Bộ nghịch lưu áp ba pha điều khiển motor điện trên xe điện

1. Nguyên lý hoạt động 

Trên xe điện, nguồn năng lượng sử dụng cho động cơ là nguồn pin Lithium-ion, là nguồn  điện một chiều, Nên cần phải có một thiết bị để chuyển đổi điện áp từ một chiều sang  điện áp xoay chiều ba pha với tần số và điện áp biến thiên, thiết bị này là bộ nghịch lưu  áp ba pha. Bộ nghịch lưu áp ba pha là một phần của bộ biến tấn gián tiếp ba pha. Có chức  năng chuyển đổi điện áp một chiều thành điện áp xoay chiều. Quá trình chuyển mạch của  bộ nghịch lưu áp thường là quá trình chuyển mạch cưỡng bức, được thực hiện bởi các  linh kiện bán dẫn cưỡng bức. 

Khóa bán dẫn công suất 

Trong đó, các khóa bán dẫn là linh kiện bán dẫn cưỡng bức (IGBTs) trực tiếp nghịch lưu  điện áp từ một chiều thành xoay chiều 

Sơ đồ bộ nghịch lưu cơ bản 

Các thuật toán điều khiển động cơ được đưa ra xoay quanh việc điều khiển các khóa bán  dẫn để tạo ra sự thay đổi điện áp, dòng điện, thời gian chuyển pha, tần số ở đầu ra để phù  hợp từng đặc tính tải khác nhau của động cơ. Thông thường, các khóa bán dẫn công suất  được sử dụng phổ biến là các IGBTs. IGBT là một transitor công suất, có khả năng chịu  

được điện áp và dòng điện lớn cũng như tạo nên độ sụt áp vừa phải khi dẫn điện. Ưu  điểm của IGBT là khả năng đóng ngắt nhanh làm cho nó được sử dụng phổ biến trong  các bộ biến đổi điều chế xung ở tần số cao. 

Khi tác dụng lên cực G một điện thế dương, lúc này các hạt mang điện loại N được kéo vào kênh P gần cực G làm giàu điện tích mạch tổng P của transistor NPN làm cho transistor  này dẫn điện và làm cho IGBT dẫn, việc ngắt IGBT có thể thực hiện bằng cách ngắt điện  thế cấp cho cực G để ngắt kênh dẫn P [23]. 

Sơ đồ mạch tương đương của IGBT 

2. Nghịch lưu điện áp bằng phương pháp SPWM 

Phương pháp SPWM hay còn gọi là phương pháp điều chế độ rộng xung theo hàm sin.  Phương pháp điều chế độ rộng xung này tạo ra điện áp gần giống với dạng hình sin và đồng  thời điều chỉnh được điện áp mong muốn dựa trên cơ sở so sánh hai tín hiệu cơ bản [24]:  

– Sóng mang (tần số cao) là dạng sóng hình tam giác. Tần số sóng mang càng cao, lượng  sóng hài bậc cao bị khử càng nhiều. Tuy nhiên, tần số đóng ngắt cao làm tổn hao phát  sinh do quá trình đóng ngắt tăng (tổn hao nhiệt). 

– Sóng điều khiển, hay tín hiệu điện áp tham chiếu hoặc sóng điều chế (modulating signal)  dạng hình sin. Sóng điều khiển mạng thông tin về độ lớn, trị số hiệu dụng và tần số sóng hài cơ bản của điện áp ngõ ra. 

Để tạo ra điện áp xoay chiều bằng phương pháp SPWM, tín hiệu xung tam giác tần số cao  (sóng mang) được so sánh với điện áp sin chuẩn (sóng điều chế). Nếu dạng xung đầu ra  này được cung cấp cho bộ nghịch lưu 1 pha, đầu ra sẽ nhận được điện áp PWM có tần số bằng tần số hình sin mẫu. Biên độ sóng hài bậc nhất phụ thuộc vào điện áp cung cấp và tỉ số giữa biên độ sóng sin mẫu và sóng mang.

Nếu điện áp sóng điều chế lớn hơn điện áp  sóng mang, tín hiệu PWM ở đầu ra sẽ hiển thị mức cao. Ngược lại, nếu điện áp sóng sin  điều chế thấp hơn điện áp sóng mang thì tín hiệu PWM sẽ thấp. Hình 2.6 dưới đây trình  bày sự so sánh giữa sóng mang (đường màu cam) và song điều chế (màu đỏ), kết quả của  sự so sánh này là tạo ra mức cao và mức ở tín hiệu đầu ra. 

So sánh tín hiệu sóng mang và sóng điều chế 

Nghịch lưu áp ba pha thường được dùng chủ yếu với biến điệu bề rộng xung, mục đích bảo  đảm điện áp ra có dạng hình sin. Để đảm bảo điệp áp ra không phụ thuộc vào tải người ta thường dùng biến điệu bề rộng xung hai cực tính, như vậy mỗi pha của sơ đồ ba pha có thể được điều khiển độc lập với nhau.  

Để điều khiển động cơ theo một tỷ lệ V/f bằng phương pháp điều chế độ rộng xung SPWM,  tần số sóng mang cần được thiết lập. Cụ thể, tần số sóng mang phải cao hơn tần số của  sóng điều chế để đảm bảo tín hiệu đầu ra mang đến tải càng mịn càng tốt. Do đó, tần số sóng mang thông thường phải nằm trong khoảng 5-15KHz, điều này phụ thuộc vào các chế độ tải trọng khác nhau.

Tần số sóng mang càng cao thì lượng sóng hài bậc cao bị khử càng  nhiều, tuy nhiên điều này dẫn đến tổn hao qua nhiệt cho các khóa bán dẫn. Ngược lại, nếu  tần số sóng mang quá thấp sẽ dẫn đến tín hiệu đầu ra không ổn định, dẫn đến tình trạng suy tần.