Luận văn Thạc sĩ Kỹ thuật điện tử: Nghiên cứu giải thuật điều chế sóng mang 3 pha 5 bậc triệt tiêu điện áp common mode

Chia sẻ: Sơ Dương | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:76

Thêm vào BST

Báo xấu

19
lượt xem 6
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Đề tài "Nghiên cứu giải thuật điều chế sóng mang 3 pha 5 bậc triệt tiêu điện áp common mode" nghiên cứu cấu hình nghịch lưu cascade 3 pha 5 bậc, giải thuật để triệt tiêu điện áp common mode do quá trình đóng ngắt chuyển mạch của các khóa trong bộ nghịch lưu. Từ đó đưa ra giải thuật triệt tiêu điện áp common mode cho mạch cascade 3 pha 5 bậc.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận văn Thạc sĩ Kỹ thuật điện tử: Nghiên cứu giải thuật điều chế sóng mang 3 pha 5 bậc triệt tiêu điện áp common mode

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ LÊ THỊ LÝ NGHIÊN CỨU GIẢI THUẬT ĐIỀU CHẾ SÓNG MANG 3 PHA 5 BẬC TRIỆT TIÊU ĐIỆN ÁP COMMON MODE NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ - 60520203 S K C0 0 6 1 1 7 Tp. Hồ Chí Minh, tháng 04/2019
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ LÊ THỊ LÝ NGHIÊN CỨU GIẢI THUẬT ĐIỀU CHẾ SÓNG MANG 3 PHA 5 BẬC TRIỆT TIÊU ĐIỆN ÁP COMMON MODE NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ - 60520203 Hướng dẫn khoa học: TS. QUÁCH THANH HẢI Tp.Hồ Chí Minh, tháng 4 năm 2019
i
ii
iii
iv
v
vi
LÝ LỊCH KHOA HỌC I. LÝ LỊCH SƠ LƯỢC: Họ và tên: Lê Thị Lý. Giới tính: Nữ. Ngày, tháng, năm sinh: 26/02/1984. Nơi sinh: Nghệ An. Quê quán: Nghệ An. Dân tộc: Kinh. Tôn giáo: không. Địa chỉ thường trú: Phường Phú Cường, Thủ Dầu Một, Bình Dương. Điện thoại: 0984201404. E-mail: Bacsihoasung128@gmail.com. II. QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC: 1. Đại học Hệ đào tạo đại học: Chính quy Thời gian đào tạo từ 9/2008 đến 3/2010 Nơi học (trường, thành phố): Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật TP Hồ Chí Minh. Ngành học: Kỹ thuật điện - Điện tử. 2. Thạc sĩ Hệ đào tạo đại học: Chính quy Thời gian đào tạo từ 10/2016 đến 5/2018 Nơi học (trường, thành phố): Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật TP Hồ Chí Minh. Ngành học: Kỹ thuật điện tử. III. QUÁ TRÌNH CÔNG TÁC CHUYÊN MÔN KỂ TỪ KHI TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC: Thời gian Nơi công tác Công việc đảm nhiệm 2012 - Nay Thủ Dầu Một, Bình Dương Giáo viên vii
LỜI CAM ĐOAN Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi. Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn này là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Tp. Hồ Chí Minh, ngày 28 tháng 02 năm 2019 (Ký tên và ghi rõ họ tên) Lê Thị Lý viii
LỜI CẢM ƠN Công trình nghiên cứu này được hoàn thành là nhờ sự giúp đỡ tận tình của quý Thầy Cô, gia đình, đồng nghiệp và bạn bè. Tác giả xin được bày tỏ lời cảm ơn chân thành tới gia đình, tất cả các tổ chức và cá nhân đã giúp đỡ và tạo điều kiện cho tác giả hoàn thành công trình nghiên cứu của mình. Xin chân thành gửi lời cảm ơn đến TS. Quách Thanh Hải đã tận tình hướng dẫn tác giả trong thời gian thực hiện luận văn. Xin chân thành gửi lời cảm ơn đến toàn thể quí thầy cô, bộ môn cơ sở Kỹ thuật điện Khoa Điện – Điện tử Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh, thầy Đỗ Đức Trí đã hỗ trợ phòng thí nghiệm Điện tử công suất nâng cao P.D405 trong suốt thời gian thực hiện luận văn. Xin chân thành cám ơn gia đình, các bạn bè, đồng nghiệp luôn giúp đỡ tạo mọi điều kiện thuận lợi và động viên tác giả trong suốt thời gian nghiên cứu. Xin kính chúc sức khỏe và chân thành cảm ơn. Học viên Lê Thị Lý ix
