intTypePromotion=1
ADSENSE

Bài giảng Điện tử công suất: Bộ nghịch lưu, biến tần Power Inverter (phần 1) - PGS.TS Lê Minh Phương

Chia sẻ: 5A4F5AFSDG 5A4F5AFSDG | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:30

363
lượt xem
68
download
 
  Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Bài giảng Điện tử công suất: Bộ nghịch lưu, biến tần Power Inverter (phần 1) cung cấp kiến thức về nguyên lý làm việc, phương pháp điều khiển và mô phỏng Matlab-Simulink của bộ nghịch lưu áp – Voltage Source Inverter (VSI) và bộ nghịch lưu áp 1 pha. Mời các bạn cùng tham khảo.

Chủ đề:
Lưu

Nội dung Text: Bài giảng Điện tử công suất: Bộ nghịch lưu, biến tần Power Inverter (phần 1) - PGS.TS Lê Minh Phương

  1. 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 POWER INVERTER PGS.TS Lê Minh Phương Khoa Điện –Điện Tử Trường ĐHBK TPHCM TPHCM 2012 2 1
  2. 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 DC Vs/2 S1 D1~D4 ─Freewheeling diodes D1 iZ C ─dc filter capacitor (VSI) R L 0 Vs ─dc link voltage uZ DC Vs/2 S4 D4 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 4 1/21/2013 PGS.TS Le Minh Phuong 2
  3. 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 S1 0 T/2 T 3T/2 T/2 S4 0 T/2 T 3T/2 T/2 Uz(V) 0 T/2 T 3T/2 T/2 iZ(A) 0 T/2 T 3T/2 T/2 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 U DC U z  U A0  2 T/2:T S2 dẫn dòng điện có chiều chiều từ 0 đến a theo mạch (U/2,S2,R,-U/2) nguồn dưới U DC U z  U A0   2 6 1/21/2013 PGS.TS Le Minh Phuong 3
  4. 1/21/2013 Bộ nghịch lưu áp - VSI Hệ quả Hai diode D1 và D4 không tham gia vào quá trình dẫn điện Trị hiệu dụng áp tải U DC Uz  2 Trị hiệu dụng dòng điện tải Uz Iz  R Trị hiệu dụng hài cơ bản áp tải 4U DC U z (1)   0.45U DC 2 2 7 1/21/2013 PGS.TS Le Minh Phuong Bộ nghịch lưu áp - VSI Khi tải thuần cảm (L ≠ 0;R≠0) 0:T/2 giả thiết S1 dẫn dòng điện DC UDC/2 S1 có chiều chiều từ A đến 0 theo D1 mạch (Udc/2,S1,R,-Udc/2) R L iZ 0 A U DC uZ U z  U A0  2 DC UDC/2 S4 D4 diz U DC Riz  L  0 dt 2 t t  U DC  i1 (t )  I1e   (1  e ) 2R 8 1/21/2013 PGS.TS Le Minh Phuong 4
  5. 1/21/2013 Bộ nghịch lưu áp - VSI Khi tải thuần cảm (L ≠ 0;R≠0) T/2:T Giả thiết S2 dẫn dòng điện DC UDC/2 S1 có chiều chiều từ 0 đến A theo D1 mạch (U/2,S2,R,-U/2) nguồn dưới R L iZ 0 A U DC uZ U z  U A0   2 DC UDC/2 S4 D4 diz U DC Riz  L  0 dt 2 T T t t  2  2 U DC i2 (t )  I 2 e   (1  e  ) 2R 9 1/21/2013 PGS.TS Le Minh Phuong Bộ nghịch lưu áp - VSI Phân tích công thức T T T  U  i1 ( )  I 2  I1e 2  DC (1  e 2 ) 2 2R T T T T 2 2 T T  U   U DC  i2 (T )  I 3  I1  I 2 e   DC (1  e  )  I 2e 2  (1  e 2 ) 2R 2R T T T T  U DC   U DC  I 2  [I 2 e 2  (1  e )]e  2 2 (1  e )2 2R 2R T  U DC  2T  T  T  I 2e   [e  e  -1+e 2 ] 2R 10 1/21/2013 PGS.TS Le Minh Phuong 5
