Đang tải... (xem toàn văn)
So sánh, đánh giá, mô phỏng hoạt động của một số bộ PFC (Power factor correction) công suất ba mức điện áp và mô hình thực nghiệm bộ Double boost ba mức một pha đơn chiều phân tích, xây dựng cấu trúc các bộ biến đổi PFC ba mức chỉnh lưu điện áp xoay chiều 220 V hiệu dụng sang điện áp một chiều 800V dạng so lệch. Nguyên lý điều khiển PWM (Pulse Width modulation) được áp dụng trong tính toán và mô phỏng hoạt động của các sơ đồ AC/DC ba mức này,... Mời các bạn cùng tham khảo.
TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC (ISSN: 1859 - 4557) SO SÁNH, ĐÁNH GIÁ, MÔ PHỎNG HOẠT ĐỘNG CỦA MỘT SỐ BỘ PFC (POWER FACTOR CORRECTION) CÔNG SUẤT BA MỨC ĐIỆN ÁP VÀ MƠ HÌNH THỰC NGHIỆM BỘ DOUBLE - BOOST BA MỨC MỘT PHA ĐƠN CHIỀU COMPARATIVE EVALUATION, SIMULATION OF THREE VOLTAGE LEVEL AC/DC POWER FACTOR CORRECTION CONVERTERS AND EXPERIMENTATION OF UNIDIRECTIONAL SINGLE PHASE THREE-LEVEL DOUBLE BOOST Phạm Thị Thùy Linh Trường Đại học Điện lực Tóm tắt: Bài báo phân tích, xây dựng cấu trúc biến đổi PFC ba mức chỉnh lưu điện áp xoay chiều 220 V hiệu dụng sang điện áp chiều 800 V dạng so lệch Nguyên lý điều khiển PWM (Pulse Width Modulation) áp dụng tính tốn mơ hoạt động sơ đồ AC/DC ba mức Từ kết mơ tính tốn so sánh tổn thất sơ đồ ba mức ta thấy sơ đồ AC/DC PFC Double Boost (DB) ba mức có ưu điểm vượt trội tổng thể đặc biệt ứng dụng công suất trung bình điện áp van nhỏ, khả mở rộng vận hành sang mạch ba pha dễ dàng, khả mở rộng sang nhiều mức điện áp hơn, tổn thất nhỏ, mật độ tổn thất van có điều khiển thấp Mơ hình thực nghiệm sơ đồ PFC Double Boost ba mức thực kiểm chứng tốt kết tính tốn mơ Từ khóa: Hiệu chỉnh hệ số cơng suất, biến đổi tĩnh, điều chế độ rộng xung, biến đổi đa mức Abstract: The paper analyzes the structures of non- differential three-level PFC converters that convert 220 V AC voltages to 800V DC voltages The Pulse Width Modulation (PWM) control method is applied in the calculation and simulation of these three-level AC/DC diagrams From simulation results and comparative loss calculations of three-level diagrams that the three-level PFC Double Boost (DB) structure has the greatest overall advantages, in particular, for the medium power applications: lowvoltage switching-cells, easy to expand to three-phase circuit, easy to expand to more voltage levels (multilevel converters), low total loss, a low densitification loss of transistors A three-level PFC Double Boost prototype was built to validate studies Keywords: Power factor correction, static converter, pulse width modulation, multilevel converter Ngày nhận bài: 21/8/2017, ngày chấp nhận đăng: 3/10/2017, phản biện: TS Nguyễn Phúc Huy Số 13 tháng 11-2017 51 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC (ISSN: 1859 - 4557) MỞ ĐẦU Ngày nay, phần lớn hệ thống lượng điện sử dụng biến đổi đa mức để có điện hiệu suất cao Các