Nghiên cứu bộ nguồn AC DC 1 pha dạng cascade 5 bậc

iv

TÓM TT LUNăVĔN
Đ tài này thực hin kỹ thuật điu ch đ rng xung đ điu khin b ngun
AC/DC 1 pha dng cascade 5 bậc. Kỹ thuật điu ch PWM sử dụng đợc h trợ bi
phần mm MATLAB nhằm kim tra các trng thái hot đng, đợc thực hin đi
vi ti R. Vi cu trúc cascade 5 bậc này sẽ làm cho h s công sut gần bằng mt,
cht lợng dòng đin ngun đợc ci thin, đin áp trên mi linh kin gim, tăng
công sut cho mch.
Vic điu khin chuyn đổi năng lợng AC/DC và cân bằng đin áp trên 2 tụ
DC khi ti không cân đợc đa vào nghiên cu trong đ tài. Gii thuật điu khin
đợc thực nghim bằng vic sử dụng vi xử lý điu khin tín hiu s DSP
TMS320F28335 vi kỹ thuật lập trình nhúng từ phần mm MATLAB kt hợp
chơng trình CCS 3.0 biên dịch và np cho vi xử lý.

ABSTRACT
This thesis presents PWM method to control single phase AC/DC Power
supply (5 level cascade structure). PWM method used in this thesis is supported by
MATLAB software to check the operating states, was tested with resistance load.
Using 5 level cascade makes the Power factor reach the unit, the output current
quality is improved, element voltages is lower and the power of system is larger.
The controlling of AC/DC inverting and balance the voltages of DC
capacitors when the loads unbalance was mentioned in this thesis. The control
algorithm was implemented using DSP TMS320F28335 microprocessor with
embedded code generator technique from MATLAB, compile to C language by
CCS 3.0 and download to microprocessor.


v
MC LC

Trang ta Trang
Quyt định giao đ tài
Lý lịch khoa học i
Li cam đoan ii
Li cm t iii
Tóm tắt luận văn iv
Mục lục v
Danh sách các chữ vit tắt viii
Danh sách các hình ix
Danh sách các bng xiii

Chngă1: TNG QUAN
1.1 Tng quan chung v lĩnhăvc nghiên cu, các kt qu nghiên cu trong và
ngoƠiănc 1
1.1.1 Tổng quan chung v lĩnh vực nghiên cu 1
1.1.2 Mt s kt qu nghiên cu trong và ngoài nc 3
1.2 Mcăđíchăcaăđ tài nghiên cu 4
1.3 Nhim v và gii hnăđ tài 4
1.4 Phngăphápănghiênăcu 5

Chngă2: CăS LÝ THUYT B CHNHăLUă1ăPHA
2.1 Tng quan v b chnhălu 6
2.1.1 Gii thiu 6
2.1.2 Phân loi 7
2.1.3 Các cu trúc ca b chnh lu 1 pha 7
2.1.4 Các phơng pháp điu khin 9
2.1.4.1 Kỹ thuật điu ch theo dòng đin yêu cầu (còn gọi là dòng đin đặt) 10
2.1.4.2 Kỹ thuật điu ch Delta-Sigma 11
2.1.4.3 Kỹ thuật điu ch sóng mang 13
2.2 B chnhăluădng cu H (full-bridge) 15

2.2.1 Phân tích trng thái làm vic ca cu trúc 15
vi
2.2.2 Nguyên lý làm vic 16
2.2.3 Chin lợc điu khin  ch đ hai bậc 18
2.2.4 Chin lợc điu khin  ch đ ba bậc 19
2.3 B chnhăluădng cascade 5 bc 19
2.3.1 Phân tích trng thái làm vic ca cu trúc 19
2.3.2 Nguyên lý làm vic 22
2.3.3 Mô hình toán ca b chnh lu 25
2.4 Các tính toán cho b chnhăluăă 27
2.4.1 Tìm dòng đin ngun 27
2.4.2 Gii hn giá trị cun kháng lọc ngõ vào 28
2.5 Thit k b điu khin cho b chnhăluăă 28
2.5.1 Phơng pháp 1: Chin lợc điu khin theo kỹ thuật điu ch dòng đin đặt 28
2.5.2 Phơng pháp 2: Chin lợc điu khin theo kỹ thuật điu ch sóng mang 34

