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 6
BỘ NGHỊCH LƯU – BIẾN TẦN
2
POWER INVERTER PGS.TS Lê Minh Phương Khoa Điện –Điện Tử Trường ĐHBK TPHCM TPHCM 2012
1
1/21/2013
Bộ nghịch lưu áp - VSI
Bộ nghịch lưu áp – Voltage Source Inverter (VSI)
1. Bộ nghịch lưu áp 1 pha
1. Nguyên lý làm việc
2. Phương pháp điều khiển
3. Mô phỏng Matlab-Simulink
3
1/21/2013 PGS.TS Le Minh Phuong
Bộ nghịch lưu áp - VSI
Bộ nghịch lưu áp 1 pha dạng bán cầu
S1~S4 ─IGBTs, switching devices
D1~D4 ─Freewheeling diodes C ─dc filter capacitor (VSI) Vs ─dc link voltage
4
Để phân tích nguyên ý hoạt động ta giả thiết S1 và S4 được kích đóng ngắt đối nghịch và mỗi linh kiện được kích dẫn trong ½ chu kỳ
2
1/21/2013 PGS.TS Le Minh Phuong
1/21/2013
Bộ nghịch lưu áp - VSI
Phân tích
Để phân tích nguyên ý hoạt động ta giả thiết S1 và S4 được kích đóng ngắt đối nghịch và mỗi linh kiện được kích dẫn trong ½ chu kỳ
5
1/21/2013 PGS.TS Le Minh Phuong
Bộ nghịch lưu áp - VSI
Khi tải thuần trở (L=0;R≠0)
0:T/2 S1 dẫn dòng điện có chiều chiều từ A đến 0 theo mạch (Udc/2,S1,R,-Udc/2) nguồn trên T/2:T S2 dẫn dòng điện có chiều chiều từ 0 đến a theo mạch (U/2,S2,R,-U/2) nguồn dưới
6
3
1/21/2013 PGS.TS Le Minh Phuong
1/21/2013
Bộ nghịch lưu áp - VSI
7
Hệ quả Hai diode D1 và D4 không tham gia vào quá trình dẫn điện Trị hiệu dụng áp tải Trị hiệu dụng dòng điện tải Trị hiệu dụng hài cơ bản áp tải PGS.TS Le Minh Phuong
1/21/2013
Bộ nghịch lưu áp - VSI
Khi tải thuần cảm (L ≠ 0;R≠0)
0:T/2 giả thiết S1 dẫn dòng điện có chiều chiều từ A đến 0 theo mạch (Udc/2,S1,R,-Udc/2)
8
4
1/21/2013 PGS.TS Le Minh Phuong
1/21/2013
Bộ nghịch lưu áp - VSI
Khi tải thuần cảm (L ≠ 0;R≠0)
9
T/2:T Giả thiết S2 dẫn dòng điện có chiều chiều từ 0 đến A theo mạch (U/2,S2,R,-U/2) nguồn dưới
1/21/2013 PGS.TS Le Minh Phuong
Bộ nghịch lưu áp - VSI
Phân tích công thức
10
5
1/21/2013 PGS.TS Le Minh Phuong
1/21/2013
Bộ nghịch lưu áp - VSI
Phân tích công thức
11
1/21/2013 PGS.TS Le Minh Phuong
Bộ nghịch lưu áp - VSI
Phân tích công thức
12
6
1/21/2013 PGS.TS Le Minh Phuong
1/21/2013
Bộ nghịch lưu áp - VSI
Phân tích công thức
13
1/21/2013 PGS.TS Le Minh Phuong
Bộ nghịch lưu áp - VSI
Phân tích công thức
14
7
1/21/2013 PGS.TS Le Minh Phuong
1/21/2013
Bộ nghịch lưu áp - VSI
Bộ nghịch lưu áp 1 pha
Q1~Q4 ─IGBTs, switching devices
15
D1~D4 ─Freewheeling diodes C ─dc filter capacitor (VSI) Vs ─dc link voltage
1/21/2013 PGS.TS Le Minh Phuong
Bộ nghịch lưu áp - VSI
Bộ nghịch lưu áp – Voltage Source Inverter (VSI)
1. Bộ nghịch lưu áp 1 pha
a. Square-wave Modulating Technique
16
Các khóa bán dẫn đóng ngắt trong khoảng thời gian ½ chu kỳ theo nguyên tắc đối nghịch
8
1/21/2013 PGS.TS Le Minh Phuong
1/21/2013
Bộ nghịch lưu áp - VSI
Bộ nghịch lưu áp 1 pha
17
1/21/2013 PGS.TS Le Minh Phuong
Bộ nghịch lưu áp 1 pha
Dạng sóng Period I:
vg1=vg2>0 Q1, Q2 on, current path: Period II: Vs+Q1LoadQ2Vs- vg3=vg4>0 But io>0 D3, D4 on, energy stored in L is releasing to Vs, current path: Va0=Vs/2; Vb0=-Vs/2; vo=Vab=Vs;
Vd- D4LoadD3Vd+
Va0=-Vs/2; Vb0=Vs/2; vo=Vab=-Vs;
Period III:
vg3=vg4>0 But io<0 Q3, Q4 on, current path:
Vd+ Q3LoadQ4Vd-
Va0=-Vs/2; Vb0=Vs/2; vo=Vab=-Vs;
Period IV:
vg1=vg2>0 But io<0 D1, D2 on, energy stored in L is releasing to Vd, current path:
Vd- D2LoadD2Vd+
Va0=Vs/2; Vb0=-Vs/2; vo=Vab=Vs;
18
9
1/21/2013 PGS.TS Le Minh Phuong
1/21/2013
Bộ nghịch lưu áp 1 pha
Phân tích
19
1/21/2013 PGS.TS Le Minh Phuong
Bộ nghịch lưu áp 1 pha
Phân tích dạng sóng
The bridge VSI. Ideal waveforms for the square- wave modulating technique: (a) ac output
voltage and
(b) ac output voltage spectrum. (c) Contents only odd order 3,5,7,9….
20
10
1/21/2013 PGS.TS Le Minh Phuong
1/21/2013
Bộ nghịch lưu áp 1 pha
Hệ quả
Trị hiệu dụng điện áp tải:
Điện áp tải tức thời theo phân tích Fourier
Trong đó
21
1/21/2013 PGS.TS Le Minh Phuong
Bộ nghịch lưu áp 1 pha
Trị hiệu dụng hài cơ bản và bậc n 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
22
11
1/21/2013 PGS.TS Le Minh Phuong
1/21/2013
Bộ nghịch lưu áp 1 pha
Dòng điện DC nguồn - DC Link Current
23
Bỏ qua tổn hao trong bộ nghịch lưu, công suất trung bình tiêu thụ trên tải phải bằng công suất trung bình nguồn cung cấp
1/21/2013 PGS.TS Le Minh Phuong
Bộ nghịch lưu áp 1 pha
Nhận xét
Thay đổi tần số điện áp tải bằng cách thay đổi
tần số f (chu kỳ T)
Với giản đồ đóng ngắt như trên thì không thể
thay đổi được trị hiệu dụng điện áp tải
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.
24
12
1/21/2013 PGS.TS Le Minh Phuong
1/21/2013
Bộ nghịch lưu áp 1 pha
Mô phỏng Matlab-Simulink
Mô hình hóa bộ nghịch lưu áp 1 pha
Mô hình hóa khối điều khiển
Quan sát điện áp, dòng điện tải
Đo lường, quan sát và phân tích THD, DF...
25
1/21/2013 PGS.TS Le Minh Phuong
Bộ nghịch lưu áp - VSI
Bộ nghịch lưu áp – Voltage Source Inverter (VSI)
1. Bộ nghịch lưu áp 1 pha
1. Nguyên lý làm việc
2. Phương pháp điều khiển
3. Mô phỏng Matlab-Simulink
26
13
1/21/2013 PGS.TS Le Minh Phuong
1/21/2013
Bộ nghịch lưu áp - VSI
1. Điều chế độ rộng xung Sin (SINPWM)- The Carrier based Pulse Width Modulation (PWM) Technique
Nguyên lý cơ bản: So sánh sóng điều khiển dạng sin với tần số fr và sóng tam giác với tần số là fc. Tần số sóng điều khiển fr xác định tần số điện áp ngõ ra f0. Biên độ sóng điều khiển Ar thay đổi hệ số điều chế ma, và giá trị điện áp ngõ ra vo
27
(a) carrier and modulating signals; (b) switchQ1 state; (c) switch Q4 state; 1/21/2013 PGS.TS Le Minh Phuong
Bộ nghịch lưu áp - VSI
1. Điều chế độ rộng xung Sin (SINPWM)- The Carrier based Pulse Width Modulation (PWM) Technique
Tỷ số điều chế - Amplitude-modulation ratio
Tỷ số điều chế tần số (frequency-modulation ratio)
28
14
1/21/2013 PGS.TS Le Minh Phuong
1/21/2013
Bộ nghịch lưu áp - VSI
Phân tích dạng sóng điện áp tải
because the phase voltages (vaN and vbN) are identical but 180◦ out of phase, the output voltage (vo = vab = vaN −vbN ) will not contain even (chẵn) harmonics
The harmonics in the ac output voltage appear at normalized odd fh centered around frequencies the twice carrier normalized frequency mf and its multiples h = l mf ±k l= 2, 4, . . . Với k = 1, 3, 5, . . .
29
(d) ac output voltage; (e) ac output voltage spectrum; (f) ac output current; 1/21/2013 PGS.TS Le Minh Phuong
Bộ nghịch lưu áp - VSI
Phân tích dòng điện nguồn DC-link
The harmonics in the dc link current appear at normalized frequencies fp centered around twice the normalized carrier frequency mf and its multiples p = l mf ± k ± 1 l = 2, 4, . . . k = 1, 3, 5, . . .
(g) dc current; (h) dc current spectrum;
30
quality This feature is considered to be an advantage because it allows the use of smaller filtering components to obtain high voltage and current waveforms
15
1/21/2013 PGS.TS Le Minh Phuong
1/21/2013
Bộ nghịch lưu áp - VSI
Dòng điện trên các linh kiện
31
(i) switch Q1 current; and (j) diode D1 current.
1/21/2013 PGS.TS Le Minh Phuong
Bộ nghịch lưu áp 1 pha
Hệ quả
Khi ma<1: Biên độ thành phần hài cơ bản điện áp tải thay đổi tuyến tính
Khi ma>1: Biên độ thành phần hài cơ bản điện áp tải thay đổi phi tuyến
32
16
1/21/2013 PGS.TS Le Minh Phuong
1/21/2013
Bộ nghịch lưu áp - VSI
Phạm vi điều khiển điện áp tải
index, and
large values of
33
In the linear region, an ac output voltage that varies Higher voltages are obtained linearly as a function of the by using the overmodulation the modulation region (ma > 1); harmonics are at well-defined However, low-order frequencies and amplitudes. harmonics appear in the ac These features simplify the output voltage. filtering of design Very the components. Unfortunately, modulation index (ma > 3.24) the maximum amplitude of lead to a totally square ac the fundamental ac voltage is that is voltage output vs in this operating mode the square- considered as wave modulating technique.
1/21/2013 PGS.TS Le Minh Phuong
Bộ nghịch lưu áp - VSI
Bipolar SINPWM
Note:
(1) vg1 and vg4 are
complimentary signals vg2 and
vg3 are complimentary signals
(2) vm≥vc →vg1=vg2=logic “1”
vm 34 17 1/21/2013 PGS.TS Le Minh Phuong Bipolar PWM - Dominant
harmonics: mf , mf ±2, mf ±4 1/21/2013 Note:
(1)vm≥vc →vg1=logic “1”,vg4=logic “0”
vm 35 1/21/2013 PGS.TS Le Minh Phuong 36 Unipolar PWM
Dominant harmonics: 2mf ±1, 2mf ±3 18 1/21/2013 PGS.TS Le Minh Phuong 1/21/2013 Purpose:
To eliminate a number of unwanted low order harmonics
To control the fundamental output voltage The ac output voltage features odd half- and quarter wave
symmetry; therefore, even harmonics are not present (voh = 0, h =
2, 4, 6, . . .) 37 Moreover, the ac output voltage waveform (vo = vab), should
feature N pulses per half-cycle in order to adjust the
fundamental component and eliminate N −1 harmonics. 1/21/2013 PGS.TS Le Minh Phuong where α1, α2, . . ., αN should satisfy α1 < α2 < · · · < αN <π/2. 38 The general expressions to eliminate an arbitrary N − 1 (N − 1 = 3, 5,
7,. . .) number of harmonics are given by 19 1/21/2013 PGS.TS Le Minh Phuong 1/21/2013 For instance, to eliminate the third, fifth, and the seventh harmonics
and to perform fundamental component magnitude control (N = 4), the
equations to be solved are 39 The angles α1, α2, α3, and α4 are plotted for different values of vo1/vs 1/21/2013 PGS.TS Le Minh Phuong 40 20 Chopping angles for SHE and fundamental voltage control in half-
bridge VSIs: (a) fundamental control and third, fifth, and seventh
harmonic elimination and (b) fundamental control. 1/21/2013 PGS.TS Le Minh Phuong 1/21/2013 41 The full-bridge VSI. Ideal
the SHE
for
waveforms
technique:
(a) ac output voltage for
third,
fifth, and seventh
harmonic elimination;
(b) spectrum of (a) 1/21/2013 PGS.TS Le Minh Phuong Fundamental ac output voltage is
control
(c) ac output voltage for
fundamental control;
(d) spectrum of (c). 42 21 1/21/2013 PGS.TS Le Minh Phuong 1/21/2013 43 Ideal
full-bridge VSI.
The
waveforms
the output
for
control by voltage cancellation:
(a) switch G1;
(b) switch G3 state;
(c) ac output voltage; and (d)
ac output voltage spectrum. 1/21/2013 PGS.TS Le Minh Phuong Mô hình hóa bộ nghịch lưu áp 1 pha Mô hình hóa khối điều khiển Quan sát điện áp, dòng điện tải Đo lường, quan sát và phân tích THD, DF... 44 22 1/21/2013 PGS.TS Le Minh Phuong 1/21/2013 45 1/21/2013 PGS.TS Le Minh Phuong Trị hiệu dụng điện áp tải: Điện áp tải tức thời theo phân tích Fourier Trong đó 46 23 1/21/2013 PGS.TS Le Minh Phuong 1/21/2013 Muốn thay đổi trị hiệu dụng điện áp tải có thể điều chỉnh giá trị . Trong đó Ts=T/2 47 1/21/2013 PGS.TS Le Minh Phuong Mô hình hóa bộ nghịch lưu áp 1 pha Mô hình hóa khối điều khiển Quan sát điện áp, dòng điện tải Đo lường, quan sát và phân tích THD, DF... 48 24 1/21/2013 PGS.TS Le Minh Phuong 1/21/2013 49 Hệ số méo dạng của
phương pháp điều chế
này giảm đáng kể so với
phương pháp điều chế
độ rộng xung đơn. Tuy
nhiên, do số lần đóng
ngắt các transistor nhiều,
nên tổn hao tăng 1/21/2013 PGS.TS Le Minh Phuong Trị hiệu dụng điện áp tải: Trong đó: Số xung trong mỗi nửa chu kỳ Tỷ số điều chế tần số 50 25 1/21/2013 PGS.TS Le Minh Phuong 1/21/2013 Điện áp tải tức thời theo phân tích Fourier Trong đó 51 1/21/2013 PGS.TS Le Minh Phuong Muốn thay đổi trị hiệu dụng điện áp tải có thể điều chỉnh giá trị . Khi m=1,3…,2p-1 Khi m=2,4,…,2p Trong đó Ts=T/2 52 26 1/21/2013 PGS.TS Le Minh Phuong 1/21/2013 Điện áp tải tức thời theo phân tích Fourier Trong đó 53 1/21/2013 PGS.TS Le Minh Phuong Muốn thay đổi trị hiệu dụng điện áp tải có thể điều chỉnh giá trị . Khi m=1,3…,2p-1 Khi m=2,4,…,2p Trong đó Ts=T/2 54 27 1/21/2013 PGS.TS Le Minh Phuong 1/21/2013 Thành phần hài cơ
bản tăng và đặc
tính hài được cải
thiện. Ngoài
ra,
phương pháp này
còn giảm số
lần
đóng ngắt và tổn
hao đóng ngắt. 56 1/21/2013 PGS.TS Le Minh Phuong 58 28 1/21/2013 PGS.TS Le Minh Phuong 1/21/2013 Phương pháp này sử
dụng tín hiệu điều chế
cho phép loại bỏ một số
thành phần hài, nhờ đó
biên độ thành phần hài
cơ bản cao hơn (đến
15%) và hệ số méo
dạng điện áp thấp hơn
so với các phương pháp
khác. 60 1/21/2013 PGS.TS Le Minh Phuong 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
If reference current
is
on→ia↑ until t1
sine wave, actual current is
(2) At t1, ia reaches the
also sine wave on which
UBL→vg1=“0”→vg4=“1”→
order
high
some
G4on→ia↓ until t2
are
harmonics
(3) At t2, ia reaches the LBL
→vg1=“1”→vg4=“0”→G1
superimposed. High order
on→ia↑
harmonics can be filtered
out easily.
No low order harmonics.
Inverter output current
can
accurately
controlled 62 be 29 1/21/2013 PGS.TS Le Minh Phuong 1/21/2013 63 30 1/21/2013Bộ nghịch lưu áp - VSI
Unipolar PWM
Bộ nghịch lưu áp - VSI
Unipolar PWM
Bộ nghịch lưu áp - VSI
2. Điều chế độ rộng xung tối ưu triệt tiêu sóng
hài Selective Harmonic Elimination (SHE)
Bộ nghịch lưu áp - VSI
2. Điều chế độ rộng xung tối ưu triệt tiêu sóng
hài Selective Harmonic Elimination (SHE)
Bộ nghịch lưu áp - VSI
2. Điều chế độ rộng xung tối ưu triệt tiêu sóng
hài Selective Harmonic Elimination (SHE)
Bộ nghịch lưu áp - VSI
2. Điều chế độ rộng xung tối ưu triệt tiêu sóng
hài Selective Harmonic Elimination (SHE)
Bộ nghịch lưu áp - VSI
2. Điều chế độ rộng xung tối ưu triệt tiêu sóng
hài Selective Harmonic Elimination (SHE)
Bộ nghịch lưu áp - VSI
3. Control the fundamental output voltage
Bộ nghịch lưu áp - VSI
3. Control the fundamental output voltage
Bộ nghịch lưu áp 1 pha
Mô phỏng Matlab-Simulink
Bộ nghịch lưu áp - VSI
4. Điều chế độ rộng xung đơn - Single Pulse-Width
Modulation
Bộ nghịch lưu áp 1 pha
Hệ quả
Bộ nghịch lưu áp 1 pha
Nhận xét
Bộ nghịch lưu áp 1 pha
Mô phỏng Matlab-Simulink
Bộ nghịch lưu áp - VSI
5. Điều chế độ rộng
đa xung –
Multipulse-Width
Modulation
Bộ nghịch lưu áp 1 pha
Hệ quả
Bộ nghịch lưu áp 1 pha
Bộ nghịch lưu áp 1 pha
Nhận xét
Bộ nghịch lưu áp 1 pha
Bộ nghịch lưu áp 1 pha
Nhận xét
Bộ nghịch lưu áp - VSI
6. Điều chế độ rộng xung sin cải biến
Bộ nghịch lưu áp - VSI
7. Điều khiển dịch pha - Phase Displacement Control
Bộ nghịch lưu áp - VSI
Điều chế giảm thành phần hài - Harmonic injected
modulation
Bộ nghịch lưu áp - VSI
Power Electronics
For Building
THANK YOU
FOR YOUR ATTENTION
![Bài giảng công tắc tơ [mới nhất]](https://cdn.tailieu.vn/images/document/thumbnail/2026/20260506/vispacex_27/135x160/93891778142285.jpg)
![Giáo trình Điện tử tương tự 1: Phần 1 [Mới nhất]](https://cdn.tailieu.vn/images/document/thumbnail/2026/20260506/vispacex_27/135x160/69111778210056.jpg)