hệ thống phải làm việc tin cậy, an toàn, liên tục suốt thời gian làm việc Yêu cầu độ tin cậy có mặt nhờ công nghệ van bán dẫn, mặt nhờ thiết kế cấu trúc sơ đồ đáp ứng yêu cầu Ta biết sơ đồ chỉnh lưu sử dụng giao diện lưới xoay chiều AC tải chiều DC Không giống sơ đồ chỉnh lưu truyền thống (sơ đồ chỉnh lưu cầu, tia…) sử dụng điôt hay thyristo làm méo dạng tín hiệu nguồn có lượng sóng hài cao Chính có nhiều nghiên cứu để cải thiện chất lượng điện chỉnh lưu AC/DC [1-3] Trong báo này, sơ đồ đa mức trình bày cho phép cải thiện thành phần sóng hài dòng điện xoay chiều để có hệ số cơng suất gần 1, tăng mức điện áp DC giá trị lớn điện áp AC Tác giả nghiên cứu hoạt động sơ đồ, đề xuất phương pháp điều khiển chung cho sơ đồ sở thực so sánh tính tốn mơ hoạt động sơ đồ với điều kiện nguồn tải Bài toán so sánh tổn thất đề xuất thực để dựa vào lựa chọn sơ đồ Double-Boost tối ưu đưa sang thiết kế mơ hình thực nghiệm Trong nghiên cứu này, phần điều khiển bao gồm mạch điều khiển dòng điện đầu vào ba mạch điều khiển điện áp đầu Mạch điều khiển dòng điện cho phép giảm méo dòng diện nâng cao hệ số cơng suất 52 biến đổi Kết thực nghiệm cho thấy hiệu phương pháp điều khiển Dh Cs T Db AC Cs Hình Sơ đồ boost AC/DC T ↔ Hình Sơ đồ Boost AC/DC transisto PHÂN TÍCH CÁC BỘ BIẾN ĐỔI AC/DC BA MỨC ĐƠN CHIỀU Sơ đồ tổng quát không so lệch AC/DC PFC tăng áp có dạng hình 1, vấn đề ta cần phải thiết kế van bán dẫn trung tâm T có hai chiều dòng điện, hai chiều điện áp, tức van làm việc góc phần tư Van bán dẫn T tương đương với với sơ đồ cầu điôt van bán dẫn cần dẫn dòng áp chiều (hình 2), ghép vào sơ đồ hình ta sơ đồ hình 3, biến đổi khơng so lệch có ba mức điện áp đầu vào có tên VIENNA [4] (hình 3) Trên hình 1, ta thấy điôt Dh, Db phải chọn theo điện áp tổng phía bus DC, ngược lại với sơ đồ hình 3, điôt Dh, Db cần chọn theo nửa điện áp bus DC, làm cho tổn thất van nhỏ Tuy nhiên, trường hợp tổn thất tổng mạch cần bổ sung thêm phần tổn thất phía chỉnh lưu đầu vào Dp, Dn Số 13 tháng 11-2017 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC (ISSN: 1859 - 4557) Van T thực cách kết hợp hai van bán dẫn ba góc phần tư, mắc nối tiếp ngược nhau, mắc song song ngược Với cách mắc nối ta có họ sơ đồ BNPC (Bidirectionnal Neutral Point Clamped) [5] (hình 4) Họ sơ đồ cho phép giảm thiểu số lượng phần tử mắc nối tiếp sụt áp dẫn dòng nhánh trung tâm Tuy nhiên, điện áp khóa điơt Dh Db lại toàn điện áp bus DC mạch nghịch lưu DC/AC [6] Trong phần tác giả nghiên cứu phương pháp điều khiển cho sơ đồ AC/DC ba mức ID iL L AC M1 Dh M2 Cs Vs/2 IM Rs Cs Db Vs Vs/2 Hình Cấu trúc sơ đồ BNPC ba mức Idc Bằng cách đưa hai điôt khoanh vùng nét đứt phía trước, ta sơ đồ DB (Double Boost) ba mức Tương tự sơ đồ VIENNA, điôt Dh, Db mang nửa điện áp bus DC Như vậy, sơ đồ lấy ưu điểm sơ đồ BNPC VIENNA (hình 5) Cuối cùng, việc hốn đổi vị trí Dp Mb, Dn Mh sơ đồ DB ba mức, ta có sơ đồ NPC (Neutral Point Clamped) ba mức (hình 6) Sơ đồ có tính chất tương tự sơ đồ DB với số lượng phần tử chuyển mạch nối tiếp lớn ID Dp L IL Dh IM Mh Cs Vs/2=Vc Ip VMh Rs Vr VL AC Vs=Vdc Cs Dn Mb Vs/2 Db Hình Sơ đồ PFC DB ba mức ID Dh L D1 Cs Mb iL Rs IM AC Vs Vs/2 Mh D2 Cs Vs/2 Db D1 C1 Dp L T1 D3 Uc1 Hình Sơ đồ PFC NPC ba mức UDC Uin D4 Dn C2 Uc2 D2 Hình Sơ đồ cấu trúc mạch PFC VIENNA Hiện sơ đồ NPC nghiên cứu ứng dụng nhiều công nghiệp Số 13 tháng 11-2017 GIẢI PHÁP ĐIỀU KHIỂN CỦA CÁC SƠ ĐỒ CHỈNH LƢU BA MỨC Phương pháp phổ biến hiệu thường dùng để điều khiển sơ đồ chỉnh lưu ba mức phương pháp điều chế độ rộng xung PWM [7] Chính báo tác giả áp dụng nguyên lý điều chế PWM áp dụng cho sơ đồ chỉnh 53 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC (ISSN: 1859 - 4557) lưu ba mức DB Sau phân tích tác giả thấy sơ đồ giới thiệu áp dụng nguyên lý điều khiển chung, sơ đồ cấu trúc điều khiển thể hình Cách điều khiển ta điều khiển dòng điện nguồn pha với điện áp nguồn Transisto Mh điều khiển nửa chu kì dương điện áp lưới transisto Mb điều khiển nửa chu kì lại Trong chu kì chuyển mạch Tsw ta có điện áp trung bình tín hiệu vào biến đổi (1): Vin m(t ) Vs (1) với tín hiệu đặt m(t) = Mmax.sin(-j); j: góc lệch pha dòng điện điện áp nguồn ; Vs : điện áp bus DC KẾT QUẢ MÔ PHỎNG Đối với sơ đồ DB, BNPC, NPC việc điều chế thực hai nhóm chuyển mạch xếp chồng, nhóm có transisto Bởi nhóm chuyển mạch hoạt động nửa chu kì, ta chọn hai tín hiệu cưa xếp chồng Tín hiệu tựa chuyển từ so sánh với sóng cưa sang sóng cưa khác thực cách phát thay đổi dấu nguồn Tuy nhiên, sơ đồ VIENNA, việc điều chế thực giá trị tuyệt đối tín hiệu tựa Vị trí hai tín hiệu xung cưa xếp chồng khơng lệch pha cho phép thực việc điều chế Trong pha không điều chế, transisto điều khiển trạng thái dẫn dòng liên tục điều cho phép kiểm soát phân bố điện áp van bán dẫn bị khóa mắc nối tiếp với chúng (Ví dụ Mh dẫn làm cho Dh chịu điện áp ngược Vs/2 Dp chịu điện áp Vs/2) (hình 5) Kết mơ đạt hình cho thấy hiệu điều khiển đồng pha dòng điện điện áp, đạt điện áp ba mức dòng điện hình sin (hình 8) Như với phương pháp điều khiển PWM có phản hồi áp dụng cấu trúc hoạt động mạch, chỉnh lưu ba mức kể không cần thiết lọc đầu vào Hình Sơ đồ cấu trúc điều khiển chỉnh lƣu ba mức 54 Từ việc biết nguyên lý điều chế dạng sóng tín hiệu dòng điện van tín hiệu điện áp đầu vào biến đổi Uin cho phép ta tính tốn tổn thất van, toàn bộ biến đổi Từ thực việc so sánh rút sơ đồ tốt Số 13 tháng 11-2017 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC (ISSN: 1859 - 4557) Hình Dạng sóng dòng điện điện áp chỉnh lƣu ba mức (220 VAC, 50 Hz-800VDC, điều khiển PWM, Fsw= 40 kHz) SO SÁNH TỔN THẤT KHI DẪN DỊNG áp dẫn điơt) R d (điện trở động, Chúng ta thấy dòng điện điện áp chuyển mạch chu kì điều chế sơ đồ VIENNA, BNPC, DB NPC Như tổn thất chuyển mạch giống Như việc so sánh tổn thất tổng chuyển