LUẬN VĂN ĐIỆN TỬ ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ DÙNG BIẾN TẦN ABB ACS 150

Tùyvào loại dạng sóng ngõ ra xoay chiều, các phương pháp này có thể được xem như làcác bộ nghịch lưu nguồn ápVSIs: Voltage Source Inverters nếu như ngõ ra xoaychiều được điều khiển một c

MỤC LỤC

CHƯƠNG 1

LÝ THUYẾT LIÊN QUAN

I GIỚI THIỆU LỊCH SỬ BIẾN TẦN

1 Lịch sử phát triển các linh kiện bán dẫn công suất.

Sự phát triển của truyền động điện đã thúc đẩy cho sự phát triển của ngành điện

tử công nghiệp Tuy nhiên những ứng dụng của nó còn nhiều hạn chế vì thiếu linhkiện điện tử công suất có hiệu suất cao, kích thước nhỏ, tần số hoạt động lớn và đặcbiệt có độ tin cậy cao Các đèn điện tử chân không, và đèn cơ khí không đáp ứng đượcnhững đòi hỏi khắt khe của điện tử công nghiệp Điều đó đã thúc đẩy các nhà khoahọc nghiên cứu để phát minh ra các linh kiện mới Và mãi đến năm 1948, với sự rađời của Transistor do Bardeen, Brattain và Schockley, tại phòng thí nghiệm BellTelephone, giải thưởng Nobel năm 1956, đã đánh dấu bước phát triển cách mạngtrong kĩ thuật điện tử Từ đó ngành điện tử phát triển mạnh mẽ theo hai hướng là kĩthuật điện tử tín hiệu và điện tử công suất Trong đó ngành kĩ thuật điện tử tín hiệuchủ yếu là xử lí các tín hiệu qua khuếch đại, điều chế tần số cao, tín hiệu vào đượcmạch và linh kiện điện tử xử lí cho tín hiệu ra biến đổi về độ lớn, dạng sóng và tần số.Nguồn chỉ có tác dụng nuôi linh kiện điện tử Còn đối với ngành điện tử công suất thìchủ yếu nghiên cứu về chuyển mạch đóng cắt dòng điện lớn, điện áp cao để thay đổi

Dòng điện định mức

Tần số địnhmức

Công suấtđịnh mức

Điện áp rơithuận

2 Lịch sử ra đời của biến tần trong công nghiệp

Năm 1986, AIE phát minh ra bộ điều khiển tốc độ động cơ một chiều

Năm 1962, Bộ điều khiển tốc độ đầu tiên có tính xu hướng thương mại xuất hiệntrên thị trường.

3 Tầm quan trọng của biến tần trong công nghiệp

Với sự phát triển như vũ bão về chủng loại và số lượng của các bộ biến tần, ngàycàng có nhiều thiết bị điện – điện tử sử dụng các bộ biến tần, trong đó một bộ phậnđáng kể sử dụng biến tần phải kể đến chính là bộ biến tần điều khiển tốc độ động cơđiện

Trong thực tế có rất nhiều hoạt động trong công nghiệp có liên quan đến tốc độđộng cơ điện Đôi lúc có thể xem sự ổn định của tốc độ động cơ mang yếu tố sốngcòn của chất lượng sản phẩm, sự ổn định của hệ thống … ví dụ: máy ép nhựa làm đếgiầy, cán thép, hệ thống tự động pha trộn nguyên liệu, máy ly tâm định hình khi đúc

… Vì thế, việc điều khiển và ổn định tốc độ động cơ được xem như vấn đề chính yếucủa các hệ thống điều khiển trong công nghiệp

Điều chỉnh tốc độ động cơ là dùng các biện pháp nhân tạo để thay đổi các thông

số nguồn như điện áp hay các thông số mạch như điện trở phụ, thay đổi từ thông …

Từ đó tạo ra các đặc tính cơ mới để có những tốc độ làm việc mới phù hợp với yêucầu của phụ tải cơ Có hai phương pháp để điều chỉnh tốc độ động cơ:

 Biến đổi các thông số của bộ phận cơ khí tức là biến đổi tỷ số truyền chuyểntiếp từ trục động cơ đến cơ cấu máy sản xuất

 Biến đổi tốc độ góc của động cơ điện Phương pháp này làm giảm tính phứctạp của cơ cấu và cải thiện được đặc tính điều chỉnh, đặc biệt linh hoạt khi ứng dụngcác hệ thống điều khiển bằng điện tử Vì vậy, bộ biến tần được sử dụng để điều khiểntốc độ động cơ theo phương pháp này

3.1 Luận chứng kinh tế

 Chiếm 30% thị trường biến tần là các bộ điều khiển moment

 Trong các bộ điều khiển moment đông cơ chiếm 55% là các ứng dụng quạtgió, trong đó phần lớn là các hệ thống HAVC (điều hòa không khí trung tâm), chiếm45% là các ứng dụng bơm, chủ yếu là trong công nghiệp nặng

 Nâng cấp cải tạo các hệ thống bơm và quạt từ hệ điều khiển tốc độ không đổilên hệ tốc độ có thể điều chỉnh được trong công nghiệp với lợi nhuận to lớn thu về từviệc tiết giảm nhiên liệu điện năng tiêu thụ

3.2 Tính hữu dụng của biến tần trong các ứng dụng bơm và quạt

 Điều chỉnh lưu lượng tương ứng với điều chỉnh tốc độ Bơm và Quạt

 Điều chỉnh áp suất tương ứng với điều chỉnh góc mở của van

 Giảm tiếng ồn công nghiệp

 Năng lượng sử dụng tỉ lệ thuận với lũy thừa bậc ba của tốc độ động cơ

 Giúp tiết kiệm điện năng tối đa

Như tên gọi, bộ biến tần sử dụng trong hệ truyền động, chức năng chính là thayđổi tần số nguồn cung cấp cho động cơ để thay đổi tốc độ động cơ nhưng nếu chỉ thayđổi tần số nguồn cung cấp thì có thể thực hiện việc biến đổi này theo nhiều phươngthức khác, không dùng mạch điện tử Trước kia, khi công nghệ chế tạo linh kiện bándẫn chưa phát triển, người ta chủ yếu sử dụng các nghịch lưu dùng máy biến áp Ưuđiểm chính của các thiết bị dạng này là sóng dạng điện áp ngõ ra rất tốt (ít hài) vàcông suất lớn (so với biến tần hai bậc dùng linh kiện bán dẫn) nhưng còn nhiều hạnchế như:

- Giá thành cao do phải dùng máy biến áp công suất lớn

- Tổn thất trên biến áp chiếm đến 50% tổng tổn thất trên hệ thống nghịch lưu

- Chiếm diện tích lắp đặt lớn, dẫn đến khó khăn trong việc lắp đặt, duy tu, bảo trì

- Điều khiển khó khăn, khoảng điều khiển không rộng và dễ bị quá điện áp ngõ ra

do có hiện tượng bão hoà từ của lõi thép máy biến áp

Ngoài ra, các hệ truyền động còn nhiều thông số khác cần được thay đổi, giám sátnhư: điện áp, dòng điện, khởi động êm (Ramp start hay Soft start), tính chất tải … màchỉ có bộ biến tần sử dụng các thiết bị bán dẫn là thích hợp nhất trong trường hợp này

4 Phân loại biến tần

Trong thực tế biến tần được phân làm hai loại chính dựa theo phương thứcchuyển đổi tần số là:

Hình 1.1: Mô hình minh họa sự phát triển biến tần theo thời gian

5 Vai trò biến tần đa bậc.

Hiện nay biến tần đã và đang được sử dụng rất có hiệu quả trên thế giới nóichung và tại Việt Nam nói riêng, tuy có nhiều ưu điểm và ứng dụng với hiệu quả caonhưng biến tần đơn bậc cũng còn tồn tại một số hạn chế như:

 Sóng điện áp còn nhiều hài bậc cao, chưa gần sin

 Trị số điện kháng Lf mạch lọc còn cao, dẫn đến tổn hao

 Tổn hao trong quá trình đóng cắt (Psw) cao

 Công suất truyền tải còn thấp (Pcond)…

Để khắc phục những hạn chế nói trên người ta đã phát minh ra biến tần đa bậcnhằm phục vụ và đáp ứng tốt hơn nhu cầu của con người Ưu điểm của biến tần đabậc là khắc phục tốt những hạn chế của biến tần đơn bậc, vì là đa bậc nên sóng ra gầnsin hơn vì thế giảm bớt hài bậc cao, ít tổn hao Cho dù sóng ra như thế nào thì cũngchỉ gần Sin nên ta phải dùng bộ lọc, càng gần Sin thì lọc càng ít, vì thế biến tần đa bậc

có tổn hao do dung kháng Lf trong bộ lọc thấp Vì đóng cắt ở tần số cao biến tần đabậc còn có tổn hao trong thời gian chuyển trạng thái ít, công suất truyển tải nâng cao,công suất tổn hao giảm xuống… đó là những ưu điểm vượt trội của biến tần đa bậc sovới biến tần đơn bậc Trong tương lai khi nền công nghiệp phát triển mạnh mẽ, đòihỏi công suất cao trong những điều kiện tần số khắc khe thì biến tần đa bậc sẽ là một

II BIẾN TẦN TRỰC TIẾP

1 Giới thiệu

Bộ biến đổi AC-AC là một vấn đề lớn đã được nghiên cứu trong các bộ chuyểnđổi công suất trong công nghiệp và được ứng dụng nhiều hơn so với các bộ chuyểnđổi công suất khác Mặc dù bộ biến đổi công suất AC- AC đã được phát triển trongthời gian dài và được sử dụng phổ biến từ sau năm 1930, nhưng tần số đóng ngắt vàcông suất còn thấp Cho đến khi linh kiện điện tử công suất được ra đời, như Turn offthyristors (GTO), Triac, Bipolar Transistor (BT), Insulated Gate Bipolar Transistor(IGBT) và Power Mosfield Effect Transistor (MOSFET) và sau đó là biến đổi côngsuất từ AC-DC sau năm 1980 nâng cao tần số đóng ngắt và có thể chuyển đổi côngsuất cao Thiết bị nguồn công suất DC hoàn toàn được thay đổi từ sau năm 1960 khiSCR được sản xuất Tương ứng với mạch điều khiển cũng dần dần chuyển từ tương

tự sang điều khiển bằng hệ thống số sau năm 1980 Các tính toán điều khiển cho tất

cả biến tần trực tiếp AC-AC được nghiên cứu và bàn luận rộng rãi Biến tần trực tiếpAC/AC dùng để biến đổi một nguồn công suất AC sang một nguồn AC khác Cáccách thường dùng hay các dạng như sau:

1 Biến đổi điện áp một pha AC/AC

2 Biến đổi điện áp ba pha AC/AC

3 Biến tần trực tiếp một pha vào một pha ra (SISO)

4 Biến tần trực tiếp ba pha vào một pha ra (TISO)

5 Biến tần trực tiếp ba pha vào ba pha ra (TITO)

6 Biến tần đường bao ( Matrix)

Tất cả bộ biến đổi điện áp AC/AC từ nguồn AC với tần số và điện áp cao hơnsang tần số và điện áp thấp hơn với góc trễ pha nhỏ

2 Phân loại biến tần

2.1.Biến tần trực tiếp một pha

Các bộ chuyển mạch hai nửa chu kì gồm hai nhóm: nhóm dương kí hiệu là P vànhóm âm kí hiệu là N Cơ sở của mạch công suất điều khiển điện áp một pha AC-ACvới pha điều khiển như hình 1.a bao gồm 1 cặp SCR ghép nối back to back đối nghịchgiữa nguồn AC và tải cho ta điện áp có dạng sóng đối nghịch hai chiều đối xứng CặpSCR có thể được thay thế bằng Triac như hình 1.b cho nguồn công suất thấp; với sự

bố trí như hình 1.c gồm hai điốt và hai SCR để cung cấp điện áp bình thường cực âmlàm đơn giản mạch qua cửa cần cho sự cách ly Trong hình 1d với 1 SCR và 4 điốtlàm giảm bớt tổn thất nhưng lại tăng thêm sự hao phí vì nhiệt Một sự kết hợp giữaSCR và Điốt như hình 1.e, cung cấp điện áp điều khiển ngõ ra không đối xứng mộtchiều với phương thức tự kiểm soát nhưng có cấu thành DC vào và hơn nữa, khôngthực tế để loại trừ tổn hao công suất do sự nóng lên của tải

Hình 1 Mô hình điều khiển điện áp một pha.Hình a) Ghép nối hai SCR Hình b) Sử dụng Triac Hình c)Kết hợp hai SCR và hai Điốt Hình d)Một SCR kết hợp với 4 Điốt Hình e)Sự kết hợp giữa SCR và Điốt.

Dạng sóng trên tải được cho như hình sau: Với là góc kích của SCR

Sau đây là dạng sóng toàn kì một pha tải cảm R_L, trong trường hợp tải trở thìđiện áp tải gián đoạn còn tải R_L thì không còn gián đoạn nữa

Hình 2 Dạng sóng một pha toàn chu kì với tải trở

Hình 3 Dạng sóng toàn kì một pha tải cảm R_L

Hình 4 Thời gian điều khiển đóng cắt một pha.

Hình a Thời gian đóng cắt của linh kiện.

Hình b Biểu đồ hệ số công suất

Điện áp ngõ ra có công thức:

Điện áp tức thời

Hệ số công suất (Power factor)

2.2 Biến tần trực tiếp ba pha

Ta có các dạng mạch của biến tần trực tiếp ba pha mắc như các hình dưới đây

Hình 5 Sơ đồ mạch điện áp ba pha AC

Trong hình a và b ta thấy sơ đồ mạch ba pha điều khiển các pha độc lập nhaurất đơn giản Trong hình a chịu dòng và áp một pha trên một đường, trong khi hình bthì chịu dòng trên một đường và áp trên một đường, hệ số công suất trong hình b thìkhông cao, góc điều khiển của cả hai mô hình a và b biến đổi từ 0 đến 180 độ với tải

R Trong hình c và d cho mô hình ba pha ba mạch và khó điều khiển Cả hai mô hìnhtrong mỗi pha có hai SCR, một trong mỗi pha phải luôn luôn dẫn để điều phối dònggiữa tải và nguồn Trong hình e và f thì tải lại ở giữa nguồn và bộ biến đổi, ở đâydòng có thể chuyển đổi giữa hai dây nếu như có một SCR dẫn, xong mỗi SCR dẫnđều có một xung kích khác nhau Sóng điện áp và dòng gần giống như là của hình b Hình f thì chỉ có ba SCR và ngay khi chúng dẫn thì nguồn sẽ được nối ngay với tải vàmỗi SCR dẫn trong 120 độ Mô hình f thì ít được sử dụng nhưng nó có dòng lớn vànhư trong trường hợp điều khiển một pha thì ta có thể thay thế sáu SCR bằng ba SCR

và ba điốt Trong hình g và h thì tải đấu hình sao và tam giác, hạn chế lớn nhất của hai

mô hình là điện áp ra có nhiều hài, đặc biệt là hài bậc hai bỡi tính không đối xứng

2.3 Biến tần trực tiếp một pha vào một pha ra(SISO)

Trái ngược với sự điều khiển điện áp AC tại tần số không đổi đã được bàn luậnnhiều Bộ biến tần trực tiếp hoạt động như bộ biến đổi AC/AC có tần số biến đổi kèmtheo nhưng đặc tính của nó Nguyên lí của bộ chuyển đổi được xây dựng trên dạng

sóng điện áp, từ sự gián đoạn điện áp từng khúc của sóng điện áp của nguồn AC tần

số cao và được phát minh từ năm 1920.Bộ nghịch lưu thủy ngân đã được dùng trongcác bộ chỉnh lưu ở Đức năm 1930 với nguồn 1 pha tần số 16 2/3 Hz, trực tiếp kéo tải

từ nguồn ba pha tần số 50 Hz Trong khi đó bộ biến tần trực tiếp dùng 18 Thyratronscung cấp 400 Hp tải đã hoạt động trong một vài năm như các mô hình phụ tải ở Mỹ.Tuy nhiên, thực tế và sử dụng có ích là hai vấn đề khác nhau mà phải đợi mãi tới khiSCR ra đời năm 1960 Dưới đây là mô hình sử dụng SCR:

Hình 6 : Cấu trúc bộ biến tần trực tiếp một pha AC/AC a)Mạch công suất của biến tần trực tiếp dạng cầu một pha

b) Mạch thay thế tương đương đơn giản hóa.

