Nghiên cứu xây dựng các sách lược điều khiển không dùng cảm biến cho các chỉnh lưu ba pha có điều chế độ rộng xung

Các hệ thống điều chỉnh động cơ xoay chiều 3 pha trên thị trường hiện nay hầu hết thường sử dụng một mạch chỉnh lưu diode công suất để cấp điện áp một chiều cho bộ nghịch lưu.. Các biến

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

CHUYÊN NGÀNH: ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC :

PGS.TS VÕ MINH CHÍNH

CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG:

Hà Nội – Năm 2011

Mở đầu

Trong những năm gần đây, sự phát triển của công nghệ chế tạo phần tử bán dẫn cho phép sản xuất ra những phần tử bán dẫn ngày càng nhỏ gọn, chịu được dòng

điện và điện áp cao, khả năng đóng cắt với tần số cao, tổn hao công suất thấp Các

bộ biến đổi sử dụng phần tử bán dẫn hiện đại như IGBT, GTO, MOSFET dần thay thế các bộ biến đổi truyền thống sử dụng diode, thyristor trong các ứng dụng yêu cầu chất lượng điều khiển cao, phức tạp Ưu điểm của các phần tử bán dẫn hiện đại

là khả năng điều khiển hoàn toàn quá trình đóng và ngắt với tần số cao Khả năng này cho phép bộ biến đổi có thể điều khiển được hoàn toàn vì các van có thể đóng hoặc cắt bất cứ khi nào và có thể chuyển mạch hàng trăm lần trong một chu kỳ trong khi các bộ biến đổi truyền thống chỉ có thể đóng mở một vài lần trong 1 chu kỳ Mặt khác do kỹ thuật điện tử phát triển dẫn đến hàng loạt thiết bị là các tải phi tuyến, những bất lợi do tải phi tuyến mang đến có thể làm giảm độ tin cậy của thiết

bị, do đó cũng làm giảm giá trị của thiết bị Từ khi phương thức điều chế SVM ra

đời nó được ứng dụng và can thiệp vào sự đóng ngắt của các van bán dẫn Các phương thức chỉnh lưu thông thường trở lên khó khăn trong việc giảm các sóng hài dòng điện do tải phi tuyến gây ra trên thiết bị điện Một kỹ thuật mới ra đời có thể khắc phục được những khó khăn do tải phi tuyến mang lại, đó là phương thức chỉnh lưu PWM Do cách thức điều khiển bằng dòng, công suất mà người ta có thể chia thành các phương pháp điều khiển các nhau (VOC, VFOC, DPC, VF-DPC) Các sách lược điều khiển này đảm nhận phía chỉnh lưu, còn phía nghịch lưu người ta cũng có các sách lược điều khiển riêng Chỉnh lưu PWM được ứng dụng trong Biến tần bốn góc phần tư dùng bộ biến đổi BTB (Back- to - back):

• Tăng độ tin cậy và khả năng sẵn sàng của hệ thống truyền tải năng lượng

• Tăng độ ổn định động và độ ổn định quá độ của lưới

• Phát trả năng lượng về lưới, có đặc tính động học tốt, hiệu suất biến đổi năng lượng cao, cải thiện đáng kể hình dáng của dòng điện lưới

Với sự hướng dẫn của thầy giáo PGS TS Võ Minh Chính tôi xin chọn đề tài:

Nghiên cứu xây dựng các sách lược điều khiển cho Chỉnh lưu ba pha có điều chế độ rộng xung

Trong luận văn này tác giả chỉ tập trung vào phần chỉnh lưu PWM với các sách lược điều khiển và được tiến hành trong năm chương Mục tiêu là mô phỏng và kiểm nghiệm các kết quả

Chương 1 Giới thiệu chung Chỉ ra tầm quan trọng của chỉnh lưu PWM trong việc giảm các thảnh phần sóng hài do dòng điện tải phi tuyến gây ra Và được ứng dụng trong Biến tần BTB

Chương 2 Chỉnh lưu PWM Đi sâu vào mô tả toán học của chỉnh lưu PWM và mô tả toán học chỉnh lưu PWM trên các hệ trục tọa độ Các phương pháp ước lượng

điện áp và công suất cũng được đề cập trong chương này

Chương 3 Điều khiển bộ chỉnh lưu PWM theo phương pháp tựa theo điện áp Chương này nghiên cứu về hai phương pháp VOC và VF-VOC, xây dựng mô hình chung, mô hình điều khiển cho dòng điện và điện áp bộ biến đổi

Chương 4 Điều khiển bộ chỉnh lưu PWM theo phương pháp điều khiển công suất trực tiếp, xây dựng mô hình chung, lập các khối tính toán chức năng, lập bảng

điều khiển

Chương 5 Tiến hành mô phỏng trên Matlap và Simulink

Em xin chân thành cảm ơn sự giúp đỡ tận tình của thầy giáo hướng dẫn PGS

TS Võ Minh Chính, của các thầy cô bộ môn Tự động hoá xí nghiệp công nghiệp- Khoa Điện- Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội, cảm ơn các bạn bè và người thân trong gia đình đã hết lòng giúp đỡ và tạo điều kiện thuận lợi cho tụi hoàn thành luận văn này Do thời gian cho luận văn và trình độ bản thân có hạn nên luận văn này không thể tránh khỏi thiếu sót Tác giả rất mong sự góp ý của các thầy cô và bạn bè

để luận văn này được hoàn thiện hơn

Ngày 28 tháng 09 năm 2011 Học viên

Trần Quyết Tiến

Mục lục

Trang Trang phụ bìa 2

Lời cam đoan 3

Mục lục 4

Danh mục các ký hiệu chữ viết tắt 7

Danh mục bảng 10

Danh mục hình vẽ, đồ thị 11

Mở đầu 15

Abstract 17

Chương 1 Giới thiệu chung 19

1.1 ảnh hưởng của sóng hài do tải phi tuyến gây ra trên các thiết bị điện và cách khắc phục 19