Chngă3: MÔ PHNG VÀ KT QU MÔ PHNG
3.1 B chnh lu 1 pha dng cu H 37
3.1.1 Mô hình mô phỏng ca b chnh lu 37
3.1.2 B điu khin đợc thực hin theo ch đ 2 bậc 40
3.1.3 Phân tích thành phần hài 42
3.1.4 Kt qu mô phỏng ca b chnh lu 2 bậc 44
3.1.5 B điu khin đợc thực hin theo ch đ 3 bậc 47
3.2 B chnhăluă1ăphaădng cascade 5 bc 49
3.2.1 Mô hình mô phỏng ca b chnh lu 49
3.2.2 Điu khin theo phơng pháp 1 (kỹ thuật điu ch theo dòng đin đặt) 50
3.2.3 Điu khin theo phơng pháp 2 (kỹ thuật điu ch sóng mang) 55
3.3 Nhn xét 60

Chngă4:ăTHIăCỌNGăPHN CNG, THC NGHIM VÀ CÁC KT QU

THC NGHIM
4.1 Săđ tng quan h thng chnhălu 61
4.1.1 Sơ đ tổng quan mch công sut 62
4.1.2 Sơ đ trin khai mch bo v IGBT 63
4.1.3 Sơ đ trin khai mch kích xung 63
vii
4.1.3.1 Sơ đ tổng quan 63
4.1.3.2 Sơ đ nguyên lý và thi công mch kích xung 64
4.1.4 Sơ đ trin khai mch cm bin đin áp 66
4.1.4.1 Sơ đ tổng quan 66
4.1.4.2 Sơ đ nguyên lý và thi công mch cm bin đin áp 67
4.1.5 Sơ đ trin khai mch cm bin dòng đin 68
4.1.5.1 Sơ đ tổng quan 68
4.1.5.2 Sơ đ nguyên lý và thi công mch cm bin dòng 68
4.1.6 Sơ đ trin khai mch đm bo v DSP 69
4.2 Mô hình nhúng ca b chnhăluăhotăđng  ch đ 2 bc 70
4.2.1 Mô hình nhúng và thit lập thông s 70
4.2.2 Kt qu thực nghim 75
4.3 Mô hình nhúng ca b chnhăluăhotăđng  ch đ 3 bc 76
4.3.1 Mô hình nhúng và thit lập thông s 76
4.3.2 Kt qu thực nghim 79
4.4 B chnh luă1ăphaădng cascade 5 bc 80
4.4.1 Điu khin theo phơng pháp 1 (kỹ thuật điu ch theo dòng đin đặt) 80
4.4.1.1 Mô hình và thit lập thông s 80
4.4.1.2 Kt qu thực nghim 81
4.4.2 Điu khin theo phơng pháp 2 (kỹ thuật điu ch sóng mang) 82
4.4.2.1 Mô hình và thit lập thông s 82
4.4.2.2 Kt qu thực nghim 83
4.5 Nhn xét 84

Chngă5.ăKT LUN VÀ HNG PHÁT TRIN
5.1 Kt luận 86
5.2 Hng phát trin 86

TÀI LIU THAM KHO

BÀI BÁO
viii

DANH SÁCH CÁC CHỮ VIT TT

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
KCL Kirchhoff's Current Law
KVL Kirchhoff's Voltage Law
NPC Neutral Point Clamped
PI Proportional-Integral
PWM Pulse Width Modulation
SPWM Sine Wave Pulse Width Modulation
THD Total Harmonic Distortion
PFC Power-Factor Correction
AFE Active Front End
NPC Neutral Point Clamped
CPWM Carrier Based Pulse Width Modulation