TÓM TẮT LUẬN VĂN Nội dung luận văn nhằm nghiên cứu giải quyết bài toán triệt tiêu điện áp common mode trên bộ nghịch lưu cascade 5 bậc, dựa trên nguyên tắc chọn tổ hợp các khóa IBGT có các trạng thái đóng ngắt không sinh ra điện áp common mode. Đề tài xây dựng một giải thuật đơn giản dựa trên kỹ thuật sóng mang cho phép dễ dàng kiểm soát và giảm điện áp common-mode. Các kết quả lý thuyết được kiểm chứng trên phần mềm mô phỏng PSIM và thực nghiệm trên mô hình điều khiển bằng kit DSP TMS320F28355. x
ABSTRACT The thesis study and solve the problems of eliminating common mode voltage on 5-step cascade inverter by choosing the combination of IBGT keys with switching states that do not generate voltage common mode. The study builds a simple algorithm based on carrier technology to allows easy control and reduction of common-mode voltage. The theoretical results are verified on PSIM simulation software and experimented on the TMS320F28355 DSP model controlled kit. xi
MỤC LỤC QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI................................................................................. i LÝ LỊCH KHOA HỌC ...........................................................................................vii LỜI CAM ĐOAN .................................................................................................. viii LỜI CẢM ƠN……………….................................................................................. ix TÓM TẮT LUẬN VĂN………………....................................................................x MỤC LỤC ................................................................................................................xii DANH MỤC KÍ HIỆU ẢNH SỬ DỤNG............................................................xiv DANH MỤC HÌNH ẢNH.......................................................................................xv DANH MỤC BẢNG..............................................................................................xvii CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN ...................................................................................... 1 1.1 Tổng quan về lĩnh vực nghiên cứu ........................................................................ 1 1.2 Mục đích của đề tài ............................................................................................... 2 1.3 Nhiệm vụ và giới hạn của đề tài ............................................................................ 2 1.4 Phương pháp nghiên cứu ....................................................................................... 3 1.5 Điểm mới của đề tài .............................................................................................. 3 1.6 Ý nghĩa thực tiễn...................................................................................................3 CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT ......................................................................... 4 2.1 Lý thuyết về nghịch lưu ........................................................................................ 4 2.1.1 Khái niệm ........................................................................................................... 4 2.1.2 Bộ nghịch lưu áp ................................................................................................ 4 2.2 Bộ nghịch lưu áp 5 bậc dạng cascade ................................................................... 5 2.2.1 Bộ nghịch lưu cầu 1 pha..................................................................................... 5 2.2.2 Nghịch lưu áp 3 pha 5 bậc dạng cascade ........................................................... 7 2.3 Phương pháp điều chế độ rộng xung (SPWM). .................................................. 10 2.4 Điện áp common mode ....................................................................................... 12 CHƯƠNG 3 TRIỆT TIÊU ĐIỆN ÁP COMMON MODE CHO MẠCH NGHỊCH LƯU 3 PHA 5 BẬC CASCADE .......................................................... 14 xii
