Bài giảng Thiết kế hệ thống điều khiển điện tử công suất - Điều chế vector không gian (SVM) cho nghịch lưu nguồn áp ba pha

Học phần (EE4336): Thiết kế hệ thống điều khiển điện tử công suất Điều chế vector không gian (SVM) cho nghịch lưu nguồn áp ba pha TS. Trần Trọng Minh, TS.Vũ Hoàng Phương Hà Nội – 07/2014 07/2014 1 Nội dung trình bày 1. Vai trò (nhiệm vụ) khâu SVM trong hệ thống điều khiển nghịch lưu nguồn áp ba pha. 2. Khái niệm vector không gian 3. Nội dung phương pháp điều chế vector không gian. 4. Kết quả mô phỏng. 5. Kết luận 6. Tài liệu tham khảo 07/2014 2 Vai trò điều chế vector không gian Nhiệm vụ SVM:Tính toán thời gian đóng ngắt van bán dẫn trong mạch nghịch lưu đảm bảo giá trị trung bình điện áp đầu ra mạch nghịch lưu bằng với giá trị điện áp đặt vào khâu SVM. 07/2014 3 Hình 1. Sơ đồ khối hệ thống điều khiển nghịch lưu nguồn áp ba pha Bộ điều khiển SVM Driver dcU ad bd cd su M NLNA Phản hồi Lương đặt Sóng mang Khái niệm vector không gian 07/2014 4   22 ( ) 3 2 ( ) 1 3 s a b c a b c u au a u      u u u u 2 3 1 3 2 2 j a e j        1 1 1 2 2 2 3 3 3 3 0 2 2 a b c u u u u u                         Hình 2. Ví dụ về thành phần điện áp (abc) và αβ theo trục thời gian Ta hoàn toàn có khả năng biểu diễn 3 đai lượng điện áp tức thời trong hệ thống 3 pha bằng một vector điện áp duy nhất theo (1). (2)s u ju  u Bằng phép chuyển tọa độ Clarke (3), ta đưa hệ thống 3 pha từ hệ tọa độ (abc) sang hệ tọa độ αβ. Trong mặt phẳng phức αβ, vector us được biểu diễn: Khái niệm vector không gian Với hệ 3 pha cân bằng và đối xứng – các pha điện áp có biên độ bằng nhau và góc lệch tương ứng 2π/3. 07/2014 5   cos( ) 2 cos( ) 4 3 2 cos( ) 3 a m b m c m u U t u U t u U t                  ( ) 5s mU t u Hình 3. Biểu diễn vector không gian trong hệ tọa độ αβ. Sử dụng thông tin vector us để điều khiển cho hệ thống ba pha. Tương tự ta cũng có:  ( ) 5s mI t   i φ: góc lệch pha giữa điện áp và dòng điện s u  j   su  su  Nội dung phương pháp SVM 07/2014 6 Hình 4. Trang thái 1 (u1 = 100) Bước 1: Xác định trạng thái (vector chuẩn ) của mạch nghịch lưu Bằng 3 nhánh van ta có 8 trạng thái logic (do NLNA không cho phép ngắn mạch nguồn vào một chiều, không hở mạch pha đầu ra). Ta qui ước, trạng thái logic 1 tương ứng van nhánh trên nối với cực (+); trạng logic 0 tương ứng van nhánh dưới nối với cực (-) nguồn một chiều. Do tải 3 pha đối xứng ta có:   2 3 1 6 3 1 3 a dc b dc c dc u U u U u U            Theo (1) ta có:  01 2 0 7 3 dcU u Nội dung phương pháp SVM 07/2014 7 Hình 5. Trạng thái (vector chuẩn) mạch nghịch lưu nguồn áp ba pha Có 8 trạng thái : 2 trạng thái không (u0, u7) và 6 trạng thái tích cực (u1÷u6) Bài tập: Tính toán giá trị điện áp tức thời và vector điện áp cho các trạng thái còn lại của mạch nghịch lưu Nội dung phương pháp SVM Các vector điện áp trong mỗi trạng thái gọi là vector chuẩn. Biên độ vector chuẩn xác định: 07/2014 8   1 2 3 4 5 6 0 7 2 / 3 8 0 dcU          u u u u u u u u Vector chuẩn Van dẫn au