Bài giảng Điện tử công suất - Chương 6 Bộ nghịch lưu – biến tần Power Inverter (P3)

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 áp 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 - VSI PGS.TS Le Minh Phuong 1/21/2013 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. 1/21/2013 3 5 Bộ nghịch lưu áp - VSI PGS.TS Le Minh Phuong 1/21/2013 Hệ tọa độ ba pha Cho điện áp 3 pha cân bằng với biên độ là Vm sin( )a mv V t 2 sin 3 b mv V t          4 sin 3 c mv V t          6 Bộ nghịch lưu áp - VSI PGS.TS Le Minh Phuong 1/21/2013 Hệ tọa độ ba pha Tại thời điểm t=0 (wt=0) ( ) sin 0 0a mv t V  4 3 ( ) sin(0 ) 3 2 c m mv t V V     mod 3 2 mv V 2 3 ( ) sin 0 3 2 b m mv t V V          1/21/2013 4 7 Bộ nghịch lưu áp - VSI PGS.TS Le Minh Phuong 1/21/2013 Hệ tọa độ ba pha Tại thời điểm wt=/6 ( ) sin 6 2 m a m V v t V    4 ( ) sin( ) 6 3 2 m c m V v t V      mod 3 2 mv V 2 ( ) sin 6 3 b m mv t V V           8 Bộ nghịch lưu áp - VSI PGS.TS Le Minh Phuong 1/21/2013 Hệ tọa độ ba pha Tại thời điểm wt=/3 3 ( ) sin 3 2 a m mv t V V    4 ( ) sin( ) 0 3 3 c mv t V      mod 3 2 mv V 2 3 ( ) sin 3 3 2 b m mv t V V           1/21/2013 5 9 Bộ nghịch lưu áp - VSI PGS.TS Le Minh Phuong 1/21/2013 Hệ tọa độ ba pha Vector điện áp v là tổng hình học 3 vector (va, vb, vc) a b cv v v v     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 10 Bộ nghịch lưu áp - VSI PGS.TS Le Minh Phuong 1/21/2013 Hệ tọa độ ba pha  Để làm việc với biên độ Vm phải nhân vector V với hệ số 2/3 (2/3) (2/3)2( ) [ ] 3 j j a b cv t v v e v e     22( ) [ ] 3 a b cv t v av a v   (2/3) 2 2 1 3os sin 3 3 2 2 ja e c j j         2 (4/3) 4 4 1 3os( ) sin( ) 3 3 2 2 ja e c j j         Trong đó va, vb, vc là giá trị tức thời của điện áp 1/21/2013 6 11 Bộ nghịch lưu áp - VSI PGS.TS Le Minh Phuong 1/21/2013 Biến hình không gian - Space transformation Vector V(t) trong hệ trục (abc) Biến đổi theo dạng số phức ( ) ( ) ( )v t v t jv t   (2/3) (2/3)2( ) [ ] 3 j j a b cv t v v e v e     2 1 3 1 3 ( ) [ ] 3 2 2 2 2 a b b c cv t v v j v v j v     2 1 3 ( ) [ ( ) ( )] 3 2 2 a b c b cv t v v v j v v     12 Bộ nghịch lưu áp - VSI PGS.TS Le Minh Phuong 1/21/2013 Biến hình không gian - Space transformation 2 1 2 1 [ ( )] ( ) 3 2 3 3 a b c a b cv v v v v v v       3 ( ) 3 b cv v v   2 4 os0 os os 2 3 3 2 23 sin 0 sin sin 3 3 a b c vc c c v v v v                               1/21/2013 7 13 Bộ nghịch lưu áp - VSI PGS.TS Le Minh Phuong 1/21/2013 Vector điện áp 2 2 3 3 2 2 4 ( ) sin sin sin 3 3 3 j j m m mv t V t V e t V e t                           ( ) ( os sin ) j tm mv t V c t j 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 2 4 3 3 2 2 2 4 4 ( ) sin (sin os os sin ) (sin os os sin ) 3 3 3 3 3 j j m m mv t V t V e tc c t V e tc c t                      14 Space Vector Modulation Switching States Space Vector Modulation PGS.TS Le Minh Phuong 1/21/2013 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 1/21/2013 8 15 Space Vector Modulation Switching States Space Vector Modulation PGS.TS Le Minh Phuong 1/21/2013 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. Ý tưởng của phương 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 áp ra trở nên tuyến tính. Vector tương đương ở đây chính là vector trung bình trong thời gian một chu kỳ lấy mẫu Ts của quá trình điều khiển bộ nghịch lưu áp. 16 Space Vector Modulation Điện áp pha được tính dựa vào trạng thái đóng ngắt PGS.TS Le Minh Phuong 1/21/2013 Space Vec or Modulation 1 3 5 1 1 1 2 2 2 3 3 3 0 2 2 s q v V q v q                           1 3 5(2 ) 3 s a V v q q q   3 1 5(2 ) 3 s b V v q q q   5 1 3(2 ) 3 s c V v q q q   1 3 5 1 1 1 2 2 2 3 3 3 0 2 2 L s L q v V q v q                           1 3( )ab sv V q q  3 5( )bc sv V q q  5 1( )ca sv V q q  1/21/2013 9 17 Space Vector Modulation Ví dụ:  Switching state [POO] → S1, S6 and S2 ON  Vector điện áp  Tổng quát Với k=1,2..,6 PGS.TS Le Minh Phuong 1/21/2013 Space Vector Modulation 2 3 s a V v  0 1 2 3 j sV V e 3 s b V v   3 s c V v   ( 1) 3 2 3 j k k sV V e    18 Active and Zero Vectors PGS.TS Le Minh Phuong 1/21/2013 Space Vector Modulation 1/21/2013 10 20 Điện áp dây Bộ nghịch lưu áp - VSI PGS.TS Le Minh Phuong 1/21/2013 21 Điện áp pha Bộ nghịch lưu áp - VSI PGS.TS Le Minh Phuong 1/21/2013 1/21/2013 11 22 Các vector điện áp Bộ nghịch lưu áp - VSI PGS.TS Le Minh Phuong 1/21/2013 Active vectors: V1-V6 (stationary, not rotating) Zero vector V7 V0  Six sectors: I to VI 23 PGS.TS Le Minh Phuong 1/21/2013 Space Vector Modulation tim e Value 0 100 110 010 011 001 101 111 000 1/21/2013 12 24 Reference Vector Vref Definition Rotating in space at ω Angular displacement PGS.TS Le Minh Phuong 1/21/2013 Space Vector Modulation 2 [ 0.5( )] 3 r ra rb crv v v v    3 ( ) 3 r rb rcv v v   25 Reference Vector Vref PGS.TS Le Minh Phuong 1/21/2013 Space Vector Modulation 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. 1/21/2013 13 26 Chuyển mạch vector không gian -Space vector switching PGS.TS Le Minh Phuong 1/21/2013 Space Vector Modulation 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 27 PGS.TS Le Minh Phuong 1/21/2013 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 Space Vector Modulation Chuyển mạch vector không gian -Space vector switching 1/21/2013 14 28 Chuyển mạch vector không gian -Space vector switching PGS.TS Le Minh Phuong 1/21/2013 Space Vector Modulation 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: 31 Chuyển mạch vector không gian -Space vector switching PGS.TS Le Minh Phuong 1/21/2013 Space Vector Modulation 1/21/2013 15 32 Dwell Time Calculation Volt-Second Balancing Ta, Tb and T0 – dwell times for , and V1 V2 V0 Ts – sampling period Space vectors PGS.TS Le Minh Phuong 1/21/2013 Space Vector Modulation ef 1 2 0 0 0 . . . .r s a b s a b V T V T V T V T T T T T        3 ef ef 1 2 2 2 ; ; 3 3 j j r r s sV V e V V V V e     ef ef 2 1 Re : os 3 3 1 Im : sin 3 r s a s b r s b V c V T V T V V T          33 Dwell Time Calculation Volt-Second Balancing Ta, Tb and T0 – dwell times for , and V1 V2 V0 Ts – sampling period Space vectors PGS.TS Le Minh Phuong 1/21/2013 Space Vector Modulation ef 1 2 0 0 0 . . . .r s a b s a b V T V T V T V T T T T T        3 ef ef 1 1 2 2 ; ; 3 3 j j r r s sV V e V V V V e     1/21/2013 16 34 Dwell Time Calculation PGS.TS Le Minh Phuong 1/21/2013 Space Vector Modulation ef ef 2 1 Re : os 3 3 1 Im : sin 3 r s s a s b r s s b V T c V T V T V T V T          ef ef 0 3 sin( ) 3 3 sin 0 3 s r a s s r b s s a b T V T V T V T V T T T T                      35 Modulation Index PGS.TS Le Minh Phuong 1/21/2013 Space Vector Modulation ef ef 0 3 sin( ) 3 3 1 sin( ) 1...6;0 3 3 s r a s s r b s s a b T V T n V T V n T n V T T T T                         0 sin( ) 3 1 sin( ) 1...6;0 3 3 a a s b a s s a b T m T n n T m T n T T T T                       ef3 r a s V m V  1/21/2013 17 36 Vref Location versus Dwell Times PGS.TS Le Minh Phuong 1/21/2013 Space Vector Modulation 37 Modulation Range Vref,max Modulation range: 0 ≤ ma ≤ 1 PGS.TS Le Minh Phuong 1/21/2013 Space Vector Modulation ef,max 2 3 3 2 3 s r s V V V  ef,max , ax 3 1 r a m s V m V   1/21/2013 18 38 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 PGS.TS Le Minh Phuong 1/21/2013 Space Vector Modulation 39 • Seven-segment Switching Sequence Selected vectors: V0, V1 and V2 • Dwell times: Ts = T0 + Ta + Tb Total number of switchings: 6 PGS.TS Le Minh Phuong 1/21/2013 Space Vector Modulation 1/21/2013 19 40 Vector in Sector 1 PGS.TS Le Minh Phuong 1/21/2013 Space Vector Modulation S1 S3 S5 Ts Ts TPWM TA TB To/2 To/2 TB TA To/2 V0 To/2 V1 V2 V7 V7 V2 V1 V0 Vector Vs in Sector 1 41 Vector in Sector 2 PGS.TS Le Minh Phuong 1/21/2013 Space Vector Modulation S1 S3 S5 Ts Ts TATB To/2 To/2 TBTA To/2 V0 To/2 V3 V2 V7 V7 V2 V3 V0 Vector Vs in Sector 2 1/21/2013 20 42 Vector in Sector 3 PGS.TS Le Minh Phuong 1/21/2013 Space Vector Modulation S1 S3 S5 Ts Ts TA TB To/2 To/2 TB TA To/2 V0 To/2 V3 V4 V7 V7 V4 V3 V0 Vector Vs in Sector 3 43 Vector in Sector 4 PGS.TS Le Minh Phuong 1/21/2013 Space Vector Modulation S1 S3 S5 Ts Ts TATB To/2 To/2 TBTA To/2 V0 To/2 V5 V4 V7 V7 V4 V5 V0 Vector Vs in Sector 4 1/21/2013 21 44 Vector in Sector 5 PGS.TS Le Minh Phuong 1/21/2013 Space Vector Modulation S1 S3 S5 Ts Ts TA TB To/2 To/2 TB TA To/2 V0 To/2 V5 V6 V7 V7 V6 V5 V0 Vector Vs in Sector 5 45 Vector in Sector 6 PGS.TS Le Minh Phuong 1/21/2013 Space Vector Modulation S1 S3 S5 Ts Ts TATB To/2 To/2 TBTA To/2 V0 To/2 V1 V6 V7 V7 V6 V1 V0 Vector Vs in Sector 6 1/21/2013 22 46 PGS.TS Le Minh Phuong 1/21/2013 Space Vector Modulation tim e Value 0 100 110 010 011 001 101 111 000 49 • Switching Sequence Summary (7–segments) PGS.TS Le Minh Phuong 1/21/2013 Space Vector Modulation 1/21/2013 23 50 Simulated Waveforms PGS.TS Le Minh Phuong 1/21/2013 f1 = 60Hz, fsw = 900Hz, ma = 0.696, Ts = 1.1ms Space Vector Modulation 51 Waveforms and FFT PGS.TS Le Minh Phuong 1/21/2013 f1 = 60Hz, fsw = 900Hz, ma = 0.696, Ts = 1.1ms Space Vector Modulation 1/21/2013 24 52 Waveforms and FFT (thực nghiệm) PGS.TS Le Minh Phuong 1/21/2013 f1 = 60Hz, fsw = 900Hz, ma = 0.696, Ts = 1.1ms Space Vector Modulation 53 Waveforms and FFT (Measured) PGS.TS Le Minh Phuong 1/21/2013 f1 = 60Hz, fsw = 900Hz, ma = 0.696, Ts = 1.1ms Space Vector Modulation 1/21/2013 25 61 Bộ nghịch lưu áp - VSI PGS.TS Le Minh Phuong 1/21/2013 Overmodulation - Quá điều chế 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 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 62 Bộ nghịch lưu áp - VSI PGS.TS Le Minh Phuong 1/21/2013 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( ) 3 cos( ) sin( ) n sT T        1 2sin( ) 3 cos( ) sin( ) n sT T       0 1 2 0sT T T T    1/21/2013 26 63 Bộ nghịch lưu áp - VSI PGS.TS Le Minh Phuong 1/21/2013 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, q2q6). 4. Tính điện áp tải 64 Bộ nghịch lưu áp - VSI PGS.TS Le Minh Phuong 1/21/2013 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 1 1 1 2 22 3 3 3 0 2 2 an bn cn V V V V V                             Tính vector Vref và góc lệch  2 2   refV V V 1tan 2                V t ft V 1/21/2013 27 65 Bộ nghịch lưu áp - VSI PGS.TS Le Minh Phuong 1/21/2013 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 66 Bộ nghịch lưu áp - VSI PGS.TS Le Minh Phuong 1/21/2013 The comparison of maximum linear control voltage in Sine PWM and SVPWM 1/21/2013 28 67 Bộ nghịch lưu áp - VSI PGS.TS Le Minh Phuong 1/21/2013 The comparison of maximum linear control voltage in Sine PWM and SVPWM 68 Bộ nghịch lưu áp - VSI PGS.TS Le Minh Phuong 1/21/2013 Load-phase Voltages in Three-phase VSIs 1/21/2013 29 69 Power Electronics For Building THANK YOU FOR YOUR ATTENTION  1/21/2013