46318176 Tieu Luan Dien Tu Cong Suat Nang Cao

Trường Đại Học Bách Khoa TP.HCM Khoa Điện – Điện Tử Ngành Thiết Bị, Mạng & Nhà Máy Điện

1

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

Phạm Hoàng Anh – MSHV : 10180070

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

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

I. GIỚI THIỆU

1. Kỹ thuật PWM (Pulse Width Modulation) Kỹ thuật điều chế độ rộng xung.

Các bộ nghịch lưu áp thường điều khiển dựa theo kỹ thuật điều chế độ rộng xung PWM và qui tắc kích đóng đối nghịch. Qui tắc kích đóng đối nghịch đảm bảo dạng áp tải được điều khiển tuân theo giản đồ kích đóng công tắc và kỹ thuật điều chế độ rộng xung có tác dụng hạn chế tối đa các ảnh hưởng bất lợi của sóng hài bậc cao xuất hiện ở phía tải.

Hình 1 – Sơ đồ kết nối giữa lưới và bộ điều khiển PWM NPC 3 bậc

Phụ thuộc vào phương pháp thiết lập giản

đồ kích đóng các công tắc trong bộ nghịch lưu áp, ta có thể phân biệt các dạng điều chế độ rộng xung khác nhau. Tài liệu [1] – Tr.205

2. Phương pháp điều chế vector không

gian – Space vector modulation – space vector PWM

Phương pháp điều chế vector không gian xuất phát từ các ứng dụng của vector không gian trong máy điện xoay chiều, sau đó được mở rộng triển khai trong các hệ thống điện 3 pha. Phương pháp điều chế vector không gian và các dạng cải biến của nó có tính hiện đại, giải thuật dựa chủ yếu vào kỹ thuật số và là các phương pháp được sử dụng phổ biến nhất hiện nay trong lãnh vực điện tử công suất liên quan đến điều khiển các đại lượng xoay chiều ba pha như điều khiển truyền động điện xoay chiều, điều khiển các mạch lọc tích cực, điều khiển các thiết bị công suất trên hệ thống truyền tải điện. Tài liệu [1] – Tr.218, Tr.255

II. TÍNH TOÁN, MÔ PHỎNG MATLAB A. Bộ biến tần 3 pha 2 bậc :

Hình 2 – Sơ đồ mô phỏng

1. Các tham số Bộ nghịch lưu áp 3 pha hai bậc sử dụng

linh kiện lý tưởng. Tài liệu [2] – Tr.5-5; [3] – Tr.5 Điện áp dây ngõ ra 4.160V Công suất ngõ ra S = 1MVA Điện áp nguồn dc bộ nghịch lưu không thay

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

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

2. Tính toán

Xác định điện áp dc để có thể tạo điện áp dây tải 푈 = 4.160V với chỉ số m = 1 P= S×cosu = 3 × 푈 × I ×cosu (A - 1) Q=S×sinu= 3 × 푈 × I × sinu (A - 2) Dòng điện trên 1 pha tải → 퐼 =

× = ×

×√

= × .

× .√

=0,1249 A

→ 퐼 =×

= ×

×√

= × .

× .√

=0,0605 A

Tổng trở trên 1 pha tải → 푅 =푅 =푅 = = .

, ×√ = 19.229 Ω

Tổng cảm trên 1 pha tải → 푋 =푋 =푋 = = .

