Nghiên Cứu Kỹ Thuật Đa Điều Chế Cho Biến Tần Đa Bậc

MỞ ĐẦU
Ngày nay, các thiết bò điện tử công suất rất được quan tâm và sử dụng
trong nhiều lónh vực khác nhau như hệ thống truyền tải, hệ thống phân phối
điện năng, dùng trong công nghiệp… Và một trong những ứng dụng của nó là
dùng cho các ứng dụng có công suất cao. Do đó, điện áp và dòng điện phải được
nâng lên tương ứng. Vì vậy mà công suất đònh mức của linh kiện bán dẫn sẽ là
một trở ngại. Ngoài ra, chúng ta khó có thể sử dụng các linh kiện bán dẫn công
suất trực tiếp với lưới điện trung áp hay cao áp (2.3, 3.3, 6.9KV, ) mà cần có
giải pháp tốt hơn như là biến tần đa bậc để có thể làm việc với cấp điện áp cao
hơn. Khi đó điện áp cung cấp cho thiết bò sẽ được điều khiển tốt hơn.
Hiện nay, nhiều phương pháp điều khiển cho biến tần đa bậc đã được
nghiên cứu và ứng dụng điển hình như phương pháp điều chế độ rộng xung sin
SPWM và phương pháp điều chế vector không gian SVPWM đã cho một số kết
quả nhất đònh. Tuy nhiên, các phương pháp này cũng gặp phải những phức tạp
trong việc điều khiển do đó kết quả thu được cũng còn hạn chế. Và một trong
những phương pháp điều khiển cho biến tần đa bậc có thể cho phép thực hiện
điều khiển một cách đơn giản hơn nhờ sự hổ trợ của kỹ thuật số cũng như dựa
vào những lợi điểm của 2 phương pháp trên là kỹ thuật đa điều chế MM (multi-
modulation).
Xuất phát từ việc này mà yêu cầu đặt ra cho luận văn này :
• Nghiên cứu kỹ thuật đa điều chế cho biến tần đa bậc.
• p dụng kỹ thuật đa điều chế đơn sóng mang để điều khiển biến
tần bậc 5 dạng cascade.
• Khảo sát tính ổn đònh ở xác lập của các đáp ứng tải khi sử dụng
biến tần bậc. Trong đó, biến tần bậc 5 dạng cascade và động cơ
đồng bộ kích thích nam châm vỉnh cửu dùng để khảo sát.

Nghiên Cứu Kỹ Thuật Đa Điều Chế Cho Biến Tần Đa Bậc
Trang 1


Nghiên Cứu Kỹ Thuật Đa Điều Chế Cho Biến Tần Đa Bậc
Trang 3

Hình 3. Biến tần bậc 4 dạng diod kẹp
Diode_clamped multilevel inverter sử dụng một nguồn điện áp dc chia ra
nhiều bậc áp dc bởi các tụ điện mắc nối tiếp. Và dựa trên các diode để cố
đònh bậc điện áp ở ngõ ra, ở đây mỗi bậc tương ứng với mức điện áp trên
mỗi tụ điện trong bus dc.
Sơ đồ chức năng của biến tần này có thể được thể hiện như sơ đồ H.4 dưới
đây:
Nghiên Cứu Kỹ Thuật Đa Điều Chế Cho Biến Tần Đa Bậc
Trang 4

Hình 4. Sơ đồ tương đương của biến tần bậc 4 dạng diod kẹp
Với công tắc n vò trí trên mỗi pha có:
1
1
0
=
∑
−
=
n
j
ij
S
với
{
}

điện là cân bằng:
Nghiên Cứu Kỹ Thuật Đa Điều Chế Cho Biến Tần Đa Bậc
Trang 5

Hình 5. Các mức điện áp pha A ngõ ra của biến tần
với các trạng thái đóng cắt khác nhau.
• Các đặc điểm của biến tần đa bậc dạng diode_clamped:
_ Số tụ điện là ít, nhưng phải thêm diode kẹp trong sơ đồ.
_ Có thể sử dụng một nguồn áp DC.
_ Khi biến tần có bậc lớn hơn 3 thì điện áp mà diode kẹp phải chòu đựng
là V
dc
(n-2)/(n-1) cao. Do đó sẽ phức tạp trong thiết kế như phải kết nối
nối tiếp các diode.
_ Vấn đề không cân bằng điện áp các tụ điện ở biến tần đa bậc dạng này
có thể gây ra quá áp trên một hay nhiều linh kiện đóng cắt.
1.2.2 Capacitor_Clamped Inverter:
Cũng tương tự như dạng diode_clamped, ở đây cấu trúc sơ đồ gồm các tụ
điện được xếp lớp lên nhau mà không có các diode kẹp. Điện áp ngõ ra là
kết hợp của các tụ điện được mắc nối tiếp trên sơ đồ.
Nghiên Cứu Kỹ Thuật Đa Điều Chế Cho Biến Tần Đa Bậc
Trang 6

