NHIEM VU VÀ NOI DUNG- Nghiên cứu cau trúc và nguyên lý hoạt động của bộ nghịch lưu 5 bậc lai.- Nghiên cứu cau trúc điều khiển Modulator — Generator cho bộ nghịch lưu 5 bậc lai- Nghiên cứ
MO ĐẦU
Tính cap thiết và ly de chọn dé tai Từ thé ky thứ 19, các máy điện dau tiên như may phát điện từ năng lượng cơ (Pacinotti — 1864), động cơ điện từ có rotor (Ferraris - 1885) thường có kết nội trực tiếp với nguồn năng lượng và không được điều khiến tự động, Mặc dù vẫn dựa trên nguyên lý hoạt động như các may điện nguyên thủy, nhưng các may điện sau này khi gan vào các quy trình công nghệ sản xuất luôn có yêu cầu cao hơn về khả năng điều khiển và kết nối chủ động với nguén năng lượng Dé giải quyết van dé này, một lĩnh vực nghiên cứu mới đã hình thành va phát triển đó là điện tử công suất, Bang cách sử dụng các linh kiện điện tử công suất kết hợp các kỹ thuật điện tứ mới và các giải thuật phù hợp, điện tử công suất đã giúp điều khiến hữu hiệu các máy điện và khống chế được dong năng lượng điện từ, Điện tử công suất đã giúp tao ra các bộ truyền động điện mới, các bộ lọc tích cực mới Ở Việt Nam, thay được tâm quan trọng cua công nghệ điện tu công suất, năm 2010 chính phủ đã phê duyệt công nhận điện tứ công suất là lĩnh vực ưu tiên đầu tư và phát triển.
Một trong các câu trúc chính của các bộ truyền động mới là mạch nghịch lưu.
Bang cách nghiên cứu phát triển các cầu trúc và các phương pháp điều khiển mạch nghịch lưu chúng ta có nhiều bộ truyền động khác nhau tôi ưu hơn, Ngày nay, bộ nghịch lưu đa bac (multilevel inverter) với những ưu điểm vượt trội của nó được phat z triển dé giải quyết các van dé hạn chế của bộ nghịch lưu áp hai bậc và thường được ˆ sử dụng cho các ứng dụng điện ap cao và công suấi lớn,
Trong thực te mạch nghịch lưu bị giới han khá nhieu bởi các đặc tính điện của
7 linh kiện bán dẫn công suất như điện áp chịu đựng va tan số đóng cat Với các ứngXX, dụng công suất vừa và lớn việc tăng dòng qua chuyển mạch công suất, thì tôn hao do chuyên mạch cũng sẽ tăng theo, việc tăng tân số đóng cắt lại bị giới han bởi thời gian chuyển mach cần thiết của các thiết bị đóng cắt công suất lớn, Bên cạnh đó, sự cạn kiệt các nguồn năng lượng hoá thạch, nhu cầu năng lượng lại không ngừng tăng lên thì việc nghiên cứu các giải thuật điêu chế để giảm tổn hao do chuyển mạch là một vẫn đề cấp thiết được đặt ra Tuy nhiên có một thực tế là hâu hết trường hợp giảm chuyên mạch nhăm giảm tôn hao đều dẫn đến tăng hệ số méo hải tông và biên độ các ap common mode lam ảnh hưởng đến tuôi thọ của cơ cầu chấp hành ,vấn để về mất cần băng điện áp tụ nguồn cũng cần được giải quyết Vì vậy, việc nghiên cứu các cau trúc nghịch lưu mới, các giải pháp điều chế tôi ưu lam giám số lần chuyển mach của các linh kiện trên mạch nghịch lưu, giải quyết van dé mắt cân bang điện ap tụ nguồn
La hà can Lái ở một số cầu trúc nghịch lưu, giảm hoặc triệt tiều điện áp common mode mà vẫn dam bao độ méo hài tang (THD) và biên độ các sóng hài bậc thấp vẫn năm trong giới hạn cho phép theo ham mục tiêu là yéu cầu cấp thiết,
