Giáo trình Điện tử công suất 1 - Chương 5: Bộ nghịch lưu và bộ biến tần (Phần 6)

Nội dung text: Giáo trình Điện tử công suất 1 - Chương 5: Bộ nghịch lưu và bộ biến tần (Phần 6)

1. Điện tử công suất 1 5.4 CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN BỘ NGHỊCH LƯU ÁP ĐA BẬC Các phương pháp điều khiển áp dụng cho bộ nghịch lưu áp hai bậc như phương pháp điều chế độ rộng xung và các dạng cải biến của nó, phương pháp điều khiển vector, phương pháp khử sóng hài tối ưu, các phương pháp điều khiển dòng điện (hay vector dòng điện) . có thể được điều chỉnh để có thể áp dụng cho bộ nghịch lưu áp đa bậc. Bộ nghịch lưu áp đa bậc có phạm vi hoạt động chủ yếu đối với tải công suất lớn. Do đó, vấn đề giảm bớt tần số đóng ngắt và giảm shock điện áp dv/dt trên linh kiện công suất có ý nghĩa quan trọng. Các thuật toán điều khiển cố gắng thực hiện duy trì trạng thái cân bằng các nguồn điện áp dc và khử bỏ hiện tượng common-mode voltage, nguyên nhân gây ra một số hiện tượng làm sớm lão hóa động cơ. Phương pháp điều biên tuy không phát huy được ứng dụng trong điều khiển bộ nghịch lưu áp hai bậc nhưng lại tỏ ra hiệu quả trong ứng dụng bộ nghịch lưu áp đa bậc cho tải công suất lớn, nhất là trong các hệ thống điều khiển năng lượng điện ac. 5.4.1 PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU RỘNG Aùp dụng cho các bộ nghịch lưu đa bậc có cặp diode kẹp đến nguồn và bộ nghịch lưu áp đa bậc cascade. Xét bộ nghịch lưu áp ba bậc trên hình H5.41, việc điều khiển điện áp tải có thể thực hiện theo giản đồ trên hình H5.35 đối với pha a bằng cách thay đổi độ rộng góc α . Điện áp pha- tâm nguồn: ⎧ U / 2 nếu Sa1 = Sa2 = 1 ⎧ U / 2 nếu Sb1 = Sb2 = 1 ⎪ ⎪ ua0 = ⎨ 0 nếu Sa2 = Sa3 = 1 ; ub0 = ⎨ 0 nếu Sb2 = Sb3 = 1 ⎪ ⎪ ⎩− U / 2 nếu Sa3 = Sa4 = 1 ⎩− U / 2 nếu Sb3 = Sb4 = 1 5-50
2. Điện tử công suất 1 ⎧ U / 2 nếu Sc1 = Sc2 ⎪ uc0 = ⎨ 0 nếu Sc2 = Sc3 ⎪ ⎩− U / 2 nếu Sc3 = Sc4 Từ điện áp pha – tâm nguồn, sử dụng hệ thức (5.5), ta có thể dẫn giải quá trình điện áp các pha tải. Điện áp tải có dạng 12 bước. Khi góc điều khiển giảm đến giá trị zero, ta thu được dạng áp 6 bước như trong bộ nghịch lưu áp hai bậc. Phương pháp điều khiển 12 bước có hệ số méo dạng lớn khi chỉ số điều chế thấp, khi đó các phương pháp điều chế độ rộng xung có dạng chất lượng hơn. 5.4.2 PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU BIÊN Tương tự như phương pháp điều biên bộ nghịch lưu áp hai bậc, điện áp nguồn dc được điều khiển thay đổi độ lớn. Điện áp ngõ ra được điều khiển theo dạng bậc thang nhiều bước (H5.35b). Góc chuyển mạch của các linh kiện được tính tóan để sóng hài được hạn chế tối đa. Các giá trị