng 1 Với nghịch lưu 5 bậc cầu H - NPC, ngưỡng điện áp điều khiển dịch chuyển đến là ±2, phụ thuộc vào khoảng cách nhỏ nhất từ điện áp điều khiển đến các ngưỡng này Do đó, hàm offset được định nghĩa theo công thức (3.16).
−Min N nếuMin P > Min N (3.16) Trong đó MinP và MinN là khoảng cách cực tiểu từ các điện áp điều khiển đến ngưỡng +2 và -2;
Hàm offset sẽ là thành phần bậc 3, và điện áp điều khiển sau khi cộng offset sẽ dịch chuyển về vị trí mới với độ dịch chuyển nhỏ nhất trong 3 pha Đồng thời, pha có biên độ gần cộng hoặc trừ 2 nhất sẽ dời về ngưỡng +2 hoặc -2.
Hình 3.7:Mô tả nguyên lý giải thuật PWM cải biến giảm số lần chuyển mạch
Giải thuật này giúp giảm sự chuyển mạch khi điện áp điều khiển đạt cực đại, tương ứng với biên độ cực đại và cực tiểu của sóng mang Tuy nhiên, giải thuật chưa khai thác triệt để các ngưỡng đỉnh và đáy của sóng mang, và chưa phải là thời điểm tối ưu để giảm tổn hao.
Để giảm tổn thất năng lượng do chuyển mạch trong các khu vực có VCE và IC lớn nhất, cần đề xuất một giải thuật tập trung vào việc giảm số lần chuyển mạch Giải pháp này không chỉ giúp tiết kiệm năng lượng mà còn đảm bảo chỉ số THD đạt yêu cầu.
Theo nghiên cứu, tổn hao trong quá trình chuyển mạch phụ thuộc vào điện áp, dòng điện và số lần chuyển mạch trong chu kỳ điều khiển của các khóa công suất Đối với nghịch lưu 3 pha 5 bậc H-NPC, giá trị VCEi và VCEj không thay đổi Để giảm tổn hao, cần giảm tần suất chuyển mạch của các khóa tại thời điểm điện áp và dòng tải đạt cực đại, đặc biệt là ở pha có dòng tải cao nhất Giải pháp là điều chỉnh điện áp điều khiển về các ngưỡng sóng mang tương ứng với trị tuyệt đối của dòng tải Điện áp điều khiển pha x, ký hiệu là vx, được xác định theo công thức: v x = v 1,x cos(ωt + φ x ) + 2 + v offset, với các ngưỡng so sánh của sóng mang là 0, 1, 2, 3 và 4.
- φx: góc pha ban đầu của các pha
- x: là pha a, b, c Đặt Lxvà exnhư sau
L x = [ int(v x ) if int(v x ) < 4 int(v x ) − 1 else (3.18) ex= v x − L x (3.19)
Gọi IxABS là là giá trị tuyệt đối của dòng điện phax
Và các ma trận dòng điện được xác định từ công thức (3.20)đến công thức (3.25)
Hình 3.8:Nguyên lý của giải thuật đề xuất
Với Va, Vb, và Vc được thể hiện ở hình 38 a, có 4 trường hợp chúng ta có thể xác định được điện áp offset trong bảng 3.2
Hàm offset được xác định theo công thức (3.26):
- [𝑒 𝑚𝑖𝑛 ] 𝑇 : là ma trận chuyển vị của ma trận [emin]
- [𝑒 𝑚𝑒𝑑 ] 𝑇 : là ma trận chuyển vị của ma trận [emed]
- [𝑒 𝑚𝑎𝑥 ] 𝑇 : là ma trận chuyển vị của ma trận [emax]
Tính [I max ] [I min ] [I med ] (Công thức: 3.20, 3.21, 3.22)
Tính [e max ] [e min ] [e med ] (Công thức: 3.23, 3.24, 3.25)
Trong đó: vox: là tín hiệu điện áp điều khiển sau khi pha x (pha a, pha b, pha c) sau khi cộng thêm giá trị Offset
Giải thuật đề xuất sử dụng các lệnh cơ bản như cộng, trừ, nhân và so sánh mà không cần đến các hàm phi tuyến, giúp giảm thiểu thời gian tính toán khi triển khai Điều này làm cho giải thuật trở nên lý tưởng cho việc điều khiển vòng kín và các phương pháp điều khiển kỹ thuật khác.
