LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP GVHD: NGUYỄN VĂN NHỜ Chương 1: TỔNG QUAN BỘ NGHỊCH LƯU ÁP I- GIỚI THIỆU 1. Khái Niệm Bộ nghòch lưu áp cung cấp và điều khiển điện áp xoay chiều ở ngõ ra, nguồn điện áp một chiều có thể là: ắc quy, pin điện, điện áp xoay chiều được chỉnh lưu và lọc phẳng,… Linh kiện trong bộ nghòch lưu áp có khả năng kích đóng, ngắt dòng qua nó. Trong các ứng dụng nhỏ và vừa có thể sử dụng transistor BJT, MOSFET, IGBT. Ở phạm vi công suất lớn có thể dùng GTO, IGCT hoặc SCR kết hợp với bộ chuyển mạch. Với tải tổng quát, mỗi diode còn trang bò một diode mắc đối song để hạn chế điện áp phát sinh khi kích ngắt các công tắc. 2. Phân loại: Bộ nghòch lưu áp có rất nhiều loại cũng như nhiều phương pháp điều khiển khác nhau. - Theo số pha điện áp đầu ra : nghòch lưu áp 1 pha, 3 pha,… - Theo số cấp giá trò điện áp giữa đầu pha tải đến một điểm điện thế chuẩn trên mạch có: hai bậc (two-level), đa bậc (Multi_level – từ 3 bậc trở lên) - Theo cấu hình của bộ nghòch lưu: dạng cascade (cascade inverter), dạng nghòch lưu chứa diode kẹp NPC (Neutral Point Clamped Multilevel Inverter), - Theo phương pháp điều khiển: + Phương pháp điều rộng + Phương pháp điều biên + Phương pháp điều chế độ rộng xung (SH-PWM) + Phương pháp điều chế độ rộng xung cải biến ( Modified PWM) + Phương pháp điều chế vector không gian (SVPWM – Carrier Based PWM) II- CÁC DẠNG CẤU TRÚC CƠ BẢN 1. Cấu trúc dạng Cascade (Cascade inverter ) SVTH: NGUYỄN QUANG TIẾN Trang 1 LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP GVHD: NGUYỄN VĂN NHỜ Hình 1.1 - Cascade inverter Sử dụng các nguồn DC riêng, thích hợp trong trường hợp sử dụng nguồn DC có sẵn, ví dụ dưới dạng acquy, battery. Cascade inverter gồm nhiều bộ nghòch lưu áp cầu một pha ghép nối tiếp, các bộ nghòch lưu áp dạng cầu một pha này có các nguồn DC riêng. Bằng cách kích đóng các linh kiện trong mỗi bộ nghòch lưu áp một pha, ba mức điện áp (-U, 0, U) được tạo thành. Sự kết hợp hoạt động của n bộ nghòch 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 dương ( U, 2U, 3U, 4U,…nU ) và mức điện áp 0. Như vậy, bộ nghòch lưu áp dạng cascade gồm n bộ nghòch lưu áp một pha trên mỗi nhánh sẽ tạo thành bộ nghòch lưu ( 2n + 1 ) bậc. Tần số đóng ngắt trong mỗi module của dạng mạch này có thể giảm đi n lần và dv/dt cũng vậy. Điện áp trên áp đặt lên các linh kiện giảm đi 0,57 lần, cho phép sử dụng IJBT điện áp thấp. Ngoài dạng mạch gồm các bộ nghòch lưu áp một pha, mạch nghòch áp đa bậc còn có dạng ghép từ ngõ ra của các bộ nghòch lưu áp ba pha. Cấu trúc này cho phép giảm dv/dt và tần số đóng ngắt còn 1/3. Mạch cho phép sử dụng các cấu hình nghòch lưu áp ba pha chuẩn. Mạch nghòch lưu đạt được 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. SVTH: NGUYỄN QUANG TIẾN Trang 2 LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP GVHD: NGUYỄN VĂN NHỜ Hình 1.2 - Cascade inverter sử dụng bộ nghòch lưu áp ba pha 