Đồ án Điều khiển động cơ dùng biến tần abb acs 150

thuật điều chế cần đảm bảo là chỉ sử dụng các trạng thái thích hợp. 3.1.Kỹ thuật điều chế độ rộng xung sóng sin Đây là phần mở rộng của kỹ thuật SPWM trong các bộ nghịch lưu áp một pha. Trong trường hợp này, để tạo ra các điện áp của tải lệch pha nhau một góc 120o, ta cần sử dụng 3 tín hiệu điều chế lệch pha nhau 120o. Hình 3.14 cho thấy dạng sóng lý tưởng của bộ nghịch lưu áp ba pha với kỹ thuật điều chế SPWM. Để sử dụng một tín hiệu sóng mang và để đảm bảo các đặc điểm của kỹ thuật điều chế độ rộng xumg, tần số sóng mang chuẩn mf nên là các giá trị lẻ và là bội số của 3. Vì vậy, tất cả các điện áp pha (vaN, vbN, vcN) đều bằng nhau nhưng lệch pha nhau 1200 và không chứa hài; hơn nữa, các hài tại các tần số là bội của 3 thì bằng nhau về biên độ và pha trong tất cả các pha. Ví dụ, nếu hài thứ 9 trong pha aN là:              (3.26) Thì hài thứ 9 trong pha bN sẽ là: (3.27) Vì vậy, điện áp dây ngõ ra xoay chiều vab = vaN –vbN sẽ không chứa hài thứ 9. Vì vậy, với các giá trị là bội số lẻ của 3 của tần số sóng mang chuẩn mf, các hài trong điện áp ngõ ra xoay chiều sẽ xuất hiện tại các tần số chuẩn fh và các bội số của nó, cụ thể là:                (3.28) Với l= 1, 3, 5, … ứng với k= 2, 4, 6, … và l= 2, 4, … ứng với k= 1, 5, 7, … như vậy h không là bội của 3. Vì vậy, các hài sẽ là mf ± 2, mf ± 4, … 2mf ±1, 2mf ±2, …  3mf ±2, 3mf ±4, … 4mf ±1, 4mf ±5,… Để dòng điện tải gần như dạng sóng sin, các hài trong dòng liên kết dc tại các tần số được cho bởi:                (3.29) Với l= 0, 2, 4, … ứng với k= 1, 5, 7, … và l= 1, 3, 5,  … ứng với k= 2, 4, 6, … như vậy h= l*mf ±k là dương và không là bội của 3. Ví dụ, hình 3.14h cho ta thấy hài thứ 6 (h=6), vì h=1*9 -2-1=6. Các kết quả tương tự có thể được đưa ra với các giá trị lớn và nhỏ của mf như với các cấu hình 1 pha. Tuy nhiên, bởi vì biên độ tối đa của điện áp pha cơ bản trong vùng tuyến tính (ma ≤1) là vi/2, nên biên độ tối đa của điện áp dây ngõ ra xoay chiều của thành phần cơ bản là . Vì vậy ta có thể viết:               (3.30) Để tăng biên độ của điện áp tải, biên độ của tín hiệu điều chế c có thể được tạo ra cao hơn biên độ của tín hiệu sóng mang v∆ , điều này dẫn đến sự quá điều chế. Mối quan hệ giữa biên độ của điện áp dây ngõ ra xoay chiều cơ bản và điện áp liên kết dc trở nên không tuyến tính như trong các bộ nghịch lưu nguồn áp một pha. Vì vậy, trong vùng quá điều chế, giới hạn của điện áp dây là:                   (3.31) 3.2. Hoạt động sóng vuông của các bộ nghịch lưu áp 3 pha(Square - Wave Operation…) Các giá trị lớn của ma trong kỹ thuật SPWM dẫ đến sự quá điều chế. Điều này được biết như là hoạt động sóng vuông và được minh họa trong hình 3.15, với các van công suất được đóng ở 1800. Trong chế độ hoạt động này, bộ nghịch lưu không thể điều khiển điện áp tải ngoại trừ bằng phương pháp của điện áp liên kết dc vi. Biểu thức của điện áp dây xoay chiều cơ bản:                 (3.32) Điện áp dây ngõ ra xoay chiều có chứa các hài fh, với h=6*k±1 (k= 1, 2, 3, … ) và và biên độ của chúng tỉ lệ nghịch với bậc của hài (hình 3.15d). Công thức của các biên độ đó là:                         (3.33) Hình 3.14 Chế độ hoạt động sóng vuông của bộ nghịch lưu áp 3 pha: (a) trạng thái của công tắc S1; (b) trạng thái của công tắc S3; (c) điện áp ngõ ra xoay chiều; (d) phổ của điện áp ngõ ra xoay chiều. 