3.6Mô phỏng giải thuật đề xuất trên bộ nghịch lưu ba pha năm bậc H-NPC 3.6.1Thông số mô phỏng
- Điện áp DC trên các nhánh:Vd = 200V
- Tín hiệu sóng điều khiển 3 pha lệch pha 120 o , tần số 50Hz
- Tần số sóng mang: 10Khz
- Tải 3 pha RL cụ thể R@Ω ; L=0.1H
Hình 3.10:Sơ đồ khối mô phỏng trong PSIM
KHỐI CÔNG SUẤT NGHỊCH LƯU 3 PHA 5 BẬC CẦU H - NPC
Hình 3.10 trình bày sơ đồ khối mô phỏng trên PSIM, bao gồm khối tạo sóng sin cải biến, khối sóng mang với tần số 10kHz, ba khối tạo xung kích a, b, c, khối nghịch lưu H-NPC, khối tải 3 pha và khối cảm biến dòng.
Sơ đồ nguyên lý mô phỏng trong PSIM như sau:
Hình 3.11:Mô hình mô phỏng bộ nghịch lưu 3 pha 5 bậc H-NPC giảm tổn hao 3.6.3 Chức năng các khối trong mô hình
3.6.3.1Khối tạo sóng điều khiển
Phát sóng điều khiển sin 3 pha, độ lệch pha nhau 120 0
Dạng sóng tạo áp điều khiển
Hình 3.13: Áp điều khiển 3 pha với dạng sóng sin cải biến
3.6.3.2Khối sóng mang và so sánh tạo xung kích
Khối tạo sóng mang và so sánh tạo xung kích:
Hình 3.14:Khối sóng mang và so sánh tạo xung kích
Hình 3.15:Dạng sóng xung kích pha A
3.7Kết quả mô phỏng với chỉ số điều chế m = 0.75 và tải R = 40Ω, L = 0,1H 3.7.1Kết quả mô phỏng
Điện áp pha 3 pha tâm nguồn
Hình 3.16:Dạng sóng điện áp pha A, B, C tâm nguồn
Hình 3.16 là điện áp tâm nguồn 3 pha với năm mức điện áp -200V; -100V; 0V; 100V; 200V nên gọi là năm bậc, với góc lệch pha 120 0 mỗi pha
Hình 3.18:Dạng sóng dòng điện tải 3 pha
Dòng điện tải pha A và điện áp tâm nguồn pha A
Hình 3.19:Dạng sóng điện áp tâm nguồn pha A và dòng điên pha A
Dòng điện tải pha B và điện áp tâm nguồn pha B
Hình 3.20:Dạng sóng điện áp tâm nguồn pha B và dòng điên pha B
Dòng điện tải pha C và điện áp tâm nguồn pha C
Hình 3.21:Dạng sóng điện áp tâm nguồn pha C và dòng điên pha C 3.7.2Phân tích FFT
Phân tích FFT điện áp và dòng điện tải pha a
Phân tích FFT áp tải pha A cho thấy THD đạt 2.26% với điện áp hiệu dụng 113V tại tần số 50Hz Đồng thời, phân tích FFT dòng điện tải pha A ghi nhận THD là 0.46%, với dòng điện hiệu dụng 2,24A cũng tại tần số 50Hz.
Với giải xuất đề xuất ở trên khi mô phỏng đạt được kết quả như sau:
- Điện áp nghịch lưu có 5 bậc tương ứng mức điện áp –200V; - 100V;
Các khóa công suất của pha A, B, C được điều chỉnh để giảm chuyển mạch khi giá trị tuyệt đối của dòng điện tải tại các pha này đạt mức cao nhất, nhằm đạt được mục tiêu đã đề ra trong nghiên cứu.
- Dòng điện tải khi xác lập sin hơn lúc dao động với chỉ số điều chế m = 0.75
Phân tích FFT điện áp tải cho thấy chỉ số THD đạt 2.26%, đáp ứng tiêu chuẩn Việt Nam Theo Thông tư 32 ngày 30/07/2010 của Bộ Công thương, tiêu chuẩn THD% cho mức điện áp trung và hạ áp không được vượt quá 6.5%.
