Bài giảng Điện tử công suất: Bộ nghịch lưu, biến tần Power Inverter (phần 3) - PGS.TS Lê Minh Phương

Bài giảng Điện tử công suất: Bộ nghịch lưu, biến tần Power Inverter (phần 3) trình bày những nội dung sau: Hệ tọa độ ba pha, biến hình không gian - Space transformation, điện áp dây, các vector điện áp,...và nhiều nội dung liên quan khác. Mời các bạn cùng tham khảo.

1/21/2013 Ho Chi Minh City University of Technology PGS.TS Lê Minh Phương Khoa Điện –Điện Tử Trường Đại Học Bách Khoa TP HỒ CHÍ MINH Contact info: Address: 268 Lý Thường Kiệt, P.14,Q.10, TP Hồ Chí Minh Telephone: 84-08-38647256 (5722) Mobile: 0988572177 E-mail: lmphuong@hcmut.edu.vn; ivanphuong@yahoo.com Power Electronics Chương BỘ NGHỊCH LƯU – BIẾN TẦN POWER INVERTER PGS.TS Lê Minh Phương Khoa Điện –Điện Tử Trường ĐHBK TPHCM TPHCM 2012 1/21/2013 Contents – Nội dung Tổng quan Bộ nghịch lưu áp a Cấu hình b Nguyên lý làm việc c Phương pháp điều khiển d Mơ hình hóa Matlab-Simulink Bộ nghịch lưu áp a Cấu hình b Nguyên lý làm việc c Phương pháp điều khiển d Mơ hình hóa Matlab-Simulink 1/21/2013 PGS.TS Le Minh Phuong Bộ nghịch lưu áp - VSI Space-Vector Modulation Techniques Phương pháp điều chế vector không gian (SVPWM) thực kỹ thuật số  Là phương pháp sử dụng phổ biến lãnh vực điện tử công suất Ứng dụng điều khiển truyền động điện xoay chiều pha, điều khiển mạch lọc tích cực, điều khiển thiết bị công suất hệ thống truyền tải điện 1/21/2013 PGS.TS Le Minh Phuong 1/21/2013 Bộ nghịch lưu áp - VSI Hệ tọa độ ba pha Cho điện áp pha cân với biên độ Vm va  Vm sin(t ) 2   vb  Vm sin  t     4   vc  Vm sin  t     1/21/2013 PGS.TS Le Minh Phuong Bộ nghịch lưu áp - VSI Hệ tọa độ ba pha Tại thời điểm t=0 (wt=0) va (t )  Vm sin  2  vb (t )  Vm sin    vc (t )  Vm sin(0   Vm   4 ) Vm 3 vmod  Vm 1/21/2013 PGS.TS Le Minh Phuong 1/21/2013 Bộ nghịch lưu áp - VSI Hệ tọa độ ba pha Tại thời điểm wt=/6 va (t )  Vm sin   Vm   2 vb (t )  Vm sin   6    Vm   4 V vc (t )  Vm sin(  )  m 3 vmod  Vm 1/21/2013 PGS.TS Le Minh Phuong Bộ nghịch lưu áp - VSI Hệ tọa độ ba pha Tại thời điểm wt=/3 va (t )  Vm sin   Vm   2  vb (t )  Vm sin   Vm  3   4 vc (t )  Vm sin(  )  3 vmod  Vm 1/21/2013 PGS.TS Le Minh Phuong 1/21/2013 Bộ nghịch lưu áp - VSI Hệ tọa độ ba pha Vector điện áp v tổng hình học vector (va, vb, vc) v  va  vb  vc  Sau khoảng thời gian t, vector v quay góc wt ngược chiều kim đồng hồ (ví dụ /6) Biên độ vector tổng 3/2Vm 1/21/2013 PGS.TS Le Minh Phuong Bộ nghịch lưu áp - VSI Hệ tọa độ ba pha  Để làm việc với biên độ Vm phải nhân vector V với hệ số 2/3 v (t )  [va  vbe j (2/3)  vc e  j (2/3) ] v (t )  [va  avb  a 2vc ] a  e j (2/3)  cos a  e j (4/3)  cos( 1/21/2013 2 2  j sin   j 3 2 4 4 )  j sin( )    j 3 2 Trong va, vb, vc giá trị tức thời điện áp PGS.TS Le Minh Phuong 10 1/21/2013 Bộ nghịch lưu áp - VSI Biến hình khơng gian - Space transformation Vector V(t) hệ trục (abc) v (t )  [va  vbe j (2/3)  vc e  j (2/3) ] Biến đổi theo dạng số phức 3 v (t )  [va  vb  j vb  vc  j vc ] 2 2 v (t )  [va  (vb  vc )  j (vb  vc )] 2 v (t )  v (t )  jv (t ) 1/21/2013 11 PGS.TS Le Minh Phuong Bộ nghịch lưu áp - VSI Biến hình khơng gian - Space transformation 2 v  [va  (vb  vc )]  va  (vb  vc ) 3 v  (vb  vc )  v     v  1/21/2013 2  cos0 cos 2  2 3  sin sin  4 2 sin cos PGS.TS Le Minh Phuong  v   a   vb      vc   12 1/21/2013 