Kỹ Thuật Điều Khiển Vector Cho Bộ Nghịch Lưu Áp Đa Bậc Kỹ Thuật Điều Khiển Vector Cho Bộ Nghịch Lưu Áp Đa Bậc.pdf

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

LUẬN VĂN THẠC SĨ
TRẦN DŨNG

KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VECTOR CHO
BỘ NGHỊCH LƯU ÁP ĐA BẬC

NGÀNH: THIẾT BỊ MẠNG VÀ NHÀ MÁY ĐIỆN - 605250

S KC 0 0 0 4 5 5

Tp. Hồ Chí Minh, tháng 08 năm 2005


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
*****

LUẬN VĂN THẠC SĨ
TRẦN DŨNG

KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VECTOR
CHO BỘ NGHỊCH LƯU ÁP ĐA BẬC

Chuyên ngành : THIẾT BỊ MẠNG & NHÀ MÁY ĐIỆN
Mã số ngành : 60 52 50

Tp. Hồ Chí Minh, tháng 08 naêm 2005


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
*****

LUẬN VĂN THẠC SĨ

KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VECTOR
CHO BỘ NGHỊCH LƯU ÁP ĐA BẬC

Chuyên ngành : THIẾT BỊ MẠNG & NHÀ MÁY ĐIỆN
Mã số ngành
: 60 52 50

Họ và Tên học viên : TRẦN DŨNG
Người hướng dẫn
: TS. NGUYỄN VĂN NHỜ

Tp. Hồ Chí Minh, tháng 08 naêm 2005


CÔNG TRÌNH ĐƯC HOÀN THÀNH TẠI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

Cán bộ hướng dẫn khoa học: TS. NGUYỄN VĂN NHỜ

Cán bộ chấm nhận xét 1 :

Cán bộ chấm nhận xét 2 :
Luận văn thạc só được bảo vệ tại :
HỘI ĐỒNG CHẤM BẢO VỆ LUẬN VĂN THẠC SĨ TRƯỜNG
ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

Tp. Hồ Chí Minh, ngày . . . tháng . . . năm 2005.


Bộ Giáo Dục & Đào Tạo
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
-------------------

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc Lập – Tự Do – Hạnh Phúc
----------------------

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ và tên học viên : Trần Dũng
Phái
: Nam
Ngày, tháng, năm sinh : 05 – 05 – 1975
Nơi sinh : Quảng Trị
Chuyên ngành : Thiết bị mạng &nhà máy điện Mã số : 60 52 50

TÊN ĐỀ TÀI : KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VECTOR CHO BỘ
NGHỊCH LƯU ÁP ĐA BẬC
II_ NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG

Thực hiện đầy đủ nội dung, đúng tiến độ được yêu cầu và đã thông qua
khi bảo vệ đề cương với các chương như sau:
1/ Tổng quan về đề tài, lý do chọn đề tài
2/ Giới thiệu về bộ nghịch lưu đa bậc và các kỹ thuật điều chế nói chung
3/ Phân tích các kỹ thuật điều chế PWM : kỹ thuật điều chế sóng mang, kỹ thuật
điều chế vector không gian, kỹ thuật triệt tiêu sóng hài chọn lọc.
4/ Trình bày kỹ thuật điều khiển vector và cải tiến về điều khiển vector.
5/ Mô phỏng mô hình tóan học bằng phần mềm PSIM và C++.
6/ Phân tích, đánh giá kết quả mô phỏng, một số đề xuất
7/ Kết luận, hướng phát triển trong tương lai.
III_ NGÀY GIAO NHIỆM VỤ:
15 – 02 – 2005
IV_ NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: ____________________________________
V_ CÁN BỘ HƯỚNG DẪN : TS. NGUYỄN VĂN NHỜ
VI_ CÁN BỘ CHẤM NHẬN XÉT 1 :
______________________________________________________________________
VII_ CÁN BỘ CHẤM NHẬN XÉT 2 :
______________________________________________________________________
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

CÁN BỘ NHẬN XÉT 1

CÁN BỘ NHẬN XÉT 2

Nội dung và đề cương luận văn thạc só đã được Hội Đồng Chuyên Ngành thông qua.
Ngày

tháng
năm 2005
TRƯỞNG PHÒNG QLKH – SĐH
CHỦ NHIỆM NGÀNH



LỜI CẢM ƠN
---o0o---

Tôi xin gởi lời cảm ơn chân thành đến TS. Nguyễn Văn Nhờ đã tận
tình, hướng dẫn tôi để hoàn thành luận văn này. Tôi cũng xin cảm ơn Q
thầy, cô và phòng Quản Lý Khoa Học – Sau Đại Học trường Đại học Sư
Phạm Kỹ Thuật Tp.HCM, Q thầy, cô bộ môn Hệ Thống Điện trường Đại
Học Bách Khoa Tp.HCM, Các anh, chị quản lý phòng máy tính khoa Điện
– Điện tử đã tạo mọi điều kiện thuận lợi cho tôi trong quá trình học tập và
hoàn thành luận văn.
Cuối cùng, tôi xin tỏ lòng biết ơn đến gia đình, bạn bè và đồng
nghiệp đã động viên và tạo điều kiện cho tôi rất nhiều trong quá trình học
tập và thực hiện luận văn này cũng như trong việc tìm kiếm thông tin và
các tài liệu khác có liên quan.

Tp. Hồ Chí Minh, ngày 24 tháng 08 năm 2005
Học viên

Trần Dũng


MỤC LỤC
PHẦN A : MỤC LỤC

Trang
PHẦN B : NỘI DUNG
CHƯƠNG I :
GIỚI THIỆU VỀ BỘ NGHỊCH LƯU ÁP ĐA BẬC VÀ CÁC

KỸ THUẬT ĐIỀU CHẾ NÓI CHUNG
1.1

TỔNG QUAN

1

1.1.1 Tính cần thiết phải nghiên cứu kỹ thuật điều khiển cho
bộ nghịch lưu đa bậc nói chung .
1.1.2 Ưu điểm của nghịch lưu áp đa bậc nói chung.

2

1.1.3 Ưu điểm tiên đóan ban đầu của kỹ thuật SVC theo hướng đề xuất. 2

1.1.4 Một số hạn chế chưa được khảo sát theo kỹ thuật đã đề xuất.

3

1. 2

3

GIỚI THIỆU MỘT SỐ CẤU TRÚC CỦA BỘ NGHỊCH LƯU
ĐA BẬC

1.2.1 Giới thiệu về bộ nghịch lưu áp nói chung
1.2.2 Một số cấu trúc cơ bản của mạch động lực trong bộ nghịch

lưu áp đa bậc.
1.2.2.1 Cấu trúc nghịch lưu dạng Cascade ( cascade inverter )
1.2.2.2 Cấu Trúc Nghịch Lưu Chứa Cặp Diode kẹp
( Neutral Point Clamped Multilevel Inverter – NPC ).

4

1.2.2 3 Cấu Trúc Nghịch Lưu dùng tụ kẹp
(Capacitor-Clamped Multilevel Inverter) .

6

1.3 CÁC KỸ THUẬT ĐIỀU CHẾ NÓI CHUNG

7

1.3.1 Quy Trình Đóng Ngắt của các linh kiện công suất trong
bộ nghịch lưu áp đa bậc.
1. 3.1.1 Tổng Quát.
1.3.1.2 Trạng Thái Đóng Ngắt Bộ Nghịch Lưu p Ba Bậc

8


1.3.1.3 Trạng Thái Đóng Ngắt Bộ Nghịch Lưu p Năm Bậc

9

1.3.2 Phân loại các kỹ thuật điều chế nói chung

10

1.3.3 Một số chỉ tiêu để đánh giá kỹ thuật PWM của bộ nghịch lưu

11

CHƯƠNG II : PHÂN TÍCH CÁC KỸ THUẬT PWM
2.1

GIỚI THIỆU

14

2. 2

KỸ THUẬT ĐIỀU CHẾ DÙNG SÓNG MANG

14

2.2.1 Các dạng sóng sóng mang dùng trong kỹ thuật điều chế PWM

15

2.2 2 Mô phỏng và phân tích bộ nghịch lưu áp ba bậc

17

2.2.3 Mô Phỏng Bộ Nghịch Lưu ÁP 5 Bậc

20

2.3 PHƯƠNG PHÁP TRIỆT TIÊU SÓNG HÀI CHỌN LỌC.

23

2.4 PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHẾ VECTOR KHÔNG GIAN.

26

2.4.1 Vector Không Gian Của Bộ Nghịch Lưu p Đa Bậc
2.4.1.1 Khái niệm vector không gian
2.4.1.2 Vector không gian của bộ nghịch lưu áp đa bậc

27

2.4.2 Giản đồ vector điện áp bộ nghịch lưu ba bậc
2. 4.3 Giản đồ vector điện áp bộ nghịch lưu năm bậc

29

2. 5 MỘT SỐ NHẬN XÉT VỀ PHƯƠNG PHÁP VÀ KỸ THUẬT
CỦA CPWM , SVPWM , SHE .

31

CHƯƠNG III

KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VECTOR (SVC) VÀ CẢI TIẾN KỸ THUẬT

SVC .
3.1

KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VECTOR
( SVC : Space Vector Control )

3.1.1 Giới thiệu

34

3.1.2 Kỹ thuật điều khiển vector
3.2

KỸ THUẬT SVC CẢI TIẾN THEO HƯỚNG ĐỀ XUẤT

CỦA ĐỀ TÀI.
3. 2 .1 Xây dựng mô hình toán học

38


3.2.2 Các hàm toán học dựa trên mối tương quan của hai
phương pháp SVPWM và CPWM .

42

3.2 .2.1 Định nghóa hàm Max, Mid, Min, Interger .
3.2 .2 .2. Khối hàm Offset cực trị (Extreme Offset).

43

3. 2 .2 .3 Hàm S để xác định K1, K2 , K3
3.3 GIẢI THUẬT THEO PHƯƠNG PHÁP ĐỀ XUẤT

45

3.4 VIẾT CHƯƠNG TRÌNH CHO CÁC KHỐI TRONG
GIẢI THUẬT TRÊN

45

3.4.1 Chương trình cho khối tìm cực trị.
3.4.2 Chương trình cho khối logic bao gồm hàm fmax ,và fmin

3.4.3 Hàm S được thiết lập trực tiếp bằng logic trên PSIM .
3.4.4 Các hàm của Pa10 , Pb10 , Pc10 được thiết lập trực tiếp bằng
logic trên PSIM .
3.4.5 Chương trình của khối chính được viết chương trình trên
phần mềm C++ sau đó đưa vào khối DLL (ở phụ lục 4.3)
3.5

SƠ ĐỒ MẠCH MÔ PHỎNG VÀ KẾT QUẢ MÔ PHỎNG.

47

3.5.1 Sơ đồ mạch mô phỏng
3.5.1.1 Mạch mô phỏng bộ nghịch lưu ba bậc

48

3.5.1.2 Mạch mô phỏng bộ nghịch lưu ba bậc

49

3.5.2 Kết quả mô phỏng

50

3.5.3 Phân tích và nhận xét về tính ưu việt của bộ nghịch lưu đa bậc.

57

3.5.4 Phân tích kết quả mô phỏng giữa tỉ số điều chế m và tổng méo hài
THD trên các pha của bộ nghịch lưu 5 bậc dùng cấu trúc diode kẹp.

57

3.5.5 Mô phỏng bộ nghịch lưu áp 5 bậc với tải là động cơ

59

3.5.5.1

Mô phỏng bộ nghịch lưu áp 5 bậc với tải là động cơ

61

3.5.5.2

Dạng sóng Vf mô phõng ở hình 3.30

62

3.5.5.3

Nhận xét về kết quả mô phỏng ở muïc 3.5.5.1

62


PHẦN C
4. KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI

63

4.1 Kết luận

63

4.2 Đề xuất theo hướng phát triển của đề tài

64

PHẦN D
PHỤ LỤC
Tài liệu thao khảo
Lý lịch trích ngang

CHƯƠNG 1

GIỚI THIỆU VỀ BỘ NGHỊCH LƯU ÁP ĐA BẬC VÀ CÁC KỸ
THUẬT ĐIỀU CHẾ NÓI CHUNG
1.1 TỔNG QUAN
1.1.1 Tính cần thiết phải nghiên cứu kỹ thuật điều khiển cho bộ nghịch lưu
đa bậc nói chung .
Trong những năm gần đây, các bộ nghịch lưu nói chung đã được ứng dụng
rất phổ biến. Chúng đóng vai trò quan trọng trong nhiều lónh vực như :
1) Điều khiển động cơ AC.
2) Bộ nguồn dự trữ AC (UPSs –Uninterruptible Power Supplies).
3) Sự nung cảm ứng.
4) Dùng làm nguồn phát điện AC mà năng lượng đầu vào từ mặt trời, khí
đốt...
5) Dùng trong bộ lọc tích cực, bộ lọc hài hay bộ bù SVC.
6) Khi nhà máy điện chạy bằng năng lượng gió, hay lượng mặt trời...
đang được quan tâm như hiện nay thì nhất thiết phải có bộ nghịch lưu
nhằm chuyển đổi điện áp một chiều thành xoay chiều ba pha.
7) Khi chế tạo các bộ biến tần chắc chắn bộ phận nghịch lưu không thể
thiếu.
8) Đặt biệt có nghóa quan trọng khi kỹ thuật truyền năng lượng điện bằng
hệ thống HVDC (High Voltage Direct Current) phát triển toàn cầu.
Mặt khác, bộ nghịch lưu áp hai bậc (xem phụ lục 1) có nhược điểm điện áp
ở ngỏ ra cung cấp cho cuộn dây động cơ với độ dốc ( dv/dt ) khá lớn và gây ra
một số vấn đề khó khăn bởi tồn tại trạng thái khác zero của tổng điện thế từ các
pha đến tâm nguồn DC (hiện tượng common-mode voltage). Thêm vào đó, bộ
nghịch lưu hai bậc chỉ dùng rộng rãi trong phạm vi công suất vừa và nhỏ. Nhưng
xu hướng hiện nay, trong công nghiệp đòi hỏi sử dụng các hệ thống điện áp cao

(2.3kv, 3.3kv, 4.16kv, 6.9kv...), công suất lớn (từ MW trở lên ). Do đó bộ nghịch
lưu áp đa bậc được nghiên cứu và phát triển để giải quyết các vấn đề gây ra nêu
trên của bộ nghịch lưu áp hai bậc [1].
Song tính mâu thuẩn của vấn đề về bộ nghịch lưu có công suất lớn và chất
lượng điện áp ở ngỏ ra cao, ít hài thì nhất thiết cấu trúc của bộ nghịch lưu phải là
bộ nghịch lưu đa bậc (hình 1.1, hình 1.2). Khi chúng ta dùng cấu trúc đa bậc sẽ
kéo theo kỹ thuật điều khiển khó khăn, giải thuật phức tạp.
Theo tạp chí IEEE, IEE đã đề cập rất nhiều kỹ thuật điều chế cho bộ nghịch lưu
áp đa bậc như :
- Kỹ thuật điều chế dùng sóng mang (Carrier based PWM ) [2,3,4]

Trang 1


[ 5,6,7]
-

Kỹ thuật điều chế dùng vector không gian (Space Vector PWM )

Kỹ thuật triệt tiêu các sóng hài chọn lọc (SHE- Selective Harmonic
Elimination )[8,9]
- Kỹ thuật điều khiển vector (SVC- Space Vector Control) bằng cách tra
bảng [10,11]
Những kỹ thuật điều chế nêu trên liên quan đến kỹ thuật đề xuất. Thông qua kết
quả nghiên cứu của những chuyên gia của tạp chí IEEE, IEE cho ta nhận xét
rằng : mỗi kỹ thuật mà tác giả đưa ra đều tập trung khắc phục một số chỉ tiêu
như :
1) Tổng méo hài (THD) thấp.
2) Tăng tỷ số điều chế.
3) Khử sóng hài bậc cao.

3) Giảm tối đa tổn thất .
4) Giảm độ nhấp nhô dòng hài.
5) Tối ưu giải thuật điều khiển, dễ thực hiện và mang tính tổng quát
cao.
Song mỗi kỹ thuật khó có thể đạt được hết các chỉ tiêu nêu trên.
Khi điện áp nghịch lưu ra không đảm bảo chất lượng điện năng tốt sẽ gâ y
ra một số vấn đề như : tổn hao đồng trong máy điện tăng, tiếng ồn, gây công
hưởng hài với tải hay làm động cơ lão hóa nhanh....
1.1.2 Ưu điểm của nghịch lưu áp đa bậc nói chung.
1) Công suất của bộ nghịch lưu áp đa bậc là rất lớn (từ MW trở lên ).
2) Điện áp đặt trên linh kiện bị giảm xuống nên công suất tổn hao do
quá trình đóng ngắt của linh kiện cũng giảm theo.
3) Với cùng tần số đóng ngắt, các thành phần sóng hài bậc cao của
điện áp ra giảm nhỏ hơn so với trường hợp bộ nghịch lưu áp hai bậc.
4) Điện áp common-mode nhỏ hơn, nên làm giảm ứng suất trên trục
động cơ.Nghóa là tuổi thọ của động cơ được tăng lên.
1.1.3 Ưu điểm tiên đoán ban đầu của kỹ thuật SVC theo hướng đề xuất.
1) Giảm tối đa số lần chuyển mạch trên mỗi chu kỳ
2) Chất lượng điện áp ở ngỏ ra của bộ nghịch lưu cao khi số bậc càng
tăng nhưng giải thuật ít thay đổi.
3) Mô hình tóan học mang tính khái quát cao nên đơn giản hóa về kỹ
thuật điều khiển vector.
4) Chủ động kiểm tra số lượng vector dư thừa trong nghịch lưu đa bậc.

Trang 2


1.1.4 Một số hạn chế chưa được khảo sát theo kỹ thuật đã đề xuất.
1) Chưa khảo sát chất lượng điện áp ra với tải động cơ, chỉ thực hiện với tải
RL.

2) Do thời gian có hạn nên kết quả đạt được chưa đánh giá triệt để.

1.2 GIỚI THIỆU MỘT SỐ CẤU TRÚC CỦA BỘ NGHỊCH LƯU ĐA BẬC
1.2.1 Giới thiệu về bộ nghịch lưu áp nói chung.
Bộ nghịch lưu áp nhận điện áp một chiều rồi biến thành điện áp xoay
chiều với giá trị điện áp và tần số có thể thay đổi hay cố định tùy thuộc vào tính
ứng dụng. Thực tế chúng có thể làm việc như bộ lọc. Điện áp dc cung cấp bộ
nghịch lưu có thể cố định hay thay đổi. Điện áp đầu vào này có thể từ ắcquy,
năng lượng mặt trời hay từ lưới điện xoay chiều thông qua bộ nắn điện ....Điện
áp ở ngỏ ra cũng có thể một pha hay ba pha, dạng sóng có thể vuông, bậc thang,
hay dạng sin, gần sin tùy theo kỹ thuật điều chế . Bộ nghịch lưu bao gồm hai loại
: bộ nghịch lưu dòng, bộ nghịch lưu áp.
Trước đây, linh kiện trong bộ nghịch lưu thường là thyristor. Nay thường
dùng các linh kiện như GTOs , BJTs , IGBTs và IGCTs.
1.2.2 Một số cấu trúc cơ bản của mạch động lực trong bộ nghịch lưu đa bậc
1.2.2.1 Cấu trúc nghịch lưu dạng Cascade ( cascade inverter ).
Sử dụng các nguồn DC riêng, thích hợp trong trường hợp sử dụng nguồn
DC có sẵn, ví dụ dưới dạng acquy, battery. Cascade inverter (hình 1.1) gồm
nhiều bộ nghịch lưu áp cầu một pha ghép nối tiếp, các bộ nghịch lưu áp dạng
cầu một pha này có các nguồn DC riêng.
Bằng cách kích đóng các linh kiện trong mỗi bộ nghịch lưu áp một pha, ba
mức điện áp ( -U, 0, U ) được tạo thành. Sự kết hợp hoạt động của n bộ nghịch
lưu áp trên một nhánh pha tải sẽ tạo nên n khả năng mức điện áp theo chiều âm
( -U, -2U, -3U, -4U,….-nU ), n khả năng mức điện áp theo chiều dương ( U, 2U,
3U, 4U,…nU ) và mức điện áp 0.
Do đó, bộ nghịch lưu áp dạng cascade gồm n bộ nghịch lưu áp một pha
trên mỗi nhánh sẽ tạo thành bộ nghịch lưu ( 2n + 1 ) bậc.

Trang 3

Hình 1.1- Cascade inverter
Tần số đóng ngắt trong mỗi module của dạng mạch này có thể giảm đi n
lần và tốc độ biến thiên (dv/dt) cũng giảm đi n. Điện áp trên áp đặt lên các linh
kiện giảm đi 0,57 lần, cho phép sử dụng IGBT điện áp thấp.
1.2.2.2 Cấu Trúc Nghịch Lưu Chứa Cặp Diode kẹp
(Neutral Point Clamped Multilevel Inverter – NPC )
Sử dụng thích hợp khi các nguồn DC tạo nên từ hệ thống điện AC. Bộ
nghịch lưu đa bậc chứa các cặp diode kèm có một mạch nguồn DC được phân
chia thành một số cấp điện áp nhỏ hơn nhờ chuỗi các tụ điện mắc nối tiếp (hình
1.2)

Trang 4


utc

0

uta

Hình 1.2- Cấu trúc diode kẹp
Giả sử nhánh mạch DC gồm n nguồn có độ lớn bằng nhau mắc nối tiếp.
Điện áp pha-nguồn DC có thể đạt được ( n+ 1 ) giá trị khác nhau và từ đó bộ
nghịch lưu đa bậc được gọi là bộ nghịch lưu áp ( n+ 1 )bậc. Ví dụ chọn mức điện
thế 0 ở cuối dãy nguồn, các mức điện áp có thể đạt được gồm ( 0, U, 2U,
3U,…nU ). Điện áp từ một pha tải ( ví dụ pha a ) thông đến một vị trí bất kỳ trên (
ví dụ H ) nhờ cặp diode kẹp tại điểm đó ( ví dụ D 1, D1’ ). Để điện áp pha-nguồn
DC đạt được mức điện áp nêu trên
( Ua0 = U ), tất cả các linh kiện bị kẹp giữa hai diode ( D 1, D1’ ) – gồm n linh

kiện mắc nối tiếp liên tục kề nhau, phải được kích đóng, các linh kiện còn lại

Trang 5


phải được khoá theo nguyên tắc kích đối nghịch. Như hình vẽ trên, tạo ra sáu
mức điện áp pha – nguồn DC nên mạch lưu trên gọi là bộ nghịch lưu sáu bậc.

Bộ nghịch lưu áp đa bậc dùng diode kẹp cải tiến dạng sóng điện áp tải và
giảm shock điện áp trên linh kiện n lần. Với bộ nghịch lưu ba bậc, độ biến thiên
dv/dt trên linh kiện và tần số đóng cắt giảm đi một nửa. Tuy nhiên với n > 3,
mức độ chịu gai áp trên các diode sẽ khác nhau. Ngoài ra, cân bằng điện áp giữa
các nguồn DC ( áp trên tụ ) trở nên khó khăn, đặc biệt khi số bậc lớn.
1.2.2.3 Cấu Trúc Nghịch Lưu dùng tụ kẹp
(Capacitor-Clamped Multilevel Inverter)

Hình 1.3 Cấu trúc inverter 5 bậc dùng tụ kẹp
Qua mạch ở hình 1.2 và hình 1.3 nhận thấy rằng : cấu trúc dùng tụ kẹp khác
với cấu trúc dùng diode kẹp về dãy tụ ở chổ mức điện áp trên mỗi pha được nạp
với các mức khác nhau. Điểm bất lợi là khi mạch bắt đầu hoạt động cần phải đạt
trước những điện áp cần thiết –điều này gây phức tạp trong quá trình điều chế
Ngoài ra còn có các bộ nghịch lưu áp đa bậc với kiểu ghép từ ngỏ ra của
chúng như hình 1.4

Trang 6


Hình 1.4
Theo cấu trúc trên cho phép giảm dv/dt và tần số đóng ngắt còn 1/3. Mạch
này cho phép sử dụng các cấu hình nghịch lưu áp ba pha chuẩn cũng như đạt

được sự cân bằng điện áp các nguồn DC và không tồn tại dòng cân bằng giữa
các modul. Tuy nhiên theo tính chất và cấu tạo bắt buộc sử dụng các máy biến
áp ngỏ ra.
1.3 CÁC KỸ THUẬT ĐIỀU CHẾ NÓI CHUNG
1.3.1 Quy Trình Đóng Ngắt của các linh kiện công suất trong bộ nghịch lưu
áp đa bậc.
1.3.1.1 Tổng Quát
Xét bộ nghịch lưu áp n bậc dạng chứa cặp diode kẹp (NPC). Gọi U là độ
lớn điện áp trên mỗi tụ riêng lẻ. Phụ thuộc độ lớn điện áp pha-nguồn DC cần
thiết lập, các linh kiện bị kẹp giữa cặp diode nối đến một điện thế trên mạch DC
cần thiết lập sẽ ở trạng thái kích. Điện áp pha-tâm nguồn DC tính từ điểm đấu
dây của pha tải đến một điện thế trên mạch DC.
Trạng thái đóng ngắt của các khoá bán dẫn (còn gọi là các khóa hay các
công tắc) trên một nhánh tải của các pha a, b, c phải thoả mãn điều kiện kích đối
nghịch :

Trang 7


Saj  S'aj  1 ; Sbj  S'bj  1 ; Scj  S'cj  1 (1.1)
Với j = 1, 2, 3, …( n- 1 )
Khi kích đóng ngắt các linh kiện theo đúng nguyên tắc trên ta có được
giản đồ xung kích cho các khoá. Tính toán tương tự bộ nghịch lưu áp ba pha hai
bậc ta có các điện áp pha tải : ( nếu tải Y )

2uao  ubo  uco
3
2u  uao  u co
u tb  bo
3

uta 

u tc 
Do đó :

u NO 

(1.2)

2u co  u bo  uao
3
u ao  u bo  u co
3

(1.3)

Trong đó :
uta , utb , utc là điện áp tương ứng trên mỗi pha được tính từ ngỏ ra của bộ nghịch
lưu đến điểm trung tính N phụ tải ba pha nối sao và giả thiết uta + utb + utc = 0,
uNO là điện áp tính từ điểm N đến nút phân thế 0 (hình 1.2)
1.3.1.2 Trạng Thái Đóng Ngắt Bộ Nghịch Lưu p Ba Bậc
Xét bộ nghịch lưu áp ba bậc dạng chứa cặp diode kẹp như hình 1.4. Gọi U
là độ lớn điện áp trên mỗi tụ riêng lẻ phụ thuộc độ lớn điện áp pha. Các linh
kiện kẹp giữa cặp diode nối đến một điện thế trên mạch DC cần thiết lập sẽ ở
trạng thái kích.
Điện áp pha-tâm nguồn DC đạt các giá trị cho trong bảng sau:
Với x = a, b, c
Vout = Vxo Sx2 Sx1 Sx2’ Sx1’
U
1

1
0
0
0
0
1
1
0
-U
0
0
1
1
Ta thấy có 3 mức điện áp ứng với 3 trạng thái đóng ngắt linh kiện cho mỗi
pha.Vậy, có 33 = 27 trạng thái đóng ngaét cho 3 pha.

Trang 8


Hình1. 4-Bộ nghịch lưu 3 bậc
1.3.1.3 Trạng Thái Đóng Ngắt Bộ Nghịch Lưu p Năm Bậc
Xét bộ nghịch lưu áp năm bậc dạng chứa cặp diode kẹp như hình 1.5. Gọi
Udc/4 là độ lớn điện áp trên mỗi tụ riêng lẻ. Chọn điểm tâm nguồn DC tại vị trí
giữa (như hình 1.5 ).
Ta có bảng trạng thái đóng ngắt như sau:
Vout = Vxo Sx4 Sx3 Sx2 Sx1 Sx4’ Sx3’ Sx2’ Sx1’
Udc/2
1
1
1

1
0
0
0
0
Udc/4
0
1
1
1
1
0
0
0
0
0
0
1
1
1
1
0
0
-Udc/4
0
0
0
1
1
1

1
0
-Udc/2
0
0
0
0
1
1
1
1

Với x = a, b, c
Ta thấy có năm mức điện áp ra tương ứng với các trạng thái đóng ngắt.Vậy,có
tổng cộng 5 trạng thái đóng ngắt các linh kiện cho một pha, nên có 5 3 = 125
trạng thái đóng ngắt cho 3 pha.

Trang 9


Hình 1.5-Bộ nghịch lưu 5 bậc
Trong quá trình đóng ngắt, công suất tổn hao xuất hiện trên linh kiện bao gồm
hai thành phần :
2) Tổn hao công suất khi linh kiện ở trạng thái dẫn điện Pon
3) Tổn hao công suất động Pdyn – tổn hao này tăng lên khi tần số đóng
ngắt của linh kiện tăng lên.
Song việc tần số đóng ngắt của linh kiên tăng lên không phải tùy ý vì những lý
do sau đây :
4) Công suất tổn hao linh kiện tăng lên tỉ lệ với tần số đóng ngắt.
5) Linh kiện công suất lớn thường gây ra công suất tổn hao đóng ngắt lớn

hơn
Do đó tần số kích đóng của nó phải giảm cho phù hợp. Chẳng hạn linh kiện GTO
công suất hàng MW chỉ có thể đóng ngắt ở tần số khoảng 100Hz
6) Khả năng tương thích về điện từ được tuân theo qui định khá nghiêm
ngặt.
1.3.2 Phân loại các kỹ thuật điều chế nói chung
Xét về phương pháp điều chế cho bộ nghịch lưu áp đa bậc được phân chia
như hình 1.6 sau đây :

Trang 10


Các phương pháp điều chế đa
bậc

(Multilevel Modulator)
Tần số chuyển mạch cơ bản
(Fundamental Swiching Freq)

Điều khiển
vector
không gian
(Space
Vector
Control)

Điều chế độ rộng xung với tần
số chuyển mạch cao
(High Switching Frequency
PWM)

Triệt tiêu
sóng hài lựa
chọn
(Selective
Harmonic
Elimination)

Điều chế
vector
không gian

(Space
Vector
PWM)
( PWM : Pulse –Width Modulation )

Điều chế
sóng sin

( Sinusoidal
PWM )

Hình 1.6 :Phân loại các phương pháp trong điều chế đa bậc
Mỗi phương pháp trên thì theo các chuyên gia của tạp chí IEEE,IEE đã
cho chúng ta thấy được ưu nhược điểm của nó. Thí dụ như kỹ thuật điều chế độ
rộng xung sin ( Sinusoidal PWM ) thì khả năng điều khiển tuyến tính chỉ thực
hiện được với chỉ số điều chế m nằm trong phạm vi 0  m  0.785 (tương ứng với
chỉ số ma  1 ). Sau đó để tăng phạm vi tuyến tính người ta tìm ra kỹ thuật điều
chế độ rộng xung cải biến và kết quả phạm vi tuyến tính đạt trong khoảng

0  m  0.907 . Hoặc trong kỹ thuật SHE cho phép thực hiện triệt tiêu sóng hài với
số lần đóng ngắt tối thiểu. Còn kỹ thuật điều chế vector không gian khắc phục
được các nhược điểm của kỹ thuật điều khiển sáu bước (-kỹ thuật này hình thành
chứa nhiều sóng hài bậc cao) và kỹ thuật SPWM .
1.3 .3 Một số chỉ tiêu để đánh giá kỹ thuật PWM của bộ nghịch lưu
Chỉ số điều chế m (Modulation index) được định nghóa như tỉ số giữa biên
độ thành phần hài cơ bản tạo nên bởi kỹ thuật điều khiển U (1) m và biên độ
thành phần hài cơ bản đạt được trong phương pháp điểu khiển sáu bước U (1)msixsteps

m

U (1) m
U (1) m  sixsteps



U (1) m
2
Vd

(1.4)



Trị hiệu dụng các thành phần sóng hài bậc cao dòng điện :

Trang 11


2

T

I hRMS

1
i(t )  i1 (t ) .dt

T 0

(1.5)

với I hRMS phụ thuộc không những vào kỹ thuật PWM mà còn vào thông số thông
số tải. Để đánh giá chất lượng PWM không liên qua đến thống số tải thì ta có
thể sử dụng đại lượng độ méo dạng dòng điện như sau:
I hRMS
1

IÍ
IÍ



I
n2

(1.6)

2
n

Giả sử tải xoay chiều gồm sức điện động cảm ứng và cảm kháng tản mắc
nối tiếp, độ méo dạng dòng điện có thể viết lại dưới dạng :
I hRMS
1

IÍ
IÍ



I
n 2

2
n



1 .L

 U
  n. .nL
 1 

U1

2



1
 
U1




Un 



n2  n 

2

(1.7)

Kết quả đạt được không phù thuộc vào tham số của tải.
Đối với phương pháp điều khiển sáu bước , độ méo dạng dòng điện có thể
xác định bằng giá trị sau :

I hRMS sixsteps
IÍ

 0,0464

Để so sánh các phương pháp PWM, có thể sử dụng độ méo dạng chuẩn
hóa theo phương pháp sáu bước và hệ số méo dạng dòng điện qui chuẩn lúc đó
là :
d

I hRMS

(1.8)

I hRMS sixsteps

Với phương pháp điều khiển sáu bước , hệ số méo dạng dòng điện bằng 1.Nếu
dùng phương pháp điều chế vector không gian, hệ số méo dạng có thể tính theo
tích phân của tích vô hướng vector sau đây :
I hRMS 



1 T 
 

t
(
t
)

t
1 (t ) . t (t )  t 1 (t ) * .dt





0

T 


(1.9)

Qua đó áp dụng công thức tính hệ số méo dạng d
Để đánh giá sự ảnh hưởng từng sóng hài trong phương pháp PWM, ta có
thể sử dụng tham số phổ từng sóng hài dòng điện. Nếu sử dụng phương pháp
điều chế đồng bộ với tần số kích đóng linh kiện fs bằng số nguyên lần (N) với
tần số sóng hài cơ bản f1 (nghóa là fs = N.f1).Lúc này hệ số sóng hài bậc k qui
chuẩn và tính qui đổi theo phương pháp sáu bước như biểu thức sau :
h(k.f1 ) =

I hRMS (k. f1 )
I hRMS sixsteps

(1.10)

Hệ số này không phù thuộc vào tham số tải
Từ đó ta có hệ số méo dạng được biểu diễn qua các hệ số sóng hài như
sau :
d

h
k 1

2

(k . f1 )

(1.11)

Trang 12


Nếu sử dụng kỹ thuật PWM không đồng bộ, ta không thể phân tích
Fourier phổ dòng điện theo các biến tần số rời rạc khi mà sóng hài dòng điện
xuất hiện theo biến tần số liên tục. Ở trường hợp này , ta có thể dùng khái niệm
phổ mật độ dòng điện theo hệ thức sau :
d



h

2

d

( f ).df

(1.12)

0 , f  f1

Trang 13