Nghịch lưu đa mức

Bài báo nêu lên những ưu điểm của bộ nghịch lưu đa mức so với bộ nghịch lưu hai mức truyền thống. Từ đó, ba cấu trúc phổ biến nhất của bộ nghịch lưu đa mức: Kiểu điôt kẹp, kiểu tụ kẹp và kiểu cầu H nối tầng được chỉ ra dựa trên việc phân tích các sơ đồ mạch điện, những công thức tính toán giá trị điện áp và dòng điện cũng như những kỹ thuật điều chế (SPWM, điều chế vector không gian). Mô hình mô phỏng áp dụng cho cấu trúc bộ nghịch lưu đa mức kiểu điôt kẹp được xây dựng trên Matlab & Simulink để kiểm chứng các ưu điểm của cấu trúc này.

THE INTERNATIONAL CONFERENCE ON MARINE SCIENCE AND TECHNOLOGY 2016 Nghịch lưu đa mức Multilevel Inverter Đặng Hồng Hải, Phạm Văn Tồn Trường Đại học Hàng hải Việt Nam, danghonghai@vimaru.edu.vn, Tóm tắt Bài báo nêu lên ưu điểm nghịch lưu đa mức so với nghịch lưu hai mức truyền thống Từ đó, ba cấu trúc phổ biến nghịch lưu đa mức: Kiểu điôt kẹp, kiểu tụ kẹp kiểu cầu H nối tầng dựa việc phân tích sơ đồ mạch điện, cơng thức tính tốn giá trị điện áp dòng điện kỹ thuật điều chế (SPWM, điều chế vector khơng gian) Mơ hình mơ áp dụng cho cấu trúc nghịch lưu đa mức kiểu điôt kẹp xây dựng Matlab & Simulink để kiểm chứng ưu điểm cấu trúc Từ khóa: Bộ nghịch lưu đa mức, phương pháp điều chế nghịch lưu đa mức, Matlab & Simulink Abstract This paper gives advantages of multilevel inverter in comparison with traditional two-level inverter Consequently, the most common topologies of this inverter including neutral point clamped, flying capacitor and cascade H-bridge multilevel inverter are showed based on analysing electric schematics, expressions in voltage and current as well as modulation methods (SPWM, SVM) A simulation model, applying for neutral point clamped multilevel inverter on Matlab & Simulink, is constructed to verify these strong points of this topology Keyword: Multilevel Inverter, multilevel Inverter Modulation, Matlab & Simulink Giới thiệu chung Nghịch lưu đa mức - Multilevel Converter nghịch lưu có cấu trúc xếp van bán dẫn (thường IGBT) linh kiện phụ trợ (tụ điện, điôt) theo nhiều mức khác Mạch nghịch lưu có đầu vào động lực nguồn điện chiều, thường lấy từ ăcquy từ mạch chỉnh lưu đầu nối trực tiếp với tải động thông qua lọc, đầu vào điều khiển tín hiệu điều khiển van bán dẫn đến từ điều chế Sơ đồ khối nghịch lưu mức làm việc với tải động hình Hình Cấu trúc tổng quát nghịch lưu đa mức với tải động Hình Điện áp đầu nghịch lưu với mức khác Hình mơ tả điện áp đầu nghịch lưu đa mức với mức khác Trong n số mức nghịch lưu Như với nghịch lưu hai mức điện áp đầu