chương trình cân bằng điện áp tụ dc link

<span class="text_page_counter">Trang 1</span><div class="page_container" data-page="1">

<b>TRƯỜNG ĐẠ</b>I H<b>ỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH </b>

<b>KHOA ĐIỆN - ĐIỆN TỬ </b>

</div><span class="text_page_counter">Trang 2</span><div class="page_container" data-page="2">

3. Giới thiệu về biến tần 3 cấp độ ... 4

4. Ảnh hưởng của trạng thái chuyển đổi đến sự sai đổi điểm trung tính điện áp ... 7

5. Mơ hình tốn của biến tần 3 cấp độ ... 8

6. Chương trình cân bằng điện áp tụ DC-LINK ... 10

7. Kết quả và bàn luận ... 14

8. Phần kết luận ... 17

</div><span class="text_page_counter">Trang 3</span><div class="page_container" data-page="3">

<b>DANH MỤC HÌNH ẢNH SỬ DỤNG </b>

Hình 1. Cấu trúc liên kết biến t n kầ ẹp điểm trung tính ba c p ... 4ấ Hình 2. Sơ đồvectơ khơng gian hiển thị trạng thái chuyển đổi. ... 6 Hình 3. Vị trí vectơ cho SVPWM trong khu vực A. ... 6 Hình 4. Ảnh hưởng của trạng thái chuyển mạch đến độ ệch điện áp điể l m trung tính. ... 8 Hình 5. Mơ hình hệ thống bi n t n 3 c p và t ... 9ế ầ ấ ải. Hình 6. Bố trí dạng xung cho SVPWM bảy đoạn thông thường trong vùng A1. ... 11 Hình 7. Sự s p x p d ng xung cắ ế ạ ủa SVPWM đã được sửa đổi trong khu vực A. ... 12 Hình 8. Trình tự c a các kủ ết hợp chuyển đổi khác nhau. ... 12 Hình 9. Đáp ứng Sự thay đổi điện áp của tụ điện, điện áp pha và dòng pha khi bật điều khi n cân b ng liên k t DC vòng h . ... 15ể ằ ế ở Hình 10. Sự thay đổi điện áp c a tủ ụ điện, điện áp pha và dòng pha khi tắt điều khi n cân ể b ng liên k t DC vịng h . ... 15ằ ế ở Hình 11. Sự thay đổi điện áp c a t ủ ụ điện, điện áp pha và dòng điện pha khi điều khi n cân ể b ng liên k t DC vòng h ằ ế ở và vòng kín được b ... 16ật. Hình 12. Sự thay đổi điện áp c a tủ ụ điện, điện áp đường dây và dòng pha khi điều khi n ể cân bằng liên kết DC vòng h ở và vịng đóng được bật hoặ ắt. ... 16c t

</div><span class="text_page_counter">Trang 4</span><div class="page_container" data-page="4">

3

<b>1. Phần Abtract </b>

Sơ đồ cân bằng điện áp DC link cho biến tần ba cấp được sẽ được bài báo này mô tả. -Sự phụ thuộc của độ lệch điện áp của tụ DC link vào dòng điện DC link và biến tần trạng - -thái chuyển mạch được thiết lập cho biến tần ba cấp được đề xuất. Sắp xếp lại mơ hình xung cho vectơ không gian (SVPWM) sử dụng mức độ tự do có sẵn trong việc lựa chọn không gian dư thừa vectoc, sắp xếp các vectơ và phân chia chu kỳ nhiệm vụ của vector được khai thác tốt nhất. Độ lệch điện áp điểm trung tính điều khiển trong sơ đồ vịng kín đơn giản và tiến tiến là đề xuất trong bài báo này. Hiệu quả của phương án đề xuất là được xác nhận bằng mơ phỏng máy tính.

