Nghiên cứu kỹ thuật điều chế CPS-SPWM trong chỉnh lưu ba pha công suất lớn

Nội dung text: Nghiên cứu kỹ thuật điều chế CPS-SPWM trong chỉnh lưu ba pha công suất lớn

1. NGHI£N CøU Kü THUËT §IÒU CHÕ CPS-SPWM TRONG CHØNH L¦U BA PHA C¤NG SUÊT LíN Vũ Minh Quang Đại học Thủy lợi Hà Nội Zhao Jian, Wang Dazhi Đại học Đông Bắc Trung Quốc Tóm tắt: Hiện nay việc nghiên cứu thiết bị chỉnh lưu điều chế độ rộng xung PWM đang được phát triển rộng rãi, các thiết bị chỉnh lưu nguồn điện áp PWM đang thay thế cho bộ chỉnh lưu dùng Đi- ốt không có khả năng điều khiển. Đề tài tập trung nghiên cứu nguyên lý cơ bản của phương pháp điều chế CPS-SPWM, đề xuất bộ chỉnh lưu ba pha PWM nguồn điện áp hai vòng hồi tiếp dùng kỹ thuật điều khiển CPS-SPWM. Qua đó thấy được khả năng áp dụng của kỹ thuật CPS- SPWM trong điều chế công suất lớn, giảm nhiễu cho mạng điện cải thiện chất lượng sóng đầu ra, hiệu quả tần số đóng cắt cao, thực hiện được tối ưu hóa hệ thống. Từ khóa :CPS-SPWM; chỉnh lưu PWM; công suất lớn; thiết bị chỉnh lưu. I. LỜI DẪN Dựa theo nguyên lí cơ bản điều chế SPWM, tại Các bộ biến đổi điện đang được ứng dụng thời điểm giao điểm tự nhiên của sóng hình sin và trong thực tế gồm thiết bị chỉnh lưu và hai dạng sóng hình tam giác đầu vào tiến hành điều khiển thiết bị biến đổi AC-AC và biến đổi AC-DC-AC. đóng mở các van công suất tạo nên phương pháp Các thiết bị biến tần kinh điển chưa thực hiện điều chế tự nhiên SPWM. Đây là phương pháp được biến đổi công suất hai chiều tuy rằng có điều chế cơ bản nhất. Tuy nhiên trong thực tế quan tâm đến hiệu quả đặc tính đầu ra nhưng chất thường áp dụng quy tắc lấy mẫu sóng đối xứng, ý lượng dòng điện không cao thành phần sóng hài tưởng cơ bản là lúc sóng hình tam giác cực đại ở lớn. Các thiết bị biến tần xuất hiện về sau này đã mỗi chu kỳ tiến hành đối chiếu với giá trị điện áp thực hiện được biến đổi công suất hai chiều tuy của sóng điều khiển hình chính sin. Sau đó quyết nhiên hệ số công suất còn hạn chế, tồn tại sự ảnh định đóng hay mở các van công suất. hưởng nhiễu đến mạng điện. Trong đề tài này đã Nguyên lý lấy mẫu sóng đối xứng SPWM đề cập phương pháp chỉnh lưu SPWM dùng kỹ như hình 1. Trong đó Uc là sóng mang hình tam thuật CPS –SPWM khắc phục được các khuyết giác; Ur là sóng điều khiển Tc là chu kỳ sóng điểm nêu trên của bộ chỉnh lưu, đảm bảo hệ số tam giác; Ure là giá trị điện áp hình sin ở thời công suất cao, dòng điện dạng sin, thu được điện điểm lấy mẫu te. áp một chiều ổn định. Trong thiết kế với các linh kiện phụ trợ thu được dòng điện đầu vào dạng gần hình sin, như thế dòng điện đầu vào hàm chứa chủ yếu sóng hài bậc cao, cần loại bỏ đảm bảo giảm nhiễu đến mạng điện và nâng cao hệ số công suất, nâng cao hiệu quả tần số đóng cắt. II. NGUYÊN LÝ CƠ BẢN ĐIỀU CHẾ ĐỘ RỘNG XUNG MẠCH BA PHA HÌNH SIN DÙNG KỸ THUẬT CPS-PWM Hình 1. Quy tắc lấy mẫu sóng SPWM 130
