Nghiên cứu mạch lọc tích cực 3 pha 3 dây bằng hệ biến tần đa bậc điều khiển một trạng thái

- Các bộ thu tín hiệu c a thiết bị “Ripple control” như là những relay sử dụng để điều khiển đóng cắt các thiết bị c a hộ tiêu thụ từ trung tâm điều khiển có thể bị nhiễu do sóng hài điệ

Hệ thống phân phối được cấp từ nguồn điện áp 3 pha hình sin Một trong

những đặc tính quan trọng c a môt hệ thống cung cấp nguồn là dạng sóng c a nó

phải gần với sóng sin Tuy nhiên do ảnh hưởng nhiễu bởi các sóng hài dòng, áp bởi các thiết bị tạo ra nguồn hài như hồ quang điện từ các lò luyện kim, các bộ biến đổi công suất, hệ thống đèn chiếu sáng dẫn đến dạng sóng ra không còn sin như mong muốn

- Thành phần hài: Có dạng hình sin với tần số là bội số c a tần số cơ bản Biên

độ sóng hài thường nhỏ hơn biên độ thành phần cơ bản

 (2.1) Trong đó: n là số bậc, f n là tần số hài bậc n, f1 là tần số hài bậc 1 (hài cơ

bản)

- Phổ: Là dãy biên độ các bậc hài khác nhau

+ H n là giá trị hiệu dụng c a thành phần hài bậc n

+ n là góc pha c a thành phần hài bậc n

Khi tần số tăng thì biện độ c a hài giảm Vì vậy ta xem với những hài có bậc

40 trở lên thì biên độ là không đáng kể

- Giá trị hiệu dụng c a sóng nhiễu: Giá trị hiệu dụng Hn c a các hài dạng sóng sin bằng giá trị cực đại chia cho 2 trạng thái xác lập, năng lượng phát sinh theo định luật Joule:

RI tRI tRI t  RI t n (2.3) Trong đó: 2 2 2 2





- 7 -

Nếu điện trở được xem là hằng số thì giá trị hiệu dụng c a sóng nhiễu có thể được đo trực tiếp bằng các dụng cụ đo lường chuyên dụng hoặc có thể phân tích qua máy phân tích phổ

- Tỉ số hài thành phần và độ méo dạng toàn phần THD:

+ Tỉ số hài thành phần là tỉ số biên độ sóng hài bậc n và sóng hài cơ bản:

1

n

I

I + Độ méo dạng toàn phần THD là tỉ số giá trị hiêu dụng c a tất cá các sóng hài so với một trị số được xác định dựa vào 1 trong 2 tiêu chuẩn sau:

 Tiêu chuẩn IEC 61000-2-2:

2 2 1

n n n

H THD

n n n n n n

H THD

- Các bộ thu tín hiệu c a thiết bị “Ripple control” như là những relay sử dụng

để điều khiển đóng cắt các thiết bị c a hộ tiêu thụ từ trung tâm điều khiển có thể bị nhiễu do sóng hài điện áp có tần số gần với tần số điều khiển

- Lực điện động phát sinh do dòng t c thời có liên quan đến sóng hài sẽ gây ra dao động và phát sinh tiếng ồn đối với các thiết bị điện tử, đặc biệt là các thiết bị điện từ như MBA, cuộn kháng

Sự phát nóng c a tụ điện do hiện tượng từ trễ trong chất điện môi Các bộ tụ

rất dễ bị hư hỏng do quá tải, do tần số vượt quá tần số cơ bản hoặc do hài điện áp

Sự phát nóng do nhiệt có thể dẫn đến sự già hóa và đánh th ng chất điện môi

Tổn thất trong máy điện quay: khi máy phát cung cấp cho tải phi tuyến, dòng hài bậc cao sẽ tạo tổn thất phát sinh trong stator (tổn thất đồng và sắt) và trong rotor (cuộn cảm, mạch từ) c a máy phát gây ra sự sai lệch vận tốc giữa từ trường quay

cảm ng và rotor Sóng hài dòng điện gây nên hiện tượng rung động cơ do từ trường đập mạch phát sinh bởi dòng th tự không Khi tần số c a sóng hài trùng với

tần số dao động cơ học c a máy điện có thể dẫn đến máy điện bị phá h y

Tổn thất trong MBA do hiện tượng từ trễ và dòng điện xoáy (tổn hao sắt từ), gây bão hòa mạch từ làm cho MBA bị quá tải

