Ứng dụng nghịch lưu áp đa mức trong hệ truyền động

Ứng dụng nghịch lưu áp đa mức trong hệ truyền động

ỨNG DỤNG NGHỊCH LƯU ÁP ĐA MỨC TRONG HỆ TRUYỀN ĐỘNG

APPLICATION OF MULTILEVEL INVERTERS TO ELECTRICAL DRIVES

Ngô Văn Quang Bình

Trường Đại học Sư phạm, Đại học Huế

Trường Đại học Bách khoa Hà Nội

Bài báo trình bày k ết quả nghiên c ứu và xây dựng thuật toán cho phương pháp điều

ch ế vectơ không gian cho bộ nghịch lưu áp 3 mức cấu trúc điốt kẹp Trên cơ sở đó xây dựng

c ấu trúc theo phương pháp điều khiển vectơ tựa theo từ thông rotor cho động cơ không đồng

b ộ 3 pha rotor lồng sóc Kết quả nghiên cứu được mô phỏng, kiểm chứng bằng Matlab và Plecs cho th ấy thuật toán của phương pháp điều chế vectơ không gian và cấu trúc điều khiển đã xây dựng đáp ứng được yêu cầu kỹ thuật đề ra

ABSTRACT

The paper presents the research result and the algorithm design of a space vector modulation method for the 3L-NPC (three-level Neutral-Point-Clamped), which is basically studied for designing the field-oriented control of a three-phase induction motor with squirrel-cage rotor (IM) The investigation results verified by simulation using Matlab and Plecs show that the algorithm of space vector modulation method and the design of the control structure have been correctly made to meet technical requirements

1 Đặt vấn đề

Sự tiến bộ gần đây trong việc nâng cao tính năng dòng, áp của các thiết bị chuyển mạch như IGBT, IGCT, GTO đã thúc đẩy việc sử dụng các bộ nghịch lưu nguồn

áp trong lĩnh vực công suất lớn Trong đó bộ nghịch lưu áp đa mức ngày càng được sử

dụng rộng rãi trong các truyền động điện xoay chiều, trong truyền tải điện xoay chiều như bộ bù tĩnh Ưu điểm chính của nó: công suất của bộ nghịch lưu áp tăng lên, điện áp đặt lên các linh kiện giảm xuống nên công suất tổn hao do quá trình đóng cắt của 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 bộ nghịch lưu 2 mức

2 B ộ nghịch lưu áp 3 mức cấu trúc điốt kẹp

Cấu trúc của một bộ nghịch lưu điốt kẹp 3 mức (3L-NPC) như hình 1 Pha A của

bộ nghịch lưu gồm có 4 khóa bán dẫn S1đến S4 và 4 điốt mắc song song ngược D1đến

D4 Điện áp vào một chiều của bộ nghịch lưu thường được chia bởi 2 tụ điện nối tầng

Cd1 và Cd2, để tạo ra điểm trung tính ảo Z Điện áp đặt lên mỗi tụ điện bằng E, thường

bằng một nửa điện áp nguồn một chiều đưa vào Vd Các điốt DZ1, DZ2 nối với điểm trung tính ảo Z gọi là các điốt chốt điểm trung tính Các khóa chuyển mạch S1, S3 và

S2, S4 hoạt động theo nguyên tắc đối nghịch, có nghĩa là khi một khóa đóng thì khóa còn lại sẽ ngắt

Hình 1 B ộ nghịch lưu điốt kẹp 3 mức

3 Phương pháp điều chế cho bộ nghịch lưu áp 3L-NPC

Với bộ nghịch lưu áp 3L-NPC, trên mỗi pha ví dụ pha A điện áp UAZsẽ có ba

trạng thái điện áp khác nhau tương ứng với các trạng thái đóng ngắt của các khóa bán

dẫn Do đó có tất cả 27 trạng thái đóng ngắt của các khóa bán dẫn trên ba pha tương ứng

với 27 vectơ tạo một vectơ không gian điện áp (hình 2) Dựa vào độ lớn, người ta chia các vectơ này thành 4 nhóm:

- Vectơ không V  0

: [PPP], [OOO] và [NNN]

- Vectơ nhỏ V ÷ V  1  6

: mỗi vectơ này có 2 loại vectơ P (chứa trạng thái P) và vectơ

N (chứa trạng thái N)

- Vectơ trung bình V ÷ V  7  12

- Vectơ lớn V ÷ V  13  18

Ý tưởng của phương pháp điều chế vectơ không gian là tạo nên sự dịch chuyển liên tục của vectơ không gian tham chiếu trên quỹ đạo đường tròn của vectơ điện áp bộ nghịch lưu Vectơ tham chiếu V  ref

ở đây chính là vectơ trung bình trong thời gian một chu

kỳ điều chế Tpulse

z

V

của quá trình điều khiển bộ nghịch lưu áp Tuy nhiên đặc điểm của bộ nghịch lưu dạng NPC nói chung và 3 mức nói riêng là sự xuất hiện của các tụ điện tại

phần DC link, trong quá trình tác động của các trạng thái khác nhau sẽ làm xuất hiện điện

áp , là điện áp giữa điểm Z và âm nguồn một chiều Vì vậy khi thiết kế trình tự chuyển

1

V



13

V



7

V



14

V



2

V



8

V



15

V



0

V



9

V



16

V



5

V



4

V



6

V



10

V



17

V



18

V



11

V



12

V



Sector I Sector II

Sector III

Sector IV

Sector V

Sector VI

đến độ lệch điện áp V z (hiện tượng mất cân bằng điện áp trên tụ điện) [3]

