ba bậc tự do trong điều chế vector điều khiển nghịch lưu hai mức nguồn áp và tác động tới chất lượng điện áp ra của việc phân chia thời gian sử dụng hai trʊng thái không

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐƱI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI BÙI THỊ QUỲNH TRANG BA BẬC TỰ DO TRONG ĐIỀU CHẾ VECTOR ĐIỀU KHIỂN NGHỊCH LƯU HAI MỨC NGUỒN ÁP VÀ TÁC ĐỘNG TỚI CHẤT LƯỢNG ĐIỆN ÁP

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐƱI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

BÙI THỊ QUỲNH TRANG

BA BẬC TỰ DO TRONG ĐIỀU CHẾ VECTOR ĐIỀU KHIỂN NGHỊCH LƯU HAI MỨC NGUỒN ÁP VÀ TÁC ĐỘNG TỚI CHẤT LƯỢNG ĐIỆN ÁP RA CỦA VIỆC PHÂN CHIA THỜI

GIAN SỬ DỤNG HAI TRƱNG THÁI KHÔNG

Chuyên ngành: ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA

Khóa: 2012B

LUẬN VĂN THƱC SĨ KỸ THUẬT

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC

GS TSKH Nguyễn Phùng Quang

Hà Nội – 2015

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan rằng các kết quả khoa học được trình bày trong luận văn này là thành quả nghiên cứu của bản thân tôi dưới sự hướng dẫn của GS.TSKH Nguyễn Phùng Quang Các kết quả đạt được là chính xác và trung thực

Tác giả luận văn

Bùi Thị Quỳnh Trang

LỜI CẢM ƠN

Trước hết, tôi xin bày tỏ tấm lòng cảm ơn sâu sắc đối với sự chỉ dẫn ân cần, tận tình và tâm huyết của thầy giáo hướng dẫn GS TSKH Nguyễn Phùng Quang trong suốt quá trình tìm hiểu về đề tài luận văn và các bước thực hiện hoàn thành nghiên cứu này Tuy bản thân tôi kinh nghiệm còn non trẻ nhưng thầy luôn sát cánh chỉ dẫn nhiệt tình Bên cạnh đó là sự quan tâm, động viên trong cuộc sống và những chia sẻ của thầy mà tôi cảm nhận được giống như tình cảm của người cha giành cho con gái Tôi rất biết ơn vì điều đó và xin chân thành cảm ơn thầy

Tôi cũng xin gửi lời cảm ơn chân thành tới các anh NCS và các anh học trò của thầy đã giúp đỡ rất nhiều từ lúc đầu bỡ ngỡ ra Hà Nội đến lúc hoàn thành luận văn Sự quan tâm, tình cảm yêu mến và luôn theo sát từng bước và động viên về tinh thần là nguồn lực rất lớn giành cho tôi Tôi nhìn thấy ở các anh có rất nhiều điều hay đáng để học tập và không ngừng phấn đấu hơn nữa

Qua đây, tôi cũng xin gửi lời cảm ơn tới tình yêu thương vô bờ bến mà gia đình đã giành cho tôi Xin cám ơn những người bạn và những người cộng sự đã

là nguồn động viên rất lớn về mặt tinh thần cho tôi trong suốt thời gian qua Đặc biệt là sự cổ vũ, giúp đỡ nhiệt tình của các thầy cô và các đồng nghiệp hiện đang công tác tại trường ĐH Bà Rịa Vũng Tàu

Cuối cùng cho tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành nhất tới các thầy cô giáo của trường ĐHBK Hà Nội đã dạy dỗ rất tâm huyết và giúp chúng tôi hoàn thành tốt khóa học cao học này