nghịch lưu có ba mức HỘI NGHỊ QUỐC TẾ KHOA HỌC CÔNG NGHỆ HÀNG HẢI 2016 379 THE INTERNATIONAL CONFERENCE ON MARINE SCIENCE AND TECHNOLOGY 2016 Tương tự với nghịch lưu ba mức tạo năm mức điện áp đầu ra, Tổng quát số mức điện áp đầu tính cơng thức nvra = 2n-1 [1] Số mức nghịch lưu tăng chất lượng nghịch lưu tốt thể tham số: - Tổng méo hài bậc cao giảm rõ rệt (từ > 50% nghịch lưu hai mức xuống < 10% nghịch lưu chín mức); - Điện cảm lọc đầu không cần trị số lớn có chất lượng điện áp tốt; - Tuy cơng suất tiêu thụ điện cảm thay đổi công suất tổn hao van bán dẫn giảm đáng kể Mặc dù số mức điện áp nghịch lưu tăng đồng nghĩa với việc mạch nghịch lưu cần có số van lớn {6.(n-1) với n số mức nghịch lưu} tổng công suất tổn hao van lại mạch nhiều van điện áp đặt lên linh kiện giảm thời gian đóng mở linh kiện Các nghịch lưu đa mức điều chế theo phương pháp khác nhau, phổ biến hai phương pháp: điều chế độ rộng xung đa mức (Muti-level pusle width modulation - PWM) điều chế vectơ không gian đa mức Cả hai phương pháp sử dụng để điều khiển đóng/cắt van bán dẫn mạch nghịch lưu theo quy tắc định Tín hiệu vào điều chế đại lượng mà thuật tốn điều chế u cầu (dòng điện tải, điện áp tải, tốc độ, mơ men động cơ,…) tín hiệu xung điều khiển van bán dẫn đưa tới mạch lực nghịch lưu Phụ thuộc vào cấu trúc mạch nghịch lưu, có sơ đồ nghịch lưu khác Các cấu trúc mạch lực nghịch lưu đa mức 2.1 Cấu trúc mạch lực nghịch lưu đa mức kiểu điôt kẹp (Neutral Point Clamped Multilevel Inverter - NPC) Nghịch lưu điôt kẹp cung cấp nhiều mức điện áp khác dựa điện áp dãy tụ điện mắc nối tiếp Số mức điện áp nghịch lưu tỉ lệ thuận với số tụ nối tiếp với dãy tụ [1] Ban đầu người ta đưa sơ đồ nghịch lưu ba mức với hai tụ điện mạch DC Vì có hai tụ điện mắc nối tiếp nên có thêm mức điện áp thêm vào ½Vdc hai mức điện áp Vdc, thực cách kích mở van bán dẫn nối điểm mạch DC (hay điểm nối tụ điện) với tải nối điểm vào pha thơng qua điơt Có thể nhận thấy van bán dẫn điểm kẹp tương ứng kích mở điểm nối vào đầu ra, điện áp pha điện áp dãy tụ điện tương ứng Vì điểm trung tính nối vào van bán dẫn thơng qua điôt nên xuất thuật ngữ NPC Tuy nhiên tăng dần số mức nghịch lưu đồng nghĩa với Hình Cấu trúc tổng quát nghịch lưu tăng dần số lượng tụ điện điểm nối kiểu điơt kẹp tụ (hay điểm trung tính) thường dùng thuật ngữ MPC (Multiple Point Clamped Nhiều điểm kẹp (bám)) để nghịch lưu dạng (hình 3) Phương pháp điều chế chung: cần xác định thời gian đóng mở van pha Chi tiết hơn, thời gian đóng mở mơ tả biểu thức: HỘI NGHỊ QUỐC TẾ KHOA HỌC CÔNG NGHỆ HÀNG HẢI 2016 380 THE