, ×√ = 39.699 Ω

→ 퐿 =퐿 =퐿 =×π = 126,36 H

푉 , 푉 , 푉 Điện áp pha tâm nguồn 푉 , 푉 , 푉 Điện áp dây tải 푉 = , Điện áp common mode


2

Tải 3 pha cân bằng 푉 = 푉 = 푉 =푉 - 푉 =푉 - 푉 = 푉 - 푉 Trị hiệu dụng áp pha tải :

푈 = 푉 (A – 3)

→ 푉 = 푈 = × . = 6240 V

Thực hiện mô phỏng kỹ thuật PWM dùng sóng mang

Hình 3 – Sơ đồ mô phỏng kỹ thuật PWM

a/ fo=50Hz, fsw=900Hz, m=0.7, Ts=1.11ms b/ fo=50Hz, fsw=900Hz, m=0.5, Ts=1.11ms c/ fo=50Hz, fsw=900Hz, m=0.2, Ts=1.11ms d/ fo=30Hz, fsw=900Hz, m=0.9, Ts=1.11ms e/ fo=10Hz, fsw=900Hz, m=0.9, Ts=1.11ms

Phổ biên độ dòng tải 퐼 , áp dây 푉 , áp nghịch lưu 푉 được trình bày trong phần báo cáo kết quả A.

Phân tích phổ sóng hài

Với sự ứng dụng các linh kiện điện tử công

suất tần số đóng ngắt cao, thành phần hài bậc cao của áp ra có thể bị loại bỏ hoặc giảm bớt đáng kể bằng kĩ thuật đóng ngắt. Các thuật toán PWM tối ưu được đề xuất phần lớn đều xét đến khía cạnh sóng hài. Tài liệu [2] Tr.5-1

Kết quả mô phỏng các đại lượng phổ biên độ dòng tải 퐼 , áp dây 푉 , áp nghịch lưu 푉 được trình bày trong phần báo cáo kết quả A.

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

Cascade


1. Các tham số

Bộ nghịch lưu 5 bậc dạng cascade H-bridge

Tài liệu [1] – Tr.253; [3] – Tr.14 Điện áp hiệu dụng dây của nghịch lưu

2300V

Công suất ngõ ra ba pha nghịch lưu 2MVA Tần số áp ra 50 Hz Điện áp dc hằng số cần xác định Tải RL cân bằng hệ số công suất 0.9, tần số

định mức 50 Hz. Với giá trị xác định của tham số tải, tham số RL được giữ không đổi cho các chế độ làm việc khác nhau.

2. Tính toán

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

Hình 6 – Giản đồ vector không gian điện áp

Xác định giá trị điện áp 푉 của mỗi cell ( E ) của mỗi mạch H – bridge cascade sao cho điện áp dây tạo ra của bộ nghịch lưu có thành phần hài cơ bản đạt trị hiệu dụng 2.300V ứng với chỉ số điều chế m=1 P= S×cosu = 3 × 푈 × I × cosu (B – 1) Q=S×sinu= 3 × 푈 × I × sinu (B – 2) Dòng điện trên 1 pha tải → 퐼 =

× = ×

×√

= × .

× .√

=0,4518 A

→ 퐼 =×

= ×

×√

= × .

× .√

=0,2189 A


, ×√ = 2.939 Ω


, ×√ = 6.066 Ω

→ 퐿 =퐿 =퐿 =×π = 19,31 H

Điện áp 1 nhánh nghịch lưu 푉 = 푉 - 푉 + 푉 - 푉 Biên độ điện áp tải Max 푉 = 2푉 (B – 3) → 푉 = = 1150 V Thiết lập bảng 1 : Hàm giá trị của áp nghịch lưu theo các trạng thái áp/ trạng thái đóng ngắt các cặp linh kiện


3

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

푉 có thể đạt các giá trị khác nhau −2푉 , −푉 , 0, 푉 , 2푉 .

Bảng 1 – Trạng thái áp/ Trạng thái đóng ngắt

Bảng trạng thái áp/ trạng thái đóng ngắt linh

kiện trên 1 pha áp ra được mô tả chi tiết trong phần báo cáo kết quả B. Phân tích kết quả bảng 1

Bảng 1 biểu diễn mức điện áp nghịch lưu 푉 , liệt kê các trạng thái đóng ngắt và trạng thái đóng ngắt của các cặp linh kiện tương ứng. Có 5 bậc điện áp khác nhau thứ tự từ trên xuống −2푉 , −푉 , 0, 푉 , 2푉 . Bậc đầu tiên có 1 cách đóng ngắt linh kiện. Bậc thứ 2 có 4 cách đóng ngắt. Bậc thứ 3 có 6 cách đóng ngắt. Bậc thứ 4 có 4 cách đóng ngắt. Bậc thứ 5 có 1 cách đóng ngắt.

