Bài giảng Điện tử công suất - Chương 6 Bộ nghịch lưu – biến tần Power Inverter (P2)

1/21/2013 1 1 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 2 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 1/21/2013 2 3 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 Contents – Nội dung PGS.TS Le Minh Phuong 1/21/2013 4 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 Bộ nghịch lưu áp - VSI PGS.TS Le Minh Phuong 1/21/2013 1/21/2013 3 5 Bộ nghịch lưu áp 3 pha Bộ nghịch lưu áp - VSI PGS.TS Le Minh Phuong 1/21/2013 Q1~Q6 ─IGBTs, switching devices D1~D6 ─Freewheeling diodes C ─dc filter capacitor (VSI) Vs ─dc link voltage The switches of any leg of the inverter (S1 and S4, S3 and S6, or S5 and S2) cannot be switched on simultaneously because this would result in a short circuit across the dc link voltage supply 6 Bộ nghịch lưu áp 3 pha Bộ nghịch lưu áp - VSI PGS.TS Le Minh Phuong 1/21/2013 1/21/2013 4 7 Bộ nghịch lưu áp 3 pha Bộ nghịch lưu áp - VSI PGS.TS Le Minh Phuong 1/21/2013 8 Square wave operation Bộ nghịch lưu áp 1 pha PGS.TS Le Minh Phuong 1/21/2013 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 1/21/2013 5 9 Bộ nghịch lưu áp 1 pha PGS.TS Le Minh Phuong 1/21/2013 VaN=1/3(2Va0-Vb0-Vc0) Vab=Vs(g1-g3) VbN=1/3(2Vb0-Va0-Vc0) Vbc=Vs(g3-g5) VcN=1/3(2Vc0-Va0-Vb0) Vca=Vs(g5-g1) 10 Waveforms, phase voltage on load Bộ nghịch lưu áp 3 pha PGS.TS Le Minh Phuong 1/21/2013 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 6 11 Waveforms, phase voltage on load Bộ nghịch lưu áp 3 pha PGS.TS Le Minh Phuong 1/21/2013 VaN=1/3(2Va0-Vb0-Vc0) VbN=1/3(2Vb0-Va0-Vc0) VcN=1/3(2Vc0-Va0-Vb0) 12 Waveforms, line voltage on load Bộ nghịch lưu áp 3 pha PGS.TS Le Minh Phuong 1/21/2013 Vab=Vs(g1-g3) Vbc=Vs(g3-g5) Vca=Vs(g5-g1) 1/21/2013 7 13 Analysis Bộ nghịch lưu áp 1 pha PGS.TS Le Minh Phuong 1/21/2013 Trị hiệu dụng điện áp dây có thể tính Điện áp tải tức thời theo phân tích Fourier 2 0,8165 3 L s sV V V  1,3,5,... 4 sin sin sin 2 3 6 s ab n V n n v n t n                1 4 sin sin( ) 33 s an n V n v n t n              2 0.471 3 an s sV V V  14 Bộ nghịch lưu áp 1 pha PGS.TS Le Minh Phuong 1/21/2013 Trị hiệu dụng hài cơ bản điện áp tải: Dòng điện tải tức thời theo phân tích Fourier Trong đó: n - góc lệch pha trong hài bậc n dòng điện tải tann n L ac R         0 (1) 4 sin 60 0.770 2 s L s V V V    2 2 1,3,5,... 4 sin sin( ) 33[ ( ) ] s a n n V n i n t n R n L                 (1) 2 0.45an s sV V V    1/21/2013 8 15 Load neutral voltage Bộ nghịch lưu áp 3 pha PGS.TS Le Minh Phuong 1/21/2013 Note: In practical design, the neutral of capacitors is not grounded because of the grounded three phase power supply. 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 Neutral point grounded three-phase inverter 16 Load neutral voltage Bộ nghịch lưu áp 3 pha PGS.TS Le Minh Phuong 1/21/2013 1/21/2013 9 17 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) Bộ nghịch lưu áp 3 pha PGS.TS Le Minh Phuong 1/21/2013 19 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 Bộ nghịch lưu áp - VSI PGS.TS Le Minh Phuong 1/21/2013 1/21/2013 10 20 Bộ nghịch lưu áp - VSI PGS.TS Le Minh Phuong 1/21/2013 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 21 Bộ nghịch lưu áp - VSI PGS.TS Le Minh Phuong 1/21/2013 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 1/21/2013 11 22 Bộ nghịch lưu áp - VSI PGS.TS Le Minh Phuong 1/21/2013 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 23 Bộ nghịch lưu áp - VSI PGS.TS Le Minh Phuong 1/21/2013 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; 1/21/2013 12 24 Bộ nghịch lưu áp - VSI PGS.TS Le Minh Phuong 1/21/2013 Phân tích phổ điện áp dây tải The three-phase VSI. Ideal waveforms for the SPWM (ma = 0.8, mf = 9): (d) ac output voltage; (e) ac output voltage spectrum; 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 ± 2, 3mf ± 4, . . ., 4mf ± 1, 4mf ± 5, . . .. 25 Bộ nghịch lưu áp - VSI PGS.TS Le Minh Phuong 1/21/2013 Các thành phần hài trong điện áp tải 1/21/2013 13 26 Bộ nghịch lưu áp - VSI PGS.TS Le Minh Phuong 1/21/2013 Các thành phần hài trong điện áp 27 Bộ nghịch lưu áp - VSI PGS.TS Le Minh Phuong 1/21/2013 Phân tích phổ dòng điện DC-link The three-phase VSI. Ideal waveforms for the SPWM (ma = 0.8, mf = 9: (g) dc current; (h) dc current spectrum; 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. 