3.1 Phương pháp triệt tiêu điện áp comon mode ...................................................... 14 3.2 Nguyên lý giải thuật ............................................................................................ 14 3.3 LƯU ĐỒ GIẢI THUẬT: .................................................................................. 22 CHƯƠNG 4 MẠCH MÔ PHỎNG – KẾT QUẢ MÔ PHỎNG ......................... 23 4.1 Cấu hình bộ nghịch lưu ba pha 5 bậc triệt tiêu điện áp common mode .............. 23 4.1.1 Sơ đồ khối: ....................................................................................................... 23 4.1.2 Chức năng các khối: ......................................................................................... 23 4.2 Kết quả mô phỏng ............................................................................................... 27 4.2.1 Số liệu mô phỏng. ............................................................................................ 27 4.2.2 Kết quả mô phỏng mạch nghịch lưu cascade 3 pha 5 bậc triệt tiêu điện áp commom mode. ......................................................................................................... 27 4.2.3 Đánh giá giải thuật. .......................................................................................... 32 CHƯƠNG 5 THỰC NGHIỆM - KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM ......................... 33 5.1. Mô hình thực nghiệm ........................................................................................ 33 5.2 Các thành phần chính của sơ đồ khối.................................................................. 34 5.2.1 Khối tạo sóng điều khiển.................................................................................. 34 5.2.2 Khối công suất.................................................................................................. 37 5.3 Kết quả thực nghiệm ........................................................................................... 40 5.3.1 Số liệu thực nghiệm ......................................................................................... 40 5.3.2 Kết quả thực nghiệm mạch nghịch lưu cascade 3 pha 5 bậc triệt tiêu điện áp commom mode. ......................................................................................................... 40 CHƯƠNG 6 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN....................................... 46 6.1 Kết luận. .............................................................................................................. 46 6.2 Hướng phát triển .................................................................................................. 47 TÀI LIỆU THAM KHẢO ...................................................................................... 48 xiii
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU SỬ DỤNG x: là tên pha (x = A, B, C). SxTj, SxTjN: Các khóa bên trái pha x của bộ nghịch lưu cầu 1 pha. SXPj, SXPjN: Các khóa bên phải pha x bộ nghịch lưu cầu 1 pha. UDC: Điện áp nguồn một chiều cung cấp cho bộ nghịch lưu. ma: chỉ số biên độ (amplitude modulation ratio) fc: Tần số sóng mang. fm: Tần số sóng điều khiển Ac: Biên độ đỉnh sóng mang Am: Biên độ đỉnh sóng điều khiển UxN: Điện áp pha tải (pha x). Sxi: Trạng thái của khóa chuyển mạch thứ i nhánh trên pha x SxiN: Trạng thái của khóa chuyển mạch thứ i nhánh dưới trên pha x SxTi: Trạng thái của khóa chuyển mạch bên trái nhánh trên bộ nghịch lưu cầu thứ i pha x SxTiN: Trạng thái của khóa chuyển mạch bên trái nhánh dưới bộ nghịch lưu cầu thứ i pha x SxPi: Trạng thái của khóa chuyển mạch bên phải nhánh trên bộ nghịch lưu cầu thứ i pha x SxPiN: Trạng thái của khóa chuyển mạch bên phải nhánh dưới bộ nghịch lưu cầu thứ i pha x Sx: Trạng thái tổ hợp các khóa của pha x n: Số bậc mạch nghịch lưu. xiv
