Luận văn bộ biến đổi ac dc ac 3 bận

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
CHƯƠNG TRÌNH ĐÀO TẠO KỸ SƯ CHẤT LƯNG CAO VIỆT-PHÁP
KHOA ĐIỆN-ĐIỆN TỬ
o0o



LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

BỘ BIẾN ĐỔI AC-DC-AC
3 BẬC



GVHD : TS. NGUYỄN VĂN NHỜø
SVTH : ĐẶNG TRẦN THÁI
MSSV : P0110008




TP. HỒ CHÍ MINH, 06/2006
- NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN -


- NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN -


LỜI CẢM ƠN




Xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến tất cả các Thầy Cô Trường Đại Học Bách

Khoa Thành Phố Hồ Chí Minh đã tận tình giảng dạy em trong suốt thời gian học
tập và thực hiện luận văn.
Đặc biệt em xin chân thành cảm ơn Thầy, Tiến Só Nguyễn Văn Nhờ. Người
đã tận tình hướng dẫn và giúp đở em trong quá trình thực hiện luận văn.
Xin chân thành cám ơn bạn bè, các đồng nghiệp và những người thân trong
gia đình đã động viên, hỗ trợ em trong suốt khóa học và thời gian làm luận văn
này.


Đặng Trần Thái



LỜI NÓI ĐẦU


Trong nội dung luận văn tốt nghiệp, lý thuyết về bộ nghòch lưu ba bậc và
các phương pháp điều chế được nghiên cứu. Trong đó phương pháp chủ yếu
được áp dụng xuyên suốt luận văn là Space vector modulation. Sử dụng các lý
thuyết về không gian vector để cải thiện chất lượng điều khiển của bộ nghòch
lưu như giảm thiểu điện áp common mode, hay cân bằng áp tụ DC Link trong
mô hình Neutral Point Clamped three level inverter. Đồng thời so sánh với các
phương pháp điều chế khác.
Lý thuyết về bộ chỉnh lưu cũng được đề cập, đề cập các mô hình chỉnh
lưu để cải thiện các chỉ tiêu chất lượng như ổn đònh áp DC đầu ra, giảm độ méo
dạng dòng điện nguồn, tăng đònh mức công suất linh kiện để áp dụng cho các
ứng dụng công suất lớn.
Cuối cùng là nêu một số sản phẩm biến tần thực tế của các tập đoàn lớn
như ABB, Siemens vv

Mục lục


Đề mục Trang

Trang bìa i
Nhiệm vụ luận văn.
Lời cảm ơn ii
Lời nói đầu iii
Mục lục iv

CHƯONG I: GIỚI THIỆU
1. Giới thiệu bộ nghòch lưu 3 bậc 1
2. Cascade multilevel inverter 1
3. Capacitor clamped mutilevel inverter 3
4. Neutral Point clamped multilevel inverter 4
5. Các phương pháp điều khiển bộ nghòch lưu đa bậc 5
a) Phương pháp SinPWM 5
b) Switching frequency optimal PWM method - SFO PWM 9
c) Space vector modulation method (SVM) 11
6. Các vấn đề nghiên cứu trong phạm vi đồ án 16

CHƯƠNG II: BỘ CHỈNH LƯU
1. Giới thiệu 19
2. Bộ chỉnh lưu cầu 3 pha 19
3. Bộ chỉnh lưu 12 xung 24

CHƯƠNG III: VẤN ĐỀ CÂN BẰNG ÁP TỤ
1. Mô tả vấn đề 27
2. Phương pháp Space vector modulation 30

A) Phương pháp không gian vector cổ điển 32
B) Phương pháp vector ảo 45

CHƯƠNG IV: VẤN ĐỀ COMMON MODE VOLTAGE
1. Giới thiệu 56
2. Phương pháp Không gian vector 58
a) Phương pháp triệt bỏ hoàn toàn Common mode voltage 60
b) Phương pháp triệt bỏ một phần Common mode voltage 64

CHƯƠNG V : BỘ BIẾN ĐỔI AC-DC-AC 3 BẬC
1. p dụng phương pháp cân bằng áp tụ bằng vector ảo 70
a) Dùng bộ chỉnh lưu 6 xung 70
b) Dùng chỉnh lưu 12 xung 72
2. Áp dụng phương pháp giảm Common mode voltage 74
a) Dùng bộ chỉnh lưu 6 xung 74
b) Dùng chỉnh lưu 12 xung 76
3. Các sản phẩm thực tế 77
a) Dãy sản phẩm SIMOVERT MV của Siemens 77
b) Dãy sản phẩm Dura Bilt5 MV của Toshiba-GE 79
c) Dãy sản phẩm ACS 6000 của ABB 81