Bộ nghịch lưu áp - VSI Vector điện áp v (t )  v (t )  j 2 Vm sin t  Vme 3 2 j 2   sin  t    Vme   2 4    sin  t     2 4 j j 2 2 2 4 4   cost sin )  Vme (sin tcos  cost sin )  Vm sin t  Vme (sin tcos 3 3 3  v (t )  Vm (cost  j sin t )  Vme jt Như vậy, hệ trục  vector khơng gian V(t) có biên độ Vm quay từ vị trí với tốc độ góc  ngược chiều kim đồng hồ 1/21/2013 13 PGS.TS Le Minh Phuong Space Vector Modulation Space Vector Modulation Switching States Trạng thái đóng ngắt nghịch lưu biểu diễn dạng nhị phân q1, q2, q3, q4, q5, q6, qk = transistor dẫn ngược lại qk = 0, transistor ngắt Các cặp q1q4, q3q6, q5q2 bù cho nhau, nghĩa là, q4 = 1- q1, q6 = 1- q3, q2 = 1- q5 1/21/2013 PGS.TS Le Minh Phuong 14 1/21/2013 Space Vector Modulation Space Vector Modulation Switching States 1/21/2013 Phương pháp điều khiển bước tạo nên dịch chuyển nhảy cấp tuần hoàn vector khơng gian vị trí đỉnh hình lục giác Điều làm trình điện áp pha tải nghịch lưu hình thành chứa nhiều thành phần sóng hài bậc cao Hệ quỹ đạo vector không gian bị biến đổi pha modul so với trường hợp áp ba pha tải dạng sin Mặt khác, phương pháp điều chế độ rộng xung dạng sin dù tạo điện áp pha tải gần dạng sin đảm bảo phạm vi điều khiển thành phần điện áp pha tải đến biên độ Vd/2 Phương pháp điều chế vector không gian khắc phục nhược điểm hai phương pháp nêu PGS.TS Le Minh Phuongpháp điều chế vector không gian tạo nên Ý tưởng phương dịch chuyển liên tục vector không gian tương đương quỹ đạo đường tròn vector điện áp nghịch lưu, tương tự trường hợp vector không gian đại lượng sin ba pha tạo Với dịch chuyển đặn vector khơng gian quỹ đạo tròn, sóng hài bậc cao loại bỏ quan hệ tín hiệu điều khiển biên độ áp trở nên tuyến tính Vector tương đương vector trung bình thời gian chu kỳ lấy mẫu Ts trình điều khiển nghịch lưu áp 15 Space Vector Modulation Space Vector Modulation Điện áp pha tính dựa vào trạng thái đóng ngắt   v      Vs   v     1   vL   Vs      vL   0  va  1/21/2013 1 Vs (2q1  q3  q5 ) vab  Vs (q1  q3 ) 1  q  1    q3      q   5 1  q  1     q3   3   q   5 vb  Vs (2q3  q1  q5 ) vbc  Vs (q3  q5 ) PGS.TS Le Minh Phuong vc  Vs (2q5  q1  q3 ) vca  Vs (q5  q1 ) 16 1/21/2013 Space Vector Modulation Space Vector Modulation Ví dụ:  Switching state [POO] → S1, S6 and S2 ON 2Vs V vb   s 3 Vector điện áp va   vc   Vs V1  Vs e j  Tổng quát  j ( k 1) Vk  Vs e Với k=1,2 ,6 1/21/2013 PGS.TS Le Minh Phuong 17 Space Vector Modulation Active and Zero Vectors 1/21/2013 PGS.TS Le Minh Phuong 18 1/21/2013 Bộ nghịch lưu áp - VSI Điện áp dây 1/21/2013 20 PGS.TS Le Minh Phuong Bộ nghịch lưu áp - VSI Điện áp pha 1/21/2013 PGS.TS Le Minh Phuong 21 10 1/21/2013 Space Vector Modulation Dwell Time Calculation Volt-Second Balancing Vref Ts  V1.Ta  V2 Tb  V0 T0  Ts  Ta  Tb  T0 Ta, Tb and T0 – dwell times for , and V1 V2 V0 Ts – sampling period Space vectors  j 2 Vref  Vref e j ;V1  Vs ;V2  Vs e 3 1/21/2013 PGS.TS Le Minh Phuong  Re : Vref cos  VsTa  VsTb  Im : V sin   V T ref s b  32 Space Vector Modulation Dwell Time Calculation Volt-Second Balancing Vref Ts  V1.Ta  V2 Tb  V0 T0  Ts  Ta  Tb  T0 Ta, Tb and T0 – dwell times for , and V1 V2 V0 Ts – sampling period Space vectors  j 2 Vref  Vref e j ;V1  Vs ;V1  Vs e 3 1/21/2013 PGS.TS Le Minh Phuong 33 15 1/21/2013 Space Vector Modulation Dwell Time Calculation  Re : Vref Ts