Khi cộng thêm giá trị offset ñể dịch tòan bộ sóng ñiều khiển lên trên với ñộ dịch chuyển K1 hoặc xuống dưới với ñộ dịch chuyển K4. Ta sẽ loại bỏ ñược trạng thái S1 hoặc S4; khi ñó vector vref
chỉ còn ñược thực hiện bằng 3 vector V1 hoặc V4 và V2 ,V3
Việc chọn giá trị offset như sau:
1 1 4 0 4 4 1 add K for K K v K for K K < = − < khi ñó: 2 2 3 3 1 4 4 1 4 1 4 1 2 2 3 3 4 1 ( ) ' ( ) ref K S K S K K S for K K v K K S K S K S for K K + + + < = + + + < Nếu K1=K4 1 1 4 0 4 4 1 add K for d d v K for d d < = − < Trong ñó: 1 0 1 4 0 0.5( 1) 4 0.5( 1) ref ref d v K n d v K n = + − − = − − −
Việc chọn lựa hàm offset như dẫn ñến một trong tín hiệu ñiều khiển gần với hai giá trị L(x) và H(x) sẽ ñược gán bằng L(x) hoặc H(x). Khi ñó các giá trị ξmax,ξmid,ξmintương ứng với từng trường hợp như sau:
Hình 2.6 Kỹ thuật ñiều chế 3 trạng thái a,b) K1 < K4 c,d) K4 < K1 3.2.3. Kỹ thuật ñiều chế 2 trạng thái
Trong kỹ thuật ñiều chế 2 trạng thái vector tương ñương ñược tạo bằng cách lầy trung bình của hai vector cơ bản. ðiều này có nghĩa là vector tương ñương sẽ ñược dịch chuyển lên một cạnh của tam giác. Ở ñây chỉ mô tả các trường hợp có thể có trong kỹ thuật này, việc lựa chọn hàm offset sẽ ñược trình bày ở phần sau.Hình 2.7.
3.2.4. Kỹ thuật ñiều chế 1 trạng thái
Trong kỹ thuật này, các tín hiệu ñiều chế chỉ có giá trị bằng mức H(x)
hoặc L(x). Khi ñó vector tương ñương v'ref=Vj ;j=1, 2, 3, 4
như trong hình 2.4. Do không có tín hiệu ñiều chế nào cắt sóng mang nên không có sự chuyển mạch trong một chu kỳ sóng mang mà chỉ có sự chuyển mạch khi hết một chu kỳ sóng mang này và chuyển sang chu kỳ sóng mang khác.
Giá tri ξmax,ξmid,ξmintương ứng với từng trường hợp:
3.3 Phân tích sai số trong kỹ thuật ñiều chế 2 trạng thái
Trong phần này sẽ trình bày cụ thể về hàm offset và sai số của kỹ thuật ñiều chế 2 trạng thái.
3.3.1. Sai số của thành phần tích cực và thành phần offset
Kỹ thuật ñiều chế 2 trạng thái dựa trên việc cộng tín hiệu offset v0add
vào tín hiệu ñiều khiển vxref ban ñầu ñể tạo ra tín hiệu ñiều khiển v’xref với những ñặc tính mong muốn. Khi ñó tín hiệu sẽ xuất hiện sai số giữa v’xref
với vxref. Sự sai lệch này gồm hai thành phần tích cực và offset:
( ) ' 12 12 12 ' 12 0ref 0ref e v v e v v I = − = −
Nếu giá trị offset cộng vào tín hiệu ñiều khiển của ba pha là bằng nhau, khi ñó cả ba tín hiệu ñiều chế ñều bị dịch lên hoặc xuống một khoảng bằng nhau. Do vậy thành phần sai số tích cực e12 = 0 và e0= v0add ; sai số e0
cũng bị loại bỏ trong ñiện áp dây.
