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

Nghiên Cứu Kỹ Thuật Đa Điều Chế Cho Biến Tần Đa Bậc MỞ ĐẦU Ngày nay, các thiết bò điện tử công suất rất được quan tâm và sử dụng trong nhiều lónh 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 đònh 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 bò 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 đònh. 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. • p dụng kỹ thuật đa điều chế đơn sóng mang để điều khiển biến tần bậc 5 dạng cascade. • Khảo sát tính ổn đònh 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. Nghiên Cứu Kỹ Thuật Đa Điều Chế Cho Biến Tần Đa Bậc Trang 1 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 chòu 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 Nghiên Cứu Kỹ Thuật Đa Điều Chế Cho Biến Tần Đa Bậc Trang 2 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: Nghiên Cứu Kỹ Thuật Đa Điều Chế Cho Biến Tần Đa Bậc Trang 3 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 đònh 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: Nghiên Cứu Kỹ Thuật Đa Điều Chế Cho Biến Tần Đa Bậc Trang 4 Hình 4. Sơ đồ tương đương của biến tần bậc 4 dạng diod kẹp Với công tắc n vò trí trên mỗi pha có: 1 1 0 = ∑ − = n j ij S với { } cbai ,, = (1) Nếu điệp áp phân bố trên các tụ điện là cân bằng thì: ∑ − = − = 1 1 1 n j ij DC io jS n V v với { } cbai ,, = (2) n: Bậc của biến tần Ví du: Dạng sóng điện áp ngõ ra của biến tần đa bậc dạng này với điện áp trên các tụ điện là cân bằng: Nghiên Cứu Kỹ Thuật Đa Điều Chế Cho Biến Tần Đa Bậc Trang 5 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 chòu đựng là V dc (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. Nghiên Cứu Kỹ Thuật Đa Điều Chế Cho Biến Tần Đa Bậc Trang 6 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 S Hi hoặc công tắc dưới S Li 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: Nghiên Cứu Kỹ Thuật Đa Điều Chế Cho Biến Tần Đa Bậc Trang 7 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 trò các tụ điện là cao dần từ tụ lớp trong cùng tới tụ lớp ngoài cùng. Ví dụ C f2 =2*C f1 . 1.2.3 Cascaded Inverter: Cascade multilevel inverter gồm nhiều cầu nghòch lưu đầy đủ một pha nối tiếp nhau, và mỗi cầu nghòch 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 Nghiên Cứu Kỹ Thuật Đa Điều Chế Cho Biến Tần Đa Bậc Trang 8 Đối với biến tần đa bậc có bậc chẳn thì phải thêm vào bộ nghòch 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 nghòch lư u vào. _ Biến tần dạng cascade lại cần nhiều nguồn dc độc lập trên mỗi bộ nghòch 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. Nghiên Cứu Kỹ Thuật Đa Điều Chế Cho Biến Tần Đa Bậc Trang 9 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 dòch 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 đònh 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 –V DC tới +V DC và một sóng điều chế hình sin được so sánh với mỗi sóng mang tam giác này để xác đònh 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: [...]... 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 Trang 11 Nghiên Cứu Kỹ Thuật Đa Điều Chế Cho Biến Tần Đa Bậc Hình 13 Space vector diagram of 3, 5 level inverter Trang 12 Nghiên Cứu Kỹ Thuật Đa Điều Chế Cho Biến Tần Đa Bậc 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_... 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 . level inverter Nghiên Cứu Kỹ Thuật Đa Điều Chế Cho Biến Tần Đa Bậc Trang 13 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_. 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 Nghiên Cứu Kỹ Thuật Đa Điều Chế Cho Biến Tần Đa Bậc Trang 2 1.2 CÁC LOẠI BIẾN. 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