Tài liệu tham khảo 82
Phụ lục 83


Đề tài: Bộ biến đổi AC-DC-AC 3 bậc GVHD: Ts. Nguyễn Văn Nhờ

SVTH: Đặng Trần Thái Trang 1
CHƯƠNG I : GIỚI THIỆU

1. GIỚI THIỆU BỘ NGHỊCH LƯU 3 BẬC
Các bộ điều khiển tốc độ động cơ hiện nay đã áp dụng cho dải rất rộng
các ứng dụng với hiệu suất cao như máy nghiền, bơm, quạt vv Rất nhiều các
ứng dụng này cần sử dụng các động cơ trung áp bởi dòng đònh mức thấp, đặc
biệt là các ứng dụng công suất trung bình và lớn. Với bộ biến tần 2 bậc cổ điển
tuy có rất nhiều sự phát triển và có nhiều ưu điểm như điều khiển đơn giản, kích
cỡ nhỏ gọn chỉ phù hợp với các ứng dụng công suất thấp. Hơn nữa, dạng sóng
điện áp đầu ra bộ nghòch lưu 2 bậc có các thành phần hài bậc cao khá lớn. Để
cải thiện chất lượng dạng sóng đầu ra hơn nữa, bộ nghòch lưu 3 bậc được áp
dụng. Với các ưu điểm nổi bật như giảm đònh mức dv/dt trên từng linh kiện làm
tăng công suất của bộ biến tần, dạng sóng đầu ra được cải thiện rất nhiều. Hiện
nay đây là mô hình phổ biến cho các bộ biến tần công suất lớn điều khiển động
cơ điện không đồng bộ với mức điện áp trung thế (Medium Voltage). Tuy vậy
với bộ nghòch lưu 3 bậc có những vấn đề riêng của nó:
-Sự phức tạp của các giản thuật điều khiển.
-Sự mất cân bằng áp tụ DC-Link trong bộ nghòch lưu dạng diode
kẹp(NPC)
-Vấn đề điện áp Common mode và cách giảm thiểu loại điện áp này.
vv
Khái niệm bộ nghòch lưu đa bậc thể hiện đến sự đa mức điện thế giữa 1
điểm trên pha tải đến 1 điểm chuẩn trên mạch DC-Link (điểm 0)
Hiện nay có một số loại bộ nghòch lưu 3 bậc nói riêng và đa bậc nói
chung như sau:
- Nghòch lưu dạng diode kẹp( Neutral point clamped multilevel inverter –
NPC)
-Nghòch lưu đa bậc dạng Cascade (Cascade multilevel inverter)
-Nghòch lưu đa bậc dạng Flying capacitor
-Một sốâ dạng tổ hợp của các loại trên và không được xem xét trong
phạm vi luận án này.
2. CASCADE MULTILEVEL INVERTER

Cấu hình bộ nghòch lưu đa bậc dạng cascade xuất hiện lần đầu vào năm
1975 ,sử dụng các nguồn DC riêng, gồm nhiều bộ nghòch lưu cầu một pha ghép
nối tiếp
Đề tài: Bộ biến đổi AC-DC-AC 3 bậc GVHD: Ts. Nguyễn Văn Nhờ

SVTH: Đặng Trần Thái Trang 2

Hình 1.1 Bộ nghòch lưu cầu 1 pha
Sử dụng quy tắc kích đối nghòch cho từng cặp S1-S4 và S2-S3. Mỗi một
bộ nghòch lưu áp cầu 1 pha tạo ra điện áp đầu ra 3 mức –U, 0, U. Với sự kết hợp
n bộ nghòch lưu cầu 1 pha trên 1 nhánh tải tạo nên điện áp đầu ra có
- n mức điện áp dương ( U, 2U, nU).
-n mức điện áp âm (-U,-2U, –nU)
-1 mức điện áp 0
Và như thế sẽ tạo ra 2n+1 mức điện áp và tạo ra bộ nghòch lưu 2n+1 bậc

