MÔN cơ sở điện tử CÔNG SUẤT đề tài tìm hiểu về bộ nghịch lưu điều khiển bằng vector không gian (SVPWM)

Giản đồ xung của nghịch lưu dòng ba pha.Đảm bảo khoá được các thyristor chắc chắn và tạo ra dòng điện ba pha đối xứng thì luật dẫn điện của các thyristor phải tuân theo đồ thị như trên..

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TP HỒ CHÍ MINH

  

BÀI TẬP LỚN MÔN CƠ SỞ ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT

GVHD: GV Nguyễn Đức Hưng

Nhóm 6

Tên đề tài: Tìm hiểu về bộ nghịch lưu điều

khiển bằng vector không gian (SVPWM)

Sinh viên thực hiện:

TPHCM, ngày 9 tháng 8 năm 2022

Chương 1: TỔNG QUAN VỀ VECTOR KHÔNG GIAN VÀ MỘT SỐ

TIEU LUAN MOI download : skknchat123@gmail.com

BỘ NGHỊCH LƯU

1 Khái niệm vector không gian

1.1 Vector không gian và phép biến hình vector không gian

Cho đại lượng ba pha cân bằng va, vb, vc, tức thỏa mãn hệ thức:

va + vb + vc = 0Phép biến hình từ các đại lượng 3 pha va, vb, vc sang đại lượng vector v theo

hệ thức:

Được gọi là phép biến hình vector không gian và đại lượng vector v được gọi là

vector không gian của đại lượng ba pha

Hằng số k có thể chọn với các giá trị khác nhau Với k = 2/3 phép biến hìnhkhông bảo toàn công suất và với k = √2/3 phép biến hình bảo toàn công suất

Ví dụ, ta có đại lượng ba pha dạng cos như sau:

Vector không gian theo định nghĩa sẽ là:

Sơ đồ nghịch lưu cầu một pha

Sơ đồ nghịch lưu một pha có điểm trung tính

Điện cảm đầu vào nghịch lưu đủ lớn Ld = ∞ do đó dòng điện đầu vào

TIEU LUAN MOI download : skknchat123@gmail.com

được san phẳng, nguồn cấp cho nghịch lưu là nguồn dòng và dạng dòng

điện của nghịch lưu iN có dạng xung vuông

Khi đưa xung vào mở cặp van T1, T2, dòng điện iN = id = Id Đồng thờidòng qua tụ C tăng lên đột biến, tụ C bắt đầu được nạp điện với dấu “+” ởbên trái và dấu “-” ở bên phải Khi tụ C nạp đầy, dòng qua tụ giảm về không

Do iN = iC + iZ = Id = hằng số, nên lúc đầu dòng qua tải nhỏ và sau đó dòng

qua tải tăng lên.

Sau một nửa chu kỳ t = t1 người ta đưa xung vào mở cặp van T3, T4 Cặp

T3, T4 mở tạo ra quá trình phóng điện của tụ C từ cực “+” về cực “-” Dòng phóng ngược chiều với dòng qua T1 và T2 sẽ làm cho T1 và T2 bị khóa lại

Giản đồ xung của nghịch lưu cầu một pha

Quá trình chuyển mạch xảy ra gần như tức thời Sau đó tụ C sẽ được nạpđiện theo chiều ngược lại với cực tính “ + ” ở bên phải và cực tính “ - ” ở bên

trái, dòng nghịch lưu iN = id = Id nhưng đã đổi dấu Đến thời điểm t = t2 người

ta đưa xung vào mở T1, T2 thì T3, T4 sẽ bị khóa lại và quá trình được lặp lạinhư trước

Như vậy chức năng cơ bản của tụ C là làm nhiệm vụ chuyển mạch cho cácthyristor Ở thời điểm t1, khi mở T3 và T4 , thyristor T1 và T2 sẽ bị khóa lại bởiđiện áp ngược của tụ C đặt lên Khoảng thời gian duy trì điện áp ngược t1 +t1’

là cần thiết để duy trì quá trình khóa và phục hồi tính chất điều khiển của van

và t1 - t1’ = tk toff; toff là thời gian khóa của thyristor hay chính là thời gianphục hồi tính chất điều khiển

Trong đó : tk = là góc khóa của nghịch lưu.

Để khoá được các thyristor thì phải có các tụ chuyển mạch C1, C3, C5

Vì là nghịch lưu dòng nên nguồn đầu vào phải là nguồn dòng, vì vậy

giá trị cuộn cảm Ld = ∞

Sơ đồ nghịch lưu dòng ba pha

Giản đồ xung của nghịch lưu dòng ba pha.

