Kỹ thuật điều khiển VECTOR cho bộ nghịch lưu áp đa bậc

LỜI CẢM ƠN

o0o

Tôi xin gởi lời cảm ơn chân thành đến TS. Nguyễn Văn Nhờ đã tận
tình, hướng dẫn tôi để hoàn thành luận văn này. Tôi cũng xin cảm ơn Q
thầy, cô và phòng Quản Lý Khoa Học – Sau Đại Học trường Đại học Sư
Phạm Kỹ Thuật Tp.HCM, Q thầy, cô bộ môn Hệ Thống Điện trường Đại
Học Bách Khoa Tp.HCM, Các anh, chò quản lý phòng máy tính khoa Điện
– Điện tử đã tạo mọi điều kiện thuận lợi cho tôi trong quá trình học tập và
hoàn thành luận văn.
Cuối cùng, tôi xin tỏ lòng biết ơn đến gia đình, bạn bè và đồng
nghiệp đã động viên và tạo điều kiện cho tôi rất nhiều trong quá trình học
tập và thực hiện luận văn này cũng như trong việc tìm kiếm thông tin và
các tài liệu khác có liên quan.


Tp. Hồ Chí Minh, ngày 24 tháng 08 năm 2005
Học viên



Trần Dũng
MỤC LỤC
PHẦN A : MỤC LỤC
Trang
PHẦN B : NỘI DUNG
CHƯƠNG I :

GIỚI THIỆU VỀ BỘ NGHỊCH LƯU ÁP ĐA BẬC VÀ CÁC
KỸ THUẬT ĐIỀU CHẾ NÓI CHUNG
1.1 TỔNG QUAN 1
1.1.1 Tính cần thiết phải nghiên cứu kỹ thuật điều khiển cho
bộ nghòch lưu đa bậc nói chung .
1.1.2 Ưu điểm của nghòch lưu áp đa bậc nói chung. 2
1.1.3 Ưu điểm tiên đóan ban đầu của kỹ thuật SVC theo hướng đề xuất. 2
1.1.4 Một số hạn chế chưa được khảo sát theo kỹ thuật đã đề xuất. 3
1. 2 GIỚI THIỆU MỘT SỐ CẤU TRÚC CỦA BỘ NGHỊCH LƯU 3
ĐA BẬC
1.2.1 Giới thiệu về bộ nghòch lưu áp nói chung
1.2.2 Một số cấu trúc cơ bản của mạch động lực trong bộ nghòch
lưu áp đa bậc.
1.2.2.1 Cấu trúc nghòch lưu dạng Cascade ( cascade inverter )
1.2.2.2 Cấu Trúc Nghòch Lưu Chứa Cặp Diode kẹp
( Neutral Point Clamped Multilevel Inverter – NPC ). 4
1.2.2 3 Cấu Trúc Nghòch Lưu dùng tụ kẹp
(Capacitor-Clamped Multilevel Inverter) . 6
1.3 CÁC KỸ THUẬT ĐIỀU CHẾ NÓI CHUNG 7
1.3.1 Quy Trình Đóng Ngắt của các linh kiện công suất trong
bộ nghòch lưu áp đa bậc.
1. 3.1.1 Tổng Quát.
1.3.1.2 Trạng Thái Đóng Ngắt Bộ Nghòch Lưu p Ba Bậc 8
1.3.1.3 Trạng Thái Đóng Ngắt Bộ Nghòch Lưu p Năm Bậc 9
1.3.2 Phân loại các kỹ thuật điều chế nói chung 10
1.3.3 Một số chỉ tiêu để đánh giá kỹ thuật PWM của bộ nghòch lưu 11
CHƯƠNG II : PHÂN TÍCH CÁC KỸ THUẬT PWM
2.1 GIỚI THIỆU 14
2. 2 KỸ THUẬT ĐIỀU CHẾ DÙNG SÓNG MANG 14
2.2.1 Các dạng sóng sóng mang dùng trong kỹ thuật điều chế PWM 15

2.2 2 Mô phỏng và phân tích bộ nghòch lưu áp ba bậc 17
2.2.3 Mô Phỏng Bộ Nghòch Lưu ÁP 5 Bậc 20
2.3 PHƯƠNG PHÁP TRIỆT TIÊU SÓNG HÀI CHỌN LỌC. 23
2.4 PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHẾ VECTOR KHÔNG GIAN. 26
2.4.1 Vector Không Gian Của Bộ Nghòch Lưu p Đa Bậc
2.4.1.1 Khái niệm vector không gian
2.4.1.2 Vector không gian của bộ nghòch lưu áp đa bậc 27
2.4.2 Giản đồ vector điện áp bộ nghòch lưu ba bậc
2. 4.3 Giản đồ vector điện áp bộ nghòch lưu năm bậc 29
2. 5 MỘT SỐ NHẬN XÉT VỀ PHƯƠNG PHÁP VÀ KỸ THUẬT
CỦA CPWM , SVPWM , SHE . 31
CHƯƠNG III
KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VECTOR (SVC) VÀ CẢI TIẾN KỸ THUẬT
SVC .
3.1 KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VECTOR
( SVC : Space Vector Control )
3.1.1 Giới thiệu 34
3.1.2 Kỹ thuật điều khiển vector
3.2 KỸ THUẬT SVC CẢI TIẾN THEO HƯỚNG ĐỀ XUẤT
CỦA ĐỀ TÀI. 38
3. 2 .1 Xây dựng mô hình toán học
3.2.2 Các hàm toán học dựa trên mối tương quan của hai
phương pháp SVPWM và CPWM . 42
3.2 .2.1 Đònh nghóa hàm Max, Mid, Min, Interger .
3.2 .2 .2. Khối hàm Offset cực trò (Extreme Offset). 43
3. 2 .2 .3 Hàm S để xác đònh K
1
, K
2
, K