Hình 1.3 Sơ đồ bộ nghòch lưu cascade 5 bậc 1 nhánh tải
và dạng điện áp Pha- Tâm nguồn DC (điểm 0)
Ví dụ một bộ nghòch lưu 5 bậc dạng cascade với 2 bộ nghòch lưu cầu 1 pha mắc
nối tiếp. Như trên hình ta thấy điện áp giữa điểm pha a với điểm 0 có 5 bậc.
Ưu điểm của hệ thống là:
- Dễ dàng thiết kế thành các modul lắp ráp dễ dàng tăng số bậc lên
-Mỗi modul gồm 1 nguồn DC, một tụ lọc và 1 mạch cầu 1 pha H-Bridge
-Đối với hệ thống cung cấp AC, các cầu diode chỉnh lưu đóng vai trò là
mạch cầu đa xung làm giảm méo dạng dòng điện cho nguồn cung cấp.
-Dạng sóng đầu ra có thành phần hài rất thấp mặc cho tần sô đóng ngắt
khoá là thấp.
Đề tài: Bộ biến đổi AC-DC-AC 3 bậc GVHD: Ts. Nguyễn Văn Nhờ

SVTH: Đặng Trần Thái Trang 3

Nhược điểm chính của hệ thống này là khi không sử dụng các nguồn DC độc
lập mà sử dụng các máy biến thế. Ví dụ với một bộ nghòch lưu 5 bậc dạng
cascade sẽ cần tới 1 máy biến áp 1 đầu vào 2 đầu ra. tổng cộng 3 pha sẽ là 6
đầu ra (secondaries). Như vậy sẽ tăng kích thước và giá thành lên rất nhiều
chưa kể tới tổn hao máy biến áp.
3. CAPACITOR CLAMPED MULTILEVEL INVERTER


a) 3 bậc b) 5 bậc
Hình 1.4 Sơ đồ một nhánh tải của mô hình capacitor clamped multilevel inverter

Với sơ đồ 3 bậc, các mức điện áp đạt được như sau:
V
AN
= V
DC
/2 khi s1=s2=1
V
AN
= 0 khi s2=s3=1
V
AN
=-V
DC
/2 khi s3=s4=1
Tụ C1 nạp điện khi cặp (s1,s4) được bật( =1) và xả điện khi s2=s3=1 .
Quá trình nạp xả được cân bằng khi có sự chọn lựa hợp lý các tổ hợp trạng thái
có mức điện áp 0. Sự phân tích ở các bậc cao hơn là khá phức tạp.
Ưu điểm của mô hình này là:

-Sắp xếp đơn giản, kết cấu thành từng khối
-Cân bằng áp tụ dễ dàng hơn
Nhược điểm :
-Giải thuật điều khiển PWM phức tạp
-Có số lượng tụ lớn




Đề tài: Bộ biến đổi AC-DC-AC 3 bậc GVHD: Ts. Nguyễn Văn Nhờ

SVTH: Đặng Trần Thái Trang 4
4. NEUTRAL POINT CLAMPED INVERTER (NPC)


Hình1.5 Mô hình bộ nghòch lưu Diode clamped multilevel inverter

Trên sơ đồ là bộ nghòch lưu NPC 3 bậc. Điện áp trên mỗi tụ bằng ½ điện
áp nguồn DC. Mỗi điểm trên pha a, b, c có thể được nối với các điểm p, o, n
theo các sơ đồ đóng ngắt khác nhau của các khoá bán dẫn.
Các mức điện áp pha a có thể đạt được như sau:

V
out
S1 S2 S3 S4
2
V
DC

1 1 0 0

0 0 1 1 0

-
2
V
DC

0 0 0 1

Theo tính toán các giá trò điện áp đặt lên các diode bên trong sẽ cao hơn
so với các diode khác, nhất là với các mô hình NPC bậc cao hơn, điều này là
một nhược điểm của sơ đồ NPC
Đề tài: Bộ biến đổi AC-DC-AC 3 bậc GVHD: Ts. Nguyễn Văn Nhờ

SVTH: Đặng Trần Thái Trang 5
Do mất đối xứng thời gian nạp xả tụ mà điện áp trên các tụ trở nên mất
cân bằng. Vấn đề này được nghiên cứu kỹ hơn ở chương III.
Các ưu điểm chính của mô hình này là:
-Giảm thành phần sóng hài
-Giảm dv/dt (bằng nửa so với bộ nghòch lưu 2 bậc)
Nhược điểm:
-Mức độ chòu đựng điện áp trên các diode là khác nhau
-Điều khiển PWM phức tạp hơn 2 bậc
-Cần nhiều diode kẹp
-Cần dùng tụ để chia nguồn DC.
-Vấn đề cân bằng áp tụ DC link
5. CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN BỘ NGHỊCH LƯU ĐA BẬC
Có nhiều phương pháp điều khiển được chia thành 2 loại chính như sau:
-Điều khiển đóng ngắt khoá theo với tần số của sóng điều chế. Bao gồm:
+Phương pháp điều rộng