INTERNATIONAL CONFERENCE ON MARINE SCIENCE AND TECHNOLOGY 2016 𝑇𝑎𝑖 =1 với 𝑠𝑎 ≥ 𝑖 𝑇𝑎𝑖 =0 với 𝑠𝑎 < 𝑖 Quan hệ 𝑠𝑎 𝑇𝑎𝑖 biểu diễn công thức: 𝑠𝑎 = ∑𝑛−1 𝑖=1 𝑇𝑎𝑖 Trong đó: n số mức nghịch lưu Quan hệ 𝑠𝑖 𝑣𝑖𝑔 biểu diễn công thức: (1) (2) 𝑣 𝑑𝑐 𝑣𝑖𝑔 = 𝑛−1 𝑠𝑖 (3) Trong đó: i = a, b, c Khi van bán dẫn kích mở, biểu thức chung điện áp pha - tâm nguồn DC thành phần pha a dòng chiều viết sau: 𝑣𝑎𝑔 = ∑𝑛−1 (4) 𝑖=1 𝑇𝑎𝑖 𝑣𝑐𝑖 𝑖𝑎𝑑𝑐𝑖 = |𝑇𝑎(𝑖+1) − 𝑇𝑎𝑖 | 𝑖𝑎𝑠 i = 1, 2,…, (n-2) (5) Hai biểu thức (3) (4) dùng để lập trình mơ nghịch lưu đa mức Nó cho phép mơ thay đổi áp tụ Trong trường hợp cần xác phải tính đến tổn hao van điôt Nếu bỏ qua điện áp rơi điơt kẹp biểu thức điện áp cho van bán dẫn viết sau: 𝑣𝑇𝑎𝑖 = (1 − 𝑇𝑎𝑖 )𝑣𝑐𝑖 + 𝑇𝑎𝑖 [𝐼𝑎 𝑣𝑠𝑤 − (1 − 𝐼𝑎 )𝑣𝑑 ] (6) Trong 𝑣𝑠𝑤 𝑣𝑑 điện áp rơi tương ứng van điôt dẫn 𝐼𝑎 đại lượng phản ánh chiều dòng điện pha a, giá trị biểu thức (7): 𝐼𝑎 =1 với 𝑖𝑎𝑠 ≥ (7) 𝐼𝑎 =0 với 𝑖𝑎𝑠 < Điện áp pha xác định theo biểu thức (8): vag = ∑n−1 (8) i=1 Tai [vTai − Ia vsw + (1 − Ia )vd ] Dòng điện van xác định theo biểu thức (9): 𝑖 𝑇𝑎𝑖 = 𝑇𝑎𝑖 𝐼𝑎 𝑖𝑎𝑠 (9) Dòng điện 𝑖𝑑𝑐𝑖 điểm nút xác định theo biểu thức (10): 𝑖𝑑𝑐𝑖 = [𝑇𝑎𝑖 − 𝑇𝑎(𝑖−1) ]𝑖𝑎𝑠 (10) 2.2 Cấu trúc mạch lực nghịch lưu đa mức kiểu tụ kẹp (Flying Capacitor Multilevel Inverter FLC) Cấu trúc nghịch lưu đa mức nguồn áp dùng tụ kẹp giới thiệu Meynard Foch [2] để thay cho nghịch lưu đa mức dùng diode kẹp dựa vào thuận lợi kiểu cấu tạo Cấu trúc tổng quát nghịch lưu dùng tụ kẹp hình Ý tưởng cấu trúc điôt kẹp tăng số mức điện áp dãy tụ nối tiếp thông qua điơt kẹp để đưa vào tải ý tưởng cấu trúc dùng tụ kẹp thay cặp điôt kẹp tụ điện kẹp Mỗi tụ kẹp nạp đến nửa điện áp DC nối vào pha để cộng trừ điện áp cách trực tiếp Tức là, điện áp đầu kết hợp tụ điện mắc nối tiếp sơ đồ 2.3 Cấu trúc mạch lực nghịch lưu dùng cầu H nối tầng (Cascade H-Bridge Multilevel Inverter - CHB) Được đề xuất vào năm 1975 [1], nhiên gần bổ sung hoàn thiện Ý tưởng kiểu cấu trúc mắc nối tiếp nhiều cell nhánh pha tải, cell mạch nghịch lưu cầu pha với nguồn DC riêng cách ly với nhau: Vdc1 = Vdc2 = … = Vdcn = V Như tự thân cell mạch nghịch lưu nhiều mức Cụ thể cách kích mở hợp lý linh kiện nghịch lưu pha tạo thành ba mức điện áp (-V, 0, V) cell HỘI NGHỊ QUỐC TẾ KHOA HỌC CÔNG NGHỆ HÀNG HẢI 2016 381 THE INTERNATIONAL CONFERENCE ON MARINE SCIENCE AND TECHNOLOGY 2016 Hình Sơ đồ nghịch lưu năm mức cầu H nối tầng hai cell Hình Sơ đồ nghịch lưu n mức dùng tụ kẹp Sự kết hợp hoạt động n nghịch lưu áp nhánh pha tải tạo nên n khả mức điện áp theo chiều âm (-V, -2V,…, -nV), n khả mức điện áp theo chiều dương (V, 2V,…, nV) mức điện áp