Luận Văn Tốt Nghiệ p
GVHD: Ts Nguyễn Văn Nhờ
Mục lụ lụ c Mục lục ....................... .................................. ....................... ...................... ...................... ....................... ....................... ...................... ..................... .......................1 ............1 Tóm tắt luận văn ...................... ................................. ...................... ...................... ....................... ...................... ...................... ....................... .....................4 ..........4 Chươ ng ng 1 TỔ NG QUAN VỀ BỘ NGHỊCH LƯ U ÁP ..................... ................................ ...................... ...................... ....................... ..............5 ..5 1. Giớ i thiệu tổng quát............ quát ....................... ...................... ...................... ....................... ...................... ...................... ....................... ...............5 ....5 1.1
Bộ nghịch lưu áp ..................... ................................. ....................... ....................... ...................... ...................... ....................... .............6 ..6
1.2
Phân loại bộ nghịch lưu áp............................. áp......................................... ...................... ...................... ....................... .............6 ..6
2. Các dạng cấu trúc cơ b bản của bộ nghịch lưu áp đa bậc.......................... c...................................... ..............7 ..7 2.1
Cấu trúc dạng Diode k ẹ p NPC (Diode Clamped Multilevel Inverter) .........7
2.2
Cấu trúc dùng tụ điện thay đổi (Flying Capacitor Multilevel Inverter)........9
2.3
Cấu trúc dạng ghép tầng (Cascade Inverter)................................ Inverter)........................................... ...............10 ....10
2.4
So sánh số linh kiện sử dụng trong 3 dạng nghịch lưu áp đa bậc trên........12
3. Nhận xét........................ xét................................... ...................... ....................... ....................... ...................... ...................... ...................... ...................12 ........12 Chươ ng ng 2 CẤU TRÚC BỘ NGHỊCH LƯ U ÁP ĐA BẬC DẠ NG CASCADE ....................... ............................13 .....13 1. Bộ nghịch lưu áp cầu 1 pha ...................... ................................. ...................... ....................... ...................... ...................... ..............13 ..13 2. Bộ nghịch lưu áp đa bậc dạng cascade........... cascade ...................... ...................... ...................... ...................... ...................14 ........14 Chươ ng ng 3
ĐIỀU KHIỂ N BỘ NGHỊCH LƯ U ÁP ĐA BẬC DẠ NG CASCADE – PHƯƠ NG PHÁP ĐIỀU CHẾ ĐỘ R Ộ NG XUNG (Carrier based PWM)........... PWM) ...................... ...................... ...............17 ....17 1. Tổng quát về k ỹ thuật điều chế độ r ộng xung – PWM ..................... ................................ .................17 ......17 1.1
Một số chỉ tiêu đánh giá k ỹ thuật PWM của bộ nghịch lưu .......................17 .......................17
1.2
Các dạng sóng mang dùng trong k ỹ thuật PWM ....................... ................................... .................18 .....18
2. Phươ ng ng pháp điều chế độ r ộng xung Sin (Sin PWM) ....................... .................................. .................20 ......20 2.1
Nguyên tắc thực hiện ...................... ................................. ....................... ....................... ...................... ...................... ...............20 ....20
2.2
Mô phỏng cho bộ nghịch lưu áp cascade 5 bậc ...................... ................................. ....................21 .........21
2.3
K ết quả mô phỏng ..................... ................................. ....................... ...................... ...................... ...................... .....................26 ..........26
2.4
Nhận xét ........................ ................................... ...................... ...................... ...................... ....................... ...................... ......................29 ............29
SVTH: Tr ần Quốc Hoàn
1/102
Luận Văn Tốt Nghiệ p
GVHD: Ts Nguyễn Văn Nhờ
3. Phươ ng ng pháp điều chế độ r ộng xung cải biến ...................... ................................. ....................... ...................30 .......30 3.1
Mô phỏng cho bộ nghịch lưu áp cascade 5 bậc ...................... ................................. ....................31 .........31
3.2
K ết quả mô phỏng ..................... ................................. ....................... ...................... ...................... ...................... .....................33 ..........33
3.3
Nhận xét ........................ ................................... ...................... ...................... ...................... ....................... ...................... ......................37 ............37
Chươ ng ng 4
ĐIỀU KHIỂ N BỘ NGHỊCH LƯ U ÁP ĐA BẬC DẠ NG CASCADE - PHƯƠ NG PHÁP ĐIỀU CHẾ VECTOR KHÔNG GIAN (Space Vector PWM)..........................38 1. Khái niệm vector không gian ....................... .................................. ...................... ...................... ...................... .....................38 ..........38 1.1
Vector không gian và phép biến hình vector không gian ....................... ...........................38 ....38
1.2
Vector không gian của bộ nghịch lưu áp đa bậc.........................................39
2. Phươ ng ng pháp điều chế vector không gian ....................... ................................. ...................... ....................... .............41 ..41 3. Nhận xét........................ xét................................... ...................... ....................... ....................... ...................... ...................... ...................... ...................44 ........44 Chươ ng ng 5
ĐIỀU KHIỂ N BỘ NGHỊCH LƯ U ÁP ĐA BẬC DẠ NG CASCADE – PHƯƠ NG PHÁP ĐIỀU CHẾ VECTOR KHÔNG GIAN DÙNG SÓNG MANG........................45 1. Tổng quát về phươ ng ng pháp điều chế vector không gian dùng sóng mang.........45 1.1
Ý tưở ng ng tổng quát của phươ ng ng pháp............................. pháp........................................ ...................... ...................45 ........45
1.2
Giải thuật điều chế của phươ ng ng pháp............................ pháp....................................... ...................... ...................47 ........47
2. Ứ ng ng dụng cho bộ nghịch lưu áp đa bậc dạng cascade....................... cascade.................................. .................54 ......54 3. Mô phỏng cho bộ nghịch lưu cascade 5 bậc ...................... ................................. ...................... .....................57 ..........57 3.1
Chế độ Medium common c ommon mode – SVPWM ...................... .................................. ....................... .............57 ..57
3.2
Chế độ Minimum common mode – SVPWM ....................... ................................... .....................63 .........63
3.3
Chế độ Minimum common mode – DPWM ..................... ................................ ....................... ...............63 ...63
3.4
Chế độ Medium common mode – DPWM ..................... ................................ ....................... .................63 .....63
4. Nhận Xét............................ Xét....................................... ....................... ....................... ...................... ....................... ...................... ...................... ..............63 ..63 Chươ ng ng 6
ĐIỀU KHIỂ N BỘ NGHỊCH LƯ U ĐA BẬC DẠ NG CASCADE VỚI NGUỒ N DC KHÔNG CÂN BẰ NG........... NG ...................... ....................... ...................... ...................... ....................... ...................... ...................... .....................63 ..........63 1. Mô phỏng cho tr ườ ng hợ p nguồn DC không cân bằng......................................63 ườ ng 1.1
Thực hiện mô phỏng ...................... ................................ ...................... ....................... ...................... ...................... .................63 ......63
1.2
K ết quả mô phỏng ..................... ................................. ....................... ...................... ...................... ...................... .....................63 ..........63
SVTH: Tr ần Quốc Hoàn
2/102
Luận Văn Tốt Nghiệ p
GVHD: Ts Nguyễn Văn Nhờ
3. Phươ ng ng pháp điều chế độ r ộng xung cải biến ...................... ................................. ....................... ...................30 .......30 3.1
Mô phỏng cho bộ nghịch lưu áp cascade 5 bậc ...................... ................................. ....................31 .........31
3.2
K ết quả mô phỏng ..................... ................................. ....................... ...................... ...................... ...................... .....................33 ..........33
3.3
Nhận xét ........................ ................................... ...................... ...................... ...................... ....................... ...................... ......................37 ............37
Chươ ng ng 4
ĐIỀU KHIỂ N BỘ NGHỊCH LƯ U ÁP ĐA BẬC DẠ NG CASCADE - PHƯƠ NG PHÁP ĐIỀU CHẾ VECTOR KHÔNG GIAN (Space Vector PWM)..........................38 1. Khái niệm vector không gian ....................... .................................. ...................... ...................... ...................... .....................38 ..........38 1.1
Vector không gian và phép biến hình vector không gian ....................... ...........................38 ....38
1.2
Vector không gian của bộ nghịch lưu áp đa bậc.........................................39
2. Phươ ng ng pháp điều chế vector không gian ....................... ................................. ...................... ....................... .............41 ..41 3. Nhận xét........................ xét................................... ...................... ....................... ....................... ...................... ...................... ...................... ...................44 ........44 Chươ ng ng 5
ĐIỀU KHIỂ N BỘ NGHỊCH LƯ U ÁP ĐA BẬC DẠ NG CASCADE – PHƯƠ NG PHÁP ĐIỀU CHẾ VECTOR KHÔNG GIAN DÙNG SÓNG MANG........................45 1. Tổng quát về phươ ng ng pháp điều chế vector không gian dùng sóng mang.........45 1.1
Ý tưở ng ng tổng quát của phươ ng ng pháp............................. pháp........................................ ...................... ...................45 ........45
1.2
Giải thuật điều chế của phươ ng ng pháp............................ pháp....................................... ...................... ...................47 ........47
2. Ứ ng ng dụng cho bộ nghịch lưu áp đa bậc dạng cascade....................... cascade.................................. .................54 ......54 3. Mô phỏng cho bộ nghịch lưu cascade 5 bậc ...................... ................................. ...................... .....................57 ..........57 3.1
Chế độ Medium common c ommon mode – SVPWM ...................... .................................. ....................... .............57 ..57
3.2
Chế độ Minimum common mode – SVPWM ....................... ................................... .....................63 .........63
3.3
Chế độ Minimum common mode – DPWM ..................... ................................ ....................... ...............63 ...63
3.4
Chế độ Medium common mode – DPWM ..................... ................................ ....................... .................63 .....63
4. Nhận Xét............................ Xét....................................... ....................... ....................... ...................... ....................... ...................... ...................... ..............63 ..63 Chươ ng ng 6
ĐIỀU KHIỂ N BỘ NGHỊCH LƯ U ĐA BẬC DẠ NG CASCADE VỚI NGUỒ N DC KHÔNG CÂN BẰ NG........... NG ...................... ....................... ...................... ...................... ....................... ...................... ...................... .....................63 ..........63 1. Mô phỏng cho tr ườ ng hợ p nguồn DC không cân bằng......................................63 ườ ng 1.1
Thực hiện mô phỏng ...................... ................................ ...................... ....................... ...................... ...................... .................63 ......63
1.2
K ết quả mô phỏng ..................... ................................. ....................... ...................... ...................... ...................... .....................63 ..........63
SVTH: Tr ần Quốc Hoàn
2/102
Luận Văn Tốt Nghiệ p
GVHD: Ts Nguyễn Văn Nhờ
2. Phươ ng ng pháp điều khiển bộ nghịch lưu áp đa bậc vớ i nguồn DC không cân bằng ............................................................................................................................63 2.1
Nguyên lý điều chế ...................... ................................ ...................... ....................... ...................... ...................... ...................63 ........63
2.2
Ứ ng ng dụng cho bộ nghịch lưu đa bậc dạng cascade.......... cascade ...................... ....................... ...............63 ....63
3. Mô phỏng điều khiển bộ nghịch lưu cascade vớ i nguồn DC không cân bằng...63 3.1
Chươ ng ng trình trong khối DLL............................... DLL.......................................... ....................... ....................... ...............63 ....63
3.2
Mô phỏng trong tr ườ ng hợ p nguồn không cân bằng là nguồn DC.............63 ườ ng
3.3
Mô phỏng trong tr ườ ng hợ p nguồn không cân bằng đượ c lấy từ bộ chỉnh ườ ng
lưu cầu 3 pha diode............................. diode........................................ ...................... ...................... ....................... ...................... ......................63 ............63 4. Nhận xét........................ xét................................... ...................... ....................... ....................... ...................... ...................... ...................... ...................63 ........63 K ết luận....................... n.................................. ...................... ...................... ....................... ....................... ...................... ....................... ....................... ....................63 .........63 Tài liệu tham khảo ....................... .................................. ...................... ...................... ....................... ....................... ...................... ...................... ...............63 ....63
SVTH: Tr ần Quốc Hoàn
3/102
Luận Văn Tốt Nghiệ p
GVHD: Ts Nguyễn Văn Nhờ
Tóm tắ tắt luậ luận vă văn Luận văn thực hi ện nhiệm vụ nghiên cứu k ỹ thu ật điều chế độ r ộng xung - PWM (Pulse Width Modulation) cho bộ nghịch lưu đa bậc ghép tầng (Cascade inverter). Thông qua mô phỏng trong Psim đánh giá chất lượ ng ng điện áp và dòng điện tải đạt ng pháp. đượ c theo từng phươ ng Chươ ng ng 1: Giớ i thiệu tổng quát về c ấu t ạo, ưu nhượ c điểm và phân loại các dạng mạch của bộ nghịch lưu áp đa bậc. Chươ ng ng 2: Giớ i thiệu cấu tạo bộ nghịch l ưu áp cầu 1 pha, bộ nghịch lưu áp 5 bậc dạng cascade và dạng điện áp tải. Chươ ng ng 3: Trình bày k ỹ thuật điều chế độ r ộng sung sin cho bộ nghịch lưu áp dạng cascade 5 bậc. Chươ ng ng 4: Giớ i thiệu lý thuyết về phươ ng ng pháp điều chế vector không gian cho bộ nghịch lưu áp đa bậc. Chươ ng ng 5: Trình bày phươ ng ng pháp điều chế vector không gian dùng sóng mang cho bộ nghịch lưu áp đa bậc, thực hiện mô phỏng điều khiển bộ nghịch lưu áp dạng cascade 5 bậc trong tr ườ ng hợ p nguồn cân bằng. ườ ng Chươ ng ng 6: Trình bày phươ ng ng pháp điều chế vector không gian dùng sóng mang cho bộ nghịch lưu áp đa bậc vớ i nguồn DC không cân bằng.
SVTH: Tr ần Quốc Hoàn
4/102
Luận Văn Tốt Nghiệ p
GVHD: Ts Nguyễn Văn Nhờ
Chươ Chươ ng ng 1 TỔNG QUAN VỀ VỀ BỘ BỘ NGHỊ NGHỊCH LƯ LƯ U ÁP 1. Giớ Giớ i thiệ thiệu tổ tổng quát Bộ nghịch lưu có nhiệm vụ chuyển đổi năng lượ ng ng từ nguồn điện một chiều không đổi sang dạng năng lượ ng ng điện xoay chiều để cung cấ p cho tải xoay chiều. ng đượ c điều khiển ở ngõ ngõ ra là điện áp hoặc dòng điện, tươ ng ng ứng ta có bộ Đại lượ ng nghịch lưu đượ c gọi là bộ nghịch lưu áp và bộ nghịch dòng. Nguồn một chiều cung cấ p cho bộ nghịch lưu áp có tính chất nguồn điện áp và nguồn cho bộ nghịch lưu dòng có tính chất là nguồn dòng điện. Các bộ nghịch lưu tươ ng ng ứng đượ c g ọi là bộ ngh ịch l ưu áp nguồn áp và bộ ngh ịch l ưu dòng nguồn dòng hoặc gọi tắt là bộ nghịch lưu áp và bộ nghịch lưu dòng. Trong tr ườ ng hợ p nguồn điện ở đầ ng ở ngõ ngõ ra không giống nhau, ườ ng ở đầu vào và đại lượ ng ví dụ bộ nghịch lưu cung cấ p dòng điện xoay chiều từ nguồn điện áp một chiều, ta gọi chúng là bộ nghịch lưu điều khiển dòng điện từ nguồn điện áp hoặc bộ nghịch lưu dòng nguồn áp. Các bộ nghịch l ưu t ạo thành bộ phận chủ y ếu trong cấu t ạo c ủa b ộ bi ến t ần. Ứ ng ng dụng quan tr ọng và tươ ng ng đối r ộng rãi của chúng nhằm vào l ĩ nh vực truyền động điện ĩ nh xoay chiều vớ i độ chính xác cao. Trong l ĩ nh vực tần số cao, bộ nghịch lưu động cơ xoay ĩ nh
đượ c dùng trong các thiết bị lò cảm ứng trung tần, thiết bị hàn trung t ần. Bộ nghịch lưu còn đượ c dùng làm nguồn điện xoay chiều cho nhu cầu gia đình, làm nguồn điện liên tục UPS, điều khiển chiếu sáng, bộ nghịch lưu còn đượ c ứng dụng vào l ĩ nh vực bù ĩ nh nhuyễn công suất phản kháng. Các tải xoay chiều th ườ ng ng mang tính cảm kháng (ví dụ động c ơ không không đồng b ộ, lò c ảm ứng), dòng điện qua các linh kiện không thể ng ắt b ằng quá trình chuyển mạch tự nhiên. Do đó, mạch bộ nghịch lưu thườ ng ng chứa linh kiện tự kích ngắt để có thể điều khiển quá trình ngắt dòng điện. Trong các tr ườ ng hợ p đặc biệt như mạch tải cộng hưở ng, ng, tải mang tính chất dung ườ ng
ơ đồng bộ kích từ dư), dòng điện qua các linh kiện có thể bị ngắt do quá kháng (động cơ đồ SVTH: Tr ần Quốc Hoàn
5/102
Luận Văn Tốt Nghiệ p
GVHD: Ts Nguyễn Văn Nhờ
trình chuyển m ạch t ự nhiên phụ thu ộc vào điện áp nguồn ho ặc ph ụ thu ộc vào điện áp mạch tải. Khi đó linh kiện bán dẫn có thể chọn là thyristor (SCR).