Với sự hiểu biết và sử dụng rộng rãi của SCR công suất và sự điều khiển bằng

vi mạch điện tử, bộ biến tần trực tiếp ngày này đã thực sự là bộ biến đổi hoàn thiệncho nguồn công suất có tốc độ chậm Sự biến đổi điện áp và biến đổi tần số (VVVF)được sử dụng trong các hệ thống cần có sự điều khiển chính xác và ổn định như trongcác hệ thống cán thép và hệ thống chế tạo tàu thủy của hải quân, hệ thống dây chuyềnsản xuất da dày…

Biến tần trực tiếp dần dần được thay thế bỡi bộ chuyển đổi khác vì với nhữngđặc tính của nó không thực tế và có những hạn chế không giống như bộ biến đổi SCR

và được thay thế dần Tại vì SCR có những hạn chế như nhu cầu về thời gian đóng cắtkhông đáp ứng, tần số hoạt động thấp, thời gian dV/dt và độ nhạy của SCR còn thấp.Hạn chế chính của biến tần trực tiếp là dải hoạt động tần số có hiệu quả hẹp, độ biếnđổi ngõ vào trên ngõ ra có điện áp thấp

Hình 7: Dạng sóng ngõ vào và ngõ ra của bộ biến tần trực tiếp tải trở tần số 16.2/3 Hz.

50-Hình 8: Dạng sóng biến tần trực tiếp một pha vào một pha ra tần số 50/10

Hz với tải trở Hình a Dạng sóng điện áp tải và dòng tải, Hình b Dạng sóng dòng công suất biến đổi

Tuy ít khi được sử dụng, nhưng biến tần trực tiếp dạng SISO thì có ích để giải thích cho những nguyên lí phức tạp hơn

2.4 Biến tần trực tiếp ba pha vào một pha ra (TISO)

Hình 9: Biến tần trực tiếp ba pha nửa sóng cung cấp một pha tải

Hình 10: Dạng sóng biến tần trực tiếp ba pha nửa sóng với dòng tuần hoàn

Trong hình 9 cho thấy sơ đồ của mạch điều khiển biến tần trực tiếp ba pha nửa

10 cho thấy dạng sóng đặc trưng của mạch có chỉ số đập mạch bằng p = 3 với dòngđiện liên tục Mỗi bộ chuyển đổi quản lí với sự chỉnh lưu và cách thức tạo ra áp tải và hai bộ chuyển đổi để giảm độ gợn sóng trong quá trình điều khiển Dạng sóng cơ bảnsinh ra ở hai bộ chuyển đổi là giống nhau, điện áp sinh ra khác nhau giữu điện áp bộbiến đổi và điện áp sinh ra bỡi độ tự cảm( thường không đáng kể với mạch điện trở) làdòng liên tục.

2.5 Biến tần đường bao ( Matrix cyclyconverter)

Dạng sóng của bộ biến tần này là đường bao của các sóng vào nên nó có tên làbiến tần đường bao Có thể điều khiển bộ biến tần này sao cho các tình trạng dẫn hoàntoàn như các điốt, việc điều khiển các tiristo được tiến hành trong khoảng nửa chu kìlàm việc Ta nhận thấy mạch điều khiển cần thiết để tổng hợp đầu ra đơn giản hơn cácđơn giản hơn bộ biến tần điều khiển pha như trình bày các phần trên Tuy nhiên nócũng có một vài hạn chế, vì sóng ra có xu hướng trở nên hình chữ nhật nên xuất hiệnđiều hòa bậc cao Tỷ số tần số ra trên tần số vào không thay đổi một cách tùy ý màphải là số nguyên Một tải có hệ số công suất chậm sau hay vượt trước, tùy theo từngkhoảng thời gian phải cho nhóm làm việc ở chế độ chỉnh lưu sau đó ở chế độ nghịchlưu với hế cố công suất tải bằng 1 hay gần bằng 1 Nếu mỗi nhóm bộ biến đổi sáu nửachu kì với các điện áp pha khác nhau có thể chuyển mạch các pha một cách tự nhiên

để có tỷ số tần số 3/1 khi đó sóng ra gần sin hơn

Hình 11: Dạng sóng điện áp tải biến tần trực tiếp đường bao sáu pha.

III.BỘ NGHỊCH LƯU

1.Giới thiệu chung.

Mục đích chính của các bộ chuyển đổi nguồn tĩnh là cung cấp 1 dạng sóng ngõ

ra xoay chiều từ 1 nguồn cung cấp một chiều Các dạng sóng ngõ ra này được yêu cầutrong các động cơ có thể điều chỉnh tốc độ các bộ cung cấp nguồn liên tục Với cácngõ ra là sóng sin xoay chiều thì biên độ, tần số và góc pha nên được điều khiển Tùyvào loại dạng sóng ngõ ra xoay chiều, các phương pháp này có thể được xem như làcác bộ nghịch lưu nguồn áp(VSIs: Voltage Source Inverters) nếu như ngõ ra xoaychiều được điều khiển một cách độc lập là dạng sóng điện áp.Các cấu trúc này hầu hếtđược sử dụng rộng rãi vì chúng hoạt động như các nguồn áp và điều này được yêu cầutrong nhiều ứng dụng trong công ngiệp trong đó, các động cơ có thể điều chỉnh đượctốc độ (ASD) là ứng dụng phổ biến nhất của các bộ nghịch lưu, xem hình 3.1

Hình 3.1 Mô hình điều khiển tốc độ

Tương tự, các phương pháp này được gọi là các bộ nghịch nguồn dòng (CSIs:Current Source Inverters) với ngõ ra xoay chiều có thể điều khiển được là dạng sóngdòng điện Các cấu trúc này vẫn được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng côngnghiệp có điện áp trung bình, và các dạng sóng điện áp đòi hỏi có chất lượng cao

Các bộ chuyển đổi nguồn tĩnh, đặc biệt là các bộ nghịch lưu được tạo thành từcác bộ chuyển mạch công suất và vì vậy, các dạng sóng ngõ ra xoay chiều được tạothành từ các giá trị rời rạc Mặc dù dạng sóng này không thật sự là sóng sin nhưmong đợi, nhưng thành phần cơ bản của nó vẫn hoạt động tốt Hoạt động này nênđược đảm bảo bằng một kỹ thuật điều chế mà điều khiển về thời gian và trình tự được

sử dụng để đóng ngắt các khóa nguồn On và Off Các kỹ thuật điều chế được sử dụngnhiều nhất là kỹ thuật sóng mang cơ bản (SPWM), kỹ thuật vector không gian (SV:Space Vector), và kỹ thuật hạn chế hài có chọn lọc (SHE: Selective HarmonicElimlination)

Bộ nghịch lưu nguồn áp (VSI) tạo ra một dạng sóng điện áp ra xoay chiềugồm các giá trị rời rạc (dv/dt cao), do đó, tải nên có thành phần cảm kháng tại các tần

số hài để tạo ra một dạng sóng dòng điện mịn Tải dung kháng trong các bộ nghịchlưu nguồn áp sẽ tạo ra các đỉnh nhọn của dòng lớn (current spikes) Trong trường hợpnày, ta nên sử dụng một bộ lọc cảm kháng giữa phần xoay chiều của VSI và tải Mặtkhác, bộ nghịch lưu nguồn dòng (CSI) tạo ra dạng sóng dòng điện ngõ ra gồm các giátrị rời rạc (di/dt lớn) Do đó, tải nên chứa thành phần dung kháng tại các tần số hài đểtạo ra một dạng sóng điện áp mịn Tải cảm trong CSIs sẽ sinh ra các đỉnh nhọn của áplớn Trong trường hợp này, ta nên dùng một bộ lọc dung kháng giữa phần xoay chiềucủa CSI và tải

Dạng sóng điện áp 3 bậc thường không được dùng trong các động cơ có thểđiều khiển được tốc độ với mức điện áp trung bình vì thành phần dv/dt lớn sẽ thêmvào các cực của động cơ Các sự lựa chọn để cải thiện các dạng sóng ngõ ra xoaychiều trong VSIs là các phương pháp đa bậc (multilevel và multicell) Nguyên tắc cơbản là tạo ra dạng sóng ngõ ra theo yêu cầu từ các mức điện áp khác nhau, và nó tạo

ra các dạng sóng điện áp trung bình với thành phần dv/dt được giảm thiểu Cácphương pháp này được phát triển mạnh trong ASDs, và chúng cũng thích hợp với bộlọc tích cực (active filter) và các bộ bù điện áp Các kỹ thuật điều chế chuyên dụngđược phát triển để đóng ngắt số lượng lớn hơn các van công suất Trong số cácphương pháp điều chế đó, SPWM và SV cơ bản được ứng dụng rất rộng rãi