  6. 1/21/2013 Bộ nghịch lưu áp - VSI Phân tích công thức T T T  U DC   I 2 (1  e )  [1-2e  e  ] 2 2R T T   U DC (1  e 2 ) 2 U DC (1  e 2 ) I2  T T  T    2 R(1  e 2 )(1  e 2 ) 2 R(1  e 2 ) 11 1/21/2013 PGS.TS Le Minh Phuong Bộ nghịch lưu áp - VSI Phân tích công thức T T T  U  i1 ( )  I 2  I1e 2  DC (1  e 2 ) 2 2R T T T T 2 2 T T  U   U DC  i2 (T )  I 3  I1  I 2 e   DC (1  e  )  I 2e 2  (1  e 2 ) 2R 2R T T T T  U DC   U DC  I1  [I1e  (1  e )]e  2 2 2 (1  e )2 2R 2R T T T T  U     I1e   DC [e 2  e  -1+e 2 ] 2R 12 1/21/2013 PGS.TS Le Minh Phuong 6
  7. 1/21/2013 Bộ nghịch lưu áp - VSI Phân tích công thức T T T  U DC   I1 (1  e )    [1-2e  e  ] 2 2R T T   U DC (1  e 2 ) 2 U DC (1  e 2 ) I1   T T  T    2 R(1  e 2 )(1  e 2 ) 2 R(1  e 2 ) T  U DC (1  e 2 ) I 2   I1  T  2 R(1  e 2 ) 13 1/21/2013 PGS.TS Le Minh Phuong Bộ nghịch lưu áp - VSI Phân tích công thức U DC t   ln( ) U DC  2 RI1 14 1/21/2013 PGS.TS Le Minh Phuong 7
  8. 1/21/2013 Bộ nghịch lưu áp - VSI Bộ nghịch lưu áp 1 pha Q1~Q4 ─IGBTs, switching devices D1~D4 ─Freewheeling diodes C ─dc filter capacitor (VSI) Vs ─dc link voltage 15 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 Các khóa bán dẫn đóng ngắt trong khoảng thời gian ½ chu kỳ theo nguyên tắc đối nghịch 16 1/21/2013 PGS.TS Le Minh Phuong 8
  9. 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: Period II:  Q1, Q2 on, current path: vg1=vg2>0 Vs+Q1LoadQ2Vs- vg3=vg4>0  But io>0  D3, D4 on, energy Va0=Vs/2; stored in L is Vb0=-Vs/2; releasing to vo=Vab=Vs; Vs, current path: Vd- D4LoadD3Vd+ Va0=-Vs/2; Vb0=Vs/2; vo=Vab=-Vs; Period III: vg3=vg4>0 But io0  But io
  10. 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 1/21/2013 PGS.TS Le Minh Phuong 10
  11. 1/21/2013 Bộ nghịch lưu áp 1 pha Hệ quả Trị hiệu dụng điện áp tải: 1/ 2  2 Ta / 2 2   To  s  Vo   V dt  Vs  0  Điện áp tải tức thời theo phân tích Fourier  4Vs 4V sin 3t sin 5t vo   n 1,3,5,... n sin nt  s (sin t   3  5  ...) Trong đó 2   2 f  T 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: 4Vs 4Vs V Vo1   0,90 Vs Voh   o1 2 2 n n Dòng điện tải tức thời theo phân tích Fourier  4Vs i0   sin(nt   n ) n 1,3,5,... n R 2  (n L)2 Trong đó: n - góc lệch pha trong hài bậc n dòng điện tải  nL  n  ac tan    R  22 1/21/2013 PGS.TS Le Minh Phuong 11
  12. 1/21/2013 Bộ nghịch lưu áp 1 pha Dòng điện DC nguồn - DC Link Current Bỏ qua tổn hao trong bộ nghịch T T  v (t )i (t )dt  v (t )i (t )dt lưu, công suất trung bình tiêu thụ trên tải phải bằng công suất trung s s o o bình nguồn cung cấp 0 0 T T 1 0 is (t )dt  Vs  0 2Vo1 sin(t ) 2 I 0 sin(t  1 )dt  I s 1 is (t )  2Vo1 sin(t ) 2 I 0 sin(t  1 ) Vs Vo1 V is (t )  I 0 sin 1  o1 I 0 sin(2t  1 ) Vs Vs 23 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 1/21/2013 PGS.TS Le Minh Phuong 12
  13. 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 1/21/2013 PGS.TS Le Minh Phuong 13
  14. 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 (a) carrier and modulating signals; (b) switchQ1 state; (c) switch Q4 state; 27 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 - Ar Amplitude-modulation ma  ratio Ac Tỷ số điều chế tần số fc (frequency-modulation mf  ratio) fr 28 1/21/2013 PGS.TS Le Minh Phuong 14