Một lần nữa tôi xin chân thành cảm ơn

Người thực hiện

Bùi Thị Quỳnh Trang

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN 2

LỜI CẢM ƠN 3

MỤC LỤC 4

DANH MỤC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT 5

DANH MỤC BẢNG 7

DANH MỤC HÌNH VẼ 8

MỞ ĐẦU 11

1 NGUYÊN LÝ ĐIỀU CHẾ VECTOR 12

1.1Khái niệm không gian vetor và chuyển các hệ tọa độ 12

1.2Mạch nghịch lưu nguồn áp ba pha hai mức 16

1.3Nguyên lí điều chế vector điện áp 21

1.4Các hạn chế của thuật toán 24

1.5Các dạng điều chế đặc biệt khác 26

1.5.1 Điều chế hai nhánh van 26

1.5.2 Điều chế ngẫu nhiên 27

2 BA BẬC TỰ DO TRONG ĐIỀU CHẾ VECTOR ĐIỆN ÁP 29

2.1Khái nệm ba bậc tự do trong điều chế vector điện áp 29

2.2Thời gian sử dụng vector điện áp có module bằng không 33

2.2.1 Chia sao cho UNO=0 33

2.2.2 Chia đều hai vector có module bằng không 36

2.2.3 Chỉ sử dụng một trong hai vector có module bằng không 39

3 KẾT QUẢ MÔ PHỎNG TRÊN MATLAB SIMULINK 40

3.1Ảnh hưởng của điện áp common mode 40

3.2Kết quả mô phỏng phương pháp điều chế vector chuẩn 41

3.3Kết quả mô phỏng phương pháp điều chế sao cho UNO0 45

4 KẾT QUẢ KIỂM CHỨNG THÔNG QUA VÍ DỤ HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN XOAY CHIỀU BA PHA 49

4.1Hệ truyền động điện xoay chiều ba pha động cơ Rotor lồng sóc 49

4.2Ví dụ cho phương pháp điều chế vector chuẩn 52

4.3Ví dụ cho phương pháp điều chế vector sao cho UNO=0 5656 KẾT LUẬN 62

Tài liệu tham khảo 63

DANH MỤC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT Các chữ viết tắt

ĐCVT

SVM Điều chế vector không gian Space Vector Modulation

DSP Digital Signal Processing (công nghệ xử lý tín hiệu số)

Điện áp trung tính phía phụ tải

Hỗ cảm giữa hai cuộn dây Vector dòng stator

Vector dòng rotor Vector từ thông stator Vector từ thông rotor

DANH MỤC BẢNG Bảng 1.1 Các giá trị tính toán trong mạch nghịch lưu hai mức 19

Bảng 2.1 Thời gian kích đóng ngắt các van theo phương pháp ĐCVT chuẩn… 38 Bảng 4.1 Các thông số mô phỏng của động cơ……….52

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1 Sơ đồ cuộn dây và điện áp stator của ĐCXCBP 12

