Điều chế sóng sin trên sử dụng tín hiệu mang tam giác. Bằng cách so sánh tín hiệu mang thông thường với các tín hiệu hình sin ba pha (Ua*, Ub*, Uc* ) để tạo ra các tín hiệu logic, tín hiệu này được phát ra để đóng cắt tức thời các bóng tranzitor công suất. Điều khiển với tín hiệu mang không đổi, điện áp tập trung sóng hài xung quanh tần số chuyển mạch. Dải tuyến tính hẹp là một giới hạn cho bộ điều biến sóng mang sử dụng PWM hình sin (CB-SPWM) bởi vì hệ sốđiều biến là:
43 Mmax = pi/4 = 0,785 (m=1)
Vùng quá điều biến xẩy ra ở giá trị lớn hơn Mmaxở bộ biến đổi PWM, điều biến
được xem xét như bộ khuếch đại công suất, hoạt động ở vùng đặc tính một phần không tuyến tính.
Hình 4.4.a. Sơđồ khối của bộđiều chế hình sin dùng sóng mang (CB-SPWM)
Hình 4.4.b. Dạng sóng mang
4.2.1.2. Điều chế hình sin dùng sóng mang với tín hiệu thứ tự không (ZSS)
Nếu điểm trung tính ở phía xoay chiều của bộ biến đổi N không được kết nối
điểm trung 0 của phía một chiều như hình:
Hình 4.5.Bộ biến đổi 3 pha nguồn áp
Pha của dòng điện chỉ phụ thuộc vào sự chênh lệch điện áp giữa các pha. Do vậy, nó có thể chèn thêm một tín hiệu thứ tự không (ZSS) của tần số sóng hài bậc
44
ba, sóng này không gây ra nhiễu điện áp pha ( UaN, UbN, UcN) và không ảnh hưởng
đến giá trị dòng điện trung bình của tải.
Hình 4.6.Sơđồ khối của bộđiều chế dùng sóng mang kết hợp tín hiệu thứ tự không Do vậy, nhấp nhô dòng và tham số bộđiều chế khác (ví dụ mở rộng vùng tuyến tính tới Mmax =π /2 3 =0,907, giảm tần số đóng cắt trung bình, dòng điều hòa)
được thay đổi bằng tín hiệu thứ tự không (ZSS). Thêm chuỗi tín hiệu không xảy ra giữa N và điểm O và có thể thấy nhưđiện áp UN0 và có thểđược tuân theo nhưđiện áp Uao, Ubo, Uco.( hình 4.7).
Hình 4.7. Phương pháp điều chế PWM phụ thuộc vào các dạng khác nhau của tín hiệu thứ tự không
45
Tương ứng với các phương pháp điều chế PWM khác nhau. Các phương pháp này có thể chia làm hai nhóm chính: điều biến liên tục và không liên tục (DPWM).
Điều biến liên tục được biết đến nhiều nhất là phương pháp với chuỗi tín hiệu không dạng sin với ¼ biên độ. Nó tương ứng với điều hòa dòng ra là nhỏ nhất, và với 1/6 biên độ tương ứng với dải tuyến tính lớn nhất. Hình dạng tam giác của chuỗi tín hiệu không với ¼ đỉnh tương ứng với điều chế véc tơ không gian thông thường với véc tơ không trong thời gian mẫu.