3

3.3 GIẢI THUẬT THEO PHƯƠNG PHÁP ĐỀ XUẤT 45
3.4 VIẾT CHƯƠNG TRÌNH CHO CÁC KHỐI TRONG
GIẢI THUẬT TRÊN 45
3.4.1 Chương trình cho khối tìm cực trò.
3.4.2 Chương trình cho khối logic bao gồm hàm f
max
,và f
min

3.4.3 Hàm S được thiết lập trực tiếp bằng logic trên PSIM .
3.4.4 Các hàm của P
a10
, P
b10
, P
c10
được thiết lập trực tiếp bằng
logic trên PSIM .
3.4.5 Chương trình của khối chính được viết chương trình trên
phần mềm C
++
sau đó đưa vào khối DLL (ở phụ lục 4.3)
3.5 SƠ ĐỒ MẠCH MÔ PHỎNG VÀ KẾT QUẢ MÔ PHỎNG. 47
3.5.1 Sơ đồ mạch mô phỏng
3.5.1.1 Mạch mô phỏng bộ nghòch lưu ba bậc 48
3.5.1.2 Mạch mô phỏng bộ nghòch lưu ba bậc 49
3.5.2 Kết quả mô phỏng 50
3.5.3 Phân tích và nhận xét về tính ưu việt của bộ nghòch lưu đa bậc. 57

3.5.4 Phân tích kết quả mô phỏng giữa tỉ số điều chế m và tổng méo hài
THD trên các pha của bộ nghòch lưu 5 bậc dùng cấu trúc diode kẹp. 57
3.5.5 Mô phỏng bộ nghòch lưu áp 5 bậc với tải là động cơ 59
3.5.5.1 Mô phỏng bộ nghòch lưu áp 5 bậc với tải là động cơ 61
3.5.5.2 Dạng sóng Vf mô phõng ở hình 3.30 62
3.5.5.3 Nhận xét về kết quả mô phỏng ở mục 3.5.5.1 62

PHẦN C
4. KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI 63
4.1 Kết luận 63
4.2 Đề xuất theo hướng phát triển của đề tài 64
PHẦN D
PHỤ LỤC
Tài liệu thao khảo
Lý lòch trích ngang

Trang 1
CHƯƠNG 1
GIỚI THIỆU VỀ BỘ NGHỊCH LƯU ÁP ĐA BẬC VÀ CÁC KỸ
THUẬT ĐIỀU CHẾ NÓI CHUNG
1.1 TỔNG QUAN
1.1.1 Tính cần thiết phải nghiên cứu kỹ thuật điều khiển cho bộ nghòch lưu
đa bậc nói chung .
Trong những năm gần đây, các bộ nghòch lưu nói chung đã được ứng dụng
rất phổ biến. Chúng đóng vai trò quan trọng trong nhiều lónh vực như :
1) Điều khiển động cơ AC.
2) Bộ nguồn dự trữ AC (UPSs –Uninterruptible Power Supplies).
3) Sự nung cảm ứng.
4) Dùng làm nguồn phát điện AC mà năng lượng đầu vào từ mặt trời, khí
đốt
5) Dùng trong bộ lọc tích cực, bộ lọc hài hay bộ bù SVC.
6) Khi nhà máy điện chạy bằng năng lượng gió, hay lượng mặt trời
đang được quan tâm như hiện nay thì nhất thiết phải có bộ nghòch lưu
nhằm chuyển đổi điện áp một chiều thành xoay chiều ba pha.
7) Khi chế tạo các bộ biến tần chắc chắn bộ phận nghòch lưu không thể
thiếu.
8) Đặt biệt có nghóa quan trọng khi kỹ thuật truyền năng lượng điện bằng
hệ thống HVDC

(High Voltage Direct Current) phát triển toàn cầu.

