nghịch lưu độc lập nguồn áp 3 pha

TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC
KHOA ĐIỀU KHIỂN & TỰ ĐỘNG HĨA

BÁO CÁO CHUN ĐỀ
NGÀNH: CƠNG NGHỆ KTĐK&TĐH
CHUN NGÀNH: Tự động hóa và Điều khiển thiết bị điện cơng
nghiệp
HỌC PHẦN: Thiết bị điện tử công suất và hệ thống

Giảng viên hướng dẫn: Đàm Xn Đơng
Nhóm sinh viên: Nhóm 7
Sinh viên thực hiện: Phí Thành Long
MSV: 18810430192
Lớp: D13TDH&DKTBCN2

HÀ NỘI, 11/2021


MỤC LỤC

Chương 1: TÌM HIỂU NGUN LÍ NGHỊCH LƯU ĐỘC LẬP NGUỒN ÁP...........2
1.1. GIỚI THIỆU VỀ BỘ NGUỒN UPS....................................................................2
1.1.1. Giới thiệu chung về bộ cấp nguồn liên tục UPS...........................................2
1.1.2. Ứng dụng của UPS trong thực tế..................................................................3
1.1.3. Phân loại UPS..............................................................................................3
1.1.4. Các chế độ hoạt động của UPS....................................................................5
1.2. BỘ NGHỊCH LƯU DÙNG NGUỒN UPS...........................................................8
1.2.1. Vai trò của bộ nghịch lưu.............................................................................8
1.2.2. Nghịch lưu độc lập nguồn áp 3 pha..............................................................8
1.2.3. Cải thiện điện áp ra cho nghịch lưu độc lập điện áp...................................15
1.2.4. Phương pháp điều chế sin PWM................................................................17

Chương 2: TÍNH TỐN THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN......................................21
2.1. Nguyên tắc điều khiển nghịch lưu......................................................................21
2.2. Cấu trúc tổng qt mạch điều khiển..................................................................21
2.3. Tính tốn thơng số các khâu...............................................................................23
2.3.1. Khâu tạo điện áp sin..................................................................................23
2.3.2. Khâu phát xung chủ đạo và tạo điện áp răng cưa......................................24
2.3.3. Khâu so sánh ( sóng mang và sóng điều chế).............................................26
2.3.4. Khâu tạo trễ mở van...................................................................................27
2.3.5. khâu khuếch đại điện áp điều khiển...........................................................27
Chương 3: MÔ PHỎNG TRÊN PHẦN MỀM PSIM..................................................28
3.1. Sơ đồ mạch lực.....................................................................................................28
3.2. Sơ đồ mạch điều khiển........................................................................................29
3.3. Mô phỏng kiểm chứng kết quả trên psim..........................................................30
KẾT LUẬN..................................................................................................................... 32
TÀI LIỆU THAM KHẢO.............................................................................................33



DANH SÁCH CÁC BẢNG, HÌNH V
Hình 1.1. Hình ảnh của bộ lưu điện UPS.......................................................................2
Hình 1.2. Sơ đồ nguyên lý chung của UPS....................................................................4
Hình 1.3. Cấu hình làm việc bình thường của UPS offline tiêu chuẩn...........................4
Hình 1.4. Cấu hình làm việc bình thường UPS Line Interactive....................................5
Hình 1.5. Hoạt động của UPS ở chế độ bình thường.....................................................6
Hình 1.6. Hoạt động của UPS ở chế độ Battery mode...................................................6
Hình 1.7. Hoạt động của UPS ở chế độ Bypass mode...................................................7
Hình 1.8. Hoạt động của UPS ở chế độ Maintenace bypass mode.................................8
Hình 1.9. Nghịch lưu độc lập nguồn áp.........................................................................9
Hình 1.10. Sơ đồ mạch lực NLĐL nguồn áp 3 pha 180...............................................10
Hình 1.11. Sơ đồ thay thế khi T1, T6, T5 dẫn..............................................................11

Hình 1.12. Sơ đồ thay thế khi T1, T2, T6 dẫn..............................................................11
Hình 1.13. Sơ đồ thay thế khi T1, T2, T3 dẫn..............................................................12
Hình 1.14. Đồ thị điện áp NLĐL 3 pha tải đấu sao và = 180......................................13
Hình 1.15. Sự phụ thuộc hệ số sóng hài vào tham số ..................................................15
Hình 1.16. Các bộ lọc tần cho nghịch lưu độc lập điện áp...........................................15
Hình 1.17. Cải thiện điện áp ra bằng băm xung chọn lọc trong khoảng dẫn................18
Hình 1.18. Điều chế PWM hai cực tính.......................................................................19
Hình 1.19. Điều chế PWM một cực tính......................................................................19
Y
Hình 2.1. Cấu trúc điều khiển nghịch lưu độc lập điện áp...........................................21
Hình 2.2. Cấu trúc điều khiển nghịch lưu độc lập kiểu SPWM...................................22
Hình 2.3. Sơ đồ khối điều khiển van MOSFET...........................................................23
Hình 2.4. Sơ đồ khâu tạo điện áp sin...........................................................................24
Hình 2.5. Sơ đồ khâu tạo điện áp răng cưa 2 cực tính..................................................25
Hình 2.6. mạch phát xung và tạo điện áp răng cưa 2 cực tính......................................26
Hình 2.7. Sơ đồ khâu so sánh.......................................................................................26
Hình 2.8. Mạch khâu so sánh.......................................................................................26
Hình 2.9. Khâu tạo trễ mở van.....................................................................................27
Hình 2.10. Driver M57957L........................................................................................27
Hình 3.1. Sơ đồ mơ phỏng mạch lực................................................................................28
Hình 3.2. Sơ đồ mơ phỏng mạch điều khiển....................................................................29
Hình 3.3. Kết quả mơ phỏng các khâu.............................................................................30
Hình 3.4. Đồ thị điện áp ra tải ( tải thuần trở)..................................................................31