so sánh tổn thất dẫn dòng Để thực việc tính tốn so sánh, việc lựa chọn van bán dẫn 600 V điện áp bus DC 800V dòng điện nguồn có giá trị hiệu dụng 15A 35A (bảng 1) tương tự điôt, RDSON transisto) tính từ thơng số cho nhà sản suất Tj= 125°C Các tổn thất dẫn (∆P) van bán dẫn ước tính theo phương trình (2) [8] sau: IGBT FGB20N60SFD P Vdo I D Rd I DRMS (2) I D I DRMS dòng điện trung bình hiệu dụng qua van tính theo phân tích tốn học cấu trúc chu kì chuyển mạch 1/Fsw (Fsw: tần số chuyển mạch) Còn Vd (sụt Số 13 tháng 11-2017 Bảng tóm tắt kết có tính tốn giá trị dòng điện trung bình hiệu dụng qua van Bảng Các thơng số van Tên Van bán dẫn RDSON Vdo [mΩ] [mV] 125°C 125°C Rd[mΩ] 57 625 170 Điôt SiC Schottky 600V GP2DO20A060B 800 41 Điôt chỉnh lưu 600V APT30DS60B 1000 35,7 Điôt SiC Schottky 1200V GP2DO20A120B 800 62,5 125°C 55 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC (ISSN: 1859 - 4557) Bảng Các giá trị trung bình hiệu dụng dòng điện qua van bán dẫn Van bán dẫn Trans Điơt HF Giá trị trung bình dòng điện I Mh IM I Dh I M VM 2VS I M VM 2VS Thay thông số nguồn tải điện áp cực đại nguồn AC VM=230√2V ; điện áp bus DC Vs=800V; dòng điện cực đại nguồn AC IM= ILRMS √2A Từ ta có : Bảng Kết dòng điện trung bình hiệu dụng điơt transisto tƣơng ứng với dòng điện nguồn 15A 35A hiệu dụng ILRMS =15A ILRMS =30A Dòng điện trung bình ID 4,12A 8,25 A Dòng điện hiệu dụng IDRMS 8,62 A 17,24A Dòng điện trung bình IM 2,63A 5,26A Dòng điện hiệu dụng IMRMS 6,17A 12,36A Qua bảng kết (bảng 3) ta thấy dòng điện qua điơt Dh Db lớn hẳn dòng điện qua transisto, mà ta nên chọn điôt SiC chịu nhiệt độ tốt Các kết tính tốn tổn thất dẫn sơ đồ ba mức tổng hợp hình ứng với dòng điện 15A hiệu dụng Tổn 56 Giá trị hiệu dụng dòng điện I MhRMS I M2 I M2 VM 3VS I DhRMS I M2 VM 3VS thất tổng sơ đồ bao gồm tổn thất transisto, tổn thất điôt cao tần, tổn thất điôt thấp tần Đối với sơ đồ DB ba mức, điôt cao tần Dh Db, điơt thấp tần Dp Dn Trong sơ đồ Vienna khác sơ đồ DB chỗ điơt thấp tần ngồi hai điơt chỉnh lưu cần bổ sung thêm điôt mắc nối tiếp với transisto vòng chuyển mạch, ta chọn SiC600 Red600 Riêng sơ đồ BNPC, khơng có điơt thấp tần phần tổn thất transisto phải tính thêm tổn thất điôt mắc song song ngược với (body diode), điểm ý điơt cao tần phải chọn theo điện áp Vs, với điện áp phía bus DC 800V ta cần chọn điôt SiC 1200 hai điôt SiC 600 mắc nối tiếp Cuối cùng, sơ đồ NPC, tổn thất transisto cần bổ sung thêm tổn thất body diode, phía điơt cao tần tương tự sơ đồ DB, riêng điơt thấp tần khơng có phần tổn thất điôt chỉnh lưu, nhiên điôt mắc nối tiếp transisto vòng chuyển mạch chọn điơt SiC 600 SiC 800 chúng chọn theo Vs/2 Số 13 tháng 11-2017 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC (ISSN: 1859 - 4557) Sơ đồ BNPC có tổn thất dẫn nhỏ nhất, nhiên kết tổn thất cho thấy tổn thất van đóng mở sơ đồ lớn thứ hai điôt sơ đồ phải chọn với mức điện