Bài giảng Điện tử công suất: Bộ nghịch lưu, biến tần Power Inverter (phần 3) - PGS.TS Lê Minh Phương

1/21/2013

Ho Chi Minh City University of
Technology
PGS.TS Lê Minh Phương
Khoa Điện –Điện Tử
Trường Đại Học Bách Khoa
TP HỒ CHÍ MINH

Contact info:
Address: 268 Lý Thường Kiệt, P.14,Q.10, TP Hồ Chí Minh
Telephone: 84-08-38647256 (5722)
Mobile: 0988572177
E-mail: ;
1

Power Electronics
Chương 2

BỘ NGHỊCH LƯU – BIẾN TẦN
POWER INVERTER
PGS.TS Lê Minh Phương
Khoa Điện –Điện Tử
Trường ĐHBK TPHCM

TPHCM
2012

2

1

1/21/2013

Contents – Nội dung
1. Tổng quan
2. Bộ nghịch lưu áp
a. Cấu hình
b. Nguyên lý làm việc
c. Phương pháp điều khiển
d. Mô hình hóa bằng Matlab-Simulink
3. Bộ nghịch lưu áp
a. Cấu hình
b. Nguyên lý làm việc
c. Phương pháp điều khiển
d. Mô hình hóa bằng Matlab-Simulink

1/21/2013

PGS.TS Le Minh Phuong

3

Bộ nghịch lưu áp - VSI
Space-Vector Modulation Techniques
Phương pháp điều chế vector không gian (SVPWM) thực
hiện bằng kỹ thuật số
 Là phương pháp được sử dụng phổ biến nhất hiện nay trong
lãnh vực điện tử công suất

Ứng dụng trong điều khiển truyền động điện xoay chiều 3
pha, điều khiển các mạch lọc tích cực, điều khiển các thiết bị
công suất trên hệ thống truyền tải điện.

1/21/2013

PGS.TS Le Minh Phuong

4

2


1/21/2013

Bộ nghịch lưu áp - VSI
Hệ tọa độ ba pha
Cho điện áp 3 pha cân bằng với biên độ là Vm

va  Vm sin(t )

2 

vb  Vm sin  t 

3 

4 

vc  Vm sin  t 


3 


1/21/2013

PGS.TS Le Minh Phuong

5

Bộ nghịch lưu áp - VSI
Hệ tọa độ ba pha
Tại thời điểm t=0 (wt=0)

va (t )  Vm sin 0  0

2

vb (t )  Vm sin  0 
3


vc (t )  Vm sin(0 

3

Vm

2


4
3
)
Vm
3
2

3
vmod  Vm
2

1/21/2013

PGS.TS Le Minh Phuong

6

3


1/21/2013

Bộ nghịch lưu áp - VSI
Hệ tọa độ ba pha
Tại thời điểm wt=/6

va (t )  Vm sin



6



Vm
2

  2
vb (t )  Vm sin  
6 3


  Vm


 4 V
vc (t )  Vm sin(  )  m
6 3
2
3
vmod  Vm
2
1/21/2013

PGS.TS Le Minh Phuong

7

Bộ nghịch lưu áp - VSI
Hệ tọa độ ba pha

Tại thời điểm wt=/3

va (t )  Vm sin


3



3
Vm
2

3
  2 
vb (t )  Vm sin  
Vm

2
3 3 
 4
vc (t )  Vm sin(  )  0
3 3
3
vmod  Vm
2
1/21/2013

PGS.TS Le Minh Phuong

8

4


1/21/2013

Bộ nghịch lưu áp - VSI
Hệ tọa độ ba pha
Vector điện áp v là tổng hình học 3 vector (va, vb, vc)

v  va  vb  vc

 Sau mỗi khoảng thời gian t, vector v quay một góc là wt ngược
chiều kim đồng hồ (ví dụ /6)
Biên độ vector tổng là 3/2Vm
1/21/2013

9

PGS.TS Le Minh Phuong

Bộ nghịch lưu áp - VSI
Hệ tọa độ ba pha
 Để làm việc với biên độ Vm phải nhân vector V với hệ số 2/3

