HỌ VÀ TÊN HỌC VIÊN: TRÀN VĂN ĐÌNH
TÊN ĐÈ TÀI LUẬN VĂN: NGHIÊN CỨU GIẢI
PHAP DIEU KHIEN GIAM TON HAO HE BIEN
TAN LAI AP DUNG CHO HE 3 PHA 4 DAY
LUAN VAN THAC Si
Chuyên ngành : Kỹ thuật Điện
Mã số ngành: 60520202
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS NGUYỄN THANH PHƯƠNG
TP HO CHi MINH, thang 3 nam 2015
Trang 2
Cán bộ hướng dẫn khoa học : TS NGUYÊN THANH PHƯƠNG
Luận văn Thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Công nghệ TP HCM ngày 21 tháng 3 năm 2015 Thành phần Hội đồng đánh giá Luận văn Thạc sĩ gồm:
TT Họ và tên Chức danh Hội đồng
1 | TS V6 Hoang Duy Chi tich 2 | TS Nguyén Hing Phan bién 1 3 | TS Duong Thanh Long Phan bién 2 4 | TS Dang Xuan Kién Uy vién
Trang 3Thành phó Hô Chí Minh, ngày 21 tháng 3 năm 2015
NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ tên học viên: Trần Văn Đình Giới tính: Nam
Ngày tháng, năm sinh: 10/10/1973 Nơi sinh: Tỉnh Kiên Giang Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện MSHV: 1341830003
I- Tên đề tài: Nghiên cứu giải pháp điều khiển giảm tôn hao hệ biến tần lai áp dụng
cho hệ 3 pha 4 dây
II- Nhiệm vụ và nội dung:
- Nghiên cứu, xây dựng giải thuật điều khiên PWM điều khiển giảm tổn hao đóng
cắt cho bộ nghịch lưu lai 5 bậc ghép nối tầng Cascade
- Mô phỏng áp dụng thuật toán điều khiển giảm tổn hao đóng cắt cho bộ nghịch lưu
lai 5 bậc ghép nỗi tang Cascade trên phần mềm Matlab - Simulink
- Nghiên cứu mơ hình tốn học mạch lọc tích cực song song 3 pha 4 dây
- Mô phỏng mạch lọc tích cực song song 3 pha 4 dây sử dụng bộ nghịch lưu lai 5 bậc nối tầng Cacade trong Matlab - Simulink
- Thực hiện mô phỏng và đánh giá kết luận
IH- Ngày giao nhiệm vụ: 18/8/2014
IV- Ngày hoàn thành nhiệm vụ: 20/2/2015
V- Cán bộ hướng dẫn: TS Nguyễn Thanh Phương
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN KHOA QUAN LY CHUYEN NGANH
Trang 4Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi Các số liệu, kết quả nêu trong Luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác
Tôi xin cam đoan răng mọi sự giúp đỡ cho việc thực hiện Luận văn này
Trang 5LOI CAM ON
Em xin tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến Thầy TS Nguyễn Thanh Phương đã tận tình hướng dẫn em đề hoàn thành luận văn này
Em chân thành cảm on quy Thay, Cé trong Phong Quan ly khoa hoc va dao
tạo sau đại học, đã tận tình hướng dẫn, giảng dạy, truyền đạt kiến thức trong suốt quá trình học tập, nghiên cứu và rèn luyện tại Trường Đại Học Công Nghệ TP
HCM
Em xin cảm ơn Quý Thảy trong Hội đồng đánh giá Luận văn đã nhiệt tình chỉnh
sửa đê em hoàn thiện luận văn được hoàn chỉnh hơn Em xin chân thành cảm ơn!
Học viên thực hiện Luận văn
Trang 6TOM TAT
Mục đích của dé tai là đưa ra một kỹ thuật điều chế giảm tổn hao mới, áp dụng cho mô hình bộ nghịch lưu lai 5 bậc Kết quả cuối cùng đã được kiểm chứng thông qua chương trình mô phỏng là phần mềm Matlab Cũng trên cơ sở phản mềm toán học này chúng ta cũng đánh giá được chất lượng của phương pháp điều chế đã
thực hiện
Bộ nghịch lưu ghép tầng là một giải pháp để khắc phục các giới hạn về công suất Việc nghiên cứu bộ nghịch lưu lai đa bậc ghép nối tầng Cascade mang lại nhiều triển vọng Nó có một vài ưu điểm của bộ nghịch lưu đa bậc, nhưng không cần thiết phải có các phần cứng phức tạp và tránh được nhược điểm khó khăn của
bộ nghịch lưu đa bậc ví dụ như vẫn để cân bằng điện áp tụ điện, v.v
Đề tài bao gồm 7 chương, giới thiệu lý thuyết và giải quyết được các vấn đề sau:
- Cơ sở lý thuyết về bộ nghịch lưu, bộ nghịch lưu áp đa bậc, các cấu trúc cơ bản của bộ nghịch lưu áp đa bậc, bộ nghịch lưu lai đa bậc, điều khiển bộ nghịch lưu
áp theo phương pháp điều chế độ rộng xung sóng mang, nêu được các vấn đề về kỹ thuật và các phương pháp điều chế độ rộng xung
- Cấu trúc và phương pháp điều chế gián đoạn DPWM cho bộ nghịch lưu lai
5 bậc nói tầng Cascade, phân tích thuật toán bộ nghịch lưu lai đa bậc nối tầng
Cascade từ đó đưa ra phương pháp mới điều chế gián đoạn PWM tối ưu để giảm tổn hao đóng cắt cho biến tần lai đa bậc
- Xây dựng mô hình toán học ứng dụng bù lọc tích cực cho hệ 3 pha 4 dây
Xây dựng mô hình mạch lọc tích cực song song 3 pha 4 dây dùng bộ nghịch lưu Inverter trong Matlab — Simulink
Trang 7ABSTRACT
The purpose of this essay is to provide a new modulation techniques reduce the loss, applied to model hybrid inverter five level The end result was verified through simulation program Matlab software Also on the basis of mathematical software we also evaluate the quality of modulation methods were implemented
Inverters cascade as a solution to overcome the limits of capacity The study of hybrid multi-level inverter pair Cascade stories bring promising It has a few advantages of multi-level inverter, but not necessarily with the hardware complexity and difficulty avoiding the disadvantages of multi-level inverters such as balancing voltage capacitors, etc
The essay include seven chapters, introduces the theory and address the following issues:
- Theoretical foundations of inverters, multi-level inverters, the basic
structure of multi-level inverters, hybrid multi-level inverters, inverter voltage control method pulse width modulation carrier, indicating the technical problems