Trong nhiều ứng dụng, có yêu cầu đưa năng lượng từ phần xoay chiều của bộnghịch lưu và gửi ngược về phần một chiều Với trường hợp này, mỗi khi ASD cầndừng lại hoặc giảm tốc độ, hướng của dòng liên kết một chiều (dc link current) bị đảongược vì thực tế điện áp liên kết một chiều là cố định Nếu một tụ điện được dùng đểduy trì điện áp liên kết một chiều (như trong ASD chuẩn) thì năng lượng sẽ bị tiêu tánhoặc được hồi về hệ thống phân phối, mặt khác, điện áp liên kết một chiều sẽ tăng lên

từ từ Cách đầu tiên là yêu cầu tụ điện liên kết một chiều được nối song song với mộtđiện trở, và nó phải được đóng ngăt một cách thích hợp chỉ khi năng lượng truyền từtải của động cơ về dc link Một cách lựa chọn tốt hơn là phản hồi năng lượng về hệthống phân phối Tuy nhiên, cách này cần một giao thức đảo ngược dòng được nốigiữa hệ thống phân phối và tụ liên kết một chiều Một phương pháp mới là dùng các

kỹ thuật lọc tích cực trước khâu cuối (the active front-end rectifer technologies), vớichế độ phát lại là chế độ hoạt động tự nhiên của hệ thống

Trong chương này, ta sẽ nói về các bộ nghịch lưu một pha và ba pha dạngnguồn dòng và áp Dc link sẽ được coi như là thành phần dc hoàn hảo, cả nguồn dòng

và áp đều có thể được giữ cố định như điện áp liên kết một chiều (dc link) trongASDs chuẩn hoặc được thay đổi như dòng dc link trong các động cơ nguồn dòng cóđiện áp trung bình Đặc biệt ta sẽ tìm hiểu về các giao thức, các kỹ thuật điều chế,phương diện điều khiển, hướng ứng dụng Để quá trình phân tích được đơn giản hơn,

ta coi như các bộ nghịch lưu là các giao thức không có sự tiêu tốn (gồm các khóacông suất lý tưởng) Tuy nhiên, một vài điều kiện thực tế, không lý tưởng cũng sẽđược đề cập đến

2 Các bộ nghịch lưu nguồn áp một pha

Các bộ nghịch lưu nguồn áp (VSI) một pha gồm 2 dạng: bán cầu và toàn cầu.Mặc dù công suất của chúng thấp nhưng chúng vẫn được sử dụng rộng rãi trong các

bộ cung cấp nguồn (power supplies) UPSs một pha và trong các giao thức nguồn tĩnh

có công suât cao phức tạp hiện nay (form elaborate high-power static powertopologies)

2.1 Bộ nghịch lưu nguồn áp một pha bán cầu.

Hình 3.2 cho ta thấy dạng mạch của bộ nghịch lưu nguồn áp 1 pha bán cầu, 2

tụ điện lớn để tạo ra điểm trung tính N, mỗi tụ điện duy trì một điện áp cố định vi /2.Bởi vì các hài dòng được sinh ra bởi hoạt động của bộ nghịch lưu là các hài có bậcthấp (low-order harmonics), nên ta cần phải đặt vào các tụ điện lớn (C+ và C- )

Hình 3.2 Bộ nghịch lưu nguồn áp 1 pha bán cầu

Một điều cần lưu ý rằng cả 2 công tắc S+ và S- đều không thể được dẫn đồngthời vì sẽ gây ra sự ngắn mạch qua nguồn áp liên kết một chiều vi (dc link voltagesource) Có hai trạng thái đóng ngắt xác định (trạng thái 1 và 2) và một trạng tháiđóng ngắt không xác định (trạng thái 3) như trong bảng 3.1 Để tránh sự ngắn mạchqua đường dẫn dc và trạng thái điện áp ngõ ra xoay chiều không xác định, kỹ thuậtđiều chế nên luôn đảm bảo rằng tại mỗi thời điểm hoặc công tắc trên hoặc chỉ côngtắc dưới của bộ nghịch lưu được On

Bảng 3.1 Các trạng thái đóng ngắt của bộ nghịch lưu nguồn áp một pha bán cầu.

Hình 3.3 cho thấy dạng sóng lý tưởng ứng với bộ nghịch lưu bán cầu trong hình 3.2 Các trạng thái của các công tắc S+ và S- được xác định bởi kỹ thuật điều chế, mà trong trường hợp này là kỹ thuật điều chế sóng mang cơ bản PWM

Hình 3.3 Dạng sóng lý tưởng của bộ nghịch lưu nguồn áp bán cầu ứng với kỹ thuật điều chế độ rộng xung sóng sin (ma=0.8, mf =9): (a) các tín hiệu sóng mang và tín hiệu điều chế; (b) trạng thái của công tắc S+; (c) trạng thái của công tắc S- ; (d) điện áp ngõ ra xoay chiều; (e) chuỗi(spectrum) điện áp ngõ ra xoay chiều; (f) dòng điện ngõ ra xoay chiều; (g) dòng điện một chiều; (h) chuỗi dòng điện một chiều; (i) dòng điện của công tắc S+ ; (j) dòng của diode D+

2.1.1 Kỹ thuật điều chế độ rộng xung sóng mang cơ bản.

Như đã đề cập ở trước, điều mong muốn là điện áp xoay chiều ngõ ra vo = vAN theo như dạng sóng đã cho (có nghĩa là dạng sóng sin) bằng cách đóng ngắt một cách thích hợp các khóa công suất Kỹ thuật điều chế độ rộng xung (PWM) sóng mang cơ bản xác định các trạng thái đóng, ngắt của các khóa trên một nhánh của bộ

nghịch lưu bằng cách so sánh một tín hiệu điều chế vc (điện áp ngõ ra xoay chiều mong muốn) và một sóng tam giác v∆ (tín hiệu sóng mang) Trong thực tế, khi vc > v∆ công tắc S+ đóng và công tắc S- ngắt Tương tự, khi vc < v∆ công tắc S+ ngắt và công tắc S- đóng

Một trường hợp đặc biệt là khi tín hiệu điều chế vc là một sóng sin với tần số

fc và biên độ c , và tín hiệu tam giác v∆ với tần số f∆ và biên đo ∆ Đây là loạiđiều chế độ rộng xung sóng sin (SPWM) Trong trường hợp này, hệ số điều chế ma(còn được coi là tỉ số biên độ điều chế) được xác định là:

(3.1)

Và hệ số tần số sóng mang mf (tỉ số tần số điều chế) là:

(3.2)Hình 3.3 (e) cho ta thấy rằng điện áp ngõ ra xoay chiều vo = vaN là dạng sóngsin cơ bản có chứa hài, với các đặc điểm sau:

Biên độ của điện áp xoay chiều ngõ ra o1 của thành phần cơ bản thỏa biểu thức sau:

(3.3)

b Với các hài lẻ tần số sóng mang mf của điện áp ngõ ra xoay chiều xuất hiện các tần

số fh xung quanh mf và các bội số của nó

h = lmf ± k l = 1, 2, 3, ……

với k = 2, 4, 6, … ứng với l = 1, 3, 5, … và k = 1, 3, 5 … ứng với l = 2, 4, 6, …

c Biên độ của điện áp ngõ ra xoay chiều của các hài là một hàm của hệ số điều chế

ma và không phụ thuộc vào tần số sóng mang mf nếu mf > 9

d Các hài trong dòng liên kết một chiều xuất hiện với các tần số fp quanh tần số sóng mang mf và các bội số của nó:

p = lmf ± k ± 1 l = 1, 2, 3, …

với k = 2, 4, 6, … ứng với l = 1, 3, 5 … và k = 1, 3, 5, … ứng với l = 2, 4, 6, …

Các vấn đề quan trọng cũng cần phải chú ý là:

- Với các giá trị mf nhỏ (mf < 21), tín hiệu sóng mang v∆ và tín hiệu điều chế

vc nên đồng bộ với nhau để đảm bảo các đặc tính ở trước Nếu không, các hài bậc ba

sẽ xuất hiện trong điện áp ngõ ra xoay chiều

- Với các giá trị mf lớn (mf >21), các hài bậc ba sẽ không đáng kể nếu sử dụng

kỹ thuật điều chế độ rộng xung không đồng bộ Tuy nhiên, vì có khả chứa các hài bậc

ba có bậc thấp (low order subharmonics) nên phương pháp này nên tránh sử dụng

- Trong vùng ngoài điều chế (ma > 1) một số chỗ giao nhau giữa sóng mang

và sóng điều chế được bị lệch, điều này dẫn đến sự phát sinh ra các hài bậc thấp nhưng nó chứa thành phần cơ bản có mức điện áp ngõ ra xoay chiều cao hơn Không may là, tính chất tuyến tính giữa ma và o1 đạt được trong vùng tuyến tính ở biểu

thức (3.3) không được giữ trong vùng ngoài điều chế, hơn nữa, ta có thể thấy được ảnh hưởng của sự bão hòa ở hình (3.4).