Qua quá trình phân tích ta có thể tổng kết ảnh hưởng của các vectơ điện áp đến

điện áp V z như sau:

- Vectơ V  0

không ảnh hưởng đến điện áp V z

- Các vectơ nhỏ V ÷ V  1  6

có ảnh hưởng lớn đến điện áp Vz Trong đó vectơ loại P làm điện áp Vztăng, còn vectơ loại N làm điện áp Vz

- Các vectơ trung bình

giảm

7 12

V ÷ V

có ảnh hưởng đến điện áp Vz

- Các vectơ lớn

nhưng không xác định được hướng tăng hay giảm

13 18

V ÷ V

cũng không ảnh hưởng đến điện áp Vz

Vì vậy để giảm sự mất cân bằng điện áp trên tụ điện, thời gian tác động của các

khóa bán dẫn tương ứng với trạng thái vectơ nhỏ sẽ được phân bố đều giữa hai trạng

thái loại P và loại N trong một chu kỳ điều chế Tùy theo vị trí vectơ trung bình

ref

V



thuộc vị trí tam giác nào, ta có hai trường hợp được khảo sát [3]

- Trường hợp 1: trong ba vectơ cơ bản có một vectơ nhỏ:

Khi vectơ trung bình V  ref

thuộc tam giác thứ hai và thứ tư của vùng I (hình 3a),

chỉ có một trong ba vectơ cơ bản là vectơ nhỏ Trình tự và thời gian tác động của các

khóa bán dẫn tương ứng với trạng thái vectơ V  ref

(hình 3b)

thu ộc tam giác thứ tư của vùng I (I-4)

- Trường hợp 2: trong ba vectơ cơ bản có hai vectơ nhỏ

Khi vectơ điện áp trung bình V  ref

thuộc tam giác thứ nhất và thứ ba của vùng I, hai trong ba vectơ cơ bản là vectơ nhỏ Để giảm hiện tượng mất cân bằng điện áp trên

tụ, người ta chia mỗi tam giác trên thành hai tam giác con Do vectơ trung bình V  ref

gần

với vectơ V  1

hơn vectơ V  2

nên thời gian tác động tương ứng T1 V  1

của lâu hơn thời gian tác động T3 V  2

của Lúc này V  1

được gọi là vectơ nhỏ chủ yếu và thời gian tác động của nó được phân bố đều giữa hai trạng thái V  1P

và V  1N

4 Các kết quả mô phỏng

Kết quả mô phỏng kiểm chứng trên Matlab & Plecs với các thông số của động cơ: fpulse = 4 kHz, Pn = 932,5 kW, Ud = 4160 V, f = 60 Hz, nđm = 1189 vòng/phút,

Zp = 3, F = 0,0025, J = 22, Rs = 0,21 Ω, Rr = 0,146 Ω, Lls = Llr = 0,0052 H, Lm= 0,155

H

- Trường hợp áp dụng phương pháp điều khiển vectơ tựa theo từ thông rotor cho

bộ nghịch lưu áp 3 mức (hình 6) [1], [2], [4]:

a) Với bộ nghịch lưu 2 mức b) Với bộ nghịch lưu 3 mức

a) Với bộ nghịch lưu 2 mức b) Với bộ nghịch lưu 3 mức

Hình 7a Dòng stator trên h ệ tọa độ dq Hình 7b Đặc tính từ thông động cơ

Hình 7c Đặc tính mômen động cơ Hình 7d Đặc tính tốc độ động cơ

5 K ết luận

Từ các kết quả phân tích cho thấy tổng độ méo sóng hài của dòng điện và điện

áp dây của bộ nghịch lưu 3 mức nhỏ hơn rất nhiều so với bộ nghịch lưu 2 mức nhất là trong trường hợp tải động cơ công suất lớn (hình 4, hình 5) Kết quả mô phỏng thể hiện

tổng độ méo sóng hài thấp, chất lượng dòng điện và điện áp ra của bộ nghịch lưu đáp ứng yêu cầu đề ra

Các đặc tính dòng điện, từ thông rotor, tốc độ và mômen của động cơ (hình 7) khi

có sử dụng phương pháp điều khiển vectơ tựa theo từ thông rotor có chất lượng khá tốt cho

thấy triển vọng ứng dụng của bộ nghịch lưu áp đa mức trong các hệ truyền động

[1] Bùi Quốc Khánh, Nguyễn Văn Liễn, Phạm Quốc Hải, Dương Văn Nghi (2006),

Điều chỉnh tự động truyền động điện, NXB Khoa học và kỹ thuật, Hà Nội

TÀI LI ỆU THAM KHẢO

[2] Nguyễn Phùng Quang, Andreas Dittrich (2006), Truyền động điện thông minh,

NXB Khoa học và kỹ thuật, Hà Nội

[3] Bin Wu (2006), High-Power Converters And AC Drives, Wiley-IEEE Press

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7

-10

-5

0

5

10

15

Thoi gian

isq

Khoi dong Dong tai

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0

0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5

Thoi gian

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7

-1.5

-1

-0.5

0

0.5

1

1.5

2

2.5

Thoi gian

Momen tai Momen dien

Khoi dong Dong tai

-20 0 20 40 60 80 100 120 140 160

Thoi gian

Toc do dong co Toc do dat

Khoi dong

Dong tai

[4] Nguyen Phung Quang, Jorg Andreas Dittrich (2008), Vector Control of Three- Phase AC Machines, Springer