and methods of pulse width modulation
- The structure and method of preparing interrupted inverters for hybrid DPWM five-level tiered Cascade, analyze algorithms hybrid inverter multi-level tiered Cascade thereby offering new methods of modulation PWM interrupt optimized to reduce switching losses for hybrid multi-level inverter
- Building mathematical models make active filter applications for 3-phase 4-wire system Building a model parallel active filter circuit 3 phase 4 wire inverter inverter used in Matlab - Simulink
Trang 8CHƯƠNG 1: MỞ ĐẦU -2222222222111.2111021.1.0 re 1
PD Dat VAN dS aces 3 1
1.2 Tinh can thiét ctha dé ti sccessssssssessssssscessssssseenssessseusnssessessnsnsseesansesesesease 3 1.3 Mục tiêu, nhiệm vụ và giới hạn của đề tài — .Ề 4
CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYÉT 222 112112212110 ee 6 2.1 BO mghich 1 oo ceseessssessesesseesecssssssassessussussesaenssessussessusueessarsaseasesessusseeess 6 2.2 Bộ nghịch luu ap da BAC o ccciceccccscsscescsecsssessesscsscssasescsssesersecsesavecersectecscesessesee 6 2.2.1 RIAL MiG oo eee ee ecessccsssssesesscssssssusscsscussessesssassusacsucasatssesesssatssesevevercevasees 6 2.2.2 PHAM 1OAi ee ecccessescssssescevessscscsusscscensnsssssssacatssassssusseavsssscstsversasausesesesecsseece 7 2.2.3 Các cầu trúc cơ bản của bộ nghịch lưu áp đa bậc .- s2 s55 scSsEsccec 7 2.2.3.1 Cấu trúc dang Diode kep NPC (Diode Clamped Multilevel sevesenesessenenetesesssesssesscasssveesssusesssene ceesaeecaeseaesssen sesesssevesssssarssserensvacaceeens 8 2.2.3.3 Cấu trúc dạng ghép tầng (Cascade Inverter) 9
2.3 Bộ nghịch lưu lai đa bậc -S- 2tSn ST 2151501511151 E nen 10 2.4 Điều khiển bộ nghịch lưu áp theo phương pháp điều chế độ rộng xung sóng mang (Carrier based PWM) uu oes cecscsccseseesssscsesssseseseceersecsrssansscscaeatsussesesesenense 12 2.4.1 Téng quat vé kỹ thuật điều chế độ rộng xung —PWM 12
2.4.1.1 Một số chỉ tiêu đánh giá kỹ thuật PWM của bộ nghịch lưu 12
2.4.1.2 Các dạng sóng mang dùng trong kỹ thuật PWM 17
2.4.2 Phương pháp điều chế độ rộng xung Sin (Sin PWM) 19
2.4.3 Phương pháp điều chế độ rộng xung cải biến 222snnnnnc 21 2.4.4 Phương pháp điều khiển PWM theo đòng điện -.-: 22
Trang 92.4.4.3 Phương Pháp Điều Khiển Vector Dong Dién (Space vector Current COMIOL) oe eceeceseee cceceseseseseseee sacsevevscecssssssseasecaeeesacavesseeetanseserssaeates 24 2.5 Kết luận Chương 2 - -s- St 112v 2141211112111 111121101111 ưy 26
CHUONG 3: CÁU TRÚC VÀ PHƯƠNG PHAP DIEU CHE GIAN DOAN DPWM CHO BO NGHICH LUU LAI 5 BAC NOI TANG CASCADE 27
3.1 Phân tích thuật toán bộ nghịch lưu lai đa bậc nối tầng Cascade 27
3.1.1 Khảo sát bộ nghịch lưu lai 5 bậc nối tầng cascade -cc sseesees 27 3.1.2 Sơ đồ mô hình mạch giải tích - ©22222+2SEEEEE SiitgEEEEErvrrsrzrrrvce 28
3.2 Một phương pháp mới điều chế gián đoạn PWM tối ưu để giảm nhỏ nhất tổn
hao đóng cắt và tránh đóng cắt thừa cho biến tần lai đa bậc 30
KP CGon.o 0n ng cranr 30
3.2.2 Phương pháp điều khiển giảm tổn hao nhỏ nhất (Minimum common mode
DPWM|) HH1 11101121111 11111 T110 cssssuavsveesees 30
3.2.3 Phương pháp kỹ thuật sóng mang cải tiến (medium common mode ) 35 3.2.3.1 So sánh tổn hao chuyển mạch .- c-2225cc22SSe2EE2vcecrrercrree 37 3.2.3.2 Mô phỏng trong matlab ¿55-2 22x gE crrgkecey 39
3.3 Kết luận chương 3 - 222 22tt E21 11111012711121111122111101111112211112211eececxe 49 CHƯƠNG 4: MƠ HỈÌNH TỐN HỌC ỨNG DỤNG BÙ LỌC TÍCH CỰC CHO HE THONG 3 PHA - 4 DÂYY 222221112 1012111E222151221522215221xEEExeee 50
4.1 Nguyên lý hoạt động - cà cà 2H11 E1 1100111111111 1E 1e crei 50 4.2 M6 hinh todn hoe mach 106 w ececscssscsesssessecsescsesecesecucesscseseacacsessavacssanscevseaseens 5]
4.3 Giải tích mạch lọc trường hợp tổng quát 22s +xt+t2EteErsersecrss 53
4.4 Tối ưu đòng công suất bù 2s 22ces22v211121212171121221111121111211112.xce 61 4.5 Chién luge diéu khién theo mục tiêu công suất tức thời là hằng số 64
Trang 105.2 Các khối chức năng của hệ thống mạch lọc -2 22sc©ckeExecEEErrrkrrkre 67
5.2.1 Bộ nguồn xoay chiều 3 pha cân DaNg ceesccccessssseescssseesssseessssseescsseevsseeeeee 67 5.2.2 Mô hình tải phi tuyến không cân bằng 222-ccccccccecerr 69
5.2.3 Bộ nghịch lưu áp lai 5 bậc nối tầng Cascade ba pha bốn đây 70
5.2.4 Các khâu lấy tín hiệu -22-©2St°+ES22SEEEEEXEE sessecesseecersscssaecesseesaees 72
5.2.5 Các khối điều khiến và tính toán của mạch lọc tích cực (theo phương pháp
công suất tức thời là hằng số) -2-c¿-c2ckccEEEksEEELkrrrrrrerrree 72 5.2.5.1 Khối biến đổi sang hệ trục tọa độ ø 0 - 73
5.2.5.2 Khối tính tốn cơng suất .-2 c2 s22cccccceeeEEEEkrrertrkrxrerrkecree 74
5.2.5.3 Khối tính dòng điện tham chiếu bù trong hệ tọa độ d-j 76
5.2.5.4 Khối biến đổi dòng bù ngược từ ơ 0 sang hệ tọa độ a,b,c 77 5.2.6 Khâu đo lường tính toán cng sudt P,Q ccsecsssecssessseessseessessssesesseesseesseese 78 5.2.7 Khâu tách sóng hài của tải và điều chỉnh dòng: gồm 2 khâu con 79 5.2.8 Khâu tính toán bù dòng trung tính ÌN 555 ++t+csvererererrrersree 80
5.2.9 Kết luận Chuong 5 .ccecccsscsssssessssseessssssecssssecssssccssssseesssveceenevecssnseesenneesssevees 80 CHƯƠNG 6: KÉT QUÁ MÔ PHỎNG ĐÁP ỨNG MẠCH LỌC 81
