CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN BỘ NGHỊCH LƯU ÁP

Điện tử công suất 5.3 CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN BỘ NGHỊCH LƯU ÁP Các nghòch lưu áp thường điều khiển dựa theo kỹ thuật điều chế độ rộng xung PWM (Pulse Width Modulation) qui tắc kích đóng đối nghòch Qui tắc kích đóng đối nghòch đảm bảo dạng áp tải điều khiển tuân theo giản đồ kích đóng công tắc kỹ thuật điều chế độ rộng xung có tác dụng hạn chế tối đa ảnh hưởng bất lợi sóng hài bậc cao xuất phía tải Phụ thuộc vào phương pháp thiết lập giản đồ kích đóng công tắc nghòch lưu áp, ta phân biệt dạng điều chế độ rộng xung khác Một số tiêu đánh giá kỹ thuật PWM nghòch lưu Chỉ số điều chế (Modulation index) m: đươc đònh nghóa tỉ số biên độ thành phần hài tạo nên phương pháp điều khiển biên độ thành phần hài đạt phương pháp điều khiển bước m= u (1)m u(1)m− six _ step = u (1)m Vd (5.31) π Trò hiệu dụng thành phần phần sóng hài bậc cao dòng điện: I hRMS = T T ∫ [i ( t ) − i ( t ) ] dt (5.32) Đại lượng IhRMS phụ thuộc vào phương pháp PWM mà vào thông số tải Để đánh giá chất lượng PWM không phụ thuộc vào tải, ta sử dụng đại lượng độ méo dạng dòng điện sau: I hRMS = I1 I1 ∞ ∑I n =2 n (5.33) Giả sử tải xoay chiều gồm sức điện động cảm ứng cảm kháng tản mắc nối tiếp, độ méo dạng dòng điện viết lại dạng: I hRMS = I1 I1 ∞ ∑I n =2 n ω L = σ U1 ⎛ Un ⎞ ⎜⎜ ⎟⎟ = ∑ U1 n = ⎝ n.ω1 L σ ⎠ ∞ ⎛Un ⎞ ⎜ ⎟ ∑ n =2 ⎝ n ⎠ ∞ (5.34) Kết đạt không phụ thuộc vào tham số tải Khi sử dụng phương pháp điều khiển bước, độ méo dạng dòng điện xác đònh giá trò sau: I hRMS _ sixstep I1 = ,0464 (5.35) Để so sánh phương pháp PWM, sử dụng độ méo dạng chuẩn hóa theo phương pháp bước, lúc hệ số méo dạng dòng điện qui chuẩn cho hệ thức: d = I hRMS I hRMS _ Sixstep (5.36) Với phương pháp điều chế bước, hệ số méo dạng dòng điện Nếu sử dụng phương pháp điều chế vector không gian, hệ số méo dạng tính theo tích phân tích vô hướng vector sau đây: 5-11 Điện tử công suất I hRMS = T [∫ ir( t ) − ir ( t ) ][ ir( t ) − ir ( t ) ]* dt T 1 (5.37) Từ đó, áp dụng công thức tính hệ số méo dạng d Để đánh giá ảnh hưởng sóng hài phương pháp PWM, ta sử dụng tham số phổ sóng hài dòng điện Nếu sử dụng phương pháp điều chế đồng với tần số kích đóng linh kiện fs số nguyên lần (N) tần số sóng hài f1 (tức fs=N.f1), hệ số sóng hài bậc k qui chuẩn, tính qui đổi theo phương pháp bước cho hệ thức: h( k f1 ) = I hRMS ( k f1 ) I hRMS _ Sixstep (5.38) Hệ số sóng hài không phụ thuộc vào tham số tải Hệ số méo dạng biểu diễn qua hệ số sóng hài sau: d = ∑h k ≠1 ( k f1 ) (5.39) Nếu sử dụng kỹ thuật PWM không đồng bộ, ta phân tích Fourier phổ dòng điện theo biến tần số rời rạc mà sóng hài dòng điện xuất theo biến tần số liên tục Trường hợp này, ta sử dụng khái niệm phổ mật độ dòng điện theo hệ thức: d = ∞ ∫h d ( f ).df (5.40) ,f ≠f1 Tần số đóng ngắt công suất tổn hao đóng ngắt: Công suất tổn hao xuất linh kiện bao gồm hai thành phần: tổn hao công suất linh kiện trạng thái dẫn điện Pon tổn hao công suất động Pdyn Tổn hao công suất Pdyn tăng lên tần số đóng ngắt linh kiện tăng lên Tần số đóng ngắt linh kiện tăng lên tùy ý lý sau: - công suất tổn hao linh kiện tăng lên tỉ lệ với tần số đóng ngắt - linh kiện công suất lớn thường gây công suất tổn hao đóng ngắt lớn Do đó, tần số kích đóng phải giảm cho phù hợp, ví dụ linh kiện GTO công suất MW đóng ngắt tần số khoảng 100Hz - Các qui đònh tương thích điện từ (Electromagnet Compatibility-EMC) qui đònh nghiêm ngặt biến đổi công suất đóng ngắt với tần số cao 9kHz 5.3.1 PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN THEO BIÊN ĐỘ Phương pháp gọi tắt phương pháp điều biên Khác với phương pháp sử dụng kỹ thuật điều chế độ rộng xung (PWM) cần nguồn áp dc không đổi, phương pháp điều biên đòi hỏi điện áp nguồn dc điều khiển Độ lớn điện áp điều khiển cách điều khiển nguồn điện áp DC Chẳng hạn sử dụng chỉnh lưu có điều khiển kết hợp chỉnh lưu không điều khiển biến đổi điện áp DC Bộ nghòch lưu áp thực chức điều khiển tần số điện áp Các công tắc cặp công tắc pha tải kích đóng với thời gian nửa chu kỳ áp Mạch điều khiển kích đóng công tắc nghòch lưu áp đơn giản Bộ nghòch lưu áp ba pha điều khiển theo biên độ gọi nghòch lưu áp bước ( six-step voltage inverter) Tần số áp tần số đóng ngắt linh kiện Các 5-12 Điện tử công suất thành phần sóng hài bội ba bậc chẵn không xuất áp dây cung cấp cho tải Còn lại sóng hài bậc (6k ± 1), k=1,2,3… cần khử bỏ biện pháp lọc sóng hài dạng: Tải đấu dạng sao: Dạng điện áp pha tải- ví dụ ut1 (xem đồ thò ut1 hình H5.7b) biểu diễn dùi 1 (5.41) U (sinωt + sin 5ωt + sin 7ωt + .) π Biên độ thành phần sóng hài bậc n điện áp pha tải xác đònh theo hệ thức: 2U ⎡ nπ ⎤ nπ ; n=1,5,7,11,13,… (5.42) ) + cos( ) − cos( U (n ) = ⎢ 3nπ ⎣ 3 ⎥⎦ ut1 (t ) = Với n=1, biên độ thành phần hài bản: U t1(1)m = π U (5.43) Trò hiệu dụng điện áp pha có độ lớn: ⎧ ⎪1 Ut = ⎨ ⎪π ⎩ 2π ⎡π ⎤⎫ π 2 ⎛ 2U ⎞ ⎛U ⎞ ⎢ ⎛U ⎞ ⎥⎪ U ⎜ ⎟ dx + ⎜ ⎟ dx ⎥ ⎬ = ⎢ ⎜ ⎟ dx + 3 ⎝ ⎠ ⎝ ⎠ ⎝ ⎠ ⎪ 2π π ⎢0 ⎥ 3 ⎣ ⎦⎭ ∫ ∫ ∫ Tải đấu dạng tam giác: Điện áp tải ut12 biểu diễn dạng: ⎡ 1 π π π ⎤ ut12 (t ) = U ⎢sin(ωt + ) + sin(5ωt − ) + sin(7ωt + ) + .