Hình 6. Biến tần bậc 3 dạng tụ kẹp
Hay sơ đồ tương đương pha A: Hình 7. Sơ đồ tương đương pha A của biến tần dạng tụ kẹp
Ở đây thì hoặc công tắc trên S
Hi

Hình 8. Biến tần đa bậc dạng Cascade
Nghiên Cứu Kỹ Thuật Đa Điều Chế Cho Biến Tần Đa Bậc
Trang 8
Đối với biến tần đa bậc có bậc chẳn thì phải thêm vào bộ nghòch lưu không
đầy đủ vào cấu trúc của sơ đồ.
Ví dụ: Biến tần 4 bậc dưới đây:

Hình 9. Biến tần bậc 4 dạng cascade
• Các đặc điểm của biến tần đa bậc dạng cascaded inverter:
_ Dạng biến tần này là không cần thêm diode hay tụ điện như biến tần đa
bậc dạng diode_clamped, tuy nhiên số bậc điện áp ngõ ra cũng tương tự.
_ Số bậc điện áp có thể tăng lên dể dàng bằng cách mắc nối tiếp thêm cầu
nghòch lư u vào.
_ Biến tần dạng cascade lại cần nhiều nguồn dc độc lập trên mỗi bộ nghòch
lưu, trong khi dạng diode_clamped thì có thể chỉ cần một nguồn dc.
_ Để cân bằng công suất cho các nguồn dc thì có thể tuần hoàn sử dụng các
nguồn dc trong chu kỳ. Việc này làm cho tần số đóng cắt các linh kiện bán dẫn
trong sơ đồ cũng cân bằng.
Nghiên Cứu Kỹ Thuật Đa Điều Chế Cho Biến Tần Đa Bậc
Trang 9
1.3 CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN:
Tương ứng với các loại biến tần đa bậc thì cần có các phương pháp điều
khiển, điều chế thích hợp. Các phương pháp điều chế này cũng có thể được
phân loại theo tần số đóng cắt. Nói chung thì có hai phương pháp phổ biến nhất
dùng cho biến tần đa bậc là phương pháp điều chế độ rộng xung sin ( SPWM)
và phương pháp điều chế vector không gian (SVM).
Khi làm việc với tần số đóng cắt cao thì phổ biến là phương pháp cổ điển
SPWM, và bằng cách dòch chuyển pha sóng mang cũng như sóng điều chế để
giảm méo dạng ở điện áp ngõ ra.
Khi làm việc với tần số đóng cắt thấp hơn ( tức chỉ có một hoặc hai lần đóng

điểm zero và các sóng mang phía dưới điểm zero sẽ lệch nhau 180
o

+PD ( phase disposition): tất cả các sóng mang là cùng tần số, biên độ. Hình 11.Sóng mang và sóng điều chế theo phương pháp PD
của biến tần 5 bậc

Nghiên Cứu Kỹ Thuật Đa Điều Chế Cho Biến Tần Đa Bậc
Trang 11
• Đối với biến tần đa bậc dạng cascade thì phương pháp PSCPWM (phase
shifted carrier PWM) được xem là phương pháp điều chế chuẩn. Theo
phương pháp này thì 2 sóng điều chế cho 2 cặp công tắc ở mỗi bộ nghòch
lưu trong biến tần đa bậc sẽ lệch pha nhau 180
o
trong khi mỗi sóng mang
lệch 180
o
/N ( với N là số bộ nghòch lưu nối tiếp trên một pha của biến tần
đa bậc).

Hình 12. Sóng mang và sóng điều chế theo PSCPWM
của biến tần 5 bậc
• Phương pháp điều chế vector không gian ( SVM: space vector
modulation):
Điều khiển vector điện áp tương đương ( vector trung bình trong chu kỳ lấy
mẫu T
s
) sao cho q đạo của nó di chuyển liên tục theo đường tròn.