Nếu giá trị offset cộng vào tín hiệu ñiều khiển của ba pha không bằng nhau. Các tín hiệu ñiều khiển bị dịch với nhũng ñộ dịch chuyển khác nhau, ñiều này gây ra sai số cả thành phần tích cực lẫn thành phần offset. Mục tiêu của giải thuật là phải làm sao giảm thiểu sai số này.
3.3.2. Các bước thực hiện giải thuật 2 trạng thái
Giải thuật 2 trạng thái có thể ñược giải thích qua hai bước thực hiện : Bước 1: Chuyển trật tự ñóng cắt gồm 4 trạng thái về 3 trạng thái như ñã ñề cập trong mục 1.2.2. Sai số trong bước này là e12 = 0; e0 = Min (K1,K4)
Bước 2: Chuyển trật tự ñóng cắt từ 3 trạng thái về 2 trạng thái. Bằng cách dịch chuyển 2 tín hiệu ñiều chế còn lại các khoảng d1 và d2. Ta phải chọn d1 và d2 sao cho sai số nhỏ nhất.
Sau khi thực hiện bước 1, trật tự ñóng cắt còn lại 3 trạng thái tương ứng với 3 vector, với các thời gian thời gian tác dụng là K14 ( ứng với vector
1 V hoặc V4 ); K2 (ứng với V2 ); K3 (ứng với V3 ). ðể chuyển về còn 2 trạng thái một trong ba trạng thái trên bị loại bỏ; ta dễ dàng nhận thấy rằng, ñể sai số nhỏ nhất thì ta phải loại bỏ trạng thái có thời gian tác dụng bé nhất. Tức là
d1 = Kmin, với Kmin = Min(K14, K2, K3)
Tam giác chứa vector tương ñương ñược chia làm các phần tương ứng với các trường hợp khác nhau của Kmin. Việc chọn d1 = Kmin tương ñương với việc hạ vuông góc ñỉnh vector tương ñương về cạnh gần nhất của tam giác vector.
+ Kmin = K3: Vector tương ñương ñược thực hiện bằng vector V1 và 2 V (H.2.8b).
+ Kmin = K14: Vector tương ñương ñược thực hiện bằng vector V2
và 3 V (H.2.8c).
+ Kmin = K2: Vector tương ñương ñược thực hiện bằng vector V3
và 4 V (H.2.8d).
Hình 2.8 a) Các trường hợp của Kmin
b,c,d) Vector tương ñương ñược hạ vuông góc xuống cạnh gần nhất của tam giác vector ñể sai số là nhỏ nhất.
Tiếp theo ta phải tìm giá trị ñộ dời d2. ðể ñơn giản, ta xét 1 trường hợp cụ thể. Giả sử, trong bước 2 tín ñiều chế của pha a ñược dịch khoảng d1; tín hiệu ñiều chế pha b ñược dịch khoảng d2; như vậy tín hiệu ñiều chế pha c vẫn ñược giữ nguyên. Do ñó ea = d1; eb = d2; ec = 0.
Trong hệ trục α β− : 2 12 1 2 2 2 ( ) ( ) 3 a b c 3 e = e +ae +a e = d +ad
Và ñược biểu diễn như trong hình 2.8. Dựa vào hình ta thấy ñể e12 ñạt giá trị nhỏ nhất thì d1=Kmin; d2 =0.5d1
12 1 min
3 3
3 3
e = d = K
Nếu ñỉnh của vector tương ñương nằm trên cạnh của tam giác vector, ta sẽ không cần phải dịch tín hiệu ñiều khiển. Khi ñó sai số e12 = 0.
Nếu ñỉnh của vector tương ñương nằm ở trọng tâm tam giác vector, sai số e12 ñạt giá trị lớn nhất: 12 max 1 3 3 e = Hình 2.9 e12 nhỏ nhất khi d2 = d1/2
Hình 2.10 Các bước thực hiện giải thuật 2 trạng thái
Các bước thực hiện giải thuật trong hình 2.10 ñược giải thích như sau:
Tại một thời ñiểm nào ñó, các tín hiệu ñiều khiển của ba pha có vị trí như trong hình 2.10a. Bước 1, do K1 > K4 nên các tín hiệu ñiều khiển ñược dịch một ñoạn d0 = K4; trật tự ñóng cắt còn 3 trạng thái. Bước 2, Kmin = K3
bị loại bỏ bằng cách tiếp tục dịch hai tín hiệu còn lại các khỏang d1 = Kmin
=K3 và d2 = 0.5d1, trật tự ñóng cắt còn lại 2 trạng thái.
