Giải thuật điều chế véc-tơ không gian cải tiến cho bộ nghịch lưu ba pha bốn khóa trong điều kiện áp tụ khâu DC không cân bằng

Nội dung text: Giải thuật điều chế véc-tơ không gian cải tiến cho bộ nghịch lưu ba pha bốn khóa trong điều kiện áp tụ khâu DC không cân bằng

1. TẠP CHÍ KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ CÁC TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT . SỐ 70 - 2009 GIẢI THUẬT ĐIỀU CHẾ VÉC-TƠ KHÔNG GIAN CẢI TIẾN CHO BỘ NGHỊCH LƯU BA PHA BỐN KHÓA TRONG ĐIỀU KIỆN ÁP TỤ KHÂU DC KHÔNG CÂN BẰNG SPACE VECTOR PWM ALGORITHM FOR FOUR- SWITCH THREE-PHASE INVERTERS (B4) UNDER IMBALANCE DC-LINK VOLTAGE Phan Quốc Dũng, Lê Đình Khoa, Lê Minh Phương, Huỳnh Tấn Thành Trường Đại Học Bách Khoa - ĐHQG Tp. HCM TÓM TẮT Bài báo đưa ra thuật toán điều chế độ rộng xung véc-tơ không gian (ĐCVTKG) mới cho bộ nghịch lưu áp ba pha bốn khóa (B4) khi áp trên tụ DC không cân bằng. Bằng cách sử dụng các biến đổi toán học hợp lý, kỹ thuật điều chế độ rộng xung véc-tơ không gian cho bộ B4 khi áp trên tụ DC không cân bằng có thể được giải quyết dựa trên các véc-tơ cơ bản và kỹ thuật điều chế tương tự như bộ nghịch lưu áp ba pha sáu khóa (B6). Cách tiếp cận này tạo ra những hướng mới để giải quyết những vấn đề cho bộ B4 trong điều kiện áp trên tụ DC không cân bằng, ví dụ như đảm bảo điện áp yêu cầu cho vùng điều chế tuyến tính, quá điều chế chế độ 1 và 2 mở rộng đến phương pháp six-step. Matlab/Simulink được dùng để mô phỏng thuật toán điều chế độ rộng xung véc-tơ không gian cho vùng tuyến tính, và vùng quá điều chế chế độ 1 và 2. Giải thuật điều chế độ rộng xung véc-tơ không gian đề xuất được kiểm chứng thực nghiệm trên DSP TMS320LF2407A (Texas Instruments) và hệ truyền động động cơ không đồng bộ ba pha theo giải thuật điều khiển V/F. ABSTRACT This paper presents a new space vector PWM algorithm for four- switch three-phase inverters (B4) under imbalance DC-link voltage. By using reasonable mathematical transform, Space Vector PWM technique for B4 under imbalance DC-link voltage or ripples have been solved, which is based on the establishment of basic space vectors and modulation technique in similarity with six-switch three-phase inverters. This approach has a very important sense to solve problems of B4 under imbalance DC-link voltage , for example ensuring the required referenced voltage for undermodulation mode and overmodulation mode 1, 2 to six-step mode. Matlab/ Simulink is used for the simulation of the proposed SVPWM algorithm. This SVPWM approach is also experimented in DSP TMS320LF2407A Texas Instruments and in induction motor drive. I. GIỚI THIỆU Ngày nay, một số nghiên cứu tập trung vào phát triển bộ biến đổi công suất nhằm giảm tổn hao và chi phí để điều khiển các động cơ không đồng bộ. Trong số đó bộ nghịch lưu ba pha bốn khóa (B4) thay vì nghịch lưu ba pha sáu khóa (B6) được dùng cho hệ truyền động động cơ không đồng bộ công suất nhỏ [1-5]. Bộ B4 có những ưu điểm so với bộ B6 trong phạm vi công suất nhỏ [4] như số khóa Hình 1. Sơ đồ nguyên lý hệ truyền động công suất giảm 1/3, mạch lái linh kiện cũng Tuy nhiên, ngoài những nhược điểm so giảm đi 1/3. Điện áp trung tính và tâm với nghịch lưu B6 như cần điện áp DC cao hơn, nguồn(common-mode) của bộ B4 chỉ bằng 2/3 định mức tụ và linh kiện công suất cao hơn, của bộ B6. khuyết điểm chính của bộ B4 là có hiện tượng mất cân bằng điện áp trên hai nhánh tụ. Hiện 12