T
V
T
T
V (3)
với:
1
21
=++
++
s
j
s
j
s
j
T
T
T
T
T
T

Phương pháp này dể thực hiện phần cứng bằng xử lý tín hiệu số DSP, tuy
nhiên khi bậc của biến tần tăng thì trạng thái đóng cắt tăng làm cho việc lựa
chọn trạng thái đóng cắt phức tạp.
Nghiên Cứu Kỹ Thuật Đa Điều Chế Cho Biến Tần Đa Bậc
Trang 12
với p >1) tín hiệu điều chế để điều khiển. Do đó, biến tần đa bậc có hai
dạng điều chế đa mang phổ biến là:
+ Đa điều chế đầy đủ : ở đây số tín hiệu điều chế là p=n-1 (hình c).
+ Đa điều chế không đầy đủ: số tín hiệu điều chế là 1<p<n-1 (hình b).
Với n : là số bậc của biến tần đa bậc.
Cũng giống như kỹ thuật điều chế SPWM (hình a), phần giao giữa các tín
hiệu điều chế và các sóng mang tam giác sẽ xác đònh được trạng thái đóng cắt
các cặp linh kiện bán dẩn của biến tần.
Nghiên Cứu Kỹ Thuật Đa Điều Chế Cho Biến Tần Đa Bậc
Trang 14

Hình 14. Các dạng điều chế của biến tần bậc 5

2.1.2 Các Khái Niệm Cơ Bản:
Kỹ thuật đa điều chế có thể xem là sự kết hợp giữa kỹ thuật SPWM và
SVPWM. Do đó, giả sử kỹ thuật PD được sử dụng trong kỹ thuật này.
Theo kỹ thuật SVPWM thì trong hệ tọa độ abc vector điện áp mong muốn
T
cba
vvvV ],,[
*
=
r
trong một vùng tam giác có thể được phân tích theo 3 vector
quay gần nhất
21
,UU
r
r
và

tỉ lệ với thời gian đóng cắt tương ứng T
1
, T
2
, T
3
của 3 vector quay là
T
j
/K
j
= T
S
.
Với : T
S
là chu kỳ lấy mẫu.
Vector điện áp
*
V
r
gồm thành phần thứ tự thuận-nghòch ( active component)
T
cba
vvvV ],,[
12121212
=
r
và thành phần thứ tự zero
T

=
−
−
=
−
=
nV
V
v
nV
V
v
nV
V
v
dc
rc
dc
rb
dc
ra
(5)
Gọi Max, Min là giá trò lớn nhất và nhỏ nhất của
),,(
)1()1()1( rcrbra
vvv
.
Mid là giá trò giữa còn lại trong
),,(
)1()1()1( rcrbra

Vùng tam giác gọi là TVMAXR: là vùng tam giác mà ở đó có 2 vector có l
rj

là lớn nhất.
Hai vùng này có thể dể dàng xác đònh dựa theo điều kiện:
)()()( MinMidIntMidMaxIntMinMaxIntS
−
−
−
−
−=
⎩
⎨
⎧
−
−
=
.1
0
areasTVMAXRfor
areasTVMINRfor
S
(7)
Do đó, thông số K
j
,( j=1,2,3) đựơc xác đònh theo công thức:
areasTVMINRfor
MidMaxMidMaxIntK
MinMaxMinMaxIntK
−

có thể được biểu diễn một cách đầy đủ
qua các vector redundancy của mỗi vector U
j
tương ứng:
Nghiên Cứu Kỹ Thuật Đa Điều Chế Cho Biến Tần Đa Bậc
Trang 16
(
)
()
()
3,33,3313130303
2,22,2212120202
1,11,1111110101
*
lrlr
lrlr
lrlr
UUUK
UUUK
UUUKV
rrr
rrr
r
r
r
r
ξξξ

r
rr
)1/(
0
−+= (10)
đây các vector
0j
U
v
ứng với hệ số ZRF thỏa :
303030202020101010 cbacbacba
UUUUUUUUU
+
+
<
+
+<++
(11)
• Khái niệm về mẫu đa điều chế MP ( modulating pattern): kỹ thuật đa
điều chế là điều khiển dựa vào các mẫu điều chế và nó được đònh nghóa
là một bộ gồm 3 tín hiệu pha tương ứng với vector điện áp
jk
U
r
và nguồn
áp dc V
DC
:
[
]

