CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ NGHỊCH LƯU ĐA MỨC 1. Tổng quan về nghịch lưu đa mức Nghịch lưu là bộ biến đổi DC-AC, cung cấp dạng sóng sin đầu ra với biên độ (V), tần số (rad/s) và pha (a,b,c) từ một nguồn DC. Nghịch lưu cầu ba pha 2 mức, (b) Điện áp dây đầu ra, (c) Điện áp pha đầu ra Nghịch lưu đa mức là bộ biến đổi sử dụng chuỗi các van bán dẫn và nhiều nguồn DC kết hợp lại với nhau đưa ra điên áp có dạng sóng sin đầu ra với chất lượng tốt, các bước nhảy điện áp bé ( dv /dt) , hệ số méo sóng hài (THD) thấp. Nghịch lưu đa mức không chỉ đạt tới công suất cao mà còn cho phép sử dụng các nguồn năng lượng tái tạo Nguồn DC có thể là PIN, ACQUY, các nguồn điện áp từ năng lượng tái tạo(gió,mặt trời,.
Cấu trúc nghịch lưu 11 mức cầu H nối tầng Hình 1. Điện áp pha đầu ra 11 mức 9 1. Phân loại Hiện nay, nghịch lưu đa mức có các cấu trúc phổ biến sau: - Cấu trúc dạng diode kẹp (Neutural Point Clamped Multilevel Inverter-NPC). - Cấu trúc dùng tụ điện thay đổi (Flying Capacitor -FC).
- Cấu trúc dạng cầu H nối tầng (Cascade H-Bridge). Cấu trúc dạng diode kẹp Cấu trúc này được giới thiệu bởi A. Sử dụng thích hợp khi các nguồn DC tạo nên từ hệ thống điện AC. Bộ nghịch lưu đa bậc chứa các cặp diode kẹp có một mạch nguồn DC được phân chia thành một số cấp điện áp nhỏ hơn nhờ chuỗi các tụ điện mắc nối tiếp.
Bộ biến đổi điốt kẹp sử dụng các điốt và tụ điện nối tầng để tạo ra nhiều mức điện áp khác nhau. là sơ đồ cấu trúc bộ biến đổi điốt kẹp một pha năm mức 1 pha, nó tạo ra các mức điện áp Vdc, Vdc/2, 0, -Vdc/2, -Vdc. Sơ đồ cấu trúc bộ biến đổi năm mức 1 pha kiểu diode kẹp Nếu bộ nghịch lưu được thiết kế sao cho mỗi điốt khóa đều có cùng mức điện áp với các van chuyển mạch, thì điốt Dn sẽ phải tương đương với n điốt mắc nối tiếp nhau. Khi đó dẫn đến số lượng điốt cần có của bộ biến đổi m mức sẽ là 2(m-2).
10 Các ứng dụng tiêu biểu của NLĐM cấu trúc điốt kẹp là: kết nối trung gian giữa đường dây truyền tải điện áp cao một chiều với đường dây truyền tải xoay chiều; dùng trong điều khiển tốc độ cho động cơ công suất lớn, sử dụng điện trung áp. Cấu trúc tụ điện thay đổi FC Cấu trúc này được đề xuất năm 1993 bởi Meynard và Foch.5 mô tả cấu trúc bộ biến đổi đa mức 1 pha dùng tụ điện thay đổi với 5 mức điện áp. Sơ đồ bộ biến đổi 5 mức 1 pha kiểu tụ điện thay đổi Với sự kết hợp giữa nạp/xả các tụ có thể giúp cân bằng điện áp trên tụ. Tương tự cấu trúc điốt kẹp, ta cũng cần một số lượng lớn các tụ để kẹp điện áp.
Với điều kiện áp nạp trên mỗi tụ là như nhau, một BBĐ m mức cần (m-1)(m-2)/2 tụ kẹp trên mỗi pha cùng (m-1) tụ trên bus DC chung. Cấu trúc dạng cầu H nối tầng Cấu trúc cầu H nối tầng (Cascaded H-Bridge) được cấu thành từ nhiều cầu H mắc nối tiếp, mỗi cầu H (hay mỗi cell) gồm 4 khóa bán dẫn mắc theo sơ đồ cầu, được cung cấp bởi một nguồn DC. Mỗi cell sẽ tạo ra ba mức điện áp (1,0,-1), các trạng thái đóng cắt ứng với mỗi mức điện áp thể hiện dưới Hình 1. Trạng thái đóng cắt mỗi cell Hoạt động của n bộ nghịch lưu áp trên một nhánh pha tải sẽ tạo nên n khả năng mức điện áp theo chiều dương, mức điện áp 0 và n khả năng mức điện áp theo chiều âm.
là cấu trúc một pha của nghịch lưu bảy mức dùng 3 cầu chữ H nối tầng. Các nguồn DC có thể có giá trị bằng nhau hoặc khác nhau theo một quy luật nhất định. Điện áp đầu ra của nghịch lưu m mức là tổng của tất cả các giá trị đầu ra của các mạch cầu. Nếu tất cả các nguồn DC có giá trị bằng nhau thì với m mức trên dạng sóng điện áp đầu ra có một mức không là chung khi tất cả các cầu H đều cho đầu ra không, vậy trong nửa chu kỳ sẽ có số mức là (m-1)/2, chính là số cầu H thành phần.
Như vậy số mức chỉ có thể là số lẻ, ví dụ ba mức (chỉ gồm một cell, n=1), năm mức (hai cell, n=2),. Nghịch lưu đa mức cấu trúc cầu H nối tầng có thể tạo ra dạng sóng điện áp gần như hình sin từ một số nguồn DC, có thể được lấy từ pin mặt trời, pin nhiên liệu, tụ điện, từ chỉnh lưu với máy biến áp có nhiều cuộn thứ cấp., nhưng đều phải đảm bảo yêu cầu các nguồn DC đó cách ly nhau. Sơ đồ cấu trúc bộ biến đổi 1 pha 7 mức kiểu cầu H nối tầng 1. Kết luận Ngày nay, trong công nghiệp sử dụng các thiết bị công suất cao vì vậy yêu cầu các bộ biến đổi đáp ứng được chất lượng tốt mà còn phải tiết kiệm năng lượng tối đa.
Nghịch lưu đa mức đáp ứng được yêu cầu trên. Nghịch lưu đa mức phổ biến trong các ứng dụng công suất vừa và cao như nối lưới (tiết kiệm năng lượng), động cơ công suất lớn,…. Giữa các cấu trúc nghịch lưu đa mức ta thấy cấu trúc nối tầng “Dạng nối tầng cầu H (Cascade Multillevel H-Bridge Inverter)” chiếm ưu thế vì nó có các ưu điểm: - Tiết kiệm được số linh kiện, thể hiện ở Bảng 1. - Dễ dàng thay đổi cấu hình, tăng số bậc bằng cách tăng số mạch cầu H.
- Đảm bảo chất lượng về mặt điện áp và yêu cầu công suất lớn. So sánh linh kiện 1 pha giữa các dạng nghịch lưu đa mức Vì những ưu điểm trên trong đồ án này em chọn cấu trúc nghịch lưu đa mức dạng nối tầng cầu H (Cascade Multillevel H-Bridge Inverter) cho nghịch lưu ba pha ba mức. 14 CHƯƠNG 2 ĐIỀU CHẾ PWM CHO NGHỊCH LƯU ĐA MỨC Kỹ thuật điều chế độ rộng xung PWM cho nghịch lưu đa mức gồm 2 phương pháp chính là : điều chế Sin-PWM và điều chế vector không gian SVM. Các dạng PWM nhiều sóng mang sử dụng cho nghịch lưu đa mức là dịch pha sóng mang và dịch mức sóng mang.1 Phương pháp Sin-PWM Sin-PWM là phương pháp so sánh một sóng sin chuẩn, có tần số bằng tần số ra nghịch lưu mong muốn, với một điện áp răng cưa tần số cao cỡ 2-10Khz từ đó thay đổi được độ rộng xung mở van.
Có 2 phương pháp phổ biến để điều chế độ rộng xung Sin-PWM trong nghịch lưu cầu 1 pha : điều chế đơn cực và điều chế lưỡng cực. Điều chế đơn cực sẽ cho sóng hài tốt hơn. Vì khi điều chế một cực tính mỗi nhánh nửa cầu được điều khiển bởi tín hiệu PWM bởi 2 răng cưa lệch nhau 180º. Như vậy số răng cưa có thể tăng lên gấp đôi hay nói cách khác là điện áp đầu ra có tần số gấp đôi tần số chuyển mạch.
Do đó điện áp đầu ra cho chỉ số sóng hài tốt hơn. Có hai phương pháp điều chế sóng mang : - Dịch pha sóng mang (Phase-shifted). Phương pháp dịch mức(Level- shifted) sẽ cho hệ số méo sóng hài (THD) tốt hơn so với dịch pha (Phase-shifted). Dịch pha sóng mang ( phase shift) Theo phương pháp dịch pha tất cả các cầu H đều tuân theo cùng một sóng sin chuẩn.
Sóng mang là sóng răng cưa, có (m-1) sóng răng cưa (với m là số mức của NLĐM). 360° Độ dịch pha giữa hai sóng mang liền kề nhau: (𝑚−1) 15 Ở phạm vi đề tài này là nghịch lưu 3 pha, điện áp ra mỗi pha có 3 mức, số cầu H ở mỗi pha là 1, do vậy cần sử dụng 2 tín hiệu răng cưa lệch nhau 180° Aref Hệ số điều chế biên độ m = trong đó Acar 𝐴𝑐𝑎𝑟 biên độ tín hiệu sóng mang 𝐴𝑟𝑒𝑓 là biên độ tín hiệu đặt (tín hiệu sin chuẩn). Dịch pha sóng mang 3 pha mức 2. Dịch mức sóng mang (Level shift) Với phương pháp dịch mức, có ba kiểu bố trí sóng mang biểu diễn Hình 2.
- PD (Phase Disposition): tất cả các sóng mang đều cùng pha. - APOD (Alternative Phaseopposite Disposition): Bố trí ngược pha luân phiên, hai sóng mang kế cận liên tiếp nhau dịch pha 180°. - POD (Phase Opposite Disposition): Các sóng mang kế cận liên tiếp nhau nằm bên trên và bên dưới trục zero sẽ cùng pha với nhau, hai sóng mang nằm trên trục zero ngược pha với nhau biểu diễn dạng điện áp ra vac ứng với phương pháp điều chế sóng mang kiểu PD, hai kiểu sóng mang còn lại cũng cho dạng điện áp ra vac tương tự. Dịch mức sóng mang 2.
Phương pháp điều chế vector không gian SVM Phương pháp điều chế Sin-PWM như đã trình bày ở mục [2.1] có cấu trúc đơn giản, tuy nhiên khi thực hiện rất khó đảm bảo tính chính xác của quá trình điều chế. Ngày nay phương pháp điều chế vectơ không gian (Space Vector Modulation) đang được ứng dụng ngày càng rộng rãi hơn. SVM là phương pháp biến điệu hoàn toàn bằng kĩ thuật số, đảm bảo độ chính xác cao và thực hiện được trên các bộ vi xử lý hiện đại. Khi áp dụng SVM cho nghịch lưu đa mức nhiều mức điện áp sẽ tạo nên vector không gian có nhiều sector, có 17 nhiều lựa chọn cho các vector trạng thái, từ đó có thể áp dụng cho nhiệm vụ cân bằng điện áp một chiều.
Số trạng thái vector của nghịch lưu đa mức được xác định theo công thức : M 1 Nvector 1 6 i trong đó M là số mức (2.1) i 1 Mục đích cuối cùng của quá trình điều chế là xác định trạng thái đóng cắt của van bán dẫn từng cell trong từng pha, thứ tự thực hiện được biểu diễn ở sơ đồ Hình 2. Sơ đồ xác định các trạng thái đóng cắt van 2.1 Xác định trạng thái đóng cắt van, trạng thái mức, trạng thái vector chuẩn ( State switch, State level, State vector) a) Khái niệm trạng thái đóng cắt van, trạng thái mức, trạng thái vector chuẩn Hình 2.4 là sơ đồ cấu trúc nghịch lưu ba pha 3 mức cầu H nối tầng. Xét các nguồn Vdc trên mỗi cell cầu H phải cách ly nhau và có giá trị bằng nhau. Khi đó mỗi đầu ra xoay chiều khi nối đầu ra A, B, C của phụ tải ba pha cân bằng Z A ZB ZC , còn một đầu nối chung tại điểm N là điểm cách ly, Z là điểm trung tính của tải.
Nghịch lưu 3 mức cầu H nối tầng Mỗi cell như trên hình 2.