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