Điều biến không liên tục được định dạng bởi các phân đoạn 600 không được
điều biến (công tắc nguồn của bộ biến đổi không được bật) được thay đổi từ 0 đến π/3 (khác với thay đổi ψđưa các kiểu điều chế khác nhau hình 4.9)
Hình 4.8.Phát tín hiệu chuỗi không cho phương pháp DPWM
4.2.2. Điều chế véc tơ không gian (SVM) Cơ sởđiều chế véc tơ không gian
46
Chiến lược điều chế SVM dựa trên cơ sở biểu diễn véc tơ không gian của bộ
biến đổi xoay chiều bên phía điện áp (hình 4.9) trở nên phổ biến vì nó đơn giản. Một bộ biến đổi 3 pha hai mức sẽ cho ta 8 trạng thái đóng cắt, tạo nên 6 trạng thái tích hoạt động (trạng thái khác không) và hai trạng thái đóng (trạng thái không). Sáu véc tơ này chia mặt phẳng làm 6 phần, một véc tơđặt U*được xác định bởi hai véc tơ gần nhau. Có thể nhìn thấy véc tơ U* trên hình 4.9. Độ dài của vecst tơ U* ứng với mỗi góc α là U*max = Udc/ 3. Giá trịđiện áp đầu ra cao hơn (nghiên cứu kiểu 6 bước) khi hệ số điều chế là lớn nhất (M=1), chúng ta có thể đạt được bằng cách thêm vào một thuật toán quá điều biến không tuyến tính.
Trái ngược với CB-PWM, trong điều chế véc tơ không gian không có bộ điều chế riêng biệt cho mỗi pha. Véc tơ đặt U* được lấy mẫu với khoảng thời gian cố định 2fs =1/Ts, và giá trị U*(Ts) kế tiếp được sử dụng để giải phương trình với thời gian xác định t1, t2, t0 và t7 như hình sau:
Hình 4.10.Sơđồ khối của bộđiều chế không gian véc tơ
Thiết bị vi xử lý thực hiện các phép tính với các liên hệ lượng giác đơn giản cho vùng đầu tiên (vùng 1) như hình 4.11 và được tính lại cho các vùng tiếp theo.
47 Và tiếp tục được tính toán cho các vùng tiếp theo t1 = π 3 2 MTs sin(π/3 - α) (4.1) t2 = π 3 2 MTs sinα (4.2) Sau khi tính toán giá trị t1 và t2, thời gian lấy mẫu còn lại của véc tơ không U0, U7 với điều kiện t1 + t2 ≤ Ts. Phương trình 3.1 và 3.2 được dùng cho tất cả các thay
đổi của SVM. Điểm khác nhau duy nhất là sự sắp đặt của véc tơ không U0(000) và U1(111). Đưa ra phương trình khác nhau để xác định t0 và t7 của mỗi phương pháp, nhưng tổng khoảng thời gian của véc tơ không phải thỏa mãn điều kiện:
t0,7 = Ts –t1 – t2 = t0 + t7 ( 4.3)
Điện áp trung tính giữa N và điêm 0 là phương trình: UN0 = s T 1 (- 2 dc U t0 - 6 dc U t1 + 6 dc U t2 + 2 dc U t7) = 2 dc U s T 1 ( -t0 - 3 1 t + 3 2 t + t7) ( 4.4) Sau đây là bảng điện áp giữa a, b, c và N,0 cho 8 trạng thái đóng cắt của bộ biến đổi
Điều chế véc tơ không gian 3 pha với sắp sếp đối xứng của véc tơ không (SVPWM)
Phổ biến nhất hiện nay phương pháp SVM là điều chế với trạng thái không đối xứng (SVPWM):
t0 = t7 = (Ts – t1 – t2)/2 (4.5) Hình 4.12 chỉ ra xung của van cho SVPWM và tương ứng giữa thời gian thực hiện Ton, Toff và khoảng thời gian véc tơ thực hiện t1, t2, to, t7. Để độ trễ chuyển mạch vùng đầu tiên có thểđược tính toán:
48
Tbon = to/2 + t1 Tboff = to/2 + t2 (4.6) Tcon = to/2 + t1 + t2 Tcoff = to/2
Để thời gian SVPWM thông thường t1, t2, to được tính toán chỉ cho một vùng duy nhất. Độ trễ chuyển mạch cho từng vùng khác nhau có thể được tính với sự
giúp đỡ của ma trận:
Hình 4.12.Sắp sếp các véc tơ trong thời gian mẫu
Hình 4.13a.SVM ba pha (SVPWM, to =t7)
Hình 4.13b..SVM hai pha (DPWM, t0 = 0, t7 = 0)
SVM hai pha
Kiểu điều chế này được gọi là điều chế độ rộng xung không liên tục (DPWM) cho công nghệ dùng sóng mang (CB) với một tín hiệu tần số không được thêm vào ZSS. Ý tưởng dựa trên cơ sở giả định rằng chỉ có hai pha được đóng cắt (chỉ một pha được giữ ở 600từ mức dưới hoặc mức trên của dòng một chiều). Nó được giữ
chỉ một trạng thái không trên thời gian mẫu (hình 4.13b). SVM hai pha giảm tần số
cắt hiệu quả tới 33%. Do vậy, mất mát tần số chuyển mạch phụ thuộc chủ yếu vào hệ số góc công suất tải. Tiêu chuẩn quan trọng, cho phép giảm mất mát do đóng cắt lên tới 50%.