Thiết kế hệ thống điều khiển cho bộ nghịch lưu nguồn UPS

ĐỀ BÀI BÁO CÁO CHUYÊN ĐỀ

THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN CHO

BỘ NGHỊCH LƯU NGUỒN UPS

NỘI DUNG:
1. Tìm hiểu nguyên lý mạch nghịch lưu bộ nguồn UPS
2. Thiết kế và mô phỏng hệ thống điều khiển cho mạch nghịch lưu bộ nguồn
UPS.
3. Mô phỏng trên phần mềm PSIM

Sinh viên thực hiện: Phí Thành Long

5


Thiết kế hệ thống điều khiển cho bộ nghịch lưu nguồn UPS

Chương 1: TÌM HIỂU NGUN LÍ NGHỊCH LƯU ĐỘC LẬP NGUỒN
ÁP

1.1. GIỚI THIỆU VỀ BỘ NGUỒN UPS
1.1.1. Giới thiệu chung về bộ cấp nguồn liên tục UPS

Hình 1.1. Hình ảnh của bộ lưu điện UPS
UPS được viết tắt của mụm từ tiếng Anh: Uninterruptible Power Supply– hay
nói cách khác bộ lưu điện là thiết bị có thể cung cấp điện năng trong khoảng thời gian
tương ứng với công suất thiết kế nhằm duy trì hoạt động của thiết bị điện không bị
gián đoạn khi điện lưới gặp sự cố. Khác với các thiết bị có khả năng nạp và sử dụng
năng lượng điện khác, bộ lưu điện có thể lưu trữ điện năng trong khoảng thời gian lâu,
cung cấp cho hệ thống thiết bị giống như điện năng của lưới điện.
Ở Việt Nam, UPS thường quen được gọi với cái tên “Bộ lưu điện”. Như chúng
ta đã biết, một nguồn điện tốt sẽ đảm bảo khả năng làm việc tin cậy, kéo dài thời gian

sử dụng thiết bị dùng điện cũng như mang lại hiệu quả kinh tế cho doanh nghiệp. Hiện
nay, do nhu cầu về năng lượng điện ngày càng tăng, việc đầu tư cho hệ thống lưới điện
địi hỏi rất nhiều kinh phí dẫn tới tình trạng thiếu hụt điện năng và chất lượng điện
năng suy giảm. Từ yêu cầu của các thiết bị về mức độ nguồn điện liên tục và chất
lượng, UPS được phân thành các dịng sản phẩm chính về cơng nghệ như sau:
Sinh viên thực hiện: Phí Thành Long

6


Thiết kế hệ thống điều khiển cho bộ nghịch lưu nguồn UPS

+ UPS Offline đơn thuần
+ UPS Offline công nghệ Line-interactive
+ UPS Online
+ UPS tĩnh
+ UPS quay
1.1.2. Ứng dụng của UPS trong thực tế
Hiện nay nhu cầu ứng dụng UPS trong các lĩnh vực tin học, viễn thông, ngân
hàng, y tế, hàng không là rất lớn. Số lượng UPS được sử dụng gần bằng 1/3 số lượng
máy tính đang được sử dụng. Có thể lấy một vài ví dụ về các thiết bị sử dụng UPS, đó
là những máy tính, việc truyền dữ liệu và toàn bộ thiết bị ở một trạng thái nào đó là rất
quan trọng và khơng cho phép được mất điện. UPS được sử dụng trong ngành hàng
không để đảm bảo sự thắp sáng liên tục của đường băng sân bay.

Bảng 1.1. Ứng dụng của bộ UPS
Ứng dụng chính

Thiết bị được bảo vệ

1. Hệ thống máy
tính nói chung

- Máy tính, mạng máy tính.
- Máy in, hệ thống vẽ đồ thị, bàn phím và các thiết bị đầu cuối.

2. Hệ thống máy
tính cơng nghiệp

- Bộ điều khiển lập trình, hệ thống điều khiển số, điều khiển
giám sát, máy tự động.

3. Viễn thông

- Tổng đài điện thoại, hệ thống truyền dữ liệu, hệ thống radar.

4. Y tế, công
nghiệp

- Dụng cụ y tế, thang máy, thiết bị điều khiển chính xác, thiết bị
đo nhiệt độ, bơm plastic…

5. Chiếu sáng

- Đường hầm, nhà sân bay, nhà công cộng…

6. Các ứng dụng
khác

- Máy quét hình, cung cấp năng lượng cho máy bay…

Nói tóm lại UPS là một nguồn điện dự phịng, nó có mặt ở mọi chỗ, mọi nơi, đặc biệt
là những nơi đòi hỏi cao về yêu cầu cấp điện liên tục.
1.1.3. Phân loại UPS
Do yêu cầu của các thiết bị về mức độ nguồn điện liên tục và chất lượng, UPS
được phân thành các dịng sản phẩm chính về công nghệ như sau:
+
+
+
+
+

UPS Offline đơn thuần.
UPS Offline công nghệ Line-interactive.
UPS Online.
UPS tĩnh.
UPS quay.

Sinh viên thực hiện: Phí Thành Long

7


Thiết kế hệ thống điều khiển cho bộ nghịch lưu nguồn UPS

Trong đó loại phổ thơng nhất là UPS Offline, UPS Offline cơng nghệ Line-interactive
và UPS Online cịn lại UPS tĩnh, UPS quay thì ít được sử dụng.