DANH MỤC HÌNH ẢNH HÌNH TRANG Hình 2. 1:Nghịch lưu cầu 1 pha .................................................................................. 5 Hình 2. 2: Mạch nghịch lưu cascade 3 pha 5 bậc........................................................ 7 Hình 2. 3: Sơ đồ mạch nghịch lưu cascade 1 pha 5 bậc.............................................. 8 Hình 2. 4: Dạng sóng mang, sóng điều khiển và xung kích điều chế liên tục. ......... 10 Hình 2. 5: Dạng sóng mang, sóng điều khiển và xung kích điều chế gián đoạn. ..... 11 Hình 2. 6: Điện áp common mode của mạch nghịch lưu 5 bậc ................................ 13 Hình 3. 1: So sánh vx với 4 sóng mang .................................................................... 15 Hình 3. 2: Giản đồ chuyển mạch của SA, SB, SC ........................................................ 18 Hình 3. 3: Giản đồ chuyển mạch triệt tiêu điện áp common mode. ......................... 19 Hình 3. 4: Lưu đồ giải thuật triệt tiêu điện áp common mode 3 pha 5 bậc. ............. 22 Hình 4. 1:Sơ đồ khối ................................................................................................. 23 Hình 4. 2: Khối tạo sóng mang ................................................................................. 23 Hình 4. 3: Khối tạo sóng điều khiển ......................................................................... 24 Hình 4. 4: Mạch kích cho pha A,B và pha C sử dụng mạch so sánh. ....................... 25 Hình 4. 5: Mạch kích cho pha A, B, C sử dụng F28335 ........................................... 25 Hình 4. 6: Mạch công suất cho pha A,B,C ............................................................... 26 Hình 4. 7: Tải RL ...................................................................................................... 26 Hình 4. 8: Dạng sóng điều khiển trước và sau khi điều chế (m = 0,866) ................. 27 Hình 4. 9: Điện áp pha nguồn trước và sau khi sử dụng giải thuật (m = 0,866)....... 28 Hình 4. 10: Điện áp dây tải trước và sau khi sử dụng giải thuật (m = 0,866)........... 28 Hình 4. 11: Dòng điện pha tải trước và sau khi sử dụng giải thuật (m = 0,866). ..... 29 Hình 4. 12: Điện áp UAN, UNO trước và sau khi sử dụng giải thuật (m = 0,866). ...... 29 Hình 4. 13:Phân tích FFT UAN trước và sau khi sử dụng giải thuật (m = 0,866) ..... 30 Hình 5. 1: Sơ đồ khối ................................................................................................ 33 Hình 5. 2: Mô hình thí nghiệm thực tế ...................................................................... 33 xv
Hình 5. 3: Nguồn mạch kích ..................................................................................... 34 Hình 5. 4: Kit vi xử lý DSP TMS320 F82335 .......................................................... 35 Hình 5. 5: Mạch đệm ................................................................................................. 36 Hình 5. 6: Mạch kích ................................................................................................. 36 Hình 5. 7:Nguồn mạch công suất .............................................................................. 37 Hình 5. 8: Mạch công suất cho pha A,B,C ............................................................... 39 Hình 5. 9: Tải RL ...................................................................................................... 39 Hình 5. 10: Điện áp pha nguồn trước và sau khi sử dụng giải thuật (m = 0,866). .... 40 Hình 5. 11: Điện áp pha tải trước và sau khi sử dụng giải thuật (m = 0,866). .......... 41 Hình 5. 12: Điện áp dây tải trước và sau khi sử dụng giải thuật (m = 0,866)........... 41 Hình 5. 13: Dòng điện pha tải trước và sau khi sử dụng giải thuật (m = 0,866). ..... 42 Hình 5. 14: Điện áp UAN, UNO trước và sau khi sử dụng giải thuật (m = 0,866). ..... 42 Hình 5. 15: Phân tích FFT UAN trước và sau khi sử dụng giải thuật (m = 0,866) .... 43 xvi