Hình 4.14a chỉ ra các kiểu khác nhau của điều chế véc tơ không gian hai pha. Ta có thể nhìn thấy các vùng tương ứng được dịch chuyển từ 00, 300,600, 900, và biểu diễn bởi PWM(0), PWM(1), PWM(2), PWM(3) theo thứ tựđã định sẵn.
49
Hình 4.14b. Mô tảđiện áp pha UaN, điện áp cực Ua0 và điện áp giữa điểm trung tính UN0 cho những kiểu điều chế đã trình bày ở trên. Trạng thái không mô tả bởi PWM(1) có thểđược viết:
T0 = 0 ⇒ t7 = Ts-t1 – t2 khi 0 ≤α≤π/6 (4.7) T7 = 0 ⇒ t0 = Ts-t1 – t2 khi π/6 ≤α≤π/3 (4.8)
Hình 4.14a. Sắp xếp véc tơ không trong SVM hai pha
Hình 4.14b. Điện áp pha UaN, điện áp cực Ua0 và điện áp giữa điểm trung tính UN0 cho mỗi điều chế.
4.2.3. So sánh PWM dùng sóng mang với PWM véc tơ không gian
So sánh phương pháp CB-PWM kết hợp tín hiệu thứ tự không mang (ZSS) với SVM được chỉ ra trên hình 4.15. Hình phía trên phát xung thông qua việc so sánh tín hiệu điện áp đặt Ua**, Ub**, Uc** với tín hiệu mang tam giác. Hình phía dưới chỉ
ra quá trình phát xung của các van trong SVM (có được bằng tính toán khoảng thời gian của véc tơ U1,U2 và véc tơ không U0, U7). Mặc dù có thể quan sát từ hình 4.14 và hình 4.15 miêu tả trong lựa chọn dạng sóng mang tín hiệu thứ tự không trong CB-PWM tương ứng với các cách sắp sếp véc tơ không U0(000) và U7(111) trong thời gian mẫu Ts = 1/2fs. Tuy nhiên, không có sự khác biệt giữa CB-PWM và SVM (CB-DPWM1 = PWM (1) –SVM trạng thái không trong thời gian mẫu). Sự khác nhau chỉ là chất lượng xử lý ba pha: hoạt động của CB-PWM trong giới hạn tổng
50
hợp của 3 pha tự nhiên, trong khi SVM sử dụng mô tả véc tơ giả lập.
a,SVPWM b,DPWM Hình 4.15. So sánh CB-PWM với PWM
Nhận xét:
- Hệ sốđiều chế M (có thể Mmax =1) lớn hơn các phương pháp khác nên cho phép điện áp đầu vào động cơ cao khi cùng một nguồn điện áp một chiều cấp cho bộ biến đổi, điều đó dẫn tới hiệu suất của động cơ cao.
