Luận Văn Thạc Sĩ: Tự Động Hóa Thiết Kế Bộ Lọc Tích Cực Sử Dụng NPC Inverter Và DSP TMS320F28335

Luận văn thạc sĩ nghiên cứu tự động hóa thiết kế bộ lọc tích cực sử dụng bộ nghịch lưu đa bậc NPC và DSP TMS320F28335, ứng dụng hiệu quả trong công nghiệp.

• Tác giả: Nguyen Phuoc Bao Duy
• Người hướng dẫn: TS. Hoàng Minh Trí
• Trường học: Đại học Bách Khoa, Đại học Quốc gia TP. HCM
• Chuyên ngành: Tự động hóa
• Đề tài: Thiết kế bộ lọc tích cực dùng bộ nghịch lưu ba bậc NPC và DSP TMS320F28335
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2012
• Địa điểm: TP. Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Giới thiệu chung về bộ lọc tích cực và NPC inverter

Luận văn thạc sĩ này tập trung vào thiết kế bộ lọc tích cực sử dụng NPC inverter và DSP TMS320F28335. Bộ lọc tích cực (APF) được giới thiệu từ năm 1976 và hiện đã trở thành công nghệ phổ biến trong việc lọc sóng hài và bù công suất phản kháng. NPC inverter là một dạng nghịch lưu đa bậc, được chọn vì ưu điểm giảm nhiễu và tăng hiệu suất so với nghịch lưu hai bậc. Luận văn này nhằm mục tiêu tối ưu hóa hiệu suất của hệ thống điện ba pha ba dây, đặc biệt trong các ứng dụng công suất trung bình và lớn.

1.1. Khái niệm và cấu trúc bộ lọc tích cực

Bộ lọc tích cực (APF) là thiết bị dùng để loại bỏ sóng hài và bù công suất phản kháng trong hệ thống điện. Cấu trúc chung của APF bao gồm một NPC inverter kết nối với lưới điện. Khi tải phi tuyến được kết nối, dòng điện phi tuyến sẽ làm méo dạng điện áp nguồn. APF cung cấp dòng điện bù để duy trì dạng sóng sin và nâng cao hệ số công suất.

1.2. Ưu điểm của NPC inverter

NPC inverter được chọn vì khả năng hoạt động hiệu quả ở công suất trung bình và lớn. So với nghịch lưu hai bậc, NPC inverter giảm đáng kể sóng hài bậc cao và tối ưu hóa hiệu suất. Cấu trúc đa bậc của NPC inverter cho phép tạo ra điện áp ngõ ra gần với dạng sóng sin, giảm thiểu tổn thất và tăng tuổi thọ linh kiện.

II. Kỹ thuật điều khiển và ứng dụng DSP TMS320F28335

Luận văn nghiên cứu các kỹ thuật điều khiển hiện đại như điều chế vector không gian (SVPWM) và điều chế sóng mang (CBPWM) để tối ưu hóa hoạt động của NPC inverter. DSP TMS320F28335 được sử dụng để thực hiện các giải thuật điều khiển phức tạp, đảm bảo độ chính xác và hiệu suất cao. Các kỹ thuật này giúp cân bằng điện áp tụ DC và giảm thiểu sóng hài trong hệ thống.

2.1. Điều chế vector không gian SVPWM

SVPWM là phương pháp điều khiển dựa trên vector không gian, giúp tối ưu hóa việc đóng ngắt các linh kiện trong NPC inverter. Phương pháp này giảm thiểu sóng hài và cải thiện chất lượng điện áp ngõ ra. SVPWM được thực hiện thông qua DSP TMS320F28335, đảm bảo độ chính xác và tốc độ xử lý cao.

2.2. Ứng dụng DSP TMS320F28335

DSP TMS320F28335 là bộ xử lý tín hiệu số mạnh mẽ, được sử dụng để thực hiện các giải thuật điều khiển phức tạp như SVPWM và CBPWM. DSP này cung cấp khả năng xử lý thời gian thực, giúp tối ưu hóa hiệu suất của NPC inverter và bộ lọc tích cực. Kết quả mô phỏng và thực nghiệm cho thấy hiệu quả vượt trội của DSP trong việc điều khiển hệ thống.

