Bài giảng Điện tử công suất: Bộ nghịch lưu, biến tần Power Inverter (phần 2) - 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 dòng
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
Bộ nghịch lưu áp – Voltage Source Inverter (VSI)
2. Bộ nghịch lưu áp 3 pha
1. Nguyên lý làm việc
2. Phương pháp điều khiển

3. Mô phỏng Matlab-Simulink

1/21/2013

PGS.TS Le Minh Phuong

4

2


1/21/2013

Bộ nghịch lưu áp - VSI
Bộ nghịch lưu áp 3 pha

1/21/2013

The switches of any leg of the
inverter (S1 and S4, S3 and S6,
Q1~Q6 ─IGBTs, switching devices or S5 and S2) cannot be
D1~D6 ─Freewheeling diodes
switched
on
simultaneously
because this would result in a
C ─dc filter capacitor (VSI)
short circuit across the dc link
Vs ─dc link voltage
voltage supply
5

PGS.TS Le Minh Phuong

Bộ nghịch lưu áp - VSI
Bộ nghịch lưu áp 3 pha

1/21/2013

PGS.TS Le Minh Phuong

6

3


1/21/2013

Bộ nghịch lưu áp - VSI
Bộ nghịch lưu áp 3 pha

1/21/2013

7

PGS.TS Le Minh Phuong

Bộ nghịch lưu áp 1 pha
Square wave operation
Note:
Period
Period

Period
Period
Period
Period

1/21/2013

PGS.TS Le Minh Phuong

I: Q5, Q6 and Q1 on
II: Q6, Q1 and Q2 on
III: Q1, Q2 and Q3 on
IV: Q2, Q3 and Q4 on
V: Q3, Q4 and Q5 on
VI: Q4, Q5 and Q6 on

8

4


1/21/2013

Bộ nghịch lưu áp 1 pha

VaN=1/3(2Va0-Vb0-Vc0)
Vab=Vs(g1-g3)

1/21/2013

VbN=1/3(2Vb0-Va0-Vc0)
Vbc=Vs(g3-g5)

VcN=1/3(2Vc0-Va0-Vb0)
Vca=Vs(g5-g1)
9

PGS.TS Le Minh Phuong

Bộ nghịch lưu áp 3 pha
Waveforms, phase voltage on load
Note:
vg1 and vg4 are complimentary
vg3 and vg6 are complimentary
vg5 and vg2 are complimentary
Va0 is controlled by g1, g4.
Vb0 is controlled by g3, g6.
Vc0 is controlled by g5, g2.

1/21/2013

PGS.TS Le Minh Phuong

10

5


1/21/2013

Bộ nghịch lưu áp 3 pha
Waveforms, phase voltage on load
VaN=1/3(2Va0-Vb0-Vc0)

VbN=1/3(2Vb0-Va0-Vc0)

VcN=1/3(2Vc0-Va0-Vb0)

1/21/2013

11

PGS.TS Le Minh Phuong

Bộ nghịch lưu áp 3 pha
Waveforms, line voltage on load
Vab=Vs(g1-g3)
Vbc=Vs(g3-g5)
Vca=Vs(g5-g1)

1/21/2013

PGS.TS Le Minh Phuong

12

6


1/21/2013

Bộ nghịch lưu áp 1 pha
Analysis
Trị hiệu dụng điện áp dây có thể tính
VL  Vs

2
 0,8165Vs
3

Van 

2
Vs  0.471Vs
3

Điện áp tải tức thời theo phân tích Fourier
vab 

4Vs
n
n


sin
sin
sin n  t  
2
3
6


n 1,3,5,... n






van  
n 1

1/21/2013

 n
sin 
3n
 3

4Vs


 sin(nt )

13

PGS.TS Le Minh Phuong

Bộ nghịch lưu áp 1 pha
Trị hiệu dụng hài cơ bản điện áp tải:
VL (1) 

4Vs sin 600
2

 0.770Vs

Van (1) 

2



Vs  0.45Vs

Dòng điện tải tức thời theo phân tích Fourier


4Vs
n 
ia   
sin  sin(nt   n )
2
2
3 
n 1,3,5,...  3[ n R  ( n L) ]


Trong đó: n - góc lệch pha trong hài bậc n dòng
điện tải
 nL 

n  ac tan 

 R 

1/21/2013

PGS.TS Le Minh Phuong

14

7


1/21/2013

Bộ nghịch lưu áp 3 pha
Load neutral voltage
Note: In practical design, the neutral of capacitors is not grounded
because of the grounded three phase power supply.