Với các giá trị áp nghịch lưu yêu cầu nằm trong phạm vi cho trước của bảng 1, chọn các trạng thái tích cực và xác định hàm áp điều khiển cho các cặp linh kiện ξ. Giải tích hàm điều khiển cho toàn miền hoạt động của áp nghịch lưu. Kết quả ghi vào bảng 2

Việc chọn các trạng thái tích cực để có số chuyển mạch nhỏ nhất trong 1 lần chuyển trạng thái đóng ngắt các cặp linh kiện. Điều này dẫn đến giảm tổn hao đóng ngắt trên linh kiện. Tuỳ thuộc vào mục đích yêu cầu sử dụng thực tế mà ta chọn trạng thái, không bắt buộc chọn trạng thái tích cực để giảm tổn hao đóng cắt đến mức tối đa.

푉 = 푉 × ( 휉 - 휉 + 휉 - 휉 ) (B – 4)

Bảng 2 – Kết quả Các trạng thái tích cực (0, 푉 , 0, 푉 )→ (0, 푉 , 0, 0)→ (0, 푉 , 푉 , 0) → (0, 0, 푉 , 0)→ (푉 , 0, 푉 , 0)

Bảng 2 được mô tả chi tiết trong phần báo cáo kết quả B.

Sử dụng giải thuật PWM ở bảng 2, thực hiện mô phỏng với kỹ thuật điều chế độ rộng xung sóng mang cho chế độ hoạt động fo=50 Hz, fsw=720, m=0.9. Hàm áp nghịch lưu được thiết kế với điện áp common mode trung bình ( medium common mode ) Vẽ điện áp hài cơ bản, điện áp offset và hàm điện áp nghịch lưu.

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

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

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

Phổ biên độ được mô tả chi tiết trong phần báo cáo kết quả B. So sánh kết quả từ 2 kết quả trên

Hình 7 – Kết quả 1

Hình 8 – Kết quả 2

Tần số sóng mang càng cao, chu kì đóng

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


4

C. Bộ biến tần 3 pha 4 bậc dạng Multilevel Diode Clamped


1. Các tham số Bộ nghịch lưu 4 bậc dạng diode kẹp. Tài liệu

[1] Tr.193; [3] Tr.28 Điện áp hiệu dụng dây của nghịch lưu 6.6kV Công suất ngõ ra ba pha nghịch lưu 5MVA Tần số áp ra 50Hz Điện áp Vdc hằng số, cần xác định Sử dụng ba nguồn Vdc như nhau Tải ba pha RL cân bằng với hệ số công suất

cosu=0.9 ở tần số 50Hz. Với giá trị RL tính toán được, giữ không thay đổi tham số tải RL cho các chế độ làm việc khác nhau

2. Tính toán

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

Hình 10 – Giản đồ vector không gian điện áp

Xác định điện áp nguồn Vdc tổng sao cho trị hiệu dụng của thành phần cơ bản của điện áp dây tải có độ lớn 6.6kV ứng với chỉ số điều chế m=1 P= S×cosu = 3 × 푈 × I × cosu (C – 1) Q=S×sinu= 3 × 푈 × I × sinu (C – 2)

Dòng điện trên 1 pha tải → 퐼 =

× = ×

×√

= × .

× .√

=0,3936 A

→ 퐼 =×

= ×

×√

= × .

× .√

=0,1907 A


, ×√ = 9.681 Ω


, ×√ = 19.982 Ω

→ 퐿 =퐿 =퐿 =×π = 63,6 H

Điện áp 1 nhánh nghịch lưu 푉 = 푉 + 푉 + 푉 Biên độ điện áp tải Max 푉 = 2푉 (C – 3) → 푉 = = 2200 V Thiết kế kỹ thuật PWM cho bộ nghịch lưu bằng phương án sử dụng kỹ thuật PWM nhiều sóng mang

Hình 11 – Giải thuật PWM 3 sóng mang

Thực hiện mô phỏng cho trường hợp

fo=50Hz, fsw=900Hz và m=0.9; hàm offset chọn theo chế độ common mode trung bình (medium common mode)

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

Kết quả đồ thị dạng sóng xung kích các cặp linh kiện 푉 , 푉 , 푉 , 푉 , 푉 , 푉 điện áp pha nghịch lưu 푉 , điện áp dây nghịch lưu 푉 , phân tích phổ FFT cho các dạng áp nghịch lưu được mô tả chi tiết trong phần báo cáo kết quả C.

Thiết kế kỹ thuật PWM cho bộ nghịch lưu bằng phương án lập bảng hàm áp nghịch lưu và thiết lập hàm áp điều khiển từng cặp linh kiện bộ nghịch lưu


5

Hình 12 – Giải thuật SVPWM

푉 = 푉 × ( 휉 + 휉 + 휉 )

Bảng 1 – Các trạng thái đóng ngắt

Bảng 2 – Kết quả

Thực hiện mô phỏng cho trường hợp

fo=50Hz, fsw=900Hz và m=0.9; hàm offset chọn theo chế độ common mode trung bình (medium common mode)

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

Kết quả đồ thị dạng sóng xung kích các cặp linh kiện 푉 , 푉 , 푉 , 푉 , 푉 , 푉 điện áp pha nghịch lưu 푉 , điện áp dây nghịch lưu 푉 , phân tích phổ FFT cho các dạng áp nghịch lưu được mô tả chi tiết trong phần báo cáo kết quả C.

III. KẾT QUẢ Phần A, cơ bản trình bày cách sử dụng kỹ

thuật PWM, tính toán, mô phỏng bộ biến tần 3 pha 2 bậc, vẽ đồ thị áp, phổ biên độ sóng hài.

Phần B, cơ bản trình bày cách sử dụng kỹ thuật PWM, tính toán, mô phỏng bộ biến tần 3 pha 5 bậc dạng H – bridge Cascade, vẽ đồ thị áp, phổ biên độ sóng hài.

Phần C, cơ bản trình bày cách sử dụng kỹ thuật PWM, tính toán, mô phỏng bộ biến tần 3 pha 4 bậc dạng Multilevel Diode Clamped, vẽ đồ thị áp, phổ biên độ sóng hài.

Tần số sóng mang cao, tần số đóng cắt các valve điều khiển áp DC của IGBT lớn, dạng sóng áp ra chất lượng (gần sin). Tần số đóng cắt thiết bị cao, nhiệt độ trên linh kiện tăng, tuổi thọ linh kiện giảm.

IV. KẾT LUẬN

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

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

V. TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1] PGS. TS. Nguyễn Văn Nhờ, “Giáo Trình Điện Tử Công Suất 1”, Khoa Điện – Điện Tử Đại Học Bách Khoa TP.HCM [2] “Bài Giảng Điện Tử Công Suất 1”, Khoa Điện – Điện Tử Đại Học Bách Khoa TP.HCM [3] PGS. TS. Nguyễn Văn Nhờ, “Kỹ Thuật Điều Chế PWM Cho Biến Tần Đa Bậc”, Khoa Điện – Điện Tử Đại Học Bách Khoa TP.HCM