Mặt khác, bộ nghòch lưu áp hai bậc (xem phụ lục 1) có nhược điểm điện áp
ở ngỏ ra cung cấp cho cuộn dây động cơ với độ dốc ( dv/dt ) khá lớn và gây ra
một số vấn đề khó khăn bởi tồn tại trạng thái khác zero của tổng điện thế từ các
pha đến tâm nguồn DC (hiện tượng common-mode voltage). Thêm vào đó, bộ
nghòch lưu hai bậc chỉ dùng rộng rãi trong phạm vi công suất vừa và nhỏ. Nhưng
xu hướng hiện nay, trong công nghiệp đòi hỏi sử dụng các hệ thống điện áp cao
(2.3kv, 3.3kv, 4.16kv, 6.9kv ), công suất lớn (từ MW trở lên ). Do đó bộ nghòch
lưu áp đa bậc được nghiên cứu và phát triển để giải quyết các vấn đề gây ra nêu
trên của bộ nghòch lưu áp hai bậc [1].
Song tính mâu thuẩn của vấn đề về bộ nghòch lưu có công suất lớn và chất
lượng điện áp ở ngỏ ra cao, ít hài thì nhất thiết cấu trúc của bộ nghòch lưu phải là
bộ nghòch lưu đa bậc (hình 1.1, hình 1.2). Khi chúng ta dùng cấu trúc đa bậc sẽ
kéo theo kỹ thuật điều khiển khó khăn, giải thuật phức tạp.
Theo tạp chí IEEE, IEE đã đề cập rất nhiều kỹ thuật điều chế cho bộ nghòch lưu
áp đa bậc như :
- Kỹ thuật điều chế dùng sóng mang (Carrier based PWM ) [2,3,4]


Trang 2
- Kỹ thuật điều chế dùng vector không gian (Space Vector PWM )
[ 5,6,7]
- Kỹ thuật triệt tiêu các sóng hài chọn lọc (SHE- Selective Harmonic
Elimination )[8,9]
- Kỹ thuật điều khiển vector (SVC- Space Vector Control) bằng cách tra
bảng [10,11]
Những kỹ thuật điều chế nêu trên liên quan đến kỹ thuật đề xuất. Thông qua kết
quả nghiên cứu của những chuyên gia của tạp chí IEEE, IEE cho ta nhận xét
rằng : mỗi kỹ thuật mà tác giả đưa ra đều tập trung khắc phục một số chỉ tiêu

như :
1) Tổng méo hài (THD) thấp.
2) Tăng tỷ số điều chế.
3) Khử sóng hài bậc cao.
3) Giảm tối đa tổn thất .
4) Giảm độ nhấp nhô dòng hài.
5) Tối ưu giải thuật điều khiển, dễ thực hiện và mang tính tổng quát
cao.
Song mỗi kỹ thuật khó có thể đạt được hết các chỉ tiêu nêu trên.
Khi điện áp nghòch lưu ra không đảm bảo chất lượng điện năng tốt sẽ gây
ra một số vấn đề như : tổn hao đồng trong máy điện tăng, tiếng ồn, gây công
hưởng hài với tải hay làm động cơ lão hóa nhanh

1.1.2 Ưu điểm của nghòch lưu áp đa bậc nói chung.
1) Công suất của bộ nghòch lưu áp đa bậc là rất lớn (từ MW trở lên ).
2) Điện áp đặt trên linh kiện bò giảm xuống nên công suất tổn hao do
quá trình đóng ngắt của linh kiện cũng giảm theo.
3) Với cùng tần số đóng ngắt, các thành phần sóng hài bậc cao của
điện áp ra giảm nhỏ hơn so với trường hợp bộ nghòch lưu áp hai bậc.
4) Điện áp common-mode nhỏ hơn, nên làm giảm ứng suất trên trục
động cơ.Nghóa là tuổi thọ của động cơ được tăng lên.

1.1.3 Ưu điểm tiên đoán ban đầu của kỹ thuật SVC theo hướng đề xuất.
1) Giảm tối đa số lần chuyển mạch trên mỗi chu kỳ
2) Chất lượng điện áp ở ngỏ ra của bộ nghòch lưu cao khi số bậc càng
tăng nhưng giải thuật ít thay đổi.
3) Mô hình tóan học mang tính khái quát cao nên đơn giản hóa về kỹ
thuật điều khiển vector.
4) Chủ động kiểm tra số lượng vector dư thừa trong nghòch lưu đa bậc.

Trang 3

1.1.4 Một số hạn chế chưa được khảo sát theo kỹ thuật đã đề xuất.
1) Chưa khảo sát chất lượng điện áp ra với tải động cơ, chỉ thực hiện với tải
RL.
2) Do thời gian có hạn nên kết quả đạt được chưa đánh giá triệt để.

1.2 GIỚI THIỆU MỘT SỐ CẤU TRÚC CỦA BỘ NGHỊCH LƯU ĐA BẬC
1.2.1 Giới thiệu về bộ nghòch lưu áp nói chung.
Bộ nghòch lưu áp nhận điện áp một chiều rồi biến thành điện áp xoay
chiều với giá trò điện áp và tần số có thể thay đổi hay cố đònh tùy thuộc vào tính
ứng dụng. Thực tế chúng có thể làm việc như bộ lọc. Điện áp dc cung cấp bộ
nghòch lưu có thể cố đònh hay thay đổi. Điện áp đầu vào này có thể từ ắcquy,
năng lượng mặt trời hay từ lưới điện xoay chiều thông qua bộ nắn điện Điện
áp ở ngỏ ra cũng có thể một pha hay ba pha, dạng sóng có thể vuông, bậc thang,
hay dạng sin, gần sin tùy theo kỹ thuật điều chế . Bộ nghòch lưu bao gồm hai loại
: bộ nghòch lưu dòng, bộ nghòch lưu áp.
Trước đây, linh kiện trong bộ nghòch lưu thường là thyristor. Nay thường
dùng các linh kiện như GTOs , BJTs , IGBTs và IGCTs.
1.2.2 Một số cấu trúc cơ bản của mạch động lực trong bộ nghòch lưu đa bậc
1.2.2.1 Cấu trúc nghòch lưu dạng Cascade ( cascade inverter ).
Sử dụng các nguồn DC riêng, thích hợp trong trường hợp sử dụng nguồn
DC có sẵn, ví dụ dưới dạng acquy, battery. Cascade inverter (hình 1.1) gồm
nhiều bộ nghòch lưu áp cầu một pha ghép nối tiếp, các bộ nghòch lưu áp dạng
cầu một pha này có các nguồn DC riêng.
Bằng cách kích đóng các linh kiện trong mỗi bộ nghòch lưu áp một pha, ba