III. Mô phỏng và thực nghiệm

Luận văn trình bày kết quả mô phỏng sử dụng Matlab/Simulink và thực nghiệm với NPC inverter và DSP TMS320F28335. Các kết quả cho thấy khả năng lọc sóng hài và bù công suất phản kháng hiệu quả của bộ lọc tích cực. Mô hình thực nghiệm được thiết kế và thi công, đạt được các mục tiêu đề ra như dòng điện nguồn gần sin và hệ số công suất cao.

3.1. Mô phỏng trên Matlab Simulink

Mô phỏng trên Matlab/Simulink được thực hiện để kiểm chứng lý thuyết và giải thuật điều khiển. Kết quả mô phỏng cho thấy NPC inverter và bộ lọc tích cực hoạt động hiệu quả trong việc lọc sóng hài và bù công suất phản kháng. Các thông số như dòng điện, điện áp và hệ số công suất được đo lường và phân tích chi tiết.

3.2. Thực nghiệm với DSP TMS320F28335

Mô hình thực nghiệm được thiết kế sử dụng NPC inverter và DSP TMS320F28335. Kết quả thực nghiệm khẳng định hiệu quả của các giải thuật điều khiển và khả năng ứng dụng thực tế của bộ lọc tích cực. Các thông số đo lường thực tế phù hợp với kết quả mô phỏng, chứng minh tính khả thi của đề tài.

IV. Đánh giá và hướng phát triển

Luận văn đánh giá các kết quả đạt được và đề xuất hướng phát triển trong tương lai. Bộ lọc tích cực sử dụng NPC inverter và DSP TMS320F28335 đã chứng minh hiệu quả trong việc lọc sóng hài và bù công suất phản kháng. Tuy nhiên, vẫn cần nghiên cứu thêm để tối ưu hóa hiệu suất và giảm chi phí trong các ứng dụng thực tế.

4.1. Đánh giá kết quả

Các kết quả mô phỏng và thực nghiệm cho thấy bộ lọc tích cực đạt được các mục tiêu đề ra, bao gồm dòng điện nguồn gần sin và hệ số công suất cao. Tuy nhiên, vẫn còn một số hạn chế như độ phức tạp của giải thuật điều khiển và chi phí thiết bị. Cần tiếp tục nghiên cứu để khắc phục các hạn chế này.

4.2. Hướng phát triển

Hướng phát triển trong tương lai bao gồm tối ưu hóa giải thuật điều khiển, giảm chi phí thiết bị và mở rộng ứng dụng của bộ lọc tích cực trong các hệ thống điện công nghiệp. Ngoài ra, việc tích hợp các công nghệ mới như AI và IoT cũng là một hướng nghiên cứu tiềm năng.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1 - Bộ nghịch lưu ba bậc NPC Ta thay nếu không dùng SFO-PWM, chỉ số biên độ m, tối đa chỉ bằng 1, trong khi đó nếu sử dụng SFO-PWM m, tăng lên đến 1.15 mà tín hiệu điều khiến vẫn trong phạm vi giới hạn của sóng mang, có nghĩa là vẫn còn trong phạm vi điều khiến tuyến tính. Phương pháp điều chế gián đoạn DPWM (Discontinuous PWM) Khái niệm điều chế gián đoạn: Sử dụng hàm offset thích hợp sao cho một trong ba nhánh nghịch lưu không có chuyên mạch, giúp giảm ton hao công suất do đóng ngắt, tăng tuổi thọ linh kiện. Khi đó, nhánh nghịch lưu không có hiện tượng chuyển mach sẽ được nối cô định (trong một chu kỳ sóng mang) với một trong ba vi trí 0, Vp/2 hoặc Vp, tương ứng với tín hiệu điều khiển của nhánh đó nhận một trong ba giá trị 0, 1 hoặc 2. Y tưởng để thực hiện phương pháp: hàm offset được chọn có giá trị: Vv, = min{lu,,— i}, VỚI x=a,b,c và i=0,1,2 (1.14) Giải thuật dé thực hiện ý tưởng trên thé hiện ở Hình 1.09, lưu ý: © là phan phân của u,, (êy = uy, — Int(u,,)).