DM Delta Modulation
PLL Phase-Locked Loop
IEC International Electrotechnical Commission
PD Phase Dispostion
APOD Alternative Phase Opposition Dispostion
POD Phase Opposition Dispostion

ix
DANH SÁCH CÁC HÌNH
HÌNH Trang
Hình 2.1 Phân loi tổng quan ca b chnh lu 7
Hình 2.2 Cu trúc H-Bridge sử dụng đit .8
Hình 2.3 Cu trúc H-Bridge sử dụng IGBT 8
Hình 2.4 Cu trúc chnh lu 3 bậc 8
Hình 2.5 Cu trúc chnh lu dng NPC 3 bậc 9
Hình 2.6 Cu trúc chnh lu dng cascade 3 bậc 9
Hình 2.7 Đ thị điu ch xung kích 10
Hình 2.8 Sơ đ khi ca kỹ thuật điu ch dòng đin yêu cầu 11
Hình 2.9 Nguyên lý xut xung kích ca kỹ thuật điu ch dòng đin yêu cầu 11
Hình 2.10 Sơ đ khi ca kỹ thuật điu ch Delta-sigma 12
Hình 2.11 Nguyên lý xut xung kích ca kỹ thuật điu ch Delta-sigma 12
Hình 2.12 Sơ đ khi ca kỹ thuật điu ch CPWM 13
Hình 2.13 Nguyên lý xut xung kích ca kỹ thuật điu ch CPWM 13
Hình 2.14 Nguyên lý xut xung kích ca kỹ thuật điu ch SPWM 13
Hình 2.15 Sóng mang dng PD 14
Hình 2.16 Sóng mang dng APOD 14
Hình 2.17 Sóng mang dng POD 15
Hình 2.18 Cu trúc b chnh lu dng cầu H 15
Hình 2.19 Tổ hợp các trng thái hot đng ca b chnh lu dng cầu H 16
Hình 2.20 Biu đ pha ca b chnh lu dng cầu H 17

Hình 2.21 Sơ đ điu khin ca b chnh lu dng cầu H  ch đ 2 bậc 18
Hình 2.22 Sơ đ điu khin ca b chnh lu dng cầu H  ch đ 3 bậc 19
Hình 2.23 Cu trúc ca b chnh lu dng Cascade 5 bậc 20
Hình 2.24 Đơn gin hóa cu trúc ca b chnh lu dng Cascade 5 bậc 20
Hình 2.25 Mẫu đin áp 5 bậc  ngõ vào phần công sut 22
Hình 2.26 Các ch đ hot đng ca b chnh lu dng Cascade 5 bậc 23
Phngăphápă1:ăChinălcăđiu khin theo kỹ thutăđiu ch dòngăđin đặt
Hình 2.27 Sơ đ khi ca b điu khin 29
Hình 2.28 Chin lợc ca b chnh lu 31
Hình 2.29 Lu đ gii thuật điu khin theo kỹ thuật điu ch dòng đin yêu cầu 33
x
Phngăphápă2: Chinălcăđiu khin theo kỹ thutăđiu ch sóng mang
Hình 2.30 Sơ đ khi vòng lặp dòng đin 34
Hình 2.31 Sơ đ khi vòng lặp đin áp 34
Hình 2.32 Sơ đ khi ca b điu khin 35
Hình 2.33 Lu đ gii thuật điu khin theo kỹ thuật điu ch sóng mang 36
Hình 3.1 Sơ đ khi tổng quan ca b chnh lu mt pha 37
Hình 3.2 Mch ngun và cửa sổ thông s 38
Hình 3.3 Cửa sổ thông s cho cun cm L  phía Ac ca b chnh lu 38
Hình 3.4 Mch công sut và cửa sổ thông s ca tụ C 39
Hình 3.5 Mch ti và thông s cho ti 39
Hình 3.6 B điu khin  ch đ 2 bậc 40
Hình 3.7 Sơ đ khi PI 40
Hình 3.8 Sơ đ khi PLL và cửa sổ thông s 41
Hình 3.9 Giao din ca tin ích Powergui 42
Hình 3.10 Powergui cho phép quan sát các thành phần sóng hài dng biu đ 43
Hình 3.11 Powergui cho phép quan sát các thành phần sóng hài dng dữ liu 43
Hình 3.12 Dng sóng đin áp trên tụ DC, đin áp ngun v
s
và dòng đin ngun i

