Điều khiển bộ chỉnh lưu điều rộng xung bằng phương pháp điều khiển công suất trực tiếp

vi

MC LC
Trang ta Trang
Xác nhận của cán bộ hớng dẫn
Quyết định giao đề tài
Lý lịch khoa học i
Lời cam đoan iii
Lời cảm tạ iv
Tóm tắt v
Mục lục vi
Danh sách các chữ viết tắt ix
Danh sách các hình xi
Danh sách các bảng xv
Chng 1 TỔNG QUAN
1.1 Tổng quan chung về lĩnh vực nghiên cứu, các kết quả nghiên cứu
trong và ngoài nớc 1
1.1.1Tổng quan chung về lĩnh vực nghiên cứu 1
1.1.2 Một số kết quả nghiên cứu trong và ngoài nớc 2
1.2 Mục đích của đề tài nghiên cứu 3
1.3 Nhiệm vụ và giới hạn của đề tài 3
1.4 Phơng pháp nghiên cứu 4
Chng 2 C SỞ LÝ THUYẾT CỦA B CHỈNH LU 3 PHA
2.1 Tổng quan mạch chỉnh lu ba pha 5
2.2 Nguyên lý làm việc 7
2.3 Phạm vi và giới hạn tham số của chỉnh lu PWM 9
Chng 3 ĐIỀU KHIỂN B CHỈNH LU ĐIỀU RNG XUNG PWM
BẰNG PHNG PHÁP TRC TIẾP CÔNG SUT(DPC)
3.1 Các phơng pháp điều khiển chỉnh lu PWM 10
3.1.1 Cấu trúc điều khiển chỉnh lu PWM định hớng theo vector điện áp
dựa vào dòng điện (VOC) 11

3.1.2 Cấu trúc điều khiển chỉnh lu PWM theo VFOC 12
vii

3.1.3 Cấu trúc điều khiển chỉnh lu PWM theo phơng pháp trực tiếp
công suất (DPC) 12
3.1.4 Cấu trúc điều khiển chỉnh lu PWM theo VF-DPC 13
3.2 Bộ chỉnh lu điều rộng xung PWM bằng phơng pháptrực tiếp
công suất DPC 14
3.3 Mô hình toán học điều khiển trực tiếp công suất DPC cho
chỉnh lu PWM 15
3.3.1 Khối công suất 15
3.3.2 Chiến lợc điều khiển 16
Chng 4 MỌ PHNG B NGUỒN AC/DC 3 PHA
4.1 Bộ chỉnh lu ba pha 6 IGBT 31
4.1.1 Khối mạch động lực 32
4.1.2 Bộ điều khiển . 35
4.1.3 Kết quả mô phỏng chỉnh lu ba pha 6 IGBT 36
4.2 Bộ chỉnh lu ba pha 12 IGBT (NPC 3 bậc). 35
4.2.1 Khối mạch động lực 46
4.2.2 Khối điều khiển 47
4.2.3 Kết quả mô phỏng chỉnh lu ba pha 12 IGBT 48
4.3 Phân tích thành phần hài 55
4.4 Bảng so sánh của chỉnh lu 3 pha NPC – 2 bậc và 3 bậc 57
Chng 5 XÂY DNG MÔ HÌNH THC NGHIỆM B CHỈNH LU BA
PHA BẰNG PHNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN CÔNG SUT TRC TIẾP
5.1 Sơ đồ tổng thể mô hình thực nghiệm 58
5.2 Mô tả chi tiết mô hình thực nghiệm 60
5.2.1 Sơ đồ tổng quan mạch công suất 60
5.2.2 Mạch điều khiển 63
5.2.2.1 Sơ đồ triển khai mạch kích xung 63

5.2.2.2 Sơ đồ triển khai mạch cảm biến điện áp 66
5.2.2.3 Sơ đồ triển khai mạch cảm biến dòng điện 69
5.2.2.4 Sơ đồ triển khai mạch đệm bảo vệ DSP 71
5.2.2.5 Kit DSP TMS320F28335 71
viii

Chng 6 KẾT QUẢ THC NGHIỆM PHNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN
CÔNG SUT TRC TIẾP B CHỈNH LU BA PHA BẰNG KỸ
THUẬT LẬP TRÌNH NHÚNG.
6.1 Giới thiệu th viện lập trình nhúng của Matlab/Simulink 76
6.2 Mô hình lập trình nhúng trên Matlab/simulink 79
6.3 Kết quả thực nghiệm của bộ chỉnh lu ba pha 84
6.4 Nhận xét 94
6.5 Một số hình ảnh thực nghiệm tại phòng thí nghiệm 96
Chng 7 KẾT LUẬN
7.1 Kết luận 97
7.2 Hớng phát triển của đề tài 97
TÀI LIỆU THAM KHẢO


ix

DANH SÁCH CÁC CH VIẾT TẮT

AC Alternating Current
DC Direct Current
ADC Analog-to-Digital Converter
DSP Digital Signal Processor
I/O Input/Output
IGBT Insulated-Gate Bipolar Transistor