DANH MỤC BẢNG BẢNG TRANG Bảng 2.1: Trạng thái ngõ ra nghịch lưu cầu 1 pha. ..................................................... 6 Bảng 2. 2:Tổ hợp các trạng thái đóng ngắt (SP1 ,ST1N) .............................................. 7 Bảng 2. 3:Quan hệ điện áp ra với trạng thái chuyển mạch bộ nghịch lưu cầu ........... 8 Bảng 2. 4: Quan hệ giữa điện áp ra và tổ hợp trạng thái của khóa công suất ............ 9 Bảng 3. 1: Trạng thái SA, SB, SC trong một chu kì T ................................................. 16 Bảng 3. 2: Bảng điều kiện (ε A ; ε B , ε C ) và giá trị K1 và K3 khi F  2 ....................... 20 Bảng 3. 3: Bảng điều kiện (ε A ; ε B , ε C ) và giá trị K1 và K3 khi F  1 ........................ 21 Bảng 4. 1: Quan hệ giữa điện áp ra và tổ hợp trạng thái của khóa công suất. ......... 26 Bảng 4. 2:Số liệu mô phỏng ...................................................................................... 27 Bảng 4. 3 :Kết quả mô phỏng trước và sau khi triệt tiêu UNO tại m = 0,4 đến 0,7..... 31 Bảng 4. 4 : Kết quả mô phỏng trước và sau khi triệt tiêu UNO tại m = 0,8 đến 1....... 32 Bảng 5. 1: Thông số kỹ thuật của IGBT FGA25N120ANTD tại 250C và 1000C .... 38 Bảng 5. 2: Số liệu thực nghiệm ................................................................................. 40 Bảng 5. 3: Kết quả thực nghiệm khi áp dụng và không áp dụng giải thuật đề xuất UNO tại m = 0,4 đến 0,7. ............................................................................................ 44 Bảng 5. 4: Kết quả thực nghiệm khi áp dụng và không áp dụng giải thuật đề xuất UNO tại m = 0,8 đến 1. ............................................................................................... 45 xvii
Chương 1 TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan về lĩnh vực nghiên cứu Trong những năm gần đây điện tử công suất đang ngày càng phát triển trên thế giới. Ở Việt Nam, thấy được tầm quan trọng của công nghệ điện tử công suất, năm 2010 chính phủ đã phê duyệt công nhận điện tử công suất là lĩnh vực ưu tiên đầu tư và phát triển. Việc nghiên cứu các phương pháp điều khiển nghịch lưu đã và đang được thực hiện ngày càng nhiều hơn và với sự phát triển nhanh của khoa học kỹ thuật và công nghệ trên thế giới, Việt Nam từng ngày hội nhập và tiếp nhận những thành tựu mới của khoa học và công nghệ. Đặc biệt trong công nghiệp điện tử, các thiết bị điện tử công suất được sản xất ngày càng nhiều, được ứng dụng trong công nghiệp và đời sống hằng ngày phát triển mạnh mẽ, đi kèm theo đó là các yêu cầu trong khâu kỹ thuật truyền động phải có độ chính xác cao và một trong những cấu trúc được nghiên cứu đưa vào ứng dụng để điều khiển đó là các bộ nghịch lưu đa bậc có thể tạo ra dạng sóng điện áp có dạng bậc thang ở đầu ra từ đó điện áp ngõ ra có chất lượng cao, tổng méo hài thấp (THD), tổn hao chuyển mạch thấp [1] và cũng không cần bộ lọc ngõ ra lớn [2], [3]. Các điều kiện chính để tạo ra số lượng các cấp điện áp ngõ ra khác nhau là sử dụng nhiều nguồn DC độc lập hoặc liên kết các nguồn DC ảo như tụ điện hoặc máy biến áp kết hợp với nhiều thiết bị chuyển mạch [4]. Các cấu hình đa bậc phổ biến như: điốt kẹp (NPC) [5], kẹp tụ (FC) [6] và ghép tầng cascade (CHB) [7], [8], [9]. Nhưng phần lớn quá trình đóng ngắt chuyển mạch của các khóa trong bộ nghịch lưu sinh ra điện áp Common mode ảnh hưởng đến tải, tác động lên động cơ xoay chiều làm cho các ổ bi bị bào mòn làm giảm tuổi thọ của động cơ đã được các tác giả Nguyen-Van Nho, Myung - Bok Kim chứng minh [10]. Vì vậy vấn đề đặt ra là làm thế nào để giảm điện áp common mode trên bộ nghịch lưu mà điển hình là bộ nghịch lưu cascade. Vì 1