| Col max =max{¢,,¢,.¢,} i K, = 1 — max Ky = min Vo = -Ky U yx = uy + Vo Hình 1.09: Giải thuật điều chế gián đoạn DPWM 13 Chương 1 - Bộ nghịch lưu ba bậc NPC Trong một số trường hợp, yêu cau cần phải ưu tiên cho nhánh nghịch lưu có trị tuyệt đối dòng (tức thời) lớn nhất không có chuyền mạch, tối ưu hóa bai toán, thi giải thuật miêu ta ở Hình 1.09 có thé điều chỉnh lại như ở Hình 1. ias ibs ic |é„„@»€, max = max{¢,,¢,,¢,} min = minte„›é,›€„} y Tmax = Max {lial lipl lic} Inia = Mid {lial lipl,ligl} X — Xmax X > Xmin -— | Ux= uy + Vo X — XImax X— ÄImid [| Hình 1.10: Giải thuật điều chế gián đoạn DPWM có xét đến độ lớn dòng điện Chi tiết về giải thuật, có thé tham khảo thêm tại [13]. Kết quả mô phỏng điều chế DPWM thé hiện trên Hình 1.9, Vp = 200V, tải R = 10ohm, L = 80mH.11: Điều chế gián đoạn DPWM a) u,,; b) vạ; €) u'r Ta thay có những khoảng thời gian mà u,, chỉ giữ cô định một trong ba giá tri nguyên 0, | hoặc 2, trong những giai đoạn đó, nhánh x sẽ không có hiện tượng chuyển mach. Những đoạn không có chuyển mạch 0.11: Điều chế gián đoạn DPWM a) uo; b) Dòng tải 3 pha So sánh với kết quả ở Hình 1.07, ta thay dòng tải vẫn duy trì như cũ, chứng tỏ mặc dù có nhiều đoạn không chuyển mạch, giảm t6n hao trên linh kiện nhưng chất lượng dòng — áp ngõ ra vẫn không thay doi.

15 Chương 1 - Bộ nghịch lưu ba bậc NPC 1. Điều khiến ngõ ra cân bằng trong điều kiện áp tụ DC không cân băng (Decoupling offset) Trong điều kiện thực tế, 2 tụ DC của bộ nghịch lưu ba bậc NPC được nạp thông qua một cau chỉnh lưu diode (1pha hoặc 3pha), hơn nữa vì lý do kinh tế, diện dung của tụ không thể chọn quá lớn, chính vì vậy sự nhấp nhô áp trên 2 tụ (dẫn đến sự mat cân bằng giữa 2 tụ) là điều khó tránh khỏi. Bai toán đặt ra là làm sao để điều khiến bộ nghịch lưu dé dòng — áp ngõ ra vẫn cân bang trong điều kiện điện áp trên 2 tụ có sự mat cân bằng như vậy. Xét bộ nghịch lưu ba bậc NPC, điện áp ngõ ra mong muốn (so với điểm 0 của bộ nghịch lưu) của ba pha lần lượt là U,,, Uj, và Ure (lưu ý, đây là điện áp ngõ ra ba pha chứ không phải tín hiệu điều khiến u,,, trong điều kiện tụ cân bang thì hai đại lượng này tỉ lệ thuận với nhau theo (1.