GTO Gate-Turn-Off thyristor
IGCT Integrated Gate Controlled Thyristor
NPC Neutral Point Clamped
PI Proportional-Integral
PWM Pulse Width Modulation
THD Total Harmonic Distortion
PFC Power-Factor Correction
CPWM Carrier Based Pulse Width Modulation
IEC International Electrotechnical Commission
POD Phase Opposition Dispostion
VOC Voltage Oriented Control
DPC Direct Power Control
VFOC Virtual Flux Oriented
FOC Field Oriented Control
va,vb,vc Điện áp ba pha a,b,c
ia, ib, ic Dòng ba pha a, b, c
Sa,Sb,Sc Trạng thái đóng cắt của bộ biến đổi
C Tụ lọc DC.
R Điện trở tải.
L Cuộn cảm
U
ref
Điện áp nguồn tham chiếu
U
a
Điện áp nguồn pha A.
I
a
Dòng điện nguồn pha A.
i(t), i Giá trị dòng điện tức thời

x

p* Công suất tác dụng yêu cầu
p
tt
Công suất tác dụng tức thời
q* Công suất phản kháng yêu cầu
q
tt
Công suất phản kháng tức thời
S Công suất biểu kiến



xi

DANH SÁCH CÁC HÌNH

Hình Trang
Hình 2.1: Mạch chỉnh lu ba pha 6
Hình 2.2: Sáu vector điện áp cơ bản 7
Hình 3.1: Các phơng pháp điều khiển chỉnh lu PWM 10
Hình 3.2: Cấu trúc điều khiển chỉnh lu PWM theo VOC 11
Hình 3.3: Cấu trúc các mạch vòng điều khiển chỉnh lu PWM theo VFOC 12
Hình 3.4: Cấu trúc điều khiển chỉnh lu PWM theo DPC 13
Hình 3.5: Cấu trúc điều khiển chỉnh lu PWM theo VF-DPC 13
Hình 3.6: Cấu trúc điều khiển chỉnh lu PWM theo DPC 14
Hình 3.7: Sơ đồ điều khiển bộ chỉnh lu ba pha theo công suất trực tiếp 16
Hình 3.8: Phân vùng vector cho phơng pháp điều khiển DPC 17
Hình 3.9: Các sector (n) 18

Hình 3.10: Nguyên lý xuất xung kích của kỹ thuật điều chế theo công suất
yêu cầu
P*
19
Hình 3.11: Sơ đồ khối PI 20
Hình 3.12: Sơ đồ khối bộ chỉnh lu ba pha 6 IGBT 20
Hình 3.13: Phân vùng vector hệ trục tọa độ α – β 22
Hình 3.14: Các vector điện áp làm thay đổi công suất tác dụng tức thời
i
p
24
Hình 3.15: Các vector điện áp làm thay đổi công suất phản kháng tức thời
i
q
24
Hình 3.16: Sơ đồ khối bộ chỉnh lu ba pha 12 IGBT 25
Hình 3.17: Giản đồ vector điện áp bộ chỉnh lu 3 bậc 27
Hình 3.18: Đơn giản hóa cấu trúc mạch chỉnh lu NPC 3 bậc 27
Hình 3.19: Mô hình hoạt động của chỉnh lu chế độ hoạt động 1 28
Hình 3.20: Mô hình hoạt động của chỉnh lu chế độ hoạt động 2 28
Hình 3.21: Mô hình hoạt động của chỉnh lu chế độ hoạt động 3 29
Hình 4.1: Mô hình mô phỏng của bộ chỉnh lu ba pha 6IGBT 31
Hình 4.2: Mô hình mô phỏng khối nguồn 32
xii

Hình 4.3: Nguồn ba pha và cửa sổ thông số cho mạch nguồn pha A 32
Hình 4.4: Cửa sổ thông số của cuộn cảm L 33
Hình 4.5: Mô hình mô phỏng mạch công suất 33
Hình 4.6: Tụ lọc C và tải R của bộ chỉnh lu 34
Hình 4.7: Cửa sổ thông số tụ lọc C và tải R 34

Hình 4.8: Khối hiển thị kết quả 35
Hình 4.9: Khối nội suy ADC 35
Hình 4.10: Khối điêu khiển 35
Hình 4.11: Điện áp xoay chiều ba pha 36
Hình 4.12: Dạng sóng dòng điện xoay chiều ba pha 36
Hình 4.13: Dạng sóng dòng điện xoay chiều ba pha với tải R
L1
=120 37
Hình 4.14: Dạng sóng dòng điện xoay chiều ba pha với tải R
L2
=90 37
Hình 4.15: Dạng sóng dòng điện xoay chiều ba pha với tải R
L3
=50 38
Hình 4.16: Dạng sóng dòng điện và điện áp pha A 38
Hình 4.17: Phân tích FFT của dòng điện pha A tải R
L1
=120 39
Hình 4.18 Phân tích FFT của dòng điện pha A tải R
L2
=90. 39
Hình 4.19: Phân tích FFT của dòng điện pha A tải R
L3
=50. 40
Hình 4.20: Dạng sóng cos. 40
Hình 4.21 Dạng sóng công suất tính toán và công suất đặc Ptt,P* 41
Hình 4.22: Dạng sóng công suất Ptt,Qtt 41
Hình 4.23: Dạng sóng điện áp v
ab
và điện áp dạng bậc v

ab
42
Hình 4.24: Dạng sóng điện áp một chiều chỉnh lu Vdc khi quá độ và đóng tải 42
Hình 4.25: Dạng sóng dòng điện một chiều chỉnh lu Idc(A) 44
Hình 4.26: Mô hình mô phỏng của bộ chỉnh lu NPC 3bậc 45
Hình 4.27:Mạch công suất của bộ chinh lu 3 bậc 46
Hình 4.28: Khối tải và cửa sổ thông số tụ lọc C và tải R 47
Hình 4.29: Khối điều khiển 47
Hình 4.30: Dạng sóng điện áp xoay chiều 3 pha 48
Hình 4.31: Dạng sóng dòng điện xoay chiều 3 pha 48
Hình 4.32: Dạng sóng dòng điện và điện áp pha A 49
Hình 4.33: Dạng sóng điện áp dạng bậc v
ab
49
xiii