Tóm lại, tín hiệu có giá trị ξx =ξmaxñược dịch một ñoạn bằng
orr ( 4 0.5 3)
c
Hai tín hiệu còn lại ứng với ξx =ξmidvà ξx =ξminñược ñưa về mức tích cực dưới, tức L(x). Sai số e0 =dcorr .
3.3.3. Hàm offset của giải thuật 2 trạng thái
Các giá trị offset tương ứng với từng trường hợp Kmin ñược liệt kê trong bảng sau:
Với sai số như sau:
12 1 min 3 3 3 3 e = d = K e0 =dcorr . 3.4 Nhận xét
Trật tự chuyển ñổi giữa các trạng thái ñóng cắt luôn ñược xắp xếp sao cho trong mỗi lần chuyển ñổi chỉ có dụy nhất một chuyển mạch. Việc giảm số trạng thái từ 4 về 2 ñã giảm số chuyển mạch trong một chu kỳ sóng mang từ 6 xuống còn 3. Tuy nhiên việc này dẫn ñến giảm chất lượng dòng ñiện ngõ ra, trong chương tiếp theo ta sẽ ñánh giá kết quả của giải thuật bằng chương trình Matlab-Simulink.
Chương 4
KỸ THUẬT ðIỀU CHẾ HAI TRẠNG THÁI
Trong chương này sẽ trình bày giải thuật ñiều chế không gian vector hai trạng thái dùng sóng mang. Giải thuật ñược thực hiện bằng chương trình Matlab-Simulink. Chương trình Simulink cho phép thực hiện giải thuật một cách ñơn giản và trực quan. Tuy nhiên việc hiểu rõ công dụng và chức năng của từng block hỗ trợ bởi Simulink cũng như phương pháp tính toán của chưong trình là cần thiết ñể ñảm bảo giải thuật ñược thực hiện một cách ñúng ñắn.
4.1 Các bước thực hiện giải thuật
4.1.1. Tạo thành phần ñiện áp tích cực vx12
Các thành phần ñiện áp tích cực của từng pha ñược tính như sau: 12 12 12 ( 1) cos( ) 3 ( 1) cos( 2 / 3) 3 ( 1) cos( 4 / 3) 3 a b c m n v m n v m n v θ θ π θ π − = − = − − = − ( 4.1 )
Với m là chỉ số ñiều chế và n là số bậc của bộ nghịch lưu.
Hình 4.1 Tạo tín hiệu tích cực
4.1.2. Xác ñịnh hàm offset tối ưu Common Mode
Ba tín hiệu tích cực sẽ ñược so sánh chọn ra tín hiệu có giá trị lớn nhất và nhỏ nhất ñể tính hàm offset tối ưu Common Mode. Ở ñây ta dùng các khối xác ñịnh Min Max hỗ trợ bời Simulink.
Hình 4.2 Xác ñịnh giá trị min max của tín hiệu tích cực. Hàm offset Medium Common Mode
Hình 4.3 Hàm offset Medium Common Mode
Hàm offset Minimum Common Mode : ðược thực hiện bằng khối Embedded Function, ñây là một trong những khối cho phép người thực hiện có thể viết các hàm cho giải thuật, không giới hạn số biến ñầu vào và ñầu ra.
Hình 4.4 Hàm offset Minimum Common Mode
ðoạn code xác ñịnh Minimum Common mode như sau:
Tín hiệu tích cực vx12 ñược cộng thêm thành phần offset tối ưu Common Mode tạo thành Vxref.