Cấu hình nghịch lưu 5 bậc lại là một cầu hình nghịch lưu cho thấy nhiều khả năng đáp ứng các điều trên, hơn nữa nhiều cầu trúc nghịch lưu 5 bậc lai mới cho ứng dụng công suất vừa va lon đã được đưa ra gan đây với nhiều lợi ich và triển vọng phát triển Chính vì vậy chọn hướng nghiên cứu của dé tai 1a: Control of Hybrid Five- level Inverter For Medium — Voltage Applications là phù hợp và cap bách, trong đó nghiên cửu tập trung vào giải pháp điều khiển thông qua 2 khâu: khâu điều chế - PWM Modulator và khâu phát tín hiệu xung điều khiến — Pluse Generator Khi bộ nghịch lưu có số bậc càng cao, khả năng xuất hiện số trạng thái dư thừa (rendundace) ứng với mỗi mức điện áp ngõ ra càng nhiều, Điều này sẽ dẫn đến sự phức tạp trong việc tạo xung điều khiến khi thực hiện trên thực tẾ băng điều khiến số [9] Tuy nhiên kỹ thuật điều chế xung trong bộ điều khiến số ở khâu điều chế - PWM Modulator như điều chế độ rộng xung sử dựa trên sóng mang (Carrier based pulse width modulation), kỹ thuật điều chế vector không gian (Space vector pulse width modulation), thường có thể sử dụng chung cho nhiều cầu hình bộ nghịch lưu đa bậc khác nhau Trong khi đó khâu tạo xung Pluse Generator phụ thuộc vào từng cầu hình nghịch lưu, sứ dụng Lưu dé trạng thái (State machine) là khâu cốt lõi nhằm đạt được chuỗi xung đóng cất khóa theo yêu cầu chuyển mức điệp áp va có xét đến khả năng cân bang, kha năng giảm thiểu số lần chuyển mach Chính vì thé giải pháp Generic PWM - tách riêng hai khâu: PWM Modulator và Pluse Generator nay đem lại sự lĩnh hoạt cần thiết và chuyên môn hóa phan điêu khiên số, [9]
Mục tiêu đề tai Nghiên cứu về cầu trúc và cách hoạt động của một số bộ nghịch lưu Š bậc lai Nghiên cứu cấu trúc điều khiến theo phương pháp Generic PWM (kết hợp 2 khâu
Modulator — Generator) ap dụng cho bộ nghịch lưu lại 3 bậc, trong đó nghiên cứu các phương pháp điều chế khác nhau trong khối Modulator như phương pháp điều chế độ rộng xung sin, phương pháp điều chế vector không gian, phương pháp điều khiến dự báo Nghiên cứu về phương pháp tạo tín hiệu điều khiến từ lưu đỗ trạng thái trong khối Generator Từ đó rút ra được cầu trúc điều khiến chung cho bộ nghịch lưu lại 5 bạc.
Nội dung và phạm vi nghiên cứu
Vệ lý thuyết, dé tài sẽ tiến hành nghiên cứu cau trúc và nguyên lý hoạt động của các bộ nghịch lưu lai 5 bậc, nghiên cứu về các giải thuật điều ché độ rộng xung, điều chế vector không gian, điều chế khiến du báo cho bộ nghịch lưu § bậc lai Các giải thuật điều chế sẽ được kiểm nghiệm, đánh giá trên mô hình mô phòng bằng phan mềm và được so sánh với lý thuyết dé có các kết luận khoa học và chính xác. Đề tải tập trung nghiên cứu và xây dựng mô phỏng kỹ thuật điều khiến các bộ nghịch lưu 5 bậc lai theo phương pháp Generic PWM va có thé mở rộng cho các bộ nghịch lưu đa bậc khác, Mô hình cho phép đạt được các muc dich sau:
1 Mô hình hóa và mô phỏng điều chế sóng mang, điều chế vector không gian
Lào, Mô hình hóa và mô phóng Lưu đồ trạng thái cho khâu Pulse Generator kết hợp với mô hình Bộ nghịch lưu 5 bậc lại.
3 Mõ hình hóa và mô phỏng sự kết hợp của 2 khâu PWM Modulator và Pulse Generator trong việc điều khiến các Bộ nghịch lưu 5 bậc lai, Ý nghĩa khoa hạc và thực tiễn của dé tài
Về mặt khoa học, luận văn co những động góp mới: Trên cơ sở kề thừa các
Fr vz phương pháp điều chế, cầu trúc điều khiến Modulator — Generator và vận dụng vào` việc điều khiến các bộ nghịch lưu Š bậc lai với các câu hình khác nhau, luận văn đã nghiên cứu một cầu trúc điều khiến chung cho các bộ nghịch lưu Š bậc lại và có thê mo rộng ra các bộ nghịch lưu đa bậc khác.
Về thực tiễn, kết qua nghiên cứu là cơ sở khoa học dé giải quyết việc điều
` khiên mạch nghịch lưu thực tê Với việc kê thừa được các nghiên cứu về cau trúc bộ ^ nghịch lưu lai 5 bậc của các nghiên cứu tử trước, phát triển thêm về cầu trúc điều khiến chung cho bộ nghịch lưu nay, hoàn thiện cơ sở khoa học để có thé ứng dụng vào thực tiễn, đặc biệt là trong các mô hình phục vụ cho học tập, nghiên cứu giúp tiết kiệm thời gian va chi phi.