Tổn thất trên dây dẫn điện do các hiệu ng bề mặt (gia tăng điện trở cuộn dây theo tần số) và gây phát nóng quá m c cho phép do giá trị hiệu dụng dòng điện tăng

2.2 Các gi i h n và tiêu chu ẩn v sóng hài

2.2.1 Gi i h n chung v sóng hài

- Động cơ đồng bộ: dòng nhiễu Stator cho phép là từ 1,3% đến 1,4%

- Động cơ không đồng bộ: dòng nhiễu Stator cho phép là từ 1,5% đến 3,5%

- Cáp dẫn điện: nhiễu điện áp đối với lõi cách điện cho phép là từ 10%

- 9 -

2.2.2 Các tiêu chu ẩn v sóng hài

- Tiêu chuẩn IEC 61000-3-2 xác định giới hạn c a sóng hài đối với các thiết bị tiêu thụ điện có dòng điện mỗi pha  16 A Các thiết bị tiêu thụ dòng > 16 A và 

75 A được xác định theo tiêu chuẩn IEC/TS 61000-3-12

- Tiêu chuẩn IEC 61000-2-2 đưa ra các m c hài điện áp tương thích đối với nhiễu dẫn tần số thấp và tạo tín hiệu trong hệ thống cung cấp điện hạ áp công cộng

- Tiêu chuẩn IEC 61000-2-4 đưa ra các m c hài điện áp tương thích trong khu công nghiệp đối với nhiễu dẫn tần số thấp

- Tiêu chuẩn IEEE 519-1992 được trình bày bên dưới đưa ra các giới hạn hài dòng điện và hài điện áp trong các hệ thống điện

Đ méo d ng hƠi dòng đi n l n nh t (% hƠi c b n)

Việc thực hiện bù công suất đồng thời với ch c năng lọc thì các cấu hình thiết kế,

có thể chỉ giới hạn ở m c độ công suất nhỏ Do nhiều thiết bị bù tuy có đáp ng chậm hơn nhưng giá thành rẻ, ví dụ bù bằng SVC – đóng ngắt bằng thyristor

Các ng dụng có công suất nhỏ hơn 100kVA, ch yếu phục vụ các khu dân

cư, các tòa nhà kinh doanh, bệnh viện, các hệ truyền động công suất nhỏ và vừa

Tính chất c a các hệ thống tải này đòi hỏi hệ thống mạch lọc tích cực tương đối ph c tạp có đáp ng động học cao, thời gian đáp ng nhanh hơn mạch lọc tích cực ở dãy công suất cao trong khoảng vài chục us đến vài ms

2.3.2.2 Các ph m vi ng d ng công su t v a:

Phạm vi công suất hoạt động c a các thiết bị này nằm trong khoảng từ 100 kVA đến 10 MVA Ví dụ các mạng cung cấp điện trung và cao áp và các hệ thống truyền động điện công suất lớn mắc vào nguồn áp lớn Mục đích chính c a các mạch lọc tích cực là khử bỏ hoặc hạn chế các sóng hài dòng điện Tốc độ đáp ng

2.4.1 Phân lo i theo b bi n đ i công su t

Căn c vào cấu hình c a bộ biến đổi công suất được sử dụng trong mạch lọc,

ta có 2 loại mạch lọc tích cực: VSI - bộ biến đổi nguồn áp và CSI - bộ biến đổi nguồn dòng

Hình 2.3: Cấu hình VSI Đặc điểm c a cấu trúc c a cấu hình VSI là:

o Có thể mở rộng ra cấu trúc đa bậc

o Tự cung cấp điện áp DC

- 12 -

Hình 2.4: Cấu hình CSI Đặc điểm c a cấu trúc c a cấu hình CSI

o Hạn chế tần số đóng cắt

o Tổn hao công suất lớn

o Không thể mở rộng ra cấu trúc đa bậc

2.4.2 Phân lo i theo s đ

Căn c vào sơ đồ có hai loại: mạch lọc tích cực song song và mạch lọc tích

cực nối tiếp

Hình 2.5: Mạch lọc tích cực song song Đặc điểm c a mạch lọc tích cực song song:

o Bù sóng hài dòng điện

o Bù công suất phản kháng

Hình 2.6: Mạch lọc tích cực nối tiếp Đặc điểm c a mạch lọc tích cực nối tiếp:

o Lọc sóng hài điện áp

o Điều chỉnh và cân bằng điện áp nút

o Lọc lan truyền sóng hài

- 13 -

2.5 B ngh ch l u áp đa b c

Bộ nghịch lưu áp cung cấp và điều khiển điện áp xoay chiều ở ngõ ra từ nguồn điện áp một chiều có thể là: ắc quy, pin điện hoặc từ nguồn điện áp xoay chiều được chỉnh lưu và lọc phẳng…