Giải thuật đề xuất
Tổn hao trong chuyển mạch phụ thuộc vào điện áp, dòng điện và tần suất chuyển mạch của các khóa công suất Đối với nghịch lưu 3 pha 5 bậc H-NPC, giá trị VCEi và VCEj không thay đổi, do đó để giảm tổn hao, cần giảm tần suất chuyển mạch tại thời điểm điện áp và dòng tải đạt cực đại Giải thuật thực hiện sẽ dời điện áp điều khiển về các ngưỡng sóng mang theo trị tuyệt đối của dòng tải Điện áp điều khiển pha x ban đầu được ký hiệu là vx, trong khi vrx là điện áp điều khiển tính toán từ giải thuật Khi chọn điểm 0 là đáy của sóng mang và biên độ đỉnh các sóng mang tam giác đều bằng nhau, các ngưỡng so sánh sẽ là 0, 1, 2, 3 và 4 Điện áp điều khiển pha x được xác định theo công thức: v x = v 1,x cos(ωt + φ x ) + 2 + v offset.
- φx: góc pha ban đầu của các pha
- x: là pha a, b, c Đặt Lxvà exnhư sau
L x = [ int(v x ) if int(v x ) < 4 int(v x ) − 1 else (3.18) ex= v x − L x (3.19)
Gọi IxABS là là giá trị tuyệt đối của dòng điện phax
Và các ma trận dòng điện được xác định từ công thức (3.20)đến công thức (3.25)
Hình 3.8:Nguyên lý của giải thuật đề xuất
Với Va, Vb, và Vc được thể hiện ở hình 38 a, có 4 trường hợp chúng ta có thể xác định được điện áp offset trong bảng 3.2
Hàm offset được xác định theo công thức (3.26):
- [𝑒 𝑚𝑖𝑛 ] 𝑇 : là ma trận chuyển vị của ma trận [emin]
- [𝑒 𝑚𝑒𝑑 ] 𝑇 : là ma trận chuyển vị của ma trận [emed]
- [𝑒 𝑚𝑎𝑥 ] 𝑇 : là ma trận chuyển vị của ma trận [emax]
Tính [I max ] [I min ] [I med ] (Công thức: 3.20, 3.21, 3.22)
Tính [e max ] [e min ] [e med ] (Công thức: 3.23, 3.24, 3.25)
Trong đó: vox: là tín hiệu điện áp điều khiển sau khi pha x (pha a, pha b, pha c) sau khi cộng thêm giá trị Offset
Giải thuật đề xuất sử dụng các lệnh cơ bản như cộng, trừ, nhân và so sánh mà không cần đến các hàm phi tuyến, giúp giảm thiểu thời gian tính toán khi triển khai Điều này làm cho giải thuật trở nên lý tưởng cho việc điều khiển vòng kín và các ứng dụng kỹ thuật khác nhau.
Mô phỏng giải thuật đề xuất trên bộ nghịch lưu ba pha năm bậc H-NPC
- Điện áp DC trên các nhánh:Vd = 200V
- Tín hiệu sóng điều khiển 3 pha lệch pha 120 o , tần số 50Hz
- Tần số sóng mang: 10Khz
- Tải 3 pha RL cụ thể R@Ω ; L=0.1H
Hình 3.10:Sơ đồ khối mô phỏng trong PSIM
KHỐI CÔNG SUẤT NGHỊCH LƯU 3 PHA 5 BẬC CẦU H - NPC
Hình 3.10 trình bày sơ đồ khối mô phỏng trên PSIM, bao gồm các thành phần như khối tạo sóng Sin cải biến, khối sóng mang tần số 10kHz, ba khối tạo xung kích a, b, c, khối nghịch lưu H-NPC, khối tải 3 pha và khối cảm biến dòng.