<b>2. Phần Introduction </b>

Biến tần đã nhận được nhiều sự chú ý cho điện áp trung thế và cao áp thế hệ tiếp theo các ứng dụng năng lượng. Biến tần kẹp diode ba cấp cũng được gọi là biến tần kẹp điểm trung tính (NPC) là phổ biến nhất thuận lợi trong số các cấu hình đa cấp khác nhau được tìm hiểu trong phần nội dung. Bộ biến tần NPC ba cấp được sử dụng trong trường hợp này giấy. Các vấn đề do mất cân bằng điện áp điểm trung tính và các vấn đề liên quan các phương pháp kiểm soát cân bằng khác nhau sẽ được thảo luận chi tiết. Sự mất cân bằng liên kết DC có thể gây quá tải cho tụ điện và các thiết bị trong quá trình tăng tải tái tạo đột ngột và nó có thể cũng gây phiền tối do q điện áp hoặc ngắt điện áp. Tích cực bộ chuyển đổi ngoại vi với điều khiển phối hợp từ đầu lưới và đầu tải cho điều khiển cân bằng liên kết DC được trình bày trong bài báo.

Trong bài báo này, ta phân tích tác động của sự mất cân bằng điện áp của tụ điện trong điều kiện chuyển động và ổn định. Trong trường hợp tồi tệ nhất của mất cân bằng, một tụ điện được nạp hoàn toàn với điện áp DC link đầy đủ, dẫn đến căng thẳng gấp đôi cho tụ -điện và các thiết bị chuyển mạch, làm giảm sóng ra đầu ra xuống hai cấp độ thay vì ba cấp độ bình thường. Tác động của điện áp chuỗi khơng trung bình lên biến đổi điểm trung tâm và sự phụ thuộc của mất cân bằng điện áp DC link vào các thông số hệ thống như dịng tải, -hệ số cơng suất tải, giá trị điện dung của tụ điện và chỉ số điều chế đã được phân tích một

</div><span class="text_page_counter">Trang 5</span><div class="page_container" data-page="5">

cách chi tiết cho biến tần NPC ba cấp độ. Các kế hoạch cân bằng điểm trung tâm, cho biến tần ba cấp độ trung tâm bị kẹt, dựa trên việc sử dụng hiệu quả các trạng thái chuyển đổi dư thừa của các vector điện áp biến tần. Các trạng thái chuyển đổi dư thừa được sử dụng xen kẽ sao cho mất cân bằng điểm trung tâm do kết hợp trạng thái chuyển đổi đầu tiên gây ra được đền bù bằng trạng thái khác; do đó, đưa tổng mất cân bằng trong một chu kỳ chuyển đổi về không. Nghiên cứu chi tiết về biến tần NPC, vector không gian, thời gian lưu trú và sắp xếp mẫu xung với phân chia khu vực giữa để cân bằng điểm trung tâm và lược bỏ các sóng bậc chẵn được đề cập. Điều khiển điểm trung tâm điện áp được đạt bằng cách sử dụng cực tính dịng pha và phân phối các vector điện áp dư thừa. Một chiến lược điều khiển được đề xuất để duy trì dịng trung bình được vẽ từ điểm trung tâm đến tối thiểu. Điều khiển hysteresis cho điều khiển biến đổi DC link và loại bỏ điện áp chế độ thông thường trong -động cơ -động cơ xoắn cuối mở được cung cấp từ hai biến tần ba cấp độ từ hai bên được nghiên cứu. SVPWM cân bằng điểm trung tâm dựa trên ANN được thảo luận cho biến tần NPC. Mơ hình tốn học và điều khiển điểm trung tâm với cân bằng điện tích được đề xuất cho biến tần nguồn điện bốn cấp độ.

<b>3. Giới thiệu về biến tần 3 cấp độ </b>

Hình 1. Cấu trúc liên kết biến tần kẹp điểm trung tính ba cấp

Ở hình 1 cho thấy được 1 sơ đồ mạch đơn giản của NPC phổ biến. Biến tần chân 'a' bao gồm bốn công tắc IGBT S1 đến S4 với bốn điốt phản song song D1 đến D4. Về phía DC

</div><span class="text_page_counter">Trang 6</span><div class="page_container" data-page="6">

5 của biến tần, tụ điện bus DC được chia thành hai, cung cấp một trung tính điểm 'n'. Khi chân S2 và S3 được mở, ngõ ra của biến tần được kết nối với điểm trung hòa qua một điốt kẹp Dn1 và Dn2. Lý tưởng nhất là điện áp trên mỗi tụ điện DC là Vdc/2, bằng một nửa tổng điện áp DC Link Vdc. Với giá trị hữu hạn của C1 và- C2, tụ điện có thể được tích điện hoặc phóng điện bởi dịng điện trung tính i2, gây ra sai lệch điện áp điểm trung tính. Vấn đề quan trọng về mất cân bằng điện áp giữa tụ trên và tụ dưới trong bộ biến tần NPC ba cấp sẽ được thảo luận thêm.

