Giáo trình Điện tử công suất 1 - Chương 5: Bộ nghịch lưu và bộ biến tần (Phần 2)

Nội dung text: Giáo trình Điện tử công suất 1 - Chương 5: Bộ nghịch lưu và bộ biến tần (Phần 2)

1. Ñieän töû coâng suaát 1 5.3 CAÙC PHÖÔNG PHAÙP ÑIEÀU KHIEÅN BOÄ NGHÒCH LÖU AÙP Caùc boä nghòch löu aùp thöôøng ñieàu khieån döïa theo kyõ thuaät ñieàu cheá ñoä roäng xung - PWM (Pulse Width Modulation) vaø qui taéc kích ñoùng ñoái nghòch. Qui taéc kích ñoùng ñoái nghòch ñaûm baûo daïng aùp taûi ñöôïc ñieàu khieån tuaân theo giaûn ñoà kích ñoùng coâng taéc vaø kyõ thuaät ñieàu cheá ñoä roäng xung coù taùc duïng haïn cheá toái ña caùc aûnh höôûng baát lôïi cuûa soùng haøi baäc cao xuaát hieän ôû phía taûi. Phuï thuoäc vaøo phöông phaùp thieát laäp giaûn ñoà kích ñoùng caùc coâng taéc trong boä nghòch löu aùp, ta coù theå phaân bieät caùc daïng ñieàu cheá ñoä roäng xung khaùc nhau. Moät soá chæ tieâu ñaùnh giaù kyõ thuaät PWM cuûa boä nghòch löu. Chæ soá ñieàu cheá (Modulation index) m: ñöôc ñònh nghóa nhö tæ soá giöõa bieân ñoä thaønh phaàn haøi cô baûn taïo neân bôûi phöông phaùp ñieàu khieån vaø bieân ñoä thaønh phaàn haøi cô baûn ñaït ñöôïc trong phöông phaùp ñieàu khieån 6 böôùc. u u m = (1)m = (1)m (5.31) u 2 (1)m−six _ step V π d Trò hieäu duïng caùc thaønh phaàn phaàn soùng haøi baäc cao doøng ñieän: T 1 2 I = i(t ) − i (t ) .dt (5.32) hRMS ∫ [1 ] T 0 Ñaïi löôïng IhRMS phuï thuoäc khoâng nhöõng vaøo phöông phaùp PWM maø coøn vaøo thoâng soá taûi. Ñeå coù theå ñaùnh giaù chaát löôïng PWM khoâng phuï thuoäc vaøo taûi, ta coù theå söû duïng ñaïi löôïng ñoä meùo daïng doøng ñieän nhö sau: ∞ IhRMS 1 2 = ∑In (5.33) I1 I1 n=2 Giaû söû taûi xoay chieàu goàm söùc ñieän ñoäng caûm öùng vaø caûm khaùng taûn maéc noái tieáp, ñoä meùo daïng doøng ñieän coù theå vieát laïi döôùi daïng: 2 2 I 1 ∞ ω .L ∞ ⎛ U ⎞ 1 ∞ ⎛U ⎞ hRMS 2 1 σ ⎜ n ⎟ n = ∑In = ∑ ⎜ ⎟ = ∑ ⎜ ⎟ (5.34) I1 I1 n=2 U1 n=2 ⎝ n.ω1 .Lσ ⎠ U1 n=2 ⎝ n ⎠ Keát quaû ñaït ñöôïc khoâng phuï thuoäc vaøo tham soá cuûa taûi. Khi söû duïng phöông phaùp ñieàu khieån 6 böôùc, ñoä meùo daïng doøng ñieän coù theå xaùc ñònh baèng giaù trò sau: I _ hRMS sixstep = 0,0464 (5.35) I1 Ñeå so saùnh caùc phöông phaùp PWM, coù theå söû duïng ñoä meùo daïng chuaån hoùa theo phöông phaùp 6 böôùc, luùc ñoù heä soá meùo daïng doøng ñieän qui chuaån cho bôûi heä thöùc: I d = hRMS (5.36) IhRMS _ Sixstep Vôùi phöông phaùp ñieàu cheá 6 böôùc, heä soá meùo daïng doøng ñieän baèng 1. Neáu söû duïng phöông phaùp ñieàu cheá vector khoâng gian, heä soá meùo daïng coù theå tính theo tích phaân cuûa tích voâ höôùng vector sau ñaây: 5-11