  15. 1/21/2013 Bộ nghịch lưu áp - VSI Phân tích dạng sóng điện áp tải The harmonics in the ac output voltage appear at normalized odd frequencies fh centered around twice the normalized carrier frequency mf and its multiples h = l mf ±k l= 2, 4, . . . Với k = 1, 3, 5, . . . 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 (d) ac output voltage; (e) ac output voltage spectrum; (f) ac output current; 29 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, . . . This feature is considered to be an advantage because it allows the use of smaller filtering components to obtain (g) dc current; (h) dc current spectrum; high quality voltage and current waveforms 30 1/21/2013 PGS.TS Le Minh Phuong 15
  16. 1/21/2013 Bộ nghịch lưu áp - VSI Dòng điện trên các linh kiện (i) switch Q1 current; and (j) diode D1 current. 31 1/21/2013 PGS.TS Le Minh Phuong Bộ nghịch lưu áp 1 pha Hệ quả Khi ma1: Biên độ thành phần hài cơ bản điện áp tải thay đổi phi tuyến 4 Vs  vo1  vab  Vs  32 1/21/2013 PGS.TS Le Minh Phuong 16
  17. 1/21/2013 Bộ nghịch lưu áp - VSI Phạm vi điều khiển điện áp tải In the linear region, an ac output voltage that varies Higher voltages linearly as are obtained a function of the by using theindex, modulation overmodulation and the region (ma >are harmonics 1);at well-defined However, low-order frequencies and amplitudes. These features harmonics appearsimplify in the the ac output designvoltage.of filtering Very large values components. of the Unfortunately, modulation the maximum indexamplitude (ma > 3.24) of lead to a totallyac square the fundamental voltage ac is output voltage mode vs in this operating that is considered as the square- wave modulating technique. 33 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
  18. 1/21/2013 Bộ nghịch lưu áp - VSI Unipolar PWM Note: (1)vm≥vc →vg1=logic “1”,vg4=logic “0” vm
  19. 1/21/2013 Bộ nghịch lưu áp - VSI 2. Điều chế độ rộng xung tối ưu triệt tiêu sóng hài Selective Harmonic Elimination (SHE) 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, . . .) 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. 37 1/21/2013 PGS.TS Le Minh Phuong Bộ nghịch lưu áp - VSI 2. Điều chế độ rộng xung tối ưu triệt tiêu sóng hài Selective Harmonic Elimination (SHE) The general expressions to eliminate an arbitrary N − 1 (N − 1 = 3, 5, 7,. . .) number of harmonics are given by where α1, α2, . . ., αN should satisfy α1 < α2 < · · · < αN
  20. 1/21/2013 Bộ nghịch lưu áp - VSI 2. Điều chế độ rộng xung tối ưu triệt tiêu sóng hài Selective Harmonic Elimination (SHE) 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 The angles α1, α2, α3, and α4 are plotted for different values of vo1/vs 39 1/21/2013 PGS.TS Le Minh Phuong Bộ nghịch lưu áp - VSI 2. Điều chế độ rộng xung tối ưu triệt tiêu sóng hài Selective Harmonic Elimination (SHE) 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. 40 1/21/2013 PGS.TS Le Minh Phuong 20
ADSENSE

CÓ THỂ BẠN MUỐN DOWNLOAD

 

Đồng bộ tài khoản
2=>2