góc chuyển mạch có thể thiết lập sẵn và xung kích đóng thực hiện theo dạng tra bảng (look-up table). Phương pháp điều khiển này đơn giản, tần số đóng ngắt rất thấp. Phương pháp này được sử dụng chủ yếu trong hệ thống bù nhuyễn công suất phản kháng cho lưới (static var compensator). Sự mất cân bằng các điện áp nguồn dc không còn là vấn đề trở ngại trong ứng dụng vừa nêu. 5.4.3 PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHẾ ĐỘ RỘNG XUNG Phương pháp còn có tên Subharmonic PWM (SH-PWM), Multilevel carrier based PWM. Để thực hiện tạo giản đồ kích đóng các linh kiện trong cùng một pha tải, ta sử dụng một số sóng mang (dạng tam giác) và một tín hiệu điều khiển (dạng sin). Đối với bộ nghịch lưu áp m bậc, số sóng mang được sử dụng là (m-1). Chúng có cùng tần số fc và cùng biên độ đỉnh-đỉnh Ac. Sóng điều khiển (hay sóng điều chế) có biên độ đỉnh- đỉnh bằng Am và tần số fm và dạng sóng của nó thay đổi chung quanh trục tâm của hệ thống (m-1) sóng mang. Nếu sóng điều khiển lớn hơn sóng mang nào đó thì linh kiện tương ứng sóng mang đó sẽ được kích đóng, trong trường hợp sóng điều khiển nhỏ hơn sóng mang tương ứng của nó, linh kiện trên sẽ bị khóa kích. 5-51
3. Điện tử công suất 1 Bộ nghịch lưu đa bậc dạng mạch bị diode kềm Chẳng hạn, xét pha a của bộ nghịch lưu áp ba bậc trên hình H5.41. Xung kích cho các linh kiện Sa1,Sa2,Sa3,Sa4 được thiết lập trên cơ sở so sánh sóng điều khiển ura của pha a với sóng mang up1 (đối với xung kích cho cặp Sa1 và Sa3) và up2 (đối với xung kích cho cặp Sa2 và Sa4). Cụ thể là: ura > u p1 ⇒ (Sa1 = 1; Sa3 = 0) (5.101) ura u p2 ⇒ (Sa2 = 1; Sa4 = 0) ura < u p4 ⇒ (Sa2 = 0; Sa4 = 1) Từ giản đồ thiết lập trên, điện áp pha- tâm nguồn được xác định, ví dụ cho pha a: ⎧ U 2 ; (Sa1 = Sa2 = 1) ⎪ ua0 = ⎨ 0 ; (Sa2 = Sa3 = 1) (5.102) ⎪ ⎩− U 2 ; (Sa3 = Sa4 = 1) Từ đó, sử dụng các hệ thức (5.5), (5.6) để xác định các điện áp tải. Chỉ số biên độ ma và tỉ số tần số mf trong bộ nghịch lưu đa bậc được định nghĩa như sau: Am ma = (5.103) (m −1).AC fc mf = (5.104) fm Ba dạng phối hợp giữa các sóng mang thường được sử dụng gồm (xem hình H5.36a): 5-52
4. Điện tử công suất 1 a. Hai sóng mang kế cận liên tiếp nhau sẽ bị dịch 180 độ –APOD (Alternative Phase Opposition Disposition) b. Bố trí đối xứng qua trục zero (POD- Phase opposition Disposition). Các sóng mang nằm trên trục 0 sẽ cùng pha nhau, ngược lại, các sóng mang nằm dưới trục 0 sẽ bị dịch đi 180 độ. c. Bố trí cùng pha (DP- In phase disposition): tất cả các sóng mang đều cùng pha. Trong các phương pháp bố trí sóng mang, phương pháp bố trí các sóng mang đa bậc cùng pha cho độ méo dạng áp dây nhỏ nhất. Đối với