1.1 Bộ nghị nghịch lư lư u áp Bộ nghịch lưu áp cung cấ p và điều khiển điện áp xoay chiều ở ngõ ra. Nguồn
điện áp một chiều có thể ở dạng đơ n giản như acquy, pin điện hoặc ở dạng phức tạ p gồm điện áp xoay chiều đượ c chỉnh lưu và lọc phẳng. Linh kiện trong bộ ngh n ghịch l ưu áp có khả năng kích đóng và kích ngắt dòng điện qua nó, tức đóng vai trò một công tắc. Trong các ứng d ụng công suất vừa và nhỏ, có thể s ử d ụng transistor BJT, MOSFET, IGBT làm công tắc và ở ph phạm vi công suất l ớ n có thể sử dụng GTO, IGCT hoặc SCR k ết hợ p vớ i bộ chuyển mạch. Vớ i t ải t ổng quát, mỗi công tắc còn trang bị m ột diode mắc đối song vớ i nó. Các diode mắc đối song này tạo thành mạch chỉnh l ưu c ầu không điều khiển có chiều d ẫn
điện ngượ c vớ i chiều dẫn điện của các công tắc. Nhiệm vụ của bộ chỉnh lưu cầu diode là t ạo điều kiện thuận l ợ i cho quá trình trao đổi công suất ảo giữa nguồn một chiều và tải xoay chiều, qua đó hạn chế quá điện áp phát sinh khi kích ng ắt các công tắc.
1.2 Phân loạ loại bộ bộ nghị nghịch lư lư u áp Bộ ngh ịch l ưu áp có r ất nhiều lo ại c ũng như nhi ều ph ươ ng ng pháp điều khiển khác nhau.
Theo số pha điện áp đầu ra: 1 pha, 3 pha.
Theo số bậc điện áp giữa một đầu pha tải và một điểm điện thế chuẩn trên mạch (phase to pole voltage): 2 b ậc (two level), đa bậc (multi – level , t ừ 3 bậc tr ở ở lên). lên).
Theo cấu hình của bộ nghịch lưu: dạng cascade (Cascade inverter), dạng diode k ẹ p NPC (Neutral Point Clamped Multilevel Inverter), hoặc dạng dùng tụ điện thay đổi (Flying Capacitor Multilevel Inverter)…
Theo phươ ng ng pháp điều khiển: ng pháp điều r ộng. • Phươ ng ng pháp điều biên. • Phươ ng ng pháp điều chế độ r ộng xung sin (Sin PWM). • Phươ ng ng pháp điều chế độ r ộng sung sin cải biến (Modifield SPWM). • Phươ ng
SVTH: Tr ần Quốc Hoàn
6/102
Luận Văn Tốt Nghiệ p
GVHD: Ts Nguyễn Văn Nhờ
• Phươ ng pháp điều chế vector không gian (Space vector modulation, hoặc Space vector PWM). • Phươ ng pháp Discontinuous PWM.
2. Các dạng cấu trúc cơ bản của bộ nghịch lư u áp đa bậc Có 3 dạng thườ ng đượ c sử dụng trong bộ nghịch lưu áp đa bậc:
• Dạng diode k ẹ p NPC (Diode Clamped Multilevel Inverter). • Dạng dùng tụ điện thay đổi (Flying Capacitor Multilevel Inverter). • Dạng ghép tầng cascade (Cascade Inverter). 2.1 Cấu trúc dạng Diode k ẹp NPC (Diode Clamped Multilevel Inverter) Sử dụng thích hợ p khi các nguồn DC tạo nên từ hệ thống điện AC. Bộ nghịch lưu
đa bậc chứa các cặ p diode k ẹ p có một mạch nguồn DC đượ c phân chia thành một số cấ p điện áp nhỏ hơ n nhờ chuỗi các tụ điện mắc nối tiế p. Giả s ử nhánh mạch DC gồm n nguồn có độ l ớ n b ằng nhau mắc n ối ti ế p. Điện áp pha - nguồn DC (phase to pole voltage) có th ể đạt đượ c (n+1) giá tr ị khác nhau và từ
đó bộ nghịch lưu đượ c gọi là bộ nghịch lưu áp (n+1) bậc. Ví dụ (như hình 1.1) chọn mức điện thế 0 ở cuối dãy nguồn, các mức điện áp có thể đạt đượ c gồm (0, U, 2U, 3U,…nU). Điện áp từ m ột pha tải (ví dụ pha a) thông đến một v ị trí bất k ỳ trên mạch DC (ví dụ M) nhờ c ặ p diode k ẹ p t ại điểm đó (ví dụ D1, D1’). Để điện áp pha - nguồn DC đạt đượ c mức điện áp nêu trên (Uao = U), tất cả các linh kiện bị k ẹ p giữa hai diode (D1, D1’) - gồm n linh kiện mắc n ối ti ế p liên tục k ề nhau, phải đượ c kích đóng (ví dụ S1, S5’, S4’, S3’, S2’), các linh kiện còn lại ph ải đượ c khoá theo nguyên tắc kích đối nghịch. Tươ ng ứng vớ i sáu tr ườ ng hợ p kích đóng linh kiện bị k ẹ p gi ữa sáu cặ p diode, ta thu đượ c sáu mức điện áp pha - nguồn DC: 0, 1U, 2U, 3U, 4U, 5U. Vì có kh ả n ăng tạo ra sáu mức điện áp pha - nguồn DC nên mạch nghịch lưu trên H1.1 gọi là bộ nghịch lưu 6 bậc. Bộ nghịch lưu áp đa bậc dùng diode k ẹ p cải tiến dạng sóng điện áp tải và giảm shock điện áp trên linh kiện n lần. Vớ i bộ nghịch lưu ba bậc, dv/dt trên linh kiện và tần số đóng cắt gi ảm đi m ột n ửa. Tuy nhiên vớ i n > 3, mức độ ch ịu gai áp trên các diode sẽ khác nhau. Ngoài ra, cân b ằng điện áp giữa các nguồn DC (áp trên t ụ) tr ở nên khó khăn, đặc biệt khi số bậc lớ n. SVTH: Tr ần Quốc Hoàn
7/102
Luận Văn Tốt Nghiệ p
GVHD: Ts Nguyễn Văn Nhờ
Hình 1.1: Diode Clamped Multilevel Inverter – NPC. Bảng 1.1: Điện áp ra của Bộ nghịch lưu NPC ứng vớ i các tr ạng thái kích đóng. Vout=Vxo
Sx5
Sx4
Sx3
Sx2
Sx1
S’x5
S’x4
S’x3
S’x2
S’x1
Vxo = 5U
1
1
1
1
1
0
0
0
0
0
Vxo = 4U
0
1
1
1
1
1
0
0
0
0
Vxo = 3U
0
0
1
1
1
1
1
0
0
0
Vxo = 2U
0
0
0
1
1
1
1
1
0
0
Vxo = U
0
0
0
0
1
1
1
1
1
0
Vxo = 0
0
0
0
0
0
1
1
1
1
1
Vớ i x = a, b, c.
SVTH: Tr ần Quốc Hoàn
8/102
Luận Văn Tốt Nghiệ p
GVHD: Ts Nguyễn Văn Nhờ
2.2 Cấu trúc dùng tụ điện thay đổi (Flying Capacitor Multilevel Inverter)
Hình 1.2: Flying Capacitor Multilevel Inverter.
Ư u điểm chính của nghịch lưu dạng này là:
• Khi số bậc tăng cao thì không cần dùng bộ lọc. • Có thể điều tiết công suất tác dụng và phản kháng nên hiện đượ c việc điều tiết công suất. • Mỗi nhánh có thể đượ c phân tích độc lậ p vớ i các nhánh khác. Không như nghịch lưu đa bậc dạng NPC khi phân tích phải quan tâm đến cân bằng điện áp ba pha ở ngõ vào. Nhượ c điểm: • Số lượ ng tụ công suất lớ n tham gia trong mạch nhiều, dẫn đến giá thành tăng và độ tin cậy giảm. • Việc điều khiển sẽ khó khăn khi số bậc của nghịch lưu tăng cao.
SVTH: Tr ần Quốc Hoàn
9/102
Luận Văn Tốt Nghiệ p
GVHD: Ts Nguyễn Văn Nhờ
2.3 Cấu trúc dạng ghép tầng (Cascade Inverter)
Hình 1.3: Cascade Inverter. Sử d ụng các nguồn DC riêng, thích hợ p trong tr ườ ng h ợ p s ử d ụng nguồn DC có sẵn, ví dụ d ướ i d ạng acquy, battery. Cascade inverter gồm nhiều bộ nghịch lưu áp cầu một pha ghép nối ti ế p, các bộ ngh ịch lưu áp dạng c ầu m ột pha này có các nguồn DC riêng. Bằng cách kích đóng các linh kiện trong mỗi bộ ngh ịch l ưu áp một pha, ba mức
điện áp (-U, 0, U) đượ c tạo thành. Sự k ết hợ p hoạt động của n bộ nghịch lưu áp trên một nhánh pha tải sẽ tạo nên n khả năng mức điện áp theo chiều âm (-U, -2U, -3U, -4U,... –nU), n khả năng mức điện áp theo chiều dươ ng (U, 2U, 3U, 4U,…nU) và m ức
điện áp 0. Như v ậy, b ộ ngh ịch lưu áp dạng cascade gồm n b ộ nghịch lưu áp một pha trên mỗi nhánh sẽ tạo thành bộ nghịch lưu (2n+1) bậc.
SVTH: Tr ần Quốc Hoàn
10/102
Luận Văn Tốt Nghiệ p
GVHD: Ts Nguyễn Văn Nhờ
Tần số đóng ngắt trong mỗi module của dạng mạch này có thể giảm đi n lần và dv/dt cũng giảm đi như vậy. Điện áp trên áp đặt lên các linh kiện giảm đi 0,57n lần, cho phép sử dụng IGBT điện áp thấ p. Ngoài dạng mạch gồm các bộ nghịch lưu áp một pha, mạch nghịch l ưu áp đa b ậc còn có dạng ghép từ ngõ ra của các bộ nghịch lưu áp ba pha. Cấu trúc này cho phép giảm dv/dt và tần s ố đóng ngắt còn 1/3. Mạch cho phép sử d ụng các cấu hình nghịch lưu áp ba pha chuẩn. Mạch nghịch lưu đạt đượ c sự cân bằng điện áp các nguồn DC, không tồn tại dòng cân bằng giữa các module. Tuy nhiên, cấu tạo mạch đòi hỏi sử dụng các máy biến áp ngõ ra.
Hình 1.4: Cascade Inverter sử dụng bộ nghịch lưu áp ba pha.
SVTH: Tr ần Quốc Hoàn
11/102
Luận Văn Tốt Nghiệ p
GVHD: Ts Nguyễn Văn Nhờ
2.4 So sánh số linh kiện sử dụng trong 3 dạng nghịch lư u áp đa bậc trên Bảng 1.2 so sánh số linh kiện đượ c sử dụng trong mỗi pha của 3 d ạng nghịch lưu k ể trên. Ta thấy, s ố công tắc IGBT và số diode mắc đối song đượ c s ử d ụng trong mỗi dạng nghịch lưu cùng bậc là như nhau. Diode k ẹ p thì không cần trong dạng tụ thay đổi và d ạng cascade inverter, trong khi đó tụ cân bằng thì không cần cho dạng diode k ẹ p và cascade inverter. Tóm lại, dạng cascade inverter là sử dụng ít linh kiện nhất. Bảng 1.2: So sánh số linh kiện trong 1 pha của 3 dạng nghịch lưu. Cấu hình
Diode k ẹ p NPC
Tụ thay đổi
Cascade inverter
Công tắc IGBT
2(n-1)
2(n-1)
2(n-1)
Diode đối song
2(n-1)
2(n-1)
2(n-1)
(n-1)(n-2)
0
0
(n-1)
(n-1)
(n-1)/2
0
(n-1)(n-2)/2
0
nghịch lưu
Diode k ẹ p Tụ trên nguồn DC Tụ cân bằng
Một ưu điểm khác của cascade inverter là cấu hình có thể thay đổi linh hoạt, ta có thể tăng hoặc giảm số bậc một cách dễ dàng, bằng cách thêm hoặc bớ t số bộ nghịch lưu cầu 1 pha tươ ng ứng.
3. Nhận xét Ư u điểm của bộ nghịch lưu áp đa bậc: công suất của bộ nghịch lưu áp tăng lên; điện áp đặt lên các linh kiện b ị giảm xuống nên công suất tổn hao do quá trình đóng ngắt các linh kiện cũng giảm theo; vớ i cùng tần số đóng ngắt, các thành phần sóng hài bậc cao của điện áp ra giảm nhỏ hơ n so vớ i tr ườ ng hợ p bộ nghịch lưu áp 2 bậc.
Đối vớ i tải công suất lớ n, điện áp cung cấ p cho các t ải có thể đạt giá tr ị tươ ng đối lớ n.
SVTH: Tr ần Quốc Hoàn
12/102
Luận Văn Tốt Nghiệ p
GVHD: Ts Nguyễn Văn Nhờ
Chươ ng 2 CẤU TRÚC BỘ NGHỊCH LƯ U ÁP ĐA BẬC DẠNG CASCADE 1. Bộ nghịch lư u áp cầu 1 pha Bộ nghịch lưu áp một pha dạng mạch cầu (còn đượ c gọi là bộ nghịch lưu áp dạng chữ H) chứa bốn công tắc và bốn diode mắc đối song.
Hình 2.1: Bộ nghịch lưu áp cầu 1 pha. Quy tắc kích đóng đối nghịch: cặ p công tắc trên cùng một nhánh không đượ c kích
đóng đồng thờ i, tức là 2 công tắc trên cùng một nhánh luôn ở trong tr ạng thái một đượ c kích đóng và một đượ c kích ngắt. Tr ạng thái cả 2 cùng kích đóng (tr ạng thái ngắn mạch điện áp nguồn) hoặc cùng kích ngắt không đượ c phép xảy ra. Nếu biểu diễn tr ạng thái đượ c kích đóng của linh kiện là 1 và tr ạng thái đượ c kích ngắt là 0 thì ta có: S1 + S4 = 1
(2.1)
S2 + S3 = 1 Bằng cách điều khiển đóng ngắt các khóa ta có thể thu đượ c điện áp xoay chiều ở ngõ ra của bộ nghịch lưu. Điện áp ở ngõ ra trên 2 điểm A, B của bộ nghịch lưu thay
đổi giữa 3 tr ạng thái +V, 0, -V. Điện áp của b ộ ngh ịch l ưu đượ c t ạo ra như sau: khóa S1 và S2 đồng thờ i đượ c kích đóng sẽ tạo ra điện áp VAB = +V, khóa S3 và S4 đồng thờ i kích đóng sẽ tạo ra điện áp VAB = -V và khi (S1, S3) ho ặc (S4, S2) đượ c kích
đóng sẽ tạo ra mức điện áp 0.
SVTH: Tr ần Quốc Hoàn
13/102
Luận Văn Tốt Nghiệ p
GVHD: Ts Nguyễn Văn Nhờ
Hình 2.2: Dạng điện áp ngõ ra bộ nghịch lưu cầu 1 pha.
2. Bộ nghịch lư u áp đa bậc dạng cascade Bộ nghịch lưu áp đa bậc dạng cascade như đã giớ i thiệu ở trên, có cấu tạo gồm nhiều bộ nghịch lưu áp cầu một pha ghép nối tiế p vớ i nhau. Một bộ nghịch lưu áp dạng cascade n bậc thì trên mỗi nhánh pha sẽ có (n-1)/2 bộ nghịch lưu áp cầu một pha ghép nối tiế p vớ i nhau. Ta xét bộ nghịch lưu áp 5 bậc dạng cacade: cấu tạo gồm 2 bộ nghịch lưu áp cầu 1 pha ghép nối ti ế p, m ỗi b ộ đượ c cung cấ p b ở i 1 nguồn điện áp DC riêng biệt. Điện áp ngõ ra của mỗi bộ nghịch lưu áp cầu một pha có 3 bậc (–V, 0, +V), do đó điện áp ngõ ra của bộ nghịch lưu cascade sẽ có 5 bậc (-2V, -V, 0, +V, +2V).
Hình 2.3: Cấu trúc mạch của bộ nghịch lưu áp 5 bậc dạng cascade.
SVTH: Tr ần Quốc Hoàn
14/102
Luận Văn Tốt Nghiệ p
GVHD: Ts Nguyễn Văn Nhờ
Tr ạng thái đóng ngắt các công tắc trong 1 nhánh pha phải thỏa mãn điều kiện kích
đóng đối nghịch: S1x + S4x = 1;
S2x + S3x = 1
(2.2)
S’1x + S’4x = 1;
S’2x + S’3x = 1
Tùy theo tr ạng thái đóng ngắt, điện áp pha – tâm nguồn DC (phase – to pole voltage) của bộ nghịch lưu đượ c tính theo công thức sau: Vx out = Vxo = Vx 01 + Vx 02
(2.3)
Vớ i x = A, B, C
Hình 2.4: Biểu diễn 1 pha của cascade inverter 5 bậc.
