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 Vũ Hoàng Phương Hà Nội – 07/2014 07/2014 Nội dung trình bày Vai trò (nhiệm vụ) khâu SVM hệ thống điều khiển nghịch lưu nguồn áp ba pha Khái niệm vector không gian Nội dung phương pháp điều chế vector không gian Kết mô Kết luận Tài liệu tham khảo 07/2014 Vai trò điều chế vector không gian U dc da Lương đặt Bộ điều khiển us db M Driver dc SVM NLNA Sóng mang Phản hồi Hình Sơ đồ khối hệ thống điều khiển nghịch lưu nguồn áp ba pha Nhiệm vụ SVM:Tính toán thời gian đóng ngắt van bán dẫn mạch nghịch lưu đảm bảo giá trị trung bình điện áp đầu mạch nghịch lưu với giá trị điện áp đặt vào khâu SVM 07/2014 Khái niệm vector không gian Ta hoàn toàn có khả biểu diễn đai lượng điện áp tức thời hệ thống pha vector điện áp theo (1) 2π j 2 a = e = − + j u s = (ua + aub + a uc ) 2 = (u a + u b + u c ) (1) Trong mặt phẳng phức αβ, vector us biểu diễn: u s = uα + juβ (2) Bằng phép chuyển tọa độ Clarke (3), ta đưa hệ thống pha từ hệ tọa độ (abc) sang hệ tọa độ αβ 1  u   a − −   u  α 2 u  =   ( ) u  b  3 3   β uc  −   2  07/2014 Hình Ví dụ thành phần điện áp (abc) αβ theo trục thời gian Khái niệm vector không gian Với hệ pha cân đối xứng – pha điện áp có biên độ góc lệch tương ứng 2π/3 Sử dụng thông tin vector us để điều khiển cho hệ thống ba pha jβ u sβ ( 5) s ω θ α ( 5) φ: góc lệch pha điện áp dòng điện 07/2014 u s = U m ∠(ωt ) usα Tương tự ta có: i s = I m∠(ωt − ϕ ) ( 4) u  ua = U m cos(ωt )  2π  ω cos( ) u = U t −  b m  2π  uc = U m cos(ωt + ) Hình Biểu diễn vector không gian hệ tọa độ αβ Nội dung phương pháp SVM Bước 1: Xác định trạng thái (vector chuẩn ) mạch nghịch lưu Bằng nhánh van ta có trạng thái logic (do NLNA không cho phép ngắn mạch nguồn vào chiều, không hở mạch pha đầu ra) Ta qui ước, trạng thái logic tương ứng van nhánh nối với cực (+); trạng logic tương ứng van nhánh nối với cực (-) nguồn chiều Do tải pha đối xứng ta có:  u =  a U dc   u = − U dc ( )  b   u = − U dc  c  Theo (1) ta có: u1 = U dc ∠00 ( ) 07/2014 Hình Trang thái (u1 = 100) Nội dung phương pháp SVM Có trạng thái : trạng thái không (u0, u7) trạng thái tích cực (u1 u6) Hình Trạng thái (vector chuẩn) mạch nghịch lưu nguồn áp ba pha Bài tập: Tính toán giá trị điện áp tức thời vector điện áp cho trạng thái lại mạch nghịch lưu 07/2014 Nội dung phương pháp SVM Các vector điện áp trạng thái gọi vector chuẩn Biên độ vector chuẩn xác định: u3 β u2 uS β  u1 = u = u = u = u = u = / 3U dc   u = u = (8) u0 u4 u7 uS θ u1 u Sα Bảng Bảng giá trị điện áp vector chuẩn Vector Van dẫn chuẩn u0 S2 , S4 , S6 ua ub uc uab u bc us 0 0 u1 S6 , S1 , S2 2/3 U dc -1/3 U dc -1/3 U dc U dc / 3U dc ∠0 u2 S1 , S2 , S3 1/3 U dc 1/3 U dc -2/3 U dc u3 S2 , S3 , S4 -1/3 U dc 2/3 U dc -1/3 U dc - U dc u4 S3 , S4 , S5 -2/3 U dc 1/3 U dc 1/3 U dc - U dc u5 S4 , S5 , S6 -1/3 U dc -1/3 U dc 2/3 U dc u6 S5 , S6 , S1 1/3 U dc -2/3 U dc u7 S1, S3 , S5 0 07/2014 U dc / 3Udc∠(π / 3) U dc / 3Udc∠(2π / 3) / 3U dc ∠(−π ) 1/3 U dc U dc - U dc - U dc / 3U dc ∠(−π / 3) 0 0 u5 u6 Hình Vị trí vector chuẩn hệ tọa độ tĩnh αβ / 3U dc ∠(−2π / 3) α Nội dung phương pháp SVM Nguyên tắc thực hiên điều chế vector không gian: Vector điện áp đặt tổng hợp từ vector chuẩn biết mạch nghịch lưu Do đó, ta phải trả lời câu hỏi sau: Thời gian thực vector chuẩn (bao gồm thời gian thực vector tích cực vector không) chu kỳ điều chế? Trình tự thực vector chuẩn vector điện áp đặt nằm sector khác nhau? Xuất thời gian đóng ngắt nhánh van mạch nghịch lưu? 07/2014 Nội dung phương pháp SVM Bước 2: Xác định vị trí vector điện áp đặt us uβ  Cách 1: Sử dụng phép tính lượng giác [3] θ = arctan( ) uα  U = (u + u ) α β  m (9) Gặp khó khăn thực thực tế Cách 2: Sử dụng phương pháp đại số để xác định vị trí vector điện áp đặt us 07/2014 Hình Mối quan hệ sector điện áp tức thời usa, usb, usc 10 Nội dung phương pháp SVM  usa = usα  −usα  u =  sb   −usα u =  sc  usα + 3usβ − 3usβ us β (* ) Hình Thuật toán xác định vector điện áp đặt sector 07/2014 11 Nội dung phương pháp SVM Bước 3: Tính toán thời gian (hoặc hệ số điều chế) thực hai vector chuẩn chu kỳ điều chế Ts β Vector điện áp đặt us tổng hợp từ hai vector biên khoảng thời gian T1,T2 Thời gian lại (Ts – T1 –T2) thực vector không T1 T2 T0 u S = u x + u y + u ( hay u ) Ts Ts Ts = d1u x + d 2u y + d 0u ( hay u ) 07/2014 uy (10 ) T2 u y Ts T1 T2 us = ux + u y Ts Ts u0 u7 ux α T1 u x s điều chế vector điện áp Hình Nguyên T tắc 12 Nội dung phương pháp SVM Tính toán hệ số điều chế vector chuẩn theo phương pháp đại số u = u = nên (10) viết lại: u S = d1u x + d 2u y (11) T1 T2 Trong đó: d1 = ; d = Ts Ts Do Viết lại (10) theo thành phần hệ tọa độ tĩnh αβ u Sα  u yα  u xα u xα    = d1   + d   =  u xβ   u y β  u xβ u S β   d1  u xα  d  = u    xβ u yα   d1    u yβ   d  u yα  −1 uSα  uSα     = A nm   u yβ  uS β  uS β  (12 ) (13) Hệ số d0 thực vector không xác định: 07/2014 T0 = Ts − T1 − T2 d = − d1 − d (14 ) 13 Nội dung phương pháp SVM β Xét ví dụ sector 1: Vector us biểu diễn sau: uSα  u1α u  = u  S β   1β 2 3 u2α  d1  = U dc     u2 β  d2  0   u2   d1     d2   3 (15) Hệ số điều chế d1, d2 xác định (16): 2  d1  3 d  = U   2 dc    Hệ số điều chế cho vector không: 07/2014 uα u0 u7 −1  3   u Sα     =  uS β  U dc   0 3 u s = d1.u1 + d u uβ α Hình 10 Ví dụ điều chế vector điện áp nằm sector 3 −   u Sα    u S β   3 d = − d1 − d u1 (16 ) (17 ) 14 Nội dung phương pháp SVM Bảng Bảng tổng hợp ma trận sector sử dụng (13) A nm A nm A nm 2 3  = U dc  0   −   = U dc     −   = U dc  −  Sector −1  3 −    =  U dc   0 3 Sector −1 2  −    = U dc  −     Sector −1    −    =  U dc  −   3  Sector 3      3 −   3   3 −   − A nm   = U dc   −1    =  3 U dc     1 −  2  Sector −1 2   − −  − 3      = A nm = 3   U dc  U dc  −    −  2    Sector −1  2  3  3      = A nm = 2   U dc  U dc  − −       Nhận xét: Về mặt toán học thứ tự thực vector không ảnh đến giá trị trung bình điện áp nghịch lưu môi chu kỳ điều chế Tuy nhiên trình tự thực vector định đến chất lượng điện áp đầu ra, số lần chuyển mạch 07/2014 15 Nội dung phương pháp SVM Bước 4: Tính toán thời gian (hoặc hệ số điều chế) thực nhánh van mạch nghịch lưu chu kỳ Ts Ts/2 Sử dụng mẫu xung đối xứng thời gian sử dụng vector không (u0, u7) T0 = T7 = (Ts − T1 − T2 ) (18) Ts/2 T0/4 T1/2 T2/2 T0/4 T0/2 T2/2 T1/2 T0/2 u0 u1 u2 u7 u7 u2 u1 u0 S1 S3 Xét ví dụ sector u1 u2 u7 u0 Pha a 1 Pha b 1 Pha c 0 Trình tự chuyển mạch u0 → u1 → u2 → u7 u7 → u2 → u1 → u0 07/2014 S5 S4 S6 S2 Sector Hình 11 Mẫu xung chuẩn Sector 16 Nội dung phương pháp SVM Căn vào đặc điểm kênh PWM vi điều khiển (thực chất đếm tiến lùi), ta xác định hệ số