cos  VsTa  VsTb  Im : V T sin   V T ref s s b   3TsVref  sin(   ) Ta  Vs   3TsVref  sin  Tb  Vs  T0  Ts  Ta  Tb   1/21/2013    34 PGS.TS Le Minh Phuong Space Vector Modulation Modulation Index  3TsVref  sin(n   ) Ta  V s   3TsVref n 1  sin(  ) Tb  Vs  T0  Ts  Ta  Tb   1/21/2013   Ta  maTs sin(n   )  n 1  ) Tb  maTs sin(   T0  Ts  Ta  Tb   PGS.TS Le Minh Phuong n  6;0    n  6;0     ma   3Vref Vs 35 16 1/21/2013 Space Vector Modulation Vref Location versus Dwell Times 1/21/2013 PGS.TS Le Minh Phuong 36 Space Vector Modulation Modulation Range Vref,max Vs Vref,max  Vs  3 ma ,max  3Vref,max Vs 1 Modulation range: ≤ ma ≤ 1/21/2013 PGS.TS Le Minh Phuong 37 17 1/21/2013 Space Vector Modulation Switching Sequence Design Basic Requirement: Trình tự đóng ngắt phải thực cho chuyển từ trạng thái sang trạng thái khác có pha chuyển mạch Implementation: Ví dụ, vector điện áp nằm sector 1, trình tự đóng ngắt V0,V1,V2,V7,V7,V2,V1,V0 Thời gian Tz ( = T0 = T7) chia phân bố thời điểm đầu cuối chu kỳ Ts 1/21/2013 PGS.TS Le Minh Phuong 38 Space Vector Modulation • Seven-segment Switching Sequence Selected vectors: V0, V1 and V2 • Dwell times: Ts = T0 + Ta + Tb Total number of switchings: 1/21/2013 PGS.TS Le Minh Phuong 39 18 1/21/2013 Space Vector Modulation Vector in Sector TPWM Ts Ts To/2 TA TB To/2 To/2 TB TA To/2 V0 V1 V2 V7 V7 V2 V1 V0 S1 S3 S5 Vector Vs in Sector 1/21/2013 40 PGS.TS Le Minh Phuong Space Vector Modulation Vector in Sector Ts Ts To/2 TB TA To/2 To/2 TA TB To/2 V0 V3 V2 V7 V7 V2 V3 V0 S1 S3 S5 Vector Vs in Sector 1/21/2013 PGS.TS Le Minh Phuong 41 19 1/21/2013 Space Vector Modulation Vector in Sector Ts Ts To/2 TA TB To/2 To/2 TB TA To/2 V0 V3 V4 V7 V7 V4 V3 V0 S1 S3 S5 Vector Vs in Sector 1/21/2013 42 PGS.TS Le Minh Phuong Space Vector Modulation Vector in Sector Ts Ts To/2 TB TA To/2 To/2 TA TB To/2 V0 V5 V4 V7 V7 V4 V5 V0 S1 S3 S5 Vector Vs in Sector 1/21/2013 PGS.TS Le Minh Phuong 43 20 1/21/2013 Space Vector Modulation Vector in Sector Ts Ts To/2 TA TB To/2 To/2 TB TA To/2 V0 V5 V6 V7 V7 V6 V5 V0 S1 S3 S5 Vector Vs in Sector 1/21/2013 44 PGS.TS Le Minh Phuong Space Vector Modulation Vector in Sector Ts Ts To/2 TB TA To/2 To/2 TA TB To/2 V0 V1 V6 V7 V7 V6 V1 V0 S1 S3 S5 Vector Vs in Sector 1/21/2013 PGS.TS Le Minh Phuong 45 21 1/21/2013 Space Vector Modulation 010 110 111 000 011 100 001 101 Value time 1/21/2013 PGS.TS Le Minh Phuong 46 Space Vector Modulation • Switching Sequence Summary (7–segments) 1/21/2013 PGS.TS Le Minh Phuong 49 22 1/21/2013 Space Vector Modulation Simulated Waveforms f1 = 60Hz, fsw = 900Hz, ma = 0.696, Ts = 1.1ms 1/21/2013 PGS.TS Le Minh Phuong 50 Space Vector Modulation Waveforms and FFT f1 = 60Hz, fsw = 900Hz, ma = 0.696, Ts = 1.1ms 1/21/2013 PGS.TS Le Minh Phuong 51 23 1/21/2013 Space Vector Modulation Waveforms and FFT (thực nghiệm) f1 = 60Hz, fsw = 900Hz, ma = 0.696, Ts = 1.1ms 1/21/2013 PGS.TS Le Minh Phuong 52 Space Vector Modulation Waveforms and FFT (Measured) f1 = 60Hz, fsw = 900Hz, ma = 0.696, Ts = 1.1ms 1/21/2013 PGS.TS Le Minh Phuong 53 24 1/21/2013 Bộ nghịch lưu áp - VSI Overmodulation - Quá điều chế Quá điều chế cho phép tận dụng điện áp nguồn DC nhiều kỹ thuật điều chế vector chuẩn, điện áp dạng không sin với hệ số méo dạng cao, đặc biệt tần số điện áp ngõ thấp Hệ số điều chế lớn SVM ma=2/3 Khi 0