2. Ñieän töû coâng suaát 1 1 T r r r r I = i (t ) − i (t ) .i (t ) − i (t ) * .dt (5.37) hRMS ∫ []1 [1 ] T 0 Töø ñoù, aùp duïng coâng thöùc tính heä soá meùo daïng d. Ñeå ñaùnh giaù aûnh höôûng töøng soùng haøi trong phöông phaùp PWM, ta coù theå söû duïng tham soá phoå töøng soùng haøi doøng ñieän. Neáu söû duïng phöông phaùp ñieàu cheá ñoàng boä vôùi taàn soá kích ñoùng linh kieän fs baèng soá nguyeân laàn (N) taàn soá soùng haøi cô baûn f1 (töùc fs=N.f1), heä soá soùng haøi baäc k qui chuaån, tính qui ñoåi theo phöông phaùp 6 böôùc vaø cho bôûi heä thöùc: IhRMS (k.f1 ) h(k.f1 ) = (5.38) IhRMS _ Sixstep Heä soá soùng haøi khoâng phuï thuoäc vaøo tham soá taûi. Heä soá meùo daïng bieåu dieãn qua caùc heä soá soùng haøi nhö sau: 2 d = ∑ h ( k.f1 ) (5.39) k ≠1 Neáu söû duïng kyõ thuaät PWM khoâng ñoàng boä, ta khoâng theå phaân tích Fourier phoå doøng ñieän theo caùc bieán taàn soá rôøi raïc khi maø soùng haøi doøng ñieän xuaát hieän theo bieán taàn soá lieân tuïc. Tröôøng hôïp naøy, ta coù theå söû duïng khaùi nieäm phoå maät ñoä doøng ñieän theo heä thöùc: ∞ d = h 2 (f ).df (5.40) ∫ d 0,f ≠f1 Taàn soá ñoùng ngaét vaø coâng suaát toån hao do ñoùng ngaét: Coâng suaát toån hao xuaát hieän treân linh kieän bao goàm hai thaønh phaàn: toån hao coâng suaát khi linh kieän ôû traïng thaùi daãn ñieän Pon vaø toån hao coâng suaát ñoäng Pdyn. Toån hao coâng suaát Pdyn taêng leân khi taàn soá ñoùng ngaét cuûa linh kieän taêng leân. Taàn soá ñoùng ngaét cuûa linh kieän khoâng theå taêng leân tuøy yù vì nhöõng lyù do sau: - coâng suaát toån hao linh kieän taêng leân tæ leä vôùi taàn soá ñoùng ngaét - linh kieän coâng suaát lôùn thöôøng gaây ra coâng suaát toån hao ñoùng ngaét lôùn hôn. Do ñoù, taàn soá kích ñoùng cuûa noù phaûi giaûm cho phuø hôïp, ví duï caùc linh kieän GTO coâng suaát MW chæ coù theå ñoùng ngaét ôû taàn soá khoaûng 100Hz. - Caùc qui ñònh veà töông thích ñieän töø (Electromagnet Compatibility-EMC) qui ñònh khaù nghieâm ngaët ñoái vôùi caùc boä bieán ñoåi coâng suaát ñoùng ngaét vôùi taàn soá cao hôn 9kHz. 5.3.1 PHÖÔNG PHAÙP ÑIEÀU KHIEÅN THEO BIEÂN ÑOÄ Phöông phaùp ñöôïc goïi taét laø phöông phaùp ñieàu bieân. Khaùc vôùi caùc phöông phaùp söû duïng kyõ thuaät ñieàu cheá ñoä roäng xung (PWM) chæ caàn nguoàn aùp dc khoâng ñoåi, phöông phaùp ñieàu bieân ñoøi hoûi ñieän aùp nguoàn dc ñieàu khieån ñöôïc. Ñoä lôùn ñieän aùp ra ñöôïc ñieàu khieån baèng caùch ñieàu khieån nguoàn ñieän aùp DC. Chaúng haïn söû