áp gấp đôi tức điôt SiC Schottky 1200 V Về mặt tổng thể, sơ đồ DB sơ đồ tốt nhất, có tổn thất nhỏ với mật độ tổn thất transisto thấp, số lượng van bán dẫn vòng chuyển mạch cho phép giảm điện cảm kết nối điện áp chuyển mạch Sơ đồ có ưu điểm khả mở rộng dễ dàng đến sơ đồ có số mức cao Trong phần tác giả xây dựng mô hình thực nghiệm sơ đồ DB để kiểm chứng kết tính tốn mơ Hình Tổn thất dẫn dòng chỉnh lƣu PFC tăng áp ba mức ứng với dòng điện 15A hiệu dụng KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM Mơ hình thí nghiệm bao gồm hai phần: phần mạch lực sơ đồ ba mức PFC Double Boost kW; phần điều khiển thực điều khiển điều chế độ rộng xung PWM có phản hồi dòng áp sử dụng mơ đun L4981 (hình 10) Nguồn cấp máy phát điện xoay chiều có tần số thay đổi, tải chiều có cơng suất kW Các cảm biến dòng điện điện áp phía xoay chiều sử dụng LAH 50-P Số 13 tháng 11-2017 LV25-P Các tụ điện phía mt chiu c la chn l 6ì220àF/450V/EPCOS Alu, v cm biến điện áp tương ứng LV25P Kết thực nghiệm 60 VAC/200 VDC (hình 11) bước đầu kiểm chứng tốt mạch lực phương pháp điều khiển Điện áp đầu vào mạch có dạng ba mức dòng điện AC gần sin mơ hình thí nghiệm khơng có lọc đầu vào So với chỉnh lưu thơng thường sơ đồ có ưu điểm vượt trội mặt tín hiệu 57 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC (ISSN: 1859 - 4557) KẾT LUẬN Hình 10 Mơ hình thí nghiệm mạch AC/DC PFC Double-Boost ba mức Hình 11 Kết thí nghiệm mạch ba mức AC/DC PFC Double-Boost (Fsw= 32 kHz), 60 VAC/ 200 VDC, khơng lọc tín hiệu đầu vào Bài báo thống kê sơ đồ PFC tăng áp có cấu trúc tương tự với đặc điểm bật chúng Phần điều khiển cho biến đổi tính tốn mô phương pháp điều chế độ rộng xung PWM Bài báo rằng, với điều kiện nguồn tải biến đổi đa mức, cụ thể ba mức có điện áp van nhỏ hơn, mật độ tổn thất nhỏ so với chỉnh lưu truyền thống, tính tốn tổn thất cho thấy biến đổi BNPC ba mức có tổn thất nhỏ nhất, nhiên van bán dẫn điôt phải chọn với mức điện áp gấp đôi tổn thất transisto lớn biến đổi DB ba mức với tổn thất nhỏ đặc điểm hoạt động bật biến đổi tối ưu cho ứng dụng cơng suất trung bình, tần số lớn Các kết mô thực nghiệm tác giả trình bày Hướng tác giả mở rộng sơ đồ lên mức cao chuyển từ mô tương tự sang mô số TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Le Claire J.C, Radouane A., Ginot N., Moreau R., “Simple Topology and Current Control for Fast AC/DC Converter with Unity Power Factor”, 11th International Power Electronics and Motion Control Conference, Riga, Latvia, 2-4 September 2004, CDROM ref ISBN 9984-32010-3 [2] B Singh, K Al Haddad, A Pandey, D P Kothari, “A Review of Single-Phase Improved Power Quality AC/DC Converters”, IEEE Transactions on Industrial Electronics, Vol.50, N°5, pp 962981, October 2003 [3] M.L Heldwein, M S Ortmann, S.A Amusa,“Single-phase PWM Boost-type Unidirectional Rectifier Doubling the Switching Frequency”, 13thEuropean Conference