SCIENCE TECHNOLOGY

Số 43.2017 ● Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 31

MÔ PHỎNG VÀ THỰC NGHIỆM BỘ BIẾN ĐỔI DC-AC-AC NỐI TẦNG TRÊN CƠ SỞ FPGA SIMULATION AND EXPERIMENTAL OF CASCADED DC-AC-AC CONVERTER BASED FPGA

Bùi Văn Huy

TÓM TẮT Bài báo trình bày các kết quả mô phỏng và thực nghiệm bộ biến đổi DC-AC-AC

nối tầng. Cấu trúc của bộ DC-AC-AC được xây dựng trên nền tảng bộ biến đổi ma trận (matrix converter) một pha. Toàn bộ sơ đồ mô phỏng và cấu trúc thực nghiệm bộ biến đổi, các mẫu xung điều chế đều được đưa ra phân tích cụ thể. Trong bài báo này đề xuất việc áp dụng phương án điều chế sử dụng thuật toán dịch pha để điều chế điện áp ở phần sơ cấp máy biến áp của bộ biến đổi DC-AC-AC. Các kết quả mô phỏng thực nghiệm bộ nghịch lưu DC-AC-AC đa bậc nối tầng trên kit FPGA đã chứng minh tính đúng đắn của phương pháp điều chế.

Từ khóa: Biến tần ma trận một pha; Bộ biến đổi AC-AC trực tiếp; FPGA.

ABSTRACT This paper presents simulated and experimental Implementation results of

cascaded DC-AC-AC converters. The structure of the DC-AC-AC is built on single phase matrix converter. The Experimental Implementation and simulationstructure, pulse patterns is given specific analysis. This paper proposes the application of a modulation scheme using phase-shift algorithm for modulating the voltage in the DC-AC-AC primary transformer sides. The simulation andexperimental results cascaded DC-AC -AC has proved the correctness of themethod of modulation and switching schemes.

Keywords: Matrix converter; Direct AC-AC Converters; PFGA.

Bùi Văn Huy Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội Email: huybv.ac@gmail.com Ngày nhận bài: 25/06/2017 Ngày nhận bài sửa sau phản biện: 10/10/2017 Ngày chấp nhận đăng: 25/12/2017

1. ĐẶT VẤN ĐỀ Nguyên lý điều chế và cấu trúc của bộ biến đổi

DC-AC-AC với khâu trung gian tần số cao đã được trình bày trong tài liệu [1]. Theo [1], bộ biến đổi DC-AC-AC với khâu trung gian tần số cao sẽ làm giảm kích thước máy biến áp, đơn giản hóa mạch vòng điều chỉnh điện áp, tăng cường đặc tính động học toàn hệ thống. Cấu trúc bộ biến đổi như hình 1 đảm bảo hoàn toàn các yêu cầu về truyền công suất hai chiều với hiệu quả cao, điều khiển được hệ số công suất do khâu AC-AC sử dụng cấu trúc biến tần trực tiếp kiểu ma trận. Trong những ứng

dụng công suất lớn, điện áp cao, bộ nghịch lưu thông thường được thay thế bởi các nghịch lưu đa cấp. Nghịch lưu đa cấp phân nhỏ các bước nhảy điện áp ra phía xoay chiều, nhờ đó giảm được tốc độ tăng điện áp dU/dt trên tải, các van bán dẫn chỉ phải đóng cắt ở mức điện áp thấp, tần số đóng cắt của các tế bào mạch lực thấp trong khi vẫn đảm bảo tần số điện áp ra của quá trình điều chế cao. Như vậy, nghịch lưu đa cấp giảm đáng kể tổn thất trong quá trình đóng cắt van, đảm bảo tốt chất lượng thành phần sóng hài của điện áp ra, đó là những yếu tố rất quan trọng ở dải công suất lớn [6].

Trong bài báo này, tác giả trình bày mô hình mô phỏng thực nghiệm bộ nghịch lưu DC-AC-AC 7 bậc nối tầng. Việc lựa chọn cấu trúc đa bậc là tận dụng các ưu thế của bộ biến đổi đa bậc như trình bày ở trên. Cấu trúc nghịch lưu đa bậc bộ DC-AC-AC có thể mở rộng với số bậc rất lớn để đảm bảo khả năng dùng các linh kiện công suất nhỏ, chịu được điện áp thấp để phục vụ những ứng dụng có công suất cao hơn. Tuy nhiên, trong nghiên cứu này tác giả chỉ chọn 7 bậc (3 module DC-AC-AC nối tầng) để phù hợp với điều kiện nghiên cứu nhưng vẫn đảm bảo được việc kiểm chứng các thuật toán đã đề xuất.

