3.1.1.1 Phương án nghịch lưu 3 pha kinh điển
Giải pháp nghịch lưu ba pha kinh điển được minh hoạ ở hình 3.1. Điện áp xoay chiều ba pha được tạo nên bằng phương pháp điều chế vector điện áp (Voltage Vector Modulation). Ưu nhược điểm của giải pháp này :
*/Ƣu điểm: Dễ thực hiện, tiết kiệm van IGBT (6 chiếc). Dễ thực hiện bù hệ
số công suất cos .
*/ Nhƣợc điểm: Rất dễ trôi dạt trung tính (điểm M trong hình 3.1) khi phụ
tải không đối xứng. Khó tận dụng được công suất tối đa vì mô đun tối đa của vector điện áp đặt lên phía sơ cấp của biến thế chỉ là 2UDC/3.
Hình 3. 1: Giải pháp nghịch lưu 3 pha kinh điển: điện áp 3 pha được tạo nên bằng phương pháp điều chế vector.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/
Do nhược điểm nêu trên đề tài đã tiếp tục thử nghiệm với phương án ghép 3 nghịch lưu 1 pha dưới đây.
3.1.1.2 Phương án nghịch lưu 3 pha ghép từ nghịch lưu 1 pha
Trước khi giới thiệu cụ thể về phương pháp điều khiển nghịch lưu, có thể khẳng định ngay rằng: Phương án mới đã thực sự cho phép luôn luôn đảm bảo tính cân đối giữa 3 pha mà không phụ thuộc vào tải. Hơn thế nữa – như phần trình bày dưới đây sẽ chỉ rõ hơn – giải pháp này còn cho phép tận dụng tối đa công suất của nguồn DC vì mô đun của vector điện áp lúc này chính bằng UDC.
Hình 3. 2: Giải pháp ghép 3 nghịch lưu 1 pha: điện áp 3 pha được tạo nên bằng cách ghép 3 điện áp lệch pha nhau 120o
.
Then chốt trong kỹ thuật điều khiển nghịch lưu 3 pha theo phương án như hình trên là khả năng điều khiển điều chế từng cầu nghịch lưu đơn (1pha) để tạo nên điện áp hình sin đặt lên cuộn sơ cấp của biến áp. Biến áp 3 pha thực chất có thể coi là 3 biến áp 1 pha, với 3 cuộn sơ cấp được nuôi bởi 3 điện áp hình sin lệch pha nhau 120o. Vì lý do ấy, tại đây ta chỉ quan tâm tới kỹ thuật điều chế cho 1 nghịch lưu đơn.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/
Có 2 phương pháp điều chế bề rộng xung (Pulse Width Modulation) để tạo điện áp hình sin (còn gọi là kỹ thuật biến đổi DC-AC) cho cầu nghịch lưu 1 pha:
*/ Phương pháp điều chế 2 cực (Bipolar Voltage Switching): Hai cặp van V1/V4 và V2/V3 được điều khiển bởi 2 tín hiệu có trạng thái logic phủ định nhau. Cách điều khiển này dẫn đến: trong mọi chu kỳ của điện áp cần tạo, phụ tải (ở đây là cuộn sơ cấp của biến thế) luôn nhận điện áp ngược dấu UDC hoặc –UDC (do đó có tên 2 cực). Nếu thực hiện bằng kỹ thuật Analog, có thể tạo 2 tín hiệu logic bằng cách so sánh tín hiệu điều khiển uc với chuỗi xung răng cưa u như hình 3.3.
Hình 3. 3: Phương pháp điều chế 2 cực: sơ cấp biến áp luôn nhận UDC hoặc –UDC.
Sóng cơ bản của điện áp điều chế utrafo có biên độ nằm trong phạm vi từ 0 ÷ UDC, cho phép tận dụng tốt giải biên độ điện áp do máy phát cung cấp vốn có giá trị nhỏ khi gió yếu.