duïng boä chænh löu coù ñieàu khieån hoaëc keát hôïp boä chænh löu khoâng ñieàu khieån vaø boä bieán ñoåi ñieän aùp DC. Boä nghòch löu aùp thöïc hieän chöùc naêng ñieàu khieån taàn soá ñieän aùp ra. Caùc coâng taéc trong caëp coâng taéc cuøng pha taûi ñöôïc kích ñoùng vôùi thôøi gian baèng nhau vaø baèng moät nöûa chu kyø aùp ra. Maïch ñieàu khieån kích ñoùng caùc coâng taéc trong boä nghòch löu aùp vì theá ñôn giaûn. Boä nghòch löu aùp ba pha ñieàu khieån theo bieân ñoä coøn ñöôïc goïi laø boä nghòch löu aùp 6 böôùc ( six-step voltage inverter). Taàn soá aùp cô baûn baèng taàn soá ñoùng ngaét linh kieän. Caùc 5-12
3. Ñieän töû coâng suaát 1 thaønh phaàn soùng haøi boäi ba vaø baäc chaün khoâng xuaát hieän treân aùp daây cung caáp cho taûi. Coøn laïi caùc soùng haøi baäc (6k ± 1), k=1,2,3 . caàn khöû boû baèng caùc bieän phaùp loïc soùng haøi. Taûi ñaáu daïng sao: Daïng ñieän aùp pha taûi- ví duï ut1 (xem ñoà thò ut1 hình H5.7b) coù theå bieåu dieãn duôùi daïng: 2 1 1 u (t) = U.(sinωt + sin5ωt + sin7ωt + ) (5.41) t1 π 5 7 Bieân ñoä thaønh phaàn soùng haøi baäc n cuûa ñieän aùp pha taûi coù theå xaùc ñònh theo heä thöùc: 2U ⎡ nπ 2nπ ⎤ U(n) = ⎢2 + cos( ) − cos( )⎥ ; n=1,5,7,11,13, (5.42) 3nπ ⎣ 3 3 ⎦ 2 Vôùi n=1, bieân ñoä thaønh phaàn haøi cô baûn: U = U (5.43) t1(1)m π Trò hieäu duïng ñieän aùp pha coù ñoä lôùn: 1 π 2π 2 ⎧ ⎡ 3 2 3 2 π 2 ⎤⎫ ⎪ 1 ⎢ ⎛U ⎞ ⎛ 2U ⎞ ⎛U ⎞ ⎥⎪ 2 U t = ⎨ ⎢ ⎜ ⎟ .dx + ⎜ ⎟ .dx + ⎜ ⎟ .dx⎥⎬ = U (5.44) π ∫ ⎝ 3 ⎠ ∫ ⎝ 3 ⎠ ∫ ⎝ 3 ⎠ 3 ⎪ ⎢ 0 π 2π ⎥⎪ ⎩ ⎣ 3 3 ⎦⎭ Taûi ñaáu daïng tam giaùc: Ñieän aùp taûi ut12 coù theå bieåu dieãn döôùi daïng: 2 3 ⎡ π 1 π 1 π ⎤ ut12(t) = U.⎢sin(ωt + ) + sin(5ωt − ) + sin(7ωt + ) + ⎥ (5.45) π ⎣ 6 5 6 7 6 ⎦ Bieân ñoä thaønh phaàn soùng haøi baäc n ñieän aùp pha taûi: 5-13
4. Ñieän töû coâng suaát 1 4U nπ U = cos( ) (5.46) (n)−L nπ 6 2 3 Vôùi n=1, bieân ñoä thaønh phaàn haøi cô baûn ñieän aùp taûi: U = U (5.47) t12(1)m π Trò hieäu duïng ñieän aùp pha coù ñoä lôùn: 1 2π 2 ⎡ 3 ⎤ ⎢ 1 ⎥ 2 U = U 2.dx = .U (5.48) 12t ⎢π ∫ ⎥ 3 ⎢ 0 ⎥ ⎣ ⎦ Soùng haøi baäc cao xuaát hieän trong daïng ñieän aùp taûi khaù cao, do ñoù haïn cheá phaïm vi söû duïng cuûa phöông phaùp ñieàu bieân, nhaát laø ôû taàn soá thaáp. Neáu söû duïng thyristor keát hôïp vôùi boä chuyeån maïch laøm chöùc naêng coâng taéc trong boä nghòch löu aùp, vaø neáu boä chuyeån maïch laøm vieäc phuï thuoäc vaøo ñoä lôùn nguoàn aùp moät chieàu, phöông phaùp ñieàu bieân roõ raøng khoâng phuø hôïp ñeå ñieàu khieån ñieän aùp taûi trong phaïm vi aùp nhoû. Ngoaïi tröø tröôøng hôïp ñieàu khieån