bộ nghịch lưu áp ba bậc, phương pháp POD và APOD cho cùng kết quả dạng sóng mang. Bộ nghịch lưu đa bậc dạng cascade: phương pháp điều chế độ rộng xung sử dụng sóng mang dịch pha (Phase Shifted Carrier PWM-PSCPWM) là phương pháp điều chế cơ bản được sử dụng. Theo đó, mỗi bộ nghịch lưu áp cầu một pha trong mạch cascade có nguyên lý điều chế PWM giống nhau của một bộ nghịch lưu cầu một pha. Các sóng mang của các bộ nghịch lưu có cùng biên độ và tần số và độ dịch pha giữa các sóng mang này bằng π /m, m là số bộ nghịch lưu cầu một pha. 5-53
5. Điện tử công suất 1 Trên hình vẽ H5.37 là bộ nghịch lưu dạng cascade 5 bậc. Ở mỗi nhánh pha, cóù 4 sóng mang lệch pha nhau một góc π /2 được sử dụng. Giản đồ kích các linh kiện được thiết lập trên cơ sở so sánh sóng mang và tín hiệu áp điều khiển (dạng sin) và qui tắc kích đối nghịch. Điện áp tạo thành ở ngõ ra của mỗi bộ nghịch lưu áp một pha (ua,ua’) có dạng ba bậc. Chúng kết hợp tạo thành điện áp pha- tâm nguồn (uao) dạng 5 bậc. 5.4.4 PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHẾ ĐỘ RỘNG XUNG CẢI BIẾN (Modified PWM hoặc Switching Frequency Optimal PWM method- SFO-PWM)) Có kỹ thuật thực hiện phương pháp điều chế độ rộng xung vừa trình bày. Điểm khác biệt là sóng điều chế được cải biến. Theo đó, mỗi sóng điều chế được 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 trị trung bình của giá trị tín hiệu lớn nhất trong 3 tín hiệu điều chế với tín hiệu nhỏ nhất trong 3 tín hiệu điều chế- phương pháp SFO-PWM. Gọi Va*,Vb*,Vc* là các tín hiệu điều khiển của phương pháp điều chế PWM. Tín hiệu điều khiển theo phương pháp SFO-PWM vừa được mô tả có thể biểu diễn dưới dạng toán học như sau: max(V * ,V * ,V * )+ min(V * ,V * ,V * ) V = a b c a b c (5.105) offset 2 * * VaSFO = Va −Voffset * * VbSFO = Vb −Voffset (5.106) * * VcSFO = Vc −Voffset Sơ đồ thực hiện tạo tín hiệu điều chế cải biến từ tín hiệu điều chế dạng sin được vẽ trên hình H5.39. Tín hiệu điện áp điều chế và điện áp ngõ ra bộ nghịch lưu được vẽ trên hình H5.40. 5-54
6. Điện tử công suất 1 Phương pháp điều chế độ rộng xung cải biến chỉ được sử dụng cho tải ba pha – 3 dây. Hệ quả của phương pháp là điện áp pha tải được tăng lên khoảng 15% so với phương pháp điều chế độ rộng xung sin ở phần trên, trước khi đạt đến phạm vi điều chế mở rộng (overmodulation). 