- Phương pháp điều chế PWM không gian véc tơ cho chất lượng điện áp và dòng điện sau khi qua bộ biến đổi tốt hơn vì đã tính toán cụ thể thời gian đóng mở
các van.
- Ngoài ra còn 1 chỉ tiêu đểđánh giá tính chất điều hòa của dạng sóng điện áp cần điều chế là THD % = 100*(Uh/Us1). Có thể thấy trong hệ thống điều khiển IPM thì phương pháp SVM cho điện áp cần điều chế có dạng điều hòa bậc một là chủ yếu, còn phương pháp sóng mang cho điện áp cần điều chế có bổ sung những thành phần sóng hài khác bậc một.
4.2.4. Qúa điều biến
Điều biến là một kỹ thuật cơ bản trong điện tử công suất, do vậy để hiểu rõ và
51
Có rất nhiều phương pháp đã được nói đến trong các công trình nghiên cứu để
tăng dải PWM trong bộ biến đổi nguồn áp. Một vài phương pháp trên được đề suất như là mở rộng của PWM hình sin (SPWM), và khác như sự mở rộng của PWM véc tơ không gian (SVPWM). Trong phương pháp CB-PWM bằng cách tăng điện áp danh định dựa trên biên độ của tín hiệu mang tam giác, một vài chu trình đóng cắt được bỏ qua và điện áp của mỗi pha được giữ duy trì tới đường truyền dòng 1 chiều (DC bus). Sắp sếp này chỉ ra một sự phi tuyến cao giữa biên độ điện áp danh
định và biên độ điện áp đầu ra và yêu cầu giới hạn biên độ của điện điện áp danh
định đểđạt được một điện áp ra 6 bước.
Trong SVM cho phép độ dài của véc tơ danh định U* cái mà cung cấp điều biến tuyến tính bởi phương trình:
U*max = Udc/ 3 ( vòng tròn nội tiếp trong hình lục giác M =0,906) ( hình 4.16)
Để đạt được giá trị điện áp ra cao hơn (kiểu 6 bước đã đạt được) đạt tới điều biến lớn nhất M = 1, thêm một thuật toán quá điều biến không tuyến tính đã được áp dụng. Bởi vì đây là độ rộng xung nhỏ nhất trở lên ngăn hơn xung tiêu chuẩn ( phụ
thuộc chủ yếu vào các thông số đóng cắt – thông thường một vài µs) hoặc thậm chí là không. Véc tơ không sẽ không được sử dụng trong kiểu điều chế này.
Hình 4.16. Mô tả véc tơ không gian trong vùng quá điều biến
Thuật toán dùng hoạt động hai mô hình
Hai vùng quá điều biến được nhận thấy (hình 4.17). Trong vùng I, biên độ của
điện áp danh định được chỉnh định để giữ cho vec tơ không gian hoạt động bên trong lục giác. Nó xác định biên độ lớn nhất đê có thể đạt được ứng với mỗi góc. Mô hình mở rộng hệ số dải điều chế này có thể lên tới 0,95. Mô hình II bắt đầu từ
52
một bảng tra hoặc trong lưới trung tính trên cơ sở các phương pháp có thể được áp dụng.
