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 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

2

1/21/2013 PGS.TS Le Minh Phuong

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

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)

6

3

1/21/2013 PGS.TS Le Minh Phuong

1/21/2013

Bộ nghịch lưu áp - VSI

Hệ tọa độ ba pha

7

Tại thời điểm wt=/6

1/21/2013 PGS.TS Le Minh Phuong

Bộ nghịch lưu áp - VSI

Hệ tọa độ ba pha

Tại thời điểm wt=/3

8

4

1/21/2013 PGS.TS Le Minh Phuong

1/21/2013

Bộ nghịch lưu áp - VSI

Hệ tọa độ ba pha

 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

Vector điện áp v là tổng hình học 3 vector (va, vb, vc)

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

10

5

Trong đó va, vb, vc là giá trị tức thời của điện áp 1/21/2013 PGS.TS Le Minh Phuong

1/21/2013

Bộ nghịch lưu áp - VSI

Biến hình không gian - Space transformation

Vector V(t) trong hệ trục (abc) Biến đổi theo dạng số phức

11

1/21/2013 PGS.TS Le Minh Phuong

Bộ nghịch lưu áp - VSI

Biến hình không gian - Space transformation

12

6

1/21/2013 PGS.TS Le Minh Phuong

1/21/2013

Bộ nghịch lưu áp - VSI

Vector điện áp

13

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

1/21/2013 PGS.TS Le Minh Phuong

Space Vector Modulation

Space Vector Modulation

Switching States

14

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

7

1/21/2013 PGS.TS Le Minh Phuong

1/21/2013

Space Vector Modulation

Space Vector Modulation

Switching States

15

1/21/2013 PGS.TS Le Minh Phuong

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 Space Vector Modulation 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.

Space Vector Modulation Điện áp pha được tính dựa vào trạng thái đóng ngắt

16

8

1/21/2013 PGS.TS Le Minh Phuong

1/21/2013

Space Vector Modulation

Space Vector Modulation

Ví dụ:  Switching state [POO] → S1, S6 and S2 ON

 Vector điện áp

 Tổng quát

17

Với k=1,2..,6

1/21/2013 PGS.TS Le Minh Phuong

Space Vector Modulation

Active and Zero Vectors

18

9

1/21/2013 PGS.TS Le Minh Phuong

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

10

1/21/2013 PGS.TS Le Minh Phuong

1/21/2013

Bộ nghịch lưu áp - VSI

Các vector điện áp

Active vectors: V1-V6 (stationary, not rotating)

Zero vector V7 V0

22

 Six sectors: I to VI

1/21/2013 PGS.TS Le Minh Phuong

Space Vector Modulation

010

110

100

011

111 000

001

101

Value

0

t i

23

m e

11

1/21/2013 PGS.TS Le Minh Phuong

1/21/2013

Space Vector Modulation

Reference Vector Vref Definition

Rotating in space at ω

Angular displacement

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

12

1/21/2013 PGS.TS Le Minh Phuong

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

26

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

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).

27

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

13

1/21/2013 PGS.TS Le Minh Phuong

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).

28

Vector tương đương được tính bằng vector trung bình bởi chuỗi tác động liên tiếp nêu trên, tức là:

1/21/2013 PGS.TS Le Minh Phuong

Space Vector Modulation

Chuyển mạch vector không gian -Space vector switching

31

14

1/21/2013 PGS.TS Le Minh Phuong

1/21/2013

Space Vector Modulation

Dwell Time Calculation

Volt-Second Balancing Ta, Tb and T0 – dwell times for , and V1 V2 V0 Ts – sampling period Space vectors

32

1/21/2013 PGS.TS Le Minh Phuong

Space Vector Modulation

Dwell Time Calculation

Volt-Second Balancing Ta, Tb and T0 – dwell times for , and V1 V2 V0 Ts – sampling period Space vectors

33

15

1/21/2013 PGS.TS Le Minh Phuong

1/21/2013

Space Vector Modulation

Dwell Time Calculation

34

1/21/2013 PGS.TS Le Minh Phuong

Space Vector Modulation

Modulation Index

35

16

1/21/2013 PGS.TS Le Minh Phuong

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 Modulation range: 0 ≤ ma ≤ 1

37

17

1/21/2013 PGS.TS Le Minh Phuong

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

18

1/21/2013 PGS.TS Le Minh Phuong

1/21/2013

Space Vector Modulation

Vector in Sector 1

40

1/21/2013 PGS.TS Le Minh Phuong

Space Vector Modulation

Vector in Sector 2

41

19

1/21/2013 PGS.TS Le Minh Phuong

1/21/2013

Space Vector Modulation

Vector in Sector 3

42

1/21/2013 PGS.TS Le Minh Phuong

Space Vector Modulation

Vector in Sector 4

43

20

1/21/2013 PGS.TS Le Minh Phuong

1/21/2013

Space Vector Modulation

Vector in Sector 5

44

1/21/2013 PGS.TS Le Minh Phuong

Space Vector Modulation

Vector in Sector 6

45

21

1/21/2013 PGS.TS Le Minh Phuong

1/21/2013

Space Vector Modulation

010

110

100

011

111 000

001

101

Value

0

t i

m e

46

1/21/2013 PGS.TS Le Minh Phuong

Space Vector Modulation

• Switching Sequence Summary (7–segments)

49

22

1/21/2013 PGS.TS Le Minh Phuong

1/21/2013

Space Vector Modulation

Simulated Waveforms

50

f1 = 60Hz, fsw = 900Hz, ma = 0.696, Ts = 1.1ms 1/21/2013 PGS.TS Le Minh Phuong

Space Vector Modulation

Waveforms and FFT

51

f1 = 60Hz, fsw = 900Hz, ma = 0.696, Ts = 1.1ms

23

1/21/2013 PGS.TS Le Minh Phuong

1/21/2013

Space Vector Modulation

Waveforms and FFT (thực nghiệm)

52

f1 = 60Hz, fsw = 900Hz, ma = 0.696, Ts = 1.1ms

1/21/2013 PGS.TS Le Minh Phuong

Space Vector Modulation

Waveforms and FFT (Measured)

53

f1 = 60Hz, fsw = 900Hz, ma = 0.696, Ts = 1.1ms

24

1/21/2013 PGS.TS Le Minh Phuong

1/21/2013

Bộ nghịch lưu áp - VSI

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

61

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

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.

62

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

25

1/21/2013 PGS.TS Le Minh Phuong

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

Tính vector Vref và góc lệch 

64

26

1/21/2013 PGS.TS Le Minh Phuong

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

27

1/21/2013 PGS.TS Le Minh Phuong

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

28

1/21/2013 PGS.TS Le Minh Phuong

1/21/2013

Power Electronics

For Building

THANK YOU

FOR YOUR ATTENTION

69

29

1/21/2013