Kỹ thuật pwm cho bộ nghịch lưu đa bậc

KỸ THUẬT PWM CHO BỘ NGHỊCH LƯU ĐA BẬC HV : PHẠM HOÀNG ANH 1 Phần 1. Giới thiệu về biến tần đa bậc 1.1 Bộ nghịch lưu: Bộ nghịch lưu có nhiệm vụ chuyển đổi năng lượng từ nguồn điện một chiều không đổi sang dạng năng lượng điện xoay chiều để cung cấp cho tải xoay chiều. Đại lượng được điều khiển ở ngõ ra là điện áp hoặc dòng điện. Nếu đại lượng được điều khiển ở ngõ ra là điện áp thì bộ nghịch lưu được gọi là bộ nghịch lưu áp, ngược lại gọi là bộ nghịch lưu dòng. Nguồn một chiều cung cấp cho bộ nghịch lưu áp có tính chất nguồn áp, và nguồn một chiều cung cấp cho bộ nghịch lưu dòng có tính chất nguồn dòng. Các bộ nghịch lưu tương ứng được gọi là bộ nghịch lưu áp nguồn áp và bộ nghịch lưu dòng nguồn dòng hoặc gọi tắt là bộ nghịch lưu áp và bộ nghịch lưu dòng. Trong trường hợp nguồn điện ở đầu vào và đại lượng ở ngõ ra khác nhau, bộ nghịch lưu cung cấp dòng điện xoay chiều từ nguồn điện áp một chiều, ta gọi chúng là bộ nghịch lưu dòng nguồn áp. Bộ nghịch lưu là thành phần chủ yếu trong bộ biến tần. Ứng dụng của chúng khá quan trọng và tương đối rộng rãi, chủ yếu nhằm vào lĩnh vực truyền động điện động cơ xoay chiều với độ chính xác cao. Trong lĩnh vực tần số cao, bộ nghịch lưu được dùng trong các thiết bị lò cảm ứng trung tần, thiết bị hàn trung tần... Bộ nghịch lưu còn được dùng làm nguồn điện xoay chiều cho các nhu cầu trong gia đình, làm nguồn điện liên tục UPS, điều khiển chiếu sáng và còn được ứng dụng trong lĩnh vực bù nhuyễn công suất phản kháng. KỸ THUẬT PWM CHO BỘ NGHỊCH LƯU ĐA BẬC HV : PHẠM HOÀNG ANH 2 1.2 Bộ nghịch lưu áp đa bậc: 1.2.1 Khái niệm: Bộ nghịch lưu áp là một bộ nghịch lưu có nguồn một chiều cung cấp là nguồn áp và đối tượng điều khiển ở ngõ ra là điện áp. Bộ nghịch lưu dòng là bộ nghịch lưu có nguồn một chiều cung cấp là nguồn dòng và đối tượng điều khiển ở ngõ ra là nguồn dòng. Trên thực tế nguồn một chiều là nguồn áp và đối tượng nghiên cứu là bộ nghịch lưu áp. Bộ nghịch lưu áp cung cấp và điều khiển điện áp xoay chiều ở ngõ ra, nguồn điện áp một chiều có thể là: pin điện, ắc quy, điện áp một chiều được chỉnh lưu từ điện áp xoay chiều có lọc phẳng… Các tải xoay chiều thường mang tính chất cảm kháng (động cơ xoay chiều, lò cảm ứng…), dòng điện qua các linh kiện không thể đóng ngắt bằng quá trình chuyển mạch tự nhiên. Do đó, linh kiện trong bộ nghịch lưu áp phải có khả năng kích đóng, ngắt dòng qua nó. Trong các ứng dụng với công suất nhỏ và vừa thì có thể sử dụng transitor BJT, MOSFET, IGBT. Trong phạm vi công suất lớn có thể dùng GTO, IGCT hoặc SCR kết hợp với bộ chuyển mạch. Với tải tổng quát, mỗi linh kiện còn mắc thêm một diode đối song để hạn chế điện áp phát sinh khi kích ngắt linh kiện. 1.2.2 Phân loại: Bộ nghịch lưu áp có nhiều loại và nhiều phương pháp điều khiển khác nhau:  Theo số pha điện áp đầu ra: nghịch lưu áp một pha, ba pha.  