Các linh kiện bán dẫn trong bộ nghịch lưu áp có khả năng kích đóng, ngắt dòng qua nó Trong các ng dụng nhỏ và vừa có thể sử dụng transistor BJT, MOSFET, IGBT phạm vi công suất lớn có thể dùng GTO, IGCT hoặc SCR kết

Bộ nghịch lưu áp 2 bậc ch a hai khóa bán dẫn trên mỗi nhánh pha tải được gọi chung là bộ nghịch lưu áp hai bậc (two-level VSI) Chúng được ng dụng rộng rãi trong phạm vi công suất vừa và nhỏ Khái niệm hai bậc xuất phát từ quá trình điện

áp giữa đầu một pha tải đến một điểm điện thế chuẩn trên mạch thay đổi giữa 2 bậc giá trị khác nhau Bộ nghịch lưu áp hai bậc có nhược điểm là tạo ra điện áp có độ

dốc (dv/dt) khá lớn và gây ra một số vấn đề khó khăn bởi tồn tại trạng thái điện thế

từ các pha đến tâm nguồn DC khác không (hiện tượng Common Mode Voltage)

Bộ nghịch lưu áp đa bậc được phát triển để giải quyết các vấn đề gây ra bởi bộ nghịch lưu áp hai bậc và thường được sử dụng cho các ng dụng điện áp cao và công suất lớn

Các ưu điểm c a bộ nghịch lưu áp đa bậc:

- Công suất c a bộ nghịch lưu áp tăng lên Đối với tải công suất lớn, điện áp cung cấp cho tải có thể đạt giá trị tương đối lớn

- Điện áp đặt lên linh kiện giảm xuống nên công suất tổn hao do quá trình đóng ngắt c a linh kiện cũng giảm theo

- 14 -

- Với cùng tần số đóng ngắt, các thành phần sóng hài bậc cao c a điện áp ra

giảm hơn so với bộ nghịch lưu áp hai bậc

2.6 C u trúc c b n c a b ngh ch l u áp đa b c

2.6.1 C u trúc Diode k ẹp (NPC: Neutral Point Clamped Multilevel Inverter)

Cấu trúc này được sử dụng thích hợp khi các nguồn DC tạo nên từ hệ thống điện AC Bộ nghịch lưu đa bậc ch a các cặp diode kẹp 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 trị khác nhau và từ đó bộ nghịch lưu được gọi là bộ nghịch lưu áp (n+1) bậc Ví dụ chọn m c điện thế 0 ở cuối dãy nguồn, các m c 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 vị trí bất kỳ trên (ví dụ M) nhờ cặp diode kẹp tại điểm đó (ví dụ D1, D1’) Để điện áp pha nguồn DC đạt được m c điện áp nêu trên (Ua0 = U), tất cả các linh kiện bị kẹp giữa hai diode (Da3, D’a3) – gồm n linh kiện

mắc nối tiếp liên tục kề nhau, phải được kích đóng (sa’1, sa’2, sa’3, sa’4), các linh

kiện còn lại phải được khóa theo nguyên tắc kích đối nghịch Như hình vẽ bên dưới, tạo ra năm m c điện áp nên gọi là bộ nghịch lưu năm bậc

Bộ nghịch 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 nghịch lưu ba bậc, dv/dt trên linh kiện và tần số đóng cắt giảm đi một nửa Tuy nhiên với n > 3, m c độ chịu 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

- 15 -

Hình 2.7: Bộ nghịch lưu áp đa bậc NPC

2.6.2 C u trúc dùng t đi n thay đ i (Floating Capacitor Multilevel Inverter)

 u điểm:

+ Khi số bậc tăng cao thì không dùng bộ lọc

+ Có thể điều tiết công suất tác dụng và phản kháng nên từ đó có thể điều tiết việc phân bố công suất trong lưới có dùng biến tần

 Nhược điểm:

+ Số lương 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 bộ nghịch lưu áp tăng cao

