TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 1(36).2010 ỨNG DỤNG NGHỊCH LƯU ÁP ĐA MỨC TRONG HỆ TRUYỀN ĐỘNG APPLICATION OF MULTILEVEL INVERTERS TO ELECTRICAL DRIVES Ngơ Văn Quang Bình Trường Đại học Sư phạm, Đại học Huế Nguyễn Văn Liễn Trường Đại học Bách khoa Hà Nội TĨM TẮT Bài báo trình bày kết nghiên c ứu xây dựng thuật toán cho phương pháp điều chế vectơ không gian cho nghịch lưu áp mức cấu trúc điốt kẹp Trên sở xây dựng cấu trúc theo phương pháp điều khiển vectơ tựa theo từ thông rotor cho động khơng đồng pha rotor lồng sóc Kết nghiên cứu mô phỏng, kiểm chứng Matlab Plecs cho thấy thuật toán phương pháp điều chế vectơ không gian cấu trúc điều khiển xây dựng đáp ứng yêu cầu kỹ thuật đề ABSTRACT The paper presents the research result and the algorithm design of a space vector modulation method for the 3L-NPC (three-level Neutral-Point-Clamped), which is basically studied for designing the field-oriented control of a three-phase induction motor with squirrelcage rotor (IM) The investigation results verified by simulation using Matlab and Plecs show that the algorithm of space vector modulation method and the design of the control structure have been correctly made to meet technical requirements Đặt vấn đề Sự tiến gần việc nâng cao tính dòng, áp thiết bị chuyển mạch IGBT, IGCT, GTO thúc đẩy việc sử dụng nghịch lưu nguồn áp lĩnh vực công suất lớn Trong nghịch lưu áp đa mức ngày sử dụng rộng rãi truyền động điện xoay chiều, truyền tải điện xoay chiều bù tĩnh Ưu điểm nó: cơng suất nghịch lưu áp tăng lên, điện áp đặt lên linh kiện giảm xuống nên công suất tổn hao q trình đóng cắt linh kiện giảm theo, với tần số đóng cắt thành phần sóng hài bậc cao điện áp nhỏ so với trường hợp nghịch lưu mức Bộ nghịch lưu áp mức cấu trúc điốt kẹp Cấu trúc nghịch lưu điốt kẹp mức (3L-NPC) hình Pha A nghịch lưu gồm có khóa bán dẫn S đến S điốt mắc song song ngược D đến D Điện áp vào chiều nghịch lưu thường chia tụ điện nối tầng C d1 C d2 , để tạo điểm trung tính ảo Z Điện áp đặt lên tụ điện E, thường nửa điện áp nguồn chiều đưa vào V d Các điốt D Z1 , D Z2 nối với điểm trung tính ảo Z gọi điốt chốt điểm trung tính Các khóa chuyển mạch S , S S , S hoạt động theo nguyên tắc đối nghịch, có nghĩa khóa đóng khóa cịn lại ngắt TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 1(36).2010 Hình Bộ nghịch lưu điốt kẹp mức Phương pháp điều chế cho nghịch lưu áp 3L-NPC Với nghịch lưu áp 3L-NPC, pha ví dụ pha A điện áp U AZ có ba trạng thái điện áp khác tương ứng với trạng thái đóng ngắt khóa bán dẫn Do có tất 27 trạng thái đóng ngắt khóa bán dẫn ba pha tương ứng với 27 vectơ tạo vectơ không gian điện áp (hình 2) Dựa vào độ lớn, người ta chia vectơ thành nhóm: - Vectơ khơng V : [PPP], [OOO] [NNN] - Vectơ nhỏ V1 ÷ V : vectơ có loại vectơ P (chứa trạng thái P) vectơ N (chứa trạng thái N) - Vectơ trung bình V ÷ V12 - Vectơ lớn V13 ÷ V18 Sector II V8 V15 V2 Sector III V9 V16 V14 V0 V4 V10 Sector IV V5 V17 Sector I V7 V1 V6 V11 Sector V V13 V12 Sector VI V18 Hình Vectơ khơng gian điện áp nghịch lưu 3L-NPC Ý tưởng phương pháp điều chế vectơ không gian tạo nên dịch chuyển liên tục vectơ không gian tham chiếu quỹ đạo đường tròn vectơ điện áp nghịch lưu Vectơ tham chiếu V ref vectơ trung bình thời gian chu kỳ điều chế T pulse trình điều khiển nghịch lưu áp Tuy nhiên đặc điểm nghịch lưu dạng NPC nói chung mức nói riêng xuất tụ điện phần DC link, trình tác động trạng thái khác làm xuất điện áp Vz , điện áp điểm Z âm nguồn chiều Vì thiết kế trình tự chuyển 10 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 1(36).2010 mạch khóa bán dẫn người ta tìm cách làm giảm nhỏ ảnh hưởng trạng thái đến độ lệch điện áp Vz (hiện tượng cân điện áp tụ điện) [3] Qua