Neutral point grounded three-phase inverter

1/21/2013

vn: voltage of load neutral respect to ground
vA0: voltage of node A respect to ground
vB0: voltage of node B respect to ground
vC0: voltage of node C respect to ground
PGS.TS Le Minh Phuong

15

Bộ nghịch lưu áp 3 pha
Load neutral voltage

1/21/2013

PGS.TS Le Minh Phuong

16

8


1/21/2013

Bộ nghịch lưu áp 3 pha
Nhận xét
 Thay đổi tần số điện áp tải bằng cách thay đổi
tần số f (chu kỳ T)
 Muốn thay đổi trị hiệu dụng điện áp tải phải điều
chỉnh được điện áp Vs
 Dòng điện tải không hoàn toàn Sin. Cần phải
lọc thành phần DC bằng tụ.
 Thành phần hài bậc bộ số của 3 bằng 0 (triple order harmonics are not presented)

1/21/2013

PGS.TS Le Minh Phuong

17

Bộ nghịch lưu áp - VSI
Bộ nghịch lưu áp – Voltage Source Inverter (VSI)
2. Bộ nghịch lưu áp 3 pha
1. Nguyên lý làm việc
2. Phương pháp điều khiển

3. Mô phỏng Matlab-Simulink

1/21/2013

PGS.TS Le Minh Phuong

19

9


1/21/2013

Bộ nghịch lưu áp - VSI
Điều chế độ rộng xung Sin (SINPWM)
Note:
(1) Modulating waves: three-phase
sinewaves (vmA, vmB, vmC) with
adjustable amplitude and frequency
(2) Carrier wave: triangular wave,
fixed amplitude, frequency may be
adjusted, depends on applications

(3) vmA≥vc →Q1 on
vmAvg1 and vg4 are complementary
(4) vmB≥vc →Q3 on
vmBvg3 and vg6 are complementary
(5) vmC≥vc →Q5 on
vmCvg5 and vg2 are complementary

1/21/2013

20

PGS.TS Le Minh Phuong

Bộ nghịch lưu áp - VSI
Điều chế độ rộng xung Sin (SINPWM)
Also, the inverter output voltage has
the following features:
ƒPWM frequency is the same as the
frequency of Vtri
ƒAmplitude is controlled by the peak
value of Vcontrol
ƒFundamental frequency is
controlled by the frequency of
Vcontrol

1/21/2013

PGS.TS Le Minh Phuong

21

10


1/21/2013

Bộ nghịch lưu áp - VSI
Điều chế độ rộng xung Sin (SINPWM)
(3) vmA≥vc →Q1 on→vA0=Vs/2
vmAvg1 and vg4 are complementary
(4) vmB≥vc →Q3 on→vB0=Vs/2
vmBvg3 and vg6 are complementary
(5) vmC≥vc →Q5 on→vC0=Vs/2
vmCvg5 and vg2 are complementary

1/21/2013

22

PGS.TS Le Minh Phuong

The three-phase VSI. Ideal
waveforms for the SPWM
(ma = 0.8, mf = 9):

(a) carrier and modulating signals
(b) switch S1 state;
(c) switch S3 state;
(d) ac output voltage;

Bộ nghịch lưu áp - VSI

1/21/2013

PGS.TS Le Minh Phuong

23

11


1/21/2013

Bộ nghịch lưu áp - VSI
Phân tích phổ điện áp dây tải
The harmonics in the ac output
voltage appear at normalized
frequencies fh centered around
mf and its multiples, specifically,
at h = l mf ±k l= 1, 2, . . .
where l = 1, 3, 5, . . . for k = 2, 4,
6, . . . and l = 2, 4, . . . For k = 1,5,
7, . . . Such that h is not a
multiple of 3. Therefore, the
harmonics will be at mf ± 2, mf ±