6

BÁO CÁO KẾT QUẢ PHẦN A

KỸ THUẬT ĐIỀU CHẾ PWM BIẾN TẦN 3 PHA 2 BẬC


7

THÍ NGHIỆM MÔ PHỎNG A 1 → 3

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

Hình A2 - Kỹ thuật sóng mang


8

A. fo=50Hz, fsw=900Hz, m=0.7, Ts=1.11ms

Phổ biên độ sóng hài dòng tải 퐼

Phổ biên độ sóng hài áp tải 푉

Phổ biên độ sóng hài áp dây nghịch lưu 푉

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





9

C. fo=50Hz, fsw=900Hz, m=0.2, Ts=1.11ms




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





10

E. fo=10Hz, fsw=900Hz, m=0.9, Ts=1.11ms





11

BÁO CÁO KẾT QUẢ

PHẦN B KỸ THUẬT ĐIỀU CHẾ PWM

BIẾN TẦN 5 BẬC DẠNG CASCADE H - BRIDGE


12

THÍ NGHIỆM MÔ PHỎNG B 1 → 5

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

Bảng 1 – Trạng thái áp/ Trạng thái đóng ngắt 1 pha Từ công thức : 푉 = 푉 × ( 휉 - 휉 + 휉 - 휉 ) Ta có bảng chuyển đổi trạng thái sau.


Mức điện áp nghịch lưu

푉 Các trạng thái đóng ngắt tương ứng Trạng thái đóng ngắt của các cặp linh

kiện 푆 = (s11,s21,s31,s41) Ghi chú

-2푉 (0, 푉 , 0, 푉 ) s11 = Off, s21 = On, s31 = Off, s41 = On × 1

-푉

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

(푉 , 푉 , 0, 푉 )

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

× 4

0

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

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

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

× 6

푉

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

(푉 , 푉 , 푉 , 0)

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

× 4

-2푉 (푉 , 0, 푉 , 0) s11 = On, s21 = Off, s31 = On, s41 = Off × 1

Phạm vi thay đổi của 푉

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

Hàm áp điều khiển của các cặp linh kiện j Ghi chú

(-2푉 , -푉 ) (0, 푉 , 0, 푉 ) (0, 푉 , 0, 0)

휉 =

(-푉 , 0) (0, 푉 , 0, 0) (0, 푉 , 푉 , 0)

휉 =

(0, 푉 ) (0, 푉 , 푉 , 0) (0, 0, 푉 , 0)

휉 =

(푉 , 2푉 ) (0, 0, 푉 , 0) (푉 , 0, 푉 , 0)

휉 =


13

THÍ NGHIỆM MÔ PHỎNG B 6


Phổ biên độ sóng hài áp H-bridge 푉


Phổ biên độ sóng hài áp pha tâm nguồn 푉



14

THÍ NGHIỆM MÔ PHỎNG B 7







15

BÁO CÁO KẾT QUẢ

PHẦN C KỸ THUẬT ĐIỀU CHẾ PWM

BIẾN TẦN 4 BẬC DẠNG MULTILEVEL DIODE CLAMPED


16

THÍ NGHIỆM MÔ PHỎNG C 1 → 2

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

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

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

Phạm vi thay đổi của 푉

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

Hàm áp điều khiển của các cặp linh kiện j

(2푉 , 3푉 ) (푉 , 푉 , 푉 ) (0, 푉 , 푉 )

휉 =

(푉 , 2푉 ) (0, 푉 , 푉 ) (0, 0, 푉 )

휉 =

(0, 푉 ) (0, 0, 푉 ) (0, 0, 0)

휉 =


Mức điện áp nghịch lưu 푉

Các trạng thái đóng ngắt tương ứng

3푉 (푉 , 푉 , 푉 )

2푉 (0, 푉 , 푉 )

푉 (0, 0, 푉 )

0 (0, 0, 0)


17

THÍ NGHIỆM MÔ PHỎNG C 3 → 4

THÍ NGHIỆM MÔ PHỎNG C 3 KỸ THUẬT PWM NHIỀU SÓNG MANG

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




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





18

THÍ NGHIỆM MÔ PHỎNG C 4 KỸ THUẬT SVPWM

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




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




Documents

46318176 Tieu Luan Dien Tu Cong Suat Nang Cao