Bộ nghịch lưu đa mức kiểu cầu H nối tầng (cascade H-bridge multilevel

inverter)

a. Cấu trúc của bộ nghịch lưu CHB (Cascade H-bridge)

Bộ nghịch lưu kiểu cầu H nối tầng được sử phổ biến cho các động cơ trung và cao áp. Bộ nghịch lưu bao gồm nhiều bộ nghịch lưu áp cầu một pha mắc nối tiếp mà ta gọi mỗi bộ đó là một “cell”. Mỗi cell cầu có nguồn một chiều riêng biệt thích hợp trong trường hợp sử dụng nguồn một chiều có sẵn ví dụ bình điện, battery, pin mặt trời… hoặc có thể là dùng biến áp nhiều đầu ra và kết hợp với bộ chỉnh lưu cầu diode tạo thành các nguồn một chiều để cung cấp cho các bộ cầu H. Ở đây ta nghiên cứu cấu trúc của bộ nghịch CHB 5 mức từ đó ta có thể suy ra cấu trúc và nguyên lý hoạt động của bộ nghịch lưu 13 mức được dùng cho động cơ quay lò. Đối với bộ nghịch lưu 5 mức kiểu cầu H nối tầng (5L-CHB) gồm có hai bộ cầu H mắc nối tiếp trên mỗi pha như (Hình 1.12). Điện áp một chiều cấp cho mỗi bộ cầu H được lấy từ biến áp nhiều cuộn dây thông qua mạch cầu chỉnh lưu ba pha. Để tạo ra điện áp có 5 mức thì tại một thời điểm các van được điều khiển sao cho chỉ có 2 trong 4 van được mở.

- 18 -

Hình 1.12. Cấu trúc của bộ nghịch lưu 5 mức kiểu cầu nối tầng [6].

Do cấu trúc của bộ nghịch lưu CBH phải sử dụng nguồn DC riêng biệt cho mỗi cell. Chính vì điều này mà việc sử dụng biến áp nhiều cuộn sơ cấp là một lựa chọn hoàn hảo và các nguồn thì hoàn toàn cách ly so với lưới thông qua máy biến áp. Điều đó dẫn đến cấu tạo của biến áp phức tạp và giá thành cao hơn rất nhiều so với biến áp thông thường nhưng nó cải thiện được một sô chức năng rất quan trọng. Thứ nhất là đảm bảo chắc chắn rằng hiện tượng common mode voltage là nhỏ nhất và giảm shock điện áp dv/dt ở điện áp đầu ra. Thứ hai là độ lệch pha 360

6

p p

   giữa các cuộn sơ cấp của máy biến áp. Điều này có khả năng triệt tiêu sóng hài của dòng điện ngay trong bản thân mỗi cell vì vậy dòng điện đầu ra sẽ gần “sin” nhất. Trở kháng của máy biến áp được thiết kế lớn hơn binh thường nhằm giới hạn xung dòng điện ngược chiều từ động cơ về và giảm được sóng điều hòa.

- 19 -

Hình 1.13. Cấu hình của một cell cầu của bộ nghịch lưu CBH.

Bằng cách đóng mở các van trong mỗi bộ nghịch lưu áp một pha, ba mức điện áp (Udc,HB, 0, -Udc,HB) được tạo thành. Sự kết hợp của N cell trên mỗi nhánh pha tải sẽ tạo nên 2N+1 mức điện áp khác nhau. Do cấu trúc trên ta thấy biến tần đa mức dạng cascade có số linh kiện tham gia ít hơn các dạng NPC và FLC ở cùng cấp điện áp và tần số. Việc điều khiển cũng dễ dàng hơn do mỗi cell cầu đều giống nhau về mặt cấu trúc từ đó dễ module hóa. Vấn đề cân bằng điện áp liên lạc trên tụ một chiều cũng không xẩy ra. Do đó đây là dạng biến tần thông dụng nhất.