+Phương pháp điều biên six-step áp dụng cho NPC và cascade
multilevel inverter. Cần nguồn DC điều khiển được để thay đổi biên độ
+ Phương pháp điều chế độ rộng xung tối ưu SHE (Selective
harmonics elimination)
-Điều khiển đóng ngắt khoá ở tần số cao
+Điều chế độ rộng xung dựa sóng mang (Carrier based PWM) bao
gồm SinPWM, Modified SinPWM như SFO PWM, vv
+Điều chế không gian vector - Space vector modulation
Trong phạm vi đề tài này chỉ nghiên cứu phương pháp SinPWM, SFO
PWM, để so sánh với phương pháp chính sử dụng trong đề tài là điều chế không
gian vector (SVM)
a). Phương pháp SinPWM
Phương pháp này sử dụng sóng điều chế dạng sin để so sánh với các sóng
mang dạng tam giác tạo giản đồ kích đóng cho linh kiện. Với bộ nghòch lưu m
bậc sẽ sử dụng m-1 sóng mang cùng tần số f
c
, cùng biên độ A
c
. Sóng điều chế
có biên độ A
m
, tần số f
m
Sử dụng sóng mang tần số cao sẽ làm cho các sóng hài tập trung xung
quanh ở các tần số cao f = k.f
c
.Tuy nhiên sẽ phát sinh tổn hao do đóng ngắt tần
số cao của linh kiện.
Sóng điều chế u
rx

(x=a,b,c) mang thông tin biên độ và tần số của hài điện
áp cơ bản đầu ra.
Các dạng sóng mang thường dùng là:
-APOD : 2 sóng mang kề cận liên tiếp nhau sẽ bò dòch đi 180
0
.
Đề tài: Bộ biến đổi AC-DC-AC 3 bậc GVHD: Ts. Nguyễn Văn Nhờ

SVTH: Đặng Trần Thái Trang 6
-POD : Bố trí đối xứng qua trục, các sóng mang nằm trên trục sẽ
cùng pha nhau, ngược lại các sóng mang nằm dưới trục 0 sẽ bò dòch đi 180
0

-PD : Bố trí cùng pha
Trong các phương pháp bố trí sóng mang, dạng PD cho THD của áp dây
nhỏ nhất. Đối với bộ nghòch lưu 3 bậc, APOD và POD cho cùng kết quả dạng
sóng mang


Hình1.6 Sóng mang dạng PD


Hình 1.7 Sóng mang dạng APOD

Với các cách bố trí sóng mang như vậy, xung kích các linh kiện được đảm
bảo theo quy tắc đóng đối nghòch. Sự so sánh giữa sóng điều chế u
ra
và Vcar1
tạo ra giản đồ đóng ngắt cho S1, S3. với Vcar2 cho ra giản đồ đóng ngắt cho S2,
S4.

u
ra
> Vcar1 S1=1 S3=0
u
ra
< Vcar1 S1=0 S3=1

u
ra
> Vcar2 S2=1 S4=0
u
ra
< Vcar2 S2=0 S4=1
Đề tài: Bộ biến đổi AC-DC-AC 3 bậc GVHD: Ts. Nguyễn Văn Nhờ

SVTH: Đặng Trần Thái Trang 7
Từ giản đồ đóng ngắt ta rút ra dạng điện áp pha-tâm nguồn DC của pha a như
sau:

⎪
⎪
⎩
⎪
⎪
⎨
⎧
==−
==
==
=

1S4S3
2
1S3S2 0
12S1
2
U
S
U
u
AO
(1.1)
Chỉ số điều chế m =
U
U
ta
3
)1(
(1.2)
Chỉ số biên độ m
a
=
c
m
A
A

Chỉ số tần số m
f
=
c

m
f
f

Các thông số mô phỏng :
U=500 V f
c
= 2000 Hz f
m
=50 Hz
Tải R=10 L=0.02 Cosφ=0.86 A
m
= 0.8
Sử dụng mô hình NPC 3 bậc để mô phỏng


