Điều khiển định hướng trường động cơ không đồng bộ bằng biến tần đa bậc điều chế hai vector

Luận văn tốt nghiệp GVHD:T.S Nguyễn Văn Nhờ
CHƯƠNG 1: MỞ ĐẦU
Ngày nay, các hệ truyền động điện chiếm một vò trí quan trọng trong sản xuất,
giao thông vận tải, dân dụng… nhằm nâng cao hiệu quả kinh tế, tự động hóa sản xuất.
Với sự phát triển mạnh mẽ của kỹ thuật bán dẫn công suất cao và kỹ thuật vi xử lý,
những bộ điều khiển động cơ không đồng bộ đã được chế tạo với đáp ứng cao hơn và
giá thành rẻ hơn các bộ điều khiển động cơ DC trong rất nhiều ứng dụng nhất là trong
lónh vực hệ truyền động điều chỉnh tốc độ.
Điều chỉnh tốc độ động cơ là dùng các biện pháp để thay đổi thông số nguồn
như điện áp hay các thông số mạch như điện trở phụ, thay đổi từ thông… Từ đó tạo ra
các đặc tính cơ mới để có những tốc độ làm việc phù hợp với yêu cầu phụ tải cơ. Có
hai phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ điện:
♦ Biến đổi các thông số của bộ phận cơ khí, tức là biến đổi tỷ số truyền
chuyển tiếp từ trục động cơ đến cơ cấu máy sản xuất.
♦ Biến đổi tốc độ góc của động cơ điện. Phương pháp này làm giảm tính
phức tạp của cơ cấu và cải thiện được đặc tính điều chỉnh, đặc biệt linh
hoạt khi ứng dụng các hệ thống điều khiển bằng điện tử. Vì vậy, bộ biến
tần được sử dụng để điều khiển động cơ theo phương pháp này.
Như tên gọi, bộ biến tần sử dụng trong hệ truyền động, chức năng chính là thay
đổi tần số nguồn cung cấp cho động cơ. Nhưng nếu chỉ thay đổi tần số nguồn cung cấp
cho động cơ để thay đổi tốc độ động cơ thì có thể thực hiện bằng cách sử dụng các
nghòch lưu dùng máy biến áp. Ưu điểm của phương pháp này là dạng sóng điện áp
ngõ ra rất tốt (ít hài) và công suất lớn ( so với biến tần hai bậc dùng linh kiện bán dẫn)
nhưng còn nhiều hạn chế như:
 Giá thành cao do phải sử dụng máy biến áp công suất lớn.
 Tổn thất trên máy biến áp chiếm 50% tổng tổn thất trên hệ thống nghòch
lưu.
 Chiếm diện tích lắp đặt lớn, dẫn đến khó khăn trong việc lắp đặt, duy tu,
bảo trì cũng như thay mới. Khi dùng động cơ DC thì cần phải bảo trì, sửa
chửa thường xuyên do sự ăn mòn chổi than, khối lượng và quán tính lớn.
 Điều khiển khó khăn, khoảng điều khiển rộng và dể bò quá điện áp ngõ

ra do hiện tượng bảo hòa từ của máy biến áp.
Ngoài ra, các hệ truyền động còn có các thông số khác cần được thay đổi, giám
xác như: điện áp, dòng điện, tính chất tải, quá trình khởi động… mà chỉ có bộ biến tấn
1
SVTH: Tạ Hoàng Thanh(40102389)
1
Luận văn tốt nghiệp GVHD:T.S Nguyễn Văn Nhờ
sử dụng các thiết bò bán dẫn là thích hợp nhất. Luận văn tốt nghiệp này sẽ đi sâu phân
tích những ưu điểm của các hệ truyền động sử dụng bộ biến tần đđa bậc, đđiều khiển bộ
biến tần đa bậc theo phương pháp vector không gian điều chế hai vector.
2
SVTH: Tạ Hoàng Thanh(40102389)
2
Luận văn tốt nghiệp GVHD:T.S Nguyễn Văn Nhờ
CHƯƠNG 2:
HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ
2.1 GIỚI THIỆU:
Trước đây, hầu hết các hệ thống tự động điều khiển đều sử dụng các động cơ
điện một chiều kích từ độc lập hoặc kích từ song song vì loại động cơ này dễ điều
khiển ổn đònh hơn các loại động cơ khác. Nhưng trong các năm gần đây theo xu hướng
phát triển của kỹ thuật điện tử, kỹ thuật vi xử lý, các bộ điều khiển có khả năng điều
khiển các động cơ xoay chiều theo một chương trình cài đặt sẵn ngày một hoàn thiện
đã đưa động cơ không đồng bộ trở thành lựa chọn ưu tiên cho một hệ thống điều khiển
tự động. Bởi vì nguồn xoay chiều ở đâu cũng có và động cơ DC thì phức tạp do giá
thành cao, chi phí cho vận hành và bảo dưỡng sửa chữa lớn… Vì vậy, hiện nay những
nhà thiết kế hệ thống điều khiển tự động chuyển sang sử dụng động cơ không đồng bộ
rotor lồng sóc trong các hệ điều tốc có khả năng thay đổi một cách linh hoạt theo yêu
cầu thực tiễn.
Hình 2.1Hệ truyền động biến tần – động cơ sử dụng khoá bán dẫn
Với các hệ truyền động cần công suất nhỏ các nhà thiết kế hiện nay cũng còn

