nghiên cứu kỹ thuật điều chế độ rộng xung PWM (Pulse Width Modulation) cho bộ nghịch lưu đa bậc ghép tầng (Cascade inverter)

Các dạng cấu trúc cơ bản của bộ nghịch lưu áp đa bậc...7 2.1 Cấu trúc dạng Diode kẹp NPC Diode Clamped Multilevel Inverter ...7 2.2 Cấu trúc dùng tụ điện thay đổi Flying Capacitor Multil

SVTH: Trần Quốc Hoàn 1/102

1 Giới thiệu tổng quát 5

1.1 Bộ nghịch lưu áp 6

1.2 Phân loại bộ nghịch lưu áp 6

2 Các dạng cấu trúc cơ bản của bộ nghịch lưu áp đa bậc 7

2.1 Cấu trúc dạng Diode kẹp NPC (Diode Clamped Multilevel Inverter) 7

2.2 Cấu trúc dùng tụ điện thay đổi (Flying Capacitor Multilevel Inverter) 9

2.3 Cấu trúc dạng ghép tầng (Cascade Inverter) 10

2.4 So sánh số linh kiện sử dụng trong 3 dạng nghịch lưu áp đa bậc trên 12

3 Nhận xét 12

Chương 2 CẤU TRÚC BỘ NGHỊCH LƯU ÁP ĐA BẬC DẠNG CASCADE 13

1 Bộ nghịch lưu áp cầu 1 pha 13

2 Bộ nghịch lưu áp đa bậc dạng cascade 14

Chương 3 ĐIỀU KHIỂN BỘ NGHỊCH LƯU ÁP ĐA BẬC DẠNG CASCADE – PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHẾ ĐỘ RỘNG XUNG (Carrier based PWM) 17

1 Tổng quát về kỹ thuật điều chế độ rộng xung – PWM 17

1.1 Một số chỉ tiêu đánh giá kỹ thuật PWM của bộ nghịch lưu 17

1.2 Các dạng sóng mang dùng trong kỹ thuật PWM 18

2 Phương pháp điều chế độ rộng xung Sin (Sin PWM) 20

2.1 Nguyên tắc thực hiện 20

2.2 Mô phỏng cho bộ nghịch lưu áp cascade 5 bậc 21

2.3 Kết quả mô phỏng 26

2.4 Nhận xét 29

SVTH: Trần Quốc Hoàn 2/102

3 Phương pháp điều chế độ rộng xung cải biến 30

3.1 Mô phỏng cho bộ nghịch lưu áp cascade 5 bậc 31

3.2 Kết quả mô phỏng 33

3.3 Nhận xét 37

Chương 4 ĐIỀU KHIỂN BỘ NGHỊCH LƯU ÁP ĐA BẬC DẠNG CASCADE - PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHẾ VECTOR KHÔNG GIAN (Space Vector PWM) 38

1 Khái niệm vector không gian 38

1.1 Vector không gian và phép biến hình vector không gian 38

1.2 Vector không gian của bộ nghịch lưu áp đa bậc 39

2 Phương pháp điều chế vector không gian 41

3 Nhận xét 44

Chương 5 ĐIỀU KHIỂN BỘ NGHỊCH LƯU ÁP ĐA BẬC DẠNG CASCADE – PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHẾ VECTOR KHÔNG GIAN DÙNG SÓNG MANG 45

1 Tổng quát về phương pháp điều chế vector không gian dùng sóng mang 45

1.1 Ý tưởng tổng quát của phương pháp 45

1.2 Giải thuật điều chế của phương pháp 47

2 Ứng dụng cho bộ nghịch lưu áp đa bậc dạng cascade 54

3 Mô phỏng cho bộ nghịch lưu cascade 5 bậc 57

3.1 Chế độ Medium common mode – SVPWM 57

3.2 Chế độ Minimum common mode – SVPWM 63

3.3 Chế độ Minimum common mode – DPWM 63

3.4 Chế độ Medium common mode – DPWM 63

4 Nhận Xét 63

Chương 6 ĐIỀU KHIỂN BỘ NGHỊCH LƯU ĐA BẬC DẠNG CASCADE VỚI NGUỒN DC KHÔNG CÂN BẰNG 63

1 Mô phỏng cho trường hợp nguồn DC không cân bằng 63

1.1 Thực hiện mô phỏng 63

1.2 Kết quả mô phỏng 63

SVTH: Trần Quốc Hoàn 3/102

3.3 Mô phỏng trong trường hợp nguồn không cân bằng được lấy từ bộ chỉnh

lưu cầu 3 pha diode 63

4 Nhận xét 63

Kết luận 63

Tài liệu tham khảo 63

SVTH: Trần Quốc Hoàn 4/102

Tóm tắt luận văn

Luận văn thực hiện nhiệm vụ nghiên cứu kỹ thuật điều chế độ rộng xung - PWM (Pulse Width Modulation) cho bộ nghịch lưu đa bậc ghép tầng (Cascade inverter) Thông qua mô phỏng trong Psim đánh giá chất lượng điện áp và dòng điện tải đạt được theo từng phương pháp