Hình 2.8: Bộ nghịch lưu áp đa bậc dạng tụ điện thay đổi

- 16 -

2.6.3 C u trúc d ng ghép t ng (Cascade H-Bridge Multilevel Inverter)

Sở đồ mạch Cascade H-Bridge 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 nghịch lưu áp cầu một pha ghép nối tiếp, các bộ nghịch lưu áp dạng cầu một pha này có các nguồn DC riêng

Bằng cách kích đóng các linh kiện trong mỗi bộ nghịch lưu áp một pha, ba

m c điện áp (-U, 0, U) được tạo thành Sự kết hợp hoạt động c a n bộ nghịch lưu áp trên một nhánh pha tải sẽ tạo nên n khả năng m c điện áp theo chiều âm (-U, -2U, -3U, -4U,… -nU), n khả năng m c điện áp theo chiều dương (U, 2U, 3U, 4U,… nU)

và m c điện áp 0 Như vậy, bộ nghịch lưu áp dạng cascade gồm n bộ nghịch lưu áp

một pha trên mỗi nhánh sẽ tạo thành bộ nghịch lưu (2n + 1) bậc

Tần số đóng ngắt trong mỗi module c a dạng mạch này có thể giảm đi n lần

dụng các máy biến áp ngõ ra

2.7 1.1 Các tiêu chí đánh giá b ngh ch l u áp

- Chỉ số điều chế (Modulation index) m: là tỉ số giữa biên độ thành phần hài

cơ bản tạo nên bởi phương pháp điều khiển và biên độ thành phần hài cơ bản đạt

được trong phương pháp điều khiển sáu bước (sixsteps)

(1) (1) (1) ixs 2

1 2

2 ) (

- 18 -

Với: n là số nguyên, H(n) là sóng hài bậc th n, H1là sóng hài cơ bản

- Tần số đóng ngắt và công suất tổn hao do đóng ngắt: công suất tổn hao xuất

hiện trên linh kiện bao gồm hai thành phần: tổn hao công suất khi linh kiện ở trạng thái dẫn điện Pon và tổn hao công suất động Pdyn Tổn hao công suất Pdyn tăng lên khi tần số đóng ngắt c a linh kiện tăng lên

2.7.1.2 Các d ng sóng mang dùng trong k ỹ thu t PWM

 Hai sóng mang kế cận liên tiếp nhau sẽ bị dịch 180 độ (APOD Alternative

Phase Opposition Disposition)

Hình 2.10: Dạng sóng mang APOD

 Bố trí cùng pha (PD: In Phase Disposition): Các sóng mang đều cùng pha

Hình 2.11: Dạng sóng mang PD

 Bố trí đối x ng qua trục zero (POD – Phase opposition Disposition)

Tất cả các sóng mang nằm trên trục zero sẽ cùng pha nhau và ngược lại các sóng mang nằm dưới trục zero sẽ bị dịch đi 180 độ

Hình 2.12: Dạng sóng mang POD

- 19 -

Trong các phương pháp bố trí sóng mang, phương pháp bố trí các sóng mang

đa bậc cùng pha – PD cho độ méo dạng điện áp dây nhỏ nhất Đối với bộ nghịch lưu áp ba bậc, phương pháp POD và AOD cho cùng kết quả

2.7.1.3 Ph ng pháp đi u ch đ r ng xung sin (SH-PWM: Subharmonic PWM)

Để tạo xung kích cho các linh kiện trong cùng một pha, ta sử dụng một số sóng mang (dạng tam giác) và một tín hiệu điều khiển (dạng sin)

Về nguyên lý, phương pháp này thực hiện dựa vào kỹ thuật analog Giản đồ đóng kích công tắc bộ nghịch lưu dựa trên cơ sở so sánh hai tín hiệu cơ bản:

- Sóng mang up (carrier signal) tần số cao, có thể ở dạng tam giác

- Sóng điều khiển ur (reference signal) hoặc sóng điều chế (modulating signal) dạng sin Ví dụ: công tắc lẻ được kích đóng khi sóng điều khiển lớn hơn sóng mang (ur > up) Trong trường hợp ngược lại, công tắc chẵn được kích đóng

Tần số sóng mang càng cao, lượng sóng hài bậc cao xuất hiện trong dạng điện

áp và dòng điện tải bị khử càng nhiều Tuy nhiên, tần số đóng ngắt cao làm cho tổn hao phát sinh do quá trình đóng ngắt các công tắc tăng theo Ngoài ra, các linh kiện còn đòi hỏi thời gian đóng ton, và thời gian ngắt toff nhất định Các yếu tố này làm hạn chế việc chọn sóng mang