6.1 Khảo sat su làm việc của hệ thống khi mạch lọc chưa tác động 8l
6.2 Khảo sát đáp ứng của mạch lọc khi làm việc với tải phi tuyến không đổi 84 6.3 Khao sát đáp ứng của mạch lọc khi tải phi tuyến thay đổi §7
6.4 Độ méo dạng tổng do sóng hài THD - 22 skcSEx++EvEEEEtZ21x2Exesrerr 95 6.5 Kết luận chương 6 2¿++2e+SE+2E9ELAEEEE11117111E117111727111017211e 22712, 101 CHƯƠNG 7: KẾT LUẬN .2 22ct C2 SE E4 EE1111127111121111 111.22 102
7.1 Nhiệm vụ chính của luận văn là nghiên cứu ¿ ¿5s 2 < cccscccxcxcerrereee 102
7.2 Cac van dé đã giải quyết trong luận văn song 01121222, 102 7.3 Vấn đề còn tồn tại s2 t1 11111111 ree 103
Trang 11Danh mục các bảng, các biểu đồ, đề thị, sơ đồ, hình ảnh
Chương 1 Chương 2
Hình 2.1 Diode Clamped Multilevel Inverter — NPC Hinh 2.2 Flying Capacitor Multilevel Inverter Hinh 2.3 Cascade Inverter
Hinh 2.4 Hybrid multilevel Inverter
Hinh 2.5 Phé của sóng hai Hình 2.6 Sóng nhiễu và các thành phần sóng hài Bảng 2.7 Tiêu chuẩn IEEE-519 kiểm soát sóng hài cho hệ thống điện hạ áp Hình 2.8 Hình dạng sóng mang APOD Hình 2.9 Hình dạng sóng mang PD Hình 2.10 Hình dạng sóng mang POD
Hình 2.11 Quan hệ giữa biên độ sóng mang và sóng điều khiến
Hình 2.12 Quan hệ giữa biên độ áp điều khiển và biên độ sóng mang Hình 2.13 Điều khiển theo dòng điện sử dụng mạch tạo trễ
Hình 2.14 Điều khiển theo dòng điện sử dụng mạch hiệu chỉnh
Hình 2.15 Phương pháp điều khiển dòng điện trong hệ tọa độ quay Hình 2.16 Phương pháp điều khiển dòng điện trong hệ tọa độ đứng yên Chương 3
Hình 3.1 Sơ đồ bộ nghịch lưu lai 5 bac néi tang Cascade
Bảng 3.2 Bảng phân tích tính các giá trị ¿ từ các áp tải 3 pha yêu cầu của bộ
nghịch lưu lai 5 bậc ghép từ bộ nghịch 3 pha 3 bậc và bộ nghịch lưu
Trang 12Hinh 3.4 Giải thích các thành phần điện áp trong đề xuất
Hình 3.5 Giải thích quan hệ giữa sóng mang và điện áp tham chiếu Hình 3.6 Giá trị vọasa thêm vào
Hình 3.7 a) Vetor tham chiếu trong tam giác vector, b) Biểu đồ thời gian đóng cắt
Hình 3.8 Giải thuật tính áp điều khiển Minimum common mode DPWM với Uxdk=S(Kjmax)
Hình 3.9 Giải thuật phương pháp sóng mang cải tién Uxg, =S(Kjmax)
Hình.3.10 Hệ số công suất tải ọ = 0°
Hinh 3.11 Biéu dé khong gian SLF=(m, @) medium common mode
Hinh.3.12 Hé sé céng suat tai @ = 30°
Hình 3.13 Biểu đồ khong gian SLF=(m, ¢~) minimum common mode DPWM
Hình 3.14 Sơ đồ mô phỏng bộ nghịch lưu lai đa bậc nối tầng cascade sử dụng kỹ thuật điều khiến giảm tổn hao mới
Hình 3.15 Khối điện áp điều khiển
Hình 3.16 Bộ nghịch lưu nối tầng Cascade
Hình 3.17 Sóng mang
Hình 3.18 Khối xung kích
Hình 3.19 Dòng điện 3 pha tải tỉ số điều chế 0.9 Hình 3.20 Điện áp 1 pha tải tỉ số điều chế 0.9 Hình 3.21 Điện áp dây tái tỉ số điều chế 0.9
Hình 3.22 Điện áp pha tâm nguồn DC tỉ số điều chế 0.9
Hình 3.23 Điện áp Common Mode
Trang 13Hình 4.2 Hình 4.3 Hình 4.4 Chương 5 Hình 5.1 Hình 5.2 Hình 5.3 Hình 5.4 Hình 5.5 Hình 5.6 Hình 5.7 Hinh §.8 Hình 5.9 Hình 5.10 Hình 5.11 Hình 5.12 Hình 5.13 Hinh 5.14 Hinh 5.15 Hinh 5.16 Hinh 5.17 Hinh 5.18 Hinh 5.19
Nguyên lý điều khiển mạch lọc
Tối ưu hóa đòng công suất trong hệ trục tọa độ œ80
Sơ đồ mạch điều khiển của mạch lọc tích cực lai 3 pha 4 dây
Mạch lọc 3pha 4 dây sử dụng bộ nghịch lưu lai 5 bậc
Nguồn xoay chiều 3 pha cân bằng và các thành phần của nó
Thông số cài đặt pha a
Mô hình tải phi tuyến không cân bằng
Bộ nghịch lưu áp lai 5 bậc nỗi tầng Cascade ba pha bốn dây
Thông số IGTB/Diode của bộ nghịch lưu
Thông số của nguồn thực tế
Thông số nguồn DC cho bộ nghịch lưu
Sơ đồ nguyên lý mạch lọc tích cực 3 pha 4 đây
Khối biến đổi sang hệ trục tọa độ œ 0
Khâu biến đổi từ abc sang a- B
Sơ đồ mạch biến đổi điện áp Vabc từ hệ toạ độ abc sang a- B
Sơ đồ mạch biến đổi dòng điện tải ILabc từ hệ toa dé abe sang a-B
Sơ đồ mạch biến đổi dòng điện nguồn Isabc từ hệ toạ độ abc sang a-B Khối tính tốn cơng suất
Sơ đồ mạch tính giả trị công suất tiêu thụ của tải PoL, PL, QL
Sơ đồ mạch tính giá trị công suất cung cấp của nguồn Po, Ps và Qs
Khối tính dòng điện bù tham chiếu trong hệ tọa độ ơ-P
Trang 14-Hình 5.20 Hình 5.21 Hình 5.22 Hình 5.23 Hình 5.24 Hình 5.25 Chương 6 Hinh 6.1, Hinh 6.2 Hinh 6.3 Hinh 6.4 Hinh 6.5 Hinh 6.6 Hinh 6.7 Hinh 6.8 Hinh 6.9, Hinh 6.10 Hinh 6.11 Hinh 6.12: Hinh 6.13 Hình 6.14 Hình 6.15 Hinh 6.16 Hình 6.17 Hình 6.18
Cài thông số cho mạch lọc thông thấp
- Mạch tính dòng điện bù trong hệ tọa độ abc từ hệ tọa độ œ- B Khâu do va quan sat tin hiệu
Khâu tách sóng hài của tải
Khâu điều chỉnh đòng điện
Khâu tính bù dòng trung tính N Điện áp nguồn
Dòng điện tải
Dòng trung tính nguồn bằng đòng trung tính tải
Dòng diện mạch bù đưa vào hệ thống
Dòng điện tải ba pha trước và sau khi mạch lọc tác động Dòng điện mạch lọc đưa vào hệ thông
Giá trị hiệu dụng của dòng điện nguồn ba pha
Công suất tác dụng và phản kháng của tải Công suất tác dụng và phản kháng của nguồn
Hệ số công suất của nguồn điện và tải Dòng điện và điện áp nguồn 3 pha
Dòng điện tải ba pha trước và sau khi mạch lọc tác động Dòng điện mạch lọc đưa vào hệ thống