Chương 1: Giới thiệu tổng quát về cấu tạo, ưu nhược điểm và phân loại các dạng mạch của bộ nghịch lưu áp đa bậc

Chương 2: Giới thiệu cấu tạo bộ nghịch lưu áp cầu 1 pha, bộ nghịch lưu áp 5 bậc dạng cascade và dạng điện áp tải

Chương 3: Trình bày kỹ thuật điều chế độ rộng sung sin cho bộ nghịch lưu áp dạng cascade 5 bậc

Chương 4: Giới thiệu lý thuyết về phương pháp điều chế vector không gian cho

bộ nghịch lưu áp đa bậc

Chương 5: Trình bày phương pháp điều chế vector không gian dùng sóng mang cho bộ nghịch lưu áp đa bậc, thực hiện mô phỏng điều khiển bộ nghịch lưu áp dạng cascade 5 bậc trong trường hợp nguồn cân bằng

Chương 6: Trình bày phương pháp điều chế vector không gian dùng sóng mang cho bộ nghịch lưu áp đa bậc với nguồn DC không cân bằng

Trong trường hợp nguồn điện ở đầu vào và đại lượng ở ngõ ra không giống nhau,

ví dụ bộ nghịch lưu cung cấp dòng điện xoay chiều từ nguồn điện áp một chiều, ta gọi chúng là bộ nghịch lưu điều khiển dòng điện từ nguồn điện áp hoặc bộ nghịch lưu dòng nguồn áp

Các bộ nghịch lưu tạo thành bộ phận chủ yếu trong cấu tạo của bộ biến tần Ứng dụng quan trọng và tương đối rộng rãi của chúng nhằm vào lĩnh vực truyền động điện động cơ xoay chiều với độ chính xác cao Trong lĩnh vực tần số cao, bộ nghịch lưu được dùng trong các thiết bị lò cảm ứng trung tần, thiết bị hàn trung tần Bộ nghịch lưu còn được dùng làm nguồn điện xoay chiều cho nhu cầu gia đình, làm nguồn điện liên tục UPS, điều khiển chiếu sáng, bộ nghịch lưu còn được ứng dụng vào lĩnh vực bù nhuyễn công suất phản kháng

Các tải xoay chiều thường mang tính cảm kháng (ví dụ động cơ không đồng bộ,

lò cảm ứng), dòng điện qua các linh kiện không thể ngắt bằng quá trình chuyển mạch

tự nhiên Do đó, mạch bộ nghịch lưu thường chứa linh kiện tự kích ngắt để có thể điều khiển quá trình ngắt dòng điện

Trong các trường hợp đặc biệt như mạch tải cộng hưởng, tải mang tính chất dung kháng (động cơ đồng bộ kích từ dư), dòng điện qua các linh kiện có thể bị ngắt do quá

Linh kiện trong bộ nghịch lưu áp có khả 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 thể sử dụng transistor BJT, MOSFET, IGBT làm công tắc và ở phạm vi công suất lớn

có thể sử dụng GTO, IGCT hoặc SCR kết hợp với bộ chuyển mạch

Với tải tổng quát, mỗi công tắc còn trang bị một diode mắc đối song với nó Các diode mắc đối song này tạo thành mạch chỉnh lưu cầu không điều khiển có chiều dẫn điện ngược với chiều dẫn điện của các công tắc Nhiệm vụ của bộ chỉnh lưu cầu diode

là tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình trao đổi công suất ảo giữa nguồn một chiều và tải xoay chiều, qua đó hạn chế quá điện áp phát sinh khi kích ngắt các công tắc

1.2 Phân loại bộ nghịch lưu áp

Bộ nghịch lưu áp có rất nhiều loại cũng như nhiều phương pháp điều khiển khác nhau

¾ Theo số pha điện áp đầu ra: 1 pha, 3 pha

¾ Theo số bậc điện áp giữa một đầu pha tải và một điểm điện thế chuẩn trên mạch (phase to pole voltage): 2 bậc (two level), đa bậc (multi – level , từ 3 bậc trở lên)

¾ Theo cấu hình của bộ nghịch lưu: dạng cascade (Cascade inverter), dạng diode kẹp NPC (Neutral Point Clamped Multilevel Inverter), hoặc dạng dùng tụ điện thay đổi (Flying Capacitor Multilevel Inverter)…

¾ Theo phương pháp điều khiển:

• Phương pháp điều rộng

• Phương pháp điều biên

• Phương pháp điều chế độ rộng xung sin (Sin PWM)

• Phương pháp điều chế độ rộng sung sin cải biến (Modifield SPWM)

SVTH: Trần Quốc Hoàn 7/102

• Dạng ghép tầng cascade (Cascade Inverter)

2.1 Cấu trúc dạng Diode kẹp NPC (Diode Clamped Multilevel Inverter)

Sử dụng thích hợp khi các nguồn DC tạo nên từ hệ thống điện AC Bộ nghịch lưu

đa bậc chứa các cặp diode kẹp có một mạch nguồn DC được phân chia thành một số cấp điện áp nhỏ hơn nhờ chuỗi các tụ điện mắc nối tiếp