Hình 1.2. Sơ đồ nguyên lý chung của UPS
- UPS offline

UPS offline tiêu chuẩn: đây là dòng sản phẩm đang được sử dụng nhiều nhất
trên
thị trường bởi giá thành và các lợi ích mà nó mang lại. Nhưng mặt cịn hạn chế của
dịng này là chưa có chức năng ổn áp
+ Bộ lưu điện cải tiến cơng nghệ Line Interactive: dịng này đã khắc phục được
những nhược điểm của dòng tiêu chuẩn trên là có thêm chức năng ổn áp để điều chỉnh
điện áp đầu ra dùng cho tải thiết bị. Nếu điện lưới không ổn định ups cải tiến công
nghệ Line Interactive sẽ tự động chuyển nấc để đáp ứng nhu cầu sử dụng của mạch
điện.
+ UPS offline sẽ không sử dụng bộ biến đổi đầu vào mà chỉ có bộ sạc để sạc cho
ắc quy.

Hình 1.3. Cấu hình làm việc bình thường của UPS offline tiêu chuẩn

Sinh viên thực hiện: Phí Thành Long

8


Thiết kế hệ thống điều khiển cho bộ nghịch lưu nguồn UPS

Hình 1.4. Cấu hình làm việc bình thường UPS Line Interactive
- UPS online
+ Dịng này có tính năng giúp loại bỏ những sự cố của điện lưới do điện áp đầu
vào
luôn được điều chế trước khi cấp cho tải sử dụng.
+ Dịng này máy thường có cơng suất từ 1kVA đến 500kVA.
+ Loại UPS này không mất thời gian chuyển đổi khi có sự cố nguồn cấp.
+ UPS online sẽ sử dụng bộ chuyển đổi đầu vào kết hợp sạc cho Ắc quy. Quá
trình

sạc xả của UPS online là liên tục ngay cả khi có điện nên thời gian chuyển mạch của
dịng này là bằng khơng.
1.1.4. Các chế độ hoạt động của UPS
Hầu hết các UPS đều được thiết kế để cung cấp nguồn cho tải thông qua 3 chế độ:
+ NORMAL
+ BATTERY
+ BYPASS
Tùy thuộc điều kiện thực tế UPS tự động sử dụng 1 trong 3 chế độ phù hợp mà
không cần sự can thiệp của người vận hành. Để đạt được điều này, bộ vi xử lý lơgíc và
bộ kiểm sốt tinh vi được sử dụng để điều khiển, giám sát, hiển thị chế độ hoạt động
của UPS và đảm bảo bất kỳ sự thay đổi chế độ hoạt động của UPS cung cấp nguồn cho
tải đều tự động.
a. Chế độ bình thường (NORMAL Model)
Ở chế độ NORMAL, năng lượng được nhận từ ngõ vào qua bộ chỉnh lưu cung
cấp cho Inverter, chế độ bình thường – NORMAL Mode hiện thị trên màn hình có
nghĩa là UPS đang hoạt động ở chế độn bình thường, nguồn ngõ vào nằm trong dải
chấp nhận của UPS. Nguồn ở ngõ vào được chuyển thành nguồn DC nhờ bộ biến đổi
IGBT và cung cấp nguồn DC cho inverter. Battery được nạp trực tiếp từ ngõ ra của bộ
Sinh viên thực hiện: Phí Thành Long

9


Thiết kế hệ thống điều khiển cho bộ nghịch lưu nguồn UPS

chỉnh lưu thông qua bộ tăng áp và giảm áp phụ thuộc vào từng chủng loại và dung
lượng của bình ắc quy.

Hình 1.5. Hoạt động của UPS ở chế độ bình thường
Bộ biến đổi DC nhận nguồn từ ngõ ra bộ chỉnh lưu và cung cấp nguồn DC thích hợp

cho battery. Điều kiện nạp ắc quy được giám sát bởi UPS bộ lưu điện và gửi thơng tin
tình trạng của UPS trên màn hình LCD. Battery ln được nối tới UPS, và luôn được
nạp điện và sẵn sàng để hỗ trợ cho inverter khi nguồn vào bị mất.
Bộ Inverter nhận nguồn DC đã được điều chỉnh ổn định từ bộ chỉnh lưu và sau đó sử
dụng IGBT, bộ điều chế độ rộng xung để tạo ra nguồn AC ổn định ở ngõ ra.
b. Chế độ BACKUP (BATTERY Mode)
Chế độ BACKUP được sử dụng tự động khi nguồn ở ngõ vào bị mất, hoặc
nguồn ở ngõ vào bộ chỉnh lưu nằm ngoài đặc tuyến ngõ vào của Bộ lưu điện. Trong
suốt thời gian bị mất nguồn, bộ chỉnh lưu không có nguồn AC ở ngõ vào để cung cấp
nguồn DC cho inverter. Khi đó bộ chỉnh lưu sẽ tắt, năng lượng từ bình ắc quy sẽ cung
cấp cho Inverter để Inverter biến đổi thành nguồn AC cung cấp cho tải. Trong chế độ
battery sẽ phát ra tiếng báo động bằng âm thanh và đèn báo kèm theo trên màn hình
điều khiển. UPS sẽ giữ trạng thái này cho tới khi nguồn ở ngõ vào có trở lại bình
thường.

Sinh viên thực hiện: Phí Thành Long

10


Thiết kế hệ thống điều khiển cho bộ nghịch lưu nguồn UPS

Hình 1.6. Hoạt động của UPS ở chế độ Battery mode
Nếu như nguồn ngõ vào lại bị lỗi trở lại hay khơng nằm trong đăc tính ngõ vào
của chế độ bình thường thì UPS sẽ tiếp tục hoạt động ở chế độ Battery, bình ắc quy sẽ
tiếp tục phóng điện cho tới khi khơng cịn năng lượng trong bình ắc quy để cung cấp
cho tải. Bất kể thời điểm nào ở trong chế độ battery, nếu nguồn ở ngõ vào có trở lại
bình thường, bộ chỉnh lưu sẽ hoạt động trở lại, cung cấp nguồn cho inverter và nạp lại
bình ắc quy. Lúc này UPS sẽ hoạt động ở chế độ NORMAL. Tùy thuộc vào tải và
khoảng thời gian đã phóng điện của ắc quy mà UPS sẽ xác định dịng điện nạp bình ắc