Tỉnh hình nghiên cứu trong và ngoài nước
Cau trúc cascade cầu H được đưa ra bởi R H, Baker và L H Bannister (1975), cấu trúc diode kẹp được đưa ra bói Baker vào năm 1980, cầu trúc flying-capacitor đưa ra bởi T A Meynard và H Foch (1992) Cho đến nay hàng loạt các cầu trúc lai được nghiên cứu và cho ra đời với nhiều ưu điểm vượt trội,
Trong nước, Trong Hội nghị toàn quốc lần thứ 3 về Điều khién và Tự động hoá năm 2015, nghiên cứu về kỹ thuật điều khiến PWM giám áp common mode cho nghịch lưu cascade đa bậc của nhóm tác giá Nguyễn Vinh Quan, Nguyễn Văn Nhờ, Duong Hoài Nghĩa đã giới thiệu phương pháp mới về điều khiến dựa theo kỹ thuật điều chế độ rộng xung ~ PWM (Pulse Width Modulation) cho bộ nghịch lưu ap da bậc dựa trên cơ sở hảm offset thêm vào nhằm làm giảm điện áp common- mode(common-mode voltage) ở ngõ ra Nghiên cứu bộ nghịch lưu ba pha cầu H gồm hai mạch NPC ba bậc (5 bậc lai) trong luận văn thạc sĩ của tác giá Bui Thanh Hiểu đã trình bay mô phòng và thực nghiệm bang phương phấp điều chế mới cho nghịch lưu lại cầu H ba pha gồm hai nhánh NPC 3 bậc sử dụng một sóng mang có số lần chuyên mạch it, hiệu qua trong việc giảm common-mode với THD = 27,113 Trong luận án tiễn sĩ “Nghiên cứu kỹ thuật điều chế độ rộng xung dé điều khiến tôi ưu nghịch lưu đa bậc” tác giá Quách Thanh Hải phân tích cau trúc nghịch lưu đa bậc bao gồm nghịch lưu chuẩn truyền thông và nghịch lưu lai (bang mô phòng thực nghiệm).
O nước ngoài, có nhiều nghiên cứu liên quan dén dé tai, điện hình như: “An
` Ä “I h “yt h ơ k & NIấN wt ane ẹ ơ an Nể 4 %*ếN are ^i 4 7 kề “y a : why 3 % j; SN aa Hã ì Tena TFN ˆ ¥ cee mr rag PEE MYO S ares mar x kề Ÿ reas ì Fy
A thộỘ( OO GSicn li O Ode TRY? CH Cao Une QUE Cone Sidr CaO red ủgủ{CH lũ ma ` h — ae ` hệ £ x § CAN kì
` VN Tas Reap My TPA "ự ey PAE OTT NON FREY TAR fae NÓ FAO Sey sary og ở ary R tah rad G2 XMáất G7 TPO SỰ Cadi Tih Ca DO TS OM GUE 3 Đặc GiỏQC Sẻ? RAINE SF, SURG
` ` bệ than x3 há hant AAs aa em At aha we eine pia A a pA ABN an ABs en eh OAS bc Eick 1/491 0L1/44/0/ LEER GEE DRE AAAAA Q14) Vid CE NA NA fay Ý 7 @*ế H Thế art ì Sy wis wr ¥ - II ì aS MISH AP OAS Đ Ey Oma A VỆ CƠ VI NHHẠOAẠÀAẠAẠAANA
CÁC BỘ NGHỊCH LƯU ĐA BAC CƠ BẢN
1.1 Tổng quan về bộ nghịch lưu ap Bộ nghịch lưu có nhiệm vụ chuyền đôi năng lượng từ nguồn điện một chiều không đổi sang dang năng lượng điện xoay chiều dé cung cấp cho tải xoay chiều. Đại lượng được điều khiến ở ngõ ra là điện áp hoặc dòng điện, tương ứng ta có bộ nghịch lưu được goi là bộ nghịch lưu áp va bộ nghịch dòng Nguồn một chiều cung cấp cho bộ nghịch lưu áp có tính chất nguồn điện áp và nguồn cho bộ nghịch lưu dong có tính chất là nguồn động điện Các bộ nghịch lưu tương ứng được gọi là bộ nghịch lưu áp nguồn áp và bộ nghịch lưu đồng nguồn dong hoặc gọi tat là bộ nghịch lưu áp và bộ nghịch lưu dòng Trong trường hợp nguồn điện ở đầu vào và đại lượng ở ngõ ra không giống nhau, ví dụ bộ nghịch lưu cung cấp dong điện xoay chiều từ nguồn điện áp một chiêu, ta gợi chúng là bộ nghịch lưu điều khiến đồng điện từ nguồn điện áp hoặc bộ nghịch lưu dong nguồn ấp.