Giả sử nhánh mạch DC gồm n nguồn có độ lớn bằng nhau mắc nối tiếp Điện áp pha - nguồn DC (phase to pole voltage) có thể đạt được (n+1) giá trị khác nhau và từ

đó bộ nghịch lưu được gọi là bộ nghịch lưu áp (n+1) bậc Ví dụ (như hình 1.1) chọn mức điện thế 0 ở cuối dãy nguồn, các mức điện áp có thể đạt được gồm (0, U, 2U, 3U,…nU) Điện áp từ một pha tải (ví dụ pha a) thông đến một vị trí bất kỳ trên mạch

DC (ví dụ M) nhờ cặp diode kẹp tại điểm đó (ví dụ D1, D1’) Để điện áp pha - nguồn

DC đạt được mức điện áp nêu trên (Uao = U), tất cả các linh kiện bị kẹp giữa hai diode (D1, D1’) - gồm n linh kiện mắc nối tiếp liên tục kề nhau, phải được kích đóng (ví dụ S1, S5’, S4’, S3’, S2’), các linh kiện còn lại phải được khoá theo nguyên tắc kích đối nghịch Tương ứng với sáu trường hợp kích đóng linh kiện bị kẹp giữa sáu cặp diode,

ta thu được sáu mức điện áp pha - nguồn DC: 0, 1U, 2U, 3U, 4U, 5U Vì có khả năng tạo ra sáu mức điện áp pha - nguồn DC nên mạch nghịch lưu trên H1.1 gọi là bộ nghịch lưu 6 bậc

Bộ nghịch lưu áp đa bậc dùng diode kẹp cải tiến dạng sóng điện áp tải và giảm shock điện áp trên linh kiện n lần Với bộ nghịch lưu ba bậc, dv/dt trên linh kiện và tần

số đóng cắt giảm đi một nửa Tuy nhiên với n > 3, mức độ chịu gai áp trên các diode

sẽ khác nhau Ngoài ra, cân bằng điện áp giữa các nguồn DC (áp trên tụ) trở nên khó khăn, đặc biệt khi số bậc lớn

SVTH: Trần Quốc Hoàn 8/102

Hình 1.1: Diode Clamped Multilevel Inverter – NPC

Bảng 1.1: Điện áp ra của Bộ nghịch lưu NPC ứng với các trạng thái kích đóng Vout=Vxo Sx5 Sx4 Sx3 Sx2 Sx1 S’x5 S’x4 S’x3 S’x2 S’x1

SVTH: Trần Quốc Hoàn 9/102

Hình 1.2: Flying Capacitor Multilevel Inverter

Ưu điểm chính của nghịch lưu dạng này là:

• Khi số bậc tăng cao thì không cần dùng bộ lọc

• Có thể điều tiết công suất tác dụng và phản kháng nên hiện được việc điều tiết công suất

• Mỗi nhánh có thể được phân tích độc lập với các nhánh khác Không như nghịch lưu đa bậc dạng NPC khi phân tích phải quan tâm đến cân bằng điện áp ba pha ở ngõ vào

Bằng cách kích đóng các linh kiện trong mỗi bộ nghịch lưu áp một pha, ba mức điện áp (-U, 0, U) được tạo thành Sự kết hợp hoạt động của n bộ nghịch lưu áp trên một nhánh pha tải sẽ tạo nên n khả năng mức điện áp theo chiều âm (-U, -2U, -3U, -4U, –nU), n khả năng mức điện áp theo chiều dương (U, 2U, 3U, 4U,…nU) và mức điện áp 0 Như vậy, bộ nghịch lưu áp dạng cascade gồm n bộ nghịch lưu áp một pha trên mỗi nhánh sẽ tạo thành bộ nghịch lưu (2n+1) bậc

SVTH: Trần Quốc Hoàn 12/102

2.4 So sánh số linh kiện sử dụng trong 3 dạng nghịch lưu áp đa bậc trên

Bảng 1.2 so sánh số linh kiện được sử dụng trong mỗi pha của 3 dạng nghịch lưu

kể trên Ta thấy, số công tắc IGBT và số diode mắc đối song được sử dụng trong mỗi

dạng nghịch lưu cùng bậc là như nhau Diode kẹp thì không cần trong dạng tụ thay đổi

và dạng cascade inverter, trong khi đó tụ cân bằng thì không cần cho dạng diode kẹp

và cascade inverter Tóm lại, dạng cascade inverter là sử dụng ít linh kiện nhất

Bảng 1.2: So sánh số linh kiện trong 1 pha của 3 dạng nghịch lưu

Một ưu điểm khác của cascade inverter là cấu hình có thể thay đổi linh hoạt, ta có

thể tăng hoặc giảm số bậc một cách dễ dàng, bằng cách thêm hoặc bớt số bộ nghịch

lưu cầu 1 pha tương ứng

3 Nhận xét

Ưu điểm của bộ nghịch lưu áp đa bậc: công suất của bộ nghịch lưu áp tăng lên;

