NGHIÊN cứu kỹ THUẬT đa điều CHẾ CHO BIẾN tần đa bậc

Và một trong những phương pháp điều khiển cho biến tần đa bậc có thể cho phép thực hiện điều khiển một cách đơn giản hơn nhờ sự hổ trợ của kỹ thuật số cũng như dựa vào những lợi điểm của

MỞ ĐẦU

Ngày nay, các thiết bị điện tử công suất rất được quan tâm và sử dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau như hệ thống truyền tải, hệ thống phân phối điện năng, dùng trong công nghiệp… Và một trong những ứng dụng của nó là dùng cho các ứng dụng có công suất cao Do đó, điện áp và dòng điện phải được nâng lên tương ứng Vì vậy mà công suất định mức của linh kiện bán dẫn sẽ là một trở ngại Ngoài ra, chúng ta khó có thể sử dụng các linh kiện bán dẫn công suất trực tiếp với lưới điện trung áp hay cao áp (2.3, 3.3, 6.9KV, ) mà cần có giải pháp tốt hơn như là biến tần đa bậc để có thể làm việc với cấp điện áp cao hơn Khi đó điện áp cung cấp cho thiết bị sẽ được điều khiển tốt hơn

Hiện nay, nhiều phương pháp điều khiển cho biến tần đa bậc đã được nghiên cứu và ứng dụng điển hình như phương pháp điều chế độ rộng xung sin SPWM và phương pháp điều chế vector không gian SVPWM đã cho một số kết quả nhất định Tuy nhiên, các phương pháp này cũng gặp phải những phức tạp trong việc điều khiển do đó kết quả thu được cũng còn hạn chế Và một trong những phương pháp điều khiển cho biến tần đa bậc có thể cho phép thực hiện điều khiển một cách đơn giản hơn nhờ sự hổ trợ của kỹ thuật số cũng như dựa vào những lợi điểm của 2 phương pháp trên là kỹ thuật đa điều chế MM (multi-modulation)

Xuất phát từ việc này mà yêu cầu đặt ra cho luận văn này :

• Nghiên cứu kỹ thuật đa điều chế cho biến tần đa bậc

• Aùp dụng kỹ thuật đa điều chế đơn sóng mang để điều khiển biến tần bậc 5 dạng cascade

• Khảo sát tính ổn định ở xác lập của các đáp ứng tải khi sử dụng biến tần bậc Trong đó, biến tần bậc 5 dạng cascade và động cơ đồng bộ kích thích nam châm vỉnh cửu dùng để khảo sát

CHƯƠNG 1: BIẾN TẦN ĐA BẬC

1.1 GIỚI THIỆU :

Về cơ bản biến tần đa bậc gồm các dãy linh kiện bán dẫn công suất và các nguồn áp phụ thuộc vào bậc của biến tần Thuận lợi của biến tần đa bậc so với biến tần 2 bậc truyền thống là điện áp ngõ ra sẽ được cải thiện tốt hơn do số bậc điện áp là nhiều hơn Vì vậy, biến tần có bậc càng cao thì độ méo dạng họa tần

ở điện áp ngõ ra càng giảm, bộ lọc điện áp ở ngõ ra biến tần sẽ nhỏ hơn; điện áp chịu đựng và tần số đóng cắt của các linh kiện đóng cắt cũng giảm Tuy nhiên, mức độ phức tạp của biến tần là tăng lên

Hình vẽ dưới đây cho thấy điện áp sin ở ngõ ra của biến tần đa bậc là sự tổng hợp của nhiều cấp điện áp (biến tần bậc 7)

Hình 1 Điện áp ngõ ra biến tần bậc 7

1.2 CÁC LOẠI BIẾN TẦN ĐA BẬC:

Biến tần đa bậc thường được phân loại theo cấu trúc sơ đồ của nó, thường thì có ba dạng phổ biến là:

+ Dạng diode_clamped inverter

+ Dạng capacitor_clamped inverter ( hay flying capacitor)

+ Dạng cascaded inverter

1.2.1 Diode_Clamped Inverter:

Biến tần bậc 3 dang diode_clamped ( hay gọi là NPC converter) được giới thiệu vào năm 1981

Hình 2 Biến tần bậc 3 dạng diod kẹp

Sau đó, dạng này đã được mở rộng thành dạng biến tần bậc cao hơn như bên dưới:

Hình 3 Biến tần bậc 4 dạng diod kẹp

Diode_clamped multilevel inverter sử dụng một nguồn điện áp dc chia ra nhiều bậc áp dc bởi các tụ điện mắc nối tiếp Và dựa trên các diode để cố định bậc điện áp ở ngõ ra, ở đây mỗi bậc tương ứng với mức điện áp trên mỗi tụ điện trong bus dc

Sơ đồ chức năng của biến tần này có thể được thể hiện như sơ đồ H.4 dưới đây:

Hình 4 Sơ đồ tương đương của biến tần bậc 4 dạng diod kẹp

Với công tắc n vị trí trên mỗi pha có:

S với i={a,b,c} (1) Nếu điệp áp phân bố trên các tụ điện là cân bằng thì:

Hình 5 Các mức điện áp pha A ngõ ra của biến tần với các trạng thái đóng cắt khác nhau.