*/ Phương pháp điều chế đơn cực (Unipolal Voltage Switching): Nếu phương pháp 2 cực chỉ dùng 1 tín hiệu điều khiển uc để điều khiển 2 cặp van V1/V4 và V2/V3, thì phương pháp đơn cực lại dùng 2 tín hiệu ngược giống nhau uc và – uc
- UDC
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/
chỉ để điều khiển cặp van phía trên V1/V2. Còn 2 van phía dưới được điều khiển hoàn toàn phụ thuộc 2 van đó: V3 nhận trạng thái logic phủ nhận của V1, còn V4 nhận trạng thái logic phủ định của V2. Dễ dàng nhận thấy : Trong phạm vi nửa chu kỳ của điện áp cần tạo, phụ tải (cuộn sơ cấp của biến thế) chỉ nhận điện áp 1dấu (do đó có tên đơn cực). Ví dụ : xét nửa chu kỳ dương ở hình 3.4 ta sẽ thấy, cuộn dây biến áp nhận điện áp UDC (V1 dẫn, V2 không dẫn V4 dẫn) hoặc 0 (V1, V2 cùng dẫn 2 cực cuộn dây sơ cấp biến áp cùng nối với thế năng +).
+ U
+ U
- UDC
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ Hình 3. 4: Phương pháp điều chế đơn cực: Tuỳ theo nửa chu kỳ, sơ cấp biến áp chỉ nhận 1
trong 2 giá trị ±UDC hoặc 0.
Tương tự kỹ thuật hai cực, sóng cơ bản của điện áp điều chế utrafo cũng có biên độ nằng trong phạm vi 0 ÷ DDC, cho phép tận dụng tốt giải biên độ điện áp do máy phát cung cấp, vốn có giá trị nhỏ khi gió yếu.
Hai phương pháp điều chế PWM nói trên chủ yếu được thực hiện bằng linh kiện Analog. Để hiểu rõ hơn bản chất, đồng thời tạo điều kiện thực hiện thuận lợi bằng kỹ thuật Digital (sử dụng F2812), luận văn đã đưa ra cách nhận thức vấn đề dưới dạng vector và đề xuất hai phương pháp điều chế vector điện áp 1 pha dưới đây.
* Phương pháp điều chế vector điện áp hai cực (Bipolar vector Modulation): Phương pháp này có xuất phát điểm là phương pháp điều chế hai cực, ta hãy theo dõi hình 3.5 dưới đây:
Hình 3. 5: Phương pháp điều chế vector điện áp hai cực: Bipolar vector Modulation
Để tiện theo dõi, Trong hình 3.5 ta đã thay các van bán dẫn bởi các tiếp điểm cơ. Dễ dàng thấy rằng: Trong một chu kỳ xung Tpulse, bằng cách luân phiên hai cặp
Tpulse
- UDC + UDC
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/
van ta đã đặt lên cuộn dây sơ cấp một trong 2 giá trị điện áp +UDC (trong khoảng thời gian T+) hoặc –UDC (trong khoảng thời gian T-).
Việc chỉ có khả năng đặt lên cuộn dây 2 điện áp ngược dấu nhau cũng giống như việc ta chỉ có khả năng sử dụng 2 vector điện áp trái chiều nhau u+ và u-.