3.3.Sự loại trừ hài có chọn lọc trong các bộ nghịch lưu áp 3 pha. Như trong các bộ nghịch lưu áp một pha, kỹ thuật loại trừ hài có chọn lọc có thể được áp dụng với các bộ nghịch lưu áp 3 pha. Trong trường hợp này, các khóa công suất của mỗi nhánh của bộ nghịch lưu được đóng ngắt để loại trừ một số các hài cho trước và để điều khiển biên độ của điện áp pha. Trong nhiều ứng dụng, các điện áp dây ngõ ra nên cân bằng và lệch pha nhau 1200, các hài là bội số của 3 (h= 3, 9,15, …) có thể được có mặt trong các điện áp pha (vaN, vbN, vcN) và sẽ không xuất hiện trong các điện áp tải (vab, vbc, vca). Vì vậy, các hài này không cần phải loại trừ, vì các góc đóng ngắt được dùng để chỉ loại trừ các hài tại các tần số h= 5, 7, 11, 13, … . Biểu thức để loại trừ một số hài được chọn cũng giống với các biểu thức được dùng trong các bộ nghịch lưu 1 pha. Ví dụ, để loại trừ các hài thứ 5, 7 và để điều khiển biên độ cơ bản (N=3), ta giải các phương trình sau:                 (3.34) Với các góc 1, 2, và 3 được xác định như trong hình 3.16(a) và được đánh dấu như trong hình 3.17. Hình 3.16b cho thấy rằng, các hài thứ 3, 9, 15, … luôn có mặt trong các điện áp pha; tuy nhiên, chúng không xuất hiện trong các điện áp dây (hình 3.16d) Hình 3.15  Dạng sóng lý tưởng của bộ nghịch lưu áp 3 pha ứng với kỹ thuật SHE: (a) sự loại trừ các hài thứ 5, 7 trong điện áp pha vaN; (b) phổ của (a); (c) sự loại trừ các hài thứ 5, 7 trong điện áp dây vab; (d) phổ của (c). Hình 3.16  Các góc đóng ngắt ứng với kỹ thuật SHE và sự điều khiển điện áp cơ bản trong các bộ nghịch lưu áp 3 pha: sự loại trừ hài thứ 5 và 7. 3.4..Các kỹ thuật điều chế vector không gian cơ bản (Space-Vector-based Modulating Techniques) Hiện nay, các phương thức điều khiển được thực hiện trong các hệ thống số, và vì vậy các kỹ thuật điều chế số cũng có thể được ứng dụng. Kỹ thuật điều chế vector không gian cơ bản là một kỹ thuật số mà mục đích chính là tạo ra các điện áp dây của tải PWM mà nó bằng mức trung bình của các điện áp dây của tải. Điều này được thực hiện trong mỗi thời gian lấy mẫu bằng cách lựa chọn một cách thích hợp các trạng thái đóng ngắt từ một số trạng thái hợp lý của bộ nghịch lưu áp (bảng 3.3) và tính toán chính xác các khoảng thời gian chúng được sử dụng. Sự lựa chọn và tính toán thời gian tùy thuộc vào sự chuyển đổi vector không gian. 3.4.1 Sự chuyển đổi vector không gian Bất sự thay đổi trong nhóm 3 pha mà nó tăng thêm đối với các khung cố định abc có thể được biểu diễn trong một mặt phẳng phức bởi một vector tổng hợp bao gồm một thành phần thực () và một thành phần phức ( i). Ví dụ, vector của các tín hiệu điều chế dây 3 pha là có thể được biểu diễn bằng vector tổng hợp bằng các phương pháp chuyển đổi sau:                         (3.35)                              (3.36) Nếu các tín hiệu điều chế dây [vc]abc là ba dạng sóng sin cân bằng cùng một biên độ c và tần số góc , các tín hiệu điều chế được tạo thành trong khung khung tĩnh  Vc = [vc ] trở thành một vector của môđun c cố định, và nó quay với tần số  (hình 3.18). Tương tự, sự chuyển đổi vector không gian được áp dụng trong các điện áp dây của 8 trạng thái của bộ nghịch lưu áp đối với vi (bảng 3.3), mà nó tạo ra 8 vector không gian (Vi, i= 1, 2, …8) trong hình 3.18. Như được mong đợi, V1 đến V6 là các vector điện áp dây có giá trị (nonnull) và V7 vàV8 là các vector điện áp dây vô hiệu. Hình 3.17  Sự biểu diễn của vector không gian Mục đích của kỹ thuật vector không gian thì gần giống với tín hiệu điều chế Vc với 8 vector không gian (Vi, i= 1, 2, …, 8) có sẵn trong các bộ nghịch lưu. Tuy nhiên, nếu tín hiệu điều chế Vc được thiết lập giữa 2 vector bất kỳ Vi và Vi+1, thì chỉ nên dùng 2 vector khác 0 gần nhất (Vi, Vi+1) và 1 vector không gian zero (Vz = v7 hoặc V8). Vì vậy, điện áp tải tối đa được tối đa hóa và tần số đóng cắt được tối thiểu hóa. Để đảm bảo là điện áp được tạo ra trong khoảng thời gian lấy mẫu Ts (các điện áp được qui định bởi các vector Vi, Vi+1, và Vz được dùng trong các khoảng thời gian Ti, Ti+1, và Tz) thì bằng với vector Vc, ta có biểu thức sau:                         (3.37) Kết quả của phần thực và phần ảo của biểu thức (3.37) ứng với điện áp dây của tải, biên độ bị giới hạn trong khoảng: 0 ≤ c ≤ 1 từ đó: Ti = Ts * c * sin(π/3 - )                   (3.38) Ti+1 = Ts * c *sin()                        (3.39) Tz = Ts – Ti – Ti+1                           (3.40) Các biểu thức ở trước xác định rằng biên độ tối đa của điện áp dây cơ bản là duy nhất khi 0 ≤  ≤  π /3. Đây là điểm lợi thế hơn so với kỹ thuật SPWM và biên độ tối đa của điện áp dây cơ bản là a trong vùng hoạt động tuyến tính. Mặc dù, kỹ thuật điều chế vector không gian chọn lọc các vector được sử dụng và tương ứng với với từng thời điểm chính xác, nhưng sự lựa chọn của vector không gian zero và tần số lấy mẫu chuẩn vẫn chưa xác định được. Chẳng hạn như, nếu vector điện áp dây đang điều chế là vector 1 (hình 3.18), các vector V1, V2, và Vz nên được sử dụng trong khoảng thời gian lấy mẫu lần lượt là T1, T2, và Tz. Vẫn còn vấn đề được đặt ra là các chuỗi (i) V1 – V2 – Vz, (ii) Vz – V1 – V2 – Vz, (iii) Vz – V1 – V2 – V1 – Vz, (iv) Vz – V1 – V2 – Vz – V2 – V1 – Vz , hoặc bất kỳ các chuỗi nào khác thì thực tế là ta nên dùng chuỗi nào. Và cuối cùng, kỹ thuật này không xác định được là vector zero nào ta nên dùng: V7, V8, hay là tổng hợp của 2 vector này. 3.4.2 Sự lựa chọn chuỗi vector không gian và vector zero Chuỗi được dùng nên đảm bảo là các điện áp dây của tải có đặc tính đối xứng theo góc phần tư (quarter-wave symetry) để giảm các hài không mong muốn trong các chuỗi của chúng (các hài chẵn). Thêm vào đó, nên được thực hiện việc lựa chọn vector không gian zero để giảm tần số đóng cắt. Mặc dù đây không là một phương pháp đối xứng để tạo ra một chuỗi vector không gian, sự biểu diễn đồ thị cho tha thấy rằng các chuỗi Vi, Vi+1, Vz (với Vz được lựa chọn luân phiên giữa V7 và V8) sẽ cho ta hiệu suất cao hơn trong việc giảm thiểu các hài không mong muốn và giảm tần số đóng cắt. a.Tần số lấy mẫu