Ứng dụng nghịch lưu áp đa mức trong hệ truyền động

TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 1(36).2010


9

ỨNG DỤNG NGHỊCH LƯU ÁP ĐA MỨC TRONG HỆ TRUYỀN ĐỘNG
APPLICATION OF MULTILEVEL INVERTERS TO ELECTRICAL DRIVES

Ngô Văn Quang Bình
Trường Đại học Sư phạm, Đại học Huế
Nguyễn Văn Liễn
Trường Đại học Bách khoa Hà Nội

TÓM TẮT
Bài báo trình bày kết quả nghiên c ứu và xây dựng thuật toán cho phương pháp điều
chế vectơ không gian cho bộ nghịch lưu áp 3 mức cấu trúc điốt kẹp. Trên cơ sở đó xây dựng
cấu trúc theo phương pháp điều khiển vectơ tựa theo từ thông rotor cho động cơ không đồng
bộ 3 pha rotor lồng sóc. Kết quả nghiên cứu được mô phỏng, kiểm chứng bằng Matlab và Plecs
cho thấy thuật toán của phương pháp điều chế vectơ không gian và cấu trúc điều khiển đã xây
dựng đáp ứng được yêu cầu kỹ thuật đề ra.
ABSTRACT
The paper presents the research result and the algorithm design of a space vector
modulation method for the 3L-NPC (three-level Neutral-Point-Clamped), which is basically
studied for designing the field-oriented control of a three-phase induction motor with squirrel-
cage rotor (IM). The investigation results verified by simulation using Matlab and Plecs show
that the algorithm of space vector modulation method and the design of the control structure
have been correctly made to meet technical requirements.

1. Đặt vấn đề
Sự tiến bộ gần đây trong việc nâng cao tính năng dòng, áp của các thiết bị
chuyển mạch như IGBT, IGCT, GTO đã thúc đẩy việc sử dụng các bộ nghịch lưu nguồn

áp trong lĩnh vực công suất lớn. Trong đó bộ nghịch lưu áp đa mức ngày càng được sử
dụng rộng rãi trong các truyền động điện xoay chiều, trong truyền tải điện xoay chiều
như bộ bù tĩnh. Ưu điểm chính của nó: công suất của bộ nghịch lưu áp tăng lên, điện áp
đặt lên các linh kiện giảm xuống nên công suất tổn hao do quá trình đóng cắt của linh
kiện cũng giảm theo, với cùng tần số đóng cắt các thành phần sóng hài bậc cao của điện
áp ra nhỏ hơn so với trường hợp bộ nghịch lưu 2 mức.
2. Bộ nghịch lưu áp 3 mức cấu trúc điốt kẹp
Cấu trúc của một bộ nghịch lưu điốt kẹp 3 mức (3L-NPC) như hình 1. Pha A của
bộ nghịch lưu gồm có 4 khóa bán dẫn S
1
đến S
4
và 4 điốt mắc song song ngược D
1
đến
D
4
. Điện áp vào một chiều của bộ nghịch lưu thường được chia bởi 2 tụ điện nối tầng
C
d1
và C
d2
, để tạo ra điểm trung tính ảo Z. Điện áp đặt lên mỗi tụ điện bằng E, thường
bằng một nửa điện áp nguồn một chiều đưa vào V
d
. Các điốt D
Z1
, D
Z2
nối với điểm

trung tính ảo Z gọi là các điốt chốt điểm trung tính. Các khóa chuyển mạch S
1
, S
3
và
S
2
, S
4
hoạt động theo nguyên tắc đối nghịch, có nghĩa là khi một khóa đóng thì khóa
còn lại sẽ ngắt.
TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 1(36).2010


10








Hình 1. Bộ nghịch lưu điốt kẹp 3 mức
3. Phương pháp điều chế cho bộ nghịch lưu áp 3L-NPC

Với bộ nghịch lưu áp 3L-NPC, trên mỗi pha ví dụ pha A điện áp
AZ
U
sẽ có ba

trạng thái điện áp khác nhau tương ứng với các trạng thái đóng ngắt của các khóa bán
dẫn. Do đó có tất cả 27 trạng thái đóng ngắt của các khóa bán dẫn trên ba pha tương ứng
với 27 vectơ tạo một vectơ không gian điện áp (hình 2). Dựa vào độ lớn, người ta chia
các vectơ này thành 4 nhóm:
- Vectơ không
0
V

: [PPP], [OOO] và [NNN].
- Vectơ nhỏ
16
V ÷V
 
: mỗi vectơ này có 2 loại vectơ P (chứa trạng thái P) và vectơ
N (chứa trạng thái N)
- Vectơ trung bình
7 12
V ÷V
 

- Vectơ lớn
13 18
V ÷V
 

Hình 2. Vectơ không gian điện áp của bộ nghịch lưu 3L-NPC
Ý tưởng của phương pháp điều chế vectơ không gian là tạo nên sự dịch chuyển
liên tục của vectơ không gian tham chiếu trên quỹ đạo đường tròn của vectơ điện áp bộ
nghịch lưu. Vectơ tham chiếu
ref
V

ở đây chính là vectơ trung bình trong thời gian một chu
kỳ điều chế T
pulse
z
V
của quá trình điều khiển bộ nghịch lưu áp. Tuy nhiên đặc điểm của bộ
nghịch lưu dạng NPC nói chung và 3 mức nói riêng là sự xuất hiện của các tụ điện tại
phần DC link, trong quá trình tác động của các trạng thái khác nhau sẽ làm xuất hiện điện
áp , là điện áp giữa điểm Z và âm nguồn một chiều. Vì vậy khi thiết kế trình tự chuyển
1
V

13
V

7
V

14
V


2
V

8
V

15
V

0
V

9
V

16
V

5
V

4
V

6
V

10
V


17
V

18
V

11
V

12
V

Sector I
Sector II
Sector III
Sector IV
Sector V
Sector VI
TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 1(36).2010


11

mạch của các khóa bán dẫn người ta tìm cách làm giảm nhỏ ảnh hưởng của các trạng thái
đến độ lệch điện áp
z
V
(hiện tượng mất cân bằng điện áp trên tụ điện) [3].
Qua quá trình phân tích ta có thể tổng kết ảnh hưởng của các vectơ điện áp đến
điện áp

z
V
như sau:
- Vectơ
0
V

không ảnh hưởng đến điện áp
z
V
.
- Các vectơ nhỏ
16
V ÷V
 
có ảnh hưởng lớn đến điện áp V
z
. Trong đó vectơ loại P
làm điện áp V
z
tăng, còn vectơ loại N làm điện áp V
z
- Các vectơ trung bình
giảm.
7 12
V ÷V
 
có ảnh hưởng đến điện áp V
z
- Các vectơ lớn

nhưng không xác
định được hướng tăng hay giảm.
13 18
V ÷V
 
cũng không ảnh hưởng đến điện áp V
z
Vì vậy để giảm sự mất cân bằng điện áp trên tụ điện, thời gian tác động của các
khóa bán dẫn tương ứng với trạng thái vectơ nhỏ sẽ được phân bố đều giữa hai trạng
thái loại P và loại N trong một chu kỳ điều chế. Tùy theo vị trí vectơ trung bình
.
ref
V


thuộc vị trí tam giác nào, ta có hai trường hợp được khảo sát [3].
- Trường hợp 1: trong ba vectơ cơ bản có một vectơ nhỏ:
Khi vectơ trung bình
ref
V

thuộc tam giác thứ hai và thứ tư của vùng I (hình 3a),
chỉ có một trong ba vectơ cơ bản là vectơ nhỏ. Trình tự và thời gian tác động của các
khóa bán dẫn tương ứng với trạng thái vectơ
ref
V

(hình 3b).

a) b
Hình 3. Trường hợp
ref
V

thuộc tam giác thứ tư của vùng I (I-4)
- Trường hợp 2: trong ba vectơ cơ bản có hai vectơ nhỏ
Khi vectơ điện áp trung bình
ref
V

thuộc tam giác thứ nhất và thứ ba của vùng I,
hai trong ba vectơ cơ bản là vectơ nhỏ. Để giảm hiện tượng mất cân bằng điện áp trên
tụ, người ta chia mỗi tam giác trên thành hai tam giác con. Do vectơ trung bình
ref
V

gần
với vectơ
1
V

hơn vectơ
2

V

nên thời gian tác động tương ứng T
1
1
V

của lâu hơn thời
gian tác động T
3
2
V

của . Lúc này
1
V

được gọi là vectơ nhỏ chủ yếu và thời gian tác
động của nó được phân bố đều giữa hai trạng thái
1P
V

và
1N
V

.
TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 1(36).2010

12

4. Các kết quả mô phỏng
Kết quả mô phỏng kiểm chứng trên Matlab & Plecs với các thông số của động
cơ: f
pulse
= 4 kHz, P
n
= 932,5 kW, U
d
= 4160 V, f = 60 Hz, n
đm
= 1189 vòng/phút,
Z
p
= 3, F = 0,0025, J = 22, R
s
= 0,21 Ω, R
r
= 0,146 Ω, L
ls
= L
lr
= 0,0052 H, L
m

= 0,155
H

Hình 4. Phổ tần số dòng điện tương ứng với bộ nghịch lưu 2 mức và 3 mức
Hình 5. Phổ tần số điện áp dây tương ứng với bộ nghịch lưu 2 mức và 3 mức
- Trường hợp áp dụng phương pháp điều khiển vectơ tựa theo từ thông rotor cho
bộ nghịch lưu áp 3 mức (hình 6) [1], [2], [4]:










a) Với bộ nghịch lưu 2 mức

b) Với bộ nghịch lưu 3 mức

a) Với bộ nghịch lưu 2 mức

b) Với bộ nghịch lưu 3 mức
TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 1(36).2010


13

Hình 6. Cấu trúc bộ điều khiển tựa theo từ thông rotor cho bộ nghịch lưu 3 mức







Hình 7a. Dòng stator trên hệ tọa độ dq Hình 7b. Đặc tính từ thông động cơ







Hình 7c. Đặc tính mômen động cơ Hình 7d. Đặc tính tốc độ động cơ
5. Kết luận
Từ các kết quả phân tích cho thấy tổng độ méo sóng hài của dòng điện và điện
áp dây của bộ nghịch lưu 3 mức nhỏ hơn rất nhiều so với bộ nghịch lưu 2 mức nhất là
trong trường hợp tải động cơ công suất lớn (hình 4, hình 5). Kết quả mô phỏng thể hiện
tổng độ méo sóng hài thấp, chất lượng dòng điện và điện áp ra của bộ nghịch lưu đáp
ứng yêu cầu đề ra.
Các đặc tính dòng điện, từ thông rotor, tốc độ và mômen của động cơ (hình 7) khi
có sử dụng phương pháp điều khiển vectơ tựa theo từ thông rotor có chất lượng khá tốt cho
thấy triển vọng ứng dụng của bộ nghịch lưu áp đa mức trong các hệ truyền động.
[1] Bùi Quốc Khánh, Nguyễn Văn Liễn, Phạm Quốc Hải, Dương Văn Nghi (2006),
Điều chỉnh tự động truyền động điện, NXB Khoa học và kỹ thuật, Hà Nội.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[2] Nguyễn Phùng Quang, Andreas Dittrich (2006), Truyền động điện thông minh,

NXB Khoa học và kỹ thuật, Hà Nội.
[3] Bin Wu (2006), High-Power Converters And AC Drives, Wiley-IEEE Press.
0 0.1 0.2
0.3
0.4 0.5
0.6 0.7
-10
-5
0
5
10
15
Thoi gian
Isdq
isq
isd
Khoi dong
Dong tai

0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0
0.5
1

1.5
2
2.5
3
3.5
Thoi gian
Phi'rd

0 0.1 0.2 0.3
0.4
0.5 0.6
0.7
-1.5
-1
-0.5
0
0.5
1
1.5
2
2.5
Thoi gian
Momen
Momen tai
Momen dien
Khoi dong Dong tai

0 0.1
0.2 0.3
0.4 0.5 0.6 0.7

-20
0
20
40
60
80
100
120
140
160
Thoi gian
wm
Toc do dong co
Toc do dat
Khoi dong
Dong tai