• Các đặc điểm của biến tần đa bậc dạng diode_clamped:

_ Số tụ điện là ít, nhưng phải thêm diode kẹp trong sơ đồ

_ Có thể sử dụng một nguồn áp DC

_ Khi biến tần có bậc lớn hơn 3 thì điện áp mà diode kẹp phải chịu đựng là Vdc(n-2)/(n-1) cao Do đó sẽ phức tạp trong thiết kế như phải kết nối nối tiếp các diode

_ Vấn đề không cân bằng điện áp các tụ điện ở biến tần đa bậc dạng này có thể gây ra quá áp trên một hay nhiều linh kiện đóng cắt

1.2.2 Capacitor_Clamped Inverter:

Cũng tương tự như dạng diode_clamped, ở đây cấu trúc sơ đồ gồm các tụ điện được xếp lớp lên nhau mà không có các diode kẹp Điện áp ngõ ra là kết hợp của các tụ điện được mắc nối tiếp trên sơ đồ

Hình 6 Biến tần bậc 3 dạng tụ kẹp

Hay sơ đồ tương đương pha A:

Hình 7 Sơ đồ tương đương pha A của biến tần dạng tụ kẹp

Ở đây thì hoặc công tắc trên SHi hoặc công tắc dưới SLi ở mỗi cặp sẽ ở trạng thái ON Nhưng cả hai công tắc này không được cùng trạng thái tại cùng thời điểm, vì sẽ gây ra ngắn mạch ở các tụ điện

Ví dụ:

Bảng trạng thái đóng cắt có thể có của các cặp công tắc cho biến tần 3 bậc dạng capacitor_clamped:

Bảng 1 Mức điện áp ngõ ra pha A ứng với các trạng thái đóng cắt có thể có.

• Các đặc điểm của biến tần đa bậc dạng capacitor_clamped:

_ Nhược điểm chính của biến tần đa bậc dạng này là số lượng tụ điện trong

sơ đồ là nhiều

_ Mỗi nhánh có thể được phân tích độc lập với các nhánh khác Không như biến tần đa bậc dạng diode_clamped khi phân tích phải quan tâm đến cân bằng điện áp ở ba pha ngõ vào

_ Giá trị các tụ điện là cao dần từ tụ lớp trong cùng tới tụ lớp ngoài cùng Ví dụ Cf2=2*Cf1

1.2.3 Cascaded Inverter:

Cascade multilevel inverter gồm nhiều cầu nghịch lưu đầy đủ một pha nối tiếp nhau, và mỗi cầu nghịch lưu này sử dụng một nguồn áp dc độc lập Thông thường nguồn dc này được lấy từ máy biến áp có nhiều cuộn dây thứ cấp độc lập, hoặc từ nhiều biến áp riêng biệt

Hình 8 Biến tần đa bậc dạng Cascade

Đối với biến tần đa bậc có bậc chẳn thì phải thêm vào bộ nghịch lưu không đầy đủ vào cấu trúc của sơ đồ

Ví dụ: Biến tần 4 bậc dưới đây:

Hình 9 Biến tần bậc 4 dạng cascade

• Các đặc điểm của biến tần đa bậc dạng cascaded inverter:

_ Dạng biến tần này là không cần thêm diode hay tụ điện như biến tần đa bậc dạng diode_clamped, tuy nhiên số bậc điện áp ngõ ra cũng tương tự

_ Số bậc điện áp có thể tăng lên dể dàng bằng cách mắc nối tiếp thêm cầu nghịch lư u vào

_ Biến tần dạng cascade lại cần nhiều nguồn dc độc lập trên mỗi bộ nghịch lưu, trong khi dạng diode_clamped thì có thể chỉ cần một nguồn dc

_ Để cân bằng công suất cho các nguồn dc thì có thể tuần hoàn sử dụng các nguồn dc trong chu kỳ Việc này làm cho tần số đóng cắt các linh kiện bán dẫn trong sơ đồ cũng cân bằng

1.3 CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN:

Tương ứng với các loại biến tần đa bậc thì cần có các phương pháp điều khiển, điều chế thích hợp Các phương pháp điều chế này cũng có thể được phân loại theo tần số đóng cắt Nói chung thì có hai phương pháp phổ biến nhất dùng cho biến tần đa bậc là phương pháp điều chế độ rộng xung sin ( SPWM) và phương pháp điều chế vector không gian (SVM)

Khi làm việc với tần số đóng cắt cao thì phổ biến là phương pháp cổ điển SPWM, và bằng cách dịch chuyển pha sóng mang cũng như sóng điều chế để giảm méo dạng ở điện áp ngõ ra

Khi làm việc với tần số đóng cắt thấp hơn ( tức chỉ có một hoặc hai lần đóng cắt ở linh kiện bán dẩn công suất trong một chu kỳ điện áp cơ bản) thì phương pháp đại diện là điều khiển vector không gian SVC

Do hai loại biến tần đa bậc phổ biến nhất là dạng diode_clamped và dạng cascade nên ở đây chỉ giới thiệu các phương pháp điều khiển thường gặp ở hai loại này

• Đối với biến tần đa bậc dạng diode_clamped thì phương pháp phổ biến nhất là SPWM: theo phương pháp này các trạng thái đóng cắt của các cặp linh kiện bán dẩn được xác định dựa vào phần giao giữa các sóng mang tam giác và tín hiệu điều chế dạng sin

Biến tần n bậc sẽ có (n-1) sóng mang tam giác cùng pha, tần số, biên độ được phân bố trong dãy –VDC tới +VDC và một sóng điều chế hình sin được so sánh với mỗi sóng mang tam giác này để xác định trạng thái đóng cắt các cặp tiếp điểm của biến tần đa bậc

Bằng việc thay đổi pha sóng mang từ sóng mang tam giác nguyên thủy sẽ có

3 phương pháp điều chế dạng SPWM được đưa ra là:

+ APOD ( alternative phase opposition disposition): theo phương pháp này thì mỗi sóng mang sẽ dịch chuyển 180o so với sóng mang tam giác tiếp giáp

Hình 10 Sóng mang và sóng điều chế theo phương pháp APOD

của biến tần 5 bậc

+ POD (phase opposition disposition): các sóng mang nằm phía trên điểm zero và các sóng mang phía dưới điểm zero sẽ lệch nhau 180o

+PD ( phase disposition): tất cả các sóng mang là cùng tần số, biên độ

Hình 11.Sóng mang và sóng điều chế theo phương pháp PD

của biến tần 5 bậc

• Đối với biến tần đa bậc dạng cascade thì phương pháp PSCPWM (phase shifted carrier PWM) được xem là phương pháp điều chế chuẩn Theo phương pháp này thì 2 sóng điều chế cho 2 cặp công tắc ở mỗi bộ nghịch lưu trong biến tần đa bậc sẽ lệch pha nhau 180o trong khi mỗi sóng mang lệch 180o/N ( với N là số bộ nghịch lưu nối tiếp trên một pha của biến tần

đa bậc)

Hình 12 Sóng mang và sóng điều chế theo PSCPWM

của biến tần 5 bậc

• Phương pháp điều chế vector không gian ( SVM: space vector modulation):

Điều khiển vector điện áp tương đương ( vector trung bình trong chu kỳ lấy mẫu Ts) sao cho quĩ đạo của nó di chuyển liên tục theo đường tròn

Ơû đây vector điện áp đựơc biểu diễn qua 3 vector đỉnh gần nhất với thời gian chốt tương ứng tại các đỉnh:

→ + +

→ + +

→

→

++

1 1

*

j s

j j s

j j s

j

V T

T V T

T V T

T

với: + +1 + +2 =1

s j s j s

j

T

T T

T T T

Phương pháp này dể thực hiện phần cứng bằng xử lý tín hiệu số DSP, tuy nhiên khi bậc của biến tần tăng thì trạng thái đóng cắt tăng làm cho việc lựa chọn trạng thái đóng cắt phức tạp

Hình 13 Space vector diagram of 3, 5 level inverter

CHƯƠNG 2: KỸ THUẬT ĐA ĐIỀU CHẾ CHO

BIẾN TẦN ĐA BẬC

Như đã nói ở trên, 2 dạng biến tần đa bậc phổ biến nhất diode_ clamped và cascade inverter được điều khiển bằng 2 phương pháp phổ biến trong thực tế là SPWM (sinusoidal pulse width modulation) và SVPWM (Space vector PWM) Kỹ thuật SVPWM thực hiện dựa vào giản đồ vector nhưng khi bậc của biến tần là cao thì phương pháp này gặp nhiều phức tạp khi điều khiển Và kỹ thuật SPWM cũng đã được phát triển trong nhiều năm với nhiều dạng khác nhau từ việc hiệu chỉnh tín hiệu sóng mang cũng như tín hiệu sóng điều chế Tuy nhiên, các đặc điểm thuận lợi của kỹ thuật này lại không được đưa ra trong kỹ thuật kia và ngược lại Vì thế mà kỹ thuật đa điều chế được đưa ra để giải quyết vấn đề này

2.1 KỸ THUẬT ĐA ĐIỀU CHẾ:

Kỹ thuật đa điều chế là kỹ thuật điều chế gồm nhiều ( lớn hơn 1) sóng điều chế trên mỗi pha của biến tần đa bậc và bằng cách sử dụng các mẫu đa điều chế MMP ( multi_modulating patterns) để điều khiển

2.1.1 Phân Loại:

Theo phương pháp này, mỗi pha điện áp ở biến tần đa bậc sẽ gồm p ( với p >1) tín hiệu điều chế để điều khiển Do đó, biến tần đa bậc có hai dạng điều chế đa mang phổ biến là:

+ Đa điều chế đầy đủ : ở đây số tín hiệu điều chế là p=n-1 (hình c) + Đa điều chế không đầy đủ: số tín hiệu điều chế là 1<p<n-1 (hình b) Với n : là số bậc của biến tần đa bậc

Cũng giống như kỹ thuật điều chế SPWM (hình a), phần giao giữa các tín hiệu điều chế và các sóng mang tam giác sẽ xác định được trạng thái đóng cắt các cặp linh kiện bán dẩn của biến tần

Hình 14 Các dạng điều chế của biến tần bậc 5

2.1.2 Các Khái Niệm Cơ Bản:

Kỹ thuật đa điều chế có thể xem là sự kết hợp giữa kỹ thuật SPWM và SVPWM Do đó, giả sử kỹ thuật PD được sử dụng trong kỹ thuật này

Theo kỹ thuật SVPWM thì trong hệ tọa độ abc vector điện áp mong muốn

T c b

*

U K U K U K

+ +

với

1,

,0

;1

3 2 1

3 2 1

≤

≤

=++

K K K

K K K

K1, K2, K3 tỉ lệ với thời gian đóng cắt tương ứng T1, T2, T3 của 3 vector quay là

Tj/Kj = TS

Với : TS là chu kỳ lấy mẫu

Vector điện áp *

Vr gồm thành phần thứ tự thuận-nghịch ( active component)

T c b

32cos(

)1(

)32cos(

)1(

cos)1(

12 )

1 (

12 )

1 (

12 )

1 (

πθ

πθθ

V v

n V

V v

n V

V v

dc rc

dc rb

dc ra

(5)

Gọi Max, Min là giá trị lớn nhất và nhỏ nhất của (v ra(1),v rb(1),v rc(1))

Mid là giá trị giữa còn lại trong (v ra(1),v rb(1),v rc(1))

Còn bậc của vector redundancy (level of redundance) lrj tương ứng với vector quay Uj là:

.1

)(

)(

2

)(

1

1 3 2 1

l l

Mid Max Int Min Mid Int n

l

Min Max Int n

l

(6)

với int(x): là giá trị nguyên của x

Vùng tam giác gọi là TVMINR: là vùng tam giác mà ở đó có 2 vector có lrj

là nhỏ nhất

Vùng tam giác gọi là TVMAXR: là vùng tam giác mà ở đó có 2 vector có lrj

là lớn nhất

Hai vùng này có thể dể dàng xác định dựa theo điều kiện:

)(

)(

0

areas TVMAXR

for

areas TVMINR

for

Do đó, thông số Kj ,( j=1,2,3) đựơc xác định theo công thức:

areas TVMINR

for Mid Max Mid

Max Int K

Min Max Min

Max Int K

=

) (

) (

) (

) (

for Mid Max Mid

Max Int K

Min Mid Min

Mid Int K

=

−

−

− +

=

) (

) (

1

) (

) (

1

2 1

2 1

3 1 K K

Và vector điện áp mong muốn *

Vr có thể được biểu diễn một cách đầy đủ qua các vector redundancy của mỗi vector U tương ứng:

21 20 20 2

1 , 1 1 , 1 11

11 10 10 1

lr lr

lr lr

U U

U K

U U

U K

U U

U K V

rr

r

rr

r

rr

rr

ξ ξ

ξ

ξ ξ

ξ

ξ ξ

ξ

+++

++

++

++

++

+++0

1 ,

2 1 0

jk

lrj j j

j j

ξ

ξξ

)1/(

Ơû đây các vector Uvj0ứng với hệ số ZRF thỏa :

30 30 30 20 20 20 10 10

cjk bjk ajk dc

Hình 15 a Biến tần 5 bâc dạng diod kẹp b Các sóng mang tam giác

c Mẫu điều chế MP

Với 3 mẫu điều chế Prj0 được xác định bằng công thức:

rc rb

ra

T T

c b a

Min v

Int Min v

Int Min v

Int

P P P P

P

P

)(

),(

),(

],,[],,

[

) 1 ( )

1 ( )

1 (

min min min 10

10 10

,,[

0]

,,[

],,[],,

[

max max max

10 10 10 20

20 20

S for f

f f

S for f

f f

P P P P

P P

T midc midb mida

T c b a

T c b a T c b a

T c midc

b midb

a mida

T c b a T c b a

f f

f f

f f

P P P P

P P

],

,[

],,[],,

[

max max

max

10 10 10 30

30 30

++

v for

0

,,

v for

0

,,

;

(15)và Pmin = -(n-1)/2 : là hằng số bằng với thành phần PMP nhỏ nhất trong sơ đồ mẫu điều chế MP ở trên

Do đó, mẫu điều chế Prjk có thể được xác định thông qua các Prj0:

I k P

2.1.3 Mẫu Đa Điều Chế MMP:

Như đã nói ở trên, theo kỹ thuật đa điều chế thì mỗi pha điện áp được điều chế từ một bộ gồm có p (p>1) tín hiệu điều chế Do đó, mỗi bộ p tín hiệu này gọi là mẫu đa điều chế pha PMMP ( phase multi-modulating pattern)

Mẫu đa điều chế MMP được định nghĩa là sự kết hợp từ 3 PMMP Và MMP đựơc xem như là sự mở rộng của MP, được biểu diễn bằng ma trận

Ví dụ, trong trường hợp đa điều chế đầy đủ thì MMP được biểu diễn bằng ma trận [ ]Q jk bậc 3x(n-1) là:

cjk bjk ajk

cjk bjk ajk jk

Q Q Q

Q Q Q

Q Q

Q Q

,,

,

,,,

,,,

2 2 2

1 1

, ,2,1,0

)1(1

j

l k

n p

rj

Ba hàng của ma trận [ ]Q jk :

(Q ajk1, Q ajk2,…, Q ajkp) (Q bjk1, Q bjk2,…, Q bjkp), và (Q cjk1, Q cjk2,…, Q cjkp) là 3 bộ PMMP của 3 pha a, b, c tương ứng với 3 mẫu điều chế pha PMP P , ajk P bjk và

cjk

P như giới thiệu ở trên

• Ví dụ xét biến tần bậc 5 trong trường hợp đa điều chế đầy đủ thì

số tín hiệu điều chế trên mỗi pha của biến tần là:

Hình 16 Biến tần bậc 5 dạng cascade và tín hiệu điều chế pha A

Pha A có 4 tín hiệu là vra1, vra2, vra3, vra4 trong các khoãng tương ứng là (1,2); (0,1); (-1,0); (-2,-1)

Tương tự cho 2 pha B, C là:

+ Pha B: vrb1, vrb2, vrb3, vrb4

+ Pha C: vrc1, vrc2, vrc3, vrc4

Phần giao giữa 4 tín hiệu điều chế và 4 tín hiệu sóng mang tam giác u 1

(1≤u p1 ≤2), u 2 (0≤u p2 ≤1), u 3 (−1≤u p3 ≤0), và u 4(−2≤u p4 ≤−1 ) sẽ xác định trạng thái đóng cắt của các cặp công tắt tương ứng là S1a,S2a,S3a,S4a

Ví dụ:

Để điện áp pha A có giá trị Vdc/2 ( tức PMP=2) thì trạng thái đóng cắt các cặp công tắc S1a,S2a,S3a,S4a phải là ON Và bộ p tín hiệu điều chế thỏa mãn là

1,

0,

1,

Còn đối với biến tần đa bậc dạng diod kẹp thì chỉ có một bộ PMMP

Table 2 Five-level inverter: the PMMP sets for multi- carrier

multi-modulation

a) For diode clamped inverter

-2 -1 0 1 2

PMMP set 1,0,-1,-2 1,0,-1,-1 1,0,0,-1 1,1,0,-1 2,1,0,-1

b) For cascade inverter

PMMP 1,0,-1,-2 2,0,-1,-2

1,1,-1,-2 1,0,0,-2 1,0,-1,-1

1,1,-1,-1 2,0,0,-2 2,0,-1,-1 2,1,-1,-2 1,1,0,-2 1,0,0,-1

2,0,0,-1 2,1,-1,-1 2,1,0,-2 1,1,0,-1

2,1,0,-1

Set 1 1,0,-1,-2 1,0,-1,-1 1,0,0,-1 1,1,0,-1 2,1,0,-1 Set 2 1,0,-1,-2 2,0,-1,-2 2,0,-1,-1 2,0,0,-1 2,1,0,-1 Set 3 1,0,-1,-2 1,1,-1,-2 1,1,-1,-1 2,1,-1,-1 2,1,0,-1

1 , 0 , 1 , 1

2 , 1 , 0 , 1 , 1 , 0 , 1 , 2

2 , 0 , 1 , 2

2 , 1 , 0 , 1 , 1 , 0 , 1 , 2

1 , 1 , 1 , 2

2 , 1 , 0 , 1 , 1 ,

,

0

,

1

2.1.4 Tín Hiệu Điều Chế Cho Biến Tần Đa Bậc:

Tín hiệu điều chế mong muốn cho biến tần đa bậc sẽ được xác định theo công thức :

[ ] ∑ ( [ ] [ ] [ ] )

=

+++

= 3

1

, , 1

1 0

j

lrj j lrj j j

j j j j

rc rb ra

rc rb ra r

v v v

v v v

,,,

,,,

2 2 2

1 1

≤

≤

−

−+p1,2, ,

t

)(

)1(Pmin n t v rxt Pmin n t

cjk bjk ajk

cjk bjk ajk jk

Q Q Q

Q Q Q

Q Q

Q Q

,,,

,,,

,,,

2 2 2

1 1 1

j

, ,2,1,0

3,2,1

,(

)

,(

)

,(

2 1

2 1

2 1

rcp rc rc

rbp rb rb

rap ra ra

v v v

v v v

v v v

: là 3 bộ p_tín hiệu điều chế mong muốn tương ứng

với 3 pha A, B, C

Trong trường hợp đa điều chế đầy đủ thì số trạng thái có thể có trong một chu kỳ lấy mẫu là(l r1+l r2 +l r3 +3) Điều này có nghĩa là các tín hiệu điều chế này sẽ tạo ra điện áp ngõ ra theo thứ tự các vector điện áp liên quan:

+ K2ξ2,lr2,K3ξ3,lr3,K1ξ1,lr1 cho vùng TVMINR

Ví dụ:

Xét vùng 5 trong sơ đồ trên có thứ tự các mẫu điều chế MP là

21 11 30

A cũng như pha B, C ở bộ (set) được chọn

Giả sử MP [0, 1, 2] và bộ 2 (set2) được chọn thì tín hiệu điều chế mong muốn cho pha A là:

302 30 3 202 20 2 102 10 1 2

ξξ

ξ

ξξ

ξ

K Q

K Q

K

Q K Q

K Q

K v

a a

a a

a ra

=+

+

++

=

10 1 213

21 2 113 11 1

303 30 3 203 20 2 103 10 1 3

ξξ

ξ

ξξ

ξ

K Q

K Q

K

Q K Q

K Q

K v

a a

a a

a ra

−

=+

+

++

2.1.5 Các Đặc Điểm Của Đa Điều Chế Đa Mang:

_ Các thành phần của mẫu điều chế MP có thể được xác định từ các thành phần của mẫu đa điều chế MMP:

∑

=

=+

++

t xjkt xjkp

xjk xjk

P

1 2

với x=a,b,c

_ Giá trị common mode (CM) :

3/)(

3/)(

, 1

∑ ∑

=+

+

=

c b x p

t xjkt cjk

bjk ajk

_ Tín hiệu điều chế v rxe là tín hiệu tạo ra điện áp điểm trung tính dc V 0:

)1/(

Tín hiệu điều chế này có thể được xác định qua bộ p_tín hiệu điều chế :

∑

=

=+

++

t rxt rxp

rx rx

v

1 2

Hoặc có thể biểu diễn qua mẫu điều chế MP:

)

(

3

1

, 1

1 0 0

∑

=

+++

=

j

lrj j jlrj j

j j j j

_ Điện áp thứ tự không:

3/)(

3)(

+

=

c b x p

t rxt rce

rbe rae e

−

1

, 2

1 min

j

lrj j rj j

j j e

Kỹ thuật đa điều chế cũng có thể được sử dụng trong việc cân bằng điện áp điểm trung tính đối với biến tần đa bậc dạng diod kẹp

Tuy nhiên, kỹ thuật đa điều chế này cũng có một vài khó khăn khi điều khiển như số lượng sóng mang tam giác và tín hiệu sóng điều chế nhiều Điều này có thể cải thiện bằng kỹ thuật đa điều chế không đầy đủ hay kỹ thuật đa điều chế đơn sóng mang thông qua sự hỗ trợ của kỹ thuật số

2.2 KỸ THUẬT ĐA ĐIỀU CHẾ ĐƠN SÓNG MANG:

2.2.1 Giới Thiệu :

Theo kỹ thuật này, tất cả các sóng điều chế đều nằm trong dãy (0,1) và các sóng mang tam giác cũng được dịch chuyển tới vị trí sóng mang chuẩn trong khoảng (0,1) Do đó, kỹ thuât đa điều chế đơn sóng được xem là phương pháp đơn giản hơn vì chỉ có một tín hiệu sóng mang tam giác cũng như các tín hiệu sóng điều chế đều nằm trong khoảng (0,1)

Phương pháp này thực hiện số hóa các trạng thái đóng cắt các cặp linh kiện và biểu diễn bởi ma trận mẫu [ ]S jk bằng việc chuyển đổi giữa MMM và SMM

2.2.2 Tín Hiệu Điều Chế:

Theo kỹ thuật đa điều chế đa mang MMM thì tín hiệu đa điều chế mong muốn và mẫu đa điều chế MMP được biểu diễn dưới dạng ma trận như trên:

rc rb ra

rc rb

ra r

v v v

v v v

v v

v v

, , ,

, , ,

, , ,

2 2 2

1 1 1

cjk bjk ajk

cjk bjk

ajk jk

Q Q Q

Q Q Q

Q Q

Q Q

, , ,

, , ,

, , ,

2 2 2

1 1 1

Chuyển đổi giữa MMM và SMM được thể hiện theo biểu thức:

20 20 20

10 10 10

,,,

p p p

Q Q Q

Q Q Q

Q Q Q Q

[ ]

rj cjkp bjkp ajkp

cjk bjk ajk

cjk bjk ajk jk

l k

j

S S S

S S S

S S

S S

, ,2,1,0

;3,2,1

,,,

,,,

2 2 2

1 1 1

* [Q0] là ma trận chuyển đổi giữa đa điều chế đa mang MMM và đa

điều chế đơn mang SMM

Với các phần tử của ma trận này là:

t n P

Q t0 = min + −1− ; (27) với :

, ,2,1

P

p t

max max

min min

max max

min min

max max

0

,1, ,

2,

1

,1, ,

2,

1

,1, ,

2,

1

P P

P P

P P

P P

P P

P P

với:

min 0

20 10

min max

1

P Q

Q Q

P n

P

p =+

++

,1

,1

,1

,0

,0

,0

,1

,1

,1

,,,

,,,

,,,

40 40 40

30 30 30

20 20 20

10 10 10

0

Q Q Q

Q Q Q

Q Q Q

Q Q

Q Q

* [ ]S jk là ma trận các trạng thái đóng cắt mẫu, nó chứa các phần tử S xjkt

có giá trị 0 hoặc 1, là các trạng thái đóng cắt các cặp linh kiện tương ứng Khi đó tín hiệu điều chế mong muốn của kỹ thuật SMM là:

[ ] ∑ ( [ ] [ ] [ ] [ ] )

=

+++

+

= 3

1

, , 2

2 1 1 0 0 '

j

lrj j lrj j j

j j j j j j

với:

2.2.3 Mẫu Đa Điều Chế:

Đối với biến tần đa bậc dạng diode kẹp thì chỉ có một bộ điều chế PMMP, và việc xác định các phần tử S xjkt được tính theo:

l k

p t

c b a x

j

else if

t

n P

if S

, ,2,1,0

, ,2,1

,,

3,2,10

)2

1(1

Ví dụ bảng 2 tra các bộ đa điều chế cho biến tần bậc 5:

Table 3 PMMP sets of five-level inverter –Single

0,1,0,11,0,1,01,0,0,1

1,0,1,11,1,0,11,1,1,0

1,1,1,1

0,0,0,1 1,1,0,0

0,1,1,00,0,1,1

2.2.4 Xác Định Tín Hiệu Điều Chế:

Việc xác định tín hiệu điều chế cho biến tần đa bậc bằng kỹ thuật SMM có thể được thể hiện tổng quát qua sơ đồ khối:

Hình 17 Sơ đồ khối tổng quát xácđịnh tín hiệu điều chế

Ơû đây, các thông số K1, K2, K3 được xác định qua các thành phần điện áp cơ bản

_ Các hệ số ξjk, và mẫu điều chế Prjk

được xác định dựa vào thành phần điện áp thứ tự không từ việc phân tích các thành phần điện áp của biến tần:

Điện áp thứ tự không :

+

1

, 2

1 min

0

j

lrj j rj j

j j r

3,2,1

;

0 0

0

+

=

=+

=

n n k

j I k P

Pvjk vj r

_ Các thành phần trong ma trận [ ]S jk được xác định bằng cách tra bảng theo

mẫu điều chế và bộ mẫu đa điều chế đựơc chọn Prjk ↔[ ]S jk

_ Khi đó các tín hiệu điều chế mong muốn được xác định theo: (37)

2.2.5 Đặc Điểm Của Kỹ Thuật Đa Điều Chế Đơn Sóng Mang SMM:

_ Mẫu đa điều chế MP có thể được biểu diễn qua các phần tử S xjkt của các bộ

đa điều chế tương ứng:

c b a x

S P

S Q Q

P

p

t xjkt p

t

xjkt t

p

t xjkt xjk

,,

)(

1 min 1

0 1

=

+

=+

rxt T

+ +

+

≤

<

+ +

+

≤

≤ +

+

+

=

+ +

+

+ +

+

1 ])

[ ] ([

5 0 ] [

] [

] [ ])

[ ] ([

5 0 ] [

0 ]

[ ]

[ ])

[ ] ([

5 0

]

[

1 2 1 )

1 0 ( , 3 0

, 3 3 )

1 0 ( , 2 2 )

1 0 ( , 1 1

2 1 1 1 0

, 3 3 )

1 0 ( , 2 0

, 2 2 )

1 0 ( , 1 1

1 1 0

, 3 3 0

, 2 2 )

1 0 ( , 1 0

, 1 1 '

r n

n n

n

r n

n n

n

r n

n n

n r

v K K if

S S

K S

K S

K

K K v

K if S

K S

S K S

K

K v

if S

K S

K S

S K v

với TON là khoảng thời gian bậc ON ở cặp công tắc SW xt tương ứng

_ Tín hiệu vrxe có thể được tính theo tín hiệu điều chế mong muốn:

.)

(

1

' min

t rxt p

t

rxt t

CHƯƠNG 3: NGHIÊN CỨU KỸ THUẬT ĐA ĐIỀU CHẾ ĐƠN MANG SMM CHO BIẾN TẦN BẬC 5 DẠNG

CASCADE

3.1 SƠ ĐỒ CẤU TRÚC:

Mỗi pha của biến tần bậc 5 gồm có 2 bộ nghịch lưu đầy đủ mắc nối tiếp nhau, và mỗi bộ này được nuôi bởi nguồn điện áp độc lập dc như hình vẽ:

Hình 18 Biến tần bậc 5 dạng cascade

( S1a, S2a, S3a, S4a); ( S1b, S2b, S3b, S4b); ( S1c, S2c, S3c, S4c): là 4 linh kiện bán dẫn công suất của 4 cặp công tắc tương ứng của pha A, B, C

Giá trị điện áp pha ngõ ra có giá trị từ –Vdc/2 tới +Vdc/2 tùy theo vị trí đóng cắt các cặp công tắc tương ứng

Ví dụ:

Điện áp ngõ ra pha A sẽ mang giá trị (Vdc/4 + Vdc/4) =Vdc/2 khi trạng thái các công tắc tương ứng là:

S1a = ON ; S2a = ON S3a = ON ; S4a = ON

3.2 MÔ HÌNH ĐIỆN ÁP BIẾN TẦN:

Mô hình điện áp có thể được phân tích theo 2 thành phần điện áp:

Hình 19 Mô hình điện áp biến tần

+ Thành phần điện áp thứ tự thuận-nghịch ( active voltage): có thể được xác định từ vị trí vector trong sơ đồ lục giác:

)1(

)32cos(

)1(

cos)1(

12 )

1

(

12 )

1

(

12 )

1

(

πθ

πθθ

n V

V v

n V

V v

n V

V v

dc rc

dc rb

dc ra

với n=5

+ Thành phần điện áp thứ tự không ( zero sequence voltage):