Hình 1.8 Sóng điều khiển U
ra
và 2 sóng mang PD


Hình 1.9 Điện áp Pha – tâm nguồn DC V
AO


Đề tài: Bộ biến đổi AC-DC-AC 3 bậc GVHD: Ts. Nguyễn Văn Nhờ

SVTH: Đặng Trần Thái Trang 8

Hình 1.10 Điện áp tải pha a

Hình 1.11 Phổ Fourier của áp tải pha a
Qua phân tích phổ fourier của áp tải pha a ta thấy các hài tập trung xung
quanh các tần số là bội của f
c
=2Khz. Và các thành phần này được lọc dễ dàng
qua bộ lọc tần số cao. Độ méo dạng áp dây THD = 0.419 = 41.9 %

PD APOD
Độ gợn áp tụ 16.6 V 15.5
THD 0.419 0.669
Common mode
±
3
DC
V
±
6
DC
V

Bảng 1.1 Thông số khi mô phỏng SinPWM với m=0.68

So sánh THD với dạng sóng mang APOD có THD =0.668 ta thấy dạng
sóng PD cho độ méo dạng áp dây tải là nhỏ nhất. Và ta sẽ sử dụng dạng sóng
PD trong quá trình mô phỏng phương pháp dựa sóng mang khác. Tuy nhiên dạng
sóng mang APOD lại cho kết quả điện áp Common mode nhỏ nhất.
Đề tài: Bộ biến đổi AC-DC-AC 3 bậc GVHD: Ts. Nguyễn Văn Nhờ

SVTH: Đặng Trần Thái Trang 9
Nhược điểm của phương pháp điều chế SinPWM là khả năng điều chế
tuyến tính chỉ đạt đến khi m
a
≤1. Do đó biên độ áp tải cơ bản chỉ đạt đến
2
DC
V

Để mở rộng giá trò này, một số phương pháp sóng mang với tín hiệu điều
chế được biến đổi để tăng khả năng điều chế tuyến tính lên. Đó là các phương
pháp điều chế độ rộng xung cải biên (Modified SinPWM)
b) Switching frequency optimal PWM method - SFO PWM
Với đặc điểm của phương pháp sóng mang là dễ điều khiển và thực hiện,
do vậy thực hiện cải tiến phương pháp sóng mang để nâng cao chất lượng điều
khiển là giải pháp tốt. Đó là việc cộng thêm một hàm offset vào sóng điều chế
dạng sin để đạt được một chỉ tiêu về chất lượng.
Đối với phương pháp SFO PWM, sóng offset là tín hiệu thứ tự không
(sóng hài bội ba). Cách tạo Voffset như sau:
V
offset
=
2
),,(),,(
scsbsascsbsa
VVVMinVVVMax +

U
ra

= V
sa
– V
offset
U
rb
= V
sb
– V
offset
U
rc
= V
sc
– V
offset
(1.3)
Với V
sx (x=a,b,c)
là tín hiệu điều chế sin
Các thông sô mô phỏng tương tự như của phương pháp SinPWM với A
m
= 0.8


Hình 1.12 Tín hiệu V
offset

Hình 1.13 Tín hiệu điều chế pha a U
ra

với biên độ =0.693
Đề tài: Bộ biến đổi AC-DC-AC 3 bậc GVHD: Ts. Nguyễn Văn Nhờ

SVTH: Đặng Trần Thái Trang 10

Hình 1.14 Tín hiệu điều chế sin với A
m
=0.8

Ta nhận thấy khi A
m
=0.8 thì do có tín hiệu offset, biên độ của sóng
điều chế SFO là 0.693 tức là bằng với tỉ số điều chế m=0.693. Điều này có
nghóa biên độ áp ra sẽ tăng tuyến tính theo biên độ của sóng điều chế SFO.