Sơ đồ nguyên lý mô phỏng trong PSIM như sau:
Hình 3.11:Mô hình mô phỏng bộ nghịch lưu 3 pha 5 bậc H-NPC giảm tổn hao 3.6.3 Chức năng các khối trong mô hình
3.6.3.1Khối tạo sóng điều khiển
Phát sóng điều khiển sin 3 pha, độ lệch pha nhau 120 0
Dạng sóng tạo áp điều khiển
Hình 3.13: Áp điều khiển 3 pha với dạng sóng sin cải biến
3.6.3.2Khối sóng mang và so sánh tạo xung kích
Khối tạo sóng mang và so sánh tạo xung kích:
Hình 3.14:Khối sóng mang và so sánh tạo xung kích
Hình 3.15:Dạng sóng xung kích pha A
3.7Kết quả mô phỏng với chỉ số điều chế m = 0.75 và tải R = 40Ω, L = 0,1H 3.7.1Kết quả mô phỏng
Điện áp pha 3 pha tâm nguồn
Hình 3.16:Dạng sóng điện áp pha A, B, C tâm nguồn
Hình 3.16 là điện áp tâm nguồn 3 pha với năm mức điện áp -200V; -100V; 0V; 100V; 200V nên gọi là năm bậc, với góc lệch pha 120 0 mỗi pha
Hình 3.18:Dạng sóng dòng điện tải 3 pha
Dòng điện tải pha A và điện áp tâm nguồn pha A
Hình 3.19:Dạng sóng điện áp tâm nguồn pha A và dòng điên pha A
Dòng điện tải pha B và điện áp tâm nguồn pha B
Hình 3.20:Dạng sóng điện áp tâm nguồn pha B và dòng điên pha B
Dòng điện tải pha C và điện áp tâm nguồn pha C
Hình 3.21:Dạng sóng điện áp tâm nguồn pha C và dòng điên pha C 3.7.2Phân tích FFT
Phân tích FFT điện áp và dòng điện tải pha a
Trong hình 3.22, phân tích FFT cho thấy áp tải pha A có THD là 2.26% và điện áp hiệu dụng đạt 113V tại tần số 50Hz Đồng thời, phân tích FFT dòng điện tải pha A cho kết quả THD là 0.46% với dòng điện hiệu dụng là 2,24A, cũng tại tần số 50Hz.
Kết luận
Với giải xuất đề xuất ở trên khi mô phỏng đạt được kết quả như sau:
- Điện áp nghịch lưu có 5 bậc tương ứng mức điện áp –200V; - 100V;
Các khóa công suất của pha A, B, C được giảm chuyển mạch khi giá trị tuyệt đối dòng điện tải của các pha này đạt mức cao nhất, nhằm đạt được mục tiêu đã đề ra trong nghiên cứu.
- Dòng điện tải khi xác lập sin hơn lúc dao động với chỉ số điều chế m = 0.75
Phân tích FFT điện áp tải cho thấy chỉ số THD đạt 2.26%, đáp ứng tiêu chuẩn Việt Nam Theo thông tư 32 ngày 30/07/2010 của Bộ Công thương, tiêu chuẩn THD% cho mức điện áp trung và hạ áp không được vượt quá 6.5%.
MÔ HÌNH VÀ KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM
Sơ đồ khối mô hình thực nghiệm
Hình 4.1:Sơ đồ tổng thể mô hình thực nghiệm.
Sơ đồ nguyên lý và thực nghiệm các khối
Để lấy kết quả thực nghiệm tác giả đã sử dụng mô hình nghịch lưu 3 pha
NPC 5 bậc cầu H trên phỏng Điện tử công suất D405
Ngoài ra tác giả đã xây dựng thêm phần hồi tiếp sử dụng cảm biến dòng
ACS712 và mạch khuếch đại tín hiệu cảm biến dùng IC khuếch đại thuật toán
Hệ thống bao gồm 24 IGBT được bố trí theo dạng ba pha, mỗi pha gồm 8 IGBT Việc điều khiển các IGBT cho phép chuyển đổi điện áp DC thành điện áp AC với tần số và điện áp mong muốn Để cải thiện hiệu suất và giảm nhiệt, các IGBT được gắn với nhôm tản nhiệt Trong nghiên cứu này, tác giả đã áp dụng công nghệ IGBT.
Các tụ điện được sử dụng để chia điện áp DC thành hai mức, kết hợp với việc đóng cắt các khóa và diode kẹp NPC, tạo ra năm mức điện áp tương ứng với nghịch lưu năm bậc.