b. Trạng thái của các khóa chuyển mạch

Khi các khóa chuyển mạch

_ 1 1Lx, Rx S S và _ 2 2Lx, Rx

S S dẫn dòng thì điện áp đầu ra của cầu H1 và cầu H2 bằng Udc,HB, nên điện áp tổng hợp trên một pha của bộ nghịch lưu Uxn= 2Udc,HB. Tượng tự với S_1Lx,S1Rxvà

_

2Lx, 2Rx

S S dẫn dòng thì điện áp Uxn=-2 Udc,HB. Còn 3 mức điện áp còn lại Udc,HB, 0, -Udc,HB tương ứng với vị trí khác nhau của các khóa sẽ được cho dưới (bảng 1.4). Ta nhận thấy rằng điện áp ngược mà mỗi van phải chịu chính bằng Udc,HB (bằng Udc/4) so với Udc/2 trong bộ nghịch lưu 3L-NPC và 3L-FLC với cùng một mức điện áp đầu ra.

- 20 -

Bảng 1.4. Trạng thái chuyển mạch của các khóa trên một pha của bộ 5L-CHB [6]. Trạng thái S1Lx S1Rx S2Lx S2Rx U1xn’ U2xn’ Uxn’ 1 1 0 1 0 Udc,HB Udc,HB 2Udc,HB = Udc/2 2 1 0 1 1 Udc,HB 0 Udc,HB = Udc/4 3 1 0 0 0 Udc,HB 0 4 1 1 1 0 0 Udc,HB 5 0 0 1 0 0 Udc,HB 6 1 1 0 0 0 0 0 7 1 1 1 1 0 0 8 0 0 1 1 0 0 9 0 0 0 0 0 0 10 0 1 1 0 -Udc,HB Udc,HB 11 1 0 0 1 Udc,HB -Udc,HB 12 0 1 1 1 -Udc,HB 0 -Udc,HB = -Udc/4 13 0 1 0 0 -Udc,HB 0 14 1 1 0 1 0 -Udc,HB 15 0 0 0 1 0 -Udc,HB 16 0 1 0 1 -Udc,HB -Udc,HB -2Udc,HB = -Udc/2 1.2.4. Quá trình chuyển mạch

Hình 1.14 biểu diễn quá trình chuyển mạch của các các mức điện áp ra, số lượng chuyển mạch giữa hai mức điện áp kể nhau được đánh dấu trong hình vẽ. Để nghiên cứu sự chuyển mạch giữa các trạng thái, ta khảo sát sự chuyển mạch trong một trường hợp theo đường nét đậm (hình 1.14). Ta xét quá trình chuyển mạch từ trạng thái 1  4 7 1416.

- Trường hợp dòng tải iph x>0 ( biểu điễn bằng đường nét đậm)

Bộ nghịch luu đang ở trạng thái 1 tương ứng với các khóa

_ 1 1Lx, Rx S S và _ 2 2Lx, Rx S S

đang dẫn dòng với điện áp ra Uxn'2Udc HB, điện áp rơi trên các van

_ 1 1Lx, Rx S S và _ 2 2Lx, Rx S S bằng 0 và các van _ 1Lx, 1Rx S S và _ 2Lx, 2Rx S S bằng Udc HB, . Quá trình chuyển

- 21 -

trạng thái 14 ( Hình 1.15) được bắt đầu bằng việc khóa

_ 1Rx

S và khi đó diode D1Rx (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});

phân cực thuận.

Hình 1.14. Quá trình chuyển mạch giữa các trạng thái [6].

Do đó dòng tải sẽ chuyển từ đang dẫn trên S_1Rx sang dẫ qua D1Rxcủa khóa S1Rx. Sau khi khóa hoàn toàn

_ 1Rx

S ta phát xung mở van T1Rx. Khi đó dòng điện đi qua diode

_ 2

1Rx 1Lx Rx dc HB, 2Lx

D T T U T tức là ở trạng thái “4” với điện áp đầu ra

' ,

xn dc HB

- 22 -

Hình 1.15. Quá trình chuyển mạch của các trạng thái 1 và 4 [6].

Hình 1.16. Quá trình chuyển mạch của các trạng thái 7 và 14 [6].