Giá trị hiệu dụng của dòng điện nguồn ba pha Công suất tác dụng và phản kháng của tải Công suất tác dụng và phản kháng của nguồn Hệ số công suất của nguồn điện và tải
Trang 15Hình 6.19 Dòng điện tải ba pha trước và sau khi mạch lọc tác động Hình 6.20 Dòng điện mạch lọc đưa vào hệ thống
Hình 6.21 Giá trị hiệu dụng của dòng điện nguồn ba pha
Hình 6.22 Công suất tác dụng và phản kháng của tải Hình 6.23 Công suất tác đụng và phản kháng của nguồn Hình 6.24 Hệ số công suất của nguồn điện và tải
Hình 6.25 Dòng điện và điện áp nguồn 3 pha
Hình 6.26 Dạng sóng và sóng hài của dòng tải các pha a, pha b và pha c Hình 6.27 Dạng sóng và sóng hài của dòng nguồn các pha a, pha b và pha c Hình 6.28 Dạng sóng và sóng hài của dòng tải các pha a, pha b và pha c Hinh 6.29 Dang sóng và sóng hài của dòng nguồn các pha a, pha b và pha c Hình 6.30 Dạng sóng và sóng hài của dòng tải các pha a, pha b và pha c Hình 6.31 Dạng sóng và sóng hài của dòng nguồn các pha a, pha b và pha c Bảng 6.32 Chỉ số THD sóng hài của dòng nguồn và tải các pha a, pha b và
pha c
Hình 6.33 Chỉ số THD sóng hài của dòng nguồn và tải các pha a, pha b và pha c khi géc kich =0°
Hình 6.34 Chi s6 THD séng hai cha dòng nguồn và tai các pha a, pha b và pha c khi góc kích =30°
Hình 6.35 Chỉ số THD sóng hài của dòng nguồn và tải các pha a, pha b và pha c khi góc kích =450
Trang 16MỞ ĐẦU
1.1 Đặt vấn đề
Bộ nghịch lưu hiện nay không phải là một khái niệm mới mẻ nữa, nó đã hiện
hữu trên tất cả các quốc gia trên thế giới và hiện đang đóng một vai trò rất quan
trọng trong các ngành công nghiệp và ngành điện Đối với ngành công nghiệp, khả năng biến đổi năng lượng từ năng lượng điện sang năng lượng cơ, từ nguồn điện có tần số này sang nguồn điện có tần số khác đóng một vai trò hết sức quan trọng và
chiếm ưu thế bởi tính năng đặc trưng vượt trội đó của nó Đối với ngành điện khả
năng lọc, bù, điều khiển hộ tiêu thụ, khả năng tái tạo năng lượng cũng có một ý
nghĩa hết sức quan trọng
Việc nghiên cứu điều khiển nghịch lưu đã có từ hơn 30 năm qua Trong
những năm gần đây, việc nghiên cứu các phương pháp điều khiển nghịch lưu đã và đang được thực hiện ngày một nhiều hơn Đối tượng chính trong các nghiên cứu
này, ở thời kỳ đầu, thường là nghiên cứu nghịch lưu theo phương pháp điều chế độ
rộng xung sóng mang (Carriers Pulse Width Modulation - CPWM) Chỉ đến những năm cuối 1980 các nghiên cứu mới có nhiều hướng chuyển đổi mà một trong những hướng mới đã thu được nhiều thành quả là nghiên cứu điều chế độ rộng xung theo phương pháp vector không gian (Space Vector Pulse Width modulation — SVPWM)
Bộ biến đối công suất đầu tiên do Pacinotti thực hiện vào năm 1864 và sau
đó là Wilde, Varley và Siemens sáng chế máy điện vào năm 1966 — 1967 Động cơ
của Pacinotti có thể chuyển đổi cơ năng thành điện năng và ngược lại Năm 1885,
Ferraris tạo ra trường điện từ xoáy có thé tạo ra một vòng xoáy ốc kim loại Nguyên lý này là nguyên lý cơ bản đối với nguyên lý vận hành của máy điện cảm ứng
Tuy nhiên, các động cơ của Pacinotti và Ferraris đều nối trực tiếp đến nguồn
Trang 17tín hiệu và sau đó phát triển thành các nguồn công suất cao Điện tử công suất có nhiều ưu điểm nhưng quan trọng nhất là khả năng điều khiển máy điện và điều khiển dòng công suất điện từ Trong suốt thập niên 80 và 90, sự phát triển của điện tử công suất cho phép thực hiện các hệ thống mới và hoàn thiện dần các hệ thống đang tổn tại, trước hết đó là do điện tử công suất có thể sử dụng điều khiển cơ cấu
truyền động, các bộ lọc tích cực, bù nhuyễn công suất phản kháng,
Ngày nay, các bộ chuyến đổi tĩnh có thể nói với hệ thống với nhiều đặc tính
điện khác nhau: Ví dụ bộ chuyển mạch nối 2 hệ thống DC với các mức điện áp khác
nhau, trong khi đó các bộ nghịch lưu chuyển đổi điện năng từ DC thành AC theo
dạng biên độ và tần số
Tuy nhiên cấu hình bộ chuyển đổi đang tồn tại ngày nay còn nhiều hạn chế
vì những giới hạn của thiết bị bán dẫn Các bộ nghịch lưu đa bậc xuất hiện nhằm
khắc phục các giới hạn điện áp của thiết bị bán dẫn: Một trong những ứng dụng trước tiên là kết nối giữa các hệ thông điện áp cao AC và DC Nguyên lý cơ bản của
bộ nghịch lưu đa bậc là kết nối càng nhiều thiết bị nối tiếp và kẹp điện áp
Các bộ biến đổi đa bậc đã mang lại sức sống cho các ứng dụng truyền động Xem xét các ứng dụng công nghiệp truyền động, các điện áp lớn nhất giới hạn tiêu chuẩn của mỗi nguồn pin an toàn là 96 V Mặt khác tiêu chuẩn là không bắt buộc giới hạn này nhưng đối với thực tế ứng dụng là có Các công tắc chuyển mạch bán dẫn thường được sử dụng trong trường hợp này là MOSFET có điện áp định mức
lên đến 150V vì so với các thiết bị khác thì chúng có chỉ phí nhỏ nhất
Để khắc phục nhược điểm này, Profumo đã đưa ra một giải pháp mới, đó là
sử dụng động cơ 3 pha dây quấn đôi Với mô hình này thì với 2 bộ chuyển đổi và 2
hệ thông điều khiển, công suất đầu ra sẽ tăng gấp đôi so với dòng điện và gấp 2 lần so với phương pháp cũ Tuy nhiên trong trường hợp sự cố ở một bộ nghịch lưu thì
mômen do động cơ sinh ra sẽ bị giảm một nửa, sự sụt giảm mômen có nghĩa là
Trang 18khiển phải được thiết kế cho số pha cụ thể và cần nhiều nguồn cung cấp
Bộ nghịch lưu ghép tầng là một giải pháp để khắc phục các giới hạn về công
