Luận văn Nghiên cứu ứng dụng biến tần đa mức trong truyền động điện

tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 25 Hình 2.2: Trạng thái, điện áp điều khiển các chuyển mạch và điện áp ra Tương tự ta cũng có điện áp pha UBZ, UCZ có dạng giống UAZ nhưng có sự dịch chuyển pha đi 2/3. Điện áp dây BZAZAB UUU  sẽ có 5 mức điện áp: 2E, E, 0, -E và - 2E (hình 2.3). Hình 2.3: Điện áp pha và điện áp dây của bộ nghịch lưu 3L-NPC 2.4.1.3. Quá trình chuyển mạch Để nghiên cứu sự chuyển mạch của các khóa trong bộ nghịch lưu 3L-NPC, coi như có sự chuyển đổi trạng thái từ trạng thái O sang trạng thái P bằng cách ngắt S3 và đóng S1 với thời gian chết bỏ qua. Với giả thiết rằng dòng điện pha iA không đổi chiều trong quá trình chuyển mạch do tải có tính cảm, giá trị hai tụ điện Cd1 và Cd2 đủ lớn để điện áp đặt lên mỗi tụ điện giữ giá trị bằng E và các khóa chuyển mạch coi như lý tưởng. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 26 - Trường hợp 1: dòng điện tải iA > 0 (hình 1.4a) Bộ nghịch lưu đang ở trạng thái O tương ứng với các khóa chuyển mạch S1, S4 đều ngắt, còn S2 và S3 đang đóng. Điôt chốt DZ1 đang dẫn dòng điện iA > 0. Điện áp đặt trên hai khóa chuyển mạch S2, S3: 0UU S3S2  , còn điện áp đặt lên hai khóa S1, S4: EUU S4S1  . Sau khi S3 ngắt hoàn toàn, S1 đóng lại (trạng thái P) tương ứng với điện áp rơi 0US1 , điôt chốt DZ1 bị phân cực ngược nên khóa lại, dòng điện chuyển từ DZ1 sang S1. Do cả hai khóa chuyển mạch S3 và S4 đều đã ngắt nên điện áp rơi trên chúng: EUU S4S3  . - Trường hợp 2: dòng điện tải iA < 0 (hình 2.4b) Hình 2.4a: Quá trình chuyển mạch từ trạng thái O sang trạng thái P với dòng điện tải iA > 0 Trạng thái O Trạng thái P Hình 2.4b: Quá trình chuyển mạch từ trạng thái O sang trạng thái P với dòng điện tải iA < 0 Trạng thái O Trạng thái P Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 27 Bộ nghịch lưu đang ở trạng thái O, S2 và S3 đang đóng, điôt chốt DZ2 đang dẫn dòng điện chạy qua (iA < 0). Điện áp đặt trên hai khóa chuyển mạch S1, S4: S1 S4U = U = E . Do tải có tính cảm nên dòng điện không đổi chiều ngay lập tức mà làm điôt D1 và D2 mở, dẫn đến S1 S2U U 0  . Lúc này dòng điện tải iA chuyển mạch từ S3 qua D1, D2 (trạng thái P). Tương tự ta có thể khảo sát quá trình chuyển mạch từ trạng thái P sang trạng thái O, từ trạng thái O sang trạng thái N hay ngược lại dưới dạng bảng 2.2. Bảng 2.2: Quá trình dẫn dòng của các khóa trong pha A của bộ nghịch lưu 3L-NPC Trạng thái S1 D1 S2 D2 S3 D3 S4 D4 DZ1 DZ2 Dòng điện tải iA > 0 P x x O x x N x x Dòng điện tải iA < 0 P x x O x x N x x 2.4.2. Bộ nghịch lưu dạng flying capacitor 2.4.2.1. Cấu trúc Cấu trúc bộ nghịch lưu dạng flying capacitor tương tự như bộ nghịch lưu điôt kẹp chỉ khác không có điôt kẹp mà thay bằng tụ điện. Ở đây ta khảo sát cấu trúc bộ nghịch lưu dạng flying capacitor 3 mức (3L-FLC inverter) gồm có 12 khóa chuyển mạch, điôt ngược mắc song song và 3 tụ điện thay đổi (hình 2.5). Trong quá trình hoạt động tụ điện thay đổi được nạp đến 1/2 điện áp cung cấp từ nguồn một chiều. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 28 E + _ Z O + _ 1S 1D 2S 2D 3D 4S 4D d1C 1C E + _ d2C dcU A B C 3S Hình 2.5: Bộ nghịch lưu dạng flying capacitor 3 mức 2.4.2.2. Trạng thái của các khóa chuyển mạch Để tạo ra 3 mức điện áp, các khóa chuyển mạch được điều khiển sao cho tại mọi thời điểm chỉ có hai trong bốn khóa ở mỗi pha được đóng. Trạng thái của các chuyển mạch trong bộ nghịch lưu 3L-FLC được cho dưới dạng bảng 2.3. Nó chỉ khác so với bộ nghịch lưu 3L-NPC là có hai trạng thái O tương ứng với S1 đóng, S2 ngắt và S1 ngắt, S2 đóng. Tùy theo chiều dòng điện qua tụ thay đổi mà nạp hay xả tụ điện. Bảng 2.3: Bảng trạng thái chuyển mạch (pha A) của 3L-FLC Trạng thái Trạng thái các khóa chuyển mạch UAZ ic1 S1 S2 S3 S4 P Đóng Đóng Ngắt Ngắt E 0 O Đóng Ngắt Đóng Ngắt 0 iA Ngắt Đóng Ngắt Đóng 0 -iA N Ngắt Ngắt Đóng Đóng -E 0 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 29 2.4.2.3. Quá trình chuyển mạch Để nghiên cứu sự chuyển mạch của các khóa chuyển mạch trong bộ nghịch lưu 3L- FLC, coi như có sự chuyển đổi từ trạng thái O sang trạng thái P bằng cách ngắt S3 và đóng S2 với thời gian chết bỏ qua. - Trường hợp 1: dòng điện tải iA > 0 (hình 2.6a) Bộ nghịch lưu ở trạng thái O tương ứng với các khóa S1, S3 đang đóng và S2, S4 đang ngắt. Điôt D3 đang dẫn cho dòng điện iA > 0 chạy qua. Sau khi S3 ngắt hoàn toàn, S2 đóng lại (trạng thái P) dòng điện chuyển từ D3 qua S2. - Trường hợp 2: dòng điện tải iA < 0 (hình 2.6b) E + _ Z + _ 1S 1D 2S 2D 3D 4S 4D d1C 1C E + _ d2C dcU A 3S Ci Ai E + _ Z + _ 1S 1D 2S 2D 3D 4S 4D d1C 1C E + _ d2C dcU A 3S A i Trạng thái O Trạng thái P Hình 2.6a: Quá trình chuyển mạch từ trạng thái O sang trạng thái P với dòng điện tải iA > 0 E + _ Z + _ 1S 1D 2S 2D 3 4 4 d1C 1C E + _ d2C dcU A 3S Ci Ai E + _ Z + _ 1S 1D 2S 2D 3 4S 4 d1C 1C E + _ d2C dcU A 3S A i Trạng thái O Trạng thái P Hình 2.6 b: Quá trình chuyển mạch từ trạng thái O sang trạng thái P với dòng điện tải iA < 0 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 30 Bộ nghịch lưu ở trạng thái O tương ứng với các khóa S1, S3 đang đóng và S2, S4 đang ngắt. Điôt D1 đang dẫn dòng iA < 0 chạy qua. Sau khi S3 ngắt hoàn toàn, S2 đóng lại (trạng thái P), dòng điện chuyển qua D1 và D2. Tương tự ta có thể khảo sát quá trình chuyển mạch từ trạng thái P sang trạng thái O, từ trạng thái O sang trạng thái N hay ngược lại dưới dạng bảng 2.4. Bảng 2.4: Quá trình dẫn dòng của các khóa trong pha A của bộ nghịch lưu 3L-FLC Trạng thái S1 D1 S2 D2 S3 D3 S4 D4 Dòng điện tải iA > 0 P x x O x x x x N x x Dòng điện tải iA < 0 P x x O x x x x N x x 2.4.3. Bộ nghịch lưu nhiều mức kiểu cầu H nối tầng (cascade H-bridge multilevel inverter) 2.4.3.1. Cấu trúc Bộ nghịch lưu nhiều mức kiểu cầu H nối tầng (CHB) bao gồm nhiều cầu H một pha mắc nối tiếp để tạo ra điện áp xoay chiều. Nó sử dụng nhiều nguồn một chiều cách ly để cung cấp cho cầu H một pha. Ở đây ta nghiên cứu cấu trúc một bộ nghịch lưu kiểu cầu H nối tầng có 5 mức (5L-CHB) gồm có 2 cầu H mắc nối tiếp trong mỗi pha (hình 2.7). Điện áp một chiều cung cấp cho bộ cầu H một pha thường từ bộ chỉnh lưu điôt nhiều mức. Để Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 31 tạo ra điện áp có 5 mức thì tại mội thời điểm các khóa chuyển mạch được điều khiển sao cho chỉ có 2 trong 4 khóa của mỗi cầu H được đóng. E 11S 11D 41D41S 3S 31D 21D2S E 12S 12D 42D42S 3S 32D 22D2S 1H 2H h1U h2U E E E E A B C O N Hình 2.7: Bộ nghịch lưu 5 mức kiểu cầu H nối tầng 2.4.3.2. Trạng thái của các khóa chuyển mạch Khi các khóa chuyển mạch S11, S21, S12 và S22 dẫn dòng thì điện áp ra của cầu H1 và H2 lần lượt: EUU h2h1  nên điện áp ra tổng hợp trên pha A của bộ nghịch lưu: 2EUUU h2h1AN  . Tương tự với S31, S41, S32 và S42 dẫn thì điện áp ra 2EUAN  . Còn 3 mức điện áp còn lại E, 0, -E tương ứng với các vị trí khác nhau của các khóa sẽ được tổng hợp trong bảng 2.5. Bảng 2.5: Bảng trạng thái chuyển mạch (pha A) của 5L-CHB Trạng thái (State) Trạng thái các khóa chuyển mạch Uh1 Uh2 UAN S11 S31 S12 S32 1 Đóng Ngắt Đóng Ngắt E E 2E 2 Đóng Đóng Đóng Ngắt 0 E E 3 Ngắt Ngắt Đóng Ngắt 0 E 4 Đóng Ngắt Đóng Đóng E 0 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 32 5 Đóng Ngắt Ngắt Ngắt E 0 6 Ngắt Ngắt Đóng Đóng 0 0 0 7 Đóng Đóng Đóng Đóng 0 0 8 Đóng Đóng Ngắt Ngắt 0 0 9 Ngắt Ngắt Ngắt Ngắt 0 0 10 Đóng Ngắt Ngắt Đóng -E E 11 Ngắt Đóng Đóng Ngắt E -E 12 Đóng Đóng Ngắt Đóng 0 -E -E 13 Ngắt Ngắt Ngắt Đóng 0 -E 14 Ngắt Đóng Đóng Đóng -E 0 15 Ngắt Đóng Ngắt Ngắt -E 0 16 Ngắt Đóng Ngắt Đóng -E -E -2E 2.4.3.3. Quá trình chuyển mạch Hình 2.8 biểu diễn sự chuyển mạch giữa các mức điện áp ra, số lượng chuyển mạch giữa 2 mức điện áp kề nhau được đánh dấu trong hình vẽ. Để nghiên cứu sự chuyển mạch giữa các trạng thái, ta khảo sát sự chuyển mạch một trường hợp (theo đường nét đậm trong hình 2.8). Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 33 Hình 2.8: Quá trình chuyển mạch giữa các trạng thái - Trường hợp 1: dòng điện tải iA > 0 (hình 2.9a) E 11S 11D 41D41S 3S 31D 21D2S E 12S 12D 42D42S 3S 32D 22D2S A Trạng thái 1 E 11S 11D 41D41S 3S 31D 21D2S E 12S 12D 42D42S 3S 32D 22D2S A Trạng thái 4 E 1 1 41D41 3S 3D 21D2S E 1 1 42D42S 3S 3D 22D2S A Trạng thái 7 E 1S 11D 41D41S 3S 31D 21D2S E 1S 12D 42D42S 3S 32D 22D2S A Trạng thái 14 E 11S 11D 41D41S 3S 31D 21D2S E 12S 12D 42D42S 3S 32D 22D2S A Trạng thái 16 Hình 2.9a: Quá trình chuyển mạch từ trạng thái 1614741  với dòng điện tải iA > 0 Bộ nghịch lưu ở trạng thái "1" tương ứng với S11, S21, S12 và S22 đang dẫn dòng với điện áp ra 2EUAN  . Sau khi S22 ngắt hoàn toàn, S32 đóng lại bộ nghịch lưu