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

2

POWER INVERTER PGS.TS Lê Minh Phương Khoa Điện –Điện Tử Trường ĐHBK TPHCM TPHCM 2012

1

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

2

1/21/2013 PGS.TS Le Minh Phuong

1/21/2013

Bộ nghịch lưu áp - VSI

Bộ nghịch lưu áp 3 pha

Q1~Q6 ─IGBTs, switching devices

5

D1~D6 ─Freewheeling diodes on 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 simultaneously switched because this would result in a short circuit across the dc link voltage supply 1/21/2013 PGS.TS Le Minh Phuong

Bộ nghịch lưu áp - VSI

Bộ nghịch lưu áp 3 pha

6

3

1/21/2013 PGS.TS Le Minh Phuong

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

4

1/21/2013 PGS.TS Le Minh Phuong

1/21/2013

Bộ nghịch lưu áp 1 pha

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)

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.

10

Vc0 is controlled by g5, g2.

5

1/21/2013 PGS.TS Le Minh Phuong

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

12

Vab=Vs(g1-g3) Vbc=Vs(g3-g5) Vca=Vs(g5-g1)

6

1/21/2013 PGS.TS Le Minh Phuong

1/21/2013

Bộ nghịch lưu áp 1 pha

Analysis

Trị hiệu dụng điện áp dây có thể tính

Điện áp tải tức thời theo phân tích Fourier

13

1/21/2013 PGS.TS Le Minh Phuong

Bộ nghịch lưu áp 1 pha

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

14

7

1/21/2013 PGS.TS Le Minh Phuong

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.

15

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 PGS.TS Le Minh Phuong 1/21/2013

Bộ nghịch lưu áp 3 pha

Load neutral voltage

16

8

1/21/2013 PGS.TS Le Minh Phuong

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

9

1/21/2013 PGS.TS Le Minh Phuong

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

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

10

1/21/2013 PGS.TS Le Minh Phuong

1/21/2013

Bộ nghịch lưu áp - VSI

Điều chế độ rộng xung Sin (SINPWM)

(3) vmA≥vc →Q1 on→vA0=Vs/2 vmA

22

1/21/2013 PGS.TS Le Minh Phuong

Bộ nghịch lưu áp - VSI

23

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;

11

1/21/2013 PGS.TS Le Minh Phuong

1/21/2013

Bộ nghịch lưu áp - VSI

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;

24

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, . . ..

1/21/2013 PGS.TS Le Minh Phuong

Bộ nghịch lưu áp - VSI

Các thành phần hài trong điện áp tải

25

12

1/21/2013 PGS.TS Le Minh Phuong

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

The three-phase VSI. Ideal waveforms for the SPWM (ma = 0.8, mf = 9: (g) dc current; (h) dc current spectrum;

27

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.

13

1/21/2013 PGS.TS Le Minh Phuong

1/21/2013

Bộ nghịch lưu áp - VSI

Điều chế độ rộng xung Sin (SINPWM)

28

The three-phase VSI. Ideal waveforms for the SPWM (ma = 0.8, mf=9): (i) switch S1current; and (j) diode D1 current.

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

29

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

14

1/21/2013 PGS.TS Le Minh Phuong

1/21/2013

Bộ nghịch lưu áp - VSI

Square-wave Operation of Three-phase VSIs

as

Large values of ma in the SPWM technique lead to full is overmodulation. This known square-wave The ac line output voltage operation as illustrated in Fig, contains the harmonics fh, where the power valves are Where h = 6 · k ± 1 (k = 1, 2, on for 180◦. 3, . . .) and they feature amplitudes that are inversely proportional to their harmonic order

30

(c)ac output voltage; and (d) ac output voltage spectrum.

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

to

A zero sequence signal is the modulating added they are signals before compared the carrier signal

31

to

15

1/21/2013 PGS.TS Le Minh Phuong

1/21/2013

Bộ nghịch lưu áp - VSI

Sinusoidal PWM with Zero Sequence Signal Injection

the

Zero sequence signal generator (ma = 1.0, mf = 9): (b) modulating signals; and (c) zero sequence and modulating signals with zero sequence injection.

32

The addition of the zero the sequence reduces peak amplitude of the modulating resulting signals (uca , ucb , ucc ), fundamental while components remain unchanged

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

16

1/21/2013 PGS.TS Le Minh Phuong

1/21/2013

Bộ nghịch lưu áp - VSI

Sinusoidal PWM with Zero Sequence Signal Injection

VSI. three-phase

The 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;

34

(c) switch S1 state;

1/21/2013 PGS.TS Le Minh Phuong

Bộ nghịch lưu áp - VSI

Sinusoidal PWM with Zero Sequence Signal Injection

35

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;

17

1/21/2013 PGS.TS Le Minh Phuong

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

36

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 )

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.

37

To eliminate the fifth and seventh harmonics and perform fundamental magnitude control (N = 3),

18

1/21/2013 PGS.TS Le Minh Phuong

1/21/2013

Bộ nghịch lưu áp - VSI

Sinusoidal PWM with Zero Sequence Signal Injection

38

Chopping angles for SHE and fundamental voltage control in three-phase VSIs: fifth and seventh harmonic elimination.

1/21/2013 PGS.TS Le Minh Phuong

Bộ nghịch lưu áp - VSI

Selective Harmonic Elimination in Three-phase VSIs

39

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).

19

1/21/2013 PGS.TS Le Minh Phuong

1/21/2013

Bộ nghịch lưu áp - VSI

Điều chế giảm hài bậc 3 trong điện áp pha

40

1/21/2013 PGS.TS Le Minh Phuong

Bộ nghịch lưu áp - VSI

Delta Modulation

41

Ia* - Reference current (phase A) ia* Ia - actual inverter output current (phase A) ia - error signal (phase A)

20

1/21/2013 PGS.TS Le Minh Phuong

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 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

42

be

1/21/2013 PGS.TS Le Minh Phuong

Bộ nghịch lưu áp - VSI

Phương pháp điều chế theo dòng điện Delta Modulation

43

21

1/21/2013 PGS.TS Le Minh Phuong

1/21/2013

Power Electronics

For Building

THANK YOU

FOR YOUR ATTENTION

44

22

1/21/2013