Giáo trình Điện tử Công suất - Chương 2: Bộ nghịch lưu - Biến tần Power Inverter - Lê Minh Phương

Nội dung text: Giáo trình Điện tử Công suất - Chương 2: Bộ nghịch lưu - Biến tần Power Inverter - Lê Minh Phương

1. 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: lmphuong@hcmut.edu.vn; ivanphuong@yahoo.com 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
2. 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 3 1/21/2013 PGS.TS Le Minh Phuong 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 4 1/21/2013 PGS.TS Le Minh Phuong 2
3. 1/21/2013 Bộ nghịch lưu áp - VSI Bộ nghịch lưu áp 3 pha 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 C ─dc filter capacitor (VSI) because this would result in a short circuit across the dc link Vs ─dc link voltage voltage supply 5 1/21/2013 PGS.TS Le Minh Phuong Bộ nghịch lưu áp - VSI Bộ nghịch lưu áp 3 pha 6 1/21/2013 PGS.TS Le Minh Phuong 3
4. 1/21/2013 Bộ nghịch lưu áp - VSI Bộ nghịch lưu áp 3 pha 7 1/21/2013 PGS.TS Le Minh Phuong Bộ nghịch lưu áp 1 pha Square wave operation Note: Period I: Q5, Q6 and Q1 on Period II: Q6, Q1 and Q2 on Period III: Q1, Q2 and Q3 on Period IV: Q2, Q3 and Q4 on Period V: Q3, Q4 and Q5 on Period VI: Q4, Q5 and Q6 on 8 1/21/2013 PGS.TS Le Minh Phuong 4
5. 1/21/2013 Bộ nghịch lưu áp 1 pha VaN=1/3(2Va0-Vb0-Vc0) VbN=1/3(2Vb0-Va0-Vc0) VcN=1/3(2Vc0-Va0-Vb0) Vab=Vs(g1-g3) Vbc=Vs(g3-g5) Vca=Vs(g5-g1) 9 1/21/2013 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. 10 1/21/2013 PGS.TS Le Minh Phuong 5
6. 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) 11 1/21/2013 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) 12 1/21/2013 PGS.TS Le Minh Phuong 6
7. 1/21/2013 Bộ nghịch lưu áp 1 pha Analysis Trị hiệu dụng điện áp dây có thể tính 2 2 VVV 0,8165 VVV 0.471 L s s an3 s s 3 Điện áp tải tức thời theo phân tích Fourier 4Vs nn vab  sin sin sin n  t n 1,3,5, n 2 3 6 4Vs n van  sin sin( n t ) n 1 3n 3 13 1/21/2013 PGS.TS Le Minh Phuong Bộ nghịch lưu áp 1 pha Trị hiệu dụng hài cơ bản điện áp tải: 0 4Vs sin 60 2 VVLs(1) 0.770 VVVan(1) s0.45 s 2 Dòng điện tải tức thời theo phân tích Fourier 4V n i s sin sin( n t ) an 223 n 1,3,5, 3[n  R ( n L ) ] Trong đó: n - góc lệch pha trong hài bậc n dòng điện tải nL  n ac tan R 14 1/21/2013 PGS.TS Le Minh Phuong 7
8. 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 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 15 1/21/2013 PGS.TS Le Minh Phuong Bộ nghịch lưu áp 3 pha Load neutral voltage 16 1/21/2013 PGS.TS Le Minh Phuong 8
9. 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) 17 1/21/2013 PGS.TS Le Minh Phuong 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 19 1/21/2013 PGS.TS Le Minh Phuong 9
10. 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 vmA<vc →Q4 on vg1 and vg4 are complementary (4) vmB≥vc →Q3 on vmB<vc →Q6 on vg3 and vg6 are complementary (5) vmC≥vc →Q5 on vmC<vc →Q2 on vg5 and vg2 are complementary 20 1/21/2013 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: ƒ PWM frequency is the same as the frequency of Vtri ƒ Amplitude is controlled by the peak value of Vcontrol ƒ Fundamental frequency is controlled by the frequency of Vcontrol 21 1/21/2013 PGS.TS Le Minh Phuong 10
11. 1/21/2013 Bộ nghịch lưu áp - VSI Điều chế độ rộng xung Sin (SINPWM) (3) vmA≥vc →Q1 on→vA0=Vs/2 vmA<vc →Q4 on→vA0=-Vs/2 vg1 and vg4 are complementary (4) vmB≥vc →Q3 on→vB0=Vs/2 vmB<vc →Q6 on→vB0=-Vs/2 vg3 and vg6 are complementary (5) vmC≥vc →Q5 on→vC0=Vs/2 vmC<vc →Q2 on→vC0=-Vs/2 vg5 and vg2 are complementary 22 1/21/2013 PGS.TS Le Minh Phuong The three-phase VSI. Ideal waveforms for the SPWM Bộ nghịch lưu áp (-ma VSI = 0.8, mf = 9): (a) carrier and modulating signals (b) switch S1 state; (c) switch S3 state; (d) ac output voltage; 23 1/21/2013 PGS.TS Le Minh Phuong 11
12. 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 ± the SPWM (ma = 0.8, mf = 9): 5, . . (d) ac output voltage; (e) ac output voltage spectrum; 24 1/21/2013 PGS.TS Le Minh Phuong Bộ nghịch lưu áp - VSI Các thành phần hài trong điện áp tải 25 1/21/2013 PGS.TS Le Minh Phuong 12
13. 1/21/2013 Bộ nghịch lưu áp - VSI Các thành phần hài trong điện áp 26 1/21/2013 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; 27 1/21/2013 PGS.TS Le Minh Phuong 13
14. 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. 28 1/21/2013 PGS.TS Le Minh Phuong 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 VV4 33ss v v v 22ab1 bc 1 ca 1 29 1/21/2013 PGS.TS Le Minh Phuong 14
15. 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 operationThe ac line as output illustrated voltage in Fig, wherecontains the the power harmonics valves fh ,are onWhere for 180 h =◦ .6 · k ± 1 (k = 1, 2, 3, . . .) and they feature amplitudes that are inversely proportional to their harmonic order (c)ac output voltage; and (d) ac output voltage spectrum. 30 1/21/2013 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 31 1/21/2013 PGS.TS Le Minh Phuong 15
16. 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. 32 1/21/2013 PGS.TS Le Minh Phuong 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 33 1/21/2013 PGS.TS Le Minh Phuong 16
17. 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; 34 1/21/2013 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; 35 1/21/2013 PGS.TS Le Minh Phuong 17
18. 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 three- phase 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 ) 36 1/21/2013 PGS.TS Le Minh Phuong 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), 37 1/21/2013 PGS.TS Le Minh Phuong 18
19. 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. 38 1/21/2013 PGS.TS Le Minh Phuong 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). 39 1/21/2013 PGS.TS Le Minh Phuong 19
20. 1/21/2013 Bộ nghịch lưu áp - VSI Điều chế giảm hài bậc 3 trong điện áp pha 2 1 1 1 vr M. sin( x ) sin(3 x ) sin(9 x ) sin(15 x ) ; M 1 3 2 60 280 21 vr M. sin( x ) sin(3 x ) ; (0 M 1) 3 3 3 40 1/21/2013 PGS.TS Le Minh Phuong 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) 41 1/21/2013 PGS.TS Le Minh Phuong 20
21. 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 on→iaIf reference↑ until t1 current is (sine2) At wave, t1, ia actual reaches current the is UBL→vgalso sine1=“ 0wave”→vg 4=“on1 ”→which Gsome4on→ia↓ untilhigh t2 order harmonics(3) At t2, ia reaches the LBLare superimposed→vg1=“1”→vg4=“. 0High”→G 1 order harmonicson→ia↑ can be filtered out easily. No low order harmonics. Inverter output current can be accurately controlled 42 1/21/2013 PGS.TS Le Minh Phuong Bộ nghịch lưu áp - VSI Phương pháp điều chế theo dòng điện Delta Modulation 43 1/21/2013 PGS.TS Le Minh Phuong 21
22. 1/21/2013 Power Electronics For Building  THANK YOU FOR YOUR ATTENTION 44 1/21/2013 22