Hình 4.34: Dạng sóng công suất Ptt,Qtt 50
Hình 4.35: Dạng sóng điện áp một chiều chỉnh lu Vdc=Vdc1+Vdc2 50
Hình 4.36: Dạng sóng điện áp một chiều chỉnh lu cân bằng hai tụ
Vdc1,Vdc2(V). 51
Hình 4.37: Dạng sóng điện áp một chiều chỉnh lu tụ 1 52
Hình 4.38: Dạng sóng dòng điện một chiều tải R
L1
52
Hình 4.39: Dạng sóng điện áp một chiều chỉnh lu tụ 2 53
Hình 4.40: Dạng sóng dòng điện một chiều chỉnh lu tụ 2 53
Hình 4.41: Dạng sóng cos. 54
Hình 4.42: Phân tích FFT của dòng điện pha A 54
Hình 4.43: Giao diện của tiện ích Powergui 56
Hình 4.44: Powergui cho phép quan sát các thành phần sóng hài

dạng biểu đồ (Bar) 56
Hình 4.45: Powergui cho phép quan sát các thành phần sóng hài dạng
dữ liệu (List) 56
Hình 5.1: Sơ đồ tổng thể mô hình thực nghiệm 58
Hình 5.2: Sơ đồ thực nghiệm tổng quan của bộ chỉnh lu 3 pha 59
Hình 5.3: Sơ đồ triển khai mạch công suất 60
Hình 5.4: Sơ đồ thi công mạch công suất 60
Hình 5.5: Sơ đồ nối dây mạch IGBT 61
Hình 5.6: Hình dạng và sơ đồ chân của IGBT STGW40N120KD 61
Hình 5.7: Sơ đồ thực tế mạch IGBT 62
Hình 5.8: Tụ HCGFA 1800F-450VDC 62
Hình 5.9: Sơ đồ thực tế tải R 62
Hình 5.10: Sơ đồ tổng quan khối tạo xung 63
Hình 5.11: Sơ đồ nguyên lý mạch nguồn 64
Hình 5.12: Thi công mạch nguồn 64
Hình 5.13: Sơ đồ nguyên lý mạch lái các IGBT 65
Hình 5.14: Thi công mạch lái các IGBT 66
Hình 5.15: Sơ đồ tổng quan mạch cảm biến áp 66
Hình 5.16: Sơ đồ nguyên lý mạch cảm biến áp 67
xiv

Hình 5.17: Thi công mạch cảm biến áp 68
Hình 5.18: Sơ đồ tổng quan mạch cảm biến dòng 69
Hình 5.19: Mạch cảm biến dòng sử dụng ACS712 70
Hình 5.20: Nguyên lý hoạt động mạch cảm biến ACS712 70
Hình 5.21: Sơ đồ mạch đệm bảo vệ DSP 71
Hình 5.22: Kit vi xử lý DSP TMS320F28335 72
Hình 5.23: Sơ đồ bố trí 176 chân của F28335 74
Hình 5.24: Sơ đồ khối chức năng của DSP F28335 75
Hình 6.1: Th viện Target Preferences 76

Hình 6.2: Cửa sổ khai báo cấu hình phần cứng 77
Hình 6.3: Th viện Chip Support với các khối chức năng lập trình nhúng 77
Hình 6.4: Cửa sổ lựa chọn ngõ vào/ra digital 78
Hình 6.5: Cửa sổ khai báo ePWM 78
Hình 6.6: Mô hình thực nghiệm với kỹ thuật nhúng từ Matlab/simulink 79
Hình 6.7: Khối giao tiếp Matlab – DSP TMS320F28335 và cửa sổ thông số 80
Hình 6.8: Khối ADC 81
Hình 6.9: Cửa sổ ADC của DSP TMS320F28335 81
Hình 6. 10: Khối điều khiển 83
Hình 6.11: Khối xuất xung 83
Hình 6.12: Cửa sổ xuất xung GPIO 84
Hình 6.13: Mô hình thực nghiệm bộ chỉnh lu ba pha 6 IGBT(2 bậc) 96
Hình 6.14: Các thiết bị đo trong quá trình thực nghiệm 96

xv

DANH SÁCH CÁC BẢNG
Bng Trang
Bảng 2.1: Bảng trạng thái kích dẫn IGBT theo vector không gian 3 bậc 8
Bảng 3.1: Lựa chọn phân vùng sector 18
Bảng 3.2: Bảng thay đổi công suất tức thời (sector 1) 25
Bảng 3.3: Bảng chọn vector điện áp trong (sector 1 ) 25
Bảng 3.4: Bảng chuyển mạch bộ chỉnh lu 2 bậc 25
Bảng 4.1: Bảng số liệu mô phỏng bộ chỉnh lu ba pha 6 IGBT 31
Bảng 4.2: Bảng tổng kết điện áp ngõ ra, hệ số Cosφ và độ méo dạng
THD (%) của bộ chỉnh lu hai bậc 44
Bảng 4.3: Bảng số liệu mô phỏng bộ chỉnh lu ba pha 12 IGBT 45
Bảng 4.4: Bảng tổng kết điện áp ngõ ra, hệ số Cosφ và độ méo dạng
THD (%) của bộ chỉnh lu ba bậc 55
Bảng 4.5: Bảng so sánh của chỉnh lu 3 pha NPC – 2 bậc và 3 bậc

điện áp ngõ ra, hệ số Cosφ và độ méo dạng THD (%) 57
Bảng 6.1: Bảng số liệu thực nghiệm của bộ chỉnh lu ba pha 6IGBT 84
Bảng 6.2: Dạng sóng điện áp dòng điện đầu vào đầu ra khi tải 120() 85
Bảng 6.3: Dạng sóng điện áp dòng điện đầu vào đầu ra khi tải 90() 88
Bảng 6.4: Dạng sóng điện áp dòng điện đầu vào đầu ra khi tải 50() 91
Bảng 6.5: Kết quả mô phỏng bộ chỉnh lu ba pha hai bậc 94
Bảng 6.6: Kết quả thực nghiệm bộ chỉnh lu ba pha hai bậc 94
Bảng 6.7: Bảng tổng kết quá trình thực nghiệm 95