2. Cấu trúc nghòch lưu chứa cặp diode kẹp (Neutral Point Clamped Multilevel Inverter – NPC ) Hình 1.3 : Neutral Point Clamped Multilevel Inverter – NPC SVTH: NGUYỄN QUANG TIẾN Trang 3 LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP GVHD: NGUYỄN VĂN NHỜ Sử dụng thích hợp khi các nguồn DC tạo nên từ hệ thống điện AC. Bộ nghòch lưu đa bậc chứa các cặp diode kèm có một mạch nguồn DC được phân chia thành một số cấp điện áp nhỏ hơn nhờ chuỗi các tụ điện mắc nối tiếp. Giả sử nhánh mạch DC gồm n nguồn có độ lớn bằng nhau mắc nối tiếp. Điện áp pha-nguồn DC có thể đạt được (n+ 1) giá trò khác nhau và từ đó bộ nghòch lưu được gọi là bộ nghòch lưu áp (n+ 1) bậc. Ví dụ chọn mức điện thế 0 ở cuối dãi nguồn, các mức điện áp có thể đạt được gồm (0, U, 2U, 3U,… nU). Điện áp từ một pha tải (ví dụ pha a) thông đến một vò trí bất kỳ trên (ví dụ H) nhờ cặp diode kẹp tại điểm đó (ví dụ D 1 , D 1 ’ ).Để điện áp pha-nguồn DC đạt được mức điện áp nêu trên (U a0 = U), tất cả các linh kiện bò kẹp giữa hai diode (D 1 , D 1 ’ ) – gồm n linh kiện mắc nối tiếp liên tục kề nhau, phải được kích đóng, các linh kiện còn lại phải được khoá theo nguyên tắc kích đối nghòch. Như hình vẽ trên, tạo ra sáu mức điện áp pha – nguồn DC nên mạch lưu trên gọi là bộ nghòch lưu sáu bậc. Bộ nghòch lưu áp đa bậc dùng diode kẹp cải tiến dạng sóng điện áp tải và giảm shock điện áp trên linh kiện n lần.Với bộ nghòch lưu ba bậc, dv/dt trên linh kiện và tần số đóng cắt giảm đi một nửa. Tuy nhiên với n > 3, mức độ chòu gai áp trên các diode sẽ khác nhau. Ngoài ra, cân bằng điện áp giữa các nguồn DC (áp trên tụ) trở nên khó khăn, đặc biệt khi số bậc lớn. 3. Cấu trúc dùng tụ điện thay đổi (Flying Capacitor Inverter) SVTH: NGUYỄN QUANG TIẾN Trang 4 LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP GVHD: NGUYỄN VĂN NHỜ Hình 1.4 - Flying Capacitor Inverter Ưu điểm chính của ngòch 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 được việc điều tiết công suất. Nhược điểm : + Số lượng tụ công suất lớn 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 nghòch lưu tăng cao. III- CÁC TRẠNG THÁI ĐÓNG NGẮT 1. Tổng quát Xét bộ nghòch lưu áp n bậc dạng chứa cặp diode kẹp (NPC). Gọi U là độ lớn điện áp trên mỗi tụ riêng lẻ. Phụ thuộc độ lớn điện áp pha-nguồn DC cần thiết lập, các linh kiện bò kẹp giữa cặp diode nối đến một điện thế trên mạch DC cần thiết lập sẽ ở trạng thái kích. Điện áp pha-tâm nguồn DC tính từ điểm đấu dây của pha tải đến một điện thế trên mạch DC. Trạng thái đóng ngắt của các khoá bán dẫn trên một nhánh tải của các pha a, b, c phải thoả mãn điều kiện kích đối nghòch: 1 ' =+ ajaj SS ; 1 ' =+ bjbj SS ; 1 ' =+ cjcj SS (1.1) Với j = 1, 2, 3, …(n - 1). SVTH: NGUYỄN QUANG TIẾN Trang 5 LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP GVHD: NGUYỄN VĂN NHỜ Khi kích đóng ngắt các linh kiện theo đúng nguyên tắc trên ta có được giản đồ xung kích cho các khoá. Tính toán tương tự bộ nghòch lưu áp ba pha hai bậc ta có các điện áp pha tải: (nếu tải Y) 3 2 coboao ta uuu u −− = ; 3 2 coaobo tb uuu u −− = ; 3 2 aoboco tc uuu u −− = (1.2) Và : 3 coboao NO uuu u ++ = (1.3) 2. Trạng thái đóng ngắt bộ nghòch lưu áp 3 bậc Hình 1.5 - Bộ nghòch lưu 3 bậc Xét bộ nghòch lưu áp ba bậc dạng chứa cặp diode kẹp như hình 1.5. Gọi U là độ lớn điện áp trên mỗi tụ riêng lẻ phụ thuộc độ lớn điện áp pha. Các linh kiện kẹp giữa cặp diode nối đến một điện thế trên mạch DC cần thiết lập sẽ ở trạng thái kích. Điện áp pha-tâm nguồn DC đạt các giá trò cho trong bảng sau: Với x = a, b, c V out = V xo S x2 S x1 S x2 ’ S x1 ’ U 1 1 0 0 0 0 1 1 0 -U 0 0 1 1 Ta thấy có 3 mức điện áp ứng với 3 trạng thái đóng ngắt linh kiện cho mỗi pha.Vậy, có 3 3 = 27 trạng thái đóng ngắt cho 3 pha. 3. Trạng thái đóng ngắt bộ nghòch lưu áp năm bậc SVTH: NGUYỄN QUANG TIẾN Trang 6 LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP GVHD: NGUYỄN VĂN NHỜ Hình 1.6 - Bộ nghòch lưu 5 bậc Xét bộ nghòch lưu áp năm bậc dạng chứa cặp diode kẹp như hình 1.6. Gọi U dc /4 là độ lớn điện áp trên mỗi tụ riêng lẻ. Chọn điểm tâm nguồn DC tại vò trí giữa (như hình 1.6). Ta có bảng trạng thái đóng ngắt như sau: V out = V xo S x4 S x3 S x2 S x1 S x4 ’ S x3 ’ S x2 ’ S x1 ’ U dc /2 1 1 1 1 0 0 0 0 U dc /4 0 1 1 1 1 0 0 0 0 0 0 1 1 1 1 0 0 -U dc /4 0 0 0 1 1 1 1 0 -U dc /2 0 0 0 0 1 1 1 1 Với x = a, b, c Ta thấy có năm mức điện áp ra tương ứng với các trạng thái đóng ngắt. Vậy có tổng cộng 5 trạng thái đóng ngắt các linh kiện cho một pha, nên có 5 3 = 125 trạng thái đóng ngắt cho 3 pha. IV- NHẬN XÉT Có thể điều khiển bộ nghòch lưu áp (điều khiển tín hiệu đóng ngắt lên các công tắc) bằng nhiều phương pháp, mỗi phương pháp có thể thích hợp với các loại tải khác nhau. Bộ nghòch 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 trên linh kiện công suất có ý nghóa quan trọng. Các thuật toán cố gắn thực hiện duy trì trạng thái cân bằng các nguồn điện áp DC SVTH: NGUYỄN QUANG TIẾN Trang 7 LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP GVHD: NGUYỄN VĂN NHỜ và khử bỏ hiện tượng common – mode voltage, nguyên nhân gây ra một số hiện tượng làm sớm lão hoá động cơ. Các chương sau sẽ trình bày cụ thể các phương pháp điều khiển thông dụng. Chương 2: ĐIỀU KHIỂN BỘ NGHICH LƯU ÁP ĐA BẬC VỚI NGUỒN DC CÂN BẰNG - PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHẾ ĐỘ RỘNG XUNG I- GIỚI THIỆU: 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 nghòch lưu áp n bậc, số sóng mang được sử dụng là (n-1). Chúng có cùng tần số f c và cùng biên độ đỉnh – đỉnh A c . Sóng điều chế (hay sóng điều khiển) có biên độ đỉnh bằng A m và tần số f m , dạng sóng của nó thay đổi chung quanh trục tâm của hệ thống (n-1) sóng SVTH: NGUYỄN QUANG TIẾN Trang 8 LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP GVHD: NGUYỄN VĂN NHỜ 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 bò khoá kích. Đối với bộ nghòch lưu áp