Đảm bảo khoá được các thyristor chắc chắn và tạo ra dòng điện ba pha đối

xứng thì luật dẫn điện của các thyristor phải tuân theo đồ thị như trên

Qua đồ thị ta thấy mỗi van động lực chỉ dẫn trong khoảng thời gian λ=1200

Quá trình chuyển mạch bao giờ cũng diễn ra đối với các van trong cùng mộtnhóm

Trong nghịch lưu nguồn dòng vì tải luôn mắc song song với tụ chuyển mạch nêngiữa tải và tụ luôn có sự trao đổi năng lượng, ảnh hưởng này làm cho đường đặc tínhngoài khá dốc và hạn chế vùng làm việc của nghịch lưu dòng Để làm giảm ảnh hưởngcủa tải đến quá trình nạp của tụ C, người ta sử dụng diode ngăn cách D1, D2, D3, D4, D5,

D6

TIEU LUAN MOI download : skknchat123@gmail.com

Nghịch lưu dòng ba pha có diode ngăn cách

Việc sử dụng các diode này đòi hỏi phía tụ chuyển mạch chia làm 2 nhóm:Nhóm C1, C3, C5 dùng để chuyển mạch cho các van T1, T3, T5

Nhóm C2, C4, C6 dùng để chuyển mạch cho các van T2, T4, T6 Nghịch lưu dòng như đã phân tích ở trên không chỉ tiêu thụ công suất phản

kháng mà còn phát ra công suất tác dụng vì dòng id không đổi hướng nhưngdấu của điện áp hai đầu nguồn có thể đảo dấu Điều đó có nghĩa là khi nghịchlưu làm việc với tải là động cơ điện xoay chiều động cơ có thể thực hiện hãmtái sinh

Sơ đồ gồm 4 van động lực chủ yếu là: T1, T2, T3, T4 và các diode D1, D2,

D3, D4 dùng để trả công suất phản kháng về lưới và như vậy tránh được hiệntượng quá áp ở đầu nguồn

Tụ C được mắc song song với nguồn để đảm bảo cho nguồn đầu vào lànguồn hai chiều (nguồn một chiều thường được cấp bởi chỉnh lưu chỉ cho

phép dòng đi theo một chiều)

Như vậy tụ C thực hiện việc tiếp nhận công suất phản kháng của tải,đồng thời tụ C còn đảm bảo cho nguồn đầu vào là nguồn áp

Ở nửa chu kỳ đầu tiên (θ ÷ θ2), cặp van T1, T2 dẫn điện, phụ tải được đấu vào

nguồn Do nguồn là nguồn áp lên điện áp trên tải U1 = E, hướng dòng điện là đường nét

đậm

Tại thời điểm θ=θ2 T1 và T2 bị khóa, đồng thời T3 và T4 mở ra tải sẽ được

đấu vào nguồn theo chiều ngược lại, tức là dấu điện áp trên tải sẽ đảo chiều

và Ut = -E tại thời điểm θ2

Do tải mang tính trở cảm nên dòng vẫn giữ nguyên hướng cũ (đường nét

đậm) T1, T2 bị khóa nên dòng phải khép mạch qua D3, D4 Suất điện động

cảm ứng trên tải sẽ trở thành nguồn trả năng lượng thông qua D3, D4 về tụ C

.Sơ đồ nghịch lưu áp cầu một pha

Dạng sóng nghịch lưu áp cầu một pha

Trên thực tế người ta thường dùng nghịch lưu áp với phương pháp điềuchế độ rộng xung PWM để giảm bớt được kích thước của bộ lọc

2.2.2. Nghịch lưu áp ba pha.

Sơ đồ nghịch lưu áp ba pha được ghép từ ba sơ đồ một pha có điểm trung tính

Để đơn giản hóa việc tính toán ta giả thiết như sau :

 Giả thiết các van là lý tưởng, nguồn có nội trở nhỏ vô cùng và dẫn

TIEU LUAN MOI download : skknchat123@gmail.com

điện theo hai chiều.

TIEU LUAN MOI download : skknchat123@gmail.com

 Van động lực cơ bản T1, T2, T3, T4, T5, T6 làm việc với độ dẫn điện

180 , Za = Zb = Zc.Các diode D1, D2, D3, D4, D5, D6 làm chức năng trả năng lượng về nguồn và tụ

C đảm bảo nguồn cấp là nguồn áp đồng thời tiếp nhận năng lượng phản kháng

từ tải

Sơ đồ nghịch lưu áp ba pha

Luật điều khiển các thyristor

Để đảm bảo tạo ra điện áp ba pha đối xứng luật dẫn điện của các van phảituân theo đồ thị như trên.