GVHD: PGS.TS Nguyễn Văn Nhờ
HVTH: Trần Quang Linh Trang 1
Chng 1
TỔNG QUAN

1.1 Tng quan chung v lĩnh vc nghiên cứu, các kt qu nghiên cứu trong
vƠ ngoƠi nc.
1.1.1. Tng quan chung v lĩnh vc nghiên cứu.
Những thập niên 80 của thế kỷ XX, kỹ thuật điện tử chỉ đợc ứng dụng trong
những mạch điều khiển, đo lờng, khống chế, bảo vệ… hệ thống điện công nghiệp
gọi là điện tử công nghiệp.
Đến thập niên 90 của thế kỷ XX, kỹ thuật điện tử đư ứng dụng khá rộng rãi và
thành công trong việc thay thế các khí cụ điện dùng để đóng ngắt nguồn điện cho
những phụ tải một pha và ba pha, làm các bộ nguồn công suất lớn trong công
nghiệp… Với u điểm là kích thớc nhỏ gọn, dễ điều khiển và thuận tiện, đáp ứng
tần số đợc mở rộng, khả năng về công suất, điện áp, dòng điện và độ tin cậy ngày
càng đợc cải tiến.
Trong đó, nhiều thiết bị biến đổi công suất đư đợc ứng dụng để phục vụ
những yêu cầu ngày càng cao của cuộc sống. Các thiết bị biến đổi công suất đư giúp
nâng cao hiệu quả quá trình biến đổi năng lợng điện đồng thời luôn đợc cải tiến
và hoàn thiện để đáp ứng yêu cầu về chất lợng điện năng. Ngoài các ứng dụng

truyền thống nh điều khiển động cơ điện, các bộ nguồn công suất, phạm vi ứng
dụng của bộ biến đổi công suất ngày càng đợc mở rộng nh trong lĩnh vực tự động
hóa công nghiệp, lu trữ năng lợng, và còn đợc ứng dụng trong truyền tải điện.
Các vấn đề về sự hiệu chỉnh hệ số công suất, méo dạng sóng hài nh đư biết,
có đa dạng giải pháp đợc đề xuất bao gồm các bộ bù, các bộ lọc thụ động và tích
cực … nhằm cải tiến chất lợng điện năng. Các nghiên cứu bộ biến đổi trớc đây
cho thấy bên cạnh các chức năng cơ bản của sự chuyển đổi công suất thì có một số
nhợc điểm nh hệ số công suất thấp, năng lợng chỉ chảy theo một chiều và có
GVHD: PGS.TS Nguyễn Văn Nhờ
HVTH: Trần Quang Linh Trang 2
nhiều sóng hài bậc cao. Do đó các bộ biến đổi AC/DC PWM (pulse width
modulation) có thể khắc phục đợc các nhợc điểm trên để bắt kiệp với các yêu
cầu đặt ra trong tình hình mới, nó có nhiều phơng pháp điều khiển. Các phơng
pháp điều khiển cũ và mới bao hàm một sự thay đổi nhỏ trong cấu trúc của lợc đồ
điều khiển của các bộ biến đổi.  các bộ biến đổi năng lợng điện này các van
chuyển mạch nguồn đợc điều khiển nh các transistor lỡng cực có cực cửa cách
ly (IGBT), các thyristor tắt mở bằng cực cửa (GTO), hoặc các thyristor điều khiển
có cực cửa kết hợp (IGCT) đợc chứa trong mạch công suất của bộ chỉnh lu để
tích cực thay đổi dạng sóng của dòng điện ngõ vào, làm giảm độ méo, giảm sóng
hài và do đó chúng cải thiện đợc hệ số công suất.
Để nghiên cứu bộ chỉnh lu học viên sử dụng phần mềm Matlab và Simulink
của hãng Mathwork, Inc [19], phần mềm này có rất nhiều thuận lợi riêng biệt.
Matlab cho phép sử dụng ngôn ngữ cấp cao nh là C, C++ . Matlab có hàng trăm
hàm xây dựng sẵn và có thể sử dụng trong nhiều lĩnh vực: toán học, sự thống kê,
việc xử lý và thu nhận ảnh, việc xử lý tín hiệu, sự mô phỏng, . . . Simulink là nền
tảng mà có nhiều hàm giống nhau trong Matlab và có nhiều tập khối chuẩn cho
phép ngời dùng thực hiện các nhiệm vụ nh: vào/ra, các phép tổng, hiển thị,
đờng tín hiệu, . . . Còn về phần cứng, khi học viên chọn Matlab là phần mềm phát
triển sơ đồ, thì phần cứng có thể chọn để thực hiện mã tạo ra từ trong MATLAB
nên học viên đư chọn card DSP F28335 của hãng Texas Instruments [20] vì nó có

khả năng lập trình nhúng. Card DSP có hiệu suất cao, ít tổn hao công suất, không
phụ hoạt động hệ thống, và rất tơng thích với MATLAB và Simulink.
1.1.2. Mt s kt qu nghiên cứu trong vƠ ngoƠi nc.
Trong những năm gần đây, chỉnh lu đa bậc dạng đư đợc nghiên cứu và sử
dụng rộng rải trong nớc nh:
Luận văn thạc sĩ của Bùi Thị Thanh Hiền– Thái nguyên về “ Nghiên cứu hệ
truyền động điện biến tần-động cơ xoay chiều sử dụng biến tần 4 góc phần t” -