Điện áp pha tải trong tr ườ ng hợ p 3 pha t ải đối x ứng đấu d ạng sao Y có thể đượ c thiết lậ p tươ ng tự như tr ườ ng hợ p bộ nghịch lưu áp 2 bậc: Uta =
2u a 0 − u b 0 − u c 0 ; 3
Utb =
2u b 0 − u c 0 − u a 0 ; 3
Utc =
2u c 0 − u a 0 − u b 0 (2.4) 3
Trong tr ườ ng hợ p 3 pha t ải dạng tam giác, điện áp pha tải bằng điện áp dây do bộ nghịch lưu cung cấ p: Ut ab = uao – u bo ;
Ut bc = u bo – uco ;
Ut ca = uco – uao
(2.5)
Và tổng điện áp từ các pha đến tâm nguồn DC (common – mode voltage): U NO =
SVTH: Tr ần Quốc Hoàn
u ao
+ ubo + u co 3
(2.6)
15/102
Luận Văn Tốt Nghiệ p
GVHD: Ts Nguyễn Văn Nhờ
Hình 2.5: Dạng điện áp ngõ ra c ủa bộ nghịch lưu cascade 5 bậc. Bảng 2.1: Điện áp ngõ ra ứng vớ i các tr ạng thái đóng ngắt của cascade inverter 5 bậc. Vout = Vx0
V01
V02
Sx1
Sx2
Sx3
Sx4
S’x1
Vx0 = +2V
+V
+V
1
1
0
0
1
1
0
0
+V
0
1
1
0
0
1
0
1
0
+V
0
1
1
0
0
0
1
0
1
0
+V
1
0
1
0
1
1
0
0
0
+V
0
1
0
1
1
1
0
0
+V
-V
1
1
0
0
0
0
1
1
-V
+V
0
0
1
1
1
1
0
0
0
0
1
0
1
0
1
0
1
0
0
0
1
0
1
0
0
1
0
1
0
0
0
1
0
1
1
0
1
0
0
0
0
1
0
1
0
1
0
1
-V
0
0
0
1
1
1
0
1
0
-V
0
0
0
1
1
0
1
0
1
0
-V
1
0
1
0
0
0
1
1
0
-V
0
1
0
1
0
0
1
1
-V
-V
0
0
1
1
0
0
1
1
Vx0 = +V
Vx0 = 0
Vx0 = -V
Vx0 = -2V
SVTH: Tr ần Quốc Hoàn
S’x2 S’x3 S’x4
16/102
Luận Văn Tốt Nghiệ p
GVHD: Ts Nguyễn Văn Nhờ
Chươ ng 3 ĐIỀU KHIỂN BỘ NGHỊCH LƯ U ÁP ĐA BẬC DẠNG CASCADE – PHƯƠ NG PHÁP ĐIỀU CHẾ ĐỘ R ỘNG XUNG (Carrier based PWM) Các bộ nghịch lưu áp thườ ng đượ c điều khiển dựa theo k ỹ thuật điều chế độ r ộng xung – PWM (Pulse Width Modulation) và qui tắc kích đóng đối nghịch. Qui tắc kích
đóng đối nghịch đảm bảo dạng áp tải đượ c điều khiển tuân theo giản đồ kích đóng công tắc và k ỹ thu ật điều chế độ r ộng xung có tác dụng hạn chế t ối đa các ảnh hưở ng bất lợ i của sóng hài bậc cao xuất hiện ở phía tải. Phụ thuộc vào phươ ng pháp thiết lậ p giản đồ kích đóng các công tắc trong bộ nghịch lưu áp, ta có thể phân biệt các dạng điều chế độ r ộng xung khác nhau.
1. Tổng quát về k ỹ thuật điều chế độ rộng xung – PWM 1.1 Một số chỉ tiêu đánh giá k ỹ thuật PWM của bộ nghịch lư u
Chỉ số điều ch ế (Modulation Index) m: đượ c định ngh ĩ a nh ư t ỉ số giữa biên
độ thành phần hài cơ bản tạo nên bở i phươ ng pháp điều khiển và biên độ thành phần hài cơ bản đạt đượ c trong phươ ng pháp điều khiển sáu bướ c (sixstep) m =
U 1m
=
U 1m − sixsteps
U 1m
2 π
(3.1)
V d
vớ i Vd _ tổng điện áp các nguồn DC.
Độ méo dạng tổng do sóng hài THD (Total Harmonic Distortion)
Là đại lượ ng dùng để đánh giá tác dụng của các sóng hài bậc cao (2,3…) xuất hiện trong nguồn điện, đượ c tính theo: ∞
∑ I THDI =
j ≠1
I (1)
2 ( j )
(3.2)
Độ méo dạng trong tr ườ ng h ợ p dòng điện không chứa thành phần DC đượ c tính theo hệ thức sau: SVTH: Tr ần Quốc Hoàn
17/102
Luận Văn Tốt Nghiệ p
GVHD: Ts Nguyễn Văn Nhờ ∞
∑ I THDI =
j = 2
I (1)
2 ( j )
=
I 2
− I (21)
I (1)
(3.3)
Trong đó I(j): tr ị hiệu dụng sóng hài bậc j, j ≥ 2. I(1): tr ị hiệu dụng thành phần hài cơ bản của dòng điện.
Tần số đóng ngắt và công suất tổn hao do đóng ngắt:
Công suất t ổn hao xuất hiện trên linh kiện bao gồm hai thành phần: tổn hao công suất khi linh kiện ở tr ạng thái dẫn điện Pon và tổn hao công suất động Pdyn. Tổn hao công suất P dyn tăng lên khi tần số đóng ngắt c ủa linh kiện t ăng lên. Tần s ố đóng ngắt của linh kiện không thể tăng lên tùy ý vì những lí do sau:
• Công suất tổn hao trên linh kiện tăng lên tỉ lệ vớ i tần số đóng ngắt. • Linh kiện công suất l ớ n th ườ ng gây ra công suất t ổn hao đóng ngắt l ớ n hơ n. Do đó, tần số kích đóng của nó phải giảm cho phù hợ p, ví d ụ các linh kiện GTO công suất MW chỉ có thể đóng ngắt ở tần số khoảng 100Hz.
• Các qui định về tươ ng thích điện từ (Electromagnet Compatibility – EMC) qui định khá nghiêm ngặt đối vớ i các bộ biến đổi công suất đóng ngắt vớ i tần số cao hơ n 9KHz. 1.2 Các dạng sóng mang dùng trong k ỹ thuật PWM
Hai sóng mang k ế c ận liên tiế p nhau sẽ b ị d ịch 180 độ - APOD (Alternative Phase Opposition Disposition)
Hình 3.1: Hình dạng sóng mang APOD.
SVTH: Tr ần Quốc Hoàn
18/102
Luận Văn Tốt Nghiệ p
GVHD: Ts Nguyễn Văn Nhờ
Bố trí cùng pha – PD (In Phase Disposition): tất c ả các sóng mang đều cùng pha.
Hình 3.2: Hình dạng sóng mang PD.
Bố trí đối xứng qua tr ục zero – POD (Phase Opposition Disposition): các sóng mang nằm trên tr ục zero sẽ cùng pha nhau, ngượ c lại các sóng mang cùng nằm dướ i tr ục zero sẽ bị dịch đi 180 độ.
Hình 3.3: Hình dạng sóng mang POD. Trong các phươ ng pháp bố trí sóng mang, phươ ng pháp bố trí các sóng mang đa bậc cùng pha – PD cho độ méo dạng áp dây nhỏ nhất. Đối vớ i bộ nghịch lưu áp ba bậc, phươ ng pháp POD và APOD cho cùng k ết quả dạng sóng mang.
SVTH: Tr ần Quốc Hoàn
19/102
Luận Văn Tốt Nghiệ p
GVHD: Ts Nguyễn Văn Nhờ
2. Phươ ng pháp điều chế độ rộng xung Sin (Sin PWM) Phươ ng pháp còn có tên Subharmonic PWM (SH – PWM), hay Multi carrier based PWM.
2.1 Nguyên tắc thự c hiện Để tạo giản đồ kích đóng các linh kiện trong cùng một pha tải, ta sử dụng một s ố sóng mang (dạng tam giác) và một tín hiệu điều khiển (dạng sin). Về nguyên lý, phươ ng pháp đượ c thực hiện dựa vào k ỹ thuật analog. Giản đồ kích đóng các công tắc của bộ nghịch lưu dựa trên cơ sở so sánh hai tín hiệu cơ bản:
• Sóng mang u p (carrier signal) tần số cao, có thể ở dạng tam giác. • Sóng điều khiển ur (reference signal) hoặc sóng điều chế (modulating signal) dạng sin. Ví dụ, công tắc lẻ đượ c kích đóng khi sóng điều khiển l ớ n hơ n sóng mang (ur > u p). Trong tr ườ ng hợ p ng ượ c l ại, công tắc chẵn đượ c kích đóng. Tần số sóng mang càng cao, lượ ng sóng hài bậc cao xuất hiện trong dạng điện áp và dòng điện tải bị khử càng nhiều. Đối vớ i bộ ngh ịch l ưu áp n bậc, số sóng mang đượ c sử dụng là (n-1). Chúng có cùng tần s ố f c và cùng biên độ đỉnh - đỉnh Ac. Sóng điều chế (hay sóng điều khiển) có biên độ đỉnh bằng Am và tần số f m, dạng sóng của nó thay đổi xung quanh tr ục tâm của hệ thống (n-1) sóng mang. Nếu sóng điều khiển lớ n hơ n sóng mang nào đó thì linh kiện tươ ng ứng vớ i sóng mang đó sẽ đượ c kích đóng, ngượ c lại nếu sóng điều khiển nhỏ hơ n sóng mang thì linh kiện đó sẽ bị khoá kích. Gọi mf là tỉ số điều chế tần số ( frequency modulation ratio): mf =
f carrier f reference
=
f c f m
(3.4)
Việc tăng giá tr ị mf sẽ dẫn đến việc tăng giá tr ị tần số các sóng hài xuất hiện.
Điểm bất lợ i của việc tăng tần số sóng mang là vấn đề tổn hao do số lần đóng cắt lớ n Tươ ng tự, gọi ma là tỉ số điều chế biên độ (amplitude modulation ratio): ma =
SVTH: Tr ần Quốc Hoàn
U m −reference U m −carrier
=
Am
( n − 1). Ac
(3.5)
20/102
Luận Văn Tốt Nghiệ p
GVHD: Ts Nguyễn Văn Nhờ
Nếu ma ≤ 1 (biên độ sóng sin nhỏ h ơ n t ổng biên độ sóng mang) thì quan hệ gi ữa thành phần cơ bản của điện áp ra và điện áp điều khiển là tuyến tính.
Hình 3.4: Quan hệ giữa biên độ sóng mang và sóng điều khiển. Khi giá tr ị m a > 1, biên độ tín hiệu điều ch ế l ớ n h ơ n t ổng biên độ sóng mang thì biên độ hài cơ bản của điện áp ra tăng không tuyến tính theo ma. Lúc này, bắt đầu xuất hiện l ượ ng sóng hài bậc cao tăng dần cho đến khi đạt ở m ức giớ i h ạn cho bở i phươ ng pháp 6 bướ c. Tr ườ ng hợ p này còn đượ c gọi là quá điều chế (overmodulation) hoặc
điều chế mở r ộng. Phươ ng pháp Sin PWM đạt đượ c chỉ s ố điều chế lớ n nh ất trong vùng tuyến tính khi biên độ sóng điều chế bằng tổng biên độ sóng mang : mSPWM_max =
U (1) m U (1) m − six _ step
=
U / 2
2 π
=
U
π
4
= 0.785
(3.6)
trong đó U_tổng điện áp các nguồn DC.
2.2 Mô phỏng cho bộ nghịch lư u áp cascade 5 bậc 2.2.1
Phân tích cách tạo xung kích
Phân tích cho một pha (ví dụ pha a), xung kích cho các linh ki ện đượ c thiết lậ p dựa trên cơ sở so sánh sóng điều khiển Udka và các sóng mang V p1, V p2, V p3, V p4, cụ thể như sau: SVTH: Tr ần Quốc Hoàn
21/102
Luận Văn Tốt Nghiệ p
GVHD: Ts Nguyễn Văn Nhờ
Udka > V p1 S1 = 1; S4 = 0 Udka > V p2 S2 = 1; S3 = 0 Udka > V p3 S’1 = 1; S’4 = 0
(3.7)
Udka > V p4 S’2 = 1; S’3 = 0 Ta xác định đượ c điện áp pha – tâm nguồn (phase – to pole voltage): ⎧2V d ⎪V ⎪⎪ d Uao = ⎨0 ⎪− V ⎪ d ⎪⎩− 2V d
(3.8)
Từ đây ta hoàn toàn có thể xác định đượ c điện áp tải trên các pha như đã trình bày trong (2.4) và (2.5).
Hình 3.5: Sơ đồ xung kích 1 pha c ủa BNL áp 5 bậc.
SVTH: Tr ần Quốc Hoàn
22/102
Luận Văn Tốt Nghiệ p
GVHD: Ts Nguyễn Văn Nhờ
Phân tích các trườ ng hợ p điều khiển
2.2.2
Điều khiển bộ nghịch lưu áp dạng cascade phải thỏa mãn yêu cầu là công suất tổn hao trên các linh kiện trong một chu kì phải tươ ng đối bằng nhau, tức là các bộ nghịch lưu cầu một pha cần phải đạt đượ c tr ạng thái cân bằng công suất (khoảng thờ i gian dẫn và ngắt phải t ươ ng đối đều nhau). Muốn v ậy ta phải b ố trí các sóng mang sao cho đạt
đượ c các yêu cầu trên. Dướ i đây phân tích các tr ườ ng hợ p đóng ngắt của bộ nghịch lưu cầu một pha trong một chu kì áp điều khiển: có 4 tr ườ ng hợ p t ươ ng ứng vớ i 4 khoảng giá tr ị của điện áp điều khiển.
Hình 3.6: Các khoảng giá tr ị của Vref .
Tr ườ ng hợ p 1: 2Vd ≥ Vd ≥ Vref ≥ 0
Có 2 cách điều khiển:
• Cố định điện áp ngõ ra của bộ nghịch lưu H1 vớ i V01 = 0, điều khiển bộ nghịch lưu H2 sao cho điện áp ngõ ra thay đổi tùy theo Vref .
• Điều khiển bộ nghịch lưu H1 sao cho điện áp ngõ ra thay đổi theo giá tr ị Vref , cố định điện áp ngõ ra c ủa bộ nghịch lưu H2 sao cho V02 = 0. Tr ườ ng hợ p 2: 2Vd ≥ Vref ≥ Vd ≥ 0
Có 2 cách điều khiển:
SVTH: Tr ần Quốc Hoàn
23/102
Luận Văn Tốt Nghiệ p
GVHD: Ts Nguyễn Văn Nhờ
• Cố định điện áp ngõ ra của bộ nghịch lưu H1 sao cho V01 = Vd, điều khiển b ộ ngh ịch l ưu H2 sao cho điện áp tổng c ủa c ả 2 bộ ngh ịch l ưu đạt đượ c giá tr ị mong muốn V0 = V01 + V02 = Vref .
• Điều khiển bộ nghịch lưu H1 sao cho tổng điện áp V0 = Vref , cố định điện áp ngõ ra c ủa bộ nghịch lưu H2 sao cho V02 = Vd. Tr ườ ng hợ p 3: 0 ≥ Vref ≥ -Vd ≥ -2Vd
Có 2 cách điều khiển:
• Cố định điện áp ngõ ra của bộ nghịch lưu H1 sao cho V01 = 0, điều khiển bộ nghịch lưu H2 sao cho tổng điện áp ngõ ra là V 0 = Vref . • Điều khiển bộ ngh ịch l ưu H1 sao cho tổng điện áp ngõ ra V0 = Vref , c ố định điện áp ngõ ra bộ nghịch lưu H2 sao cho V02 = 0. p 4: 0 ≥ -Vd ≥ Vref ≥ -2Vd Tr ườ ng hợ Có 2 cách điều khiển: • Cố định điện áp ngõ ra của bộ nghịch lưu H1 sao cho V01 = -Vd, điều khiển bộ nghịch lưu H2 sao cho tổng điện áp ngõ ra là V 0 = Vref . • Điều khiển bộ nghịch lưu H1 sao cho tổng điện áp ngõ ra của cả 2 bộ là V0 = Vref , cố định điện áp của bộ nghịch lưu H2 sao cho V02 = -Vd. Vậy để đạt đượ c sự cân bằng công suất giữa các bộ nghịch lưu cầu một pha, ta chọn phươ ng án điều khiển như sau: p 1 (2Vd ≥ V d ≥ V ref ≥ 0): cố định điện áp của b ộ nghịch lưu H2 Tr ườ ng hợ sao cho V02 = 0, điều khiển bộ nghịch lưu H1 sao cho V01 = Vref . p 2 (2Vd ≥ V ref ≥ V d ≥ 0): cố định điện áp ngõ ra c ủa b ộ ngh ịch Tr ườ ng h ợ lưu H1 sao cho V0 = Vd , điều khiển bộ nghịch lưu H2 sao cho tổng điện áp đạt đượ c V0 = Vref . p 3 (0 ≥ Vref ≥ -Vd ≥ -2Vd): cố định điện áp của bộ nghịch lưu Tr ườ ng hợ H2 sao cho V02 = 0, điều khiển bộ nghịch lưu H1 sao cho V02 = Vref . p 4 (0 ≥ -Vd ≥ V ref ≥ -2Vd): c ố định điện áp ngõ ra của b ộ nghịch Tr ườ ng h ợ lưu H1 sao cho V01 = -Vd, điều khiển b ộ ngh ịch l ưu H2 sao cho tổng điện áp của 2 bộ nghịch lưu V0 = Vref . Do đó ta bố trí sóng mang vớ i dạng như sau: SVTH: Tr ần Quốc Hoàn
24/102
Luận Văn Tốt Nghiệ p
GVHD: Ts Nguyễn Văn Nhờ
Hình 3.7: Dạng bố trí các sóng mang PD.
2.2.3
Các thông số mô phỏng trong Psim
Để so sánh k ết quả giữa các phươ ng pháp điều chế, từ đây về sau ta thống nhất khảo sát các phươ ng pháp vớ i chỉ số điều chế m từ (0 – 1) quy chuẩn như sau:
• Khi m = 1 thì điện áp tải đạt cực đại Ut(1)m = Ud / 3 . Vậy ứng vớ i m bất kì ta có Ut(1)m = m.