Hình 3.4 Thành phần xoay chiều cơ bản của điện áp ngõ ra trong bộ nghịch lưu nguồn áp bán cầu với kỹ thuật SPWM

Kỹ thuật PWM cho phép tạo ra một điện áp ngõ ra xoay chiều Trường hợpđặc biệt của kỹ thuật này là kỹ thuật SPWM (tín hiệu điều chế là sóng sin) tạo ra trongvùng tuyến tính một điện áp ngõ ra xoay chiều thay đổi tuyến tính theo một hàm của

hệ số điều chế và có các hài với tần số và biên độ được xác định rõ Các đặc điểm nàyđơn giản hóa các thành phần của bộ lọc khi thiết kế Tuy nhiên, biên độ tối đa củađiện áp xoay chiều của thành phần cơ bản là vi /2 trong chế độ hoạt động này Cácmức điện áp cao hơn đạt được bằng cách sử dụng vùng quá điều chế (ma >1); tuynhiên, các hài bậc thấp sẽ xuất hiện trong điện áp ngõ ra xoay chiều Các giá trị rất lớncủa hệ số điều chế (ma > 3.24) điện áp ngõ ra xoay chiều hoàn toàn vuông và nó đượcxem như là kỹ thuật điều chế sóng vuông

2.1.2 Kỹ thuật điều chế sóng vuông (Square- Ware Modulating Technique).

Cả hai công tắc S+ và S- đều đóng trong một bán kì của ngõ ra xoay chiều

Kỹ thuật này tương đương với kỹ thuật SPWM với chỉ số điều chế không xác định.Hình 3.5 cho ta thấy: điện áp ngõ ra xoay chiều chuẩn của các hài tại các tần số có h =

3, 5, 7, 9, … và ứng với một điện áp liên kết một chiều; biên độ của điện áp ngõ raxoay chiều của thành phần cơ bản được cho bởi:

(3.6)

Và biên độ của các hài được cho bởi:

(3.7)

Ta có thể xem như điện áp ngõ ra xoay chiều không thể thay đổi được bằng bộnghịch lưu Tuy nhiên, ta có thể thay đổi bằng cách điều khiển điện áp liên kết mộtchiều vi Các kỹ thuật điều chế khác cũng có thể được ứng dụng trong cấu hình báncầu (như kỹ thuật loại trừ hài có chọn lựa)

Hình 3.5 Dạng sóng của bộ nghịch lưu nguồn áp bán cầu lý tưởng với kỹ thuật điều chế sóng vuông: (a) điện áp ngõ ra xoay chiều; (b) chuỗi (phổ) của điện áp ngõ ra xoay chiều.

2.1.3 Sự loại trừ hài có chọn lựa (Selective Harmonic Elimination):

Mục đích chính là đạt được một dạng sóng điện áp ngõ ra xoay chiều hình sinvới thành phần cơ bản có thể được điều chỉnh một cách tùy ý trong một phạm vi vàcác hài thực chất được loại trừ một cách có chọn lọc Điều này đạt được bằng cách tạo

ra một cách chính xác các thời điểm đóng và ngắt của các van công suất (powervalves) Điện áp ngõ ra xoay chiều chỉ chứa các hài lẻ (voh = 0, h = 2, 4, 6 …) Tuynhiên, dạng sóng điện áp mỗi pha (vo = vAN trong hình 3.2), nên được đóng ngắt Nlần trên mỗi bán kì để điều chỉnh thành phần cơ bản và loại trừ các hài N-1 trong dạngsóng điện áp ngõ ra Ví dụ, để loại trừ các hài bậc thứ 3 và thứ 5 và điều khiển độ lớncủa thành phần cơ bản (N = 3), ta giải quyết các biểu thức sau:

(3.8)Các góc 1, 2, và 3 được xác định như trong hình 3.6a Các góc được xác định bằng các phương pháp của thuật toán lặp lại vì không có các kết quả phân tích nào được đưa ra

Hình 3.6 Các dạng sóng lý của bộ nghịch lưu nguồn áp bán cầu lý tưởng với kỹ thuật loại trừ hài có chọn lọc (SHE: Selective Harmonic Elimination): (a) điện áp ngõ ra xoay chiều với sự lọai trừ hài thứ ba và thứ 5; (b) phổ của (a); (c) điện áp ngõ ra xoay chiều với sự loại trừ hài thứ 3, 5 và 7; (d) phổ của (c)

Các góc 1, 2, và 3 được đánh dấu với các giá trị khác nhau của o1/vi trong hình 4.7a.Công thức chung để loại trừ một số các hài chẵn N-1 (N – 1 = 2, 4, 6, …) là

(3.9)

Với 1, 2, … N nên thỏa 1 < 2 < … < N < π/2 Tương tự, để hạn chế một số các hài lẻ,

ví dụ, bậc 3, 5 và 7, và để điều khiển biên độ của thành phần cơ bản (N – 1 = 3), ta phải giải quyết các biểu thức sau:

(3.10)

Các góc 1, 2, 3 và4 được xác định như trong hình 4.6b Các góc 1, 2, 3 và4 được đánhdấu với các giá trị khác nhau của o1/vi trong hình 4.7b

Hình 3.7 Các góc đóng ngắt với SHE và sự điều khiển điện áp cơ bản trong bộ

nghịch lưu nguồn áp nửa cầu: (a) sự loại trừ các hài thứ 3 và 5; (b) sự loại trừ các hài thứ 3, 5, và 7.

Biểu thức chung để loại trừ một số các hài lẻ N – 1 (N- 1 = 3, 5, 7 … ) được cho bởi:

(3.11)

Để thực hiện kỹ thuật điều chế SHE, bộ điều chế nên tạo ra mô hình cổng tùytheo các góc như trong hình 3.7 Nhiệm vụ này luôn được thực hiện bởi các hệ thống

số mà nó thông thường chứa các góc trong các bảng tra cứu

2.1.4 Dòng liên kết một chiều (DC Link Current)

Các tụ điện được xem như là một phần của bộ nghịch lưu và vì vậy một nguồnđiện cân bằng tức thời không thể được coi là nhờ các thành phần lưu trữ năng lượng (C+ và C-) Tuy nhiên, nếu ta xem như là bộ nghịch lưu không có sự tiêu tán, năng lượng trung bình tiêu thụ bởi tải trong một thời gian phải được cân bằng với giá trị trung bình của nguồn cung cấp bằng nguồn dc Vì vậy, ta có:

(3.12)Với T là thời gian của điện áp ngõ ra xoay chiều Với tải cảm và tần số đóngngắt khá cao, dòng tải io thì gần như dạng sin và vì vậy, chỉ có thành phần cơ bản củađiện áp ngõ ra cung cấp đến tải Mặt khác, nếu điện áp liên kết một chiều duy trì vớigiá trị không đổi vi (t) = Vi ,biểu thức (4.12) có thể được đơn giản hóa thành:

(3.13)

Với Vo1 là điện áp ngõ ra xoay chiều hiệu dụng cơ bản, Io là dòng tải hiệudụng, f là hệ số công suất của một tải cảm tùy ý, và Ii là dòng liên kết một chiều mà

nó có thể được đơn giản hóa tiếp thành:

(3.14)

2.2 Bộ nghịch lưu nguồn áp toàn cầu (Full-Bridge VSI)

Hình 3.8 cho ta thấy dạng mạch của một bộ nghịch lưu nguồn áp toàn cầu Bộnghịch lưu này tương tự với bộ nghịch lưu bán cầu, tuy nhiên, một nhánh thứ hai cungcấp điểm trung tính cho tải Như ta đã biết, cả hai công tắc S1+ và S1- (hoặc S2+ vàS2-) không thể cùng dẫn đồng thời vì sẽ dẫn đến sự ngắn mạch qua nguồn áp liên kếtmột chiều vi Có 4 trạng thái đóng ngắt xác định (1, 2, 3 và 4) và một trạng thái đóngngắt không xác định như trong bảng 3.2

Hình3.8 Bộ nghịch lưu nguồn áp toàn cầu một pha (Single-phase full-bridge VSI)

Bảng 3.2 Các trạng thái đóng ngắt của bộ nghịch lưu nguồn áp một pha toàn cầu:

Điều kiện không xác định nên được tránh để điện áp ngõ ra xoay chiều luôn cóthể xác định được Để tránh sự ngắn mạch qua đường dẫn một chiều (dc bus) và trạngthái không xác định của điện áp ngõ ra xoay chiều, kỹ thuật điều chế nên đảm bảorằng cả công tắc ở trên hay ở dưới của mỗi nhánh đều không cùng dẫn tại bất cứ thờiđiểm nào Ta có thể thấy rằng điện áp ngõ ra xoay chiều có thể đạt đến giá trị tối đa làđiện áp liên kết một chiều vi, và nó gấp 2 lần so với bộ nghịch lưu áp bán cầu Một số kỹ thuật điều chế được phát triển cho các bộ nghịch lưu nguồn áp toàn cầu.Trong số đó là các kỹ thuật PWM (lưỡng cực (bipolar) và đơn cực (unipolar)

2.2.1 Kỹ thuật PWM lưỡng cực

Các trạng thái 1 và 2 (bảng 3.2) được dùng để tạo ra điện áp ngõ ra xoay chiềutrong phương pháp này Vì vậy, các đặc điểm của dạng sóng điện áp ngõ ra xoaychiều chỉ có 2 giá trị là vi và –vi Để tạo ra các trạng thái này, ta có thể dùng kỹ thuậtsóng mang cơ bản như trong cấu trúc bán cầu (hình 3.3), chỉ dùng một tín hiệu điềuchế dạng sóng sin Ta nên chú ý là trạng thái đóng của công tắc S+ trong dạng bán cầuthì tương đương với trạng thái on của cả hai công tắc S1+ và S2- trong dạng toàn cầu.Tương tự, trạng thái đóng của công tắc S- trong dạng bán cầu thì tương đương vớitrạng thái on của cả hai công tắc S1- và S2+ trong dạng toàn cầu Phương pháp nàyđược gọi là kỹ thuật điều chế độ rộng xung sóng sin lưỡng cực Dạng sóng điện ápngõ ra xoay chiều của bộ nghịch lưu nguồn áp toàn cầu về cơ bản là dạng sóng sin,biên độ của thành phần cơ bản o1 thỏa biểu thức sau trong vùng tuyến tính của kỹthuật điều chế (ma ≤ 1), và nó gấp 2 lần so với bộ nghịch lưu nguồn áp bán cầu

(3.15)Trong vùng ngoài điều chế (ma > 1) biên độ của thành phần cơ bản o1thỏa

biểu thức sau:

(3.16)

2.2.2 Kỹ thuật PWM đơn cực.

Trái với phương pháp lưỡng cực, kỹ thuật PWM đơn cực dùng các trạng thái

1, 2, 3, và 4 (bảng 3.2) để tạo ra điện áp ngõ ra xoay chiều Vì vậy, dạng sóng điện áp ngõ ra xoay chiều có thể đồng thời đạt được một trong 3 giá trị: vi, -vi, và 0 Để tạo racác giá trị này, ta có thể dùng kỹ thuật sóng mang cơ bản như trong hình 3.9, bằng cách dùng 2 tín hiệu điều chế dạng sóng sin (vc và –vc ) Tín hiệu vc được dùng để tạo ra vaN, và –vc được dùng để tạo ra vbN Vì vậy, vbN1 = -vaN1 Mặt khác, vo1 = vaN1 – vbN1 = 2* vaN1; vì vậy, o1=2* aN1=ma*vi Phương pháp này được gọi là

kỹ thuật điều chế độ rộng sóng sin đơn cực

Các kết quả tương tự có thể được rút ra với biên độ của thành phần cơ bản và các hài của điện áp xoay chiều ngõ ra và dòng điện liên kết một chiều, và với các chế

độ hoạt động tại các giá trị nhỏ hơn và lớn hơn của mf, (bao gồm vùng ngoài điều chế (ma > 1)), cao hơn so với các bộ nghịch lưu nguồn áp toàn cầu sử dụng phương pháp SPWM lưỡng cực Tuy nhiên, bởi vì các điện áp pha (vaN và vbN) bằng nhau nhưng lệch pha nhau 180o, điện áp ngõ ra (vo = vab = vaN – vbN) sẽ không chứa các hài chẵn Vì vậy, nếu mf là chẵn, các hài trong điện áp ngõ ra xoay chiều xuất hiện tại cáctần số fh lẻ quanh 2 lần sóng mang chuẩn mf và các bội số của nó Cụ thể là:

h=lmf ± k l= 2, 4, …

với k= 1, 3, 5, … và các hài trong dòng liên kết một chiều xuất hiện tại các tần số chuẩn fp xung quanh 2 lần tần số sóng mang chuẩn mf và các bội số của nó Cụ thể là:

(3.19)

Hình 3.9 Các dạng sóng của bộ nghịch lưu nguồn áp toàn cầu lý tưởng với kỹ thuật SPWM đơn cực (ma = 0.8, mf = 8): (a) tín hiệu điều chế và tín hiệu sóng mang; (b) trạng thái của công tắc S1+; (c) trạng thái của công tắc S2+; (d) điện áp ngõ ra xoay chiều; (e) phổ điện áp ngõ ra xoay chiều; (f) dòng điện ngõ ra xoay chiều; (g) dòng điện một chiều; (h) phổ của dòng điện một chiều; (i) dòng điện của công tắc S1+; (j) dòng diode D1+

Với các góc 1, 2, 3 và 4 được xác định như trong hình 3.10 (a) Các góc 1, 2, 3 và 4 được đánh dấu với các giá trị khác nhau của o1/vi trong hình 3.11a Công thức chung để loại trừ một số các hài một cách tùy ý N-1 (N – 1 = 3, 5, 7, …) là

(3.20)Với 1, 2, … N nên thỏa 1 < 2 < … < N < π/2 Hình 3.10c cho biết một trường hợp đặc biệt chỉ điện áp ngõ ra xoay chiều là được điều khiển Điều này được biết như là điều khiển ngõ ra bằng sự xóa bỏ điện áp bắt nguồn từ thực tế là sự thực thi của nó có thể đạt được một cách dễ dàng bằng cách dùng 2 tín hiệu chuyển mạch dạng sóng vuông dịch pha nhau như trong hình 3.12

Hình 3.10 Các dạng sóng của bộ nghịch lưu nguồn áp bán cầu lý tưởng với kỹ thuật SHE: (a) sự loại trừ các hài thứ 3, 5 và 7 của điện áp ngõ ra xoay chiều; (b) phổ của (a); (c) điện áp ngõ ra ac với sự điều khiển cơ bản; (d) chuỗi(phổ) của (c)

Hình 3.11 Các góc đóng ngắt ứng với kỹ thuật SHE và sự điều khiển điện áp cơ bản của các bộ nghịch lưu nguồn áp bán cầu: (a) sự điều khiển cơ bản và sự loại trừ hài thứ 3, 5, 7; (b) điều khiển cơ bản

Góc dịch pha trở thành 2* 1 (hình 3.11b) Vì vậy, biên độ của thành phần cơ bản và của các hài trong điện áp ngõ ra xoay chiều được cho bởi:

(3.21)

Ta cũng có thể thấy trong hình 3.12c để 1 = 0 thì cần phải đạt được sóng vuông Trong trường hợp này, điện áp ngõ ra xoay chiều cơ bản theo công thức:

(3.22)Với điện áp tải cơ bản có thể được điều khiển bằng cách sử dụng điện áp liên kết một chiều

Hình 3.12 Dạng sóng của bộ nghịch lưu nguồn áp toàn cầu lý tưởng ứng với

sự điều khiển điện áp bằng sự xóa bỏ điện áp: (a) trạng thái của công tắc S1+; (b) trạng thái của công tắc S2+; (c) điện áp ngõ ra xoay chiều; (d) phổ của (c)

switch S1 state; (b) switch S2 state; (c)

b Dòng liên kết một chiều (DC Link Current)

Vì thực tế là bộ nghịch lưu được xem như là không só sự tiêu tán và được cấu tạo không chứa các linh kiện tích trữ năng lượng, nên công suất tức thời bằng nhau:

(3.23)Đối với tải cảm và tần số đóng ngắt khá cao, dòng tải io gần như dạng sin Với phép toán xấp xỉ, điện áp ngõ ra xoay chiều cũng có thể được xem như là dạng sóng sin Mặt khác, nếu điện áp liên kết một chiều là hằng số vi(t)=Vi, biểu thức (4.23) có thể được đơn giản thành:

(3.24)