quy. Tổng thời gian hoạt động ở chế độ battery của UPS sẽ phụ thuộc vào nhiều hệ số,
một hệ số như loại Battery, dung lượng bình ắc quy, số dãy bình ắc quy, tuổi thọ bình
ắc quy, nhiệt độ mơi trường và sự thay đổi của tải trong quá trình xả bình ắc quy. Tải
càng lớn thì thời gian lưu điện càng giảm, tải càng nhỏ thời gian lưu điện sẽ càng lâu.
c. Chế độ BYPASS (BYPASS Mode)
Ở chế độ Bypass nguồn ở ngõ ra của hệ thống sẽ được cung cấp trực tiếp từ ngõ
vào, trong chế độ này nguồn tại ngõ ra của hệ thồng không được bảo vệ bởi ảnh hưởng
của điện áp và tần số hay là mất nguồn. nguồn ở ngõ vào được lọc các sóng hài trước
khi tới tải nhưng bình ắc quy khơng thể hỗ trợ tải trong chế độ bypass này. Bypass nội
bao gồm công tắc chuyển mạch tĩnh, công tắc này được thiết kế để cung cấp cho tải
bất cứ khi nào inverter không thể cung cấp nguồn cho tải.

Sinh viên thực hiện: Phí Thành Long

11


Thiết kế hệ thống điều khiển cho bộ nghịch lưu nguồn UPS

Hình 1.7. Hoạt động của UPS ở chế độ Bypass mode
Nếu inverter không thể hỗ trợ được cho tải, và để đảm bảo tải luôn luôn được
cung cấp nguồn, khi đó UPS sẽ chuyển sang chế độ bypass nội. Ngõ ra của hệ thống
UPS sẽ tự động chuyển sang bypass nội nếu có bất cứ các điều kiện khơng bình
thường nào xảy ra trên ngõ ra của hệ thống, nếu ngõ ra của hệ thống vượt ra ngoài tầm
điện áp của tần số, nếu hệ thống quá tải hay là inverter bị lỗi. Thời gian chuyển chế độ
phải <4ms để có thể đảm bảo tải ở ngõ ra khơng bị gián đoạn. Chế độ này sẽ được giữ
nguyên cho đến khi inverter có thể cung cấp nguồn cho tải hay là UPS được chuyển
sang chế độ Maintenance Bypass để sửa chữa. Nếu UPS chuyển sang chế độ bypass
mà không phải là do thao tác của người vận hành mà do lỗi của hệ thống thì nó sẽ
restart Inverter 3 lần để chuyển tải sang chế độ online, nếu không thể chuyển sang chế

độ Online được, UPS sẽ giữ hoàn toàn ở chế độ bypass.
d. BYPASS Mode with MAINTENACE BYPASS Switch Option
Nếu cơng tắc Maintenance Bypass được lắp đặt, thì UPS có khả năng chuyển
tải sang chế độ bypass, lúc này tải sẽ lấy nguồn trực tiếp từ lưới điện trong khi nhân
viên bảo trì tắt module nguồn, tắt UPS để bảo trì và sửa chữa UPS.

Hình 1.8. Hoạt động của UPS ở chế độ Maintenace bypass mode

Sinh viên thực hiện: Phí Thành Long

12


Thiết kế hệ thống điều khiển cho bộ nghịch lưu nguồn UPS

1.2. BỘ NGHỊCH LƯU DÙNG NGUỒN UPS
1.2.1. Vai trò của bộ nghịch lưu
Khi muốn điều chỉnh tốc độ ngoài định mức thì một số thơng số của động cơ
phải thay đổi để đảm bảo điều khiển vận hành lâu dài. Ưu điểm: điện áp đặt lên động
cơ hình sin do vậy khơng tồn tại sóng hài trong động cơ, không gây ra tiếng ồn. Không
gây tổn hao trên thiết bị dùng để tiêu tán phần điện áp chênh lệch giữa điện áp lưới và
điện áp đặt lên động cơ
 Nhược điểm: gây ra tổn hao trên cuộn kháng, khi yêu cầu tốc độ càng thấp hơn
so với định mức thì tổn hao này càng lớn. Tăng tổn hao trong động cơ. Đặt một
điện áp không sin thấp hơn định mức lên động cơ: Phương pháp này gọi là điều
áp xoay chiều.
1.2.2. Nghịch lưu độc lập nguồn áp 3 pha
Nghịch lưu độc lập (NLĐL) là thiết bị biến đổi năng lượng dòng điện một chiều
thành năng lượng dòng điện xoay chiều với tần số ra cố định hoặc thay đổi.
Trong hệ thống chỉnh lưu cũng có bộ nghịch lưu nhưng là nghịch lưu phụ

thuộc, sự khác biệt giữa hai bộ nghịch lưu này là ở chỗ:
Nghịch lưu phụ thuộc tuy cũng biến đổi năng lượng một chiều (DC) thành năng
lượng điện xoay chiều (AC), nhưng tần số điện áp và dịng điện xoay chiều chính là
tần số khơng thể thay đổi của lưới điện.
Nghịch lưu độc lập hoạt động với tần số ra do mạch điều khiển quyết định và có
thể thay đổi tùy ý, tức là độc lập với lưới điện.
Nghịch lưu độc lập được phân thành ba loại:
+ Nghịch lưu độc lập điện áp, cho phép biến đổi từ điện áp một chiều E thành
nguồn điện áp xoay chiều có tính chất như điện áp lưới: trạng thái khơng tải là
cho phép cịn trạng thái ngắn mạch tải là sự cố (hình 1.9.b).
+ Nghịch lưu độc lập dịng điện, cho phép biến nguồn dòng một chiều thành
nguồn dòng điện xoay chiều
+ Nghịch lưu cộng hưởng, có đặc điểm khi hoạt động ln hình thành một mạch
vịng