1.2 nhược điểm của các loại biến tần nguồn áp thông thường 21

1.3 Các bộ biến đối có khả năng phát trả năng lượng về lưới 23

1.3.1 Bộ biến tần nguồn dòng chỉnh lưu thyristor 23

1.3.2 Bộ biến tần nguồn áp có mắc thêm 1 nghịch lưu ở phía lưới 24

1.3.3 Bộ biến tần dùng chỉnh lưu PWM - biến tần BTB 25

1.4 Đặc điểm của hệ thống điều khiển năng lượng hai phía 26

1.5 kết luận 27

Chương 2 Bộ Chỉnh lưu PWM 28

2.1 Các sơ đồ chỉnh lưu thông dụng 28

2.2 Cấu tạo và nguyên lý làm việc của bộ chỉnh lưu pwm 30

2.3 Xây dựng véc tơ không gian 34

2.4 mô hình toán học của bộ chỉnh lưu pwm 38

2.4.1 Mô tả bộ chỉ nh lưu PWM trong hệ tọa độ 3 pha 38

2.4.2 Mô tả bộ chỉnh lưu PWM trong hệ tọa độ tĩnh α ư β 40

2.4.3 Mô tả toán học bộ chỉnh lưu PWM trong hệ tọa độ quay d-q 41

2.5 Ước lượng công suất lưới 43

2.5.1 Ước lượng công suất dựa trên điện áp lưới 43

2.5.2 Ước lượng công suất dựa trên vector từ thông ảo 44

2.6 Các giới hạn 48

2.6.1 Điện áp một chiều tối thiểu 48

2.6.2 Mối quan hệ giữa điện áp một chiều và điện cảm 49

2.7 Giảm dùng cảm biến 50

Chương 3 điều khiển bộ chỉnh lưu PWM theo phương pháp tựa theo véc tơ điện áp 54

3.1 các phương pháp chính điều khiển bộ chỉnh lưu pwm 54

3.2 kỹ thuật điều chế độ rộng xung pwm 56

3.2.1 Giới thiệu 56

3.2.2 Điều chế độ rộng xung với điện áp sin 58

3.2.3 Thực thi PWM bằng điều khiển số 59

3.2.4 Hiệu ứng thời gian chết 60

3.2.5 Điều chế véc tơ không gian (SVM) 61

3.3 điều khiển chỉnh lưu pwm theo phương pháp tựa theo vec tơ điện áp 65

3.3.1 Giới thiệu 65

3.3.2 Sơ đồ bộ điều khiển chỉnh lưu PWM theo vec tơ điện áp (VOC) 66

3.3.3 Sơ đồ bộ điều khiển chỉnh lưu PWM theo từ thông ảo (VFOC) 69

3.3.4 Bộ điều chỉnh 71

3.3.5 Xác định luật điều khiển 77

3.3.6 Các bộ đo dòng điện 86

chương 4 Điều khiển bộ chỉnh lưu pwm theo phương pháp điều khiển công suất trực tiếp 87

4.1 Điều khiển chỉnh lưu pwm theo phương pháp điều khiển công suất trực tiếp 87

4.1.1 Khối tính toán từ thông 89

4.1.2 Khối tính toán công suất 90

4.1.3 Lựa chọn vector điện áp 90

4.1.4 Bộ điều chỉnh trễ từ thông và công suất 91

4.1.5 Thiết lập bảng chuyển mạch 92

4.2 bảng chọn dpc 94

5.5 Các khâu so sánh và bảng chuyển mạch 108

5.7 Bộ chuyển đổi điện áp từ hệ tọa độ abc sang hệ tọa độ α − β 110

5.8 Xây dựng mô hình thực nghiệm trên Simulink/Matlab 110

Chư¬ng 1 Giíi thiÖu chung

Trong chư¬ng nµy sÏ dÉn gi¶i tÇm quan träng cña chØnh lưu PWM trong viÖc gi¶m ¶nh hưëng cña sãng hµi trong c¸c t¶i vµ trong biÕn tÇn cã kh¶ n¨ng ph¸t tr¶ n¨ng lưîng vÒ lưíi

1.1 ¶nh hưëng cña sãng hµi do t¶i phi tuyÕn g©y ra trªn c¸c thiÕt bÞ ®iÖn vµ c¸ch kh¾c phôc

Những phương ph¸p nhằm hạn chế và loại bỏ ảnh hưởng của nhiễu và sãng hài trong hệ thống điện được khảo s¸t một c¸ch rộng r·i Vấn đề này hiện nay được

đề cập đến và ph¸t triÓn hơn nữa khi ngày nay cã qóa nhiều thiết bị điện tử (m¸y vi tÝnh, điều khiển đài, m¸y in, TV, vv…) Thiết bị này, một tải phi tuyến cã nguồn là dßng điện điều hßa khi chóng cã những phản ứng nhanh hoặc bị suy giảm khi truyền tải C¸c thành phần sãng hài cũng là nguyªn nh©n g©y trở ngại cho trường điện từ và thỉnh thoảng nguy hiểm do những cộng hưởng do chóng mang lại Chóng cã những ảnh hưởng tiªu cùc tới điều khiển và c¸c thiết bị tự động, bảo vệ c¸c hệ thống và loại tải kh¸c kết quả là làm giảm độ tin cậy và gi¸ trị của thiết bị Hơn nữa tải phi tuyến

và c¸c dßng điện kh«ng sin tạo ra c¸c điện ¸p rơi kh«ng sin trªn c¸c phần tử độc lập

Để nhận ra điện ¸p kh«ng sin cã một vài điểm chÝnh như nã mang lại hiện tượng qu¸ nhiệt cho c¸c đường d©y, m¸y biến ¸p và nãi chung là do tổn thất sắt từ

Đ· cã nhiều phương ph¸p nhằm giảm t¸c dông của sãng hài Những kỹ thuật này dựa trªn c¸c thành phần thụ động, trộn lẫn chỉnh lưu một pha và ba pha và c¸c

kỹ thuật về điện tử c«ng suất như: Chỉnh lưu đa xung, bộ lọc tÝch cực chỉnh lưu PWM Chóng nh×n chung được cung cấp bởi:

a) suy giảm điều hßa đ· được gỡ bỏ trªn c¸c tải phi tuyến;

b) suy giảm điều hßa th«ng qua hệ thống c¸c tải điện tử c«ng suất tuyến tÝnh Phương ph¸p truyền thống để giảm thiểu c¸c t¸c động của thành phần sãng hài liªn quan đến bộ lọc LC được mắc song song với lưới C¸c bộ lọc này thường thường được kết nối c¸c ch©n của nã với c¸c tụ điện và c¸c van tiết lưu Số ch©n của

nã phụ thuộc vào số thứ tự bộ lọc ( 5th, 7th, 11th, 13th) C¸c lợi thế của bộ lọc thụ động

là đơn giản và gi¸ thành thấp C¸c bất lợi cã thể kể đến như:

¾ Mỗi một hệ thống được thiết kế riªng cho một ứng dụng cụ thể (kÝch thước

và vị trÝ của c¸c phần tử bộ lọc, nguy cơ g©y cộng hưởng của nã)

¾ Dßng cơ bản cao làm tổn thất điện năng

¾ Bộ lọc nặng và cồng kềnh

Trong trường hợp chỉnh lưu diode, một c¸ch đơn giản để giảm c¸c hài dßng điện là thªm hàng loạt c¸c cuộn cảm đầu vào và đầu ra của chỉnh lưu (thường là từ 1-5%)

C¸c kỹ thuật kh¸c, dựa trªn việc trộn lẫn c¸c tải phi tuyến một pha và ba pha cho giảm một THD bởi v× c¸c thành phần dßng bËc 5th và 7th của chỉnh lưu diode một pha thường là một bộ đếm pha với c¸c thành phần sãng hài 5th và 7th của chỉnh lưu

ba pha

Một c¸ch kh¸c trong kỹ thuật điện tử c«ng suất là dïng c¸c chỉnh lưu đa xung Mặc dï dễ thực hiện song lại cã một số bất lợi như: m¸y biến ¸p nặng, cồng kềnh, làm tăng điện ¸p rơi, tăng c¸c thành phần sãng hài khi tải phi tuyến và điện ¸p lưới

Để thay thế cho bộ lọc thụ động là dùng c¸c bộ lọc tÝch cực PWM, chóng cã thể hiển thị chế độ động tốt hơn và cã thể kiểm so¸t c¸c hài dßng cơ bản Bộ lọc tÝch cực cã thể ph©n thành hai loại là: bộ lọc tÝch cực song song (bộ lọc dßng) (H×nh 1.1)

và loạt bộ lọc tÝch cực nèi tiÕp (bộ lọc ¸p)

H×nh 1.1: Bé läc tÝch cùc song song ba pha víi t¶i phi tuyÕn

Một bộ lọc tích cực (AF) ba pha hai mức song song (shunt) bao gồm sáu chuyển mạch và topo của chúng giống hệt nghịch lưu PWM (AF được điều khiển bởi một dòng điện nguồn iF) nó cộng thêm vào dòng tải iLoad sinh ra dòng điện sin iL

(Hìnnh 1.1) AF cho phép:

ắ bù các thành phần phản ứng cơ bản với dòng tải,

ắ làm tải đối xứng (từ vị trí lưới được quan sát),

ắ bù điều hòa tốt hơn khi ding các bộ lọc thụ động

Mặc dù đạt được các thành tựu xuất sắc song AF không tránh khỏi các bất lợi như điều khiển phức tạp, chuyển mạch khó khăn và những vấn đề về EMC (nhiễu do chuyển mạch tồn tại trong dòng điện lưới và thậm chí trong cả điện áp lưới) Do đó

để giảm hiệu ứng này việc đặt một bộ lọc thụ động thông thấp nhỏ giữa lưới và AF

là cần thiết

Hình 1.2: Chỉnh lưu PWM

Một kỹ thuật khác rất hay trong việc giảm các thành phần sóng hài dòng điện

được biết đến với tên chỉnh lưu tích cực hay chỉnh lưu PWM (Hình 1.2) được sử

dụng phổ biến trong các biến tần bốn góc phần tư [2], [9] Đó là loại biến tần có khả năng phát trả năng lượng về lưới BTB (back - to - back) Nhưng để có cái nhìn khái quát về chỉnh lưu PWM hãy xem xét các so sánh về các loại biến tần cổ điển và hiện đại trong phần tiếp theo

1.2 nhược điểm của các loại biến tần nguồn áp thông thường

Động cơ không đồng bộ là một phần tử phi tuyến rất mạnh, tuy có ưu điểm về khởi động đơn giản, có khả năng vận hành tin cậy, rẻ tiền nhưng lại rất khó điều khiển Sau này với sự phát triển của khoa học kỹ thuật, các sách lược điều khiển ra

đời dẫn đến việc điều khiển động cơ không đồng bộ không còn là một việc khó khăn nữa và chúng trở lên phổ biến hơn động cơ một chiều Nhưng bộ biến tần nguồn áp thông thường (Hình 1.3) cho động cơ khi làm việc với các phụ tải thế năng (như cơ cấu nâng hạ tải trọng) cần làm việc ở cả 4 góc phần tư, trong đó cần chế độ hãm tái sinh hoặc khi làm việc với các phụ tải có quán tính lớn (như quạt gió, máy bơm ly tâm) khi giảm tốc độ cần hãm tái sinh lại không đáp ứng được Các hệ thống

điều chỉnh động cơ xoay chiều 3 pha trên thị trường hiện nay hầu hết thường sử dụng một mạch chỉnh lưu diode công suất để cấp điện áp một chiều cho bộ nghịch lưu

Hình 1.3: Cấu trúc biến tần nguồn áp thông thường

Tại chế độ động cơ, năng lượng từ lưới sẽ qua các khâu chỉnh lưu, lọc và nghịch lưu để cấp cho tải là động cơ

Khi động cơ chuyển sang chế độ hãm tái sinh, khi đó tốc độ trên trục động cơ

ω sẽ lớn hơn tốc độ đồng bộ ω0, động cơ làm việc như một máy phát năng lượng trả

về lưới nhưng vẫn tiêu thụ công suất phản kháng để tạo ra từ trường quay, động năng của động cơ sẽ chuyển thành điện năng trả về mạch một chiều Nếu bộ biến đổi phía lưới chỉ bao gồm các diode như trong các biến tần nguồn áp thường dùng thì tụ điện

C sẽ được nạp đến mức điện áp rất cao, nguy hiểm cho thiết bị Vì vậy cần tiêu tán năng lượng hãm trên một điện trở R nối song song với tụ C và điều khiển dòng qua

điện trở này sao cho điện áp trên tụ C không vượt quá mức cho phép hoặc sử dụng chế độ hãm đặc biệt trong đó tổn thất đồng PCu trên dây quấn stator máy điện cân bằng với năng lượng hãm, hoặc hãm động năng kinh điển khi cho dòng điện một chiều chạy qua dây quấn stator

Trong quá trình hãm, nếu không tiêu tán kịp thời, năng lượng hãm có thể gây quá áp trong mạch một chiều làm cho biến tần báo lỗi và có thể gây phá huỷ các tụ

điện một chiều Đặc biệt đối với các ứng dụng đảo chiều, tăng tốc và giảm tốc thường xuyên thì khả năng hãm là cần thiết, ví dụ như thang máy, các máy điện công suất lớn, các dây chuyền đóng gói Thông thường khi năng lượng hãm lớn hơn hoặc bằng 10% năng lượng làm việc định mức của hệ thống (Ph/Pđm > 0,1) thì cần phải tính đến việc bổ xung các mạch hãm cho hệ thống

Biện pháp sử dụng điện trở hãm đang được sử dụng rộng rãi nhất hiện nay vì tính đơn giản, chi phí thấp Tuy nhiên nó lại tiêu phí năng lượng dưới dạng nhiệt, không gian lắp đặt lớn làm tăng kích thước của biến tần và phải thiết kế thêm các bộ làm mát

Nhu cầu thực tiễn đòi hỏi phải thiết kế một hệ thống điều khiển động cơ xoay chiều làm việc ở cả 4 góc phần tư, có khả năng phát trả năng lượng về lưới

Điện năng phát trả về lưới thông qua bộ biến đổi phía lưới phải tuân theo các yêu cầu sau:

• Bộ biến đổi phải tự động đồng bộ với lưới điện khi động cơ chuyển sang chế

độ hãm để phát trả năng lượng về lưới

• Bộ biến đổi phía lưới cần sinh ra điện áp PWM đầu ra có dạng sin để cho sóng hài cơ bản của nó có biên độ và góc pha tương tự như nguồn điện áp cung cấp

• Các sóng hài bậc cao càng giảm thiểu càng tốt làm sao để đảm bảo đáp ứng các tiêu chuẩn về giới hạn độ méo cho phép của dòng và áp

• Đảm bảo cho hiệu suất làm việc cao cho hệ thống, giảm dòng điện yêu cầu của nguồn Nghĩa là cần điều khiển bộ biến đổi phía lưới hoạt động với hệ số cosϕ xấp xỉ bằng 1

1.3 Các bộ biến đối có khả năng phát trả năng lượng về lưới 1.3.1 Bộ biến tần nguồn dòng chỉnh lưu thyristor

Hình 1.4: Bộ biến tần nguồn dòng chỉnh lưu thyistor

Đặc điểm của biến tần nguồn dòng (Hình 1.4) là dòng điện Id không đổi chiều

Do điện áp đầu ra, đầu vào của chỉnh lưu của biến tần thay đổi được dấu nên biến tần nguồn dòng dễ dàng làm việc ở chế độ hãm tái sinh

-ở chế độ động cơ, công suất lưới cấp cho bộ chỉnh lưu PCL= U Id d1 > 0 Còn phía tải, công suất Pd = U Id2 d< 0 Như vậy dòng năng lượng đi từ lưới đến tải

-ở chế độ hãm tái sinh, công suất bộ chỉnh lưu PCL= U Id d1 < 0, còn công suất tải Pd = U Id2 d> 0 Như vậy dòng năng lượng đi từ tải về lưới và động cơ làm việc ở chế độ hãm tái sinh

1.3.2 Bộ biến tần nguồn áp có mắc thêm 1 nghịch lưu ở phía lưới

Hình 1.5: Cấu trúc biến tần nguồn áp có mắc thêm 1 bộ nghịch lưu phía lưới

Đặc điểm của biến tần nguồn áp là điện áp một chiều luôn giữ dấu không đổi trong khi đó dòng điện Id cũng không đổi dấu Do vậy không thể thực hiện trao đổi năng lượng từ tải về lưới Để khắc phục điều này bộ chỉnh lưu sẽ gồm hai bộ chỉnh lưu mắc song song ngược, một bộ làm việc ở chế độ chỉnh lưu và bộ kia làm việc ở chế độ nghịch lưu phụ thuộc Khi hãm tái sinh, bộ CL1 phải khoá chắc sau đó mở

bộ NL1 để hãm Kết thúc quá trình hãm, bộ NL1 khoá chắc thì bộ CL1 mới được

đưa vào làm việc

Các biến tần nêu trên đều có chung một đặc điểm là bộ biến đổi phía lưới được cấu tạo bởi các thyristor có tần số chuyển mạch trùng với tần số lưới điện Do đó độ tác động nhanh thấp, ngoài ra dòng điện đầu vào biến tần chứa nhiều sóng hài bậc cao làm méo điện áp lưới khiến cho hệ số cosϕ thấp

1.3.3 Bộ biến tần dùng chỉnh lưu PWM - biến tần BTB

Biến tần dùng bộ chỉnh lưu PWM có thể khắc phục cả 3 vấn đề trên Nó có thể làm việc ở 4 góc phần tư thực hiện trao đổi công suất giữa tải và lưới Dòng đầu vào

có dạng sin và hệ số công suất có thể điều chỉnh xấp xỉ 1

Sơ đồ cấu tạo biến tần dùng chỉnh lưu PWM được trình bày trong hình sau:

Hình 1.6: Cấu trúc biến tần dùng chỉnh lưu PWM

Sơ đồ trên bao gồm 2 khối chỉnh lưu và nghịch lưu có cấu tạo như nhau và có chung mạch một chiều Do dòng điện của bộ biến đổi phía lưới có chứa các sóng hài

bậc cao nên cần có thêm cuộn cảm lọc đường dây để chặn, ngoài ra hiệu điện áp sai lệch giữa nguồn lưới và bộ biến đổi phía lưới cũng sẽ rơi trên cuộn cảm này

1.4 Đặc điểm của hệ thống điều khiển năng lượng hai phía

Hệ thống làm việc ở chế độ điều khiển động cơ thông thường trong các góc phần tư thứ nhất hoặc thứ ba, còn trong các góc phần tư thứ hai và bốn hệ thống phải trả năng lượng về lưới Điều quan trọng là cần phải điều khiển được hoàn toàn dòng

điện phía lưới để có thể đảm bảo chất lượng điện năng và kiểm soát để hệ số công suất phía lưới xấp xỉ 1 Hệ thống phải đảm bảo để dòng điện phía lưới và phía động cơ đều có dạng hình sin trong cả 4 chế độ hoạt động

Đặc tính động học tốt hơn

Khả năng làm việc ở bốn góc phần tư cho phép hệ thống có đặc tính động học tốt hơn so với hệ thống cũ trước đây Khả năng phát trả năng lượng hãm tái sinh về lưới cho phép hệ thống có khả năng tăng tốc và giảm tốc độ nhanh hơn so với hệ thống cũ, cho phép tốc độ và gia tốc lớn hơn

Khả năng điều khiển điện áp một chiều tốt hơn

Trong hoạt động của biến tần, điện áp của mạch một chiều phải lớn hơn hoặc tối thiểu phải bằng biên độ đỉnh giữa pha- pha của điện áp cung cấp cho động cơ

Điều này đảm bảo cho biến tần hoạt động bình thường và cho đáp ứng mômen đủ nhanh Ngoài ra nó còn cho phép khai thác động cơ ở điện áp định mức lớn nhất có thể

Bằng việc điều khiển bộ chỉnh lưu PWM phía lưới, có thể điều khiển được điện

áp của mạch một chiều đáp ứng các yêu cầu trên Lúc này bộ chỉnh lưu PWM phía lưới sẽ hoạt động như một bộ biến đổi có khả năng tăng áp cho điện áp một chiều Khả năng này khiến cho hệ thống ít bị ảnh hưởng bởi tải của động cơ cũng như trường hợp sụt giảm của điện áp lưới Nếu điều khiển tốt điện áp một chiều có thể cho phép giảm dung lượng của các tụ điện mà vẫn đảm bảo chất lượng điện áp ra bằng phẳng so với hệ thống cũ

Khả năng điều chỉnh hệ số công suất phía lưới

Bộ PWM phía lưới cho phép điều chỉnh được hệ số công suất phía lưới Như vậy, nó có thể hoạt động như một hệ thống bù công suất phản kháng Thông thường, người ta mong muốn đạt được hệ số công suất xấp xỉ bằng 1 Trong các hệ thống cũ dùng mạch nắn 6 điôt và một bộ nghịch lưu PWM người ta cũng có thể đạt được hệ

số công suất xấp xỉ 1, tuy nhiên do có nhiều sóng hài bậc thấp nên giá trị hiệu dụng dòng điện của hệ thống này lớn hơn so với hệ thống dùng hai bộ biến đổi PWM

Giảm sóng hài bậc cao của dòng điện phái lưới

Không thể có bộ nghịch lưu nào cung cấp dòng điện hoàn toàn hình sin, vì vậy dòng điện lưới sẽ luôn bị méo dạng nhất định Dòng điện lưới sẽ chỉ gần giống hình sin và chứa nhiều thành phần sóng hài bậc cao là bội số của tần số chuyển mạch Ngoài ra, nếu sử dụng bộ chỉnh lưu diode còn tạo ra các sóng hài lẻ bậc thấp Các sóng hài lẻ bậc thấp có thể gây ra hiện tượng như: Làm phát nóng các biến áp, gây lỗi cho động cơ, làm hỏng tụ điện Như vậy hệ thống sử dụng hai bộ biến đổi PWM cho chất lượng điện áp cao hơn Các sóng hài bậc cao do nó sinh ra có thể lọc dễ dàng hơn so với các sóng hài bậc thấp bằng các bộ lọc L hoặc LCL cỡ nhỏ

1.5 kết luận

Việc sử dụng chỉnh lưu PWM trong các biến tần BTB đã chỉ rõ ra những ưu

điểm do đó có thể đưa ra các tóm tắt về chỉnh lưu PWM như sau [10]:

ắ Dòng công suất hai hướng

ắ Dòng vào gần sin

ắ Quy tắc về tính đồng nhất hệ số công suất đầu vào

ắ Độ méo sóng hài dòng điện thấp thông thường nhỏ hơn 5%

ắ Điều chỉnh và ổn định áp và dòng một chiều

ắ Giảm kích cỡ của tụ điện do sự tác động của các dòng liên tục

Hơn nữa nó có thể hoạt động một cách đúng đắn ngay cả khi điện áp lưới bị méo hay bị cắt xén, và những sự thay đổi tần số điện áp lưới Tương tự như bộ lọc tích cực PWM, chỉnh lưu PWM có cấu trúc điều khiển phức tạp, hiệu quả thấp hơn chỉnh lưu diode do các chuyển mạch ngoài khó khăn

Chương 2

BỘ CHỈNH LƯU PWM

Chương này sẽ xây dựng mô hình toán học của bộ chỉnh lưu PWM trong các

hệ tọa độ, các biểu thức ước lượng từ thông, điện áp bộ biến đổi và công suất của hệ thống Các mô hình toán học về bộ chỉnh lưu PWM có thể tìm thấy trong các tài liệu [1]-[15]

2.1 CÁC SƠ ĐỒ CHỈNH LƯU THÔNG DỤNG

Trong chương 1 ta đã đề cập đến chỉnh lưu diode (Hình 2.1) dùng trong các biến tần nguồn áp Một chỉnh lưu diode không điều khiển có ưu điểm là đơn giản, bền vững và giá thành thấp Tuy nhiên với nhược điểm là dòng công suất không định hướng, do đó năng lượng trở về từ động cơ phải được tiêu tan trên điện trở công suất được điều khiển bởi bộ băm kết nối với khâu DC Mạch diode đầu vào cũng là kết quả hệ số công suất thấp và thành phần sóng hài dòng điện bậc cao Một hạn chế nữa là điện áp động cơ cực đại ở đầu ra luôn thấp hơn điện áp nguồn cấp [11]

Hình 2.1: Chỉnh lưu diode

Trong các sơ đồ chỉnh lưu ba pha [14], [11] chúng ta sẽ gặp một số sơ đồ chỉnh lưu thông dụng hiện nay Thành phần sóng hài bậc cao và hệ số công suất thấp là nguyên nhân vài vấn đề trong hệ thống phân phối điện năng Những tiêu chuẩn mới về giới hạn các thành phần sóng hài dòng điện được ra đời bởi các tổ chức và chính phủ các nước [11] (ở Mỹ là IEEE 519 và Châu Âu là IEC 61000-3)

Do đó một số lượng các chỉnh lưu hoạt động theo chế độ chuyển mạch mới đã ra đời và phát triển

Có thể giới thiệu năm sơ đồ chỉnh lưu điển hình (Hình 2.2):

Hình a) trình bày một bộ chuyển đổi có giải pháp tăng áp đơn giản Nhược

điểm chính trong giải pháp này méo dòng đầu vào ở tần số thấp

Hình b), c) là các mô đun chỉnh lưu PWM với dải dòng rất thấp (khoảng

20-25% trị số dòng hiệu dụng so sánh với sơ đồ e) Do đó, nó có tiềm năng về chi phí thấp Cung cấp chế độ hãm tái sinh b) hay lọc tích cực c)

Hình d) trình bày một bộ chuyển đổi được gọi với tên là chỉnh lưu Vienna Lợi

thế của bộ chỉnh lưu này là điện áp chuyển mạch thấp nhưng lại không có những chuyển mạch điển hình như yêu cầu

Hình e) trình bày một sơ đồ phổ biến nhất hiện nay dùng ASD (các truyền

động thay đổi tốc độ), UPS (bộ lưu điện) giống như một chỉnh lưu PWM Cấu trúc phổ biến này có lợi thế là dùng mô đun ba pha giá thành thấp với khả năng cho dòng năng lượng theo hai phía Một số nhược điểm như: thang đo dơn vị dòng cao, tổn thất chuyển mạch lớn, cách khắc phục lỗi kém Một số tính năng của các chỉnh lưu ba pha được cho trong bảng 2.1 sau [14, [11]:

Bảng 2.1: Tính năng của một số chỉnh lưu

Giản đồ sóng, dòng điện gần sin

Sự hiệu chỉnh hệ

số công suất

Dòng công suất hai hướng

Rec (d) + + + + - UPF

Hình 2.2: Các sơ đồ chỉnh lưu ba pha cơ bản [11]

a) loại chuyển đổi tăng áp đơn giản b) chỉnh lưu diode PWM hãm tái sinh c) chỉnh lưu diode PWM lọc tích cực d) chỉnh lưu Vienna (3 mức chuyển đổi)

e) chỉnh lưu PWM đảo chiều (2 mức chuyển đổi)

2.2 CẤU TẠO VÀ NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC CỦA BỘ CHỈNH LƯU PWM

Bộ chỉnh lưu PWM có cấu tạo gồm 3 phần: Phần lọc phía lưới gồm điện trở và cuộn cảm, cầu biến đổi gồm 6 transistor IGBT mắc song song ngược với 6 điốt có

nhiệm vụ biến đổi điện áp từ phía xoay chiều sang phía một chiều, mạch một chiều gồm tụ C và tải

Hình 2.3: Cấu tạo bộ chỉnh lưu PWM

Dưới đây là sơ đồ thay thế một pha của bộ chỉnh lưu PWM:

Hình 2.4: Sơ đồ thay thế một pha của bộ chỉnh lưu PWM

Trong sơ đồ trên uL là điện áp lưới và uS là điện áp của bộ điều chỉnh quy đổi

về điểm A uS được điều chỉnh để thành phần sóng cơ bản của nó uS1 có cùng tần số với lưới

Điện áp uS có thể tách ra thành 2 thành phần: uS1 là thành phần sóng cơ bản của uS và uSH là tổng các sóng hài của uS

Rõ ràng uL và uS1ảnh hưởng đến thành phần sóng cơ bản của dòng iL tức là ảnh hưởng đến công suất tác dụng của bộ chỉnh lưu Thành phần nhiễu uSH chỉ làm tăng sóng hài của iL và không ảnh hưởng đến công suất tác dụng của bộ chỉnh lưu

Bằng việc điều khiển các transistor IGBT một cách thích hợp có thể làm giảm sóng hài của iL và dòng điện iL sẽ có dạng gần giống hình sin và làm tăng công suất truyền tải của bộ chỉnh lưu

Hơn thế nữa, bằng cách điều chỉnh biên độ và góc pha của dòng điện iSso với điện áp lưới uL có thể điều chỉnh độ lớn và hướng truyền tải công suet

Khi góc ϕ giữa uL và iL nhỏ hơn 900 thì P u i cos = L L ϕ > 0 và công suất truyền từ lưới sang phía một chiều

Khi góc ϕ > 90 0thì P u i cos = L L ϕ < 0 và công suất truyền từ phía một chiều sang phía xoay chiều

Bỏ qua thành phần sóng hài trong uS và iL, dưới đây là giản đồ vectơ của bộ chỉnh lưu PWM (Hình 2.5) trong 2 trường hợp P>0 (Hình 2.5 a,c) và P<0 (Hình 2.5 b,d) :

Hình 2.5: Giản đồ vectơ của bộ chỉnh lưu trong trường hợp P > 0 và P < 0 a) giản đồ P > 0 (ϕ <90 0 , cosϕ > 0) b) giản đồ P < 0 ( ϕ > 90 0 , cosϕ < 0 ) c) giản đồ P = P max > 0 (cosϕ = 1) d) giản đồ P = -P max < 0 (cosϕ =-1, hãm tái

sinh)

Vai trò của cuộn cảm là rất quan trọng Nó giúp cho dòng điện iLcó hình sin

và làm tăng điện áp đầu ra bộ biến đổi Có thể điều khiển dòng điện lưới iL bằng

việc thay đổi điện áp rơi trên cuộn cảm Mà điện áp trên rơi trên cuộn cảm uL bằng

sự chênh lệch điện áp giữa điện áp lưới uL và điện áp bộ biến đổi uS Khi thay đổi góc pha ε và biên độ điện áp bộ chỉnh lưu US có thể điều khiển gián tiếp biên độ và góc pha của dòng điện lưới Bằng cách này, dấu và giá trị trung bình của của dòng điện một chiều có thể điều khiển được Dòng điện một chiều này tỷ lệ với công suất tác dụng truyền qua bộ chỉnh lưu Công suất phản kháng cũng có thể điều khiển được một cách độc lập bằng cách thay đổi thành phần cơ bản của dòng điện nhiễu

L

i đối với uL Nếu điều khiển chỉnh lưu PWM sao cho véc tơ dòng điện IL trùng pha với véc tơ điện áp UL (Hình 2.5 c) thì cosϕ = 1 tương ứng công suất P > 0, Khi véc tơ IL ngược pha với véc tơ UL (Hình 2.5 d) thì cosϕ = -1 và công suất P < 0 (ứng với chế độ hãm tái sinh)

Phần chính của mạch là cầu chuyển đổi (Hình 2.7) gồm các IGBT loại ba chân hoặc trong trường hợp nguồn điện áp cao có thể dùng GTO Cầu chuyển đổi điện áp

có thể biểu diễn thành tám trạng thái (Hình 2.6 sáu trạng thái tích cực U1(100),

U2(110), U3(010), U4(011), U5(001), U6(101) và hai trạng thái không U0(000),

U7(111)) Các trạng thái tích cực có thể được biểu diễn thành sáu véc tơ như sau (Hình 2.6) [11] :

e u

Hình 2.7: Bảng trạng thái chuyển mạch của bộ cầu chuyển đổi PWM [1], [11]

2.3 XÂY DỰNG VÉC TƠ KHÔNG GIAN

Điện áp trên các pha của lưới u a,u b,u clệch nhau một góc 120o Khi đóng nguồn từ lưới vào bộ chỉnh lưu PWM thì sẽ sinh ra trong ba cuộn dây pha ba dòng điện tương ứng i a,i b,i cthoả mãn điều kiện sau [1], [11], [14]:

0 ) ( ) (

)

(t +i t +i t =

i a b c (2.2) Biểu diễn chi tiết các dòng điện này như sau:

) cos(ω +ϕ

i a m

) 120

i c =I mcos(ωt+ϕ+ 240 0 )

Còn các thành phần điện áp lưới:

) 240 cos(

) 120 cos(

u

t E

u

t E

ω

Trong đó: ω : Là tốc độ góc của dòng điện lưới (ω = π 2 f )

Im: Là giá trị đỉnh của dòng điện pha

Em : Là giá trị đỉnh của điện áp pha

ϕ : Góc pha giữa UL và IL

f : Là tần số của dòng điện Xây dựng được vector không gian sau:

( ϕ ϕ ϕ ) jγ

L

j c

j b

j a

i = + ( + 120 0 ) + ( + 240 0 ) =

) ( ).

( )

( 3

2 )

j b a

i = ( ) + ( ) 120 0 + ( ) 240 0 =

3

2 )

Theo công thức (2.5) i (t)L là một đại lượng vec tơ có module không đổi, nó quay trên mặt phẳng phức với tốc độ góc bằng với tốc độ góc ω = π 2 f và tạo với trục thực một góc pha γ = π 2 f Trong đó f là tần số của dòng điện lưới Vậy ta có thể xây dung các véc tơ không gian từ các đại lượng pha (Hình 2.8) Trên hình vẽ này ta thấy rằng véc tơ điện áp lưới i (t)L được tính bằng tổng các véc tơ pha với góc pha cánh nhau 1200

Gọi hệ tọa độ thực ảo trên là hệ toạ độ cố định α − β(Hình 2.9), khi đó thấy rằng hình chiếu của vector dòng điện iL lên hai trục đó cũng là các đại lượng hình sin:

i = i α+ j.i β (2.6)

Hình 2.8: Xây dựng các vector không gian từ các đại lượng pha

Hình 2.9: Vector dòng điện lưới trong hệ toạ độα −β

Coi dòng điện ba pha của lưới là đối xứng thì để biết thông tin về dòng điện lưới chỉ cần biết giá trị của hai trong ba pha là đủ Khi đó các thành phần của dòng điện trên mặt phẳng α − β được tính như sau:

( ( ) ( ) 120 0 ( ) 240 0)

3

2 )

c

j b a

Sc

j Sb Sa

u = + + (2.10) Một cách hoàn toàn tương tự ta cũng có thể biểu diễn các đại lượng này trên trục tọa độ cố định α −β

Hình 2.10: Biểu diễn vector không gian trên hệ toạ độ dq

Trên hệ α − β: Vαβ =Vα + jVβ (2.13) Trên hệ d-q: V dq =V d + jV q (2.14)

Có thể thấy được mối liên quan giữa hai hệ toạ độ α − βvà d-q qua công thức sau:

ϑϑ

β α

β α

cos sin

sin cos

V V

V

V V

V

q

d

(2.15) Thay (2.15) vào (2.14) thu được:

V dq= (V dcosϑ+V qsinϑ) + j(V qcosϑ−V dsinϑ) = (V d + jV q)(cosϑ− jsinϑ)

Một cách tổng quát thu được từ (2.14) công thức chuyển hệ tọa độ sau đây:

Vαβ =V dq.e jϑ ⇔V dq =Vαβ.e−jϑ (2.17)

2.4 MÔ HÌNH TOÁN HỌC CỦA BỘ CHỈNH LƯU PWM

2.4.1 Mô tả bộ chỉnh lưu PWM trong hệ tọa độ 3 pha

Phương trình điện áp lưới:

u = + + (2.18c) Trong đó R : Là điện trở trên lưới u Sa,u Sb,u Sc: Là điện áp bộ biến đổi của các pha a, b, c

Công thức (2.18) được viết dưới dạng ma trận như sau:

c b a

Sc Sb Sa

c

b

a

i i

i dt

d L i i

i R u

Ký hiệu Sa=1 khi pha a được nối với cực dương của Udc

Sa= 0 khi pha a được nối với cực âm của Udc

Tương tự như vậy đối với pha b và pha c

Xét kỹ một trường hợp, giả sử pha a được nối với cực dương củaUdc còn pha

b và c nối với cực âm của Udc Tức là Sa = 1,Sb= Sc = 0[1]

Hình 2.11: Sơ đồ nối dây ứng với S a = 1, S b = S c = 0

Từ sơ đồ trên thu được u Sa U dc u Sb u Sc U dc

3

1 ,

= (2.20a) Tương tự đối với u , uSb Sc:

(2.20c) Khi đó:

dc b a dc a c b c b a sb

Hình 2.12: Sơ đồ khối mô tả bộ chỉnh lưu PWM [9], [11]

2.4.2 Mô tả bộ chỉnh lưu PWM trong hệ tọa độ tĩnh α −β

Phương trình điện áp lưới dạng tổng quát:

L

L S

dt

i d L u

u = + + (2.23) Chiếu lên các trục α β , thu được:

=

+ +

=

dt

di L Ri u

u

dt

di L Ri u

u

L L

S

L

L L

S

L

β β

β β

α α

α α

α β

α β

α

L

L L

L L

L L

L

u

u i

i dt

d L i

i R

-R+sL 1

R+sL 1

α

LU

Hình 2.13: Sơ đồ khối mô tả bộ chỉnh lưu PWM trong hệ tọa độ α −β[9], [11]

2.4.3 Mô tả toán học bộ chỉnh lưu PWM trong hệ tọa độ quay d-q

Coi mô hình điện áp lưới và điện áp trên cuộn cảm của bộ lọc như một động

cơ xoay chiều không đồng bộ ảo Trong đó điện áp bộ biến đổi u , u , uSa Sb Sc được coi

là điện áp đặt lên sator ảo, điện trở R, điện cảm L trên lưới coi là điện trở và điện cảm trên stator, điện áp lưới coi là điện áp cảm ứng do khe hở từ thông gây ra Dòng điện lưới iL sẽ coi như tạo ra từ thông móc vòng qua khe hở ảo hoàn toàn giống như từ thông móc vòng của động cơ

Vector từ thông ảo của stator hay từ thông bộ biến đổi được định nghĩa như sau:

Tương tự như vậy đối với vector từ thông ảo của rotor hay từ thông ảo của lưới

900

Phương trình trên được quan sát trên hệ trục toạ độ α −β cố định bây giờ chuyển sang quan sát trên hệ toạ độ quay d-q tựa từ thông ảo của lưới điện Sử dụng các công thức biến đổi hệ toạ độ như sau:

γ

j L

f

i = − (2.31) Lấy đạo hàm công thức (2.23) thu được:

λ

L j

f L

Thay các công thức (2.29), (2.30), (2.31), (2.32) vào (2.23) thu được phương trình điện áp lưới quan sát trên trục d-q:

dq L

dq L dq L

u = + + + ω (2.33) Chiếu lên hai trục d,q thu được:

+

=

− +

+

=

Ld

Lq Lq

Sq

Lq

Lq

Ld Ld

Sd

Ld

Li dt

di L Ri u

u

Li dt

di L Ri u

S q = −Sαcosωt+Sβ sinωt

Dưới đây là sơ đồ khối mô tả bộ chỉnh lưu PWM trong hệ tọa dộ d-q (Hình 2.14):

+ +

-+ + -

L

ω

R+sL 1

R+sL

1

sC 1 +

+ -

+ + -

S

LqU

ULd

q

dS

SdU

USq

iLd

Lqi

idc

Udc

Hình 2.14: Sơ mô tả bộ chỉnh lưu PWM trong hệ tọa dộ d-q [11], [14]

2.5 ƯỚC LƯỢNG CÔNG SUẤT LƯỚI

Công suất tác dụng và công suất phản kháng của chỉnh lưu PWM được tính trên tọa độ a, b, c và α − β như sau:

Như vậy trong hệ tọa độ α −β công suất tác dụng p chính là tích vô hướng của

2 vectơ uL và iL, còn công suất phản kháng q là tích có hướng của 2 vectơ uL và iL

2.5.1 Ước lượng công suất dựa trên điện áp lưới

Công suất tác dụng và công suất phản kháng có thể ước lượng theo công thức sau [9,10]:

Lc Lc dc( a a b b c c)

Lb

Lb La

dt

di i dt

di i dt

i i i i

u

u

L L

L L L L L

L

α β

β α β α β

α

2 2

Dưới đây là sơ đồ khối khâu ước lượng p, q, uL:

Hình 2.15: Mô hình ước lượng dựa trên điện áp lưới [9], [11]

Trong thực tế, phải làm việc với thời gian gián đoạn nên công thức ước lượng trên có một số nhược điểm Đó là các công thức trên đều sử dụng phép tính đạo hàm đối với dòng điện iL Khi thực hiện phép tính đạo hàm phải sử dụng sai phân hữu

hạn Do đó phải sử dụng các cuộn cảm có giá trị cảm kháng lớn để hạn chế sự biến thiên của dòng điện và phải thực hiện với tần số lấy mẫu lớn

Để khắc phục nhược điểm này, sử dụng phương pháp ước lượng dựa trên vector từ thông ảo

2.5.2 Ước lượng công suất dựa trên vector từ thông ảo

Gọi uI là vector điện áp rơi trên cuộn cảm và điện trở, ψI tương ứng là từ thông của cuộn cảm: ψI =∫uΙdt

Tích phân 2 vế của (2.23) thu được công thức sau: ψL =ψS +ψI (2.41)

Từ thông ảo được xác định thông qua vectơ điện áp đầu vào của bộ chỉnh lưu PWM (Hình 2.6):

dt dt

di L

di L

Như định nghĩa ở trên vector từ thông ảo của lưới được tính theo công thức:

L

L

u

u u

u

u

2 / 3 0

2 / 1 1 3

dt u

L

L L

L

L

β

α β

αψ

L

i i

i

i

3 2 / 3

0 2 / 3 3

S

S

S

u u

u u

u

u

2 / 3 2 / 3 0

2 / 1 2 / 1 1 3

R

Trong thực tế có thể bỏ qua tác dụng của điện trở R vì điện áp rơi trên R nhỏ

hơn rất nhiều so với điện áp rơi trên điện cảm L nên công thức trên được viết thành

[11]:

S L S

L

dt

i d L dt

d dt

i d

L

u = + ψ = + (2.47b) Vector điện áp lưới có thể biểu diễn dưới dạng:

L t

j L t

j L L

dt

d e j e dt

d dt

e d dt

β

L L

dt

d j dt

d ju u

β α

d

α β

2

β β α

L L

2

α α β

L L

u

q= = − (2.51) Trong đó *

β α

ωψψ

ωψ

ψ

L L

L L L

dt

d i dt

d p

L L L i L ( L i L L)

dt

d i dt

d

β

α α

− +

+

=

Giả sử biên độ và tốc độ quay của vector ψL không thay đổi thì:

0 ,

=

β α

ψψ

dt

d dt

d L L và p=ω(ψLαi Lβ −ψLβi Lα) (2.52) Công thức ước lượng công suất phản kháng q cũng được xác định theo cách

ψL ψLβ

Hình 2.17: Mô hình ước lượng công suất và từ thông ảo của lưới [11, [10]

Công thức biểu diễn mối quan hệ giữa từ thông của lưới và từ thông bộ biến đổi:

L S

ψ (2.54) Chiếu lên các trục α − β: ψLα =ψSα +Li Lα (2.55a)

ψLβ =ψSβ +Li Lβ (2.55b) Thay vào công thức (2.52) tính p thu được:

S

L L

1

S L

L

p= (2.58) Trong đó χ là góc giữa 2 vector ψL và ψS

2.6 CÁC GIỚI HẠN

2.6.1 Điện áp một chiều tối thiểu

Để cho hoạt động của chỉnh lưu được tốt, một điện áp một chiều trên tụ điện C

là cần thiết để được giản đồ sóng dòng điện không méo Ta phải điều khiển sáu diode phân cực ngược tại tất cả các thời điểm nguồn cấp xoay chiều Để các diode

đó khóa, chúng ta cần chắc chắn rằng điện áp một chiều cao hơn điện áp đỉnh được sinh ra bởi từng diode riêng biệt [14]

Theo lý thuyết điện áp một chiều cực đại tại đầu ra là giá trị đỉnh của giá trị điện áp hiệu dụng (rms)

) ( )

( min 2 LL rms 2 3 LN rms

Hình 2.18: Điều kiện điện áp một chiều [14]

Sẽ tốt hơn nếu chọn điện áp một chiều vào khoảng 15-20% điện áp đỉnh

( 2U LL(rms)) [14]

Tầm quan trọng của điện áp hiệu dụng ULL tương ứng với điện áp bộ chuyển đổi (US) ở đây không xét đến tác dụng của trở kháng lưới Tuy nhiên nếu trở kháng lưới bằng không (R=0Ω, L=0H), chúng ta có thể viết lại phương trình (2.59) thành (2.60) khi đó UDCmin phụ thuộc vào độ lớn sức điện động lưới cực đại Em:

m rms

Hình 2.19: Giá trị điện áp sin tham chiếu cực đại (điện áp bộ chuyển đổi U S ) cho

2U LL(rms) U DC

) ( )

( (max)

3

2 2

2.6.2 Mối quan hệ giữa điện áp một chiều và điện cảm

Trong các tài liệu về chỉnh lưu PWM [2-12] có rất nhiều tài liệu đề cập đến điện áp một chiều tối thiểu trong trường hợp điện cảm bão hòa Xét trong trường hợp độ lớn điện cảm là không đổi, giả định rằng điện áp bộ chuyển đổi bằng 2/3 Udc(tức là bán kính của đường tròn ngoại tiếp lục giác hình (2.6)) Xác định Udc theo:

[

Ld m

i

E U

L

ω

2 2

< (2.65)

Một điện cảm thấp sẽ cho dòng có độ nhấp nhô cao và sẽ làm thiết kế phụ thuộc nhiều vào trở kháng lưới Thông qua [9,10] giá trị điện cảm cao sẽ làm dòng nhấp nhô thấp nhưng kèm theo sẽ làm giảm phạm vi hoạt động của chỉnh lưu Điện

áp rơi thông qua điện cảm điều khiển dòng Điện áp rơi này được điều khiển bởi điện áp của bộ chỉnh lưu nhưng giá trị cực đại được giới hạn bởi điện áp một chiều

Do đó, một dòng cao (điện áp cao) thông qua điện cảm yêu cầu cần có điện áp một chiều cao hoặc điện cảm thấp (trở kháng thấp)

2.7 GIẢM DÙNG CẢM BIẾN

Một chỉnh lưu PWM thông thường cần phải có các loại cảm biến sau:

- Một cảm biến điện áp một chiều

- Hai hoặc ba cảm biến dòng phía xoay chiều

- Hai hoặc ba cảm biến điện áp phía xoay chiều

Các phương pháp giảm dùng cảm biến cung cấp các lợi thế về mặt kỹ thuật và kinh tế cho hệ thống như: đơn giản hóa, cách ly giữa mạch nguồn và hệ thống điều khiển, khả năng tin cậy cao và chi phí hợp lý hiệu quả Khả năng giảm số lượng các cảm biến đắt tiền đã được nghiên cứu đặc biệt là trong các ứng dụng từ trường của động cơ [2], [5], [9] Nhưng các ứng dụng về hoạt động không cảm biến giữa chỉnh lưu và nghịch lưu có sự khác biệt căn bản có thể chỉ ra sau đây:

- Vec tơ không sẽ khống chế chế công suất lưới

- Lưới làm việc ở tần số không đổi 50Hz và cần phải đồng bộ hóa

Các giải pháp hay dùng để giảm số lượng các cảm biến gồm:

- Không cảm biến điện áp và dòng xoay chiều

- Không cảm biến dòng xoay chiều

- Không cảm biến áp xoay chiều

Loại thứ nhất không cảm biến dòng, áp xoay chiều:

Giảm các cảm biến dòng đặc biệt cho các hệ truyền động xoay chiều Các dòng hai pha có thể ước lượng dựa trên thông tin về dòng một chiều và vec tơ điện

áp tham chiếu trong mỗi chu kỳ PWM Không có sự bảo vệ một cách đầy đủ là vấn

đề chính của hệ thống Riêng đối với chỉnh lưu PWM các vec tơ không (U0, U7) mô

tả không có dòng một chiều trên tụ và ba pha lưới bị ngắn mạch một cách đồng thời

Đã có những phương pháp mới [3, 4] nhằm cải thiện bằng cách lấy mẫu dòng một chiều vài lần trong một chu kỳ chuyển mạch Hình 2.20 chỉ ra nguyên tắc cơ bản để thành lập lại dòng cùng với các véc tơ điện áp xác định chiều của dòng điện Một vec tơ điện áp được dùng để thành lập lại dòng một pha và một vec tơ điện khác được dùng để thành lập lại dòng của pha thứ hai bằng cách dùng giá trị dòng đo được từ cảm biến dòng một chiều Một mối quan hệ giữa ứng dụng các vec tơ tích cực và các dòng pha đo được từ các cảm biến dòng một chiều được chỉ ra trên bảng 2.2 chúng gồm tám vec tơ tích cực và hai vec tơ không (Hình 2.21)

Hình 2.20: Các tín hiệu chỉnh lưu PWM và

dòng một chiều ở secto I [11]

Vấn đề chính của ước lượng dòng xoay chiều dựa vào xung thời gian tối thiểu cho khâu lấy mẫu dòng một chiều Nó xuất hiện khi một trong hai vec tơ không có mặt, hoặc chỉ áp dụng trong thời gian ngắn Trong trường hợp này không thể tái lập được pha dòng điện Trường hợp này xẩy ra các véc tơ điện áp tham chiếu vượt qua một trong số sáu véc tơ khả năng tích cực hoặc trong trường hợp chỉ số điều chế thấp (Hình 2.21) Thời gian tối thiểu để đạt được ước lượng đúng phụ thuộc vào tốc

độ đáp ứng của hệ thống, độ trễ, chiều dài cáp và thời gian chết (tham khảo mục 3.2.4 chương 3) Cách giải quyết vấn đề này là hiệu chỉnh xung điều chế PWM hoặc