Bộ nghịch lưu áp cùng cấp và điều khiến điện ap xoay chiều ở ngõ ra Nguồn điện áp một chiều có thé ở dạng đơn giản như acquy, pin điện hoặc ở dang phức tap gom điện áp xoay chiêu được chỉnh lưu và lọc phang.
Linh kiện trong bộ nghịch lưu áp có khá năng kích đóng và kích ngắt dòng điện qua nó, tức đóng vai trò một công tắc Trong các ứng dụng công suất vừa và nhỏ, có thé sử dung transistor BIT, MOSFET, IGBT làm công tắc và ở phạm vi công suất lớn cô thé sử dụng GTO, IGCT hoặc SCR kết hợp với bộ chuyển mach.
Với tải tổng quát, mỗi công tắc còn trang bị một diode mắc đối song với nó.
Các diode mặc đổi song này tạo thành mạch chỉnh lưu câu không điều khiến có chiều dan điện ngược với chiều đẫn điện của các công tắc, Nhiệm vụ của bộ chính lưu cầu diode là tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình trao đối công suất ảo giữa nguồn một chiều và tải xoay chiều, qua đó hạn chế quá điện áp phát sinh khi kích ngất các công tác.
1.2 Phân loại bộ nghịch lưu ap
Bộ nghịch lưu áp có rất nhiều loại cũng như nhiều phương pháp điều khiển khác nhau [6] ® Theo sô pha điện ap đâu ra: 1 pha, 3 pha. b Theo sô bậc điện áp giữa một đầu pha tai và một điểm điện thê chuan trên mach (phase to pole voltage): 2 bac (two level), da bậc (multi — level, từ 3 bậc ^ trở lên). b Theo cầu hình của bộ nghịch lưu: dang cascade (Cascade inverter), dang diode kẹp NPC (Neutral Point Clamped Inverter), dang dùng tu điện kẹp (Flying
Capacitor Inverter), hoặc dang lai (Hybrid Inverter) là dang cầu trúc kết hop giữa nhiều loại câu trúc với nhau. ® Theo phương pháp điêu khiến: Phương pháp điều rộng, phương pháp điều biên, phương pháp điêu chế độ rộng xung sin (Sin PWM), phương pháp điều chế độ rộng sung sin cải biến (Modifield SPWM), Phương pháp điều chế vector không gian (Space vector modulation, hoặc Space vector PWM).
1.3 Cae bộ nghịch lưu áp da bậc cơ ban
Rất nhiều cầu trúc nghịch lưu đa bậc đã được đưa ra nghiền cứu và phát trién trong nhiều năm qua Mỗi bộ nghịch lưu có một cầu trúc và cách hoại động riêng, tuy nhiên nguyên lý chung của bộ nghịch lưu đa bậc có thể hiểu đơn giản theo mô hình
Ve > ơ C€ mm il Ve st NY]
Hình 1.1 Giản đồ 1 pha của nghịch lưu đa bậc
Trong mô hình trên hoạt động của các thiết bị bán dẫn được xem như lý tưởng và được thay bằng các công tắc lý tưởng nhiều trạng thái Các trạng thái của công tắc cũng như sự chuyển mạch của chúng cho phép giá trị điện áp đầu ra là tong các điện thế trên các tụ điện, đồng thới các công tắc phải chống lại được điện áp trên các tụ. e Hình 1.1(a) biểu diễn bộ nghịch lưu 2 bậc với Va chỉ bao gồm 2 giá trị là 0 va Ve e Hình 1.1(b) biéu diễn bộ nghịch lưu 3 bậc với Va bao gồm 3 gia tri có thé là 0, Ve và 2.Ve e Hình 1.1(c) biéu diễn bộ nghịch lưu m bậc với Va bao gồm n gia tri có thé.
Với việc tăng số lượng bậc điện áp trong dang gióng ở ngõ ra sẽ giúp làm giảm sóng hài, tăng chất lượng điện áp tuy nhiên việc này sẽ làm tăng độ phức tạp trong cau trúc bộ nghịch lưu, gây nên một số vẫn đề không mong muốn như mat cân băng điện áp Tiếp theo ta sẽ tìm hiểu các cấu trúc nghịch lưu đa bậc cơ bản.
1.3.1 Nghich lưu đa bậc dang diode kẹp (Diode Clamped Multilevel Inverter)
Hình 1.2 mô tả bộ nghịch lưu ba bậc dang diode kẹp biéu diễn cho pha A.
Hình 1.2 Bộ nghịch lưu ba bậc dang diode kẹp
Trong cấu trúc trên, hai tụ điện C được ghép nối tiếp ở tang DC và chia thành các mức điện áp Nếu điểm giữa của hai tụ được xem như điểm trung tính thì mức điện áp ngõ ra van sẽ có 3 gia tri đó là: Vac/2 ,0 và —Vac/2. e Khi 2 khóa SI và S2 được kích đóng, giá tri điện áp ngõ ra van là Vdc/2. e Khi 2 khóa S1’ và S2’ được kích dong, giá tri điện áp ngõ ra van là - Vdc/2. e Khi 2 khóa ST” và S2 được kích đóng, giá trị điện áp ngõ ra van la 0.
Thiết bị chính giúp phân biệt mạch nghịch lưu trên với các nghịch lưu 2 bậc thông thường chính là 2 diode Di và Di” Hai diode này sẽ nối ngõ ra tới điểm n, qua đó phối hợp tạo nên 3 mức điện áp ngõ ra khác nhau.
Bảng trạng thái chuyển mach của bộ nghịch lưu nay thé hiện ở bảng 1.1 Bang 1.1 Trạng thái chuyền mạch bộ nghịch lưu 3 bậc dạng diode kẹp
TRANG THÁI CHUYỂN MẠCH | Output
Hình 1.3 mô tả bộ nghịch lưu 5 bậc dang diode kẹp với tang DC gồm có 4 tụ điện Ci, Ca, C3 và Ca.
-Vạ./2 | 0 Hình 1.3 Bộ nghịch lưu 5 bậc dạng diode kẹp Với điện áp De là Vdc thì điện áp trên mỗi tụ sẽ là Vac/4 và mức độ chịu gai áp trên moi thiệt bi sẽ được giới hạn bởi các mức điện áp khác nhau Với n là diém trung tính ta có các mức điện áp Van phụ thuộc theo bảng trạng thái chuyển mạch sau Bảng 1.2
Bảng 1.2 Trạng thái chuyền mạch bộ nghịch lưu 5 bậc dang diode kẹp
TRANG THÁI CHUYEN MACH | Output
Các thiết bị chuyển mạch yêu cầu độ chịu gai điện áp là như nhau, cùng một mức là Vac/4 Cac diode lại yêu cau độ chịu gai điện áp khác nhau Ví dụ đối với Dy’ và D3 là 3Vdc/4; D2 và D2’ là 2Vdc/4 Nếu mức độ chịu gai điện áp các diode là giống nhau thì số lượng các diode sẽ phải tăng lên như trong hình 1.3.
1.3.2 Nghịch lưu đa bậc dạng tụ điện kẹp (Flying Capacitor Multilevel Inverter)
Hình 1.4 Bộ nghịch lưu 3 bậc dạng tụ điện kẹp, pha A
Câu trúc của nghịch lưu 3 bậc dạng tụ điện kẹp thể hiện trên hình 1.4, bao gồm một tụ điện độc lập được kẹp vào các khóa công suất và được giữ ở một mức điện áp tụ, trong trường hợp này điện thế của tụ C so với điểm n là Vạc/2 Giá trị điện áp ngõ ra Vạn bao gồm 3 giá trị: Vac/2 ,0 và —Vac/2, tùy thuộc vao bang trang thái chuyển mach sau Bảng 1.3
Bang 1.3 Trạng thái chuyển mạch bộ nghịch lưu 3 bậc dạng tụ điện kẹp
TRANG THÁI CHUYỂN MẠCH | Output
Tu kẹp C được nap điện khi Š¡, S2’ được kích đóng va phóng điện khi S2 va
Si’ được kích đóng Như vậy việc nap và phóng điện cua tụ C được cân bằng thông qua việc lựa chọn trạng thái đóng ngắt khóa thích hợp trong mức điện áp 0 Hình 1.5 biểu diễn cau trúc bộ nghịch lưu 5 bậc dạng tụ điện kẹp, pha A
Hình 1.5 Bộ nghịch lưu 5 bậc dang tụ điện kẹp
Ta có bảng trạng thái chuyển mach cho bộ nghịch lưu 5 bậc dang tụ điện kẹp.