có một loại động cơ khác để lựa chọn đó là động cơ bước. Ưu điểm nổi bật của động
cơ bước là có tốc độ rất chuẩn và dễ điều khiển theo một chương trình đònh trước.
Nhưng vấn đề công suất chính là trở ngại lớn cho hệ truyền động dùng động cơ bước.
Vì vậy, hiện nay trong công nghiệp chủ yếu người ta sử dụng hệ thống biến tần –
động cơ không đồng bộ ( hình 2.1 ).
Trong hệ trình bày hình 2.1, bộ nghòch lưu gồm sáu transitor chuyển nguồn một
chiều U
dc
sang điện áp ba pha cung cấp cho động cơ điện xoay chiều không đồng bộ.
3
SVTH: Tạ Hoàng Thanh(40102389)
ĐC
KĐB
3 pha
Mạch điều khiển
3
Luận văn tốt nghiệp GVHD:T.S Nguyễn Văn Nhờ
Để kích dẫn các transitor, hiện nay vớc các bộ biến tần đa bậc người ta thường sử
dụng kỹ thuật số tín hiệu (digital signal proccesing –DSP). Trong hệ này người ta sử
dụng các vi mạch chuyên dụng trong DSP cũng như trong điều chế để điều khiển chế
độ đóng cắt của các khoá bán dẫn nhằm thay đổi tốc độ động cơ thông qua việc thay
đổi tần số nguồn cung cấp f
1
.
2.2 CÁC NGUYÊN TẮC ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ:
Khi đưa vào bộ dây quấn của động cơ điện không đồng bộ xoay chiều ba pha
một sức điện động ba pha xoay chiều hình sin thì nó sẽ tạo ra từ trường quay với tốc
độ đồng bộ:
p
f

n
1
60
=
(2.1)
Với: f
1
là tần số nguồn ba pha cung cấp cho động cơ không đồng bộ.
p số đôi cực từ của bộ dây quấn ba pha.
Từ công thức (2.1) ta có thể thay đổi tốc độ động cơ điện xoay chiều không
đồng bộ ba pha theo các phương pháp sau:
2.2.1 Thay đổi số đôi cực p:
Thông thường người ta sử dụng các bộ chuyển mạch cơ khí để đổi đấu nối giữa
các cuộn dây trong bộ dây quấn stator hay thay đổi giữa hai bộ dây quấn trên cùng lõi
thép kỹ thuật điện ở stator nhưng có cấu trúc khác nhau về số đôi cực từ nhằm thay
đổi số đôi cực từ p để thay đổi tốc độ từ trường quay. Khi thay đổi số đôi cực ta phải
chú ý rằng số đôi cực ở staror và ở rotor phải như nhau. Nghóa là khi thay đổi số đôi
cực từ ở stator thì ở rotor cũng phải thay đổi theo. Như vậy rất khó thực hiện cho động
cơ rotor dây quấn, nên phương pháp này chủ yếu dùng cho động cơ không đồng bộ
rotor lồng sóc vì loại động cơ này có khả năng tự thay đổi số đôi cực ở rotor để phù
hợp với số đôi cực ở stator. Đối với động cơ có nhiều cấp tốc độ, mỗi pha stator phải
có từ hai bối dây trở lên hoàn toàn giống nhau. Do đó càng nhiều cấp tốc độ thì kích
thước, trọng lượng và giá thành sẽ cao. Vì thế nếu dùng phương pháp này thì trong
thực tế thường dùng tối đa bốn cấp độ.
2.2.2 Thay đổi tần số lưới f
1
:
Với những tiến bộ kỹ thuật trong lónh vực kỹ thuật vi xử lý và linh kiện bán dẫn
công suất lớn, các bộ biến tần tạo sóng sin ngày càng hoàn thiện với giá thành ngày
một thấp… đã tạo nên chỗ đứng vững chắc cho động cơ điện không đồng bộ ba pha

xoay chiều trong hệ truyền động cần có sự điều chỉnh và ổn đònh tốc độ. Sử dụng các
4
SVTH: Tạ Hoàng Thanh(40102389)
4
Luận văn tốt nghiệp GVHD:T.S Nguyễn Văn Nhờ
bộ biến tần điều khiển tốc độ động động cơ cho phép thay đổi tốc độ động cơ trong
một khoảng rộng và trơn có bảo vệ quá tải… Bên cạnh việc thay đổi tần số nguồn cung
cấp, phương pháp này cần thay đổi cả điện áp nguồn U cung cấp cho động cơ (U/f
=const) để giữ mật độ từ thông khe hở là không đổi. Vì ngoài quan hệ (2.1), trong
động cơ không đồng bộ xoay chiều ba pha còn có quan hệ M
t
, U
1
và f
1
(2.2). Moment
cực đại M
max
trong trường hợp này gần như không đổi.
( )















′
++






′
+
′
=
2
2
.
2
3
2
2
2
1
XX
s
R
R
s

R
U
M
tt
a
db
t
ω
(2.2)
2.2.3 Thay đổi điện áp trên bộ dây quấn stator:
Đây là phương pháp có thể dùng chung cho các loại động cơ điện. Đối với động
cơ không đồng bộ xoay chiều ba pha (công thức 2.2) khi thay đổi giá trò điện áp đi k
lần thì moment thay đổi đến K
2
lần do đó thay đổi được tốc độ động cơ điện. Nghóa là
khi ta giảm điện áp đi 0.7 lần thì moment giảm đến (0.7)
2
=0.49 lần.
2.2.4 Thay đổi điện trở phụ trên mạch rotor:
Đây là phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ đơn giản và chỉ được sử dụng
với các động cơ không đồng bộ rotor dây quấn ( vì phải có bộ dây quấn ở rotor thì mới
có thể gắn vào các điện trở phụ để điều chỉnh tốc độ).
Cả hai phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ bằng cách thay đổi điện áp trên
stator hoặc gắn thêm điện trở phụ vào mạch rotor có đặc điểm là hiệu suất rất thấp ở
tốc độ thấp và phạm vi thay đổi không được nhiều khi tải thay đổi.
2.2.5 Bằng cuộn kháng bảo hòa:
Đây là phương pháp dựa trên phương pháp thay đổi điện áp trên bộ dây quấn
stator động cơ. Điện kháng bảo hòa là thiết bò điện từ có trò số điện kháng thay đổi
được. Nguyên tắc làm việc là sử dụng một nguồn năng lượng nhỏ thay đổi độ từ hóa
của lỏi thép, từ đó thay đổi điện áp đặt trên bộ dây quấn stator động cơ.

∗ Nhận xét: Trong các phương án vừa nêu trên thì phương án thay đổi số đôi cực từ p
sử dụng các bộ chuyển mạch cơ khí để thay đổi số đôi cực nhằm thay đổi tốc độ động
cơ thông dụng hơn các phương án thay đổi điện trở phụ trên rotor, thay đổi điện áp
stator hoặc sử dụng cuộn kháng bảo hòa do những ưu điểm làm việc với độ tin cậy cao
nhưng nhược điểm lớn nhất của chúng là khoảng thay đổi tốc độ hẹp, không trơn
(nhảy cấp) và không ổn đònh được tốc độ (yêu cầu quan trọng nhất của hệ truyền động
5
SVTH: Tạ Hoàng Thanh(40102389)
5
Luận văn tốt nghiệp GVHD:T.S Nguyễn Văn Nhờ
điều tốc động cơ). Do vậy, ở đây đề tài chỉ nghiên cứu hệ thống điều tốc thông dụng
nhất là các hệ truyền động sử dụng bộ biến tần với thiết bò đóng cắt dùng khóa bán
dẫn.
2.3 ĐIỀU KHIỂN ĐỊNH HƯỚNG TRƯỜNG:
Tổng quát động cơ điện như một nguồn moment thay đổi được. Yêu cầu điều
khiển chính xác giá trò moment tức thời của động cơ được đặt ra trong các hệ truyền
động có đặc tính động cao và sử dụng phương pháp điều khiển vò trí trục rotor. Phương
trình moment động cơ: M=2/3pL
m
I
m
(i
s
e
i
r
e*
) (2.3)
Moment động cơ sinh ra là kết quả tương tác giữa dòng trong cuộn ứng và từ
thông sinh ra trong hệ thống kích từ động cơ. Từ thông được giữ ở mức tối ưu nhằm

đảm bảo sinh ra moment tối đa và giảm tối thiểu mức độ bão hòa của mạch từ, với từ
thông có giá trò không đổi moment tỉ lệ thuận với dòng ứng.
Đối với động cơ không đồng bộ, cuộn ứng là rotor và từ thông sinh ra bởi dòng
trong cuộn stator. Tuy nhiên, dòng stator không thể điều khiển trực tiếp bởi nguồn
ngoài vì vậy việc điều khiển moment tối ưu khó thực hiện. Phương pháp điều khiển
đònh hướng trường động cơ không đồng bộ cho phép việc điều khiển từ thông và
moment động cơ độc lập từ đó việc điều khiển tốc độ động cơ được dễ dàng:
(2.4)
Trong máy điện không đồng bộ góc không gian giữa từ trường quay stator và
rotor luôn thay đổi theo tải và ảnh hưởng đến đáp ứng động cơ. Điều khiển góc không
gian này bằng cách điều khiển dòng điện ngõ vào stator bởi việc tính toán tạo tách
biệt hai thành phần điều khiển từ thông và moment là nội dung của phương pháp điều
khiển đònh hướng trường.
Để sử dụng phương pháp điều khiển đònh hướng trường cần phải:
• Cần có thông tin biên độ vò trí của vector từ thông rotor.
• Điều khiển hệ thống dựa trên sự phân tích hệ thống gắn liền với hệ tọa
độ từ thông rotor
6
SVTH: Tạ Hoàng Thanh(40102389)
6
Luận văn tốt nghiệp GVHD:T.S Nguyễn Văn Nhờ
Từ hệ phương trình (2.4) khi từ thông rotor được giữ không đổi thì moment động
cơ điều khiển độc lập với từ thông. Đây là nguyên tắc điều khiển của phương pháp
này.
7
SVTH: Tạ Hoàng Thanh(40102389)
7
Luận văn tốt nghiệp GVHD:T.S Nguyễn Văn Nhờ
CHƯƠNG 3:
BỘ NGHỊCH LƯU ÁP ĐA BẬC

3.1. GIỚI THIỆU:
3.1.1 Khái niệm:
Bộ nghòch 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.
Bộ nghòch lưu áp là một bộ nghòch lưu có nguồn một chiều cung cấp là nguồn
áp và đối tượng điều khiển ở ngõ ra là điện áp. Bộ nghòch lưu dòng là bộ nghòch lưu
có nguồn một chiều cung cấp là nguồn dòng và đối tượng điều khiển ở ngõ ra là
nguồn dòng. Trên thực tế nguồn một chiều là nguồn áp và đối tượng nghiên cứu là bộ
nghòch lưu áp.
Bộ nghòch lưu là bộ phận chủ yếu trong cấu tạo của bộ biến tần (do đó có thể
gọi tắc là bộ biến tần) co ùứng dụng quan trọng và tương đối rộng rãi trong lónh vực
điều khiển động cơ xoay chiều với độ chính xác cao. Trong lónh vực tần số cao, bộ
nghòch thường được dùng trong các thiết bò lò cảm ứng trung tần, thiết bò hàn trung tần.
Bộ nghòch lưu còn được dùng làm nguồn điện xoay chiều cho nhu cầu gia đình, làm
nguồn điện liên tục UPS, điều khiển chiếu sáng, bộ nghòch lưu còn được ứng dụng vào
lónh vực bù nhuyễn công suất phản kháng.
Bộ nghòch lưu áp cung cấp và điều khiển điện áp xoay chiều ở ngõ ra, nguồn
điện áp một chiều có thể là: pin điện, ắc quy, điện áp một chiều được chỉnh lưu từ
điện áp xoay chiều có lọc phẳng… Các tải xoay chiều thường mang tính chất cảm
kháng( động cơ xoay chiều, lò cảm ứng…), dòng điện qua các linh kiện không thể đóng
ngắt bằng quá trình chuyển mạch tự nhiên. Do đó, linh kiện trong bộ nghòch lưu áp
phải có khả năng kích đóng, ngắt dòng qua nó. Trong các ứng dụng với công suất nhỏ
và vừa thì có thể sử dụng transitor BJT, MOSFET, IGBT. phạm vi công suất lớn có
thể dùng GTO, IGCT hoặc SCR kết hợp với bộ chuyển mạch. Với tải tổng quát, mỗi
linh kiện còn mắc thêm một diode đối song để hạn chế điện áp phát sinh khi kích ngắt
linh kiện.
3.1.2. Phân loại:
Bộ nghòch lưu áp có nhiều loại cũng như có nhiều phương pháp điều khiển khác
nhau:
 Theo số pha điện áp đầu ra: nghòch lưu áp một pha, ba pha.

 Theo số cấp giá trò điện áp giữa một đầu pha tải đến một điểm điện thế chuẩn
trên mạch có: hai bậc (two level), đa bậc (multilevel – từ ba bậc trở lên).
8
SVTH: Tạ Hoàng Thanh(40102389)
8
Luận văn tốt nghiệp GVHD:T.S Nguyễn Văn Nhờ
Khái niệm bộ biến tần hai bậc (hình 2.1) xuất phát từ điện áp một đầu pha tải
( pha a, b, c ) với điểm chuẩn (vò trí nối đất) trên mạch DC thay đổi giữa hai bậc khác
nhau (U
dc
/2 và -U
dc
/2). Bộ nghòch lưu áp hai bậc có nhược điểm là tạo điện áp cung
cấp cho cuộn dây động cơ dv/dt khá lớn và gây ra hiện tượng điện áp common – mode
(V
N0
≠ 0) rất nghiêm trọng. Bộ nghòch lưu áp đa bậc được phát triển để giải quyết các
vấn đề gây ra nêu trên của bộ nghòch lưu áp hai bậc và thường được sử dụng cho các
ứng dụng điện áp cao và công suất lớn.
Ưu điểm của bộ nghòch lưu áp đa bậc là công suất của bộ nghòch lưu tăng lên,
điện áp đặt lên các linh kiện giảm xuống nên công suất tổn hao do quá trình đóng
ngắt của 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 bộ nghòch lưu áp hai bậc.
 Theo cấu hình bộ nghòch lưu: dạng cascade (cascade inverter), dạng nghòch lưu
chứa cặp diode kẹp NPC (neutral point clamped multilevel inverter)…
Các phương pháp điều khiển bộ nghòch lưu áp:
 Phương pháp điều rộng.
 Phương pháp điều biên.
 Phương pháp điều chế độ rộng xung (SH-PWM).
 Phương pháp điềi chế độ rộng xung cải biến (Modified PWM).

 Phương pháp điều chế vector không gian (SVPWM –Carrier Based PWM).
3.2. CÁC CẤU TRÚC CƠ BẢN CỦA BỘ NGHỊCH LƯU ÁP ĐA BẬC:
3.2.1. Cấu trúc bộ nghòch lưu dạng cascader (cascader 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 nghòch lưu áp cầu
một pha ghép nối tiếp, các bộ nghòch lưu áp dạng cầu một pha này có các nguồn DC
riêng.
Bằng cách kích đóng các linh kiện trong mỗi bộ nghòch lưu áp một pha, ba mức
điện áp (-U, 0, U) được tạo thành. Sự kết hợp hoạt động của n bộ nghòch 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 nghòch lưu áp dạng cascade gồm n bộ nghòch lưu áp một pha
trên mỗi nhánh sẽ tạo thành bộ nghòch lưu ( 2n + 1 ) bậc.
9
SVTH: Tạ Hoàng Thanh(40102389)
9
Luận văn tốt nghiệp GVHD:T.S Nguyễn Văn Nhờ
Hình 3.1: Bộ nghòch lưu áp đa bậc dạng cascader inverter
Tần số đóng ngắt trong mỗi module của dạng mạch này có thể giảm đi n lần và
dv/dt cũng vậy. Điện áp trên áp đặt lên các linh kiện giảm đi 0,57 lần, cho phép sử
dụng IJBT điện áp thấp.
Ngoài dạng mạch gồm các bộ nghòch lưu áp một pha, mạch nghòch áp đa bậc
còn có dạng ghép từ ngõ ra của các bộ nghòch 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 nghòch
lưu áp ba pha chuẩn. Mạch nghòch 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 3.2).
Hình 3.2: Cascader sử dụng nghòch lưu áp ba pha
10
SVTH: Tạ Hoàng Thanh(40102389)

10
Luận văn tốt nghiệp GVHD:T.S Nguyễn Văn Nhờ
3.2.2 Cấu trúc bộ nghòch lưu áp 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 nghòch
lưu đa bậc chứa các cặp diode kẹp có một mạch nguồn DC được 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 có thể đạt được (n+ 1) giá trò khác nhau và từ đó bộ nghòch lưu được
gọi là bộ nghòch lưu áp (n+ 1)bậc. Ví dụ (xét hình 3.3) 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 vò trí bất kỳ trên (ví dụ M) nhờ cặp diode kẹp tại điểm
Hình 3.3: Bộ nghòch lưu áp dạng diode kẹp (NPC)
11
SVTH: Tạ Hoàng Thanh(40102389)
11
Luận văn tốt nghiệp GVHD:T.S Nguyễn Văn Nhờ
đó (ví dụ D1, D1’).Để điện áp pha-nguồn DC đạt được mức điện áp nêu trên (Ua0 =
U), tất cả các linh kiện bò kẹp giữa hai diode (Da4, Da’4) – gồm n linh kiện mắc nối
tiếp liên tục kề nhau, phải được kích đóng (sa5, sa’1, sa’2, sa’3, sa’4), các linh kiện
còn lại phải được khoá theo nguyên tắc kích đối nghòch. Như hình vẽ trên, tạo ra sáu
mức điện áp pha – nguồn DC nên mạch lưu trên gọi là bộ nghòch lưu sáu bậc.
Bộ nghòch 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 nghòch lưu ba bậc, dv/dt trên linh kiện và tần
số đóng cắt giảm đi một nửa. Tuy nhiên với n > 3, mức độ chòu 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.
3.2.3. Cấu trúc tụ điện thay đổi (Flying capacitor inverter):
Hình 3.4 Bộ nghòch lưu áp dạng tụ điện thay đổi
Ưu điểm chính của bộ nghòch lưu dạng này là:

+ Khi số bậc tăng cao thì không dùng bộ lọc.
+ Có thể điều tiết công suất tác dụng và phản kháng nên từ đó có thể điều tiết
việc phân bố công suất trong lưới có dùng biến tần.
Nhưng bên cạnh đó còn có một số nhược điểm sau:
+ Số lương 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 bộ nghòch lưu áp tăng cao.
12
SVTH: Tạ Hoàng Thanh(40102389)
12
Luận văn tốt nghiệp GVHD:T.S Nguyễn Văn Nhờ
3.2.4 Nhận xét:
Trong các dạng sơ đồ vừa nêu trên tuy mỗi sơ đồ đều có ưu nhược điểm riêng
nhưng thông dụng nhất vẫn là hai dạng: NPC và cascader vì sơ đồ dùng tụ khó thực
hiện bởi vì mỗi nhóm tụ trong mạch được nạp với một mức điện áp khác nhau khi
mạch làm việc với số bậc lớn. Sau đây, trong luận văn chỉ phân tích bộ nghòch lưu áp
dạng sơ đồ cấu trúc dạng NPC.
3.3. CÁC TRẠNG THÁI ĐÓNG NGẮT :
3.3.1 Tổng quan:
Xét bộ nghòch lưu áp n bậc dạng chứa cặp diode kẹp (NPC) (hình 3.3).gọi U là
độ lớn điện áp trong mỗi nguồn riêng lẻ phụ thuộc độ lớn điện áp pha - nguồn DC cần
thiết lập, các linh kiện bò kẹp giữa các cặp diode nối đến một điện thế trên mạch DC
cần thiết lập sẽ ở trạng thái kích đóng. Điện áp pha – tâm nguồn DC tính từ điểm đấu
dây của một pha tải đến một điện thế chuẩn trên mạch DC.
Trạng thái lích ngắt của các khóa bán dẫn trên một nhánh pha tải của các pha
A, B, C phải thỏa mản điều kiện kích đối nghòch.
S
aj
+ S’
aj

=1; S
bj
+S’
bj
=1; S
cj
+ S’
cj
=1 (3.1)
Với: j = 1, 2,3… (n-1)
Gọi N là điểm nút ba pha tải dạng sao đối xứng. Điện áp ba pha tải:
noaota
uuu
−=
;
nobotb
uuu
−=
;
nocotc
uuu
−=
Ta có:
0
=++
tctbta
uuu
(tải đối xứng)

03

0
=−++
Ncoboao
uuuu

3
0
coboao
N
uuu
u
++
=
(3.2)
=>









−−
=−=
−−
=−=
−−
=−=

3
2
3
2
3
2
boaoco
NOcotc
coaobo
NObotb
coboao
NOaota
uuu
uuu
uuu
uuu
uuu
uuu
(3.3)
13
SVTH: Tạ Hoàng Thanh(40102389)
13
Luận văn tốt nghiệp GVHD:T.S Nguyễn Văn Nhờ
Nếu ba pha tải dạng tam giác, điện áp pha tải bằng điện áp dây do bộ nghòch
lưu cung cấp:
201012
uuu
t
−=
;

302023
uuu
t
−=
;
103031
uuu
t
−=
(3.4)
3.3.2 Trạng thái đóng ngắt bộ nghòch lưu áp ba bậc:
Hình 3.5 Pha A của bộ nghòch lưu ba bậc
Xét pha A của bộ nghòch lưu áp ba bậc dạng diode kẹp (hình 3.5). Gọi U
dc
/2 là
độ lớn điện áp trên mỗi nguồn riêng lẻ phụ thuộc độ lớn điện áp pha. Các linh kiện
kẹp giữa cặp diode nối đến điện thế trên mạch DC cần thiết lập sẽ ở trạng thái kích.
Điện áp pha tâm nguồn DC đạt được các giá trò cho trong bảng sau:
Với x= a, b, c.
V
out
= V
xo
S
x1
S
x2
S’
x1
S’

x2
U
dc
/2 1 1 0 0
0 0 1 1 0
-U
dc
/2 0 0 1 1
Ta thấy có ba mức điện áp tồn tại ứng với ba trạng thái đóng ngắt linh kiện cho
mỗi pha. Vậy có 3
3
= 27 trạng thái đóng ngắt cho bộ nghòch lưu áp ba bậc.
3.3.3 Trạng thái đóng ngắt cho bộ nghòch lưu áp năm bậc:
14
SVTH: Tạ Hoàng Thanh(40102389)
14
Luận văn tốt nghiệp GVHD:T.S Nguyễn Văn Nhờ
Hình 3.6 Pha A của bộ nghòch lưu áp năm bậc
Xét pha A của bộ nghòch lưu áp năm bậc dạng diode kẹp (hình 3.6). Gọi U là
độ lớn diện áp trên mỗi tụ điện riêng lẻ. Chọn điểm tâm (0) nguồn DC ở vò trí giữa,
điện áp pha – tâm nguồn DC đạt các giá trò như trong bảng sau:
V
out
= V
xo
S
x1
S
x2
S

x3
S
x4
S’
x1
S’
x2
S’
x3
S’
x4
U
dc
/2 1 1 1 1 0 0 0 0
U
dc
/4 0 1 1 1 1 0 0 0
0 0 0 1 1 1 1 0 0
-U
dc
/4 0 0 0 1 1 1 1 0
-U
dc
/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 cho mỗi
pha. Vậy có năm trang thái đóng ngắt đóng ngắt linh kiện cho mõi pha, như vậy có 5
3
= 125 trạng thái đóng ngắt cho ba pha.
3.4. NHẬN XÉT:

Có thể điều khiển bộ nghòch lưu áp (bằng cách điều khiển tín hiệu đóng ngắt
lên các linh kiện) bằng nhiều phương pháp, mỗi phương pháp thích hợp với mỗi loại
tải khác nhau. Bộ nghòch lưu áp đa bậc có phạm vi hoạt động với tải công suất lớn do
15
SVTH: Tạ Hoàng Thanh(40102389)
15
Luận văn tốt nghiệp GVHD:T.S Nguyễn Văn Nhờ
đó vấn đề đặt ra là giảm bớt tần số đóng ngắt và giảm shock điện áp trên linh kiện
công suất có ý nghóa quan trọng. Chương 7 của luận văn này sẽ trình bày phương pháp
điều chế hai vector bộ nghòch lưu áp đa bậc NPC, qua đó sẽ thấy rõ được tần số đóng
ngắt của các linh kiện bán dẫn được giảm thiểu đáng kể so với các phương pháp điều
khiển bộ nghòch lưu áp hiện nay. Tấn số đóng ngắt giảm dẫn đến số lần chuyển mạch
trên các pha bộ nghòch lưu áp giảm, tổn thất của bộ nghòch lưu giảm từ đó có khả năng
nâng cao công suất của bộ nghòch lưu . Bộ nghòch lưu ngày càng được sử dụng rộng rãi
trong các lónh vực công suất cao.
16
SVTH: Tạ Hoàng Thanh(40102389)
16
Luận văn tốt nghiệp GVHD:T.S Nguyễn Văn Nhờ
CHƯƠNG 4:
ĐIỀU KHIỂN BỘ NGHỊCH LƯU ÁP - PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHẾ ĐỘ RỘNG
XUNG
4.1. GIỚI THIỆU:
4.1.1 Phương pháp điều chế độ rộng xung:
Phương pháp còn còn có tên Subharmonic Pulse Width Modulation (SH-PWM),
carrier based PWM. Để thực hiện 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). Đối với bộ nghòch lưu áp n bậc, số sóng mang được sử dụng là (n-1). Chúng
có cùng tần số f
c

, và cùng có biên độ đỉnh – đỉnh A
c
. Sóng điều chế (hay sóng điều
khiển) có biên độ đỉnh –đỉnh A
m
và tần số f
m
, dạng sóg của nó thay đổi chung 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 được sóng mang đó điều khiển sẽ được kích đóng. Trong
trường hợp sóng điều khiển nhỏ hơn sóng mang nào đó thì linh kiện sẽ bò khóa kích.
Đối với bộ nghòch lưu áp đa bậc chỉ số biên độ m
a
và chỉ số tầng số m
f
được
đònh nghóa như sau:
m
c
f
c
m
a
f
f
m
An
A
m
=

−
=
)1(
(4.1)
Theo đònh nghóa chỉ số điều chế m:
sixstepsm
mt
U
U
m
−
=
)1(
)1(
Với: U
(1)m
biên độ thành phần hài cơ bản tạo nên do phương pháp điều chế.
U
(1)m-sixsteps
biên độ thành phần hài cơ bản đạt được.
Đối vối bộ nghòch lưu áp ba pha, biên độ thành phần hài cơ bản: U
t(1)m
= m
a
.
(U/2)
Biên độ thành phần hài cơ bản đạt được trong phương pháp này là (điện áp pha
a):
U
a(1)m

= U/
3
với U =
∑
=
n
i
idc
U
1
Vậy: khi m
a
= 1 => U
t(1)m
= U/2
17
SVTH: Tạ Hoàng Thanh(40102389)
17
Luận văn tốt nghiệp GVHD:T.S Nguyễn Văn Nhờ
=>
866.0
2
3
3
2
max
===
U
U
m

Vậy khi m
a
< 1 ( quan hệ điều khiển tuyến tính)
3
2
U
U
a
m
m
=
=>
3
2m
m
a
=
Thông thường sóng điều khiển dạng sin, và sóng mang ta chọn là sóng tam giác
p
dka
c
ma
Un
Um
An
Am
)1(
2
3
2

)1(
3
2
−
=⇒
−
=
3
)1(
p
dk
Unm
U
−
=⇒
Chọn sóng mang có U
p
= 1 =>
3
)1( −
=⇒
nm
U
dk
(4.2)
Với chỉ số sóng điều chế :
2
3
≤
m

.
4.1.2 Các dạng sóng mang trong kỹ thuật điều chế PWM:
Các sóng mang dạng tam giác có tần số cao (f
c
< 9500Hz). Có thể chia thành ba
loại như sau:
a) Bố trí cùng pha (PD : In Phase Dispostion): tất cả các loại sóng mang đều cùng
pha nhau:
Hình 4.1: Sóng mang dạng PD
18
SVTH: Tạ Hoàng Thanh(40102389)
18
Luận văn tốt nghiệp GVHD:T.S Nguyễn Văn Nhờ
b) Hai sóng mang kế tiếp nhau sẽ dòch 180
0
– gọi là sóng APOD ( Alternative
Phase Opposition Disposition):
Hình 4.2: Sóng mang dạng APOD
c) Bố trí đố xứng qua trục Zero –gọi là sóng POD (Phase Opposition Disposition):
Tất cả các sóng mang trên trục 0 sẽ cùng pha nhau và các sóng mang nằm dưới
trục 0 sẽ bò dòch đi 180
0
.
Hình 4.3: Sóng mang dạng POD
Nhận xét: Trong các phương pháp bố trí sóng mang, thì thương pháp bố trí các sóng
mang đa bậc cùng pha (dạng PD) cho độ méo dạng áp dây nhỏ nhất. Riêng đối với bộ
nghòch lưu áp ba bậc, phương pháp POD và APOD có cùng kết quả dạng sóng mang.
Trong các phần mô phỏng sau, ta chỉ sử dụng phương pháp sóng mang dạng PD.
4.2. MÔ PHỎNG BỘ NGHỊCH LƯU ÁP 3 BẬC:
19

SVTH: Tạ Hoàng Thanh(40102389)
19
Luận văn tốt nghiệp GVHD:T.S Nguyễn Văn Nhờ
4.2.1 Phân tích xung kích bộ nghòch lưu áp ba bậc dùng diode kẹp:
Xét xung kích trên pha A, xung kích cho các linh liện S
a1
,

S
a2
, S’
a1
, S’
a2
được
thiết lập trên cơ sở so sánh sóng điều khiển u
ra
của pha A với sóng mang u
p1
( đối với
cặp xung kích S
a1
,

S
a2
) và u
p2
(đối với cặp xung kích S’
a1

, S’
a2
).
Cụ thể kết quả là:

Hình 4.4: Nghòch lưu ba bậc cấu trúc diode kẹp NPC
u
ra
> u
p1
=> ( S
a1
=1, S’
a1
= 0 )
u
ra
< u
p1
=> ( S
a1
=0, S’
a1
= 1 ) (4.3)
u
ra
> u
p2
=> ( S
a2

=1, S’
a2
= 0 )
u
ra
< u
p2
=> ( S
a2
=0, S’
a2
= 1 )
Từ giản đồ thiết lập trên ta xác đònh được điện áp pha tâm nguồn DC là:





=
′
=
′
=
′
=
==
=
) 1S ( khi 2/
) 1S ( khi 0
) 1S ( khi 2/

2a1
1a2
21
a
a
aa
ao
SU
S
SU
U
(4.4)
Tương tự xét trên pha B, C ta có thể xác đònh điện áp pha – tâm nguồn DC trên
từng pha. Từ đó ta dễ dàng tính được điện áp trên từng pha tải theo công thức (3.3).
4.2.2 Mô phỏng (bằng chương trình Psim):
Sơ đồ mô phỏng:
20
SVTH: Tạ Hoàng Thanh(40102389)
20
Luận văn tốt nghiệp GVHD:T.S Nguyễn Văn Nhờ
Trong đó sóng điều khiển ba pha hình sin tần số 50Hz, tỉ số điều chế m = 0.8.
Sóng mang tam giác PD có tần số 1000Hz. Các nguồn DC cân bằng có tổng điện áp là
U = 400V.
Tải RL: R = 1Ω, L = 0.02H. Còn lại trên sơ đồ là các đồng hồ đo.
Hình 4.5: Mô phỏng biến tần 3 level bằng phương pháp SH –PWM
4.2.3 Kết quả mô phỏng:
+ Sóng điều khiển u
ra
, u
rb

, u
rc
, và sóng mang u
p1
, u
p2
:
Hình 4.6: Điện áp điều khiển và sóng mang tam giac PD
+ Điện áp pha –tâm nguồn DC ( Va, Vb, Vc):
21
SVTH: Tạ Hoàng Thanh(40102389)
21
Luận văn tốt nghiệp GVHD:T.S Nguyễn Văn Nhờ
Hình 4.7: Điện áp pha tâm –nguồn DC
+ Điện áp pha tải V
ta
, V
tb
, V
tc
:
Hình 4.8: Điện áp tải pha A, B, C
+ Dòng điện pha tải I
a
, I
b
, I
c
:
Hình 4.9: Dòng tải pha A, B, C

22
SVTH: Tạ Hoàng Thanh(40102389)
22
Luận văn tốt nghiệp GVHD:T.S Nguyễn Văn Nhờ
+ Điện áp commom –mode V
NO
:
Hình 4.10: Điện áp commom –mode
4.2.4 Nhận xét:
 Điện áp pha –tâm nguồn DC có ba mức điện áp khác nhau là 200V, 0, -200V
ứng với V
dc
= 400V theo phương trình (4.4).
 Dòng tải xác đònh gần Sin, ban đầu dòng tải dao động khá lớn.
 Điện áp tải tồn tại hài bậc cao khá nhiều.
4.3. MÔ PHỎNG BỘ NGHỊCH LƯU ÁP 5 BẬC:
4.3.1 Phân tích xung kích bộ nghòch lưu áp năm bậc:
Xét xung kích trên pha A, xung kích cho các linh kiện S
a1
, S
a2
, S
a3
, S
a4
, S’
a1
, S’
a2
,

S’
a3
, S’
a4
được thiết lập trên cơ sở so sánh sóng điều khiển u
ra
của pha A với sóng mang
u
p1
( đối xung kích cho cho cặp S
a1
, S’
a1
), u
p2
(S
a2
, S’
a2
), u
p3
(S
a3
, S’
a3
), u
p4
(S
a4
, S’

a4
) cụ
thể:
u
ra
> u
p1
=> ( S
a1
= 1, S’
a1
= 0 ).
u
ra
> u
p1
=> ( S
a1
= 0, S’
a1
= 1 ).
u
ra
> u
p1
=> ( S
a2
= 1, S’
a2
= 0 ).

u
ra
> u
p1
=> ( S
a2
= 0, S’
a2
= 1). (4.5)
u
ra
> u
p1
=> ( S
a3
= 1, S’
a3
= 0 ).
u
ra
> u
p1
=> ( S
a3
= 0, S’
a3
= 1 ).
u
ra
> u

p1
=> ( S
a4
= 1, S’
a4
= 0 ).
u
ra
> u
p1
=> ( S
a4
= 0, S’
a4
= 1 ).
Từ giản đồ thiết lập trên, điện áp pha tâm nguồn DC xác đònh:
23
SVTH: Tạ Hoàng Thanh(40102389)
23
Luận văn tốt nghiệp GVHD:T.S Nguyễn Văn Nhờ









=

′
=
′
=
′
=
′
−
=
′
=
′
=
′
=−
=
′
=
′
==
=
′
===
====
=
)1( khi 2/
)1( khi 4/
)1( khi 0
)1( khi 4/
)1( khi 2/

4321
3214
2143
1432
4321
0
aaaa
aaaa
aaaa
aaaa
aaaa
a
SSSSU
SSSSU
SSSS
SSSSU
SSSSU
U
(4.6)
Tương tự đối với pha B, C .
Từ các điện áp pha –tâm nguồn DC ta có thể tính được các điện áp pha tải theo
công thức (3.3)
Hình 4.11: Bộ nghòch lưu áp 5 level dạng diode kẹp
4.3.2 Sơ đồ mô phỏng (bằng chương trình Psim):
Sơ đồ mô phỏng:
Trong đó sóng điều khiển có tần số 50Hz, tỉ số điều chế m = 0.8. Sóng mang
tam giác PD 2000Hz. Các nguồn DC cân bằng có tổng điện áp là 400V. Tải RL: R =
1Ω, L = 0.02H. Còn lại là các đồng hồ đo.
24
SVTH: Tạ Hoàng Thanh(40102389)

24
Luận văn tốt nghiệp GVHD:T.S Nguyễn Văn Nhờ
Hình 4.12: Sơ đồ mô phỏng nghich lưu 5 level bằng phương pháp SHPWM
4.3.3 Kết quả mô phỏng:
+ Sóng điều chế u
ra
, u
rb
, u
rc
và sóng mang u
p1
, u
p2
, u
p3
, u
p4
:
Hình 4.13: Điện áp sóng điều khiển ba pha và sóng mang tam giác PD
25
SVTH: Tạ Hoàng Thanh(40102389)
25