IV. Biến tần đa bậc
3.4Giản đồ vector điện áp bộ biến tần ba bậc
3. So sánh về các dạng nghịch lưu đa bậc
3.4Giản đồ vector điện áp bộ biến tần ba bậc
Với ia(t), ib(t), ic(t) là các dòng điện pha của tải, xem hình 4.20. Nếu tải là cân bằng và là tải cảm, tần số đóng cắt tương đối cao thì các dòng điện tải gần như là các dạng sóng sin cân bằng. Mặt khác, nếu các điện áp ngõ ra xoay chiều được xem như là dạng sin và điện áp liên kết một chiều được coi như là một hằng số vi(t)=Vi, biểu thức (4.41) được đơn giản thành:
và f là hệ số công suất của tải cảm bất kỳ. Như vậy, biểu thức của dòng điện liên kết một chiều được rút gọn tiếp thành:
(3.43)
Với Il= là dòng điện dây hiệu dụng của tải. Kết quả của biểu thức dòng điện liên kết một chiều cho thấy các điện áp tải không chứa hài bậc thấp, so với các bộ nghịch lưu áp một pha thì ở đây không xuất hiện hài bậc hai. Tuy nhiên, vì các điện áp dây của tải có chứa các hài xung quanh tần số lấy mẫu chuẩn fsn, dòng điện liên kết một chiều sẽ vẫn chứa các hài nhưng xung quanh tần số fsn như trong hình 3.19h.
Hình 3.19 Các dòng điện pha của tải được nối dạng tam giác (kiểu nối delta-∆)
5. Các điện áp pha của tải trong các bộ nghịch lưu áp 3 pha.
Đôi khi tải được mắc dạng sao (Y) và các điện áp pha của tải là van, vbn, vcn (hình 4.21).
Hình 3.20 Các điện áp pha của tải được mắc dạng hình sao (Y)
Để xác định được chúng, ta nên xem các vector điện áp dây là:
(3.44)
Vector của điện áp dây có thể được viêt như là một hàm cảu vector điện áp pha [van vbn vcn]T như là:
Biểu thức (3.45) trình bày một hệ thống tuyến tính với ẩn số là vector [van vbn vcn]T. Nhưng hệ thống này ,vì vậy, các điện áp pha của tải không thể xác định bằng phương pháp ma trận đảo. Tuy nhiên, nếu các điện áp pha , biểu thức (3.45) có thể được viết lại thành:
(3.46) Và vì vậy:
(3.47) Và nó có thể được rút gọn tiếp thành:
(3.48)
Biểu thức cuối cùng của các điện áp pha của tải là một hàm chỉ của vab và vbc. Hình 3.22 cho ta thấy các điện áp pha và điện áp dây đạt được khi dùng biểu thức (3.48).
Mục đích chính của các bộ chuyển đổi công suất này là tạo ra các dạng sóng dòng điện ngõ ra xoay chiều dạng sóng sin với biên độ, tần số và pha có thể điều khiển được từ một nguồn cung cấp nguồn dòng một chiều. Vì các dòng điện dây xoay chiều ioa, iob, ioc (hình 3.23) có đặc tính di/dt cao, ta nên dùng một bộ lọc điện dung nối tại các cực xoay chiều trong các ứng dụng là tải cảm (ví dụ như ASDs). Các điện áp tải có dạng gần sin được dùng trong trong các ứng dụng công nghiệp có điện áp trung bình và đòi hỏi dạng sóng điện áp có chất lượng cao. Sau đây, ta chỉ phân tích về các bộ nghịch lưu nguồn dòng 3 pha. Các bộ nghịch lưu nguồn dòng 1 pha cũng có các phương pháp và các nguyên tắc tương tự như các bộ nghịch lưu dòng 3 pha.