Điện áp tức thời trên 2 tụ C¡, Co lần lượt là Vp; và Vp>. Ta định nghĩa một số đại lượng như sau: [L, =0 khi U,<V,, 4Ù=lkhiV.15) Ho =L, +1 IV, =0;V,=V,, khi vy <V,, A.=V,,;V„ =V,„ khi Vy, <Vy <Vp,3 (1-16) Vậy — Vir “Vv, ĐI? lễ, — U.17) L , Vậy Khi đó, tín hiệu điều khiến urx được xác định như sau: H„=Ù Tế (1.18) Trong trường hop tong quát, giải thuật này có thé ứng dung cho bộ nghịch lưu m bac, với m > 2, tuy nhiên trong phạm vi luận văn nay chỉ xét cho bộ nghịch lưu 3 bậc NPC. Giải thuật này có thể kết hợp với giải thuật SFO-PWM để tăng phạm vi điều khiến tuyến tính áp tải, hoặc kết hợp với giải thuật DPWM để giảm tốn hao đóng ngắt trên linh kiện. 16 Chương 1 - Bộ nghịch lưu ba bậc NPC Kết quả mô phỏng thé hiện trên Hình 1.13, trong điều kiện áp 2 tụ chênh lệch khá lớn và không băng phăng như nguồn DC lý tưởng, tổng điện áp 2 tụ = 200V.

tai R= 10ohm, L = 80mH.5 a) Dien ap ngo ra mong muon 0 | | | | | | | | | 0.5 b) Dien ap 2 tu DC 0 0.5 c) Tin hieu dieu khien Hình 1.12: Giải thuật Decoupling offset kết hợp SFO-PWM: a) Điện áp mong muốn „: b) Điện áp trên 2 tụ DC; c) Tín hiệu điều khiến „„ 4 4 0.13: So sánh chất lượng dòng 3 pha tải khi a) Su dụng kỹ thuật CBPWM thông thường, THD = 9.25% b) Sử dụng kỹ thuật Decoupling offset, THD = 1.25% Như vậy ta thay nếu dùng kỹ thuật CBPWM thông thường, dòng tải bị méo dạng sóng hài lớn, trong khi sử dụng kỹ thuật Decoupling offset cho chất lượng dòng tải tốt với THD bé hơn (1. 17 Chương 1 - Bộ nghịch lưu ba bậc NPC 1.3 Kỹ thuật điều khiến cân bằng áp tụ Như đã trình bày ở phan trước, kỹ thuật Decoupling offset cho chất lượng dòng - áp tải tốt trong điều kiện áp tụ không cân băng, tuy nhiên, nếu bang cách nào đó ta có thé điều khiến cho điện áp giữa hai tụ bang nhau, hoặc có chênh lệch không lớn thì chất lượng sẽ được cải thiện nhiều hơn nữa. Có nhiều phương pháp được đưa ra dé giải bài toán cân bang áp tụ, có trường hợp phải mắc thêm phan cứng như [14], cũng có thé chỉ thay đối giải thuật phan mềm [2], [15]. Phần tiếp theo sẽ trình bày hai giải thuật được đánh giá là đơn giản và hiệu quả trong việc cân băng áp tụ và chi dùng phần mềm.

a) Can bằng áp tụ trong điêu kiện không do dòng tải (dòng nghịch lưu) Ý tưởng của phương pháp là thay đổi tín hiệu điều khiến u,, cũng như điều chỉnh quy luật đóng ngắt của linh kiện, sao cho dòng điện qua điểm giữa của 2 tụ có giá trị trung bình bằng không trong một chu kỳ lẫy mẫu. khi đó điện áp trên 2 tụ sẽ đạt trạng thái cân bằng. Gia sử ta có tín hiệu điêu khién cho ba pha là sóng sin: la u,, =l+m, cos (at) Ms.19) ju, =1+m, cos (@f + 27/3) Dat tín hiệu điều khiên mới: cr Hy — — y _ min(u,, 2 Uy U,.20) uo= Hy _ max(u,, UU, 1 U,.) x=a,b,c Các tín hiệu điêu khiên và u,,, uy, được minh hoa ở Hình 1. Goi ”„„„„„ là sóng Mang tam giác phía trên, UW" carrier là sóng mang tam giác phía dưới, với tín hiệu điều khiển mới (1.20), luật đóng ngắt xây dựng như sau: Dat i, = lụ — Lyn VỚI: 18 0 x2 2m3 n 4n/3 5n/3 2n 0 1⁄3 2n/3 T 4n/3 5x/3 2m a) b) Hình 1.14: Tín hiệu điêu khiến: a) Tín hiệu gôc b) Tín hiệu sau khi hiệu chỉnh (pha a) - Nếu wựụ,> WL carrier thì iy = 1; ngược lại i„ = 0.