Hình 1.15 Điện áp tải pha a


Hình 1.16 phổ fourier của áp tải pha a

Khả năng điều chế tuyến tính của phương pháp SFO đạt đến biên độ của SFO
là A
m-SFO
= 1 .điện áp đạt tới
3
DC
V
tăng
3

2
lần so với phương pháp sinPWM
Đề tài: Bộ biến đổi AC-DC-AC 3 bậc GVHD: Ts. Nguyễn Văn Nhờ

SVTH: Đặng Trần Thái Trang 11
trước khi đạt đến chế độ điều chế mở rộng (Overmodulation). Tuy nhiên với các
phương pháp này, việc điều khiển để cân bằng áp tụ và điều khiển điện áp
Common mode là khá khó khăn, phải tính toán các hàm offset để đạt được các
chỉ tiêu này. Một phương pháp khác đã khắc phục được điều này với khả năng
điều khiển hết sức mềm dẻo, linh hoạt. Đó là phương pháp không gian vector
Space vector modulation.
c) Space vector modulation method (SVM)
Cho đại lượng 3 pha cân bằng v
a
, v
b
, v
c
thoả mãn:
v
a
+ v
b
+ v
c
= 0
Phép biến hình từ 3 đại lượng trên thành vector v theo hệ thức:

) (
2

cba
vavavkv ++=
r
Trong đó
2
3
2
1
3/2
jea
j
+−==
π

là phép biến hình không gian vector. Đại lượng vector
v
r
được gọi là vector
không gian của đại lượng 3 pha. Hằng số k có thể chọn với các giá trò khác
nhau.Với k = 2/3 ta có phép biến hình không bảo toàn công suất.Với k = 2/ 3
phép biến hình bảo toàn công suất.
Phương pháp SVM cho bộ nghòch lưu 3 bậc dạng Diode kẹp NPC


Hình 1.17 Bộ nghòch lưu 3 bậc NPC


Đề tài: Bộ biến đổi AC-DC-AC 3 bậc GVHD: Ts. Nguyễn Văn Nhờ

SVTH: Đặng Trần Thái Trang 12

Quá trình đóng ngắt các linh kiện tạo ra điện áp 3 pha tải. Trên mỗi 1
pha, ví dụ pha A, điện áp V
A-O
sẽ có 3 trạng thái điện áp khác nhau là Vc1, 0, -
Vc2 tương ứng với các trạng thái kích dẫn của các linh kiện. Tổ hợp 3 pha sẽ có
27 trạng thái đóng ngắt khác nhau, mỗi trạng thái được minh hoạ bởi tổ hợp (k
a
,
k
b
, k
c
).

Xét hệ số k
a

n Khi S
a3
= S
a4
= 1 Pha a nối điểm n

k
a
= 0 S
a2
= S
a3
= 1 Pha a nối điểm o

p S
a1
= S
a2
= 1 Pha a nối điểm p

Và quy tắc đối nghòch được tuân thủ
S
x1
+ S
x3
= 1 Với x=a, b, c.
S
x2
+ S
x4
= 1


Từ đó ta có sơ đồ vector không gian cho bộ nghòch lưu 3 bậc như sau :
opn ppn
pon
ppo
oon
pnn
poo
onn
pno
ono

pop
pnp
onp
oop
nno
nnp
nop
opp
noo
ppp
ooo
nnn
npp
npo opo
non
npn

Hình 1.18 Sơ đồ vector không gian cho bộ NPC 3 bậc

Đề tài: Bộ biến đổi AC-DC-AC 3 bậc GVHD: Ts. Nguyễn Văn Nhờ

SVTH: Đặng Trần Thái Trang 13
Từ sơ đồ vector trên ta nhận thấy có 27 trạng thái đóng ngắt của các
khoá bán dẫn tương ứng với 19 vò trí của các vector không gian bao gồm :
- 12 vector ở đỉnh lục giác lớn bao ngoài
- 6 vector điện áp ở trên hình lục giác nhỏ bên trong. Mỗi vector điện áp
này có 2 trạng thái kích dẫn khác nhau của các khoá bán dẫn.
- 1 vector không tại tâm hình lục giác. Vector không này có 3 trạng thái
đóng ngắt khác nhau của khoá bán dẫn.
Các trạng thái kích dẫn tạo thành chung một vector không gian điện áp gọi là

các trạng thái trùng lặp ( Redundant states ). Khi thực hiện điều chế vector
không gian cho bộ nghòch luu 3 bậc NPC, thông thường ta tạo ra vector trung
bình (Vref) từ 3 vector gần nó nhất. Do vậy cần xem xét vector này thuộc vùng
nào của hình lục giác. Để thuận tiện người ta chia hình lục giác thành các tam
giác con. Ví dụ : Với góc phần 6 thứ nhất được tạo bởi các vector V
0
, V
2
, V
5


ppn
pon
ppo
oon
pnn
poo
onn
ppp
ooo
nnn
V4
V1
V2
V3
V5
Vo
1
2

3
4
Vref


Hình 1.19 Góc phần 6 thứ nhất.