U d
3
• Khi biên độ tín hiệu điều khiển u dk = (n-1)/2 thì Ut(1)m = Ud/2. Vậy ứng vớ i Ut(1)m = m. udk =
U d
3
thì biên độ tín hiệu điều khiển đượ c tính theo:
m.( n − 1)
3
(3.9)
vớ i n là số bậc của bộ nghịch lưu. Ud là tổng điện áp các nguồn DC (ví dụ đối vớ i bộ nghịch lưu cascade 5 bậc như trên thì Ud = 4Vd). Sơ đồ mô phỏng bộ nghịch lưu áp 5 bậc dạng cascade theo phươ ng pháp PWM (bản vẽ A3). Các thông số mô phỏng:
• Chỉ số điều chế m = 0.7. • Sóng điều khiển có tần số 50Hz, sóng mang dạng PD tần số 2000 Hz. • Các nguồn DC có giá tr ị Vd = 200V. • Tải RL đấu dạng sao (Y) có R = 5 Ω , L = 0.01H (cos ϕ = 0.85), hằng số L
thờ i gianτ = = 2 ms. R
SVTH: Tr ần Quốc Hoàn
25/102
Luận Văn Tốt Nghiệ p
GVHD: Ts Nguyễn Văn Nhờ
2.3 K ết quả mô phỏng
Hình 3.8: Tín hiệu điện áp điều khiển trên 3 pha A, B, C.
Hình 3.9: Điện áp pha – tâm nguồn trên pha A (phase to pole voltage).
Hình 3.10: Điện áp pha – tâm nguồn DC của pha B. SVTH: Tr ần Quốc Hoàn
26/102
Luận Văn Tốt Nghiệ p
GVHD: Ts Nguyễn Văn Nhờ
Hình 3.11: Điện áp pha – tâm nguồn DC trên pha C.
Hình 3.12: Điện áp tải trên pha A.
Hình 3.13: Điện áp tải trên pha B.
SVTH: Tr ần Quốc Hoàn
27/102
Luận Văn Tốt Nghiệ p
GVHD: Ts Nguyễn Văn Nhờ
Hình 3.14: Điện áp tải trên C.
Hình 3.15: Phân tích Fourier cho điện áp tải trên pha A.
Hình 3.16: Dòng điện tải trên pha A. SVTH: Tr ần Quốc Hoàn
28/102
Luận Văn Tốt Nghiệ p
GVHD: Ts Nguyễn Văn Nhờ
Hình 3.17: Dòng điện tải trên 3 pha A, B, C.
Hình 3.18: Điện áp ngõ ra của 2 bộ nghịch lưu cầu một pha.
2.4 Nhận xét Điện áp ngõ ra của bộ nghịch lưu có dạng 5 bậc, gần vớ i dạng sin hơ n so vớ i điện áp ngõ ra của bộ nghịch lưu cầu 1 pha (dạng chữ H, ba bậc). Sóng hài bậc cao vẫn còn tồn tại trong dạng điện áp trên tải, nếu tần số sóng mang càng lớ n thì lượ ng sóng hài xuất hiện sẽ giảm. Thờ i gian quá độ của dòng điện trên 3 pha nhỏ, do đó dòng điện nhanh chóng đạt
đượ c tr ạng thái xác lậ p. SVTH: Tr ần Quốc Hoàn
29/102
Luận Văn Tốt Nghiệ p
GVHD: Ts Nguyễn Văn Nhờ
Dòng điện tải trên 3 pha trong tr ạng thái xác lậ p là cân bằng. Trong 1 chu kì khoảng đóng và ngắt của mỗi bộ nghịch lưu cầu 1 pha là tươ ng
đối đều nhau.
3. Phươ ng pháp điều chế độ rộng xung cải biến Phươ ng pháp còn có tên là Modified PWM hoặc Switching Frequency optimal PWM method – SFO PWM. K ỹ thu ật điều khiển t ươ ng tự như phươ ng pháp điều ch ế độ r ộng xung vừa trình bày, điểm khác biệt là sóng điều chế đượ c c ải bi ến. Theo đó, m ỗi sóng điều chế đượ c cộng thêm tín hiệu thứ tự không (sóng hài bội ba). Tồn tại nhiều khả năng tạo nên thành phần thứ tự không, một trong các tín hiệu thứ tự không có thể chọn bằng tr ị trung bình của giá tr ị tín hiệu l ớ n nh ất trong 3 tín hiệu điều ch ế v ớ i tín hiệu nh ỏ nh ất trong 3 tín hiệu điều chế - phươ ng pháp SFO PWM. Gọi Va, Vb,Vc là các tín hiệu điều khiển c ủa ph ươ ng pháp điều chế PWM. Tín hiệu điều khiển theo phươ ng pháp SFO – PWM có thể biểu diễn d ướ i dạng toán học như sau: Voffset =
max(V a , V b ,V c ) + min(V a , V b ,V c ) 2
VaSFO = Va – Voffset ; V bSFO = V b – Voffset ; VcSFO = Vc - Voffset
(3.10) (3.11)
Phươ ng pháp này cho phép thực hi ện điều khiển tuyến tính điện áp tải v ớ i ch ỉ s ố
điều chế nằm trong phạm vi 0 ≤ m ≤ 0.907, biên độ sóng hài điện áp đạt giá tr ị cực đại bằng U/ 3 và tươ ng ứng chỉ số điều chế lúc đó là: mSFO_PWM =
U /
2 π
SVTH: Tr ần Quốc Hoàn
3 U
=
π
2 3
= 0.907
(3.12)
30/102
Luận Văn Tốt Nghiệ p
GVHD: Ts Nguyễn Văn Nhờ
Hình 3.19: Quan hệ giữa biên độ áp điều khiển và biên độ sóng mang.
3.1 Mô phỏng cho bộ nghịch lư u áp cascade 5 bậc 3.1.1
Phân tích cách tạo áp điều chế
Qua việc phân tích lý thuyết nh ư trên, ta thấy c ần ph ải t ạo m ột hàm để tính điện áp Voffset, tuy nhiên trong phần mềm Psim không có khối tr ực tiế p tính đượ c V offset. Vì vậy ta phải dùng khối DLL (Dynamic Link Library) trong Psim k ết hợ p v ớ i việc viết chươ ng trình trong Microsoft Visual C++ hoặc trong Borland C++. Đầu tiên ta viết chươ ng trình bằng ngôn ngữ C/C++, r ồi dịch sang định dạng file .dll, sau đó chép (copy) file .dll này vào thư mục Psim. Trong Psim ta dùng khối DLL vớ i tên khối là file .dll vừa tạo để mô phỏng. Chươ ng trình tính điện áp điều chế theo SFO – PWM như sau: names pace SFOPWM { #i ncl ude voi d_decl spec( dl l expor t ) ham( doubl e t , doubl e del t , doubl e *i n, doubl e *out) { doubl e a, b, c; doubl e vmax, vmi n, vof f set ; doubl e vasf o, vbsf o, vcsf o; a = i n[ 0] ; b = i n[ 1] ; c = i n[ 2] ; / / Ti nh gi a t r i Vof f set , VaSFO, VbSFO, VcSFO
SVTH: Tr ần Quốc Hoàn
31/102
Luận Văn Tốt Nghiệ p
GVHD: Ts Nguyễn Văn Nhờ
i f ( a>b) { i f ( a>c ) { vmax = a; i f ( b>c) { vmi n = c; } el se { vmi n = b; } } el se { vmi n = b; vmax = c; } } el se { i f ( b>c ) { vmax = b; i f ( a>c) { vmi n = c; } el se { vmi n = a; } } el se { vmax = c; vmi n = a; } } vof f set = ( vmax + vmi n) / 2; vasf o = a - vof f set ; vbsf o = b - vof f set ; vcsf o = c - vof f set ; / / Gan gi a t r i cho cac ngo r a out [ 0] = vmax; out [ 1] = vmi n; out [ 2] = vof f set ; out [ 3] = vasf o; out [ 4] = vbsf o; out [ 5] = vcsf o; } }
3.1.2
Các thông số mô phỏng trong Psim
Sơ đồ mô phỏng b ộ ngh ịch l ưu áp 5 bậc dạng cascade theo phươ ng pháp SFO – PWM (bản vẽ A3). Các thông số trong mô phỏng:
• Chỉ số điều chế m = 0.8. • Sóng điều khiển có tần số 50Hz, sóng mang dạng PD tần số 2000Hz. • Các nguồn DC có giá tr ị Vd = 200V. • Tải RL đấu dạng sao có R = 5 Ω , L = 0.01H (cos ϕ =0.85), hằng số thờ i L
gianτ = = 2 ms. R
Sử dụng khối DLL vớ i chươ ng trình như trên.
SVTH: Tr ần Quốc Hoàn
32/102
Luận Văn Tốt Nghiệ p
GVHD: Ts Nguyễn Văn Nhờ
3.2 K ết quả mô phỏng
Hình 3.20: Tín hiệu điện áp điều chế ban đầu (giống PWM).
Hình 3.21: Tín hiệu điện áp Vmax, Vmin, Voffset.
Hình 3.22: Tín hiệu điều chế VaSFO trên pha A. SVTH: Tr ần Quốc Hoàn
33/102
Luận Văn Tốt Nghiệ p
GVHD: Ts Nguyễn Văn Nhờ
Hình 3.23: Điện áp pha – tâm nguồn trên pha A.
Hình 3.24: Điện áp pha – tâm nguồn trên pha B.
Hình 3.25: Điện áp pha – tâm nguồn C.
SVTH: Tr ần Quốc Hoàn
34/102
Luận Văn Tốt Nghiệ p
GVHD: Ts Nguyễn Văn Nhờ
Hình 3.26: Điện áp tải trên pha A.
Hình 3.27: Điện áp tải trên pha B.
Hình 3.28: Điện áp tải trên pha C.
SVTH: Tr ần Quốc Hoàn
35/102
Luận Văn Tốt Nghiệ p
GVHD: Ts Nguyễn Văn Nhờ
Hình 3.29: Phân tích Fourier cho điện áp tải trên pha A.
Hình 3.30: Dòng điện tải trên A.
Hình 3.31: Dòng điện tải trên 3 pha A, B, C. SVTH: Tr ần Quốc Hoàn
36/102
Luận Văn Tốt Nghiệ p
GVHD: Ts Nguyễn Văn Nhờ
3.3 Nhận xét Ta thấy phươ ng pháp SFO – PWM có đáp ứng tải tươ ng tự như phươ ng pháp PWM thông thườ ng, tuy nhiên sự xuất hiện của sóng hài bậc cao trong dạng điện áp tải có ít hơ n. Tổn th ất do chuyển m ạch trên các linh kiện c ũng giảm vì đã loại b ớ t thành phần thứ tự không trong dạng sóng điện áp điều chế. Dòng điện tải 3 pha ở tr ạng thái xác lậ p là cân bằng. Qua phươ ng pháp này, ta thấy đượ c một hướ ng phát triển mớ i trong điều khiển bộ nghịch lưu áp đa bậc, đó là tậ p trung nghiên cứu hàm offset nhằm đạt đượ c mục
đích tối ưu trong điều chế.
SVTH: Tr ần Quốc Hoàn
37/102
Luận Văn Tốt Nghiệ p
GVHD: Ts Nguyễn Văn Nhờ
Chươ ng 4 ĐIỀU KHIỂN BỘ NGHỊCH LƯ U ÁP ĐA BẬC DẠNG CASCADE - PHƯƠ NG PHÁP ĐIỀU CHẾ VECTOR KHÔNG GIAN (Space Vector PWM) Phươ ng pháp điều chế vector không gian (Space vector modulation – hoặc Space vector PWM) xuất phát từ những ứng dụng của vector không gian trong máy điện xoay chiều, sau đó đượ c mở r ộng triển khai trong các hệ thống điện ba pha. Phươ ng pháp điều chế vector không gian và các dạng cải biến của nó có tính hiện đại, giải thuật ch ủ y ếu dựa vào k ỹ thuật s ố và là các phươ ng pháp đượ c s ử d ụng phổ bi ến nhất hiện nay trong l ĩ nh vực điện tử công suất liên quan đến điều khiển các đại lượ ng xoay chiều ba pha như điều khiển truyền động điện xoay chiều, điều khiển các mạch lọc tích cực, điều khiển các thiết bị công suất trên hệ thống truyền tải điện.
1. Khái niệm vector không gian 1.1 Vector không gian và phép biến hình vector không gian Cho đại lượ ng ba pha cân bằng va, v b, vc, tức thỏa mãn hệ thức: va + v b + vc = 0
(4.1)
Phép biến hình từ các đại l ượ ng 3 pha va, v b, v c sang đại l ượ ng vector
→
v theo
hệ
thức: v = k.(va + a .v b + a
trong đó:
a =
1 2
e j 2π / 3 = - + j
2
.vc)
(4.2)
3 2
đượ c gọi là phép biến hình vector không gian và đại l ượ ng vector
(4.3) v
đượ c gọi là
vector không gian của đại lượ ng ba pha. Hằng số k có thể chọn vớ i các giá tr ị khác nhau. Vớ i k = 2/3 phép biến hình không bảo toàn công suất và vớ i k = 2 / 3 phép biến hình bảo toàn công suất. Ví dụ, ta có đại lượ ng ba pha dạng cos như sau:
SVTH: Tr ần Quốc Hoàn
38/102
Luận Văn Tốt Nghiệ p
GVHD: Ts Nguyễn Văn Nhờ
va = Vm.cos(x- θ ) v b = Vm.cos(x-
2π - θ ) 3
vc = Vm.cos(x-
4π - θ ) 3
Vector không gian theo định ngh ĩ a sẽ là: v = k.(va + a .v b + a v = v =
2
.vc)
2 2 2π 4π [Vm.cos(x- θ ) + a .Vm.cos(x- - θ ) + a .Vm.cos(x- - θ )] 3 3 3
Vm.[cos(x- θ ) + j.sin(x- θ )] = Vm.e j ( x −θ )
Như vậy trong hệ tọa độ vuông góc α _ β , vector không gian v có biên độ Vm bắt
đầu từ vị trí Vm.e jθ sẽ quay chung quanh tr ục toa độ vớ i tần số góc ω . 1.2 Vector không gian của bộ nghịch lư u áp đa bậc Quá trình đóng ngắt các linh kiện tạo ra điện áp ba pha tải. Theo lý thuyết về không gian vector thì điện áp ba pha đó có thể biểu diễn dướ i dạng vector không gian. Và nó sẽ thay đổi nhảy cấ p trên hình lục giác đa bậc. Vị trí của mỗi vector điện áp trong không gian sẽ phụ thuộc vào các tr ạng thái đóng ngắt của linh kiện. Ta xét bộ nghịch lưu áp 5 bậc dạng cascade như sau:
Hình 4.1: Cấu hình bộ nghịch lưu áp 5 bậc dạng cascade. Vớ i bộ nghịch lưu áp 5 bậc, khả năng kích dẫn linh kiện tạo nên 125 tr ạng thái khác nhau, mỗi tr ạng thái đượ c minh họa bở i tổ hợ p (k a k b k c) vớ i: SVTH: Tr ần Quốc Hoàn
39/102
Luận Văn Tốt Nghiệ p
GVHD: Ts Nguyễn Văn Nhờ
k a = -2, -1, 0, 1, 2 k b = -2, -1, 0, 1, 2
(4.4)
k c = -2, -1, 0, 1, 2 Các hệ số k a, k b, k c phụ thuộc vào cách ta quy ướ c tr ướ c, các quy ướ c này dựa vào bảng tr ạng thái đóng ngắt. Chẳng hạn, ta quy ướ c như sau:
• k a = -2 • k a = -1
khi
S3a = S4a = S’3a = S’4a = 1
khi
⎡S 1a = S 3a = S '3a = S '4a = 1 ⎢S 2a = S 4a = S '3a = S '4a = 1 ⎢ ⎢S 3a = S 4a = S '1a = S '3a = 1 ⎢ ⎣S 3a = S 4a = S '2a = S '4a = 1
khi
⎡ S 1a = S 2a = S '3a = S '4a = 1 ⎢ S 3a = S 4a = S '1a = S '2a = 1 ⎢ ⎢ S 1a = S 3a = S '1a = S '3a = 1 ⎢ S a S a S a S a 1 = 3 = ' 2 = ' 4 = 1 ⎢ ⎢ S 2a = S 4a = S '1a = S '3a = 1 ⎢ ⎢⎣ S 2a = S 4a = S '2a = S '4a = 1
khi
⎡ S 1a = S 2a = S '1a = S '3a = 1 ⎢ S 1a = S 2a = S '2a = S '4a = 1 ⎢ ⎢ S 1a = S 3a = S '1a = S '2a = 1 ⎢ ⎣ S 2a = S 4a = S '1a = S '2a = 1
• k a = 0
• k a = 1
(4.5)
khi S1a = S2a = S’1a = S’2a • k a = 2 tươ ng tự cho k b, k c. Trong quá trình đóng ngắt, quy luật đóng ngắt đối nghịch phải đượ c tuân thủ: S1x + S4x = 1; S2x + S3x = 1 S’1x + S’4x = 1;
S’2x + S’3x = 1
(4.6)
Vớ i x = a, b, c. Theo định ngh ĩ a vector không gian, tươ ng ứng 125 tr ạng thái kích dẫn linh kiện ta thu đượ c 61 vị trí vector không gian của vector điện áp tạo thành. Tại tâm của lục giác có năm tr ạng thái khác nhau cho cùng vị trí tại đó là vector không. Các vị trí còn lại
ứng vớ i các tr ạng thái đượ c biểu diễn trong giản đồ vector sau:
SVTH: Tr ần Quốc Hoàn
40/102
Luận Văn Tốt Nghiệ p
GVHD: Ts Nguyễn Văn Nhờ β -22-2
02-2
-12-2
-22-1
-12-1
-11-2
-120
-122 -222 -211
011 100
-200
-101 012 -210
-112 -201
-212
-2-1-1 122
-111 022
-2-11
-1-12 -2-12
-2-22
-2-21
-1-22
-1-2-2 211
102 -1-20
0-12 -1-21
1-2-2
200
2-1-1
1-11
0-20 202
1-12
α
2-2-1
2-10
1-20 2-20
2-11
1-21 2-21
2-12
1-22
2-2-2
1-2-1
0-2-1 201 1-10
0-21
0-22
1-1-2
0-2-2 111
100 01-1
0-11
2-1-2
20-1
0-1-2
101 0-10 -1-2-1
20-2
10-2
10-1 210
212
-2-2-1
21-1
220 11-1
-2-2-2 000 111 222 -1-1-1
112 -1-10 001
21-2 11-2
00-2
01-1
-1-11 002 -2-20
-102 -202
-10-1 121 221 00-1 010 -2-1-2 -1-1-2 110
021 -110 -20-1
-121 -210
-10-2 120
020
22-2
22-1
01-2
-20-2 -11-1
-21-1
-221
12-1
02-1
-21-2
-220
12-2
2-22
Hình 4.2: Giản đồ vector điện áp của bộ nghịch lưu áp 5 bậc.