điện áp đặt lên các linh kiện bị giảm xuống nên công suất tổn hao do quá trình đóng

ngắt các linh kiện cũng giảm theo; với cùng tần số đóng ngắt, các thành phần sóng hài

bậc cao của điện áp ra giảm nhỏ hơn so với trường hợp bộ nghịch lưu áp 2 bậc

Đối với tải công suất lớn, điện áp cung cấp cho các tải có thể đạt giá trị tương đối

lớn

SVTH: Trần Quốc Hoàn 13/102

Hình 2.1: Bộ nghịch lưu áp cầu 1 pha

Quy tắc kích đóng đối nghịch: cặp công tắc trên cùng một nhánh không được kích đóng đồng thời, tức là 2 công tắc trên cùng một nhánh luôn ở trong trạng thái một được kích đóng và một được kích ngắt Trạng thái cả 2 cùng kích đóng (trạng thái ngắn mạch điện áp nguồn) hoặc cùng kích ngắt không được phép xảy ra

Nếu biểu diễn trạng thái được kích đóng của linh kiện là 1 và trạng thái được kích ngắt là 0 thì ta có:

S2 + S3 = 1 Bằng cách điều khiển đóng ngắt các khóa ta có thể thu được điện áp xoay chiều ở ngõ ra của bộ nghịch lưu Điện áp ở ngõ ra trên 2 điểm A, B của bộ nghịch lưu thay đổi giữa 3 trạng thái +V, 0, -V Điện áp của bộ nghịch lưu được tạo ra như sau: khóa S1 và S2 đồng thời được kích đóng sẽ tạo ra điện áp VAB = +V, khóa S3 và S4 đồng thời kích đóng sẽ tạo ra điện áp VAB = -V và khi (S1, S3) hoặc (S4, S2) được kích đóng sẽ tạo ra mức điện áp 0

SVTH: Trần Quốc Hoàn 14/102

Hình 2.2: Dạng điện áp ngõ ra bộ nghịch lưu cầu 1 pha

2 Bộ nghịch lưu áp đa bậc dạng cascade

Bộ nghịch lưu áp đa bậc dạng cascade như đã giới thiệu ở trên, có cấu tạo gồm nhiều bộ nghịch lưu áp cầu một pha ghép nối tiếp với nhau Một bộ nghịch lưu áp dạng cascade n bậc thì trên mỗi nhánh pha sẽ có (n-1)/2 bộ nghịch lưu áp cầu một pha ghép nối tiếp với nhau

Ta xét bộ nghịch lưu áp 5 bậc dạng cacade: cấu tạo gồm 2 bộ nghịch lưu áp cầu 1 pha ghép nối tiếp, mỗi bộ được cung cấp bởi 1 nguồn điện áp DC riêng biệt Điện áp ngõ ra của mỗi bộ nghịch lưu áp cầu một pha có 3 bậc (–V, 0, +V), do đó điện áp ngõ

ra của bộ nghịch lưu cascade sẽ có 5 bậc (-2V, -V, 0, +V, +2V)

Hình 2.3: Cấu trúc mạch của bộ nghịch lưu áp 5 bậc dạng cascade

SVTH: Trần Quốc Hoàn 15/102

Với x = A, B, C

Hình 2.4: Biểu diễn 1 pha của cascade inverter 5 bậc

Điện áp pha tải trong trường hợp 3 pha tải đối xứng đấu dạng sao Y có thể được thiết lập tương tự như trường hợp bộ nghịch lưu áp 2 bậc:

SVTH: Trần Quốc Hoàn 16/102

Hình 2.5: Dạng điện áp ngõ ra của bộ nghịch lưu cascade 5 bậc

Bảng 2.1: Điện áp ngõ ra ứng với các trạng thái đóng ngắt của cascade inverter 5 bậc

Vout = Vx0 V01 V02 Sx1 Sx2 Sx3 Sx4 S’x1 S’x2 S’x3 S’x4

+V 0 1 1 0 0 1 0 1 0 +V 0 1 1 0 0 0 1 0 1

0 -V 1 0 1 0 0 0 1 1

Vx0 = -V

0 -V 0 1 0 1 0 0 1 1

SVTH: Trần Quốc Hoàn 17/102

xung – PWM (Pulse Width Modulation) và qui tắc kích đóng đối nghịch Qui tắc kích đóng đối nghịch đảm bảo dạng áp tải được điều khiển tuân theo giản đồ kích đóng công tắc và kỹ thuật điều chế độ rộng xung có tác dụng hạn chế tối đa các ảnh hưởng bất lợi của sóng hài bậc cao xuất hiện ở phía tải

Phụ thuộc vào phương pháp thiết lập giản đồ kích đóng các công tắc trong bộ nghịch lưu áp, ta có thể phân biệt các dạng điều chế độ rộng xung khác nhau