mức điện áp ( -U, 0, U ) được tạo thành. Sự kết hợp hoạt động của n bộ nghòch
lưu áp trên một nhánh pha tải sẽ tạo nên n khả năng mức điện áp theo chiều âm
( -U, -2U, -3U, -4U,… nU ), n khả năng mức điện áp theo chiều dương ( U, 2U,
3U, 4U,…nU ) và mức điện áp 0.
Do đó, bộ nghòch lưu áp dạng cascade gồm n bộ nghòch lưu áp một pha
trên mỗi nhánh sẽ tạo thành bộ nghòch lưu ( 2n + 1 ) bậc.









Trang 4




Hình 1.1- Cascade inverter

Tần số đóng ngắt trong mỗi module của dạng mạch này có thể giảm đi n
lần và tốc độ biến thiên (dv/dt) cũng giảm đi n. Điện áp trên áp đặt lên các linh
kiện giảm đi 0,57 lần, cho phép sử dụng IGBT điện áp thấp.

1.2.2.2 Cấu Trúc Nghòch Lưu Chứa Cặp Diode kẹp
(Neutral Point Clamped Multilevel Inverter – NPC )

Sử dụng thích hợp khi các nguồn DC tạo nên từ hệ thống điện AC. Bộ

nghòch lưu đa bậc chứa các cặp diode kèm có một mạch nguồn DC được phân
chia thành một số cấp điện áp nhỏ hơn nhờ chuỗi các tụ điện mắc nối tiếp (hình
1.2)






Trang 5

Hình 1.2- Cấu trúc diode kẹp

Giả sử nhánh mạch DC gồm n nguồn có độ lớn bằng nhau mắc nối tiếp.
Điện áp pha-nguồn DC có thể đạt được ( n+ 1 ) giá trò khác nhau và từ đó bộ
nghòch lưu đa bậc được gọi là bộ nghòch lưu áp ( n+ 1 )bậc. Ví dụ chọn mức điện
thế 0 ở cuối dãy nguồn, các mức điện áp có thể đạt được gồm ( 0, U, 2U,
3U,…nU ). Điện áp từ một pha tải ( ví dụ pha a ) thông đến một vò trí bất kỳ trên (
ví dụ H ) nhờ cặp diode kẹp tại điểm đó ( ví dụ D
1
, D
1
’
). Để điện áp pha-nguồn
DC đạt được mức điện áp nêu trên
( U
a0
= U ), tất cả các linh kiện bò kẹp giữa hai diode ( D
1
, D
1
’

) – gồm n linh
kiện mắc nối tiếp liên tục kề nhau, phải được kích đóng, các linh kiện còn lại
0
u
tc
u
ta


Trang 6
phải được khoá theo nguyên tắc kích đối nghòch. Như hình vẽ trên, tạo ra sáu
mức điện áp pha – nguồn DC nên mạch lưu trên gọi là bộ nghòch lưu sáu bậc.


Bộ nghòch lưu áp đa bậc dùng diode kẹp cải tiến dạng sóng điện áp tải và
giảm shock điện áp trên linh kiện n lần. Với bộ nghòch lưu ba bậc, độ biến thiên
dv/dt trên linh kiện và tần số đóng cắt giảm đi một nửa. Tuy nhiên với n > 3,
mức độ chòu gai áp trên các diode sẽ khác nhau. Ngoài ra, cân bằng điện áp giữa
các nguồn DC ( áp trên tụ ) trở nên khó khăn, đặc biệt khi số bậc lớn.

1.2.2.3 Cấu Trúc Nghòch Lưu dùng tụ kẹp
(Capacitor-Clamped Multilevel Inverter)

Qua mạch ở hình 1.2 và hình 1.3 nhận thấy rằng : cấu trúc dùng tụ kẹp khác
với cấu trúc dùng diode kẹp về dãy tụ ở chổ mức điện áp trên mỗi pha được nạp
với các mức khác nhau. Điểm bất lợi là khi mạch bắt đầu hoạt động cần phải đạt
trước những điện áp cần thiết –điều này gây phức tạp trong quá trình điều chế
Ngoài ra còn có các bộ nghòch lưu áp đa bậc với kiểu ghép từ ngỏ ra của
chúng như hình 1.4


Hình 1.3 Cấu trúc inverter 5 bậc dùng tụ kẹp


Trang 7

Theo cấu trúc trên cho phép giảm dv/dt và tần số đóng ngắt còn 1/3. Mạch
này cho phép sử dụng các cấu hình nghòch lưu áp ba pha chuẩn cũng như đạt
được sự cân bằng điện áp các nguồn DC và không tồn tại dòng cân bằng giữa
các modul. Tuy nhiên theo tính chất và cấu tạo bắt buộc sử dụng các máy biến
áp ngỏ ra.