Như đã được chỉ ra trước đó, điện áp điểm trung tâm V11 thay đổi theo điều kiện hoạt động của biến tần NPC. Nếu điện áp điểm trung tâm sai khác quá xa, sẽ xảy ra phân phối điện áp khơng đều, có thể dẫn đến hỏng sớm của các thiết bị chuyển mạch và gây tăng cường sóng cảo của điện áp đầu ra của biến tần.

Tình trạng hoạt động của các cơng tắc trong biến tần NPC có thể được đại diện bằng các trạng thái chuyển đổi được hiển thị trong Bảng 1. Trạng thái chuyển đổi 'P' cho biết rằng hai công tắc trên cùng trong chân 'a' đang bật và điện áp cực đại của biến tần Va, lý tưởng là +Vdc/2, trong khi 'N' chỉ ra rằng hai công tắc dưới cùng đang dẫn, dẫn đến Va = -Vdc/2. Trạng thái chuyển đổi '0' cho biết rằng hai công tắc trong bên trong S2 và S3 đang bật và Va được kẹp ở mức không thông qua các đoạn điốt kẹp. Tùy thuộc vào hướng của dòng tải ia, một trong hai đoạn điốt kẹp được bật. Ví dụ, dịng tải dương (ia > 0) buộc Dn1 bật, và terminal 'a' được kết nối với điểm trung tâm 'n' thông qua sự dẫn của Dn1 và S2. Các công tắc SI và S3 hoạt động theo cách bù trừ tương tự như công tắc S2 và S4.

Như đã chỉ ra trước đó, hoạt động của mỗi pha biến tần có thể được biểu diễn bằng ba trạng thái chuyển đổi P, 0 và N. Xem xét tất cả ba pha, biến tần có tổng cộng 27 kết hợp có thể của các trạng thái chuyển đổi. Hình 2 hiển thị sơ đồ vector không gian của tổng cộng 27 trạng thái chuyển đổi tương ứng với 19 vector điện áp cho biến tần NPC ba cấp độ. Hình 3 cho thấy vị trí vector trong một khu vực A. Dựa trên độ lớn, các vector điện áp có thể được chia thành bốn nhóm: vector khơng (1o), vector nhỏ (us), vector trung bình (uM) và vector lớn (iL). Tất cả các vector khơng đều có độ lớn bằng khơng, các vector nhỏ có độ lớn là VdJ/3, các vector trung bình có độ lớn là Vd,N13 và các vector lớn có độ lớn là

</div><span class="text_page_counter">Trang 7</span><div class="page_container" data-page="7">

2Vd,/3. Mỗi vector nhỏ có hai trạng thái chuyển đổi, một trạng thái chứa P và một trạng thái chứa N, và do đó có thể được phân loại thành vector loại P hoặc vector loại N.

Hình 2. Sơ đồ vectơ khơng gian hiển thị trạng thái chuyển đổi.

Hình 3. Vị trí vectơ cho SVPWM trong khu vực A.