theo bieân ñoä ñoøi hoûi nguoàn DC ñieàu khieån ñöôïc, caùc phöông phaùp khaùc döïa vaøo kyõ thuaät PWM söû duïng nguoàn ñieän aùp DC khoâng ñoåi. Trong tröôøng hôïp naøy, nguoàn DC coù theå taïo neân töø löôùi ñieän ac qua boä chænh löu khoâng ñieàu khieån vaø maïch loïc chöùa tuï hoaëc tröïc tieáp töø caùc nguoàn döï tröõ döôùi daïng pin, aquy. 5.3.2 PHÖÔNG PHAÙP ÑIEÀU CHEÁ ÑOÄ ROÄNG XUNG SIN (SIN PWM) Veà nguyeân lyù, phöông phaùp thöïc hieän döïa vaøo kyõ thuaät analog. Giaûn ñoà kích ñoùng coâng taéc boä nghòch löu döïa treân cô sôû so saùnh hai tín hieäu cô baûn: - soùng mang up (carrier signal) taàn soá cao - soùng ñieàu khieån ur- reference signal (hoaëc soùng ñieàu cheá- modulating signal) daïng sin. Ví 5-14
5. Ñieän töû coâng suaát 1 duï: coâng taéc leû ñöôïc kích ñoùng khi soùng ñieàu khieån lôùn hôn soùng mang (ur>up). Trong tröôøng hôïp ngöôïc laïi, coâng taéc chaün ñöôïc kích ñoùng. Soùng mang up coù theå ôû daïng tam giaùc. Taàn soá soùng mang caøng cao, löôïng soùng haøi baäc cao bò khöû bôùt caøng nhieàu. Tuy nhieân, taàn soá ñoùng ngaét cao laøm cho toån hao phaùt sinh do quaù trình ñoùng ngaét caùc coâng taéc taêng theo. Ngoaøi ra, caùc linh kieän ñoøi hoûi coù thôøi gian ñoùng ton, vaø ngaét toff nhaát ñònh. Caùc yeáu toá naøy laøm haïn cheá vieäc choïn taàn soá soùng mang. Soùng ñieàu khieån ur mang thoâng tin veà ñoä lôùn trò hieäu duïng vaø taàn soá soùng haøi cô baûn cuûa ñieän aùp ôû ngoõ ra. Trong tröôøng hôïp boä nghòch löu aùp ba pha, ba soùng ñieàu khieån cuûa ba pha phaûi ñöôïc taïo leäch nhau veà pha 1/3 chu kyø cuûa noù. Trong tröôøng hôïp boä nghòch löu aùp moät pha, töông öùng vôùi hai pha taûi töôûng töôïng ôû hình (H5.6), ta caàn taïo hai soùng ñieàu khieån leäch pha nhau 1/2 chu kyø (töùc chuùng ngöôïc pha nhau ). Ñeå ñôn giaûn maïch kích hôn nöõa, ta coù theå söû duïng moät soùng ñieàu khieån duy nhaát ñeå kích ñoùng, ví duï : caëp coâng taéc (S1S4) ñöôïc kích ñoùng theo quan heä giöõa soùng ñieàu khieån vaø soùng mang, coøn caëp (S3S2) ñöôïc kích ñoùng ngöôïc laïi vôùi chuùng. Luùc ñoù, hình thaønh traïng thaùi kích ñoùng (S1S2) hoaëc (S3S4). Goïi mf laø tæ soá ñieàu cheá taàn soá (Frequency modulation ratio) : fcarrier ftria m f = = (5.49) freference fsin e Vieäc taêng giaù trò mf seõ daãn ñeán vieäc taêng giaù trò taàn soá caùc soùng haøi xuaát hieän. Ñieåm baát lôïi cuûa vieäc taêng taàn soá soùng mang laø vaán ñeà toån hao do ñoùng ngaét lôùn. Töông töï, goïi ma laø tæ soá ñieàu cheá bieân ñoä (Amplitude modulation