suất
Việc nghiên cứu bộ nghịch lưu lai đa bậc ghép nối tầng cascade mang lại
nhiều triển vọng Nó có một vài ưu điểm của bộ nghịch lưu đa bậc, nhưng không
cần thiết phải có các phần cứng phức tạp và tránh được nhược điểm khó khăn của
bộ nghịch lưu đa bậc ví dụ như vấn đề cân bằng điện áp tụ điện, Đó là lý do sơ khởi để lựa chọn đề tài này
1.2 Tính cần thiết của đề tài
Ngày nay bộ nghịch lưu được sử dụng rộng rãi trong lĩnh vực truyền động
điện động cơ xoay chiều với độ chính xác cao Trong lĩnh vực tần số cao, bộ nghịch
lưu được sử dụng 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 liên tục UPS, điều khiển chiếu sáng, ngoài ra bộ nghịch lưu còn được ứng
dụng trong lĩnh vực bù nhuyễn công suất phản kháng, truyền tai điện cao áp, các
thiết bị dan dụng
Những năm gần đây, nhu cầu phát triển thiết bị nâng cao chất lượng và ôn
định hệ thống điện, các bộ nguồn cho xe điện, các loại nguồn năng lượng mới như
năng lượng gió, năng lượng mặt trời, năng lượng thuỷ triéu , mang lại nhiều hứa hẹn ứng dụng của các bộ nghịch lưu phức tạp
Trên thế giới, việc ứng dụng bộ nghịch lưu đã thực hiện rất rộng rãi và là
một phần không thể thiếu trong quá trình điều khiển, vận hành, truyền tải hệ thống
điện
Trang 19đa bậc với các dạng nghịch lưu lai đa bậc khác nhau dựa trên các kỹ thuật điều khiển khác nhau Tuy nhiên, trong quá trình nguyên cứu các nhà khoa học đã tìm ra
những ưu nhược điểm của việc điều khiển vận hành bộ nghịch lưu đó và phát triển
ra những dạng nghịch lưu khác ngày càng phức tạp, đáp ứng độ chính xác, độ tin
cậy cao trong quá trình điều khiển, vận hành cũng như truyền tải điện năng
Từ những bộ nghịch lưu cụ thể như NPC, bộ nghịch lưu 3 pha 2 bậc đơn giản, bộ nghịch lưu dạng khác , người ta đang tập trung vào nghiên cứu bộ nghịch lưu lai (hay ghép nối tầng) nhằm khắc phục những nhược điểm còn tồn tại và phát huy những mặt mạnh của các bộ nghịch lưu truyền thống trên Tuy nhiên, đối với các bộ nghịch lưu đa bậc hoặc lai đa bậc, với số bậc càng cao thì sóng hải càng được giảm nhỏ nhưng ngược lại số công tắc đóng cắt lại càng tăng điều nay dan dén ton hao do đóng cắt
Nhận thấy tầm quan trọng của vẫn đề trên, chọn đề tài “Điều khiển giảm tồn hao hệ biến tần lai áp dụng cho mạng 3 pha 4 dây” để thực hiện trong luận văn tốt nghiệp này
Mục đích của đẻ tài là đưa ra một kỹ thuật điều chế giảm tốn hao mới, áp dụng cho mô hình bộ nghịch lưu lai 5 bậc Kết quả cuối cùng đã được kiểm chứng
thông qua chương trình mô phỏng có giá trị và đáng tin cậy trên thế giới là phần
mềm Matlab Cũng trên cơ sở phần mềm toán học này chúng ta cũng đánh giá được chất lượng của phương pháp điều chế đã thực hiện
1.3 Mục tiêu, nhiệm vụ và giới hạn của đề tài
- Nghiên cứu, xây dựng giải thuật điều khiến PWM điều khiển giảm tổn hao
đóng cắt cho bộ nghịch lưu lai 5 bậc ghép nối tang Cascade
- Mô phỏng áp dụng thuật toán điều khiển giảm tổn hao đóng cắt cho bộ nghịch lưu lai 5 bậc ghép nói tầng Cascade trên phần mém Matlab - Simulink
Trang 21CO SO LY THUYET
2.1 Bộ nghịch lưu
Bộ nghịch lưu có nhiệm vụ chuyển đổi năng lượng từ nguồn điện một chiều không đổi sang nguồn điện xoay chiều để cung cấp cho tải xoay chiều Đại lượng
được điều khiển ở ngõ ra là điện áp hoặc dòng điện Nếu đại lượng được điều khiển
ở ngõ ra là điện áp thì bộ nghịch lưu được gọi là bộ nghịch lưu áp, ngược lại là bộ
nghịch lưu dòng Nguồn một chiều cung cấp cho bộ nghịch lưu áp có tính chất nguồn điện áp và nguồn một chiều cung cấp cho bộ nghịch lưu dòng có tính chất nguồn dòng hoặc gọi tắt là bộ nghịch lưu áp và bộ nghịch luu dong Trong trường
hợp nguồn điện ở đầu vào và đại lượng ngõ ra khác nhau ví dụ bộ nghịch lưu cung
cap dòng điện xoay chiều từ nguồn 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 là thành phần chủ yếu trong bộ biến tần Ứng dụng quan trọng và tương đôi rộng rãi của chúng 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 tân, thiết bị han trung tần Bộ nghịch lưu còn ứng dụng làm nguồn điện xoay chiều cho nhu cầu gia đình
2.2 Bộ nghịch lưu áp đa bậc 2.2.1 Khái niệm
Bộ nghịch lưu áp là bộ nghịch lưu có nguồn một chiều cung cấp là nguồn áp
và đối tượng điều khiển ngõ ra là điện áp Bộ nghịch lưu dòng là bộ nghịch lưu có
nguồn một chiều cung cấp là nguồn đòng và đối tượng điều khiển ngõ ra là nguồn dòng Trên thực tế nguồn một chiều là nguồn áp và đối tượng nghiên cứu là bộ nghịch lưu áp
Bộ nghịch lưu áp cung cấp và điều khiển điện áp xoay chiều ở ngõ ra, nguồn
điện một chiều có thể là: pin điện, ắc quy, điện áp một chiều được chỉnh lưu từ điện
áp xoay chiều có lọc phẳng .Các tải xoay chiều thường mang tính chất cảm kháng
Trang 22bình và nhỏ thì có thể sử dụng transitor BỊT, MOSFET, IGBT Trong phạm vi công
suất lớn có thể dùng GTO, IGCT hoặc SCR kết hợp với bộ chuyển mạch Với tải
tổng quát, mỗi linh kiện còn mắc thêm một điode đối song để hạn chế điện áp phát
sinh khi kích ngắt linh kiện
2.2.2 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: 1 pha, 3 pha
- Theo số bậc điện áp giữa một đầu tải và một điểm điện thế chuẩn trên mạch