2. Phươ ng pháp điều chế vector không gian Phươ ng pháp điều khiển sáu bướ c (six step) tạo nên sự dịch chuyển nhảy cấ p tuần hoàn của vector không gian giữa sáu vị trí đỉnh của hình lục giác. Điều này làm quá trình điện áp pha tải nghịch lưu hình thành chứa nhiều thành phần sóng hài bậc cao. Hệ qu ả là quỹ đạo vector không gian bị bi ến đổi v ề pha và biên độ so vớ i tr ườ ng h ợ p áp ba pha tải d ạng sin. Mặt khác, phươ ng pháp điều chế độ r ộng xung dạng sin dù tạo ra điện áp pha tải gần dạng sin nhưng chỉ có thể đảm bảo phạm vi điều khiển tuyến tính thành phần điện áp cơ bản của pha tải đến biên độ Ud /2. Phươ ng pháp điều chế vector không gian khắc phục các nhượ c điểm của hai phươ ng pháp nêu trên. Ý t ưở ng c ủa ph ươ ng pháp điều ch ế vector không gian là tạo nên sự d ịch chuyển liên tục của vector không gian tươ ng đươ ng trên qu ĩ đạo đườ ng tròn của vector điện áp bộ nghịch lưu, tươ ng tự như tr ườ ng hợ p vector không gian của đại lượ ng sin ba pha SVTH: Tr ần Quốc Hoàn
41/102
Luận Văn Tốt Nghiệ p
GVHD: Ts Nguyễn Văn Nhờ
tạo đượ c. Vớ i sự dịch chuyển đều đặn của vector không gian trên qu ĩ đạo tròn, các sóng hài bậc cao đượ c lo ại bỏ và quan hệ giữa tín hiệu điều khiển và biên độ áp ra tr ở nên tuyến tính. Vector tươ ng đươ ng ở đây chính là vector trung bình trong th ờ i gian một chu kì lấy mẫu Ts của quá trình điều khiển bộ nghịch lưu áp. Nguyên lý điều chế vector không gian đối vớ i bộ nghịch lưu áp đa bậc đượ c thực hiện t ươ ng t ự nh ư ở ngh ịch l ưu hai bậc. Để t ạo vector trung bình tươ ng ứng vector
v
cho tr ướ c c ần xem xét vector v n ằm vị trí nào của hình lục giác. Để thuận tiện, thông thườ ng diện tích hình lục giác đượ c chia nhỏ thành các hình tam giác con. Ví dụ, góc phần sáu thứ nhất của hình lục giác giớ i hạn bở i ba vector
v0 , v 2
và
v5
đượ c chia nhỏ
thành các diện tích (1), (2), (3), và (4) nh ư hình vẽ:
Hình 4.3: Góc phần sáu đượ c giớ i hạn bở i Vector
v
v0
,
v2
và
v5
.
đang khảo sát cần điều khiển để đạt đượ c có vị trí nằm trên phần diện
tích (2). Bướ c tiế p theo, ta xác định các vector không gian cần thiết – g ọi là các vector cơ bản, cần sử dụng để tạo nên vector trung bình nằm trong diện tích (2). Ta nhận thấy
đó chính là các vector
v1 , v 2
và
v3
. Như vậy, vector tươ ng đươ ng vớ i vector v có thể
thực hiện bằng cách điều khiển duy trì tác dụng theo trình tự vector T1, vector
v2
trong thờ i gian T2 và vector
v3 trong
V .Ts = v1 .T1
v3
+
v2
.T2 +
v1 trong
thờ i gian
thờ i gian T3 theo hệ thức:
.T3
(4.7)
trong đó Ts = T1 + T2 + T3 là chu k ỳ lấy mẫu.
SVTH: Tr ần Quốc Hoàn
42/102
Luận Văn Tốt Nghiệ p
GVHD: Ts Nguyễn Văn Nhờ
Vấn đề còn lại là xác định thờ i gian tác dụng T1, T2 và T3 của các vector cơ bản. Nếu ta biết đượ c vector v d ướ i d ạng các thành phần vuông góc V α , V β trong hệ tọa
độ đứng yên α − β (stationary frame), quan hệ giữa các thành phần vector V α , V β vớ i thờ i gian duy trì tr ạng thái vector
v1 , v 2
và
v3 có
thể biểu diễn dướ i dạng ma tr ận sau:
(4.8) Vớ i V 1α , V 2α , V 3α ,V 1β , V 2 β , V 3β là các thành phần theo tr ục tọa độ của các vector trên hình lục giác
v1 , v 2
và
α
và
β
v3 .
Từ đó, thờ i gian đượ c xác định (áp dụng ma tr ận ngượ c):
(4.9) Hay ở dạng thờ i gian tươ ng đối: d j = T j / Ts ; j = 1, 2, 3
(4.10) Áp d ụng c ụ th ể vào bốn di ện tích hình tam giác trong góc phần sáu thứ nh ất c ủa hình lục giác, chú ý đến vector cơ bản trong mỗi diện tích trên, ta thu đượ c k ết quả: Trong diện tích (1), vector vơ bản
v0 , v1 và v 4
:
d 1 = d v 0 = 1 - d 2 - d 3 = 1- m a .(sin θ + 3 .cos θ ) d 2 = d v1 = m a .(-sin θ + 3 .cos θ )
(4.11)
d 3 = d v 4 = 2.m.sin θ Trong diện tích (2), vector cơ bản
v1 , v 2
và
v3 :
d 1 = d v1 = 2 - m a .(sin θ + 3 .cos θ ) d 2 = d v 2 = -1 + m a .(-sin θ + 3 .cos θ )
(4.12)
d 3 = d v 3 = 2.ma.sin θ SVTH: Tr ần Quốc Hoàn
43/102
Luận Văn Tốt Nghiệ p
GVHD: Ts Nguyễn Văn Nhờ
Trong diện tích tam giác (3), vector c ơ bản
v1 , v3
và
v4
:
d 1 = d v1 = 1- 2.ma.sin θ d 2 = d v 3 = -1 + ma. (sin θ + 3 .cos θ )
(4.13)
d 3 = d v 4 = 1 + ma.(sin θ - 3 .cos θ ) Trong diện tích tam giác (4), vector c ơ bản
v5 , v3 và v 4
:
d 1 = d v 4 = 2 – ma.(sin θ + 3 .cos θ ) d 2 = d v 5 = -1 + 2.ma.sin θ
(4.14)
d 3 = d v 3 = ma.(-sin θ + 3 .cos θ ) Nếu vectơ nằm V ở góc phần sáu thứ i so vớ i góc phần sáu thứ nhất của hình lục giác tính từ vị trí tr ục thực
α ,
ta có thể qui đổi nó về góc phần sáu thứ nhất để xác
định thờ i gian tác động của các vector cơ bản theo hệ thức:
Vớ i V =
V α 2
+ V β 2 ;
θ =
V β V α
(4.15)
3. Nhận xét Phươ ng pháp điều chế vector không gian cho phép điều khiển tuyến tính tốt, hiệu quả cao, r ất c ần thiết cho các hệ t ự động điều khiển. Nó đã mở ra một lý thuyết thực hành điều khiển mớ i có chất lượ ng cao cho việc chuyển đổi năng lượ ng điện từ các nguồn DC sang AC. Tuy nhiên, ph ươ ng pháp điều ch ế vector không gian vẫn còn tồn tại một số nhượ c điểm như: đòi hỏi bộ vi xử lý có khả năng tính toán cao và bộ nhớ lớ n, việc tính toán càng phức t ạ p khi số b ậc c ủa b ộ ngh ịch l ưu t ăng lên, lậ p trình giải thuật khá phức tạ p…
SVTH: Tr ần Quốc Hoàn
44/102
Luận Văn Tốt Nghiệ p
GVHD: Ts Nguyễn Văn Nhờ
Chươ ng 5 ĐIỀU KHIỂN BỘ NGHỊCH LƯ U ÁP ĐA BẬC DẠNG CASCADE – PHƯƠ NG PHÁP ĐIỀU CHẾ VECTOR KHÔNG GIAN DÙNG SÓNG MANG Trong các nghiên cứu gần đây, nhiều tác giả đã tìm ra đượ c mối quan hệ giữa phươ ng pháp điều ch ế độ r ộng xung sin và phươ ng pháp điều ch ế vector không gian. Vớ i những khám phá này, một phươ ng pháp mớ i dựa trên mối quan hệ của hai phươ ng pháp trên đượ c đề nghị: Phươ ng pháp điều chế vector không gian dùng sóng mang (Carrier based Sapce vector PWM). Theo đó, phươ ng pháp này sẽ tậ p hợ p những ưu
điểm của hai phươ ng pháp trên: quá trình tính toán đơ n giản hơ n, mở r ộng đượ c phạm vi điều chế… Phươ ng pháp điều chế vector không gian dùng sóng mang (Carrier based SVPWM) đượ c đề nghị bở i hai tác giả: Nguyễn Văn Nhờ và Hong Hee Lee [2] [4]. Các tác giả đã phân tích mối quan hệ giữa phươ ng pháp điều chế vector không gian và k ỹ thuật PWM dùng sóng mang, t ừ đó đưa ra thuật toán và mô phỏng cho bộ nghịch lưu áp đa bậc dạng diode k ẹ p (NPC multilevel inverter). Luận văn này tậ p trung tìm hiểu, nghiên cứu phươ ng pháp trên nhưng đưa ra cách mô phỏng ứng dụng cho bộ nghịch lưu áp đa bậc dạng cascade (Cascade inverter).
1. Tổng quát về phươ ng pháp điều chế vector không gian dùng sóng mang 1.1 Ý tưở ng tổng quát của phươ ng pháp Dựa trên cơ sở lý thuyết phân tích tươ ng quan giữa SVPWM và sóng mang đơ n cực (carrier based unipolar PWM), phươ ng pháp điều chế vector không gian dùng sóng mang thực chất là tạo ra một sóng điều chế mớ i có nhiều ưu điểm hơ n so vớ i các sóng điều chế cũ. Các tác giả đã đưa ra giải thuật điều chế d ựa trên phân tích cho bộ nghịch l ưu áp
đa bậc dạng diode k ẹ p NPC. Điện áp điều chế của bộ nghịch lưu áp đa bậc có thể đượ c phân tích thành các thành phần như sau: SVTH: Tr ần Quốc Hoàn
45/102
Luận Văn Tốt Nghiệ p
GVHD: Ts Nguyễn Văn Nhờ
Hình 5.1: Bộ nghịch lưu áp 5 bậc dạng diode k ẹ p và phân tích điện áp điều chế.
Reference – phase to pole voltages (điện áp pha – tâm ngu ồn DC hay còn gọi
đơ n giản là điện áp điều chế) là độ l ớ n điện áp giữa một đầu pha tải c ủa b ộ nghịch lưu và một điểm điện thế chuẩn trên mạch DC (thườ ng chọn là điểm trung tính O, như trên hình), bao gồm điện áp thành phần thứ tự thuận – nghịch (active voltages) Vx12 và điện áp thành phần thứ tự không (reference common mode) V0ref : Vxref = Vx12 + V0ref , vớ i x = a, b, c
(5.1)
Giớ i hạn của điện áp điều chế: 0 ≤ Vxref ≤ Vs
(5.2)
Vớ i Vs là tổng điện áp của các nguồn DC.
Active voltages (điện áp thành phần thứ tự thuận – nghịch): trong biểu đồ vector, điện áp ba pha thứ tự thuận – nghịch đượ c xác định bở i biên độ Vref và góc pha
θ
của vector điện áp tươ ng đươ ng, hoặc từ điện áp phase – to
pole voltages sau khi loại tr ừ thành phần offset. Va12 = Vref .cos θ V b12 = Vref .cos( θ − 2π 3 )
(5.3)
Vc12 = Vref .cos( θ − 4π 3 )
Định ngh ĩ a hai giá tr ị lớ n nhất và nhỏ nhất của điện áp ba pha thứ tự thuận – nghịch:
SVTH: Tr ần Quốc Hoàn
46/102
Luận Văn Tốt Nghiệ p
GVHD: Ts Nguyễn Văn Nhờ
Vmax = Max(Va12, V b12, Vc12) Vmin = Min(Va12, V b12, Vc12)
(5.4)
Reference common mode voltage (điện áp thành phần thứ tự không) V0ref :
đượ c s ử d ụng để làm giảm số l ần chuyển mạch và giữ cân bằng nguồn DC, có giá tr ị thay đổi trong giớ i hạn V0max và V0min V0max = (n – 1).V dc – Vmax V0min = - Vmin
(5.5)
Và Vk = k.Vdc , vớ i k = 0, 1, 2, 3... (n-1) là b ậc của điện áp DC.
Định ngh ĩ a hai bậc điện áp gần nhất vớ i điện áp điều chế Vxref : 0 ≤ VLx ≤ Vxref ≤ VHx ≤ Vs VHx = VLx + Vdc
(5.6)
Additional common mode (điện áp offset) V0add: đượ c đề nghị cộng thêm vào điện áp điều chế nhằm thu đượ c một điện áp điều chế mớ i tối ưu hơ n V’xref V’xref = Vxref + V0add = Vx12 + V0ref + V0add
(5.7)
Hình 5.2: Mối quan hệ giữa các thành phần điện áp.
1.2 Giải thuật điều chế của phươ ng pháp Để thuận tiện cho quá trình tính toán và mô phỏng, tất cả các đại lượ ng điện áp sẽ đượ c chuyển về dạng tín hiệu theo phép tham chiếu: SVTH: Tr ần Quốc Hoàn
47/102
Luận Văn Tốt Nghiệ p V x
GVHD: Ts Nguyễn Văn Nhờ = v x .V dc ;
vớ i x = a, b, c
(5.8)
Từ đây ta sẽ có các tín hiệu tươ ng ứng: v’xref , vxref , vx12, v0ref , v0add. Giải thuật của phươ ng pháp điều chế vector không gian dùng sóng mang có thể
đượ c biểu diễn tổng quát thông qua sơ đồ khối sau:
Hình 5.3: Sơ đồ khối tổng quát của phươ ng pháp. Gồm 2 khối chính, vớ i các chức năng như sau:
• Khối Primitive voltages Generator có chức năng tạo ra điện áp Primitive phase to pole voltages Vxp(tươ ng đươ ng reference phase to pole voltages Vxref ). • Khối Additional common mode Generator dùng để tính toán và đưa ra một điện áp offset_V0add thích hợ p cho từng chế độ điều chế PWM (liên tục hay gián đoạn). Tín hiệu điện áp cuối cùng thu đượ c là Reference modulating signals_vxref sẽ đượ c đưa vào so sánh vớ i các tín hiệu sóng mang để sinh ra các tr ạng thái chuyển mạch của bộ nghịch lưu. Khối Primitive voltages Generator: có chức n ăng sinh ra tín hi ệu điều chế s ơ cấ p primitive phase – to pole voltages vxp : vxp = vx12 + vop ; x = a, b, c (5.9) SVTH: Tr ần Quốc Hoàn
48/102
Luận Văn Tốt Nghiệ p
GVHD: Ts Nguyễn Văn Nhờ
• Định ngh ĩ a hai bậc điều chế có giá tr ị gần nhất vớ i tín hiệu primitive voltages vxp: L(x) ≤ vxp ≤ H(x) (5.10) ⎧n( x) + 1 H(x) = ⎪⎨ ⎪⎩n − 1
0 ≤ v xp < (n − 1) khi v xp = (n − 1)
khi
(5.11)
L(x) = H(x) – 1 Vớ i n(x) = Int(vxp) ; x = a, b, c
• Thành phần active voltages vx12 có thể đượ c suy ra từ vị trí của vector điện áp tươ ng đươ ng trong giản đồ vector điện áp: va12 = Vref .cos θ v b12 = Vref .cos( θ − 2π / 3 )
(5.12)
vc12 = Vref .cos( θ − 4π / 3 )
• Primitive common mode: nằm trong giớ i hạn của v 0max và v 0min. Thành phần này không ảnh hưở ng đến điện áp tải, nhưng nó làm thay đổi dạng tín hiệu điều chế và đóng góp vào việc làm giảm số lần chuyển mạch trong một chu kì. Max = Max (va12, v b12, vc12) Min = Min (va12, v b12, vc12) (5.13) • Đối vớ i bộ nghịch lưu áp n bậc, hai giá tr ị common mode cực tr ị là: v0min = - Min v0max = (n-1) – Max (5.14) Hai giá tr ị có thể chọn của điện áp primitive common mode: • Medium common mode: v0p = (v0max + v0min) / 2
(5.15)
• Minimum common mode: ⎧v0 max v0p = ⎪⎨(n − 1) / 2 ⎪v ⎩ 0 min
khi khi khi
< (n − 1) / 2 v0 max ≥ (n − 1) / 2 ≥ v0 min v0 min > ( n − 1) / 2
v0 max
(5.16)
Tóm lại thuật toán tạo ra tín hiệu primitive phase – to pole voltages như sau:
SVTH: Tr ần Quốc Hoàn
49/102
Luận Văn Tốt Nghiệ p
GVHD: Ts Nguyễn Văn Nhờ
Hình 5.4: Thuật toán của primitive common mode và phase – to pole voltages. Minh họa m ối quan hệ gi ữa các tín hiệu điện áp và dạng sóng mang PD trong bộ nghịch lưu áp 5 bậc dạng diode k ẹ p NPC:
Hình 5.5: Quan hệ dạng sóng mang và tín hiệu điều chế.
