Do sự phát triển mạnh mẽ của các thiết bị điện tử công suất đã dẫn đến yêu cầu cần PWM hiệu quả hơn. Các vấn đề như là khử các sóng hài trong các thành phần dòng điện, để làm giảm các tổn hao đồng trong động cơ không đồng bộ. Phương pháp PWM thông thường có thể thực hiện được bằng cách tăng tần số sóng mang hay chính là tần số chuyển mạch. Tuy nhiên điều này lại làm tăng các tổn hao chuyển mạch. Để vượt qua những hạn chế của chiến lược chuyển mạch, một kỹ thuật mới được biết là phương pháp điều chế bề rộng xung theo kiểu véctơ không gian (Space Vector Pulse Width Modulation – SVPWM) đã được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp. SVPWM là một phương pháp hiệu quả cao để tạo ra sáu xung điều khiển nghịch lưu cho một hệ truyền động.
a. Vecto không gian
Các trục của ba cuộn dây trong máy điện xoay chiều được đặt lệch nhau 1200 trong không gian và được mô tả bởi các véctơ 1, a, a2 với a = exp(j2π/3). Dòng điện trong các cuộn dây tương ứng là isa, isb, isc được biểu diễn bởi một véctơ duy nhất là véctơ không gian is, vì vector này nằm trong mặt phẳng vuông góc với trục rotor và theo hướng sao cho phân bố từ thông trên đó là không đổi.
2 2
i = (is sa + aisb+ a i )sc 3
Trong đó:
Ls - điện cảm của cuộn dây stato
Lm- điện cảm giữa cuộn dây stato và rotor is- dòng stator ir- dòng rotor Suy ra u =dψs s dt u = (us 2 sa+ ausb+ a u )2 sc 3
với us là véctơ không gian của các điện áp stator và usa, usb, usc lần lượt là các điện áp pha stator. Vị trí và giá trị của thể hiện giá trị tức thời của điện áp pha ở bất kỳ thời điểm nào.
Hình 3.11 Vecto không gian
b.Vecto chuyển mạch
Trong mỗi chu kỳ điện áp ra có 6 lần chuyển mạch (6 lần đóng cắt các van động lực). Tương ứng ta có 6 vector U1, U2, U3, U4, U5, U6 mô tả điện áp ba pha đối xứng(hình 3.13a)
Vị trí và giá trị của các vector này xác định: - Giá trị điện áp tức thời trong các pha - Luật đóng mở các van
Do đó các vector này được gọi là các vector chuyển mạch: Vector U1 ứng với tổ hợp van 1,6,2 dẫn điện
Vector U2 ứng với tổ hợp van 1,5,2 dẫn điện Vector U3 ứng với tổ hợp van 4,3,2 dẫn điện Vector U4 ứng với tổ hợp van 4,3,5 dẫn điện Vector U5 ứng với tổ hợp van 4,6,5 dẫn điện Vector U ứng với tổ hợp van 1,6,5 dẫn điện
Hình 3.12
a. Nghịch lưu áp ba pha b. Đồ thị xung
Mỗi trạng thái dẫn của van (1, 6, 2) cũng cho biết vị trí của mỗi vector. Chuyển từ trạng thái này sang trạng thái khác(ví dụ từ 1, 6, 2 sang 1, 5, 2) bằng cách đóng mở các tổ hợp van khác nhau thì vector chuyển mạch cũng thay đổi vị trí một góc bằng . Như vậy các đại lượng U1, U2, U3, U4, U5, U6 cùng có 6 hướng thay đổi trong không gian. Do đó các vector này còn được gọi là vector trạng thái.
(a) (b)
Hình 3.13.
a.Vecto chuyển mạch
b.Vecto trạng thái đóng mở của van
Để mô tả điện áp ba pha đối xứng chỉ cần 6 vector đã nêu trên. Ngoài 6 trạng thái trên trong nghịch lưu còn hai trạng thái khác: khi van 1, 3, 5 được nối vào điểm (+) của nguồn và khi ba van 2, 4, 6 được nối vào điểm (-) của nguồn. Hai trạng thái này ứng với hai vector U0 và U7 có giá trị bằng 0. Hai vector này cần thiết để thực hiện luật điều chế (PWM) trong nghịch lưu.
Bằng cách đóng mở các trạng thái làm việc (U1, U2, U3, U4, U5, U6) và hai trạng thái không(U0, U7) trong một chu kỳ chuyển mạch Ts, ta có thể thay đổi được điện áp ra của nghịch lưu. Giả sử nghịch lưu cần tạo ra một giá trị điện áp nào đó trong các pha ứng với vector U*
U* được phân tích thành hai véctơ U và Ub mà hướng của chúng trùng với hướng của 2 vector U1và , U2: , U = U + U* 1, 2 như hình 3.14:,
Hình 3.14. Vectơ chuẩn
So sánh hai phương pháp PWM thông thường và PWM véctơ không gian
Phương pháp PWM thông thường đơn giản do sử dụng phần cứng, chỉ cần dùng các bộ tích phân và các bộ so sánh tương tự để thay đổi độ rộng xung mở các van động lực. Tốc độ của các thiết bị tương tự rất nhanh, tần số đóng cắt của các bộ biến tần có thể lên tới vài chục KHz. Tuy nhiên nhược điểm lớn nhất của phương pháp PWM thông thường là các thành phần sóng điều hòa của điện áp ra. Muốn làm giảm các sóng điều hòa bậc cao thì phải tăng tần số chuyển mạch, khi đó tổn hao công suất do chuyển mạch tăng và
Phương pháp PWM véctơ không gian thì không cần bộ điều chế riêng cho mỗi pha mà thay vào đó chỉ cần xử lý một véctơ chuyển mạch cho cả ba pha. Véctơ này đảm bảo các xung điều khiển đưa vào nghịch lưu để mở các van động lực thông qua các phương pháp xử lý tín hiệu số. Việc điều chế véctơ không gian cần các thiết bị hỗ trợ có tốc độ tính toán cao như DSP. Điều chế véctơ không gian ta có thể thực hiện theo kiểu điều chế đối xứng hay không đối xứng, đảm bảo tối ưu quá trình chuyển mạch của các van bán dẫn hạn chế tổn hao nhiều so với , phương pháp PWM thông thường.
Chương 4
THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN LƯU LƯỢNG GIÓ TIẾT KIỆM NĂNG LƯỢNG