(phase to pole voltage): 2 bac (two level), da bac (multi — level, từ 3 bậc trở lên) - Theo cấu hình của bộ nghịch lưu: dạng cascade (Cascade inverter), dạng diode kep NPC (Neutral Point Clamped Multilevel Inverter), hoặc dạngdùng tụ điện thay déi (Flying Capacitor Multilevel Inverter)
- Theo phuong phap diéu khién:
+ Phương pháp điều rộng + Phương pháp điều biên
+ Phương pháp điều chế độ réng xung sin (Sin PWM)
+ Phương pháp điều chế độ rộng sung sin cai bién (Modifield SPWM)
+ Phương pháp điều chế vector không gian (Space vector modulation, hoặc Space vector PWM)
+ Phuong phap Discontinuous PWM
2.2.3 Các cầu trúc cơ bản của bộ nghịch lưu áp đa bậc
2.2.3.1 Cau tric dang Diode kep NPC (Diode Clamped Multilevel Inverter)
Trang 23kiện 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
° a E
Hình 2.1 Diode Clamped Multilevel Inverter — NPC
Trang 24- 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
e 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 khiến sẽ khó khăn khi số bậc của nghịch lưu tăng cao
2.2.3.3 Cau tric dang ghép tang (Cascade Inverter)
Pha A Pha 8 Pha C 4h he “ih oe Ka hs | Hình 2.3 Cascade Inverter
Cấu trúc dạng ghép tầng sử dụng các nguồn DC riêng, thích hợp trong trường hợp sử dụng nguồn DC có sẵn, ví dụ đưới dang acquy, battery Cascade inverter gồm nhiều bộ nghịch lưu áp cầu một pha ghép nối tiếp, các bộ nghịch lưu áp dạng cầu một pha này có các nguồn DC riêng
Trang 25trên 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 đương (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
Tân số đóng ngắt trong mỗi module của dạng mạch này có thể giảm đi n lần và dv/dt cũng giảm đi như vậy Điện áp trên áp đặt lên các linh kiện giảm đi 0,57n lần, cho phép sử dụng IGBT điện áp thấp
Ưu điểm của bộ nghịch lưu áp đa bậc là 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
2.3 Bộ nghịch lưu lai đa bậc
Biến tần lai đa bậc là một hướng mới phát triển của biến tần đa bậc, khởi đầu
từ bài báo của nhóm tác giả T.A Lipo (ĐH Madison-Wisconsin-1999) Biến tần lai
đa bậc chỉ ra khả năng đạt chất lượng áp ra tương đương như các biến tần đa bậc
kinh điển khác như dạng diode kẹp, dạng tụ kẹp với sự tĩnh giảm các linh kiện công suất, khả năng làm gọn thể tích thiết bị và hệ thống mạch điều khiển Với cau tao da bậc, điện áp ngõ ra được tăng lên, tốn hao chuyển mạch linh kiện giảm và họa tan
ngõ ra được cải thiện đáng kể Kiểu đa bậc thông dụng nhất là dạng cascade với lợi thế hơn các dạng khác như: cấu tạo đơn giản, ít thành phần linh kiện, cầu trúc dạng
môdun, tránh được vấn đẻ cân bang áp tụ
Kiểu nghịch lưu đa bậc lai có thể tối giản linh kiện công suất Với kiểu cầu
tạo lai, các bộ nghịch lưu cau 1 pha (H-Bridge) it hon nhung dat dugc số bậc điện
áp ngõ ra như cấu tạo không lai Mặt khác, với kiểu điều chế lai linh kiện công suất
Trang 26thể dùng linh kiện chuyển mạch chậm như: IGCT, GTO, IEGT Con H-Bridge céng
suất thấp hơn được điều chế tần số cao hơn vì thế có thể dùng linh kiện: IGBT,
MOSFET, BỊT
Ngoài ra ta có thể sử dụng kỹ thuật CPWM với nhiều sóng điều khiển và I
sóng mang chuẩn c1(0,1) Được gọi là bộ nghịch lưu lai Sơ đồ bộ nghịch lưu lai: ota S21 ne set ude Œ3 sit S21=] S41“ Yr tb is 3 ; gus “p m coh mp TT sa2«-|E + Hình 2.4 Hybrid multilevel Inverter Ude2 4)
- Bộ nghịch lưu lai có cầu trúc dựa vào sự kết nối nối tiếp một số loại cấu
trúc cơ bản đã trình bảy trên cho mỗi pha Những bộ nghịch lưu này nhìn chung
được kết nối từ những bộ nghịch lưu bậc thấp cơ bản như: 2 bộ nghịch lưu 3 pha 2 bậc kiểu điode kẹp với nhau hay bộ nghịch lưu 3 pha 3 bậc kiểu điode kẹp với bộ
nghịch lưu dạng cầu H
- Các bộ nghịch lưu cơ bản để ghép nối được cấp từ các nguồn một chiều
(DC source) riêng biệt Thông thường các bộ nghịch lưu cơ bản có nguồn điện áp
DC lớn hoạt động ở tần số của hài cơ bản còn những bộ nghịch lưu cơ bản có nguồn điện áp thấp hơn hoạt động ở tần số đóng cắt cao
Gần đây một số lý thuyết đã trình bày mối quan hệ mật thiết giữa phương
Trang 27thuật điều chế đa sóng mang có thể thực hiện bằng kỹ thuật một sóng mang duy nhất như bộ nghịch lưu hai bậc thông thường Sự tương quan này được ứng dụng vào đề
tai nay dé phat trién thành kỹ thuật điều chế sóng mang cho việc điều khiển điện áp
ngõ ra của bộ nghịch lưu lai đa bậc
Trong suốt quá trình xây dựng đề tài này chúng ta luôn lay co sé phân tích như kỹ thuật điều chế sóng mang truyền thống trong đó:
- Tổn thất trên các chuyển mạch là nhỏ nhất Cụ thể là điều khiển sao cho chỉ
có một chuyển mạch xảy ra trong quá trình quá độ chuyển tiếp giữa hai trạng thái đóng cắt
- Tăng giảm đều điện áp ngõ ra trong mỗi nửa chu kỳ của sóng mang
- Điều khiển tuyến tính PWM
2.4 Điều khiển bộ nghịch lưu áp theo phương pháp điều chế độ rộng xung sóng mang (Carrier based PWM)
Các bộ nghịch lưu áp thường được điều khiển dựa theo kỹ thuật điều chế độ rộng xung — PWM (Pulse Width Modulation) và qui tắc kích đóng đối nghịch Qui tắc kích đóng đối nghịch đảm bảo đạng 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
2.4.1 Tổng quát về kỹ thuật điều chế độ rộng xung - PWM
2.4.1.1 Một số chỉ tiêu đánh giá kỹ thuật PWM của bộ nghịch lưu
- 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
Trang 28- 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
nguôn điện được tính: — 2 312 THD, =^”—— (2.2) qa) - Dé méo dang trong truong hop dong điện không chứa thành phan DC dugc (oa THD, =-"\— = tính theo hệ thức sau: (2.3) Lay
Trong đó: I(): trị hiệu dụng sóng hài bậc j, j > 2
I(1): trị hiệu dụng thành phần hai cơ bản của dòng điện
- Thành phần hài:
Có dạng hình sin với tần số là bội số của tần số cơ bản Biên độ song hai
nhìn chung là nhỏ so với biên độ sóng tần số cơ bản - Bậc của hài: Được xác định như là tỉ số của tần số sóng hài Í; so với tần số cơ bán fr n= Si
Trong đó hài tấn số cơ bản f có bậc là 1, và n là bậc số
- Phổ: Thể hiện là dãy biên độ các hài khác nhau, minh hoạ như hình vẽ dưới
Trang 29100 % af 1 5 7 ~~ 8= ;
Hình 2.5 Phô của sóng hài
- Biểu diễn dạng sóng nhiễu:
Bất kỳ một hàm số có dạng không sin nào cũng có thể biểu diễn bằng chuỗi
Fourier như sau:
n=00
y(t)=Y, + > Y,v2 sin(nar-¢,)
n=l
Trong do:
+ Yo là biên độ của thanh phan DC, thanh phan nay bang 0 trong mạng phân
phối (trang thái xác lập)
+ Yn: Giá trị hiệu dụng của thành phần hài bậc n
+ @;: Góc pha của thành phân hài bậc n
Trang 30- Giá trị hiệu dụng của sóng nhiễu:
Giá trị hiệu dụng với các hài dạng sóng sin là trị cực đại chia cho V2.6 trang thái xác lập năng lượng phát sinh theo định luật Joule là bằng tổng các năng lượng
sinh ra do mỗi thành phần hải
Rl”t= RI?t+ RIjt+ + RIỆI
> 2 2 2
O day: =T+ 4/;
Nếu điện trở được xem như là hằng SỐ, giá trị hiệu dụng của sóng nhiễu có
thẻ được đo lường trực tiếp bằng các dụng cụ đo lường chuyên dụng (xác định theo
nhiệt độ) hoặc có thể phân tích qua máy phân tích ph
- Tỉ số hài thành phần và độ méo dang toan phan THD:
Tỉ số hài thành phần (hay phần trăm sóng hài): được diễn tả là tỉ số biên độ của một thành phần sóng hài so với sóng hài tần số cơ bản
Như vậy đối với hài bậc thứ n thì đó là tỉ số giá trị hiệu dụng của hài bậc n so
với hải cơ bản (1//1))
- Độ méo đạng toàn phần THD (ký hiệu là D): là tỉ số giá trị hiệu dụng của
tat cả các sóng hải so với một trị số được xác định dựa trên l trong 2 tiêu chuẩn sau:
+ Dựa trên tiêu chuẩn IEC 61000-2-2, với tiêu chuẩn này D có giá trị rất lớn
Trang 31
Việc tính toán THD sẽ được áp dụng theo tiêu chuẩn 2 trừ khi có yêu cầu, còn không THD sẽ được áp dung theo IEC 61000-2-2
- Các giới hạn và tiêu chuẩn về hài: + Giới hạn chung về sóng hài:
* Động cơ đồng bộ: dòng nhiễu stator cho phép là từ 1,3% đến 1,4% * Động cơ không đồng bộ: dòng nhiễu sfator cho phép là từ 1,5% đến 3,5% * Cáp: nhiễu điện áp đối với lõi cách điện cho phép 10%
+ Các tiêu chuẩn:
* Các tiêu chuẩn IEC 61000 về giới hạn tương thích điện từ đối với sóng
hài cụ thể:
* IEC 61000-3-2 xác định giới hạn của sóng hài đối với các thiết bị tiêu
thụ điện có đòng nhỏ hơn 16A trên mỗi pha Với các thiết bị tiêu thụ có dòng lớn hơn 16A được xem xét trong tài liệu kỹ thuật IEC/TS 61000-3-4 và tiêu chuẩn IEC
61000-3-12
* Tiêu chuẩn IEC 61000-2-2 đưa ra mức hài điện áp tương thích đối với
hệ thống hạ áp công cộng
* Tiêu chuẩn IEC 61000-2-4 đưa ra mức hài điện áp tương thích đối với
hệ điện công nghiệp
* Các tiêu chuẩn khác như EN 50160 đưa ra các đặc tính về điện áp cung cấp cho các hộ tiêu thụ Ở Pháp, Công ty điện lực EFD còn đưa ra một bản hợp đồng đối với các hộ tiêu thụ lớn gọi là “Emeraude”, hợp đồng này là sự cam kết về
chất lượng giữa bên mua điện đối với EFD về giới hạn mức độ gây ra nhiễu bởi các
Trang 32Bảng 2.7 Tiêu chuẩn IEEE-519 kiểm soát sóng hài cho hệ thống điện hạ áp
Odd Harmonic Order h (%) Isc/Tl |A<11 11Sh <17] 17S hk <23 | 23<h<35 135<h |THD(%) < 20 4.0 P.0 2.5 0.6 0.3 5.0 20~50 7.0 B.S 2.5 2.0 0.5 8.0 50~100 10.0 74.5 4.0 2.5 0.7 12.0 100~1000; 12.05.5 5.0 2.0 2.0 15.0 > 1000 15.0]7.0 6.0 2.5 2.4 20.0 - Tân số đóng ngắt và công suất tốn hao do đóng ngắt: Công suất tốn hao
xuất hiện trên linh kiện bao gồm hai thành phân: tổn hao công suất khi linh kiện ở
trạng thái dẫn điện Pon và tổn hao công suất động Pdyn Tên hao công suất Pdyn tăng lên khi tần số đóng ngắt của linh kiện tăng lên Tân số đóng ngắt của linh kiện
không thẻ tăng lên tùy ý vì những lí do sau:
+ Công suất tốn hao trên linh kiện tăng lên tỉ lệ với tần số đóng ngắt Linh : kiện công suất lớn thường gây ra công suất tôn 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 tir (Electromagnet Compatibility - EMC) qui định khá nghiêm ngặt đối với các bộ biến đổi công suất đóng ngắt với tần số cao hon 9KHz
2.4.1.2 Cac dang séng mang ding trong ky thuat PWM
Trang 33Vel Vp2 Ves Vị li UU 0.00 $00 10.00 Time (1s) ụ ụ hủ Hình 2.8 Hình dạng sóng mang APOD + Bố trí cùng pha — PD tất cả các sóng mang đều cùng pha \ Vp1 Vp2 Wp3 Ved 2.00 4.00 6.00 -41,.00 -2.00 0.00 s.00 10.00 16.00 20.00 Hình 2.9 Hình dạng sóng mang PD
Trang 34+ Trong các phương pháp bế 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 2.4.2 Phương pháp điều chế độ rong xung Sin (Sin PWM)
Phuong phap con co tén Subharmonic PWM (SH — PWM), hay Multi carrier based PWM
Để 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 tín hiệu điều khiển (dạng sin)
Về nguyên lý phương pháp được thực hiện dựa vào kỹ thuật analog Giản đồ