Đối với bộ nghịch lưu áp n bậc, số sóng mang được sử dụng là (n-1) Chúng

có cùng tần số fc và cùng biên độ đỉnh Ac Sóng điều khiển ur (hay sóng điều chế)

có biên độ đỉnh Am và tần số fm mang thông tin về độ lớn trị hiệu dụng và tần số sóng hài cơ bản c a điện áp ở ngõ ra

Gọi mf là tỷ số điều chế tần số (frequency modulation ratio):

ar ref

c rier c f

- 20 -

ef e

ar ier ( 1)

m r er nce m a

chế (over modulation) hoặc điều chế mở rộng

Phương pháp Sin PWM đạt được chỉ số điều chế lớn nhất trong vùng tuyến tính khi biên độ sóng điều chế bằng với biên độ sóng mang Lúc đó ta có:

(1) ax

Trong đó U là tổng điện áp các nguồn DC

Hình 2.13: Quan hệ giữa biên độ sóng mang và sóng điều khiển

2.7.1.4 Ph ng pháp đi u ch đ r ng xung c i bi n (Modified PWM)

Phương pháp này còn có tên là SFO PWM (Switching Frequency Optimal PWM method), kỹ thuật điều khiển tương tự như phương pháp điều chế Sin PWM, điểm khác biệt là sóng điều chế được cải biến Theo đó, mỗi sóng điều chế được

cộng thêm tín hiệu th tự không (sóng hài bội ba) Tồn tại nhiều khả năng tạo nên thành phần th tự không, một trong các tín hiệu th tự không có thể chọn bằng trị trung bình c a giá trị hiệu dụng lớn nhất trong ba tín hiệu điều chế với tín hiệu nhỏ

nhất trong ba tín hiệu điều chế – phương pháp SFO-PWM

- 21 -

Gọi Va, Vb, Vc là các tín hiệu điều khiển c a phương pháp điều chế PWM Tín

hiệu điều khiển theo phương pháp SFO-PWM có thể biểu diễn dạng toán học như sau:

U





    (2.15) Như vậy chỉ số điều chế nằm trong phạm vi 0 ≤ m ≤ 0,907

Hình 2.14: Quan hệ giữa biên độ sóng mang và sóng điều khiển

2.7.1.5 Ph ng pháp đi u khi n PWM theo dòng đi n

Nguyên lý cơ bản: giản đồ kích đóng các công tắc được xác định trên cơ sở so sánh dòng điện yêu cầu c a tải và dòng điện thực tế đo được

Trong thực tế, điều khiển theo dòng điện có thể thực hiện theo kỹ thuật dùng

mạch kích trễ (hysteresis current control) hoặc dùng khâu hiệu chỉnh dòng điện (ramp comparison current control) Các cấu trúc điều khiển đòi hỏi thông tin về các dòng điện thực tế Điều này thực hiện bằng ba cảm biến dòng hoặc xác định hai dòng điện pha qua hai cảm biến dòng và dòng điện th ba xác định theo điều kiện cân bằng

- 22 -

Hình 2.15: Điều khiển theo dòng điện sử dụng mạch kích trễ

Hình 2.16: Điều khiển theo dòng điện sử dụng mạch hiệu chỉnh

Phương pháp dùng mạch tạo trễ (hystereris current control)

Dòng điện pha tải sẽ được điều khiển theo dòng điện yêu cầu với độ sai biệt cho phép thiết lập trong mạch trễ

u điểm c a mạch điều chỉnh dòng điện dùng mạch trễ là đáp ng quá độ nhanh và có thể thực hiện dễ dàng Tuy nhiên, nhược điểm c a nó là sai số trong quá độ có thể có thể đạt giá trị lớn và tần số đóng ngắt thay đổi nhiều Sai số dòng điện cực đại có thể đạt hai lần giá trị sai số cho bởi mạch trễ Các nhược điểm vừa nêu làm cho khả năng ng dụng c a phương pháp bị hạn chế đối với tải có công

suất lớn

 Phương pháp điều khiển dòng điện sử dụng hiệu chỉnh PI (ramp

comparrison current control)

Dùng phương pháp đóng ngắt các khóa bán dẫn với tần số cố định Hình 2.16 trình bày nguyên lý điều khiển theo tọa độ tĩnh (stationary frame), độ sai biệt giữa tín hiệu dòng điện đặt yêu cầu iyc và tín hiệu dòng điện đo được tác động lên khâu

