Kỹ thuật điều khiển vector cho nghịch lưu đa bậc

Nội dung text: Kỹ thuật điều khiển vector cho nghịch lưu đa bậc

1. KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VECTOR CHO NGHỊCH LƯU ĐA BẬC ( SPACE VECTOR CONTROL TECHNIQUE FOR MULTILEVEL INVERTER ) Trần Dũng * Khoa Cơ Điện , Đại học Dân Lập Lạc Hồng, Tp. Biên Hịa, Đ ồng Nai, Việt nam BẢN TĨM TẮT Kỹ thuật điều khiển vector ( SVC- Space Vector Control )cho nghịch lƣu áp đa bậc đƣợc đề xuất dựa trên sự tƣơng quan giữa lý thuyết điều chế vector khơng gian (SVPWM) và điều chế sĩng mang tam giác (CPWM). Kỹ thuật đề xuất này mang lại tính đơn giản, linh hoạt trong giải thuật cũng nhƣ tạo ra điện áp với chất lƣợng càng nâng cao khi số lƣợng bậc của bộ nghịch lƣu càng tăng. Đặc biệt mơ hình tốn học mang tính khái quát cao nên khơng cần tra bảng và dẽ dàng điều khiển đƣợc mẫu điều chế. Kết quả của kỹ thuật này đƣợc mơ phỏng trên phần mềm PSIM kết hợp với C++ . Tác giả TRẦN DŨNG , KHOA CƠ ĐIỆN -TRƢỜNG ĐHDL LẠC số 10 liên tĩnh lộ 24-Phƣờng Bửu Long,Biên Hịa, Đồng Nai , mail : trandungg@yahoo.com. ABSTRACT A Space Vector Control technique for voltage multilevel converters which we have proposed is based on the correlation between CPWM and SVPWM. This technique is simple in algorithm and good output voltage with increasing level. Proposed algorithm ,do not look-up table, is suitable for multilevel inverters and different from algorithm in [3, 4].This paper also prensent modulating pattern which is controlled easily. The result of proposed technique is modeled by PSIM and C++. 1. GIỚI THIỆU tổng quát cao nên chủ động giảm đáng kể tổng méo hài và giảm tổn thất trên mỗi linh kiện, đặc Trong những năm gần đây, bộ nghịch lƣu áp đa biệt chủ động điều khiển đƣợc áp common- bậc đƣợc đề cập rất nhiều với những phƣơng mode với offset nhỏ nhất thơng qua mẫu điều pháp và kỹ thuật điều chế khác nhau. Song bất chế . kỳ kỹ thuật hay phƣơng pháp nào đều nhằm nâng cao các chỉ tiêu về chất lƣợng điện năng để 2. MƠ HÌNH TỐN HỌC VÀ XÁC ĐỊNH phục vụ cho việc chế tạo các thiết bị UPS, THUẬT NGỮ CỦA KỸ THUẬT SVC. Inverter với cơng suất lớn phù hợp cho nhu cầu cơng nghiệp hiện nay [5].Phƣơng pháp dựa trên 2.1 Tổng quan. việc điều chế độ rộng xung (PWM) bằng cách bố trí sĩng mang tam giác[1], kỹ thuật triệt tiêu Theo kỹ thuật SVM( Space-Vector Modulation ) sĩng hài thơng qua tính tốn các gĩc chuyển [6,7] mạch tối ƣu dựa trên giải thuật tra bảng[2], kỹ V K U K U K U (1) thuật điều kiển vector áp thơng qua việc tra r 1 1 2 2 3 3 (Hình 1 minh họa cho (1) bảng[3,4].Kỹ thuật (SVC) đề xuất này là kỹ thuật chỉ sử dụng một vector để thực hiện vector U yêu cầu dựa trên sự tƣơng quan giữa lý thuyết 1 vector khơng gian và sĩng mang tam giác.Kết quả mơ phỏng cho thấy dạng sĩng điện áp đƣợc cải thiện hơn khi số bậc của bộ nghịch tăng U2 U3 nhƣng giải thuật khơng thay đổi và khơng cần tra bảng.Mặt khác mơ hình tốn học mang tính Vr Hình 1