Hình 3. 6: Điều chế điện áp chỉ bằng 2 vector u+ và u-
Ta định nghĩa một hệ toạ độ cố định αβ có trục thực trùng với chiều của điện áp đặt lên cuộn dây biến thế. Trên hệ toạ độ mới, ta dễ dàng thấy rằng điện áp đặt lên biến thế chính là hình chiếu uTα của một vector điện áp uT (quay tròn quanh gốc toạ độ với vận tốc góc ω=2πf) xuống trục α. Nếu coi uTα là module của một vector
uTα (có chiều như trong hình 3.5) là vector được thực hiện bởi trạng thái logic của
u+ trong khoảng thời gian rút ngắn tương ứng. Trong khoảng thời gian còn lại ta thực hiện vector điện áp có giá trị module bằng 0:
0 3 1 1 1 (3.1) 2 2 2 2 cos cos (3.2) Pulse Pulse T T T T T T T T T Pulse Pulse DC Pulse T T T T u u T T T U T T T u u u u u u u u u u u u u u
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/
Hình 3.6 và công thức trên chỉ ra rất rõ ràng: Ta đã quy việc thực hiện uTα về việc thực hiện 2 vector u+ (đã suy giảm với hệ số
Pulse
T
T ) và u- (đã suy giảm với hệ số
Pulse
T
T ) Vấn đề tồn tại chỉ còn là: Tính gía trị của 2 khoảng thời gian T+ và T- phụ thuộc vào uT uT .
Tuy nhiên, hình 3.6 chỉ minh hoạ việc thực hiện vector uT với modul tối đa thực tế ta phải sử dụng quan hệ (3.2) thực hiện một vector uT có modul bất kỳ như hình 3.7 Chỉ bằng các phép tính hình học – lượng giác phổ thông ta dễ dàng tính được: cos cos 1 1 2 2 Pulse P T ulse D T C T T T U u u u (3.3) Pulse T T T (3.4)
Hình 3. 7: Biểu đồ vector của kỹ thuật hai cực: điều chế điện áp có modul bất kỳ chỉ bằng 2 vector u+ và u-
Công thức (3.3) được sử dụng để tính thời gian đóng ngắt van T+ và T- của góc ¼ Q1. Bằng cách dẫn dắt tương tự, ta có thể chứng minh được rằng công thức (3.3) cũng đúng cho tất cả 3 góc ¼ còn lại Q2, Q3 và Q4.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ Hình 3. 8: Nghịch lưu đơn có thể tạo được 4 trạng thái logic, ứng với 4 vector điện áp chuẩn: u1 (logic 10: hình a), u2 (logic 01: hình b) uo, u3 (logic 00, 11) là 2 vector có modul
bằng 0 (hình c,d).
* Phương pháp điều chế vector điện áp đơn cực (Unipolar Vector Modulation): Nếu định nghĩa trạng thái của hai điểm A, B (2 cực của cuộn dây sơ cấp biến thế) là 1 khi chúng được nối với thế năng dương, là 0 khi chúng được nối với thế năng âm của mạch DC. Khi ấy phải một nghịch lưu đơn với 2 nhánh van có thể tạo được 22=4 trạng thái logic với các dạng sơ đồ mạch minh hoạ ở hình 3.8.
Khác với phương pháp 2 cực luân phiên sử dụng 2 điện áp khác dấu trong cùng một nửa chu kỳ (hình 3.5b), phương pháp đơn cực chỉ sử dụng điện áp dương (logic 10) và điện áp 0 (logic 11) cho nửa chu kỳ dương, cúng như điện áp âm (logic 01) và điện áp 0 (logic 00) cho nửa chu kỳ âm hình 3.9.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ Hình 3. 9: Khác với phương pháp điều chế vector 2 cực, phương pháp đơn cực sử dụng cả
2 trạng thái logic 00 và 11.
Có thể nhận thấy rõ hơn cách chuyển mạch các van qua hình ảnh phóng to ở hình
Hình 3. 10:Cả hai trạng thái logic 00 và 11 đều tham gia vào điều chế 2 nửa chu kỳ
Các trạng thái logic ở hình 3.8 ứng với các vector điện áp chuẩn u1 (trạng thai 10) u2 (trạng thai 01) và u0,3 (trạng thai 00,11) biểu diễn ở hình 3.11 Gọi thời gian duy trì của vector u1 là T1, của u2 là T2, và của u0,3 là T0,3, qua biểu đồ vector ở hình ta có công thức tính cho 2 góc ¼ Q1 và Q4 Quadrant Q1, Q4: 1 1 3 1 cos cos Pulse Pulse D T C Pul e T s T T T U T T T u u u (3.5) - UDC + UDC pulse T pulse T
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/
Công thức (3.5) có hiệu lực đối với nửa chu kỳ dương. Đối với nửa chu kỳ âm, tức là đối với 2 góc ¼ Q2, Q3 ta sử dụng các công thức tính sau đây:
Quadrant Q2, Q3: 2 0 1 1 cos cos Pulse Pulse DC Pulse T T T T T U T T T u u u (3.6) Tại 2 góc ¼ Q2, Q3 giá trị cos mang dấu âm. Do đó trong công thức (3.6) đã xuất hiện dấu trừ.