1 Tổng quát về kỹ thuật điều chế độ rộng xung – PWM

1.1 Một số chỉ tiêu đánh giá kỹ thuật PWM của bộ nghịch lưu

¾ Chỉ số điều chế (Modulation Index) m: được định nghĩa như tỉ số giữa biên

độ thành phần hài cơ bản tạo nên bởi phương pháp điều khiển và biên độ thành phần hài cơ bản đạt được trong phương pháp điều khiển sáu bước (sixstep)

m =

sixsteps m

m

U

U

− 1

với Vd _ tổng điện áp các nguồn DC

¾ Độ méo dạng tổng do sóng hài THD (Total Harmonic Distortion)

Là đại lượng dùng để đánh giá tác dụng của các sóng hài bậc cao (2,3…) xuất hiện trong nguồn điện, được tính theo:

THDI =

) 1 ( 1

2 )

I

I

j j

SVTH: Trần Quốc Hoàn 18/102

THDI =

) 1 ( 2

2 )

I

I

j j

∑∞

=

=

) 1 (

2 ) 1 ( 2

I

I

I −

(3.3)

Trong đó I(j): trị hiệu dụng sóng hài bậc j, j ≥ 2

I(1): trị hiệu dụng thành phần hài cơ bản của dòng điện

¾ Tần số đóng ngắt và công suất tổn hao do đóng ngắt:

Công suất tổn hao xuất hiện trên linh kiện bao gồm hai thành phần: tổn hao công suất khi linh kiện ở trạng thái dẫn điện Pon và tổn hao công suất động Pdyn Tổn hao công suất Pdyn tăng lên khi tần số đóng ngắt của linh kiện tăng lên Tần số đóng ngắt của linh kiện không thể tăng lên tùy ý vì những lí do sau:

• Công suất tổn hao trên linh kiện tăng lên tỉ lệ với tần số đóng ngắt

• Linh kiện công suất lớn thường gây ra công suất tổn hao đóng ngắt lớn hơn Do đó, tần số kích đóng của nó phải giảm cho phù hợp, ví dụ các linh kiện GTO công suất MW chỉ có thể đóng ngắt ở tần số khoảng 100Hz

• Các qui định về tương thích điện từ (Electromagnet Compatibility – EMC) qui định khá nghiêm ngặt đối với các bộ biến đổi công suất đóng ngắt với tần số cao hơn 9KHz

1.2 Các dạng sóng mang dùng trong kỹ thuật PWM

¾ Hai sóng mang kế cận liên tiếp nhau sẽ bị dịch 180 độ - APOD (Alternative Phase Opposition Disposition)

Hình 3.1: Hình dạng sóng mang APOD

SVTH: Trần Quốc Hoàn 19/102

Hình 3.2: Hình dạng sóng mang PD

¾ Bố trí đối xứng qua trục zero – POD (Phase Opposition Disposition): các sóng mang nằm trên trục zero sẽ cùng pha nhau, ngược lại các sóng mang cùng nằm dưới trục zero sẽ bị dịch đi 180 độ

Hình 3.3: Hình dạng sóng mang POD

Trong các phương pháp bố trí sóng mang, phương pháp bố trí các sóng mang đa bậc cùng pha – PD cho độ méo dạng áp dây nhỏ nhất Đối với bộ nghịch lưu áp ba bậc, phương pháp POD và APOD cho cùng kết quả dạng sóng mang

SVTH: Trần Quốc Hoàn 20/102

2 Phương pháp điều chế độ rộng xung Sin (Sin PWM)

Phương pháp còn có tên Subharmonic PWM (SH – PWM), hay Multi carrier based PWM

• Sóng mang up (carrier signal) tần số cao, có thể ở dạng tam giác

• Sóng điều khiển ur (reference signal) hoặc sóng điều chế (modulating signal) dạng sin Ví dụ, công tắc lẻ được kích đóng khi sóng điều khiển lớn hơn sóng mang (ur > up) Trong trường hợp ngược lại, công tắc chẵn được kích đóng

Tần số sóng mang càng cao, lượng sóng hài bậc cao xuất hiện trong dạng điện áp

và dòng điện tải bị khử càng nhiều

Đối với bộ nghịch lưu áp n bậc, số sóng mang được sử dụng là (n-1) Chúng có cùng tần số fc và cùng biên độ đỉnh - đỉnh Ac Sóng điều chế (hay sóng điều khiển) có biên độ đỉnh bằng Am và tần số fm, dạng sóng của nó thay đổi xung quanh trục tâm của

hệ thống (n-1) sóng mang Nếu sóng điều khiển lớn hơn sóng mang nào đó thì linh kiện tương ứng với sóng mang đó sẽ được kích đóng, ngược lại nếu sóng điều khiển nhỏ hơn sóng mang thì linh kiện đó sẽ bị khoá kích

Gọi mf là tỉ số điều chế tần số ( frequency modulation ratio):

ma =

carrier m

reference m

A

).