Để các khóa công suất của bộ nghịch lưu nguồn dòng 3 pha được đóng cắt một cách thích hợp, ta phải luôn thỏa 2 điều kiện bắt buộc chủ yếu sau:
- Một tụ điện lớn được nối ở bên xoay chiều để tránh ngắn mạch và tối đa một công tắc ở nhánh trên (1, 3, hoặc 5_hình 3.23), và tối đa một công tắc ở nhánh dưới (4, 6, hoặc 2_ hình 3.23) được đóng tại bất cứ thời điểm nào.
- Dây một chiều (dc bus) thuộc loại nguồn dòng nên nó không được để hở. Vì vậy, phải có ít nhất một công tắc ở nhánh trên (1, 3, hoặc 5) và một công tắc ở nhánh dưới (4, 6, hoặc 2) đóng tại mọi lúc.
Hình 3.22 Cấu trúc của bộ nghịch lưu nguồn dòng 3 pha
Có 9 trạng thái hợp lệ trong các bộ nghịch lưu nguồn dòng 3 pha (bảng 3.4). Các trạng thái 7, 8, và 9 tạo ra các dòng điện dây bằng không, trong trường hợp này, dòng liên kết một chiều được dẫn (freewheel) qua một trong các cặp công tắc S1 và S4, S3 và S6, hoặc S5 và S2. Các trạng thái còn lại (1 đến 6) tạo ra các dòng điện dây ngõ ra khác 0. Để tạo ra các dạng sóng dòng điện dây xoay chiều như đã định, bộ nghịch lưu phải chuyển đổi từ trạng thái này sang trạng thái khác. Vì vậy, kết quả là các dòng điện dây có chứa các giá trị rời rạc: ii, 0, và –ii. Sự lựa chọn các trạng thái để tạo ra các dạng sóng như mong muốn được thực hiện bằng kỹ thuật điều chế.
Bảng 3.4 Các trạng thái đóng cắt hợp lệ của một bộ nghịch lưu nguồn dòng 3 pha.
5.2. Các kỹ thuật điều chế độ rộng xung sóng mang cơ bản trong các bộ nghịch lưu nguồn dòng. lưu nguồn dòng.
Các kỹ thuật điều chế độ rộng xung sóng mang cơ bản ban đầu được phát triển cho các bộ nghịch lưu nguồn áp 3 pha, và nó cũng có thể được mở rộng cho các bộ nghịch lưu nguồn dòng 3 pha. Mạch trong hình 3.24 là dạng mạch đóng ngắt cho một bộ nghịch lưu nguồn dòng được phát triển từ dạng mạch của một bộ nghịch lưu nguồn áp. Kết quả là dòng điện dây xuất hiện giống như điện áp dây trong bộ nghịch lưu áp với tín hiệu điều chế và tín hiệu sóng mang tương tự.
ứng với kỹ thuật điều chế độ rộng xung sóng mang cơ bản dạng tương tự.
Mô hình này bao gồm một bộ tạo xung chuyển mạch (switching pulse generator), một bộ tạo xung ngắn (shorting pulse generator), một bộ phân phối xung ngắn (shorting pulse distributor), và một bộ kết hợp xung chuyển mạch và xung ngắn (switching and shorting pulse combinator). Mạch này cơ bản là tạo ra các tín hiệu cổng gating signal ([S]1…6 = [S1 … S6]T tùy thuộc vào tín hiệu sóng mang i∆ ba tín hiệu điều chế [i]abc = [ica icb icc]T . Vì vậy, bất kỳ các tín hiệu điều chế mà khi kết hợp với nhau tạo ra các tín hiệu dạng sin giữa các dây (sin line-to-line set of signals) sẽ thỏa mãn yêu cầu về việc tạo ra dòng điện dây dạng sin. Ví dụ như các dạng sóng sin chuẩn, sóng sin với hài bậc 3, dạng bậc thang và deadband.