bu cu abu bcu u s 0u 2 4 6, ,S S S 0 0 0 0 0 0 1u 6 1 2, ,S S S 2/3 dcU -1/3 dcU -1/3 dcU dcU 0 2 / 3 0dcU  2u 1 2 3, ,S S S 1/3 dcU 1/3 dcU -2/3 dcU 0 dcU 2 / 3 ( / 3)dcU  3u 2 3 4, ,S S S -1/3 dcU 2/3 dcU -1/3 dcU - dcU dcU 2 / 3 (2 / 3)dcU  4u 3 4 5, ,S S S -2/3 dcU 1/3 dcU 1/3 dcU - dcU 0 2 / 3 ( )dcU   5u 4 5 6, ,S S S -1/3 dcU -1/3 dcU 2/3 dcU 0 - dcU 2 / 3 ( 2 / 3)dcU   6u 5 6 1, ,S S S 1/3 dcU -2/3 dcU 1/3 dcU dcU - dcU 2 / 3 ( / 3)dcU   7u 1 3 5, ,S S S 0 0 0 0 0 0 Bảng 1. Bảng giá trị điện áp các vector chuẩn Hình 6. Vị trí vector chuẩn trên hệ tọa độ tĩnh αβ   3u 4u 2u 6u5u 0u 7u 1u Su  Su  Su  Nội dung phương pháp SVM Nguyên tắc thực hiên điều chế vector không gian: Vector điện áp đặt sẽ được tổng hợp từ các vector chuẩn đã biết của mạch nghịch lưu. Do đó, ta phải trả lời được lần lượt các câu hỏi sau: 1. Thời gian thực hiện các vector chuẩn (bao gồm cả thời gian thực hiện các vector tích cực và vector không) là bao lâu trong mỗi chu kỳ điều chế? 2. Trình tự thực hiện các vector chuẩn như thế nào khi vector điện áp đặt nằm trong các sector khác nhau? 3. Xuất ra thời gian đóng ngắt các nhánh van mạch nghịch lưu? 07/2014 9 Nội dung phương pháp SVM 07/2014 10 Hình 7. Mối quan hệ giữa các sector và điện áp tức thời usa, usb, usc Bước 2: Xác định vị trí vector điện áp đặt us   2 2 arctan( ) 9 ( )m u u U u u            Cách 1: Sử dụng phép tính lượng giác [3] Cách 2: Sử dụng phương pháp đại số để xác định vị trí vector điện áp đặt us Gặp khó khăn khi thực hiện trong thực tế Nội dung phương pháp SVM 07/2014 11 su  su    3 2 3 2 sa s s s sb s s sc u u u u u * u u u                  Hình 8. Thuật toán xác định vector điện áp đặt trong mỗi sector Nội dung phương pháp SVM 07/2014 12 Hình 9. Nguyên tắc điều chế vector điện áp Bước 3: Tính toán thời gian (hoặc hệ số điều chế) thực hiện hai vector chuẩn trong mỗi chu kỳ điều chế Ts. Vector điện áp đặt us sẽ được tổng hợp từ hai vector biên trong khoảng thời gian T1,T2. Thời gian còn lại (Ts – T1 –T2) thực hiện vector không. 0u 7u xu   1 2 s x y s s T T T T  u u u yu 1 . x s T T u 2 . y s T T u       01 2 0 7 1 2 0 0 7 10S x y s s s x y TT T hay T T T d d d hay       u u u u u u u u u Nội dung phương pháp SVM 07/2014 13  1 2 11S x yd d u u u  1 2 1 2 12 y yS x x x xy yS u uu u u d d d u u du u u                                      1 2 1 13 yx S S nm x y S S uu u ud d u u uu                               A  0 1 21 14d d d   Hệ số d0 thực hiện vector không sẽ được xác định: Viết lại (10) theo thành phần trên hệ tọa độ tĩnh αβ Trong đó: 1 21 2; s s T T d d T T   0 1 2sT T T T   Tính toán hệ số điều chế vector chuẩn theo phương pháp đại số. 0 7 0 u uDo nên (10) được viết lại: Nội dung phương pháp SVM Xét ví dụ trong sector 1: Vector us được biểu diễn như sau: 07/2014 14 0u 7u 1u   1 1 2 2. .s d d u u uu u 2u  1 1 2 2 1 2 1 2 2 1 3 3 15 1 0 3 S dc S u u u d d u u d d U u                                         1 2 1 2 1 3 3 1 13 3 162 2 1 0 0 3 3 S S S