1 ( − (3.5)

SVTH: Trần Quốc Hoàn 21/102

Hình 3.4: Quan hệ giữa biên độ sóng mang và sóng điều khiển

Khi giá trị ma > 1, biên độ tín hiệu điều chế lớn hơn tổng biên độ sóng mang thì biên độ hài cơ bản của điện áp ra tăng không tuyến tính theo ma Lúc này, bắt đầu xuất hiện lượng sóng hài bậc cao tăng dần cho đến khi đạt ở mức giới hạn cho bởi phương pháp 6 bước Trường hợp này còn được gọi là quá điều chế (overmodulation) hoặc điều chế mở rộng

Phương pháp Sin PWM đạt được chỉ số điều chế lớn nhất trong vùng tuyến tính khi biên độ sóng điều chế bằng tổng biên độ sóng mang :

mSPWM_max =

step six m

m

U

U

_ ) 1 (

) 1 (

π = 0.785 (3.6)

trong đó U_tổng điện áp các nguồn DC

2.2 Mô phỏng cho bộ nghịch lưu áp cascade 5 bậc

2.2.1 Phân tích cách tạo xung kích

Phân tích cho một pha (ví dụ pha a), xung kích cho các linh kiện được thiết lập dựa trên cơ sở so sánh sóng điều khiển Udka và các sóng mang Vp1, Vp2, Vp3, Vp4, cụ thể như sau:

d d

V V

V V

2 0

SVTH: Trần Quốc Hoàn 23/102

giá trị của điện áp điều khiển

Hình 3.6: Các khoảng giá trị của Vref

¾ Trường hợp 1: 2Vd ≥ Vd ≥ Vref ≥ 0

Có 2 cách điều khiển:

• Cố định điện áp ngõ ra của bộ nghịch lưu H1 với V01 = 0, điều khiển bộ nghịch lưu H2 sao cho điện áp ngõ ra thay đổi tùy theo Vref

• Điều khiển bộ nghịch lưu H1 sao cho điện áp ngõ ra thay đổi theo giá trị

Vref, cố định điện áp ngõ ra của bộ nghịch lưu H2 sao cho V02 = 0

¾ Trường hợp 2: 2Vd ≥ Vref ≥ Vd ≥ 0

Có 2 cách điều khiển:

SVTH: Trần Quốc Hoàn 24/102

• Cố định điện áp ngõ ra của bộ nghịch lưu H1 sao cho V01 = Vd, điều khiển bộ nghịch lưu H2 sao cho điện áp tổng của cả 2 bộ nghịch lưu đạt được giá trị mong muốn V0 = V01 + V02 = Vref

• Điều khiển bộ nghịch lưu H1 sao cho tổng điện áp V0 = Vref , cố định điện áp ngõ ra của bộ nghịch lưu H2 sao cho V02 = Vd

• Điều khiển bộ nghịch lưu H1 sao cho tổng điện áp ngõ ra của cả 2 bộ là

V0 = Vref , cố định điện áp của bộ nghịch lưu H2 sao cho V02 = -Vd Vậy để đạt được sự cân bằng công suất giữa các bộ nghịch lưu cầu một pha, ta chọn phương án điều khiển như sau:

¾ Trường hợp 1 (2Vd ≥ Vd ≥ Vref ≥ 0): cố định điện áp của bộ nghịch lưu H2 sao cho V02 = 0, điều khiển bộ nghịch lưu H1 sao cho V01 = Vref

¾ Trường hợp 2 (2Vd ≥ Vref ≥ Vd ≥ 0): cố định điện áp ngõ ra của bộ nghịch lưu H1 sao cho V0 = Vd , điều khiển bộ nghịch lưu H2 sao cho tổng điện áp đạt được V0 = Vref

¾ Trường hợp 3 (0 ≥ Vref ≥ -Vd ≥ -2Vd): cố định điện áp của bộ nghịch lưu H2 sao cho V02 = 0, điều khiển bộ nghịch lưu H1 sao cho V02 = Vref

¾ Trường hợp 4 (0 ≥-Vd ≥ Vref ≥-2Vd): cố định điện áp ngõ ra của bộ nghịch lưu H1 sao cho V01 = -Vd, điều khiển bộ nghịch lưu H2 sao cho tổng điện

áp của 2 bộ nghịch lưu V0 = Vref

Do đó ta bố trí sóng mang với dạng như sau:

SVTH: Trần Quốc Hoàn 25/102

Hình 3.7: Dạng bố trí các sóng mang PD

2.2.3 Các thông số mô phỏng trong Psim

Để so sánh kết quả giữa các phương pháp điều chế, từ đây về sau ta thống nhất khảo sát các phương pháp với chỉ số điều chế m từ (0 – 1) quy chuẩn như sau:

• Khi m = 1 thì điện áp tải đạt cực đại Ut(1)m = Ud / 3 Vậy ứng với m bất

m

(3.9) với n là số bậc của bộ nghịch lưu

Ud là tổng điện áp các nguồn DC (ví dụ đối với bộ nghịch lưu cascade 5 bậc như trên thì Ud = 4Vd)

Sơ đồ mô phỏng bộ nghịch lưu áp 5 bậc dạng cascade theo phương pháp PWM (bản vẽ A3) Các thông số mô phỏng:

= 2 ms

SVTH: Trần Quốc Hoàn 26/102

2.3 Kết quả mô phỏng

Hình 3.8: Tín hiệu điện áp điều khiển trên 3 pha A, B, C

Hình 3.9: Điện áp pha – tâm nguồn trên pha A (phase to pole voltage)