ratio) : U m−reference U m−sine ma = = (5.50) U m−carrier U m−tri Neáu ma ≤ 1(bieân ñoä soùng sin nhoû hôn bieân ñoä soùng mang) thì quan heä giöõa bieân ñoä thaønh phaàn cô baûn cuûa aùp ra vaø aùp ñieàu khieån laø tuyeán tính. Ñoái vôùi boä nghòch löu aùp moät pha:Ut(1)m = ma .U (5.51) U Ñoái vôùi boä nghòch löu aùp ba pha, bieân ñoä aùp pha haøi cô baûn: U = m . (5.52) t(1)m a 2 Khi giaù trò ma>1, bieân ñoä tín hieäu ñieàu cheá lôùn hôn bieân ñoä soùng mang thì bieân ñoä haøi cô baûn ñieän aùp ra taêng khoâng tuyeán tính theo bieán ma. Luùc naøy, baét ñaàu xuaát hieän löôïng soùng haøi baäc cao taêng daàn cho ñeán khi ñaït ôû möùc giôùi haïn cho bôûi phöông phaùp 6 böôùc. Tröôøng hôïp naøy coøn ñöôïc goïi laø quaù ñieàu cheá (overmodulation) hoaëc ñieàu cheá môû roäng. 5-15
6. Ñieän töû coâng suaát 1 Trong tröôøng hôïp boä nghòch löu aùp ba pha, caùc thaønh phaàn soùng haøi baäc cao seõ ñöôïc giaûm ñeán cöïc tieåu neáu giaù trò mf ñöôïc choïn baèng soá leû boäi ba Neáu ñeå yù ñeán heä thöùc tính chæ soá ñieàu cheá, ta thaáy phöông phaùp SPWM ñaït ñöôïc chæ soá lôùn nhaát trong vuøng tuyeán tính khi bieân ñoä soùng ñieàu cheá baèng vôùi bieân ñoä soùng mang. Luùc ñoù, ta coù: u(1)m mSPWM _ max = u(1)m−six _ step U (5.53) π m = 2 = = 0,785 SPWM _ max 2 4 U π Phaân tích soùng haøi: Vieäc ñaùnh giaù chaát löôïng soùng haøi xuaát hieän trong ñieän aùp taûi coù theå ñöôïc thöïc hieän baèng phaân tích chuoãi Fourier. ÔÛ ñaây, chu kyø laáy tích phaân Fourier ñöôïc chia thaønh nhieàu khoaûng nhoû, vôùi caän laáy töøng tích phaân cuûa töøng khoaûng ñöôïc xaùc ñònh töø caùc giao ñieåm cuûa soùng ñieàu khieån vaø soùng mang daïng tam giaùc. 5.3.3 PHÖÔNG PHAÙP ÑIEÀU CHEÁ ÑOÄ ROÄNG XUNG CAÛI BIEÁN (MODIFIED SPWM) (hình H5.11) Nhöôïc ñieåm cuûa phöông phaùp ñieàu cheá ñoä roäng xung sin (SPWM) laø khaû naêng ñieàu khieån tuyeán tính chæ thöïc hieän ñöôïc vôùi chæ soá ñieàu cheá m naèm trong phaïm vi 0 ≤ m ≤ 0.785 (töông öùng chæ soá ma ≤1 ). Luùc ñoù, bieân ñoä soùng haøi cô baûn ñieän aùp pha taûi naèm trong giôùi haïn (0,U/2). Ñeå môû roäng phaïm vi ñieàu khieån tuyeán tính, phöông phaùp ñieàu cheá ñoä roäng xung sin caûi bieán coù theå ñöôïc söû duïng. Phöông phaùp naøy cho pheùp thöïc hieän ñieàu khieån tuyeán tính ñieän aùp taûi vôùi chæ soá ñieàu cheá naèm trong phaïm vi 0 ≤ m ≤ 0.907 , bieân ñoä soùng haøi baäc moät ñieän aùp ñaït giaù trò cöïc ñaïi baèng U vaø chæ soá ñieàu 3 cheá luùc ñoù baèng: U 3 π mMSPWM_max = = = 0,907 (5.54) 2U 2 3 π Nguyeân lyù thöïc hieän: giaûn ñoà kích ñoùng linh kieän cuõng döïa vaøo keát quaû so saùnh caùc tín hieäu ñieàu khieån vaø soùng mang (daïng tam giaùc) taàn soá cao. Soùng ñieàu cheá (ur1,ur2,ur3) ñöôïc taïo thaønh baèng caùch coäng thaønh phaàn tín hieäu daïng sin vôùi moät thaønh phaàn soùng haøi boäi ba 5-16