Khối Additional common mode voltage: cũng giống như thành phần primitive common mode, thành phần additional common mode cũng không
ảnh hưở ng đến điện áp tải. Tuy nhiên, khi thêm vào một giá tr ị additional common mode thích hợ p sẽ cải tiến đáng k ể hiệu quả của k ỹ thuật PWM. Thành phần này giúp phân chia hai chế độ th ực thi k ỹ thuật PWM: DPWM cho các ứng dụng cần giảm số lần chuyển mạch và SVPWM trong tr ườ ng hợ p cần làm giảm độ nhấ p nhô dòng điện SVTH: Tr ần Quốc Hoàn
50/102
Luận Văn Tốt Nghiệ p
GVHD: Ts Nguyễn Văn Nhờ
dminH = Min(vHa, vHb,vHc) dminL = Min(vaL, v bL, vcL)
(5.17)
vHx = H(x) – vxp vxL = vxp – L(x) ; x = a,b,c
(5.18)
Tùy theo các chế độ PWM, ta có cách tính các giá tr ị additional common mode khác nhau:
• Carrier based SVPWM method (chế độ PWM liên tục): sóng điều chế ở dạng liên tục v0add1 = (dminH - dminL) / 2 (5.19) ⇒
vxSVM = vxref = vxp + v0add1
(5.20)
Hình 5.6: Additional common mode đối vớ i tr ườ ng hợ p PWM liên tục, v0add = d0.
• Discontinuous PWM methods (chế độ PWM gián đoạn): sóng điều ch ế ở dạng gián đoạn. Ư u điểm của sóng điều chế dạng gián đoạn là số lần chuyển mạch trong một chu kì bị giảm xuống, do đó công suất tổn hao do quá trình đóng ngắt cũng giảm theo. ⎧d v0add = ⎨ min H ⎩− d min L
SVTH: Tr ần Quốc Hoàn
khi khi
< d min L d min H > d min L
d min H
(5.21)
51/102
Luận Văn Tốt Nghiệ p
GVHD: Ts Nguyễn Văn Nhờ
Nếu dminH = dminL (trong tr ườ ng hợ p medium common mode DPWM): ⎧d min H v0add = ⎪⎨ ⎪⎩− d min L ⇒
khi khi
< (n − 1) / 2 v 0 p > (n − 1) / 2
v0 p
vxDPWM = vxref = vxp + v0add
(5.22) (5.23)
Hình 5.7: Discontinuous PWM vớ i v0add = dminL = vcL.
Hình 5.8: Discontinuous PWM vớ i v0add = dminH = vHb.
SVTH: Tr ần Quốc Hoàn
52/102
Luận Văn Tốt Nghiệ p
GVHD: Ts Nguyễn Văn Nhờ
Tóm lại, ta có sơ đồ thuật toán tính additional common mode và tín hi ệu điều chế cho từng chế độ PWM như sau:
Hình 5.9: a) Sơ đồ giải thuật tính additional common mode. b) Ứ ng vớ i chế độ carrier Space vector PWM.
SVTH: Tr ần Quốc Hoàn
53/102
Luận Văn Tốt Nghiệ p
GVHD: Ts Nguyễn Văn Nhờ
Hình 5.10: Tr ườ ng hợ p chế độ PWM là Discontinuous PWM.
2. Ứ ng dụng cho bộ nghịch lư u áp đa bậc dạng cascade Ta xét bộ nghịch lưu áp 5 bậc dạng cascade như sau:
Hình 5.11: Bộ nghịch lưu áp cascade 5 bậc. Trong bộ nghịch l ưu 5 b ậc d ạng cascade, vớ i điểm trung tính O như hình trên thì các mức điện áp của nguồn DC phân bố quanh giá tr ị 0: +2Vdc, +Vdc, 0, -Vdc, -2Vdc.
SVTH: Tr ần Quốc Hoàn
54/102
Luận Văn Tốt Nghiệ p
GVHD: Ts Nguyễn Văn Nhờ
Dạng bố trí các sóng mang PD và các mức điện áp DC tươ ng ứng trong bộ nghịch lưu 5 bậc dạng cascade:
Hình 5.12: Phân bố các mức điện áp DC tươ ng ứng vớ i dạng sóng mang.
Điện áp điều ch ế so vớ i điểm trung tính O _ Vref, O thay đổi trong các khoảng giá tr ị: -2Vd ≤ Vref ≤ +2Vd điều này sẽ gây khó khăn cho quá trình xác định các mức điện áp H(x), L(x), cũng như là các điện áp tươ ng ứng VH(x), VL(x) khi Vref, O < 0. Do đó, để thuận tiện hơ n ta biến đổi các mức điện áp DC theo phép tham chiếu tươ ng đươ ng sau:
Hình 5.13: Phân bố mức điện áp DC và dạng sóng mang sau khi biến đổi. SVTH: Tr ần Quốc Hoàn
55/102
Luận Văn Tốt Nghiệ p
GVHD: Ts Nguyễn Văn Nhờ
Phép biến đổi này dẫn đến điện áp điều chế cũng thay đổi tươ ng ứng: Vref mớ i = Vref,O + 2.Vd
(5.24)
Khi đó, cấu trúc mạch xem như tồn tại một điểm trung tính O’ có điện thế là 0 (zero), quan hệ vớ i trung tính O: VOO’ = 2.Vd
(5.25)
Và điện áp ngõ ra của bộ nghịch lưu so vớ i điểm trung tính O’ (phase – to pole voltages) cũng thay đổi tươ ng đươ ng: VXO’ = VXO + VOO’ = VXO + 2.Vd ; X = A, B, C
(5.26)
Và có thể xem như tồn tại một mô hình mạch nghịch lưu tươ ng đươ ng như sau:
Hình 5.14: Mô hình mạch nghịch lưu tươ ng đươ ng. Ta thấy r ằng vớ i phép biến đổi như trên, dạng phân bố điện áp DC của b ộ nghịch lưu cascade hoàn toàn t ươ ng tự như trong tr ườ ng hợ p bộ nghịch lưu NPC đã phân tích
ở trên (như H5.2 và H5.5). Do đó ta hoàn toàn có thể ứng d ụng giải thuật điều khiển của phươ ng pháp điều chế vector không gian dùng sóng mang vào b ộ nghịch lưu dạng cascade giống như trong tr ườ ng h ợ p của bộ nghịch lưu NPC. Hơ n nữa phép biến đổi này xem như không ảnh h ưở ng đến c ấu trúc phần c ứng c ủa m ạch nghịch l ưu vì tất c ả chỉ diễn ra trong mạch kích, nhằm tạo ra một tín hiệu điện áp điều chế tối ưu hơ n. SVTH: Tr ần Quốc Hoàn
56/102
Luận Văn Tốt Nghiệ p
GVHD: Ts Nguyễn Văn Nhờ
Trong mô phỏng, các giải thuật điều chế sẽ đượ c thực hiện trong các khối DLL
đượ c viết bằng chươ ng trình Microsoft Visual C++ .
3. Mô phỏng cho bộ nghịch lư u cascade 5 bậc Sơ đồ mô phỏng bộ nghịch lưu áp 5 bậc dạng cascade theo phươ ng pháp điều chế vector không gian dùng sóng mang (bản vẽ A3). Các thông số trong mô phỏng dùng chung cho cả bốn chế độ:
• Chỉ số điều chế m = 0.8. • Sóng điều khiển có tần số 50Hz, sóng mang dạng PD tần số 2000 Hz. • Các nguồn DC có giá tr ị Vd = 200V. • Tải RL đấu dạng sao (Y) có R = 5 Ω , L = 0.01H (cos ϕ = 0.85), hằng số L
thờ i gianτ = = 2 ms R
Ta phải xây dựng khối DLL thay đổi theo từng chế độ điều chế.
3.1 Chế độ Medium common mode – SVPWM Mô phỏng trong tr ườ ng hợ p chọn chế độ PWM là liên tục (SVPWM) và medium common mode: v0p = (v0max + v0min) / 2 v0add = (dminH - dminL) / 2
3.1.1
Chươ ng trình của khối DLL
/ / MedCM_ SVPWM. h #pr agma once usi ng namespace Syst em; names pac e MedCM_ SVPWM { #i ncl ude voi d _decl spec( dl l expor t ) ham( doubl e t , doubl e del t , doubl e*i n, doubl e *out ) { doubl e a, b, c, Max, Mi n; doubl e vomax, vomi n, vop; doubl e vap, vbp, vcp; doubl e na, nb, nc; doubl e Ha, Hb, Hc, La, Lb, Lc; doubl e vHa, vHb, vHc, vaL, vbL, vcL; doubl e dmi nH, dmi nL; doubl e voadd, vaSVM, vbSVM, vcSVM; a = i n[ 0] ; b = i n[ 1] ; c = i n[ 2] ;
SVTH: Tr ần Quốc Hoàn
57/102
Luận Văn Tốt Nghiệ p
GVHD: Ts Nguyễn Văn Nhờ
/ / Ti nh gi a t r i Pr i mi t i ve Phase t o Pol e Vol t age Vxp i f ( a > b) { i f ( a > c) { Max = a; i f ( b > c) { Mi n = c; } el se { Mi n = b; } } el se { Max = c; Mi n = b; } } el se { i f ( b > c) { Max = b; i f ( a > c) { Mi n = c; } el se { Mi n = a; } } el se { Max = c; Mi n = a; } } vomax = 4 - Max; vomi n = - Mi n; / / Medi um common mode vop = ( vomax + vomi n) / 2; vap = a + vop; vbp = b + vop; vcp = c + vop; / / Ti nh cac gi a t r i vHx, vxL i f ( vap == 4) { Ha = 4; La = 3; } el se { Ha = i nt ( vap) + 1; La = Ha - 1; } vHa = Ha - vap; vaL = vap - La; i f ( vbp == 4) { Hb = 4; Lb = 3; } el se { Hb = i nt ( vbp) + 1; Lb = Hb - 1; } vHb = Hb - vbp; vbL = vbp - Lb; i f ( vcp == 4) { Hc = 4;
SVTH: Tr ần Quốc Hoàn
58/102
Luận Văn Tốt Nghiệ p
GVHD: Ts Nguyễn Văn Nhờ Lc = 3;
} el se { Hc = i nt ( vcp) + 1; Lc = Hc - 1;
//
//
//
//
} vHc = Hc - vcp; vcL = vcp - Lc; Ti nh gi a t r i dmi nH i f ( vHa < vHb) { i f ( vHa < vHc) { dmi nH = vHa; } el se { dmi nH = vHc; } } el se { i f ( vHb < vHc) { dmi nH = vHb; } el se { dmi nH = vHc; } } Ti nh gi a t r i dmi nL i f ( vaL < vbL) { i f ( vaL < vcL) { dmi nL = vaL; } el se { dmi nL = vcL; } } el se { i f ( vbL < vcL) { dmi nL = vbL; } el se { dmi nL = vcL; } } Ti nh gi a t r i Addi t i onal common mode va Modul at i ng si gnal s voadd = ( dmi nH - dmi nL) / 2; vaSVM = vap + voadd; vbSVM = vbp + voadd; vcSVM = vcp + voadd; Gan gi a t r i cho cac ngo r a out [ 0] = vap; out [ 1] = vaSVM; out [ 2] = vbp; out [ 3] = vbSVM; out [ 4] = vcp; out [ 5] = vcSVM; out [ 6] = vop;
SVTH: Tr ần Quốc Hoàn
59/102
Luận Văn Tốt Nghiệ p
GVHD: Ts Nguyễn Văn Nhờ
out [ 7] = vomax; out [ 8] = vomi n; out [ 9] = voadd; } }
3.1.2
K ết quả mô phỏng
Hình 5.15: Các thành phần điện áp trên pha A. Vớ i: Va_SVM là tín hiệu điện áp điều chế của phươ ng pháp Va12 là tín hiệu điện áp thành phần thứ tự thuận – nghịch Vop là tín hiệu điện áp thành phần thứ tự không Voadd là tín hiệu điện áp cộng thêm vào.
Hình 5.16: Điện áp pha – tâm nguồn trên pha A.
SVTH: Tr ần Quốc Hoàn
60/102
Luận Văn Tốt Nghiệ p
GVHD: Ts Nguyễn Văn Nhờ
Hình 5.17: Điện áp pha – tâm nguồn trên pha B.
Hình 5.18: Điện áp pha – tâm nguồn trên pha C.
Hình 5.19: Điện áp tải trên pha A.
SVTH: Tr ần Quốc Hoàn
61/102
Luận Văn Tốt Nghiệ p
GVHD: Ts Nguyễn Văn Nhờ
Hình 5.20: Điện áp tải trên pha B.
Hình 5.21: Điện áp tải trên pha C.
Hình 5.22: Phân tích Fourier cho điện áp tải trên pha A.
SVTH: Tr ần Quốc Hoàn
62/102
Luận Văn Tốt Nghiệ p
GVHD: Ts Nguyễn Văn Nhờ
Hình 5.23: Dòng điện tải trên pha A
Hình 5.24: Dòng điện tải trên 3 pha A, B, C.
3.2 Chế độ Minimum common mode – SVPWM Chế độ PWM là liên tục (SVPWM) và minimum common mode: ⎧v0 max v0p = ⎪⎨(n − 1) / 2 ⎪v ⎩ 0 min
khi khi khi
< (n − 1) / 2 v0 max ≥ (n − 1) / 2 ≥ v0 min v0 min > ( n − 1) / 2
v0 max
v0add = (dminH - dminL) / 2
3.2.1
Chươ ng trình cho khối DLL
Tươ ng tự như chươ ng trình trong phần trên, nhưng thay công thức tính vop và voadd cho phù hợ p vớ i chế độ mô phỏng.
3.2.2
K ết quả mô phỏng
SVTH: Tr ần Quốc Hoàn
63/102
Luận Văn Tốt Nghiệ p
GVHD: Ts Nguyễn Văn Nhờ
Hình 5.25: Các thành phần điện áp trên pha A.
Hình 5.26: Điện áp pha – tâm nguồn trên pha A.
Hình 5.27: Điện áp tải trên pha A. SVTH: Tr ần Quốc Hoàn
64/102
Luận Văn Tốt Nghiệ p
GVHD: Ts Nguyễn Văn Nhờ
Hình 5.28: Phân tích Fourier cho điện áp tải pha A.
Hình 5.29: Dòng điện tải trên pha A.
Hình 5.30: Dòng điện tải trên 3 pha. SVTH: Tr ần Quốc Hoàn
65/102
Luận Văn Tốt Nghiệ p
GVHD: Ts Nguyễn Văn Nhờ
3.3 Chế độ Minimum common mode – DPWM Chế độ PWM gián đoạn và minimum common mode: ⎧d v0add = ⎨ min H ⎩− d min L
khi khi
⎧v0 max v0p = ⎪⎨(n − 1) / 2 ⎪v ⎩ 0 min
3.3.1
khi khi khi
< d min L d min H > d min L
d min H
< (n − 1) / 2 v0 max ≥ (n − 1) / 2 ≥ v0 min v0 min > ( n − 1) / 2
v0 max
Chươ ng trình cho khối DLL
/ / Mi nCM_ DPWM. h #pr agma once usi ng namespace Syst em; names pace Mi nCM_ DPWM { #i ncl ude voi d _decl spec( dl l expor t ) ham ( doubl e t , doubl e del t , doubl e *i n, doubl e *out ) { doubl e a, b, c, Max, Mi n; doubl e vomax, vomi n, vop; doubl e vap, vbp, vcp; doubl e Ha, Hb, Hc, La, Lb, Lc; doubl e vHa, vHb, vHc, vaL, vbL, vcL; doubl e dmi nH, dmi nL; doubl e voadd, vaDPWM, vbDPWM, vcDPWM; a = i n[ 0] ; b = i n[ 1] ; c = i n[ 2] ; / / Ti nh gi a t r i Pr i mi t i ve Phase t o Pol e Vol t age Vxp i f ( a > b) { i f ( a > c) { Max = a; i f ( b > c) { Mi n = c; } el se { Mi n = b; } } el se { Max = c; Mi n = b; } } el se { i f ( b > c) { Max = b; i f ( a > c) { Mi n = c; } el se { Mi n = a; } } el se { Max = c; Mi n = a; } }
SVTH: Tr ần Quốc Hoàn
66/102
Luận Văn Tốt Nghiệ p
GVHD: Ts Nguyễn Văn Nhờ
vomax = 4- Max; vomi n = - Mi n; / / Mi ni mum common mode i f ( vomax < 2) {vop = vomax; } i f ( ( vomax >= 2) &&( vomi n <= 2) ) i f ( vomi n > 2) {vop = vomi n; } vap = a + vop; vbp = b + vop; vcp = c + vop; / / Ti nh cac gi a t r i vHx, vxL i f ( vap == 4) { Ha = 4; La = 3; } el se { La = i nt ( vap) ; Ha = La + 1; } vHa = Ha - vap; vaL = vap - La; i f ( vbp == 4) { Hb = 4; Lb = 3; } el se { Lb = i nt ( vbp) ; Hb = Lb + 1; } vHb = Hb - vbp; vbL = vbp - Lb; i f ( vcp == 4) { Hc = 4; Lc = 3; } el se { Lc = i nt ( vcp) ; Hc = Lc + 1; } vHc = Hc - vcp; vcL = vcp - Lc; / / Ti nh gi a t r i dmi nH i f ( vHa < vHb) { i f ( vHa < vHc) { dmi nH = vHa; } el se { dmi nH = vHc; } } el se
SVTH: Tr ần Quốc Hoàn
{vop = 2; }
67/102
Luận Văn Tốt Nghiệ p
GVHD: Ts Nguyễn Văn Nhờ
{ i f ( vHb < vHc) { dmi nH = vHb; } el se { dmi nH = vHc; } } / / Ti nh gi a t r i dmi nL i f ( vaL < vbL) { i f ( vaL < vcL) { dmi nL = } el se { dmi nL } el se { i f ( vbL < vcL) { dmi nL = } el se { dmi nL } / / Ti nh gi a t r i Addi t i onal common i f ( dmi nH < dmi nL) { voadd i f ( dmi nL < dmi nH) { voadd i f ( dmi nH == dmi nL) { i f ( vop < 2) el se { voadd } vaDPWM = vap + voadd; vbDPWM = vbp + voadd; vcDPWM = vcp + voadd; / / Gan gi a t r i cho cac ngo r a out [ 0] = vap; out [ 1] = vaDPWM; out [ 2] = vbp; out [ 3] = vbDPWM; out [ 4] = vcp; out [ 5] = vcDPWM; out [ 6] = vop; out [ 7] = vomax; out [ 8] = vomi n; out [ 9] = voadd; }
vaL; = vcL; }
vbL; = vcL; } mode va Modul at i ng si gnal s = dmi nH; } = - dmi nL; } { voadd = dmi nH; } = - dmi nL; }
}
SVTH: Tr ần Quốc Hoàn
68/102
Luận Văn Tốt Nghiệ p
3.3.2
GVHD: Ts Nguyễn Văn Nhờ
K ết quả mô phỏng
Hình 5.31: Các thành phần điện áp trên pha A.