4, . . ., 2mf ± 1, 2mf ± 5, . . ., 3mf
The three-phase VSI. Ideal waveforms for ± 2, 3mf ± 4, . . ., 4mf ± 1, 4mf ±
5, . . ..
the SPWM (ma = 0.8, mf = 9):
(d) ac output voltage;
(e) ac output voltage spectrum;

1/21/2013

PGS.TS Le Minh Phuong

24

Bộ nghịch lưu áp - VSI
Các thành phần hài trong điện áp tải

1/21/2013

PGS.TS Le Minh Phuong

25

12


1/21/2013

Bộ nghịch lưu áp - VSI
Các thành phần hài trong điện áp

1/21/2013

26

PGS.TS Le Minh Phuong

Bộ nghịch lưu áp - VSI
Phân tích phổ dòng điện DC-link
For nearly sinusoidal ac load
current, the harmonics in the dc
link current are at frequencies
given by h = l mf ± k ± 1 l = 1, 2,
. . . where l = 0, 2, 4, . . . for k =
1, 5, 7, . . . and l = 1, 3, 5, . . . for
k = 2, 4, 6, . . . such that h = l ·
mf ± k is positive and not a
multiple of 3. For instance, Fig
shows the sixth harmonic (h =
6), which is due to h = 1 · 9 − 2
− 1 = 6.
The three-phase VSI. Ideal waveforms for
the SPWM (ma = 0.8, mf = 9:
(g) dc current; (h) dc current spectrum;

1/21/2013

PGS.TS Le Minh Phuong

27

13


1/21/2013

Bộ nghịch lưu áp - VSI
Điều chế độ rộng xung Sin (SINPWM)

The three-phase VSI. Ideal waveforms for the SPWM (ma = 0.8, mf=9):
(i) switch S1current; and
(j) diode D1 current.
1/21/2013

PGS.TS Le Minh Phuong

28

Bộ nghịch lưu áp - VSI
Điều chế độ rộng xung Sin (SINPWM)
In the linear region (ma ≤ 1) the maximum amplitude of the
fundamental ac output line voltage is √3vi /2. Therefore, one can write

To further increase the amplitude of the load voltage, the amplitude of
the modulating signal ˆvc can be made higher than the amplitude of the
carrier signal ˆv, which leads to overmodulation. The relationship
between the amplitude of the fundamental ac output line voltage and
the dc link voltage becomes non-linear

3
1/21/2013

Vs
V
4
 vab1  vbc1  vca1 
3 s
2

2

PGS.TS Le Minh Phuong

29

14


1/21/2013

Bộ nghịch lưu áp - VSI
Square-wave Operation of Three-phase VSIs
Large values of ma in the
SPWM technique lead to full
overmodulation.
This
is
known
as
square-wave
The

ac lineasoutput
voltage
operation
illustrated
in Fig,
contains
thepower
harmonics
fh,are
where the
valves
Where
h
=
6
·
k
±
1
(k
=
1, 2,
on for 180◦.
3, . . .) and they feature
amplitudes
that are inversely proportional
to their harmonic order

(c)ac output voltage; and
(d) ac output voltage spectrum.

1/21/2013

30

PGS.TS Le Minh Phuong

Bộ nghịch lưu áp - VSI
Sinusoidal PWM with Zero Sequence Signal Injection
This approach expands the range of the linear region as it allows
the use of modulation indexes ma up to 2/√3 without getting into the
overmodulating region

A zero sequence signal is
added to the modulating
signals before they are
compared to the carrier
signal

1/21/2013

PGS.TS Le Minh Phuong

31

15


1/21/2013

Bộ nghịch lưu áp - VSI

Sinusoidal PWM with Zero Sequence Signal Injection
The addition of the zero
sequence reduces the
peak amplitude of the
resulting
modulating
signals (uca , ucb , ucc ),
while the fundamental
components
remain
unchanged

Zero sequence signal generator (ma = 1.0, mf = 9):
(b) modulating signals; and
(c) zero sequence and modulating signals with zero sequence injection.
1/21/2013

PGS.TS Le Minh Phuong

32

Bộ nghịch lưu áp - VSI
Sinusoidal PWM with Zero Sequence Signal Injection

The maximum amplitude of the fundamental phase voltage in the linear
region ma ≤ 2/√3 is vi /2, thus, the maximum amplitude of the
fundamental ac output line voltage is vi

1/21/2013

PGS.TS Le Minh Phuong

33

16


1/21/2013

Bộ nghịch lưu áp - VSI
Sinusoidal PWM with Zero Sequence Signal Injection
The
three-phase
VSI.
Ideal
waveforms for the SPWM (ma = 0.8,
mf = 9) with zero sequence signal
injection:
(a) modulating signals;
(b) carrier and modulating signals
with zero sequence signal injection;
(c) switch S1 state;

1/21/2013

34

PGS.TS Le Minh Phuong

Bộ nghịch lưu áp - VSI

Sinusoidal PWM with Zero Sequence Signal Injection
The three-phase VSI.
Ideal waveforms for the
SPWM (ma = 0.8, mf = 9)
with zero sequence signal
injection:
(d) ac output voltage;
(e) ac output voltage
spectrum;

1/21/2013

PGS.TS Le Minh Phuong

35

17


1/21/2013

Bộ nghịch lưu áp - VSI
Selective Harmonic Elimination in Three-phase VSIs
As in single-phase VSIs, the SHE technique can be applied to threephase VSIs
The harmonics multiples of 3 (h = 3, 9, 15, . . .), could be present in the
phase voltages (vaN , vbN , and vcN ), and will not be present in the
load voltages (vab, vbc , and vca )

1/21/2013

PGS.TS Le Minh Phuong

36

Bộ nghịch lưu áp - VSI
Selective Harmonic Elimination in Three-phase VSIs
Thus the chopping angles are used to eliminate only the harmonics
at frequencies h = 5, 7, 11, 13, . . . as required.
To eliminate the fifth and seventh harmonics and perform fundamental
magnitude control (N = 3),

1/21/2013

PGS.TS Le Minh Phuong

37

18


1/21/2013

Bộ nghịch lưu áp - VSI
Sinusoidal PWM with Zero Sequence Signal Injection

Chopping angles for SHE and fundamental voltage
control in three-phase VSIs: fifth and seventh harmonic elimination.
1/21/2013

PGS.TS Le Minh Phuong

38

Bộ nghịch lưu áp - VSI
Selective Harmonic Elimination in Three-phase VSIs

The three-phase VSI. Ideal waveforms for the SHE technique: (a)
phase voltage vaN for fifth and seventh harmonic elimination;
(b) spectrum of (a); (c) line voltage vab for fifth and seventh harmonic
elimination; and (d) spectrum of (c).
1/21/2013

PGS.TS Le Minh Phuong

39

19


1/21/2013

Bộ nghịch lưu áp - VSI
Điều chế giảm hài bậc 3 trong điện áp pha
1
1
1
 2

vr  M .  sin( x) 
sin(3x) 

sin(9 x) 
sin(15 x)  ; M  1
2

60

280

 3

1
 2

vr  M .  sin( x) 
sin(3x)  ;
3 3
 3


1/21/2013

PGS.TS Le Minh Phuong

(0  M  1)

40

Bộ nghịch lưu áp - VSI
Delta Modulation

Ia* - Reference current (phase A) ia*
Ia - actual inverter output current (phase A)
ia - error signal (phase A)
1/21/2013

PGS.TS Le Minh Phuong

41

20


1/21/2013

Bộ nghịch lưu áp - VSI
Phương pháp điều chế theo dòng điện
Delta Modulation
As a result, the actual current ia will be
kept within the upper and lower band limits

Note:
(1) Assume vg1=“1”→G1
If
reference current is
on→ia↑ until t1
sine
current
(2) Atwave,
t1, iaactual
reaches

the is
also
sine wave on which
UBL→vg1=“0”→vg4=“1”→
some
high
order
G4on→ia↓ until
t2
(3)
At t2, ia reaches the LBLare
harmonics
→vg1=“1”→vg4=“0”→G1
superimposed. High order
on→ia↑
harmonics can be filtered

out easily.
No low order harmonics.
Inverter output current
can
be
accurately
controlled
1/21/2013

PGS.TS Le Minh Phuong

42

Bộ nghịch lưu áp - VSI
Phương pháp điều chế theo dòng điện
Delta Modulation

1/21/2013

PGS.TS Le Minh Phuong

43

21


1/21/2013

Power Electronics



For Building
THANK YOU
FOR YOUR ATTENTION

1/21/2013

44

22