7. Ñieän töû coâng suaát 1 (thaønh phaàn thöù töï khoâng). Khi taêng ñoä lôùn soùng ñieàu khieån ñeå ñaït chæ soá ñieàu cheá m lôùn hôn 0,907, quan heä ñieàu khieån trôû neân phi tuyeán. Soùng ñieàu cheá coù theå choïn ôû daïng lieân tuïc hoaëc giaùn ñoïan. a.Tröôøng hôïp soùng ñieàu cheá lieân tuïc döôùi daïng haøm ñieàu hoøa goàm caùc thaønh phaàn haøm ñieàu hoøa baäc 1 vaø haøm ñieàu hoøa baäc boäi ba nhö sau, ví duï ñoái vôùi pha thöù nhaát (xem ñoà thò ur1a, hình H5.11a): 2 ⎡ 1 ⎤ ur = .M.⎢cos( x) − .cos(3x)⎥ ; (0 ≤ M ≤ 1) (5.55) 3 ⎣ 6 ⎦ b.Tröôøng hôïp soùng ñieàu cheá lieân tuïc daãn giaûi töø töông quan giöõa phöông phaùp ñieàu cheá ñoä roäng xung laáy maãu (sampling PWM) vaø phöông phaùp ñieàu cheá vector khoâng gian. Haøm moâ taû soùng ñieàu khieån ba pha ñoái vôùi pha thöù nhaát coù theå vieát döôùi daïng nhö sau (xem ñoà thò ur1b, hình H5.11b): ⎧M.cos( x − 30 0 ) neáu 0 0 ≤ x < 60 0 ⎪ 0 0 ⎪ hoaëc 180 ≤ x < 240 ⎪ M. 3 .cos( x ) neáu 60 0 ≤ x < 120 0 u = (0 ≤ M ≤ 1) r ⎨ 0 0 ; (5.56) ⎪ hoaëc 240 ≤ x < 300 ⎪M.cos( x + 30 0 ) neáu 120 0 ≤ x < 180 0 ⎪ 0 0 ⎩⎪ hoaëc 300 ≤ x < 360 c.Tröôøng hôïp haøm ñieàu cheá giaùn ñoaïn: toàn taïi nhieàu daïng soùng ñieàu cheá daïng khoâng lieân tuïc ñöôïc ñöa ra ñeå thöïc hieän phöông phaùp ñieàu cheá ñoä roäng xung caûi bieán. Moät trong caùc daïng soùng ñieàu khieån daïng giaùn ñoïan ñöôïc moâ taû bôûi haøm sau ñaây ñoái vôùi pha thöù nhaát: (xem hình H5.11c): ⎧ 1 ; − 30 0 ≤ x < 30 0 ⎪ 0 0 0 ⎪2M.cos( x − 30 ) −1 ; 30 ≤ x < 90 ⎪2M.cos( x + 30 0 ) +1 ; 90 0 ≤ x < 150 0 u = (0 ≤ M ≤ 1) r ⎨ 0 0 ; (5.57) ⎪ −1 ; 150 ≤ x < 210 ⎪2M.cos( x − 30 0 ) +1 ; 210 0 ≤ x < 270 0 ⎪ 0 0 0 ⎩⎪2M.cos( x + 30 ) −1 ; 270 ≤ x < 330 Öu ñieåm cuûa soùng ñieàu cheá daïng giaùn ñoaïn laø soá laàn chuyeån maïch trong moät chu kyø bò giaûm xuoáng, do ñoù coâng suaát toån hao do quaù trình ñoùng ngaét cuõng giaûm theo. Do tín hieäu soùng ñieàu cheá ñöôïc thieát laäp ôû giaù trò cöïc trò trong moät phaàn ba chu kyø neân soá laàn chuyeån maïch seõ giaûm ñi moät phaàn ba so vôùi phöông phaùp ñieàu cheá vôùi tín hieäu lieân tuïc. 5.3.4 ÑIEÀU CHEÁ THEO MAÃU (REGULAR SAMPLING TECHNIQUES) Nguyeân lyù cuûa phöông phaùp ñieàu cheá ñoä roäng xung sin döïa vaøo kyõ thuaät analog. Vieäc