Nghiên cứu ứng dụng multilevel inverter trong hệ thống điều khiển trực tiếp moment động cơ không đồng bộ

Mở đầu Ngày nay, các thiết bị điện tử công suất rất được sử dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau như hệ thống truyền tải, hệ thống phân phối điện năng, dùng trong công nghiệp… Khi hoạt độ

Mục lục

Chương 1: TỔNG QUAN VỀ NGHỊCH LƯU ĐA MỨC 1

1.1.Tổng quan về biến tần 1

1.1.1.Biến tần trực tiếp (cycloconverter) 2

1.1.2.Biến tần gián tiếp 3

1.2.Nghịch lưu đa mức 5

1.2.1 Bộ nghịch lưu diode kẹp – NPC (Neutural Point Clamped Multilevel Inverter) ……… 5

1.2.2 Bộ nghịch lưu dạng tụ bay FLC - VSC (Flying capacitor Voltage Source connverter) 11

1.2.3 Bộ nghịch lưu đa mức kiểu cầu H nối tầng (cascade H-bridge multilevel inverter) 17

1.2.4.Quá trình chuyển mạch 20

1.2.5.Kết luận 26

1.3.Kết luận chung 27

Chương 2: CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHẾ CHO NGHỊCH LƯU ĐA MỨC KIỂU CẦU H NỐI TẦNG 28

2.1 Phương pháp điều chế độ rộng xung PWM cho nghịch lưu đa mức kiểu cầu H nối tầng 28

2.1.1.Phương pháp điều chế dịch pha sóng mang 28

2.1.2.Phương pháp điều chế dịch mức đa sóng mang 32

2.1.3 So sánh 2 giản đồ điều chế PWM kiểu dịch pha và kiểu dịch mức 34

2.1.3 Mô phỏng phương pháp PWM kiểu dịch pha cho nghịch lưu cầu H………40

2.2.Phương pháp điều chế SVM 43

2.2.1.Xác định sector 45

2.2.2.Xác định vị trí tam giác 45

2.2.3.Tính các giá trị Ta, Tb, Tc ở sector A 47

2.2.4.Tính gía trị các thanh ghi PWM ở sector A 48

2.2.5.Tính giá trị thanh ghi ở sector bất kỳ 49

2.2.6.Mô phỏng thuật toán SVM 50

2.3.Kết luận chung 52

Chương 3: ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ 54

3.1.Giới thiệu động cơ không đồng bộ ba pharotor lồng sóc 54

3.1.1.Tổng quát 54

3.1.2.Mô hình toán học động cơ không đồng bộ 55

3.2.Các phương pháp điều khiển tốc độ động cơ không đồng bộ 61

3.2.1.Điều khiển tựa từ thông – FOC 61

3.2.2.Điều khiển trực tiếp momen – DTC 66

3.3.Kết luận chung 75

Chương 4: ĐIỀU KHIỂN TRỰC TIẾP MOMEN CÙNG ĐIỀU CHẾ SVM (DTC - SVM) ỨNG DỤNG TRONG ĐIỀU KHIỂN BIẾN TẦN ĐA MỨC 76

4.1 Tổng quan 76

4.2 Tổng quan về DTC - SVM……….………76

4.2.1.Sơ đồ DTC – SVM với bộ điều khiển từ thông 76

4.2.2.Sơ đồ DTC – SVM với bộ điều khiển momen 78

4.2.3 Sơ đồ DTC – SVM sử dụng cả bộ điều khiển từ thông và momen trong hệ tọa độ cực… 79

4.2.4 Sơ đồ DTC – SVM với bộ điều khiển từ thông và momen trong hệ trục tọa độ quay với từ thông stato 80

4.2.5.Kết luận về các cấu trúc DTC – SVM 80

4.3 Phân tích thiết kế bộ điều khiển từ thông và momen cho phương pháp DTC– SVM với bộ điều khiển từ thông và momen trong hệ tọa độ quay với stato……… 81

4.3.1.Thiết kế bộ điều khiển từ thông 84

4.3.2.Thiết kế bộ điều khiển momen 86

4.4.Ước lượng trong thuật toán điều khiển động cơ không đồng bộ 88

4.4.1.Ước lượng điện áp đầu ra bộ biến đổi 90

4.4.2.Ước lượng vector từ thông stato 91

4.4.3.Ước lượng momen 93

4.5.Áp dụng phương pháp DTC – SVM cho nghịch lưu ba mức cầu H 93

4.6.Mô phỏng thuật toán DTC – SVM và thuật toán DTC 94

4.6.1.Mô phỏng phương pháp DTC Error! Bookmark not defined. 4.6.2.Mô phỏng thuật toán DTC – SVM 96

4.6.3.Kết quả mô phỏng 98

4.7.Kết luận chung 100

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 101

Kết luận: 101

Kiến nghị: 101

TÀI LIỆU THAM KHẢO 102

PHỤ LỤC………103

Danh mục hình vẽ

Hình 1.1 Mô hình biến tần 1

Hình 1.2 Biến tần trực tiếp sơ đồ hình tia 3 pha 2

Hình 1.3 Biến tần nguồn dòng sơ đồ 3 pha 4

Hình 1.4 Biến tần nguồn áp sơ đồ 3 pha 4

Hình 1.5 Cấu trúc mạch của bộ nghịch lưu diode kẹp 3 pha 3-level mức 6

Hình 1.6 Quá trình chuyển mạch từ trạng thái (a) P 0 và (b) ON 8

Hình 1.6 Quá trình chuyển mạch từ trạng thái (c) P 0 và (d) ON 9

Hình 1.7 Điện áp điều khiển pha a, điên áp pha và điện áp dây của bộ nghịch lưu 3L-NPC 10

Hình 1.8 Bộ nghịch lưu dạng 3L-FLC SVC 12

Hình 1.9 Quá trình chuyển mạch từ trạng thái (a,b) P 0 và (c,d) ON 13

Hình 1.10 Quá trình chuyển mạch từ trạng thái (a,b) P 0 và (c,d) ON 15

Hình 1.11 Xung điều khiển, điện áp pha và điện áp dây pha a của bộ nghịch lưu 3L-FLC 16

Hình 1.12 Cấu trúc của bộ nghịch lưu 5 mức kiểu cầu nối tầng 18

Hình 1.13 Cấu hình của một cell cầu của bộ nghịch lưu CBH 19

Hình 1.14 Quá trình chuyển mạch giữa các trạng thái 21

Hình 1.15 Quá trình chuyển mạch của các trạng thái 1 và 4 22

Hình 1.16 Quá trình chuyển mạch của các trạng thái 7 và 14 22

Hình 1.17 Quá trình chuyển mạch của trạng thái 16 23

Hình 1.18 Cấu trúc của bộ nghich lưu n mức kiểu nối tầng 24

Hình 2.1 Cấu trúc nghịch lưu cầu H 7 mức ứng với pha A 29

Hình 2.2 Phương pháp PWM kiểu dịch pha cho biến tần 7 mức (m f = 3, m a = 0 8, f m = 60Hz, f cr =180Hz) 29

Hình 2.3 Dạng sóng điện áp và sóng hài của nghịch lưu 7 mức với điều kiện f m = 60Hz, m f = 10, m a = 1 31

Hình 2.4 Các phương pháp điều chế kiểu dịch mức 32

Hình 2.5 Điều chế IPD cho biến tần 7 mức hoạt động với thông số mf = 15,

m a = 0,8, f m = 60Hz, f cr = = 900HZ 33

Hình 2.6 Dạng điện áp ra tương ứng của 2 phương pháp 35

Hình 2.7 Thành phần sóng hài tương ứng của 2 phương pháp 35

Hình 2.8 Phân bố sóng điều hoà 38

Hình 2.9 Đồ thị điều chế PWM 39

Hình 2.10 Mô hình mô phỏng nghịch lưu ba mức sử dụng điều chế PWM 40

Hình 2.11 Điện áp pha A 41

Hình 2.12 Điện áp dây UAB 41

Hình 2.13 Dòng điện pha A 42

Hình 2.14 Phổ sóng hài của dòng điện pha A 42

Hình 2.15 Giản đồ vector điện áp bộ nghịch lưu áp 3 bậc 43

Hình 2.16 Phương pháp điều chế vector không gian SVM cho nghịch lưu ba mức cầu H 44

Hình 2.17 Vector điện áp quay V ref 45

Hình 2.18 Các vector ở sector A 46

Hình 2.19 Phân tích vector không gian thành hai giá trị m1 và m2 46

Hình 2.20 Gía trị Ta, Tb, Tc trong mỗi tam giác của sector A 47

Hình 2.21 Xung điều khiển pha B sinh ra do các thanh ghi PWM 48

Hình 2.22 Mô hình mô phỏng SVM cùng nghịch lưu 3 mức cầu H 50

Hình 2.23 Thuật doán điều chế SVM 51

Hình 2.24 Điện áp pha A 51

Hình 2.25 Điện áp pha UAB 52

Hình 2.26 Dòng điện pha A 52

Hình 2.27 Phổ sóng hài của dòng điện pha A 52

Hình 0.1 Cấu tạo động cơ không đồng bộ ba pha rotor lồng sóc 55

Hình 0.2 Biểu diễn vector không gian 56

Hình 3.3 Mô hình động cơ không đồng bộ trên hệ trục tọa độ  60

Hình 3.4 Sơ đồ vector của động cơ không đồng bộ trên hệ trục tọa độ   và

hệ trục toạ độ (d-q) 61

Hình 3.5 Mô hình động cơ không đồng bộ trên hệ trục tọa độ (d-q) 63

Hình 3.6 Sơ đồ khối của phương pháp điều khiển tựa từ thông trực tiếp – DFOC 64

Hình 3.7 Sơ đồ khối của phương pháp điều khiển tựa từ thông gián tiếp – IFOC 65

Hình 3.8 Sơ đồ vector của động cơ không đồng bộ 67

Hình 3.9 Điện áp đầu ra của bộ nghịch lưu tương ứng với các vector 68

Hình 3.10 Thuật toán 6 bước a) Sóng điện áp và từ thông; b) quỹ đạo từ thông 69

Hình 3.11 Thuật toán điều chế PWM a) Sóng điện áp và từ thông; b) quỹ đạo từ thông 70

Hình 3.12 Qũy đạo từ thông stato với việc lựa chọn vector điện áp 70

Hình 3.13 Sơ đồ khối phương pháp điều khiển trực tiếp momen 71

Hình 3.14 Bộ điều khiển băng trễ a) hai mức; b) ba mức 72

Hình 3.15 Các sector trong phương pháp DTC 73

Hình 3.16 Lựa chọn vector điện áp khi vector từ thông ở sector 1 74

Hình 4.1 Sơ đồ DTC – SVM cùng bộ điều khiển từ thông 77

Hình 4.2 Sơ đồ điều khiển DTC – SVM với bộ điều khiển mô men 78

Hình 4.3 Giản đồ vector 78

Hình 4.4 Sơ đồ DTC – SVM hoạt động trong tọa độ cực từ thông stato 79

Hình 4.5 Sơ đồ DTC –SVM với bộ điều khiển từ thông và momen trong hệ toạ độ quay với từ thông stato 80

Hình 4.6 Mô hình động cơ không đồng bộ trên hệ trục tọa độ quay từ thông stato 82

Hình 4.7 Mô hình đơn giản động cơ trên hệ trục tọa độ quay từ thông stato (x-y) 83

Hình 4.8 Bộ điều khiển từ thông và momen theo mô hình đơn giản động cơ 83

Hình 4.10 Vòng điều khiển biên độ từ thông stato 84

Hình 4.11 Kết quả mô phỏng đáp ứng bộ điều khiển từ thông ở các tần số trích mẫu khác nhau a) f s 10KHz ; b) f s 5KHz ; c) f s 2.5KHz 86

Hình 4.12 Sơ đồ vòng điều khiển mô men 87

Hình 4.13 Đáp ứng momen trong việc lựa chọn hệ số K pM , tại các tần số trích mẫu

khác nhau a) f s 5KHz ; b) f s 10KHz 88

Hình 4.14 Các lớp phương pháp tính biến trạng thái của động cơ không đồng bộ 89 Hình 4.15 Các tín hiệu đầu vào khâu ước lượng 91 Hình 4.16 Ước lượng từ thông theo mô hình điện áp sử dụng tích phân 92 Hình 4.17 Ước lượng từ thông dựa trên mô hình điện áp cùng lọc thông thấp 92 Hình 4.18 Ước lượng từ thông dựa trên mô hình điện áp sử dụng thuật toán bù lọc thông thấp (VM – CLPF) 93 Hình 4.19 Sơ đồ điều khiển DTC – SVM cho nghịch lưu đa mức 94 Hình 4.20 Mô hình mô phỏng điều khiển động cơ không đồng bộ theo phương pháp DTC 95 Hình 4.21 Thuật toán điều khiển DTC 96 Hình 4.22 Bảng chuyển mạch theo phương pháp DTC 96 Hình 4.23 Mô hình mô phỏng điều động cơ không đồng bộ sử dụng phương pháp DTC – SVM 97 Hình 4.24 Thuật toán DTC – SVM 98 Hình 4.25 Đáp ứng momen (a) Phương pháp DTC; (b) Phương pháp DTC – SVM cho nghịch lưu ba mức cầu H 99 Hình 4.26 Đáp ứng từ thông a) Phương pháp DTC; Phương pháp DTC – SVM sử dụng nghịch lưu ba mức cầu H 100

Danh mục bảng

Bảng 1.1 Trạng thái các khóa ở một pha của bộ nghịch lưu 3L-NPC VSC…………7

Bảng 1.2 Trạng thái chuyển mạch của các khóa trên một pha của bộ 3L-FLC… 12

Bảng 1.3 Quá trình dẫn dòng của các khóa ở mỗi pha của bộ 3L-FLC………15

Bảng 1.4 Trạng thái chuyển mạch của các khóa trên một pha của bộ 5L-CHB… 20

Bảng 1.5 Số trạng thái của các mức điện áp của bộ nghịch lưu dạng CHB……….25

Bảng 1.6 Bảng so sánh cấu hình của các loại biến tần đa mức……… 26

Bảng 2.1 So sánh phương pháp điều chế PWM dịch pha và dịch mức……….36

Bảng 2.2 Tổng kết các mức điện áp ra……… 38

Bảng 2.2 Gía trị thanh ghi ở mỗi tam giác……… 49

Bảng 2.3 Gía trị điện áp tương đương ở các sector……… 49

Bảng 3.1 Bảng chuyển mạch……… 74

Bảng 4.1 Tính toán thông số bộ điều khiển từ thông theo tiêu chuẩn tối ưu đối xứng……… 85

Bảng 4.2 Thông số của bộ điều khiển momen………87

Mở đầu

Ngày nay, các thiết bị điện tử công suất rất được sử dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau như hệ thống truyền tải, hệ thống phân phối điện năng, dùng trong công nghiệp… Khi hoạt động ở dải điện áp thấp thì cấu trúc nghịch lưu hai mức được sử dụng khá phổ biến, tuy nhiên khi nghịch lưu hoạt động ở dải điện áp cao thì cấu trúc nghịch lưu hai mức không còn được sử dụng nữa, thay vào đó là nghịch lưu đa mức với những cấu hình rất phức tạp Ưu điểm chính của bộ nghịch lưu đa mức là điện

áp đặt lên các linh kiện giảm xuống nên công suất của bộ nghịch lưu tăng lên, đồng thời công suất tổn hao do quá trình đóng cắt linh kiện cũng giảm theo Với cùng tần

số đóng cắt, các thành phần sóng hài bậc cao của điện áp ra nhỏ hơn so với trường hợp biến tần hai mức nên chất lượng điện áp ra tốt hơn

Nghịch lưu đa mức sử dụng điều khiển tốc độ động cơ không đồng bộ hoàn toàn tương tự như nghịch hai mức, có sử dụng sơ đồ điều khiển tựa từ thông roto – FOC Tuy nhiên khi sử dụng sơ đồ DTC cho nghịch lưu đa mức chúng ta rất khó khăn trong việc thành lập bảng chuyển mạch Vì vậy trong luận văn này tác giả đi sâu nghiên cứu phương pháp DTC – SVM sử dụng để điều khiển nghịch lưu đa mức

Luận văn: “Nghiên cứu ứng dụng multilevel inverter trong hệ thống điều khiển trực tiếp moment động cơ không đồng bộ ” gồm 4 chương

Chương 1 Tổng quan về nghịch lưu đa mức

Chương 2 Các phương pháp điều chế cho nghịch lưu đa mức kiểu cầu H Chương 3 Điều khiển động cơ không đồng bộ ba pha

Chương 4 Điều khiển trực tiếp moment và SVM (DTC – SVM) ứng dụng cho nghịch lưu kiểu cầu H

Em xin chân thành cảm ơn các thầy cô giáo trong bộ môn Tự Động Hóa Xí

Nghiệp Công Nghiệp, đặc biệt là thầy giáo TS Trần Trọng Minh đã giúp em hoàn

thành bản luận văn này Do giới hạn về kiến thức nên nghiên cứu còn nhiều hạn chế

và thiếu sót Em kính mong được sự góp ý và hướng dẫn của các thầy cô để bản luận văn được hoàn thiện hơn

Hà Nội, ngày 24 tháng 09 năm 2013

Học viên thực hiện

Nguyễn Thịnh

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ NGHỊCH LƯU ĐA MỨC 1.1 Tổng quan về biến tần

Bộ biến tần là thiết bị biến đổi năng lượng điện từ tần số cố định (thông thường

từ tần số công nghiệp 50Hz) sang nguồn có tần số thay đổi nhờ các khoá điện tử Phương pháp điều chỉnh tốc độ bằng cách biến đổi tần số cho phép mở rộng phạm vi sử dụng truyền động điện không đồng bộ trong nhiều nghành công nghiệp Trước hết chúng ứng dụng cho các thiết bị cần thay đổi tốc độ nhiều động cơ không đồng bộ cùng lúc như các động cơ truyền động của một nhóm máy dệt, băng tải, băng lăn, … Phương pháp điều chỉnh này còn được áp dụng cả trong những thiết bị đơn lẻ, nhất là ở những cơ cấu yêu cầu tốc độ làm việc cao như máy ly tâm, máy mài…

Hình 1.1 Mô hình biến tần

Bộ biến tần được nối vào lưới có tần số f1, U1 không đổi Đầu ra của nó là f2, U2biến đổi được Để biến đổi tần số, người ta có thể dùng các thiết bị máy điện hoặc thiết bị bán dẫn với nguyên lý hoạt động và cấu trúc khác hẳn nhau

 Ưu điểm:

 Là phương pháp có rất nhiều triển vọng

 Khi sử dụng các bộ biến tần thích hợp có thể đạt được điều chỉnh trơn

 Sử dụng cùng với động cơ không đồng bộ nên giảm được chi phí máy điện

 Nhược điểm:

 Bộ biến tần còn tương đối phức tạp nên giá thành chế tạo cao

 Nếu sử dụng bộ biến tần gián tiếp hiệu suất sẽ giảm đi so với biến tần trực tiếp

Trong thực tế thường chọn động cơ không đồng bộ với phương pháp biến đổi tần số

là vì các lý do chủ yếu sau đây:

 Đây là loại máy điện có kết cấu đơn giản

 Sử dụng rộng rãi trong công nghiệp cũng như đời sống

 Sử dụng điện áp xoay chiều tần số công nghiệp, dễ dàng cho việc lắp đặt, vận hành và sử dụng

 Biến tần là thiết bị hiện đại, trong tương lai sẽ được sử dụng nhiều hơn khi

mà các thiết bị bán dẫn với ưu thế ngày càng phát triền

 Có khả năng lập trình, tiện lợi cho ghép nối máy tính, nền tảng cho phát triển sau này

 Và cuối cùng là tính kinh tế của sử dụng biến tần

Tuỳ theo yêu cầu kĩ thuật kinh tế mà ta có thể xác định đựơc các cấu trúc cơ bản của hệ biến tần động cơ, theo đó có thể chia thành các loại bộ biến đổi sau:

 Bộ biến tần trực tiếp: điện áp lưới tần số công nghiệp được biến đổi trực tiếp thành tần số khác và cung cấp cho động cơ

 Bộ biến tần gián tiếp: Điện áp lưới trước khi cung cấp cho tải được chỉnh lưu thành điện áp một chiều, điện áp một chiều sau đó được biến đổi thành điện

áp xoay chiều cung cấp cho tải

1.1.1 Biến tần trực tiếp (cycloconverter)

Biến tần trực tiếp hay được dùng cho truyền động công suất lớn, tốc độ làm việc thấp, thí dụ để cung cấp cho các động cơ rôto lồng sóc, các động cơ rôto dây quấn cấp bởi 2 nguồn, các động cơ đồng bộ

Biến tần loại này có cấu trúc rất đơn giản Điện áp vào xoay chiều u1 (tần số f1) chỉ cần qua một mạch van là chuyển ra tải với tần số khác và cho phép hãm tái sinh năng lượng mà không cần có mạch điện phụ nên biến tần này có hiệu suất biến đổi năng lượng cao Cũng có thể dễ dàng thực hiện điều chỉnh điện áp và tần số đầu ra của biến tần trực tiếp với dạng điện áp ra gần hình sin

Nhược điểm: hệ số công suất thấp, số lượng các van bán dẫn trên mạch lực khá nhiều và điều kiện chuyển mạch tự nhiên của các van này cũng như tần số điều chỉnh f2 có giới hạn trên là tần số nguồn cung cấp f1 Vì vậy hiện nay chủ yếu chỉ có biến tần loại này với phạm vi điều chỉnh tần số f2 ≤ f1 Về nguyên tắc có thể lập biến tần với f2 ≥ f1 song mức độ phức tạp sẽ tăng lên nhiều

1.1.2 Biến tần gián tiếp

Bộ biến tần gồm các khâu: chỉnh lưu, lọc, nghịch lưu Bộ biến tần gián tiếp này khác biến tần trực tiếp ở chỗ nó có khâu trung gian một chiều Nhờ có khâu trung gian một chiều này mà khâu chỉnh lưu và khâu nghịch lưu cách ly nhau và điều chỉnh độc lập nhau

Điện áp xoay chiều tần số công nghiệp đựơc chỉnh lưu thành nguồn một chiều nhờ bộ chỉnh lưu không điều khiển hoặc có điều khiển sau đó được lọc và bộ nghịch lưu sẽ biến đổi thành nguồn điện áp xoay chiều 3 pha có tần số biến đổi cung cấp cho động cơ Đa số các biến tần có chỉnh lưu không điều khiển vì nếu điều chỉnh trong phạm vi rộng thì sẽ làm tăng kích thước bộ lọc giảm hiệu suất bộ biến đổi Chức năng biến đổi tần số sẽ thông qua bộ nghịch lưu

Dễ thấy việc phải biến đổi hai lần làm giảm hiệu suất biến tần

Tuy nhiên, loại biến tần này có các ưu điểm nổi bật như:

 Có khả năng điều chỉnh tần số theo tốc độ đặt mong muốn, cho phép thay đổi

dễ dàng tần số f2 không phụ thuộc vào f1 trong một dải rộng cả trên và dưới

f1 vì tần số ra chỉ phụ thuộc vào mạch điều khiển

 Có khả năng điều chỉnh điện áp theo tần số để duy trì từ thông khe hở không đổi trong vùng điều chỉnh mômen không đổi

 Có khả năng cung cấp dòng điện định mức ở mọi tần số

a Biến tần nguồn dòng

Hình 1.3 Biến tần nguồn dòng sơ đồ 3 pha

Khâu trung gian là cuộn kháng Lf, thực hiện chức năng nguồn dòng cho bộ nghịch lưu

 Ưu điểm:

 Có khả năng trả năng lượng về lưới

 Không sợ chế độ ngắn mạch vì dòng điện luôn đựơc giữ không đổi

 Phù hợp với dải công suất lớn hơn 100 kV

 Nhược điểm:

 Hiệu suất kém ở dải công suất nhỏ

 Cồng kềnh vì có cuộn kháng

 Hệ số công suất thấp và phụ thuộc vào tải nhất là tải nhỏ

Do đó với ứng dụng cho bộ biến tần trung áp thì rõ ràng biến tần nguồn dòng là không phù hợp và không có tính kinh tế

b Biến tần nguồn áp

Hình 1.4 Biến tần nguồn áp sơ đồ 3 pha

Khâu trung gian là tụ Cf, thực hiện chức năng nguồn áp cho biến tần

 Ưu điểm:

 Phù hợp với tải nhỏ, dưới 30KV

 Hệ số công suất của mạch lớn (gần bằng 1)

 Hình dạng và biên độ điện áp ra không phụ thuộc tải, dòng điện do tải quy định

 Có thể áp dụng kỹ thuật PWM điều biến độ rộng xung để giảm tổn hao do sóng hài bậc cao gây ra, khử đập mạch mômen

 Nhược điểm:

Không trả được năng lượng về lưới, nếu muốn trả năng lượng về lưới phải mắc thêm một khâu chỉnh lưu ngược mắc song song ngược với khâu chỉnh lưu ban đầu hoặc dùng chỉnh lưu PWM hay biến tần 4Q

Trong thực tế, loại biền tần nguồn áp với các thuật toán điều khiển hiện đại, có khả năng cho điện áp 3 pha ra có dạng sin, chất lượng điện áp ra tốt, khử được thành phần sóng hài, được sử dụng nhiều hơn trong thực tế đối với mảng trung áp

1.2 Nghịch lưu đa mức

Phần quan trọng nhất của một bộ biến tần gián tiếp là bộ nghịch lưu Thông thường ở các ứng dụng công suất nhỏ nghịch lưu thường là bộ biến đổi nguồn áp hai mức, tuy nhiên ở tần số cao người ta thường sử dụng các loại nghịch lưu đa mức

vì những lý do:

- Tần số điều chế PWM thấp

- Điện áp trên van thấp

- Vẫn đảm bảo chất lượng sóng hài điện áp ra

Do vậy trong phần này chúng ta sẽ đi tìm hiểu cấu trúc và nguyên lý hoạt động của một số bộ nghịch lưu đa mức cơ bản

1.2.1 Bộ nghịch lưu diode kẹp – NPC (Neutural Point Clamped Multilevel Inverter)

a Cấu trúc

Bộ nghịch lưu diode kẹp sử dụng các diode kẹp và tụ điện một chiều mắc nối tầng để tạo ra điện áp có nhiều mức Bộ nghịch lưu này có thể có cấu trúc: 3-level , 4-level, 5-level… Cơ bản nhất là bộ nghich lưu 3-level được mô tả ở hình 1.5 Mỗi pha của bộ nghịch lưu được cấp nguồn cùng môt đường DC-bus Điện áp một chiều được chia ra thành 3 mức bởi các tụ điện C1-C2 ghép nối tầng, để tạo ra các điểm trung tính ảo (Neutral point) Điện áp đặt trên mỗi tụ điện là: Udc/2, điện áp đặt lên mỗi khóa được giới hạn ở mức Udc/2 thông qua các diode kẹp D1x÷ D2x, các diode này được gọi là diode chốt điểm chung tính Khi các khóa S1a và

_

2a

S đều dẫn khi đó đầu ra pha A của bộ nghịch lưu được nối với điểm trung tinh ảo thông qua một trong hai diode chốt

Hình 1.5 Cấu trúc mạch của bộ nghịch lưu diode kẹp 3 pha 3-level mức

b Trạng thái và quá trình chuyển mạch của các khóa

 Trạng thái của các khóa chuyển mạch

Trong cấu trúc bộ nghịch lưu 3 mức các khóa sẽ được điều khiển sao cho chỉ có hai trong bốn khóa mở trong cùng một thời điểm và mỗi “nút” của các pha a, b, c có thể được nối với các điểm M0, M1, M2 Trạng thái chuyển mạch của các van trong

bộ nghịch lưu diode kep 3 mức được cho theo bảng 1.1 Trạng thái P (Positive) tương ứng với hai khóa S1x và S2x đều mở lúc đó điện áp pha có giá trị bằng Udc/2 Ngược lại trạng thái N (Negative) tương ứng với hai khóa chuyển mạch S_1x và

_

2x

S

mở và điện áp pha có giá trị bằng -Udc/2 Trạng thái 0 tương ứng với các khóa S 1x

hoặc S_2x mở khi đó đầu ra của điện áp pha có giá trị bằng “0” do được nối với điểm trung tính M1 qua hai diode chốt Tùy thuộc vào chiều dòng điện mà một trong hai diode sẽ dẫn dòng Ví dụ nếu dòng tải dương i ph x  0 làm diode D2x dẫn

Bảng 1.1 Trạng thái các khóa ở một pha của bộ nghịch lưu 3L-NPC VSC

Các van bán dẫn S 1x,S_1x và S 2 x,S_2x hoạt động theo nguyên tắc đối nghịch, có nghĩa

là khi một khóa dẫn thì khóa còn lại sẽ không dẫn

 Quá trình chuyển mạch của các khóa

Để nghiên cứu quá trình chuyển mạch của các khóa trong bộ nghịch lưu NPC ta giả thiết rằng sự chuyển đổi giữa các trạng thái “0”, “P” và “N” khi các khóa thay đổi trạng thái ta sẽ bỏ qua thời gian chết “dead time” (thơi gian tính từ lúc

3L-có tín hiệu điều khiển ON hoặc OFF khóa đến khi khóa ON hoặc OFF hoàn toàn) Dòng điện các pha không đổi chiều trong qua trình chuyển mạch do tải có tính cảm, giá trị các tụ điện C1 và C2 đủ lớn để điện áp đặt lên mỗi tụ điện giữ giá trị bằng

Udc/2 và các khóa chuyển mạch coi như lý tưởng

- Trường hợp 1: Dòng điện tải iph x >0

Hình 1.6 Quá trình chuyển mach từ trạng thái (a) P 0 và (b) ON

Bộ nghịch lưu đang ở trạng thái P tương ứng với các van T2x và T1x dẫn dòng các khóa

mở T_2x tức là trạng thái “0” tương ứng với điện áp rơi U S x1 0 Tổn hao trong qua trình chuyển trạng thái trên chỉ xẩy ra chủ yếu trên van T2x trong quá trình khóa Mặc dù

- Trường hợp 2: Dòng điện tải iph x <0

Hình 1.6 Quá trình chuyển mach từ trạng thái (c) P 0 và (d) ON

Bộ nghịch lưu đang ở trạng thái N tương ứng với các van T_2x và T_1x đang mở, các khóa S 1x,S 2 xđang khóa Diode chốt D1x phân cực ngược nên không cho dòng điện đi qua Điện áp rơi trên hai van S 1x, S 2 x: và trên hai van

Hình 1.7 Điện áp điều khiển pha a, điên áp pha và điện áp dây của

áp ngược khác nhau, điều này đòi hỏi phải sử dụng những diode có giá trị định mức khác nhau, hoặc ghép nối tiếp nhiều diode có cùng giá trị định mức lại với nhau điều này làm tăng giá thành đồng thời giảm độ tin cậy của bộ nghịch lưu

Thêm vào đó, các khóa bán dẫn trong cấu hình NPC cũng có tần số đóng cắt khác nhau, đặc biệt khi chỉ số điều chế thấp, các khóa bán dẫn ở ngoài hầu như không đổi trạng thái Điều này sẽ được trình bày rõ trong quá trình mô phỏng Thêm

vào đó sự mất cân bằng điện áp trên tụ phát sinh trong quá trình nạp xả tụ khi có dòng điện đi vào hoặc đi ra khỏi các điểm trung tính ảo (điểm giữa của chuỗi các tụ mắc nối tiếp) Tức là khi pha được kẹp ở mức điện áp 0V Sự mất cân bằng này làm méo dạng điện áp đầu ra, đồng thời làm điện áp phân bố trên các van bán dẫn không còn đồng đều, có thể dẫn đến hiện tượng quá điện áp trên khóa bán dẫn Hiện tượng này được giải thích thông qua một số tổ hợp đóng cắt của các khóa

 Đạt hiệu suất cao ở tần số đóng cắt cơ bản

 Tất cả các pha đều dùng chung một nguồn DC do đó giảm thiểu số tụ mắc ở nguồn

 Nhược điểm

 Thêm diode kẹp

 Điều chế PWM phức tạp

 Có thể có độ lệch của điểm tâm nguồn

1.2.2 Bộ nghịch lưu dạng tụ bay FLC - VSC (Flying capacitor Voltage Source

connverter)

a Cấu trúc bộ nghịch lưu FLC VSC

Cấu trúc của bộ nghịch lưu FLC tương tự như bộ nghich lưu NPC chỉ khác không có diode kẹp mà thay vào đó bằng các tụ điện Ở đây ta khảo sát cấu trúc bộ nghịch lưu dạng 3L-FLC (Flying capacitor 3 level inverter), gồm có 12 khóa chuyển mạch, và có các diode mắc song song ngược, 3 “tụ bay” (Flying capacitor) Trong quá trình hoạt động của mạch, điện áp của “tụ bay” được nạp bằng ½ điện áp nguồn một chiều Điện áp này có thể được cộng hoặc trừ khi tụ điện được nối nối tiếp vào mỗi pha khi các khóa dẫn

Hình 1.8 Bộ nghịch lưu dạng 3L-FLC SVC

b Trạng thái và quá trình chuyển mạch của các khóa trong bộ 3L-FLC

 Trạng thái của các khóa chuyển mạch

Để tạo ra ba mức điện áp cho bộ nghịch lưu, các khóa chuyển mạch được điều khiển sao cho tại mọi thời điểm chỉ có hai trong bốn khóa ở mỗi pha được mở Trạng thái của các khóa chuyển mạch trong bộ nghịch lưu 3L-FLC được cho dưới bảng 1.2 Nó chỉ khác so với bộ nghịch lưu 3L-NPC là có hai trạng thái 0 tương ứng với S 1xmở, S 2 x khóa và S 1xkhóa, S 2 xmở Tùy theo chiều dòng điện của mỗi pha qua

tụ i C1,x mà quyết định quá trình nạp hay xả của “tụ bay” Vì vậy điện áp trên tụ có thể được điều chỉnh giá trị phù hợp với yêu cầu trong quá trình hoạt động của các khóa ở mỗi pha Trong cả hai trạng đó điện áp đầu ra đều có giá trị như nhau nhưng khác nhau về chiều của dòng điện tải qua “tụ bay” và tụ điện có thể tự cân bằng bất chấp dòng điện tải

Bảng 1.2 Trạng thái chuyển mạch của các khóa trên một pha của bộ 3L-FLC

 Quá trình chuyển mạch của các khóa

Để nghiên cứu quá trình chuyển mạch của các khóa trong bộ nghịch lưu 3L-FLC

ta giả thiết rằng sự chuyển đổi giữa các trạng thái “0”, “P” và “N” khi các khóa thay đổi trạng thái ta sẽ bỏ qua thời gian chết “dead time” (thời gian tính từ lúc có tín hiệu điều khiển ON hoặc OFF đến khi khóa ON hoặc OFF hoàn toàn) Dòng điện các pha không đổi chiều trong quá trình chuyển mạch do tải có tính cảm, giá trị các

tụ điện Cd1 và Cd2 đủ lớn để điện áp đặt lên mỗi tụ điện giữ giá trị bằng Udc/2 và các khóa chuyển mạch coi như lý tưởng

- Trường hợp 1: Dòng tải iph x>0

Hình 1.9 Quá trình chuyển mach từ trạng thái (a,b) P 0 và (c,d) ON

Bộ nghịch lưu đang ở trạng thái P tương ứng với các van T2x và T1x dẫn dòng các khóa

(Hình 1.8a) được bắt đầu bằng việc khóa T1x khi đó tụ điện C1x sẽ được nạp điện tức

là điện áp trên tụ điện có giá trị bằng: -Udc/2 Sau thời gian T1x khóa hoàn toàn thì cho

_

1x

T thông trạng thái “0” tương ứng với điện áp rơi và khi đó dòng tải sẽ chuyển từ dẫn qua T1x sang dẫn qua C 1x ,D_T x1 Tổn hao trong quá trình chuyển

trạng thái trên chỉ sẩy ra chủ yếu trên van T 1xtrong quá trình khóa Mặc dù

_

2x

T mở nhưng nó không có dòng đi qua nên tổn hao trong quá trình này là không đang kể Quá trình chuyển mạch từ P 0 có thể sẩy ra theo (Hình 1.8 b) và được bắt đầu bằng việc khóa T2x khi đó tụ điện C1x sẽ được phóng điện tức là điện áp trên tụ điện

có giá trị bằng: Udc/2 Sau thời gian T2x khóa hoàn toàn thì cho

_

2x

T Tổn hao trong quá trình chuyển trạng thái sẩy ra chủ yếu khi T2x khóa

- Trường hợp 2: Dòng điện tải iph x <0

Bộ nghịch lưu đang ở trạng thái N tương ứng với các van T_2x và T_1x đang mở các khóa S 1x,S 2 xđang ngắt Điện áp rơi trên hai van S 1x, S 2 x:

và trên hai van

_

1x

T khóa hoàn toàn thì cho T 1x mở tức là ở trạng thái “0” tương ứng với điện áp rơi U S x1 0 và dòng tải sẽ chuyển từ dẫn qua

Hình 1.10 Quá trình chuyển mach từ trạng thái (a,b) P 0 và (c,d) ON[6] Quá trình chuyển mạch 0 P (Hình 1.9c) bắt đầu bằng việc khóa T_2x trong lúc đó

1

T x

D đang dẫn, do vậy diode D T x2 phân cực thuận nên dòng tải sẽ chuyển từ

_ 2

Hình 1.11 Xung điều khiển, điện áp pha và điện áp dây pha a của bộ nghịch lưu

 Dòng năng lượng lấy và trả lại lưới có thể điều khiển được

 Sử dụng một lượng lớn tụ điện cho bộ nghịch lưu tạo ra khả năng vượt qua hiện tượng mất điện nguồn trong thời gian ngắn và sự sụt giảm điện áp nguồn

 Nhược điểm

 Điều khiển các mức điện áp với tất cả các tụ điện rất phức tạp, ngoài ra tất cả các tụ được nạp trước cùng một mức điện áp và quá trình khởi động phức tạp

 Sử dụng lượng lớn tụ điện làm tăng giá thành sản phẩm và cồng kềnh hơn so với cấu hinh NPC ở cùng một cấp điện áp Rất khó đóng gói hay chế tạo thành các module ở bộ nghịch lưu có nhiều mức điện áp

1.2.3 Bộ nghịch lưu đa mức kiểu cầu H nối tầng (cascade H-bridge multilevel

inverter)

a Cấu trúc của bộ nghịch lưu CHB (Cascade H-bridge)

Bộ nghịch lưu kiểu cầu H nối tầng được sử phổ biến cho các động cơ trung và cao áp Bộ nghịch lưu bao gồm nhiều bộ nghịch lưu áp cầu một pha mắc nối tiếp

mà ta gọi mỗi bộ đó là một “cell” Mỗi cell cầu có nguồn một chiều riêng biệt thích hợp trong trường hợp sử dụng nguồn một chiều có sẵn ví dụ bình điện, battery, pin mặt trời… hoặc có thể là dùng biến áp nhiều đầu ra và kết hợp với bộ chỉnh lưu cầu diode tạo thành các nguồn một chiều để cung cấp cho các bộ cầu H Ở đây ta nghiên cứu cấu trúc của bộ nghịch CHB 5 mức từ đó ta có thể suy ra cấu trúc và nguyên lý hoạt động của bộ nghịch lưu 13 mức được dùng cho động cơ quay lò Đối với bộ nghịch lưu 5 mức kiểu cầu H nối tầng (5L-CHB) gồm có hai bộ cầu H mắc nối tiếp trên mỗi pha như (Hình 1.12) Điện áp một chiều cấp cho mỗi bộ cầu

H được lấy từ biến áp nhiều cuộn dây thông qua mạch cầu chỉnh lưu ba pha Để tạo

ra điện áp có 5 mức thì tại một thời điểm các van được điều khiển sao cho chỉ có 2 trong 4 van được mở

Hình 1.12 Cấu trúc của bộ nghịch lưu 5 mức kiểu cầu nối tầng [6]

Do cấu trúc của bộ nghịch lưu CBH phải sử dụng nguồn DC riêng biệt cho mỗi cell Chính vì điều này mà việc sử dụng biến áp nhiều cuộn sơ cấp là một lựa chọn hoàn hảo và các nguồn thì hoàn toàn cách ly so với lưới thông qua máy biến áp Điều đó dẫn đến cấu tạo của biến áp phức tạp và giá thành cao hơn rất nhiều so với biến áp thông thường nhưng nó cải thiện được một sô chức năng rất quan trọng Thứ nhất là đảm bảo chắc chắn rằng hiện tượng common mode voltage là nhỏ nhất

và giảm shock điện áp dv/dt ở điện áp đầu ra Thứ hai là độ lệch pha 360

Hình 1.13 Cấu hình của một cell cầu của bộ nghịch lưu CBH

Bằng cách đóng mở các van trong mỗi bộ nghịch lưu áp một pha, ba mức điện

áp (Udc,HB, 0, -Udc,HB) được tạo thành Sự kết hợp của N cell trên mỗi nhánh pha tải

sẽ tạo nên 2N+1 mức điện áp khác nhau Do cấu trúc trên ta thấy biến tần đa mức dạng cascade có số linh kiện tham gia ít hơn các dạng NPC và FLC ở cùng cấp điện

áp và tần số Việc điều khiển cũng dễ dàng hơn do mỗi cell cầu đều giống nhau về mặt cấu trúc từ đó dễ module hóa Vấn đề cân bằng điện áp liên lạc trên tụ một chiều cũng không xẩy ra Do đó đây là dạng biến tần thông dụng nhất

b Trạng thái của các khóa chuyển mạch

Khi các khóa chuyển mạch

_ 1

1Lx, Rx

S S và

_ 2

và 3L-FLC với cùng một mức điện áp đầu ra

Bảng 1.4 Trạng thái chuyển mạch của các khóa trên một pha của bộ 5L-CHB [6] Trạng

- Trường hợp dòng tải i ph x >0 ( biểu điễn bằng đường nét đậm)

Bộ nghịch luu đang ở trạng thái 1 tương ứng với các khóa

_ 1

1Lx, Rx

S S và

_ 2

2Lx, Rx

S S

đang dẫn dòng với điện áp ra U xn' 2U dc HB, điện áp rơi trên các van

_ 1

trạng thái 1  4 ( Hình 1.15) được bắt đầu bằng việc khóa

_

1Rx

S và khi đó diode D 1Rx

phân cực thuận

Hình 1.14 Quá trình chuyển mạch giữa các trạng thái [6]

Do đó dòng tải sẽ chuyển từ đang dẫn trên S_1Rx sang dẫ qua D 1Rxcủa khóa S 1Rx Sau khi khóa hoàn toàn

Hình 1.15 Quá trình chuyển mạch của các trạng thái 1 và 4 [6]

Hình 1.16 Quá trình chuyển mạch của các trạng thái 7 và 14 [6]

Tiếp theo là quá trình chuyển mạch từ trạng thái 4  7 (Hình 1.16) được bắt đầu bằng việc khóa S_2 Rx và khi đó diode D 2 Rxphân cực thận Do đó dòng tải sẽ chuyển từ đang dẫn trên

_

2Lx

D phân cực thuận Do đó dòng tải sẽ chuyển từ

đang dẫn trên S 2 Lx sang dẫn qua

Hình 1.17 Quá trình chuyển mạch của trạng thái 16 [6]

Tiếp theo là quá trình chuyển mạch từ trạng thái 14  16 (Hình 1.17) được bắt đầu bằng việc khóa S 1Lx và khi đó diode

_

1Lx

D phân cực thận Do đó dòng tải sẽ chuyển từ đang dẫn trên S 1Lx sang dẫn qua

- Trường hợp dòng tải i ph x <0 ( biểu điễn bằng đường nét gạch)

Tương tự như trường hợp iph x>0 quá trình chuyển mạch cũng diễn ra theo chu trình như trên, nhưng với chiều dòng điện ngược lại

c Bộ nghịch lưu nL-CHB (N-level cascade H-bridge multilevel inverter)

Từ cấu hình và quá trình chuyển mạch của bộ nghịch lưu 5L-CHB được trình bày ở trên có thể suy ra cấu hình và quá trình chuyển mạch của bộ nghịch lưu nL-CHB.Cấu hình của bộ nghich lưu nL-CHB có dạng như sau:

Hình 1.18 Cấu trúc của bộ nghich lưu n mức kiểu nối tầng [7]

Từ cấu hình trên tổng điện áp nguồn dc trong bộ nghịch lưu sẽ được tính theo công thức: U dc tv.  2 * *p U dc HB, (p là số cell cầu)

Số mức điện áp đầu ra: N 2*p1

Số mức điện áp dây mỗi pha : N=2*N –1

Góc lệch của mỗi cuộn dây thứ cấp máy biến áp: 360

đầu vào (460, 630 và 690V) dẫn đến điện áp dây ở đầu ra của mỗi cell có thể tới (800, 1100 và 1200V) và dòng đạt được trong dải 70 đến 1000A

Số trạng thái chuyển mạch có thể có của bộ nghịch lưu CHB

Bảng 1.5 Số trạng thái của các mức điện áp của bộ nghịch lưu dạng CHB Mức điện áp đầu ra 0 U dc HB, 2U dc HB, 3U dc HB, 4U dc HB, 5U dc HB, 6U dc HB,

d Nhân xét

 Ưu điểm:

 Dễ dàng thiết kế dưới dạng từng module và dễ dàng tăng số mức

 Mỗi module gồm một nguồn một chiều, một tụ lọc và một mạch chỉnh lưu cầu diode

 Đối với hệ thống cung cấp nguồn xoay chiều, các diode chỉnh lưu đóng vai là mạch cầu xung làm giảm méo dòng điện cho nguồn cung cấp

 Dạng sóng đầu ra có thành phần sóng hài rất thấp mặc dù tần số đóng cắt của mạch là thấp Do vậy dạng này được sử dụng rộng rãi và thống nhất

 Nhược điểm:

 Nhược điểm chính của phương pháp này là đòi hỏi phải sử dụng nguồn DC độc lập Trong trường hợp phải sử dụng các máy biến thế, ví dụ như một bộ nghịch lưu 5 mức dạng cascade sẽ dẫn tới phải sử dụng máy biến áp 1 đầu vào và có 6 cuộn sơ cấp 3 đầu Như vậy sẽ tăng kích thước và giá thành lên rất nhiều và tổn hao trên máy biến áp

1.2.5 Kết luận

Bộ nghịch lưu nguồn áp đa mức ngày càng được sử dụng nhiều trong các ứng dụng có điện áp cao và hiệu suất cao Ưu điểm chính của nó: Công suất của các bộ nghịch lưu nguồn áp ngày càng tăng cao và điện áp đặt lên mỗi linh kiện thì giảm,

so với các bộ nghich lưu cùng tần số đóng cắt, các thành phần sóng hài bậc cao của điện áp ra nhỏ hơn so với trường hợp bộ nghịch lưu hai mức

Bảng 1.6 Bảng so sánh cấu hình của các loại biến tần đa mức

10N-13 N=3,4

15(N-1)/2 N=5,7,9 Cấu hình mạch nghịch lưu NPC và FLC cần dùng tụ điện lớn hoặc giải thuật điều khiển phù hợp để duy trì cân bằng điện áp trên các tụ Cấu hình này chỉ dùng một nguồn DC duy nhất, do đó thích hợp cho trường hợp nguồn DC được tạo nhờ

bộ chỉnh lưu từ hệ thống điện AC của lưới Cấu hình cascade gồm nhiều cell cầu ghép nối tiếp Mỗi cell cầu này lại sử dụng một nguồn DC riêng biệt, các nguồn DC đòi hỏi phải cách ly hoàn toàn Do đó cấu hình cascade thích hợp cho các trường hợp có các nguồn DC có sẵn như acquy, battery, pin năng lượng mặt trời Các tụ điện trong cấu hình NPC và FLC được sử dụng như các nguồn DC độc lập và cần

thiết phải duy trì ổn định điện áp trên tụ Nếu ta thay thế các tụ điện bằng các nguồn

DC độc lập có sẵn như pin, acquy thì điện áp các nguồn này tương đối ổn định không phụ thuộc vào giải thuật điều khiển, khi đó mạch sẽ làm việc ổn định hơn Khi đó số lượng nguồn DC dùng trong cấu hình NPC sẽ ít hơn so với cầu hình cascade nếu cùng số mức Tuy nhiên trong trường hợp này nếu các nguồn DC có điện áp không bằng nhau (đối với cấu hình NPC) hoặc không phải là bội của nhau (đối với cấu hình FLC), nếu vẫn áp dụng phương pháp điều khiển thông thường thì đặc tính điều khiển sẽ phi tuyến và xuất hiện các sóng hài bậc nhất ở đầu ra là giảm chất lượng điện áp và dòng điện cấp cho tải Do đó cần một giải thuật phù hợp khi

sử dụng các nguồn DC không cân bằng

1.3 Kết luận chung

Chương 1 đã nêu tìm hiểu tổng quát về cấu trúc của biến tần, nêu ra ưu nhược điểm của từng loại Biến tần gián tiếp là loại biến tần phổ biến nhất đang được sử dụng hiện nay, thành phần quan trọng nhất trong bộ biến tần gián tiếp là bộ nghịch lưu, thông thường nghịch lưu sử dụng ở dải công suất thấp thường là nghịch lưu hai mức, tuy nhiên ở dải công suất cao người ta thường sử dụng nghịch lưu đa mức Phần 1.2 đã phân tích ba loại cấu trúc nghịch lưu cơ bản thường được sử dụng là nghịch lưu đa mức có diode kẹp NPC, nghịch lưu đa mức dạng tụ bay FLC –VSC

và nghịch lưu đa mức cầu H Ưu nhược điểm của từng loại được đưa ra sau khi đã phân tích nguyên lý hoạt động của từng loại Trong luận văn này chúng ta sẽ nghiên cứu nghịch lưu đa mức cầu H kiều nối tầng để điều khiển tốc độ động cơ không

đồng bộ ba pha vì những ưu điểm nổi bật đã được đưa ra ở phần trên

Chương 2 CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHẾ CHO NGHỊCH LƯU ĐA

MỨC KIỂU CẦU H NỐI TẦNG 2.1 Phương pháp điều chế độ rộng xung PWM cho nghịch lưu đa mức kiểu

cầu H nối tầng

Có nhiều phương pháp điều chế độ rộng xung để điều khiển nghịch lưu đa mức cầu H bằng cách sử dụng nhiều sóng mang Các phương pháp này có thể được phân chia thành 3 nhóm chính sau:

 PWM kiểu dịch pha (phase shifted - PS),

 PWM kiểu dịch mức (level shifted - LS),

 PWM kiểu lai giữa dịch pha và dịch mức

2.1.1 Phương pháp điều chế dịch pha sóng mang

Nói chung, nghịch lưu đa mức với m mức điện áp sẽ yêu cầu (m-1) sóng mang Trong phương pháp điều chế này, tất cả các sóng mang dạng tam giác có cùng tần

số và biên độ đỉnh nhọn, nhưng có sự lệch pha giữa 2 sóng mang bất kỳ kề nhau với

03601

cr m

Sóng điều chế luôn là sóng dạng hình sin 3 pha với biên độ và tần số có thể điều chỉnh được Tín hiệu các cổng được tạo ra bằng cách so sánh sóng điều khiển và các sóng hình tam giác Ta xét quá trình điều chế đối với bộ nghịch lưu CHB 7 mức ở hình 2.1 Hình 2.2 chỉ ra nguyên lí của điều chế dịch pha cho nghịch lưu CHB 7 mức, trong đó 6 sóng mang hình tam giác với độ lệch pha 600 giữa 2 sóng bất kì cạnh nhau Ta xét đối với pha A còn các pha còn lại hoàn toàn tương tự

Hình 2.1 Cấu trúc nghịch lưu cầu H 7 mức ứng với pha A

Hình 2.2 Phương pháp PWM kiểu dịch pha cho biến tần 7 mức (mf = 3,

ma = 0.8, fm = 60Hz, fcr =180Hz) [9]

Các sóng mang vcr1, vcr2, vcr3 được dùng để tạo ra tín hiệu đóng mở cổng cho các van S11, S12, S13 tương ứng của nhánh bên trái các cell cầu H1, H2, H3 3 sóng tam giác còn lại vcr1-, vcr2-, vcr3- lệch 1800 pha tương ứng so với vcr1, vcr2, vcr3, tạo tín hiệu đóng mở cổng cho các van S31, S32, S33

Giản đồ PWM được nói đến ở trên thực chất là phương pháp điều chế đơn cực Tín hiệu cho các van S11, S31 ở H1 được tạo ra bằng cách so sánh vcr1 và vcr1- với

vma Điện áp ra vH1 biến đổi giữa 0 và E trong nửa chu kì dương và 0; -E trong nửa chu kì âm của tần số cơ bản Chỉ số của tần số điều chế là mf = fcr/ fm = 3 và chỉ số biên độ là ma = Vma/Vcr = 0.8

Điện áp ra VAN = VH1+VH2+VH3 Rõ ràng dạng điện áp pha ra sẽ được tạo bởi 7 mức điện áp: +3E, 2E, E, 0, -E, -2E, -3E

Tần số chuyển mạch thiết bị fsw, dev = fcr = fm *mf = 600Hz Sóng điện áp vAN tạo bởi 7 mức điện áp với giá trị đỉnh nhọn bằng 3E Khi các IGBT ở các cầu H khác nhau không chuyển mạch đồng thời thì độ dài của bước điện áp thay đổi lúc chuyển mạch chỉ là E Điện áp dây VAB có 13 mức điện áp với biên độ là 6E

Sóng hài trong VH1 cũng như VH2, VH3 xuất hiện với dải trung tâm xung quanh giá trị 2mf và các bội số của nó như 4mf và 6mf Điện áp pha VAN không bao gồm bất kì sóng hài nào ở dải nhỏ hơn 4mf, dẫn tới sự giảm bớt đáng kể THD Giá trị THD với vAN chỉ là 18,8% so với 53,9% của vH1 Và những dải sóng hài trên không xuất hiện trong dạng điện áp dây vAB và dẫn tới sự giảm nhiều hơn giá trị THD là 15,6%

Nhận thấy tần số chuyển mạch nghịch lưu fsw, inv = 6mf * fm = 6fsw, dev Đó là một đặc trưng mong muốn của biến tần đa mức khi mà giá trị cao của fsw, inv làm cho nhiều sóng hài của vAB bị giới hạn hơn, trong khi giá trị thấp của fsw, dev giảm bớt tổn thất chuyển mạch van Nói chung, tần số chuyển mạch biến tần sử dụng phương pháp điều chế dịch pha sẽ liên hệ với tần số chuyển mạch thiết bị