2. K1 K2 K3 1 (2) 0  1hay N1 K K K P  P (1  )P ( 7 ) 1 2 3 1 (3) 1 N1 1N1 N1 1,(N1 1) T1 / TS T2 / TS T3 / TS Từ (6) và ( 7 ) ta xác định đƣợc P1 T Trong đĩ U j [U aj ,Ubj,U cj ] , j 1,2,3 ; K1, P1 P10 1I (8) K2 và K3 là hệ số tƣơng ứng với T1, T2 và T3 .Ts là chu kỳ lấy mẫu . với  (N 1  ). 1 1 N1 Song theo kỹ thuật SVC đề xuất này khơng tra Một cách tổng quát bảng nhƣ [3, 4] mà dùng tính lựa chọn gần đúng của Pj0 theo Kj dựa trên tính chất quay vector và Pj Pj0  j I với j 1,2,3 (9) sự phân chia trong các vùng tam giác nhƣ hình 2  j là hệ số dùng để xác định vector dƣ thừa K1 và khi = 0 thì P = P . j j 0 Mặt khác mỗi hệ số dƣ thừa cĩ thể thay đổi trong khoảng giới hạn cho phép 0  l K3 K2 j rj Trong đĩ lrj là mức dƣ thừa đƣợc xác định Hình 2 SVC đề xuất thơng qua số vector dƣ thừa tƣơng ứng với V r vector quay Uj .Giả sử xét ở vùng 1 nhƣ hình 3 Nếu Vdc là tổng điện áp dc trên bộ nghịch lƣu thì mẫu điều chế ứng với = 0 ta cĩ và n là số bậc thì mẫu điều chế đƣợc định nghĩa P [ 2, 2, 2]T , P [ 1, 2, 2]T và 10 20 U T j P30 [ 1, 1, 2] ;lr1 4 và lr2 lr3 3. Pj (4) Vdc (n 1)  T -22-2 02-2 -12-2 12-2 22-2 trong đĩ Pj [Paj, Pbj , Pcj ] -22-1 -12-1 -11-2 12-1 22-1 21-2 và Paj , Pbj , Pcj là mẫu điều chế tƣơng ứng ba -21-2 02-1 01-2 11-2 -220 -120 020 -10-2120 00-2 21-1 20-2 pha a,b,c.Từ định nghĩa về điện áp common- -11-1 220 -21-1 -20-2 01-1 11-1 10-2 mode và (4), chúng ta cĩ định nghĩa mẫu điều -221 121 021 -10-1 221 00-1 10-1 210 2-1-2 -121 010 -2-1-2 20-1 -210 -110 -1-1-2 110 0-1-2 chế common-mode nhƣ sau : -20-1 1-1-2 -2-2-2 -111 -2-1-1 -1-2-2 0-2-2 -122 000 211 111 1-2-2 2-2-2 -222 022 122 111 -211 -200 011 222 100 2-1-1 100 -1-1-1 01-1 200 Pj (Paj Pbj Pcj ) / 3 (5) CM -101 1-2-1 -112 112 212 0-2-1 012 -1-10 0-10 201 -212 -201 -210 001 101 2-10 2-2-1 -2-2-1 -1-2-1 1-10 Xuất phát từ lý thuyết vector khơng gian và -1-11 -102 0-11 0-20 1-20 -202 002 1-11 -2-11 -2-20 102 202 2-11 2-20 sĩng mang tam giác (xem hình 3) cho ta nhận -1-20 -1-12 0-12 1-12 1-21 -2-12 -2-21 xét về tính dƣ thừa của vector nên -1-21 0-21 2-12 2-21 P P N I (6) jNj j0 j -2-22 -1-22 0-22 1-22 2-22 I là vector đơn vị , Pj0 là mẫu điều chế ứng với Hình 3 vector dƣ thừa bằng 0 tƣơng đƣơng với cực tiểu offset 2 2 1 1 1 0 Đồng thời dễ dàng thấy rằng bất kỳ vector quay 0 0-1 U1 nào cũng cĩ một vector trƣớc và sau chúng là -1-1-2 U1N1 và U1N1+1. Do đĩ thời gian chuyển mạch 2 2 2 tƣơng ứng của nĩ K1 N1 và K1 (1  N1 ) , 2 1 1 1 1 1 1 1 0 0 0 0 0 0 1-1 -1-1-1 -1-2-2 -2-2-2
3. Xuất phát từ (1) và (4) ta cĩ Vr K1P1 K2P2 K3.P3 (10 ) T với Vr [Vra ,Vrb ,Vrc ] Từ (8) và (10) ta cĩ dạng tổng quát Vr K1P10 K2 P20 K3P30 (1K1 2 K2 3K3 )I (11) 2.2 Xác định các hàm tĩan học Các hàm tĩan học đƣợc thiết lập dựa trên sự tƣơng quan về lý thuyết vector khơng gian (SVPWM) và sĩng mang tam giác (CPWM). Hình 5 - Mơ tả các hàm 2.2.1 Hàm Maximum, Minimum và Integer S Int(Max Min) Int(Mid Min) Int(Max Mid) - Hàm Max max(v ,v ,v ) là ra(1) rb(1) rc(1) (12) hàm lấy giá trị lớn nhất của ba tín Giá trị S nhƣ (12) hiệu xoay chiều vra(1) ,vrb(1) ,vrc(1) . 1 cho TVMAXR - Hàm Min min(vra(1) ,vrb(1) ,vrc(1) ) là S (13) 0 cho TVMINR hàm lấy giá trị nhỏ nhất của ba tín hiệu xoay chiều . Việc xác định Kj ở (10) theo các hàm đã định nghĩa trên : 1 Int(Max Min) (Max Min) for S 0 - Hàm Mid mid(vra(1) ,vrb(1) ,vrc(1) ) là K1 hàm lấy giá trị khoảng giữa của hàm 1 Int(Mid Min) (Mid Min) for S 1. (14 ) Max v à Mix nhƣ hình 4 K 2 Max Mid Int(Max Mid) for S 0 Max S 1 1 (Max Mid ) Int(Max Mid ) for Mid K3 1 K1 K 2 . Min (15 ) Mặt khác hàm cosine ba pha logic về biên độ đƣợc định nghĩa nhƣ sau : Hình 4 1 khi vrx(1) Max; x a,b,c - Hàm Integer là hàm nguyên để làm trịn cmax x số xung quanh giá trị thực.Ví dụ 0 Int(6,4) = 6 ; Int (5,6) = 5. (16) 2.2.2 Xây dựng mẫu điều chế với các hệ số 1 khi vrx(1) Mid; x a,b,c cmidx dư thừa zero theo kỹ thuật đề xuất. 0 Dựa trên các hàm Max,Mid,Mix và tính dịch (17) pha ta xác định hàm Int(Max- Min), Int(Max- Mid),Int(Mid-Min) và hàm S nhƣ hình 5 Từ (11) (16) suy ra mẫu điều chế Pj0 nhƣ sau :
4. T T Pa10, Pb10, Pc10 Pmin , Pmin , Pmin  T Int(vra(1) Min), Int(vrb(1) Min), Int(vrc(1) Min) T T Pa20, Pb20, Pc20  Pa10, Pb10, Pc10  T [cmida ,cmidb ,cmidc ] for TVMAXR areas T [cmax a ,cmax b ,cmax c ] for TVMINR areas P , P , P T P , P , P T a30 b30 c30 a10 b10 c10 T [cmida cmax a ,cmidb cmax b ,cmidc cmax c ] Hình 5 : dạng sĩng Max, Mid , Min (18 ) Trong đĩ P (n 1)/ 2 đối với inverter min số bậc lẽ, với n là số bậc của bộ nghịch lƣu. 3. Các bước của giải thuật. Vref (m,),n in Khối tạo tín hiệu tích cực Vrx (x = a,b,c) Hình 6 -dạng sĩng điện áp Vra điều chế với n = 3 Tính Max,Mid,Min,Int Tính Tính S Tính P x10 cmax,cmin S S =1 Đ Hình 7-:dạng sĩng điện áp Vrx điều chế với n = 5 Tính Kj Tính Kj Đ Kmax = K1 Kmax = K1 Đ S S P Px10 x10 Đ Đ Kmax = K2 Kmax = K2 S S Px20 Px20 Hình 8 :dạng sĩng dịng điện điều chế ba pha Đ Đ khi n = 3 và tải cảm RL Kmax = K3 Kmax = K3 S S Px30 Px30 Sĩng mang tam giác 4. Kết quả mơ phỏngVrx 5.
5. Hình 9-dạng sĩng dịng điện điều chế ba pha khi n = 5 và tải cảm RL Hình 10 -THD đo đƣợc với n = 3 Hình 13- Dạng sĩng tốc độ, T ,dịng load điện trên động cơ Nhận xét : - Qua hình 6 và 7 chứng tỏ tính vƣợt trội của bộ nghịch lƣu đa bậc( dv/dt giảm đáng kể ) - Hình 9 dạng sĩng dịng điện tốt hơn hình 8. - Hình 11 THD thất hơn hình 10. Hình 11-THD đo đƣợc với n = 5 6. Cuối cùng Kỹ thuật SVC đề xuất trên mang tính tƣơng quan giữa SVPWM và CPWM. Nĩ đã đem lại QUAN HE THD & m giải thuật đơn giản và linh họat khi thay đổi số bậc của bộ nghịch lƣu. Nâng cao chất lƣợng 1.5 điện năng nghịch lƣu khi tăng n mà khơng cần m thay đổi giải thuật và khơng tra bảng. Điều này 1 THDa giúp chế tạo bộ nghịch lƣu cĩ cơng suất lớn THD 0.5 THDb thuận lợi và điện áp đặt trên mỗi linh kiện khơng THDc cao.Giảm tồn thất trên mỗi linh kiện trong quá 0 trình đĩng ngắt.Qua kết quả mơ phỏng bằng 1 2 3 4 5 6 7 ++ phần mềm C và PSIM cho thấy tổng méo hài m giảm đáng kề khi tăng n. Trong tƣơng lai khi cơng nghiệp địi hỏi các thiết bị nghịch lƣu cĩ cơng suất lớn (nhƣ Inverter,UPS ) hay khi thị Hình 12- quan hệ giữa m và THD trƣờng điện tồn cầu hĩa theo kiểu truyền AC- DC-AC thì kỹ thuật SVC theo hƣớng đề xuất trên sẽ cĩ nhiều ứng dụng .
6. TÀI LIỆU THAM KHẢO Method to Reduce Common-Mode Voltages [1] Mc. Grath, Donald Grahame Holmes, in Multilevel Inverters”IEEE “Multicarrier PWM Strategies for TRANSACTIONS ON INDUSTRIAL MultilevelInverters”IEEE TRANSACTIONS ELECTRONICS, VOL. 51, NO. 4, ON INDUSTRIAL AUGUST 2004. ELECTRONICS,VOL.49,NO.4,20 [5] DG.Holmes, T.A. Lipo,” Modern PWM, [2] J.Sun,S.Beineke,H Grotstollen “DSP- theory and applications’, IEEE Press, Based Read-Time Harmonic Elimination of [6] N.V.Nho,M.J. Youn” A comprehensive PWM Inverters”Institute for Power study on ”SVPWM - Carrier Based PWM Electronics and Electrical Drives on CD. Correlation In Multilevel Inverters”IEE [3]José Rodríguez, Luis Morán, Pablo [7] N. Celanovic and D. Boroyevich, “A fast Correa, and Cesar Silva, “A Vector Control space vector modulation algorithm Technique for Medium-Voltage Multilevel for multilevel three-phase converters,” Inverters”,IEEE TRANSACTIONS ON presented at the IEEE-IAS INDUSTRIAL ELECTRONICS, VOL. 49, Annu. Meeting, Phoenix, AZ, Oct. 3–7, NO. 4, AUGUST 2002 1999. [4] José Rodríguez, Luis Morán, Pablo Correa, and Cesar Silva,”A New Modulation
7. BÀI BÁO KHOA HỌC THỰC HIỆN CƠNG BỐ THEO QUY CHẾ ĐÀO TẠO THẠC SỸ Bài báo khoa học của học viên cĩ xác nhận và đề xuất cho đăng của Giảng viên hướng dẫn Bản tiếng Việt ©, TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP. HỒ CHÍ MINH và TÁC GIẢ Bản quyền tác phẩm đã được bảo hộ bởi Luật xuất bản và Luật Sở hữu trí tuệ Việt Nam. Nghiêm cấm mọi hình thức xuất bản, sao chụp, phát tán nội dung khi chưa cĩ sự đồng ý của tác giả và Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh. ĐỂ CĨ BÀI BÁO KHOA HỌC TỐT, CẦN CHUNG TAY BẢO VỆ TÁC QUYỀN! Thực hiện theo MTCL & KHTHMTCL Năm học 2016-2017 của Thư viện Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp. Hồ Chí Minh.