Với Vo1 là điện áp ngõ ra xoay chiều hiệu dụng, Io là dòng điện tải hiệu dụng, và f là

hệ số công suất của tải cảm bất kỳ Vì vậy, dòng liên kết một chiều có thể được rút gọn tiếp thành:

(3.25)Điều quan trọng cần chú ý là sự có mặt của hài bậc 2 trong dòng liên kết một chiều (biên độ của nó tương tự với dòng liên kết một chiều) Hài thứ 2 này được đưa

về nguồn áp dc, vì vậy, khi thiết kế nên xét đến nó để đảm bảo là điện áp liên kết một chiều gần như là cố định Trong thực tế, nguồn áp dc đòi hỏi có số lượng lớn các tụ điện (chi phí cao, tốn không gian, nhiều đặc tính phức tạp đặc biệt đối với các nguồn cung cấp có công suất trung bình và cao)

3 Các bộ nghịch lưu nguồn áp 3 pha (Three-Phase Voltage Source Inverters)

Các bộ nghịch lưu nguồn áp một pha được sử dụng trong các ứng dụng côngsuất thấp và các bộ nghịch lưu nguồn áp 3 pha được sử dụng trong các ứng dụng côngsuất trung bình và cao Mục đích chính của các bộ nghịch lưu nguồn áp 3 pha là cungcấp một nguồn áp 3 pha với biên độ, pha và tần số của điện áp có thể điều khiển được.Mặc dù hầu hết các ứng dụng đều đòi hỏi dạng sóng điện áp hình sin (ví dụ: ASDs,UPSs, FACTS, var compensators), nhưng các điện áp bất kỳ cũng được yêu cầu trongmột số ứng dụng (ví dụ: các bộ lọc tích cực, các bộ bù điện áp)

Dạng mạch chuẩn của bộ nghịch lưu nguồn áp 3 pha như trong hình 3.13 và 8trạng thái đóng ngắt được cho trong bảng 3.3 Như trong các bộ nghịch lưu áp mộtpha, các công tắc của bất kỳ nhánh nào của bộ nghịch lưu (S1 và S4, S3 và S6, hoặcS5 và S2 không thể đóng đồng thời vì nó sẽ gây nên sự ngắn mạch qua nguồn áp liênkết một chiều Tương tự, để tránh các trạng thái không xác định trong bộ nghịch lưu

áp, và các điện áp dây ngõ ra xoay chiều không xác định, các công tắc của bất kỳnhánh nào của bộ nghịch lưu đều không thể ngắt đồng thời và vì vậy, điều này sẽ dẫnđến kết quả là điện áp sẽ phụ thuộc vào cực của dòng điện dây tương ứng

Hình 3.13 Dạng mạch của bộ nghịch lưu áp 3 pha

Bảng 3.3 Các trạng thái đóng ngắt hợp lý của bộ nghịch lưu áp 3 pha

Trong số 8 trạng thái ở bảng 4.3, có 2 trạng thái (7 và 8) tạo ra điện áp dây xoaychiều bằng 0 Trong trường hợp này, các dòng điện dây xoay chiều sẽ được dẫn quamột trong các linh kiện ở trên hoặc ở dưới Các trạng thái còn lại (1 đến 6 trong bảng4.3) tạo ra các mức điện áp ngõ ra xoay chiều khác 0 Để tạo ra dạng sóng điện áp nhưmong muốn thì bộ nghịch lưu phải chuyển từ trạng thái này sang trạng thái khác Vìvậy, kết quả là điện áp ngõ ra xoay chiều bao gồm các giá trị rời rạc: vi, 0 và –vi Việclựa chọn các trạng thái để tạo ra dạng sóng như mong muốn được thực hiện bởi kỹthuật điều chế cần đảm bảo là chỉ sử dụng các trạng thái thích hợp

3.1.Kỹ thuật điều chế độ rộng xung sóng sin

Đây là phần mở rộng của kỹ thuật SPWM trong các bộ nghịch lưu áp một pha.Trong trường hợp này, để tạo ra các điện áp của tải lệch pha nhau một góc 120o, tacần sử dụng 3 tín hiệu điều chế lệch pha nhau 120o Hình 3.14 cho thấy dạng sóng lýtưởng của bộ nghịch lưu áp ba pha với kỹ thuật điều chế SPWM Để sử dụng một tínhiệu sóng mang và để đảm bảo các đặc điểm của kỹ thuật điều chế độ rộng xumg, tần

số sóng mang chuẩn mf nên là các giá trị lẻ và là bội số của 3 Vì vậy, tất cả các điện

áp pha (vaN, vbN, vcN) đều bằng nhau nhưng lệch pha nhau 1200 và không chứa hài;hơn nữa, các hài tại các tần số là bội của 3 thì bằng nhau về biên độ và pha trong tất

cả các pha Ví dụ, nếu hài thứ 9 trong pha aN là:

(3.26)Thì hài thứ 9 trong pha bN sẽ là:

(3.27)

Hình 4.14 Dạng sóng lý tưởng của bộ nghịch lưu áp ba pha với kỹ thuật SPWM (ma

= 0.8, mf = 9): (a) tín hiệu điều chế và tín hiệu sóng mang; (b) trạng thái của công tắc S1; (c) trạng thái của công tắc S3; (d) điện áp ngõ ra xoay chiều; (e) phổ của điện áp ngõ ra xoay chiều; (f) dòng điện một chiều; (h) phổ của dòng điện một chiều; (i) dòng qua công tắc S1; (j) dòng qua diode D1

Vì vậy, điện áp dây ngõ ra xoay chiều vab = vaN –vbN sẽ không chứa hài thứ

9 Vì vậy, với các giá trị là bội số lẻ của 3 của tần số sóng mang chuẩn mf, các hài trong điện áp ngõ ra xoay chiều sẽ xuất hiện tại các tần số chuẩn fh và các bội số của

nó, cụ thể là:

(3.28) Với l= 1, 3, 5, … ứng với k= 2, 4, 6, … và l= 2, 4, … ứng với k= 1, 5, 7, … như vậy hkhông là bội của 3 Vì vậy, các hài sẽ là mf ± 2, mf ± 4, … 2mf ±1, 2mf ±2, … 3mf

±2, 3mf ±4, … 4mf ±1, 4mf ±5,…

Để dòng điện tải gần như dạng sóng sin, các hài trong dòng liên kết dc tại các tần số được cho bởi:

(3.29)Với l= 0, 2, 4, … ứng với k= 1, 5, 7, … và l= 1, 3, 5, … ứng với k= 2, 4, 6, … như vậy h= l*mf ±k là dương và không là bội của 3 Ví dụ, hình 3.14h cho ta thấy hài thứ

6 (h=6), vì h=1*9 -2-1=6 Các kết quả tương tự có thể được đưa ra với các giá trị lớn

và nhỏ của mf như với các cấu hình 1 pha Tuy nhiên, bởi vì biên độ tối đa của điện

áp pha cơ bản trong vùng tuyến tính (ma ≤1) là vi/2, nên biên độ tối đa của điện áp

dây ngõ ra xoay chiều của thành phần cơ bản là Vì vậy ta có thể viết:

(3.30)

Để tăng biên độ của điện áp tải, biên độ của tín hiệu điều chế c có thể được tạo ra cao hơn biên độ của tín hiệu sóng mang v∆ , điều này dẫn đến sự quá điều chế Mối quan hệ giữa biên độ của điện áp dây ngõ ra xoay chiều cơ bản và điện áp liên kết dc trở nên không tuyến tính như trong các bộ nghịch lưu nguồn áp một pha Vì vậy, trong vùng quá điều chế, giới hạn của điện áp dây là:

(3.32)Điện áp dây ngõ ra xoay chiều có chứa các hài fh, với h=6*k±1 (k= 1, 2, 3, … ) và và biên độ của chúng tỉ lệ nghịch với bậc của hài (hình 3.15d) Công thức của các biên

độ đó là:

(3.33)

Hình 3.14 Chế độ hoạt động sóng vuông của bộ nghịch lưu áp 3 pha: (a) trạng thái của công tắc S1; (b) trạng thái của công tắc S3; (c) điện áp ngõ ra xoay chiều; (d)

phổ của điện áp ngõ ra xoay chiều.

3.3.Sự loại trừ hài có chọn lọc trong các bộ nghịch lưu áp 3 pha.

