Chương 1: Tổng quan về điều khiển động cơ bằng tần số van,.) do đó các bộ nghịch lưu sử dụng kỹ thuật này cho chất lượng cực tốt, khử quá tải, bảo vệ dòng điện cực đại, điều khiển dạng sóng dòng điện tức thời và chính xác. Tuy nhiên do thời gian có hạn tác giả chỉ giới thiệu qua về kỹ thuật PWM điều khiển điện áp vòng hở. Để tiện so sánh giữa các phương pháp, người ta đưa ra một số những định nghĩa sau: - Chỉ số điều biến biên độ (Modulation index), có hai chỉ số điều biến là chỉ số M và m được định nghĩa: M = U1m/U1m6 (1.2) Uab(rms) Udc ZSS 0,78 0,703 0,612 1 - vùng tuyến tính SPWM 2 - vùng quá điều ế 3 - điều biến 6 bước 1 2 3 m 1 1,15 3,24 M 0,785 0,907 1,0 Hình 1.8 Đặc tính điều khiển của biến tần PWM trong đó U1m : biên độ điện áp sóng bậc một (cơ bản) của điện áp đầu ra biến tần trong phương pháp điều biến xét. U1m6 : biên độ điện áp sóng bậc một của điện áp đầu ra biến tần hoạt động ở chế độ 6 bước (six-step mode).
12 Chương 1: Tổng quan về điều khiển động cơ bằng tần số Um và Um(t) : biên độ của điện áp tín hiệu sóng điều biến và sóng mang. - Tỷ số điều biến tần số: mf = fc/fr 1.1 Phương pháp điều biến dựa trên sóng mang CB-PWM Nguyên lý chung của các phương pháp điều biến dựa trên sóng mang là sử dụng một sóng mang tam giác có tần số cao so sánh với ba sóng điều biến Ua*, Ub*, Uc* (còn gọi là sóng chuẩn hay sóng lệnh – reference, command, RS) có tần số mong muốn và độ lớn tỷ lệ với điện áp xoay chiều mong muốn để xác định các thời điểm chuyển mạch của các van bán dẫn. Có thể phân làm hai loại nhỏ là CB-PWM với sóng điều biến hình sin (PWM hình sin) và CB-PWM với sóng điều biến hình sin cộng với một sóng hài thứ tự không (CB-PWM thứ tự không). *) PWM hình sin (SPWM): PWM hình sin, sóng mang là sóng tam giác có tần số cao còn sóng điều biến là hình sin.
Để thay đổi điện áp ra ta thay đổi biên độ của sóng điều biến. Tần số của sóng điều biến cũng chính là tần số của thành phần cơ bản của điện áp ra. Đặc điểm của SPWM: - Tần số của sóng mang thường được giữ không đổi, do đó phổ hài điện áp đầu ra thường tập trung ở quanh tần số chuyển mạch và bội số của tần số chuyển mạch. - Vùng tuyến tính điều biến hẹp với chỉ số điều biến lớn nhất Mmax = π/4 = 0,785 (m = 1), có nghĩa là khi biên độ của điện áp sóng điều biến và sóng mang bằng nhau.
Quan hệ giữa các chỉ số điều biến và điện áp ra của phương pháp SPWM được thể hiện trên hình 1. 13 Chương 1: Tổng quan về điều khiển động cơ bằng tần số *) CB-PWM cộng với một sóng thứ tự không (ZSS): Từ cấu hình mạch có trung tính tải ba pha cách ly (hình 1.13), ta thấy các dòng điện pha chỉ phụ thuộc vào điện áp dây. Do đó, nếu ta đưa thêm cùng một lượng điện áp vào các pha trong kỹ thuật CB-SPWM, thì chỉ làm thay đổi giá trị trung bình của chúng mà không làm ảnh hưởng đến các dòng điện xoay chiều. Dựa trên nhận xét này, Hava, Kerkman, Lipo, và Blasko (1997) đã đưa ra một kỹ thuật PWM lai hay PWM suy rộng.
Trong kỹ thuật PWM lai, người ta cộng thêm một sóng của một hệ thống thứ tự không, thường là hài bậc ba, vào sóng điều biến hình sin nhằm làm mở rộng của vùng tuyến tính lên tới Mmax= π / 2 3 =0,907 (hình 1. Cũng do việc cộng thêm thành phần thứ tự không, nó đã làm vùng đỉnh của sóng điều biến phẳng đi, làm giảm tần số chuyển mạch của các van bán dẫn, do đó làm giảm tổn thất chuyển mạch. Có rất nhiều kiểu tín hiệu ZSS khác nhau, mỗi kiểu cho ta một phương pháp PWM khác nhau, và có thể chia làm hai nhóm là điều biến liên tục (CPWM) và không liên tục (Discontinuous - DPWM). Điều biến liên tục là loại được biết đến nhiều nhất với sóng thứ tự không là một sóng bậc ba hình sin (còn gọi là điều biến hài bậc ba).
Biên độ của sóng thứ tự không so với sóng hình sin sẽ quyết định chất lượng của điện áp và dòng điện ra của bộ nghịch lưu. Với điều biến liên tục CPWM nếu sóng ZSS thêm vào hình sin có biên độ bằng ¼ biên độ của sóng sin điều biến thì các hài dòng điện đầu ra là nhỏ nhất, trong khi nếu biên độ của ZSS bằng 1/6 biên độ của sóng sin điều biến thì sẽ cho ta vùng điều biến tuyến tính rộng nhất. Trong phương pháp điều biến không liên tục DPWM, sóng điều biến tạo ra những vùng/đoạn 600 không điều biến (các van không chuyển mạch). Nhờ vậy, tổn thất chuyển mạch có thể giảm được tới 33%.
14 Chương 1: Tổng quan về điều khiển động cơ bằng tần số + T1 T3 T5 Udc/2 c 0 b a N T4 T6 T2 Động cơ Udc/2 Hình 1.9 Bộ nghịch lưu hai mức IGBT 1.2 Phương pháp điều chế vectơ không gian (SVM) Nguyên lý cơ bản của phương pháp SVM dựa trên vị trí trong không gian của các vectơ điện áp đầu ra xoay chiều của bộ nghịch lưu. Giả sử ta có cấu hình của bộ nghịch lưu hai mức như hình vẽ 1. Với sáu van IGBT, và với đảm bảo không để xảy ra ngắn mạch nguồn, tức là hai van của cùng một nhánh (T1 và T4, T3 và T6, hoặc T5 và T2) không được đồng thời đóng-ON, ta có 23 = 8 trạng thái chuyển mạch có thể xảy ra từ U0÷U7, xem bảng 1. Trong đó, kí hiệu vectơ U1(100) có nghĩa là pha a của động cơ nối với +Vdc hay nhánh đầu tiên T1 đóng, pha b và pha c nối với –Vdc hay nhánh thứ hai và thứ ba T6 và T2 đóng.
Tương tự với các vectơ còn lại.1 Các trạng thái chuyển mạch van của biến tần SVM Trạng thái uab ubc uca ua ub uc Vectơ 0 0 0 0 0 0 0 U0(000) 1 +Udc 0 -Udc +2/3Udc -1/3Udc -1/3Udc U1(100) 2 0 +Udc -Udc +1/3Udc +1/3Udc -2/3Udc U2(110) 15 Chương 1: Tổng quan về điều khiển động cơ bằng tần số 3 -Udc +Udc 0 -1/3Udc +2/3Udc -1/3Udc U3(010) 4 -Udc 0 +Udc -2/3Udc +1/3Udc +1/3Udc U4(011) 5 0 -Udc +Udc -1/3Udc -1/3Udc +2/3Udc U5(001) 6 Udc -Udc 0 +1/3Udc -2/3Udc +1/3Udc U6(101) 7 0 0 0 0 0 0 U7(111) ua U1 U2 U5 U4 U5 U6 2/3Udc ub -2/3Udc uc -2/3Udc Hình 1.10 Điện áp các pha ở 6 trạng thái tích cực của bộ nghịch lưu Im U3 U2 Nếu ta cho điều biến liên tục lần lượt sáu vectơ tích cực từ U1 đến U6, ta sẽ có us* U1 U4 một chu kỳ của điện áp ra, xem hình 1. U0,U7 Re Ta thấy điện áp pha ra có dạng bậc thang với sáu bước trong một chu kỳ, và vì vậy U5 U6 cách điều biến này được gọi là chế độ điều Hình 1.11 Biểu diễn vectơ không gian điện áp ra ở các trạng thái khác nhau của bộ biến đổi 16 Chương 1: Tổng quan về điều khiển động cơ bằng tần số biến sáu bước (six-step). Chế độ điều biến sáu bước cho điện áp ra lớn nhất với điện áp cực đại bằng 2/3Udc, vì vậy biên độ điện áp ra trong chế độ điều biến sáu mức được lấy làm cơ sở cho việc so sánh về mức độ tận dụng điện áp một chiều giữa các phương pháp điều biến khác nhau.1 ta thấy trong số 8 trạng thái của bộ nghịch lưu có 6 trạng thái “tích cực” là từ U1-U6 và hai trạng thái “không” U0 và U7 là hai trạng thái mà tất các đầu vào động cơ cùng được nối xuống -Udc hoặc +Udc nên các điện áp dây và pha bằng không. Sáu trạng thái tích cực sẽ chia mặt phẳng thành 6 phần (sector), ta ký hiệu từ S1 đến S6, và 4 góc phần tư (Quadrant) ký hiệu từ Q1 đến Q4 như trên hình 1.,U6 đều có biên độ là 2/3Udc (xem hình 1.11) và tạo thành một hình lục giác với các đỉnh là các đầu mút của các vectơ đó, hai vectơ không U0 và U7, do có biên độ bằng không nên được đặt ở gốc tọa độ.
Ta gắn một mặt phẳng phức với trục thực trùng với vectơ U1 như hình 1.12 Ta gắn mặt phẳng này một hệ trục toạ độ αβ, và dễ dàng nhận thấy hệ trục này trùng với hệ trục αβ sẽ nói tới trong chương 2. r Giả sử tại một thời điểm nào đó ta cần tạo một vectơ không gian us bất r kỳ trong góc 1/6 thứ nhất, như hình 1. Ta thấy ta có thể tổng hợp us* từ hai r r r vectơ thành phần u s1 trên U1 và u s 2 trên U2. Để có được u s1 , vectơ U1(trạng thái 1) phải tồn tại trong khoảng thời gian là t1 (với chu kỳ chuyển mạch r r T=1/2fs, 2fs là tần số lấy mẫu vectơ u s* không đổi), tương tự với u s 2 vectơ U2 (trạng thái 2) là t2, và khoảng thời gian còn lại t0 cho trạng thái U0 hoặc U7.
r Để đảm bảo vectơ u s* không vượt ra ngoài hình lục giác, các khoảng thời gian này phải thoả mãn điều kiện: t1 + t2 + t 0 = T (1.3) 17 Chương 1: Tổng quan về điều khiển động cơ bằng tần số β U2 usβ us2 us* us1 usα U1 α Hình 1.12 Tạo một vectơ không gian bằng SVM Udc Xung 2fs điều khiển us* van Chọn góc t1 t2 t0 t7 us Tính toán Phía AC (Tải) Hình 1.13 Kỹ thuật điều chế vectơ không gian r r Khi đó: u s1 = (t1/T).4) T T T Như vậy, với việc tính các khoảng thời gian thực hiện các vectơ U1, U2 và U0 hoặc U7 ta có thể thực hiện một vectơ không gian bất kỳ nằm trong góc 1/6 thứ nhất. Tính toán tương tự với các góc còn lại. r Tóm lại, để thực hiện một vectơ điện áp đầu ra u s* = usα + j.usβ bất kỳ, xem hình 1.13, ta cần thực hiện các bước sau: 18 Chương 1: Tổng quan về điều khiển động cơ bằng tần số r Bước 1: Xác định vị trí của vectơ u s* (ở góc phần tư và phần sáu nào) bằng cách xét dấu của các thành phần usα và usβ. Bước 2: Tính thời gian đóng cắt các van.
r Về nguyên tắc tất cả các vectơ không gian chuẩn đặt u s* nằm trong hình lục giác đều có thể điều biến được.