PPPPPP
)(),(),(
],,[],,[
)1()1()1(
minminmin101010
−−−
+=
(13)
⎩
⎨
⎧
=
=
+=
1],,[
0],,[
],,[],,[
maxmaxmax
101010202020
Sforfff
Sforfff
PPPPPP
T
midcmidbmida
T
cba
T
cba
T
cba

max
(14)
⎩
⎨
⎧
==
=
else
cbaxMidvfor
f
rx
midx
0
,,;1
)1(
(15)
và Pmin = -(n-1)/2 : là hằng số bằng với thành phần PMP nhỏ nhất trong sơ đồ
mẫu điều chế MP ở trên.
Nghiên Cứu Kỹ Thuật Đa Điều Chế Cho Biến Tần Đa Bậc
Trang 18
Do đó, mẫu điều chế
jk
P
r
có thể được xác đònh thông qua các
0j
P
r
:
IkPP

[]
⎥
⎥
⎥
⎦
⎤
⎢
⎢
⎢
⎣
⎡
=
cjkp
bjkp
ajkp
cjk
bjk
ajk
cjk
bjk
ajk
jk
Q
Q
Q
Q
Q
Q
Q
Q

)1(1
j
lk
np
rj

Ba hàng của ma trận
[
]
jk
Q
:
(
1ajk
Q
,
2ajk
Q
,…,
ajkp
Q
) (
1bjk
Q
,
2bjk
Q
,…,
bjkp
Q

Tương tự cho 2 pha B, C là:
+ Pha B:
4321
,,,
rbrbrbrb
vvvv

+ Pha C:
4321
,,,
rcrcrcrc
vvvv

Phần giao giữa 4 tín hiệu điều chế và 4 tín hiệu sóng mang tam giác
1p
u

(
21
1
≤≤
p
u
),
2p
u
(
10
2
≤

.

Ví dụ:
Để điện áp pha A có giá trò V
dc
/2 ( tức PMP=2) thì trạng thái đóng cắt các
cặp công tắc
aaaa
SSSS
4321
,,,
phải là ON. Và bộ p tín hiệu điều chế thỏa mãn là
1,0,1,2
4321
−
=
===
rararara
vvvv
tức bộ PMMP là (2,1,0,-1).
Tương tự với những giá trò khác của điện áp pha A thì sẽ có các bộ PMMP
khác, và tất cả các bộ PMMP này được tổng hợp trong bảng.
Còn đối với biến tần đa bậc dạng diod kẹp thì chỉ có một bộ PMMP.

Table 2 Five-level inverter: the
PMMP
sets for multi- carrier
multi-modulation
a) For diode clamped inverter
P

2,0,0,-1
2,1,-1,-1
2,1,0,-2
1,1,0,-1
2,1,0,-1
Set 1 1,0,-1,-2 1,0,-1,-1 1,0,0,-1 1,1,0,-1 2,1,0,-1
Set 2 1,0,-1,-2 2,0,-1,-2 2,0,-1,-1 2,0,0,-1 2,1,0,-1
Set 3 1,0,-1,-2 1,1,-1,-2 1,1,-1,-1 2,1,-1,-1 2,1,0,-1
Set 4 1,0,-1,-2 1,0,0,-2 2,0,0,-2 2,1,0,-2 2,1,0,-1
…
Ví du:
Đối với biến tần bậc 5 dạng cascade nếu ứng với PMP= 0 thì sẽ có 6 bộ
PMMP.
Một mẫu điều chế MP
T
]2,1,2[− có thể được tạo ra từ 1 trong 4 mẫu MMP là:
⎥
⎥
⎥
⎦
⎤
⎢
⎢
⎢
⎣
⎡
−
−
−−
⎥

⎢
⎢
⎢
⎣
⎡
−
−
−−
1,0,1,2
1,0,1,1
2,1,0,1
,
1,0,1,2
2,0,1,2
2,1,0,1
,
1,0,1,2
1,1,1,2
2,1,0,1
,
1,0,1,2
1,0,0,2
2,1,0,1