</div><span class="text_page_counter">Trang 8</span><div class="page_container" data-page="8">

7

<b>4. Ảnh hưởng của trạng thái chuyển đổi đến sự sai đổi điểm trung tính điện áp </b>

Tác động của trạng thái chuyển đổi lên độ lệch điện áp điểm trung tâm được minh họa trong hình 4. Khi biến tần hoạt động với trạng thái chuyển đổi [PPP] của vector không đo uo, hai công tắc trên cùng trong mỗi chân của ba chân biến tần được bật, kết nối các terminal a, b và c của biến tần với bus DC dương như hình 4(a) hiển thị. Vì điểm trung tâm 'n' khơng được kết nối, trạng thái chuyển đổi này không ảnh hưởng đến V11. Tương tự, các trạng thái chuyển đổi không đo khác [000] và [NNN] cũng không làm V11 thay đổi. Hình 4(b) thể hiện hoạt động của biến tần với trạng thái chuyển đổi loại P [POO] của vector nhỏ usp. Vì dịng tải ba pha được kết nối giữa bus DC dương và điểm trung tâm 'n', dòng điện trung tâm in1 chảy qua 'n', làm tăng V11. Ngược lại, trạng thái chuyển đổi loại N [ONN] của vector nhỏ uS1n làm giảm V11 như hình 4(c) thể hiện. Đối với vector trung bình M với trạng thái chuyển đổi [PON] trong hình 4(d), các terminal tải a, b và c được kết nối với bus dương, điểm trung tâm và bus âm lần lượt. Tùy thuộc vào điều kiện hoạt động của biến tần, điện áp điểm trung tâm V11 có thể tăng hoặc giảm. Xem xét một vector lớn IL với trạng thái chuyển đổi [PNN] như hình 4(e), các terminal tải được kết nối giữa bus DC dương và âm. Điểm trung tâm 'n' không được kết nối và do đó điện áp điểm trung tâm khơng bị ảnh hưởng.

Tóm lại, có thể rút ra rằng các vector không và các vector lớn không ảnh hưởng đến điện áp điểm trung tâm. Các vector trung bình ảnh hưởng đến V11, nhưng hướng lệch điện áp khơng xác định, vì vậy các vector nhỏ dư thừa có ảnh hưởng chủ đạo đối với V11 được sử dụng để điều khiển điện áp điểm trung tâm. Thảo luận trên được thực hiện dưới giả định rằng biến tần đang ở chế độ động cơ. Ngoài tác động của trạng thái chuyển đổi, điện áp điểm trung tâm cũng có thể bị ảnh hưởng bởi một số yếu tố khác như tụ điện DC không cân bằng do sai số trong q trình sản xuất, tính khơng đồng nhất trong đặc tính của thiết bị chuyển đổi, hoạt động ba pha không cân bằng, chế độ hoạt động động cơ/điều hòa vận hành, v.v. So với chế độ động cơ, trong chế độ tái sinh xảy ra một hành động sạc/xả điện áp tụ ngược lại do đổi dịng.

</div><span class="text_page_counter">Trang 9</span><div class="page_container" data-page="9">

Hình 4. Ảnh hưởng của trạng thái chuyển mạch đến độ lệch điện áp điểm trung tính.

<b>5. Mơ hình tốn của biến tần 3 cấp độ </b>

Các thuật ngữ trong bài báo này được giải thích dựa trên hình 5, trong đó cấu trúc bus DC và từng pha biến tần được mô hình hóa như một cơng tắc 3 cực. Các chức năng chuyển đổi của biến tần Sa, Sb và Sc, giả định có giá trị bằng 1, 2 hoặc 3, có nghĩa rằng cực của cơng tắc được kết nối với bus DC dưới cùng, giữa hoặc trên cùng tương ứng. Dòng tải được ký hiệu là ia, ib và ic, trong khi các dòng được biến tần lấy từ đáy, giữa và đỉnh của bus DC được ký hiệu là i1, i2 và i3 tương ứng.

</div><span class="text_page_counter">Trang 10</span><div class="page_container" data-page="10">

9 Hình 5. Mơ hình hệ thống biến tần 3 cấp và tải.

Nói chung, điện áp cực của biến tần đối với bus DC âm có thể được viết dưới dạng các điện áp tụ và các chức năng chuyển đổi như sau:

Trong (1), δ(.) là hàm delta Dirac, vci và vc2 là điện áp qua các tụ dưới và tụ trên. Các dòng được rút từ các nút bus DC có thể được biểu diễn dưới dạng các dịng động cơ như được thể hiện trong (2).