GVHD: PGS.TS Nguyễn Văn Nhờ
HVTH: Trần Quang Linh Trang 3
Luận văn thạc sĩ của Trần Thị Hoàn – Thái nguyên về “Nghiên cứu bộ biến
đổi AC/DC bốn góc phần t” -
Điều khiển VSC-HVDC - ng dụng trong truyền tải điện một chiều Hội An -
Đảo Cù Lao Chàm. ( Control of VSC-HVDC Aplication of HVDC transmission Hoi
An - Cu Lao Cham island)
Đối với nớc ngoài:
Các chiến lợc PWM đa bậc đư đợc đề xuất cho các ứng dụng công suất
cao hoặc các ứng dụng điện áp cao cũng nh bù công suất phản kháng . Các bộ
chỉnh lu đa bậc đư đợc nghiên cứu để đạt đợc hệ số công suất ngõ vào cao, giảm
sóng hài dòng điện, giảm tổn thất trên chất bán dẫn, và làm cho độ nhấp nhô điện áp
trên chất bán dẫn công suất thấp để giải quyết các ứng dụng điện áp cao. Qua dữ
liệu trên internet, tạp chí khoa học, cho thấy một số tài liệu có liên quan đến đề tài.
Tạp chí Control Strategy for Three Phase Voltage Source PWM Rectifier
Based on the Space Vector Modulation, Kada HARTANI, Yahia
MILOUD
Moulay
Tahar University of
Saida
University of Saida. BP-138 En-nasr Saida –
Algeria

kada_hartani
tháng 3/2010.
1.2. Mc đích ca đ tài nghiên cứu.
 Nghiên cứu bộ nguồn chỉnh lu 3 pha điều rộng xung bằng phơng pháp
điều khiển công suất trực tiếp.
 Nghiên cứu, xây dựng chơng trình và mô phỏng chơng trình cho bộ
nguồn chỉnh lu dùng phần mềm mô phỏng matlab.
 Lập trình điều khiển bộ chỉnh lu AC/DC 3 pha trên dựa vào Card DSP
TMS320F28335.
1.3. Nhim v và gii hn ca đ tài.
Đề tài “Điều khiền bộ chỉnh lu điều rộng xung bằng phơng pháp điều
khiển công suất trực tiếp.” đa ra kết quả mô phỏng. Từ đó thi công mô hình bộ
nguồn AC/DC 3 pha, đồng thời làm cơ sở áp dụng vào thực tiễn.
GVHD: PGS.TS Nguyễn Văn Nhờ
HVTH: Trần Quang Linh Trang 4
Nhiệm vụ và giới hạn đề tài nghiên cứu
 Tìm hiểu các mô hình toán, các giải thuật đợc các nhà nghiên cứu công
bố và đư thực thi để vận dụng vào đề tài.
 Nghiên cứu, xây dựng chơng trình mô phỏng cho bộ nguồn AC/DC 3
pha dùng phần mềm mô phỏng matlab.
 Tìm hiểu trúc phần cứng, tập lệnh của DSP TMS320F28335 để lập trình
nhúng
 Lập trình điều khiển bộ chỉnh lu ba pha trên cơ sở DSP TMS320F28335
 Thi công phần cứng bộ chỉnh lu ba pha
1.4. Phng pháp nghiên cứu.
Để đáp ứng các mục tiêu đư đề ra, tiến hành nghiên cứu và giải quyết các vấn
đề sau:
 Thu thập, nghiên cứu các tài liệu liên quan về các bộ chỉnh lu AC/DC
3 pha điều khiển bằng PWM và các giải thuật chỉnh lu đợc công bố.
 Nghiên cứu và phân tích các phơng trình toán học bộ nguồn AC/DC 3

pha.
 Nghiên cứu và phân tích giải thuật đư chọn.
 Chọn phơng án tốt nhất và có khả năng thực hiện đề tài.
 Lập trình mô phỏng bằng công cụ phần mềm matlab.
 Lập trình điều khiển bộ chỉnh lu trên dựa vào DSP TMS320F28335.
 Nhận xét kết quả - Kết luận.

GVHD: PGS.TS Nguyễn Văn Nhờ
HVTH: Trần Quang Linh Trang 5
Chng 2
C SỞ LÝ THUYẾT CỦA B CHỈNH LU BA PHA

2.1 Tng quan b chnh lu ba pha.
2.1.1 Gii thiu
Bộ nguồn AC/DC còn gọi là bộ chuyển đổi AC/DC (hay là bộ chỉnh lu) có
nhiệm vụ chuyển đổi năng lợng từ nguồn điện xoay chiều sang nguồn một chiều
để cung cấp cho tải một chiều. Bộ chuyển đổi AC/DC đợc sử dụng rộng rãi trong
nhiều ứng dụng đa dạng nh: làm nguồn cung cấp cho các vi điều khiển, các thiết
bị điện dân dụng, tăng phô điện tử, nạp pin, điều khiển động cơ một chiều và các bộ
chuyển đổi công suất …
Các bộ chỉnh lu chuyển mạch tự nhiên (không điều khiển) đơn giản nhất là
dùng các điốt để chuyển đổi năng lợng từ AC sang DC hay sử dụng các thyristor
cho phép điều khiển luồng năng lợng. Đối với các bộ chuyển đổi này thì rất đơn
giản nhng khuyết điểm chính của các bộ chuyển đổi chuyển mạch tự nhiên này là
hệ số công suất thấp, phát ra các sóng hài và công suất phản kháng.
Các sóng hài có
ảnh hởng không tốt lên hoạt động của hệ thống điện vì vậy cần phải quan tâm đến
việc phát điện và điều khiển chúng.
Một phơng pháp cơ bản và phổ biến để làm giảm các sóng hài ở dòng điện
nguồn vào bộ chuyển đổi (dòng điện lới) là dùng các kết nối đa xung dựa trên các

biến áp có nhiều cuộn dây, thêm vào đó là dùng các bộ lọc (lọc nguồn) thụ động hay
bộ lọc tích cực nhằm làm giảm sóng hài vào lới điện.
Bên cạnh đó, dựa trên các khái niệm về khử sóng hài đợc gọi là điều chỉnh
hệ số công suất (PFC) để làm giảm sóng hài.  các bộ biến đổi này, điều khiển các
chuyển mạch công suất giống nh các IGBT, GTO hoặc IGCT đợc chứa trong
mạch công suất của mạch chỉnh lu để thay đổi tích cực dạng sóng của dòng điện
ngõ vào, làm giảm độ méo dạng của sóng dòng điện nguồn, làm giảm các sóng hài
do đó cải thiện đợc hệ số công suất.
GVHD: PGS.TS Nguyễn Văn Nhờ
HVTH: Trần Quang Linh Trang 6
Tuy nhiên có một số ứng dụng mà ở đó luồng năng lợng có thể bị đảo
ngợc trong quá trình hoạt động. Trong các ứng dụng này, bộ chuyển đổi năng
lợng theo một hớng phải có khả năng nhận năng lợng hồi về nguồn cấp và đợc
biết nh sự khôi phục nguồn.
Để điều khiển các chuyển mạch công suất và làm giảm độ méo dạng sóng
dòng điện ngõ vào, cải thiện hệ số công suất ta áp dụng phơng pháp điều chế độ
rộng xung. Với phơng pháp này có đợc những u điểm mà các bộ chỉnh lu
truyền thống cha đạt đợc nh:
- Tăng hệ số công suất, hệ số công suất có thể đạt đến bằng một.
- Giảm sóng hài bậc cao đi vào lới điện để cải thiện chất lợng điện năng.
- Dạng sóng dòng điện nguồn có dạng sin.
2.1.2 Cu trúc b chnh lu ba pha
Mạch chỉnh lu ba pha sử dụng nguồn ba pha có điểm trung tính với sơ đồ
nguyên lý (Hình 2.1) nh sau:

Hình 2.1: Mạch chỉnh lu ba pha
Cuộn dây L và điện trở R là hai thành phần của cuộn cảm tăng cờng lọc
nguồn.
Mạch gồm sáu khóa K đợc điều khiển độc lập. Mỗi khóa K gồm IGBT và
diode mắc song song để dẫn điện hai chiều.

Tụ C đợc dùng để lọc phẳng điện áp ra.
Tải R
L
đợc gắn vào tụ.
GVHD: PGS.TS Nguyễn Văn Nhờ
HVTH: Trần Quang Linh Trang 7
2.2 Nguyên lý làm vic:
Đầu vào biến tần (trong mạch nguồn cung cấp xoay chiều) có lắp thêm cuộn
cảm L đảm bảo công suất trao đổi hai chiều giữa lới và tải, dòng điện chỉnh lu I
phải thay đổi đợc dấu. Ta gọi I có dấu “+”khi nó có chiều hớng về tải và ngợc
lại có dấu “-” khi chiều của nó hớng về lới. Vì dấu điện áp một chiều là cố định
nên công suất có thể thay đổi hai chiều từ lới về tải P

= U.I > 0 và từ tải về lới P

=
U.I < 0. Để thực hiện đợc nguyên lý làm việc trên biến tần cần có điều kiện:
Bắt buộc phải có điện cảm đầu vào.
Giá trị điện áp một chiều U
dc
không đổi và phải lớn hơn giá trị điện áp chỉnh
lu tự nhiên từ lới.
Quy luật điều khiển: không đóng hai khóa trên cùng một pha để tránh ngắn
mạch ngõ ra.
Do khóa đóng cắt hai chiều Tranzitor và điôt ngợc kết hợp với tụ điện C và
các điện cảm nguồn L hình thành mạch vòng dao động cộng hởng LC tạo nên điện
áp một chiều U
dc
. Để giải thích nguyên lý làm việc chỉnh lu PWM ta dùng sơ đồ
thay thế đồ thị vector nh trên.

I
m

U
2
(110)U
3
(010)
U
4
(011)
U
5
(001)
U
6
(101)
U
1
(100)

Hình 2.2: Sáu vector điện áp cơ bản
GVHD: PGS.TS Nguyễn Văn Nhờ
HVTH: Trần Quang Linh Trang 8
Đồ thị 6 vector điện áp cơ bản khi điều khiển sự chuyển mạch các khoá bán
dẫn Sa, Sb, Sc. Để thực hiện dòng điện đầu vào có dạng hình sin ngời ta dùng
phơng pháp biến điệu vector không gian theo nh nghịch lu (SVPWM). Khi xem
ba cặp IGBT nh là ba khóa bán dẫn cho ba pha S
a
S

b
S
c
. Mỗi khóa có hai trạng thái
đóng “1” và cắt “0” tạo ra sáu vector điện áp tác dụng là U
1
(100), U
2
(110), U
3
(010)
, U
4
(101), U
5
(001), U
6
(101) và hai trạng thái không là U
0
(000) và U
7
(111).
Vị trí
U
0

U
1

U

2

U
3

U
4

U
5

U
6

U
7

S
a

0
1
1
0
0
0
1
1
S
b

0
0
1
1
1
0
0
1
S
c

0
0
0
0
1
1
1
1
Bảng 2.1: Bảng trạng thái kích dẫn IGBT theo vector không gian

Bộ chỉnh lu ba pha dùng phơng pháp PWM có đợc những u điểm và
nhợc điểm mà các bộ chỉnh lu truyền thống cha đạt đợc nh:
u điểm:
 Điều chỉnh đợc giá trị điện áp DC ngõ ra.
 Giảm sóng hài bậc cao (THD %) đi vào lới điện để cải thiện chất lợng
điện năng.
 Tăng hệ số công suất (PF), hệ số công suất có thể đạt đến bằng 1.
Nhợc điểm:

 Điều khiển phức tạp.
 Gây nhiễu (EMI) do đóng ngắt tần số lớn.
 Đắt tiền.


GVHD: PGS.TS Nguyễn Văn Nhờ
HVTH: Trần Quang Linh Trang 9
2.3 Phm vi vƠ gii hn tham s ca chnh lu PWM.
2.3.1. Gii hn cc tiu ca đin áp mt chiu.
(15 ÷ 20 %
)

U
chinh luu
U
dac
()
2
d rms
U

)()(min
3.22
rmsfrmsddc
UUU 
(2.1)
Thông thờng chọn điện áp một chiều tốt nhất ở giá trị
U
dc
=

()
2
d rms
U
+(15 ÷ 20 %
)

()
2
d rms
U
(2.2)
2.3.2. Gii hn giá trị đin áp trên đin cm.
Giả định rằng các chuyển mạch là lí tởng, công suất hiệu dụng ở ngõ vào và
ngõ ra có thể đợc xem bằng nhau trong một chu kỳ khi tổn thất công suất và sóng
hài bậc cao đợc bỏ qua. Vì vậy:
in out
P = P
.
Công suất hiệu dụng ở ngõ vào: P
in
=
3
2
dm
iE
(2.3)
Công suất hiệu dụng ở ngõ ra : P
out
2

dc
load
U
R

(2.4)
Với E
m
:là giá trị đỉnh của điện áp ngõ vào (V).
i
d
:là giá trị đỉnh của dòng điện ngõ vào (A).
U
dc
:là điện áp ngõ ra (thành phần DC) (V).
Từ (2.3); (2.4) ta đợc :

2
22
33
dc
d out
m m load
U
iP
E E R

(2.5)
Từ quyển sách [9] (chơng 11_trang 434) định nghĩa điện áp kết nối DC tối
thiểu để thực hiện tính toán giá trị cuộn kháng L. Theo đó điện áp kết nối DC đợc

định nghĩa:

 
2
2
3
dc m d
U E Li




(2.6)
với
= 2.π.f

và
f = 50Hz

Phơng trình 2.6 chỉ ra quan hệ giữa điện áp nguồn, điện áp một chiều, dòng
điện tải và giá trị điện cảm. Từ đó xác định đợc giá trị điện cảm cực đại.
22
3
dc m
d
UE
L
i




(2.7)
GVHD: PGS.TS Nguyễn Văn Nhờ
HVTH: Trần Quang Linh Trang 10
Chng 3
ĐIỀU KHIỂN B CHỈNH LU ĐIỀU RNG XUNG
PWM BẰNG PHNG PHÁP TRC TIẾP CÔNG
SUT(DPC)

3.1 Các phng pháp điu khin chnh lu PWM.
Cấu trúc điều khiển chỉnh lu PWM về cơ bản thì có cùng một mục đích
chung nhng lại dựa trên các nguyên tắc khác nhau. Chúng đợc phân loại dựa trên
hai nguyên tắc: Điều khiển dựa trên điện áp và điều khiển dựa trên từ thông ảo. Điều
khiển dựa trên điện áp là ớc lợng điện áp lới và sẽ điều khiển bằng dòng điện
hay công suất. Điện áp lới nếu điều khiển bằng dòng điện thì gọi là phơng pháp
VOC (Voltage Oriented Control), còn theo công suất thì gọi là DPC (Direct Power
Control).
Các phng pháp điu khin chnh lu PWM
Điu khin theo véc t
Đin áp
Điu khin theo véc t
từ thông o
VOC DPC VFOC VF-DPC

Hình 3.1: Các phơng pháp điều khiển chỉnh lu PWM
Điều khiển dựa trên từ thông ảo là phơng pháp điều khiển cần phải ớc
lợng từ thông ảo của lới điện và áp dụng phơng pháp điều khiển từ thông stator
của động cơ không đồng bộ cho lới điện. Nếu điều khiển bằng mạch vòng dòng
điện thì gọi là phơng pháp VFOC (Voltage Flux Oriented Control), còn khi điều
GVHD: PGS.TS Nguyễn Văn Nhờ

HVTH: Trần Quang Linh Trang 11
khiển dựa theo công suất thì gọi là phơng pháp VF-DPC.Các cấu trúc điều khiển
chỉnh lu PWM đợc minh họa trên hình 3.1.
3.1.1 Cu trúc điu khin chnh lu PWM định hng theo vector đin
áp da vƠo dòng đin (VOC).
Đặc điểm của phơng pháp điều khiển dựa vào dòng điện là xử lý tín hiệu
trên hai hệ toạ độ là hệ toạ độ cố định α -β và hệ toạ độ quay d - q. Các giá trị dòng
điện đo đợc trong hệ ba pha đợc biến đổi sang hệ toạ độ cố định α -β sau đó đợc
biến đổi sang hệ toạ độ d - q. Cấu trúc điều khiển chỉnh lu PWM theo VOC đợc
trình bày trên hình vẽ 3.2 .

Hình 3.2: Cấu trúc điều khiển chỉnh lu PWM theo VOC
Cấu trúc các mạch vòng điều khiển chỉnh lu PWM đợc trình bày , trong
đó lợng đặt dòng i*q = 0 và đại lợng đặt dòng i*d lấy ra từ bộ điều chỉnh điện áp
một chiều. Khi điều khiển vector dòng điện I
L
trùng với trục d thì I
Ld
= I
L
và I
Lq
= 0.
Do dòng điện id và iq đợc ớc lợng từ ia, ib qua khâu biến đổi tọa độ a, b, c => α-
β=> d - q.
GVHD: PGS.TS Nguyễn Văn Nhờ
HVTH: Trần Quang Linh Trang 12
3.1.2 Cu trúc điu khin chnh lu PWM theo VFOC.
Cấu trúc điều khiển chỉnh lu PWM theo VFOC có sự khác biệt so với VOC,
trục d ở đây đợc chọn trùng với vector 

L
do vậy vector điện áp U
L
sẽ trùng với
trục q, vector dòng điện I
L
trùng với vector U
L
nên I
Ld
=0 và I
Ld
=I
L
. Do vậy mạch
vòng điều chỉnh theo VFOC sẽ có lợng đặt i*
Ld
= 0 và i*
Lq
lấy từ đầu ra bộ điều
chỉnh điện áp một chiều.

Hình 3.3: Cấu trúc các mạch vòng điều khiển chỉnh lu PWM theo VFOC
3.1.3 Cu trúc điu khin chnh lu PWM theo phng pháp trc tip
công sut (DPC)
Phơng pháp điều khiển trực tiếp công suất PDC cho chỉnh lu PWM đợc
phát triển từ ý tởng điều khiển trực tiếp mô men (DTC) của truyền động động cơ
không đồng bộ.Trong đó hai đại lợng của DTC là mô men và từ thông đợc thay
bằng công suất P và Q .  đây, chọn lợng đặt công suất phản kháng Q
ref

= 0 tức là
cos

= 1. Lợng đặt công suất tác dụng P
ref
đợc lấy từ đầu ra bộ điều chỉnh điện áp
GVHD: PGS.TS Nguyễn Văn Nhờ
HVTH: Trần Quang Linh Trang 13
một chiều nhân với lợng đặt điện áp một chiều U
dc
. Hai bộ điều chỉnh công suất
đợc thiết kế dạng khâu đóng cắt có đặc tính từ trễ (đặc tính rơle) :
Udc
L
L
L
R
R
R
Ea
Eb
Ec
0
ia
ib
ic
BNG CHUYỂN
MCH
Đo điện áp Ea,Eb,Ec và dòng điện ia,ib,ic
đánh giá công suất tức thời P,Q và chọn

sector n
TI
PI
Udc
ref
Pref
Iref
Pref
Ptt
Qtt
Qref
n
Qtt
Ptt
Udc
Udc
PWM
SpSq
Sa
Sb
Sc
Chọn sector

Hình 3.4: Cấu trúc điều khiển chỉnh lu PWM theo DPC
3.1.4 Cu trúc điu khin chnh lu PWM theo VF-DPC
Phơng pháp điều khiển chỉnh lu PWM theo VF-DPC giống nh phơng
pháp điều khiển trực tiếp công suất PDC cho chỉnh lu PWM chỉ khác khâu chọn
sector n ta dựa vào từ thông đa vào bảng đóng cắt tơng tự nh DTC
L
L

L
arctg









Hình 3.5: Cấu trúc điều khiển chỉnh lu PWM theo VF-DPC
GVHD: PGS.TS Nguyễn Văn Nhờ
HVTH: Trần Quang Linh Trang 14
3.2 B chnh lu điu rng xung PWM bng phng pháp điu khin
công sut trc tip DPC.
Udc
L
L
L
R
R
R
Ea
Eb
Ec
0
ia
ib
ic

Khối
xung kích
Đo điện áp Ea,Eb,Ec và dòng điện ia,ib,ic đánh
giá công suất tức thời p,q và chọn sector n
TI
PI
Ud
Id
Pd
Qd=0
n
Qtt
Ptt
Udc
Udc
PWM
SpSq
Sa
Sb
Sc
Khi
ngun ba pha
Khi
tr kháng ngun
Khi
b chnh lu PWM
Khi
c lng công sut
Khi
chn sector n

Khi
b điu
khin đặc
tính tr
Khi
ti
Khi
b điu
chnh áp
DC
Qtt
Ptt
Pd

Hình 3.6: Cấu trúc điều khiển chỉnh lu PWM theo DPC
Khi ngun ba pha : Khối nguồn AC cung cấp 3 điện áp cho khối công suất
thông qua khối lọc ngõ vào.
Khi tr kháng ngun : Gồm cuộn kháng, điện trở, khối ngăn không cho
ngắn mạch ngõ vào và cũng là khối tăng cờng
GVHD: PGS.TS Nguyễn Văn Nhờ
HVTH: Trần Quang Linh Trang 15
Khi c lng công sut: Đánh giá công suất tức thời
Khi chn sector n: Lựa chọn phân vùng vector.
Khi b điu khin đặc tính tr
Khi xung kích: Bảng chuyển mạch.
Khi b chnh lu PWM: Khối IGBT
Khi b điu chnh áp DC: PI
Khi ti
3.3 Mô hình toán hc b chnh lu PWM điu khin trc tip công sut
3.3.1 Khi công sut

a. Khi ngun ba pha
Khối nguồn AC cung cấp 3 điện áp cho khối công suất thông qua khối lọc
ngõ vào.
Phơng trình điện áp ba pha nguồn ta có:
= sin( )
2
= sin( - )
3
4
= sin( - )
3
am
bm
cm
e E t
e E t
e E t












(3.1)

b. Khi tr kháng ngun
Gồm cuộn kháng, điện trở, khối này ngăn không cho ngắn mạch ngõ vào và
cũng là khối tăng cờng.
c. Khi b chnh lu PWM :
Gồm 6 IGBT hay 12 IGBT mắc kiểu cầu 3 pha. Khối công suất sẽ chỉnh lu
nguồn năng lợng điện AC ngõ vào và cho ra nguồn năng lợng DC ở ngõ ra cấp
cho tải.
3.3.2 Chin lc điu khin
Chiến lợc điều khiển của bộ chỉnh lu đợc thực hiện nh hình 3.7