Như trong các bộ nghịch lưu áp một pha, kỹ thuật loại trừ hài có chọn lọc cóthể được áp dụng với các bộ nghịch lưu áp 3 pha Trong trường hợp này, các khóacông suất của mỗi nhánh của bộ nghịch lưu được đóng ngắt để loại trừ một số các hàicho trước và để điều khiển biên độ của điện áp pha Trong nhiều ứng dụng, các điện

áp dây ngõ ra nên cân bằng và lệch pha nhau 1200, các hài là bội số của 3 (h= 3, 9,15,

…) có thể được có mặt trong các điện áp pha (vaN, vbN, vcN) và sẽ không xuất hiệntrong các điện áp tải (vab, vbc, vca) Vì vậy, các hài này không cần phải loại trừ, vìcác góc đóng ngắt được dùng để chỉ loại trừ các hài tại các tần số h= 5, 7, 11, 13, … Biểu thức để loại trừ một số hài được chọn cũng giống với các biểu thức được dùngtrong các bộ nghịch lưu 1 pha Ví dụ, để loại trừ các hài thứ 5, 7 và để điều khiển biên

độ cơ bản (N=3), ta giải các phương trình sau:

(3.34) Với các góc 1, 2, và 3 được xác định như trong hình 3.16(a) và được đánh dấu như trong hình 3.17 Hình 3.16b cho thấy rằng, các hài thứ 3, 9, 15, … luôn có mặt trong các điện áp pha; tuy nhiên, chúng không xuất hiện trong các điện áp dây (hình 3.16d)

Hình 3.15 Dạng sóng lý tưởng của bộ nghịch lưu áp 3 pha ứng với kỹ thuật SHE: (a)

sự loại trừ các hài thứ 5, 7 trong điện áp pha vaN; (b) phổ của (a); (c) sự loại trừ các

hài thứ 5, 7 trong điện áp dây vab; (d) phổ của (c).

Hình 3.16 Các góc đóng ngắt ứng với kỹ thuật SHE và sự điều khiển điện áp cơ bản

trong các bộ nghịch lưu áp 3 pha: sự loại trừ hài thứ 5 và 7.

3.4 Các kỹ thuật điều chế vector không gian cơ bản (Space-Vector-based

Modulating Techniques)

Hiện nay, các phương thức điều khiển được thực hiện trong các hệ thống số,

và vì vậy các kỹ thuật điều chế số cũng có thể được ứng dụng Kỹ thuật điều chếvector không gian cơ bản là một kỹ thuật số mà mục đích chính là tạo ra các điện ápdây của tải PWM mà nó bằng mức trung bình của các điện áp dây của tải Điều này

được thực hiện trong mỗi thời gian lấy mẫu bằng cách lựa chọn một cách thích hợpcác trạng thái đóng ngắt từ một số trạng thái hợp lý của bộ nghịch lưu áp (bảng 3.3)

và tính toán chính xác các khoảng thời gian chúng được sử dụng Sự lựa chọn và tínhtoán thời gian tùy thuộc vào sự chuyển đổi vector không gian

3.4.1 Sự chuyển đổi vector không gian

Bất sự thay đổi trong nhóm 3 pha mà nó tăng thêm đối với các khung cố địnhabc có thể được biểu diễn trong một mặt phẳng phức bởi một vector tổng hợp baogồm một thành phần thực () và một thành phần phức ( i) Ví dụ, vector của các tínhiệu điều chế dây 3 pha là có thể được biểu diễn bằng vector

(3.35)

(3.36)Nếu các tín hiệu điều chế dây [vc]abc là ba dạng sóng sin cân bằng cùng mộtbiên độ c và tần số góc , các tín hiệu điều chế được tạo thành trong khung khungtĩnh Vc = [vc ] trở thành một vector của môđun c cố định, và nó quay với tần số (hình 3.18) Tương tự, sự chuyển đổi vector không gian được áp dụng trong các điện

áp dây của 8 trạng thái của bộ nghịch lưu áp đối với vi (bảng 3.3), mà nó tạo ra 8vector không gian (Vi, i= 1, 2, …8) trong hình 3.18 Như được mong đợi, V1 đến V6

là các vector điện áp dây có giá trị (nonnull) và V7 vàV8 là các vector điện áp dây vôhiệu

Hình 3.17 Sự biểu diễn của vector không gian

Mục đích của kỹ thuật vector không gian thì gần giống với tín hiệu điều chế

Vc với 8 vector không gian (Vi, i= 1, 2, …, 8) có sẵn trong các bộ nghịch lưu Tuynhiên, nếu tín hiệu điều chế Vc được thiết lập giữa 2 vector bất kỳ Vi và Vi+1, thì chỉnên dùng 2 vector khác 0 gần nhất (Vi, Vi+1) và 1 vector không gian zero (Vz = v7hoặc V8) Vì vậy, điện áp tải tối đa được tối đa hóa và tần số đóng cắt được tối thiểuhóa Để đảm bảo là điện áp được tạo ra trong khoảng thời gian lấy mẫu Ts (các điện

áp được qui định bởi các vector Vi, Vi+1, và Vz được dùng trong các khoảng thờigian Ti, Ti+1, và Tz) thì bằng với vector Vc, ta có biểu thức sau:

(3.37)Kết quả của phần thực và phần ảo của biểu thức (3.37) ứng với điện áp dây của tải, biên độ bị giới hạn trong khoảng: 0 ≤ c ≤ 1 từ đó:

Chẳng hạn như, nếu vector điện áp dây đang điều chế là vector 1 (hình 3.18), các vector V1, V2, và Vz nên được sử dụng trong khoảng thời gian lấy mẫu lần lượt

là T1, T2, và Tz Vẫn còn vấn đề được đặt ra là các chuỗi (i) V1 – V2 – Vz, (ii) Vz – V1 – V2 – Vz, (iii) Vz – V1 – V2 – V1 – Vz, (iv) Vz – V1 – V2 – Vz – V2 – V1 – Vz, hoặc bất kỳ các chuỗi nào khác thì thực tế là ta nên dùng chuỗi nào Và cuối cùng,

kỹ thuật này không xác định được là vector zero nào ta nên dùng: V7, V8, hay là tổng hợp của 2 vector này

3 4.2 Sự lựa chọn chuỗi vector không gian và vector zero

Chuỗi được dùng nên đảm bảo là các điện áp dây của tải có đặc tính đối xứngtheo góc phần tư (quarter-wave symetry) để giảm các hài không mong muốn trong cácchuỗi của chúng (các hài chẵn) Thêm vào đó, nên được thực hiện việc lựa chọnvector không gian zero để giảm tần số đóng cắt Mặc dù đây không là một phươngpháp đối xứng để tạo ra một chuỗi vector không gian, sự biểu diễn đồ thị cho tha thấyrằng các chuỗi Vi, Vi+1, Vz (với Vz được lựa chọn luân phiên giữa V7 và V8) sẽ cho

ta hiệu suất cao hơn trong việc giảm thiểu các hài không mong muốn và giảm tần sốđóng cắt

a.Tần số lấy mẫu chuẩn.

Tần số sóng mang chuẩn mf trong các kỹ thuật điều chế độ rộng xung sóngmang cơ bản 3 pha được chọn là một số nguyên lẻ bội của 3 (mf = 3*n; n= 1, 3, 5,

… ) Vì vậy, ta có thể giảm thiểu các hài kí sinh hoặc các hài không có ích trong cácdạng sóng PWM Một phương pháp tương tự có thể được sử dụng trong kỹ thuật điềuchế vector không gian để giảm thiểu các hài không mong muốn Do đó, ta chọn tần sốlấy mẫu chuẩn fsn nên là một số nguyên là bội của 6 Để tạo ra các điện áp dây cânxứng, tất cả các cung (sector) (tổng là 6) nên được dùng như nhau trong mỗi chu kì.

Ví dụ, trong hình 3.19 cho ta thấy các dạng sóng có liên quan của bộ nghịch lưu ápdùng kỹ thuật vector không gian ứng với fsn = 18 và c = 0.8 Hình 3.19 chứng thựcrằng các hài đáng chú ý đầu tiên trong điện áp dây của tải là tại tần số fsn, và tần sốnày cũng chính là tần số đóng cắt

Hình 3.18 Các dạng sóng lý tưởng của bộ nghịch lưu áp ba pha ứng với kỹ thuật điều chế vector không gian ( c = 0.8, fsn = 18): (a) các tín hiệu điều chế; (b) trạng thái của công tắc S1, (c) trạng thái của công tắc S3; (d) điện áp ngõ ra xoay chiều; (e) phổ của (d); (f) dòng điện ngõ ra xoay chiều; (g) dòng điện một chiều; (h) phổ của dòng điện một chiều; (i) dòng qua công tắc S1; (j) dòng qua diode D1.