Sdc dc u ud u ud U U                                       Hệ số điều chế d1, d2 được xác định như (16): Hình 10. Ví dụ điều chế vector điện áp nằm trong sector 1 Hệ số điều chế cho vector không:  0 1 21 17d d d   Nội dung phương pháp SVM Bảng 2. Bảng tổng hợp ma trận trong mỗi sector sử dụng trong (13) 07/2014 15 Sector 1 1 2 1 3 3 1 13 3 2 2 1 0 0 3 3 nm dc dcU U                    A Sector 2 1 2 1 3 1 1 1 3 3 2 2 0 1 0 1 nm dc dcU U                   A Sector 3 1 1 2 0 3 1 13 3 3 31 0 2 23 nm dc dcU U                      A Sector 4 1 1 2 0 3 1 13 3 3 31 0 2 23 nm dc dcU U                      A Sector 5 1 1 1 3 3 1 13 3 2 2 1 1 3 3 3 3 2 2 nm dc dcU U                          A Sector 6 1 2 1 3 3 1 13 3 2 2 1 0 0 3 3 nm dc dcU U                      A Nhận xét: Về mặt toán học thứ tự thực hiện các vector không ảnh đến giá trị trung bình điện áp ra nghịch lưu trong môi chu kỳ điều chế. Tuy nhiên trình tự thực hiện các vector quyết định đến chất lượng điện áp đầu ra, số lần chuyển mạch. Nội dung phương pháp SVM 07/2014 16 u1 u2 u7 u0 Pha a 1 1 1 0 Pha b 0 1 1 0 Pha c 0 0 1 0 S1 S3 S5 S4 S6 S2 Ts/2 Ts/2 T0/4 T0/4 T0/2 T0/2 Sector 1 u0 u1 u2 u7 u7 u2 u1 u0 T1/2 T2/2 T1/2T2/2 Bước 4: Tính toán thời gian (hoặc hệ số điều chế) thực hiện nhánh van mạch nghịch lưu trong mỗi chu kỳ Ts Xét ví dụ trong sector 1. Trình tự chuyển mạch u0 → u1 → u2 → u7 và u7 → u2 → u1 → u0 Hình 11. Mẫu xung chuẩn trong Sector 1 Sử dụng mẫu xung đối xứng và thời gian sử dụng vector không (u0, u7) bằng nhau.    0 7 1 2 1 18 2 sT T T T T    Nội dung phương pháp SVM 07/2014 17   0 0 1 0 1 2 2 19 2 2 a b c d d d d d d d d d            Căn cứ vào đặc điểm kênh PWM trong các vi điều khiển (thực chất là bộ đếm tiến lùi), ta sẽ xác định được hệ số điều chế cho nhánh van mạch nghịch lưu Hệ số điều chế được giới hạn: 0 ≤ da, db, dc ≤ 1 Nhận xét: + Mỗi lần chuyển trạng thái chỉ có một nhánh cầu chuyển mạch. + Điện áp ra sẽ có sóng hài bậc 2fs do trong một chu kỳ mỗi pha chuyển mạch 2 lần. S1 S3 S5 S4 S6 S2 Ts/2 Ts/2 T0/4 T0/4 T0/2 T0/2 Sector 1 u0 u1 u2 u7 u7 u2 u1 u0 T1/2 T2/2 T1/2T2/2 Nội dung phương pháp SVM 07/2014 18Hình 12. Các mẫu xung chuẩn đưa ra trong mỗi sector Bài tập: Tính toán hệ số điều chế nhánh van mạch nghịch lưu khi vector điện áp đặt nằm trong các sector còn lại. Nội dung phương pháp SVM Bảng 3. Hệ số điều chế cho nhóm nhánh van của mạch nghịch lưu 07/2014 19 Sector Thời gian đóng/cắt Sector Thời gian đóng/cắt Sector 1 da = d0/2 db = d0/2 + d1 dc = d0/2 + d1 + d2 Sector 4 da = d0/2 + d1 + d2 db = d0/2 + d1 dc = d0/2 Sector 2 da = d0/2 + d1 db = d0/2 dc = d0/2 + d1 + d2 Sector 5 da = d0/2 + d1 db = d0/2 + d1 + d2 dc = d0/2 Sector 3 da = d0/2 + d1 + d2 db = d0/2 dc = d0/2 + d1 Sector 6 da = d0/2 db = d0/2 + d1 + d2 dc = d0/2 + d1 Vấn đề bàn thêm 07/2014 20 + Thời gian chết - deadtime phải có (Hình 14), ảnh hưởng như thế nào đến dạng điện áp ra mạch nghịch lưu . + Cần phải có biến pháp gì để giải quyết vấn đề này (bù thời gian deadtime)[ 2]. Hình 14. Xuất hiện thời gian chết deadtime trong mỗi nhánh van mạch nghịch lưu + Khả năng tận dụng điện áp một chiều Udc bằng bao nhiêu?? + Các mẫu xung có thể xuất hiện ở bước 4 : Điều chế ngẫu nhiên, điều chế 2 nhánh van [1, 2, 3]. 