Như vậy, nghịch lưu áp dạng cascade gồm n nghịch lưu áp pha nhánh tạo thành nghịch lưu (2n+1) mức [2] Để mạch hoạt động trạng thái đóng/cắt van bán dẫn nhánh pha phải thoả mãn điều kiện đóng/cắt đối nghịch Phương pháp điều khiển nghịch lưu đa mức 3.1 Phương pháp điều chế SPWM Phương pháp có tên Subharmonic PWM (SH-PWM), hay Multi carrier based PWM [3] Ý tưởng phương pháp sin PWM so sánh số sóng mang (dạng tam giác) tín hiệu điều khiển (dạng sin) để tạo giản đồ kích mở linh kiện pha tải Về nguyên lý, phương pháp thực dựa vào kỹ thuật analog - Sóng mang 𝑢𝑝 (carrier signal) tần số cao, dạng tam giác Tuy nhiên, tần số đóng/cắt cao làm tổn hao phát sinh trình đóng/cắt van bán dẫn tăng theo Ngồi ra, linh kiện có thời gian ton toff định, yếu tố làm hạn chế việc chọn tần số sóng mang; - Sóng điều khiển 𝑢𝑟 (reference signal) sóng điều chế (modulating signal) dạng sin Tuỳ theo việc xếp van bán dẫn, van kích đóng sóng điều khiển lớn sóng mang (𝑢𝑟 > 𝑢𝑝 ) Trong trường hợp ngược lại, van đối nghịch kích đóng (hình 6) Khi tần số sóng mang cao, lượng sóng hài bậc cao xuất dạng điện áp dòng tải bị khử nhiều Tỉ số điều chế tần số (frequency modulation ratio) 𝑚𝑓 xác định theo biểu thức (11): 𝑓𝑐𝑎𝑟𝑟𝑖𝑒𝑟 𝑚𝑓 = 𝑓 𝑟𝑒𝑓𝑒𝑟𝑒𝑛𝑐𝑒 = 𝑓𝑚 (11) 𝑓𝑐 Việc tăng giá trị mf dẫn đến việc tăng giá trị tần số sóng hài xuất Nhược điểm việc tăng tần số sóng mang gây nên tổn hao lớn số lần đóng/cắt lớn Tỉ số điều chế biên độ (amplitude modulation ratio) ma xác định theo biểu thức (12): 𝑚𝑎 = 𝑈𝑚−𝑟𝑒𝑓𝑒𝑟𝑒𝑛𝑐𝑒 𝑈𝑚−𝑐𝑎𝑟𝑟𝑖𝑒𝑟 𝐴 𝑚 = (𝑛−1)𝐴 𝑐 HỘI NGHỊ QUỐC TẾ KHOA HỌC CÔNG NGHỆ HÀNG HẢI 2016 (12) 382 THE INTERNATIONAL CONFERENCE ON MARINE SCIENCE AND TECHNOLOGY 2016 Hình Quan hệ biên độ sóng mang sóng điều khiển Hình Nguyên lý tạo xung kỹ thuật PWM Trong trường hợp 𝑚𝑎 ≤ (biên độ sóng sin nhỏ tổng biên độ sóng mang) quan hệ thành phần điện áp điện áp điều khiển tuyến tính Trong trường hợp giá trị 𝑚𝑎 > 1, biên độ tín hiệu điều chế lớn tổng biên độ sóng mang biên độ hài điện áp tăng khơng tuyến tính theo 𝑚𝑎 Khi bắt đầu xuất lượng sóng hài bậc cao tăng dần đạt mức giới hạn cho phương pháp sáu bước Phương pháp SPWM đạt số điều chế lớn vùng tuyến tính biên độ sóng điều chế tổng biên độ sóng mang: 𝑚𝑆𝑃𝑊𝑀 𝑚𝑎𝑥 = 𝑈 𝑈(1)𝑚 (1)𝑚−𝑠𝑖𝑥𝑠𝑡𝑒𝑝 = 𝑉𝑑𝑐/2 𝑉𝑑𝑐 𝜋 = 𝜋 = 0.785 (13) Trong Vdc tổng điện áp nguồn DC 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 định từ giao điểm sóng điều khiển sóng mang dạng tam giác 3.2 Phương pháp điều chế vector không gian Phương pháp điều chế vector không gian, xuất phát từ ứng dụng vector không gian máy điện xoay chiều, sau mở rộng triển khai hệ thống điện ba pha Phương pháp điều chế vector khơng gian dạng cải biến có tính đại, giải thuật chủ yếu dựa vào kỹ thuật số phương pháp sử dụng phổ biến lĩnh vực điện tử công suất liên quan đến điều khiển đại lượng xoay chiều ba pha điều khiển truyền động điện xoay chiều, điều khiển mạch lọc tích cực, điều khiển thiết bị công suất hệ thống truyền tải điện [4] Ý tưởng phương pháp điều chế vector không gian tạo nên dịch chuyển liên tục vector không gian tương đương quĩ đạo đường tròn véc-tơ 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 kì lấy mẫu Ts trình điều khiển nghịch lưu áp Nguyên lý điều chế vector không gian nghịch lưu áp đa mức thực tương tự nghịch lưu hai mức Kỹ thuật điều chế SVM thực qua bước sau: Bước 1: Xác định giản đồ vector không gian vị trí vector trung bình: Bước xác định số trạng thái chuyển mạch số vector độc lập trạng thái chuyển mạch tạo Biểu diễn hình học vector chuyển mạch sau: vector chuyển mạch chia mặt phẳng thành góc phần sáu (sector) đánh số từ I đến VI Mỗi góc HỘI NGHỊ QUỐC TẾ KHOA HỌC CÔNG NGHỆ HÀNG HẢI 2016 383 THE INTERNATIONAL CONFERENCE ON MARINE SCIENCE AND TECHNOLOGY 2016 phần sáu lại chia thành vùng (region) tam giác nhỏ việc nối đỉnh vector nhỏ ⃗ 𝑟𝑒𝑓 Bước 2: Xác định thời gian đóng/cắt để tạo thành vector 𝑉 Có biểu diễn hình học vector không gian, tiến hành xác định thời ⃗ 𝑟𝑒𝑓 quay liên tục quanh gốc toạ độ Nguyên lý để tạo nên gian chuyển mạch để tạo thành vecto 𝑉 ⃗ 𝑟𝑒𝑓 sử dụng vector lân cận để làm vector sở Sau thực vector sở vector 𝑉 ⃗ 𝑟𝑒𝑓 [5] khoảng thời gian định để vector tổng vector 𝑉 Hình Khơng gian vector nghịch lưu ba pha ba mức NPC Hình Minh họa chuyển động vector quay hai góc phần sáu Bước 3: Xác định trình tự chuyển mạch cho van bán dẫn Trình tự thời gian tác động van bán dẫn tương ứng với trạng thái vectơ phải đảm bảo nguyên tắc sau đây: - Thời gian tác động: Ts = Ta + Tb + Tc Ts chu kỳ điều chế; - Sự chuyển mạch hai trạng thái liên tiếp nhỏ nhất, nghĩa lần chuyển mạch có van bán dẫn thay đổi trạng thái; - Trong chu kỳ điều chế, pha nghịch lưu có hai van bán dẫn đóng ⃗ 𝑟𝑒𝑓 từ vùng sang hai van bán dẫn ngắt Giả thiết chuyển tiếp vectơ trung bình 𝑉 vùng khác khơng phụ thuộc vào van bán dẫn, tần số đóng/cắt van bán dẫn có giá trị nửa tần số điều chế: fmod = 0,5.fs = 0,5/Ts (14) ⃗ 𝑟𝑒𝑓 di chuyển Trên sở xây dựng giản đồ trạng thái chuyển mạch vector 𝑉 qua vùng sector Phương pháp điều chế vector không gian cho phép điều khiển tuyến tính tốt, hiệu cao, điều cần thiết cho hệ tự động điều khiển Tuy nhiên, phương pháp tồn số hạn chế như: đòi hỏi vi xử lý