Như vậy T1, T4 dẫn điện lệch nhau 180 và tạo ra pha A T3, T6 dẫn điện lệchnhau 180 để tạo ra pha B T5, T2 dẫn điện lệch nhau 180 để tạo ra pha C, vàcác pha lệch nhau 120

Điện áp trên tải của mạch nghịch lưu

TIEU LUAN MOI download : skknchat123@gmail.com

Chương 2: GIỚI THIỆU PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN BẰNG

VECTOR KHÔNG GIAN CHO BỘ NGHỊCH LƯU

Phương pháp điều chế vector không gian (Space Vector Modulation – hoặc SpaceVector PWM) xuất phát từ những ứng dụng của vector không gian trong máy điệnxoay chiều, sau đó được mở rộng triển khai trong các hệ thống điện ba pha Phươngpháp điều chế vector không gian và các dạng cải biến của nó có tính hiện đại, giảithuật chủ yếu dựa vào kỹ thuật số và là các phương pháp được sử dụng phổ biến nhấthiện nay trong lĩnh vực điện tử công suất liên quan đến điều khiển các đại lượng xoaychiều ba pha như điều khiển truyền động điện xoay chiều, điều khiển các mạch lọctích cực, điều khiển các thiết bị công suất trên hệ thống truyền tải điện

Biểu diễn vector không gian cho các đại lượng ba pha

Động cơ không đồng bộ (ĐCKĐB) ba pha có ba (hay bội số của ba) cuộn dây stator bố trí trong không gian như hình vẽ sau:

Sơ đồ đấu dây và điện áp stator của ĐCKĐB ba pha

(Ba trục của ba cuộn dây lệch nhau một góc 120 0 trong không gian)

Ba điện áp cấp cho ba đầu dây của động cơ từ lưới ba pha hay từ bộ nghịch

lưu, biến tần; ba điện áp này thỏa mãn phương trình:

usa(t) + usb(t) + usc(t) = 0

TIEU LUAN MOI download : skknchat123@gmail.com

Sơ đồ bộ biến tần nghịch lưu áp 6 khóa (MOSFETs hoặc IGBTs)

Thành lập vector không gian:

Đối với nguồn áp ba pha cân bằng, ta luôn có phương trình sau:

ua (t) + ub (t) + uc (t) = 0

Và bất kỳ ba hàm số nào thỏa mãn phương trình trên đều có thể chuyển sang hệ tọa độ 2 chiều vuông góc Ta có thể biểu diễn phương trình trên dưới dạng 3 vector gồm: [ua 0 0]T trùng với trục x, vector [0 ub 0]T lệch một góc 120o và vector [0 0 uc]T lệch một góc 240o so với trục x như hình sau đây

Biễu diễn vector không gian trong hệ tọa độ x-y

Từ đó ta xây dựng được phương trình của vector không gian trong hệ tọa độphức như sau:

Trong đó 2/3 là hệ số biến hình Phân tích u(t) trong phương trình trên thành phần thực và phần ảo

u (t )=u x + ju y

Ta xây dựng được công thức chuyển đổi hệ tọa độ từ ba pha abc sang hệ tọa độphức x-y bằng cách cân bằng phần thực và phần ảo trong phương trình

Tiếp theo hình thành tọa độ quay α-β bằng cách cho hệ tọa độ x-y quay

với vận tốc góc ωt Ta có công thức chuyển đổi hệ tọa độ như sau:t Ta có công thức chuyển đổi hệ tọa độ như sau:

Nguồn áp ba pha tạo ra là cân bằng và sin nên ta có thể viết lại phương

trình điện áp pha như sau:

Từ phương trình (2.5) ta xây dựng được phương trình sau:

TIEU LUAN MOI download : skknchat123@gmail.com

Thể hiện vector không gian có biên độ Vr quay với vận tốc góc ωt Ta có công thức chuyển đổi hệ tọa độ như sau:t

quanh gốc tọa độ 0 Phương trình điện áp dây như sau theo phương

trình (2.4) như sau:

Trong đó √ 2 để chuyển từ giá trị biên độ thành giá trị hiệu dụng, √3để

chuyển giá trị điện áp pha thành điện áp dây Vector điện áp dây sẽ sớm

pha hơn vector điện áp pha một góc π ∕ 6 Nếu lồng ghép các trạng thái

có thể có của q1 , q3 và q5 vào phương trình, ta thu được phương trình

điện áp dây (trị biên độ) theo các trạng thái của các khóa

Với n = 0, 1, 2 6, ta thành lập được 6 vector không gian V1 – V6 và 2

vector 0 là V0 và V7 như hình sau:

Các vector không gian từ 1 đến 6Đối với phương pháp điều rộng xung vector không gian, bộ nghịch lưu được xemnhư là một khối duy nhất với 8 trạng thái đóng ngắt riêng biệt từ 0 đến 7