Tiếp theo là quá trình chuyển mạch từ trạng thái 47 (Hình 1.16) được bắt đầu bằng việc khóa S_2Rx và khi đó diode D2Rxphân cực thận. Do đó dòng tải sẽ chuyển từ đang dẫn trên

_ 2Rx

S sang dẫ qua D2Rxcủa khóa S2Rx. Sau khi khóa hoàn toàn S_2Rx ta phát xung mở van T2Rx . Khi đó dòng điện đi qua diode

1Rx 1Lx 2Rx 2Lx

D T D T tức là ở trạng thái “7” với điện áp đầu ra Uxn' 0. Tiếp theo là quá trình chuyển mạch từ trạng thái 714 (Hình 1.17) được bắt đầu bằng việc khóa S2Lx và khi đó diode

_ 2Lx

- 23 - đang dẫn trên S2Lx sang dẫn qua

_ 2Lx

D của khóa

_ 2Lx

S . Sau khi khóa hoàn toàn S2Lx ta phát xung mở van

_ 2Lx

T . Khi đó dòng điện đi qua diode _

2 1Rx 1Lx 2Rx dc HB, Lx

D T D U D tức là ở trạng thái “14” với điện áp đầu ra

' ,

xn dc HB (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});

U  U .

Hình 1.17. Quá trình chuyển mạch của trạng thái 16 [6].

Tiếp theo là quá trình chuyển mạch từ trạng thái 1416 (Hình 1.17) được bắt đầu bằng việc khóa S1Lx và khi đó diode

_ 1Lx

D phân cực thận. Do đó dòng tải sẽ chuyển từ đang dẫn trên S1Lx sang dẫn qua

_ 1Lx

D của khóa

_ 1Lx

S . Sau khi khóa hoàn toàn S1Lx ta phát xung mở van

_ 1Lx

T . Khi đó dòng điện đi qua diode

_ _

1 2

1Rx dc HB, Lx 2Rx dc HB, Lx

D U D D U D tức là ở trạng thái “14” với điện áp đầu ra Uxn'  2Udc HB, .

- Trường hợp dòng tải iph x<0 ( biểu điễn bằng đường nét gạch)

Tương tự như trường hợp iph x>0 quá trình chuyển mạch cũng diễn ra theo chu trình như trên, nhưng với chiều dòng điện ngược lại.

- 24 -

c. Bộ nghịch lưu nL-CHB (N-level cascade H-bridge multilevel inverter)

Từ cấu hình và quá trình chuyển mạch của bộ nghịch lưu 5L-CHB được trình bày ở trên có thể suy ra cấu hình và quá trình chuyển mạch của bộ nghịch lưu nL- CHB.Cấu hình của bộ nghich lưu nL-CHB có dạng như sau:

Hình 1.18. Cấu trúc của bộ nghich lưu n mức kiểu nối tầng [7].

Từ cấu hình trên tổng điện áp nguồn dc trong bộ nghịch lưu sẽ được tính theo công thức: Udc tv. 2 * *p Udc HB, (p là số cell cầu)

Số mức điện áp đầu ra: N 2*p1

Số mức điện áp dây mỗi pha : N=2*N –1

Góc lệch của mỗi cuộn dây thứ cấp máy biến áp: 360 6

p p

  

Số cell cầu mắc nối tiếp thường được chọn từ 2 đến 6 bộ ứng với chuẩn điện áp của các máy có cấp điện áp từ 2,3 đến 7,2 kV. Các cell cầu thường sử dụng cấp điện áp

- 25 -

đầu vào (460, 630 và 690V) dẫn đến điện áp dây ở đầu ra của mỗi cell có thể tới (800, 1100 và 1200V) và dòng đạt được trong dải 70 đến 1000A. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});

Số trạng thái chuyển mạch có thể có của bộ nghịch lưu CHB.

Bảng 1.5. Số trạng thái của các mức điện áp của bộ nghịch lưu dạng CHB. Mức điện áp đầu ra 0 Udc HB, 2Udc HB, 3Udc HB, 4Udc HB, 5Udc HB, 6Udc HB, Số trạng thái của bộ 5L- CHB 6 4 1 Số trạng thái của bộ 7L- CHB 20 15 6 1 Số trạng thái của bộ 9L- CHB 70 56 28 8 1 Số trạng thái của bộ 11L-CHB 252 210 120 45 10 1 Số trạng thái của bộ 13L-CHB 924 792 495 220 66 12 1

Từ bảng trên suy ra được số trạng thái của các khóa ở các mức điện áp khác nhau được tính bằng công thức: 2

w 2 p s

n  . Khi đó có các mức điện áp đầu ra của mỗi pha pUdc HB, , ( p1)Udc HB, ,..., 2 Udc HB, ,Udc HB, , 0 . Quá trình chuyển trạng thái của các khóa giữa các mức điện áp thì hoàn toàn tượng tự quá trình chuyển trạng thái của các khóa của mạch 5L-CHB đã trình bày ở trên.

d. Nhân xét

 Ưu điểm:

 Dễ dàng thiết kế dưới dạng từng module và dễ dàng tăng số mức.

 Mỗi module gồm một nguồn một chiều, một tụ lọc và một mạch chỉnh lưu cầu diode.

 Đối với hệ thống cung cấp nguồn xoay chiều, các diode chỉnh lưu đóng vai là mạch cầu xung làm giảm méo dòng điện cho nguồn cung cấp.

- 26 -

 Dạng sóng đầu ra có thành phần sóng hài rất thấp mặc dù tần số đóng cắt của mạch là thấp. Do vậy dạng này được sử dụng rộng rãi và thống nhất.

 Nhược điểm:

 Nhược điểm chính của phương pháp này là đòi hỏi phải sử dụng nguồn DC độc lập. Trong trường hợp phải sử dụng các máy biến thế, ví dụ như một bộ nghịch lưu 5 mức dạng cascade sẽ dẫn tới phải sử dụng máy biến áp 1 đầu vào và có 6 cuộn sơ cấp 3 đầu. Như vậy sẽ tăng kích thước và giá thành lên rất nhiều và tổn hao trên máy biến áp.

1.2.5. Kết luận

Bộ nghịch lưu nguồn áp đa mức ngày càng được sử dụng nhiều trong các ứng dụng có điện áp cao và hiệu suất cao. Ưu điểm chính của nó: Công suất của các bộ nghịch lưu nguồn áp ngày càng tăng cao và điện áp đặt lên mỗi linh kiện thì giảm, so với các bộ nghich lưu cùng tần số đóng cắt, các thành phần sóng hài bậc cao của điện áp ra nhỏ hơn so với trường hợp bộ nghịch lưu hai mức.

Bảng 1.6 Bảng so sánh cấu hình của các loại biến tần đa mức.

Cấu hình NPC FLC CHB Số module (IGBT/Diode) 6(N-1) 6(N-1) 6(N-1) Số diode kẹp 3(N-1)(N-2) 0 0 Số tụ DC link (N-1) (N-1) 3(N-1)/2 Số tụ bay 0 3(N-2) 0 Tổng số linh kiện 3N 2 -2N-1 N=3,4... 10N-13 N=3,4... 15(N-1)/2 N=5,7,9... Cấu hình mạch nghịch lưu NPC và FLC cần dùng tụ điện lớn hoặc giải thuật điều khiển phù hợp để duy trì cân bằng điện áp trên các tụ. Cấu hình này chỉ dùng một nguồn DC duy nhất, do đó thích hợp cho trường hợp nguồn DC được tạo nhờ bộ chỉnh lưu từ hệ thống điện AC của lưới. Cấu hình cascade gồm nhiều cell cầu ghép nối tiếp. Mỗi cell cầu này lại sử dụng một nguồn DC riêng biệt, các nguồn DC đòi hỏi phải cách ly hoàn toàn. Do đó cấu hình cascade thích hợp cho các trường hợp có các nguồn DC có sẵn như acquy, battery, pin năng lượng mặt trời... Các tụ điện trong cấu hình NPC và FLC được sử dụng như các nguồn DC độc lập và cần

- 27 -

thiết phải duy trì ổn định điện áp trên tụ. Nếu ta thay thế các tụ điện bằng các nguồn DC độc lập có sẵn như pin, acquy thì điện áp các nguồn này tương đối ổn định không phụ thuộc vào giải thuật điều khiển, khi đó mạch sẽ làm việc ổn định hơn. Khi đó số lượng nguồn DC dùng trong cấu hình NPC sẽ ít hơn so với cầu hình cascade nếu cùng số mức. Tuy nhiên trong trường hợp này nếu các nguồn DC có điện áp không bằng nhau (đối với cấu hình NPC) hoặc không phải là bội của nhau (đối với cấu hình FLC), nếu vẫn áp dụng phương pháp điều khiển thông thường thì đặc tính điều khiển sẽ phi tuyến và xuất hiện các sóng hài bậc nhất ở đầu ra là giảm chất lượng điện áp và dòng điện cấp cho tải. Do đó cần một giải thuật phù hợp khi sử dụng các nguồn DC không cân bằng.

1.3. Kết luận chung

Chương 1 đã nêu tìm hiểu tổng quát về cấu trúc của biến tần, nêu ra ưu nhược điểm của từng loại. Biến tần gián tiếp là loại biến tần phổ biến nhất đang được sử dụng hiện nay, thành phần quan trọng nhất trong bộ biến tần gián tiếp là bộ nghịch lưu, thông thường nghịch lưu sử dụng ở dải công suất thấp thường là nghịch lưu hai mức, tuy nhiên ở dải công suất cao người ta thường sử dụng nghịch lưu đa mức. Phần 1.2 đã phân tích ba loại cấu trúc nghịch lưu cơ bản thường được sử dụng là nghịch lưu đa mức có diode kẹp NPC, nghịch lưu đa mức dạng tụ bay FLC –VSC và nghịch lưu đa mức cầu H. Ưu nhược điểm của từng loại được đưa ra sau khi đã phân tích nguyên lý hoạt động của từng loại. Trong luận văn này chúng ta sẽ nghiên cứu nghịch lưu đa mức cầu H kiều nối tầng để điều khiển tốc độ động cơ không đồng bộ ba pha vì những ưu điểm nổi bật đã được đưa ra ở phần trên.

- 28 -

Chƣơng 2

CÁC PHƢƠNG PHÁP ĐIỀU CHẾ CHO NGHỊCH LƢU ĐA MỨC KIỂU CẦU H NỐI TẦNG

2.1. Phƣơng pháp điều chế độ rộng xung PWM cho nghịch lƣu đa mức kiểu cầu H nối tầng

Có nhiều phương pháp điều chế độ rộng xung để điều khiển nghịch lưu đa mức cầu H bằng cách sử dụng nhiều sóng mang. Các phương pháp này có thể được phân chia thành 3 nhóm chính sau:

 PWM kiểu dịch pha (phase shifted - PS),  PWM kiểu dịch mức (level shifted - LS),  PWM kiểu lai giữa dịch pha và dịch mức.

2.1.1. Phương pháp điều chế dịch pha sóng mang

Nói chung, nghịch lưu đa mức với m mức điện áp sẽ yêu cầu (m-1) sóng mang. Trong phương pháp điều chế này, tất cả các sóng mang dạng tam giác có cùng tần số và biên độ đỉnh nhọn, nhưng có sự lệch pha giữa 2 sóng mang bất kỳ kề nhau với (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});

0 360 1 cr m    (2.1)

Sóng điều chế luôn là sóng dạng hình sin 3 pha với biên độ và tần số có thể điều chỉnh được. Tín hiệu các cổng được tạo ra bằng cách so sánh sóng điều khiển và các sóng hình tam giác. Ta xét quá trình điều chế đối với bộ nghịch lưu CHB 7 mức ở hình 2.1. Hình 2.2 chỉ ra nguyên lí của điều chế dịch pha cho nghịch lưu CHB 7 mức, trong đó 6 sóng mang hình tam giác với độ lệch pha 600 giữa 2 sóng bất kì