Hình 4.2:Sơ đồ nguyên lý và ảnh thực tế board mạch công suất
IGBTFGA25N120 là linh kiện đóng ngắt đã được tính hợp sẵn 1 IGBT và 1 diode công suất được mắc như hình 4.3
Hình 4.3:Sơ đồ chân và hình dạng của IGBT FGA25N120 Đây là loại linh kiện công suất lớn, ở 25 0 C có thể chịu được dòng 25A và điện áp 1200V
Khối này tác giả sử dụng mô hình trên phòng điện tử công suất D405
Có chức năng chuyển đổi tín hiệu điều khiển từ mức 3.3V của DSP sang 15V để kích cho các IGBT
Với các IGBT nhánh dưới thì ngõ vào được đưa qua cổng đảo
Hình 4.5:Sơ đồ mạch driver thực nghiệm
Khi thay đổi trạng thái xung điều khiển ngõ vào các opto, các ngõ ra opto chuyển đổi giữa trạng thái đóng và ngắt Tuy nhiên, với xung PWM có tốc độ đóng ngắt nhanh, thời gian đóng ngắt tf và trr có thể không kịp, dẫn đến hiện tượng trùng dẫn trong việc đóng ngắt các khóa IGBT Để khắc phục vấn đề này, cần thiết lập một mạch deadtime, cho phép opto ngắt hoàn toàn trước khi opto khác dẫn Nếu deadtime được chọn quá lớn, có thể gây ra hiện tượng sai lệch độ rộng xung kích cho IGBT Thực tế, việc chọn deadtime khoảng 2 - 4 μs sẽ giúp tránh được các vấn đề này.
Khối này tác giả sử dụng mô hình trên phòng điện tử công suất D405
Có nhiệm vụ tạo ra điện áp DC để duy trì hoạt động cho mạch kích và mạch đệm.
Hình 4.6:Sơ đồ nguyên lý mạch nguồn
Hình 4.7:Sơ đồ mạch nguồn thực nghiệm
Khối này tác giả sử dụng mô hình trên phòng điện tử công suất D405
4.2.5 Khối điều khiển (DSP TMS320F28335)
Hình 4.8:Kit vi xử lý DSP TMS320F28335
4.2.5.1 Các đặc điểm cơ bản của F28335:
- Công nghệ CMOS tĩnh hiệu suất cao
- Tần số xung clock 150MHz (Thời gian quét chu trình 6.67 ns)
- Thiết kế điện áp lõi 1.9V/1.8V, I/O 3.3/5V
- CPU 32 bit hiệu suất cao
- Kiểu bộ nhớ chương trình thống nhất
- Tương kích mã chương trình C/C++ và Assembly
- Bộ điều khiển DMA sáu kênh (cho ADC, McBSP, ePWM, XINTF và
- GPIO0 đến GPIO63 (General-Purpose IO) chân có thể kết nối đến 1 trong 8 ngắt bên ngoài
- Có đến 12 ngõ ra PWM
- Có 8 bộ đếm thời gian 32 bit, 16 bit
- Port nối tiếp ngoại vi Có hai CAN modules, Có 3 SCI (UART) Modules
4.2.5.2 Đặc điểm thiết kế phần cứng
Các chân 00 đến 11 là ePWM của 2 kênh A và B , chân 12 đến 17 là HRPWM, có 2 nhóm ADC kênh A và kênh B , còn lại là các GPIO
4.2.6 Khối cảm biến và khuếch đại tín hiệu cảm biến dòng
Dùng để biến đổi tín hiệu dòng điện từ ngõ ra thành tín hiệu điện áp và được khuếch đại và đưa về Kít DSP để xử lý
Sơ đồ nguyên lý mạch
Hình 4.10:Sơ đồ nguyên lý mạch khuếch đại tín hiệu cảm biến dòng
- Op amp 1: là mạch trừ, có nhiệm vụ dời điện áp về trên mức 0
- Op amp 2: là mạch khuếch đại không đảo có nhiệm vụ khuếch đại tín hiệu, với hệ số khuếch đại là: A v =1+ 𝐑 𝟐
Với R1=1.2KΩ, R2=1.2KΩ, ta có hệ số khuếch đại A v =2
Modul cảm biến dòng ACS 712
- Sai số điện áp đầu ra 1.5% ở 25 0 C
- Với loại ACS712-5A dòng đo tối đa là 5A và độ nhạy đầu ra 185 mV/A
Hình 4.12:Sơ đồ thực nghiệm mạch cảm biến dòng
Dùng để lọc tín hiệu cảm biến dòng sau khi qua mạch khuếch đại tín hiệu cảm biến
Hình 4.13:Sơ đồ nguyên lý thực nghiệm mạch lọc.
Tổng thể mô hình thực nghiệm
4.3.1 Mô hình thực nghiệm sử dụng tải điện trở và cuộn cảm R@Ω,
Hình 4.14:Mô hình tổng thể thực nghiệm
4.3.2 Các thiết bị đo hỗ trở cho phần thực nghiệm
4.3.3 Tải điện trở và cuộn cảm.
Kết quả mô phỏng và thực nghiệm
- Điện áp DC trên các nhánh: V d = 200V
- Tín hiệu sóng điều khiển 3 pha lệch pha 120 o , tần số 50Hz
- Tần số sóng mang: 10Khz
- Tải 3 pha RL cụ thể R@Ω ; L=0.1H
Hình 4.17:Dạng sóng xung kích
Từ trên xuống dưới, từ trái qua phải tương ứng với các IGBT Sa11, Sa12, Sa13, Sa14 của pha A
4.4.2Điện áp pha tâm nguồn
Dạng sóng điện áp pha A tâm nguồn
Hình 4.21 (a) trình bày kết quả mô phỏng và (b) là kết quả thực nghiệm của sóng pha A tại tâm nguồn với 5 mức điện áp: +200V, +100V, 0V, -100V, -200V Kết quả thực nghiệm cho thấy sự tương đồng tương đối tuyến tính với kết quả mô phỏng.
Dạng sóng điện áp pha b tâm nguồn
Hình 4.19:Dạng sóng điện áp pha B tâm nguồn
Hình 4.22 (a) kết quả moo phỏng và (b) kết quả thực nghiệm dạng sóng điện áp pha
B tâm nguồn, cũng tương tự như pha B, có 5 mức điện áp và kết quả thực nghiệm và kết quả mô phỏng tuyến tính với nhau
Dạng sóng điện áp pha c tâm nguồn
Hình 4.20:Dạng sóng điện áp pha C tâm nguồn
Hình 4.23 (a) và (b) thể hiện hai pha a và b với 5 mức điện áp, cho thấy sự tương đồng giữa thực nghiệm và mô phỏng Tuy nhiên, ba pha này lại lệch pha nhau 120 độ điện.
Dạng sóng điện áp 3 pha tâm nguồn
Hình 4.21:Điện áp tâm nguồn 3 pha
Hình 4.24 (a) là kết quả mô phỏng và (b) là kết quả thực nghiệm điện áp 3 pha tâm nguồn
4.4.3Điện áp pha tâm tải
Dạng sóng điện áp tải pha A
Hình 4.25 Là điện áp pha A tâm tải : (a) kết quả mô phỏng, (b) kết quả thực nghiệm, hai kết quả tương đối tuyến tính với nhau
Dạng sóng điện áp tải pha B
Hình 4.23:Kết quả mô phỏng và thực nghiệm điện áp pha B tâm tải
Hình 4.26 là dạng sóng điện áp pha B tâm tải, (a) là kết quả mô phỏng và (b) là kết quả thực nghiệm, hai kết quả tương đối tuyến tính với nhau
Dạng sóng điện áp tải pha C
Hình 4.24:Là dạng sóng điện áp pha c tâm tải
Hình 4.27 là kết quả điện áp pha C tâm tải, (a) là kết quả mô phỏng và (b) là kết quả thực nghiệm
Dạng sóng điện áp tải 3 pha
Hình 4.25: Kết quả dạng sóng điện áp 3 pha tâm tải, mô phỏng và thực nghiệm
Hình 4.28 (a) kết quả mô phỏng và (b) kết quả thực nghiệm điện áp 3 pha tâm nguồn
Dạng sóng điện áp dây tải 3 pha
Hình 4.27:Kết quả dạng sóng dòng điện 3 pha, mô phỏng và thực nghiệm
Hình 4.30 (a) kết quả mô phỏng và (b) kết quả thực nghiệm dòng điện 3 pha
4.4.5 Điện áp tâm nguồn với dòng điện 3 pha
Điện áp tâm nguồn pha A với dòng điện 3 pha
Hình 4.28: Kết quả dạng sóng dòng điện 3 pha và điện áp tâm nguôn pha A, mô phỏng và thực nghiệm
Hình 4.31 (a) trình bày kết quả mô phỏng và (b) là kết quả thực nghiệm của dòng điện 3 pha Qua hình ảnh, có thể nhận thấy rằng các khóa công suất của pha A đã giảm chuyển tại vị trí dòng điện pha.
A (dòng điện màu cam) là lớn nhất và nhỏ nhất
Điện áp tâm nguồn pha B với dòng điện 3 pha
Hình 4.29 trình bày kết quả dạng sóng của dòng điện 3 pha và điện áp pha B, bao gồm cả mô phỏng và thực nghiệm Trong khi đó, Hình 4.32 (a) thể hiện kết quả mô phỏng và (b) cho thấy kết quả thực nghiệm của dòng điện 3 pha.