Hình 1.2 Vector điện áp stator trong hệ tọa độ cố định αβ 13

Hình 1.3 Vector không gian điện áp stator và các điện áp pha 14

Hình 1.4 Biểu diễn vector dòng stator trên hệ tọa độ dq 15

Hình 1.5 Sơ đồ mạch nghịch lưu sáu khóa 17

Hình 1.6 Sơ đồ mạch tương đương của trạng thái 100 18

Hình 1.7 Các trạng thái chuyển mạch của nhánh van NL 18

Hình 1.8 Vector không gian tương ứng trạng thái 110 20

Hình 1.9 Các vector chuẩn trong không gian vector 20

Hình 1.10 Thực hiện vector điện áp trong sector thứ nhất 22

Hình 1.11 Minh họa giới hạn vùng có ích khi điều chế điện áp 24

Hình 1.12 Vùng cấm điện áp trên toàn bộ mặt phẳng vector 25

Hình 1.13 Điều chế hai nhánh van phương án 1 trong sector S1 26

Hình 1.14 Điều chế hai nhánh van phương án 2 trong sector S1 27

Hình 2.1 Vector u s được thực hiện bởi tổng của nhiều vector chuẩn 30

Hình 2.2 Sự chuyển đổi giữa các tổ hợp trạng thái đóng ngắt NL 31

Hình 2.3 Thực hiện hai chu kì liên tiếp khi điều chế vector 34

Hình 2.4 Kích đóng ngắt các nhánh van trong sector 1 37

Hình 3.1 Mạch chỉnh lưu, nghịch lưu và động cơ 40

Hình 3.2 Mô phỏng nghịch lưu và khối điều chế vector 42

Hình 3.3 Khối điều chế vector điện áp chuẩn 42

Hình 3.4 Mạch nghịch lưu ba pha trong Matlab Simulink 43

Hình 3.5 Dòng đầu ra ba pha i AB,i BC,i CA 43

Hình 3.6 Điện áp ngõ ra phía phụ tải U AB,U BC,U CA 44

Hình 3.7 Điện áp trung bình ngắn hạn U AB,U BC,U CA 44

Hình 3.8 Điện áp trung bình U AO,U BO,U COvà U NO 45

Hình 3.9 Điện áp trung bình U U A, AO,U NO 45

Hình 3.10 Khối điều chế vector sao choU NO 0 46

Hình 3.11 Dòng đầu ra ba pha i AB,i BC,i CA 46

Hình 3.12 Điện áp trung bình ngắn hạnđầu ra ba pha 47

Hình 3.13 Điện áp trung bình U AO,U BO,U COvà U NO 47

Hình 3.14 Điện áp trung bình U U A, AO,U NO 48

Hình 4.1 Mô phỏng hệ điều khiển truyền động ĐCKĐB 49

Hình 4.2 Mô hình bộ ĐKTĐ theo phương pháp ĐCVT trực tiếp 50

Hình 4.3 Sơ đồ cấu trúc BĐK dòng điện, tốc độ và từ thông kiểu Dead-Beat 51

Hình 4.4 Mạch công suất gồm chỉnh lưu, nghịch lưu gắn với ĐC trong Plecs 51

Hình 4.5 Đáp ứng dòng điện i sd của động cơ 52

Hình 4.6 Đáp ứng dòng điện i sq của động cơ 53

Hình 4.7 Đáp ứng tốc độ của động cơ 53

Hình 4.8 Đáp ứng điều chỉnh từ thông của động cơ 54

Hình 4.9 Dòng điện ngõ ra 54

Hình 4.10 Điện áp trung bình ngắn hạn ba pha đầu ra 55

Hình 4.11 Điện áp trung bình ngắn hạn của U AO,U BO,U CO,U NO 55

Hình 4.12 Điện áp trung bình ngắn hạn U U A, AO,U NO 56

Hình 4.13 Đáp ứng dòng điện i sd của động cơ 57

Hình 4.14 Đáp ứng dòng điện i sq của động cơ 57

Hình 4.15 Đáp ứng tốc độ của động cơ 58

Hình 4.16 Đáp ứng điều chỉnh từ thông của động cơ 58

Hình 4.17 Dòng điện ngõ ra ba pha phía phụ tải 59

Hình 4.18 Điện áp trung bình ngắn hạn đầu ra ba pha phía phụ tải 59

Hình 4.19 Điện áp trung bình ngắn hạn của U AO,U BO,U CO,U NO 60

Hình 4.20 Điện áp trung bình ngắn hạn U U A, AO,U NO 60

MỞ ĐẦU

Thuật toán điều chế vector điện áp giữ vai trò vô cùng quan trọng trong các thiết bị biến đổi AC-DC và DC-AC của kỹ thuật truyền động điện, kỹ thuật phát - truyền tải và nâng cao chất lượng điện năng Điều chế vector là một phương pháp điều khiển động cơ điện xoay chiều ba pha hiện đại và hiện tại đang được ứng dụng rộng rãi, với ưu điểm gắn liền một cách rõ ràng các phương pháp mô

tả toán học chính xác các mối quan hệ vật lý của động cơ với các công nghệ điều khiển mới, nó có khả năng vượt trội về áp đặt dòng điện, momen

Khi nói tới điều phương pháp chế vector người ta thường nhắc đến phương pháp điều chế chuẩn rất thông dụng đã được trình bày trong nhiều tài liệu và cho phép cài đặt thuận lợi trên vi điều khiển Tuy nhiên, theo phương pháp này điện áp thành phần commmon mode vẫn còn tồn tại khá lớn Điện áp common mode là nguyên nhân chính gây nên các vấn đề về tương thích điện từ, gây ra sự

hư hỏng nhanh chóng của bệ đỡ động cơ bởi gia tăng sự xả điện qua các thành phần lăn của trụ đỡ Tuy nhiên, việc sử dụng cuộn kháng trên đường dây, sử dụng các mạch lọc thông thấp giúp ta loại bỏ dễ dàng thành phần tần số cao của điện áp common mode nhưng các thành phần common mode tần số thấp

UNO không bị lọc bởi các thiết bị này Khi thiết kế một bộ lọc thành phần điện

áp common mode tần số thấp đồng nghĩa với sự tốn kém chi phí và bộ điều khiển thêm cồng kềnh

Với việc hiểu biết sâu sắc và tận dụng được “ba bậc tự do“ khi thực hiện kỹ thuật điều chế vector, sẽ giúp ta khả năng tạo ra các phương pháp điều chế tối

ưu, góp phần nâng cao chất lượng điện áp AC 3~ của thiết bị biến đổi Bằng cách sử dụng bậc tự do thứ ba trong điều chế vector điện áp một cách linh hoạt

đã loại bỏ được hoàn toàn điện áp thành phần common mode UNO

Kết quả của nghiên cứu đã được kiểm chứng qua mô hình mô phỏng trong Matlab simulink và thông qua một ví dụ mô phỏng trong hệ truyền động điện động cơ không đồng bộ ba pha Rotor lồng sóc

1 NGUYÊN LÝ ĐIỀU CHẾ VECTOR

Vào những năm 1970s, với công trình khoa học được trình bày trong các công bố của Hasse và Blaschke đã tạo nên một bước đột phá trong kỹ thuật điều khiển động cơ không đồng bộ Bằng cách ứng dụng phương pháp chuyển vị tọa độ (transvector), động cơ không đồng bộ được điều khiển trong hệ tọa độ

dq, quay với tốc độ của từ trường quay, thay vì trong hệ tọa độ tĩnh truyền

thống abc Hai phương pháp của hai nhà khoa học Hasse và Blaschke đã nhận

được sự quan tâm lớn của giới khoa học và công nghiệp, và sau đó được biết đến với tên gọi lần lượt là: phương pháp điều khiển vector gián tiếp (Hasse) và phương pháp điều khiển vector trực tiếp (Blaschke) Các tiến bộ vượt bậc trong công nghệ vi xử lý, vi điều khiển, và đặc biệt là DSP cho phép thực hiện các thuật toán phức tạp trong thời gian thực đã giúp cho các phương pháp điều khiển vector (hay còn được gọi là điều khiển tựa từ thông – Field Oriented Control FOC) trở thành các công nghệ điều khiển động cơ xoay chiều được chuẩn hóa trong công nghiệp từ những năm 90 của thế kỷ trước