2. Đường Ure và sóng mang hình tam giác cắt các mô đun mạch bán cầu do so sánh giữa sóng nhau tại A và B, làm cho Tc tách thành 3 đoạn t1, hình tam giác và sóng điều khiển chính sin sinh t2 , t3. Giả thiết biên độ sóng hình tam giác là ra. Toàn bộ các sóng điều khiển hình chính sin Ucm là không đổi.Sóng điện áp điều khiển hình của các mô đun mạch điện bán cầu là như nhau. sin là Ur = Urm.sin(ω1.t). Tỉ số biên độ sóng điều Tuy nhiên giữa các sóng tải của các mô đun tồn khiển hình sin và biên độ sóng mang hình tam tại góc di pha. Đây là yếu tố làm nên vị trí sóng giác M = Urm/Ucm là độ điều khiển. Theo lý các xung từ các mô đun của bộ SPWM, biên độ thuyết M trong khoảng từ 0~1. Trong thực tế giá xung như nhau, tuy nhiên dãy xung không trùng trị nhỏ nhất bị giới hạn thường M trong khoảng hợp. Khi xếp chồng thu được điện áp đầu ra tần 0.95~0.98. Dựa theo tính đối xứng của sóng số đóng cắt cao, giảm nhỏ sóng hài đầu ra. hình tam giác thời gian t1 và t3 sẽ như nhau. Ý nghĩa cơ bản của phương pháp điều chế Từ hình 1 ta có : CPS – SPWM là: có thể tổ hợp thiết bị biến t T dòng mang tính điện áp gồm N mô đun sử dụng 2 c 2 4 U re cùng một tín hiệu sóng điều khiển Sm tần số ω, M sin(1te ) (2.1) Tc U rm sóng tải hình tam giác của các mô đun biến 4 dòng tần số Kc.ω. Vị trí các sóng pha hình tam Do（2.1）nên suy ra độ rộng xung giác lệch nhau 1/N chu kỳ sóng hình tam giác Tc Với N là số mô đun biến dòng, Kc là tỉ lệ tần số t2 (1 M sin(1te )) (2.2) 2 điều chế, mr là tỉ lệ biên độ điều chế. Nguyên lý Thời gian ngắt quãng như hình 2 với N = 2. 1 t t () T t (2.3) 1 32 c 2 Biểu thức (2.2) và (2.3) là công thức cơ bản để tính toán độ rộng xung điều chế SPWM, chỉnh lưu ba pha đối xứng các pha lệch nhau góc 2 /3 vì vậy tính toán độ rộng xung cho 2 pha còn lại chỉ cần dịch pha 2 /3. Nguyên lý cơ bản của phương pháp điều chế CPS-SPWM (carrier phase shifting – SPWM) là dựa vào N nhóm mạch bán cầu ba pha của bộ chỉnh lưu ba pha (mô đun PWM). Mỗi mạch điện cầu ba pha đều sử dụng phương pháp điều chế SPWM các van công suất tần số đóng cắt thấp với một sóng điều khiển riêng. Tiến hành Hình 2. Nguyên lý điều chế CPS-SPWM đưa vào N nhóm sóng hình tam giác để điều chế. Các sóng tam giác có biên độ như nhau, P1 và P2 là mạch xung sinh ra khi so sánh nhưng lệch pha nhau góc không đổi, vì thế các sóng hình tam giác và sóng điều khiển hình sin. xung đầu ra của SPWM cũng lệch pha một góc III. MÔ HÌNH MÔ PHỎNG THIẾT BỊ nhất định, thông qua xếp chồng tín hiệu đầu ra CHỈNH LƯU NGUỒN ĐIỆN ÁP HAI thu được tín hiệu một chiều ổn định, tăng hiệu VÒNG HỒI TIẾP quả công suất mạch điện. Lựa chọn góc di pha 1. Mô hình hợp lý có thể làm lượng sóng hài biên độ lớn Thiết bị chỉnh lưu nguồn điện áp cầu ba pha giảm đi. Tín hiệu xung điều khiển SPWM của như hình 3 131