Bang 1.4 Trạng thái chuyển mạch bộ nghịch lưu 3 bậc dạng tụ điện kẹp
TRANG THÁI CHUYEN MACH Voltae Vox
1 1 1 1 0 0 0 0 Vac/21 1 1 0 1 0 0 0 Vac/40 1 1 1 0 0 0 1 Vael41 0 1 1 0 0 1 0 Vac/41 1 0 0 1 1 0 0 00 0 1 1 0 0 1 1 01 0 1 0 1 0 1 0 01 0 0 1 0 1 1 0 00 1 0 1 0 1 0 1 00 1 1 0 1 0 0 1 01 1 0 0 0 1 1 0 - Vag/40 0 0 1 0 1 1 1 - Vag/40 0 1 0 1 0 1 1 - Vag/40 0 0 0 1 1 1 1 - Vag/2
DIEU KHIEN NGHỊCH LƯU ÁP 5 BAC LAI
Ta sẽ nghiên cứu một cấu trúc điều khiển theo phương pháp Generic PWM [9] cho bộ nghịch lưu áp 5 bậc lai Cau trúc điều khiển bộ nghịch lưu bao gồm hai phan, mỗi phần đảm nhận một nhiệm vụ riêng (Hình 2.1)
Phase q reference multilevel Conroe! output voltages signals & voltages
V ` dL View a O PY e ty LT V Lạ bl ° 2 ⁄ b,1
Hinh 2.2 Nguyén ly cua phuong phap điều chế độ rộng xung sinPWM Các điện áp điều khiển dạng sin sẽ được so sánh với các sóng mang dạng tam giác từ thứ nhất đến sóng mang thứ n-1 (với mạch nghịch lưu tông quát là n bậc) Các sóng mang dạng tam giác tan số cao và có thé được xắp xếp theo ba cách [5]: e Bố trí cùng pha (PD: In Phase Disposition) (hình 2.2), e Bố trí hai sóng mang kế cận liên tiếp nhau sẽ bị dịch 1800 — APOD (Alternative
Phase Opposition Disposition) (hình 2.3) e Bồ trí đối xứng qua trục zero (POD - Phase opposition Disposition) (hình 2.4).
1.00 An nh thun tran nàn nh Mg MA - 8-2
0.00 f , ¥ 4 ¥ 4 ~A + z8) và œ< p9) ) C6 > Pd) ) Ỷ ỶỲ À/
/ sas / TH / set / / sHAc9, / ses/ Đúng Đúng Đúng Đúng Đúng
Hình 2.7 Lưu đồ thuật toán khối Modulator sử dụng phương pháp SINPWM
Như vậy khối Modulator sử dụng phương pháp SINPWM sẽ tạo nên các giá trị bậc điện áp ở ngõ ra theo nguyên tac như lưu đồ hình 2.7
cho trước cần xem xét nằm vị trí nào của hình lục giác Đề
Vụ, Vy, My qT,
Trong đú, Vị V>,- V3, và Vi 8ằ V, B va V, ứ là thành phần trờn trục tọa độ vuông góc V_- Vi cua vector V1, V2 và V3 Do đó, thời gian tac dụng Ti , T2 và T3 có thé được tính:
1 mm | Vụ, Vou Vou | Vv |
Nếu đặt di = Ti/T: là thời gian tác động tương đối trong chu kỳ T: thì (2.10) có thé viết:
— — — ơ-lr — đ; Via Vou My Va d>|=|Vig Vag Ve] | Vo (2.11)
Tương tự ta có thể áp dụng các công thức trên cho các phan diện tích còn lại.
Do đó, với các phan diện tích 1, 2, 3 và 4 giá trị di, d2 và ds có thé tính theo (2.11)
Phương án điều chế này có ưu điểm có thể “nhìn” thấy trạng thái chuyển mạch do đó có thé chọn các vector không (redundant) một cách phù hợp dé giảm số lần đóng cắt Tuy nhiên, việc xác định các giá tri di sẽ tốn nhiều thời gian trong giải thuật nhất là khi số ô tam giác tăng (số bậc lớn) và việc tính toán này sẽ trở nên cực kỳ khó khăn, khi đó ta cần có các giải thuật riêng đề tiết kiệm thời gian tính toán.
Ta sẽ nghiên cứu một giải thuật điều chế vector không gian nhanh cho bộ nghich lưu đa bậc và áp dung cho bộ nghịch lưu 5 bậc lai [4] Ung với 5 bậc điện áp, không gian vector điện áp bao gồm 6 phan gọi là 6 sector (hình 2.9) Mỗi sector chứa (5-2)? = 16 tam giác điều chế (triangle), mỗi đỉnh của tam giác điều chế được tạo thành tu 1 vector trạng thai (Hình 2.10) fo \ Ff Yl \/ I
Hình 2.9 6 Sector không gian điện ap oar}
KITA
JÀVAVAVA \J\/\
LN SNL NS \/ 313 ——
VAVAVAVAVA
Bươc 2
Xu lý, tớnh toỏn tư ằ>Si vector tham chiếu | Â
Tao tin hieu yy’ yv' điêu chê các | ao ý Bo ( bậc điện ap [
Quy vé diéu ché t, vector 2 bac t : ằ>
Hình 2.13 Lưu đồ giai thuật khối Modulator điều chế vector không gian
Như vậy quá trình xử lý của khối Modulator được chia làm 2 bước.
Bước thứ 1 cơ bản thông qua các quá trình xử lý, tính toán trong thực tế được thực hiện bơi các chip xu lý DSP hoặc microcontroller Bước này có 2 nhiệm vụ chính: xác định vector vs ở hệ tọa độ dịch chuyển (+8 ©) va xác định sector Si va tam giac Ai Các công thức ở (2.16) sẽ được sử dung dé tính toán ta, tb, to.
