Nghiên cứu kỹ thuật điều khiển hai bộ nghịch lưu áp 3 pha kết nối song song

1

Lý do chọn đề tài

Các máy điện đầu tiên như máy phát điện từ năng lượng cơ và động cơ điện từ có rotor thường không được điều khiển tự động và kết nối trực tiếp với nguồn năng lượng Tuy nhiên, khi được tích hợp vào quy trình sản xuất, yêu cầu về khả năng điều khiển và kết nối chủ động với nguồn năng lượng ngày càng cao Để đáp ứng nhu cầu này, lĩnh vực điện tử công suất đã ra đời, sử dụng các linh kiện điện tử kết hợp với kỹ thuật và thuật toán mới nhằm điều khiển hiệu quả các máy điện và kiểm soát dòng năng lượng điện Điện tử công suất, hay còn gọi là "Kỹ thuật biến đổi điện năng", nghiên cứu ứng dụng các phần tử bán dẫn trong bộ biến đổi để kiểm soát nguồn năng lượng điện Các bộ biến đổi thế hệ mới mang lại nhiều ưu điểm như kích thước gọn nhẹ, độ tác động nhanh, hoạt động ổn định và giá thành hợp lý Công nghệ điện tử công suất đã góp phần tạo ra các bộ truyền động điện và bộ lọc tích cực mới, khẳng định tầm quan trọng của nó trong ngành công nghiệp tại Việt Nam.

2010 chính phủ đã phê duyệt công nhận điện tử công suất là lĩnh vực ƣu tiên đầu tƣ và phát triển

Bộ biến đổi tần số, hay còn gọi là biến tần, đóng vai trò quan trọng trong điều khiển truyền động điện Sự gia tăng nhu cầu về thiết bị công nghiệp có công suất cao đang thúc đẩy việc nâng cao công suất của biến tần.

Nghiên cứu về kỹ thuật kết nối biến tần và phương thức điều khiển phù hợp là cần thiết để tăng cường hiệu suất sử dụng của bộ biến tần Điều này không chỉ giúp hạn chế những ảnh hưởng không mong muốn mà còn góp phần giải quyết vấn đề quan trọng trong lĩnh vực này.

“KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN HAI BỘ NGHỊCH LƯU ÁP BA PHA KẾT NỐI

SONG SONG” Đề tài này là cơ sở lí thuyết cho viêc xây dựng mô hình thực tế trong tương lai.

Một số nghiên cứu thực tế

Để tăng cường công suất đầu ra của bộ chuyển đổi, một trong những giải pháp hiệu quả là kết nối song song hai bộ nghịch lưu Phương pháp này có nhiều hướng phát triển, bao gồm kết nối hai bộ nghịch lưu 3 pha 2 bậc với điều khiển đồng bộ, sử dụng cuộn cảm ghép, và điều khiển độ rộng xung xen kẽ Mỗi phương pháp đều có những ưu và nhược điểm riêng, do đó, việc nghiên cứu và áp dụng phương pháp phù hợp cho từng trường hợp cụ thể là rất cần thiết.

Đề tài này tập trung vào việc khảo sát mối quan hệ và ảnh hưởng của phương pháp điều khiển độ rộng xung xen kẽ đối với điện áp và dòng điện đầu ra của bộ nghịch lưu, khi kết hợp với cấu trúc kết nối cuộn kháng ghép Nghiên cứu sẽ so sánh với các nghiên cứu trước đó để làm rõ những điểm khác biệt và cải tiến trong hiệu suất.

Mục đích đề tài

Mục tiêu của đề tài này là nghiên cứu kỹ thuật điều khiển hai bộ nghịch lưu áp song song nhằm nâng cao công suất đầu ra của biến tần, đồng thời hạn chế những ảnh hưởng tiêu cực.

Nguyễn Minh Tuấn 3 đã tiến hành khảo sát các kết quả đo đạt để lựa chọn phương pháp điều khiển và kết nối phù hợp cho từng trường hợp cụ thể, nhằm giảm thiểu các ảnh hưởng không mong muốn.

Nhiệm vụ, giới hạn đề tài

Trong đề tài này, học viên cần trình bày cơ sở lý thuyết về các lĩnh vực nghiên cứu, đồng thời đưa ra nhận định và phân tích để định hướng cho các nghiên cứu trong tương lai Bên cạnh đó, việc thực hiện mô phỏng và phân tích kết quả đầu ra và đầu vào sẽ giúp đánh giá hiệu quả của các phương pháp nghiên cứu.

Phương pháp nghiên cứu

- Sử dụng phương pháp nghiên cứu tham khảo tài liệu, tính toán lý thuyết, kết hợp mô phỏng và thực nghiệm

- Xử lý thống kê với sự hỗ trợ của phần mềm Microsoft Excel

- Mô phỏng bằng phần mềm chuyên dụng PSIM, Matlab R11

- Lập trình điều khiển trên phần mềm chuyên dụng Keil C, Matlab Simulink và đƣợc kiểm chứng bằng thực tế

Các thí nghiệm được thực hiện trên mô hình vật lý sử dụng thiết bị đo hiện đại và chính xác từ hãng Tektronic, mang đến những đóng góp mới về mặt khoa học cho đề tài này.