Hình 3.10: Điện áp pha – tâm nguồn DC của pha B

SVTH: Trần Quốc Hoàn 27/102

Hình 3.11: Điện áp pha – tâm nguồn DC trên pha C

Hình 3.12: Điện áp tải trên pha A

Hình 3.13: Điện áp tải trên pha B

SVTH: Trần Quốc Hoàn 28/102

Hình 3.14: Điện áp tải trên C

Hình 3.15: Phân tích Fourier cho điện áp tải trên pha A

Hình 3.16: Dòng điện tải trên pha A

SVTH: Trần Quốc Hoàn 29/102

Hình 3.17: Dòng điện tải trên 3 pha A, B, C

Hình 3.18: Điện áp ngõ ra của 2 bộ nghịch lưu cầu một pha

2.4 Nhận xét

Điện áp ngõ ra của bộ nghịch lưu có dạng 5 bậc, gần với dạng sin hơn so với điện

áp ngõ ra của bộ nghịch lưu cầu 1 pha (dạng chữ H, ba bậc)

Sóng hài bậc cao vẫn còn tồn tại trong dạng điện áp trên tải, nếu tần số sóng mang càng lớn thì lượng sóng hài xuất hiện sẽ giảm

Thời gian quá độ của dòng điện trên 3 pha nhỏ, do đó dòng điện nhanh chóng đạt được trạng thái xác lập

SVTH: Trần Quốc Hoàn 30/102

Dòng điện tải trên 3 pha trong trạng thái xác lập là cân bằng

Trong 1 chu kì khoảng đóng và ngắt của mỗi bộ nghịch lưu cầu 1 pha là tương đối đều nhau

3 Phương pháp điều chế độ rộng xung cải biến

Phương pháp còn có tên là Modified PWM hoặc Switching Frequency optimal PWM method – SFO PWM

Kỹ thuật điều khiển tương tự như phương pháp điều chế độ rộng xung vừa trình bày, điểm khác biệt là sóng điều chế được cải biến Theo đó, mỗi sóng điều chế được cộng thêm tín hiệu thứ tự không (sóng hài bội ba) Tồn tại nhiều khả năng tạo nên thành phần thứ tự không, một trong các tín hiệu thứ tự không có thể chọn bằng trị trung bình của giá trị tín hiệu lớn nhất trong 3 tín hiệu điều chế với tín hiệu nhỏ nhất trong 3 tín hiệu điều chế - phương pháp SFO PWM

Gọi Va, Vb,Vc là các tín hiệu điều khiển của phương pháp điều chế PWM Tín hiệu điều khiển theo phương pháp SFO – PWM có thể biểu diễn dưới dạng toán học như sau:

Voffset =

2

) , , min(

) , , max(V a V b V c + V a V b V c

(3.10)

VaSFO = Va – Voffset ; VbSFO = Vb – Voffset ; VcSFO = Vc - Voffset (3.11) Phương pháp này cho phép thực hiện điều khiển tuyến tính điện áp tải với chỉ số điều chế nằm trong phạm vi 0 ≤ m ≤ 0.907, biên độ sóng hài điện áp đạt giá trị cực đại bằng U/ 3 và tương ứng chỉ số điều chế lúc đó là:

3 2

SVTH: Trần Quốc Hoàn 31/102

Hình 3.19: Quan hệ giữa biên độ áp điều khiển và biên độ sóng mang

3.1 Mô phỏng cho bộ nghịch lưu áp cascade 5 bậc

3.1.1 Phân tích cách tạo áp điều chế

Qua việc phân tích lý thuyết như trên, ta thấy cần phải tạo một hàm để tính điện

áp Voffset, tuy nhiên trong phần mềm Psim không có khối trực tiếp tính được Voffset Vì vậy ta phải dùng khối DLL (Dynamic Link Library) trong Psim kết hợp với việc viết chương trình trong Microsoft Visual C++ hoặc trong Borland C++ Đầu tiên ta viết chương trình bằng ngôn ngữ C/C++, rồi dịch sang định dạng file dll, sau đó chép (copy) file dll này vào thư mục Psim Trong Psim ta dùng khối DLL với tên khối là file dll vừa tạo để mô phỏng

Chương trình tính điện áp điều chế theo SFO – PWM như sau:

} else

3.1.2 Các thông số mô phỏng trong Psim

Sơ đồ mô phỏng bộ nghịch lưu áp 5 bậc dạng cascade theo phương pháp SFO – PWM (bản vẽ A3) Các thông số trong mô phỏng:

SVTH: Trần Quốc Hoàn 33/102

Hình 3.20: Tín hiệu điện áp điều chế ban đầu (giống PWM)