kích đóng các công tắc của bộ nghịch lưu dựa trên cơ sở so sánh hai tín hiệu cơ bản:
+ Song mang up (carrier signal) tần số cao, có thể ở đạng tam giác
+ Sóng điều khiển u, (reference signal) hoặc sóng điều chế (modulating signal) dang sin
Ví dụ: công tắc lẻ được kích đóng khi sóng điều khiển lớn hơn sóng mang (u, > 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-])
Chúng có cùng tần số f, và cùng biên độ đỉnh - đỉnh A 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-l) 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 Gợi mẹ
Trang 35Tương tự, gọi mạ là tỉ số điều chế biên độ (amplitude modulation ratio):
U m—reference An
~ (n-1).A,
m= oF (2.5)
m—carrier
+ Nếu m, < 1 (biên độ sóng sin nhỏ hơn tổng biên độ sóng mang) thì quan hệ
giữa thành phần cơ bản của điện áp ra và điện áp điều khiển là tuyến tính m + 0.785 ¥v 9 1 tìm tỳ
Hình 2.1 1 Quan hệ giữa biên độ sóng mang và sóng điều khiển
Khi giá trị mạ > 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 mạ Lúc nay, 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
Trang 362.4.3 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 thé chon 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 co thé biéu điễn dưới dạng toán học như sau: max(V,,V,,V.)+min(V,,V,,V,) F — 2 (2.7) V¿sgo — Vạ — Vopser Vosro = Vb — Vomet (2.8) Vesro = Ve — Voftset
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
Trang 37VÀ 5 -_“_ -0907 m = SFO_PWM _ 23 (2.9) —U Z + 1 0.907 0.785 oO 1 Un > uv =
Hình 2.12 Quan hệ giữa biên độ áp điều khiển và biên độ sóng mang
2.4.4 Phương pháp điều khiển PWM theo dòng điện
Phương pháp điều khiến theo dòng điện có nguyên lý cơ bản là giản đồ kích
đóng các công tắc được xác định trên cơ sở so sánh dòng điện yêu cầu của tải và
dòng điện thực tế đo được
Trong thực tế, điều khiển dòng điện có thể thực hiện theo kỹ thuật dùng
mạch kích trễ (hysteresis current control) hoặc dùng khâu hiệu chỉnh dòng điện (ramp comparison current control) Các cầu trúc thông tin điều khiển đòi hỏi thông
tin về các dòng điện thực tế Điều này có thể thực hiện được bằng ba cảm biến dòng
hoặc xác định hai dòng điện pha qua hai cảm biến dòng và dòng điện thứ ba xác
Trang 382.4.4.1 Phuong phap ding mach tao tré (hysteresis current control) Mạch so sánh hyteresis L + Si 1 Sele: I I + 5% 2 ——————>*‡ Nhàn Ih 1 + 5 3 ——————# đt <7 5 L rl 2
Hinh 2.13 Diéu khién theo dòng điện sử dụng mạch tạo trễ
Hình 2.13 trình bày cấu trúc mạch điều khiển bộ nghịch lưu áp theo dòng
điện, sử dụng mạch tạo trễ Dòng điện pha tải sẽ được điều khiển theo dòng điện
yêu cầu với độ sai biệt cho phép thiết lập trong mạch trễ
Ưu điểm của mạch điều chỉnh dòng điện dùng mạch trễ là đáp ứng quá độ
nhanh và có thể thực hiện dễ dàng Tuy nhiên, nhược điểm của nó là sai số trong
quá trình quá độ có thê đạt giá trị lớn và tần số đóng ngắt thay đổi nhiều Sai số
dòng điện cực đại có thể đạt hai lần gia tri sai số cho bởi mạch trễ Các nhược điểm
vừa nêu làm cho khả năng ứng dụng của phương pháp bị hạn chế đối với các tải có công suất lớn
2.4.4.2 Phương pháp điều khiến dòng điện sử dụng khâu hiệu chỉnh PI (ramp
Trang 39Phương pháp thực hiện đóng ngắt với tần số cố định Hình 2.14 trình bày nguyên lý điều khiển đòng trong tọa độ đứng yên (stationary frame), độ sai biệt giữa
tín hiệu dòng đặt yêu cầu iy, va tín hiệu dòng điện đo được tác động lên khâu hiệu chỉnh dòng điện Tín hiệu áp điều chỉnh ở ngõ ra của nó được so sánh với tín hiệu
sóng mang tần số cao, và từ đó tác động xung kích lên cho các công tắc
Do sử dụng mạch điều chế sóng mang có tần số không thay đổi nên phương pháp đã loại bỏ một số khuyết điểm của phương pháp điều khiển dùng mạch trễ Tuy nhiên ở trạng thái xác lập luôn tôn tại sự sai biệt dòng điện và sự chậm pha của đáp ứng so với tín hiệu đặt vì khâu hiệu chỉnh PI không thể theo kịp một cách chính
xác các đại lượng xoay chiều biến thiên theo hình sin, đặc biệt ở tần số cao
2.4.4.3 Phương pháp điều khiển Vector dòng điện (Space vector Current Control)
Trong hệ tọa độ quay: Phương pháp điều khiển dòng điện có thể thực hiện với khâu hiệu chỉnh PI thiết kế trong trong hệ tọa độ quay (rotating synchronnous coordinates d-q) với vận tốc quay bằng vận tốc sóng hài cơ bản Vector của đại lượng ba pha hài cơ bản trong hệ tọa độ quay tần số đồng bộ sẽ trở thành đứng yên
Trang 40Các đại lượng trong hệ ba pha abe qui đổi sang hệ tọa độ quay đồng bộ đ-4 lần lượt theo các hệ thức: | “hy II, r-[z|-j|» 34 -'⁄4|› b l2 i, |_| COSY, sn7s ly ¡| |—sinys —cosZs li; ÿ; = |ay 0
Các khâu hiéu chinh PI sẽ thực hiện điều chỉnh sai số của các thành phần
một chiều (hài cơ bản) đến triệt tiêu Các tín hiệu ngõ ra của hiệu chỉnh PI là các thành phần điện áp yêu cầu trong hệ tọa độ đ-4 Trên cơ sở các thành phần vector
điện áp này, việc tạo giản đồ kích cho bộ nghịch lưu có thé thực hiện bằng kỹ thuật điều chế độ rộng sin (SPWM) (trong hệ tọa độ abe) hoặc bằng kỹ thuật điều chế
vector không gian (SVM) (trong hệ tọa độ œB) Phép qui đổi các đại lượng từ hệ toa
độ đ sang các hệ tọa độ còn lại được mô tả bởi các hệ thức sau:
1
Ug 0
u cos —sin u., _ ue
(zl-[ez =szIzlalzll Mạ S17, COSYs ||, u,, -Y, #⁄ J3] Bf 8