- Nếu yn SU carrier thì ign =7; ngược lại iy, = 0.21) S',, =lkhii € {0,-1} | S', =1khii, =—I tị Cie tí“a ae to i r1⁄“ k2 | =iS| A.9 yf Bea \ M O f----------4-}----}4----------- OD Perr pee pe 0 1 0 Time/T Time/Tt (a) (b) Hình 1.15: Hai trường hợp có khả năng xuất hiện dòng iyp 8) Un) < Hụy b) tự” > Uxp VỚI Hy” = Upp + 1 19 Chương 1 - Bộ nghịch lưu ba bậc NPC Khi đó dòng trung bình đi qua điểm giữa của hai tu DC iyp (xem minh họa Hình 1.15): iyp = đạt, t+ dol, + c0”e dol (1.22) đụ — Hy +1—u,, — Hộ, —My, (với Ø là trị trung bình của đại lượng 0) Mặt khác, theo (1.24) ta duoc: inp =[l+u,|(i, +i, +} (1.25) Bởi vì ta đang xét hệ ba pha ba dây nên tong dòng trên ba pha luôn bằng không, từ đó suy ra dòng trung bình iNP bằng không. Như vậy bằng cách hiệu chỉnh tín hiệu điều khiến và quy tắt đóng ngắt, ta có thé điều khiến dòng qua điểm trung tính giữa hai tụ có trị trung bình bang không, từ b) 0.16: Kêt qua mô phỏng tín hiệu điêu khién a) Tín hiệu goc „ b) Tín hiệu u,, Và u,, 100 95ƑƑ 90 85 80 T5 T0Ì------------1---------=s+ a —4 70 66[Frrrrrrrrrrrtrrrrrrrrrrr nn ae Ererrrrrrrrr - s0 s0 0.17: Kết quả mô phỏng điện áp trên 2 tụ DC trong hai trường hợp a) Điều chế CBPWM thông thường: b) Dùng giải thuật cân bằng tụ 20 Chương 1 - Bộ nghịch lưu ba bậc NPC đó duy trì được sự cân bằng giữa hai tụ. Nhận xét: Phương pháp này khá hiệu quả trong việc cân bằng áp tụ bởi vì không yêu cau phải đo các đại lượng dòng — áp. Tuy nhiên khuyết điểm chính của phương pháp này là khi 2 tụ đã có một chênh lệch áp AV # 0 thì chênh lệch nay không những không thé khắc phục mà còn tăng dan do sai số tích lũy theo thời gian.

Do đó giải thuật này cần một số cải thiện thêm. b) Giải thuật cân bang tụ có do dòng tải (dòng nghịch lưu) Sra Sap 32c Vpo —T— CG | Sta 1 S Ib Ste 1 @ q 4 Va lạ —p> INP ip 0 += À ,__ Vp —> Load Ve ic è ẻ b k S 22 S 2B 5 2 Vouj Cy | S ia Sib S tc Hình 1.18: Bộ nghịch lưu ba bậc NPC với hai tụ không cân băng Ta sẽ tiếp cận cách giải quyết bài toán bằng giải thuật điều chế vector không gian SVPWM, sau đó tim mối liên hệ giữa SVPWM và CBPWM dé tìm ham offset phù hợp. Vector không gian cua bộ nghịch lưu ba bậc NPC cho ở Hình 1.19 với 27 trạng thái đóng ngắt linh kiện, lưu ý trong trường hop này ta quy ước 3 trạng thái -1, 0, 1 tương ứng với ba mức điện áp —VDI, 0 và VD2. Các bước cơ bản của điều chế SVPWM vẫn theo như đã trình bày ở 1.1, vẫn dé còn lại là lựa chọn các trạng thái chuyển mach phù hợp.