đa bậc, chỉ số biên độ m a và chỉ số tần số m f được đònh nghóa như sau: (2.1) Tỉ số điều chế m được đònh nghóa: 3/ 1 d m U U m = Khi u đk = (n-1)/2 thì U 1m-max = U/2, 2 3 3/ 2/ max == U U m vậy ứng với tỉ số điều chế m thì điện áp điều khiển 3 )1( − = nm u dk Trong đó: U 1m – Biên độ hài bậc 1 của phương pháp điều chế U d – Điện áp tổng các nguồn DC Các dạng sóng mang dùng trong kỹ thuật điều chế PWM: Các sóng mang dạng tam giác có tần số cao. Có thể chia thành ba loại như sau: 1. Bố trí cùng pha (PD: In Phase Disposition): Tất cả các sóng mang đều cùng pha nhau. Hình 2.1 - Dạng sóng PD 2. Hai sóng mang kế cận liên tiếp nhau sẽ bò dòch 180 độ – gọi là APOD (Alternative Phase Opposition Disposition) SVTH: NGUYỄN QUANG TIẾN Trang 9 m c f c m a f f m An A m = − = ).1( LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP GVHD: NGUYỄN VĂN NHỜ Hình 2.2 - Dạng sóng APOD 3. Bố trí đối xứng qua trục zero (POD – Phase opposition Disposition). Tất cả các sóng mang nằm trên trục 0 sẽ cùng pha nhau và tất cả các sóng mang nằm dưới trục 0 sẽ dòch đi 180 độ: Hình 2.3 - Dạng sóng POD 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. Riêng đối với bộ nghòch lưu áp 3 bậc, phương pháp POD và APOD cho cùng kết quả. Trong các phần mô phỏng sau chỉ sử dụng sóng mang tam giác PD I- MÔ PHỎNG BỘ NGHỊCH LƯU ÁP BA BẬC 1. Phân tích tạo xung kích Xét bộ nghòch lưu áp 3 bậc có diode kềm: SVTH: NGUYỄN QUANG TIẾN Trang 10 [...]... S a2 = S a2 ' = S a2 ' = S a2 = S a3 = S a3 ' = S a3 ' = S a3 ' = S a3  2 khi S b1 = S b 2 1 S b1 = S b 2   kb =  0 S b1 = S b 2 −1 S b1 = S b' 2  − 2 S b' 1 = S b' 2  SVTH: NGUYỄN QUANG TIẾN = S a4 ' = S a4 ' = S a4 ' = S a4 ' = S a4 = S b3 = S b3 = S b' 3 = S b' 3 = S b' 3 =1 =1 =1 =1 =1 = Sb4 ' = Sb4 ' = Sb4 ' = Sb4 ' = Sb4 =1 =1 =1 =1 =1 (4. 9) Trang 33 LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP GVHD: NGUYỄN... Chỉ cần phân tích một trong 3 pha mà thôi Chẳng hạn xét pha a, xung kích cho các linh kiện S1, S2, S3, S4, S1’, S2’, S3’, S4’ 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 S1 và S1’), up2 (đối với xung kích cho cặp S 2 và S2’), up3 (đối với xung kích cho cập S3 và S3’), up4 (đối với xung kích cho cập S4 và S4’) Cụ thể là : u ra > u p1 ⇒... hơn do giảm bớt thành phần thứ tự không SVTH: NGUYỄN QUANG TIẾN Trang 30 LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP GVHD: NGUYỄN VĂN NHỜ Chương 4: ĐIỀU KHIỂN BỘ NGHỊCH LƯU VỚI NGUỒN DC CÂN BẰNG - PHƯƠNG PHÁP VECTOR KHÔNG GIAN I- KHÁI NIỆM VECTOR KHÔNG GIAN Ta giả sử cho đại lượng 3 pha va , vb , vc cân bằng, thoả hệ thức: va + vb + vc = 0 (4. 