Hình 3.21: Tín hiệu điện áp Vmax, Vmin, Voffset

Hình 3.22: Tín hiệu điều chế VaSFO trên pha A

SVTH: Trần Quốc Hoàn 34/102

Hình 3.23: Điện áp pha – tâm nguồn trên pha A

Hình 3.24: Điện áp pha – tâm nguồn trên pha B

Hình 3.25: Điện áp pha – tâm nguồn C

SVTH: Trần Quốc Hoàn 35/102

Hình 3.26: Điện áp tải trên pha A

Hình 3.27: Điện áp tải trên pha B

Hình 3.28: Điện áp tải trên pha C

SVTH: Trần Quốc Hoàn 36/102

Hình 3.29: Phân tích Fourier cho điện áp tải trên pha A

Hình 3.30: Dòng điện tải trên A

Hình 3.31: Dòng điện tải trên 3 pha A, B, C

SVTH: Trần Quốc Hoàn 37/102

Qua phương pháp này, ta thấy được một hướng phát triển mới trong điều khiển

bộ nghịch lưu áp đa bậc, đó là tập trung nghiên cứu hàm offset nhằm đạt được mục đích tối ưu trong điều chế

SVTH: Trần Quốc Hoàn 38/102

Chương 4 ĐIỀU KHIỂN BỘ NGHỊCH LƯU ÁP ĐA BẬC DẠNG

CASCADE - PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHẾ VECTOR

KHÔNG GIAN (Space Vector PWM)

Phương pháp điều chế vector không gian (Space vector modulation – hoặc Space vector PWM) xuất phát từ những ứng dụng của vector không gian trong máy điện xoay chiều, sau đó được mở rộng triển khai trong các hệ thống điện ba pha Phương pháp điều chế vector không gian và các dạng cải biến của nó có tính hiện đại, giải thuật chủ yếu dựa vào kỹ thuật số và là các phương pháp được sử dụng phổ biến nhất hiện nay trong lĩnh vực điện tử công suất liên quan đến điều khiển các đại lượng xoay chiều ba pha như điều khiển truyền động điện xoay chiều, điều khiển các mạch lọc tích cực, điều khiển các thiết bị công suất trên hệ thống truyền tải điện

1 Khái niệm vector không gian

1.1 Vector không gian và phép biến hình vector không gian

Cho đại lượng ba pha cân bằng va, vb, vc, tức thỏa mãn hệ thức:

Phép biến hình từ các đại lượng 3 pha va, vb, vc sang đại lượng vector →v theo hệ thức:

v = k.(va + a.vb +a2.vc) (4.2) trong đó: a = ej2 π / 3 = -

2

1+ j2

1.2 Vector không gian của bộ nghịch lưu áp đa bậc

Quá trình đóng ngắt các linh kiện tạo ra điện áp ba pha tải Theo lý thuyết về không gian vector thì điện áp ba pha đó có thể biểu diễn dưới dạng vector không gian

Và nó sẽ thay đổi nhảy cấp trên hình lục giác đa bậc Vị trí của mỗi vector điện áp trong không gian sẽ phụ thuộc vào các trạng thái đóng ngắt của linh kiện

Ta xét bộ nghịch lưu áp 5 bậc dạng cascade như sau:

Hình 4.1: Cấu hình bộ nghịch lưu áp 5 bậc dạng cascade

Với bộ nghịch lưu áp 5 bậc, khả năng kích dẫn linh kiện tạo nên 125 trạng thái khác nhau, mỗi trạng thái được minh họa bởi tổ hợp (ka kb kc) với:

SVTH: Trần Quốc Hoàn 40/102

ka = -2, -1, 0, 1, 2

kc = -2, -1, 0, 1, 2 Các hệ số ka, kb, kc phụ thuộc vào cách ta quy ước trước, các quy ước này dựa vào bảng trạng thái đóng ngắt Chẳng hạn, ta quy ước như sau:

• ka = -2 khi S3a = S4a = S’3a = S’4a = 1

1 3 ' 1 ' 4 3

1 4 ' 3 ' 4 2

1 4 ' 3 ' 3 1

a S a S a S a S

a S a S a S a S

a S a S a S a S

a S a S a S a S

1 3 ' 1 ' 4 2

1 4 ' 2 ' 3 1

1 3 ' 1 ' 3 1

1 2 ' 1 ' 4 3

1 4 ' 3 ' 2 1

a S a S a S a S

a S a S a S a S

a S a S a S a S

a S a S a S a S

a S a S a S a S

a S a S a S a S

1 2 ' 1 ' 3 1

1 4 ' 2 ' 2 1

1 3 ' 1 ' 2 1

a S a S a S a S

a S a S a S a S

a S a S a S a S

a S a S a S a S

• ka = 2 khi S1a = S2a = S’1a = S’2a

tương tự cho kb, kc

Trong quá trình đóng ngắt, quy luật đóng ngắt đối nghịch phải được tuân thủ:

S1x + S4x = 1; S2x + S3x = 1 S’1x + S’4x = 1; S’2x + S’3x = 1 (4.6) Với x = a, b, c

Theo định nghĩa vector không gian, tương ứng 125 trạng thái kích dẫn linh kiện ta thu được 61 vị trí vector không gian của vector điện áp tạo thành Tại tâm của lục giác

có năm trạng thái khác nhau cho cùng vị trí tại đó là vector không Các vị trí còn lại ứng với các trạng thái được biểu diễn trong giản đồ vector sau: