Bài giảng Điều chế vector không gian (SVM) cho nghịch lưu nguồn áp ba pha Thiết kế hệ thông điều khiển điện tử công suất

Học phần (EE4336): Thiết kế hệ thống điều khiển điện tử công suất Điều chế vector không gian (SVM) cho nghịch lưu nguồn áp ba pha TS Trần Trọng Minh, TS.Vũ Hoàng Phương Hà Nội – 07/2014 07/2014 Nội dung trình bày Vai trị (nhiệm vụ) khâu SVM hệ thống điều khiển nghịch lưu nguồn áp ba pha Khái niệm vector không gian Nội dung phương pháp điều chế vector không gian Kết mô Kết luận Tài liệu tham khảo 07/2014 Vai trị điều chế vector khơng gian U dc da Lương đặt Bộ điều khiển us db M Driver dc NLNA SVM Sóng mang Phản hồi Hình Sơ đồ khối hệ thống điều khiển nghịch lưu nguồn áp ba pha Nhiệm vụ SVM:Tính tốn thời gian đóng ngắt van bán dẫn mạch nghịch lưu đảm bảo giá trị trung bình điện áp đầu mạch nghịch lưu với giá trị điện áp đặt vào khâu SVM 07/2014 Khái niệm vector khơng gian Ta hồn tồn có khả biểu diễn đai lượng điện áp tức thời hệ thống pha vector điện áp theo (1) 2 j 2 a  e    j u s  (ua  aub  a uc ) 2  (u a  u b  u c ) 1 Trong mặt phẳng phức αβ, vector us biểu diễn: u s  u  ju  (2) Bằng phép chuyển tọa độ Clarke (3), ta đưa hệ thống pha từ hệ tọa độ (abc) sang hệ tọa độ αβ 1  u   a    u   2  ub   3 u    3    0 uc     2  07/2014 Hình Ví dụ thành phần điện áp (abc) αβ theo trục thời gian Khái niệm vector không gian Với hệ pha cân đối xứng – pha điện áp có biên độ góc lệch tương ứng 2π/3 Sử dụng thơng tin vector us để điều khiển cho hệ thống ba pha 5 j us  s     5 φ: góc lệch pha điện áp dịng điện 07/2014 u s  U m(t ) us Tương tự ta có: i s  I m (t   )  4 u  ua  U m cos(t )  2  u  U cos(  t  )  b m  2  u  U cos(  t  ) m  c Hình Biểu diễn vector khơng gian hệ tọa độ αβ Nội dung phương pháp SVM Bước 1: Xác định trạng thái (vector chuẩn ) mạch nghịch lưu Bằng nhánh van ta có trạng thái logic (do NLNA không cho phép ngắn mạch nguồn vào chiều, không hở mạch pha đầu ra) Ta qui ước, trạng thái logic tương ứng van nhánh nối với cực (+); trạng logic tương ứng van nhánh nối với cực (-) nguồn chiều Do tải pha đối xứng ta có:  u   a U dc   ub   U dc     u   U dc  c  u  U dc 00   Theo (1) ta có: 07/2014 Hình Trang thái (u1 = 100) Nội dung phương pháp SVM Có trạng thái : trạng thái khơng (u0, u7) trạng thái tích cực (u1÷u6) Hình Trạng thái (vector chuẩn) mạch nghịch lưu nguồn áp ba pha Bài tập: Tính tốn giá trị điện áp tức thời vector điện áp cho trạng thái lại mạch nghịch lưu 07/2014 Nội dung phương pháp SVM Các vector điện áp trạng thái gọi vector chuẩn Biên độ vector chuẩn xác định: u3  u2 uS   u1  u  u  u  u  u  / 3U dc   u  u  8 u0 u4 u7 uS  u1 u S Bảng Bảng giá trị điện áp vector chuẩn Vector Van dẫn chuẩn u0 S2 , S4 , S6 ua ub uc uab u bc us 0 0 0 u1 S6 , S1 , S2 2/3 U dc -1/3 U dc -1/3 U dc U dc / 3U dc 0 u2 S1 , S2 , S3 1/3 U dc 1/3 U dc -2/3 U dc U dc / 3U dc ( / 3) u3 S2 , S3 , S4 -1/3 U dc 2/3 U dc -1/3 U dc - U dc U dc / 3U dc (2 / 3) u4 S3 , S4 , S5 -2/3 U dc 1/3 U dc 1/3 U dc - U dc / 3U dc ( ) u5 S4 , S5 , S6 -1/3 U dc -1/3 U dc 2/3 U dc - U dc / 3U dc (2 / 3) u6 S5 , S6 , S1 1/3 U dc -2/3 U dc 1/3 U dc U dc - U dc / 3Udc ( / 3) u7 S1 , S3 , S5 0 0 0 07/2014 u5 u6 Hình Vị trí vector chuẩn hệ tọa độ tĩnh αβ  Nội dung phương pháp SVM Nguyên tắc thực hiên điều chế vector không gian: Vector điện áp đặt tổng hợp từ vector chuẩn biết mạch nghịch lưu Do đó, ta phải trả lời câu hỏi sau: Thời gian thực vector chuẩn (bao gồm thời gian thực vector tích cực vector khơng) chu kỳ điều chế? Trình tự thực vector chuẩn vector điện áp đặt nằm sector khác nhau? Xuất thời gian đóng ngắt nhánh van mạch nghịch lưu? 07/2014 Nội dung phương pháp SVM Bước 2: Xác định vị trí vector điện áp đặt us u  Cách 1: Sử dụng phép tính lượng giác [3]   arctan( ) u  U  (u  u )    m  9 Gặp khó khăn thực thực tế Cách 2: Sử dụng phương pháp đại số để xác định vị trí vector điện áp đặt us 07/2014 Hình Mối quan hệ sector điện áp tức thời usa, usb, usc 10 Nội dung phương pháp SVM Tính tốn hệ số điều chế vector chuẩn theo phương pháp đại số u  u  nên (10) viết lại: u S  d1u x  d 2u y 11 T1 T2 d  ; d  Trong đó: Ts Ts Do Viết lại (10) theo thành phần hệ tọa độ tĩnh αβ  u S  u y  u x u x     d1    d     uS   u x   u y    u x  d1  u x  d   u    x u y   d1   u y   d  u y  1 uS  uS      A nm   u y  uS   uS   12  13 Hệ số d0 thực vector không xác định: 07/2014 T0  Ts  T1  T2 d   d1  d 14  13 Nội dung phương pháp SVM  Xét ví dụ sector 1: Vector us biểu diễn sau: uS  u1 u   u  S    1 2 3 u2  d1   U dc  u2   d2  0   u2   d1    d2   3 15 Hệ số điều chế d1, d2 xác định (16): 2  d1  3 d   U   2 dc    Hệ số điều chế cho vector không: 07/2014 u u0 u7 1  3   u S       uS   U dc   0 3 u s  d1.u1  d u u  Hình 10 Ví dụ điều chế vector điện áp nằm sector 3    u S    uS    3 d   d1  d u1 16  17  14 Nội dung phương pháp SVM Bảng Bảng tổng hợp ma trận sector sử dụng (13) A nm A nm A nm 2 3   U dc  0       U dc         U dc    Sector 1  3       U dc   0 3 Sector 1 2       U dc      Sector 1          U dc     3  Sector 3      3    3   3     A nm    U dc   1     3  U dc     1   2  Sector 1 2       3       A nm   U dc  U dc         2    Sector 1  2  3  3       A nm  2   U dc  U dc        3  Nhận xét: Về mặt toán học thứ tự thực vector không ảnh đến giá trị trung bình điện áp nghịch lưu mơi chu kỳ điều chế Tuy nhiên trình tự thực vector định đến chất lượng điện áp đầu ra, số lần chuyển mạch 07/2014 15 Nội dung phương pháp SVM Bước 4: Tính tốn thời gian (hoặc hệ số điều chế) thực nhánh van mạch nghịch lưu chu kỳ Ts Ts/2 Sử dụng mẫu xung đối xứng thời gian sử dụng vector không (u0, u7) T0  T7  Ts  T1  T2  18 Ts/2 T0/4 T1/2 T2/2 T0/4 T0/2 T2/2 T1/2 T0/2 u0 u1 u2 u7 u7 u2 u1 u0 S1 S3 Xét ví dụ sector u1 u2 u7 u0 Pha a 1 Pha b 1 Pha c 0 Trình tự chuyển mạch u0 → u1 → u2 → u7 u7 → u2 → u1 → u0 07/2014 S5 S4 S6 S2 Sector Hình 11 Mẫu xung chuẩn Sector 16 Nội dung phương pháp SVM Căn vào đặc điểm kênh PWM vi điều khiển (thực chất đếm tiến lùi), ta xác định hệ số điều chế cho nhánh van mạch nghịch lưu d0  d   a  d0  db   d1  d0  d   c  d1  d Ts/2 Ts/2 T0/4 T1/2 T2/2 T0/4 T0/2 T2/2 T1/2 T0/2 u0 19  u1 u2 u7 u7 u2 u1 u0 S1 S3 S5 S4 S6 Hệ số điều chế giới hạn: ≤ da, db, dc ≤ S2 Sector Nhận xét: + Mỗi lần chuyển trạng thái có nhánh cầu chuyển mạch + Điện áp có sóng hài bậc 2fs chu kỳ pha chuyển mạch lần 07/2014 17 Nội dung phương pháp SVM Bài tập: Tính tốn hệ số điều chế nhánh van mạch nghịch lưu vector điện áp đặt nằm sector cịn lại 07/2014 Hình 12 Các mẫu xung chuẩn đưa sector 18 Nội dung phương pháp SVM Bảng Hệ số điều chế cho nhóm nhánh van mạch nghịch lưu Sector Sector Sector Sector 07/2014 Thời gian đóng/cắt da = d0/2 db = d0/2 + d1 dc = d0/2 + d1 + d2 da = d0/2 + d1 db = d0/2 dc = d0/2 + d1 + d2 da = d0/2 + d1 + d2 db = d0/2 dc = d0/2 + d1 Sector Sector Sector Sector Thời gian đóng/cắt da = d0/2 + d1 + d2 db = d0/2 + d1 dc = d0/2 da = d0/2 + d1 db = d0/2 + d1 + d2 dc = d0/2 da = d0/2 db = d0/2 + d1 + d2 dc = d0/2 + d1 19 Vấn đề bàn thêm U dc / Khả tận dụng điện áp chiều Udc bao nhiêu?? + + Các mẫu xung xuất bước : Điều chế ngẫu nhiên, điều chế nhánh van… [1, 2, 3] 2U dc / U dc / Hình 13 Quĩ đạo vector điện áp theo phương pháp PWM Thời gian chết - deadtime phải có (Hình 14), ảnh hưởng đến dạng điện áp mạch nghịch lưu + Cần phải có biến pháp để giải vấn đề (bù thời gian deadtime)[ 2] + 07/2014 Hình 14 Xuất thời gian chết deadtime nhánh van mạch nghịch lưu 20 Kết mơ Ví dụ: Tham số mơ sơ đồ Udc = 500V, tải pha mạch nghịch lưu R= 5Ω, L = 2mH (tải đối xứng, đấu hình sao), biên độ điện áp đỉnh pha 200V có tần số 50Hz, tần số băm xung 5kHz Sawtooth pulses u_anpha IGBT/Diode Uq u_beta vb i + - Duty g C C IGBT/Diode2 Scope1 Us IGBT/Diode4 E ab E C g Ud g va dq E 200 Gate Current Measurement Voltage Measurement Scope Constant4 Udc IGBT/Diode3 E IGBT/Diode1 Hình 15 Sơ đồ mô khâu SVM PWM Matlab/Simulink 07/2014 g SVM DC + - v C 500 puls uDC IGBT/Diode5 E Fcn g Integrator C f* Relay dq -> ab E f(u) g s C -C- Hình 16 Sơ đồ mô mạch nghịch lưu nguồn áp ba pha Matlab/Simpower 21 Kết mô 0.9 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 t(s) 0.06 0.07 0.08 0.09 0.1 a Hệ số điều chế tính từ khâu SVM 07/2014 Hình 17 Kết mơ với phương pháp điều chế vector không gian 22 Kết mô 600 400 Uab(V) 200 -200 -400 -600 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 t(s) 0.06 0.07 0.08 0.09 0.1 b Điện áp dây đầu nghịch lưu ba pha 07/2014 Hình 17 Kết mơ với phương pháp điều chế vector không gian 23 Kết mô 50 40 30 20 iSa(A) 10 -10 -20 -30 -40 -50 07/2014 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 t(s) 0.06 0.07 0.08 0.09 0.1 c Dòng điện đầu nghịch lưu ba pha Hình 17 Kết mơ với phương pháp điều chế vector không gian 24 Kết mơ d Phân tích phổ dịng điện 07/2014 Hình 17 Kết mô với phương pháp điều chế vector không gian 25 Kết luận phương pháp SVM 1.Tận dụng điện áp chiều tốt phương pháp sinPWM (đã biết) Linh hoạt tạo mẫu xung khác sector để phù hợp với ứng dụng riêng biệt Từ xuất phương pháp điều chế mới: điều chế ngẫu nhiên (giảm sóng hài điện áp lân cận tần số phát xung) điều chế hai nhánh van (giảm số lần chuyển mạch) [1,2] Phù hợp cài đặt cho vi điều khiển Giảm sóng điều hịa bậc cao 07/2014 26 Tài liệu tham khảo [1] Nguyễn Phùng Quang, Andreas Dittrich (2006); Truyền động điện thông minh; Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật [2] Nguyễn Phùng Quang; Điều chế ngẫu nhiên (stochastic modulation) Giải pháp cải thiện phổ sóng hài; Tạp chí Tự động hóa ngày nay, số 86, 10/2007, tr 97 – 100 102 [4] Trần Trọng Minh (2009); Giáo trình Điện tử cơng suất; Nhà xuất Giáo dục [3] Ali Keyhani (2005); Pulse-Width Modulation (PWM) Techniques; Department of Electrical and Computer Engineering The Ohio State University 07/2014 27