2 / 3dcU / 3dcU / 2dcU Hình 13. Quĩ đạo vector điện áp theo phương pháp PWM Kết quả mô phỏng 07/2014 21 Ví dụ: Tham số mô phỏng sơ đồ Udc = 500V, tải của mỗi pha mạch nghịch lưu R= 5Ω, L = 2mH (tải đối xứng, đấu hình sao), và biên độ điện áp đỉnh mỗi pha là 200V có tần số 50Hz, tần số băm xung là 5kHz. u_anpha u_beta 1 puls -C- f* dq ab dq -> ab 0 Uq 500 Udc 200 Ud pulses Sawtooth v a v b uDC Duty SVM Relay 1 s Integrator f(u) Fcn 1 Constant4 Us v + - Voltage Measurement Scope1 Scope g C E IGBT/Diode5 g C E IGBT/Diode4 g C E IGBT/Diode3 g C E IGBT/Diode2 g C E IGBT/Diode1 g C E IGBT/Diode DC i + - Current Measurement 1 Gate Hình 15. Sơ đồ mô phỏng khâu SVM và PWM bằng Matlab/Simulink Hình 16. Sơ đồ mô phỏng mạch nghịch lưu nguồn áp ba pha bằng Matlab/Simpower Kết quả mô phỏng 07/2014 22 0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 0.08 0.09 0.1 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 t(s) a. Hệ số điều chế tính ra từ khâu SVM Hình 17. Kết quả mô phỏng với phương pháp điều chế vector không gian Kết quả mô phỏng 07/2014 23 0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 0.08 0.09 0.1 -600 -400 -200 0 200 400 600 t(s) U a b (V ) b. Điện áp dây đầu ra nghịch lưu ba pha Hình 17. Kết quả mô phỏng với phương pháp điều chế vector không gian Kết quả mô phỏng 07/2014 24 0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 0.08 0.09 0.1 -50 -40 -30 -20 -10 0 10 20 30 40 50 t(s) iS a (A ) c. Dòng điện đầu ra nghịch lưu ba pha Hình 17. Kết quả mô phỏng với phương pháp điều chế vector không gian Kết quả mô phỏng 07/2014 25 d. Phân tích phổ dòng điện Hình 17. Kết quả mô phỏng với phương pháp điều chế vector không gian Kết luận về phương pháp SVM 07/2014 26 1.Tận dụng được điện áp một chiều tốt hơn phương pháp sinPWM (đã biết). 2. Linh hoạt tạo ra các mẫu xung khác nhau trong mỗi sector để phù hợp với các ứng dụng riêng biệt. Từ đó xuất phương pháp điều chế mới: điều chế ngẫu nhiên (giảm sóng hài điện áp tại lân cận tần số phát xung) và điều chế hai nhánh van (giảm số lần chuyển mạch)....[1,2]. 3. Phù hợp cài đặt cho vi điều khiển hiện tại. 4. Giảm sóng điều hòa bậc cao Tài liệu tham khảo 07/2014 27 [1]. Nguyễn Phùng Quang, Andreas Dittrich (2006); Truyền động điện thông minh; Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ thuật. [2]. Nguyễn Phùng Quang; Điều chế ngẫu nhiên (stochastic modulation) Giải pháp cải thiện phổ sóng hài; Tạp chí Tự động hóa ngày nay, số 86, 10/2007, tr. 97 – 100 và 102. [4]. Trần Trọng Minh (2009); Giáo trình Điện tử công suất; Nhà xuất bản Giáo dục. [3]. Ali Keyhani (2005); Pulse-Width Modulation (PWM) Techniques; Department of Electrical and Computer Engineering The Ohio State University