1.3 CÁC KỸ THUẬT ĐIỀU CHẾ NÓI CHUNG
1.3.1 Quy Trình Đóng Ngắt của các linh kiện công suất trong bộ nghòch lưu
áp đa bậc.
1.3.1.1 Tổng Quát
Xét bộ nghòch lưu áp n bậc dạng chứa cặp diode kẹp (NPC). Gọi U là độ
lớn điện áp trên mỗi tụ riêng lẻ. Phụ thuộc độ lớn điện áp pha-nguồn DC cần
thiết lập, các linh kiện bò kẹp giữa cặp diode nối đến một điện thế trên mạch DC
cần thiết lập sẽ ở trạng thái kích. Điện áp pha-tâm nguồn DC tính từ điểm đấu

dây của pha tải đến một điện thế trên mạch DC.
Trạng thái đóng ngắt của các khoá bán dẫn (còn gọi là các khóa hay các
công tắc) trên một nhánh tải của các pha a, b, c phải thoả mãn điều kiện kích đối
nghòch :
Hình 1.4


Trang 8

1SS
'
ajaj

;
1SS
'
bjbj

;
1SS
'
cjcj

(1.1)
Với j = 1, 2, 3, …( n- 1 )
Khi kích đóng ngắt các linh kiện theo đúng nguyên tắc trên ta có được
giản đồ xung kích cho các khoá. Tính toán tương tự bộ nghòch lưu áp ba pha hai
bậc ta có các điện áp pha tải : ( nếu tải Y )

3
uuu2
u
coboao
ta




3
uuu2
u
coaobo
tb


(1.2)

3
uuu2
u
aoboco
tc



Do đó :
3
uuu
u

coboao
NO


(1.3)
Trong đó :
u
ta
, u
tb
, u
tc
là điện áp tương ứng trên mỗi pha được tính từ ngỏ ra của bộ nghòch
lưu đến điểm trung tính N phụ tải ba pha nối sao và giả thiết u
ta
+ u
tb
+ u
tc
= 0,
u
NO
là điện áp tính từ điểm N đến nút phân thế 0 (hình 1.2)

1.3.1.2 Trạng Thái Đóng Ngắt Bộ Nghòch Lưu p Ba Bậc

Xét bộ nghòch lưu áp ba bậc dạng chứa cặp diode kẹp như hình 1.4. Gọi U
là độ lớn điện áp trên mỗi tụ riêng lẻ phụ thuộc độ lớn điện áp pha. Các linh
kiện kẹp giữa cặp diode nối đến một điện thế trên mạch DC cần thiết lập sẽ ở
trạng thái kích.

Điện áp pha-tâm nguồn DC đạt các giá trò cho trong bảng sau:
Với x = a, b, c
V
out
= V
xo
S
x2
S
x1

S
x2
’

S
x1
’

U
1
1
0
0
0
0
1
1
0
-U

0
0
1
1
Ta thấy có 3 mức điện áp ứng với 3 trạng thái đóng ngắt linh kiện cho mỗi
pha.Vậy, có 3
3
= 27 trạng thái đóng ngắt cho 3 pha.


Trang 9


Hình1. 4-Bộ nghòch lưu 3 bậc

1.3.1.3 Trạng Thái Đóng Ngắt Bộ Nghòch Lưu p Năm Bậc
Xét bộ nghòch lưu áp năm bậc dạng chứa cặp diode kẹp như hình 1.5. Gọi
U
dc
/4 là độ lớn điện áp trên mỗi tụ riêng lẻ. Chọn điểm tâm nguồn DC tại vò trí
giữa (như hình 1.5 ).
Ta có bảng trạng thái đóng ngắt như sau:

V
out
= V
xo
S
x4
S

x3
S
x2
S
x1
S
x4
’
S
x3
’
S
x2
’
S
x1
’
U
dc
/2
1
1
1
1
0
0
0
0
U
dc

/4
0
1
1
1
1
0
0
0
0
0
0
1
1
1
1
0
0
-U
dc
/4
0
0
0
1
1
1
1
0
-U

dc
/2
0
0
0
0
1
1
1
1
Với x = a, b, c
Ta thấy có năm mức điện áp ra tương ứng với các trạng thái đóng ngắt.Vậy,có
tổng cộng 5 trạng thái đóng ngắt các linh kiện cho một pha, nên có 5
3
= 125
trạng thái đóng ngắt cho 3 pha.


Trang 10

Hình 1.5-Bộ nghòch lưu 5 bậc

Trong quá trình đóng ngắt, công suất tổn hao xuất hiện trên linh kiện bao gồm
hai thành phần :
2) Tổn hao công suất khi linh kiện ở trạng thái dẫn điện P
on

3) Tổn hao công suất động P
dyn
– tổn hao này tăng lên khi tần số đóng

ngắt của linh kiện tăng lên.
Song việc tần số đóng ngắt của linh kiên tăng lên không phải tùy ý vì những lý
do sau đây :
4) Công suất tổn hao linh kiện tăng lên tỉ lệ với tần số đóng ngắt.
5) Linh kiện công suất lớn thường gây ra công suất tổn hao đóng ngắt lớn
hơn
Do đó tần số kích đóng của nó phải giảm cho phù hợp. Chẳng hạn linh kiện GTO
công suất hàng MW chỉ có thể đóng ngắt ở tần số khoảng 100Hz
6) Khả năng tương thích về điện từ được tuân theo qui đònh khá nghiêm
ngặt.

