điều khiển bộ nghịch lưu 3 pha 4 dây cho tải không cân bằng

Khái Niệm Bộ nghịch lưu áp cung cấp và điều khiển điện áp xoay chiều ở ngõ ra, nguồn điện áp một chiều có thể là: ắc quy, pin điện, điện áp xoay chiều được chỉnh lưu và lọc phẳng,… Linh

Chương 1: TỔNG QUAN BỘ NGHỊCH LƯU ÁP

I- GIỚI THIỆU

1 Khái Niệm

Bộ nghịch lưu áp cung cấp và điều khiển điện áp xoay chiều ở ngõ ra, nguồn điện áp một chiều có thể là: ắc quy, pin điện, điện áp xoay chiều được chỉnh lưu và lọc phẳng,…

Linh kiện trong bộ nghịch lưu áp có khả năng kích đóng, ngắt dòng qua nó Trong các ứng dụng nhỏ và vừa có thể sử dụng transistor BJT,

MOSFET, IGBT Ở phạm vi công suất lớn có thể dùng GTO, IGCT hoặc SCR kết hợp với bộ chuyển mạch

Với tải tổng quát, mỗi diode còn trang bị một diode mắc đối song để hạn chế điện áp phát sinh khi kích ngắt các công tắc

2 Phân loại:

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

- Theo số pha điện áp đầu ra : nghịch lưu áp 1 pha, 3 pha,…

- Theo số cấp giá trị điện áp giữa đầu pha tải đến một điểm điện thế chuẩn trên mạch có: hai bậc (two-level), đa bậc (Multi_level – từ 3 bậc trở lên)

- Theo cấu hình của bộ nghịch lưu: dạng cascade (cascade inverter), dạng nghịch lưu chứa diode kẹp NPC (Neutral Point Clamped Multilevel

Inverter),

- Theo phương pháp điều khiển:

+ Phương pháp điều rộng+ Phương pháp điều biên+ Phương pháp điều chế độ rộng xung (SH-PWM)+ Phương pháp điều chế độ rộng xung cải biến ( Modified PWM)

+ Phương pháp điều chế vector không gian (SVPWM – Carrier Based PWM)

II- CÁC DẠNG CẤU TRÚC CƠ BẢN

1 Cấu trúc dạng Cascade (Cascade inverter )

Hình 1.1 - Cascade inverter

Sử dụng các nguồn DC riêng, thích hợp trong trường hợp sử dụngnguồn DC có sẵn, ví dụ dưới dạng acquy, battery Cascade inverter gồmnhiều bộ nghịch lưu áp cầu một pha ghép nối tiếp, các bộ nghịch lưu áp dạngcầu một pha này có các nguồn DC riêng

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 chiềudương ( 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

Tần số đóng ngắt trong mỗi module của dạng mạch này có thể giảm đi

n lần và dv/dt cũng vậy Điện áp trên áp đặt lên các linh kiện giảm đi 0,57 lần, cho phép sử dụng IJBT điện áp thấp

Ngoài dạng mạch gồm các bộ nghịch lưu áp một pha, mạch nghịch áp

đa bậc còn có dạng ghép từ ngõ ra của các bộ nghịch lưu áp ba pha Cấu trúcnày cho phép giảm dv/dt và tần số đóng ngắt còn 1/3 Mạch cho phép sử dụng các cấu hình nghịch lưu áp ba pha chuẩn Mạch nghịch lưu đạt được sự cân bằng điện áp các nguồn DC, không tồn tại dòng cân bằng giữa các

module Tuy nhiên, cấu tạo mạch đòi hỏi sử dụng các máy biến áp ngõ ra

Hình 1.2 - Cascade inverter sử dụng bộ nghịch lưu áp ba pha

2 Cấu trúc nghịch lưu chứa cặp diode kẹp (Neutral Point Clamped

Multilevel Inverter – NPC )

Hình 1.3 : Neutral Point Clamped Multilevel Inverter – NPC

Sử dụng thích hợp khi các nguồn DC tạo nên từ hệ thống điện AC Bộ nghịch lưu đa bậc chứa các cặp diode kèm 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 có thể đạt được (n+ 1) giá trị khác nhau và từ đóbộ nghịch lưu được gọi là bộ nghịch lưu áp (n+ 1) bậc Ví dụ chọn mức điện thế 0 ở cuối dãi 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 (ví dụ H) nhờ cặp diode kẹp tại điểm đó (ví dụ D1, D1’).Để điện áp pha-nguồn

DC đạt được mức điện áp nêu trên (Ua0 = 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, các linh kiện còn lại phải được khoá theo nguyên tắc kích đối nghịch Như hình vẽ trên, tạo ra sáu mức điện áp pha – nguồn DC nên mạch lưu trên gọi là bộ nghịch lưu sáu bậc

Bộ nghịch lưu áp đa bậc dùng diode kẹp cải tiến dạng sóng điện áp tảivà 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

3 Cấu trúc dùng tụ điện thay đổi (Flying Capacitor Inverter)

Hình 1.4 - Flying Capacitor Inverter

Ưu điểm chính của ngịch 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

Nhược điểm :

+ Số lượng tụ công suất lớn tham gia trong mạch nhiều dẫn đến giá thành tăng và độ tin cậy giảm

+ Việc điều khiển sẽ khó khăn khi số bậc của nghịch lưu tăng cao

III- CÁC TRẠNG THÁI ĐÓNG NGẮT

1 Tổng quát

Xét bộ nghịch lưu áp n bậc dạng chứa cặp diode kẹp (NPC) Gọi U làđộ lớn điện áp trên mỗi tụ riêng lẻ Phụ thuộc độ lớn điện áp pha-nguồn DCcần thiết lập, các linh kiện bị kẹp giữa cặp diode nối đến một điện thế trênmạch DC cần thiết lập sẽ ở trạng thái kích Điện áp pha-tâm nguồn DC tínhtừ điểm đấu dây của pha tải đến một điện thế trên mạch DC

Trạng thái đóng ngắt của các khoá bán dẫn trên một nhánh tải của cácpha a, b, c phải thoả mãn điều kiện kích đối nghịch:

Khi kích đóng ngắt các linh kiện theo đúng nguyên tắc trên ta có đượcgiản đồ xung kích cho các khoá Tính toán tương tự bộ nghịch lưu áp ba phahai bậc ta có các điện áp pha tải: (nếu tải Y)

3

ta

u u u

tb

u u u

tc

u u u

u    (1.2)Và : NO ao 3bo co

u u u

u    (1.3)

2 Trạng thái đóng ngắt bộ nghịch lưu áp 3 bậc

Hình 1.5 - Bộ nghịch lưu 3 bậc

Xét bộ nghịch lưu áp ba bậc dạng chứa cặp diode kẹp như hình 1.5.

Gọi U là độ lớn điện áp trên mỗi tụ riêng lẻ phụ thuộc độ lớn điện áp pha.Các linh kiện kẹp giữa cặp diode nối đến một điện thế trên mạch DC cầnthiết lập sẽ ở trạng thái kích Điện áp pha-tâm nguồn DC đạt các giá trị chotrong bảng sau:

Hình 1.6 - Bộ nghịch lưu 5 bậc

Xét bộ nghịch lưu áp năm bậc dạng chứa cặp diode kẹp như hình 1.6.

Gọi Udc/4 là độ lớn điện áp trên mỗi tụ riêng lẻ Chọn điểm tâm nguồn DC

= 125 trạng thái đóng ngắt cho 3 pha

IV- NHẬN XÉT

Có thể điều khiển bộ nghịch lưu áp (điều khiển tín hiệu đóng ngắt lên các công tắc) bằng nhiều phương pháp, mỗi phương pháp có thể thích hợp với các loại tải khác nhau Bộ nghịch lưu áp đa bậc có phạm vi hoạt động chủ yếu đối với tải công suất lớn Do đó vấn đề giảm bớt tần số đóng ngắt và giảm shock điện áp trên linh kiện công suất có ý nghĩa quan trọng Các thuật toán cố gắn thực hiện duy trì trạng thái cân bằng các nguồn điện áp DC

và khử bỏ hiện tượng common – mode voltage, nguyên nhân gây ra một số hiện tượng làm sớm lão hoá động cơ.

Các chương sau sẽ trình bày cụ thể các phương pháp điều khiển thông dụng

Chương 2: ĐIỀU KHIỂN BỘ NGHICH LƯU ÁP ĐA BẬC VỚI NGUỒN

DC CÂN BẰNG - PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHẾ ĐỘ RỘNG XUNG

I- GIỚI THIỆU:

Phương pháp còn có tên Subharmonic PWM (SH-PWM), Multilevel

carrier based PWM Để thực hiện tạo giản đồ kích đóng các linh kiện trong

cùng một pha tải, ta sử dụng một số sóng mang (dạng tam giác) và một tínhiệu điều khiển (dạng sin) Đối với bộ nghịch lưu áp n bậc, số sóng mangđược 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 chung quanh trục tâm của hệ thống (n-1) sóng

mang Nếu sóng điều khiển lớn hơn sóng mang nào đó thì linh kiện tươngứng sóng mang đó sẽ được kích đóng, trong trường hợp sóng điều khiển nhỏhơn sóng mang tương ứng của nó, linh kiện trên sẽ bị khoá kích.

Đối với bộ nghịch lưu áp đa bậc, chỉ số biên độ ma và chỉ số tần số mf

được định nghĩa như sau:

(2.1)

Tỉ số điều chế m được định nghĩa:

3 /

Trong đó: U1m – Biên độ hài bậc 1 của phương pháp điều chế

Ud – Điện áp tổng các nguồn DC

Các dạng sóng mang dùng trong kỹ thuật điều chế PWM:

Các sóng mang dạng tam giác có tần số cao Có thể chia thành ba loại như sau:

1 Bố trí cùng pha (PD: In Phase Disposition): Tất cả các sóng mang

đều cùng pha nhau

Hình 2.1 - Dạng sóng PD

2 Hai sóng mang kế cận liên tiếp nhau sẽ bị dịch 180 độ – gọi là

APOD (Alternative Phase Opposition Disposition)

m

c f

c

m a

f

f m

A n

A m

Hình 2.2 - Dạng sóng APOD

3 Bố trí đối xứng qua trục zero (POD – Phase opposition Disposition)

Tất cả các sóng mang nằm trên trục 0 sẽ cùng pha nhau và tất cả các sóng mang nằm dưới trục 0 sẽ dịch đi 180 độ:

Hình 2.3 - Dạng sóng POD

Trong các phương pháp bố trí sóng mang, phương pháp bố trí các sóng mang đa bậc cùng pha cho độ méo dạng áp dây nhỏ nhất Riêng đối vớibộ nghịch lưu áp 3 bậc, phương pháp POD và APOD cho cùng kết quả Trongcác phần mô phỏng sau chỉ sử dụng sóng mang tam giác PD

I- MÔ PHỎNG BỘ NGHỊCH LƯU ÁP BA BẬC

1 Phân tích tạo xung kích

Xét bộ nghịch lưu áp 3 bậc có diode kềm:

Hình 2.4 - Ngịch lưu ba bậc cấu trúc diode kẹp NPC

Chỉ cần phân tích một trong 3 pha mà thôi Chẳng hạn xét pha a, xung kích cho các linh kiện Sa1, Sa2, Sa3, Sa4 được thiết lập trên cơ sở so sánh sóng điều khiển ura của pha a với sóng mang up1 (đối với xung kích cho cặp Sa1 và

Sa3 ) và up2 (đối với xung kích cho cặp Sa2 và Sa4) Cụ thể là :

) 1

; 0 (

) 0

; 1 (

) 1

; 0 (

) 0

; 1 (

4 2

2

4 2

2

3 1

1

3 1

p ra

a a

p ra

a a

p ra

a a

p ra

S S

u u

S S

u u

S S

u u

S S

u u

(2.2)Từ giản đồ thiết lập trên, điện áp pha – tâm nguồn DC được xác định :

2 /

) 1 (

0

) 1 (

2 /

4 3

3 2

2 1

a a

a a

a a ao

S S U

S S

S S U

Như vậy hoàn toàn xác định được điện áp pha – tâm nguồn DC Từ đócó thể dễ dàng tính được các điện áp pha tải như đã trình bày ở công thức (1.2)

2 Mô phỏng (bằng chương trình Psim)

Sơ đồ mô phỏng:

Hình 2.5 - Mô phỏng Bộ Biến Tần 3 level Phương Pháp SH-PWM

Trong đó sóng điều khiển có tần số 50Hz, tỉ số điều chế m=0,8 Sóng mang tam giác PD 1000Hz các nguồn DC cân bằng có tổng điện áp 400V Tải RL: R=1 , L=0.02H Còn lại trên sơ đồ là các đồng hồ đo

3 Các kết quả thu được

Hình 2.6 - Điện áp điều khiển và sóng mang tam giác PD

Hình 2.7 - Điện áp pha – tâm nguồn DC pha A

Hình 2.8 - Điện áp pha-Tâm nguồn DC 3 pha

Hình 2.9 - Điện áp pha tải A

Hình 2.10 - Điện áp tải pha A,B,C

Hình 2.11 - Dòng pha A

Hình 2.12 - Dòng tải pha A,B,C

4 Nhận xét

- Điện áp pha – tâm nguồn DC có 3 mức điện áp khác nhau là

200,0,-200 ứng với VDC=400v theo phương trình (2.3) đã phân tích ở trên

- Điện áp tải tồn tại hài bậc cao khá nhiều

- Dòng tải xác lập gần sin, ban đầu dao động lớn là do quá độ

III- MÔ PHỎNG BỘ NGHỊCH LƯU ÁP 5 BẬC

1 Phân tích tạo xung kích

Hình 2.13 - Bộ nghịch lưu áp 5 level Dạng có Diod kềm

Chỉ cần phân tích một trong 3 pha mà thôi Chẳng hạn xét pha a, xungkích cho các linh kiện S1, S2, S3, S4, S1’, S2’, S3’, S4’ được thiết lập trên cơ sở sosánh sóng điều khiển ura của pha a với sóng mang up1 (đối với xung kích chocặp S1 và S1’), up2 (đối với xung kích cho cặp S2 và S2’), up3 (đối với xung kíchcho cập S3 và S3’), up4 (đối với xung kích cho cập S4 và S4’) Cụ thể là :

) 1

; 0 (

) 0

; 1 (

) 1

; 0 (

) 0

; 1 (

' 2 2 2

' 2 2 2

' 1 1 1

' 1 1 1

u

S S u

u

S S u

u

S S u

u

p ra

p ra

p ra

p ra

) 1

; 0 (

) 0

; 1 (

) 1

; 0 (

) 0

; 1 (

' 4 4 4

' 4 4 4

' 3 3 3

' 3 3 3

u

S S u

u

S S u

u

S S u

u

p ra

p ra

p ra

p ra

(2.4)Từ giản đồ thiết lập trên, điện áp pha – tâm nguồn DC được xác định:

4 / 0

4 /

2 /

U U

U U

u ao (2.5)

Như vậy hoàn toàn xác định được điện áp pha – tâm nguồn DC Từ đócó thể dễ dàng tính được các điện áp pha tải như đã trình bày ở công thức (1.2)

2 Mô phỏng (bằng chương trình Psim)

Sơ đồ mô phỏng:

Hình 2.14 - Sơ đồ mô phỏng nghịch lưu 5 level phương pháp SHPWM

Trong đó sóng điều khiển có tần số 50Hz, tỉ số điều chế m=0,8 Sóng mang tam giác PD 2000Hz Các nguồn DC cân bằng có tổng điện áp 400V Tải RL: R=1 , L=0.02H Còn lại trên sơ đồ là các đồng hồ đo

3 Các kết quả thu được

Hình 2.15 - Điện áp điều khiển ba pha và sóng mang tam giác PD

Hình 2.16 - Điện áp pha – tâm nguồn DC pha A

Hình 2.17 - Điện áp pha -Tâm nguồn DC pha A,B,C

Hình 2.18 - Điện áp tải pha A

Hình 2.19 - Điện áp tải pha A,B,C

Hình 2.20 - Dòng tải pha A

Hình 2.21 - Dòng tải pha A,B,C

- Đoạn đầu của dòng tải méo dạng lớn là do quá độ, chưa xác lập

IV- MÔ PHỎNG BỘ NGHỊCH LƯU ÁP 7 BẬC

1 Phân tích tạo xung kích

Với phân tích tương tự 3 bậc và 5 bậc, ta tiến hành mô phỏng trên Psim

2 Mô phỏng (bằng chương trình Psim)

Sơ đồ mô phỏng (bản vẽ A3) Trong đó sóng điều khiển có tần số 50Hz, tỉ số điều chế m=0,8 Sóng mang tam giác PD 5000Hz Các nguồn DCcân bằng có tổng điện áp 400V Tải RL: R=1 , L=0.02H Còn lại trên sơ đồlà các đồng hồ đo

3 Các kết quả thu được

Hình 2.22 - Điện áp điều khiển và sóng mang tam giác PD

Hình 2.23 - Điện áp pha – tâm nguồn DC pha A

Hình 2.24 - Điện áp pha – tâm nguồn DC pha A,B,C

Hình 2.25 - Điện áp tải pha A

Hình 2.26 - Điện áp tải 3 pha

Hình 2.27 - Dòng tải pha A

Hình 2.28 - Dòng tải ba pha

- Đoạn đầu của dòng tải méo dạng lớn là do quá độ, chưa xác lập

V MÔ PHỎNG BỘ NGHỊCH LƯU ÁP 9 BẬC

1 Phân tích tạo xung kích

Với phân tích tương tự, ta tiến hành mô phỏng trên Psim

2 Mô phỏng (bằng chương trình Psim)

Sơ đồ mô phỏng (bản vẽ A3) Trong đó sóng điều khiển có tần số 50Hz, tỉ số điều chế m=0,8 Sóng mang tam giác PD 5000Hz Các nguồn DCcân bằng có tổng điện áp 400V Tải RL: R=1 , L=0.02H Còn lại trên sơ đồlà các đồng hồ đo

3 Các kết quả thu được

Hình 2.29 - Sóng điện áp điều khiển và sóng mang tam giác PD

Hình 2.30 - Điện áp pha – tâm nguồn DC pha A

Hình 2.31 - Điện áp pha – tâm nguồn DC pha A,B,C

Hình 2.32 - Điện áp tải pha A

Hình 2.33 - Điện áp tải 3 pha

4 Nhận xét

Bộ nghịch lưu với bậc càng cao ta càng có đáp ứng áp, dòng tải càng nhuyễn và ít méo dạng hơn, với tần số sóng mang tăng thì sự méo dạng giảmtuy nhiên số lần chuyển mạch cũng tăng và gây tổn thất, với các tỉ số điều

chế m khác nhau ta cũng có sự sai khác về độ méo dạng do đó trong điều

khiển các bộ nghịch lưu cần điều chỉnh các thông số này sao cho đạt được hiệu suất cao nhất Với tải không cần yêu cầu cao đáp ứng áp ta có thể sử dụng các bộ nghịch lưu bậc thấp, với tải cần đáp ứng cao về thành phần hài, bộ nghịch lưu bậc cao được đề cập với các đáp ứng kỹ thuật cao hơn

Chương 3: ĐIỀU KHIỂN BỘ NGHICH LƯU ÁP ĐA BẬC VỚI NGUỒN

DC CÂN BẰNG - PHƯƠNG PHÁP PWM CẢI BIẾN (SF0-PWM)

I GIỚI THIỆU

Điểm khác biệt so với phương pháp điều chế độ rộng xung đã trìnhbày là sóng điều chế (điện áp điều khiển) được cải biến Theo đó mỗi sóngđiều chế được cộng thêm tín hiệu thứ tự không (sóng hài bội ba) Tồn tạinhiều khả năng tạo nên thành phần thứ tự không, một trong các tín hiệu thứtự không có thể chọn bằng giá trị trung bình của giá trị tín hiệu lớn nhấttrong ba tín hiệu điều chế với tín hiệu nhỏ nhất trong ba tín hiệu điều chế -Phương pháp SFO- PWM

Gọi Va, Vb, Vc là các tín hiệu điều khiển của phương pháp điều chếPWM Tín hiệu điều khiển theo phương pháp SFO-PWM vừa được mô tả cóthể biểu diễn dưới dạng toán học như sau:

c b a x

V V V

V V V V

V V V

offset x

xSFO

c b a c

b a offset

, ,

2

) , , min(

) , , max(

II- MÔ PHỎNG CHO BỘ NGHỊCH LƯU ÁP 5 BẬC

1 Phân tích mô phỏng

Với sự phân tích lý thuyết ở trên, kết hợp phần mềm Psim để mô phỏng Tuy nhiên, trong thư viện hàm của Psim không có khối tạo ra Voffset

như đã mô tả Vì vậy, để tạo được Voffset ta phải sử dụng khối hàm DLL

(dynamic link library) trong Psim Đầu tiên viết chương trình bằng ngôn ngữ

C/C++ sau đó dịch sang file DLL bằng Microsoft C/C++ hoặc Borland C++,

chép file DLL vào trong thư mục Psim Trong Psim ta dùng khối hàm DLL

để thực hiện mô phỏng

Chương trình tạo V offset được viết trong Microsofl visual C++ 6.0 như

Kết quả ta có tín hiệu phía output lần lượt là max, Voffset , min của 3 sóng điều khiển, từ (3.1) ta tính được VxSFO

2 Mô phỏng

Sơ đồ mô phỏng (bản vẽ A3) Trong đó sóng điều khiển có tần số 50Hz, tỉ số điều chế m=0,8 Sóng mang tam giác PD 2000Hz Các nguồn DCcân bằng có tổng điện áp 400V Tải RL: R=1 , L=0.02H Còn lại trên sơ đồlà các đồng hồ đo

3 Các kết quả thu được

Hình 3.1 - Điện áp điều khiển ban đầu

Hình 3.2 - Điện áp điều khiển Max, Min và V offset

Hình 3.3 - Sóng V aSFO và sóng tam giác PD

Hình 3.4 - Điện áp điều khiển SFO 3 pha và sóng mang PD

Hình 3.5 - điện áp pha – tâm nguồn DC pha A

Hình 3.6 - Điện áp pha – tâm nguồn pha A,B,C

Hình 3.7 - Điện áp tải pha A

Hình 3.8 - Điện áp tải 3 pha A,B,C

Hình 3.9 - Dòng điện pha A

Hình 3.10 - Dòng tải ba pha

4 Nhận xét

Với phương pháp SFO-PWM ta có đáp ứng tải tương tự như phương pháp SH-PWM, hài bậc cao nhỏ hơn chút ít và tổn thất chuyển mạch của cáccông tắc cũng thấp hơn do giảm bớt thành phần thứ tự không

Chương 4: ĐIỀU KHIỂN BỘ NGHỊCH LƯU VỚI NGUỒN DC CÂN

BẰNG - PHƯƠNG PHÁP VECTOR KHÔNG GIAN

I- KHÁI NIỆM VECTOR KHÔNG GIAN

Ta giả sử cho đại lượng 3 pha v a,v b,v c cân bằng, thoả hệ thức:

.( 2 )

c b

v k

v   (4.2)Trong đó : a e j2 / 3 12 j 23







  (4.3)Phép biến hình thực hiện như trên được gọi là phép biến hình vector không gian và đại lượng v được gọi là vector không gian của đại lượng ba pha

Hằng số k có thể chọn với các giá trị khác nhau Với k = 2/3 ta có phépbiến hình không bảo toàn công suất Với k = 2 / 3 phép biến hình bảo toàncông suất

Để minh hoạ cụ thể cho khái niệm này ta xét các đại lượng ba phadạng cosin như sau:

) 3

4 cos(

.

) 3

2 cos(

.

) cos(

c

o m

b

o m

a

x V

v

x V

v

x V

) 3

2 cos(

) cos(

3

V  sẽ quay quanh trục toạ độ với tần số góc 

II- VECTOR KHÔNG GIAN CỦA BỘ NGHỊCH LƯU ÁP ĐA BẬCQuá 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 dạngvector 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 kinh kiện

1 Giản đồ vector điện áp bộ nghịch lưu ba bậc

Như đã biết, khả năng điều khiển kích dẫn linh kiện tạo nên 27 trạngthái khác nhau Ta xét mỗi trạng thái minh hoạ bởi tổ hợp (ka kb kc), với:

2 , 1 , 0

2 , 1 , 0

2 , 1 , 0







c b a

k k

k

(4.5)

Và ka, kb, kc là hệ số trạng thái tương ứng của các pha a, b, c Các hệsố này phụ thuộc vào cách quy ước trước, giả sử quy ước như sau (sự quy ướcnày dựa vào bảng trạng thái đóng ngắt):

1 1

1 0

2 1

' 2 1

' 2

' 1

a a

a a

a a a

S S

S S

S S khi

1 1

1 0

2 1

' 2 1

' 2

' 1

b b

b b

b b b

S S

S S

S S khi

1 1

1 0

2 1

' 2 1

' 2

' 1

c c

c c

c c c

S S

S S

S S khi k

Trong quá trình kích, quy luật đóng ngắt đối nghịch phải tuân thủ: ' 11

1 1

' 2 2

x x

S S

S S

(4.7)Với x = a, b, c

Ví dụ như : Trạng thái (000) là ' 1

vector không tại tâm của hình lục giác (hình 4.1) Đối với các vector nằm tại

đỉnh các hình lục giác bên trong, tồn tại hai trạng thái kích dẫn khác nhau của linh kiện nhưng lại có cùng chung vị trí vector không gian Ngoài ra, tồn tại ba trạng thái kích dẫn khác nhau cho cùng vị trí vector không

200 210

220 120 020

122 011 112

001 101212





Hình 4.1 - Giản đồ vector điện áp bộ nghịch lưu áp 3 bậc

2 Giản đồ vector điện áp bộ nghịch lưu năm bậc

Với bộ nghịch lưu năm bậc, khả năng điều khiển kích dẫn linh kiện tạonên 125 trạng thái khác nhau Ta xét mỗi trạng thái minh hoạ bởi tổ hợp (ka

kb kc), với:

2 , 1 , 0 , 1 , 2

2 , 1 , 0 , 1 , 2

2 , 1 , 0 , 1 , 2

k k

k

(4.8)

Các hệ số trạng thái ka, kb, kc phụ thuộc vào cách quy ước trước Tatiến hành quy ước như sau: (sự quy ước này dựa vào bảng trạng thái đóngngắt)

1 1

1 0

1 1

1 2

' 4

' 3

' 2

' 1

' 4

' 3

' 2 1

' 4

' 3 2 1

' 4 3 2 1

4 3 2 1

a a a a

a a a a

a a a a

a a a a

a a a a

a

S S S S

S S S S

S S S S

S S S S

S S S S khi

1 1

1 0

1 1

1 2

' 4

' 3

' 2

' 1

' 4

' 3

' 2 1

' 4

' 3 2 1

' 4 3 2 1

4 3 2 1

b b b b

b b b b

b b b b

b b b b

b b b b

b

S S S S

S S S S

S S S S

S S S S

S S S S khi

1 1

1 0

1 1

1 2

' 4

' 3

' 2

' 1

' 4

' 3

' 2 1

' 4

' 3 2 1

' 4 3 2 1

4 3 2 1

c c c c

c c c c

c c c c

c c c c

c c c c

c

S S S S

S S S S

S S S S

S S S S

S S S S khi k

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

' 11

2 2

' 1 1

x x

S S

S S

; ' 11

4 4

' 3 3

x x

S S

S S

(4.10)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 hình 4.2:

200 210

220 120 020

000

222 211

221 121

00-1 -1-1-2 -10-1 -2-1-2

100 -2-1-1

-1-10 -2-2-1 -1-2-10-10

-111 -200

-110 -20-1

-20-2 -11-1 -10-201-1 00-211-1

0-1-2 10-1

111 0-2-2

0-2-1 1-10 0-20 1-11 -1-20 0-11 -1-11 -2-20

-210 -101

-1-210-12 0-211-12

1-21 2-12

2-11 1-20

-2-21 -1-12 -2-11 -102 -201

-211 -122 -210-121

-120 -21-1

-21-2-12-1

-11-2 02-1 01-212-1 22-111-2

10-2

1-1-2 20-1

1-2-2 2-1-1 1-2-1 2-10 2-2-2 2-1-2 20-2 21-2

22-2 12-2 02-2 -12-2 -22-2

Hình 4.2 - Giản đồ vector điện áp Bộ nghịch lưu năm bậc

III- PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHẾ

Ý tưởng của phương pháp điều chế vectơ không gian là tạo nên sự dịch

chuyển liên tục của vectơ không gian tương ứng trên quĩ đạo đường tròn của vectơ điện áp bộ nghịch lưu, tương tự như trường hợp của vectơ không gian của đại lượng sin ba pha tạo được Với sự dịch chuyển đều đặn của vectơ không gian trên quĩ đạo tròn, các sóng hài bậc cao được loại bỏ và quan hệ giữa tín hiệu điều khiển và biên độ áp ra trở nên tuyến tính Vectơ tương đương ở đây chính là vectơ trung bình trong thời gian một chu kì lấy mẫu Ts

của quá trình điều khiển bộ nghịch lưu áp

Nguyên lý điều chế vectơ không gian đối với bộ nghịch lưu áp đa bậc được thực hiện tương tự như ở nghịch lưu hai bậc Để tạo vectơ trung bình tương ứng vectơ v cho trước cần xem xét vectơ v nằm vị trí nào của hình lục giác Để thuận tiện, thông thường diện tích hình lục giác được chia nhỏ thành các hình tam giác con Ví dụ, góc phần tư thứ nhất của hình lục giác giới hạn bỡi ba vectơ v0 , v2 và v5 được chia nhỏ thành các diện tích (1), (2), (3), và (4) như hình vẽ :

Hình 4.3 - Góc phần tư được giới hạn bởi v0, v2 và v5

Vectơ v đang khảo sát cần điều khiển để đạt được có vị trí nằm trên phần diện tích (2)

Bước tiếp theo, ta xác định các vectơ không gian cần thiết – còn gọi là các vectơ cơ bản, cần sử dụng để tạo nên vectơ trung bình nằm trong diện tích (2) Ta nhận thấy đó chính là các vectơ v1, v2 và v3 Như vậy vectơ tương đương với vectơ v có thể thực hiện bằng cách điều khiển duy trì tác

dụng theo trình tự vectơ v1 trong thời gian T1, vectơ v2 trong thời gian T2 và vectơ v3 trong thời gian T3 theo hệ thức :

v.Ts = v1T1 + v2.T2 + v3.T3

Trong đó T = T1 + T2 + T3 là chu kỳ lấy mẫu

Vấn đề còn lại là xác định thời gian tác dụng T1 , T2 và T3 của các vectơ cơ bản Nếu ta biết được vectơ v dưới dạng các thành phần vuông góc

4

thành phần vectơ v, v với thời gian duy trì trạng thái vectơ v1, v2 và v3có thể biểu diễn dưới dạng ma trận sau :

1 1 1 1

T T v v v v v v T v v

1 1 1

1 3 2 1

3 2 1

3 2 1

v v

v v v T T

1 3 2 1

3 2 1

3 2 1

v v

v v v d

d d

Áp dụng cụ thể vào bốn diện tích trong trong phần sáu thứ nhất của hình lục giác, chú ý đến vectơ cơ bản trong mỗi diện tích trên, ta thu được kết quả :

Trong diện tích (1), vector cơ bản v0, v1 và v4 :

d1 = dv3 = 2 - ma(sin + 3cos)

d2 = dv4 = -1 + 2masin

d3 = dv5 = ma(-sin + 3cos)Nếu vectơ nằm ở góc phần sáu thứ i so với góc phần sáu thứ nhất của hình lục giác tính từ vị trí trực thực , ta có thể qui đổi nó về góc phần sáu thứ nhất để xác định thời gian tác động của các vectơ cơ bản theo hệ thức :

i

i i

v

v

, ,

3 ) 1 cos(

3 ) 1 sin(

3 ) 1 sin(

3 ) 1 cos(

Thành lập giản đồ kích dẫn các linh kiện bộ nghịch lưu áp ba bậc dạng

diode kẹp như hình vẽ (hình 4.4), áp dụng cho góc phần sáu thứ nhất của

hình lục giác Chú ý do trạng thái kích dẫn các linh kiện trên cùng nhánh phatải cho bỡi qui luật đối nghịch nên trên giản đồ chỉ cần trình bày trạng thái của Sx1 và Sx2 , x = a, b, c Từ giản đồ ta thấy các trạng thái kích dẫn tương ứng ba vectơ cơ bản v1, v3 và v4

Thời gian kích dẫn của các vectơ này có thể suy ra từ biểu thức tính toán T1 , T2 , T3 hoặc trên kỹ thuật điều chế độ rộng xung dựa vào sóng mang

như trên hình 4.4:

Hình 4.4 - Giản đồ kích dẫn linh kiện trong bộ nghịch lưu áp 3 bậc.

IV- MÔ PHỎNG ĐIỀU CHẾ VECTOR KHÔNG GIAN DÙNG SÓNG MANG

1 Giới thiệu

Dựa trên cơ sở lý thuyết phân tích tương quan giữa SVPWM và sóng

mang đơn cực (carrier based unipolar PWM ), phương pháp điều chế vector

không gian dùng sóng mang thực chất là tạo ra một sóng điều chế có nhiều

ưu điểm hơn so với các sóng điều chế cũ Sóng điều chế này được tạo ra theomô hình giải thuật sau:

Hình 4.5 - Giải thuật chính của sóng điều chế

PWM r rx

2 Khối tạo tín hiệu tích cực

Trong sơ đồ hình 4.5, tham số K có thể chọn giá trị 0 hoặc 1 Khi K=0,

ta có chế độ điều chế dưới mở rộng (undermodulation), tức là chế độ 0<m<1 Khi K=1, ta có chế độ điều chế mở rộng (overmodulation), tức là m>1.

Quá trình điều chỉnh thường được thực hiện trong khối bù tuyến tính

(linear compensation block) với việc sử dụng bảng dò tìm (look-up table)

Điều đó là một hạn chế rất lớn của phương pháp cổ điển Để khắc phục hạn chế đó, các phần sau đây sẽ giới thiệu một phương pháp dựa theo nguyên lý

điều khiển giữa hai giới hạn quỹ đạo (control principle between two limit

trajectories).

a) Điều Chế Dưới Mở Rộng (Undermodulation) (0<m<1)

Các giá trị như m (tỉ số điều chế) và góc pha  sẽ được nhập vào (đó làcác giá trị yêu cầu) Với bộ nghịch lưu áp n bậc thì sóng điều chế Vrx12 tínhtheo công thức sau:

rx12 rx12 ,m ( 31) x

f n m v

Trong đó fx được định nghĩa là hàm của góc pha  Với ba pha a, b, c

ta có:

f a  cos(  );f b  cos(   2  3 ); f c  cos(   2  3 ) (4.13)

Ta có thể thấy, thật ra v rx12 là hàm cos với góc pha là 

b) Điều Chế Ngoài Mở Rộng (Overmodulation) (m>1)

Ở chế độ mở rộng này, chia thành 2 kiểu (mode): kiểu 1 (mode 1) có (1<m<mmid) kiểu 2 (mode 2) có mmid<m<1,1 Trong đó mmid = 1.055.

Đặt v rx 12 m, 1 và v rx 12 m, 2, xa,b,c là hai giới hạn của tín hiệu tích cực,ứng với chỉ số điều chế là m1 và m2 Tín hiệu tích cực v rx12,m là tín hiệu yêucầu với m 1  m  m 2, được thể hiện qua công thức sau:

v rx12 ,m  ( 1  m)v rx12 ,m1  m v rx12 ,m2 ;

1 2

1

m m

m m

Với fx cho bởi (4.17)

c Khi m = mmid , 1 m mid  1 1Tín hiệu tích cực v rx12,m tính bởi công thức:

min min

min min

,

P rf for

P

P rf P for rf

P rf for

P v

x

x x

x m

) sgn(

) 1 ( 5 0

1 1 , 1 1 , 1 1 , 1

1 , 1 1 , 12

1 1 ,

rb m

ra m

rx m

rx

x m

rx

v v

v v

v

f n

v

(4.19)Với fx cho bởi (4.13)

Tóm lại

Qua sự phân tích cụ thể ở hai mục trên, ở mục này giới thiệu giải thuật

tổng quát cho toàn khối tạo tín hiệu tích cực (Active Signal Generator) Nếu

chọn điều chế dưới mở rộng (K=0) thì tín hiệu Vrx12 tính theo (2.33) và (2.34) Khi chọn chế độ điều chế mở rộng (K=1) thì cần quan tâm đến hai

mode điều chế, mode 1 và mode 2 Sơ đồ hình 4.6:

Hình 4.6 - Giải thuật cho điều chế 2 Mode

Tham số M là tham số để chọn mode Nếu M=0 tức là chọn mode 1, ngược lại nếu M=1 tức là chọn mode 2 Chú ý tới các khối tạo giá trị tín hiệugiới hạn Ta thấy có 3 giới hạn cần tính Các giá trị đó đã giới thiệu cụ thể ở

mục 2 Tuy nhiên, sơ đồ sau sẽ giúp hiểu rõ hơn phần giải thuật (Hình 4.7)

Hình 4.7 - Thuật toán cho điều chế 2 Mode

3 Khối Tạo Hàm Offset (Offset Generator)

Ngoài tín hiệu V rx12 được nhập ở đầu vào, ta còn phải quan tâm đến PWM mode và Vro,ref Đó là các giá trị nhập bên ngoài vào phụ thuộc từng yêu cầu khác nhau (còn gọi là các giá trị yêu cầu)

a) Hàm Max, Mid, Min, Interger:

Các hàm lần lượt được định nghĩa như sau:

) , , (

) , , min(

) , , max(

rc rb ra

rc rb ra

rc rb ra

v v v mid Mid

v v v Min

v v v Max