Bước thứ 2 chủ yếu sử dụng phép ánh xạ từ các bộ nhớ trong quá trình xử lý, nó sẽ tạo tính hiệu mang thông tin của bậc điện ap các pha dựa trên sector Si và tam giác Aj nhận được tu bước 1.
Ta sẽ phân tích từng bước này của khối Modulator.
2.1.2.1 Bude 1 cua khối Modulator SVPWMTa có lưu đồ giải thuật của bước 1 trong hình 2.14.
Bắt đầu Ỷ v, =Vv*cos(7).v, =v*sin(7)
Ve , _ Vp kK, =int(v, tì Ky i) V,; = V_ —1—0.5k).v,; =v, —yh oo
Yon = Mg VỤ =9.5—v,, Veg = Vegi V2 ee h — Vai
Tính ta, tb, to sử dụng (2.16)
| Xuất ra các giá trị t,t Ao;
Hinh 2.14 Lưu đồ giải thuật bước 1 khối Modulator SVPWM
Với các vector không gian tham chiêú nhận được trong từng thời điểm, ta sẽ xác định được sector hoạt động Si và góc + theo biểu thức sau:
Trong do ỉ là gúc hợp giữa vector khụng gian tham chiờu và trục @ (Tinh theo °) và ham int() là hàm lẫy số nguyên, hàm rem() là hàm lấy số dư Góc y thé hiện gia trị quy đụi về sector 1, ta sẽ sử dụng gia trị này thay thộ cho ỉ khi tớnh toỏn trong qua trình điều chế ở các bước sau.
Hình 2.15 biểu diễn 1 trường hợp quỹ đạo của 1 vector không gian bộ nghịch lưu 3 bậc đang năm ở sector 1, điểm đầu P cua vector không gian v” có thé nằm ở bat cứ tam giác nao trong 4 tam giác : (A,,A,,A,,A,), việc tính toán thời gian tác dụng các vector của tam giác này có thé quy về tính toán tương tự như đối với nghịch lưu 2 bậc, chính vi thế mục tiêu tiếp theo là ta xác định tam giác mà điểm P dang nam bên trong. rm
Ay Y ; A, Hinh 2.15 Vector không gian bộ nghịch lưu 3 bac
Dé xác định A ,của vector nhỏ về, ta su dụng hai hệ số k1 và k2 Chúng được xác định theo biểu thức: k, =int(v, +h (2.19) k, = int(—*) (2.20) k1 là hệ số biểu diễn phan sector tính từ đỉnh AO nằm giữa hai đường thang song song cùng hợp với góc @ 1 góc 120°, cách nhau một khoảng h Vi dụ ở hình 2.15, Nếu kl =0 thì có nghĩa là điểm P sẽ nằm dưới đường A1A2 Nếu k1 = 1 thì có nghĩa là điểm P sẽ năm giữa đường A1A2 và A3A4. k2 là hệ số biểu diễn phan sector tớnh từ đường A0ứ nam giữa hai đường thăng song song va cùng song song với trục a, cách nhau một khoảng h Ví dụ ở hình 2.15 , Nếu k2 = 0 thì có nghĩa là điểm P sẽ nằm giữa 2 đường A0A3 và A2A4.
Nếu k2 = 1 thì có nghĩa là điểm P sẽ nằm phía trên đường A2A4.
Về ý nghĩa hình học, 2 giá trị kl và k2 được biểu diễn dudi các đường thăng k1,k2 và các đường thăng này cắt nhau tạo thành hoặc là một tam giác, hoặc là một hình bình hành Ví dụ trên hình 2.15, điểm P sẽ nam trong tam giác A, nếu kI=0 vả k2=0 Điểm P sẽ năm trong hình bình hành v nếu kI=1 và k2=1 Với các bậc điện áp cao hơn, quá trình phân tích cũng diễn ra tương tự.
Trong hình 2.15 điểm P đang nam trong hình bình hành A¡AzA4Az Hình bình hảnh nay được tạo nên bởi 2 tam giác A và A, Điểm P có thé năm ở 1 trong hai tam giác này Ta sử dụng hai hệ số (V,;5V pi) thé hiện mối quan hệ giữa điểm P va điểm
Au, được xác định boi hệ thức:
Vai =V„T—k,+0.5K, Vy =v„—k,h (2.21) Độ dốc của đường A¡P chính là voi : Độ dốc của đường AiAg la 43 Tam
VY. giác mà điểm P ở trong có thé được xác định bang cách so sánh độ déc của đường AiP với độ déc của đường A+A4 Việc so sánh độ dốc được thực hiện thông qua biểu thức:
Nếu v„ < V3v,, đúng thì điểm P nằm ở tam giác A,; Vector nhỏ về (VỀ Vũ)
~ on x re uuu sé được biêu diện bơi vector A;P (Vai>V qi )
Và ở trường hợp ngược lại điểm P sé nằm ở tam giác A,; Vector nhỏ về (
V>¿› Và, ) sẽ được biểu diễn bởi vector A,P (0.5—v„„.h— v„).5 ou?