1.1 Khái niệm không gian vetor và chuyển các hệ tọa độ

Equation Chapter (Next) Section 1

Động cơ xoay chiều ba pha (ĐCXCBP) có ba cuộn dây stator ba pha và điện

áp được bố trí không gian như hình 1.1:

Hình 1.1 Sơ đồ cuộn dây và điện áp stator của ĐCXCBP

Ba trục của ba cuộn dây lệch nhau 1 góc 120o trong không gian Ba điện áp cấp cho động cơ từ lưới ba pha hay từ bộ nghịch lưu, biến tần thỏa mãn phương trình:

u là biên độ của điện áp ba pha và có thể thay đổi

Vector không gian của điện áp stator được định nghĩa như sau:

( trong mặt phẳng abc ba chiều với 3 vector đơn vị )

Tương tự như vector trong mặt phẳng phức hai chiều với 2 vector đơn vị

Vector không gian điện áp stator cố định là một vector có module xác định

s

u quay trên mặt phẳng phức với tốc độ góc s và tạo với trục thực (trùng với cuộn dây pha A) một góc ( )s t

Ta đặt một hệ tọa độ mới có gốc trùng với gốc hệ tọa độ cũ abc , trục thực α

trùng với vector u sa , trục ảo β (vuông góc với trục thực) Hệ tọa độ mới này được gọi là hệ tọa độ stator cố định αβ hay là hệ tọa độ αβ Vector không

gian us lúc này được mô tả qua hai giá trị thực u svà ảo u s là 2 thành phần của vector

s u s ju s

Tương tự, ta cũng có thể biểu diễn các đại lượng ba pha khác như dòng điện stator, từ thông stator và từ thông rotor dưới dạng vector không gian như trên ,

Hệ tọa độ stator cố định αβ hay là hệ tọa độ αβ được minh họa như hình 1.3:

Hình 1.3 Vector không gian điện áp stator và các điện áp pha

Bằng các phương pháp hình học cơ bản ta có thể xác định các thành phần của vector us như sau:

Ta viết lại phương trình (1.6):

sb s

sc

u u

u u

s sc

u

u u

u u

Như trên ta đã biết, các vector , ,is  r s và us đều quay xung quanh gốc tọa

độ với tốc độ góc là s Nếu ta đặt một hệ tọa dq mới có gốc trùng với gốc của

hệ tọa độ αβ, hướng trục thực d trùng với hướng vector r , trục ảo là q thì hệ tọa độ mới này cũng là một hệ tọa độ quay xung quanh điểm gốc với tốc độ

s r

d dt



Hình 1.4 Biểu diễn vector dòng stator trên hệ tọa độ dq

Ta có:

Bằng các cách chứng minh về hình học đơn giản ta có công thức chuyển hệ

tọa độ αβ→dq như sau:

truyền động một cách dễ dàng và mang lại hiệu quả kinh tế cao hơn

1.2 Mạch nghịch lưu nguồn áp ba pha hai mức

Bộ nghịch lưu có nhiệm vụ chuyển đổi năng lượng từ nguồn điện một chiều không đổi sang dạng năng lượng điện xoay chiều để cung cấp cho tải xoay chiều Đại lượng được điều khiển ở ngõ ra là điện áp hoặc dòng điện Nếu đại lượng được điều khiển ở ngõ ra là điện áp thì bộ nghịch lưu được gọi là bộ nghịch lưu áp, ngược lại gọi là bộ nghịch lưu dòng

Nguồn một chiều cung cấp cho bộ nghịch lưu áp có tính chất nguồn điện

áp và nguồn một chiều cung cấp cho bộ nghịch lưu dòng có tính chất nguồn dòng Các bộ nghịch lưu tương ứng được gọi là bộ nghịch lưu áp nguồn áp và bộ nghịch lưu dòng nguồn dòng hoặc gọi tắt là bộ nghịch lưu áp và bộ nghịch lưu dòng

Trong trường hợp nguồn điện ở đầu vào và đại lượng ở ngõ ra khác nhau,

ví dụ bộ nghịch lưu cung cấp dòng điện xoay chiều từ nguồn điện áp một chiều,

ta gọi chúng là bộ nghịch lưu điều khiển dòng điện từ nguồn điện áp hoặc bộ nghịch lưu dòng nguồn áp