Ta chia nhỏ tam giác này thành 4 tam giác con (1), (2), (3), (4) như hình
trên. Mỗi tam giác con được tạo thành bởi 3 tam vector
Tam giác Tổ hợp vector
(1) V
0
, V
1
, V
4

(2) V
1
, V
2
, V
3

(3) V
1
, V
3
, V
4

(4) V
3
, V
4
, V
5

Tổng quátù, khi vector trung bình v
r
nằm trong tam giác gồm các vector
v
r
1
, v
r
2
, v
r
3
ta thực hiện sự tổng hợp vector trung bình bằng cách thực hiện v
r
1

trong thời gian T1,
v
r
2
trong thời gian T2,
v

r
3
trong thời gian T3 :
Ts.
v
r
= T1.v
r
1
+T2.v
r
2
+T3.v
r
3
(1.4)
Với Ts=T1+T2+T3 là chu kỳ lấy mẫu( Chu ký đóng cắt khoá)

Đề tài: Bộ biến đổi AC-DC-AC 3 bậc GVHD: Ts. Nguyễn Văn Nhờ

SVTH: Đặng Trần Thái Trang 14
Ta xác đònh thời gian T1, T2, T3 như sau. Nếu ta biết được vector
v
r
dưới
dạng các thành phần vuông góc V
α
và V
β
trong hệ toạ độ đứng yên α-β, quan

hệ giữa các thành phần vector V
α
và V
β
với thời gian duy trì trạng thái vector
v
r
1
, v
r
2
, v
r
3
biểu diễn dưới dạng ma trận sau :


Với V
1α
V
1β
V
2α
V
2β
V
3α
V
3β
là các thành phần theo trục toạ độ α β của các

vectơ trên hình lục giác. Từ đó thời gian được xác dònh :

⎥
⎥
⎥
⎦
⎤
⎢
⎢
⎢
⎣
⎡
⎥
⎥
⎥
⎦
⎤
⎢
⎢
⎢
⎣
⎡
=
⎥
⎥
⎥
⎦
⎤
⎢
⎢

⎢
⎣
⎡
−
11 1 1


1
1
321
321
3
2
1
β
α
βββ
ααα
V
V
VVV
VVV
T
T
T
T
S
(1.5)
Hay ở dạng tương đối d
i

=
S
i
T
T
như sau : v
r
= d
1
.v
r
1
+d
2
.v
r
2
+d
3
.v
r
3

⎥
⎥
⎥
⎦
⎤
⎢
⎢

⎢
⎣
⎡
⎥
⎥
⎥
⎦
⎤
⎢
⎢
⎢
⎣
⎡
=
⎥
⎥
⎥
⎦
⎤
⎢
⎢
⎢
⎣
⎡
−
11 1 1


1
321

321
3
2
1
β
α
βββ
ααα
V
V
VVV
VVV
d
d
d
(1.6)
Áp dụng cụ thể vào 4 tam giác con trong góc phần 6 thứ nhất ta có
Tam giác Vector cơ bản Thời gian thực hiện
(1) V
0
, V
1
, V
4

d1=
)cos3(sin1
θθ
+−
a

m

d2=
)cos3sin(
θθ
+−
a
m
d3=
θ
sin 2
a
m
(2) V
1
, V
2
, V
3

d1=
)cos3(sin2
θθ
+−
a
m
d2=
)cos3sin(1
θθ
+−+−

a
m
d3=
θ
sin 2
a
m
(3) V
1
, V
3
, V
4
d1=
θ
sin 21
a
m−
d2=
)cos3(sin1
θθ
++−
a
m
d3=
)cos3(sin1
θθ
−+
a
m

(4) V
3
, V
4
, V
5

d1=
)cos3(sin2
θθ
+−
a
m
d2=
θ
sin 21
a
m+−
d3=
)cos3sin(
θθ
+−
a
m
Đề tài: Bộ biến đổi AC-DC-AC 3 bậc GVHD: Ts. Nguyễn Văn Nhờ

SVTH: Đặng Trần Thái Trang 15
Với m
a

=
3/
DC
V
V
là chỉ số điều chế.
Nếu vector trung bình nằm ở góc phần 6 khác với góc phần 6 thứ nhất, Ta
có công thức chuyển đổi sau :

(1.7)