3. S Sa Sb c Rd U a ia i Ub b Udc i Ed U c c ' ' ' Sa Sb Sc Hình 3 Thiết bị chỉnh lưu cầu ba pha nguồn điện áp PWM 2. Thiết lập mô hình mô phỏng hệ thống Hình 5 Mô hình thiết bị chỉnh lưu phương pháp Dựa theo phương pháp điều chế, sử dụng điều chế CPS-SPWM. phần mềm Matlab simulink thiết lập mô hình mô phỏng thiết bị chỉnh lưu PWM nguồn IV. KẾT QUẢ MÔ PHỎNG điện áp có hai vòng hồi tiếp. 1. Trong mô phỏng ứng dụng bước nhảy cố -4 (a).Hình 4 mô tả mô hình mô phỏng thiết định dạng ode45. Bước nhảy lớn nhất 1.e . Mô bị chỉnh lưu SPWM với phương pháp điều hình thiết bị chỉnh lưu công suất hệ thống 22kW. chế tự nhiên Thời gian mô phỏng 6(s). Cả hai loại hệ thống nói trên đều có thể thực hiện công suất hai chiều lưu động. Ở thời điểm 2s nguồn điện một chiều thực hiện việc hồi quỹ năng lượng. Thực hiện đủ 2 chế độ làm việc chỉnh lưu và nghịch lưu. Hình 4 Mô hình thiết bị chỉnh lưu SPWM phương pháp điều chế tự nhiên. Hình 7. Sóng dòng điện và điện áp pha A (b).Hình 5 mô tả mô hình mô phỏng thiết bị bộ chỉnh lưu VSR ở hai chế độ chỉnh lưu chỉnh lưu với phương pháp dùng kỹ thuật điều và nghịch lưu. chế CPS-SPWM 132
4. 2. Thiết bị chỉnh lưu PWM có thể loại trừ toàn của SPWM và số mô đun chỉnh lưu N. Trong mô bộ sóng hài trong lưới điện, tuy nhiên do các linh phỏng trên tần số sóng hình tam giác là 1000Hz. Số kiện IGBT lúc đóng cắt sinh ra sóng hài là không nhịp sóng hài trong tùng nhóm sẽ là N.Kc, vì thế thể ngăn ngừa. Sóng hài do IGBT sinh ra và hệ số nâng cao được tần số đóng cắt đầu ra N lần, chất điều chế tần số của SPWM là tỉ lệ thuận. Điều này lượng đặc tính sóng đầu ra được cải thiện lớn. sẽ thấy rõ qua kết quả mô phỏng Thông qua so sánh sóng phổ tần của hai hệ (a). Phổ sóng tần sóng hài điện áp một chiều thống ta thấy: sóng hài tín hiệu SPWM đơn lẻ trong kỹ thuật điều chế tự nhiên SPWM như hình 8. xuất hiện từng nhóm 20 nhịp kề nhau. Sóng hài tín hiệu của CPS-SPWM xuất hiện từng nhóm 60 nhịp liền kề nhau. Như vậy đã nâng cao tần số đóng cắt 3 lần, sau 60 nhịp thì sóng hài cơ bản được loại trừ, năng cao chất lượng sóng. (c) Phổ tần sóng hài dòng điện mạch xoay chiều thiết bị chỉnh lưu CPS-PWM. Dòng điện thành phần pha A và dòng điện tổng hợp pha A như hình 10. Hình 8. Phổ sóng tần sóng hài điện áp một chiều trong kỹ thuật điều chế tự nhiên SPWM. Sóng hài chủ yếu tập trung từng nhóm 20 nhịp gần nhau. Theo tỉ lệ điều chế tần số Kc= 20. Chứng tỏ phương pháp điều chế tự nhiên điều chế SPWM sóng hài do IGBT sinh ra phụ thuộc tỉ lệ điều chế tần số. (b).Phổ sóng tần sóng hài điện áp một chiều trong kỹ thuật điều chế CPS- SPWM hình 9. Số mô đun chỉnh lưu PWM là N = 3 Hình 10. Dòng điện thành phần pha A và dòng điện tổng hợp pha A. Từ hình 10 có thể thấy sóng dòng điện mạch điện thành phần có dạng gần hình sin, sóng của dòng điện tổng hợp có độ chính sin cao hơn và mịn hơn nâng cao hiệu quả hiệu chỉnh công suất. Hình 9 Phổ sóng tần sóng hài điện áp một chiều trong kỹ thuật điều chế CPS- SPWM. Sóng hài tập trung theo từng nhóm 60 nhịp liền nhau. Theo tỉ lệ điều chế tần số là Kc = 20. Chứng tỏ sóng hài sinh ra do linh kiện IGBT trong kỹ thuật Hình 11 Phổ tần sóng hài dòng điện điều chế CPS-PWM phụ thuộc tỉ lệ điều chế tần số tổng hợp pha A. 133
5. ra. Hay nói cách khác: kỹ thuật CPS – SPWM có tính năng tổng hợp không thất thoát. V. KẾT LUẬN Đề tài đã nghiên cứu phương pháp điều khiển bộ chỉnh lưu ba pha dùng kỹ thuật điều chế CPS – SPWM. Qua đó khẳng định phương pháp đạt hiệu quả điều khiển cao. Nâng cao được tính năng của hệ thống chỉnh lưu, giảm thiểu sóng hài nhiễu đến mạng điện, nâng cao chất lượng điện năng và hệ số Hình 12 Phổ tần sóng hài dòng điện công suất sử dụng điện. Đồng thời có khả năng hồi thành phần pha A. lại năng lượng về lưới điện. Với kỹ thuật CPS – SPWM từ các thiết bị tần số đóng cắt thấp có thể Từ hình 11 và 12 ta thấy sóng hài dòng điện thực hiện được hiệu quả tần số đóng cắt cao, thông thành phần xuất hiện từng nhóm 20 nhịp liền qua việc triệt tiêu tương hỗ sóng hài của các mô nhau. Sóng hài dòng điện tổng hợp xuất hiện đun có thể thực hiện biến đổi công suất lớn với đặc theo nhóm 60 nhịp kề nhau. Như vậy tần suất tính sóng đầu ra tốt đẹp hơn. đóng cắt được nâng cao 3 lần. Hàm lượng biên độ sóng hài giảm đáng kể, cải thiện đặc tính đầu Tài liệu tham khảo: [1] Võ Minh Chính, Phạm Quốc Hải, Trần Trọng Minh, Điện tử công suất ,Nhà xuất bản khoa học và kỹ thuật; Hà Nội, 2008. [2] Nguyễn Văn Nhờ, Bài giảng điện tử công suất, Đại học Bách khoa TP Hồ Chí Minh, 2010. [3] Li Chun, Nghiên cứu kỹ thuật điều khiển số chỉnh lưu nhiều cấp CPS - SPWM ứng dụng thiết bị nguồn điện loại sóng nhiễu，Đại học Triết Giang Hàng Châu Trung Quốc ,2006. [4] Li Jianlin,Wang Liqiao, Ứng dụng kỹ thuật điều khiển sóng mang CPS - SPWM trong biến đổi công suất lớn, Nhà xuất bản Cơ khí công nghiệp Bắc Kinh Trung Quốc ，2009. [5] Li Jianlin， Hu Changsheng， Wang Liqiao, et al. APF Based on Multilevel Voltage Source Cascade Converter with Carrier Phase Shifted SPWM[C]. TENCON 2003. Conference on Convergent Technologies for Asia-Pacific Regio，15-17 Oct.2003， Vol.1，264-267. [6] Li Jianlin，Wang Liqiao，Li Yuling，et al. A Novel Current-Source Converter with Carrier Phase Shifted SPWM for Active Power Filter[c]. TENCON 2003. Conference on Convergent Technologies for Asia- Pacific Region，Vol.1，15-17Oct.2003,268-272. Abstract SIMULATION OF CPS-SPWM HIGH-POWER INVERTER Vu Minh Quang Hanoi Water Resources University Zhao Jian, Wang Dazhi Northeastern University of China Three-phase PWM voltage source rectifiers (VSR) are applicated to the Frequency inverter in place of conventional no-control rectifiers based on power diode in this thesis.The paper introduced fundamental principle of CPS-SPWM .expounded design of structure of double loop voltage type PWM rectifier system based on CPS-SPWM control. Thus understand that the CPS-SPWM technique can achieve SPWM technology of high power occasion, greatly improve the output waveform, reduce output harmonics, improve the equivalent switching frequency, optimize system performance. Simulink results show the system has good static performance and dynamic performance and CPS-SPWM is rationality. Key word: CPS-SPWM；PWM rectifier；high-power；inverter. 134