)1/(

1

, 2

1 min

0

j

lrj j rj j

j j r

e

)1/(

2/

max

)1/(

2/

min

3.3 GIẢI THUẬT ĐIỀU KHIỂN:

_Từ thành phần điện áp cơ bản phân tích ở trên, xác định thành phần Min, Max, Mid của 3 thành phần:

Min=min(vra1 , vrb1, vrc1) Max=max(vra1 , vrb1, vrc1) (42) Mid=mid(vra1 , vrb1, vrc1)

_ Xác định vị trí của vector điện áp mong muốn trong sơ đồ hình lục giác là vùng TVMINR hay vùng TVMAXR theo điều kiện:

)(

)(

)(Max Min Int Max Mid Int Mid Min Int

0

areas TVMAXR

for

areas TVMINR

for S

Với : int(x) là hàm có giá trị là trị nguyên của x

Để xác định giá trị S này thì trước tiên là xác định các giá trị của các hàm int(Max-Min), int(Max-Mid), int(Mid-Min), và tất cả các giá trị này được biểu diễn trên sơ đồ hình lục giác bên dưới ( hình 20)

Hàm int(Max-Min) có giá trị zero trong hình lục giác nhỏ nhất và tăng dần theo hình lục giác phía ngoài Giá trị là lớn nhất cho các vùng tam giác ở hình lục giác ngoài cùng Tương tự cho các hàm còn lại

Trên hình 20.d có 2 vùng tam giác :

+ Vùng TVMINR: là vùng tam giác trắng

+ Vùng TVMAXR: là vùng tam giác tô đen

Hình 20 a hàm int( max-min) b int(max-mid)

_ Xác định giá trị các thông số K1, K2, K3: xác định theo các công thức (8) ở trên với giá trị các hàm vừa tính

_ Xác định các mẫu điều chế MP cơ bản:

],,[],,,[],,

Prjk rj r

+

với k = no, n0+1

n0 = int(vr0e,ref – vr0min)

vr0min = Pmin-Min = -2-Min

_ Xác định giá trị các thành phần của ma trận đóng cắt [Sjk] theo các mẫu điều chế Pxjk đã xác định được bằng cách tra bảng:

Với bậc biến tần n=5 sẽ có tổng cộng (n-1)! = 4! =24 bộ PMMP như dưới đây:

Table 5 PMMP sets of five-level cascade inverter

–Single carrier multi-modulation

PMMP 0,0,0,0 1,0,0,0

0,1,0,00,0,1,00,0,0,1

0,1,0,11,0,1,01,0,0,11,1,0,00,1,1,00,0,1,1

1,0,1,11,1,0,11,1,1,00,1,1,1

+ +

+

≤

<

+ +

+

≤

≤ +

+

+

=

+ +

+

+ +

+

1 ])

[ ] ([

5 0 ] [

] [

] [ ]) [

] ([

5 0 ] [

0 ]

[ ] [ ]) [

] ([

1 0 ( , 3 0 , 3 3 )

1 0 ( , 2 2 ) 1 0 (

,

1

1

2 1 1 1 0

, 3 3 )

1 0 ( , 2 0 , 2 2 )

1 0 ( , 1 1

1 1 0

, 3 3 0 , 2 2 )

1 0 ( , 1 0 , 1 1 '

r n

n n

n

r n

n n

n

r n

n n

n r

v K K if S

S K S

K S

K

K K v K if S

K S

S K S

K

K v if

S K S

K S

S K v

(47)

Với vr1= vroe,ref - vr0min -n0

_ Giá trị điện áp ngõ ra của biến tần bậc 5:

=

= +

/

1 4

/

2 0

3 4

/

4 2

/

t xjkt DC

xo

t xjkt DC

xo

t xjkt xo

t xjkt DC

xo

t xjkt DC

xo

S khi V

V

S khi V

V

S khi V

S khi V

V

S khi V

co bo bc

bo ao ab

V V V

V V V

V V V

(49)

+ Điện áp pha:

32

32

bo ao co a

co ao bo a

co bo ao a

V V V V

V V V V

V V V V

(50)

+ Điện áp thứ tự không:

V0= pmin + (vra_1 +vra_2 +vra_3 +vra_4) – vra1 (51)

3.4 MÔ HÌNH MÔ PHỎNG:

3.4.1 Mô Hình Mô Phỏng:

Dựa các bước của giải thuật ta sẽ xây dựng mô hình mô phỏng bằng phần mềm Matlab:

_ Xác định các điện áp cơ bản:

function [Vra1,Vrb1,Vrc1]= fcn(deta,m)

Vra1 = 2*m/cos(30*pi/180)*cos(deta*2*pi);

Vrb1 = 2*m/cos(30*pi/180)*cos(deta*2*pi-2*pi/3);

Vrc1 = 2*m/cos(30*pi/180)*cos(deta*2*pi+2*pi/3);

_ Xác định giá trị Min, Max, Mid:

function [max,min,mid]= fcn(va1,vb1,vc1)

_ Xác định thông số K1, K2, K3:

_ Xác định tín hiệu điều chế cho mỗi cặp công tắc ở mỗi pha:

Ơû đây, việc xác định được thực hiện qua 2 khâu chính là xác định giá trị các Sjkt

và sau đó là tính các tín hiệu điều chế pha