Những vấn đề về điều chế và chuyển mạch theo kiểu biến tần ma trận bộ DC-AC-AC tác giả kế thừa các kết quả mà trong [1] đã trình bày. Thuật toán điều chế đa mức cho bộ biến đổi được thực hiện kiểm nghiệm bằng mô phỏng trên cơ sở phần mềm Matlab Simulink và chạy trên mô hình thực nghiệm.

Với đặc thù của thuật toán điều chế bộ DC-AC-AC nối tầng là phải có sự đồng bộ về việc dịch pha giữa 3 xung điều chế phía sơ cấp máy biến áp và 3 sóng mang để điều chế khâu AC-AC phía thứ cấp máy biến áp đòi hỏi cần có 6 kênh phát xung đồng bộ. Điều này khiến cho việc sử dụng DSP hoặc DS1104 để tạo các xung điều chế không còn phù hợp. Tác giả đã nghiên cứu và sử dụng Kit Xilinx FPGA Spartan 6 XC6SLX16 để làm công cụ xây dựng bộ điều chế. Tất cả thuật toán điều chế dịch pha, thuật toán chuyển mạch, khâu tạo sóng sin và sóng mang đều được thực hiện trên kit này. Để thuận tiện trong việc phát triển hệ thống, tác giả sử dụngToolbox System Generation for DSP cài đặt tích hợp vào Matlab 2010b.

CÔNG NGHỆ

Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ ● Số 43.2017 32

KHOA HỌC

2. NỘI DUNG CHÍNH 2.1. Cấu trúc bộ biến đổi

Hình 1. Sơ đồ cấu trúc của hệ DC/AC/AC

Sơ đồ mạch lực của bộ biến đổi DC-AC-AC như hình 1 (đã từng được giới thiệu trong các [4, 5]) gồm ba khối chính: khối biến đổi DC-AC, khối máy biến áp xung và khối AC-AC. Theo [1], khối DC-AC có nhiệm vụ biến đổi điện áp một chiều thành dạng điện áp xoay chiều kiểu xung chữ nhật. Các cặp van (V1,V4) và (V2,V3) được điều khiển đóng mở tần số fs, duty cycle 50%. Khối AC-AC được điều chế theo kiểu biến tần ma trận một pha. Qua việc phân tích như trong [1] có thể thấy rằng, bộ biến đổi DC-AC-AC có phần một chiều cách ly qua khâu trung gian tần số cao và khâu AC-AC kiểu ma trận với mạch điều chế PWM và mạch logic điều khiển chuyển mạch nêu trên hoàn toàn tương đương với một nghịch lưu cầu chữ H như một khâu biến đổi DC-AC thông thường. Vì vậy có thể xây dựng một nghịch lưu đa bậc nối tầng từ chính bộ biến đổi DC-AC-AC này. Nghịch lưu đa bậc cầu H nối tầng với nguồn DC cách ly có thể dùng như một bộ nguồn tần số thay đổi. Tuy nhiên do bản chất trao đổi công suất giữa phía DC và phía AC của cầu H phần công suất tác dụng sẽ có sóng hài bậc 2 so với sóng cơ bản.

Khi điều chỉnh ở tần số AC thấp thì sóng bậc 2 là tần số rất thấp. Điều này dẫn đến hoặc tụ một chiều phải chọn giá trị rất lớn, ảnh hưởng lớn đến kích thước của bộ biến đổi, hoặc chấp nhận điện áp một chiều đập mạch lớn, điều lại ảnh hưởng đến chất lượng sóng điện áp đầu ra. Ngay cả khi dùng trong các sơ đồ ba pha thì bản chất của mỗi ổ thành phần vẫn là cầu một pha, vì vậy tụ một chiều vẫn làm việc trong chế độ nặng nề. Do đó việc sử dụng nghịch lưu nối tầng cho các bộ nguồn tần số thay đổi là không hợp lý. Trong trường hợp đó bộ biến đổi đa bậc nối tầng DC-AC-AC tỏ ra có nhiều ưu điểm hơn vì nó đáp ứng yêu cầu về cách ly. Khâu AC-AC thực hiện theo nguyên lý của matrix converter, Matrix converter có thể biến đổi trực tiếp điện áp xoay chiều dạng xung chữ nhật sang điện áp xoay chiều dạng sin với bất kỳ tỷ lệ biến đổi tần số nào, cao hơn hoặc thấp hơn, bằng phương pháp điều chế độ rộng xung như ở nghịch lưu nguồn áp thông thường, đảm bảo khả năng tạo ra dòng phía xoay chiều có dạng sin và có thể hiệu chỉnh hệ số công suất, công suất có thể trao đổi hai chiều giữa phía AC và DC.

Cấu trúc bộ biến đổi 7 bậc nối tầng khấu DC-AC-AC cho như hình 2, gồm có 3 bộ biến đổi DC-AC-AC nối tầng, khâu DC là cách ly nhau.

Hình 2. Nghịch lưu 7 bậc trên cơ sở bộ biến đổi DC-AC-AC

2.2. Phương pháp điều chế Việc điều chế bộ đa bậc nối tầng áp dụng phương pháp

dịch pha. Theo phương pháp dịch pha tất cả các module DC-AC-AC trên một pha đều tuân theo một sóng sin chuẩn. Số sóng răng cưa bằng số module DC-AC-AC, gồm M sóng và mỗi sóng lệch pha nhau 1800/M chu kỳ răng cưa. Tương tự như đối với cầu chữ H, bộ DC-AC-AC có thể điều chế điện áp một cực tính và hai cực tính, trong đó dạng một cực tính sẽ cho thành phần sóng hài tốt hơn. Khi điều chế một cực tính mỗi nhánh nửa DC-AC-AC được điều khiển bởi tín hiệu PWM bởi hai răng cưa lệch nhau 180. Như vậy số răng cưa tăng lên gấp đôi, mỗi răng cưa lại có một sóng mang ngược pha với nó như thể hiện trên hình 4 bằng nét liền và nét đứt. Vì vậy, các xung điều chế phía sơ cấp máy biến áp của các module DC-AC-AC cũng lệch pha nhau 600 như hình 3, 4.

Hình 3. Giản đồ xung điều khiển các van dạng dịch pha phía sơ cấp máy biến áp

SCIENCE TECHNOLOGY

Số 43.2017 ● Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 33

Hình 4. Điều chế PWM dịch pha cho nghịch lưu 3 DC-AC-AC nối tầng

2.3. Mô phỏng Để minh chứng khả năng điều chế theo kiểu dịch pha

cho bộ biến đổi DC-AC-AC nối tầng, bài báo xây dựng mô hình mô phỏng với cấu trúc mạch lực như hình 5. Tham số: Các nguồn một chiều có giá trị bằng nhau và bằng 1100V; điện cảm cuộn lọc bằng 4,5mH; tần số điều chế phía sơ cấp máy biến áp là 2500Hz; Chu kỳ trích mẫu Ts = 1µs;

Hình 5. Sơ đồ mô phỏng nghịch lưu 7 bậc trên cơ sở DC-AC-AC nối tầng

Kết quả mô phỏng cho trên hình 6 cho thấy dạng điện áp đầu ra bộ nghịch lưu có dạng 7 bậc (hình b), kết hợp với việc tính toán cuộn cảm L thích hợp thì dòng điện qua cuộn cảm và điện áp trên tải có dạng sin (hình c và d). Dạng điện áp phía sơ cấp máy biến áp cho như hình 7, cho thấy tần số sóng điều chế sơ cấp máy biến áp là 2500Hz.

Hình 6. Kết quả mô phỏng nghịch lưu đa bậc nối tầng DC-AC-AC

Như vậy, bằng việc nối tầng các module DC-AC-AC bộ biến đổi hoàn toàn phù hợp với những ứng dụng công suất lớn và điện áp cao.

Hình 7. Dạng điện áp phía sơ cấp máy biến áp của một bộ DC-AC-AC

Để chứng minh tính khả thi của bộ biến đổi DC-AC-AC tác giả đã xây dựng mô hình thực nghiệm và cho kết quả rất tốt, cấu trúc và các kết quả thực nghiệm được trình bày ở mục 2.4.

2.4. Thực nghiệm 2.4.1. Cấu trúc thực nghiệm Sơ đồ thực nghiệm của hệ thống DC-AC-AC bảy bậc nối

tầng cho như trên hình 8. Toàn bộ thuật toán chuyển mạch bộ AC-AC kiểu biến tần ma trận và phương pháp điều chế dịch pha đều được tích hợp cài đặt trong FPGA. Việc xây dựng các sóng mang và sóng sin chuẩn được thực hiện bằng cách sử dụng các bộ đếm và các phần tử trong thư viện của toolbox, sơ đồ điều khiển một module cho trên hình 10. Tần số đóng cắt phía sơ cấp máy biến áp là 2,5kHz.

15VDC

Hình 8. Cấu trúc thực nghiệm bộ nghịch lưu DC-AC-AC 7 bậc nối tầng

Hình 9. Hình ảnh mạch lực của bộ DC-AC-AC 7 bậc nối tầng và kit FPGA

CÔNG NGHỆ

Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ ● Số 43.2017 34

KHOA HỌC

Hình 10. Sơ đồ điều khiển một module DC-AC-AC trên Toolbox System

Generation for DSP

Việc thực thi thuật toán dịch pha, các sóng răng cưa ở phần thứ cấp máy biến áp và xung uf phía sơ cấp máy biến áp của mỗi module được dịch đi 60o bằng việc sử dụng khối delay cho như hình 11.

Hình 11. Thực thi thuật toán dịch pha

2.4.2. Kết quả thực nghiệm Để đảm bảo có thời gian deatime trong khi điều khiển

các van phía sơ cấp máy biến áp, cần phải tạo ra được thời gian trễ khi đóng và mở các van. Kết quả cho trên hình 13 thể hiện khoảng thời gian deadtime giữa 2 xung vào van V1 và V2 là 4µs. Tín hiệu mở van phía sơ cấp có chu kì 400µs, tương ứng tần số 2500Hz, được dịch đi 60o so với tín hiệu gốc ở các pha sau như cho trên hình 14. Sự dịch pha sóng mang thể hiện qua dạng sóng vào các van bị dịch pha (đo ở S4b của mỗi pha) cho như hình 16. Dạng điện áp đầu ra của một module và dạng điện áp ra của bộ nghịch lưu đa bậc lần lượt như trên các hình 17, 18 cho thấy điện áp đầu ra của bộ biến đổi nối tầng có dạng 7 bậc. Thuật toán chuyển mạch được lập trình bằng ngôn ngữ VHDL và được nhúng vào khối BlackBox trong thư viện.

Hình 12. Dạng xung trước và sau tầng driver

Hình 13. Thời gian deadtime (đo 2 xung vào van V1 và V2)

Hình 14. Sự dịch pha các tín hiệu phần sơ cấp giữa 3 module (đo ở van V1

của mỗi module)

Hình 15. Dạng điện áp ở phía sơ cấp máy biến áp tần số cao

SCIENCE TECHNOLOGY

Số 43.2017 ● Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 35

Hình 16. Dạng xung vào van S4b của 3 module

Hình 17. Điện áp đo được đầu ra của một module

Hình 18. Điện áp đo đầu ra đo được của bộ biến đổi nối tầng DC-AC-AC 7 bậc

3. KẾT LUẬN Các kết quả thực nghiệm đã minh chứng khả năng nối

tầng của biến đổi DC-AC-AC có khâu trung gian tần số cao là khâu DC-AC, khâu AC-AC điều chế theo nguyên lý biến tần ma trận. Việc sử dụng FPGA vào ứng dụng cho thấy bộ điều khiển trở lên gọn, tiện lợi và tin cậy. Kết quả thực nghiệm đã chứng minh bộ biến đổi DC-AC-AC nêu trên có thể áp ứng dụng trong các hệ nghịch lưu đa bậc nối tầng, các hệ thống Statcom và các hệ thống trao đổi năng lượng giữa các nguồn điện phân tán với lưới điện.

TÀI LIỆU THAM KHẢO [1]. Bùi Văn Huy, Nguyễn Văn Liễn, Trần Trọng Minh, Vũ Hoàng Phương,

2014. Bộ biến đổi DC-AC-AC qua khâu trung gian tần số cao có khả năng trao đổi công suất hai chiều. Hội nghị toàn quốc lần thứ 7 về Cơ Điện tử - VCM, trang 136 -142.

[2]. José Rodríguez, Steffen Bernet, BinWu, Jorge O. Pontt, Samir Kouro, 2007. Multilevel Voltage-Source-Converter Topologies for Industrial Medium-Voltage Drives. IEEE Transactions on industrial electronics, vol. 54, no. 6, December 2007.

[3]. Jih-Sheng Lai, Fang Zheng Peng, 1996. Multilevel Converters - A New Breed of Power Converters. IEEE transactions on industrial applications, vol. 32, no. 3, may/june 1996.

[4]. Songquan Deng, Hong Mao, Joy Mazumdar, Issa Batarseh and Kazi Khairul Islam, 2003. A New Control Scheme for High-frequency Link Inverter Design. Applied Power Electronics Conference and Exposition, APEC '03. Eighteenth Annual IEEE.

[5]. E.Koutroulis, J.Chatzakis, K.Kalaitzakis and N.C.Voulgaris, 2001. A bidirectional, sinusoidal, high-frequency inverter Design. IEE Proc.-Electr. Power Appl., Vol. 148, No. 4, July 2001.

[6]. Bùi Văn Huy, Trần Trọng Minh, 2013. Chiến lược cân bằng điện áp các khâu DC cho chỉnh lưu tích cực trên cơ sở nghịch lưu đa bậc nối tầng cầu chữ H. VCCA-2013, trang 204-210.