Hình 5.32: Điện áp pha – tâm nguồn trên pha A.
Hình 5.33: Điện áp pha – tâm nguồn trên pha B. SVTH: Tr ần Quốc Hoàn
69/102
Luận Văn Tốt Nghiệ p
GVHD: Ts Nguyễn Văn Nhờ
Hình 5.34: Điện áp pha – tâm nguồn trên pha C.
Hình 5.35: Điện áp tải trên pha A.
Hình 5.36: Điện áp tải trên pha B.
SVTH: Tr ần Quốc Hoàn
70/102
Luận Văn Tốt Nghiệ p
GVHD: Ts Nguyễn Văn Nhờ
Hình 5.37: Điện áp tải trên pha C.
Hình 5.38: Phân tích Fourier cho điện áp tải trên pha A.
Hình 5.39: Dòng điện tải trên pha A. SVTH: Tr ần Quốc Hoàn
71/102
Luận Văn Tốt Nghiệ p
GVHD: Ts Nguyễn Văn Nhờ
Hình 5.40: Dòng điện tải trên 3 pha A, B, C.
3.4 Chế độ Medium common mode – DPWM Chế độ PWM gián đoạn và medium common mode: v0p = (v0max + v0min) / 2 ⎧d v0add = ⎨ min H ⎩− d min L
3.4.1
khi khi
< d min L d min H > d min L
d min H
Chươ ng trình cho khối DLL
Tươ ng tự như chươ ng trình trong phần trên, nhưng thay công thức tính vop và voadd cho phù hợ p vớ i chế độ mô phỏng.
3.4.2
K ết quả mô phỏng
Hình 5.41: Các thành phần điện áp trên pha A. SVTH: Tr ần Quốc Hoàn
72/102
Luận Văn Tốt Nghiệ p
GVHD: Ts Nguyễn Văn Nhờ
Hình 5.42: Điện áp pha – tâm nguồn trên pha A.
Hình 5.43: Điện áp tải trên pha A.
Hình 5.44: Phân tích Fourier cho điện áp tải trên pha A. SVTH: Tr ần Quốc Hoàn
73/102
Luận Văn Tốt Nghiệ p
GVHD: Ts Nguyễn Văn Nhờ
Hình 5.45: Dòng điện tải trên pha A.
Hình 5.46: Dòng điện tải trên 3 pha.
4. Nhận Xét Từ những k ết quả mô phỏng ở trên, ta có thể nhận xét sơ bộ như sau:
• Vớ i bộ nghịch lưu áp 5 bậc thì dạng áp pha tải r ất tốt, tốt hơ n bộ nghịch lưu áp 3 bậc nhiều, dạng sin chuẩn hơ n. • Mỗi ph ươ ng pháp có một dạng sóng offset khác nhau, vì thế t ươ ng ứng ta có những sóng điều chế khác nhau. Điều này cho thấy phươ ng pháp điều chế vector không gian dùng sóng mang r ất linh hoạt khi cần thay đổi giữa các chế độ. • Vớ i phươ ng pháp DPWM cho số lần chuyển mạch ít, ta có thể thấy rõ điều này qua đồ thị áp tải cũng như điện áp pha – tâm nguồn DC. SVTH: Tr ần Quốc Hoàn
74/102
Luận Văn Tốt Nghiệ p
GVHD: Ts Nguyễn Văn Nhờ
• Sóng hài bậc cao xuất hiện trong dạng điện áp tải giảm nhiều so vớ i phươ ng pháp điều chế độ r ộng xung sin. • Trong 4 chế độ mô phỏng trên thì chế độ Medium common mode – SVPWM cho k ết quả tốt nhất: dạng sóng hài bậc cao của điện áp tải xuất hi ện ít, hệ s ố méo dạng c ủa dòng điện t ải c ũng nhỏ h ơ n so vớ i 3 chế độ còn lại.
SVTH: Tr ần Quốc Hoàn
75/102
Luận Văn Tốt Nghiệ p
GVHD: Ts Nguyễn Văn Nhờ
Chươ ng 6 ĐIỀU KHIỂN BỘ NGHỊCH LƯ U ĐA BẬC DẠNG CASCADE VỚ I NGUỒN DC KHÔNG CÂN BẰNG K ỹ thuật Carrier based PWM và Space Vector PWM trên đây đượ c phát triển trên cơ sở các nguồn DC ổn định và cân bằng, khi đó giản đồ vector là hệ t ĩ nh bất biến. Tuy nhiên trong thực t ế, các nguồn DC thườ ng không cân bằng và điện áp của chúng không ổn định. Lấy ví dụ trong bộ nghịch lưu đa bậc cấu hình NPC, điện áp trên các tụ
điện luôn dao động theo thờ i gian và khi đó giản đồ vector là một h ệ động, biến thiên theo thờ i gian. Còn trong tr ườ ng h ợ p c ủa b ộ ngh ịch l ưu d ạng cascade, thì khi điện áp nguồn cho các bộ nghịch l ưu cầu một pha đượ c lấy t ừ hệ thống điện thông qua các bộ chỉnh l ưu, thì các điện áp này cũng dao động tùy theo hệ thống cung cấ p. Do đó, v ớ i k ỹ thu ật điều khiển giống như trong tr ườ ng hợ p nguồn DC cân bằng và ổn định thì sẽ cho ra k ết quả dòng điện tải bị méo dạng và xuất hiện các thành phần sóng hài bậc thấ p, ảnh hưở ng đến phụ tải…
1. Mô phỏng cho trườ ng hợ p nguồn DC không cân bằng 1.1 Thự c hiện mô phỏng Để thấy rõ đượ c ảnh hưở ng của nguồn DC không cân bằng lên dạng dòng điện tải, ta sẽ thực hiện mô phỏng cho bộ nghịch lưu dạng cascade 5 bậc. Phươ ng pháp đượ c sử dụng là Medium common mode – DPWM như trong tr ườ ng hợ p nguồn DC cân bằng. Thông số mô phỏng:
• Các nguồn DC có giá tr ị lần lượ t là Va1 = 250V, Va2 = 150V, Vb1 = 280V, Vb2 = 120V, Vc1 = 160V, Vc2 = 240V. • Sóng điều khiển có tần số 50Hz, sóng mang dạng PD tần số 2000 Hz; • Chỉ số điều chế m = 0.8; • Tải RL đấu dạng sao (Y) có R = 5 Ω , L = 0.02H.
SVTH: Tr ần Quốc Hoàn
76/102
Luận Văn Tốt Nghiệ p
GVHD: Ts Nguyễn Văn Nhờ
1.2 K ết quả mô phỏng
Hình 6.1: Các nguồn DC không cân bằng.
Hình 6.2: Dạng dòng điện tải trên 3 pha.
SVTH: Tr ần Quốc Hoàn
77/102
Luận Văn Tốt Nghiệ p
GVHD: Ts Nguyễn Văn Nhờ
Hình 6.3: Dạng điện áp pha – tâm nguồn DC trên pha A.
Hình 6.4: Dạng điện áp pha – tâm nguồn DC trên pha B.
Hình 6.5: Dạng điện áp pha – tâm nguồn DC trên pha C. SVTH: Tr ần Quốc Hoàn
78/102
Luận Văn Tốt Nghiệ p
GVHD: Ts Nguyễn Văn Nhờ
Hình 6.6: Dạng điện áp tải trên pha A.
Hình 6.7: Dạng điện áp tải trên pha B.
Hình 6.8: Dạng điện áp tải trên pha C.
SVTH: Tr ần Quốc Hoàn
79/102
Luận Văn Tốt Nghiệ p
GVHD: Ts Nguyễn Văn Nhờ
Hình 6.9: Phân tích Fourier cho điện áp tải pha A.
Nhận xét:
Khi nguồn DC không cân bằng đáp ứng dòng điện tải b ị méo dạng r ất nhiều, còn trên dạng của điện áp tải tồn tại nhiều sóng hài bậc cao. Từ vấn đề trên đòi hỏi phải có phươ ng pháp thích hợ p để điều khiển b ộ ngh ịch l ưu trong điều ki ện nguồn DC không cân bằng – điều này gặ p r ất nhiều trong thực tế vì không thể điều khiển nguồn DC cân bằng tuyệt đối.
2. Phươ ng pháp điều khiển bộ nghịch lư u áp đa bậc vớ i nguồn DC không cân bằng 2.1 Nguyên lý điều chế Phươ ng pháp này đượ c phân tích dựa trên bộ nghịch lưu áp đa bậc dạng diode k ẹ p NPC, và các thành phần điện áp cũng đượ c phân tích như trong tr ườ ng hợ p nguồn DC cân bằng (như đã trình bày trong chươ ng 5).
Reference phase to pole voltages: Vxref = Vx12 + V0ref ; x = a,b,c
(6.1)
Active voltages: Va12 = Vm.cos θ V b12 = Vm.cos( θ − 2π / 3 )
(6.2)
Vc12 = Vm.cos( θ − 4π / 3 )
Giớ i hạn của điện áp điều chế: 0 ≤ Vxref ≤ V s
SVTH: Tr ần Quốc Hoàn
(6.3) 80/102
Luận Văn Tốt Nghiệ p
GVHD: Ts Nguyễn Văn Nhờ
Vớ i Vs là tổng điện áp của các nguồn DC: Vs = Vd1 + Vd2 + ... + V d(n-1) = V(n-1)
(6.4)
Định ngh ĩ a hai giá tr ị cực tr ị của thành phần điện áp thứ tự thuận - nghịch: Vmax = Max(Va12, V b12, Vc12) Vmin = Min(Va12, V b12, Vc12)
(6.5)
Hai giá tr ị cực tr ị của thành phần common mode: Vomin = -Vmin Vomax = Vs – Vmax
(6.6)
Vomin ≤ Voref ≤ Vomax
Định ngh ĩ a hai bậc điện áp H(x), L(x) gần nhất vớ i Vxref và điện áp tươ ng ứng của chúng VH(x), VL(x) :
0 ≤ V L ( x ) ≤ V xref ≤ V H ( x ) ≤ V n−1
(6.7)
Vdx = VH(x) – VL(x)
(6.8)
Mối quan hệ giữa VH(x), VL(x) : ⎧⎪V L( x ) ≤ V xref < V H ( x ) ⎨ ⎪⎩V H ( x ) = V n−1
H(x) = L(x) + 1 ;
khi
V xref
khi
V xref
< V n−1 = V n−1
x = a,b,c
(6.9) (6.10)
Định ngh ĩ a hai giá tr ị EHx và ExL = Exref như là độ chênh lệch điện áp giữa Vxref và VH(x), VL(x) như sau: ⎧⎪ E Hx = V H ( x ) − V xref ; x = a, b, c ⎨ ⎪⎩ E xref = E xL = V xref − V L( x )
(6.11)
Hình 6.10: Điện áp điều chế và quan hệ giữa các bậc điện áp.
Định ngh ĩ a hai giá tr ị nhỏ nhất tươ ng ứng của EHx và ExL:
SVTH: Tr ần Quốc Hoàn
81/102
Luận Văn Tốt Nghiệ p
GVHD: Ts Nguyễn Văn Nhờ
⎧ E min L = Min( E aref , E bref , E cref ) ⎨ = ( , , ) E Min E E E ⎩ min H Ha Hb Hc
Định ngh ĩ a thông số ξ xref
=
(6.12)
ξ xref như là tín hi ệu điều chế nhỏ:
E xref V dx
; 0 ≤ ξ xref ≤ 1
(6.13)
Do đó, điện áp điều chế có thể biểu diễn như sau: V xref
= V L ( x ) + ξ xref .V dx
(6.14)
Hình 6.11: Nguyên lý điều chế của phươ ng ng pháp a)Quan hệ giữa các điện áp điều chế b)Tín hiệu điều chế trong đồ thị đa sóng mang c)Tín hiệu điều chế nhỏ trong đồ thị một sóng mang. Quan hệ giữa các tín hiệu điều ch ế vớ i dạng sóng mang tươ ng ng ứng và mẫu điện áp DC trong bộ nghịch lưu 5 bậc dạng NPC đượ c biểu diễn trong đồ thị sau:
SVTH: Tr ần Quốc Hoàn
82/102
Luận Văn Tốt Nghiệ p
GVHD: Ts Nguyễn Văn Nhờ
Hình 6.12: Mối quan hệ giữa các tín hiệu điều chế trong đồ thị sóng mang. Nguyên lý hiệu chỉnh trong tr ườ ng hợ p nguồn DC không cân bằng đượ c biểu diễn ườ ng như sau:
Hình 6.13: Sơ đồ ng hợ p nguồn DC không cân bằng. ơ đồ giải thuật trong tr ườ ườ ng
ườ ng Tóm lại, phươ ng ng pháp điều chế vector không gian dùng sóng mang đối vớ i tr ườ ng hợ p nguồn DC không cân bằng có thể đượ c biểu diễn tổng quát như sau:
SVTH: Tr ần Quốc Hoàn
83/102
Luận Văn Tốt Nghiệ p
GVHD: Ts Nguyễn Văn Nhờ
Hình 6.14: Sơ đồ ng pháp điều chế vector không gian dùng sóng ơ đồ giải thuật của phươ ng mang trong tr ườ ng hợ p nguồn DC không cân bằng. ườ ng
2.2 Ứ ng ng dụ dụng cho bộ bộ nghị nghịch lư lư u đa bậ bậc dạ dạng cascade Ta xét tr ườ ng hợ p bộ nghịch lưu dạng cascade 5 bậc vớ i nguồn DC không cân ườ ng bằng như sau:
Hình 6.15: Bộ nghịch lưu cascade 5 bậc vớ i nguồn DC không cân b ằng.
SVTH: Tr ần Quốc Hoàn
84/102
Luận Văn Tốt Nghiệ p
GVHD: Ts Nguyễn Văn Nhờ
Để đơ n gi ản ta thực hi ện các phép phân tích trên m ột pha (ví dụ pha A), các pha còn lại tươ ng tự. Như đã biết mỗi bộ nghịch lưu cầu 1 pha có thể tạo ra 3 mức điện áp
ở ngõ ra: bộ nghịch lưu H1 có thể tạo đượ c (-Va1, 0, +Va1) và bộ nghịch lưu H2 cũng có thể t ạo đượ c (-Va2, 0, +Va2). Do đó khi 2 bộ ngh ịch l ưu c ầu 1 pha vớ i nguồn DC khác nhau ghép nối ti ế p thì có th ể t ạo ra tối đa 9 bậc điện áp, ví dụ khi Va1 > Va2 ta có:
Hình 6.16: Các mức điện áp có thể đạt đượ c của bộ nghịch lưu cascade 5 bậc. Tùy theo từng cách bố trí sóng mang cụ th ể mà mỗi b ộ nghịch lưu cascade 5 bậc cũng chỉ có thể tạo ra đượ c điện áp dạng 5 bậc ở ngõ ra. Ví dụ một số cách bố trí sóng mang và điện áp tạo đượ c tươ ng ứng như sau:
SVTH: Tr ần Quốc Hoàn
85/102
Luận Văn Tốt Nghiệ p
GVHD: Ts Nguyễn Văn Nhờ
a)
b) Hình 6.17: Một số tr ườ ng hợ p bố trí sóng mang và mức điện áp DC tạo đượ c. Trong luận v ăn này chọn cách bố trí sóng mang như H6.17a, vì theo cách bố trí sóng mang này sẽ đạt đượ c sự cân bằng công suất giữa 2 b ộ nghịch lưu c ầu m ột pha (đã trình bày trong chươ ng 3 phần 2.2.2). Tươ ng tự như tr ườ ng hợ p nguồn DC cân bằng, vớ i cách phân bố của các nguồn DC như H6.17a thì sẽ gặ p khó kh ăn trong việc xác định các bậc điện áp H(x), L(x) và SVTH: Tr ần Quốc Hoàn
86/102
Luận Văn Tốt Nghiệ p
GVHD: Ts Nguyễn Văn Nhờ
các mức điện áp VH(x), VL(x) khi thực hiện phươ ng pháp điều chế vector không gian dùng sóng mang trong vùng điều chế có Vref < 0. Do đó, ta thực hiện phép biến đổi tươ ng đươ ng sau:
Hình 6.18: Biến đổi tươ ng đươ ng các mức điện áp. Khi đó trong mạch nghịch lưu ta xem như tồn tại 1 điểm trung tính O’ có điện thế bằng 0 (zero), quan hệ vớ i trung tính O như sau: VOO’ = Va1 + Va2
(6.15)
Và điện áp điều chế cũng thay đổi tươ ng ứng: Vxref,O’ = Vxref,O + VOO’ = Vxref,O + (Va1 + Va2)
(6.16)
Cấu trúc mạch nghịch lưu sau khi thực hiện phép biến đổi này có thể minh họa như sau:
SVTH: Tr ần Quốc Hoàn
87/102
Luận Văn Tốt Nghiệ p
GVHD: Ts Nguyễn Văn Nhờ
Hình 6.19: Minh họa mạch nghịch lưu sau khi biến đổi.