Hình 4.5 Tính V_x_ref
4.1.3. Chuyển mô hình ña bậc về mô hình chuẩn hai bậc
Việc chuyển ñổi này ñược thực hiện bằng việc xác ñịnh giá trị L(x), nhờ ñó xác ñịnh ñược các tín hiệu ñiều chế chuẩn ξx .
Hình 4.6 Tính giá trị tín hiệu ñiều chế chuẩn hóa.
Thời gian tác dụng của từng trạng thái ñược xác ñinh từ giá trị của các tín hiệu ñiều chế chuẩn ξx .
Hình 4.7 Tính thời gian tác dụng của từng trạng thái 4.1.4. Xác ñịnh giá trị v0add và V’refx
Dựa vào bảng trong phần 3.3.3 ta thấy rằng với mỗi trường hợp Kmin khác nhau có hàm offset v0add khác nhau. Và giá trị v0add cho từng pha cũng khác nhau phụ thuộc vào so sánh tương quan giữa các giá trị ξx với nhau.
Do Kmin có 4 trường hợp và sự tương quan giữa các giá trị ξx có 6 trường hợp xảy ra, do ñó sẽ có 18 trường hợp tính v0add cho từng pha. Các trường hợp này ñược xác ñịnh bằng cách sử dụng các khối logic hỗ trợ bởi simulink.
Hình 4.8 Các trường hợp của Kmin
Hình 4.9 Các trường hợp của ξxvà cách xác ñịnh chúng
Bằng cách sử dụng Enable Subsystem Block trong một chu kỳ tính toán chỉ 1 trong 18 trường hợp ñược thực hiện như trong bảng ở mục 3.3.3. Enable Subsystem Block chỉ ñược thực hiện khi tín hiệu Enable = 1, ñầu ra của khối ñược chọn reset lại về giá trị 0 sau mỗi lần tính toán.
Hình 4.10 Trường hợp a≥b≥c và Kmin=K14
Các giá trị V_ref_phay_x ñược ñem so sánh với sóng mang ñể tạo xung kích cho khóa bán dẫn trong mạch công suất.Vì tín hiệu ñiều khiển phải ñược giữ không ñổi trong một chu kỳ sóng mang, do vậy tần số lấy mẫu của các tín hiệu ñiều khiển phải ñược chọn ñúng bằng chu kỳ của sóng tam giác.ðiều này ñược thực hiện bằng cách cách cài ñặt thời gian lấy mẫu của khối tạo tín hiệu tích cực.
Hình 4.11 Tần số lấy mẫu ñược chọn bằng tần số sóng mang. 4.1.5. Thu thập và phân tích dữ liệu
ðể phân tích Fourier và tính THD của tín hiệu ngõ ra ta sử dụng chương trình Powergui. ðây là một chương trình nhỏ tích hợp sẵn trong Simulink.
Hình 4.12 Tiện ích Powergui cho phép quan sát các thành phần sóng hài bậc cao dạng biểu ñồ hoặc dạng dữ liệu.
4.2 Kỹ thuật ñiều chế 2 trạng thái với bộ nghịch lưu NPC 3 bậc 4.2.1. Dạng ñiện áp và dòng ñiện ngõ ra 4.2.1. Dạng ñiện áp và dòng ñiện ngõ ra
Trong các mô phỏng dưới ñây, tải RL có cosϕ=0.85 với R=5Ω và L=0.01H. Ta sẽ quan sát dạng sóng ñiều chế, dòng ñiện và ñiện áp ngõ ra, và số lẩn chuyển mạch của từng khóa công suất ứng với các chỉ số ñiều chế
0.3, 0.6, 0.8 và 0.95. . Phạm vi của ñề tài chỉ xét ở trạng thái xác lập và không tính ñến ảnh hưởng của sự mất cân bằng áp tụ, vì vậy hai tụ ñiện ñược thay thế bằng hai nguồn ñiện DC, mỗi nguồn có ñiện áp 200V.
