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

Nội dung text: Giáo trình môn 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 áp 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 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. 4 1/21/2013 PGS.TS Le Minh Phuong 2
3. 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 vam Vsin( t ) 2 vbm Vsin  t 3 4 vcm Vsin  t 3 5 1/21/2013 PGS.TS Le Minh Phuong Bộ nghịch lưu áp - VSI Hệ tọa độ ba pha Tại thời điểm t=0 (wt=0) vam( t ) V sin0 0 23 vb( t ) V m sin 0 V m 32 43 v( t ) V sin(0 ) V c m32 m 3 vV mod 2 m 6 1/21/2013 PGS.TS Le Minh Phuong 3
4. 1/21/2013 Bộ nghịch lưu áp - VSI Hệ tọa độ ba pha Tại thời điểm wt= /6 V v( t ) V sin m am62 2 vb( t ) V m sin V m 63 4 V v( t ) V sin( ) m cm6 3 2 3 vV mod 2 m 7 1/21/2013 PGS.TS Le Minh Phuong Bộ nghịch lưu áp - VSI Hệ tọa độ ba pha Tại thời điểm wt= /3 3 v( t ) V sin V a m32 m 23 vb( t ) V m sin V m 3 3 2 4 v( t ) V sin( ) 0 cm33 8 1/21/2013 PGS.TS Le Minh Phuong 4
5. 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 v b v c  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 9 1/21/2013 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 v v ejj(2/3) v e (2/3) 3 a b c 2 v()[] t v av a2 v 3 a b c 2 2 1 3 a ej(2/3) cos j sin j 3 3 2 2 4 4 1 3 a2 ej (4/3) cos( ) j sin( ) j 3 3 2 2 Trong đó va, vb, vc là giá trị tức thời của điện áp 10 1/21/2013 PGS.TS Le Minh Phuong 5
6. 1/21/2013 Bộ nghịch lưu áp - VSI Biến hình không gian - Space transformation 2 jj(2/3) (2/3) Vector V(t) trong hệ trục (abc) v()[] t va v b e v c e 3 Biến đổi theo dạng số phức 2 1 3 1 3 v()[] t v v j v v j v 3a 2 b 2 b 2 c 2 c 2 1 3 v( t ) [ v ( v v ) j ( v v )] 3a 2 b c 2 b c v()()() t v  t jv t 11 1/21/2013 PGS.TS Le Minh Phuong Bộ nghịch lưu áp - VSI Biến hình không gian - Space transformation 2 1 2 1 v [ v ( v v )] v ( v v ) 3a 2 b c 3 a 3 b c 3 v () v v  3 bc 24 v cos0 c os c os a v 2 33 vb v 3 22 sin 0 sin sin v 33 c 12 1/21/2013 PGS.TS Le Minh Phuong 6
7. 1/21/2013 Bộ nghịch lưu áp - VSI 22 jj 233 2 4 Vector điện áp v( t ) Vm sin t V m e sin  t V m e sin  t 3 3 3 24 jj 233 2 2 4 4 v( t ) Vm sin t V m e (sin  tc os c os  t sin ) V m e (sin  tc os c os  t sin ) 3 3 3 3 3 jt v( t ) Vmm ( c os t j sin t ) V e 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 13 1/21/2013 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 14 1/21/2013 PGS.TS Le Minh Phuong 7
8. 1/21/2013 Space Vector Modulation Space Vector Modulation Switching States 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. 15 1/21/2013 PGS.TSÝ tưởng Le Minhcủa phương Phuong pháp điều chế vector không gian là tạo nên 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 Spaceáp ra trở nên Vector tuyến tính. Modulation Vector tương đương ở đây chính là vector trung bình trong thời gian một chu kỳ lấy mẫu Ts của quá trình Spaceđiều khiển Vector bộ nghịch Modulation lưu áp. Điện áp pha được tính dựa vào trạng thái đóng ngắt 11q 1 1 v 2 22 Vqs 3 v 3 33 0 q 22 5 11q 1 1 vL 2 22 Vqs 3 vL 3 33 0 q 22 5 V V V v s (2 q q q ) v s (2 q q q ) v s (2 q q q ) a 3 1 3 5 b 3 3 1 5 c 3 5 1 3 v V() q q ab s 13 vbc V s () q35 q vca V s () q51 q 16 1/21/2013 PGS.TS Le Minh Phuong 8
9. 1/21/2013 Space Vector Modulation Space Vector Modulation Ví dụ:  Switching state [POO] → S1, S6 and S2 ON 2Vs Vs Vs va vb vc 3 3 3  Vector điện áp 2 j0 V V e 1 3 s  Tổng quát jk( 1) 2 3 Vks V e 3 Với k=1,2 ,6 17 1/21/2013 PGS.TS Le Minh Phuong Space Vector Modulation Active and Zero Vectors 18 1/21/2013 PGS.TS Le Minh Phuong 9
10. 1/21/2013 Bộ nghịch lưu áp - VSI Điện áp dây 20 1/21/2013 PGS.TS Le Minh Phuong Bộ nghịch lưu áp - VSI Điện áp pha 21 1/21/2013 PGS.TS Le Minh Phuong 10
11. 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 22 1/21/2013 PGS.TS Le Minh Phuong Space Vector Modulation 010 110 111 100 011 000 001 101 0 Value time 23 1/21/2013 PGS.TS Le Minh Phuong 11
12. 1/21/2013 Space Vector Modulation Reference Vector Vref Definition Rotating in space at ω Angular displacement 2 3 v [ v 0.5( v v )] v () v v r 3 ra rb cr r 3 rb rc 24 1/21/2013 PGS.TS Le Minh Phuong 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. 25 1/21/2013 PGS.TS Le Minh Phuong 12
13. 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 26 1/21/2013 PGS.TS Le Minh Phuong 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 27 1/21/2013 PGS.TS Le Minh Phuong 13
14. 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: 28 1/21/2013 PGS.TS Le Minh Phuong Space Vector Modulation Chuyển mạch vector không gian -Space vector switching 31 1/21/2013 PGS.TS Le Minh Phuong 14
15. 1/21/2013 Space Vector Modulation Dwell Time Calculation Volt-Second Balancing VTVTVTVTref s 1 a 2 b 0 0 TTTTs a b 0 Ta, Tb and T0 – dwell times for , and V1 V2 V0 Ts – sampling period Space vectors 22j V V ej ;; V V V V e 3 ref r ef 133 s 2 s 21 Re :V c os V T V T ref 33 s a s b 1 32 1/21/2013 PGS.TS Le Minh Phuong Im :VVTref sin s b 3 Space Vector Modulation Dwell Time Calculation Volt-Second Balancing VTVTVTVTref s 1 a 2 b 0 0 TTTTs a b 0 Ta, Tb and T0 – dwell times for , and V1 V2 V0 Ts – sampling period Space vectors 22j V V ej ;; V V V V e 3 ref r ef 133 s 1 s 33 1/21/2013 PGS.TS Le Minh Phuong 15
16. 1/21/2013 Space Vector Modulation Dwell Time Calculation 21 Re :V T c os V T V T ref s33 s a s b 1 Im :VTVT sin ref s3 s b 3TVsref Ta sin( ) Vs 3 3TVsref Tb sin 0 Vs 3 TTTT 0 s a b 34 1/21/2013 PGS.TS Le Minh Phuong Space Vector Modulation Modulation Index 3TVsref Tna sin( ) Vs 3 3TVsref n 1 Tnb sin( ) 1 6;0  Vs 33 TTTT 0 s a b T m Tsin( n  ) a a s 3 n 1 3Vref T m Tsin( ) n 1 6;0  ma b a s V 33s TTTT0 s a b 35 1/21/2013 PGS.TS Le Minh Phuong 16
17. 1/21/2013 Space Vector Modulation Vref Location versus Dwell Times 36 1/21/2013 PGS.TS Le Minh Phuong Space Vector Modulation Modulation Range Vref,max 23V VV s rs ef,max 32 3 3Vref,max mam, ax 1 Vs Modulation range: 0 ≤ ma ≤ 1 37 1/21/2013 PGS.TS Le Minh Phuong 17
18. 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 38 1/21/2013 PGS.TS Le Minh Phuong Space Vector Modulation • Seven-segment Switching Sequence Selected vectors: V0, V1 and V2 • Dwell times: Ts = T0 + Ta + Tb Total number of switchings: 6 39 1/21/2013 PGS.TS Le Minh Phuong 18
19. 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 S1 S3 S5 V0 V1 V2 V7 V7 V2 V1 V0 Vector Vs in Sector 1 40 1/21/2013 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 S1 S3 S5 V0 V3 V2 V7 V7 V2 V3 V0 Vector Vs in Sector 2 41 1/21/2013 PGS.TS Le Minh Phuong 19
20. 1/21/2013 Space Vector Modulation Vector in Sector 3 Ts Ts To/2 TA TB To/2 To/2 TB TA To/2 S1 S3 S5 V0 V3 V4 V7 V7 V4 V3 V0 Vector Vs in Sector 3 42 1/21/2013 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 S1 S3 S5 V0 V5 V4 V7 V7 V4 V5 V0 Vector Vs in Sector 4 43 1/21/2013 PGS.TS Le Minh Phuong 20
21. 1/21/2013 Space Vector Modulation Vector in Sector 5 Ts Ts To/2 TA TB To/2 To/2 TB TA To/2 S1 S3 S5 V0 V5 V6 V7 V7 V6 V5 V0 Vector Vs in Sector 5 44 1/21/2013 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 S1 S3 S5 V0 V1 V6 V7 V7 V6 V1 V0 Vector Vs in Sector 6 45 1/21/2013 PGS.TS Le Minh Phuong 21
22. 1/21/2013 Space Vector Modulation 010 110 111 100 011 000 001 101 0 Value time 46 1/21/2013 PGS.TS Le Minh Phuong Space Vector Modulation • Switching Sequence Summary (7–segments) 49 1/21/2013 PGS.TS Le Minh Phuong 22
23. 1/21/2013 Space Vector Modulation Simulated Waveforms f1 = 60Hz, fsw = 900Hz, ma = 0.696, Ts = 1.1ms 50 1/21/2013 PGS.TS Le Minh Phuong Space Vector Modulation Waveforms and FFT f1 = 60Hz, fsw = 900Hz, ma = 0.696, Ts = 1.1ms 51 1/21/2013 PGS.TS Le Minh Phuong 23
24. 1/21/2013 Space Vector Modulation Waveforms and FFT (thực nghiệm) f1 = 60Hz, fsw = 900Hz, ma = 0.696, Ts = 1.1ms 52 1/21/2013 PGS.TS Le Minh Phuong Space Vector Modulation Waveforms and FFT (Measured) f1 = 60Hz, fsw = 900Hz, ma = 0.696, Ts = 1.1ms 53 1/21/2013 PGS.TS Le Minh Phuong 24
25. 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 1<ma<2/3 quá điều chế Khi ma=2/3 Six-step 61 1/21/2013 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 3 cos( ) sin( ) TT ns3 cos( ) sin( ) 2sin( ) TT ns 1 3 cos( ) sin( ) TTTT0 s 1 2 0 62 1/21/2013 PGS.TS Le Minh Phuong 25
26. 1/21/2013 Bộ nghịch lưu áp - VSI Trình tự thực hiện điều chế SVPWM 1. Tính các giá trị V , V, Vref, và góc α giữa và trục . 2. Tính các khoảng thời gian T1, T2 và T0. 3. Xác định thời gian chuyển mạch cho từng transistor (q1, q2 q6). 4. Tính điện áp tải 63 1/21/2013 PGS.TS Le Minh Phuong Bộ nghịch lưu áp - VSI Bước 1 Tính các giá trị V , V, Vref và α V và V được xác định từ các giá trị điện áp Van, Vbn, Vcn 11 V 1 an V 2 22 V bn V 3 33 0 V 22 cn Tính vector Vref và góc lệch  22 1 V VVVref   tan t 2 ft V 64 1/21/2013 PGS.TS Le Minh Phuong 26
27. 1/21/2013 Bộ nghịch lưu áp - VSI Trình tự thực hiện điều chế SVPWM Bước 2: Tính các khoảng thời gian T1, T2 và T0 theo các công thức Bước 3: Xác định điện áp tải theo các công thức 65 1/21/2013 PGS.TS Le Minh Phuong Bộ nghịch lưu áp - VSI The comparison of maximum linear control voltage in Sine PWM and SVPWM 66 1/21/2013 PGS.TS Le Minh Phuong 27
28. 1/21/2013 Bộ nghịch lưu áp - VSI The comparison of maximum linear control voltage in Sine PWM and SVPWM 67 1/21/2013 PGS.TS Le Minh Phuong Bộ nghịch lưu áp - VSI Load-phase Voltages in Three-phase VSIs 68 1/21/2013 PGS.TS Le Minh Phuong 28
29. 1/21/2013 Power Electronics For Building  THANK YOU FOR YOUR ATTENTION 69 1/21/2013 29