1.3.2 Phân loại các kỹ thuật điều chế nói chung
Xét về phương pháp điều chế cho bộ nghòch lưu áp đa bậc được phân chia
như hình 1.6 sau đây :





Trang 11

( PWM : Pulse –Width Modulation )


Mỗi phương pháp trên thì theo các chuyên gia của tạp chí IEEE,IEE đã
cho chúng ta thấy được ưu nhược điểm của nó. Thí dụ như kỹ thuật điều chế độ
rộng xung sin ( Sinusoidal PWM ) thì khả năng điều khiển tuyến tính chỉ thực
hiện được với chỉ số điều chế m nằm trong phạm vi
785.00  m
(tương ứng với
chỉ số
1
a
m
). Sau đó để tăng phạm vi tuyến tính người ta tìm ra kỹ thuật điều
chế độ rộng xung cải biến và kết quả phạm vi tuyến tính đạt trong khoảng
907.00  m
. Hoặc trong kỹ thuật SHE cho phép thực hiện triệt tiêu sóng hài với
số lần đóng ngắt tối thiểu. Còn kỹ thuật điều chế vector không gian khắc phục
được các nhược điểm của kỹ thuật điều khiển sáu bước (-kỹ thuật này hình thành
chứa nhiều sóng hài bậc cao) và kỹ thuật SPWM .

1.3 .3 Một số chỉ tiêu để đánh giá kỹ thuật PWM của bộ nghòch lưu
Chỉ số điều chế m (Modulation index) được đònh nghóa như tỉ số giữa biên

độ thành phần hài cơ bản tạo nên bởi kỹ thuật điều khiển U
(1) m
và biên độ
thành phần hài cơ bản đạt được trong phương pháp điểu khiển sáu bước U
(1)m-
sixsteps
d
m
sixstepsm
m
V
U
U
U
m

2
)1(
)1(
)1(



(1.4)


Trò hiệu dụng các thành phần sóng hài bậc cao dòng điện :
Các phương pháp điều chế đa
bậc
(Multilevel Modulator)

Tần số chuyển mạch cơ bản
(Fundamental Swiching Freq)
Điều chế độ rộng xung với tần
số chuyển mạch cao
(High Switching Frequency
PWM)
Điều khiển
vector
không gian

(Space
Vector
Control)
Triệt tiêu
sóng hài lựa
chọn
(Selective
Harmonic
Elimination)
Điều chế
vector
không gian

(Space
Vector
PWM)
Điều chế
sóng sin

( Sinusoidal
PWM )
Hình 1.6 :Phân loại các phương pháp trong điều chế đa bậc


Trang 12
 
dttiti
T
I
T
hRMS
.)()(
1
2
0
1


(1.5)
với
hRMS
I
phụ thuộc không những vào kỹ thuật PWM mà còn vào thông số thông
số tải. Để đánh giá chất lượng PWM không liên qua đến thống số tải thì ta có
thể sử dụng đại lượng độ méo dạng dòng điện như sau:





2
2
1
n
n
ÍÍ
hRMS
I
II
I

(1.6)

Giả sử tải xoay chiều gồm sức điện động cảm ứng và cảm kháng tản mắc
nối tiếp, độ méo dạng dòng điện có thể viết lại dưới dạng :






















2
2
1
2
11
1
2
2
1

.
1
n
nn
n
n
ÍÍ
hRMS
n
U
ULn
U
U
L

I
II
I




(1.7)
Kết quả đạt được không phù thuộc vào tham số của tải.
Đối với phương pháp điều khiển sáu bước , độ méo dạng dòng điện có thể
xác đònh bằng giá trò sau :
0464,0

Í
sixstepshRMS
I
I

Để so sánh các phương pháp PWM, có thể sử dụng độ méo dạng chuẩn
hóa theo phương pháp sáu bước và hệ số méo dạng dòng điện qui chuẩn lúc đó
là :
sixstepshRMS
hRMS
I
I
d


(1.8)
Với phương pháp điều khiển sáu bước , hệ số méo dạng dòng điện bằng 1.Nếu

dùng phương pháp điều chế vector không gian, hệ số méo dạng có thể tính theo
tích phân của tích vô hướng vector sau đây :
dttttttttt
T
I
T
hRMS
















0
11
.*)()(.)()(
1
(1.9)
Qua đó áp dụng công thức tính hệ số méo dạng d
Để đánh giá sự ảnh hưởng từng sóng hài trong phương pháp PWM, ta có

thể sử dụng tham số phổ từng sóng hài dòng điện. Nếu sử dụng phương pháp
điều chế đồng bộ với tần số kích đóng linh kiện f
s
bằng số nguyên lần (N) với
tần số sóng hài cơ bản f
1
(nghóa là f
s
= N.f
1
).Lúc này hệ số sóng hài bậc k qui
chuẩn và tính qui đổi theo phương pháp sáu bước như biểu thức sau :
sixstepshRMS
I
fk