Hình 4.17.Sự chia nhỏ của vùng quá điều biến
Quá điều biến kiểu I: Méo tín hiệu danh định liên tục
Trong dãy này, biên độ của véc tơ danh định được thay đổi trong khi góc được truyền đi mà không thay đổi chút nào (αp = α). Tuy nhiên, khi đường cong danh
định gốc vượt ra ngoài lục giác, phương trình trung bình về thời gian đưa ra một cái không có thực trong khoảng thời gian cho véc tơ không. Tuy nhiên, để bù lại sự suy giảm của điện áp cơ cơ, một sự hiệu chỉnh đường cong điện áp danh định U được lựa chọn (hình 4.18a). Thay đổi tổng hợp cơ sở trong vùng nơi đường cong danh
định vượt qua lục giác được bù bởi giá trị cao hơn trong góc (vùng giá trị trong một hình quạt – như hình 4.18a)
Hình 4.18. Quá điều chế
a) mô hình I (0,907 < M < 0,952), b) Mô hình II (0,952 < M <1)
U* - đường cong danh định (đường gạch), U – đường cong danh định được hiệu chỉnh( đường đậm)
53
Trong khoảng thời gian cho mỗi vùng nơi đường cong danh định đã hiệu chỉnh
được di chuyển dọc theo lục giác được tính toán như sau: t1 = Ts α α α α sin 3 sin 3 + − Cos Cos t2 = Ts – t1 ( 4.9a,b,c) t0 = 0
Quá điều biến kiểu II: Méo tín hiệu danh định liên tục
Hoạt động trong vùng này được minh họa trong hình 4.18b. Đường cong thay đổi dần dần từ một lục giác liên tục tới hoạt động 6 bước. Để điều khiển được trong vùng quá điều chỉnh II, cả biên độ danh định lẫn góc danh định (từ α tới αp) được thay đổi: αp = ⎪ ⎪ ⎩ ⎪ ⎪ ⎨ ⎧ − − 3 / 6 6 / 0 π π α π α α h h 3 / 3 / 3 / 0 π α α π α π α α α α ≤ ≤ − − ≤ ≤ ≤ ≤ h h h h ( 4.10) Véc tơ hiệu chỉnh được giữ ởđỉnh của lục giác để mỗi góc giữαhđối với thời gian riêng biệt và sau đó một phần vết cạnh của lục giác trong mỗi mặt cắt cho phần còn lại của chu kỳ đóng cắt. Góc giữ αhđiều khiển khoảng thời gian nghỉ khi hoạt
động duy trì trạng thái đóng cắt ở đỉnh, góc duy nhất để điều khiển điện áp cơ sở. Nó là một hàm không tuyến tính của hệ số điều biến, cái có thể sử dụng một chút kinh nghiệm về tuyến tính như:
αh = 6.4M – 6.09 (0.95≤M≤0.98)
αh = 11.75M – 11.34 (0.98≤M≤0.9975) (4.11) αh = 48.96M – 48.43 (0.9975≤M≤1.0)
Mô hình sáu bước được đặc trưng bởi sự lựa chọn véc tơ đóng cắt, cái gần với véc tơ danh nghĩa cho 1 trong sáu chu kỳ cơ sở. Để đưa ra 1 tần sốđóng cắt, nhiễu dòng tăng với hệ số điều biến. Hệ số nhiễu tăng mạnh khi dạng sóng trở lên gián
đoạn trong kiểu II.
Thuật toán dùng kiểu hoạt động đơn
Một công nghệđơn giản được đề xuất để mô tả góc điện áp được giữ không đổi véc tơđiện áp danh định được đặt ở bên ngoài lục giác. Giá trị, cái mà góc đặt được giữ, được xác định bởi mặt cắt của đường tròn (tương ứng với hệ số điều biến) với lục giác hình 4.18. Góc ở vị trí đặt (góc giữ) được giữ phụ thuộc vào hệ sốđiều biến
54
mong muốn (M) và có thểđược thiết lập từ phương trình 4.12 (biên độ đường tròn lớn nhất được liên hệ với điện áp ra cơ sở có thể lớn nhất 2/πUdc như hình 4.19): α1 = arsin( ' 2 3 M ) 3.12a M’ = ( π − − 3 2 3 3 2 )M + π π − − 3 2 3 3.12b α2 = 3 π - α 1 3.12c
Hình 4.19. Quá điều biến: hoạt động theo kiểu đơn
U*- Đường cong danh định (nét đứt), U- Đường cong danh định được hiệu chỉnh (nét liền)
Để có được một góc mong muốn ở giữa 0 và α1, mỗi góc đặt ứng với một giá trị