1) Thực hiện phép biến hình từ các đại lượng ba pha va , vb , vc sang đại  lượng... Sóng điện áp điều khiển và sóng mang tam giác PD Hình 2 .30 - Điện áp pha – tâm nguồn DC pha A Hình 2 .31 - Điện áp pha – tâm nguồn DC pha A,B,C SVTH: NGUYỄN QUANG TIẾN Trang 23 LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP GVHD: NGUYỄN VĂN NHỜ Hình 2 .32 - Điện áp tải pha A Hình 2 .33 - Điện áp tải 3 pha 4 Nhận xét Bộ nghòch lưu với bậc càng cao ta càng có đáp ứng áp, dòng tải càng nhuyễn và ít méo dạng hơn, với tần số sóng mang... d3 = dv4 = 2.ma sinθ    Trong diện tích (2), vector cơ bản v1 , v 2 và v3 : d1 = dv1 = 2 – ma(sinθ + 3 cosθ) d2 = dv2 = -1 + ma(-sinθ + 3 cosθ) d3 = dv3 = 2.ma sinθ    Trong diện tích (3) , vector cơ bản v1 , v3 và v 4 : d1 = dv1 = 1 – 2masinθ d2 = dv3 = -1 + ma(sinθ + 3 cosθ) d3 = dv4 = 1+ ma(sinθ - 3 cosθ)    Trong diện tích (4) , vector cơ bản v3 , v 4 và v5 : d1 = dv3 = 2 - ma(sinθ + 3 cosθ)... đo 3 Các kết quả thu được Hình 3. 1 - Điện áp điều khiển ban đầu SVTH: NGUYỄN QUANG TIẾN Trang 26 LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP GVHD: NGUYỄN VĂN NHỜ Hình 3. 2 - Điện áp điều khiển Max, Min và Voffset Hình 3. 3 - Sóng VaSFO và sóng tam giác PD Hình 3. 4 - Điện áp điều khiển SFO 3 pha và sóng mang PD SVTH: NGUYỄN QUANG TIẾN Trang 27 LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP GVHD: NGUYỄN VĂN NHỜ Hình 3. 5 - điện áp pha – tâm nguồn DC pha. .. Điện áp điều khiển và sóng mang tam giác PD Hình 2. 23 - Điện áp pha – tâm nguồn DC pha A Hình 2. 24 - Điện áp pha – tâm nguồn DC pha A,B,C SVTH: NGUYỄN QUANG TIẾN Trang 20 LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP GVHD: NGUYỄN VĂN NHỜ Hình 2.25 - Điện áp tải pha A Hình 2.26 - Điện áp tải 3 pha Hình 2.27 - Dòng tải pha A SVTH: NGUYỄN QUANG TIẾN Trang 21 LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP GVHD: NGUYỄN VĂN NHỜ Hình 2.28 - Dòng tải ba pha 4 Nhận... tâm nguồn DC pha A Hình 3. 6 - Điện áp pha – tâm nguồn pha A,B,C Hình 3. 7 - Điện áp tải pha A SVTH: NGUYỄN QUANG TIẾN Trang 28 LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP GVHD: NGUYỄN VĂN NHỜ Hình 3. 8 - Điện áp tải 3 pha A,B,C Hình 3. 9 - Dòng điện pha A Hình 3. 10 - Dòng tải ba pha SVTH: NGUYỄN QUANG TIẾN Trang 29 LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP GVHD: NGUYỄN VĂN NHỜ 4 Nhận xét Với phương pháp SFO-PWM ta có đáp ứng tải tương tự như phương... 1 = S c' 2  = S c3 = S c3 = S c' 3 = S c' 3 = S c' 3 = S c4 = S c' 4 = S c' 4 = S c' 4 = S c' 4 =1 =1 =1 =1 =1 Trong quá trình kích, quy luật đóng ngắt đối nghòch phải tuân thủ: ' S x1 + S x1 = 1 ' S x2 + S x2 = 1 ' S x3 + S x3 = 1 ; (4. 10) ' S x4 + S x4 = 1 Với x = a, b, c Theo đònh nghóa vector không gian, tương ứng 125 trạng thái kích dẫn linh kiện ta thu được 61 vò trí vector không gian của vector... u ra > u p 3 ⇒ ( S 3 = 1; S 3' = 0) u ra < u p 3 ⇒ ( S 3 = 0; S 3' = 1) ' u ra > u p 4 ⇒ ( S 4 = 1; S 4 = 0) (2 .4) ' u ra < u p 4 ⇒ ( S 4 = 0; S 4 = 1) Từ giản đồ thiết lập trên, điện áp pha – tâm nguồn DC được xác đònh: SVTH: NGUYỄN QUANG TIẾN Trang 15 LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP GVHD: NGUYỄN VĂN NHỜ u ao  U /2  U /4   = 0 − U / 4  − U / 2  (2.5) Như vậy hoàn toàn xác đònh được điện áp pha – tâm nguồn