slide SVM Điện tử công suất_Nguồn BKHN

Học phần (EE4336): Thiết kế hệ thống
điều khiển điện tử công suất
Điều chế vector không gian (SVM)
cho nghịch lưu nguồn áp ba pha
Vũ Hoàng Phương

Hà Nội – 07/2014
07/2014

1


Nội dung trình bày
1. Vai trò (nhiệm vụ) khâu SVM trong hệ thống điều
khiển nghịch lưu nguồn áp ba pha.
2. Khái niệm vector không gian
3. Nội dung phương pháp điều chế vector không gian.
4. Kết quả mô phỏng.
5. Kết luận
6. Tài liệu tham khảo

07/2014

2


Vai trò điều chế vector không gian
U dc
da

Lương đặt Bộ điều

khiển

us

db

M

Driver

dc

SVM

NLNA
Sóng mang

Phản hồi

Hình 1. Sơ đồ khối hệ thống điều khiển
nghịch lưu nguồn áp ba pha

Nhiệm vụ SVM:Tính toán thời gian
đóng ngắt van bán dẫn trong mạch
nghịch lưu đảm bảo giá trị trung bình
điện áp đầu ra mạch nghịch lưu bằng
với giá trị điện áp đặt vào khâu SVM.
07/2014

3

Khái niệm vector không gian
Ta hoàn toàn có khả năng biểu diễn 3 đai
lượng điện áp tức thời trong hệ thống 3
pha bằng một vector điện áp duy nhất
theo (1).
2π

j
1
3
2
2
3
a
=
e
=
−
+
j
u s = (ua + aub + a uc )
2
2
3
2
= (u a + u b + u c ) (1)
3
Trong mặt phẳng phức αβ, vector us được biểu diễn:

u s = uα + juβ

(2)

Bằng phép chuyển tọa độ Clarke (3), ta đưa hệ
thống 3 pha từ hệ tọa độ (abc) sang hệ tọa độ
αβ.
1
1  u

 a
1 −
−


u
 α 2
2
2
u  3
=


( )
u 
b

3
3

3

 β
uc 
0
−


2
2 
07/2014

Hình 2. Ví dụ về thành phần điện áp (abc)
và αβ theo trục thời gian

4


Khái niệm vector không gian
Với hệ 3 pha cân bằng và đối xứng – các pha điện áp có biên độ bằng nhau và
góc lệch tương ứng 2π/3.

Sử dụng thông tin vector us để
điều khiển cho hệ thống ba pha.

jβ

u sβ

( 5)

s

ω
θ

α

( 5)

φ: góc lệch pha giữa điện áp và
dòng điện
07/2014

u s = U m ∠(ωt )

usα

Tương tự ta cũng có:
i s = I m∠(ωt − ϕ )

( 4)

u


ua = U m cos(ωt )

2π


ω
cos(
)
u
=
U
t
−
 b
m
3

2π

uc = U m cos(ωt + 3 )

Hình 3. Biểu diễn vector không
gian trong hệ tọa độ αβ.

5


Nội dung phương pháp SVM
Bước 1: Xác định trạng thái (vector chuẩn ) của mạch nghịch lưu
Bằng 3 nhánh van ta có 8 trạng thái logic (do NLNA không cho phép ngắn mạch
nguồn vào một chiều, không hở mạch pha đầu ra). Ta qui ước, trạng thái logic
1 tương ứng van nhánh trên nối với cực (+); trạng logic 0 tương ứng van nhánh
dưới nối với cực (-) nguồn một chiều.
Do tải 3 pha đối xứng ta có:
2


u
=
 a 3 U dc

1

u
=
−
U dc ( 6 )
 b
3

1

u
=
−
U dc
 c
3

2
Theo (1) ta có: u1 = U dc ∠00 ( 7 )
3
07/2014

Hình 4. Trang thái 1 (u1 = 100)
6

Nội dung phương pháp SVM
Có 8 trạng thái : 2 trạng thái không (u0, u7) và 6 trạng thái tích cực (u1 u6)

Hình 5. Trạng thái (vector chuẩn) mạch nghịch lưu nguồn áp ba pha

Bài tập: Tính toán giá trị điện áp tức thời và vector điện áp cho các trạng thái
còn lại của mạch nghịch lưu
07/2014

7


Nội dung phương pháp SVM
Các vector điện áp trong mỗi trạng thái gọi là vector
chuẩn. Biên độ vector chuẩn xác định:

u3

β

u2

uS β

 u1 = u 2 = u 3 = u 4 = u 5 = u 6 = 2 / 3U dc

 u 0 = u 7 = 0

(8)

u0

u4

u7

uS
θ

u1

u Sα

Bảng 1. Bảng giá trị điện áp các vector chuẩn
Vector
Van dẫn
chuẩn
u0
S2 , S4 , S6

ua

ub

uc

uab

u bc

us

0

0

0

0

u1

S6 , S1 , S2

2/3 U dc

-1/3 U dc

-1/3 U dc

0
U dc

0
2 / 3U dc ∠0

u2

S1 , S2 , S3

1/3 U dc

1/3 U dc

-2/3 U dc

u3

S2 , S3 , S4

-1/3 U dc

2/3 U dc

-1/3 U dc

0
- U dc

u4

S3 , S4 , S5

-2/3 U dc

1/3 U dc

1/3 U dc

- U dc

u5

S4 , S5 , S6

-1/3 U dc

-1/3 U dc

2/3 U dc

u6

S5 , S6 , S1

1/3 U dc

-2/3 U dc

u7

S1, S3 , S5

0

0

07/2014

0
U dc

2 / 3Udc∠(π / 3)

U dc

2 / 3Udc∠(2π / 3)
2 / 3U dc ∠(−π )

1/3 U dc

0
U dc

0
- U dc
- U dc

2 / 3U dc ∠(−π / 3)

0

0

0

0

u5

u6

Hình 6. Vị trí vector chuẩn
trên hệ tọa độ tĩnh αβ

2 / 3U dc ∠(−2π / 3)

8

α


Nội dung phương pháp SVM
Nguyên tắc thực hiên điều chế vector không gian: Vector điện áp đặt sẽ được
tổng hợp từ các vector chuẩn đã biết của mạch nghịch lưu. Do đó, ta phải trả lời
được lần lượt các câu hỏi sau:
1. Thời gian thực hiện các vector chuẩn (bao gồm cả thời gian thực hiện các
vector tích cực và vector không) là bao lâu trong mỗi chu kỳ điều chế?
2. Trình tự thực hiện các vector chuẩn như thế nào khi vector điện áp đặt nằm
trong các sector khác nhau?
3. Xuất ra thời gian đóng ngắt các nhánh van mạch nghịch lưu?

07/2014

9


Nội dung phương pháp SVM

Bước 2: Xác định vị trí vector điện áp đặt us

uβ

Cách 1: Sử dụng phép tính lượng giác [3] θ = arctan( )
uα

U = (u 2 + u 2 )
α
β
 m

(9)

Gặp
khó
khăn
khi
thực
hiện
trong thực tế

Cách 2: Sử dụng phương pháp đại số để xác định vị trí vector điện áp đặt us

07/2014

Hình 7. Mối quan hệ giữa các sector và điện áp tức thời usa, usb, usc

10

Nội dung phương pháp SVM

usa = usα

−usα

u
=
 sb


−usα
u
=
 sc


usα
+ 3usβ
2
− 3usβ

us β

(* )

2

Hình 8. Thuật toán xác định vector điện áp đặt trong mỗi sector

07/2014

11


Nội dung phương pháp SVM
Bước 3: Tính toán thời gian (hoặc hệ số điều chế) thực hiện hai
vector chuẩn trong mỗi chu kỳ điều chế Ts.
β

Vector điện áp đặt us sẽ được tổng
hợp từ hai vector biên trong khoảng
thời gian T1,T2. Thời gian còn lại
(Ts – T1 –T2) thực hiện vector
không.

T1
T2
T0
u S = u x + u y + u 0 ( hay u 7 )
Ts
Ts
Ts
= d1u x + d 2u y + d 0u 0 ( hay u 7 )

07/2014

uy

(10 )

T2
.u y
Ts

T1
T2
us = ux + u y
Ts
Ts

u0
u7

ux
α
T1
.u x
s điều chế vector điện áp
Hình 9. Nguyên T
tắc

12


Nội dung phương pháp SVM
Tính toán hệ số điều chế vector chuẩn theo phương pháp đại số.

u 0 = u 7 = 0 nên (10) được viết lại:
u S = d1u x + d 2u y (11)

T1
T2
Trong đó: d1 = ; d 2 =
Ts
Ts
Do

Viết lại (10) theo thành phần trên hệ tọa độ tĩnh αβ

u Sα 
u yα  u xα
u xα 
  = d1   + d 2   = 
u xβ 
 u y β  u xβ
u S β 

 d1  u xα
 d  = u
 2   xβ

u yα   d1 
 
u yβ   d 2 

u yα  −1 uSα 
uSα 
   = A nm  
u yβ  uS β 
uS β 

(12 )

(13)

Hệ số d0 thực hiện vector không sẽ được xác định:
07/2014

T0 = Ts − T1 − T2

d 0 = 1 − d1 − d 2

(14 )

13


Nội dung phương pháp SVM
β
Xét ví dụ trong sector 1:
Vector us được biểu diễn như sau:

uSα  u1α
u  = u
 S β   1β

2
3
u2α  d1 
= U dc 




u2 β  d2 
0



u2

1 
3  d1 
 
1  d2 

3

(15)

Hệ số điều chế d1, d2 được xác định như (16):

2
 d1 
1 3
d  = U 
 2
dc  0



Hệ số điều chế cho vector không:
07/2014

uα
u0
u7

−1

1 
3

 u Sα 
1 
3
  =
2
1  uS β  U dc 

0
3

u s = d1.u1 + d 2 .u 2

uβ

α

Hình 10. Ví dụ điều chế vector
điện áp nằm trong sector 1

3
−
  u Sα 
2  
u S β 

3

d 0 = 1 − d1 − d 2

u1

(16 )

(17 )
14


Nội dung phương pháp SVM
Bảng 2. Bảng tổng hợp ma trận trong mỗi sector sử dụng trong (13)

A nm

A nm

A nm

2
1 3


=
U dc 
0


 1
−
1  3

=
U dc  1

 3

 1
−
1  3

=
U dc  1
−
3


Sector 1
−1
1 
3
−

1 
3 
 =
2
1 
U dc 

0
3
Sector 3
−1
2
 0
− 
1 
3
 =
U dc  − 3

0 
 2

Sector 5
−1
 3
1 
 −

1  2
3

 =
1 
U dc  3
−


3
 2

Sector 2
3

2 
3 

3 

3
−

2 
3

2 
3
−

2 

−

A nm

 2
1 
=
3
U dc 
 0

−1

1 
 3
 = 1 
3
2
U dc 

1 
 0

1
− 
2
1 

Sector 4
−1
2

 1
 0
−
− 
− 3
1  3
1 
3


 =
A nm =
3
3


U dc  1
U dc  −


0 
−

2
2

3


Sector 6

−1
1 
2
 3
3 
1 3
1 
3 


 =
A nm =
2
2

1 
U dc 
U dc 
0
−
0
− 3 



3



Nhận xét: Về mặt toán học thứ tự thực hiện các vector không ảnh đến giá trị trung

bình điện áp ra nghịch lưu trong môi chu kỳ điều chế. Tuy nhiên trình tự thực hiện
các vector quyết định đến chất lượng điện áp đầu ra, số lần chuyển mạch.
07/2014

15


Nội dung phương pháp SVM
Bước 4: Tính toán thời gian (hoặc hệ số điều chế) thực hiện nhánh
van mạch nghịch lưu trong mỗi chu kỳ Ts
Ts/2

Sử dụng mẫu xung đối xứng và thời gian sử
dụng vector không (u0, u7) bằng nhau.

1
T0 = T7 = (Ts − T1 − T2 )
2

(18)

Ts/2

T0/4 T1/2 T2/2 T0/4 T0/2 T2/2 T1/2 T0/2
u0

u1

u2

u7

u7

u2

u1

u0

S1
S3

Xét ví dụ trong sector 1.

u1 u2 u7 u0
Pha a 1 1 1 0
Pha b 0 1 1 0
Pha c 0 0 1 0
Trình tự chuyển mạch u0 → u1 → u2
→ u7 và u7 → u2 → u1 → u0
07/2014

S5
S4
S6
S2

Sector 1
Hình 11. Mẫu xung chuẩn

trong Sector 1
16


Nội dung phương pháp SVM
Căn cứ vào đặc điểm kênh PWM trong các vi điều khiển (thực chất là bộ đếm
tiến lùi), ta sẽ xác định được hệ số điều chế cho nhánh van mạch nghịch lưu

d0

d
=
 a 2

d0

d
=
+ d1
 b
2

d0

d
=
 c 2 + d1 + d 2

Ts/2

Ts/2

T0/4 T1/2 T2/2 T0/4 T0/2 T2/2 T1/2 T0/2
u0

(19 )

u1

u2

u7

u7

u2

u1

u0

S1
S3
S5
S4
S6

Hệ số điều chế được giới hạn: 0 ≤ da, db, dc ≤ 1

S2

Sector 1

Nhận xét: + Mỗi lần chuyển trạng thái chỉ có một nhánh cầu chuyển mạch.
+ Điện áp ra sẽ có sóng hài bậc 2fs do trong một chu kỳ mỗi pha
chuyển mạch 2 lần.
07/2014

17


Nội dung phương pháp SVM
Bài tập: Tính toán hệ số điều chế nhánh van mạch nghịch lưu khi vector điện
áp đặt nằm trong các sector còn lại.

07/2014

Hình 12. Các mẫu xung chuẩn đưa ra trong mỗi sector

18


Nội dung phương pháp SVM
Bảng 3. Hệ số điều chế cho nhóm nhánh van của mạch nghịch lưu

Sector
Sector 1

Sector 2

Sector 3

07/2014

Thời gian đóng/cắt
da = d0/2
db = d0/2 + d1
dc = d0/2 + d1 + d2
da = d0/2 + d1
db = d0/2
dc = d0/2 + d1 + d2
da = d0/2 + d1 + d2
db = d0/2
dc = d0/2 + d1

Sector
Sector 4

Sector 5

Sector 6

Thời gian đóng/cắt
da = d0/2 + d1 + d2
db = d0/2 + d1
dc = d0/2
da = d0/2 + d1
db = d0/2 + d1 + d2
dc = d0/2
da = d0/2

db = d0/2 + d1 + d2
dc = d0/2 + d1

19


Vấn đề bàn thêm
U dc / 3

Khả năng tận dụng điện áp một
chiều Udc bằng bao nhiêu??

+

+ Các mẫu xung có thể xuất hiện ở
bước 4 : Điều chế ngẫu nhiên, điều
chế 2 nhánh van… [1, 2, 3].

2U dc / 3

U dc / 2

Hình 13. Quĩ đạo vector điện áp
theo phương pháp PWM

Thời gian chết - deadtime phải có
(Hình 14), ảnh hưởng như thế nào đến
dạng điện áp ra mạch nghịch lưu .
+

Cần phải có biến pháp gì để giải quyết
vấn đề này (bù thời gian deadtime)[ 2].

+

07/2014

Hình 14. Xuất hiện thời gian chết deadtime
trong mỗi nhánh van mạch nghịch lưu
20


Kết quả mô phỏng
Ví dụ: Tham số mô phỏng sơ đồ Udc = 500V, tải của mỗi pha mạch nghịch lưu
R= 5Ω, L = 2mH (tải đối xứng, đấu hình sao), và biên độ điện áp đỉnh mỗi pha
là 200V có tần số 50Hz, tần số băm xung là 5kHz.
Sawtooth
1

pulses

u_anpha

Uq

vb

Duty

+

i
-

g

C

E

IGBT/Diode4

E

u_beta

IGBT/Diode2

Scope1
Us

E

IGBT/Diode

ab

C

g

0

g

va

dq

Ud

C

200

Gate

C urrent Measurement

uDC

1

Voltage Measurement
Scope

IGBT/Diode3
E

IGBT/Diode1

Hình 15. Sơ đồ mô phỏng khâu SVM và PWM
bằng Matlab/Simulink

07/2014

g

Constant4

Udc

C

SVM

DC
+
- v

IGBT/Diode5
E

500

1
puls

g

Fcn

C

Integrator

Relay

dq -> ab

E

f(u)

g

f*

1
s

C

-C-

Hình 16. Sơ đồ mô phỏng mạch nghịch lưu
nguồn áp ba pha bằng Matlab/Simpower

21

Kết quả mô phỏng
600

0.9
0.8

400
0.7

200
Uab(V)

0.6
0.5

0

0.4

-200
0.3

-400

0.2
0.1

0

0.01

0.02

0.03

0.04

0.05
t(s)

0.06

0.07

0.08

0.09

0.1

a. Hệ số điều chế tính ra từ khâu SVM

-600

0

0.01

0.02

0.03

0.04

0.05
t(s)

0.06

0.07

0.08

0.09

0.1

b. Điện áp dây đầu ra nghịch lưu ba pha

50
40
30
20

iSa(A)

10
0
-10

-20
-30
-40
-50

07/2014

0

0.01

0.02

0.03

0.04

0.05
t(s)

0.06

0.07

0.08

0.09

0.1

c. Dòng điện đầu ra nghịch lưu ba pha
d. Phân tích phổ dòng điện
Hình 17. Kết quả mô phỏng với phương pháp
điều chế vector không gian

22


Kết luận về phương pháp SVM
1.Tận dụng được điện áp một chiều tốt hơn phương pháp sinPWM (đã biết).
2. Linh hoạt tạo ra các mẫu xung khác nhau trong mỗi sector để phù hợp với
các ứng dụng riêng biệt. Từ đó xuất phương pháp điều chế mới: điều chế ngẫu
nhiên (giảm sóng hài điện áp tại lân cận tần số phát xung) và điều chế hai
nhánh van (giảm số lần chuyển mạch)....[1,2].
3. Phù hợp cài đặt cho vi điều khiển hiện tại.
4. Giảm sóng điều hòa bậc cao

07/2014

23


Tài liệu tham khảo
[1]. Nguyễn Phùng Quang, Andreas Dittrich (2006); Truyền động điện thông
minh; Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ thuật.
[2]. Nguyễn Phùng Quang; Điều chế ngẫu nhiên (stochastic modulation) Giải
pháp cải thiện phổ sóng hài; Tạp chí Tự động hóa ngày nay, số 86, 10/2007, tr.
97 – 100 và 102.
[4]. Trần Trọng Minh (2009); Giáo trình Điện tử công suất; Nhà xuất bản Giáo
dục.

[3]. Ali Keyhani (2005); Pulse-Width Modulation (PWM) Techniques;
Department of Electrical and Computer Engineering The Ohio State University

07/2014

24