Khi điểm P nằm ở tam giác A,, biểu thức V„ 95 Vứ—> 4 Hinh 2.18 Mô hình vector điện ap trong hệ tọa độ a, B
Vector không gian điện áp dịch chuyên trên quỹ đạo hình tròn ở hình 2.19, dòng điện đặt 3 pha được phân tích thành 2 thành phan ia và if nhờ biến đối Clark,
Hinh 2.19 Quy dao vector khong gian
Gia trị dong tai i(k) va 8 trạng thai vector điện ap sé ước lượng được gia tri i(k+1) Trên trục ia ở hình 2.20, gia trị dong dự bao i? (V,,) tương ứng với 2 vector
V2 va V6 được chon tại thoi điểm tk, tai 2 vector nay, giá trị dong dự bao theo trục a sẽ có sai số nhỏ nhất so với giá trị đặt Tương tự ở trục B giá trị dòng dự báo 1(V,;) sẽ được chọn tương ứng với 2 vector V2 va V6 Cuối cùng vector V2 sẽ được chon. bs A
pov) —e— 1
—°— ta Otapt Va} : Ty : : te gi ya te tesa Chye Hinh 2.20 Cac gia tri dong điều khién ia va 1 theo thoi gian
Trên vòng tron quỹ đạo vector không gian hình 2.19 ta có thé thay được vector V2 tạo ra giá trị dong dự bao gan với giá trị đặt nhất Trong thuật toán thực tế, sai số giữa dong dự bao và dong đặt sẽ được biêu diễn boi một ham gia tri, và căn cứ vào hàm giá trị này dé lựa chọn vector [11].
Như vậy phương pháp điều khiển dự báo dòng điện dựa trên trạng thái đón cất của các vector không gian có định tại thời điểm phát xung điều khiển, mô hình sẽ dự báo trạng thái đóng cắt trong khoảng thời gian tiếp theo Dé chọn được vector không gian phù hop, cần phải có điều kiện ràng buộc Điều kiện nay được định nghĩa là 1 hàm giá tri (cost function) được đánh giá dựa trên sai số giữa giá trị đặt và gia trị điều khién Giá trị du báo được tinh dựa trên trạng thái đóng cắt hiện tại và thông số mô hình tải, sau đó trạng thái kế tiếp sẽ được chọn bởi hàm giá trị khi đạt giá trị nhỏ nhất.
Mô hình điều khiến dự bao dòng điện được thé hiện ở hình 2.21 [11]
Tpit)! |Mô hình L i 2 tr) in | dự báo | |
Hinh 2.21 Mô hình điều khiến dự báo dòng điện
Gia trị dòng điện đặt i*(k) có được từ vòng lặp ngoài, là gia tri dòng tai được hồi tiếp về.
Mô hình hệ thống sẽ dự báo gia trị dòng tải ở chu ky lay mẫu tiếp theo (k+1) tương ứng với mỗi vector điện áp.
Hàm giá trị “g” sẽ đánh giá sai số giữa gia trị dòng đặt va giá trị dòng điều khiển dự báo tương ứng với từng vector điện áp.
Vector điện áp cho ham giá trị có trị là nhỏ nhất sẽ được chọn tương ứng với trạng thái đóng cắt của vector điện áp đó.
Tùy thuộc và các mục đích điều chế bộ nghịch lưu mà ta thay đôi hàm tối ưu dé đạt được kết quả mong muốn Với một hàm tối ưu bao gồm nhiều hàm mục tiêu như: giảm tan số đóng cắt, cân băng điện thế DC-link, thì mỗi hàm mục sé được gan với một trong số, ta thay đổi trọng số của các hàm dé có được kết qua mong muốn.
Ta co vector không gian điện ap: ven (Vụ +aV,, +4 Von) (2.25) 2
Với tai R, L nối sao (Ký hiệu tâm pha tai là G) ta có :
Vou — L di, 4 Ri, Van — L di, + Ri, + Vag dt dt di di
Yo = LP + Ri, PP {Vụ = LP ‡ Rig + Vag p (2.26)
Vou — L di, 4 Ri, Von — L di, + Ri, + Vag
Nhân hệ số lần lượt vào hệ phương trình (2.26) ta có: ay - 2q
3 3 dt ° Ta cộng về theo về cua hệ phương trình (2.27) với nhau được:
=—=L—(i +ai,+a?i)+R“(Œ +ai, +a i)+