).(I
=)h(k.f
1hRMS
1
(1.10)
Hệ số này không phù thuộc vào tham số tải
Từ đó ta có hệ số méo dạng được biểu diễn qua các hệ số sóng hài như
sau :



1
1
2

).(
k
fkhd
(1.11)


Trang 13
Nếu sử dụng kỹ thuật PWM không đồng bộ, ta không thể phân tích
Fourier phổ dòng điện theo các biến tần số rời rạc khi mà sóng hài dòng điện
xuất hiện theo biến tần số liên tục. Ở trường hợp này , ta có thể dùng khái niệm
phổ mật độ dòng điện theo hệ thức sau :




1
,0
2
).(
ff
d
dffhd
(1.12)




Trang 14

CHƯƠNG 2

PHÂN TÍCH CÁC KỸ THUẬT PWM
2.1 GIỚI THIỆU
Những kỹ thuật điều khiển được áp dụng cho bộ nghòch lưu áp hai bậc như
kỹ thuật điều chế độ rộng xung và các dạng cải biến của nó, kỹ thuật điều khiển
vector, kỹ thuật khử sóng hài tối ưu, các kỹ thuật điều khiển dòng điện ,…có thể
được ứng dụng cho bộ nghòch lưu đa bậc.
Bộ nghòch lưu áp đa bậc có phạm vi hoạt động chủ yếu đối với tải công
suất lớn. Do đó vấn đề giảm bớt tần số đóng ngắt và giảm shock điện áp trên
linh kiện công suất có ý nghóa quan trọng. Các thuật toán của những chuyên gia
trên tạp chí IEEE, IEE nói chung và bất cứ ai muốn nghiên cứu nói riêng thì điều
cố gắn thực hiện và duy trì trạng thái cân bằng các nguồn điện áp DC và khử bỏ
hiện tượng common – mode voltage. Đây là nguyên nhân gây ra một số hiện
tượng làm lão hoá động cơ.
Do tính chất liên quan đến kỹ thuật đã đề xuất của đề tài nên phần dưới
đây người thực hiện chỉ phân tích một số kỹ thuật liên quan như :
1) Kỹ thuật điều chế dùng sóng mang (CPWM hay SH-PWM ).
2) Kỹ thuật điều chế vectơ không gian (SVPWM ).
3) Kỹ thuật triệt tiêu sóng hài chọn lọc( SHE ).
Thông qua đó để giới thiệu kỹ thuật mới – kỹ thuật điều khiển vectơ (SVC).

2 .2 KỸ THUẬT ĐIỀU CHẾ DÙNG SÓNG MANG .
Kỹ thuật còn có
tên Subharmonic PWM (SH-PWM),Multilevel carrier
based PWM (CPWM ). Để thực hiện tạo giản đồ kích đóng các linh kiện trong
cùng một pha tải, ta sử dụng một số sóng mang (dạng tam giác) và một tín hiệu
điều khiển (dạng sin) .
Đối với bộ nghòch lưu áp n bậc, số sóng mang được sử dụng là (n-1).
Chúng có cùng tần số f
c
và cùng biên độ đỉnh – đỉnh A

c
. Sóng điều chế (hay
sóng điều khiển) có biên độ đỉnh bằng A
m
và tần số f
m
, dạng sóng của nó thay
đổi chung quanh trục tâm của hệ thống ( n-1) sóng mang. Nếu sóng điều khiển
lớn hơn sóng mang nào đó thì linh kiện tương ứng sóng mang đó sẽ được kích
đóng, trong trường hợp sóng điều khiển nhỏ hơn sóng mang tương ứng của nó,
linh kiện trên sẽ bò khoá kích.
Đối với bộ nghòch lưu áp đa bậc, chỉ số biên độ m
a
và chỉ số tần số m
f

được đònh nghóa như sau:
e
tria
m
c
f
trim
em
c
m
a
f
f
f

f
m
U
U
An
A
m
sin
sin
).1(






(2.1)



Trang 15
Trong công thức (2.1) f
tria
,f
sine
lần lượt là tần số sóng mang tam giác và
tần số điều khiển hình sine. Nếu
1
a
m

(nghóa là biên độ sóng sin nhỏ hơn biên
độ sóng tam giác )thì qua hệ giữa biên độ thành phần cơ bản của áp ra và áp
điều khiển là tuyến tính. Ngược lại giá trò
1
a
m
(-biên độ tín hiệu điều chế lớn
hơn biên độ sóng mang) thì biên độ hài cơ bản điện áp ra tăng không tuyến theo
m
a
. Chính lúc này bắt đầu xuất hiện lượng sóng hài bậc cao tăng dần cho đến khi
đạt mức giới hạn cho bởi phương pháp 6 bước.
Xuất phát từ qui tắc kích đóng đối nghòch đảm bảo dạng áp tải được điều
khiển tuân theo giản đồ kích đóng công tắc nên kỹ thuật điều chế độ rộng xung
có tác dụng hạn chế tối đa các ảnh hưởng bất lợi của sóng hài bậc cao xuất hiện
ở phía tải.
Khi tần số sóng mang càng cao, lượng sóng hài bậc cao bò khử càng
nhiều.Tuy nhiên, tần số đóng ngắt cao làm cho tổn hao phát sinh do quá trình
đóng ngắt các công tắc tăng theo. Hơn nữa các linh kiện công suất đòi hỏi có
thời gian đóng t
on
và thời gian t
off
nhất đònh. Do đó việc chọn tần số sóng mang
bò hạn chế.
Sóng điều khiển(thường sóng tam giác) mang thông tin về độ lớn trò hiệu
dụng và tần số sóng hài cơ bản của điện áp ở ngỏ ra .
Tiến hành mô phỏng cho bộ nghòch lưu áp ba bậc và năm bậc. Dùng phần
mềm Psim mô phỏng cho bộ nghòch lưu áp dạng diode kềm.