ñieàu cheá ñoä roäng xung cuõng coù theå thöïc hieän treân cô sôû kyõ thuaät soá. Luùc ñoù, tín hieäu ñieàu khieån ñöôïc soá hoùa trong töøng chu kyø laáy maãu. Maãu tín hieäu sau ñoù ñöôïc so saùnh vôùi soùng raêng cöa ví duï thöïc hieän baèng maïch ñeám. Kyõ thuaät laáy maãu coù theå thöïc hieän ñoái xöùng hoaëc khoâng ñoái xöùng. Kyõ thuaät ñoái xöùng ñöôïc thöïc hieän vôùi chu kyø laáy maãu baèng chu kyø soùng tam giaùc (H5.12a), tröôøng hôïp laáy maãu khoâng ñoái xöùng xaûy ra khi vieäc laáy maãu dieãn ra ôû moãi nöûa chu kyø soùng tam giaùc (H5.12b). 5-17
8. Ñieän töû coâng suaát 1 Khi aùp duïng phöông phaùp laáy maãu ñoái xöùng, khoâng caàn thieát taïo ra soùng tam giaùc nhö treân hình veõ H5.12a. Goïi T1, T2 laø caùc khoaûng thôøi gian (xem hình H5.12a) duøng ñeå xaùc ñònh thôøi ñieåm kích ñoùng linh kieän, T1,T2 coù theå xaùc ñònh trong thôøi gian thöïc (real time) baèng pheùp tính ñôn giaûn (5.58), (5.59) nhö sau: 1 * T1 = TS .[1 + ua(ts )] (5.58) 2 1 * T2 = TS + TS.[1 − ua(ts )] (5.59) 2 Trong ñoù, 2Ts laø khoaûng thôøi gian cuûa chu kyø laáy maãu, tsn, ts(n+1) laø caùc thôøi ñieåm thöïc hieän * vieäc laáy maãu, ua (ts) laø haøm soùng ñieàu khieån daïng analog. 5.3.5. PHÖÔNG PHAÙP ÑIEÀU CHEÁ ÑOÄ ROÄNG XUNG TOÁI ÖU (OPTIMUM PWM) Aûnh höôûng cuûa moät soá soùng haøi baäc thaáp chöùa trong aùp ra coù theå khöû boû hoaëc haïn cheá baèng phöông phaùp ñieàu cheá ñoä roäng xung toái öu. Giaûn ñoà kích ñoùng caùc coâng taéc ñöôïc thieát laäp treân cô sôû phaân tích haøm toái öu theo caùc bieán laø goùc kích ñoùng caùc linh kieän. Trong tröôøng hôïp haøm toái öu ñöôïc thöïc hieän baèng caùch trieät tieâu moät soá soùng haøi baäc cao, phöông phaùp treân ñöôïc goïi laø phöông phaùp trieät tieâu caùc soùng haøi choïn loïc (Selective Harmonic Elimination- SHE). Bieân ñoä caùc soùng haøi coù theå xaùc ñònh qua khai trieån chuoãi Fourier daïng soùng aùp ra: U1= U1(α1,α2, ,αn) U3=U3(α1,α2, ,αn) (5.60) U2k+1=U2k+1(α1,α2, ,αn) 5-18
9. Ñieän töû coâng suaát 1 Vôùi SHE, giaûn ñoà kích ñoùng ñöôïc choïn seõ khöû boû (n -1) soùng haøi baäc cao vaø ñieàu khieån soùng haøi cô baûn, haøm toái öu quan heä giöõa caùc goùc α1,α2, ,αn ñöôïc bieåu dieãn qua heä n phöông trình sau: u1 = U1 ()α1,α 2 , ,α n 0 = U ()α ,α , ,α k1 1 2 n (5.61) 0 = U k 2 (α1,α 2 , ,α n ) 0 = U k()n−1 ()α1,α 2 , ,α n Giaûi heä caùc phöông trình xaùc ñònh goùc kích α1,α2, ,αn ta seõ thieát laäp ñöôïc giaûn ñoà kích ñoùng caùc coâng taéc. Neáu daïng ñieän aùp taûi laø haøm leû, heä soá bk trong phaân tích chuoãi Fourier seõ trieät tieâu vaø ta coù: bk=0 (5.62) π 4 2 a = u .sin kωt.d( ωt ) (5.63) k π ∫ t 0 ⎡α1 α2 2.U a = ⎢ ( +1).sin kωt.d( ωt ) + ( −1).sin kωt.d( ωt ) k π ⎢ ∫ ∫ ⎣ 0 α1 π ⎤ αn 2 ⎥ + ( −1)n −1.sin kωt.d( ωt ) + ( +1)1 .sin kωt.d( ωt )⎥ ∫ ∫ ⎥ αn −1 αn ⎦⎥ 2.U a = [1 + 2( −cos kα + cos kα − + cos kα ] (5.64) k kπ 1 2 n ⎡ n ⎤ 2.U p ⎥ ak = ⎢1 + 2 ( −1) .cos kαp (5.65) kπ ⎢ ∑ ⎥ ⎣ p=1 ⎦ Phaïm vi ñieàu khieån ñieän aùp cuûa phöông phaùp SHE: Trong phaïm vi ñieàu khieån PWM tuyeán tính (m<0.907), phuï thuoäc vaøo soá laàn chuyeån maïch cuûa linh kieän, nghieäm heä phöông trình (5.61) luoân toàn taïi vaø phöông phaùp SHE cho pheùp thöïc hieän trieät tieâu soùng haøi vôùi soá laàn ñoùng ngaét toái thieåu. 5-19
10. Ñieän töû coâng suaát 1 Khi taêng chæ soá ñieàu cheá bieân ñoä lôùn hôn giaù trò 0,907 (m>0.907), phöông phaùp SHE chuyeån sang phaïm vi ñieàu khieån ñieàu cheá môû roäng (quaù ñieàu cheá). Nghieäm cuûa heä phöông trình (5.61) khoâng theå luoân luoân toàn taïi vôùi yeâu caàu trieät tieâu caùc soùng haøi cho tröôùc. Do ñoù, vôùi yeâu caàu trieät tieâu moät soá soùng haøi choïn loïc, toàn taïi moät giôùi haïn toái ña cuûa chæ soá ñieàu cheá mmax töông öùng. Ñoà thò treân hình H5.14 minh hoïa quan heä giöõa chæ soá ñieàu cheá cöïc ñaïi ñaït ñöôïc theo SHE vaø soá soùng haøi (n) ñöôïc trieät tieâu keøm theo. Taïi giaù trò m=1, caùc thaønh phaàn soùng haøi toàn taïi ñaày ñuû nhö cuûa tröôøng hôïp ñieàu khieån theo phöông phaùp ñieàu khieån saùu böôùc. Ví duï 5.1: Thieát laäp heä phöông trình löôïng giaùc ñeå tìm nghieäm laø caùc goùc chuyeån maïch ñeå ñieàu khieån bieân ñoä soùng haøi cô baûn vaø khöû boû 4 soùng haøi baäc 5,7,11 vaø 13. Xaùc ñònh giaù trò cuï theå caùc goùc chuyeån maïch khi chæ soá ñieàu cheá m=0.8. Giaûi: Ta caàn thöïc hieän 5 laàn chuyeån maïch (n=5) trong ¼ chu kyø aùp ra. Heä phöông trình xaùc ñònh goùc chuyeån maïch seõ laø: 2.U 2.U a = [1 + 2( −cos α + cos α − cos α + cos α − cos α ] = m. 1 π 1 2 3 4 5 π 2.U a5 = [1 + 2( − cos 5α1 + cos 5α2 − cos 5α3 + cos 5α4 − cos 5α5 ] = 0 5π 2.U a7 = [1 + 2( −cos7 α1 + cos7 α2 − cos7 α3 + cos7 α4 − cos7 α5 ] = 0 π 2.U a = [1 + 2(− cos11α + cos11α − cos11α + cos11α − cos11α ] = 0 11 π 1 2 3 4 5 2.U a13 = [1 + 2( − cos13α1 + cos13α2 − cos13α3 + cos13α4 − cos13α5 ] = 0 π Vôùi m=0.8, söû duïng phöông phaùp Newton-Raphson vaø giaûi heä phöông trình treân baèng maùy tính, ta thu ñöôïc heä nghieäm sau: α = 0,1458[rad ]; α = 0,2704[rad ]; α = 0,8410[rad ]; 1 2 3 α4 = 0,8885 [rad ]; α 5 = 1,5326 [rad ] 5-20