1/21/2013 14 28 Bộ nghịch lưu áp - VSI PGS.TS Le Minh Phuong 1/21/2013 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. 29 Bộ nghịch lưu áp - VSI PGS.TS Le Minh Phuong 1/21/2013 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 ˆ v, which leads to overmodulation. The relationship between the amplitude of the fundamental ac output line voltage and the dc link voltage becomes non-linear 1 1 1 4 3 3 2 2 s s ab bc ca V V v v v      1/21/2013 15 30 Bộ nghịch lưu áp - VSI PGS.TS Le Minh Phuong 1/21/2013 Square-wave Operation of Three-phase VSIs (c)ac output voltage; and (d) ac output voltage spectrum. Large values of ma in the SPWM technique lead to full overmodulation. This is known as square-wave operation as illustrated in Fig, where the power valves are on for 180◦. The ac line output voltage contains the harmonics fh, Where h = 6 · k ± 1 (k = 1, 2, 3, . . .) and they feature amplitudes that are inversely proportional to their harmonic order 31 Bộ nghịch lưu áp - VSI PGS.TS Le Minh Phuong 1/21/2013 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 16 32 Bộ nghịch lưu áp - VSI PGS.TS Le Minh Phuong 1/21/2013 Zero sequence signal generator (ma = 1.0, mf = 9): (b) modulating signals; and (c) zero sequence and modulating signals with zero sequence 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 Sinusoidal PWM with Zero Sequence Signal Injection 33 Bộ nghịch lưu áp - VSI PGS.TS Le Minh Phuong 1/21/2013 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 Sinusoidal PWM with Zero Sequence Signal Injection 1/21/2013 17 34 Bộ nghịch lưu áp - VSI PGS.TS Le Minh Phuong 1/21/2013 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; 35 Bộ nghịch lưu áp - VSI PGS.TS Le Minh Phuong 1/21/2013 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; Sinusoidal PWM with Zero Sequence Signal Injection 1/21/2013 18 36 Bộ nghịch lưu áp - VSI PGS.TS Le Minh Phuong 1/21/2013 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 ) 37 Bộ nghịch lưu áp - VSI PGS.TS Le Minh Phuong 1/21/2013 To eliminate the fifth and seventh harmonics and perform fundamental magnitude control (N = 3), Thus the chopping angles are used to eliminate only the harmonics at frequencies h = 5, 7, 11, 13, . . . as required. Selective Harmonic Elimination in Three-phase VSIs 1/21/2013 19 38 Bộ nghịch lưu áp - VSI PGS.TS Le Minh Phuong 1/21/2013 Chopping angles for SHE and fundamental voltage control in three-phase VSIs: fifth and seventh harmonic elimination. Sinusoidal PWM with Zero Sequence Signal Injection 39 Bộ nghịch lưu áp - VSI PGS.TS Le Minh Phuong 1/21/2013 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). Selective Harmonic Elimination in Three-phase VSIs 1/21/2013 20 40 Bộ nghịch lưu áp - VSI PGS.TS Le Minh Phuong 1/21/2013 Điều chế giảm hài bậc 3 trong điện áp pha 2 1 1 1 . sin( ) sin(3 ) sin(9 ) sin(15 ) ; 1 2 60 2803 rv M x x x x M              2 1 . sin( ) sin(3 ) ; (0 1) 3 3 3 rv M x x M          41 Bộ nghịch lưu áp - VSI PGS.TS Le Minh Phuong 1/21/2013 Delta Modulation Ia* - Reference current (phase A) ia* Ia - actual inverter output current (phase A) ia - error signal (phase A) 1/21/2013 21 42 Phương pháp điều chế theo dòng điện Delta Modulation Bộ nghịch lưu áp - VSI PGS.TS Le Minh Phuong 1/21/2013 Note: (1) Assume vg1=“1”→G1 on→ia↑ until t1 (2) At t1, ia reaches the UBL→vg1=“0”→vg4=“1”→ G4on→ia↓ until t2 (3) At t2, ia reaches the LBL →vg1=“1”→vg4=“0”→G1 on→ia↑ As a result, the actual current ia will be kept within the upper and lower band limits If reference current is sine wave, actual current is also sine wave on which some high order harmonics are superimposed. High order harmonics can be filtered out easily. No low order harmonics. Inverter output current can be accurately controlled 43 Bộ nghịch lưu áp - VSI PGS.TS Le Minh Phuong 1/21/2013 Phương pháp điều chế theo dòng điện Delta Modulation 1/21/2013 22 44 Power Electronics For Building THANK YOU FOR YOUR ATTENTION  1/21/2013