Theo số cấp giá trị điện áp giữa một đầu pha tải đến một điểm điện thế chuẩn trên mạch: hai bậc (two level), đa bậc (multilevel). Khái niệm bộ biến tần hai bậc xuất phát từ điện áp một đầu pha tải (pha A, B, C) với điểm chuẩn (vị trí nối đất) trên mạch DC thay đổi giữa hai bậc khác nhau (Vdc và 0). Bộ nghịch lưu áp hai bậc có nhược điểm là tạo điện áp cung cấp cho cuộn dây động cơ dv/dt khá lớn và gây ra hiện tượng điện áp common-mode (VNO khác 0) rất nghiêm trọng. Bộ nghịch lưu áp đa bậc được phát triển để giải quyết các vấn đề gây ra nêu trên của bộ nghịch lưu áp hai bậc và thường được sử dụng cho các ứng dụng điện áp cáo và công suất lớn. Ưu điểm của bộ nghịch lưu áp đa bậc là công suất của bộ nghịch lưu tăng lên, điện áp đặt lên các linh kiện giảm xuống nên công suất tổn hao do quá trình đóng ngắt của linh kiện cũng KỸ THUẬT PWM CHO BỘ NGHỊCH LƯU ĐA BẬC HV : PHẠM HOÀNG ANH 3 giảm theo; với cùng tần số đóng ngắt, các thành phần sóng hài bậc cao của điện áp ra giảm nhỏ hơn so với bộ nghịch lưu áp hai bậc.  Theo cấu hình bộ nghịch lưu: dạng Cascade, dạng nghịch lưu chứa cặp diode kẹp NPC. Các phương pháp điều khiển bộ nghịch lưu áp:  Phương pháp điều rộng  Phương pháp điều biên  Phương pháp điều chế độ rộng xung (SH – PWM )  Phương pháp điều chế độ rộng xung cải biến (Modified PWM)  Phương pháp điều chế vector không gian (SVPWM – Carrier Based PWM) KỸ THUẬT PWM CHO BỘ NGHỊCH LƯU ĐA BẬC HV : PHẠM HOÀNG ANH 4 Phần 2. Kỹ thuật điều chế sóng mang PWM Kỹ thuật điều chế sóng mang PWM: Từ áp tải 3 pha yêu cầu Vtj, có thể sử dụng sơ đồ sau để xác đinh Vj0: Theo sơ đồ trên ta tính được tín hiệu điều khiển cho các cặp linh kiện: Vj0 = Vjt + V0 (V0 là điện áp offset) Điện áp V0 có thể chọn giá trị bất kì trong giới hạn V0min:V0max của nó: V0min ≤ V0 ≤ V0max Với : V0min = nVd – Max V0max = - mVd – Min (tùy theo các bộ nghịch lưu mà chọn chỉ số m,n cho phù hợp) Min = min(Vt1, Vt2, Vt3) Max = max(Vt1, Vt2, Vt3) Các trường hợp đặc biệt: ) min ) max a Vo Vo b Vo Vo      điều chế gián đoạn (discontinueous PWM) min max) 2 Vo Voc Vo   space vector modulation (SVPWM) So sánh tín hiệu điều khiển Vj0 với sóng mang Vcarrier ta tính toán được tín hiệu điều chế danh định j KỸ THUẬT PWM CHO BỘ NGHỊCH LƯU ĐA BẬC HV : PHẠM HOÀNG ANH 5 Phần 3. Tính toán và mô phỏng Matlab A. Bộ biến tần đa bậc dạng Cascade A.1 Cấu trúc bộ nghịch lưu dạng Cascade: 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 gồm nhiều bộ nghịch lưu áp cầu một pha ghép nối tiếp, các bộ nghịch lưu áp dạng cầu một pha này có các nguồn DC riêng. Bằng cách kích đóng các linh kiện trong mỗi bộ nghịch lưu áp một pha, ba mức điện áp (-U,0,U) được tạo thành. Sự kết hợp hoạt động của n bộ nghịch lưu áp trên một nhánh pha tải sẽ tạo nên n khả năng mức điện áp theo chiều âm, n khả năng mức điện áp theo chiều dương và mức điện áp 0. Như vậy, bộ nghịch lưu áp dạng Cascade gồm n bộ nghịch lưu áp một pha trên mỗi nhánh sẽ tạo thành bộ nghịch lưu 2n+1 bậc. Bộ biến tần 5 bậc dạng H-Brige Cascade Tần số đóng ngắt trong mỗi module của dạng mạch này có thể giảm đi n lần và dv dt cũng giảm đi n lần. Điện áp áp đặt lên các linh kiện giảm đi 0,57 lần, cho phép sử dụng IJBT điện áp thấp. KỸ THUẬT PWM CHO BỘ NGHỊCH LƯU ĐA BẬC HV : PHẠM HOÀNG ANH 6 Ngoài dạng mạch gồm các bộ nghịch lưu áp một pha, mạch nghịch lưu áp đa bậc còn có dạng ghép từ ngõ ra của các bộ nghịch lưu áp ba pha. Cấu trúc này cho phép giảm dv dt và tần số đóng ngắt còn 1 3 . Mạch cho phép sử dụng các cấu hình nghịch lưu áp 3 pha chuẩn. Mạch nghịch lưu đạt được sự cân bằng điện áp các nguồn DC, không tồn tại dòng cân bằng giữa các module. Tuy nhiên cấu tạo mạch đòi hỏi sử dụng các máy biến áp ngõ ra. Bộ nghịch lưu được khảo sát ở đây là bộ nghịch lưu 5 bậc dạng Cascade, và dưới đây là giản đồ vector không gian với đầy đủ các trạng thái redundant state của nó. Giản đồ vector không gian điện áp của bộ cascade 5 bậc. Với cấu tạo như trên thì điện áp trên một pha được biểu diễn như sau: 0 1 2 3 4( )j dV V       ;j= A, B, C 0 1i  , với 1,6i  KỸ THUẬT PWM CHO BỘ NGHỊCH LƯU ĐA BẬC HV : PHẠM HOÀNG ANH 7 Thiết lập bảng 1: Bảng phân tích các tín hiệu điều khiển  : Mức điện áp nghịch lưu 0Av Các trạng thái đóng ngắt tương ứng Trạng thái đóng ngắt của các cặp linh kiện Sj=(s1,s2,s3,s4) 2Vd (Vd,0,Vd,0) (1,0,1,0) Vd (Vd,0,0,0);( 0,0,Vd,0) (1,0,0,0) 0 (0,0,0,0);(Vd,0 ,0,Vd);( 0,Vd,Vd,0) (0,0,0,0) -Vd (0,0,0,Vd);(0,Vd,0,0) (0,0,0,1) -2Vd (0,Vd,0,Vd) (0,1,0,1) Vj0 (V10,V20,V30,V40) ξ1 ξ2 ξ3 ξ4 - 2VdVj0 -Vd (0,Vd,0,Vd) (0,0,0,Vd) 0 d 0d V Vj V   0 1 - Vd Vj00 (0,0,0,Vd) (0,0,0,0) 0 0 0 0d Vj V  0Vj0Vd (0,0,0,0) (Vd,0,0,0) 0 d Vj V 0 0 0 Vd Vj02Vd (Vd,0,0,0) (Vd,0,Vd,0) 1 0 d+ 0d V Vj V 0 KỸ THUẬT PWM CHO BỘ NGHỊCH LƯU ĐA BẬC HV : PHẠM HOÀNG ANH 8 Bộ nghịch lưu 3pha 5 bậc dạng Cascade. A.1.1 Các tham số Bộ nghịch lưu Cascade 7 bậc sử dụng linh kiện lý tưởng. Điện áp dây ngõ ra Vd = 2300 V Công suất ngõ ra S = 2MVA Điện áp nguồn dc bộ nghịch lưu không thay đổi. Tải 3 pha cân bằng với cosu = 0.9, tần số áp 50Hz. Với giá trị xác định của tải, giữ nguyên tham số khi xét hoạt động của bộ nghịch lưu ở các tần số và chỉ số điều chế khác nhau. KỸ THUẬT PWM CHO BỘ NGHỊCH LƯU ĐA BẬC HV : PHẠM HOÀNG ANH 9 A.1.2 Tính toán Với điện áp dây tải Vd = 2300 V và chỉ số m = 1, ta có thể xác định điện áp Vdc max ax2 813,1728 44 2 t tm dc dc V Vm V V mV     td tp U 2300U = = 1327,91 (V) 3 3  tp tp SI =502,04A 3U  P Scosφ 1,8MW;  2 2Q S - P 0,87 MVAr   2 tp L 2 tp PR =2,38 3I QX = 1,15 3I           LXL 0,0037 H 2 π f   KỸ THUẬT PWM CHO BỘ NGHỊCH LƯU ĐA BẬC HV : PHẠM HOÀNG ANH 10 A.2 Kết quả mô phỏng: a) fo= 50Hz, m= 0.9, fsw= 720Hz Điện áp offset, udk và điện áp pha vAO. Điện áp H-Bridge, áp nghịch lưu áp tải KỸ THUẬT PWM CHO BỘ NGHỊCH LƯU ĐA BẬC HV : PHẠM HOÀNG ANH 11 Sóng điện áp vH1, và phân tích phổ FFT tương ứng. Sóng điện áp vH2, và phân tích phổ FFT tương ứng. KỸ THUẬT PWM CHO BỘ NGHỊCH LƯU ĐA BẬC HV : PHẠM HOÀNG ANH 12 Áp dây tải và phổ FFT tương ứng. Dòng tải và phổ FFT tương ứng. KỸ THUẬT PWM CHO BỘ NGHỊCH LƯU ĐA BẬC HV : PHẠM HOÀNG ANH 13 b) fo= 50Hz, fsw= 4320Hz, m=0.9 Thiết lập bảng 1: Bảng phân tích các tín hiệu điều khiển  : Mức điện áp nghịch lưu 0Av Các trạng thái đóng ngắt tương ứng Trạng thái đóng ngắt của các cặp linh kiện Sj=(s1,s2,s3,s4) 2Vd (Vd,0,Vd,0) (1,0,1,0) Vd (Vd,0,0,0);( 0,0,Vd,0) (0,0,1,0) 0 (0,0,0,0);(Vd,0 ,0,Vd);( 0,Vd,Vd,0) (0,1,1,0) -Vd (0,0,0,Vd);(0,Vd,0,0) (0,1,0,0) -2Vd (0,Vd,0,Vd) (0,1,0,1) Vj0 (V10,V20,V30,V40) ξ1 ξ2 ξ3 ξ4 - 2VdVj0 -Vd (0,Vd,0,Vd) (0,Vd,0,0) 0 1 0 d 0d V Vj V   - Vd Vj00 (0,Vd,0,0) (0,Vd,Vd,0) 0 1 1 0d Vj V   0 0Vj0Vd (0,Vd,Vd,0) (0,0,Vd,0) 0 1 0d Vj V  1 0 Vd Vj02Vd (0,0,Vd,0) (Vd,0,Vd,0) d+ 0 d V Vj V 0 1 0 KỸ THUẬT PWM CHO BỘ NGHỊCH LƯU ĐA BẬC HV : PHẠM HOÀNG ANH 14 Kết quả mô phỏng: Điện áp offset, udk và điện áp pha vAO. Điện áp H-Bridge, áp nghịch lưu áp tải KỸ THUẬT PWM CHO BỘ NGHỊCH LƯU ĐA BẬC HV : PHẠM HOÀNG ANH 15 Sóng điện áp vH1 và phân tích phổ FFT tương ứng. Sóng điện áp vH2 và phân tích phổ FFT tương ứng. KỸ THUẬT PWM CHO BỘ NGHỊCH LƯU ĐA BẬC HV : PHẠM HOÀNG ANH 16 Áp dây tải và phổ FFT tương ứng. Dòng tải và phổ FFT tương ứng. KỸ THUẬT PWM CHO BỘ NGHỊCH LƯU ĐA BẬC HV : PHẠM HOÀNG ANH 17 Nhận xét: Giống nhau : Dạng áp và dòng tải ở 2 kết quả trên tương đối giống nhau. Khác nhau : Do tần số sóng so sánh ở thí nghiệm b) cao hơn phần a), dẫn đến kết quả dạng sóng ở thí nghiệm b) có dạng hình sin mịn hơn. THD thí nghiệm b) thấp hơn so với thí nghiệm a). KỸ THUẬT PWM CHO BỘ NGHỊCH LƯU ĐA BẬC HV : PHẠM HOÀNG ANH 18 C. Bộ biến tần đa bậc dạng NPC C.1 Giới thiệu: Sử dụng thích hợp khi các nguồn DC tạo nên từ hệ thống điện AC. Bộ nghịch lưu đa bậc chứa các cặp diode kẹp có một mạch nguồn DC được phân chia thành một số điện áp nhỏ hơn nhờ chuỗi các tụ điện mắc nối tiếp. 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 trị khác nhau và từ đó bộ nghịch lưu được gọi là bộ nghịch lưu áp (n+1) bậc. Ví dụ, chọn mức điện thế 0 ở cuối dãi nguồn, các mức điện áp có thể đạt được gồm (0,U,2U,3U,…,nU). Điện áp từ một pha tải thông đến một vị trí bất kỳ trên nhờ cặp diode kẹp tại điểm đó. Để điện áp pha-nguồn DC đạt được mức điện áp nếu trên (Ua0=U), tất cả các linh kiện bị kẹp giữa 2 diode – gồm n linh kiện mắc nối tiếp liên tục kề nhau, phải được kích đóng, các linh kiện còn lại phai được khóa theo nguyên tắc kích đối nghịch. Bộ nghịch 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 nghịch lưu 3 bậc, dv dt trên linh kiện và tần số đóng cắt giảm đi một nửa. Tuy nhiên với n >3, mức độ chịu 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. KỸ THUẬT PWM CHO BỘ NGHỊCH LƯU ĐA BẬC HV : PHẠM HOÀNG ANH 19 Bộ nghịch lưu 3 bậc dạng NPC. Giản đồ vector không gian của bộ nghịch lưu NPC 3 bậc . C.1.1 Các tham số Bộ nghịch lưu Cascade 7 bậc sử dụng linh kiện lý tưởng. Điện áp dây ngõ ra Vd = 6600 V Công suất ngõ ra S = 5 MVA Điện áp nguồn dc bộ nghịch lưu không thay đổi. Tải 3 pha cân bằng với cosu = 0.9, tần số áp 50Hz. KỸ THUẬT PWM CHO BỘ NGHỊCH LƯU ĐA BẬC HV : PHẠM HOÀNG ANH 20 C.1.2 Tính toán Với điện áp dây tải Vd = 2300 V và chỉ số m = 1, ta có thể xác định điện áp Vdc max ax3 6600 3 t tm dc dc V Vm V V mV     td tp U 6600U = = 3810,5 (V) 3 3  tp tp SI =437,38A 3U  P Scosφ 4,5MW;  2 2Q S - P 2,18 MVAr   2 tp L 2 tp PR =7,84 3I QX = 3,8 3I           LXL 0,012 H 2π f   Mô hình mô phỏng bộ nghịch lưu NPC 3 bậc (nhiều sóng điều khiển). KỸ THUẬT PWM CHO BỘ NGHỊCH LƯU ĐA BẬC HV : PHẠM HOÀNG ANH 21 Kết quả mô phỏng a) fo= 50Hz, fsw= 900Hz, m=0.9 Dạng sóng xung kích của các cặp linh kiện. Áp pha tâm nguồn vAO, áp dây vAB KỸ THUẬT PWM CHO BỘ NGHỊCH LƯU ĐA BẬC HV : PHẠM HOÀNG ANH 22 FFT Áp Tải VAN FFT Áp Dây VAB KỸ THUẬT PWM CHO BỘ NGHỊCH LƯU ĐA BẬC HV : PHẠM HOÀNG ANH 23 FFT Áp pha tâm nguồn vAO KỸ THUẬT PWM CHO BỘ NGHỊCH LƯU ĐA BẬC HV : PHẠM HOÀNG ANH 24 b) fo= 50Hz, fsw= 900Hz, m=0.3 Dạng sóng xung kích của các cặp linh kiện. Áp pha tâm nguồn vAO, áp dây vAB KỸ THUẬT PWM CHO BỘ NGHỊCH LƯU ĐA BẬC HV : PHẠM HOÀNG ANH 25 FFT Áp Tải VAN FFT Áp Dây VAB KỸ THUẬT PWM CHO BỘ NGHỊCH LƯU ĐA BẬC HV : PHẠM HOÀNG ANH 26 FFT Áp pha tâm nguồn vAO KỸ THUẬT PWM CHO BỘ NGHỊCH LƯU ĐA BẬC HV : PHẠM HOÀNG ANH 27 Mô hình mô phỏng bộ nghịch lưu NPC 3 bậc (1 sóng so sánh). Kết quả mô phỏng a) fo= 50Hz, fsw= 900Hz, m=0.9 Dạng sóng xung kích của các cặp linh kiện. KỸ THUẬT PWM CHO BỘ NGHỊCH LƯU ĐA BẬC HV : PHẠM HOÀNG ANH 28 Áp pha tâm nguồn vAO, áp dây vAB FFT Áp tải VAN KỸ THUẬT PWM CHO BỘ NGHỊCH LƯU ĐA BẬC HV : PHẠM HOÀNG ANH 29 FFT Áp dây VAB FFT Áp pha VA0 KỸ THUẬT PWM CHO BỘ NGHỊCH LƯU ĐA BẬC HV : PHẠM HOÀNG ANH 30 b) fo= 20Hz, fsw= 0.9, m=0.3 Dạng sóng xung kích của các cặp linh kiện. Áp pha tâm nguồn vAO, áp dây vAB KỸ THUẬT PWM CHO BỘ NGHỊCH LƯU ĐA BẬC HV : PHẠM HOÀNG ANH 31 FFT Áp tải VAN FFT Áp dây VAB KỸ THUẬT PWM CHO BỘ NGHỊCH LƯU ĐA BẬC HV : PHẠM HOÀNG ANH 32 FFT Áp pha VA0