s
44
Hình 3.13 Dng sóng đin áp ngun v
s
, đin áp dng bậc v
ab
và dng sóng h s
công sut (đóng ti ti thi đim 0.7x105μs) 44
Hình 3.14 Phân tích FFT dòng đin ngun i
s
45
Hình 3.15 Dng sóng đin áp trên tụ DC trong thi gian quá đ 45
Hình 3.16 Dng sóng dòng đin qua ti và dng sóng đin áp DC ngõ ra trong quá
trình hot đng đóng ti ca b chnh lu 46
Hình 3.17 Dng sóng đin áp ngun v
s
và dòng đin ngun i
s
khi có ti 46
Hình 3.18 Đ nhp nhô ca dòng đin qua ti R và đ nhp nhô ca đin áp trên tụ
C  trng thái xác lập 46
Hình 3.19 B điu khin  ch đ 3 bậc 47
Hình 3.20 Cửa sổ thông s cho khi to sóng mang 47
Hình 3.21 Dng sóng đin áp ngun v
s
, dòng đin ngun i
s
, đin áp dng bậc v
ab
48

Hình 3.22 Phân tích FFT dòng đin ngun i
s
, dng sóng h s công sut khi đóng ti
ti thi đim 0.7x105μs 49
Hình 3.23 Mô hình mô phỏng b chnh lu dng Cascade 5 bậc 49
xi
Hình 3.24 Sơ đ b điu khin  ch đ mô phỏng 50
Hình 3.25 Dng sóng đin áp trên tụ DC, đin áp ngun v
s
và dòng đin ngun i
s
52
Hình 3.26 Dng sóng đin áp ngun v
s
, đin áp dng bậc v
ab
và h s công sut
(đóng ti ti thi đim 0.5x105μs) 53
Hình 3.27 Phân tích FFT và dng phổ ca dòng đin ngun i
s
53
Hình 3.28 Đ nhp nhô ca dòng đin qua ti R và đ nhp nhô ca đin áp trên tụ
C  trng thái xác lập vi ti cân bằng 54
Hình 3.29 Dng sóng đin áp trên tụ DC vi ti không cân 54
Hình 3.30 Dng sóng dòng đin ti, đin áp ngun v
s
và dòng đin ngun i
s
vi ti
không cân bằng 54

Hình 3.31 Sơ đ b điu khin  ch đ mô phỏng 55
Hình 3.32 Dng sóng đin áp trên tụ DC, đin áp ngun v
s
và dòng đin ngun i
s
58
Hình 3.33 Dng sóng đin áp ngun v
s
, đin áp dng bậc v
ab
và h s công sut
(đóng ti ti thi đim 0.5x105μs) 58
Hình 3.34 Phân tích FFT dòng đin ngun i
s
58
Hình 3.35 Đ nhp nhô ca dòng đin qua ti R và đ nhp nhô ca đin áp trên tụ
C  trng thái xác lập vi ti cân bằng 59
Hình 3.36 Dng sóng đin áp trên tụ DC vi ti không cân 59
Hình 3.37 Dng sóng dòng đin qua ti, đin áp ngun v
s
và dòng đin ngun i
s
vi
ti không cân 59
Hình 4.1 Sơ đ khi tổng quan ca b chnh lu 1 pha 61
Hình 4.2 Sơ đ trin khai mch công sut 62
Hình 4.3 Sơ đ thi công mch công sut 62
Hình 4.4 Thi công sơ đ kt ni các IGBT 63
Hình 4.5 Mch RC bo v IGBT 63
Hình 4.6 Sơ đ tổng quan khi to xung 64

Hình 4.7 Sơ đ nguyên lý mch ngun 64
Hình 4.8 Thi công mch ngun 65
Hình 4.9 Sơ đ nguyên lý mch lái các IGBT 65
Hình 4.10 Thi công mch lái các IGBT 66
Hình 4.11 Sơ đ tổng quan mch cm bin áp 66
Hình 4.12 Sơ đ nguyên lý mch cm bin áp 67
xii
Hình 4.13 Thi công mch cm bin áp 68
Hình 4.14 Sơ đ tổng quan mch cm bin dòng 68
Hình 4.15 Sơ đ mch đm bo v DSP 69
Hình 4.16 Thi công mch đm 69
Hình 4.17 Mô hình thực nghim tổng th ca b chnh lu 70
Hình 4.18 Mô hình lập trình nhúng ca b điu khin  ch đ 2 bậc 70
Hình 4.19 Khi giao tip Matlab – DSP TMS320F28335 và cửa sổ thông s 71
Hình 4.20 Sơ đ bên trong ca khi ADC 72
Hình 4.21 Cửa sổ thông s ca ADC ca DSP TMS320F28335 72
Hình 4.22 Cửa sổ xut xung từ DSP thông GPIO 74
Hình 4.23 Dng sóng đin áp trên tụ DC, đin áp ngun v
s
và dòng đin ngun i
s
. 75
Hình 4.24 Dng sóng đin áp ngun v
s
, đin áp dng bậc v
ab
và dng phổ ca dòng
đin ngun i
s
75