Hình 3. 11:Biểu đồ vector của kỹ thuật điều chế vector đơn cực : Nghịch lưu đơn cực sử dụng 2 vector có modul bằng không là u0, u3(logic 00, 11)
Cả 2 phương pháp điều khiển nghịch lưu nêu trên có một số điểm khác biệt cần được nêu lên như sau :
* Do tận dụng được 2 vector chuẩn có modul bằng không là u0,3, biên độ hài bậc cao của phương pháp điều chế đơn cực bé hơn so với phương pháp 2 cực. Đây là lợi thế cần được triệt để tận dụng để giảm bớt kích cỡ, giảm giá thành cũng như giảm phát nhiệt của kháng lọc điện áp ra.
* So với phương pháp 2 cực, phương pháp đơn cực cần gấp đôi số tín hiệu PWM. Điều này rất có ý nghĩa khi chọn MicroControler.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ Hình 3. 12: Tín hiệu điều khiển van nghịch lưu
a) Theo phương pháp điều chế 2; b) theo phương pháp điều chế đơn cực.
Dễ dàng thấy rằng : Do việc điều khiển đòi hỏi 2 van thuộc đường chéo cầu nghịch lưu phải mở giống nhau, nhưng bảo đảm tính phủ định giữa 2 cặp van V1/V4 và V2/V3, ta chỉ cần 1 tín hiệu điều chế duy nhất khi dùng phương pháp 2 cực. Khi sử dụng phương pháp đơn cực ta lại không cần điều khiển phủ định giữa 2 cặp van V1/V4 và V2/V3, vì 2 van trên V1 và V2, hoặc 2 van dưới V3 và V4, có thể đồng thời dẫn dòng. Nhưng do trạng thái dẫn giữa van trên/ dưới của cùng một nhánh cầu nghịch lưu phải phủ định lẫn nhau, ta cần hai tín hiệu điều chế như hình 3.13b.
Phương pháp điều chế vector điện áp cho pháp thực hiện điều chỉnh ổn định điện áp ra một cách dễ ràng.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ Hình 3. 13: Điều chỉnh ổn định điện áp ra : a) Cấu trúc vòng điều chỉnh; b) Cấu trúc bộ điều chỉnh số (DigitalControler);m*
:Hệ số điều chế cần thực hiện, mr :Hệ số điều chế thực
Một khâu quan trọng có ý nghĩa quyết định tới không chỉ chất lượng điện áp ra, mà còn tới cả khả năng giảm phát nhiệt của biến thế xuất : Đó là bộ lọc đầu ra với 2 phần tử Lf và Cf. Đây cũng là một trong nhưng khâu khó thực hiện do thiếu khả năng chế tạo cuộn cảm có giá trị chính xác như thiết kế đòi hỏi tại Việt Nam.
Trong các thiết bị thuộc thế hệ tiếp theo cần phải tìm cách : * Làm chủ công nghệ chế tạo LF
* Sử dụng biến thế chỉ với vai trò cách ly thế năng, không nên dùng với vai trò tăng áp, để giảm điện áp sụt giảm trên kháng lọc và trên biến thế khi nặng tải.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ Hình 3. 14: Bộ lọc đầu ra có ý nghĩa quyết định tới chất lượng điện và khả năng phát
nhiệt của máy biến áp