2
v (t )  [va  vbe j (2/3)  vc e  j (2/3) ]
3
2

v (t )  [va  avb  a 2vc ]
3
a  e j (2/3)  cos
a 2  e j (4/3)  cos(

1/21/2013

2
2
1
3
 j sin
  j
3
3
2
2

4
4
1
3
)  j sin( )    j
3
3
2
2

Trong đó va, vb, vc là giá trị tức thời của điện áp
PGS.TS Le Minh Phuong

10

5


1/21/2013

Bộ nghịch lưu áp - VSI
Biến hình không gian - Space transformation
2
Vector V(t) trong hệ trục (abc) v (t )  [va  vbe j (2/3)  vc e  j (2/3) ]
3
Biến đổi theo dạng số phức

2
1
3
1
3
v (t )  [va  vb  j
vb  vc  j
vc ]
3
2
2
2
2
2
1

3
v (t )  [va  (vb  vc )  j
(vb  vc )]
3
2
2
v (t )  v (t )  jv (t )

1/21/2013

11

PGS.TS Le Minh Phuong

Bộ nghịch lưu áp - VSI
Biến hình không gian - Space transformation
2
1
2
1
v  [va  (vb  vc )]  va  (vb  vc )
3
2
3
3

v 

3
(vb  vc )

3

 v 
 
 v 

1/21/2013

2

cos0 cos
2
3

2
3
 sin 0 sin
3


4
3
2
sin
3

cos

PGS.TS Le Minh Phuong

 v 
 a
  vb 
 
  vc 


12

6


1/21/2013

Bộ nghịch lưu áp - VSI
Vector điện áp
v (t ) 

v (t ) 

j
2
Vm sin t  Vme
3

2
3

j
2 


sin  t 
  Vme
3 


2
3

4  

sin  t 

3 


2
4
j
j
2
2
2
4
4 
3
 cost sin )  Vme 3 (sin tcos
 cost sin ) 
Vm sin t  Vme (sin tcos
3

3
3
3
3 

v (t )  Vm (cost  j sin t )  Vme jt
Như vậy, trong hệ trục  vector
không gian V(t) có biên độ Vm sẽ
quay từ vị trí 0 với tốc độ góc là 
ngược chiều kim đồng hồ

1/21/2013

13

PGS.TS Le Minh Phuong

Space Vector Modulation
Space Vector Modulation
Switching States
Trạng thái đóng ngắt của bộ nghịch
lưu được biểu diễn dưới dạng nhị
phân q1, q2, q3, q4, q5, q6, khi qk = 1
transistor dẫn và ngược lại khi qk =
0, transistor ngắt. Các cặp q1q4, q3q6,
q5q2 bù cho nhau, nghĩa là,
q4 = 1- q1, q6 = 1- q3, q2 = 1- q5

1/21/2013

PGS.TS Le Minh Phuong

14

7


1/21/2013

Space Vector Modulation
Space Vector Modulation
Switching States

1/21/2013

Phương pháp điều khiển 6 bước tạo nên sự dịch chuyển nhảy
cấp tuần hoàn của vector
không gian giữa 6 vị trí đỉnh của hình lục giác. Điều này làm quá
trình điện áp pha tải nghịch
lưu hình thành chứa nhiều thành phần sóng hài bậc cao. Hệ quả
là quỹ đạo vector không gian
bị biến đổi về pha và modul so với trường hợp áp ba pha tải dạng
sin. Mặt khác, phương pháp
điều chế độ rộng xung dạng sin dù tạo ra điện áp pha tải gần
dạng sin nhưng chỉ có thể đảm
bảo phạm vi điều khiển thành phần điện áp cơ bản của pha tải
đến biên độ Vd/2.
Phương pháp điều chế vector không gian khắc phục các nhược
điểm của hai phương
pháp nêu trên.

PGS.TS
Le Minh
Phuongpháp điều chế vector không gian là tạo nên
Ý tưởng
của phương
sự dịch chuyển liên
tục của vector không gian tương đương trên quỹ đạo đường tròn
của vector điện áp bộ
nghịch lưu, tương tự như trường hợp vector không gian của đại
lượng sin ba pha tạo được.
Với sự dịch chuyển đều đặn của vector không gian trên quỹ đạo
tròn, các sóng hài bậc
cao được loại bỏ và quan hệ giữa tín hiệu điều khiển và biên độ
áp ra trở nên tuyến tính.
Vector tương đương ở đây chính là vector trung bình trong thời
gian một chu kỳ lấy mẫu
Ts của quá trình điều khiển bộ nghịch lưu áp.

15

Space Vector Modulation

Space Vector Modulation

Điện áp pha được tính dựa vào trạng thái đóng ngắt

1
 v  2 
   Vs 
 v  3  0




1
2
3
2


1
 vL  2 
Vs 


3 
 vL  
0


va 

1/21/2013

1
2
3
2

Vs
(2q1  q3  q5 )

3

vab  Vs (q1  q3 )

1  q
 1
2  
 q3
 3   
 q
2   5
1  q
 1
2  
  q3 
 3 
 q
2   5

vb 

Vs
(2q3  q1  q5 )
3

vbc  Vs (q3  q5 )

PGS.TS Le Minh Phuong

vc 

Vs
(2q5  q1  q3 )
3

vca  Vs (q5  q1 )
16

8


1/21/2013

Space Vector Modulation
Space Vector Modulation
Ví dụ:
 Switching state [POO] → S1, S6 and S2 ON
2Vs
V
vb   s
3
3
Vector điện áp

va 



vc  

Vs
3

2
V1  Vs e j 0
3



Tổng quát


j ( k 1)
2
3
Vk  Vs e
3

Với k=1,2..,6
1/21/2013

PGS.TS Le Minh Phuong

17

Space Vector Modulation
Active and Zero Vectors

1/21/2013

PGS.TS Le Minh Phuong

18

9


1/21/2013

Bộ nghịch lưu áp - VSI
Điện áp dây

1/21/2013

20

PGS.TS Le Minh Phuong

Bộ nghịch lưu áp - VSI
Điện áp pha

1/21/2013

PGS.TS Le Minh Phuong

21

10

1/21/2013

Bộ nghịch lưu áp - VSI
Các vector điện áp

Active vectors: V1-V6
(stationary, not rotating)
Zero vector V7 V0
 Six sectors: I to VI
1/21/2013

22

PGS.TS Le Minh Phuong

Space Vector Modulation
010

110

111
000

011

100

001

101

0

Value

PGS.TS Le Minh Phuong

time

1/21/2013

23

11


1/21/2013

Space Vector Modulation
Reference Vector Vref
Definition
Rotating in space at ω

Angular displacement

2
vr  [vra  0.5(vrb  vcr )]
3
1/21/2013

vr  

3
(vrb  vrc )
3

PGS.TS Le Minh Phuong

24

Space Vector Modulation
Reference Vector Vref
Trong vùng điều chế tuyến tính: Nếu tín hiệu điện áp tham chiếu
là dạng sóng ba pha cân bằng với biên độ Ac = 1 và tần số góc là
ω, ta có vector điện áp V với biên độ không đổi M Ac (= M) quay
với tần số góc ω và tạo ra đường tròn với bán kính là M nội tiếp
hình lục giác.

1/21/2013

PGS.TS Le Minh Phuong

25

12


1/21/2013

Space Vector Modulation
Chuyển mạch vector không gian -Space vector switching

SV switching là nội suy tín hiệu sin Vr bởi 8 vector (Vk, 0,1….7)
Điện áp tham chiếu được tạo nhờ 2 vector khác không và 1 vector zero
Nếu vector tham chiếu Vref nằm giữa vector bất kỳ Vn và Vn+1, thì hai
vector này và vector zero (Vz = V0 hoặc V7) tạo điện áp pha tải yêu cầu
với tối thiểu số lần chuyển mạch

1/21/2013

PGS.TS Le Minh Phuong

26

Space Vector Modulation
Chuyển mạch vector không gian -Space vector switching
Vector điện áp Vref trong
sector 1 được tạo ra bởi hai
vector V1, V2 và vector zero
(V0 hoặc V7).
Vector V1 tồn tại trong thời
gian Ta, vector V2 tồn tại
trong thời gian Tb và vector
zero (V0 hoặc V7) tồn tại
trong thời gian Tz

1/21/2013

PGS.TS Le Minh Phuong

27

13


1/21/2013

Space Vector Modulation
Chuyển mạch vector không gian -Space vector switching
Xét góc một phần sáu thứ nhất của hình lục giác tạo thành bởi đỉnh của
ba vector V1, V2, Vo. Các vector đỉnh V1, V2, Vo tạo thành các vector
cơ bản của góc phần sáu trên. Giả sử rằng trong thời gian lấy mẫu Ts, ta
cho tác dụng vector V1 trong thời gian T1, vector V2 trong thời gian T2
và vector 0 v tác dụng trong thời gian còn lại (Ts-T1-T2).
Vector tương đương được tính bằng vector trung bình bởi chuỗi tác
động liên tiếp nêu trên, tức là:

1/21/2013

PGS.TS Le Minh Phuong

28

Space Vector Modulation
Chuyển mạch vector không gian -Space vector switching

1/21/2013

PGS.TS Le Minh Phuong

31

14


1/21/2013

Space Vector Modulation
Dwell Time Calculation
Volt-Second Balancing

Vref .Ts  V1.Ta  V2 .Tb  V0 .T0

Ts  Ta  Tb  T0
Ta, Tb and T0 – dwell times for , and V1 V2 V0
Ts – sampling period

Space vectors


j
2
2
Vref  Vref e j ;V1  Vs ;V2  Vs e 3
3
3

1/21/2013

PGS.TS Le Minh Phuong

2

1

Re : Vref cos  3 VsTa  3 VsTb

Im : V sin   1 V T
ref
s b

3

32

Space Vector Modulation
Dwell Time Calculation
Volt-Second Balancing
Vref .Ts  V1.Ta  V2 .Tb  V0 .T0

Ts  Ta  Tb  T0
Ta, Tb and T0 – dwell times for , and V1 V2 V0
Ts – sampling period

Space vectors


j
2
2
Vref  Vref e j ;V1  Vs ;V1  Vs e 3
3
3

1/21/2013

PGS.TS Le Minh Phuong

33

15


1/21/2013

Space Vector Modulation
Dwell Time Calculation
2
1

Re : Vref Ts cos  3 VsTa  3 VsTb

Im : V T sin   1 V T
ref s
s b

3

3TsVref

sin(   )
Ta 
Vs

3


3TsVref

sin 
Tb 
Vs

T0  Ts  Ta  Tb


1/21/2013

0  


3

34

PGS.TS Le Minh Phuong

Space Vector Modulation
Modulation Index

3TsVref

sin(n   )
Ta 

V
3
s


3TsVref
n 1

sin( 
)
Tb 
Vs
3

T0  Ts  Ta  Tb



1/21/2013



Ta  maTs sin(n 3   )

n 1

)
Tb  maTs sin( 
3


T0  Ts  Ta  Tb


PGS.TS Le Minh Phuong

n  1...6;0   

n  1...6;0   


3

ma 


3

3Vref
Vs

35

16


1/21/2013

Space Vector Modulation
Vref Location versus Dwell Times

1/21/2013

PGS.TS Le Minh Phuong

36

Space Vector Modulation
Modulation Range
Vref,max
2
3 Vs
Vref,max  Vs

3
2
3
ma ,max 

3Vref,max
Vs

1

Modulation range: 0 ≤ ma ≤ 1

1/21/2013

PGS.TS Le Minh Phuong

37

17


1/21/2013

Space Vector Modulation
Switching Sequence Design
Basic Requirement:

Trình tự đóng ngắt phải được thực hiện sao cho
chuyển từ trạng thái này sang trạng thái khác thì chỉ
có một pha chuyển mạch.
Implementation:
Ví dụ, vector điện áp nằm trong sector 1, trình tự
đóng ngắt sẽ là V0,V1,V2,V7,V7,V2,V1,V0
Thời gian Tz ( = T0 = T7) được chia và phân bố ở
thời điểm đầu và cuối của chu kỳ Ts
1/21/2013

PGS.TS Le Minh Phuong

38

Space Vector Modulation
• Seven-segment Switching Sequence
Selected vectors:
V0, V1 and V2
• Dwell times:
Ts = T0 + Ta + Tb

Total number of switchings: 6
1/21/2013

PGS.TS Le Minh Phuong

39

18


1/21/2013

Space Vector Modulation
Vector in Sector 1
TPWM
Ts

Ts

To/2

TA

TB

To/2

To/2

TB

TA

To/2

V0

V1

V2

V7

V7

V2

V1

V0

S1
S3
S5

Vector Vs in Sector 1

1/21/2013

40

PGS.TS Le Minh Phuong

Space Vector Modulation
Vector in Sector 2
Ts

Ts

To/2

TB

TA

To/2

To/2

TA

TB

To/2

V0

V3

V2

V7

V7

V2

V3

V0

S1
S3
S5

Vector Vs in Sector 2

1/21/2013

PGS.TS Le Minh Phuong

41

19


1/21/2013

Space Vector Modulation

Vector in Sector 3
Ts

Ts

To/2

TA

TB

To/2

To/2

TB

TA

To/2

V0

V3

V4

V7

V7

V4

V3

V0

S1
S3
S5

Vector Vs in Sector 3

1/21/2013

42

PGS.TS Le Minh Phuong

Space Vector Modulation
Vector in Sector 4

Ts

Ts

To/2

TB

TA

To/2

To/2

TA

TB

To/2

V0

V5

V4

V7

V7

V4

V5

V0

S1
S3

S5

Vector Vs in Sector 4

1/21/2013

PGS.TS Le Minh Phuong

43

20


1/21/2013

Space Vector Modulation
Vector in Sector 5
Ts

Ts

To/2

TA

TB

To/2

To/2

TB

TA

To/2

V0

V5

V6

V7

V7

V6

V5

V0

S1
S3
S5

Vector Vs in Sector 5

1/21/2013

44

PGS.TS Le Minh Phuong

Space Vector Modulation
Vector in Sector 6

Ts

Ts

To/2

TB

TA

To/2

To/2

TA

TB

To/2

V0

V1

V6

V7

V7

V6

V1

V0

S1
S3
S5

Vector Vs in Sector 6

1/21/2013

PGS.TS Le Minh Phuong

45

21


1/21/2013

Space Vector Modulation
010

110

111
000

011

100

001

101
0

Value

time

1/21/2013

PGS.TS Le Minh Phuong

46

Space Vector Modulation
• Switching Sequence Summary (7–segments)

1/21/2013

PGS.TS Le Minh Phuong

49

22


1/21/2013

Space Vector Modulation
Simulated Waveforms

f1 = 60Hz, fsw = 900Hz, ma = 0.696, Ts = 1.1ms
1/21/2013

PGS.TS Le Minh Phuong

50

Space Vector Modulation
Waveforms and FFT

f1 = 60Hz, fsw = 900Hz, ma = 0.696, Ts = 1.1ms
1/21/2013

PGS.TS Le Minh Phuong

51

23


1/21/2013

Space Vector Modulation
Waveforms and FFT (thực nghiệm)

f1 = 60Hz, fsw = 900Hz, ma = 0.696, Ts = 1.1ms

1/21/2013

PGS.TS Le Minh Phuong

52

Space Vector Modulation
Waveforms and FFT (Measured)

f1 = 60Hz, fsw = 900Hz, ma = 0.696, Ts = 1.1ms

1/21/2013

PGS.TS Le Minh Phuong

53

24

1/21/2013

Bộ nghịch lưu áp - VSI
Overmodulation - Quá điều chế
Quá điều chế cho phép tận dụng điện áp nguồn DC nhiều hơn kỹ thuật
điều chế vector chuẩn, nhưng điện áp ra dạng không sin với hệ số méo
dạng cao, đặc biệt khi tần số điện áp ngõ ra thấp

Hệ số điều chế lớn nhất của
SVM ma=2/3.
Khi 0<=ma<=1 điều chế
tuyến tính
Khi 1chế
Khi ma=2/3 Six-step

1/21/2013

61

PGS.TS Le Minh Phuong

Bộ nghịch lưu áp - VSI
Overmodulation - Quá điều chế
Trong quá điều chế, vector tham chiếu có quỹ đạo nằm ngoài đường
tròn nội tiếp hình lục giác.
Phần đường tròn nằm phía bên trong hình lục giác sử dụng biểu thức
điều chế SVM tuyến tính.

Phần đường tròn nằm ngoài hình lục giác bị giới hạn bởi ranh giới lục
giác thì thời gian của các vector sẽ được tính bằng các biểu thức sau
Tn  Ts
Tn1  Ts

3 cos( )  sin( )
3 cos( )  sin( )
2sin( )
3 cos( )  sin( )

T0  Ts  T1  T2  0

1/21/2013

PGS.TS Le Minh Phuong

62

25