Tầng đầu tiên là bộ tạo xung chuyển mạch, các tín hiệu [Sa]123 được tạo ra tùy thuộc vào:
(3.49)
Các ngõ ra của bộ tạo xung đóng ngắt (switching pulse generator) là các tín hiệu [Sc]1…6, và nó cơ bản là các tín hiệu cổng (gating signal) của bộ nghịch lưu dòng mà không cần các xung ngắn. Điều cần thiết là phải lái (freewheeling) dòng điện liên kết dc ii khi dòng điện ngõ ra xoay chiều bằng 0. Bảng 3.5 là bảng sự thật của [Sc]1…6 ứng với tất cả các trường hợp kết hợp giữa các ngõ vào [Sa]123. Theo như điều kiện bắt buộc đầu tiên mà ta đã đề cập ở trước, tối đa 1 công tắc ở nhánh trên và 1 công tắc ở nhánh dưới được đóng.
Bảng 3.5 Bảng sự thật ứng với bộ tạo xung chuyển mạch. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Để thỏa mãn điều kiện bắt buộc thứ 2, xung ngắn (Sd = 1) được tạo ra khi không có công tắc nào ở nhánh trên đóng (Sc1 = Sc3 = Sc5 = 0) hoặc không có công tắc nào ở nhánh dưới đóng (Sc4 = Sc6 = Sc2 = 0). Khi đó, xung này chỉ được thêm vào (dùng các cổng OR) một nhánh của bộ nghịch lưu nguồn dòng (một trong các cặp công tắc 1 và 4, 3 và 6 hoặc 5 và 2) bằng bộ kết hợp xung chuyển mạch và xung ngắn (hình 3.24). các tín hiệu được tạo ra bởi bộ tạo xung ngắn [Sc]123 nên đảm bảo là:
- Chỉ một nhánh của bộ nghịch lưu nguồn dòng được ngắn mạch, vì vậy chỉ 1 trong các tín hiệu được ở mức cao trong bất cứ thời điểm nào.
- Các xung ngắn được phân phối đều nhau, vì vậy [Se]123 ở mức cao ứng với mỗi 1200. Điều này đảm bảo các dòng điện hiệu dụng đều bằng nhau trong tất cả các nhánh. Hình 3.25 cho ta thấy các dạng sóng được tạo thành nếu ta dùng một tín hiệu sóng mang dạng tam giác i∆ và các tín hiệu điều chế dạng sin [ic]abc kết hợp với mạch tạo xung đóng
ngắt (hình 3.24). Kỹ thuật này được gọi là kỹ thuật điều chế độ rộng xung sóng sin (SPWM) trong các bộ nghịch lưu nguồn dòng. Ta có thể thấy là một số dạng sóng ở hình 3.25 thì giống với các dạng sóng đã đạt được trong các bộ nghịch lưu nguồn áp 3 pha sử dụng kỹ thuật SPWM (hình 3.24). Cụ thể là:
+ Điện áp dây của tải (hình 3.14d) trong VSI thì giống với dòng điện dây của tải (hình 3.25d) trong CSI.
+ Dòng điện liên kết một chiều (dc link current) (hình 3.14g) trong VSI thì giống với điện áp liên kết một chiều (hình 3.25g) trong CSI.
Hình 3.24 Các dạng sóng lý tưởng của bộ nghịch lưu nguồn dòng 3 pha ứng với kỹ thuật điều chế SPWM (ma=0.8, mf = 9): (a) tín hiệu sóng mang và tín hiệu điều chế; (b) trạng thái của công tắc S1; (c) trạng thái của công tắc S3; (d) dòng điện ngõ ra xoay chiều; (e) phổ của (d); (f) điện áp ngõ ra xoay chiều; (g) điện áp một chiều; (h) phổ của điện áp một chiều; (i) dòng qua công tắc S1; (j) áp qua công tắc S1.
Điều này đưa ra tính đối ngẫu giữa hai phương thức khi ta sử dụng các phương pháp điều chế tương tự nhau. Vì vậy, ứng với các giá trị lẻ là bội của 3 của tần số sóng mang cơ