2.2.1 Các dạng sóng mang dùng trong kỹ thuật điều chế PWM

Bố trí sóng mang đã được một số tác giả nghiên cứu và mang lại những kết quả
nhất đònh. Do kỹ thuật thiết lập giản đồ kích đóng các linh kiện công suất trong
bộ nghòch lưu áp phù thuộc vào cách bố trí sóng mang như thế nào. Theo đó
người ta có thể chia thành ba loại như sau [3]:

2.2.1.1 Bố trí cùng pha (PD: In Phase Disposition) : Tất cả các sóng mang
đều cùng pha nhau hình 2.1.


Trang 16

Hình 2.1-Dạng sóng PD

2.2.1.2 Hai sóng mang kế cận liên tiếp nhau sẽ bò dòch 180 độ –gọi là APOD
( Alternative Phase Opposition Disposition ) hình 2.2

Hình 2.2 -Dạng sóng APOD

2.2.1.3 Bố trí đối xứng qua trục zero (POD – Phase opposition
Disposition).Tất cả các sóng mang nằm trên trục 0 sẽ cùng pha nhau và tất cả
các sóng mang nằm dưới trục 0 sẽ dòch đi 180 độ hình 2.3


Trang 17

Hình 2.3-Dạng sóng POD
Trong các phương pháp bố trí sóng mang, phương pháp bố trí các sóng
mang đa bậc cùng pha PD cho độ méo dạng áp dây nhỏ nhất. Riêng đối với bộ

nghòch lưu áp 3 bậc, phương pháp POD và APOD cho cùng kết quả như tài liệu
[3].

2.2.2 Mô phỏng và phân tích bộ nghòch lưu áp ba bậc
Để tiện cho việc so sánh kết quả của phương án đề xuất người thực hiện
tiến hành mô phỏng lại bộ nghòch lưu áp ba bậc (trên cùng phần mềm Psim ) :
Theo sự phân tích về việc bố trí xung kích ở trên ta chọn giản đồ kích như
hình 2.1:
Xét bộ nghòch lưu áp 3 bậc có diode kềm như hình 2.4

Hình 2.4

Để đơn giản ta chỉ cần phân tích một trong 3 pha của mạch nghòch lưu ba
bậc như hình 2.4 . Chẳng hạn, xét pha a xung kích cho các linh kiện S
a1
, S
a2
, S
a3
,


Trang 18
S
a4
được thiết lập trên cơ sở so sánh sóng điều khiển u
ra
của pha a với sóng mang
u
p1

( đối với xung kích cho cặp S
a1
và S
a3
) và u
p2
( đối với xung kích cho cặp S
a2

và S
a4
).Cụ thể là :

)1S;0S(uu
)0S;1S(uu
)1S;0S(uu
)0S;1S(uu
4a2a2pra
4a2a2pra
3a1a1pra
3a1a1pra




(2.2)
Từ giản đồ thiết lập trên, điện áp pha – tâm nguồn DC được xác đònh :










)1SS(2/U
)1SS(0
)1SS(2/U
u
4a3a
3a2a
2a1a
ao
(2.3)
Như vậy hoàn toàn xác đònh được điện áp pha – tâm nguồn DC. Từ đó có thể dễ
dàng tính được các điện áp pha tải như đã trình bày ở công thức (1.2)và (1.3).
Sơ đồ mô phỏng (dùng phần mềm Psim )như hình 2.5


Hình 2.5-Sơ đồ mô phỏng Psim cho bộ nghòch lưu áp 3 bậc
Kết quả mô phỏng của bộ nghòch lưu áp ba bậc theo kỹ thuật này được trình bày
ở hình 2.6a,b,c,d .Trong quá trình mô phỏng tải R =1 , L=0,02H, f
c
=10.000hz, f
=50hz và sóng mang được bố trí PD như hình 2.1



Trang 19

Hình 2.6a: điện áp ở ngỏ ra trên pha a của bộ nghòch lưu 3 bậc
(Với tần số sóng mang 10.000Hz – tần số sóng điều khiển 50Hz )

Hình 2.6b :dòng điện 3 pha ngỏ ra của bộ nghòch lưu 3 bậc
(Với tần số sóng mang 10.000Hz – tần số sóng điều khiển 50Hz )
Hình 2.6c : điện áp ở ngỏ ra trên pha a của bộ nghòch lưu 3 bậc
(Với tần số sóng mang 1.000Hz – tần số sóng điều khiển 50Hz )