chuẩn. Tần số sóng mang chuẩn mf trong các kỹ thuật điều chế độ rộng xung sóng mang cơ bản 3 pha được chọn là một số nguyên lẻ bội của 3 (mf = 3*n; n= 1, 3, 5, … ). Vì vậy, ta có thể giảm thiểu các hài kí sinh hoặc các hài không có ích trong các dạng sóng PWM. Một phương pháp tương tự có thể được sử dụng trong kỹ thuật điều chế vector không gian để giảm thiểu các hài không mong muốn. Do đó, ta chọn tần số lấy mẫu chuẩn fsn nên là một số nguyên là bội của 6. Để tạo ra các điện áp dây cân xứng, tất cả các cung (sector) (tổng là 6) nên được dùng như nhau trong mỗi chu kì. Ví dụ, trong hình 3.19 cho ta thấy các dạng sóng có liên quan của bộ nghịch lưu áp dùng kỹ thuật vector không gian ứng với fsn = 18 vàc = 0.8. Hình 3.19 chứng thực rằng các hài đáng chú ý đầu tiên trong điện áp dây của tải là tại tần số fsn, và tần số này cũng chính là tần số đóng cắt. Hình 3.18 Các dạng sóng lý tưởng của bộ nghịch lưu áp ba pha ứng với kỹ thuật điều chế vector không gian (c = 0.8, fsn = 18): (a) các tín hiệu điều chế; (b) trạng thái của công tắc S1, (c) trạng thái của công tắc S3; (d) điện áp ngõ ra xoay chiều; (e) phổ của (d); (f) dòng điện ngõ ra xoay chiều; (g) dòng điện một chiều; (h) phổ của dòng điện một chiều; (i) dòng qua công tắc S1; (j) dòng qua diode D1. b. Dòng liên kết một chiều trong các bộ nghịch lưu áp 3 pha Vì ta xem như bộ nghịch lưu là thiết bị không tiêu tán và cấu tạo của nó không chứa các thành phần tích trữ năng lượng, nên công suất tức thời được xác định như sau:           (3.41) Với ia(t), ib(t), ic(t) là các dòng điện pha của tải, xem hình 4.20. Nếu tải là cân bằng và là tải cảm, tần số đóng cắt tương đối cao thì các dòng điện tải gần như là các dạng sóng sin cân bằng. Mặt khác, nếu các điện áp ngõ ra xoay chiều được xem như là dạng sin và điện áp liên kết một chiều được coi như là một hằng số vi(t)=Vi, biểu thức (4.41) được đơn giản thành:   (3.42) Với Vo1 là điện áp dây ngõ ra hiệu dụng cơ bản, Io là dòng điện pha hiệu dụng của tải, và f là hệ số công suất của tải cảm bất kỳ. Như vậy, biểu thức của dòng điện liên kết một chiều được rút gọn tiếp thành:             (3.43) Với Il=  là dòng điện dây hiệu dụng của tải. Kết quả của biểu thức dòng điện liên kết một chiều cho thấy các điện áp tải không chứa hài bậc thấp, so với các bộ nghịch lưu áp một pha thì ở đây không xuất hiện hài bậc hai. Tuy nhiên, vì các điện áp dây của tải có chứa các hài xung quanh tần số lấy mẫu chuẩn fsn, dòng điện liên kết một chiều sẽ vẫn chứa các hài nhưng xung quanh tần số fsn như trong hình 3.19h. Hình 3.19 Các dòng điện pha của tải được nối dạng tam giác (kiểu nối delta-∆) 5. Các điện áp pha của tải trong các bộ nghịch lưu áp 3 pha. Đôi khi tải được mắc dạng sao (Y) và các điện áp pha của tải là van, vbn, vcn (hình 4.21). Hình 3.20  Các điện áp pha của tải được mắc dạng hình sao (Y) Để xác định được chúng, ta nên xem các vector điện áp dây là:          (3.44) Vector của điện áp dây có thể được viêt như là một hàm cảu vector điện áp pha [van vbn vcn]T như là:         (3.45) Biểu thức (3.45) trình bày một hệ thống tuyến tính với ẩn số là vector [van vbn vcn]T. Nhưng hệ thống này ,vì vậy, các điện áp pha của tải không thể xác định bằng phương pháp ma trận đảo. Tuy nhiên,  nếu các điện áp pha , biểu thức (3.45) có thể được viết lại thành: (3.46) Và vì vậy:         (3.47) Và nó có thể được rút gọn tiếp thành:      (3.48) Biểu thức cuối cùng của các điện áp pha của tải là một hàm chỉ của vab và vbc. Hình 3.22 cho ta thấy các điện áp pha và điện áp dây đạt được khi dùng biểu thức (3.48). Hình 3.21  Các điện áp pha và điện áp dây của bộ nghịch lưu áp 3 pha: (a) điện áp dây vab của tải; (b) điện áp pha van của tải. 5.1 Các bộ nghịch lưu nguồn dòng (CSI: Current Source Inverters) Mục đích chính của các bộ chuyển đổi công suất này là tạo ra các dạng sóng dòng điện ngõ ra xoay chiều dạng sóng sin với biên độ, tần số và pha có thể điều khiển được từ một nguồn cung cấp nguồn dòng một chiều. Vì các dòng điện dây xoay chiều ioa, iob, ioc (hình 3.23) có đặc tính di/dt cao, ta nên dùng một bộ lọc điện dung nối tại các cực xoay chiều trong các ứng dụng là tải cảm (ví dụ như ASDs). Các điện áp tải có dạng gần sin được dùng trong trong các ứng dụng công nghiệp có điện áp trung bình và đòi hỏi dạng sóng điện áp có chất lượng cao. Sau đây, ta chỉ phân tích về các bộ nghịch lưu nguồn dòng 3 pha. Các bộ nghịch lưu nguồn dòng 1 pha cũng có các phương pháp và các nguyên tắc tương tự như các bộ nghịch lưu dòng 3 pha. Để các khóa công suất của bộ nghịch lưu nguồn dòng 3 pha được đóng cắt một cách thích hợp, ta phải luôn thỏa 2 điều kiện bắt buộc chủ yếu sau: -  Một tụ điện lớn được nối ở bên xoay chiều để tránh ngắn mạch và tối đa một công tắc ở nhánh trên (1, 3, hoặc 5_hình 3.23), và tối đa một công tắc ở nhánh dưới (4, 6, hoặc 2_ hình 3.23) được đóng tại bất cứ thời điểm nào. -  Dây một chiều (dc bus) thuộc loại nguồn dòng nên nó không được để hở. Vì vậy, phải có ít nhất một công tắc ở nhánh trên (1, 3, hoặc 5) và một công tắc ở nhánh dưới (4, 6, hoặc 2) đóng tại mọi lúc. Hình 3.22 Cấu trúc của bộ nghịch lưu nguồn dòng 3 pha Có 9 trạng thái hợp lệ trong các bộ nghịch lưu nguồn dòng 3 pha (bảng 3.4). Các trạng thái 7, 8, và 9 tạo ra các dòng điện dây bằng không, trong trường hợp này, dòng liên kết một chiều được dẫn (freewheel) qua một trong các cặp công tắc S1 và S4, S3 và S6, hoặc S5 và S2. Các trạng thái còn lại (1 đến 6) tạo ra các dòng điện dây ngõ ra khác 0. Để tạo ra các dạng sóng dòng điện dây xoay chiều như đã định, bộ nghịch lưu phải chuyển đổi từ trạng thái này sang trạng thái khác. Vì vậy, kết quả là các dòng điện dây có chứa các giá trị rời rạc: ii, 0, và –ii. Sự lựa chọn các trạng thái để tạo ra các dạng sóng như mong muốn được thực hiện bằng kỹ thuật điều chế. Bảng 3.4 Các trạng thái đóng cắt hợp lệ của một bộ nghịch lưu nguồn dòng 3 pha. 5.2. Các kỹ thuật điều chế độ rộng xung sóng mang cơ bản trong các bộ nghịch lưu nguồn dòng. Các kỹ thuật điều chế độ rộng xung sóng mang cơ bản ban đầu được phát triển cho các bộ nghịch lưu nguồn áp 3 pha, và nó cũng có thể được mở rộng cho các bộ nghịch lưu nguồn dòng 3 pha. Mạch trong hình 3.24 là dạng mạch đóng ngắt cho một bộ nghịch lưu nguồn dòng được phát triển từ dạng mạch của một bộ nghịch lưu nguồn áp. Kết quả là dòng điện dây xuất hiện giống như điện áp dây trong bộ nghịch lưu áp với tín hiệu điều chế và tín hiệu sóng mang tương tự. Hình 3.23  Dạng mạch tạo ra các trạng thái đóng cắt trong bộ nghịch lưu dòng 3 pha ứng với kỹ thuật điều chế độ rộng xung sóng mang cơ bản dạng tương tự. Mô hình này bao gồm một bộ tạo xung chuyển mạch (switching pulse generator), một bộ tạo xung ngắn (shorting pulse generator), một bộ phân phối xung ngắn (shorting pulse distributor), và một bộ kết hợp xung chuyển mạch và xung ngắn (switching and shorting pulse combinator). Mạch này cơ bản là tạo ra các tín hiệu cổng gating signal ([S]1…6 = [S1 … S6]T tùy thuộc vào tín hiệu sóng mang i∆ ba tín hiệu điều chế[i]abc = [ica icb icc]T . Vì vậy, bất kỳ các tín hiệu điều chế mà khi kết hợp với nhau tạo ra các tín hiệu dạng sin giữa các dây (sin line-to-line set of signals) sẽ thỏa mãn yêu cầu về việc tạo ra dòng điện dây dạng sin. Ví dụ như các dạng sóng sin chuẩn, sóng sin với hài bậc 3, dạng bậc thang và deadband. Tầng đầu tiên là bộ tạo xung chuyển mạch, các tín hiệu [Sa]123 được tạo ra tùy thuộc vào:                   (3.49) Các ngõ ra của bộ tạo xung đóng ngắt (switching pulse generator) là các tín hiệu [Sc]1…6, và nó cơ bản là các tín hiệu cổng (gating signal) của bộ nghịch lưu dòng mà không cần các xung ngắn. Điều cần thiết là phải lái (freewheeling) dòng điện liên kết dc ii khi dòng điện ngõ ra xoay chiều bằng 0. Bảng 3.5 là bảng sự thật của [Sc]1…6 ứng với tất cả các trường hợp kết hợp giữa các ngõ vào [Sa]123. Theo như điều kiện bắt buộc đầu tiên mà ta đã đề cập ở trước, tối đa 1 công tắc ở nhánh trên và 1 công tắc ở nhánh dưới được đóng. Bảng 3.5 Bảng sự thật ứng với bộ tạo xung chuyển mạch. Để thỏa mãn điều kiện bắt buộc thứ 2, xung ngắn (Sd = 1) được tạo ra khi không có công tắc nào ở nhánh trên đóng (Sc1 = Sc3 = Sc5 = 0) hoặc không có công tắc nào ở nhánh dưới đóng (Sc4 = Sc6 = Sc2 = 0). Khi đó, xung này chỉ được thêm vào (dùng các cổng OR) một nhánh của bộ nghịch lưu nguồn dòng (một trong các cặp công tắc 1 và 4, 3 và 6 hoặc 5 và 2) bằng bộ kết hợp xung chuyển mạch và xung ngắn (hình  3.24). các tín hiệu được tạo ra bởi bộ tạo xung ngắn [Sc]123 nên đảm bảo là: - Chỉ một nhánh của bộ nghịch lưu nguồn dòng được ngắn mạch, vì vậy chỉ 1 trong các tín hiệu được ở mức cao trong bất cứ thời điểm nào. - Các xung ngắn được phân phối đều nhau, vì vậy [Se]123 ở mức cao ứng với mỗi 1200. Điều này đảm bảo các dòng điện hiệu dụng đều bằng nhau trong tất cả các nhánh. Hình 3.25 cho ta thấy các dạng sóng được tạo thành nếu ta dùng một tín hiệu sóng mang dạng tam giác i∆ và các tín hiệu điều chế dạng sin [ic]abc kết hợp với mạch tạo xung đóng ngắt (hình 3.24). Kỹ thuật này được gọi là kỹ thuật điều chế độ rộng xung sóng sin (SPWM) trong các bộ nghịch lưu nguồn dòng. Ta có thể thấy là một số dạng sóng ở hình 3.25 thì giống với các dạng sóng đã đạt được trong các bộ nghịch lưu nguồn áp 3 pha sử dụng kỹ thuật SPWM (hình 3.24). Cụ thể là: + Điện áp dây của tải (hình 3.14d) trong VSI thì giống với dòng điện dây của tải (hình 3.25d) trong CSI. + Dòng điện liên kết một chiều (dc link current) (hình 3.14g) trong VSI thì giống với điện  áp liên kết một chiều (hình 3.25g) trong CSI. Hình 3.24 Các dạng sóng lý tưởng của bộ nghịch lưu nguồn dòng 3 pha ứng với kỹ thuật điều chế SPWM (ma=0.8, mf = 9): (a) tín hiệu sóng mang và tín hiệu điều chế; (b) trạng thái của công tắc S1; (c) trạng thái của công tắc S3; (d) dòng điện ngõ ra xoay chiều; (e) phổ của (d); (f) điện áp ngõ ra xoay chiều; (g) điện áp một chiều; (h) phổ của điện áp một chiều; (i) dòng qua công tắc S1; (j) áp qua công tắc S1. Điều này đưa ra tính đối ngẫu giữa hai phương thức khi ta sử dụng các phương pháp điều chế tương tự nhau. Vì vậy, ứng với các giá trị lẻ là bội của 3 của tần số sóng mang cơ bản mf, các hài trong dòng điện ngõ ra xoay chiều xuất hiện tại các tần số fh và quanh các mf và các bội số của nó, cụ thể là:           (3.50) Với l= 1, 3, 5, …  ứng với k= 2, 4, 6, … và l= 2, 4, … ứng với k= 1, 5, 7, … như vậy h không phải là một bội số của 3. Vì vậy, các hài sẽ tại mf ± 2, mf ± 4, … , 2mf ± 1, 2mf ± 5, … , 3mf ± 2, 3mf ± 4, … , 4mf ± 1, 4mf ± 5, …. Với các điện áp tải dạng gần như sin, các hài trong điện áp liên kết một chiều tại các tần số được cho bởi:    (3.51) Với l= 0, 2, 4, … ứng với k= 1, 5, 7, … và l= 1, 3, 5, …  ứng với l= 0, 2, 4, … như vậy h= l*mf  ±k là dương và không là bội của 3. Ví dụ, hình 4.25h cho ta thấy hài thứ 6 (h=6) h = 1 * 9 - 2 - 1 = 6. Kết luận tương tự có thể được đưa ra với các giá trị nhỏ hơn và lớn hơn của mf với cùng phương pháp như VSI. Vì vậy, biên độ tối đa của dòng điện dây ngõ ra xoay chiều cơ bản là oa1=  ii/2 vì vậy ta có thể viết:    (3.52) Để tăng thêm biên độ của dòng tải, ta có thể sử dụng phương pháp quá điều chế (overmodulation). Trong vùng này, ngưỡng của các dòng điện dây cơ bản là          (3.53) IV. Biến tần đa bậc 1.Giới thiệu về biến tần đa bậc Hiện nay một vấn đề lớn đặc ra ở các nhà máy công nghiệp là việc sử dụng các hệ thống công suất rất lớn mà nếu sử dụng biến tần đơn bậc thì không thể đáp ứng nổi, biến tần đa bậc đã và đang phát triển ở các nước tiên tiến, tại Việt Nam thì biến tần đa bậc cũng có một chuyên gia đang nghiên cứu, nhưng nhìn chung thì nó khá mới mẻ và đòi hỏi phải có hiểu biết sâu rộng mới có thể nghiên cứu về nó. Trong chương này chúng ta sẽ nghiên cứu về cách thức cấu tạo, phương thức điều khiển của biến tần đa bậc. 1.1 .Khái niệm. Hiện nay biến tần đã và đang được sử dụng rất có hiệu quả trên  thế giới nói chung và tại Việt Nam nói riêng, tuy có nhiều ưu điểm và ứng dụng hiệu quả cao nhưng biến tần đơn bậc cũng còn tồn tại một số hạn chế như: Sóng điện áp còn nhiều hài bậc cao, chưa thật sự gần sin. Trị số điện kháng Lf mạch lọc còn cao, dẫn đến tổn hao. Tổn hao  trong quá trình đóng cắt (Psw)  cao. Công suất truyền tải còn thấp (Pcond)… Để khắc phục những hạn chế nói trên người ta mới phát minh ra biến tần đa bậc nhằm phục vụ và đáp ứng tốt hơn nhu cầu của con người. Hình 1.0 Mô hình biến tần đa bậc động cơ không đồng bộ Trong các đồ thị dưới đây nói về ưu điểm biến tần bậc cao so với biến tần bậc thấp hơn. Hình 1.2 Đồ thị miêu tả ưu điểm của biến tần đa bậc. Tại sao