5.4.5 PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHẾ VECTOR KHÔNG GIAN Vector không gian của bộ nghich lưu áp đa bậc: Quá trình đóng ngắt các linh kiện tạo ra điện áp ba pha tải với vector không gian của nó thay đổi nhảy cấp trên hình lục giác đa bậc. Ví dụ, đối với bộ nghịch lưu áp ba bậc, khả năng điều khiển kích dẫn linh kiện tạo nên 27 trạng thái khác nhau, mỗi trạng thái được minh họa bởi tổ hợp (kakbkc),với ka=0,1,2 ;kb=0,1,2; kc=0,1,2 .là hệ số trạng thái tương ứng của các pha a,b,c. Ví dụ: xét hệ số ka của pha a ta có: ⎧0 khi Sa3 = Sa4 = 1 ⎪ k a = ⎨1 khi Sa2 = Sa3 = 1 (5.107) ⎪ ⎩2 khi Sa1 = Sa2 = 1 Trong quá trình kích dẫn, qui luật sau được tuân thủ: S + S = 1 x1 x3 ; với x=a,b,c (5.108) S x 2 + S x4 = 1 Từ đó, chẳng hạn, trạng thái (200) có nghĩa là: Sa1=Sa2=1; Sb3=Sb4=1;Sc3=Sc4=1. Theo định nghĩa vector không gian, tương ứng 27 trạng thái kích dẫn linh kiện ta thu được 19 vị trí vector không gian của vector điện áp tạo thành, bao gồm 12 vector nằm trên đỉnh và trung điểm của hình lục giác lớn bao ngoài, 6 vector điện áp nằm trên 6 đỉnh của hình lục giác bên trong và vector không tại tâm của hình lục giác (hình H5.41). Đối với các vector nằm tại đỉnh của hình lục giác bên trong, tồn tại hai trạng thái kích dẫn khác nhau của linh kiện nhưng lại có cùng chung vị trí vector không gian. Ngoài ra, tồn tại 3 trạng thái kích dẫn khác nhau cho cùng vị trí vector không. Điều chế vector không gian của bộ nghịch lưu áp đa bậc: Về nguyên lý, phương pháp điều chế vector không gian đối với bộ nghịch lưu áp đa bậc được thực hiện tương tự như đối với bộ nghịch lưu áp hai bậc. Để tạo vector trung bình tương đương với một vector vr cho trước, trước hết cần xét xem vector vr nằm trong vị trí nào của hình lục giác (hexagon). Để thuận tiện, thông thường diện tích hình lục giác được chia nhỏ thành các hình tam giác con. Ví dụ, góc phần sáu thứ nhất của hình lục giác giới hạn bởi ba r r r vector v 0 ,v 2 và v 6 được chia nhỏ thành các diện tích (1), (2),(3) và (4) như hình vẽ H5.42. Vector vr đang khảo sát cần điều khiển để đạt được có vị trí nằm trên phần diện tích (2). Bước tiếp theo, ta xác định các vector không gian cần thiết- gọi là các vector cơ bản, cần sử dụng để tạo nên vector trung bình nằm trong diện tích (2). Rõ ràng, trường hợp này, các r r r r vector cơ bản tương ứng là v1 ,v 2 và v 3 . Như vậy, vector tương đương với vector v có thể r thực hiện bằng cách điều khiển duy trì tác dụng theo trình tự vector v1 trong thời gian T1, r r vector v 2 trong thời gian T2 và vector v 3 trong thời gian T3 theo hệ thức: r r r r V.Ts = V1 .T1 +V2 .T2 +V3 .T3 (5.109) Ts=T1+T2+T3 là chu kỳ lấy mẫu. 5-55