Với trường hợp 3 bậc ta chỉ xét trường hợp hàm Medium Common Mode do sự khác biệt trên ñiện áp common mode chỉ thấy rõ khi số bậc lớn hơn 3.
Hình 4.14 Các dạng sóng ñiều chế ứng với các chỉ số ñiều chế khác nhau
Với: x = a, b, c
Vxref = Vx12 + V0ref (4.2) V’xref = Vxref + V0add = Vx12 + V0ref + V0add
Ta thấy rằng tín hiệu sau khi hiệu chỉnh khác xa với tín hiệu ban ñầu. Trên sóng ñiều khiển V’xref có những khoảng thời gian V’xref giữ nguyên giá trị bằng 2, 1 và 0. Trong những khoảng thời gian này sẽ không có chuyển mạch nào của linh kiện trên pha x.
Do ñây là bộ nghịch lưu 3 bậc nên ñiện áp pha tâm nguồn sẽ có ba mức giá trị 200V, 0V và -200V, sự phân bố của các mức ñiện áp này phụ thuộc vào dạng sóng ñiều khiển. ðiện áp các pha có ñều có 3 mức như trên nên ñiện áp dây sẽ có tối ña 5 mức ñiện áp: 400V, 200V, 0V, -200V và -400V.(hình 4.15).
Hình 4.15 ðiện áp pha tâm nguồn và ñiện áp dây ứng với từng chỉ số ñiều chế.
Hình 4.17 Phổ tần số của dòng ñiện ứng với từng chỉ số ñiều chế. Với chỉ số càng lớn dòng ñiện có dạng càng gần sin. Do khi chỉ số ñiều chế nhỏ thành phần voadd có giá trị lớn hơn so với trường hợp chỉ số ñiều chế lớn (hình 4.14). Nên sai số ñiện áp cũng lớn hơn, vì vậy làm ảnh hưởng ñến chất lượng dòng ñiện.
Chất lượng dòng ñiện ứng với chỉ số 0.95 và 0.8 không có nhiều khác biệt. Ở tất cả các chỉ số ñiều chế dòng ñiện 3 pha ñều cân bằng.
Trong phổ tần số ứng với chỉ số m = 0.95 biên ñộ lớn nhất của các thành phần tần số bậc cao là 0.6 % biên ñộ của thành phần cơ bản; với m = 0.8 giá trị này là 0.78%; m = 0.6 là 2.8% và 0.3 là 8.5%. Các giá trị này có thể ñọc từ biểu ñồ hoặc xem trong bảng giá trị các thành phần hài và biên ñộ tương ứng.
Khi chỉ số ñiều chế giảm xuống, biên ñộ của các thành phần hài xung quanh hài bậc 100 ( 5kHz, bằng với tần số sóng mang) hầu như không thay ñổi, dao ñộng quanh mức 0.2%; tương tự với các hài quanh hài bậc 200 ( bằng 2 lần tần số sóng mang). Hơn nữa ảnh hưởng của các hài bậc cao này lên sự méo dạng của dòng ñiện là nhỏ, do khi tần số tăng lên k lần trở kháng cũng tăng lên k lần và làm tăng tổng trở ứng với thành phần ñó, làm cho biên ñộ dòng ñiện hài bậc k cũng bị giảm tương ứng. Tuy nhiên khi m giảm có sự tăng nhanh về biên ñộ của các hài quanh hài căn bản, ñiều này làm dòng ñiện bị méo dạng ñi nhiều.
4.2.2. Quan hệ giữa chỉ số ñiều chế và biên ñộ ñiện áp pha
Hình 4.19 Quan hệ giữa m và biên ñộ ñiện áp hài cơ bản
Theo hình trên, quan hệ giữa biên ñộ hài cơ bản của ñiện áp ngõ ra và chỉ số ñiều chế là gần như tuyến tính. Giá trị cực ñại của ñiện áp ứng với chỉ số ñiều chế bằng 1 là 236.9 V.