Trạng thái đóng ngắt của các khóa

Giá trị điện áp các trạng thái đóng ngắt và vector không gian tương ứng

TIEU LUAN MOI download : skknchat123@gmail.com

Bảng giá trị điện áp các vector chuẩn

Tính toán thời gian đóng ngắt:

Xét trường hợp vector Vr nằm trong vùng 1 như hình sau:

Giả sử tần số điều rộng xung fPWM đủ cao để trong suốt chu kỳ điều

rộng xung Ts, vector V S không thay đổi vị trí Nhờ đó, ta có thể phân

tích Vs theo các vector V1, V2, và V0 hoặc V7 như phương trình sau:

Với Ts là chu kỳ điều rộng xung

Tn là thời gian duy trì ở trạng thái Vn

Chuyển sang hệ tọa độ vuông góc, ta có phương trình sau:

Cân bằng phần thực và phần ảo, ta có:

Giải phương trình ta tìm được T1 và T2:

Suy ra:

Trong đó: m là tỉ số điều biên

Ts là chu kỳ điều rộng xung

θ là góc lệch giữa Vr và Vn.

Ta nhận thấy việc giải phương trình để tìm T1, T2 và Ts không phụ thuộc

vào hai vector giới hạn của vùng đó

TIEU LUAN MOI download : skknchat123@gmail.com

Vector không gian Vs trong vùng bất kỳDựa trên kết quả tính toán ở trên ta có được công thức tổng quát:

Phân bố các trạng thái đóng ngắt:

Xét trường hợp vector VS nằm trong vùng 1:

Trạng thái đóng ngắt:

Tương tự cho các trường hợp khác

Kỹ thuật thực hiện điều khiển vector không gian:

Thông thường, một trong những tiêu chuẩn để lựa chọn giản đồ đóng kích linhkiện là sao cho giảm thiểu tối đa số lần chuyển mạch của linh kiện => giảm tổn hao trong quá trình đóng ngắt chúng Số lần chuyển mạch sẽ ít nếu ta thực hiện trình tự điều khiển sau:

Giản đồ đóng cắt linh kiện

Các bước điều khiển bằng phương pháp vector không gian

Bước 1: Xác định trạng thái (vector chuẩn) của mạch nghịch lưu

Bằng 3 nhánh van ta có 8 trạng thái logic (do NLNA không cho phép ngắn mạchnguồn vào một chiều, không hở mạch pha đầu ra) Ta qui ước, trạng thái logic 1 tương ứng van nhánh trên nối với cực (+); trạng logic 0 tương ứng van nhánh dưới nối với cực (-) nguồn một chiều

Có 8 trạng thái: 2 trạng thái không (u0, u7) và 6 trạng thái tích cực (u1 đến u6)

Trạng thái (vector chuẩn) mạch nghịch lưu

TIEU LUAN MOI download : skknchat123@gmail.com

Các vector điện áp trong mỗi trạng thái gọi là vector chuẩn Biên độ vector xác định:

Bước 2: Xác định vị trí vector điện áp đặt u s

Sử dụng phương pháp đại số để xác định vị trí vector điện áp đặt us

Mối quan hệ giữa các sector và điện áp tức thời usa , u sb , u sc

Thuật toán xác định vector điện áp đặt trong mỗi sector

Vector điện áp đặt us sẽ được tổng hợp từ hai vector biên trong khoảng thời

gian T1, T2 Thời gian còn lại (Ts – T 1 –T2) thực hiện vector không

TIEU LUAN MOI download : skknchat123@gmail.com

Tính toán hệ số điều chế vector chuẩn theo phương pháp đại số.

Viết lại theo thành phần trên hệ tọa độ tĩnh αβ

Hệ số d 0 thực hiện vector không sẽ được xác định:

Bảng tổng hợp ma trận trong mỗi sector

Bước 4: Tính toán thời gian (hoặc hệ số điều chế) thực hiện nhánh van

mạch nghịch lưu trong mỗi chu kỳ Ts

Sử dụng mẫu xung đối xứng và thời gian sử dụng vector không (u0, u7) bằng nhau

Xét ví dụ trong sector 1:

Trình tự chuyển mạch u0 → u1 → u2 → u7 và ngược lại u7 → u2 → u1 → u0

Giản đồ đóng ngắt các khóa để tạo ra Vector Vs trong từng sector:

Các khóa công suất trong từng nhánh đóng ngắt đối nghịch nhau Để

đơn giản hóa sơ đồ, ta chỉ vẽ trạng thái của 3 khóa công suất phía trên Ba

khóa còn lại có trạng thái đối nghịch với 3 khóa trên theo từng cặp như