khi đa bậc thì THD giảm, Lf giảm và công suất truyền tăng, cũng như công suất tổn hao thấp. Tại vì khi số bậc biến tần càng cao thì dạng sóng điện áp ngõ ra gần sin hơn, nên bộ lọc lọc ít hơn, tổn hao do cảm kháng bộ lọc sinh ra thấp hơn, khi sóng ra gần sin hơn thì công suất truyền qua cũng cao hơn, cản phá ít hơn. Ta có công thức tính tổng độ méo dạng do hài có công thức sau:. Ta thấy từ công thức này thì càng nâng số bậc lên thì THD càng tăng. Biến tần đa bậc có những ưu điểm vượt trội như trên, biến tần đa bậc đã và đang được sử dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp. Khái niệm biến tần đa bậc xuất phát từ quá trình điện áp giữa đầu pha tải (điểm a,b,c với điểm 0) của nguồn một nhiều thay đổi giữa hai hay nhiều bậc khác nhau gọi là biến tần đa bậc. Ví dụ như nếu là biến tần hai bậc thì giá trị điện áp này thay đổi giữa hai bậc là +Udc/2 và –Udc/2… . Do sự thay đổi điện áp giữa các bậc dẫn tới dV/dt khá lớn và hiện tượng điện áp common-mode rất quan trọng. Để khắc phục điều này người ta sử dụng bộ nghịch lưu đa bậc, do tính phổ dụng của nó mà có thể gọi là biến tần đa bậc( Multi-level Inverter) 1.2. Neutural point clamped inverter NPC Trên sơ đồ là bộ nghịch lưu ba bậc, điện áp trên mỗi tụ bằng ½ điện áp trên nguồn DC. Mỗi điểm pha a, b, c có thể nối với các điểm 0, n, p theo các sơ đồ đóng ngắt khác nhau của khóa bán dẫn. Các mức điện áp pha a có thể đạt được như sau: Vout S1 S2 S3 S4 +Vdc/2 1 1 0 0 0 0 1 1 0 -Vdc/2 0 0 0 1 Theo tính toán các giá trị điện áp đặt trên các điốt bên trong sẽ cao hơn các điốt khác, nhất là với mô hình NPC bậc cao hơn, điều này thật là một nhược điểm cùa mô hình NPC. Hình 1.5b Mô hình bộ nghịch lưu NPC 3 bậc, 5 bậc hay n bậc. Do mất đối xứng trong thời gian nạp xả tụ mà điện áp tụ trở nên mất cân bằng. 1.2.1 Ưu điểm chính của mô  hình là Giảm thành phần sóng hài Giảm dV/dt ( bằng một nửa so với bộ nghịch lưu hai bậc) 1.2.2 Nhược điểm Mức độ chịu đựng điện áp trên các điốt là khác nhau. Điều khiển PWM phức tạp hơn bậc hai. Cần nhiều điốt kẹp. Vấn đề cần bằng áp tụ DC-links là khá phức tạp. 2. Cấu trúc biến tần đa bậc ( bộ nghịch lưu đa bậc) Hiện nay có một số loại nghịch lưu như sau: Nghịch lưu dạng điốt kẹp ( Neutural Point Clamped  Multilevel Inverter NPC). Nghịch lưu đa bậc dạng Cascade( Cascade Multilevel Inverter). Nghịch lưu đa bậc dạng Flying Capacitor. Một số tổ hợp các loại trên. Để đơn giản và dễ hiểu khi ví dụ  chúng ta sẽ chỉ  lấy ví dụ về biến tần ba bậc (bộ nghịch lưu ba bậc) hoặc 5 bậc (bộ nghịch lưu năm bậc). 2.1 Cascade Multilevel Inverter Cấu trúc nghịch lưu đa bậc dạng Cascade xuất hiện lần đầu vào năm 1975, sử dụng nguồn DC riêng, gồm nhiều bộ nghịch lưu cầu một pha mắc nối tiếp.  Sử dụng quy tắc kích đối nghịch cho từng cặp S1-S4 và S2-S3. Mỗi một bộ nghịch lưu áp cầu một pha tạo ra điện áp đầu ra ba mức –U,  0, U. Với sự kết hợp n bộ nghịch lưu cầu 1 pha trên nhánh tải tạo nên điện áp đầu ra có: n mức điện áp dương (U, 2U,…, nU). n mức điện áp âm (-U, -2U,…, -nU). 1 mức điện áp 0. Ví dụ bộ nghịch lưu 5 bậc dạng Cascade với hai bộ nghịch lưu cầu 1 pha mắc nối tiếp trên mỗi pha. Như tr