Vref T
0
m T
1
To gates of NPC

Ts T
2

Hình 1.20 Sơ đồ khối bộ điều khiển SVM
Chi tiết về cách thành lập sơ đồ mô phỏng phương pháp này được mô tả kỹ hơn
ở chương III.
Ưu điểm của phương pháp không gian vector chính là khả năng điều
khiển linh hoạt với sự chọn lựa các trạng thái redundant switching states để đạt
được các chỉ tiêu chất lượng như:
-Giảm độ mất cân bằng áp tụ của bộ NPC
-Giảm điện áp Common mode voltage
-vv

Và khả năng mở rộng điều khiển tuyến tính tới biên độ áp hài cơ bản là
3
DC
V

Thực hiện mô phỏng với chỉ số m
a
= 0.8 f
s
= 2000Hz

Hình1.21 Giản đồ T
0


Dwell time
calculations

Gate signal
generator
Đề tài: Bộ biến đổi AC-DC-AC 3 bậc GVHD: Ts. Nguyễn Văn Nhờ

SVTH: Đặng Trần Thái Trang 16

Hình 1.22 Giản đồ T
1


Hình 1.23 Giản đồ T
2

Hình 1.24 Điện áp tải pha a

Biên độ áp đạt được cao nhất là biên độ của vector điện áp trung bình V
Mj
.
Với các ưu diểm của phương pháp không gian vector, quá trình mộ phỏng sẽ sử
dụng phương pháp này để giải quyết các vấn đề của đề tài
6. CÁC VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU TRONG PHAM VI ĐỒ ÁN.
Các ưu điểm của bộ nghòch lưu 3 bậc là thấy rõ, tuy nhiên vẫn còn một
số vấn đề cần giải quyết để nâng cao chất lượng điều khiển
Đối với các bộ nghòch lưu dạng NPC, do thời gian nạp xả các tụ DC-Link
không cân bằng nên xảy ra hiện tượng mất cân bằng điện áp trên tụ, sự mất cân
bằng này dẫn tới phát sinh các hài không mong muốn trên sóng điện áp ra, cụ
thể là các hài bậc thấp như hài bậc 2. Sự tồn tại các hài này làm cho tổn hao
Đề tài: Bộ biến đổi AC-DC-AC 3 bậc GVHD: Ts. Nguyễn Văn Nhờ

SVTH: Đặng Trần Thái Trang 17
tăng, đồng thời khó bò lọc bỏ bởi các bộ lọc tần cao. Các hài này gây ra một số
hiện tượng có hại cho các động cơ không đồng bộ như làm cho momen dao động
gây ra nhiễu, gây ra sự biến thiên bất thường cho vận tốc rotor vv Ngoài ra, sự
mất cân bằng tụ còn có thể dẫn tới vấn đề quá điện áp trên các khoá bán dẫn
và trên các tu điện. Các phương pháp sóng mang khó có thể đưa ra một giải
pháp toàn diện. Trong khi đó, với phương pháp Vector không gian, các trạng
thái đóng ngắt có liên quan đến sự nạp xả của tụ ,việc lựa chọn các trạng thái
đóng ngắt hợp lý sẽ giải quyết được vấn đề này. Đây là một hướng nghiên cứu
của đề tài này và được mô tả sâu hơn ở chương III

Hình1.25 Phổ Fourier của Áp tải khi mất cân bằng (Vc1=1.5 Vc2)

Hình 1.26 Phổ Fourier của áp tải khi cân bằngVc1=vc2

Ngoài vấn đề cân bằng điện áp trên tụ, Các bộ nghòch lưu còn có một
vấn đề cần giải quyết. Sự phát sinh điện áp Common mode voltage gây ra hiện
Đề tài: Bộ biến đổi AC-DC-AC 3 bậc GVHD: Ts. Nguyễn Văn Nhờ

SVTH: Đặng Trần Thái Trang 18
tượng làm sớm lão hoá động cơ, là tác nhân gây ra các vấn đề về tương thích
điện từ, tạo ra dòng đi qua bệ đỡ, làm giảm khả năng chòu đựng của bộ phận
cách điện, và gây ra tổn hao công suất, làm nóng các phần cách điện. Vấn đề
này được xem xét kỹ hơn ở chương IV với việc sử dụng phương pháp vector
không gian, áp dụng lựa chọn các trạng thái đóng ngắt trùng lặp (Redundant
Switching states selection)



Hình 1.27 - Sự hình thành điện áp Common mode voltage