5. PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHẾ ĐỘ RỘNG XUNG KHƠNG BIẾN
6.2.3. Bộ nghịch lưu áp đa bậc (Multi-level Voltage source Inverter)
Các bộ nghịch lưu vừa được mơ tả ở phần 5.1.1 và 5.1.2 chứa 2 khĩa bán dẫn (IGBT) trên mỗi nhánh pha tải. Chúng được gọi chung là lọai nghịch lưu áp 2 bậc (two- level VSI), được áp dụng rộng rãi trong phạm vi cơng suất vừa và nhỏ. Khái niệm hai bậc xuất phát từ quá trình điện áp giữa đầu một pha tải (vị trí 1,2,3) đến một điểm điện thế chuẩn trên mạch dc (điểm 0) (pole to phase voltage) thay đổi giữa hai bậc giá trị khác nhau, ví dụ khi chọn điểm cĩ điện thế chuẩn là tâm nguồn dc thì điện áp từ pha tải đến tâm nguồn thay đổi giữa (+U/2) và (-U/2) trong quá trình đĩng ngắt các linh kiện. Bộ nghịch lưu áp 2 bậc cĩ nhược điểm là tạo điện áp cung cấp cho cuộn dây động cơ với độ dốc (dV/dt) khá lớn và gây ra một số vấn đề khĩ khăn bởi tồn tại trạng thái khác zero của tổng điện thế từ các pha đến tâm nguồn dc (common-mode voltage) (xem dạng điện áp uNO). Bộ nghịch lưu áp đa bậc được phát triển để giải quyết các vấn đề gây ra nêu trên của bộ nghịch lưu áp 2 bậc và thường được sử dụng cho các ứng dụng điện áp cao và cơng suất lớn.
Đối với tải cơng suất lớn, điện áp cung cấp cho các tải cĩ thể đạt giá trị tương đối lớn, Các cấu hình cơ bản của bộ nghịch lưu áp đa bậc:
Cấu hình dạng cascade (Cascade inverter):[28],[48] -hình H5.5b, sử dụng các nguồn dc riêng, thích hợp sử dụng trong trường hợp nguồn dc cĩ sẵn ví dụ dưới dạng 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 cĩ các nguồn DC riêng.
Bằng cách kích đĩng các linh kiện trong mỗi bộ nghịch lưu áp một pha, 3 mức điện áp (-U,0,U) được tạo thành. Sự kết hợp họat động của n bộ nghịch lưu áp trên một nhánh pha tải sẽ tạo nên n khả năng mức điện áp theo chiều âm (-U,-2U,-3U,..,-nU), n khả năng mức điện áp theo chiều dương (U,2U,3U,..,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.
Tần số đĩng ngắt trong mỗi modul của dạng mạch này cĩ 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 linh kiện IGBT điện áp thấp.
Ngồi dạng mạch gồm các bộ nghịch lưu áp một pha, mạch nghịch lưu áp đa bậc cịn cĩ dạng ghép từ ngõ ra của các bộ nghịch lưu áp 3 pha (H5.5c). Cấu trúc này cho phép giảm dv/dt và và tần số đĩng ngắt cịn 1/3. Mạch cho phép sử dụng các cấu hình nghịch lưu áp ba pha chuẩn. Mạch nghịch lưu đạt được sự cân bằng điện áp các nguồn dc, khơng tồn tại dịng cân bằng giữa các module. Tuy nhiên, cấu tạo mạch địi hỏi sử dụng các máy biến áp ngõ ra.
Cấu hình nghịch lưu chứa cặp diode kẹp: (Neutral point Clamped Multilevel Inverter (NPC) hoặc- diode clamped multilevel inverter):-hình H5.5a, sử dụng thích hợp khi các nguồn dc tạo nên từ hệ thống điện ac. Bộ nghịch lưu đa bậc chứa các cặp diode kèm cĩ một mạch nguồn DC được phân chia thành một số cấp điện áp nhỏ hơn nhờ chuỗi các tụ điện mắc nối tiếp.
Giả sử nhánh mạch dc gồm n nguồn cĩ độ lớn bằng nhau mắc nối tiếp. Điện áp pha – nguồn dc cĩ thể đạt được (n+1) giá trị khác nhau và từ đĩ bộ nghịch lưu được gọi là bộ nghịch lưu áp (n+1) bậc. Ví dụ chọn mức điện thế 0 ở cuối dãy nguồn, các mức điện áp cĩ thể đạt được gồm (0,U,2U,.,nU). Điện áp từ một pha tải (ví dụ pha a) thơng đến một vị trí bất kỳ trên mạch dc (ví dụ M) nhờ cặp diode kẹp tại điểm đĩ (ví dụ D1, D1’). Để điện áp pha- nguồn dc đạt được mức điện áp nêu trên (ua0=U), tất cả các linh kiện bị “kẹp” giữa hai diode (D1, D1’) –gồm n linh kiện nối tiếp liên tục kề nhau, phải được kích đĩng (ví dụ S1, S5’,S4’,S3’,S2’), các linh kiện cịn lại sẽ bị khĩa theo qui tắc kích đối nghịch. Tương ứng với 6 trường hợp kích đĩng linh kiện “bị kẹp” giữa 6 cặp diode (hai cặp diode “kẹp” ở hai vị trí biên là trường hợp đặc biệt), ta thu được 6 mức điện áp pha- nguồn dc : 0,U,2U,..,5U. Vì cĩ khả năng tạo ra 6 mức điện áp pha- nguồn dc nên mạch nghịch lưu trên hình H5.5a cịn gọi là bộ nghịch lưu 6 bậc.
Dạng mạch nghịch lưu áp đa bậc dùng cặp diode kẹp cải tiến dạng sĩng điện áp tải và giảm shock điện áp trên linh kiện n lần. Với bộ nghịch lưu ba bậc, dv/dt trên linh kiện và tần số đĩng ngắt giảm đi một nửa. Tuy nhiên với n>3, mức độ chịu gai áp trên các diode sẽ khác nhau. Ngồi ra, cân bằng điện áp giữa các nguồn dc (áp trên tụ) trở nên khĩ khăn, đặc biệt khi số bậc lớn.