- 23 -

hiệu chỉnh dòng điện Tín hiệu áp điều khiển ở ngõ ra c a nó được so sánh với tín

hiệu sóng mang tần số cao, và từ đó tác động lên xung kích cho các khóa bán dẫn

Do sử dụng mạch điều chế với sóng mang có tần số không thay đổi nên phương pháp đã loại bỏ một số khuyết điểm c a phương pháp điều khiển dùng

mạch trễ Tuy nhiên, ở trạng xác lập luôn tồn tại sự sai biệt dòng điện và sự chậm pha c a đáp ng so với tín hiệu đặt vì khâu hiệu chỉnh PI không thể theo kịp một cách chính xác các đại lượng xoay chiều biến thiên theo hình sin, đặc biệt ở tần số cao

2.7.2 Ph ng pháp đi u khi n SVPWM (Space Vector Pulse Width Modulation)

Cho đại lượng 3 pha cân bằng va, vb, vc thỏa mãn hệ th c:

va+ vb+ vc = 0 (2.16)

Thực hiện phép biến hình từ 3 đại lượng pha va, vb, vc thành vector v theo hệ

th c:

= ( + + 2 ) (2.17) Trong đó: 23 1 3

Ví dụ: Xét các đại lượng áp ba pha như sau:

=� cos(� − � )

=� cos(� − � −23�) (2.19) =� cos(� − � −43�)

Vector không gian theo định nghĩa sẽ là :

o Giảm độ mất cân bằng áp tụ c a bộ NPC

o Giảm điện áp Common mode voltage

o Khả năng mở rộng điều khiển tuyến tính tới biên độ điện áp hài cơ bản

là

3

dc

V

Hình 2.17: Biểu đồ vector không gian c a bộ nghịch lưu 3 bậc

Hình 2.18: Vùng điều khiển tuyến tính và biên độ điện áp hài cơ bản lớn nhất

trong phương pháp sin PWM và SVPWM









- 25 -

2.7.3 Ph ng pháp đi u khi n sóng mang d a trên kỹ thu t PWM m t tr ng

thái sao cho vector l ỗi là nh nh t trong b ngh ch l u đa b c ắCarrier Based

Single-State PWM Technique For Minimizing Vector Errors In Multilevel

12 = 12, 12, 12 (2.23) Điện áp tích cực hay điện áp cơ bản có thể được mô tả như sau:

12 = cos�

12 = cos(� − 2� 3 ) (2.24)

12 = cos(� − 4� 3) Trong đó và � là biên độ và góc pha c a vector điện áp tham chiếu

Xác định giá trị max, min từ điện áp 3 pha

� = �( 12, 12, 12)

= ( 12, 12, 12) (2.25) Điện áp tham chiếu common mode có thể được tính ra trong dãi điện áp

0 �, 0

0 � = − 1 − �

- 26 -

Hình 2.19: Giản đồ thời gian chuyển mạch trong nghịch lưu đa bậc

L(x) và H(x) là 2 m c điện áp dc gần điện áp tham chiếu vxref nhất có thể mô tả như sau:

� = (�)

0 < − 1

� − 1 = ( − 1) (2.27)

(�) = (�)+ 1 (2.28) Trong đó: � = � , � = , ,

Thành phần vector = , , thực hiện 3 m c thấp c a điện áp tham chiếu Tính toán thời hằng kích đóng được quyết định bằng việc so sánh sóng mang với tín

� � = �(� , � , � )

- 27 -

� = (� , � , � ) � = (� , � , � ) (2.31)

Thành phần vector 2, 3 có thể được điều khiển như sau:

2 � = 1 �� � �

0 (2.32)

3� = 1 �� �

0 Trạng thái chuyển mạch trong bộ nghịch lưu đa bậc 1, 2 , 3 , 4 , được xác định như sau: = + (2.33)

Phương pháp điều chế vector không gian truyền thống thực hiện dựa trên 3 vector

gần nhất trong một chu kỳ lấy mẫu (K14, K2, K3) được mô tả như sau:

= 1 1 + 2 2 + 3 3 + 4 4 (2.34) Đối với phương pháp điều chế sóng mang dựa trên PWM một vector, tìm một vector sao cho điện áp lỗi là nhỏ nhất:

= = − → (2.35) Xác định thời gian chuyển mạch:

1 = 1− � � ; 2 =� � − � ; (2.36)