2. TẠP CHÍ KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ CÁC TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT . SỐ 70 - 2009 tượng áp tụ DC mất cân bằng do 3 nguyên nghịch (một đóng, một ngắt) các khóa trên cùng nhân : áp nguồn AC đầu vào không cân, quá một nhánh, ta có: trình chỉnh lưu dùng diode, sự luân chuyển của dòng pha tải qua nhánh nối vào tụ. Điều này S1 S 4 1;S3 S2 1 (1) dẫn đến việc tổng hợp điện áp ngõ ra bộ nghịch Điện áp các pha so với điểm 0 (Zero) lưu theo véc-tơ điện áp yêu cầu dựa trên cơ sở được mô tả theo các công thức sau: các véctơ cơ bản truyền thống sẽ trở nên khó khăn. Do đó, vấn đề được đặt ra là việc tổng Va0 0; Vb0 S1V1 (S1 1)V2; Vc0 S3V1 (S3 1)V2 (2) hợp điện áp ngõ ra cấp cho tải theo phương V V pháp điều rộng xung VTKG được thực hiện V dc .V ; V dc .V (3) trong điều kiện nguồn tụ DC mất cân bằng, vì 1 2 dc 2 2 dc điều này có vai trò quan trọng trong việc đánh giá chất lượng của bộ nghịch lưu áp. Trong đó : Có hai hướng để giải quyết vấn đề trên: V1,V2 : điện áp trên tụ C1, C2; V1+V2=Vdc thứ nhất là tăng điện dung của tụ, tuy nhiên,  : độ lệch điện áp giữa các tụ DC cách này làm tăng chi phí và kích thước nghịch ( 0.5  0.5). lưu. Hướng thứ hai có hiệu quả kinh tế hơn là dùng phương pháp ĐCVTKG trong thời gian Sự kết hợp đóng ngắt của các khoá S1, S2, thực (còn gọi là điều chế VTKG thích nghi), khi S3, S4 sẽ tạo ra 4 véc-tơ áp cơ bản của bộ nghịch các tín hiệu điều khiển đóng cắt trong trường lưu áp 4 khóa trong bảng 1. hợp áp trên tụ DC không cân bằng được tính Bảng 1. Véc-tơ không gian điện áp stator trên toán trực tiếp từ các véc-tơ cơ bản của bộ B4 và hệ trục α,β điện áp thực tế trên hai tụ DC. S1 S3 Vα Vβ Các nghiên cứu về ĐCVTKG trong điều V kiện áp trên tụ DC không cân bằng được đề 0 0 0 2V2 / 3 V xuất bởi [3,4] cho vùng quá điều chế vẫn chưa 1 được giải quyết. 0 1 (V V ) /3 2 1 (V1 V2 )/ 3 V4 Gần đây trong bài báo [5], sự liên hệ 1 0 giữa kỹ thuật ĐCVTKG cho bộ B4 và bộ B6 đã (V1 V2 )/ 3 V2 được thiết lập bằng cách sử dụng “nguyên lý 1 1 2V /3 0 tương tự” và đưa ra giải pháp cho kỹ thuật điều 1 V3 chế độ rộng xung trong vùng điều chế tuyến tính và quá điều chế. Tuy nhiên, giải thuật chỉ Điện áp trên tụ DC không cân bằng làm áp dụng với điều kiện áp tụ DC được giả thiết là cho các véc-tơ cơ bản dịch chuyển trong vùng cân bằng. không gian giữa véc-tơ V1 và véc-tơ V3, và hai véc-tơ V1 và V3 có độ lớn không bằng nhau Nội dung bài báo này nhằm đưa ra kỹ nữa, như đã trình bày trong bảng 1. Phần tiếp thuật ĐCVTKG cho bộ nghịch lưu B4 trong theo sẽ đưa ra giải thuật điều chế VTKG cho điều kiện nguồn áp tụ DC không cân bằng. Bài trường hợp mất cân bằng điện áp các tụ DC. báo đưa ra một cách nhìn mới cho kỹ thuật điều chế véc-tơ không gian bộ B4 giống như bộ B6. III. XÂY DỰNG