chuyển sang trạng thái "4" với điện áp ra EUAN  . Sau khi S21 ngắt hoàn toàn, S31 đóng lại bộ nghịch lưu chuyển sang trạng thái "7" tương ứng với điện áp ra 0UAN  . Sau đó bộ nghịch lưu chuyển sang trạng thái "14" với S11 ngắt và S41 đóng lại, tương ứng với điện áp ra EUAN  . Sau khi S12 ngắt hoàn toàn, S42 đóng lại bộ nghịch lưu chuyển sang trạng thái "16" tương ứng với điện áp ra E2UAN  . Dòng điện chạy trong các trạng thái biểu diễn bằng đường nét đậm trong hình 2.9a. - Trường hợp 2: dòng điện tải iA < 0 (hình 2.9b) Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 34 E 11S 11D 41D41S 3S 31D 21D2S E 12S 12D 42D42S 3S 32D 22D2S A Trạng thái 1 E 11S 11D 41D41S 3S 31D 21D2S E 12S 12D 42D42S 3S 32D 22D2S A Trạng thái 4 E 11S 11D 41D41S 3S 31D 21D2S E 12S 12D 42D42S 3S 32D 22D2S A Trạng thái 7 E 11S 11D 41D41S 3S 31D 21D2S E 12S 12D 42D42S 3S 32D 22D2S A Trạng thái 14 E 11S 11D 41D41S 3S 31D 21D2S E 12S 12D 42D42S 3S 32D 22D2S Trạng thái 16 Hình 2.9b: Quá trình chuyển mạch từ trạng thái 1614741  với dòng điện tải iA < 0 Tương tự trường hợp dòng điện tải iA > 0, quá trình chuyển mạch cũng xảy ra theo chu trình trên nhưng với chiều dòng điện chạy như trong hình 2.9b. 2.5. Nhận xét Bộ nghịch lưu áp đa mức ngày càng được sử dụng nhiều trong các ứng dụng có điện áp cao và hiệu suất cao. Ưu điểm chính của nó: công suất của bộ nghịch lưu áp tăng lên, điện áp đặt lên các linh kiện giảm xuống nên công suất tổn hao do quá trình đóng cắt của linh kiện cũng giảm theo, với cùng tần số đóng cắt các thành phần sóng hài bậc cao của điện áp ra nhỏ hơn so với trường hợp bộ nghịch lưu 2 mức. Trong các cấu trúc của bộ nghịch lưu đa mức, cấu trúc dạng flying capacitor (FLC) khó thực hiện bởi vì mỗi tụ điện được nạp với điện áp khác nhau khi số mức điện áp tăng Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 35 lên. Bộ nghịch lưu cầu H nối tầng (CHB) có khả năng mođun hóa, vấn đề không cân bằng của điện áp liên lạc một chiều không xảy ra, do đó dễ mở rộng ở nhiều mức, tuy nhiên cần phân tách nguồn một chiều. Cấu trúc có điôt kẹp (NPC) khó mở rộng sang nhiều mức bởi vì vấn đề liên lạc một chiều không cân bằng, số điôt chốt tăng lên. Vì vậy trong phạm vi luận văn tác giả chỉ tập trung nghiên cứu cho bộ nghịch lưu áp 3 mức (3L-NPC). B. Phƣơng pháp điều chế cho bô nghịch lƣu áp đa mức. 2.6 Khái niệm. Phương pháp điều chế vectơ không gian (space vector modulation method -SVM) xuất phát từ những ứng dụng của vectơ không gian trong máy điện xoay chiều, sau đó được mở rộng triển khai trong các hệ thống điện ba pha. Phương pháp điều chế vectơ không gian và các dạng cải biến của nó có tính hiện đại, giải thuật chủ yếu dựa vào kỹ thuật số và là các phương pháp được sử dụng phổ biến nhất hiện nay trong lĩnh vực điện tử công suất liên quan đến điều khiển các đại lượng xoay chiều ba pha như truyền động điện xoay chiều, điều khiển các mạch lọc tích cực, điều khiển các thiết bị công suất trên hệ thống truyền tải điện. Phương pháp điều chế vectơ không gian là phương thức thay thế ba vectơ điện áp ba pha thành một vectơ quay trong không gian. Như vậy thay vì phải tính toán trên ba pha ta chỉ cần tính toán trên hệ trục hai pha theo độ lớn và góc pha của đại lượng vectơ quay. Giả thiết cho đại lượng ba pha cân bằng av , bv , cv thỏa mãn hệ thức: 0a b cv v v   (2.1) Phép chuyển đổi từ các đại lượng ba pha av , bv , cv sang đại lượng vectơ quay v  theo công thức:  2 2 2 ; 3 3 j j a b cv v v e v e       (2.2) 2.7. Phƣơng pháp điều chế cho bộ nghịch lƣu áp ba mức NPC 2.7.1. Vectơ không gian của bộ nghịch lưu áp ba mức NPC Với bộ nghịch lưu áp ba mức NPC (hình 2.10), trên mỗi pha ví dụ pha A điện áp AZU sẽ có ba trạng thái điện áp khác nhau tương ứng với các trạng thái đóng ngắt của các khóa bán dẫn. Do đó có tất cả 27 trạng thái đóng ngắt của các khóa bán dẫn trên ba pha tạo ra điện áp ba pha ở tải, với mỗi trạng thái được minh họa bởi tổ hợp ka, kb, kc. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 36 Hình 2.10: Bộ nghịch lưu áp 3 mức NPC Xét hệ số ka: và cùng với quy tắc đối nghịch x1 x3 x2 x4 S +S =1 S +S =1    , trong đó x =a,b,c ta xây dựng được các vectơ và trạng thái đóng cắt của bộ nghịch lưu áp 3 mức NPC (bảng 2.1) Dựa vào độ lớn (mođun), người ta chia các vectơ này thành 4 nhóm: - Vectơ không (zero vector) 0V  : tương ứng với 3 trạng thái của khóa bán dẫn là [PPP], [OOO] và [NNN]. Môđun của vectơ 0V  bằng không. - Vectơ nhỏ (small vector) 1 6V ÷ V   : có môđun bằng Vdc/3, mỗi vectơ này có trạng thái khóa bán dẫn tương ứng với hai loại vectơ P (chứa trạng thái P) và vectơ N (chứa trạng thái N). - Vectơ trung bình (medium vector) 7 12V ÷V   : có môđun bằng dc3V /3 . - Vectơ lớn (large vector) 13 18V ÷V   : có môđun bằng dc2V /3 . Các trạng thái đóng ngắt này tạo thành một vectơ không gian điện áp có các trạng thái trùng lặp (redudant states). Khi thực hiện điều chế vectơ không gian cho bộ nghịch lưu áp 3 mức, thông thường người ta tạo ra vectơ tham chiếu ( efrV  ) từ 3 vectơ gần nó nhất. Do vậy để thuận tiện ta chia vectơ không gian của bộ nghịch lưu áp 3 mức thành 6 vùng (sector) như hình 2.11. Bảng 2.6: Các vectơ tương ứng với các trạng thái của khóa bán dẫn P : khi S1 và S2 đóng ("1"), UAZ = E ka = O : khi S2 và S3 đóng ("1"), UAZ = 0 N : khi S3 và S4 đóng ("1"), UAZ = -E Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 37 Không gian vectơ Trạng thái khóa bán dẫn Phân loại vectơ Môđun vectơ 0V  [PPP], [OOO], [NNN] Vectơ không 0 1V  Loại P Loại N Vectơ nhỏ dc 1 V 3 1PV  [POO] 1NV  [ONN] 2V  2PV  [PPO] 2NV  [OON] 3V  3PV  [OPO] 3NV  [NON] 4V  4PV  [OPP] 4NV  [NOO] 5V  5PV  [OOP] 5NV  [NNO] 6V  6PV  [POP] 6NV  [ONO] 7V  [PON] Vectơ trung bình dc 3 V 3 8V  [OPN] 9V  [NPO] 10V  [NOP] 11V  [ONP] 12V  [PNO] 13V  [PNN] Vectơ lớn dc 2 V 3 14V  [PPN] 15V  [NPN] 16V  [NPP] 17V  [NNP] 18V  [PNP] Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 38 1V  13V 7V 14V  2V  8V  15V  0V  9V  16V  5V 4V  6V  10V  17V  18V  11V  12V  Sector I Sector II Sector III Sector IV Sector V Sector VI Hình 2.11 : Vectơ không gian điện áp của bộ nghịch lưu 3 mức NPC 2.7.2. Phương pháp điều chế vectơ không gian Ý tưởng của phương pháp điều chế vectơ không gian là tạo nên sự dịch chuyển liên tục của vectơ không gian tham chiếu trên quỹ đạo đường tròn của vectơ điện áp bộ nghịch lưu tương tự như trường hợp vectơ không gian của đại lượng sin ba pha tạo được. Vectơ tham chiếu ở đây chính là vectơ trung bình trong thời gian một chu kỳ điều chế Tpulse của quá trình điều khiển bộ nghịch lưu áp. Các bước thực hiện giải thuật điều chế vectơ không gian: - Xác định vị trí của vectơ trung bình. - Xác định các vectơ cơ bản để tạo được vectơ trung bình. - Xác định trình tự thực hiện và thời gian tác dụng của các vectơ cơ bản. Giả sử vectơ trung bình nằm trong vùng I (sector I), ta chia nhỏ vùng (tam giác) này thành 4 tam giác con , ,  và  (hình 2.12), trong đó mỗi tam giác được tổ hợp từ 3 vectơ cơ bản (bảng 2.7). 1V  13V 7V  14V  2V  0V   ‚ ‚ ‚ refV  θ Hình 2.12: Vectơ điện áp ở vùng I (sector I) Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 39 Bảng 2.7: Vị trí các tam giác tương ứng với tổ hợp các vectơ cơ bản Tam giác Tổ hợp các vectơ cơ bản  0V  , 1V , 2V  1V  , 13V , 7V  1V  , 7V , 2V  2V  , 7V , 14V Tổng quát, khi vectơ điện áp trung bình refV  nằm trong tam giác tổ hợp từ các vectơ 1V  , 2V  , 3V  ta thực hiện sự tổng hợp vectơ trung bình bằng cách điều khiển để 1V  tác dụng trong thời gian T1, 2V tác dụng trong thời gian T2 và 3V tác dụng trong thời gian T3 theo công thức: 1 2 31 2 3ref pulseV T V T V T V T       (2.3) trong đó 1 2 3pulseT T T T   : là chu kỳ điều chế. Vấn đề còn lại là xác định thời gian tác dụng T1, T2, T3 của các vectơ cơ bản. Nếu ta biết được vectơ refV  dưới dạng các thành phần vuông góc αV và βV trong hệ tọa độ cố định (stationary frame) αβ , quan hệ giữa các thành phần vectơ αV , βV với thời gian duy trì trạng thái vectơ 1V  , 2V  , 3V  có thể biểu diễn dưới dạng ma trận: 1 2 3 1 1 2 3 2 3 1 1 1 1 1 s V V V V T V V V V T T T                                      (2.4) Với 1α 2α 3α 1β 2β 3βV ,V ,V ,V ,V ,V là các thành phần theo hệ tọa độ αβ của các vectơ 1V  , 2V  , 3V  trên hình lục giác. Từ đó thời gian được xác định: -1 1 1 2 3 2 1 2 3 3 1 1 1 1 1 pulse T V V V V T V V V V T T                                      (2.5) Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 40 hay ở dạng tương đối: 1 2 31 2 3; i refi pulse T d V d V d V d V T         (2.6) -1 1 1 2 3 2 1 2 3 3 1 1 1 1 d V V V V d V V V V d                                      (2.7) Áp dụng cụ thể vào 4 tam giác con trong vùng I của hình lục giác, ta thu được kết quả như bảng 2.8 Bảng 2.8: Thời gian tác dụng đối với vectơ refV  trong vùng I Tam giác Thời gian thực hiện 1d 2d 3d  0V  a1-m (sinθ+ 3cosθ) 1V am (-sinθ+ 3cosθ) 2V a2m sinθ  1V  a2-m (sinθ+ 3cosθ) 13V a-1 m (sinθ+ 3cosθ) 7V a2m sinθ  1V  a1-2m sinθ 7V a-1 m (sinθ+ 3cosθ) 2V a1 m (sinθ 3cosθ)   2V  a2-m (sinθ+ 3cosθ) 7V am (-sinθ 3cosθ) 14V a-1 2m sinθ Trong đó ma là chỉ số điều chế (modulation index): 3 ; ref a dc V m V  0 1am  (2.8) Nếu vectơ trung bình refV  nằm ở góc phần sáu thứ i so với góc phần sáu thứ nhất của hình lục giác tính từ vị trí trục thực α , ta có thể quy đổi nó về góc phần sáu thứ nhất (vùng I) để xác định thời gian tác động của các vectơ cơ bản. 2.7.3. Hiện tượng mất cân bằng điện áp trên tụ điện Đặc điểm của bộ nghịch lưu dạng NPC nói chung và 3 mức nói riêng là sự xuất hiện của các tụ điện tại phần DC link, trong quá trình tác động của các trạng thái khác nhau sẽ làm xuất hiện điện áp zV (neutral point voltage), là điện áp giữa điểm Z và âm nguồn một chiều. Khi thiết kế trình tự chuyển mạch của các khóa bán dẫn người ta tìm cách làm giảm nhỏ ảnh hưởng của các trạng thái đến độ lệch điện áp zV (hiện tượng mất cân bằng điện áp trên tụ điện) Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 41 Khi bộ nghịch lưu đang hoạt động ở trạng thái [PPP] tương ứng với vectơ 0V  , lúc này hai khóa bán dẫn phía trên của ba nhánh nghịch lưu ở trạng thái đóng nên pha A, B và C được nối với dương nguồn một chiều (hình 2.13). Do điểm trung tính Z không được nối nên trạng thái này không ảnh hưởng đến điện áp zV (neutral point voltage). Tương tự như vậy hai trạng thái còn lại của vectơ 0V  : [OOO] và [NNN] cũng không ảnh hưởng đến điện áp zV . Z + _ d1C d2CTảizV+ _ dc A C B Hình 2.13: Ảnh hưởng đến Vz tương ứng với trạng thái vectơ 0V [PPP] Khi bộ nghịch lưu hoạt động ở trạng thái P [POO] của vectơ điện áp nhỏ 1V  ( 1PV  ), lúc này tải 3 pha được nối giữa điểm dương nguồn và điểm trung tính Z (hình 2.14a) nên có dòng điện trung tính iz chạy vào điểm Z làm điện áp Vz tăng lên. Ngược lại với trạng thái N [ONN] của vectơ 1V  ( 1NV  ) sẽ làm điện áp Vz giảm (hình 2.15b). Z + _ d1C d2CTảiz+ _ dc A C B zi Z + _ d1C d2CTảizV+ _ dcV A C B zi a) Trạng thái [POO]  zV  b) Trạng thái [ONN]  zV  Hình 2.14: Ảnh hưởng đến Vz tương ứng với trạng thái vectơ 1V Khi bộ nghịch lưu hoạt động ở trạng thái [PON] của vectơ điện áp trung bình 7V  , tương ứng các pha A, B, C của tải lần lượt nối với dương nguồn, điểm trung tính Z và âm nguồn (hình 2.15). Tùy theo trạng thái của bộ nghịch lưu mà điện áp Vz có thể tăng hay giảm, vì vậy trong trạng thái này Vz không xác định được tăng hay giảm. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 42 Z + _ d1C d2CTảizV+ _ dcV A C B zi Hình 2.15: Ảnh hưởng đến Vz tương ứng với trạng thái vectơ 7V Khi bộ nghịch lưu hoạt động ở trạng thái [PNN] của vectơ điện áp lớn 13V  , tương ứng với 3 pha của tải được nối giữa dương nguồn và âm nguồn (hình 2.16). Điểm trung tính Z không được nối nên điện áp Vz không bị ảnh hưởng. Z + _ d1C d2CTảizV+ _ dc A C B Hình 2.16: Ảnh hưởng đến Vz tương ứng với trạng thái vectơ 13V Tóm lại: - Vectơ 0V  không ảnh hưởng đến điện áp Vz. - Các vectơ nhỏ 1 6V ÷ V   có ảnh hưởng lớn đến điện áp Vz. Trong đó vectơ loại P làm điện áp Vz tăng, còn vectơ loại N làm điện áp Vz giảm. - Các vectơ trung bình 7 12V ÷ V   có ảnh hưởng đến điện áp Vz nhưng không xác định được hướng tăng hay giảm. - Các vectơ lớn 13 18V ÷ V   cũng không ảnh hưởng đến điện áp Vz. 2.7.4. Trình tự chuyển mạch của các khóa bán dẫn Như đã phân tích ở trên, các vectơ nhỏ loại P làm điện áp Vz tăng còn vectơ nhỏ loại N làm Vz giảm. Vì vậy để giảm sự mất cân bằng này, thời gian tác động của các khóa bán dẫn tương ứng với trạng thái vectơ nhỏ sẽ được phân bố đều giữa hai trạng thái loại P và loại N trong một chu kỳ điều chế. Tùy theo vị trí vectơ trung bình refV  thuộc vị trí tam giác nào, ta có hai trường hợp được khảo sát: Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 43 * Trường hợp 1: trong ba vectơ cơ bản có một vectơ nhỏ . Khi vectơ trung bình refV  thuộc tam giác thứ hai và thứ tư của vùng I (hình 2.17), chỉ có một trong ba vectơ cơ bản là vectơ nhỏ. Giả thiết rằng refV  thuộc tam giác thứ tư, nó có thể được tổng hợp bằng ba vectơ cơ bản 2V  , 7V  và 14V  . Vectơ nhỏ 2V  có hai trạng thái trùng lặp [PPO] và [OON]. 1V  13V 7V  14V   0V   ‚ ‚ ‚ ref  Hình 2.17: Trường hợp refV  thuộc tam giác thứ tư của vùng I (I-4) Trình tự và thời gian tác động của các khóa bán dẫn tương ứng với trạng thái vectơ 2V  (hình 2.18) phải đảm bảo các nguyên tắc sau đây: - Thời gian tác động 2V  : 1 2 3pulseT T T T   . - Sự chuyển mạch giữa hai trạng thái liên tiếp là nhỏ nhất . - Thời gian tác động T3 của vectơ nhỏ 2V phải được phân bố đều giữa hai trạng thái loại P và loại N. - Trong một chu kỳ điều chế, trên một pha của nghịch lưu chỉ có hai khóa bán dẫn đóng và hai khóa bán dẫn ngắt. Giả thiết rằng sự chuyển tiếp của vectơ trung bình refV  từ vùng này sang vùng khác không phụ thuộc vào các khóa bán dẫn, ta có tần số đóng ngắt của khóa bán dẫn fdev bằng một nửa tần số điều chế: 1 1 2 2 dev pulse pulse f f T   (2.9) Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 44 OON + E AZU BZU + E CZU E ABU + E 2NV  PON 7V  PPN14 V  PO2PV  PPN14 V  ON 7V  ON2N V  3T 4 2T 2 1T 2 3T 2 1T 2 2T 2 3T 4 pulseT Hình 2.18: Mẫu xung của vectơ điện áp trung bình refV  thuộc vùng I-4 * Trường hợp 2: trong ba vectơ cơ bản có hai vectơ nhỏ. Khi vectơ điện áp trung bình refV  thuộc tam giác thứ nhất và thứ ba của vùng I, hai trong ba vectơ cơ bản là vectơ nhỏ. Để giảm hiện tượng mất cân bằng điện áp trên tụ, người ta chia mỗi tam giác thành hai tam giác con (hình 2.19). 1V  13V 7