Hình 4.25 Dng sóng đin áp DC ngõ ra trong quá trình hot đng đóng ti 76
Hình 4.26 Sơ đ tổng quan khi xut xung 76
Hình 4.27 Cửa sổ thông s ca ePWM1 77
Hình 4.28 Cửa sổ thông s ca ePWMA 78
Hình 4.29 Cửa sổ thông s ca ePWMB 78
Hình 4.30 Dng sóng đin áp ngun v
s
, dòng đin ngun i
s
, đin áp dng bậc v
ab
. 79
Hình 4.31 Phân tích FFT và dng phổ ca dòng đin ngun i
s
79
Phngăphápă1 (kỹ thutăđiu ch theoădòngăđin yêu cu)
Hình 4.32 Mô hình lập trình nhúng ca b điu khin 80
Hình 4.33 Dng sóng đin áp trên tụ DC, đin áp ngun v
s
và dòng đin ngun i
s
. 81
Hình 4.34 Dng sóng đin áp ngun vs, đin áp dng bậc v
ab
và dng phổ ca dòng
đin ngun i
s
81
Phngăphápă2ă(kỹ thutăđiu ch sóng mang)
Hình 4.35 Dng sóng đin áp trên tụ DC đo đợc sau cm bin vi ti không cân . 82

Hình 4.36 Mô hình lập trình nhúng ca b điu khin 82
Hình 4.37 Dng sóng đin áp trên tụ DC, đin áp ngun v
s
và dòng đin ngun i
s
83
Hình 4.38 Dng sóng đin áp ngun v
s
, đin áp dng bậc v
ab
và dng phổ ca dòng
đin ngun i
s
83
Hình 4.39 Dng sóng đin áp trên tụ DC đo đợc sau cm bin vi ti không cân 84
xiii

DANH SÁCH CÁC BNG

BNG Trang
Bng 2.1: Bng trng thái chuyn mch ca b chnh lu dng cầu H 16
Bng 2.2: Bng trng thái chuyn mch ca b chnh lu dng Cascade 5 bậc 21
Bng 2.3 Mi quan h giữa d
1
d
2
d
3
d
4

và T
1
T
2
T
3
T
4
32
Bng 3.1: Bng s liu ca b chnh lu khi mô phỏng theo ch đ 2 bậc 44
Bng 3.2: Bng s liu ca b chnh lu khi mô phỏng theo ch đ 3 bậc 48
Bng 3.3: Bng s liu ca b chnh lu khi mô phỏng theo phơng pháp 1 52
Bng 3.4: Bng s liu ca b chnh lu khi mô phỏng theo phơng pháp 2 57
Bng 3.5: Bng kt qu mô phỏng ca b chnh lu 60
Bng 4.1: Bng s liu ca b chnh lu khi thực nghim theo ch đ 2 bậc 75
Bng 4.2: Bng s liu ca b chnh lu khi thực nghim theo ch đ 3 bậc 79
Bng 4.3: Bng s liu ca b chnh lu khi thực nghim theo phơng pháp 1 81
Bng 4.4: Bng s liu ca b chnh lu khi thực nghim theo phơng pháp 2 83
Bng 4.5: Bng kt qu thực nghim ca b chnh 84



1
Chngă1: TNGăQUAN

1.1 Tngăquanăchungăvălĩnhăvcănghiênăcu,ăcácăktăquănghiênăcuătrong và
ngoƠiănc
1.1.1 Tngăquanăchungăvălĩnhăvcănghiênăcu
Vào đầu th kỷ XIX, năng lợng đin đợc đa vào sử dụng trong nhiu lĩnh
vực kỹ thuật, đn những thập niên 70-80 ca th kỷ XX, kỹ thuật đin tử ch đợc ng

dụng trong những mch điu khin, đo lng, khng ch, bo v… ca h thng đin
công nghip gọi là đin tử công nghip.
Đn thập niên 90 ca th kỷ XX, kỹ thuật đin tử đư ng dụng khá rng rãi và
thành công trong vic thay th các khí cụ đin từ dùng đ đóng ngắt cung cp ngun
cho những phụ ti, làm các b ngun công sut ln trong công nghip…Vi u đim
là kích thc nhỏ gọn, dễ điu khin và thuận tin, kh năng v công sut, đin áp,
dòng đin và đ tin cậy ngày càng đợc ci tin.
Ngày nay, tc đ phát trin công nghip rt nhanh, kèm theo đó đó là các yêu
cầu cao trong khâu truyn đng ổn định đin áp và có điu chnh đin áp, không th
thiu đợc trong các dây chuyn công nghip. Vic điu khin chính xác đ trong các
chuyn đng phc tp là nhim vụ ca h thng truyn đng. Mt trong những thit bị
góp phần quan trọng trong lĩnh vực điu khin truyn đng là b ngun AC/DC hay
còn gọi là b chuyn đổi AC/DC hoặc b chnh lu.
Vi tình hình đó, nhiu thit bị bin đổi công sut đư đợc ng dụng đ đáp ng
những yêu cầu trên. Các thit bị bin đổi công sut đư giúp nâng cao hiu qu quá
trình bin đổi năng lợng đin đng thi luôn đợc ci tin và hoàn thin đ đáp ng
yêu cầu v cht lợng đin năng. Ngoài các ng dụng truyn thng nh điu khin
đng cơ đin, các b ngun công sut, phm vi ng dụng ca b bin đổi công sut
ngày càng đợc m rng nh trong lĩnh vực tự đng hóa công nghip, lu trữ năng
lợng, và còn đợc ng dụng trong truyn ti đin.
Các vn đ v sự hiu chnh h s công sut, méo dng sóng hài nh đư bit,…
có đa dng gii pháp đợc đ xut bao gm các b bù, các b lọc thụ đng và tích tực
… nhằm ci tin cht lợng đin năng. Các nghiên cu b bin đổi trc đây cho thy
bên cnh các chc năng cơ bn ca sự chuyn đổi công sut thì có mt s nhợc đim
nh h s công sut thp, năng lợng ch chy theo mt chiu và có nhiu sóng hài bậc
2
cao. Do đó các b bin đổi AC/DC PWM (pulse width modulation) có th khắc phục
đợc các nhợc đim trên đ bắt kip vi các yêu cầu yêu cầu ra trong tình hình mi,
nó có nhiu phơng pháp điu khin. Các phơng pháp điu khin cũ và mi bao hàm
mt sự thay đổi nhỏ trong cu trúc hay lợc đ điu khin ca các b bin đổi.  các

b bin đổi năng lợng đin này các van chuyn mch ngun đợc điu khin nh các
transistor lỡng cực có cực cửa cách ly (IGBT), các thyristor tắt m bằng cực cửa
(GTO), hoặc các thyristor điu khin có cực cửa kt hợp (IGCT) đợc cha trong
mch công sut ca b chnh lu đ tích cực thay đổi dng sóng ca dòng đin ngõ
vào, làm gim đ méo, gim sóng hài do đó chúng ci thin đợc h s công sut.
Trong những năm gần đây, chnh lu đa bậc đư đợc nghiên cu rng rưi. Nó
đư đợc chp nhận và thay th chnh lu hai bậc truyn thng trong rt nhiu ng
dụng. Vi cu to đa bậc, đin áp trên mi bán dẫn công sut gim, ci thin đợc
dng sóng đin áp  phía DC, kích thc b lọc nhỏ hơn, gim đin áp trên các van
công sut. Kiu đa bậc thông dụng nht là dng cascade vi những lợi th hơn các
dng khác nh: cu to đơn gin, ít thành phần linh kin, cu trúc dng mođun, vn đ
cân bằng áp tụ đin cũng đơn gin. Tuy nhiên nu tăng quá nhiu bậc thì b chnh lu
tr nên cng knh và vic điu khin cũng tr nên phc tp.
Vi những u đim và đ khắc phục những nhợc đim đư nêu trên, các nhà
khoa học luôn nghiên cu đ tìm các phơng án chnh lu tt hơn. Mt phơng án đ
hn ch các nhợc đim nói trên là phơng pháp chnh lu PWM và đ ti luận văn tt
nghip đợc chọn ―NghiênăcuăbăngunăAC/DCă1ăphaădngăcascadeă5ăbc‖ bằng
phơng pháp này.
Đ nghiên cu b chnh lu học viên sử dụng phần mm Matlab và Simulink
ca hưng Mathwork, Inc [19], phần mm này có rt nhiu thuận lợi riêng bit. Matlab
cho phép sử dụng ngôn ngữ cp cao nh là C hay C++. Matlab có hàng trăm hàm xây
dựng sẵn và có th sử dụng trong nhiu lĩnh vực: toán học, sự thng kê, vic xử lý và
thu nhận nh, vic xử lý tín hiu, sự mô phỏng . . . Simulink là nn tng mà trong đó
có nhiu hàm ging trong Matlab và có nhiu tập khi chuẩn cho phép ngi dùng
thực hin các nhim vụ nh: các ngõ vào/ra, các phép tổng, hin thị, đng tín hiu
Còn v phần cng, khi học viên chọn Matlab là phần mm phát trin sơ đ, thì phần
cng có th đợc chọn đ thực hin mư to ra từ trong Matlab nên học viên đư chọn
card DSP TMS320F28335 ca hưng Texas Instruments [20] vì nó có kh năng lập
3
trình nhúng. Card DSP TMS320F28335 có hiu sut cao, ít tổn hao công sut, không

phụ thuc hot đng ca h thng và rt tơng thích vi Matlab và Simulink.
1.1.2 Mt s kt qu nghiên cuătrongăvƠăngoƠiănc
Qua dữ liu trên internet, tp chí khoa học, cho thy mt s tài liu có liên quan
đn đ tài.
- Các chin lợc PWM đa bậc đư đợc đ xut cho các ng dụng công sut cao
hoặc các ng dụng đin áp cao. Các b chnh lu đa bậc đư đợc nghiên cu đ đt
đợc h s công sut ngõ vào cao, gim sóng hài dòng đin, gim đin áp trên cht
bán dẫn và làm cho đ nhp nhô đin áp trên cht bán dẫn công sut thp nhằm gii
quyt các ng dụng đin áp cao. Các b chnh lu 3 bậc là nhằm to ra các mẫu đin
áp 3 bậc  phía AC ca b chnh lu. Sự nhp nhô đin áp trên các chuyn mch công
sut trong b chuyn đổi 3 bậc ch là mt nửa ca đin áp kt ni DC thay vì toàn b
đin áp kt ni DC nh trong b chuyn đổi hai bậc thông thng. Tuy nhiên, chin
lợc điu khin càng tr nên phc tp và vn đ cân bằng đin áp giữa các tụ kt ni
DC là khó khăn hơn khi s bậc đin áp càng nhiu.
- B chuyn đổi cha đit kẹp PWM đa bậc (NPC) đợc thực hin điu khin
theo phơng pháp trực tip dựa trên Lyapunov và kt hợp vi thuật toán vectơ không
gian. Chin lợc điu khin này làm thay đổi h s hiu chnh đin áp đ điu chnh
thi gian tác đng ca các vectơ mt cách hiu qu nhằm cân bằng đin th đim
―zero‖.Sự điu khin này có đợc kt qu thông qua mô phỏng là đin áp ngõ ra đáp
ng theo yêu cầu h thng rt tt, dng sóng dòng đin ngun dng sin, h s công
sut gần bằng mt và tổng méo dng sóng hài dòng đin (THD) bằng 4.7% [4].
- B chuyn đổi đa bậc đợc nghiên cu cho các ng dụng đẩy-kéo vi thuật
toán thích nghi đ điu khin b chuyn đổi. Dựa trên sự phân tích các trng thái hot
đng ca b chnh lu và áp dụng các khâu hiu chnh PI đ to tín hiu điu khin
chuyn mch thông qua kỹ thuật điu ch sóng mang. Qua vic mô phỏng, thực
nghim vi sự h trợ ca phần mm matlab và Card Dspace DS1104 đư đa ra kt qu
thỏa các tiêu chí yêu cầu là h s công sut xp x bằng mt, dòng đin ngun dng sin
và tổng h s méo dng (THD) ca dòng đin từ 5% đn 5.8% đng thi đin áp ngõ
ra đáp ng theo h thng [6], [7], [8].
- Các b chuyn đổi đa bậc đợc thực hin nhằm hiu chnh h s công sut bằng