q trình phân tích ta tổng kết ảnh hưởng vectơ điện áp đến điện áp Vz sau: - Vectơ V không ảnh hưởng đến điện áp Vz - Các vectơ nhỏ V1 ÷ V có ảnh hưởng lớn đến điện áp V z Trong vectơ loại P làm điện áp V z tăng, vectơ loại N làm điện áp V z giảm - Các vectơ trung bình V ÷ V12 có ảnh hưởng đến điện áp V z không xác định hướng tăng hay giảm - Các vectơ lớn V13 ÷ V18 khơng ảnh hưởng đến điện áp V z Vì để giảm cân điện áp tụ điện, thời gian tác động khóa bán dẫn tương ứng với trạng thái vectơ nhỏ phân bố hai trạng thái loại P loại N chu kỳ điều chế Tùy theo vị trí vectơ trung bình V ref thuộc vị trí tam giác nào, ta có hai trường hợp khảo sát [3] - Trường hợp 1: ba vectơ có vectơ nhỏ: Khi vectơ trung bình V ref thuộc tam giác thứ hai thứ tư vùng I (hình 3a), có ba vectơ vectơ nhỏ Trình tự thời gian tác động khóa bán dẫn tương ứng với trạng thái vectơ V ref (hình 3b) a) b Hình Trường hợp V ref thuộc tam giác thứ tư vùng I (I-4) - Trường hợp 2: ba vectơ có hai vectơ nhỏ Khi vectơ điện áp trung bình V ref thuộc tam giác thứ thứ ba vùng I, hai ba vectơ vectơ nhỏ Để giảm tượng cân điện áp tụ, người ta chia tam giác thành hai tam giác Do vectơ trung bình V ref gần với vectơ V1 vectơ V nên thời gian tác động tương ứng T V1 lâu thời gian tác động T V Lúc V1 gọi vectơ nhỏ chủ yếu thời gian tác động phân bố hai trạng thái V1P V1N 11 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 1(36).2010 Các kết mô Kết mô kiểm chứng Matlab & Plecs với thông số động cơ: f pulse = kHz, P n = 932,5 kW, U d = 4160 V, f = 60 Hz, n đm = 1189 vòng/phút, Z p = 3, F = 0,0025, J = 22, R s = 0,21 Ω, R r = 0,146 Ω, L ls = L lr = 0,0052 H, Lm = 0,155 H a) Với nghịch lưu mức b) Với nghịch lưu mức Hình Phổ tần số dòng điện tương ứng với nghịch lưu mức mức a) Với nghịch lưu mức b) Với nghịch lưu mức Hình Phổ tần số điện áp dây tương ứng với nghịch lưu mức mức - Trường hợp áp dụng phương pháp điều khiển vectơ tựa theo từ thông rotor cho nghịch lưu áp mức (hình 6) [1], [2], [4]: 12 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 1(36).2010 Hình Cấu trúc điều khiển tựa theo từ thông rotor cho nghịch lưu mức 3.5 15 isq isd 10 2.5 Isdq Phi'rd 1.5 Dong tai Khoi dong -5 0.5 -10 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.1 0.2 Thoi gian 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 Thoi gian Hình 7a Dịng stator hệ tọa độ dq Hình 7b Đặc tính từ thơng động 2.5 160 Momen tai Momen dien 140 Dong tai Toc dong co Toc dat 120 1.5 100 80 wm Momen 0.5 60 40 Khoi dong Dong tai -0.5 Khoi dong 20 -1 -1.5 -20 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 Thoi gian Thoi gian Hình 7c Đặc tính mơmen động Hình 7d Đặc tính tốc độ động Kết luận Từ kết phân tích cho thấy tổng độ méo sóng hài dòng điện điện áp dây nghịch lưu mức nhỏ nhiều so với nghịch lưu mức trường hợp tải động cơng suất lớn (hình 4, hình 5) Kết mơ thể tổng độ méo sóng hài thấp, chất lượng dòng điện điện áp nghịch lưu đáp ứng yêu cầu đề Các đặc tính dịng điện, từ thơng rotor, tốc độ mơmen động (hình 7) có sử dụng phương pháp điều khiển vectơ tựa theo từ thông rotor có chất lượng tốt cho thấy triển vọng ứng dụng nghịch lưu áp đa mức hệ truyền động TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Bùi Quốc Khánh, Nguyễn Văn Liễn, Phạm Quốc Hải, Dương Văn Nghi (2006), Điều chỉnh tự động truyền động điện, NXB Khoa học kỹ thuật, Hà Nội [2] Nguyễn Phùng Quang, Andreas Dittrich (2006), Truyền động điện thông minh, NXB Khoa học kỹ thuật, Hà Nội [3] Bin Wu (2006), High-Power Converters And AC Drives, Wiley-IEEE Press 13 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 1(36).2010 [4] 14 Nguyen Phung Quang, Jorg Andreas Dittrich (2008), Vector Control of ThreePhase AC Machines, Springer