Điện áp tâm nguồn pha C với dòng điện 3 pha
4.4.6Độ lệch pha của dòng điện và điện áp
Hình 4.31: Kết quả thực nghiệm
Hình 4.34: là kết quả thực nghiệm thể hiện góc lệch pha của 3 pha, mỗi pha lệch pha nhau 120 0 điện
4.4.7Phân tích FFT điện áp pha A tâm tải
Kết quả mô phỏng và thực nghiệm :
Hình 4.32:Kết quả mô phỏng và thực nghiệm
Hình 4.35 trình bày kết quả mô phỏng và thực nghiệm, trong đó (a) là kết quả mô phỏng và (b) là kết quả thực nghiệm Kết quả cho thấy điện áp tải THD giữa mô phỏng và thực nghiệm có sự tương đồng khá gần, trong khi đó dòng điện giữa hai phương pháp này lại có sự khác biệt.
4.4.8 Thông số thực nghiêm điện áp pha, THD%, số lần chuyển mạch theo chỉ số m của giải thuật đề xuất
Chỉ số m Điện áp tải rms
(V) THD (%) Số lần chuyển mạch trên 1 chu kỳ
Bảng 4.1:Giá trị điện áp, THD%, số lần chuyển mạch theo chỉ số m
Đặc tuyến điều khiển điện áp tải theo chỉ số điều chế m
Hình 4.33:Đặc tuyến điều khiển áp tải hiệu dụng pha A theo chỉ số m
Từ hình 4.36 ta thấy rằng điện áp ra lớn nhất tại chỉ số điều chế m=1
Đặc tuyến THD% điện áp pha theo chỉ số điều chế m
Dien ap hieu dung pha (V)
Đặc tuyến số lần chuyển mạch trong 1 chu kỳ theo chỉ số điều chế m
Hình 4.35:Đặc tuyến sô lần chuyển mạch trên 1 chu kỳ 1 pha theo chỉ số m
Theo các đặc tuyến từ hình 4.36 đến 4.38, chỉ số điều chế m tối ưu là 0.75, vì nó mang lại điện áp ra lớn nhất và số lần chuyển mạch của các khóa công suất nhỏ nhất, đồng thời vẫn đảm bảo tiêu chuẩn THD% theo quy định của Việt Nam [12].
4.4.9 So sánh giải thuật đề xuất với các kết quả đã công bố ở Việt Nam
Bảng thông sô THD% và số lần chuyển mạch của giải thuật đề xuất và giải thuật Min Common Mode
Số lần chuyển mạch GT-MinCM
Bảng 4.2:Thông sô THD%, số lần chuyển mạch của giải thuật đề xuất và giải thuật
So sánh đặc tuyến số lần chuyển mạch của giải thuật đề xuất và giải thuật Min CM
Hình 4.36:So sánh số lần chuyển mạch của giải thuật đề xuất và giải thuật
Từ hình 4.39 ta thấy rằng giải thuật đề xuất có số lần chuyên mạch giảm đi 25% so với giải thuật Min Common Mode
So sánh đặc tuyến THD% của giải thuật đề xuất và giải thuật Min Common Mode
Theo hình 4.40, tỷ lệ THD% của thuật toán đề xuất vượt trội hơn so với thuật toán Min Common Mode, nhưng vẫn tuân thủ tiêu chuẩn Việt Nam với chỉ số điều chế m nằm trong khoảng từ 0.4 đến 0.8.
Kết luận
Khi sử dụng giải thuật đề xuất cho bộ nghịch lưu 5 bậc cầu H – NPC ta nhận thấy rằng:
- Kết quả mô phỏng gần giống với kết quả thực nghiệm
- Số lần chuyển mạch giảm đi 25% so với các giải thuật đã nêu trước đó
Các khóa công suất không chuyển mạch hoạt động tại vị trí có dòng điện cao nhất, giúp giảm tổn hao do chuyển mạch Điều này dẫn đến việc nâng cao hiệu suất của mạch, theo công thức 3.15.
- Từ kết quả ta thấy rằng chỉ số điều chế m tối ưu nhất tại giá trị 0.75
- Các giá trị THD% của điện áp và dòng điện vẫn đảm bảo theo tiêu chuẩn của Việt Nam[8].