</div><span class="text_page_counter">Trang 11</span><div class="page_container" data-page="11">

Như vậy, dòng điện chạy qua tụ điện có liên hệ trực tiếp với điện áp trên tụ và mối quan hệ được cho bởi:

Do đó, dịng tải được rút từ nút giữa của bus DC là nguyên nhân gây biến đổi trong điện áp tụ. Khi các chức năng chuyển đổi Sa, Sb và Sc có giá trị bằng 2, tồn tại khả năng mất cân bằng điện áp tụ.

<b>6. Chương trình cân bằng điện áp tụ DC-LINK </b>

Các sơ đồ điều chế vectơ không gian (SVM) khác nhau đã được đề xuất cho bộ biến tần NPC ba cấp bằng cách sử dụng sơ đồ vòng hở hoặc sơ đồ vịng kín

</div><span class="text_page_counter">Trang 12</span><div class="page_container" data-page="12">

11 ❖ Sơ đồ tự cân bằng điện áp tụ điện vịng hở:

Phần này đề xuất một chương trình SVM được sửa đổi để ổn định điểm trung tâm tốt hơn. Để giảm độ lệch điện áp điểm trung tâm, thời gian ở mức ổn định của một vector nhỏ cụ thể có thể được phân phối đều giữa các trạng thái chuyển đổi loại P và N trong một chu kỳ lấy mẫu. Đối với việc lựa chọn ba vector gần nhất (NTV) SVM, một trong một vector nhỏ hoặc hai vector nhỏ trong số ba vector được chọn có sẵn tùy theo các khu vực tam giác mà vector tham chiếu Vref nằm trong đó. Khi vector tham chiếu Vref nằm trong vùng 2 hoặc 4, chỉ có một vector nhỏ trong NTV, trong khi ở vùng 1 hoặc 3 có hai vector nhỏ trong NTV như được hiển thị trong hình 3. Trong SVM thơng thường, mẫu xung bảy đoạn được chọn cho tất cả các khu vực. Sắp xếp mẫu xung của nó cho khu vực Al được hiển thị trong hình 6. SVM bảy đoạn chia thời gian lưu trú chỉ của một vector nhỏ trong chế độ P và N ra khỏi hai khung con nhỏ có sẵn trong vùng 1 và 3. Do đó, độ lệch điểm trung tâm khơng được tối thiểu hóa trong những vùng này. Để giảm độ lệch điện áp điểm trung tâm tùy theo vị trí của khu vực, sắp xếp mẫu xung tối ưu được đề xuất ở đây. Các chuỗi xung tiêu cực được sắp xếp theo mẫu xung đã được sửa đổi cho các vùng Al, A2, A3 và A4 của khu vực A được hiển thị trong hình 7. Ở đây, hai vector nhỏ được sử dụng để kiểm soát điện áp điểm trung tâm cho các vùng 1 và 3. Như được hiển thị trong hình 8, các mẫu xung chuỗi tiêu cực (NEG_SEQ) được sắp xếp theo thứ tự ngược đối xứng hoàn toàn so với mẫu xung chuỗi tích cực (POS_SEQ) và ngược lại. Chuỗi chuyển đổi trong các khu vực đối diện (A-D, B-E và C-F) được lựa chọn để có tính chất bù trừ cho cân bằng điểm trung tâm.

Hình 6. Bố trí dạng xung cho SVPWM bảy đoạn thơng thường trong vùng A1.

</div><span class="text_page_counter">Trang 13</span><div class="page_container" data-page="13">

Hình 7. Sự sắp xếp dạng xung của SVPWM đã được sửa đổi trong khu vực A.

Hình 8. Trình tự của các kết hợp chuyển đổi khác nhau.

Số lần chuyển đổi trên mỗi pha trong chu kỳ lấy mẫu Ts cho SVM được sửa đổi là một ở vùng 2 hoặc 4, hai ở vùng 1 và một hoặc hai ở vùng 3. Trong SVM thông thường như

</div><span class="text_page_counter">Trang 14</span><div class="page_container" data-page="14">

13 được hiển thị trong hình 6, cần hai lần chuyển đổi trên mỗi pha trong chu kỳ lấy mẫu Ts. Ở đây, Ts là tổng thời gian lưu trú của NTV trong một chuỗi.