3 =� − � ; 4 =�

14 = 1− � � +�

1 + 2 + 3 + 4 = 1 Nguyên lý c a phương pháp PWM một trạng thái

Conventional SVPWM Vref = K1S1 + K2S2 + K3S3 + K4S4

Single State PWM Kmax = (K2, K3, K14)

K1, K2, K3, K4

S1, S2, S3, S4

Hình 2.20: Nguyên lý c a PWM một trạng thái

- 28 -

Giải thuật c a phương pháp điều khiển PWM một trạng thái

Bảng 2.3 Giải thuật PWM một trạng thái Lưu đồ giải thuật điều khiển

Emax = max(Ea, Eb, Ec)

Emid = mid(Ea, Eb, Ec)

Emin = min(Ea, Eb, Ec)

- 29 -

2.8 M ch l c tích c c 3 pha 3 dây

Mô hình mạch lọc tích cực song song 3 pha 3 dây được xây dựng dựa trên lý thuyết công suất t c thời [3]

2.8 1 C s lý thuy t mô hình m ch l c tích c c song song 3 pha 3 dây

Mô hình cơ bản mạch lọc tích cực song song và luồng công suất tối ưu trong

hệ trục tọa độ 

Hình 2.22: Mô hình cơ bản mạch lọc tích cực song song

Hình 2.23: Mô hình luồng công suất tối ưu trong hê tọa độ 

Bỏ qua tổn hao công suất đóng cắt c a bộ nghịch lưup loss  0

Công suất tác dụng p Lvà công suất phản kháng q Lc a tải 3 pha phi tuyến được phân tích thành:

Thành phần công suất trung bình c a tải p Lvà thành phần công suất trung bình được cung cấp bởi nguồn = + (2.39)

Như vậy, nguồn chỉ cung cấp cho tải thành phần công suất trung bình c a tải

và công suất tổn hao c a bộ nghịch lưu Còn mạch lọc sẽ cung cấp thành phần dao động c a công suất tải , thành phần q

C

i ,i C

LPF

Tính toán công

- 31 -

Các tín hiệu điện áp tải va, vb, vcvà dòng điện tải ia, ib, icđược chuyển sang hệ

trục tọa độ  để tính toán Sau đó chuyển ngược về hệ trục tọa độ abc để trở thành dòng điện yêu cầu c a mạch lọc

Các điện áp tải được chuyển trục tọa độ theo biểu th c chuyển đổi Clarke:

3 2

trạng thái để tạo xung kích cho bộ nghịch lưu

- 32 -

Ch ng 3

ĐIỀU KHIỂN 1 TR NG THÁI

3.1 Các thành ph n trong m ch l c tích c c 3 pha 3 dây b ng h bi n t n đa

b c đi u khi n m t tr ng thái

Sơ đồ khối mạch lọc tích cực 3 pha 3 dây được thực hiện bằng phần mềm Matlab / Simulink

Hình 3.1: Sơ đồ khối mạch lọc tích cực 3 pha 3 dây nguồn cân bằng

3.1.1 Ngu n cung c p 3 pha 3 dây cân b ng

Nguồn xoay chiều 3 pha 3 dây cân bằng với các tham số: Giá trị đỉnh điện áp pha Vpeak = 220 2 V, tần số f = 50 Hz, các góc pha a, b, c lần lượt lệch nhau 1200

Hình 3.2: Nguồn xoay chiều 3 pha 3 dây cân bằng

- 33 -

3.1.2 Mô hình t i phi tuy n

Hình 3.3: Tải phi tuyến

- Tải phi tuyến không cân bằng gồm bộ chỉnh lưu cầu 3 pha có điều khiển và điện trở R, cuộn cảm L

- Bộ tạo xung đồng bộ có ch c năng tạo xung kích cho bộ chỉnh lưu cầu 3 pha theo giá trị góc kích yêu cầu Ngõ vào c a bộ tạo xung là các tín hiệu sau:

+ Ngõ vào alpha_deg: thay đổi góc kích bộ chỉnh lưu cầu 3 pha và được điều khiển bởi khâu alpha với các tham số

+ Các ngõ vào điện áp đồng bộ VAB, VBC, VCA

+ Ngõ vào Block: cho phép tạo xung đồng bộ khi có giá trị là 1 hoặc < 0

Hình 3.4: Các tham số bộ tạo xung đồng bộ

- 34 -

Hình 3.5: Khâu điều khiển góc kích bộ chỉnh lưu cầu 3 pha

Hình 3.6: Tham số khâu Step1

- Tải DC c a bộ chỉnh lưu cầu 3 pha: nhánh RL có giá trị R = 20 , L = 2 mH

Hình 3.7: Các tham số tải DC c a bộ chỉnh lưu cầu 3 pha

3.1.3 Mô hình b ngh ch l u áp NPC 11 b c 3 nhánh

lưu Có các tham số

Hình 3.11: Tham số c a cuộn kháng Lf_load

Hình 3.12: Tham số c a cuộn kháng Lf_APF

- 37 -

3.1.5 Các khâu l y tín hi u

- Để có được các giá trị điện áp, dòng điện c a nguồn, tải và bộ nghịch lưu

cần thiết cho việc tính toán, vẽ đồ thị…Ta sử dụng các khâu lấy tín hiệu như sau:

+ [vS_abc]: Điện áp các pha a,b,c

+ [iS_abc]: Dòng điện nguồn các pha a, b, c

+ [iL_abc]: Dòng điện tải các pha a, b, c

+ [iF_abc]: Dòng điện bù các pha a, b, c

- Bằng cách sử dụng công cụ Goto, ta sẽ có các biến trung gian phục vụ cho công việc tính toán, vẽ đồ thị và quan sát

Hình 3.13: Sử dụng khối Goto để lưu dữ liệu vào vùng nhớ

3.1.6 Kh i đi u khi n (controller)

3.1.6.1 Kh i chuy n tr c t a đ abc sang 

Công th c chuyển đổi điện áp từ hệ tọa độabc sang αβ

- 38 -

Hình 3.14: Khâu biến đổi trục tọa độ từ abc sang 

Hình 3.15: Sơ đồ chuyển đổi điện áp vS_abc sang vS_

Hình 3.16:Sơ đồ chuyển đổi dòng điện nguồn iS_abc sang iS_

3.1.6.2 Kh i tính toán công su t

Bao gồm các khâu tính toán như sau:

Hình 3.17: Khâu tính toán công suất tải Trong đó:

+ u[1] = - + y[1] =Ic_anfa = ic*

+ u[2] =  q + y[2] = Ic_beta = ic*+ u[3] = vS_anfa = v

+ u[4] = vS_beta = v

Mạch lọc thông thấp tần số cắt 20 Hz dùng để tách lấy thành phần công suất

một chiều p Sau đó để lấy thành phần công suất xoay chiều ta thực khâu

- 41 -

3.1.6.5 Kh i đi u khi n b ngh ch l u

Hình 3.21: Khối điều khiển bộ nghịch lưu

- Các dòng điện bù tham chiếu Iref_abc so sánh lần lượt với các dòng điện bù

thực tế iF_abc c a bộ nghịch lưu Các sai lệch được đưa vào khâu hiệu chỉnh PI, ngõ ra c a khâu hiệu chỉnh là áp điều khiển Vđk_abc sau đó được đưa vào khâu PWM 1 trạng thái c a bộ nghịch lưu NPC 11 bậc để tạo xung kích 3 pha

Hình 3.22: Tham số khâu hiệu chỉnh PI

Hình 3.23: Tham số khâu Saturation

- 42 -

3.2 Chi n l c đi u khi n dòng đi n hình sin (Sinusoidal Current Control Strategy): Áp d ng cho tr ng h p ngu n đi n cung c p b m t cân b ng và /

ho ặc méo d ng

Do chiến lược điều khiển dòng điện hình sin và chiến lược điều khiển công

suất t c thời là hằng số giống nhau ở nhiều điểm nên ở phần này tác giả chỉ trình bày các khâu khác biệt

3.2.1 Ngu n cung c p 3 pha 3 dây không cân b ng

Hình 3.24: Sơ đồ nguồn 3 pha 3 dây không cân bằng Biên độ đỉnh điện áp pha Va1 = 220 2V, Vb1 = 242 2V, Vc1 = 200 2V, tần số f = 50 Hz, các pha a, b, c lần lượt lệch pha nhau một góc 1200

Hình 3.25: Tham số nguồn áp Va1

- 43 -

Hình 3.26: Tham số nguồn áp Vb1

Hình 3.27: Tham số nguồn áp Vc1

3.2.2 Ngu n cung c p 3 pha 3 dây không cân b ng và méo d ng

Hình 3.28: Nguồn 3 pha 3 dây không cân bằng và méo dạng