Thiết lập mối tương quan giữa kỹ thuật điều chế sóng mang CBPWM và kỹ thuật điều chế vector không gian cho bộ nghịch lưu bốn khóa

Thái Nguyên Chuyên ngành : Thiết bị – Mạng – Nhà máy điện Khoá Năm trúng tuyển :2005 1- TÊN ĐỀ TÀI: THIẾT LẬP MỐI TƯƠNG QUAN GIỮA KỸ THUẬT ĐIỀU CHẾ SÓNG MANG CPWM VÀ KỸ THUẬT ĐIỀU CHẾ V

CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH CÁN BỘ HƯỚNG DẪN KHOA HỌC : TS PHAN QUỐC DŨNG

CÁN BỘ CHẤM NHẬN XÉT 1 :

CÁN BỘ CHẤM NHẬN XÉT 2 :

- Các trang tiếp theo: Toàn bộ nội dung luận văn (thực hiện theo đề cương đã bảo vệ)

- Các trang tiếp theo: Tài liệu tham khảo (xếp theo thứ tự A,B,C… )

Tp HCM, ngày 05 tháng 07 năm 2007

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ và tên học viên: PHẠM THÚY NGỌC Giới tính : Nữ

Ngày, tháng, năm sinh : 20.10.1976 Nơi sinh : TP Thái Nguyên

Chuyên ngành : Thiết bị – Mạng – Nhà máy điện

Khoá (Năm trúng tuyển) :2005

1- TÊN ĐỀ TÀI:

THIẾT LẬP MỐI TƯƠNG QUAN GIỮA KỸ THUẬT ĐIỀU CHẾ SÓNG MANG CPWM VÀ KỸ THUẬT ĐIỀU CHẾ VECTOR KHÔNG GIAN SVPWM CHO BỘ

NGHỊCH LƯU BỐN KHOÁ 2- NHIỆM VỤ LUẬN VĂN:

• Nghiên cứu phương pháp điều khiển bộ nghịch lưu 4 khoá dùng kỹ thuật điều chế véc tơ không gian và kỹ thuật sóng mang

• Thiết lập mối tương quan giữa thuật điều chế sóng mang CBWM và kỹ thuật điều chế vector không gian SVPWM trong bộ nghịch lưu bốn khóa

• Khảo sát các dạng sóng điện áp, dòng điện, độ méo dạng điện áp ở ngõ

ra của bộ nghịch lưu áp bốn khóa bằng phần mềm mô phỏng Matlab

3- NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : 05 2007

4- NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ : 05 07 2007

5- HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: TS PHAN QUỐC DŨNG

Nội dung và đề cương Luận văn thạc sĩ đã được Hội Đồng Chuyên Ngành thông qua

(Họ tên và chữ ký)

thành luận văn này

Tôi xin chân thành cảm ơn sự giúp đỡ của Trường Đại Học Bách Khoa thành phố Hồ Chí Minh, Phòng Đào Tạo Sau Đại Học, Đã hỗ trợ và tạo điều kiện thuận lợi cho tôi trong qúa trình học tập cũng như trong qúa trình thực hiện luận văn tốt nghiệp

Tôi xin chân thành cảm ơn Ban Chủ Nhiệm Khoa Điện, các Thầy Cô đã tận tình giảng dạy trong hai năm học qua Xin cảm ơn các bạn học viên khóa

2005, Những người đã luôn sát cánh bên tôi trong suốt thời gian học tập tại trường

Xin cảm ơn Trường Đại Học Công Nghiệp Thành Phố HCM, BCN khoa Điện trường ĐHCN đã giúp đỡ, động viên và tạo điều kiện để tôi hoàn thành luận văn này

Tôi xin cảm ơn Bố Mẹ và gia đình cùng những người thân đã động viên giúp đỡ tôi trong suốt khoá học cũng như trong thời gian tôi thực hiện luận văn, Cảm ơn người bạn đời, bạn đồng hành của tôi, đã động viên và tạo mọi điều kiện để tôi có thể hoàn thành tốt luận văn này

TP Hồ Chí Minh, ngày …….tháng ……….Năm 2007

cơ không đồng bộ ba pha được sử dụng rộng rãi cho các ứng dụng hệ truyền động trong công nghiệp Các bộ biến tần truyền thống có những nhược điểm cơ bản như giá thành tương đối cao, hệ số công suất nguồn không điều khiển được, tổn hao trên linh kiện lớn, độ dốc điện áp lớn, giá trị Common Mode lớn, dòng nguồn bị méo dạng so với sin nên làm nhiễu lưới nguồn, phải sử dụng bộ lọc nguồn để đảm bảo chất lượng điện năng, … Do đó, mục tiêu đặt ra là nghiên cứu về bộ biến tần giá thành thấp, chất lượng và hiệu suất cao, xuất phát từ thực tiễn trên, luận văn đi sâu vào nghiên cứu phương pháp điều khiển bộ nghịch lưu bốn khóa sử dụng kỹ thuật điều chế độ rộng xung sóng mang và kỹ thuật điều chế vector không gian, thiết lập mối tương quan giữa hai phương pháp điều khiển trên, bao hàm sự phân tích các mối quan hệ phức tạp như Mối quan hệ giữa tín hiệu điều chế và vector không gian, giữa tín hiệu điều chế và các sector vector không gian, mối quan hệ giữa thời gian lấy mẫu đóng cắt của điều chế vector không gian và điều chế sóng mang… Tất cả các mối quanhệ này đều là cơ sở cho sự thiết lập tương quan, biến đổi hai chiều giữa bộ điều chế vector không gian và điều chế sóng mang nhằm đạt được sự điều khiển linh hoạt bộ biến tần tiết kiệm với khả năng triển khai điều khiển thực dễ dàng nhất và tối ưu theo các tiêu chí định trước Đây là vấn đề khoa học thời sự và mới mẻ Nó có ý nghĩa quan trọng đối với việc phát triển lý thuyết cũng như thực tiễn điều khiển PWM của các thiết bị điện tử công suất hiện đại, đáp ứng được yêu cầu về chất lượng điều khiển và giá thành

Chương I: Giới thiệu tổng quan về bộ nghịch lưu áp bốn khóa, cấu hình và các phương pháp điều khiển bộ nghịch lưu bốn khóa

Chương II: Nghiên cứu kỹ thuật điều khiển bộ nghịch lưu áp bốn khóa dùng kỹ thuật điều chế sóng mang truyền thống, sử dụng phần mềm mô phỏng matlab để khảo sát phương háp điều khiển này Từ kết qủa mô phỏng, đánh giá, nhận xét về tổn hao, độ méo dạng điện áp, dòng điện ở ngõ ra và các hệ số phẩm chất khác

Chương III Nghiên cứu kỹ thuật điều khiển bộ nghịch lưu áp bốn khóa dùng kỹ thuật điều chế vector không gian, sử dụng phần mềm mô phỏng matlab để khảo sát phương pháp điều khiển này Từ kết qủa mô phỏng, đánh giá, nhận xét về tổn hao, độ méo dạng điện áp, dòng điện ở ngõ ra và các hệ số phẩm chất khác Cơ sở chọn lựa thuật toán điều khiển tối ưu

Chương IV: Thiết lập mối tương quan giữa kỹ thuật điều chế sóng mang CBPWM và kỹ thuật điều chế vector không gian (SVPWM ) nhằm đạt được sự điều khiển linh hoạt bộ biến tần tiết kiệm với khả năng điều khiển thực dễ dàng nhất và tối ưu theo các tiêu chí định trước

Chương V: Kết luận

CHƯƠNG I

TỔNG QUAN VỀ BỘ NGHỊCH LƯU ÁP BA PHA TIẾT KIỆM

1.1 TỔNG QUAN

1.1.1 Bộ nghịch lưu

1.1.2 Bộ nghịch lưu áp

1.2 BỘ NGHỊCH LƯU TIẾT KIỆM

1.2.1 Đặc điểm tổng quan của bộ nghịch lưu ba pha bốn khóa ( FSTPI )

1.2.2 Lịch sử phát triển của nghịch lưu áp ba pha giá thành thấp

1.3 CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN BỘ NGHỊCH LƯU ÁP GIÁ THÀNH THẤP

1.3.1 Phương pháp điều chế sóng mang – CBPWM

1.3.2 Phương pháp điều chế vector không gian – SVPWM

1.3.2 Phương pháp điều khiển SHE PWM

1.4 CÁC CẤU HÌNH CỦA BỘ BIẾN TẦN GIÁ THÀNH THẤP

1.4.1 Giới thiệu chung

1.4.2 Cấu hình biến tần tiết kiệm với ngõ vào 3 pha và ngõ ra cấp nguồn

cho động cơ 3 pha 1.4.3 Cấu hình bộ biến tần có cấu hình rút gọn (2 IGBT ở khâu chỉnh lưu

và 4 IGBT ở khâu nghịch lưu)

CHƯƠNG II

KỸ THUẬT ĐIỀU CHẾ SÓNG MANG

TỔNG QUAN

2 1 CƠ SỞ PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHẾ SÓNG MANG

2.1.2 Mối quan hệ giữa biên độ điện áp ngõ ra và hệ số ma

2.2 XÂY DỰNG MÔ PHỎNG PHƯƠNG PHÁP CBPWM TRONG MATLAB

2.2.1 Sơ đồ bộ nghịch lưu và phương pháp điều rộng sóng mang

2.2.2 Sơ đồ mô phỏng trong Simulink

2.2.3 Khảo sát kết qủa của các qúa trình mô phỏng

CHƯƠNG III

KỸ THUẬT ĐIỀU CHẾ VECTOR KHÔNG GIAN

TỔNG QUAN

3.1 CƠ SỞ PHƯƠNG PHÁP SVPWM

3.1.1 Khái niệm vector không gian

3.1.2 Kỹ thuật điều chế vector không gian

3.2 GIẢI THUẬT ANALOG THỰC HIỆN ĐIỀU CHẾ VECTOR KHÔNG GIAN 3.2.1 Cơ sở giải thuật

3.2.2 Xác định thời gian đóng ngắt cho các công tắc

3.3 XÂY DỰNG SƠ ĐỒ MÔ PHỎNG PHƯƠNG PHÁP SVPWM TRONG MATLAB 3.3.1 Xây dựng sơ đồ mô phỏng phương pháp svpwm trong matlab

3.3.2 Kết qủa mô phỏng

CHƯƠNG IV

MỐI TƯƠNG QUAN GIỮA PHƯƠNG PHÁP CBPWM-SVPWM

TỔNG QUAN

4.1.1 Phương pháp điều chế độ rộng xung sóng mang CBPWM

4.1.2 Phương pháp điều chế vector không gian SVPWM

4.1.2 Thiết lập mối tương quan giữa CBPWM-SVPWM

4.2 XÂY DỰNG MÔ HÌNH MÔ PHỎNG MỐI TƯƠNG QUAN GIỮA PHƯƠNG

PHÁP CBPWM- SVPWM

4.2.1 Xây dựng mô hình mô phỏng mối tương quan giữa CBPWM- SVPWM

4.2.2 Kết qủa mô phỏng

4.2.3 Nhận xét

CHƯƠNG V KẾT LUẬN

TỔNG QUAN VỀ BỘ NGHỊCH LƯU ÁP BA PHA

Bộ nghịch lưu thường có hai dạng: Bộ nghịch lưu áp ( đại lượng điều khiển ở ngõ ra là điện áp ), và bộ Bộ nghịch lưu dòng ( đại lượng điều khiển ở ngõ ra là dòng điện )

1.1.2 Bộ nghịch lưu áp

Bộ nghịch lưu áp cung cấp và điều khiển điện áp xoay chiều ở ngõ ra Bộ nghịch lưu áp ba pha truyền thống có cấu trúc như Hình 1.1a

Nguồn điện áp một chiều có thể là Pin, Ắc qui ( Hình 1.1a,b ) hoặc ở dạng phức tạp gồm bộ chỉnh lưu và lọc phẳng Linh kiện trong bộ nghịch lưu thường sử dụng các công tắc bán dẫn, Trong các bộ nghịch lưu công suất vừa và nhỏ, có thể sử dụng BJT, MOSFET, IGBT và ở phạm vi công suất lớn có thể sử dụng GTO, IGCT hoặc SCR kết hợp với bộ chuyển mạch

Bộ nghịch lưu áp có dạng một pha hoặc ba pha Quá trình chuyển mạch của bộ nghịch lưu áp thường là quá trình chuyển đổi cưỡng bức Trong trường hợp đặc

biệt, bộ nghịch lưu làm việc không có quá trình chuyển mạch hoặc với quá trình chuyển mạch phụ thuộc bên ngoài.Từ đó ta có hai trường hợp bộ biến tần với quá trình chuyển mạch độc lập và quá trình chuyển mạch phụ thuộc bên ngoài

Trên thực tế, bộ nghịch lưu có vai trò rất quan trọng trong bộ biến tần Bằng cách nghiên cứu phát triển bộ nghịch lưu chúng ta có thể có nhiều bộ biến tần tối ưu hơn Như bộ biến tần tiết kiệm sử dụng bộ nghịch lưu áp ba pha bốn khóa hay bộ nghịch lưu áp đa bậc ( Multi-level Voltage Source Inverter ) thường được sử dụng vì những ưu điểm vượt trội của nó

Khi đề cập đến bộ nghịch lưu áp ba pha hai bậc, ngoài cách tiếp cận truyền thống đối với bộ nghịch lưu áp hai bậc ( Hình 1.1a ) đó là bộ nghịch lưu áp ba pha sáu khóa trong luận văn này sẽ đi sâu vào nghiên cứu, tìm hiểu cấu hình, nguyên lý họat động và các phương pháp điều khiển bộ nghịch lưu áp tiết kiệm ba pha bốn khóa ( Hình 1.1b )

Hình 1.1 a Bộ nghịch lưu áp ba pha truyền thống

b Bộ nghịch lưu áp ba pha bốn khóa

Dựa trên nguyên lý điều chế đối với bộ nghịch lưu ba pha truyền thống (Hình 1.2)

Hình 1.2 Bộ nghịch lưu áp ba pha bốn khóa

ta xây dựng giải thuật điều chế đối với bộ nghịch lưu áp tiết kiệm Từ sơ đồ của bộ nghịch lưu ba pha sáu khóa, ta phân tích điện áp pha Uan, điện áp tâm nguồn U0n

ao bo co aN

bo co a bN

co bo ao cN

bo bN

bo ao cN

Ta có : q1 + q3 = q2 + q4 = 1

Với qui tắc kích đóng đối nghịch, điện áp uaN , ub N , uc N lần lượt có giá trị +

udc/2 nếu công tắc lẻ được kích đóng, có giá trị - udc/2 nếu công tắc chẵn được kích đóng

1.2.1 Đặc điểm tổng quan của bộ nghịch lưu ba pha bốn khóa ( FSTPI )

Hiện nay, các bộ biến tần điều khiển vận tốc động cơ không đồng bộ ba pha

cấp nguồn từ lưới xoay chiều một pha được sử dụng khá rộng rãi cho các ứng dụng

hệ truyền động trong nông nghiệp, công nghiệp, máy quạt, máy bơm, máy điều hòa

không khí…

Các bộ biến tần truyền thống có những nhược điểm cơ bản như giá thành tương đối cao, hệ số công suất nguồn không điều khiển được, dòng nguồn bị méo dạng so với sin nên làm nhiễu lưới nguồn, phải sử dụng bộ lọc nguồn để đảm bảo chất lượng điện năng, không có khả năng trao đổi công suất theo hai chiều Do đó, mục tiêu đặt ra cho các nghiên cứu về bộ biến tần nhằm đạt được hiệu suất cao, giá thành hạ và chất lượng cao

Bộ nghịch lưu áp ba pha bốn khóa được đưa ra với mục đích giảm giá thành của bộ biến tần, tuy nhiên bên cạnh ưu điểm giá thành cạnh tranh hơn, bộ biến tần tiết kiệm cũng còn tồn tại một số nhược điểm nhất định, đó là việc điều khiển mở rộng quá điều chế chưa thực hiện được, giải pháp cân bằng điện áp tụ giải quyết chưa triệt để, kỹ thuật điều chế độ rộng xung véc tơ không gian chưa phải là tối ưu và đòi hỏi lập trình phức tạp những nhược điểm này đang dần được nghiên cứu và khắc phục, để đưa bộ biến tần này ứng dụng rộng rãi trong thực tế

1.2.2 Lịch sử phát triển của nghịch lưu áp ba pha bốn khóa

Các nghiên cứu gần đây về lãnh vực biến tần tiết kiệm ở ngoài nước từ năm

- 1984-2005 được tóm tắt bằng những điểm chính như sau :

- 1984 : Van Der Broeck H.W., Van Wyk J.D đề xuất cấu hình bộ nghịch lưu ba pha tiết kiệm ( 4 khóa thay vì 6 khóa) và khả năng điều khiển tốc độ động cơ ba pha [1]

- 1993 : Enjeti P N et al đã đưa ra các cấu hình bộ biến tần có cấu hình rút gọn (2 IGBT ở khâu chỉnh lưu và 4 IGBT ở khâu nghịch lưu) để chuyển đổi năng lượng từ 1 pha sang 3 pha [2,3] với các tính năng về giá thành hạ và điều khiển nâng cao hệ số công suất nguồn Phương pháp điều khiển là loại bỏ sóng hài bậc cao theo yêu cầu bằng cách tính toán ngoại tuyến và tra bảng còn nhiều hạn chế Phương pháp điều khiển véctơ và kỹ thuật sóng mang chưa được đề cập

- 1995 : Jacobina C.B et al đưa ra giải thuật điều khiển vô hướng và điều khiển véc tơ cho bộ nghịch lưu tiết kiệm (4 khóa) [4], 1996 – nhóm này đề xuất cấu hình biến tần tiết kiệm với ngõ vào 3 pha và ngõ ra cấp nguồn cho động cơ

3 pha [5] Cũng trong năm này, Covic G A et al đề xuất phương pháp điều chế PWM véctơ không gian dạng bất đối xứng cho bộ biến tần cấu trúc tiết kiệm [6] Covic G A cũng đã đưa ra phương pháp bù sự mất cân bằng điện áp nguồn DC bằng kỹ thuật SVPWM năm 1997-1999 [7, 9, 10]

- 1997 : Darwin T.W Liang cũng đã đề xuất phương pháp SVPWM kế thừa các công trình của nhóm Jacobina nhưng tiếp cận theo cách phân tích từ thông stator [8]

- 1999 : nhóm nghiên cứu Jacobina tiếp tục hoàn thiện phương pháp điều chế PWM véc tơ không gian của mình bằng cách tổng hợp các phương pháp SVPWM sử dụng các tổ hợp 3 véc tơ không gian trong số 4 véc tơ [11]

2005 : nhóm Jacobina đề xuất bộ biến tần tiết kiệm cấp nguồn cho động cơ

tích Fourier cho bộ nghịch lưu tiết kiệm [13,14]

1.3 CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN BỘ NGHỊCH LƯU ÁP TIẾT KIỆM

Giới thiệu

Các phương pháp điều khiển áp dụng cho bộ nghịch lưu áp hai bậc như

phương pháp điều chế độ rộng xung và các dạng cải biến của nó, phương pháp điều

khiển vector, phương pháp khử sóng hài tối ưu, các phương pháp điều khiển dòng

điện,… Đều có thể được điều chỉnh để áp dụng cho bộ nghịch lưu áp ba pha tiết

kiệm Trong các phương pháp điều khiển, các thuật toán cố gắng thực hiện duy trì

trạng thái cân bằng các nguồn điện áp DC và khử bỏ hiện tượng common – mode

voltage, nguyên nhân gây ra một số hiện tượng làm sớm lão hoá động cơ tiết kiệm

ba pha Dưới này là ba phương pháp điều chế cơ bản

1.3.1 Phương pháp điều chế sóng mang – CBPWM ( Carrier-Base Pulse Wide

Modulation ):

Phương pháp điều chế sóng mang được trình bày chi tiết trong chương II

1.3.2 Phương pháp điều chế vector không gian – SVPWM ( SpaceVector Pulse

Wide Modulation ) :

Phương pháp điều chế Vector không gian được trình bày chi tiết trong chương III

Pulse Wide Modulation )

Kỹ thuật SHE PWM có vai trò quan trọng trong các bộ biến đổi công suất do

có công suất tổn hao đóng ngắt thấp

Hiẹân nay có rất nhiều phương pháp điều khiển SHE cho các bộ nghich lưu áp :

Nhược điểm tồn tại gây ra bởi việc tính toán hệ phương trình lượng giác để

xác định các thời điểm chuyển mạch linh kiện rất phức tạp Do đó, các giải thuật

điều khiển SHE PWM được thực hiện phần lớn dùng kỹ thuật nạp các dữ liệu đã tính toán off-line vào mạch ROM Phương án này tiêu tốn nhiều bộ nhớ và không linh

động trong xử lý theo thời gian thực Bên cạnh những nhược điểm còn tồn tại, kỹ

thuật triệt tiêu chọn lọc sóng hài (SHEPWM) cho thấy một khả năng điều khiển tối

ưu thiết bị công suất lớn với tổn hao thấp

1.4 CÁC CẤU HÌNH CỦA BỘ BIẾN TẦN TIẾT KIỆM

Như ta đã biết, bộ nghịch lưu áp tạo thành một bộ phận quan trọng trong bộ biến tần, Ứng dụng quan trọng và tương đối rộng rãi của chúng thuộc lĩnh vực truyền động động cơ xoay chiều với độ chính xác cao Chính vì vậy khi giới thiệu trong mục này sẽ giới thiệu các cấu hình cơ bản của bộ biến tần tiết kiệm

Bộ biến tần điều khiển động cơ không đồng bộ ba pha giá thành thấp” (gọi tắt là bộ biến tần tiết kiệm) bằng cách sử dụng cấu hình dạng tiết kiệm số lượng khóa công suất ở khâu nghịch lưu, khâu chỉnh lưu có thể chuyển sang cấu hình chỉnh lưu điều rộng xung để điều khiển nâng cao hệ số công suất nguồn và đảm bảo dòng nguồn dạng sin

1.4.1 Giới thiệu chung

tần số này thành điện áp hoặc dòng điện có tần số khác ở đầu ra Với chức năng đó, biến tần thường được sử dụng để điều khiển tốc độ của động cơ xoay chiều theo phương pháp điều khiển theo tần số, theo đó tần số nguồn sẽ thay đổ thành tần số biến thiên phụ thuộc vào yêu cầu của tải Dưới đây sẽ giới thiệu bộ biến tần ba pha truyền thống

Hình 1.3 Cấu hình biến tần ba pha truyền thống với ngõ vào3 pha và ngõ ra

cấp nguồn cho động cơ 3 pha

1.4.2 Cấu hình biến tần tiết kiệm với ngõ vào 3 pha và ngõ ra cấp nguồn cho

động cơ 3 pha

Cấu hình biến tần điều khiển động cơ không đồng bộ ba pha giá thành thấp (Hình 1.4 ) (gọi tắt là bộ biến tần tiết kiệm) được đưa ra từ cấu hình bộ biến tần truyền thống với sự thay thế hai khoá điều khiển ở một pha bằng cách đó, tiết kiệm số khóa này và ngõ ra pha này được lấy trực tiếp từ tâm nguồn DC Sử dụng cấu hình dạng tiết kiệm số lượng khóa công suất ở khâu nghịch lưu, khâu chỉnh lưu có

thể chuyển sang cấu hình chỉnh lưu điều rộng xung để điều khiển nâng cao hệ số công suất nguồn và đảm bảo dòng nguồn dạng sin

Tham số đầu ra của biến tần tiết kiệm có thể được thay đổi bởi điện áp điều khiển hoặc dòng điều khiển u13 = u01 – u03

Khi đó, điện áp trên một pha được lấy trực tiếp từ tâm nguồn DC, điện áp này phụ thuộc vào điều kiện làm việc của các khóa q1 và q2 trong qúatrình điều chế Để tạo ra điện áp ba pha đối xứng ở ngõ ra, điện áp v12 phải thay đổi +π/3 hoặc -π/3 tùy theo thứ tự pha Ta cũng có thể dễ dàng nhận thấy rằng, điện áp dây

u12 có ba mức thay đổi: + Ud / 2 ,0 và -Ud/ 2, trong khi đó điện áp u13 và u23 chỉ có hai mức thay đổi: +ud /2 và -ud /2 Tuy nhiên,nguyên tắc cơ bản bù điện áp đầu

ra tương tự như ở bộ nghịch lưu ba pha truyền thống

Hình 1.3 Cấu hình biến tần ba pha hai bậc tiết kiệm với ngõ vào 3 pha và ngõ ra

3 pha cấp nguồn cho động cơ 3 pha

Trong qúa trình điều chế bộ biến tần ba pha bốn khóa không tồn tại vector thứ tự không, bốn vec tor chuẩn được chỉ ra trên hình vẽ, và được định nghĩa:

Hình 1.6 Biểu diễn 4 vector chuẩn trên hệ tọa độ phức

1.4.3 Cấu hình bộ biến tần có cấu hình rút gọn (2 IGBT ở khâu chỉnh lưu và 4 IGBT ở khâu nghịch lưu) để chuyển đổi năng lượng từ 1 pha sang 3 pha

Bộ biến tần ba pha tiết kiệm cấu hình rút gọn (2 IGBT ở khâu chỉnh lưu và 4

IGBT ở khâu nghịch lưu) để chuyển đổi năng lượng từ 1 pha sang 3 pha

Được trình bày trên Hình 1.7

Hình 1.7 Cấu hình biến tần tiết kiệm với ngõ vào1 pha và ngõ ra cấp nguồn

cho động cơ 3 pha

KỸ THUẬT ĐIỀU CHẾ SÓNG MANG

TỔNG QUAN

Kỹ thuật điều chế sóng mang (CBPWM - Carrer-Base Pulser Wide Modulation ) là một trong những kỹ thuật điều chế chủ đạo của kỹ thuật PWM, Nó đang ngày càng được quan tâm nghiên cứu và phát triển Với những lý thuyết mới được công bố đã mở ra những khả năng thuận lợi cho việc điều khiển các hệ thống bán dẫn phức tạp, và có khả năng kỹ thuật điều chế sóng mang sẽ trở thành kỹ thuật chủ đạo của các bộ nghịch lưu và chỉnh lưu công suất trong tương lai

Trong chương II, sẽ đi sâu vào nghiên cứu kỹ thuật điều khiển bộ nghịch lưu áp tiết kiệm dùng kỹ thuật điều chế sóng mang truyền thống, sử dụng phần mềm mô phỏng chuyên dùng để khảo sát các dạng tín hiệu ở ngõ ra của phương pháp điều khiển này

2.1 CƠ SỞ PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHẾ SÓNG MANG

2.1.1 Nguyên lý hoạt động của Bộ PWM sóng mang

Về nguyên lý của phương pháp điều chế sóng mang thực hiện dựa vào kỹ thuật analog Giản đồ kích đóng công tắc cho bộ nghịch lưu trên hình Hình 2-1 dựa

trên cơ sở so sánh hai tín hiệu

• Sóng mang up ( Carrier signal ) tần số cao

• Sóng điều khiển ur ( Reference signal)

Hình 2.1 Sơ đồ bộ nghịch lưu áp ba pha tiết kiệm

Sóng mang có thể ở dạng tam giác, răng cưa Tần số sóng mang thường rất lớn so với tần số sóng điều khiển Tần số sóng mang càng cao, lượng sóng hài bị khử càng nhiều Tuy nhiên, tần số đóng cắt cao làm cho tổn hao phát sinh do qúa trình đóng cắt các công tắc tăng theo Ngoài ra, các linh kiện đòi hỏi thời gian đóng ton và

thời gian cắt toff nhất định Các yếu tố này hạn chế việc chọn tần số sóng mang

Sóng điều khiển thường mang thông tin về độ lớn trị hiệu dụng và tần số

sóng hài cơ bản của điện áp ngõ ra Trong trường hợp bộ nghịch lưu áp ba pha

truyền thống, ba sóng điều khiển của ba pha phải được tạo lệch nhau về pha 1/3 chu kỳ của nó Còn trong trường hợp bộ nghịch lưu áp ba pha tiết kiệm, chúng ta chỉ

điều khiển bốn khóa tương ứng với hai tín hiệu điều khiển, lệch nhau một góc π /3 Để đơn giản ta có sơ đồ khối điều khiển như hình vẽ sau:

Các công tắc được kích đóng theo nguyên tắc kích đóng đối nghịch, Ta có thể chọn công tắc lẻ được kích đóng khi sóng điều khiển nhỏ hơn sóng mang, trường hợp ngược lại, công tắc chẵn được kích đóng

Hình 2.2 Các dạng sóng mang

a Dạng sóng răng cưa b Dạng sóng tam giác

H 2-3 Sóng điều khiển ur, Sóng mang up và Xung kích G Trong trường hợp bộ nghịch lưu áp ba pha bốn khóa, hai sóng điều khiển được tính theo cách tính dưới đây:

Điện áp pha trên tải được phụ thuộc vào trang thái đóng cắt của các khoá 1-2, và được thiết lập :

Hình 2.4 Sơ đồ bộ nghịch lưu điều khiển bằng phương pháp CBPWM

Điện áp Pha – tâm nguồn theo ( 5 ) [2]

H ình 2.5 Sóng điều khiển 2 pha ur1, ur2 và Sóng mang up

Nguyên lý hoạt động của bộ PWM sóng mang có thể được thể hiện một cách trực quan bằng dạng sóng của các tín hiệu điện áp, dòng điện như sau:

Hình 2.6 Các dạng sóng bộ PWM

Điện áp dây Uab Dòng điện Ia, Ib, Ic

Điện áp pha Uao

V (t)

= (2.8)

2.1.2 Mối quan hệ giữa biên độ điện áp ngõ ra và hệ số m:

Xét trong vùng điều khiển tuyến tính: ma ≤ 1

Khi giá trị ma ≤ 1, biên độ tín hiệu điều chế nhỏ hơn hoặc bằng biên độ sóng mang, Khi đó biên độ hài cơ bản điện áp ra tăng tuyến tính theo biến ma Trong qúa trình

khảo sát một chu kỳ sóng mang, do tần số sóng mang rất lớn so với tần số sóng điều khiển, có thể coi biên độ sóng điều khiển không thay đổi trong chu kỳ

u aN : Điện áp ngõ ra pha A

u , u*a *b : Điện áp điều khiển

2.2.1 Sơ đồ bộ nghịch lưu và phương pháp điều rộng sóng mang

Từ nguyên lý của phương pháp điều chế sóng mang, ta xây dựng được sơ đồ mô phỏng phương pháp CBPWM trong Matlab Hệ khảo sát gồm bộ nghịch lưu

ba pha bốn khóa được cung cấp bởi nguồn DC có giá trị 200V, Ngõ ra của bộ nghịch lưu là tải ba pha cân bằng có giá trị: R = 2Ω, L = 4.e-3H

Tần số sóng mang được chọn la từ 2.4 - 6 kHz, Sóng mang có dạng tam giác

Hình 2-7 Phương pháp CB PWM sóng mang

2.3.2 Sơ đồ mô phỏng trong Simulink

Từ sơ đồ bộ nghịch lưu trên, ta xây dựng sơ đồ mạch mô phỏng của phương pháp điều khiển sóng mang như sau:

Sơ đồ gồm các khối:

Hình 2.8 Sơ đồ mô phỏng bộ nghịch lưu áp ba pha bốn khóa

1 Khối tạo xung: PULSE Là nguồn tạo xung kích cho bộ nghịch lưu áp trên

cơ sở CBPWM

2 Udc : Nguồn DC cung cấp cho bộ nghịch lưu

3 VSI: Bộ nghich lưu áp ba pha bốn khóa

4 Tải : LOAD Chọn tải ba pha cân bằng có giá trị: R = 2Ω, L = 4.e-3H

VaN: Đo điện áp pha

Ia,b,c : Đo dòng điện pha a,b,c

Fourier : Bộ phận phân tích Fourier điện áp ngõ ra

Các bước thực hiện:

Ta sẽ lần lượt đi xây dựng từng thành phần:

1 Khối tạo xung: PULSE

Bộ tạo xung so sánh giữa tín hiệu điều khiển và tín hiệu sóng mang để tạo xung đóng cắt cho bộ nghịch lưu Bộ tạo xung gồn có hai hệ thống con ( Sybsystem ), hệ thống tạo tín hiệu sóng mang và hệ thống tạo tín hiệu sóng điều khiển

Hình 2.9 Khâu tạo xung CBPWM

Hệ thống tạo sóng mang (Carrier): Khâu tạo sóng mang với tần số

thay đổi tùy theo thông số yêu cầu Khảo sát với sóng mang là hàm tam giác có biên độ thay đổi từ -1 tới 1 tần số sóng mang từ 2.4 - 6 kHz

Khâu tạo tín hiệu điều khiển: Tín hiệu điều khiển mang thông tin về độ

lớn trị hiệu dụng và tần số sóng hài cơ bản của điện áp ngõ ra, ở đây khác với bộ nghịch lưu áp ba pha truyền thống, cũng được tính toán xuất phát từ dạng sóng hài

cơ bản yêu cầu của điện áp ngõ ra nhưng được biến đổi để phù hợp với yêu cầu điều khiển của bộ nghịch lưu tiết kiệm Ở đây tín hiệu điều khiển dưới dạng hàm cos với biên độ có thể thay đổi được

2 V dc : Nguồn DC cung cấp cho bộ nghịch lưu

Nguồn DC cung cấp nguồn một chiều cho bộ nghịch lưu được thiết lập với thông số Udc/ 2 = 100v:

Hình2.10 Thông số nguồn DC

Bộ nghich lưu áp ba pha bốn khóa gồm 4 GTO mắc đối song với 4 Diode, các

công tắc trên cùng một pha được điều khiển theo qui tắc kích đóng đối nghịch:

q 1 + q 2 = q 3 + q 4 = 1

Tín hiệu điều khiển từ bộ tạo xung (Pulse ) được đưa đến cổng điều khiển của

bộ nghịch lưu ( Cổng G ), qua bộ giải nén ( Demux ) tín hiệu điều khiển được tạo thành hai xung kích cho các van bán dẫn 1,3 Đồng thời qua bộ đảo xung (

NOT ) cung cấp xung kích cho các van 2,4

a Sơ đồ mô phỏng của bộ nghịch lưu áp:

Hình 2.11 Bộ nghịch lưu áp ba pha bốn khóa

b Chọn thông số của các công tắc GTO và thông số của Diode :

Hình 2.12 Chọn thông số các khóa bán dẵn q

Hình 2.12 Thông số của các khóa bán dẫn

Hình 2.12 Thông số của các công tắc q

Hình 2.13 Thông số của các Diode

4 Tải : LOAD Chọn tải ba pha cân bằng có giá trị: R = 2Ω, L = 4.e-3H

Hình 2.14 Thông số của tải R-L

2.2.3 Khảo sát kết qủa của các qúa trình mô phỏng

2.2.3.1 Khảo sát các tín hiệu dòng và áp với sự thay đổi của tỉ số biên độ m a

Mục đích: Để quan sát, kiểm tra các dạng sóng điện áp pha, điện áp dây, dạng sóng dòng điện ba pha,, thành phần bậc nhất điện áp ngõ ra

Ta tiến hành mô phỏng hai trường hợp với cùng giá trị tần số sóng mang f =2.4KHz

a Trường hợp 1: Kết qủa mô phỏng thu được với ma = 1

Hìn h 2 15 Các dạng sóng thu được trong trường hợp khảo sát với ma = 1

Dòng điện Ia, Ib, Ic

Điện áp dây Ubc

Điện áp dây Uca

Điện áp dây UaN

b Kết qủa mô phỏng với m a = 0.5

Hình 2 16 Các dạng sóng thu được trong trường hợp khảo sát với ma = 0.5

Dòng điện Ia, Ib, Ic

Điện áp dây Uab