điều chế cho nhánh van mạch nghịch lưu d0  d =  a  d0  d = + d1  b  d0  d =  c + d1 + d Ts/2 Ts/2 T0/4 T1/2 T2/2 T0/4 T0/2 T2/2 T1/2 T0/2 u0 (19 ) u1 u2 u7 u7 u2 u1 u0 S1 S3 S5 S4 S6 Hệ số điều chế giới hạn: ≤ da, db, dc ≤ S2 Sector Nhận xét: + Mỗi lần chuyển trạng thái có nhánh cầu chuyển mạch + Điện áp có sóng hài bậc 2fs chu kỳ pha chuyển mạch lần 07/2014 17 Nội dung phương pháp SVM Bài tập: Tính toán hệ số điều chế nhánh van mạch nghịch lưu vector điện áp đặt nằm sector lại 07/2014 Hình 12 Các mẫu xung chuẩn đưa sector 18 Nội dung phương pháp SVM Bảng Hệ số điều chế cho nhóm nhánh van mạch nghịch lưu Sector Sector Sector Sector 07/2014 Thời gian đóng/cắt da = d0/2 db = d0/2 + d1 dc = d0/2 + d1 + d2 da = d0/2 + d1 db = d0/2 dc = d0/2 + d1 + d2 da = d0/2 + d1 + d2 db = d0/2 dc = d0/2 + d1 Sector Sector Sector Sector Thời gian đóng/cắt da = d0/2 + d1 + d2 db = d0/2 + d1 dc = d0/2 da = d0/2 + d1 db = d0/2 + d1 + d2 dc = d0/2 da = d0/2 db = d0/2 + d1 + d2 dc = d0/2 + d1 19 Vấn đề bàn thêm U dc / Khả tận dụng điện áp chiều Udc bao nhiêu?? + + Các mẫu xung xuất bước : Điều chế ngẫu nhiên, điều chế nhánh van… [1, 2, 3] 2U dc / U dc / Hình 13 Quĩ đạo vector điện áp theo phương pháp PWM Thời gian chết - deadtime phải có (Hình 14), ảnh hưởng đến dạng điện áp mạch nghịch lưu + Cần phải có biến pháp để giải vấn đề (bù thời gian deadtime)[ 2] + 07/2014 Hình 14 Xuất thời gian chết deadtime nhánh van mạch nghịch lưu 20 Kết mô Ví dụ: Tham số mô sơ đồ Udc = 500V, tải pha mạch nghịch lưu R= 5Ω, L = 2mH (tải đối xứng, đấu hình sao), biên độ điện áp đỉnh pha 200V có tần số 50Hz, tần số băm xung 5kHz Sawtooth pulses u_anpha Uq vb Duty + i - g C E IGBT/Diode4 E u_beta IGBT/Diode2 Scope1 Us E IGBT/Diode ab C g g va dq Ud C 200 Gate C urrent Measurement uDC Voltage Measurement Scope IGBT/Diode3 E IGBT/Diode1 Hình 15 Sơ đồ mô khâu SVM PWM Matlab/Simulink 07/2014 g Constant4 Udc C SVM DC + - v IGBT/Diode5 E 500 puls g Fcn C Integrator Relay dq -> ab E f(u) g f* s C -C- Hình 16 Sơ đồ mô mạch nghịch lưu nguồn áp ba pha Matlab/Simpower 21 Kết mô 600 0.9 0.8 400 0.7 200 Uab(V) 0.6 0.5 0.4 -200 0.3 -400 0.2 0.1 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 t(s) 0.06 0.07 0.08 0.09 0.1 a Hệ số điều chế tính từ khâu SVM -600 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 t(s) 0.06 0.07 0.08 0.09 0.1 b Điện áp dây đầu nghịch lưu ba pha 50 40 30 20 iSa(A) 10 -10 -20 -30 -40 -50 07/2014 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 t(s) 0.06 0.07 0.08 0.09 0.1 c Dòng điện đầu nghịch lưu ba pha d Phân tích phổ dòng điện Hình 17 Kết mô với phương pháp điều chế vector không gian 22 Kết luận phương pháp SVM 1.Tận dụng điện áp chiều tốt phương pháp sinPWM (đã biết) Linh hoạt tạo mẫu xung khác sector để phù hợp với ứng dụng riêng biệt Từ xuất phương pháp điều chế mới: điều chế ngẫu nhiên (giảm sóng hài điện áp lân cận tần số phát xung) điều chế hai nhánh van (giảm số lần chuyển mạch) [1,2] Phù hợp cài đặt cho vi điều khiển Giảm sóng điều hòa bậc cao 07/2014 23 Tài liệu tham khảo [1] Nguyễn Phùng Quang, Andreas Dittrich (2006); Truyền động điện thông minh; Nhà xuất Khoa học 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 – 100 102 [4] Trần Trọng Minh (2009); Giáo trình Điện tử công suất; Nhà xuất Giáo dục [3] Ali Keyhani (2005); Pulse-Width Modulation (PWM) Techniques; Department of Electrical and Computer Engineering The Ohio State University 07/2014 24 [...]... khâu SVM -600 0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 t(s) 0.06 0.07 0.08 0.09 0.1 b Điện áp dây đầu ra nghịch lưu ba pha 50 40 30 20 iSa(A) 10 0 -10 -20 -30 -40 -50 07/2014 0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 t(s) 0.06 0.07 0.08 0.09 0.1 c Dòng điện đầu ra nghịch lưu ba pha d Phân tích phổ dòng điện Hình 17 Kết quả mô phỏng với phương pháp điều chế vector không gian 22 Kết luận về phương pháp SVM 1.Tận dụng được điện áp... 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 07/2014 17 Nội dung phương pháp SVM Bài tập: Tính toán hệ số điều chế nhánh van mạch nghịch lưu khi vector điện áp đặt nằm trong các sector còn lại 07/2014 Hình 12 Các mẫu xung chuẩn đưa ra trong mỗi sector 18 Nội dung phương pháp SVM Bảng 3 Hệ số điều chế cho nhóm nhánh van...Nội dung phương pháp SVM  usa = usα  −usα  u =  sb   −usα u =  sc  usα + 3usβ 2 − 3usβ us β (* ) 2 Hình 8 Thuật toán xác định vector điện áp đặt trong mỗi sector 07/2014 11 Nội dung phương pháp SVM Bước 3: Tính toán thời gian (hoặc hệ số điều chế) thực hiện hai vector chuẩn trong mỗi chu kỳ điều chế Ts β Vector điện áp đặt us sẽ được tổng hợp từ hai vector biên... = d0/2 + d1 19 Vấn đề bàn thêm U dc / 3 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] 2U dc / 3 U dc / 2 Hình 13 Quĩ đạo vector điện áp theo phương pháp PWM 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... sao), và biên độ điện áp đỉnh mỗi pha là 200V có tần số 50Hz, tần số băm xung là 5kHz Sawtooth 1 pulses u_anpha Uq vb Duty + i - g C E IGBT/Diode4 E u_beta IGBT/Diode2 Scope1 Us E IGBT/Diode ab C g 0 g va dq Ud C 200 Gate C urrent Measurement uDC 1 Voltage Measurement Scope IGBT/Diode3 E IGBT/Diode1 Hình 15 Sơ đồ mô phỏng khâu SVM và PWM bằng Matlab/Simulink 07/2014 g Constant4 Udc C SVM DC + - v IGBT/Diode5... − 0 − 3     3   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 07/2014 15 Nội dung phương pháp SVM Bước 4: Tính toán thời gian (hoặc hệ số điều chế) thực hiện nhánh van mạch nghịch lưu trong mỗi chu kỳ Ts... 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 07/2014 24 ... T2 T0 u S = u x + u y + u 0 ( hay u 7 ) Ts Ts Ts = d1u x + d 2u y + d 0u 0 ( hay u 7 ) 07/2014 uy (10 ) T2 u y Ts T1 T2 us = ux + u y Ts Ts u0 u7 ux α T1 u x s điều chế vector điện áp Hình 9 Nguyên T tắc 12 Nội dung phương pháp SVM Tính toán hệ số điều chế vector chuẩn theo phương pháp đại số u 0 = u 7 = 0 nên (10) được viết lại: u S = d1u x + d 2u y (11) T1 T2 Trong đó: d1 = ; d 2 = Ts Ts Do Viết lại... 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 07/2014 23 Tài liệu tham khảo [1] Nguyễn Phùng Quang, Andreas Dittrich (2006); Truyền động điện thông minh; Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ thuật [2] Nguyễn Phùng Quang;... không: 07/2014 uα u0 u7 −1 1  3   u Sα  1  3   = 2 1  uS β  U dc   0 3 u s = d1.u1 + d 2 u 2 uβ α Hình 10 Ví dụ điều chế vector điện áp nằm trong sector 1 3 −   u Sα  2   u S β   3 d 0 = 1 − d1 − d 2 u1 (16 ) (17 ) 14 Nội dung phương pháp SVM Bảng 2 Bảng tổng hợp ma trận trong mỗi sector sử dụng trong (13) A nm A nm A nm 2 1 3  = U dc  0   1 − 1  3  = U dc  1   3 