⎥ 6 π ⎣ ⎦ (5.44) (5.45) Biên độ thành phần sóng hài bậc n điện áp pha tải: 5-13 Điện tử công suất U (n )− L = nπ 4U cos( ) nπ (5.46) Với n=1, biên độ thành phần hài điện áp tải: U t12(1)m = π U (5.47) Trò hiệu dụng điện áp pha có độ lớn: U12t ⎡ ⎢1 =⎢ π ⎢ ⎣ 2π ⎤2 ⎥ U dx⎥ = ⎥ ⎦ ∫ U (5.48) Sóng hài bậc cao xuất dạng điện áp tải cao, hạn chế phạm vi sử dụng phương pháp điều biên, tần số thấp Nếu sử dụng thyristor kết hợp với chuyển mạch làm chức công tắc nghòch lưu áp, chuyển mạch làm việc phụ thuộc vào độ lớn nguồn áp chiều, phương pháp điều biên rõ ràng không phù hợp để điều khiển điện áp tải phạm vi áp nhỏ Ngoại trừ trường hợp điều khiển theo biên độ đòi hỏi nguồn DC điều khiển được, phương pháp khác dựa vào kỹ thuật PWM sử dụng nguồn điện áp DC không đổi Trong trường hợp này, nguồn DC tạo nên từ lưới điện ac qua chỉnh lưu không điều khiển mạch lọc chứa tụ trực tiếp từ nguồn dự trữ dạng pin, aquy 5.3.2 PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHẾ ĐỘ RỘNG XUNG SIN (SIN PWM) Về nguyên lý, phương pháp thực dựa vào kỹ thuật analog Giản đồ kích đóng công tắc nghòch lưu dựa sở so sánh hai tín hiệu bản: - sóng mang up (carrier signal) tần số cao - sóng điều khiển ur- reference signal (hoặc sóng điều chếmodulating signal) dạng sin Ví 5-14 Điện tử công suất dụ: công tắc lẻ kích đóng sóng điều khiển lớn sóng mang (ur>up) Trong trường hợp ngược lại, công tắc chẵn kích đóng Sóng mang up dạng tam giác Tần số sóng mang cao, lượng sóng hài bậc cao bò khử bớt nhiều Tuy nhiên, tần số đóng ngắt cao làm cho tổn hao phát sinh trình đóng ngắt công tắc tăng theo Ngoài ra, linh kiện đòi hỏi có thời gian đóng ton, ngắt toff đònh Các yếu tố làm hạn chế việc chọn tần số sóng mang Sóng điều khiển ur mang thông tin độ lớn trò hiệu dụng tần số sóng hài điện áp ngõ Trong trường hợp nghòch lưu áp ba pha, ba sóng điều khiển ba pha phải tạo lệch pha 1/3 chu kỳ Trong trường hợp nghòch lưu áp pha, tương ứng với hai pha tải tưởng tượng hình (H5.6), ta cần tạo hai sóng điều khiển lệch pha 1/2 chu kỳ (tức chúng ngược pha ) Để đơn giản mạch kích nữa, ta sử dụng sóng điều khiển để kích đóng, ví dụ : cặp công tắc (S1S4) kích đóng theo quan hệ sóng điều khiển sóng mang, cặp (S3S2) kích đóng ngược lại với chúng Lúc đó, hình thành trạng thái kích đóng (S1S2) (S3S4) Gọi mf tỉ số điều chế tần số (Frequency modulation ratio) : mf = f carrier f = tria f reference f sin e (5.49) Việc tăng giá trò mf dẫn đến việc tăng giá trò tần số sóng hài xuất Điểm bất lợi