7. Điện tử công suất 1 Vấn đề còn lại là xác định thời gian tác dụng T1,T2 và T3 của các vector cơ bản. r Nếu ta biết được vector v dưới dạng 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 với thời gian r r r duy trì trạng thái vector v1 ,v 2 và v 3 có thể biểu diễn dưới dạng ma trận sau: ⎡Vα ⎤ ⎡V1α V2 α V3α ⎤ ⎡T1 ⎤ ⎢ ⎥ 1 ⎢ ⎥ ⎢ ⎥ V = . V V V . T (5.110) ⎢ β ⎥ T ⎢ 1β 2β 3β ⎥ ⎢ 2 ⎥ ⎢ ⎥ S ⎢ ⎥ ⎢ ⎥ ⎣ 1 ⎦ ⎣ 1 1 1 ⎦ ⎣T3 ⎦ Với V1 α ,V2 α ,V3 α ,V1 β ,V2 β ,V3 β là các thành phần theo trục tọa độ α và β của các r r r vector trên hình lục giác v1 ,v 2 và v 3 Từ đó, thời gian được xác định (áp dụng ma trận ngược): −1 ⎡T1 ⎤ ⎡V1α V2 α V3α ⎤ ⎡Vα ⎤ 1 ⎢ ⎥ ⎢ ⎥ ⎢ ⎥ . T = V V V . V (5.111) T ⎢ 2 ⎥ ⎢ 1β 2β 3β ⎥ ⎢ β ⎥ S ⎢ ⎥ ⎢ ⎥ ⎢ ⎥ ⎣T3 ⎦ ⎣ 1 1 1 ⎦ ⎣ 1 ⎦ hay ở dạng thời gian tương đối: dj=Tj/Ts; j=1,2,3 −1 ⎡d1 ⎤ ⎡V1α V2 α V3α ⎤ ⎡Vα ⎤ ⎢ ⎥ ⎢ ⎥ ⎢ ⎥ ⎢d 2 ⎥ = ⎢V1β V2β V3β ⎥ .⎢Vβ ⎥ (5.112) ⎢ ⎥ ⎢ ⎥ ⎢ ⎥ ⎣d 3 ⎦ ⎣ 1 1 1 ⎦ ⎣ 1 ⎦ Aùp dụng cụ thể vào 4 diện tích hình tam giác trong góc phần sáu thứ nhất của hình lục giác, chú ý đến vector cơ bản trong mỗi diện tích trên, ta thu được kết quả sau (xem hình H5.42): r r r Trong diện tích (1), vector cơ bản v 0 ,v1 và v 4 . d1 = dV 0 = 1 − d 2 − d 3 = 1 − ma .(sin θ + 3 .cos θ) d 2 = dV1 = ma .( − sin θ + 3 .cos θ) (5.113) d 3 = dV 4 = 2.ma .sin θ r r r Trong diện tích (2), vector cơ bản v1 ,v 2 và v 3 . d1 = dV1 = 2 − ma .(sin θ + 3 .cos θ) 5-56
8. Điện tử công suất 1 d 2 = dV 2 = −1 + ma .( − sin θ + 3 .cos θ) (5.114) d 3 = dV 3 = 2.ma .sin θ r r r Trong diện tích tam giác (3), vector cơ bản v1 ,v 3 và v 4 .: d1 = dV1 = 1 − 2ma .sin θ d 2 = dV 3 = −1 + ma .(sin θ + 3 .cos θ) (5.115) d 3 = dV 4 = 1 + ma .(sin θ − 3 .cos θ) r r r Trong diện tích tam giác (4), vector cơ bản v 5 ,v 3 và v 4 : d1 = dV 4 = 2 − ma .(sin θ + 3 .cos θ) d 2 = dV 5 = −1 + 2ma .sin θ (5.116) d 3 = dV 3 = ma .( − sin θ + 3 .cos θ) Nếu vector nằm ở góc phần sáu thứ i so với góc phần sáu thứ nhất của hình lục giác tính từ vị trí trục thực α , ta có thể qui đổi nó về góc phần sáu thứ nhất để xác định thời gian tác động của các vector cơ bản theo hệ thức: ⎡ π π ⎤ cos(i −1) − sin(i −1) ⎡Vα ⎤ ⎢ 3 3 ⎥ ⎡Vα,i ⎤ ⎢ ⎥ = ⎢ ⎥.⎢ ⎥ V π π V ⎣ β ⎦ ⎢sin(i −1) cos(i −1) ⎥ ⎣ β,i ⎦ ⎣⎢ 3 3 ⎦⎥ (5.117) i=1,2 ,6 Thực hiện kỹ thuật điều chế vector không gian cho bộ nghịch lưu áp ba bậc: 5-57
9. Điện tử công suất 1 Giản đồ kích dẫn các linh kiện bộ nghịch lưu áp ba bậc được minh họa trên hình H5.43, áp dụng cho góc phần sáu thứ nhất của hình lục giác. Chú ý do trạng thái kích dẫn các linh kiện trên cùng nhánh pha tải cho bởi qui luật đối nghịch nên trên giản đồ chỉ cần trình bày trạng thái của Sx1 và Sx2, x=a,b,c. Từ giản đồ ta thấy các trạng thái kích dẫn tương ứng 3 r r r vector cơ bản V1 ,V3 và V4 . Thời gian kích dẫn của các vector này có thể suy ra từ biểu thức tính toán T1,T2,T3 hoặc trên kỹ thuật điều chế độ rộng xung dựa vào sóng mang như trên hình vẽ H5.43. 5-58