nghiên cứu kỹ thuật điều chế độ rộng xung PWM (Pulse Width Modulation) cho bộ nghịch lưu đa bậc ghép tầng (Cascade inverter)

Luận Văn Tốt Nghiệp GVHD: Ts Nguyễn Văn Nhờ
SVTH: Trần Quốc Hoàn 1/102


Mục lục
Mục lục 1
Tóm tắt luận văn 4
Chương 1
TỔNG QUAN VỀ BỘ NGHỊCH LƯU ÁP 5
1. Giới thiệu tổng quát 5
1.1 Bộ nghịch lưu áp 6
1.2 Phân loại bộ nghịch lưu áp 6
2. Các dạng cấu trúc cơ bản của bộ nghịch lưu áp đa bậc 7
2.1 Cấu trúc dạng Diode kẹp NPC (Diode Clamped Multilevel Inverter) 7
2.2 Cấu trúc dùng tụ điện thay đổi (Flying Capacitor Multilevel Inverter) 9
2.3 Cấu trúc dạng ghép tầng (Cascade Inverter) 10
2.4 So sánh số linh kiện sử dụng trong 3 dạng nghịch lưu áp đa bậc trên 12
3. Nhận xét 12
Chương 2
CẤU TRÚC BỘ NGHỊCH LƯU ÁP ĐA BẬC DẠNG CASCADE 13
1. Bộ nghịch lưu áp cầu 1 pha 13
2. Bộ nghịch lưu áp đa bậc dạng cascade 14
Chương 3
ĐIỀU KHIỂN BỘ NGHỊCH LƯU ÁP ĐA BẬC DẠNG CASCADE – PHƯƠNG
PHÁP ĐIỀU CHẾ ĐỘ RỘNG XUNG (Carrier based PWM) 17

1. Tổng quát về kỹ thuật điều chế độ rộng xung – PWM 17
1.1 Một số chỉ tiêu đánh giá kỹ thuật PWM của bộ nghịch lưu 17
1.2 Các dạng sóng mang dùng trong kỹ thuật PWM 18
2. Phương pháp điều chế độ rộng xung Sin (Sin PWM) 20
2.1 Nguyên tắc thực hiện 20

2.2 Mô phỏng cho bộ nghịch lưu áp cascade 5 bậc 21
2.3 Kết quả mô phỏng 26
2.4 Nhận xét 29
Luận Văn Tốt Nghiệp GVHD: Ts Nguyễn Văn Nhờ
SVTH: Trần Quốc Hoàn 2/102


3. Phương pháp điều chế độ rộng xung cải biến 30
3.1 Mô phỏng cho bộ nghịch lưu áp cascade 5 bậc 31
3.2 Kết quả mô phỏng 33
3.3 Nhận xét 37
Chương 4
ĐIỀU KHIỂN BỘ NGHỊCH LƯU ÁP ĐA BẬC DẠNG CASCADE - PHƯƠNG
PHÁP ĐIỀU CHẾ VECTOR KHÔNG GIAN (Space Vector PWM) 38

1. Khái niệm vector không gian 38
1.1 Vector không gian và phép biến hình vector không gian 38
1.2 Vector không gian của bộ nghịch lưu áp đa bậc 39
2. Phương pháp điều chế vector không gian 41
3. Nhận xét 44
Chương 5
ĐIỀU KHIỂN BỘ NGHỊCH LƯU ÁP ĐA BẬC DẠNG CASCADE – PHƯƠNG
PHÁP ĐIỀU CHẾ VECTOR KHÔNG GIAN DÙNG SÓNG MANG 45

1. Tổng quát về phương pháp điều chế vector không gian dùng sóng mang 45
1.1 Ý tưởng tổng quát của phương pháp 45
1.2 Giải thuật điều chế của phương pháp 47
2. Ứng dụng cho bộ nghịch lưu áp đa bậc dạng cascade 54
3. Mô phỏng cho bộ nghịch lưu cascade 5 bậc 57
3.1 Chế độ Medium common mode – SVPWM 57

3.2 Chế độ Minimum common mode – SVPWM 63
3.3 Chế độ Minimum common mode – DPWM 63
3.4 Chế độ Medium common mode – DPWM 63
4. Nhận Xét 63
Chương 6
ĐIỀU KHIỂN BỘ NGHỊCH LƯU ĐA BẬC DẠNG CASCADE VỚI NGUỒN DC
KHÔNG CÂN BẰNG 63

1. Mô phỏng cho trường hợp nguồn DC không cân bằng 63
1.1 Thực hiện mô phỏng 63
1.2 Kết quả mô phỏng 63
Luận Văn Tốt Nghiệp GVHD: Ts Nguyễn Văn Nhờ
SVTH: Trần Quốc Hoàn 3/102


2. Phương pháp điều khiển bộ nghịch lưu áp đa bậc với nguồn DC không cân bằng
63

2.1 Nguyên lý điều chế 63
2.2 Ứng dụng cho bộ nghịch lưu đa bậc dạng cascade 63
3. Mô phỏng điều khiển bộ nghịch lưu cascade với nguồn DC không cân bằng 63
3.1 Chương trình trong khối DLL 63
3.2 Mô phỏng trong trường hợp nguồn không cân bằng là nguồn DC 63
3.3 Mô phỏng trong trường hợp nguồn không cân bằng được lấy từ bộ chỉnh
lưu cầu 3 pha diode 63

4. Nhận xét 63
Kết luận 63
Tài liệu tham khảo 63

Luận Văn Tốt Nghiệp GVHD: Ts Nguyễn Văn Nhờ
SVTH: Trần Quốc Hoàn 4/102


Tóm tắt luận văn
Luận văn thực hiện nhiệm vụ nghiên cứu kỹ thuật điều chế độ rộng xung - PWM
(Pulse Width Modulation) cho bộ nghịch lưu đa bậc ghép tầng (Cascade inverter).
Thông qua mô phỏng trong Psim đánh giá chất lượng điện áp và dòng điện tải đạt
được theo từng phương pháp.
Chương 1: Giới thiệu tổng quát về cấu tạo, ưu nhược điểm và phân loại các dạng
mạch của b
ộ nghịch lưu áp đa bậc.
Chương 2: Giới thiệu cấu tạo bộ nghịch lưu áp cầu 1 pha, bộ nghịch lưu áp 5 bậc
dạng cascade và dạng điện áp tải.
Chương 3: Trình bày kỹ thuật điều chế độ rộng sung sin cho bộ nghịch lưu áp
dạng cascade 5 bậc.
Chương 4: Giới thiệu lý thuyết về phương pháp điều chế vector không gian cho
bộ nghịch lư
u áp đa bậc.
Chương 5: Trình bày phương pháp điều chế vector không gian dùng sóng mang
cho bộ nghịch lưu áp đa bậc, thực hiện mô phỏng điều khiển bộ nghịch lưu áp dạng
cascade 5 bậc trong trường hợp nguồn cân bằng.
Chương 6: Trình bày phương pháp điều chế vector không gian dùng sóng mang
cho bộ nghịch lưu áp đa bậc với nguồn DC không cân bằng.
Luận Văn Tốt Nghiệp GVHD: Ts Nguyễn Văn Nhờ
SVTH: Trần Quốc Hoàn 5/102


Chương 1
TỔNG QUAN VỀ BỘ NGHỊCH LƯU ÁP

1. Giới thiệu tổng quát
Bộ nghịch lưu có nhiệm vụ chuyển đổi năng lượng từ nguồn điện một chiều
không đổi sang dạng năng lượng điện xoay chiều để cung cấp cho tải xoay chiều.
Đại lượng được điều khiển ở ngõ ra là điện áp hoặc dòng điện, tương ứng ta có bộ
nghịch lưu được gọi là bộ nghịch lưu áp và bộ ngh
ịch dòng.
Nguồn một chiều cung cấp cho bộ nghịch lưu áp có tính chất nguồn điện áp và
nguồn cho bộ nghịch lưu dòng có tính chất là nguồn dòng điện. Các bộ nghịch lưu
tương ứng được gọi là bộ nghịch lưu áp nguồn áp và bộ nghịch lưu dòng nguồn dòng
hoặc gọi tắt là bộ nghịch lưu áp và bộ nghịch lưu dòng.
Trong trường hợp nguồn đi
ện ở đầu vào và đại lượng ở ngõ ra không giống nhau,
ví dụ bộ nghịch lưu cung cấp dòng điện xoay chiều từ nguồn điện áp một chiều, ta gọi
chúng là bộ nghịch lưu điều khiển dòng điện từ nguồn điện áp hoặc bộ nghịch lưu
dòng nguồn áp.
Các bộ nghịch lưu tạo thành bộ phận chủ yếu trong cấu tạ
o của bộ biến tần. Ứng
dụng quan trọng và tương đối rộng rãi của chúng nhằm vào lĩnh vực truyền động điện
động cơ xoay chiều với độ chính xác cao. Trong lĩnh vực tần số cao, bộ nghịch lưu
được dùng trong các thiết bị lò cảm ứng trung tần, thiết bị hàn trung tần. Bộ nghịch lưu
còn được dùng làm nguồn điện xoay chiều cho nhu cầu gia đình, làm ngu
ồn điện liên
tục UPS, điều khiển chiếu sáng, bộ nghịch lưu còn được ứng dụng vào lĩnh vực bù
nhuyễn công suất phản kháng.
Các tải xoay chiều thường mang tính cảm kháng (ví dụ động cơ không đồng bộ,
lò cảm ứng), dòng điện qua các linh kiện không thể ngắt bằng quá trình chuyển mạch
tự nhiên. Do đó, mạch bộ nghịch lưu thường chứa linh kiện tự kích ng
ắt để có thể điều
khiển quá trình ngắt dòng điện.
Trong các trường hợp đặc biệt như mạch tải cộng hưởng, tải mang tính chất dung

kháng (động cơ đồng bộ kích từ dư), dòng điện qua các linh kiện có thể bị ngắt do quá
Luận Văn Tốt Nghiệp GVHD: Ts Nguyễn Văn Nhờ
SVTH: Trần Quốc Hoàn 6/102


trình chuyển mạch tự nhiên phụ thuộc vào điện áp nguồn hoặc phụ thuộc vào điện áp
mạch tải. Khi đó linh kiện bán dẫn có thể chọn là thyristor (SCR).
1.1 Bộ nghịch lưu áp
Bộ nghịch lưu áp cung cấp và điều khiển điện áp xoay chiều ở ngõ ra. Nguồn
điện áp một chiều có thể ở dạng đơn giản như acquy, pin điện hoặc ở dạng phức tạp
gồm điện áp xoay chiều được chỉnh lưu và lọc phẳng.
Linh kiện trong bộ nghịch lưu áp có khả năng kích đóng và kích ngắt dòng điện
qua nó, tức đóng vai trò một công tắc. Trong các ứng dụng công suất vừa và nhỏ, có
thể sử dụng transistor BJT, MOSFET, IGBT làm công tắc và ở phạm vi công suất lớn
có thể sử dụng GTO, IGCT hoặc SCR kết hợp với bộ
chuyển mạch.
Với tải tổng quát, mỗi công tắc còn trang bị một diode mắc đối song với nó. Các
diode mắc đối song này tạo thành mạch chỉnh lưu cầu không điều khiển có chiều dẫn
điện ngược với chiều dẫn điện của các công tắc. Nhiệm vụ của bộ chỉnh lưu cầu diode
là tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình trao đổi công suấ
t ảo giữa nguồn một chiều và
tải xoay chiều, qua đó hạn chế quá điện áp phát sinh khi kích ngắt các công tắc.
1.2 Phân loại bộ nghịch lưu áp
Bộ nghịch lưu áp có rất nhiều loại cũng như nhiều phương pháp điều khiển khác
nhau.
¾ Theo số pha điện áp đầu ra: 1 pha, 3 pha.
¾ Theo số bậc điện áp giữa một đầu pha tải và một
điểm điện thế chuẩn trên
mạch (phase to pole voltage): 2 bậc (two level), đa bậc (multi – level , từ 3
bậc trở lên).

¾ Theo cấu hình của bộ nghịch lưu: dạng cascade (Cascade inverter), dạng
diode kẹp NPC (Neutral Point Clamped Multilevel Inverter), hoặc dạng
dùng tụ điện thay đổi (Flying Capacitor Multilevel Inverter)…
¾ Theo phương pháp điều khiển:
• Phương pháp điều rộng.
• Phương pháp điều biên.
• Phương pháp đi
ều chế độ rộng xung sin (Sin PWM).
• Phương pháp điều chế độ rộng sung sin cải biến (Modifield SPWM).
Luận Văn Tốt Nghiệp GVHD: Ts Nguyễn Văn Nhờ
SVTH: Trần Quốc Hoàn 7/102


• Phương pháp điều chế vector không gian (Space vector modulation,
hoặc Space vector PWM).
• Phương pháp Discontinuous PWM.
2. Các dạng cấu trúc cơ bản của bộ nghịch lưu áp đa bậc
Có 3 dạng thường được sử dụng trong bộ nghịch lưu áp đa bậc:
• Dạng diode kẹp NPC (Diode Clamped Multilevel Inverter).
• Dạng dùng tụ điện thay đổi (Flying Capacitor Multilevel Inverter).
• Dạng ghép tầng cascade (Cascade Inverter).
2.1 Cấu trúc dạng Diode kẹp NPC (Diode Clamped Multilevel Inverter)
Sử dụng thích hợp khi các nguồn DC tạo nên từ hệ thống điện AC. Bộ nghịch lưu
đa bậc chứa các cặp diode kẹp có một mạch nguồn DC đượ
c phân chia thành một số
cấp điện áp nhỏ hơn nhờ chuỗi các tụ điện mắc nối tiếp.
Giả sử nhánh mạch DC gồm n nguồn có độ lớn bằng nhau mắc nối tiếp. Điện áp
pha - nguồn DC (phase to pole voltage) có thể đạt được (n+1) giá trị khác nhau và từ
đó bộ nghịch lưu được gọi là bộ nghịch lưu áp (n+1) bậc. Ví dụ (như hình 1.1) 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 mạch
DC (ví dụ M) nhờ cặp diode kẹp tại điểm đó (ví dụ D1, D1’). Để điện áp pha - nguồn
DC đạt được mức điện áp nêu trên (U
ao
= U), tất cả các linh kiện bị kẹp giữa hai diode
(D1, D1’) - gồm n linh kiện mắc nối tiếp liên tục kề nhau, phải được kích đóng (ví dụ
S1, S5’, S4’, S3’, S2’), các linh kiện còn lại phải được khoá theo nguyên tắc kích đối
nghịch. Tương ứng với sáu trường hợp kích đóng linh kiện bị kẹp giữa sáu cặp diode,
ta thu được sáu mức điện áp pha - nguồn DC: 0, 1U, 2U, 3U, 4U, 5U. Vì có khả năng
tạo ra sáu mức điện áp pha - nguồn DC nên m
ạch nghịch lưu trên H1.1 gọi là bộ
nghịch lưu 6 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, 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 ngu
ồn DC (áp trên tụ) trở nên khó
khăn, đặc biệt khi số bậc lớn.
Luận Văn Tốt Nghiệp GVHD: Ts Nguyễn Văn Nhờ
SVTH: Trần Quốc Hoàn 8/102



Hình 1.1: Diode Clamped Multilevel Inverter – NPC.
Bảng 1.1: Điện áp ra của Bộ nghịch lưu NPC ứng với các trạng thái kích đóng.
Vout=Vxo Sx5 Sx4 Sx3 Sx2 Sx1 S’x5 S’x4 S’x3 S’x2 S’x1
Vxo = 5U 1 1 1 1 1 0 0 0 0 0
Vxo = 4U 0 1 1 1 1 1 0 0 0 0
Vxo = 3U 0 0 1 1 1 1 1 0 0 0

Vxo = 2U 0 0 0 1 1 1 1 1 0 0
Vxo = U 0 0 0 0 1 1 1 1 1 0
Vxo = 0 0 0 0 0 0 1 1 1 1 1
Với x = a, b, c.

Luận Văn Tốt Nghiệp GVHD: Ts Nguyễn Văn Nhờ
SVTH: Trần Quốc Hoàn 9/102


2.2 Cấu trúc dùng tụ điện thay đổi (Flying Capacitor Multilevel Inverter)


Hình 1.2: Flying Capacitor Multilevel Inverter.
Ưu điểm chính của nghịch lưu dạng này là:
• Khi số bậc tăng cao thì không cần dùng bộ lọc.
• Có thể điều tiết công suất tác dụng và phản kháng nên hiện được việc
điều tiết công suất.
• Mỗi nhánh có thể được phân tích độc lập với các nhánh khác. Không
như nghịch lưu đa bậc dạng NPC khi phân tích phải quan tâm đến cân
bằng điện áp ba pha
ở ngõ vào.
Nhược điểm:
• Số lượng tụ công suất lớn tham gia trong mạch nhiều, dẫn đến giá thành
tăng và độ tin cậy giảm.
• Việc điều khiển sẽ khó khăn khi số bậc của nghịch lưu tăng cao.
Luận Văn Tốt Nghiệp GVHD: Ts Nguyễn Văn Nhờ
SVTH: Trần Quốc Hoàn 10/102


2.3 Cấu trúc dạng ghép tầng (Cascade Inverter)

Hình 1.3: 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 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 c
ủa 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. Như vậy, 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.
Luận Văn Tốt Nghiệp GVHD: Ts Nguyễn Văn Nhờ
SVTH: Trần Quốc Hoàn 11/102


Tần số đóng ngắt trong mỗi module của dạng mạch này có thể giảm đi n lần và
dv/dt cũng giảm đi như vậy. Điện áp trên áp đặt lên các linh kiện giảm đi 0,57n lần,
cho phép sử dụng IGBT điện áp thấp.
Ngoài dạng mạch gồm các bộ nghịch lưu áp một pha, mạch nghịch lưu áp đa bậc
còn có dạng ghép từ ngõ ra của các bộ nghịch lưu áp ba pha. Cấu trúc này cho phép
giảm dv/dt và tần số đóng ngắt còn 1/3. Mạch cho phép sử dụng các cấu hình nghịch
lưu áp ba pha chuẩn. Mạch nghịch lưu đạt được sự cân bằng điện áp các nguồn DC,
không tồn tại dòng cân bằng giữa các module. Tuy nhiên, cấu tạo mạch đòi hỏi sử
dụng các máy biến áp ngõ ra.


Hình 1.4: Cascade Inverter sử dụng bộ nghịch lưu áp ba pha.

Luận Văn Tốt Nghiệp GVHD: Ts Nguyễn Văn Nhờ
SVTH: Trần Quốc Hoàn 12/102


2.4 So sánh số linh kiện sử dụng trong 3 dạng nghịch lưu áp đa bậc trên
Bảng 1.2 so sánh số linh kiện được sử dụng trong mỗi pha của 3 dạng nghịch lưu
kể trên. Ta thấy, số công tắc IGBT và số diode mắc đối song được sử dụng trong mỗi
dạng nghịch lưu cùng bậc là như nhau. Diode kẹp thì không cần trong dạng tụ thay đổi
và dạng cascade inverter, trong khi đó tụ cân bằng thì không cần cho dạng diode k
ẹp
và cascade inverter. Tóm lại, dạng cascade inverter là sử dụng ít linh kiện nhất.
Bảng 1.2: So sánh số linh kiện trong 1 pha của 3 dạng nghịch lưu.
Cấu hình
nghịch lưu
Diode kẹp NPC Tụ thay đổi Cascade inverter
Công tắc IGBT 2(n-1) 2(n-1) 2(n-1)
Diode đối song 2(n-1) 2(n-1) 2(n-1)
Diode kẹp (n-1)(n-2) 0 0
Tụ trên nguồn DC (n-1) (n-1) (n-1)/2
Tụ cân bằng 0 (n-1)(n-2)/2 0

Một ưu điểm khác của cascade inverter là cấu hình có thể thay đổi linh hoạt, ta có
thể tăng hoặc giảm số bậc một cách dễ dàng, bằng cách thêm hoặc bớt số bộ nghịch
lưu cầu 1 pha tương ứng.
3. Nhận xét
Ưu điểm của bộ nghịch lưu áp đa bậc: công suất của bộ nghịch lưu áp tăng lên;
điện áp đặt lên các linh kiện bị giảm xuống nên công suất tổn hao do quá trình đóng
ngắt các linh kiện cũng giảm theo; 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 2 bậc.
Đố
i với tải công suất lớn, điện áp cung cấp cho các tải có thể đạt giá trị tương đối
lớn.


Luận Văn Tốt Nghiệp GVHD: Ts Nguyễn Văn Nhờ
SVTH: Trần Quốc Hoàn 13/102


Chương 2
CẤU TRÚC BỘ NGHỊCH LƯU ÁP ĐA BẬC DẠNG CASCADE
1. Bộ nghịch lưu áp cầu 1 pha
Bộ nghịch lưu áp một pha dạng mạch cầu (còn được gọi là bộ nghịch lưu áp dạng
chữ H) chứa bốn công tắc và bốn diode mắc đối song.

Hình 2.1: Bộ nghịch lưu áp cầu 1 pha.
Quy tắc kích đóng đối nghịch: cặp công tắc trên cùng một nhánh không được kích
đóng đồng thời, tức là 2 công tắc trên cùng một nhánh luôn ở trong trạng thái một
được kích đóng và một được kích ngắt. Trạng thái cả 2 cùng kích đóng (trạng thái
ngắn mạch điện áp nguồn) hoặc cùng kích ngắt không được phép xảy ra.
Nếu biểu diễn trạng thái được kích đóng của linh kiện là 1 và trạng thái
được kích
ngắt là 0 thì ta có:
S1 + S4 = 1 (2.1)
S2 + S3 = 1
Bằng cách điều khiển đóng ngắt các khóa ta có thể thu được điện áp xoay chiều ở
ngõ ra của bộ nghịch lưu. Điện áp ở ngõ ra trên 2 điểm A, B của bộ nghịch lưu thay
đổi giữa 3 trạng thái +V, 0, -V. Điện áp của bộ nghịch lưu được tạo ra như sau: khóa
S1 và S2 đồng thời được kích đóng sẽ tạo ra điện áp V

AB
= +V, khóa S3 và S4 đồng
thời kích đóng sẽ tạo ra điện áp V
AB
= -V và khi (S1, S3) hoặc (S4, S2) được kích
đóng sẽ tạo ra mức điện áp 0.
Luận Văn Tốt Nghiệp GVHD: Ts Nguyễn Văn Nhờ
SVTH: Trần Quốc Hoàn 14/102



Hình 2.2: Dạng điện áp ngõ ra bộ nghịch lưu cầu 1 pha.
2. Bộ nghịch lưu áp đa bậc dạng cascade
Bộ nghịch lưu áp đa bậc dạng cascade như đã giới thiệu ở trên, có cấu tạo gồm
nhiều bộ nghịch lưu áp cầu một pha ghép nối tiếp với nhau. Một bộ nghịch lưu áp
dạng cascade n bậc thì trên mỗi nhánh pha sẽ có (n-1)/2 bộ nghịch lưu áp cầu một pha
ghép nối tiếp với nhau.
Ta xét bộ nghịch lưu áp 5 bậc dạng cacade: cấu tạo gồm 2 bộ ngh
ịch lưu áp cầu 1
pha ghép nối tiếp, mỗi bộ được cung cấp bởi 1 nguồn điện áp DC riêng biệt. Điện áp
ngõ ra của mỗi bộ nghịch lưu áp cầu một pha có 3 bậc (–V, 0, +V), do đó điện áp ngõ
ra của bộ nghịch lưu cascade sẽ có 5 bậc (-2V, -V, 0, +V, +2V).

Hình 2.3: Cấu trúc mạch của bộ nghịch lưu áp 5 bậc dạng cascade.

Luận Văn Tốt Nghiệp GVHD: Ts Nguyễn Văn Nhờ
SVTH: Trần Quốc Hoàn 15/102


Trạng thái đóng ngắt các công tắc trong 1 nhánh pha phải thỏa mãn điều kiện kích

đóng đối nghịch:
S1x + S4x = 1; S2x + S3x = 1 (2.2)
S’1x + S’4x = 1; S’2x + S’3x = 1
Tùy theo trạng thái đóng ngắt, điện áp pha – tâm nguồn DC (phase – to pole
voltage) của bộ nghịch lưu được tính theo công thức sau:
V
x out
= V
xo
= V
x 01
+ V
x 02
(2.3)
Với x = A, B, C


Hình 2.4: Biểu diễn 1 pha của cascade inverter 5 bậc.
Điện áp pha tải trong trường hợp 3 pha tải đối xứng đấu dạng sao Y có thể được
thiết lập tương tự như trường hợp bộ nghịch lưu áp 2 bậc:
U
ta
=
3
2
000 cba
uuu −−
; U
tb
=

3
2
000 acb
uuu
−
−
; U
tc
=
3
2
000 bac
uuu −−
(2.4)
Trong trường hợp 3 pha tải dạng tam giác, điện áp pha tải bằng điện áp dây do bộ
nghịch lưu cung cấp:
U
t ab
= u
ao
– u
bo
; U
t bc
= u
bo
– u
co
; U
t ca

= u
co
– u
ao
(2.5)
Và tổng điện áp từ các pha đến tâm nguồn DC (common – mode voltage):
U
NO
=
3
coboao
uuu ++
(2.6)


Luận Văn Tốt Nghiệp GVHD: Ts Nguyễn Văn Nhờ
SVTH: Trần Quốc Hoàn 16/102



Hình 2.5: Dạng điện áp ngõ ra của bộ nghịch lưu cascade 5 bậc.
Bảng 2.1: Điện áp ngõ ra ứng với các trạng thái đóng ngắt của cascade inverter 5 bậc.
V
out
= V
x0
V
01
V
02

S
x1
S
x2
S
x3
S
x4
S’
x1
S’
x2
S’
x3
S’
x4
V
x0
= +2V +V +V 1 1 0 0 1 1 0 0
+V 0 1 1 0 0 1 0 1 0
+V 0 1 1 0 0 0 1 0 1
0 +V 1 0 1 0 1 1 0 0
V
x0
= +V
0 +V 0 1 0 1 1 1 0 0
+V -V 1 1 0 0 0 0 1 1
-V +V 0 0 1 1 1 1 0 0
0 0 1 0 1 0 1 0 1 0
0 0 1 0 1 0 0 1 0 1

0 0 0 1 0 1 1 0 1 0
V
x0
= 0
0 0 0 1 0 1 0 1 0 1
-V 0 0 0 1 1 1 0 1 0
-V 0 0 0 1 1 0 1 0 1
0 -V 1 0 1 0 0 0 1 1
V
x0
= -V
0 -V 0 1 0 1 0 0 1 1
V
x0
= -2V -V -V 0 0 1 1 0 0 1 1


Luận Văn Tốt Nghiệp GVHD: Ts Nguyễn Văn Nhờ
SVTH: Trần Quốc Hoàn 17/102


Chương 3
ĐIỀU KHIỂN BỘ NGHỊCH LƯU ÁP ĐA BẬC DẠNG
CASCADE – PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHẾ ĐỘ RỘNG
XUNG (Carrier based PWM)
Các bộ nghịch lưu áp thường được điều khiển dựa theo kỹ thuật điều chế độ rộng
xung – PWM (Pulse Width Modulation) và qui tắc kích đóng đối nghịch. Qui tắc kích
đóng đối nghịch đảm bảo dạng áp tải được điều khiển tuân theo giản đồ kích đóng
công tắc và kỹ thuật điều chế độ rộng xung có tác dụng hạn chế tối đa các ả
nh hưởng

bất lợi của sóng hài bậc cao xuất hiện ở phía tải.
Phụ thuộc vào phương pháp thiết lập giản đồ kích đóng các công tắc trong bộ
nghịch lưu áp, ta có thể phân biệt các dạng điều chế độ rộng xung khác nhau.
1. Tổng quát về kỹ thuật điều chế độ rộng xung – PWM
1.1 Một số chỉ tiêu đánh giá kỹ thuật PWM của bộ nghịch lưu
¾ Chỉ số điều chế (Modulation Index) m: được định nghĩa như tỉ số giữa biên
độ thành phần hài cơ bản tạo nên bởi phương pháp điều khiển và biên độ
thành phần hài cơ bản đạt được trong phương pháp điều khiển sáu bước
(sixstep)
m =
sixstepsm
m
U
U
−1
1
=
d
m
V
U
π
2
1
(3.1)
với V
d
_ tổng điện áp các nguồn DC.
¾ Độ méo dạng tổng do sóng hài THD (Total Harmonic Distortion)
Là đại lượng dùng để đánh giá tác dụng của các sóng hài bậc cao (2,3…) xuất

hiện trong nguồn điện, được tính theo:
THD
I
=
)1(
1
2
)(
I
I
j
j
∑
∞
≠
(3.2)
Độ méo dạng trong trường hợp dòng điện không chứa thành phần DC được tính
theo hệ thức sau:
Luận Văn Tốt Nghiệp GVHD: Ts Nguyễn Văn Nhờ
SVTH: Trần Quốc Hoàn 18/102


THD
I
=
)1(
2
2
)(
I

I
j
j
∑
∞
=
=
)1(
2
)1(
2
I
II −
(3.3)
Trong đó I
(j)
: trị hiệu dụng sóng hài bậc j, j ≥ 2.
I
(1)
: trị hiệu dụng thành phần hài cơ bản của dòng điện.
¾ Tần số đóng ngắt và công suất tổn hao do đóng ngắt:
Công suất tổn hao xuất hiện trên linh kiện bao gồm hai thành phần: tổn hao công
suất khi linh kiện ở trạng thái dẫn điện P
on
và tổn hao công suất động P
dyn
. Tổn hao
công suất P
dyn
tăng lên khi tần số đóng ngắt của linh kiện tăng lên. Tần số đóng ngắt

của linh kiện không thể tăng lên tùy ý vì những lí do sau:
• Công suất tổn hao trên linh kiện tăng lên tỉ lệ với tần số đóng ngắt.
• 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, ví d
ụ các
linh kiện GTO công suất MW chỉ có thể đóng ngắt ở tần số khoảng
100Hz.
• Các qui định về tương thích điện từ (Electromagnet Compatibility –
EMC) qui định khá nghiêm ngặt đối với các bộ biến đổi công suất
đóng ngắt với tần số cao hơn 9KHz.
1.2 Các dạng sóng mang dùng trong kỹ thuật PWM
¾ Hai sóng mang kế cận liên tiếp nhau sẽ bị dịch 180 độ - APOD (Alternative
Phase Opposition Disposition)

Hình 3.1: Hình dạng sóng mang APOD.

Luận Văn Tốt Nghiệp GVHD: Ts Nguyễn Văn Nhờ
SVTH: Trần Quốc Hoàn 19/102


¾ Bố trí cùng pha – PD (In Phase Disposition): tất cả các sóng mang đều cùng
pha.

Hình 3.2: Hình dạng sóng mang PD.
¾ Bố trí đối xứng qua trục zero – POD (Phase Opposition Disposition): các
sóng mang nằm trên trục zero sẽ cùng pha nhau, ngược lại các sóng mang
cùng nằm dưới trục zero sẽ bị dịch đi 180 độ.

Hình 3.3: Hình dạng sóng mang POD.
Trong các phương pháp bố trí sóng mang, phương pháp bố trí các sóng mang đa

bậc cùng pha – PD cho độ méo dạng áp dây nhỏ nhất. Đối với bộ nghịch lưu áp ba
bậc, phương pháp POD và APOD cho cùng kết quả dạng sóng mang.






Luận Văn Tốt Nghiệp GVHD: Ts Nguyễn Văn Nhờ
SVTH: Trần Quốc Hoàn 20/102


2. Phương pháp điều chế độ rộng xung Sin (Sin PWM)
Phương pháp còn có tên Subharmonic PWM (SH – PWM), hay Multi carrier
based PWM.
2.1 Nguyên tắc thực hiện
Để tạo giản đồ kích đóng các linh kiện trong cùng một pha tải, ta sử dụng một số
sóng mang (dạng tam giác) và một tín hiệu điều khiển (dạng sin).
Về nguyên lý, phương pháp được thực hiện dựa vào kỹ thuật analog. Giản đồ
kích đóng các công tắc của bộ nghịch lưu dựa trên cơ sở so sánh hai tín hiệu cơ bản:
•
Sóng mang u
p
(carrier signal) tần số cao, có thể ở dạng tam giác.
• Sóng điều khiển u
r
(reference signal) hoặc sóng điều chế (modulating
signal) dạng sin. Ví dụ, công tắc lẻ được kích đóng khi sóng điều
khiển lớn hơn sóng mang (u
r

> u
p
). Trong trường hợp ngược lại, công
tắc chẵn được kích đóng.
Tần số sóng mang càng cao, lượng sóng hài bậc cao xuất hiện trong dạng điện áp
và dòng điện tải bị khử càng nhiều.
Đối với bộ nghịch lưu áp n bậc, số sóng mang được sử dụng là (n-1). Chúng có
cùng tần số f
c
và cùng biên độ đỉnh - đỉnh A
c
. Sóng điều chế (hay sóng điều khiển) có
biên độ đỉnh bằng A
m
và tần số f
m
, dạng sóng của nó thay đổi xung quanh trục tâm của
hệ thống (n-1) sóng mang. Nếu sóng điều khiển lớn hơn sóng mang nào đó thì linh
kiện tương ứng với sóng mang đó sẽ được kích đóng, ngược lại nếu sóng điều khiển
nhỏ hơn sóng mang thì linh kiện đó sẽ bị khoá kích.
Gọi m
f
là tỉ số điều chế tần số ( frequency modulation ratio):
m
f
=
reference
carrier
f
f

=
m
c
f
f
(3.4)
Việc tăng giá trị m
f
sẽ dẫn đến việc tăng giá trị tần số các sóng hài xuất hiện.
Điểm bất lợi của việc tăng tần số sóng mang là vấn đề tổn hao do số lần đóng cắt lớn
Tương tự, gọi m
a
là tỉ số điều chế biên độ (amplitude modulation ratio):
m
a
=
carrierm
referencem
U
U
−
−
=
c
m
An
A
).1( −
(3.5)
Luận Văn Tốt Nghiệp GVHD: Ts Nguyễn Văn Nhờ

SVTH: Trần Quốc Hoàn 21/102


Nếu m
a
≤
1 (biên độ sóng sin nhỏ hơn tổng biên độ sóng mang) thì quan hệ giữa
thành phần cơ bản của điện áp ra và điện áp điều khiển là tuyến tính.

Hình 3.4: Quan hệ giữa biên độ sóng mang và sóng điều khiển.
Khi giá trị m
a
> 1, biên độ tín hiệu điều chế lớn hơn tổng biên độ sóng mang thì
biên độ hài cơ bản của điện áp ra tăng không tuyến tính theo m
a
. Lúc này, bắt đầu xuất
hiện lượng sóng hài bậc cao tăng dần cho đến khi đạt ở mức giới hạn cho bởi phương
pháp 6 bước. Trường hợp này còn được gọi là quá điều chế (overmodulation) hoặc
điều chế mở rộng.
Phương pháp Sin PWM đạt được chỉ số điều chế lớn nhất trong vùng tuyến tính
khi biên độ sóng điều chế bằng tổng biên độ sóng mang :
m
SPWM_max
=
stepsixm
m
U
U
_)1(
)1(

−
=
U
U
π
2
2/
=
4
π
= 0.785 (3.6)
trong đó U_tổng điện áp các nguồn DC.
2.2 Mô phỏng cho bộ nghịch lưu áp cascade 5 bậc
2.2.1 Phân tích cách tạo xung kích
Phân tích cho một pha (ví dụ pha a), xung kích cho các linh kiện được thiết lập
dựa trên cơ sở so sánh sóng điều khiển U
dka
và các sóng mang V
p1
, V
p2
, V
p3
, V
p4
, cụ
thể như sau:

Luận Văn Tốt Nghiệp GVHD: Ts Nguyễn Văn Nhờ
SVTH: Trần Quốc Hoàn 22/102

U
dka
> V
p1
Ö S1 = 1; S4 = 0
U
dka
> V
p2
Ö S2 = 1; S3 = 0
U
dka
> V
p3
Ö S’1 = 1; S’4 = 0 (3.7)
U
dka
> V
p4
Ö S’2 = 1; S’3 = 0
Ta xác định được điện áp pha – tâm nguồn (phase – to pole voltage):
U
ao
=
⎪
⎪
⎪
⎩

⎪
⎪
⎪
⎨
⎧
−
−
d
d
d
d
V
V
V
V
2
0
2
(3.8)
Từ đây ta hoàn toàn có thể xác định được điện áp tải trên các pha như đã trình
bày trong (2.4) và (2.5).

Hình 3.5: Sơ đồ xung kích 1 pha của BNL áp 5 bậc.
Luận Văn Tốt Nghiệp GVHD: Ts Nguyễn Văn Nhờ
SVTH: Trần Quốc Hoàn 23/102


2.2.2 Phân tích các trường hợp điều khiển
Điều khiển bộ nghịch lưu áp dạng cascade phải thỏa mãn yêu cầu là công suất tổn
hao trên các linh kiện trong một chu kì phải tương đối bằng nhau, tức là các bộ nghịch

lưu cầu một pha cần phải đạt được trạng thái cân bằng công suất (khoảng thời gian dẫn
và ngắt phải tương đối đều nhau). Muốn vậy ta phải bố
trí các sóng mang sao cho đạt
được các yêu cầu trên. Dưới đây phân tích các trường hợp đóng ngắt của bộ nghịch lưu
cầu một pha trong một chu kì áp điều khiển: có 4 trường hợp tương ứng với 4 khoảng
giá trị của điện áp điều khiển.

Hình 3.6: Các khoảng giá trị của V
ref
.
¾ Trường hợp 1: 2V
d
≥ V
d
≥ V
ref
≥ 0
Có 2 cách điều khiển:
• Cố định điện áp ngõ ra của bộ nghịch lưu H1 với V
01
= 0, điều khiển bộ
nghịch lưu H2 sao cho điện áp ngõ ra thay đổi tùy theo V
ref
.
• Điều khiển bộ nghịch lưu H1 sao cho điện áp ngõ ra thay đổi theo giá trị
V
ref
, cố định điện áp ngõ ra của bộ nghịch lưu H2 sao cho V
02
= 0.

¾ Trường hợp 2: 2V
d
≥ V
ref
≥ V
d
≥ 0
Có 2 cách điều khiển:
Luận Văn Tốt Nghiệp GVHD: Ts Nguyễn Văn Nhờ
SVTH: Trần Quốc Hoàn 24/102


• Cố định điện áp ngõ ra của bộ nghịch lưu H1 sao cho V
01
= V
d
, điều
khiển bộ nghịch lưu H2 sao cho điện áp tổng của cả 2 bộ nghịch lưu
đạt được giá trị mong muốn V
0
= V
01
+ V
02
= V
ref
.
• Điều khiển bộ nghịch lưu H1 sao cho tổng điện áp V
0
= V

ref
, cố định
điện áp ngõ ra của bộ nghịch lưu H2 sao cho V
02
= V
d
.
¾ Trường hợp 3: 0
≥ V
ref
≥ -V
d
≥ -2V
d

Có 2 cách điều khiển:
• Cố định điện áp ngõ ra của bộ nghịch lưu H1 sao cho V
01
= 0, điều
khiển bộ nghịch lưu H2 sao cho tổng điện áp ngõ ra là V
0
= V
ref
.
• Điều khiển bộ nghịch lưu H1 sao cho tổng điện áp ngõ ra V
0
= V
ref
, cố
định điện áp ngõ ra bộ nghịch lưu H2 sao cho V

02
= 0.
¾ Trường hợp 4: 0
≥
-V
d

≥
V
ref

≥
-2V
d

Có 2 cách điều khiển:
• Cố định điện áp ngõ ra của bộ nghịch lưu H1 sao cho V
01
= -V
d
, điều
khiển bộ nghịch lưu H2 sao cho tổng điện áp ngõ ra là V
0
= V
ref
.
• Điều khiển bộ nghịch lưu H1 sao cho tổng điện áp ngõ ra của cả 2 bộ là
V
0
= V

ref
, cố định điện áp của bộ nghịch lưu H2 sao cho V
02
= -V
d
.
Vậy để đạt được sự cân bằng công suất giữa các bộ nghịch lưu cầu một pha, ta
chọn phương án điều khiển như sau:
¾ Trường hợp 1 (2V
d
≥ V
d
≥ V
ref
≥ 0): cố định điện áp của bộ nghịch lưu H2
sao cho V
02
= 0, điều khiển bộ nghịch lưu H1 sao cho V
01
= V
ref
.
¾ Trường hợp 2 (2V
d

≥
V
ref

≥

V
d

≥
0): cố định điện áp ngõ ra của bộ nghịch
lưu H1 sao cho V
0
= V
d
, điều khiển bộ nghịch lưu H2 sao cho tổng điện áp
đạt được V
0
= V
ref
.
¾ Trường hợp 3 (0
≥ V
ref
≥ -V
d
≥ -2V
d
): cố định điện áp của bộ nghịch lưu
H2 sao cho V
02
= 0, điều khiển bộ nghịch lưu H1 sao cho V
02
= V
ref
.

¾ Trường hợp 4 (0
≥ -V
d
≥ V
ref
≥ -2V
d
): cố định điện áp ngõ ra của bộ nghịch
lưu H1 sao cho V
01
= -V
d
, điều khiển bộ nghịch lưu H2 sao cho tổng điện
áp của 2 bộ nghịch lưu V
0
= V
ref
.
Do đó ta bố trí sóng mang với dạng như sau:
Luận Văn Tốt Nghiệp GVHD: Ts Nguyễn Văn Nhờ
SVTH: Trần Quốc Hoàn 25/102



Hình 3.7: Dạng bố trí các sóng mang PD.
2.2.3 Các thông số mô phỏng trong Psim
Để so sánh kết quả giữa các phương pháp điều chế, từ đây về sau ta thống nhất
khảo sát các phương pháp với chỉ số điều chế m từ (0 – 1) quy chuẩn như sau:
• Khi m = 1 thì điện áp tải đạt cực đại U
t(1)m

= U
d
/ 3 . Vậy ứng với m bất
kì ta có U
t(1)m
= m.
3
d
U


• Khi biên độ tín hiệu điều khiển u
dk
= (n-1)/2 thì U
t(1)m
= U
d
/2. Vậy ứng
với U
t(1)m
= m.
3
d
U
thì biên độ tín hiệu điều khiển được tính theo:
u
dk
=
3
)1.(

−
nm
(3.9)
với n là số bậc của bộ nghịch lưu.
U
d
là tổng điện áp các nguồn DC (ví dụ đối với bộ nghịch lưu cascade 5 bậc
như trên thì U
d
= 4V
d
).
Sơ đồ mô phỏng bộ nghịch lưu áp 5 bậc dạng cascade theo phương pháp PWM
(bản vẽ A3). Các thông số mô phỏng:
• Chỉ số điều chế m = 0.7.
• Sóng điều khiển có tần số 50Hz, sóng mang dạng PD tần số 2000 Hz.
• Các nguồn DC có giá trị Vd = 200V.
• Tải RL đấu dạng sao (Y) có R = 5
Ω
, L = 0.01H (cos
ϕ
= 0.85), hằng số
thời gian
τ
=
R
L
= 2 ms.