❖ Sơ đồ cân bằng điện áp tụ điện vịng kín tuyến tính:

Ln tồn tại một vector điện áp nhỏ trong mỗi chuỗi chuyển đổi, thời gian ở đó được chia thành các phần con, một cho trạng thái chuyển đổi loại P và một cho trạng thái chuyển đổi loại N của nó. Ví dụ, thời gian ở trạng thái duy trì ds1 cho uslp và Sln cho uSln, thường được chia đều là một nửa/một nửa, có thể được phân phối như sau:

Độ lệch của điện áp điểm trung tính có thể lớn hơn giảm bằng cách điều chỉnh khoảng thời gian tăng dần Tại trong (9) theo điện áp tụ DC được phát hiện v<small>C1</small> và v<small>C2</small>. Đầu vào của sơ đồ cân bằng điện áp là sự khác biệt về điện áp tụ v trong đó,_C v_C =v_C₂ − . Ví dụ, v_C₂ nếu v lớn hơn điện áp DC tối đa cho phép độ lệch AVm vì một số lý do, chúng ta có thể _C tăng dslp và giảm ds1n đồng thời (t t 0)cho biến tần trong một chế độ lái xe. Nên thực hiện hành động ngược lại ( t 0)khi ổ đĩa đang ở chế độ tái tạo. Mối quan hệ giữa điện áp của tụ điện và khoảng thời gian tăng dần t là tóm tắt ở bảng II.

Bảng 2. Mối quan hệ giữa điện áp tụ điện và khoảng thời gian tăng tăng t

</div><span class="text_page_counter">Trang 15</span><div class="page_container" data-page="15">

<b>7. Kết quả và bàn luận </b>

Ở đây, giá trị điện áp DC link là 200 V và tải có thơng số cơng suất 0.9 được sử dụng -trong tất cả các kế hoạch. Hình 9 cho thấy sự biến đổi -trong điện áp tụ DC-link, điện áp pha và dòng pha khi điều khiển cân bằng DC link mở với giá trị chỉ số điều chế là 0.8. -Hình 10 cho thấy sự biến đổi trong điện áp tụ DC link, điện áp pha và dòng pha khi điều -khiển cân bằng DC link mở không hoạt động với giá trị chỉ số điều chế là 0.8. Ngay khi -điện áp DC link trở nên mất cân bằng, chất lượng của -điện áp pha và dòng -điện đầu ra sẽ -giảm đi. Sự biến đổi trong điện áp tụ DC link, điện áp pha và dòng pha khi điều khiển cân -bằng DC link mở và đóng được hiển thị trong hình 11 với giá trị chỉ số điều chế là 0.55. -Giá trị trung bình của điện áp tụ DC link ổn định về một nửa điện áp DC link, do đó chất - -lượng điện áp và dòng điện đầu ra tăng lên ngay cả sau khi mẫu xung không đối xứng nhẹ do thời gian duy trì bất đối xứng nhẹ của các vector loại P và N. Việc kiểm soát của kế hoạch đề xuất hiệu quả hơn ở vùng 1 và 3, nơi hai vector nhỏ được sử dụng cho sắp xếp mẫu xung. Kiểm soát lặp lại tuyến tính tăng tốc q trình kiểm sốt điểm trung tâm và cải thiện giá trị trung bình của điện áp tụ DC link. Độ bền và hiệu quả của cả kiểm soát mở và -kiểm sốt đóng được minh họa trong hình 12 với giá trị chỉ số điều chế là 0.8. Trong hình 12, từ thời gian t= 6.76 đến 13.21 (rad) kiểm soát tiến và kiểm soát phản hồi được tắt, trong phần cịn lại của thời gian, kiểm sốt được bật lên. Ngay khi kiểm soát được thực hiện, sự sai lệch trong điện áp tụ giảm đột ngột. Do đó, kế hoạch cân bằng được đề xuất có khả năng phân phối lại các điện tích cơ bản giữa các tụ DC.

</div>