Để thuận tiện cho quá trình tính toán trong mô ph ỏng, các mức điện áp DC sẽ đượ c chuyển thành các mức tín hiệu điện áp DC theo phép tham chiếu: vx1 = Vx1 / Vdx ; vx2 = Vx2 / Vdx ;
(6.17)
Vớ i Vdx = (Vx1 + Vx2) / 2 ; x = A,B,C. Tóm lại, để ứng d ụng phươ ng pháp điều ch ế vector không gian dùng sóng mang vào bộ nghịch lưu dạng cascade ta phải thực hiện các bướ c biến đổi sau:
Hình 6.20: Biểu diễn các phép biến đổi trong giải thuật của bộ nghịch lưu cacscade. SVTH: Tr ần Quốc Hoàn
88/102
Luận Văn Tốt Nghiệ p
GVHD: Ts Nguyễn Văn Nhờ
Từ đây ta thấy phân bố các mức điện áp DC của bộ nghịch lưu cascade hoàn toàn giống vớ i cách phân bố nguồn DC của bộ nghịch lưu dạng NPC. Do đó ta hoàn toàn có thể áp dụng giải thuật của phươ ng pháp điều chế vector không gian dùng sóng mang trong tr ườ ng h ợ p ngu ồn DC không cân bằng như đã trình bày trong phần trên cho bộ nghịch lưu đa bậc dạng cascade.
3. Mô phỏng điều khiển bộ nghịch lư u cascade vớ i nguồn DC không cân bằng 3.1 Chươ ng trình trong khối DLL Ta xây dựng khối DLL phục vụ cho mô phỏng bộ nghịch lưu cascade đối vớ i nguồn không cân bằng như sau:
• Ngõ vào lần lượ t là Va1, Va2, Vb1, Vb2, Vc1, Vc2, va12, vb12, vc12 tươ ng ứng vớ i in[0], in[1], in[2], in[3], in[4], in[5], in[6], in[7], in[8]. • Ngõ ra lần lượ t là vap, varef, vbp, vbref, vcp, vcref, vomax, vomin, vop, voadd tươ ng ứng vớ i out[0], out[1], out[2], out[3], out[4], out[5], out[6], out[7], out[8], out[9]. Chươ ng trình trong khối DLL: / / KCB_ MedCM_ DPWM. h #pr agma once usi ng namespace Syst em; names pac e KCB_MedCM_ DPWM { #i ncl ude _ _decl spec( dl l expor t ) voi d mat h ( doubl e t , doubl e del t , doubl e * i n, doubl e *out ) { doubl e Va1, Va2, Vb1, Vb2, Vc1, Vc2; doubl e a, b, c, Max, Mi n, e; doubl e vomax, vomi n, vop, vap, vbp, vcp; doubl e Eha, Ehb, Ehc, Ear ef , Ebr ef , Ecr ef ; doubl e Vda, va1, va2; doubl e Vdb, vb1, vb2; doubl e Vdc, vc1, vc2; doubl e Emi nH, Emi nL, voadd; doubl e vaf , vbf , vc f , var ef , vbr ef , vc r ef ; e = 0. 1; / / Bi en e khong có gi a tr i t r ong t huat t oan va Va1 = i n[ 0] + e; / / khong anh huong den ket qua, no chi l a Va2 = i n[ 1] + e; / / mot sai so de mo phong duoc t r ong Psi m Vb1 = i n[ 2] + e; / / t a co t he chon gi a t r i bat ki Vb2 = i n[ 3] + e; Vc1 = i n[ 4] + e; Vc2 = i n[ 5] + e;
SVTH: Tr ần Quốc Hoàn
89/102
Luận Văn Tốt Nghiệ p
//
//
//
//
//
//
//
GVHD: Ts Nguyễn Văn Nhờ
a = i n[ 6] ; b = i n[ 7] ; c = i n[ 8] ; Ti nh gi a t r i Pr i mi t i ve Phase t o Pol e Vol t age Vxp i f ( a>b) { i f ( a>c) { Max = a; i f ( b>c) { Mi n = c; } el se { Mi n = b; } } el se { Max = c; Mi n = b; } } el se { i f ( b>c) { Max = b; i f ( a>c) { Mi n = c; } el se { Mi n = a; } } el se { Max = c; Mi n = a; } } vomax = 4- Max; vomi n = - Mi n; Ti nh Medi um Common Mode vop = ( vomax + vomi n) / 2; vap = a + vop; vbp = b + vop; vcp = c + vop; Ti nh cac muc di en ap t r ung bi nh Vda = ( Va1 + Va2) / 2; va1 = Va1/ Vda; va2 = Va2/ Vda; Vdb = ( Vb1 + Vb2) / 2; vb1 = Vb1/ Vdb; vb2 = Vb2/ Vdb; Vdc = ( Vc1 + Vc2) / 2; vc1 = Vc1/ Vdc; vc2 = Vc2/ Vdc; Ti nh Eha, Ear ef i f ( vap<=va2) {Eha = va2- vap; Ear ef = vap; } el se i f ( vap<=2) {Eha = 2- vap; Ear ef = vap- va2; } el se i f ( vap<=( 2+va1) ) {Eha = 2+va1- vap; Ear ef = vap- 2; } el se {Eha = 4- vap; Ear ef = vap- ( 2+va1) ; } Ti nh Ehb, Ebr ef i f ( vbp<=vb2) {Ehb = vb2- vbp; Ebr ef = vbp; } el se i f ( vbp<=2) {Ehb = 2- vbp; Ebr ef = vbp- vb2; } el se i f ( vbp<=( 2+vb1) ) {Ehb = 2+vb1- vbp; Ebr ef = vbp- 2; } el se {Ehb = 4- vbp; Ebr ef = vbp- ( 2+vb1) ; } Ti nh Ehc, Ecref i f ( vcp<=vc2) {Ehc = vc2- vcp; Ecr ef = vcp; } el se i f ( vcp<=2) {Ehc = 2- vcp; Ecr ef = vcp- vc2; } el se i f ( vcp<=( 2+vc1) ) {Ehc = 2+vc1- vcp; Ecr ef = vcp- 2; } el se {Ehc = 4- vcp; Ecr ef = vcp- ( 2+vc1) ; } Ti nh Emi nH, Emi nL i f ( ( Eha<=Ehb) &&( Eha<=Ehc) ) {Emi nH = Eha; } i f ( ( Ehb<=Eha) &&( Ehb<=Ehc) ) {Emi nH = Ehb; } i f ( ( Ehc<=Eha) &&( Ehc<=Ehb) ) {Emi nH = Ehc; }
SVTH: Tr ần Quốc Hoàn
90/102
Luận Văn Tốt Nghiệ p
GVHD: Ts Nguyễn Văn Nhờ
i f ( ( Ear ef <=Ebr ef ) &&( Ear ef <=Ecr ef ) ) {Emi nL = Earef ; } i f ( ( Ebr ef <=Earef ) &&( Ebr ef <=Ecr ef ) ) {Emi nL = Ebr ef ; } i f ( ( Ecr ef <=Earef ) &&( Ecr ef <=Ebr ef ) ) {Emi nL = Ecr ef ; } / / Ti nh gi a t r i Addi t i onal common mode i f ( Emi nH < Emi nL) {voadd = Emi nH; } i f ( Emi nH > Emi nL) {voadd = - Emi nL; } i f ( Emi nH == Emi nL) { i f ( vop < 2) {voadd = Emi nH; } el se {voadd = - Emi nL; } } / / Ti nh vaf , vbf , vc f vaf = vap + voadd; vbf = vbp + voadd; vcf = vcp + voadd; / / Compar at or and Sel ect or / / Ti nh var ef i f ( vaf <=va2) {var ef = 0 + vaf / va2; } el se i f ( vaf <=2) {var ef = 1 + ( vaf - va2) / ( 2- va2) ; } el se i f ( vaf <=( 2+va1) ) {var ef = 2 + ( vaf - 2) / va1; } el se {var ef = 3 + ( vaf - 2- va1) / ( 2- va1) ; } / / Ti nh vbr ef i f ( vbf <=vb2) {vbr ef = 0 + vbf / vb2; } el se i f ( vbf <=2) {vbr ef = 1 + ( vbf - vb2) / ( 2- vb2) ; } el se i f ( vbf <=( 2+vb1) ) {vbr ef = 2 + ( vbf - 2) / vb1; } el se {vbr ef = 3 + ( vbf - 2- vb1) / ( 2- vb1) ; } / / Ti nh vcr ef i f ( vcf <=vc2) {vcr ef = 0 + vcf / vc2; } el se i f ( vcf <=2) {vcr ef = 1 + ( vcf - vc2) / ( 2- vc2) ; } el se i f ( vcf <=( 2+vc1) ) {vcr ef = 2 + ( vcf - 2) / vc1; } el se {vcr ef = 3 + ( vcf - 2- vc1) / ( 2- vc1) ; } / / Gan gi a t r i cho cac ngo r a out [ 0] = vap; out [ 1] = var ef ; out [ 2] = vbp; out [ 3] = vbr ef ; out [ 4] = vcp; out [ 5] = vcr ef ; out [ 6] = vomax; out [ 7] = vomi n; out [ 8] = vop; out [ 9] = voadd; } }
3.2 Mô phỏng trong trườ ng hợ p nguồn không cân bằng là nguồn DC 3.2.1
Thông số mô phỏng
Chế độ mô phỏng là Medium common mode – DPWM. Thông số mô phỏng:
• Các nguồn DC có giá tr ị lần lượ t là Va1 = 250V, Va2 = 150V, Vb1 = 280V, Vb2 = 120V, Vc1 = 160V, Vc2 = 240V. • Sóng điều khiển có tần số 50Hz, sóng mang dạng PD tần số 2000 Hz; • Chỉ số điều chế m = 0.8; SVTH: Tr ần Quốc Hoàn
91/102
Luận Văn Tốt Nghiệ p
3.2.2
GVHD: Ts Nguyễn Văn Nhờ
• Tải RL đấu dạng sao (Y) có R = 5 Ω , L = 0.02H. K ết quả mô phỏng
Hình 6.21: Các nguồn điện áp DC không cân bằng.
Hình 6.22: Các thành phần tín hiệu điện áp điều chế.
Hình 6.23: Điện áp pha – tâm nguồn pha A. SVTH: Tr ần Quốc Hoàn
92/102
Luận Văn Tốt Nghiệ p
GVHD: Ts Nguyễn Văn Nhờ
Hình 6.24: Điện áp pha – tâm nguồn pha B.
Hình 6.25: Điện áp pha – tâm nguồn pha C.
Hình 6.26: Điện áp tải pha A. SVTH: Tr ần Quốc Hoàn
93/102
Luận Văn Tốt Nghiệ p
GVHD: Ts Nguyễn Văn Nhờ
Hình 6.27: Điện áp tải pha B.
Hình 6.28: Điện áp tải pha C.
Hình 6.29: Phân tích Fourier cho điện áp tải pha A. SVTH: Tr ần Quốc Hoàn
94/102
Luận Văn Tốt Nghiệ p
GVHD: Ts Nguyễn Văn Nhờ
Hình 6.30: Dòng điện tải pha A.
Hình 6.31: Dòng điện tải trên 3 pha.
3.3 Mô phỏng trong trườ ng hợ p nguồn không cân bằng đượ c lấy từ bộ chỉnh lư u cầu 3 pha diode 3.3.1
Các thông số mô phỏng
Chế độ mô phỏng là Medium common mode – DPWM. Thông số mô phỏng:
• Các nguồn DC đượ c l ấy thông qua bộ chỉnh lưu cầu diode 3 pha, các t ụ điện C = 1F, vớ i các điện áp nhậ p vào nguồn sin 3 pha lần lượ t là Vsina1[line–line–rms] = 155V, Vsina2 = 145V, Vsinb1 = 160V, Vsinb2 = 140V, Vsinc1 = 135V, Vsinc2 = 165V. • Sóng điều khiển có tần số 50Hz, sóng mang dạng PD tần số 2000 Hz; • Chỉ số điều chế m = 0.8; SVTH: Tr ần Quốc Hoàn
95/102
Luận Văn Tốt Nghiệ p
3.3.2
GVHD: Ts Nguyễn Văn Nhờ
• Tải RL đấu dạng sao (Y) có R = 5 Ω , L = 0.02H. K ết quả mô phỏng
Hình 6.32: Các nguồn DC không cân bằng.
Hình 6.33: Các thành phần tín hiệu điện áp điều chế trên pha A.
SVTH: Tr ần Quốc Hoàn
96/102
Luận Văn Tốt Nghiệ p
GVHD: Ts Nguyễn Văn Nhờ
Hình 6.34: Điện áp pha – tâm nguồn trên pha A.
Hình 6.35: Điện áp pha – tâm nguồn trên pha B.
Hình 6.36: Điện áp pha – tâm nguồn trên pha C. SVTH: Tr ần Quốc Hoàn
97/102
Luận Văn Tốt Nghiệ p
GVHD: Ts Nguyễn Văn Nhờ
Hình 6.37: Điện áp tải trên pha A.
Hình 6.38: Điện áp tải trên pha B.
Hình 6.39: Điện áp tải trên pha C. SVTH: Tr ần Quốc Hoàn
98/102
Luận Văn Tốt Nghiệ p
GVHD: Ts Nguyễn Văn Nhờ
Hình 6.40: Phân tích Fourier cho điện áp tải pha A.
Hình 6.41: Dòng điện tải trên pha A.
Hình 6.42: Dòng điện tải trên 3 pha. SVTH: Tr ần Quốc Hoàn
99/102
Luận Văn Tốt Nghiệ p
GVHD: Ts Nguyễn Văn Nhờ
4. Nhận xét Dạng điện áp tải trong tr ườ ng hợ p nguồn không cân bằng rõ ràng là có chất lượ ng kém hơ n so vớ i tr ườ ng hợ p nguồn DC cân bằng mặc dù đã đượ c hiệu chỉnh. Qua phân tích Fourier ta thấy thành phần sóng hài bậc bậc cao vẫn còn tồn tại trong dạng sóng của điện áp tải. Dòng điện tải trên 3 pha trong tr ạng thái xác lậ p có thể xem là cân bằng. Việc điều khiển bộ nghịch lưu áp trong tr ườ ng hợ p nguồn không cân bằng có thể k ết hợ p vớ i các chế độ common mode khác nhau giống như trong tr ườ ng hợ p nguồn cân bằng.
SVTH: Tr ần Quốc Hoàn
100/102
Luận Văn Tốt Nghiệ p
GVHD: Ts Nguyễn Văn Nhờ
K ết luận Luận văn đã cơ bản thực hiện đượ c việc nghiên cứu k ỹ thuật PWM cho bộ nghịch lưu đa b ậc ghép tầng. Đối v ớ i t ừng phươ ng pháp điều ch ế đã trình bày đượ c lý thuyết cơ b ản, thực hi ện mô phỏng trong Psim, phân tích và đánh giá k ết quả đạt đượ c. Đặc biệt đối v ớ i phươ ng pháp điều ch ế vector không gian dùng sóng mang đã đưa ra đượ c giải thuật t ươ ng ứng cho bộ ngh ịch l ưu cascade để có thể th ực hi ện mô phỏng. Trong tr ườ ng hợ p điều khiển vớ i nguồn không cân bằng đã hiệu chỉnh đượ c đáp ứng dòng
điện và điện áp về dạng cân bằng. Tuy nhiên, do quỹ thờ i gian hạn chế nên luận văn chưa thực hiện mô phỏng đượ c cho bộ ngh ịch l ưu cascade dạng 7 bậc (hoặc cao hơ n n ữa), chưa mô phỏng đượ c vi ệc
điều khiển vớ i tải có tính thực tế như động cơ không đồng bộ... Hướ ng phát triển của đề tài có thể là nghiên cứu mở r ộng phạm vi điều khiển tuyến tính điện áp ngõ ra, thực hi ện mô phỏng cho bộ ngh ịch l ưu vớ i s ố b ậc cao hơ n, hay điều khiển vòng kín trong tr ườ ng h ợ p tải là động c ơ có hồi tiế p để đạt đượ c chất lượ ng điện áp và dòng điện cao hơ n.
SVTH: Tr ần Quốc Hoàn
101/102