Nghiên Cứu Kỹ Thuật Đa Điều Chế Cho Biến Tần Đa Bậc
Trang 21
2.1.4 Tín Hiệu Điều Chế Cho Biến Tần Đa Bậc:
Tín hiệu điều chế mong muốn cho biến tần đa bậc sẽ được xác đònh theo công
thức :
[]

rc
rb
ra
rc
rb
ra
r
v
v
v
v
v
v
v
v
v
v
,
,
,
,
,
,
,
,
,
2

bjkp
ajkp
cjk
bjk
ajk
cjk
bjk
ajk
jk
Q
Q
Q
Q
Q
Q
Q
Q
Q
Q
,
,
,
,
,
,
,
,

21
rcprcrc
rbprbrb
raprara
vvv
vvv
vvv
: là 3 bộ p_tín hiệu điều chế mong muốn tương ứng
với 3 pha A, B, C.
Trong trường hợp đa điều chế đầy đủ thì số trạng thái có thể có trong một
chu kỳ lấy mẫu là
)3(
321
+
+
+
rrr
lll
. Điều này có nghóa là các tín hiệu điều chế
này sẽ tạo ra điện áp ngõ ra theo thứ tự các vector điện áp liên quan:
+
3,32,21,1
,,
lrlrlr
UUU
r
r
r
cho vùng TVMAXR
+

Xét vùng 5 trong sơ đồ trên có thứ tự các mẫu điều chế MP là
2111302010
,,,, PPPPP
rrrrr
với thời gian đóng cắt tương ứng là
212111303202101
,,,,
ξ
ξ
ξ
ξ
ξ
KKKKK
. Từ thứ tự này và từ MP trong sơ đồ thì dễ dàng
xác đònh được các thành phần
cjkbjkajk
PPP ,,
theo các công thức ở trên, và dựa
vào bảng tra 1.b sẽ xác đònh được các PMMP
41
, ,
ajkajk
QQ
tương ứng cho pha
A cũng như pha B, C ở bộ (set) được chọn.
Giả sử MP [0, 1, 2] và bộ 2 (set2) được chọn thì tín hiệu điều chế mong
muốn cho pha A là:

2
1

+=

1
4
−=
ra
v

2.1.5 Các Đặc Điểm Của Đa Điều Chế Đa Mang:
_ Các thành phần của mẫu điều chế MP có thể được xác đònh từ các thành phần
của mẫu đa điều chế MMP:
∑
=
=+++=
p
t
xjktxjkpxjkxjkxjk
QQQQP
1
21

(20)
với
cbax ,,=
_ Giá trò common mode (CM) :
3/)(3/)(
,,1
∑∑
==
=++=

21
) (
(23)
Hoặc có thể biểu diễn qua mẫu điều chế MP:

) (
3
1
,1100
∑
=
+++=
j
lrjjjlrjjjjjjrxe
PPPKv
ξξξ
(24)
_ Điện áp thứ tự không:
3/)(3)(
,,1
0
∑∑
==
=++=
cbax
p
t
rxtrcerberaeer
vvvvv
(25)

Theo kỹ thuật này, tất cả các sóng điều chế đều nằm trong dãy (0,1) và các
sóng mang tam giác cũng được dòch chuyển tới vò trí sóng mang chuẩn trong
khoảng (0,1). Do đó, kỹ thuât đa điều chế đơn sóng được xem là phương pháp
đơn giản hơn vì chỉ có một tín hiệu sóng mang tam giác cũng như các tín hiệu
sóng điều chế đều nằm trong khoảng (0,1).
Phương pháp này thực hiện số hóa các trạng thái đóng cắt các cặp linh kiện
và biểu diễn bởi ma trận mẫu
[
]
jk
S bằng việc chuyển đổi giữa MMM và SMM.
2.2.2 Tín Hiệu Điều Chế:
Theo kỹ thuật đa điều chế đa mang MMM thì tín hiệu đa điều chế mong
muốn và mẫu đa điều chế MMP được biểu diễn dưới dạng ma trận như trên:

[]
⎥
⎥
⎥
⎦
⎤
⎢
⎢
⎢
⎣
⎡
=
rcp
rbp
rap

2
2
1
1
1

[]
⎥
⎥
⎥
⎦
⎤
⎢
⎢
⎢
⎣
⎡
=
cjkp
bjkp
ajkp
cjk
bjk
ajk
cjk
bjk
ajk
jk
Q
Q

[]
[
]
jkjk
SQQ +=
0

với:
[]
⎥
⎥
⎥
⎦
⎤
⎢
⎢
⎢
⎣
⎡
=
0
0
0
20
20
20
10
10
10
0