Các bộ nghịch lưu là thành phần chủ yếu trong bộ biến tần Ứng dụng quan trọng và tương đối rộng rãi của chúng nhằm vào lĩnh vực truyền động điện động cơ xoay chiều với độ chính xác cao Trong lĩnh vực tần số cao, bộ nghịch lưu được dùng trong các thiết bị lò cảm ứng trung tần, thiết bị hàn trung tần

Bộ nghịch lưu còn ứng dụng làm nguồn điện xoay chiều cho nhu cầu gia đình, làm nguồn điện liên tục UPS, điều khiển chiếu sáng và còn được ứng dụng trong lĩnh vực bù nhuyễn công suất phản kháng

Mạch nghịch lưu áp ba pha hai mức rất thông dụng và có nhiều trong thực

tế Xuất phát từ sơ đồ nguyên lý của mạch nghịch lưu xoay chiều ba pha với ba cuộn dây pha A, B, C được minh họa như hình 1.5:

Hình 1.5 Sơ đồ mạch nghịch lưu sáu khóa

Mạch nghịch lưu được nuôi bởi một điện áp một chiều trung gian Udc và có sáu khóa V1V6 Bộ vi xử lý điều chế vector có nhiệm vụ tính toán, tạo ra các

chùm xung kích thích điều khiển các cặp van V / V1 2,V / V3 4và V / V5 6 sao cho ba điện áp ba pha (dạng xung băm) có biên độ, tần số và góc pha theo yêu cầu đặt lên ba cực của động cơ Điểm N là điểm trung tính phía phụ tải xoay chiều ba pha, O là điểm trung tính phía nguồn một chiều

Các van của NL thường là IGBT với ưu điểm là thời gian đáp ứng đóng ngắt rất nhanh được dùng trong các bộ biến đổi độ rộng xung tần số cao IGBT có khả năng chịu tải cao (điện áp tới vài ngàn volt và dòng điện tới vài ngàn Ampere) IGBT thường được dùng trong các mạch công suất lớn lên đến 10MV hoặc cao hơn nữa Ngày nay, IGBT được chế tạo duới dạng IC công nghiệp có khả năng tự bảo vệ chống quá tải, ngắn mạch và được chế tạo tích hợp dạng module riêng hay module bán dẫn (dưới dạng complex bao gồm mạch điều khiển và mạch bảo vệ) Đề tài cũng chỉ nghiên cứu về mạch nghịch lưu van IGBT

Trong đó các van được qui ước như sau:

Hình 1.6 Sơ đồ mạch tương đương của trạng thái 100

Bằng phương pháp tính thủ công ta nhìn hình 1.6 dễ dàng tính toán ra được các giá trị đầu ra của mạch NL là UAN 2 / 3U ; Udc BN  1/ 3U ; Udc CN  1/ 3Udc và các giá trị điện áp pha tải UABU ; Udc BC 0; UCA  Udc

Các trạng thái đóng ngắt được minh họa như hình 1.7:

Hình 1.7 Các trạng thái chuyển mạch của nhánh van NL

Ta quy ước các trạng thái trong bảng là giá trị logic của các van nhánh trên của mạch van V , V , V1 3 5 Ta có 3 nhánh van của mạch NL sẽ tao nên 8 tổ hợp các trạng thái đóng ngắt Mỗi một trạng thái đóng ngắt của mạch van mạch van

sẽ cho ta các giá trị điện áp ra tương ứng Bằng cách thay đổi lần lượt các giá trị logic của các nhánh van mà ta tính toán theo như ví dụ trên hình 1.6 và tổng

hợp được các giá trị như trong bảng 1.1:

Bảng 1.1 Các giá trị tính toán trong mạch nghịch lưu hai mức

Áp dụng định nghĩa về không gian vector trên hệ tọa độ abc, ta lần lượt

chuyển các vector điện áp qua không gian vector bằng phương pháp đại số theo công thức (1.5) Ví dụ cho trạng thứ 2 ứng với các trạng thái đóng ngắt của van nhánh trên V , V , V1 3 5 110:

s

u  và tạo với trục thực α một góc là

60o

Ta cũng có thể tìm vị trí của vector us bằng cách thứ 2 đó là dùng phương pháp hình học cộng vector Vector điện áp us là tổng của 3 vector thành phần

sa sb sc

u u u minh họa cụ thể như hình vẽ 1.8:

Hình 1.8 Vector không gian tương ứng trạng thái 110

Vector điện áp uslúc này cũng có kết quả giống như theo phương pháp đại

số Tương tự, ta lần lượt xét cho các trạng thái còn lại và rút ra công thức tổng quát cho vector không gian điện áp pha stator:

( 1) 3 dc

Hình 1.9 Các vector chuẩn trong không gian vector

Ngoài ra mạch nghịch lưu ba pha hai mức cũng được mô hình hóa nhánh van

và được mô tả bằng hàm logic, giá trị trung bình ngắn hạn và hàm điều chế

Việc mô hình hóa ấy áp dụng cho nhiều loại mạch van nguồn áp khác nhau 1 pha, 3 pha và nó còn có thể áp dụng cho các mạch van nguồn dòng một cách tương tự Bằng cách mô hình hóa mạch van giúp ta dễ dàng tổng quát hóa các mạch van và tiết kiệm thời gian tính toán theo phương thức thủ công

Cách mô hình hóa các mạch van được trình bày rất rõ trong tài liệu [3] và [4] Đối với mạch nghịch lưu ba pha hai mức như trên hình 1.5 ta cũng tiến hành

mô hình hóa và thu được các giá trị tương đương giống như bảng 1.1

Các phương pháp điều khiển bộ nghịch lưu áp:

 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)

1.3 Nguyên lí điều chế vector điện áp

Ý tưởng của phương pháp điều chế vector không gian là tạo nên sự dịch chuyển liên tục của các vector không gian tương của vector điện áp bộ nghịch lưu trên qũi đạo đường tròn, tương tự như trường hợp vector không gian của đại lượng sin ba pha tạo được Với sự dịch chuyển đều đặn của vector không gian trên quĩ đạo tròn, các sóng hài bậc cao được loại bỏ và quan hệ giữa tín hiệu điều khiển

và biên độ áp ra trở nên tuyến tính

Áp dụng định nghĩa vector không gian, ta xác định quĩ đạo của điện áp ba pha của bộ NL áp gồm 8 vector chuẩn từ u0u7 tương ứng với tổ hợp các trạng thái đóng ngắt của van NL Trong đó, các điện áp u1u6 hay được gọi là các

vector điện áp chuẩn có module không đổi và có giá trị là 1,2, ,6 2 U dc

chu kì lấy mẫu Ts, ta cho thực hiện vector u khoảng thời gian là 1 T1, vector u2

khoảng thời gian là T2 và vector u0và u7 sẽ được thực hiện trong khoảng thời gian còn lại :T , 0 7  TsT 1  T 2 như hình 1.10:

Hình 1.10 Thực hiện vector điện áp trong sector thứ nhất

Điện áp sẽ usluôn có module tối đa là:

2sin( )33

T2sin( )33

Nguyên lý điều chế vector trên đều được áp dụng cho tất cả các sector còn lại trong mặt phẳng vector một cách tương tự Bên cạnh đó, việc tận dụng hai

vector có module bằng không u0,u7và trình tự thực hiện các vector trong một chu kì điều chế là hết sức quan trọng Khi đó ta cần tìm hiểu kĩ hơn về khái niệm “ba bậc tự do” trong điều chế vector được trình bày trong chương 2

1.4 Các hạn chế của thuật toán

Phương pháp ĐCVTKG trong mạch nghịch lưu áp có thể hạn chế sóng hài dòng điện cũng như giảm tổn hao phát sinh do quá trình đóng ngắt Tuy nhiên,

ta cần lưu ý tới các hạn chế của nó khi thực hiện phần cứng cũng như phần mềm của thuật toán Ta biết rằng vector điện áp ussẽ có module tối đa là

Từ công thức (1.24) ta vẽ được đồ thị hình 1.11a Vì thời gian tổng T luôn

bị giới hạn bởi Ts nên thực tế vùng thực sự có ích cho việc điều chế vector

điện áp chỉ nằm bên trong hình lục giác đều được giới hạn bởi đỉnh các vector chuẩn như hình 1.11b:

Hình 1.11 Minh họa giới hạn vùng có ích khi điều chế điện áp

Trong thực tiễn để giảm sóng hài bậc cao, ta chỉ sử dụng vùng bên trong đường tròn nội tiếp lục giác trên Khi đó điện áp sẽ có module tối đa là

dc max

1

U

3

s

1U2

s

Khi đó hệ số điều chế M của phương pháp điều chế vector đạt tối đa là :

dc

dc

U

23

Ngoài ra ta phải chú ý tới phạm vi mở van (module điện áp) phải được giới hạn sao cho hai giá trị T , T0 7 phải luôn lớn hơn thời gian đóng ngắt của các van IGBT và giá trị củaT ,T1 2 không bao giờ được phép nhỏ hơn thời gian chạy các thủ tục xử lý ngắt của chương trình Vì vậy nên ta có thêm một hạn chế nữa đối

với vùng diện tích có ích trong việc đều chế Vùng hạn chế này là vùng cấm điện áp như hình 1.12:

Hình 1.12 Vùng cấm điện áp trên toàn bộ mặt phẳng vector

Ta nên lưu ý tới tính đồng bộ cần được đảm bảo giữa việc xử lý số liệu và điều chế băm xung điện áp điều chế Khi xảy ra quá trình quá độ làm cho các khung Tstrong từng xung nhịp là khác nhau Để đảm bảo sự đồng bộ hóa cho từng chu kì và thời gian xử lý đóng ngắt trong từng nhịp xung không bị lệch, dễ dàng cho các bộ đếm tiến lùi của vi xử lý vì thế ta tiến hành tách vector u0 ra hai đầu của mỗi chu kì Xét đại điện trong sector S1 như sau:

Tương tự cho các sector còn lại trong không gian vector

Bên cạnh đó, khi xét các van bán dẫn ta luôn coi nó là van lý tưởng có khả

năng đóng ngắt không chậm trễ Thực tế, các van bán dẫn thường có độ trễ đóng ngắt t , on t off nhất định Khi điều chế có thể dẫn tới ngắn mạch nghịch lưu

Để tránh ngắn mạch, quá trình đóng ngắt được lùi lại một thời gian t D có giá trị lớn hơn t , on t off Thực tế người ta thường chọn là t off 7080%t D

1.5 Các dạng điều chế đặc biệt khác

1.5.1 Điều chế hai nhánh van

Khi tính đồng bộ giữa điện áp và xử lý số liệu được đảm bảo như phương pháp điều chế chuẩn trong một khung thời gian ổn định Phương pháp điều chế chuẩn này thưc hiện lặp lại hai vector điện áp giống hệt nhau trong phạm vi một chu kỳ xung Trong sector S1 theo phương pháp điều chế chuẩn thì thời gian thực hiện hai vector có module bằng 0 được chia đều cho nhau và trình tự thực hiện các vector:

Tương tự cho các sector còn lại ta cũng làm như vậy

Nếu ta gom hai khoảng thời gian thực hiện vector có module bằng không T0 và 7

T , sao cho tổng của chúng ở chính giữa hoặc phân ra hai đầu như trình tự hình 1.13 sau:

Hoặc ta có thể gom thơi gian thực hiện hai vec tor có module bằng không vào chính giữa theo trình tự như hình 1.14:

Hình 1.14 Điều chế hai nhánh van phương án 2 trong sector S1

Khi ta thực hiện cách phân chia thời gian thực hiện hai vector có module bằng không như trên này thì giá trị trung bình của điện áp trong 1 chu kì vẫn được đảm bảo (Tpulse 2Ts)

Thực hiện trình tự như trên, ta sẽ có 1 nhánh van không hề phải chuyển mạch trong suốt một chu kì Hai nhánh van còn lại cũng chỉ chuyển mạch 1 lần trong suốt chu kì Ta cũng thực hiện tương tự cho các sector còn lại thấy kết quả cũng như vậy, trong mỗi sector sẽ có hai lựa chọn mà chỉ hai nhánh van chuyển mạch 1 lần trong suốt 1 chu kì Như vậy, phương pháp điều chế mới

này gọi là phương pháp điều chế hai nhánh van (vì chỉ có duy nhất hai

nhánh van đảo trạng thái logic) Trong phương pháp ĐCHNV này tổn thất sẽ tự động giảm đi chỉ còn 2/3 giá trị tổn thất ban đầu

Đối với phương pháp điều chế hai nhánh van này có ưu điểm là giảm thiểu tổn hao đóng ngắt của van Nhưng nó cũng làm tăng mức độ mấp mô (hài bậc cao) của momen quay gần như gấp đôi

1.5.2 Điều chế ngẫu nhiên

Ta nhận thấy rằng trong quá trình điều chế có các tín hiệu nhiễu cứ lặp đi lặp lại hết chu kì này tới chu kì khác được gọi là sóng hài Các sóng hài thường xuất hiện trong các chu kì và có tính tuần hoàn nghĩa là sóng hài cũng có tần số

và biên độ Có hai loại sóng hài bậc một và sóng hài bậc hai trong điều chế

vector

Nguyên nhân của sóng hài bậc một là tính đối xứng trong cả chu kì bao

giờ ta cũng thực hiện theo trình tự như sau:

Lúc nào cũng bắt đầu mỗi chu kì là tổ hợp 000 (ba nhánh van nối với thế

năng âm) us 0 → sau đó thực hiện các vector biên phải và biên trái us 0→ rồi

thực hiện tổ hợp tráng thái logic 111 ( us 0) → kết thúc cũng là tổ hợp 000 (

0

s 

u ) Tính đối xứng này lặp lại mãi trong mỗi chu kì

Phương án giải quyết được đưa ra là lập trình theo kiểu bốc thăm thẻ bài hay được gọi là phương pháp tung đồng xu Ví dụ khi xu sấp tương ứng với trạng thái logic là 0 ta chọn u là bắt đầu chu kì, khi đồng xu ngửa thì tương 0