GIẢI THUẬT ĐIỀU CHẾ Phương pháp này chưa được đề cập trong VÉC-TƠ KHÔNG GIAN CHO TRƯỜNG những bài báo trước. HỢP MẤT CÂN BẰNG ĐIỆN ÁP TỤ DC II. PHÂN TÍCH VÉC-TƠ KHÔNG GIAN Dựa vào ý tưởng điều chế véc-tơ không ĐIỆN ÁP VÀ TỪ THÔNG STATOR gian của bộ nghịch lưu 6 khoá, từ giản đồ véc- tơ cho trường hợp B4, ta thực hiện chuyển đổi Dựa vào hình 1, điện áp ở đầu ra bộ về dạng giản đồ véc-tơ cho B6. nghịch lưu phụ thuộc vào trạng thái các khoá Đặt các véc-tơ mới theo các véc-tơ ban S1, S2, S3, S4. Trong đó, “0” ứng với trạng thái kích ngắt của khóa, “1” ứng với trạng thái kích đầu, các hệ số a, b, c, d, e là các số thực dương. đóng của khóa. Sử dụng nguyên tắc kích đối 13
3. TẠP CHÍ KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ CÁC TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT . SỐ 70 - 2009 ' ' ' A. Vùng điều chế tuyến tính: (0 V2 (Hình 3) 2 Các hệ số được cho bởi công thức: t z Ts / 2 t x t y V V Với: M là chỉ số điều chế ; a 1;b 1 ; c 2 Vdc Vdc k là hệ số hiệu chỉnh, k=1/c. V (6) d c.e; e 2 Tính toán tương tự cho các vùng còn lại, V1 ta có được thời gian duy trì các véc-tơ cơ bản để tạo ra điện áp theo đúng yêu cầu trong bảng β β V2 V2 2 và cách tạo xung như hình 4. ' ' V3 V2 ' ' V3 V2 Vref Vref ' V3 V ' V 1 α V4 1 α ' ' V V V 4 1 V3 1 ' ' V V6 ' ' 5 V5 V6 Vùng I, II, III Vùng IV, V, V4 V4 VI Hình 2. Véc-tơ không Hình 3. Véc-tơ gian của bộ B4 khi không gian của bộ Hình 4. Giản đồ xung điều khiển khóa V1 V2 Bảng 2. Thời gian duy trì véc-tơ 6 vùng Với cách chuyển đổi sang hệ 6 véc-tơ cơ bản hiệu dụng, ta có thể sử dụng lại các công thức tính toán của bộ nghịch lưu 6 khoá. Đây là Vùng I một sự thuận lợi cho quá trình điều chế VTKG. 3 Ts t x t ' k M sin( /3 ) Để tạo véc-tơ không hiệu dụng của bộ B4 v1 2 3 T V0 , ta sử dụng véc-tơ V1 và V3 trong một s t y t ' k M sin( ) v2 khoảng thời gian t1 và t3: 2 t z Ts / 2 t x t y V .t V .t V .t (7) 0 z 1 1 3 3 a e t t 1 a t 1 b c t ; t t sao cho thoả mãn hai điều kiện : 1 a e x y z 3 a 1 et1 at3 0; t at bt t ; t ct ;t t (8) v1 x y 1 v2 y v3 3 t1 t3 tz 14
4. TẠP CHÍ KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ CÁC TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT . SỐ 70 - 2009 dụng phương pháp xấp xỉ tuyến tính để xác Vùng II định tx, ty. Cách tạo và tính toán thời gian duy a e trì véc-tơ không tương tự như phần điều chế t t 1 b c t 1 c d t ; t t 1 a e x y z 3 a 1 tuyến tính. C. Quá điều chế chế độ 2(Mmax_chế độ 1≤ M tv btx t1; tv c(tx t y ); tv dty t3 1 2 3 ≤Mmax_chế độ 2) Vùng III Quá điều chế chế độ 2 bắt đầu khi véc-tơ a e điện áp yêu cầu tăng cho đến chế độ six-step. t t 1 c d t 1 e t ; t t 1 a e x y z 3 a 1 Khi véc-tơ điện áp trượt trên chu vi hình lục giác (tương ứng với chỉ số điều chế nhỏ nhất ở tv t1; tv ct x ; tv dtx ety t3 1 2 3 chế độ 2), công thức tính tx, ty, tz tương tự chế độ 1. Khi véc-tơ điện áp đạt chế độ six-step, ta Vùng IV có công thức : a e t t 1 e t 1 d c t ; t t T 1 a e x y z 3 a 1 t s , t 0, t 0, 0 / 6 x2 y z t t ; t et dt t ; t ct (11) v1 1 v3 x y 3 v4 y T t 0, t s , t 0, / 6 / 3 Vùng V x y2 z a e Khi chỉ số điều chế nằm giữa hai giá trị t t 1 c d t 1 b c t ; t t 1 a e x y z 3 a 1 lớn nhất và nhỏ nhất, ta sử dụng phương pháp xấp xỉ tuyến tính để xác định t , t . t bt t ; t dt t ; t c(t t ) x y v1 y 1 v3 x 3 v4 x y IV. KHẢO SÁT SỰ PHỤ THUỘC CỦA CHỈ Vùng VI SỐ ĐIỀU CHẾ M VÀO ĐỘ SAI LỆCH a e ĐIỆN ÁP  t t 1 b c t 1 a t ; t t 1 a e x y z 3 a 1 Khi có sự sai lệch điện áp trên các tụ DC, bán kính hình tròn nội tiếp, chu vi hình lục giác t bt at t ; t t ; t ct v1 x y 1 v3 3 v4 x và bán kính đường tròn ngoại tiếp hình lục giác B. Quá điều chế chế độ 1(Mmax_tuyến tính ≤ cũng giảm theo. Kết hợp với công thức tính chỉ M ≤ Mmax_chế độ 1) số điều chế M khi chưa có sự lệch điện áp, ta có công thức liên hệ: Tương tự bộ nghịch lưu B6, chế độ này ' M M 1 2 khi  > 0 bắt đầu khi véctơ điện áp yêu cầu vượt ra ngoài đường tròn nội tiếp và đạt đến các cạnh của M ' M 2 1 khi  < 0 hình lục giác. Dưói đây là bảng giá trị chỉ số điều chế Khi véc-tơ điện áp trượt trên cạnh của lớn nhất tương ứng với từng giá trị của  hình lục giác (tương ứng với chỉ số điều chế lớn nhất ở chế độ 1), công thức tính thời gian duy Bảng 3. Giá trị tối đa của tỷ số điều biên theo  trì véc-tơ được cho bởi: Giá trị M lớn nhất của mỗi vùng điều chế 3 cos sin T T s s Tuyến tính Chế độ 1 Chế độ 2 t x ; t y t x ; t z 0  3 cos sin 2 2 0 0.9070 0.9520 1 (10) 0.01 0.8889 0.9329 0.98 Khi véc-tơ điện áp trượt trên đường tròn nội tiếp lục giác ( tương ứng với chỉ số điều chế 0.05 0.8163 0.8568 0.9 thấp nhất ở chế độ 1), công thức tính thời gian 0.1 0.7256 0.7616 0.8 duy trì véc-tơ tương tự ở vùng điều chế tuyến 0.2 0.5442 0.5712 0.6 tính. Khi chỉ số điều chế nằm giữa chỉ số điều chế nhỏ nhất và chỉ số điều chế lớn nhất, ta sử 0.3 0.3628 0.3808 0.4 15
5. TẠP CHÍ KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ CÁC TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT . SỐ 70 - 2009 Như vậy, tương ứng với mỗi giá trị độ khiển bộ B4 (4 IGBT FGPF120N40TU 1200V, lệch điện áp, chỉ số điều chế cho mỗi chế độ sẽ 40A, mạch lái HCPL-3120) 3 pha ngõ ra của bộ có một giới hạn khác nhau. Khi độ lệch điện áp B4 nối vào động cơ không đồng bộ ba pha với càng lớn, chỉ số điều chế lớn nhất cũng giảm thông số như sau: f=50Hz, 380V, đấu Y, 1/2 theo. HP, cos =0.81, 1420 rpm. Tần số đóng cắt của V. KẾT QUẢ MÔ PHỎNG IGBT là 5 kHz. Điện áp DC trên hai tụ 80V- Sử dụng Matlab/Simulink mô phỏng bộ 100V. Thông số hai nhánh tụ 1550uF, 2800uF, nghịch lưu B4 trong trường hợp mất cân bằng ε = 0.05. Hài cơ bản của điện áp cơ bản 50Hz. điện áp tụ DC. Các thông số mô phỏng: Vdc = Hình 9 biểu diễn đáp ứng vận tốc động cơ được 300V, f=50Hz, tần số đóng cắt khóa fsw= điều khiển theo phương pháp V/F vòng hở. 4.8kHz, tải R=20Ω, L=40mH. Động cơ được cấp nguồn từ bộ biến tần B4 với Trường hợp 1: Trong vùng điều chế tuyến tính, giải thuật điều chế VTKG cải tiến. Hình 10 biểu =0.05; M = 0.7. diễn dòng ba pha cân bằng trên động cơ. Quan sát phổ của điện áp dây với M=0.85 (H.11,13,14)(Oscillo Tektronix) hài cơ bản của ba áp dây cân bằng. Kết quả thực nghiệm cho thấy với giải thuật điều chế VTKG cải tiến kết quả dòng, áp trên tải động cơ cân bằng khi điện áp trên hai tụ DC mất cân bằng. Hình 5. Giản đồ dòng Hình 6. Giản đồ dòng pha tải - giải thuật pha tải theo giải truyền thống thuật đề xuất Nhận xét thấy xuất hiện thành phần DC sự mất cân bằng dòng điện xoay chiều ba pha tải (H.5). Với giải thuật đề xuất, sự cân bằng dòng tải được cải thiện (H.6) Trường hợp 2: Cho vùng quá điều chế chế độ 1 M=0.85, =0.05. Hình 9. Giản đồ đáp Hình 10. Giản đồ dòng ứng tốc độ động cơ ba pha . KẾT LUẬN Bằng cách sử dụng các biến đổi toán học hợp lý, kỹ thuật điều chế độ rộng xung véc-tơ Hình 7. Giản đồ dòng Hình 8. Giản đồ dòng không gian cho bộ B4 khi áp trên tụ DC không pha tải - giải thuật pha tải - giải thuật đề cân bằng có thể được giải quyết dựa trên các truyền thống xuất véc-tơ cơ bản và kỹ thuật điều chế tương tự với Các giản đồ mô phỏng thu được minh bộ B6. Điều này làm cho việc tính toán chứng cho tính xác thực của giải thuật điều chế ĐCVTKG cho bộ B4 được dễ dàng và các kết VTKG cải tiến (H7-8). quả nghiên cứu cho bộ B6 cũng được áp dụng VI. KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM một cách hiệu quả ,ví dụ như ĐCVTKG cho vùng quá điều chế. Phương pháp ĐCVTKG cải Tính khả thi của phương pháp ĐCVTKG tiến đã được mô phỏng và kiểm chứng bằng đề xuất được kiểm chứng bằng thực nghiệm. thực nghiệm có thể phục vụ cho việc thiết kế bộ Kỹ thuật ĐCVTKG đề xuất được lập trình trên biến tần giá thấp thực tế trong tương lai. Card DSP TMS320LF2407A xuất xung điều 16
6. TẠP CHÍ KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ CÁC TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT . SỐ 70 - 2009 Hình 11. Phổ áp dây cấp cho stator Vac Hình 12. Điện áp trên tụ V2 và điện áp trên cả hai tụ Vdc Hình 13. Phổ điện áp dây Vbc Hình 14. Phổ điện áp dây Vab TÀI LIỆU THAM KHẢO 1. H. W. van der Broeck and J. D. vanWyk; A comparative investigation of a three-phase induction machine drive with a component minimized voltage-fed inverter under different control options,” IEEE Trans. Ind.Appl., vol. IA-20, no. 2, pp. 309–320, Mar./Apr. 1984. 2. M. B. R. Correa, C. B. Jacobina, E. R. C. Da Silva and A. M. N. Lima; A General PWM Strategy for Four-Switch Three-Phase Inverters; IEEE Trans. on P.E., Vol. 21, No. 6, Nov. 2006, pp 1618- 1627. 3. G.I. Peters, G.A.Covic and J.T.Boys; Eliminating output distortion in four-switch inverters with three-phase loads; IEE Proc.Electr.Power Appl vol.IA-34, pp.326-332,1998. 4. F. Blaabjerg, Dorin O. Neacsu, John K. Pedersen; Adaptive SVM to Compensate DC-Link Voltage Ripple for Four-Switch Three- Phase VSI; IEEE Trans. on P.E., Vol. 14, No. 4, Jul. 1999, pp743-752. 5. P.Q. Dzung, L.M. Phuong, P.Q. Vinh, N.M. Hoang,T.C. Binh; New Space Vector Control Approach for Four Switch Three Phase Inverter (FSTPI); IEEE PEDS 2007, Bangkok, Thailand, Nov. 2007. Địa chỉ liên hệ: Phan Quốc Dũng - Tel: 0903.657.486, email: pqdung@hcmut.edu.vn Lê Minh Phương - Tel: 0988.572.177, email: lmphuong@hcmut.edu.vn Lê Đình Khoa - Tel: 0918.350.527, email: ledinhkhoa@hcmut.edu.vn Bộ môn Cung cấp điện, Khoa Điện Điện tử Trường Đại học Bách khoa – ĐHQG Tp. Hồ Chí Minh 17