on Power Electronics and Applications, EPE 2009, Sept 8-10, Barcelona, Spain, 2009 58 Số 13 tháng 11-2017 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC (ISSN: 1859 - 4557) [4] Johann W.Kolar, Hans Ertl, "Design and experimental investigation of a three-phase high power density high efficiency unity power factor PWM (VIENNA) rectifier employing a novel integrated power semi-conductor module", Applied Power Electronics Conference and Exposition, 1996 APEC '96 Conference Proceedings 1996., Eleventh Annual, Volume 2, 3-7 March 1996, pp 514 – 523 [5] Keith A.Corzine, James R.Baker, “Reduced parts count multilevel rectifiers”, IEEE Trans On Industrial Electronics, Vol.49, n°4, August 2002 [6] Ning-Yi Dai, Man-Chung Wong and Ying-Duo Han, "Application of a three-level NPC inverter as a three-phase four-wire power quality compensator by generalized 3DSVM," in IEEE Transactions on Power Electronics, vol 21, no 2, pp 440-449, March 2006 [7] T Meynard, H Foch, "Multilevel choppers for high voltage applications", European Power Electronics Journal, Vol 2, n°1, pp 45-50, Mar 1992 [8] S Deng, H Mao, T Wu, "Power losses estimation platform for power converters", Applied Power Electronics Conference and Exposition, 2004 APEC '04 Nineteenth Annual IEEE Giới thiệu tác giả: Pham Thi Thuy Linh received the M2R degree from Ecole Nationale Supérieure d’Electrotechnique, d’Electronique, d’Hydraulique de Toulouse, Toulouse, France in 2008 and Ph.D degree from Institut National Polytechnique de Toulouse, France in 2011 Her work at Laboratoire Plasma et Conversion d'Energie, Toulouse proposed a solution of new converter more reliable and performance for the electrical system in the new version of Airbus After that, she worked at IT link System company which coporated with Socomeccompany, Strasbourg, France Here, she is a member of the developement team for the new versions of Uninterruptible Power Supply She is actually Lecturer and Researcher at Electric Power University, Hanoi, Vietnam Her fields of interest: Power electronics, series multicell converters for high power and high performance application, digital control signal and diagnostic of converter Số 13 tháng 11-2017 59 ... chịu điện áp Vs/2) (hình 5) Kết mơ đạt hình cho thấy hiệu điều khiển đồng pha dòng điện điện áp, đạt điện áp ba mức dòng điện hình sin (hình 8) Như với phương pháp điều khiển PWM có phản hồi áp. .. chỉnh lƣu PFC tăng áp ba mức ứng với dòng điện 15A hiệu dụng KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM Mơ hình thí nghiệm bao gồm hai phần: phần mạch lực sơ đồ ba mức PFC Double Boost kW; phần điều khiển thực điều... LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC (ISSN: 1859 - 4557) KẾT LUẬN Hình 10 Mơ hình thí nghiệm mạch AC/DC PFC Double- Boost ba mức Hình 11 Kết thí nghiệm mạch ba mức AC/DC PFC Double- Boost (Fsw= 32 kHz),