ứng trạng thái logic là 1 ta chọ u7 để bắt đầu chu kì thực hiện vector điện áp us Như vậy với cách chọn ngẫu nhiên 0 hay 1 ta có thể quyết định u0 hay u7 để

là vector thực hiện đầu tiên trong chu kì Bằng cách này ta đã bẻ vỡ tính đối xứng của các chu kì và loại bỏ được sóng hài bậc nhất

Nguyên nhân của sóng hài bậc hai là tính đối xứng trong một nửa chu kì

bao giờ ta cũng thực hiện theo trình tự như sau:

Phương án giải quyết là là ta chọn ngẫu nhiên giá trị x sao cho x 0,1 Cứ bắt đầu mỗi chu kỳ ta chọn x 0,1 và ta sẽ có như sau:

2 BA BẬC TỰ DO TRONG ĐIỀU CHẾ VECTOR ĐIỆN ÁP

Equation Chapter (Next) Section 2

Với nhiều ưu điểm vượt trội phương pháp điều chế vector là phương pháp điều khiển hiện tại và hiện đại nhất đang được ứng dụng trong công nghiệp rất nhiều Tuy nhiên, việc hiểu sâu sắc về ba bậc tự do trong điều chế vector sẽ giúp chúng ta tạo ra phương pháp điều chế vector tối ưu góp phần nâng cao chất lượng điện áp của tải xoay chiều ba pha

2.1 Khái nệm ba bậc tự do trong điều chế vector điện áp

Bậc tự do thứ nhất: Ta có thể tạo vector điện áp us từ hai hay nhiều các vector điện áp chuẩn

Xét trong sector S 1 các phương án thực hiện vector điện áp us có thể là:

-Vector điện áp us được thực hiện bởi chỉ hai vector điện áp dựa vào hai vector chuẩn u1 và u ta kí hiệu tắt là 2 (12)

-Vector điện áp us được thực hiện bởi tổng của ba vector chuẩn u1, u2và u0 kí hiệu là (120).

-Vector điện áp us được thực hiện bởi tổng của ba vector chuẩn u1, u2 và u7

(127)

-Vector điện áp us được thực hiện bởi tổng của bốn vector chuẩn u1, u2, u7 và 0

u (1270)

-Vector điện áp us được thực hiện bởi tổng của năm vector chuẩn u3, u2,u1, u 0

và u6(32106) Các vector chuẩn này không nhất thiết phải là các vector chuẩn nằm trong sector S như đã trình bày trên phần nguyên lý điều chế vector mà 1

nó được chọn tùy ý Minh họa cho trường hợp này như hình 2.1:

-Hình 2.1 Vector u s được thực hiện bởi tổng của nhiều vector chuẩn

Khi đó vector điện áp u được tính bằng tổng các vector thành phần: s

Bậc tự do thứ hai: Trình tự thưc hiện của các vector được chọn có thể là

khác nhau

Xét đại diện trong sector S 1:

Ta có thể thực hiện vector điện áp us bằng cách thực hiện u1 trước sau đó

ta thực hiện vector u2 trong 1 chu kì xung (12) hoặc ta cũng có thể thực hiện vector u2trước sau đó ta thực hiện vector u1(21) Ta cũng có thể thực hiện u0

trước sau đó ta thực hiện vector u1 và cuối cùng là thực hiện vector u2(012) Hay ta có thể đảo trình tự thực hiện là (120) cũng được Tương tự ta cũng có thể thực hiện vector điện áp us theo các trình tự như sau (127), (712), (1270), (0127), (1207), (01217), (72101) ww Như vậy trình tự thực hiện các vector trong 1 chu kì là hoàn toàn tự do

Tuy nhiên, khi thực hiện trình tự các vector phải quan tâm tới việc giảm thiểu tổn hao công suất đóng ngắt, đặc biệt trong những bộ điều khiển công suất cỡ lớn là vấn đề rất quan trọng Vì vậy, chúng ta phải luôn lưu ý những điều sau để tổn hao đóng ngắt của mạch nghịch lưu là tối thiểu và tuân theo sơ

đồ hình 2.2 Trong đó, 8 tổ hợp trạng thái đóng ngắt ứng với 8 vector chuẩn

Z Z

Hình 2.2 Sự chuyển đổi giữa các tổ hợp trạng thái đóng ngắt NL

- Mỗi đường nối biểu diễn chuyển trạng thái dẫn đến: 1 nhánh van chuyển mạch

- Khi chuyển trạng thái bỏ qua trạng thái lân cận: 2 nhánh van sẽ chuyển mạch

- Khi chuyển đến trạng thái đối diện: 3 nhánh van sẽ chuyển mạch

Như vậy, ta cần ưu tiên chọn các bước chuyển mạch trạng thái chỉ buộc một nhánh van chuyển mạch trong suốt 1 chu kì để tổn hao đóng ngắt là nhỏ nhất Đây cũng chính là trình tự của các trạng thái đóng cắt các van bán dẫn có lợi nhất: