CHƯƠNG 2 một số PHƯƠNG án THIẾT kế MẠCH lực

Đề xuất phương án Trong nghịch lưu ta có phương pháp PWM Pulse Width Modulation và phương pháp SVM Space Vector Modulation  PWM Pulse Width Modulation + Nghịch lưu PWM đơn cực + Nghịc

CHƯƠNG 2: MỘT SỐ PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ

MẠCH LỰC

2.1 Đề xuất phương án

Trong nghịch lưu ta có phương pháp PWM (Pulse Width Modulation) và

phương pháp SVM (Space Vector Modulation )

 PWM (Pulse Width Modulation)

+ Nghịch lưu PWM đơn cực

+ Nghịch lưu PWM lưỡng cực

 SVM (Space Vector Modulation)

Các phương pháp trên có những ưu điểm và nhược điểm nhất định, để lựa chọn được phương pháp nào thích hợp ta phải tiến hành phân tích ưu nhược điểm của từng loại.

2.1.1.Phương pháp nghịch lưu PWM đơn cực

Hình 2.1 Nguyên lý và các dạng điện áp của PWM đơn cực

Hình 2.2 Sơ đồ nguyên lý nghịch lưu đơn cực

Hình 2.3 Dạng điện áp và dòng điện pha thực tế

Trong phương pháp này các (ta định nghĩa kênh tương đương với một pha) hoạt động độc lập với nhau Quá trình đóng cắt các van bán dẫn được xác định trước do quá trình so sánh điện áp của sóng sin chuẩn và sóng tam giác Điện áp

có biên độ là Ud/2 Điện dây và điện áp có biên độ bằng nhau

Khi điện áp hình vuông đặt lên động cơ thì dòng điện trong động cơ tăng theo hàm số mũ, khi không có điện áp đặt lên động cơ sẽ sảy ra quá trình xả năng lượng của cuôn kháng của động cơ, quá trình xả qua diode về nguồn một chiều Quá trình tăng ta có thể điều khiển được còn quá trình xả tự nhiên không co điều khiển

Hình 2.3 biểu diễn dòng điện và điện áp của một pha động cơ khi cung cấp

áp bằng PWM đơn cực

2.1.2 SVM (Space Vector Modulation)

Phương pháp điều chế vector không gian đang ngày càng được sử dụng rộng rãi Đây là phương pháp biến điệu hoàn toản sử dụng kĩ thuật số, có độ chính xác cao, dễ dàng thực hiện trên các bộ xử lý tín hiệu số DSP, ví dụ như dsPic

a, Cơ bản về vector không gian

Một hệ thống điện áp hay dòng điện 3 pha gồm ba thành phần (uA, uB, uC) hay (iA, iB, iC) có thể được biểu diễn bởi một vector trên mặt phẳng tọa độ 0αβ như sau :

2 u=

3 uA+ auB + a uC

Trong đó : 23 1 3

;

j

π

= = − + ( j là đơn vị số phức ảo j2 = −1 ) và u

được gọi là vector không gian

Giả sử u u u A, ,B C là một hệ thống điện áp ba pha :

( )

2

3 2

3

m

m

m

U c t

U c t

U c t

ω π ω π ω

=

A

B

C

u

u

u

 u=U e m j( )ωt

Như vậy, trên mặt phẳng tọa độ 0αβ, u là một vector có độ dài bằng độ dài

của điện áp pha và quay quanh gốc tọa độ với vận tốc góc bằng ω.

b, Trạng thái của van và các vector biên chuẩn

Đối với hệ sơ đồ NL áp ba pha, điện áp trên tải là hệ thống ba pha đối xứng.

Sử dụng khái niệm trên, ta có thể mô tả hệ thống điện áp bởi vector không gian u ứng với mỗi 1/6 chu kì điện áp ra.

Xét khoảng từ t0 →t1, có ba van dẫn là 1, 6, 2 và điện áp trên các van được

mô tả bởi vector u1 có độ lớn 2E/3 Ứng với u1 ta có :

2 / 3

/ 3

A

B C

=

= = − Tương tự như vậy ta có 6 vector u1,u2 ,u3 ,u4 ,u5 ,u6 mô tả điện áp ba pha đối xứng

Vị trí và giá trị các vector này xác định:

 Giá trị điện áp tức thời trong các van

 Luật đóng mở các van

Trong đó, luật đóng mở van phải đảm bảo:

 Không được ngắn mạch nguồn một chiều đầu vào vì nếu đầu vào bị ngắn mạch sẽ sinh ra dòng lớn, phá hủy van

 Không được hở mạch bất cứ pha nào đầu ra

Để đáp ứng được yêu cầu trên thì chỉ có 8 trạng thái của van, được biểu diễn như bảng:

u1=2 0 3

j Ee

u2=2 3 3

j Ee

π

u3=

2 3 2 3

j Ee

π

u4=2

3

j

Ee− π

u5=

2 3 2 3

j Ee

π

−

u6=2 3 3

j Ee

π

−

Các vector ui với i=1,2…6 được gọi là các vector biên chuẩn, có hướng cố định trong mặt phẳng, lệch nhau một góc 60o Các vector này được biểu diễn trên hệ tọa

độ 0αβ tạo thành một lục giác đều, chia mặt phẳng thành 6 góc bằng nhau, đánh số

từ I cho đến VI (hình 2.4).

Hình2.4: Các sector và vector biên chuẩn

c, Tổng hợp vector điện áp từ các vector biên chuẩn

Độ dài của các vector biên chuẩn được xác định dựa vào giá trị điện áp một chiều đầu vào : u i =2 / 3E =U

Gọi u là vector điện áp ra mong muốn, có độ dài u =U o

Xét khi vector không gian u nằm trong góc phần sáu số I Theo quy tắc hình bình hành, ta có thể tổng hợp u từ hai vector biên u1, u2 :

u = up + ut

trong đó up, ut là hai vector phải và trái, lần lượt nằm dọc theo hai vector biên u1 và

u2

Độ dài vector phải, trái được tính như sau :

2 sin 3 3

2 sin 3

π θ θ

=

p

t

(1)

θ là góc chỉ vị trí tương đối của vector u trong góc phần sáu Bản chất của phép điều chế vector không gian là tạo ra các vector up, ut trong mỗi chu kì tính toán, hay còn gọi là mỗi chu kì cắt mẫu Ts Độ dài các vector này được xác định bởi giá trị trung bình theo thời gian tồn tại của các vector u1, u2 trong mỗi chu kì Ts

Từ (1) & (2) ta có công thức tính toán giá trị thời gian điều chế :

3

Đặt o

i

U q

U

= : hệ số biến điệu Do u chỉ quay giới hạn trong đường tròn nội

tiếp lục giác đều trên nên ta có: 0 1

3

q

≤ ≤ Khi đó biểu thức (3) trở thành :

3

t =T q π θ− ÷ =T q θ

Trong khoảng thời gian còn lại trong chu kì cắt mẫu, T0/7 = − −T s t p t t, ta phải

đặt vector không uo hay u7 ứng với trạng thái điện áp ra bằng 0 Mặt khác, để điện

áp ra ít bị méo thì T0/7 được chia làm đôi và đặt vào đầu và cuối của Ts

d, Thuật toán điều chế vector không gian

Ta có thể tóm tắt thuật toán điều chế vector không gian gồm các bước sau :

 Lượng đặt ra là lượng điện áp ra mong muốn, có thể cho dưới dạng tọa độ cực 0

j

U eθ

u = , hoặc dưới dạng tọa độ vuông góc u =(u uα, β)

 Xác định vector u đang thuộc sector nào trong sau sector

 Lựa chọn hai vector biên chuẩn ứng với sector đó và vector không theo bảng sau để đảm bảo số lần chuyển mạch xảy ra giữa các van là ít nhất :

Sector

0/7

 Tính toán các thời gian sử dụng các vector biên

e, Yêu cầu đối với bộ nghịch lưu nguồn áp 3 pha

Bộ nghịch lưu nguồn áp với tần số ra biến đổi 3 pha phải thỏa mãn những yêu cầu sau:

 Đảm bảo cho dạng dòng điện ra trên tải hình sin

 Tần số ra là không đổi

 An toàn đối với người vận hành cũng như các phần tử của mạch khi gặp sự cố

 Chi phí thiết kế vận hành thấp

1.4 So sánh các phương pháp nghịch lưu

Các phương pháp trên bao gồm hai phương pháp nghịch lưu PWM và phương pháp SVM Cơ bản về cấu trúc mạch động lực của hai phương pháp PWM không có gì khác nhau, mà chỉ khác nhau về nguyên tắc điều khiển chuyển mạch các van bán dẫn Chỉ phương pháp SVM là khác biệt,nhưng những phương pháp trên chứa những ưu điểm và nhược điểm nhất định

1.3.1 Phương pháp PWM đơn cực

 Ưu điểm:

+ Mạch điều khiển đơn giản do không có phần điện áp âm trong thành phần điện áp các pha

+ Số lượng chuyển mạch của transistor ít, do vậy tổn hao chuyển mạch thấp

 Nhược điểm:

+ Điện áp ra có biên độ không cao, biên độ của điện áp điều biến là Ud /2 Khi tải có yêu cầu điện áp lớn hơn Ud /2 thì phương pháp này không đáp ứng được

+ Khi điện áp ra yêu cầu giá trị cận không thì khó có thể đáp ứng được do khả năng chuyển mạch của van bán dẫn

1.3.2 Phương pháp PWM lưỡng cực

 Ưu điểm:

+ Điện áp ra có biên độ lớn, biên độ của điện áp điều biến là Ud

+ Có khả năng điều khiển điện áo nhỏ, do có phần điện áp xung âm trong

thành phần điện áp pha nên có thể điều khiển áp pha về không mà vẫn đảm bảo điều kiện chuyển mạch của van bán dẫn

+ Khả năng đáp úng được yêu cầu cao về ổn định dòng điện cũng như tần số

Do có phần điện áp âm trong điều biến điện áp pha có khả năng khống chế cho dòng điện tốt hơn

 Nhược điểm:

Nhược điểm lớn nhất của nghịch lưu PWM lưỡng cực là sự phức tạp của mạch điều khiển do phải do phải phối hợp đóng cắt các van bán dẫn

2.1.1 Phương pháp điều chế vector không gian SVM:

 Ưu điểm:

+ Khác với phương pháp PWM kinh điển, SVM không dùng các bộ điều chế riêng biệt cho từng pha mà tổng hợp vector u tính chung cho cả ba pha

+Sử dụng các thiết bị điều khiển bởi vi xử lý, phương pháp SVM có thể áp đặt chính xác các vector phải, trái, từ đó tính được tp, tt trong mỗi chu kì cắt mẫu

Ts

+Xung tam giác dùng so sánh có dạng đối xứng nên xung điều khiển cũng đối xứng, giảm được một số thành phần sóng hài bậc cao

+Điện áp dây của đầu ra mạch nghịch lưu lớn nhất bằng E trong khi phương pháp PWM chỉ đạt chưa tới 90% E Ưu điểm này rất có lợi trong thiết kế bộ điều khiển động cơ vì lúc đó dòng điện giảm đi, với cùng một công suất

 Nhược điểm:

Là phương pháp tiên tiến hơn nên phương pháp SVM tối ưu hóa được nhược điểm của phương pháp PWM,nên SVM được ứng dụng rộng hơn

1.3.3 Chọn phương án nghịch lưu

Yêu cầu của bộ nghịch lưu cần thiết kế :

+ Điện áp nguồn nuôi : Ba pha 350 v

+ Tần số điện áp ra: 50Hz

+ Điện áp ra 220V

+ Dòng điện ra 30A

Ta thấy rằng yêu cầu tần số đầu ra là không đổi, Vì vậy ta thiết kế mạch nghịch lưu theo nguyên tắc của nghịch lưu SVM.