việc tăng tần số sóng mang vấn đề tổn hao đóng ngắt lớn Tương tự, gọi ma tỉ số điều chế biên độ (Amplitude modulation ratio) : ma = U m − reference U m −carrier = U m −sin e U m −tri (5.50) Nếu ma ≤ (biên độ sóng sin nhỏ biên độ sóng mang) quan hệ biên độ thành phần áp áp điều khiển tuyến tính Đối với nghòch lưu áp pha: U t (1)m = ma U Đối với nghòch lưu áp ba pha, biên độ áp pha hài bản: U t (1)m = ma (5.51) U (5.52) Khi giá trò ma>1, biên độ tín hiệu điều chế lớn biên độ sóng mang biên độ hài điện áp tăng không tuyến tính theo biến ma Lúc này, bắt đầu xuất lượng sóng hài bậc cao tăng dần đạt mức giới hạn cho phương pháp bước Trường hợp gọi điều chế (overmodulation) điều chế mở rộng 5-15 Điện tử công suất Trong trường hợp nghòch lưu áp ba pha, thành phần sóng hài bậc cao giảm đến cực tiểu giá trò mf chọn số lẻ bội ba Nếu để ý đến hệ thức tính số điều chế, ta thấy phương pháp SPWM đạt số lớn vùng tuyến tính biên độ sóng điều chế với biên độ sóng mang Lúc đó, ta có: mSPWM _ max = u(1) m u(1)m −six _ step (5.53) U mSPWM _ max = π = ,785 = U π Phân tích sóng hài: Việc đánh giá chất lượng sóng hài xuất điện áp tải thực phân tích chuỗi Fourier Ở đây, chu kỳ lấy tích phân Fourier chia thành nhiều khoảng nhỏ, với cận lấy tích phân khoảng xác đònh từ giao điểm sóng điều khiển sóng mang dạng tam giác 5.3.3 PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHẾ ĐỘ RỘNG XUNG CẢI BIẾN (MODIFIED SPWM) (hình H5.11) Nhược điểm phương pháp điều chế độ rộng xung sin (SPWM) khả điều khiển tuyến tính thực với số điều chế m nằm phạm vi ≤ m ≤ 0.785 (tương ứng số ma ≤ ) Lúc đó, biên độ sóng hài điện áp pha tải nằm giới hạn (0,U/2) Để mở rộng phạm vi điều khiển tuyến tính, phương pháp điều chế độ rộng xung sin cải biến sử dụng Phương pháp cho phép thực điều khiển tuyến tính điện áp tải với số điều chế nằm phạm vi ≤ m ≤ 0.907 , biên độ sóng hài bậc điện áp đạt giá trò cực đại U số điều chế lúc bằng: U mMSPWM_ max = π = = 0,907 2U π (5.54) Nguyên lý thực hiện: giản đồ kích đóng linh kiện dựa vào kết so sánh tín hiệu điều khiển sóng mang (dạng tam giác) tần số cao Sóng điều chế (ur1,ur2,ur3) tạo thành cách cộng thành phần tín hiệu dạng sin với thành phần sóng hài bội ba 5-16 Điện tử công suất (thành phần thứ tự không) Khi tăng độ lớn sóng điều khiển để đạt số điều chế m lớn 0,907, quan hệ điều khiển trở nên phi tuyến Sóng điều chế chọn dạng liên tục gián đọan a.Trường hợp sóng điều chế liên tục dạng hàm điều hòa gồm thành phần hàm điều hòa bậc hàm điều hòa bậc bội ba sau, ví dụ pha thứ (xem đồ thò ur1a, hình H5.11a): ur = ⎡ ⎤ M ⎢cos( x ) − cos( x ) ⎥ ; ⎣ ⎦ ( ≤ M ≤ 1) (5.55) b.Trường hợp sóng điều chế liên tục dẫn giải từ tương quan phương pháp điều chế độ rộng xung lấy mẫu (sampling PWM) phương pháp điều chế vector không gian Hàm mô tả sóng điều khiển ba pha pha thứ viết dạng sau (xem đồ thò ur1b, hình H5.11b): ⎧M cos( x − 30 ) ⎪ ⎪ ⎪⎪ M cos( x ) ur = ⎨ ⎪ ⎪M cos( x + 30 ) ⎪ ⎪⎩ 0 ≤ x < 60 180 ≤ x < 240 60 ≤ x < 120 240 ≤ x < 300 120 ≤ x < 180 ; ( ≤ M ≤ 1) (5.56) 300 ≤ x < 360 c.Trường hợp hàm điều chế gián đoạn: tồn nhiều dạng sóng điều chế dạng không liên tục đưa để thực phương pháp điều chế độ rộng xung cải biến Một dạng sóng điều khiển dạng gián đọan mô tả hàm sau pha thứ nhất: (xem hình H5.11c): ⎧ ⎪ ⎪2 M cos( x − 30 ) − ⎪⎪2 M cos( x + 30 ) + ur = ⎨ −1 ⎪ ⎪2 M cos( x − 30 ) + ⎪ ⎪⎩2 M cos( x + 30 ) − ; ; − 30 ≤ x < 30 30 ≤ x < 90 ; 90 ≤ x < 150 ; 270 ≤ x < 330 ; 150 ≤ x < 210 ; 210 ≤ x < 270 ; ( ≤ M ≤ 1) (5.57) Ưu điểm sóng điều chế dạng gián đoạn số lần chuyển mạch chu kỳ bò giảm xuống, công suất tổn hao trình đóng ngắt giảm theo Do tín hiệu sóng điều chế thiết lập giá trò cực trò phần ba chu kỳ nên số lần chuyển mạch giảm phần ba so với phương pháp điều chế với tín hiệu liên tục 5.3.4 ĐIỀU CHẾ THEO MẪU (REGULAR SAMPLING TECHNIQUES) Nguyên lý phương pháp điều chế độ rộng xung sin dựa vào kỹ thuật analog Việc điều chế độ rộng xung thực sở kỹ thuật số Lúc đó, tín hiệu điều khiển số hóa chu kỳ lấy mẫu Mẫu tín hiệu sau so sánh với sóng cưa ví dụ thực mạch đếm Kỹ thuật lấy mẫu thực đối xứng không đối xứng Kỹ thuật đối xứng thực với chu kỳ lấy mẫu chu kỳ sóng tam giác (H5.12a), trường hợp lấy mẫu không đối xứng xảy việc lấy mẫu diễn nửa chu kỳ sóng tam giác (H5.12b) 5-17 Điện tử công suất Khi áp dụng phương pháp lấy mẫu đối xứng, không cần thiết tạo sóng tam giác hình vẽ H5.12a Gọi T1, T2 khoảng thời gian (xem hình H5.12a) dùng để xác đònh thời điểm kích đóng linh kiện, T1,T2 xác đònh thời gian thực (real time) phép tính đơn giản (5.58), (5.59) sau: TS [1 + u*a ( t s )] T2 = TS + TS [1 − u*a ( t s )] T1 = (5.58) (5.59) Trong đó, 2Ts khoảng thời gian chu kỳ lấy mẫu, tsn, ts(n+1) thời điểm thực việc lấy mẫu, u *a ( ts ) hàm sóng điều khiển dạng analog 5.3.5 PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHẾ ĐỘ RỘNG XUNG TỐI ƯU (OPTIMUM PWM) nh hưởng số sóng hài bậc thấp chứa áp khử bỏ hạn chế phương pháp điều chế độ rộng xung tối ưu Giản đồ kích đóng công tắc thiết lập sở phân tích hàm tối ưu theo biến góc kích đóng linh kiện Trong trường hợp hàm tối ưu thực cách triệt tiêu số sóng hài bậc cao, phương pháp gọi phương pháp triệt tiêu sóng hài chọn lọc (Selective Harmonic Elimination- SHE) Biên độ sóng hài xác đònh qua khai triển chuỗi Fourier dạng sóng áp ra: U1= U1(α1,α2, ,αn) (5.60) U3=U3(α1,α2, ,αn) U2k+1=U2k+1(α1,α2, ,αn) 5-18 Điện tử công suất Với SHE, giản đồ kích đóng chọn khử bỏ (n -1) sóng hài bậc cao điều khiển sóng hài bản, hàm tối ưu quan hệ góc α1,α2, ,αn biểu diễn qua hệ n phương trình sau: u1 = U (α ,α , ,α n ) = U k1 (α ,α , ,α n ) (5.61) = U k (α ,α , ,α n ) = U k (n −1) (α ,α , ,α n ) Giải hệ phương trình xác đònh góc kích α1,α2, ,αn ta thiết lập giản đồ kích đóng công tắc Nếu dạng điện áp tải hàm lẻ, hệ số bk phân tích chuỗi Fourier triệt tiêu ta có: (5.62) bk=0 ak = π ak = π ∫ u sin kωt d( ωt ) (5.63) t α2 ⎡α1 2.U ⎢ ( +1) sin kωt d ( ωt ) + ( −1) sin kωt d ( ωt ) π ⎢ α1 ⎣0 ∫ ∫ ⎤ ⎥ + ( −1) n −1 sin kωt d ( ωt ) + ( +1)1 sin kωt d ( ωt ) ⎥ ⎥ αn −1 αn ⎥⎦ 2.U [1 + 2( − cos kα1 + cos kα2 − + cos kαn ] ak = kπ n ⎤ 2.U ⎡ ⎢1 + ( −1) p cos kα p ⎥ ak = ⎥ kπ ⎢ p =1 ⎣ ⎦ π αn ∫ ∫ ∑ (5.64) (5.65) Phạm vi điều khiển điện áp phương pháp SHE: Trong phạm vi điều khiển PWM tuyến tính (m0.907), phương pháp SHE chuyển sang phạm vi điều khiển điều chế mở rộng (quá điều chế) Nghiệm hệ phương trình (5.61) luôn tồn với yêu cầu triệt tiêu sóng hài cho trước Do đó, với yêu cầu triệt tiêu số sóng hài chọn lọc, tồn giới hạn tối đa số điều chế mmax tương ứng Đồ thò hình H5.14 minh họa quan hệ số điều chế cực đại đạt theo SHE số sóng hài (n) triệt tiêu kèm theo Tại giá trò m=1, thành phần sóng hài tồn đầy đủ trường hợp điều khiển theo phương pháp điều khiển sáu bước Ví dụ 5.1: Thiết lập hệ phương trình lượng giác để tìm nghiệm góc chuyển mạch để điều khiển biên độ sóng hài khử bỏ sóng hài bậc 5,7,11 13 Xác đònh giá trò cụ thể góc chuyển mạch số điều chế m=0.8 Giải: Ta cần thực lần chuyển mạch (n=5) ¼ chu kỳ áp Hệ phương trình xác đònh góc chuyển mạch là: a1 = 2.U [1 + 2( − cos α1 + cos α2 − cos α3 + cos α4 − cos α5 ] = m 2.U π π 2.U [1 + 2( − cos α1 + cos α2 − cos α3 + cos α4 − cos α5 ] = 5π 2.U a7 = [1 + 2( − cos α1 + cos α2 − cos α3 + cos α4 − cos α5 ] = π a5 = a11 = a13 = 2.U π [1 + 2(− cos11α1 + cos11α − cos11α + cos11α − cos11α ] = 2.U [1 + 2( − cos13 α1 + cos13 α2 − cos13 α3 + cos13 α4 − cos13 α5 ] = π Với m=0.8, sử dụng phương pháp Newton-Raphson giải hệ phương trình máy tính, ta thu hệ nghiệm sau: α1 = ,1458 [ rad ]; α = ,2704 [ rad ]; α = ,8410 [ rad ]; α = ,8885 [ rad ]; α = 1,5326 [ rad ] 5-20