Hình 1.9. Nghịch lưu độc lập nguồn áp
Sinh viên thực hiện: Phí Thành Long

13


Thiết kế hệ thống điều khiển cho bộ nghịch lưu nguồn UPS

Tải của nghịch lưu độc lập là thiết bị điện xoay chiều và có thể là một pha hay
ba pha, do đó nghịch lưu độc lập cũng được chế tạo hai dạng nghịch lưu độc lập một
pha và nghịch lưu độc lập ba pha.
Van bán dẫn sử dụng trong nghịch lưu độc lập phụ thuộc loại nghịch lưu:
Với nghịch lưu độc lập điện áp, van hoạt động dưới tác động của sức điện động
một chiều E, điều này tương tự như van trong băm xung một chiều, vì vậy thích
hợp phải là van điều khiển hồn tồn: các loại transistor BJT, MOSFET, IGBT

hay GTO.
 Với nghịch lưu độc lập dòng điện và nghịch lưu độc lập cộng hưởng, do tính
chất mạch cho phép ứng dụng tốt van bán điều khiển thyristor nên chúng
thường được dùng.
Nghịch lưu độc lập điện áp 3 pha địi hỏi nguồn một chiều có độ đập mạch nhỏ
và ổn định, vì vậy thường dùng chỉnh lưu điốt với khâu lọc một chiều kiểu C hoặc lọc
LC chỉnh lưu điều khiển ít dùng đo độ đập mạch điện áp xấu đi nhiều (tăng mạch) khi
điều chỉnh giảm điện áp một chiều.


- Với cấu trúc này, mạch điều khiển chỉ tác động duy nhất vào khối nghịch lưu độc lập
điện áp để đảm bảo cả yêu cầu về tần số và điện áp ra tải, do đó mạch điều khiển khá
phức tạp. Với tải công suất trung bình và lớn phải dùng chỉnh lưu cầu nhiều pha:
m2 = 6;12; ... để vừa giảm hệ số đập mạch và không cần tụ lọc lớn, vừa cải thiện đáng
kể hệ số méo của dòng điện tiêu thụ từ lưới xoay chiều.
- Với tải công suất không lớn, nhiệm vụ điều chỉnh và ổn định điện áp ra có thể thông
qua điều khiển điện áp một chiều bằng cách đưa thêm vào bộ băm xung một chiều sau
chỉnh lưu điốt và lọc. Đơi khi băm xung một chiều cịn dùng để tăng điện áp (băm
xung kiểu song song) cho trường hợp nguồn xoay chiều thấp hơn giá trị cần có.
Để tạo ra hệ điện áp xoay chiều ba pha từ nguồn sức điện động E cần sử dụng
ba nhóm van đấu theo mạch cầu, điểm giữa mỗi nhánh van thẳng hàng là điểm nối với
phụ tải ba pha đấu sao hoặc tam giác. Sơ đồ có thể điều khiển bằng hai luật dẫn van
khác nhau:
• Góc dẫn van = , luật điều khiển này giống trong nghịch lưu độc lập một phakhi hai van một nhánh thay nhau dẫn trong chu kỳ.
• Góc dẫn van = , trong luật này hai van khơng thay nhau dẫn mà có một đoạn
nghỉ 60 giữa chúng.
Đặc điểm khác hẳn của NLĐL ba pha so với một pha ở chỗ điện áp ra tải phụ
thuộc cả vào luật điều khiển, các phụ tải và thậm chí cả tính chất tải. Do sự đa dạng
này nên sau đây chỉ chỉ có thể đề cập đến một trường hợp thông dụng làm cơ sở cho
các phân tích tính tốn khác.

Nghịch lưu độc lập ba pha tải đấu sao, luật điều khiển
Các đặc điểm chính:
Sinh viên thực hiện: Phí Thành Long

14


Thiết kế hệ thống điều khiển cho bộ nghịch lưu nguồn UPS

Với các điều khiển này có đặc điểm hoạt động như sau: ở từng nửa chu kỳ trong
mỗi nhánh van thẳng hàng chỉ có 1 van: nếu van lẻ dẫn thì pha tải đó nối với cực
dương của nguồn E, nếu van chẵn dẫn thì pha tải nối với cực âm của nguồn E. Ở bất
cứ thời điểm vào cũng có 3 van dẫn làm cho mạch có hai pha tải đấu song song nhau
(do hai van dẫn của cùng nhóm lẻ hoặc chẵn nhưng khác pha), rồi nối tiếp với van thứ
3 thuộc nhóm kia. Do đó 2 pha đấu song song nhận được E/3 và pha còn lại 2E/3, vì
vậy điện áp pha tải sẽ có dạng bậc thang và lệch nhau 120 điện.

Hình 1.10. Sơ đồ mạch lực NLĐL nguồn áp 3 pha 180
• Van lý tưởng, đóng mở thì.
Nguồn có nội trở nhỏ vơ cùng và dẫn điện theo hai chiều.
• Van động lực cơ bản (T1, T2, T3, T4, T5, T6) làm việc với độ dẫn điện = 180.
• Za = Zb = Zc.
Các điốt: D1, D2, D3, D4, D5, D6, làm chức năng trả năng lượng về nguồn. Tụ
C đảm bảo nguồn là nguồn áp và để tiếp nhận năng lượng phản kháng từ tải.
Để đảm bảo tạo ra điện áp ba pha đối xứng, luật dẫn diện của các van phải tuân
theo đồ thị như dưới. Như vậy:
 T1 và T4 dẫn điện lệch nhau 180° và tạo ra pha A
 T3 và T6 dẫn điện lệch nhau 180° để tạo ra pha B
 T5 và T2 dẫn điện lệch nhau 180° để tạo ra pha C
Các pha lệch nhau 120.

Dạng điện áp trên tải được xây dựng như sau:
• Trong khoảng 0 ÷ t1; T1 T6 T5 dẫn, sơ đồ thay thế có dạng như hình 1.11. Từ
sơ đổ thay thế ta thấy UZA= E/3.
Sinh viên thực hiện: Phí Thành Long

15


Thiết kế hệ thống điều khiển cho bộ nghịch lưu nguồn UPS

Hình 1.11. Sơ đồ thay thế khi T1, T6, T5 dn

ã Trong khong t1 ữ t2: T1 T2 T6 dẫn, sơ đồ thay thế có dạng như ở hình 1.12;
UZA=2E/3

Hình 1.12. Sơ đồ thay thế khi T1, T2, T6 dn

ã Trong khong t2 ữ t3; T1 T2 T3 dn, sơ đồ thay thế có dạng như ở hình 1.13;
UZA= E/3

Hình 1.13. Sơ đồ thay thế khi T1, T2, T3 dẫn
Giá trị hiệu dụng của điện áp pha là:
U pha 

Suy ra:

1
2

U A (t ) 

2
E sin .t
3

U B (t ) 

2
E sin(.t  120o)
3

Sinh viên thực hiện: Phí Thành Long

2

�U
0

2
pha

( )d 

2
E
3

16

Thiết kế hệ thống điều khiển cho bộ nghịch lưu nguồn UPS
U c (t ) 

2
E sin(.t  120o)
3

Giá trị của tụ C được tính theo biểu thức:
C

E.T 1
(1  2 ln 2)
3Rt U c

Hình 1.14. Đồ thị điện áp NLĐL 3 pha tải đấu sao và = 180
Điện áp các pha B và C chỉ khác nhau về góc pha, còn điện áp dây lớn gấp lần
điện áp pha và cũng dịch pha 120 như hệ ba pha thông thường. Sóng hài thấp nhất
(LOH) là bậc 5 mà khơng phải bậc 3 như nghịch lưu 1 pha.
Với tải RL dòng điện tải biến thiên theo quy luật hàm mũ, có ba đoạn khác nhau
Điểm đặc biệt của sơ đồ này là ở chỗ mặc dù tải có điện cảm, nhưng nếu tải có hệ số
cơng suất thì năng lượng của điện cảm chỉ trao đổi giữa các pha tải mà khơng trả về
nguồn và dịng nguồn khơng đảo chiều. Chỉ khi dòng điện mới đảo chiều, nguồn mới
nhận năng lượng từ điện cảm tải và cần phải có tụ điện nhận năng lượng này nếu
nguồn một chiều là bộ chỉnh lưu. Quy luật biến thiên dòng điện tải còn phức tạp hơn
Sinh viên thực hiện: Phí Thành Long

17


Thiết kế hệ thống điều khiển cho bộ nghịch lưu nguồn UPS

nhiều của mạch một pha vì có tới 3 giai đoạn khác nhau, vì vậy để đơn giản cần áp
dụng phương pháp sóng hài cơ bản.
Khai triển Fourier cho phổ sóng hài điện áp pha A:
�

ua (t )  �k 1,3,5,...

4E
k
cos( ) sin kt
6
k 3

Có biên độ sóng hài cơ bản (q=1):
U lm 

2
E


Từ đây các tính tốn tiến hành tương tự như với nghịch lưu điện áp một pha:
it (t )  I m sin(t   ) 

Trong đó:

U lm
sin(   )
z

z  Rt2  ( Lt )2

Dịng trung bình qua các van:
ID 

I lm
I
(1  cos  ); I tr  lm (1  cos  )
2
2

Điện áp các van phải chịu khi hoạt động bằng nguồn E. Dịng tiêu thụ từ nguồn E có
trị số:

 Rt
3 X L1 1  a 2
2 E
a

exp(

)
IE 
(1 
)
3 X Lt
3 Rt
2 Rt 1  a  a 2 , ở đây:
Dạng điện áp đầu ra hình 1.5 có giá trị hiệu dụng tổng bằng E/3, nên hệ số méo tổng
bằng:

�

THD 

�

k 2

U1

U k2



U ra2  U12
( 2 E / 3) 2  ( RE /  ) 2

�0.44
U1
2E / 

Tương ứng THD% = 44%
Như vậy là hệ số THD của nghịch lưu điện áp ba pha tốt hơn THD của loại một pha.

1.3.2.Tụ điện một chiều
Nếu nguồn một chiều là chỉnh lưu, cần mắc tụ điện để nhận năng lượng từ điện
cảm tải trả về khi hệ số cos<0.528, trị số tụ điện này có giá trị lớn nhất bằng
Cmax 

E

E
EL
(2 ln 2  1) �0.13   0.13 2 t
3Rt U c
Rt U c
Rt U c

Sinh viên thực hiện: Phí Thành Long

18


Thiết kế hệ thống điều khiển cho bộ nghịch lưu nguồn UPS

Nếu lấy theo thơng thường Uc= 0.1E; có biểu thức đơn giản
Cmax  1.3

Lt
Rt2

1.3.3. Bộ lọc đầu ra

Hình 1.15. Sự phụ thuộc hệ số sóng hài vào tham số
Về nguyên tắc, bộ lọc thụ động chỉ có thể là các phần tử đấu nối tiếp hay song
song tải với các tổng trở Znt và Z// như hình 1.16.a. từ đây có thể thấy nguyên lý
chung để thực hiện lọc là:
Phần tử mắc nối tiếp với tải (hình 1.16.b) hình thành một bộ chia áp theo tỉ lệ tương
quan tổng trở giữa chúng, tổng trở nào lớn thì điện áp trên nó cũng lớn, bởi vậy cần:
Với tần số sóng hài cơ bản mong muốn Znt << Ztải, và tốt nhất Znt =0 (cộng
hưởng), lúc đó tồn bộ sóng cơ bản được đưa ra tải hông tổn thất ở khâu lọc.

Với các thành phần bậc cao thì ngược lại Znt >> Ztải để điện áp với các tần số
này rơi chủ yếu ở Znt tức là được giữ lại ở khâu lọc.
Với phần tử mắc song song với tải (hình 1.16.c) hình thành một bộ chia dịng
theo tỉ lệ tương quan giữa chúng, tổng trở nào càng nhỏ thì dịng chính rẽ nhánh qua
nó càng nhiều, vì vậy cần:

a. Lọc 2 mắt cộng hưởng
b. Lọc 1 mắt cộng hưởng nối tiếp
c. Lọc LC
Hình 1.16. Các bộ lọc tần cho nghịch lưu độc lập điện áp
Sinh viên thực hiện: Phí Thành Long

19


Thiết kế hệ thống điều khiển cho bộ nghịch lưu nguồn UPS

1.2.3. Cải thiện điện áp ra cho nghịch lưu độc lập điện áp
a. Các phương pháp cải thiện điện áp ra
Điện áp sau mạch van của nghịch lưu độc lập điện áp nhìn chung có dạng xung
mà trong đó chỉ có một phần sóng hài cơ bản là hình sin với tần số mong muốn. Nếu
phải khơng có địi hỏi về dạng áp ra hình sin sẽ khơng cần quan tâm kỹ lưỡng đến bộ
lọc. Dùng bộ lọc tần số thụ động. Đây chính là khối lập đầu ra đã trong đó có xảy ra
các nhược điểm cơ bản của bộ luật này.
Phương pháp cộng điện áp nhiều nghịch lưu độc lập với góc pha lệch nhau hoặc
tần số khác nhau.
Phương pháp điều chế PWM: điều chế hình sin (SPWM), và điều chế vector (VPWM).
b. Khâu lọc chặn tần số sóng mang
Như đã thấy trong phổ sóng hải thì biên độ lớn nhất là bậc tương ứng tần số
sóng mang, tần số này lại thường lớn nên gây ảnh hưởng mạnh đến tài, đặc biệt với

động cơ điện có thể gây quá áp tại đầu cực động cơ có khả năng đánh thủng cách điện
làm hỏng động cơ. Để chống hiện tượng này phải triệt sóng hài này bằng khẩu lọc
chặn tấn hình 4.21%, thực chất đây là mắt lọc cộng hưởng song song với tần số:
f 

1
2 LchCch

Mô đun tổng trở ở tần số cơ bản có trị số bằng:
Z

+
+
+
+

 Lch
 LchCch  1
2

Tính sụt áp cho phép trên điện cảm Lịch ở tần số cơ bản
Xác định điện cảm La
Tính tụ điện theo
Kiểm tra tổng trở ở tần số cơ bản

Phương pháp tính tốn:
1. Khâu lọc chặn tần LchCch
2. Khâu lọc RLC như sau:
a. Tính điện cảm L theo độ đập mạch dòng điện cho phép.
0.125.E

L
iL f m
Trong đó fm là tần số sóng mang (tần số chuyển mạch van).

Sinh viên thực hiện: Phí Thành Long

20


Thiết kế hệ thống điều khiển cho bộ nghịch lưu nguồn UPS

b. Tính điện dung C theo điều kiện chống dao động với điện cảm tải(Lₜ)
1
C�
2 f t Lt

Trong đó ft là tần số hoạt động của mạch điều khiển, thường lấy cỡ 1kHz (tương
ứng độ tác động của mạch điều khiển là 1 ms).
c. Tính điện trở R theo điều kiện dập
R2

L
C

1.2.4. Phương pháp điều chế sin PWM
Phương pháp điều xung PWM (Pulse Width Modulation) là phương pháp điều
chỉnh điện áp ra tải, hay nói cách khác, là phương pháp điều chế dựa trên sự thay đổi
độ rộng của chuỗi xung vuông, dẫn đến sự thay đổi điện áp ra.
Các PWM khi biến đổi thì có cùng 1 tần số và khác nhau về độ rộng của sườn
dương hay sườn âm.

Phương pháp PWM tuy cho phép giảm đáng kể phổ sóng hài ở điện áp ra,
nhưng địi hỏi van phải làm việc được với tần số đóng/ngắt cao, tổn thất chuyển mạch
do đó cũng lớn, mặt khác biên độ sóng hài cơ bản bị giảm đi, tức là khơng tận dụng hết
khả năng của nguồn E.
Để khắc phục các nhược điểm này, một số nghịch lưu chỉ để vân hoạt động với
số lượng chuyển mạch rất thấp trong một khoảng dẫn, thường dưới 10 lần. Phương
pháp này sẽ phù hợp khi sử dụng các van khơng có khả năng làm việc ở tần số cao như
GTO, IGBT hay thyristor (có kèm chuyển mạch cưỡng bức). Hình 1.11 là một số cách
thực hiện điều khiển van theo phương pháp này với điện áp ra hai cực tính và một cực
tính.
Với điều khiển ở hình 1.11a mỗi van chỉ thêm một lần chuyển mạch trong phạm
vi một nửa chu kỳ, điện áp ra hai cực tính và phân tích cho thấy biên độ phổ sóng hài
là:

U m (q ) 

4E �
� (2 cos q  1)
q q 1,3,5,..

HF (q ) 

U (q ) 2cos q  1

U1
q (2cos   1)

Hệ số sóng hài:
Bằng cách chọn góc có thể loại trừ được một thành phần sóng hài khơng mong
muốn.

Sinh viên thực hiện: Phí Thành Long

21


Thiết kế hệ thống điều khiển cho bộ nghịch lưu nguồn UPS

Hình 1.17. Cải thiện điện áp ra bằng băm xung chọn lọc trong khoảng dẫn
Ưu điểm của sơ đồ chính là ở sự độc lập của các pha nên không sợ hiện tượng
mất đối xứng giữa các pha tải. Nhược điểm ở chỗ cần phải tạo ra nguồn luôn được giữ
được giá trị bằng nhau với mọi sự biến động trong hệ thống là điều khó thực hiện và so
với sơ đồ cầu thì van chịu điện áp cao gấp đơi. Mặt khác loại này chỉ có thể ứng dụng
cho tải đấu sao khi dây trung tính tải đưa được ra ngoài.
 Phương pháp điều chế sin PWM một pha
Nguyên tắc của sin PWM là trong một khoảng dẫn của van, transistor khơng dẫn
liên tục mà đóng cắt rất nhiều lần với độ rộng xung dẫn bám theo giá trị tức thời của
hình sin có tần số bằng sóng hài cơ bản.
Người ta dùng xung tam giác tần số cao (sóng mang) để so sánh với điện áp hình sin
(sóng điều chế), điểm cắt nhau giữa hai điện áp này là điểm chuyển đổi trạng thái của
hai cặp van cho nhau. Điện áp ra khơng chỉ cịn hai xung chữ nhật với biên độ +E hay
-E mà là một dãy xung có độ rộng biến thiên theo quy luật của sóng điều chế hình sin.
Trong nghịch lưu của dụng phương pháp PWM (Pulse Width Modulation) ta có hai
phương pháp nghịch lưu:
- Nghịch lưu PWM đơn cực
- Nghịch lưu PWM lưỡng cực
Hai phương pháp trên có những ưu điểm và nhược điểm nhất định, để lựa chọn
được một phương pháp PWM thích hợp ta phải tiến hành phân tích ưu nhược điểm của
từng loại.

Sinh viên thực hiện: Phí Thành Long

22


Thiết kế hệ thống điều khiển cho bộ nghịch lưu nguồn UPS

Hình 1.18. Điều chế PWM hai cực tính
Nếu điện áp đầu ra sau mỗi lần đóng ngắt van ln tồn tại cả hai dấu ±E thì
được gọi là điều chế hai cực tính.

Hình 1.19. Điều chế PWM một cực tính
Sinh viên thực hiện: Phí Thành Long

23


Thiết kế hệ thống điều khiển cho bộ nghịch lưu nguồn UPS

Nếu điện áp đầu ra ở suốt nửa chu kỳ chỉ có một dấu (+E hoặc -E) thì được gọi
là điều chế một cực tính.
Hiệu quả giảm sóng hài bậc cao của PWM phụ thuộc vào hai hệ số:
- Hệ số biên độ:
ma =Umdc/Umc (ma ≤ 1) là tỉ số giữa biên độ điện áp sóng điều chế U mdc và biên độ điện
áp sóng mang Umc.
(nếu ma > 1 gọi là quá điều chế làm giảm chất lượng điện áp ra)
- Hệ số tần:
mf = fc/fdc là tỉ số giữa tần số sóng mang fc và tần số điện áp điều chế fdc.
(tần số sóng mang fc bằng tần số chuyển mạch fsw)
Quá trình tạo ra điện áp điều biến trên một pha là sự phối hợp chuyển mạch của

một số van đóng cắt trên các kênh khác nhau. Điện áp ra là sự tổng hợp điện áp của hai
pha. Q trình đóng cắt thì biên độ điện áp pha bằng Ud/2. Điện áp pha bao gồm cả
phần âm và phần dương có biên độ bằng nhau. Điện áp dây có biên độ bằng Ud.
Trong phương pháp điều khiển này khơng có phần điện áp bằng khơng của tải
trong q trình hoạt động, hay nói cách khác, điện áp nguồn điện một chiều luôn được
đặt lên tải. Quá trình suy giảm của dịng tải có thể điều khiển được bằng xung âm.

Sinh viên thực hiện: Phí Thành Long

24


Thiết kế hệ thống điều khiển cho bộ nghịch lưu nguồn UPS

Chương 2: TÍNH TỐN THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN

2.1. Nguyên tắc điều khiển nghịch lưu
Sơ đồ cấu trúc của mạch điều khiển nghịch lưu trên hình 2.1 gồm các khâu với
chức năng cụ thể là:
 Phát xung chủ đạo, để tạo tín hiệu đồng bộ cho tồn bộ hệ thống và có tần số tỉ
lệ với sóng hài cơ bản của điện áp ra.
 Bộ phân phối các tín hiệu xung vào từng van lực riêng biệt theo đúng thứ tự làm
việc của chúng theo nguyên lý hoạt động.
 Khâu xác định khoảng dãn cho các van thực hiện theo phương pháp điều khiển
cụ thể.
 Bộ khuếch đại xung: tăng đủ cơng suất để đóng/mở van lực.

Hình 2.1. Cấu trúc điều khiển nghịch lưu độc lập điện áp
2.2. Cấu trúc tổng quát mạch điều khiển
Để thực hiện phương pháp PWM hợp lý nhất là sử dụng kĩ thuật số, nhất là khi

tần số ra phải thay đổi trong phạm vi rộng, lúc đó mạch điều khiển được đồng bộ hóa
nhờ xung nhịp chung cho tồn hệ thống và các chức năng điều khiển thực hiện đơn
giản hơn bằng chương trình phần mềm. Tuy nhiên đây là vấn đề lớn và khơng thể trình
bày chi tiết trong khn khổ có hạn của bài viết. Vì vậy dưới đây chỉ đề cập nguyên lý
PWM sử dụng kỹ thuật tương tự và hạn chế ở nghịch lưu với tần số ra không đổi để
làm rõ nguyên tắc điều khiển chung. Sơ đồ cấu trúc điều khiển mạch SPWM hai cực
tính có dạng như hình

Sinh viên thực hiện: Phí Thành Long

25