1 Trên cơ sở giải thuật điều chế sóng sine, đề tài đã tiến hành nghiên cứu, tổng hợp và đƣa ra những nhận định đánh giá về tối ƣu hóa trong việc giảm tổn hao do chuyển mạch, giảm điện common mode, khống chế sai biệt điện áp điều khiển trong mỗi bộ nghịch lưu khi kết nối song song

2 Đề xuất giải thuật điều chế sóng sine kết hợp cấu trúc kết nối cuộn cảm ghép nhằm giảm chi phí, khối lƣợng cuộn cảm trong các thiết kế hệ thống boost, buck … [6]

3 Thiết kế chế tạo mô hình thực nghiệm có thể đƣợc ứng dụng cho các nghiên cứu về nghịch lưu 3 pha hai bậc.

4

Giới thiệu bộ nghịch lưu

Bộ nghịch lưu chuyển đổi năng lượng điện một chiều thành điện xoay chiều, phục vụ cho tải xoay chiều Tại ngõ ra, điện áp hoặc dòng điện được điều khiển, dẫn đến hai loại bộ nghịch lưu: bộ nghịch lưu áp và bộ nghịch lưu dòng.

Linh kiện trong bộ nghịch lưu áp hoạt động như một công tắc, có khả năng kích đóng và ngắt dòng điện Trong các ứng dụng công suất vừa và nhỏ, transistor BJT, MOSFET và IGBT thường được sử dụng làm công tắc Đối với phạm vi công suất lớn, GTO, IGCT hoặc SCR kết hợp với bộ chuyển mạch là lựa chọn tối ưu.

Bộ nghịch lưu là thành phần chính trong cấu tạo của bộ biến tần, đóng vai trò quan trọng trong việc điều khiển động cơ xoay chiều với độ chính xác cao Chúng được ứng dụng rộng rãi trong các thiết bị tần số cao như lò cảm ứng trung tần và thiết bị hàn trung tần Ngoài ra, bộ nghịch lưu còn cung cấp nguồn điện xoay chiều cho nhu cầu gia đình, hỗ trợ hệ thống UPS, điều khiển chiếu sáng và bù nhuyễn công suất phản kháng.

Bộ nghịch lưu áp có nhiều loại cũng như phương pháp điều khiển khác nhau [1]:

Theo số pha điện áp đầu ra: 1 pha, 3 pha

Theo số bậc điện áp giữa một đầu pha tải và một điểm điện thế chuẩn trên mạch: 2 bậc, đa bậc (Từ 3 bậc trở lên)

Theo cấu hình bộ nghịch lưu đa bậc:

 Dạng dung tụ điện thay đổi

Theo phương pháp điều khiển:

 Phương pháp điều chế độ rộng xung sin (Sin PWM )

 Phương pháp điều chế độ rộng xung sin cải biến (MSPWM )

 Phương pháp điều chế vector không gian

Cấu trúc cơ bản bộ nghịch lưu áp

Mạch nghịch lưu đa bậc được xây dựng trên cơ sở của nghịch lưu 3 pha 2 bậc và nghịch lưu cầu 1 pha: a) b)

Hình 2.1: Mạch nghịch lưu 3 pha 2 bậc (a) và 1 pha cầu H (b)

Mạch nghịch lưu cầu 1 pha, hay còn gọi là bộ nghịch lưu dạng cầu H, bao gồm 4 khóa công suất IGBT và 4 diode mắc đối song Trong khi đó, bộ nghịch lưu 3 pha 2 bậc được cấu thành từ 6 IGBT và 6 diode mắc đối song Cần lưu ý rằng các khóa công suất trên cùng một nhánh không được phép cùng dẫn Để hiểu rõ hơn, hãy phân tích mạch nghịch lưu 3 pha 2 bậc theo hình 2.1a, với giả thiết tải ba pha đối xứng thỏa mãn hệ thức.

Nguồn áp U được chia thành hai nửa bằng nhau tại điểm nút O, trong khi điểm N đại diện cho nút tải ba pha dạng sao Điện áp pha tải được xác định theo công thức cụ thể.

(2.2) Điện áp đƣợc gọi là các điện áp pha- tâm nguồn của các pha a, b, c và Un0 đƣợc gọi là điện áp tâm tải-tâm nguồn, đƣợc xác định theo:

Vì vậy, điện áp pha tải và điện áp dây đƣợc tính:

Chúng ta có thể xác định các điện áp pha tải và điện áp dây, từ đó tính toán được dòng điện tải cũng như dòng điện pha thông qua điện áp pha – tâm nguồn.

Các điện áp này lại đƣợc xác định thông qua trạng thái đóng cắt

HV: NGUYỄN MINH TUẤN 7 mô tả trạng thái kích thích và kích ngắt của linh kiện trong các nhánh pha của mạch nghịch lưu 3 pha 2 bậc Nếu trạng thái kích thích được biểu diễn là 1 và trạng thái kích ngắt là 0, phương trình trạng thái kích của các linh kiện sẽ được xác định theo các nhánh pha tương ứng.

Điện áp pha tâm nguồn của một pha có thể là +u/2 hoặc -u/2 tùy thuộc vào trạng thái của khóa chuyển mạch Từ đó, có thể tính toán điện áp pha-tâm nguồn, điện áp pha tải và điện áp dây trong mạch nghịch lưu dựa trên nguồn cung cấp u và trạng thái kích của các khóa công suất Bộ nghịch lưu áp 2 bậc, thường sử dụng trong các ứng dụng công suất vừa và nhỏ, bao gồm hai khóa bán dẫn (IGBT) trên mỗi nhánh pha tải Khái niệm hai bậc liên quan đến sự thay đổi điện áp giữa một pha tải và điểm điện thế chuẩn trên mạch DC, với điện áp từ pha tải đến tâm nguồn thay đổi giữa (+U/2) và (-U/2) trong quá trình hoạt động của các linh kiện.

Bộ nghịch lưu áp 2 bậc gặp khó khăn do điện áp cung cấp cho cuộn dây động cơ có độ dốc lớn, dẫn đến trạng thái khác biệt của điện áp chung từ các pha đến nguồn DC (điện áp chung) Để khắc phục những vấn đề này, bộ nghịch lưu áp đa bậc đã được phát triển, thường được ứng dụng trong các hệ thống điện áp cao và công suất lớn Ưu điểm của bộ nghịch lưu áp đa bậc là tăng công suất, giảm điện áp đặt lên linh kiện, từ đó giảm tổn hao công suất trong quá trình đóng ngắt Ngoài ra, với tần số đóng ngắt không đổi, các thành phần sóng hài bậc cao trong điện áp ra cũng được giảm thiểu so với bộ nghịch lưu áp 2 bậc.

HV: NGUYỄN MINH TUẤN 8 hai bậc Với những ưu điểm nổi bật, bộ nghịch lưu đa bậc đang ngày càng được nghiên cứu và ứng dụng rộng rãi trong thực tiễn hiện nay.

2.2.2 Nghịch lưu đa bậc cấu trúc dạng diode kẹp NPC

Bộ nghịch lưu đa bậc sử dụng nguồn DC từ hệ thống điện AC, với các cặp diode kẹp và mạch nguồn DC được chia thành nhiều cấp điện áp nhỏ hơn nhờ tụ điện mắc nối tiếp Khi có n nguồn DC bằng nhau mắc nối tiếp, điện áp pha - nguồn DC có thể đạt (n+1) giá trị khác nhau, dẫn đến việc gọi bộ nghịch lưu là bộ nghịch lưu áp (n+1) bậc Ví dụ, với mức điện thế 0 ở cuối dãy nguồn, các mức điện áp có thể đạt được là (0, U, 2U, 3U,…nU) Điện áp từ pha tải thông qua cặp diode kẹp tại điểm bất kỳ trên mạch DC, và để đạt mức điện áp mong muốn, tất cả linh kiện giữa hai diode phải được kích đóng theo nguyên tắc đối nghịch Qua sáu trường hợp kích đóng linh kiện giữa sáu cặp diode, ta có được sáu mức điện áp pha - nguồn DC: 0, 1U, 2U, 3U, 4U, 5U, xác nhận rằng mạch nghịch lưu này là bộ nghịch lưu 6 bậc.

Bộ nghịch lưu áp đa bậc sử dụng diode kẹp cải tiến giúp điều chỉnh sóng điện áp tải và giảm sốc điện áp trên linh kiện nhiều lần Với thiết kế bộ nghịch lưu ba bậc, tỉ số dv/dt trên linh kiện và tần số đóng cắt được giảm một nửa Tuy nhiên, khi n lớn hơn 3, mức độ chịu đựng gai áp trên các diode sẽ có sự khác biệt Bên cạnh đó, việc cân bằng điện áp giữa các nguồn cũng rất quan trọng.

DC (áp trên tụ) trở nên khó khăn, đặc biệt khi số bậc lớn

Hình 2.2: Diode Clamped Multilevel Inverter – NPC

2.2.3 Cấu trúc dùng tụ điện thay đổi

Hình 2.3: Flying Capacitor Multilevel Inverter Ưu điểm chính của nghịch lưu dạng này là:

• Khi số bậc tăng cao thì không cần dùng bộ lọc

• Có thể điều tiết công suất tác dụng và phản kháng nên hiện đƣợc dùng trong việc điều tiết công suất

• Mỗi nhánh có thể đƣợc phân tích độc lập với các nhánh khác Không

Như nghịch lưu đa bậc dạng NPC khi phân tích phải quan tâm đến cân bằng điện áp ba pha ở ngõ vào

• Số lƣợng tụ công suất lớn tham gia trong mạch nhiều, dẫn đến giá thành tăng và độ tin cậy giảm

• Việc điều khiển sẽ khó khăn khi số bậc của nghịch lưu tăng cao

2.2.4 Cấu trúc dạng ghép tầng ( Cascade Inverter )

Mạch nghịch lưu đa bậc kiểu cascade là giải pháp lý tưởng cho việc sử dụng các nguồn một chiều riêng biệt như acquy hoặc battery Mỗi pha của nghịch lưu này bao gồm nhiều bộ nghịch lưu cầu một pha được kết nối theo dạng nối tiếp, với mỗi bộ nghịch lưu áp một pha sử dụng nguồn một chiều riêng.

Sử dụng các nguồn DC riêng, thích hợp trong trường hợp sử dụng nguồn

DC có thể được cung cấp dưới dạng ác quy Inverter Cascade bao gồm nhiều bộ nghịch lưu áp cầu một pha được kết nối nối tiếp, với mỗi bộ nghịch lưu này có nguồn DC riêng biệt Việc kích hoạt các linh kiện trong từng bộ giúp tối ưu hóa hiệu suất của hệ thống.

Bộ nghịch lưu áp một pha do Nguyễn Minh Tuấn phát triển có ba mức điện áp (-U, 0, U), cho phép tạo ra nhiều khả năng mức điện áp khác nhau Cụ thể, khi kết hợp n bộ nghịch lưu áp trên một nhánh pha tải, ta có thể tạo ra n mức điện áp âm (-U, -2U, -3U, -4U, -nU) và n mức điện áp dương (U, 2U, 3U, 4U, nU), cùng với mức điện áp 0 Như vậy, bộ nghịch lưu áp dạng cascade với n bộ nghịch lưu áp một pha trên mỗi nhánh sẽ hình thành bộ nghịch lưu có (2n+1) bậc.

Tần số đóng ngắt trong mỗi module của mạch này có thể giảm đi n lần, dẫn đến dv/dt cũng giảm tương ứng Điều này làm giảm điện áp áp đặt lên các linh kiện xuống 0,57n lần, cho phép sử dụng IGBT có điện áp thấp.

2.2.5 Nhận xét Ưu điểm của bộ nghịch lưu áp đa bậc: công suất của bộ nghịch lưu áp tăng lên, điện áp đặt lên các linh kiện bị giảm xuống nên công suất tổn hao do quá trình đóng ngắt các linh kiện cũng giảm theo; với cùng tần số đóng ngắt, các thành phần sóng hài bậc cao của điện áp ra giảm nhỏ hơn so với trường hợp bộ nghịch lưu áp 2 bậc Đối với tải công suất lớn, điện áp cung cấp cho các tải có thể đạt giá trị tương đối lớn

Một số chỉ tiêu đánh giá kỹ thuật PWM:

Chỉ số điều chế (Modulation Index) m được xác định là tỉ số giữa biên độ của thành phần hài cơ bản do phương pháp điều khiển tạo ra và biên độ của thành phần hài cơ bản đạt được thông qua phương pháp điều khiển sáu bước (six-step).

Các phương pháp điều khiển bộ nghịch lưu áp

2.3.1 Phương pháp điều chế độ rộng xung Sine PWM

Phương pháp còn có tên Subharmonic PWM (SH – PWM), hay Multi carrier based PWM

Để tạo giản đồ kích đóng cho các linh kiện trong cùng một pha tải, cần sử dụng một số sóng mang hình tam giác kết hợp với tín hiệu điều khiển dạng sin.

Phương pháp này hoạt động dựa trên nguyên lý kỹ thuật analog, sử dụng giản đồ kích để đóng các công tắc của bộ nghịch lưu thông qua việc so sánh hai tín hiệu cơ bản.

 Sóng mang up (carrier signal) tần số cao, có thể ở dạng tam giác

Sóng điều khiển ur, hay còn gọi là sóng tham chiếu, và sóng điều chế dạng sin, đóng vai trò quan trọng trong việc kích hoạt công tắc Cụ thể, công tắc lẻ sẽ được đóng khi sóng điều khiển lớn hơn sóng mang (ur > up), trong khi đó, công tắc chẵn sẽ được kích đóng khi điều kiện ngược lại xảy ra.

Tần số sóng mang càng cao thì lượng sóng hài bậc cao trong điện áp và dòng điện tải bị khử càng nhiều Đối với bộ nghịch lưu áp n bậc, số sóng mang sử dụng là (n-1), với tất cả có cùng tần số và biên độ đỉnh - đỉnh Sóng điều chế, hay sóng điều khiển, có biên độ đỉnh là Am và tần số thay đổi xung quanh trục tâm của (n-1) sóng mang Khi sóng điều khiển lớn hơn sóng mang, linh kiện tương ứng sẽ được kích hoạt, ngược lại, nếu sóng điều khiển nhỏ hơn, linh kiện đó sẽ bị khóa kích.

Gọi là tỉ số điều chế tần số ( frequency modulation ratio):

Việc tăng giá trị sẽ làm gia tăng tần số của các sóng hài, tuy nhiên, điều này cũng dẫn đến tổn hao do số lần đóng cắt lớn Tương tự, hiện tượng này được gọi là tỉ số điều chế biên độ (amplitude modulation ratio).

Khi ma ≤ 1, tức là biên độ sóng sin nhỏ hơn tổng biên độ sóng mang, mối quan hệ giữa thành phần cơ bản của điện áp ra và điện áp điều khiển sẽ là tuyến tính.

Hình 2.5: Quan hệ giữa biên độ sóng mang và sóng điều khiển

Khi giá trị vượt quá 1, biên độ tín hiệu điều chế sẽ lớn hơn tổng biên độ sóng mang, dẫn đến biên độ hài cơ bản của điện áp ra tăng không tuyến tính Trong tình huống này, sóng hài bậc cao bắt đầu xuất hiện và tăng dần cho đến khi đạt mức giới hạn theo phương pháp 6 bước Hiện tượng này được gọi là quá điều chế (overmodulation) hoặc điều chế mở rộng.

Phương pháp Sin PWM đạt được chỉ số điều chế lớn nhất trong vùng tuyến tính khi biên độ sóng điều chế bằng tổng biên độ sóng mang :

2.3.2 Phương pháp điều chế độ rộng xung cải biến SFO_PWM

Phương pháp còn có tên là Modified PWM hoặc Switching Frequency optimal PWM method – SFO PWM

Kỹ thuật điều khiển tương tự như phương pháp điều chế độ rộng xung, nhưng khác biệt ở chỗ sóng điều chế được cải biến bằng cách cộng thêm tín hiệu thứ tự không, cụ thể là sóng hài bội ba Có nhiều cách để tạo ra thành phần thứ tự không, trong đó phương pháp SFO PWM sử dụng trị trung bình của tín hiệu lớn nhất và tín hiệu nhỏ nhất trong ba tín hiệu điều chế Các tín hiệu điều khiển Va, Vb, Vc trong phương pháp PWM có thể được biểu diễn dưới dạng toán học theo phương pháp SFO – PWM.

Phương pháp này cho phép điều khiển tuyến tính điện áp tải với chỉ số điều chế trong khoảng 0 ≤ m ≤ 0,907, giúp đạt được biên độ sóng hài điện áp tối đa.

⁄√ và tương ứng chỉ số điều chế lúc đó là:

Hình 2.6: Quan hệ giữa biên độ điện áp điều khiển và biên độ sóng mang

2.3.3 Phương pháp điều chế vector không gian

Phương pháp điều khiển sáu bước tạo ra sự dịch chuyển nhảy cấp tuần hoàn của vector không gian giữa sáu đỉnh của hình lục giác, dẫn đến quá trình điện áp pha tải nghịch lưu với nhiều thành phần sóng hài bậc cao.

Quỹ đạo vector không gian bị biến đổi về pha và biên độ khi áp dụng ba pha tải dạng sine Mặc dù phương pháp điều chế độ rộng xung dạng sin tạo ra điện áp pha tải gần giống hình dạng sine, nhưng nó chỉ đảm bảo phạm vi điều khiển tuyến tính của thành phần điện áp cơ bản đến biên độ Ud/2.

Phương pháp điều chế vector không gian là giải pháp hiệu quả để khắc phục nhược điểm của hai phương pháp trước đó Ý tưởng chính của phương pháp này là tạo ra sự dịch chuyển liên tục của vector không gian tương đương trên quỹ đạo tròn của vector điện áp bộ nghịch lưu, tương tự như cách mà vector không gian của đại lượng sin ba pha được tạo ra Sự dịch chuyển đều đặn của vector không gian giúp nâng cao hiệu suất và ổn định trong quá trình điều chế.

Trong quá trình điều khiển bộ nghịch lưu áp, các sóng hài bậc cao được loại bỏ, giúp mối quan hệ giữa tín hiệu điều khiển và biên độ áp ra trở nên tuyến tính Vector tương đương trong trường hợp này chính là vector trung bình trong thời gian một chu kỳ lấy mẫu Ts.

Nguyên lý điều chế vector không gian cho bộ nghịch lưu áp đa bậc tương tự như ở nghịch lưu hai bậc Để tạo ra vector trung bình tương ứng với vector v, cần xác định vị trí của vector ⃗ trong hình lục giác Để thuận tiện, diện tích hình lục giác thường được chia thành các hình tam giác nhỏ Chẳng hạn, góc phần sáu đầu tiên của hình lục giác, được giới hạn bởi ba vector ⃗⃗⃗⃗, ⃗⃗⃗⃗ và ⃗⃗⃗⃗, sẽ được chia thành các diện tích nhỏ (1), (2), (3), và

Hình 2.7: Góc phần 6 đƣợc giới hạn bởi vector ⃗⃗⃗⃗ , ⃗⃗⃗⃗ và ⃗⃗⃗⃗

19

Giới thiệu bộ nghịch lưu song song

Việc sử dụng biến tần trong công nghiệp ngày càng phổ biến, dẫn đến nhu cầu tăng công suất bộ biến tần để đáp ứng yêu cầu sử dụng Để nâng cao tổng công suất đầu ra, có thể tăng công suất của một biến tần hoặc kết nối song song hai bộ biến tần để phân bố công suất tải Sử dụng một biến tần có công suất cao có thể gây ra các vấn đề như tản nhiệt, bảo vệ sự cố và chi phí Kết nối song song hai biến tần là phương pháp ưu việt giúp mở rộng khả năng hệ thống, giảm chi phí và tăng độ tin cậy Tuy nhiên, việc vận hành hai biến tần song song cũng gặp nhiều thách thức, do đó cần xem xét cẩn thận khi triển khai giải pháp này.

Trong hoạt động song song của các bộ biến tần, cần chú ý đến sự phân bố công suất để đảm bảo rằng công suất cung cấp không vượt quá công suất định mức của từng biến tần Bất kỳ sai số nào có thể dẫn đến hỏng hóc cho biến tần Cấu trúc bộ nghịch lưu 3 pha mắc song song trong báo cáo này bao gồm hai bộ nghịch lưu 3 pha kết nối với nhau qua một nguồn DC chung, tạo thành mô hình mô phỏng cho hai bộ biến tần hoạt động song song.

Cấu trúc kết nối song song của hai bộ nghịch lưu là một giải pháp mới trong việc phát triển bộ biến tần, giúp tối ưu hóa công suất theo yêu cầu ứng dụng Đánh giá công suất của bộ biến tần phụ thuộc vào cấu trúc liên kết và các giới hạn về nhiệt, điện của thiết bị điện tử bên trong Việc áp dụng cấu trúc này cho phép đạt được hiệu suất cao hơn và đáp ứng tốt hơn nhu cầu sử dụng.

Cấu trúc liên kết song song 2 bộ nghịch lưu với việc sử dụng chung nguồn áp DC

(a) 2 bộ nghịch lưu kết nối song song sử dụng chung nguồn DC

(b) sơ đồ điện 2 bộ nghịch lưu song song

(c) Uab trước và sau khi kết nối cuộn kháng

Hình 3.1: Cấu trúc bộ nghịch lưu kết nối song song

Cuộn cảm ghép đƣợc sử dụng để tạo ra điện áp đầu ra PWM nhiều cấp ( Hình 3.1c) với bộ nghịch lưu nguồn áp kết nối song song.

Bộ nghịch lưu kết nối song song sử dụng cuộn kháng rời

Cấu trúc bộ nghịch lưu sử dụng cuộn kháng rời:

Hình 3.2: Cấu trúc bộ nghịch lưu kết nối song song dùng cuộn kháng rời

Tác dụng của cuộn kháng :

Cuộn kháng giúp làm chậm tốc độ tăng của dòng điện khi chuyển từ van này sang van kia, thông qua việc tăng điện kháng và cải thiện độ méo sóng hài, tùy thuộc vào lượng sụt áp cho phép và tải hiện có.

Cuộn kháng thường dùng để lọc sóng hài [3] nhằm cải thiện chất lượng điện năng và nâng cao tuổi thọ của thiết bị điện

Để nâng cao chất lượng điện áp ra của bộ biến đổi điện áp, có thể sử dụng bộ lọc xoay chiều thụ động dạng L Bộ lọc L này có độ suy giảm đạt -20 dB/decade trên toàn dải tần số, giúp giảm thiểu sóng hài của biến tần khi sử dụng tần số sóng mang cao.

Bộ lọc L được được mô tả bởi các vector phương trình vi phân trong hệ trục tọa độ tĩnh:

⃗ ⃗ ⃗⃗ ⃗⃗ (3.1) Hoặc trong các tọa độ đồng bộ của các vecto phức hợp khác có phương trình:

Các giá trị phức của bộ lọc L được chuyển đổi thành một hệ thống không gian với tọa độ đồng bộ bằng cách phân chia (3.4) thành hai phần: phần thực và phần ảo.

Giá trị L đƣợc cho bởi:

Bộ nghịch lưu kết nối song song sử dụng cuộn kháng ghép

Cấu trúc bộ nghịch lưu sử dụng cuộn kháng ghép đôi:

Hình 3.4: Cấu trúc bộ nghịch lưu kết nối song song dùng cuộn kháng ghép

Khái niệm: hỗ cảm là tham số liên quan đến điện áp cảm ứng trong 1 cuộn dây với dòng điện biến thiên theo thời gian trong 1 cuộn dây khác

Xét 2 cuộn dây quấn trên cùng mạch từ, cuộn 1 đƣợc kích thích còn cuộn 2 hở mạch Từ thông tổng của cuộn 1 : với (gọi là từ thông tản) chỉ móc vòng với cuộn 1, còn là từ thông tương hỗ móc vòng với cả hai cuộn dây, cũng là từ thông trong cuộn 2 do dòng điện trong cuộn 1 tạo ra Thứ tự của các chỉ số là quan trọng

Hình 3.5: cấu tạo cuộn dây

Vì cuộn 2 hở mạch, từ thông móc vòng với nó là:

=> tỷ lệ tuyến tính với , do đó Điện áp cảm ứng ( do sự thay đổi của từ thông móc vòng ) đƣợc cho bởi:

(3.6) được gọi là hổ cảm giữa các cuộn dây Tương tự, có thể xác định điện áp trong cuộn 1

Xét trường hợp cuộn 1 hở mạch và cuộn 2 được kích thích Có thể dùng cùng quy trình để tính các điện áp cảm ứng:

Xét về mặt năng lƣợng, có thể chứng minh rằng = = M

Xét trường hợp cả hai cuộn dây cùng được kích thích:

Bằng cách lấy đạo hàm, rút ra các điện áp cảm ứng:

Hệ số ghép giữa hai cuộn dây đƣợc định nghĩa là:

Có thể chứng minh hay √

Hầu hết máy biến áp lõi không khí đƣợc ghép yếu (k < 0,5) còn máy biến áp lõi thép đƣợc ghép mạnh (k > 0,5 có thể tiến đến 1.

Kỹ thuật điều khiển 2 bộ nghịch lưu áp 3 pha kết nối song song

3.4.1 Kỹ thuật Sine PWM (Synchronized Pulses – Điều rộng xung đồng bộ)

Nếu 2 biến tần có giá trị L1 và L2 bằng nhau và và nhận đƣợc tín hiệu PWM trùng nhau chỉ chứa O và P thì:

Ta có thể thấy cấu trúc bộ biến tần song song có 3 điểm tham chiếu: 1, 2, pcc Đƣợc biểu diễn bởi công thức sau:

HV: NGUYỄN MINH TUẤN 26 Ưu điểm:

Khi hai biến tần sử dụng sóng điều chế PWM giống nhau, công suất đầu ra của hệ thống sẽ tăng lên Tuy nhiên, mức độ sóng hài và dòng gợn vẫn giữ nguyên như khi chỉ sử dụng một biến tần.

Khi hai bộ biến tần được kết nối, chúng sẽ tương tác và tạo ra dòng điện lưu thông qua DC-link giữa chúng.

Theo giả thuyết, nếu hai biến tần có trở kháng tương đương và chu kỳ xung điều khiển giống nhau, dòng tuần hoàn sẽ không xuất hiện Tuy nhiên, sự khác biệt về giá trị trở kháng và việc mỗi bộ biến tần có bộ điều khiển dòng riêng biệt thường tạo ra dòng điện tuần hoàn trong liên kết Trong các ứng dụng công suất cao, trở kháng trong mạch rất thấp, dẫn đến dòng điện có thể đạt hàng ngàn Amps Do đó, dòng tuần hoàn sẽ cao hơn trong các ứng dụng công suất cao so với những ứng dụng công suất thấp.

Các thành phần tần số thấp trong dòng tuần hoàn có thể được loại bỏ bằng bộ điều khiển trên trục zero, trong khi các thành phần tần số cao có thể được giảm thiểu bằng cách chèn cuộn cảm trước đầu ra của biến tần khi kết nối.

Dòng tuần hoàn chỉ xuất hiện khi hai bộ biến tần sử dụng chung nguồn

Trong trường hợp sử dụng nguồn DC độc lập, hiện tượng dòng tuần hoàn sẽ không xảy ra Tuy nhiên, điều này không làm giảm được dòng gợn DC cũng như dòng gợn trên tụ điện.

Giá trị trở kháng phụ thuộc vào tần số trong mạch:

Điện kháng của cuộn cảm thay đổi theo tần số f, cho phép cuộn cảm chặn các thành phần tần số cao trong khi vẫn cho phép các thành phần tần số thấp đi qua.

3.4.2 Kỹ thuật Sine PWM (Interleaved Pulses – Điều rộng xung xen kẻ)

Hệ thống mô hình nghiên cứu bao gồm hai bộ nghịch lưu ba pha kết nối song song, với nguồn DC đầu vào chung và ngõ ra được kết nối với tải ba pha thông qua cuộn cảm.

Kỹ thuật điều khiển xen kẽ hai bộ nghịch lưu kết nối song song cho phép sử dụng chung sóng điều chế sine ba pha với song mang lệch nhau Mỗi pha đều có cùng sóng cơ bản, và khi thực hiện chuyển mạch ở tần số cao với sóng mang lớn, ba pha sóng điều chế có thể được xem như là hằng số.

DC trong một chu kỳ chuyển mạch [7]

Hình 3.6: Hai bộ nghịch lưu kết nối song song

Hình 3.7: Nguyên lí xung kích trong kỹ thuật Interleaved

Ta sử dụng pha A làm ví dụ, sơ đồ kết nối đƣợc thể hiện nhƣ (Hình 3.8)

Điện áp pha A giữa hai bộ nghịch lưu Ua1 và Ua2 cho phép cả hai cùng truyền tải điện năng đến lưới điện tại cùng một thời điểm Khi giá trị ngõ ra Ua1 và Ua2 không đồng bộ, dòng tuần hoàn sẽ xuất hiện Giả sử các thông số của hai bộ nghịch lưu là giống nhau, tổng điện áp đầu ra của chúng có thể được xác định từ hình 3.7.

Khi hai bộ nghịch lưu kết nối song song với các thông số và thời gian dead time giống nhau, việc áp dụng kỹ thuật điều chế xen kẽ sẽ dẫn đến sự chênh lệch điện áp giữa chúng Sự khác biệt này tạo ra dòng tuần hoàn, ảnh hưởng đến hiệu suất của hệ thống.

Vào bất kỳ thời điểm nào trạng thái chuyển đổi công tắt trong mạch thu đƣợc là:

(3.18) Điện áp đầu ra nghịch lưu có thể được mô tả tương đương công thức trên

Sơ đồ mạch tính dòng tuần hoàn cho hai bộ nghịch lưu kết nối song song và điều khiển theo phương pháp interleaving được trình bày trong Hình 3.9, trong đó R đại diện cho tổng trở kháng trong mạch nghịch lưu [12].

Hai bộ nghịch lưu được điều khiển theo phương pháp interleaved với vòng lặp dòng được mô tả theo phương trình vi phân sau:

Hai bộ nghịch lưu kết nối song song được điều khiển bằng phương pháp interleaved với dòng tham chiếu giống nhau và sóng mang lệch nhau Điều này dẫn đến việc không thể đảm bảo trạng thái công tắt luôn bằng 0 tại bất kỳ thời điểm nào, gây ra sự tồn tại của dòng tuần hoàn trong mạch Ví dụ, trong một chu kỳ xung trạng thái chuyển đổi của hai bộ nghịch lưu, thời gian chuyển đổi được mô tả trong Hình 3.10.

Hình 3.10: Nguyên lí tạo xung kích IGBT

Bảng 3.1: Giá trị điện áp trong từng giai đoạn

Hình 3.11: Dòng điện và điện áp thứ tự không

Một chu kỳ chuyển mạch được chia thành 13 phân đoạn, trong đó điện áp thứ tự 0 được thể hiện trong bảng 1 (E là điện áp DC) Từ bảng 1, ta có thể xác định dạng sóng của điện áp thứ tự 0, tuần hoàn trong mạch theo phương pháp điều khiển interleaved như mô tả trong hình 3.11 Giá trị trung bình của điện áp thứ tự 0 là 0, và hình 3.11 cho thấy rõ điều này.

HV: NGUYỄN MINH TUẤN 32 được sơ đồ mạch tương đương của bộ nghịch lưu kết nối song song [13, 14-15] và biên độ dòng thứ tự 0 ( nhƣ sau:

Mô hình nghịch lưu kết nối song song sử dụng phương pháp SPWM và interleaved yêu cầu hai bộ nghịch lưu hoạt động với trạng thái vector 0 đối nghịch nhau trong mỗi chu kỳ chuyển đổi Trong khoảng thời gian này, hai trạng thái vector 0 sẽ trùng nhau và được xác định bởi giá trị của pha lớn nhất trong ba pha trong chu kỳ chuyển mạch.

Trong công thức trên, dòng tuần hoàn không phụ thuộc vào điện áp E và thời gian trùng nhau của hai vector Việc giảm thời gian trùng nhau giữa hai vector sẽ dẫn đến việc giảm dòng tuần hoàn qua mạch Ngoài ra, việc tăng giá trị của cuộn cảm lọc cũng có thể giúp giảm giá trị dòng tuần hoàn.

So sánh độ gợn dòng điện giữa 2 phương pháp ở chỉ số điều chế m=0,907

Ia, Ib, Ic (Synchronized Pulses)

Ia, Ib, Ic (Interleaved Pulses)

Hình 3.12: Dòng điện ngõ ra của 2 phương pháp điều khiển

41

Thông số mô hình

Dựa trên cơ sở lý thuyết, chúng tôi đã xây dựng mô hình mô phỏng sử dụng Matlab/Simulink Các thông số mô phỏng được thiết lập dựa theo tài liệu tham khảo [2], với điện áp tổng phía DC là VdcT0(V).

 Tải RL với R@ Ohm, L=7,2mH

 Tần số điện áp ngõ ra 50 Hz

 Three-phase inductor L1 and L2 = 10mH 1,1Ω

 Tần số lấy mẫu Ts-6s kHz

Mô hình mô phỏng

Hình 4.1: Mô hình mô phỏng trong Matlab

Mô tả các khối trong mô hình mô phỏng

Khối Sine Wave tạo ra ba sóng điều khiển lệch nhau 120 độ, giúp tối ưu hóa hiệu suất điện Trong cửa sổ tham số, người dùng có thể nhập giá trị dòng điện tham chiếu và tần số điện áp ngõ ra để điều chỉnh hoạt động của thiết bị.

Hình 4.2: Thiết lập giá trị sóng sine trong mô phỏng

 Khối xung kích: chứa giải thuật điều khiển (giải thuật ) Tạo điện áp kích cho kit

Hình 4.3: Tính toán giải thuật

Khối Inverter bao gồm mạch nghịch lưu với 12 khóa công suất Từ ngõ ra của khối xung kích, 6 tín hiệu sẽ được đưa qua cổng đảo, tạo ra 12 tín hiệu điều khiển cho 12 khóa công suất theo nguyên tắc kích đối nghịch.

Trường hợp có cuộn cảm không hổ cảm :

Hình 4.5: Mô hình bộ nghịch lưu kết nối song song

 Mô hình tải mô phỏng: với các thông số tải nhƣ đã trình bày

Hình 4.6: Mô hình tải mô phỏng

Kết quả mô phỏng

Trường hợp 1: Sử dụng kỹ thuật SPWM & Synchronized Pulses

- Sóng điều chế 3 pha với kỹ thuật Sine-PWM:

- So sánh sóng điều chế và sóng mang:

Hình 4.9: So sánh sóng mang và sóng điều chế

- Điện áp Uab, Ubc, Uac:

Hình 4.11: Điên áp pha với m=0,2

- Điện áp 3 pha tải và phân tích Fourier:

Hình 4.12: Điện áp tải và THD với m=0,2

- Dòng điện 3 pha tải và phân tích Fourier:

Hình 4.13: Dòng điện và THD với m=0,2

- Thông số đó trên pha A:

Hình 4.14: Thông số pha A với m=0,2 m= 0,5

- Thông số đó trên pha A:

Thông số đó trên pha A:

Hình 4.26: Thông số pha A với m=0,907 m= 1

Hình 4.27: Điên áp pha với m=1

Hình 4.28: Điện áp tải và THD với m=1

Hình 4.29: Dòng điện và THD với m=1

Thông số đo trên pha A:

Hình 4.30: Thông số pha A với m=1

Bảng 4.1: Quan hệ áp và dòng tải, độ méo dạng sóng hải theo chỉ số điều chế (Kỹ thuật điều rộng xung đồng bộ) m Fundamental THD(%)

Hình 4.31: Đồ thị biểu diễn độ méo dạng sóng hài THD của kỹ thuật SPWM

(Synchronized- Điều rộng xung đồng bộ) theo chỉ số điều chế

Trường hợp 2: Sử dụng kỹ thuật SPWM & Interleaved Pulses

Hình 4.32: Mô hình mô phỏng kỹ thuật interleaved trong Matlab

- Sóng mang 2 bộ nghịch lưu:

Hình 4.34: Sóng mang theo kỹ thuật interleaved

Hình 4.36: áp tải và THD với m=0,2

- Thông số đo trên pha A:

Hình 4.38: Thông số pha A với m=0,2

Hình 4.39: Áp tải và THD với m=0,5

Hình 4.41: Thông số pha A với m=0,5 m=0,785

Hình 4.42: áp tải và THD với m=0,785

Hình 4.44: Thông số pha A với m=0,785

Hình 4.45: Áp tải và THD với m=0,907

Hình 4.47: Thông số pha A với m=0,907 m=1

Hình 4.48: áp tải và THD với m=1

Hình 4.49: Dòng điện và THD với m=1

Hình 4.50: Thông số pha A với m=1

Bảng 4.2: Quan hệ áp và dòng tải, độ méo dạng sóng hải theo chỉ số điều chế ( Kỹ thuật điều rộng xung xen kẻ) m Fundamental THD

Hình 4.51: Đồ thị biểu diễn độ méo dạng sóng hài THD của kỹ thuật SPWM

(Interlveaved- Điều rộng xung xen kẻ) theo chỉ số điều chế

Từ kết quả thu được từ 2 trường hợp ta có:

Bảng 4.3: Quan hệ áp và dòng tải, độ méo dạng sóng hải theo chỉ số điều chế m Fundamental THD

TH1 TH2 TH1 TH2 TH1 TH2 TH1 TH2

Hình 4.52: Đồ thị so sánh THDv của kỹ thuật điều rộng xung đồng bộ và điều rộng xung xen kẻ

Hình 4.53: Đồ thị so sánh THDi của kỹ thuật điều rộng xung đồng bộ và điều rộng xung xen kẻ

- Giá trị THDi và THDv giảm khi sử dụng phương pháp Interleaved

- Giá trị độ lớn biên độ không thay đổi

- Việc sử dụng kỹ thuật Interleaved tạo sự không đồng bộ giữ 2 bộ nghịch lưu dẫn đên sự chênh lệch dòng điện ở đẩu ra 2 bộ nghịch lưu ( Hình 4.54)

Hình 4.54: Dòng điện đầu ra I1, I2 và dòng tổng Ia

Mô phỏng sử dụng kỹ thuật Interleaved kết hợp cuộn cảm ghép

Trường hợp sử dụng cuộn kháng rời:

=> Dòng lệch Trường hợp sử dụng cuộn ghép có hỗ cảm với hệ số ghép

HV: NGUYỄN MINH TUẤN 83 k = 0,2 => √ = 10*0,2 = 2mH

Hình 4.56: Dòng tuần hoàng tại k = 0,2

Hình 4.59: THDv và THDi trường hợp k = 0,5

Hình 4.61: THDv và THDi trường hợp k = 0,9

Hình 4.62: Đồ thị I_peak theo kỹ thuật SPWM cấu trúc cuộn cảm ghép

Hình 4.63: Đồ thị THDv theo kỹ thuật SPWM cấu trúc cuộn cảm ghép

Hình 4.64: Đồ thị THDv theo kỹ thuật SPWM cấu trúc cuộn cảm ghép

Khi tăng hệ số ghép của cuộn kháng dòng điện tuần hoàn trong 2 mạch nghịch lưu giảm, nhưng kèm theo đó độ méo song hài THDi và THDv tăng

=> Sử dụng cuộn cảm ghép đôi lõi sắt từ đạt hệ số ghép cao => giảm dòng tuần hoàn trong bộ nghịch lưu.

Định dạng
Số trang	141
Dung lượng	10,84 MB