có khả tính tốn cao, nhớ lớn, việc tính tốn phức tạp số mức nghịch lưu tăng lên, lập trình giải thuật phức tạp, HỘI NGHỊ QUỐC TẾ KHOA HỌC CÔNG NGHỆ HÀNG HẢI 2016 384 THE INTERNATIONAL CONFERENCE ON MARINE SCIENCE AND TECHNOLOGY 2016 Hình 10 Mơ tả trạng thái chuyển mạch Vref di chuyển qua vùng sector I Mô Sơ đồ nghịch lưu ba mức NPC mô với phương pháp điều khiển SPWM Q trình mơ thực Matlab & Simulink Thông số mô phỏng: Vdc = 100V; điện trở: R1 = R2 = 1; tụ điện C1 = C2 = 2200uF Kết nhận từ q trình mơ hình 11, 12, 13 14 a) b) Hình 11 a) Tín hiệu sóng mang; b) Tín hiệu điều khiển cụm van trên, pha A a) b) Hình 12 a) Sector; b) Góc đồng a) b) HỘI NGHỊ QUỐC TẾ KHOA HỌC CÔNG NGHỆ HÀNG HẢI 2016 385 THE INTERNATIONAL CONFERENCE ON MARINE SCIENCE AND TECHNOLOGY 2016 Hình 13 Tải RL, R = 1, L = 1mH a) Điện áp pha; b) Điện áp dây; c) Dòng điện dây c) a) b) Hình 14 Tải RL, R = 1, L =5mH a) Điện áp pha; b) Điện áp dây; c) Dòng điện dây c) Nhận xét: - Dạng điện áp dòng điện giữ dạng sin trường hợp giá trị tải thay đổi; - Độ lớn điện cảm ảnh hưởng tới độ méo điện áp Kết luận Phương pháp SPWM đơn giản phương pháp kinh điển điều khiển biến đổi công suất, nhiên phương pháp gây nhiều sóng hài bậc cao, ảnh hưởng tới chất lượng điều khiển Ưu điểm phương pháp dễ dàng mở rộng số mức nghịch lưu Tài liệu tham khảo [1] Dr Keith Corzine Operation and Design of Multilevel Inverters Developed for the Office of Naval Research, University of Missouri - Rolla (2003) [2] Nguyễn Văn Phục Kỹ thuật PWM sóng mang cho nghịch lưu đa bậc lai Luận văn cao học, ĐHQG thành phố Hồ Chí Minh (2006) [3] Dr Muhammad H.R Power Electronics Handbook University of Florida USA (2001) [4] Nguyễn Văn Nhờ, Điện tử công suất NXB Đại học Quốc gia TP Hồ Chí Minh (2005) [5] Miłosz Mi´skiewicz, Arnstein Johannesen A three-level space vector modulation strategy for two-level parallel inverters, Aalborg University (2009) HỘI NGHỊ QUỐC TẾ KHOA HỌC CÔNG NGHỆ HÀNG HẢI 2016 386 ... dẫn đưa tới mạch lực nghịch lưu Phụ thuộc vào cấu trúc mạch nghịch lưu, có sơ đồ nghịch lưu khác Các cấu trúc mạch lực nghịch lưu đa mức 2.1 Cấu trúc mạch lực nghịch lưu đa mức kiểu điôt kẹp (Neutral... mạch lực nghịch lưu đa mức kiểu tụ kẹp (Flying Capacitor Multilevel Inverter FLC) Cấu trúc nghịch lưu đa mức nguồn áp dùng tụ kẹp giới thiệu Meynard Foch [2] để thay cho nghịch lưu đa mức dùng... TECHNOLOGY 2016 Tương tự với nghịch lưu ba mức tạo năm mức điện áp đầu ra, Tổng quát số mức điện áp đầu tính cơng thức nvra = 2n-1 [1] Số mức nghịch lưu tăng chất lượng nghịch lưu tốt thể tham số: -