phơng pháp điu ch đ rng xung. Phơng pháp này đợc thực hin theo kỹ thuật
4
điu ch dòng đin yêu cầu và dựa trên các tín hiu điu khin dng s, các tín hiu
này có đợc là nh vào sự tập hợp các tín hiu từ b cân bằng đin áp trên các tụ, từ
b điu khin dòng đin (khâu hiu chnh PI) và vùng hot đng ca đin áp ngun.
Dựa vào cu trúc ca b chnh lu và sự phân tích các trng thái hot đng ca mi
cu trúc đ điu khin nhằm to ra mt đin áp đa bậc  phía AC ca b chnh lu
thích nghi. Qua vic mô phỏng vi sự h trợ ca phần mm matlab [3], [5] và thực
nghim thông qua Card DSP TMS320C240 cho các cu trúc chnh lu khác nhau [9],
[10]. Kt qu cho thy h s công sut xp x bằng mt, dòng đin ngõ vào ca b
chnh lu có dng sin, tổng méo dng sóng hài ca dòng đin ngun cp cho b chnh
lu (THD) xp x 5% và đin áp ngõ ra đáp ng theo yêu cầu h thng.
- Vi những phơng pháp điu khin trên thì trong những năm gần đây, chnh
lu đa bậc dng cascade đư đợc nghiên cu và sử dụng rng rãi vì có cu trúc dng
mođun, cu to đơn gin, dễ thực hin . . . và đặc bit là vn đ cân bằng đin áp giữa
các tụ đin dễ dàng hơn so vi các dng NPC.
1.2 Mcăđíchăcaăđ tài nghiên cu
 Nghiên cu, xây dựng chơng trình mô phỏng cho b ngun AC/DC 1 pha
dùng phần mm mô phỏng matlab.
 Lập trình điu khin cho b ngun AC/DC 1 pha dựa vào Card DSP
TMS320F28335.
1.3 Nhim v và gii hnăđ tài
Đ tài ―NghiênăcuăbăngunăAC/DCă1ăphaădngăcascadeă5ăbc‖ đa ra kt
qu mô phỏng. Từ đó thi công mô hình b ngun AC/DC 1 pha, đng thi làm cơ s
áp dụng vào thực tiễn.
Nhim vụ và gii hn đ tài nghiên cu
 Tìm hiu b ngun AC/DC 1pha sử dụng phơng pháp PWM.
 Xây dựng mô hình toán học cho b ngun AC/DC 1pha.
 Điu khin b ngun AC/DC 1pha theo kỹ thuật điu ch dòng đin yêu cầu.
 Điu khin b ngun AC/DC 1pha theo kỹ thuật điu ch sóng mang.

 Tìm hiu phần mm matlab dùng đ mô phỏng b ngun AC/DC 1pha.
 Tìm hiu cu trúc phần cng, tập lnh ca DSP TMS320F28335 đ lập trình
nhúng.
5
 Thi công b chnh lu 1pha.
 Lập trình điu khin b ngun AC/DC 1pha dng cascade 5 bậc trên cơ s Card
DSP TMS320F28335.
1.4 Phngăphápănghiênăcu
Đ đáp ng đợc các mục tiêu đư đ ra, tin hành nghiên cu và gii quyt các
vn đ nh sau:
 Thu thập và nghiên cu các tài liu liên quan v các b ngun AC/DC 1pha có
điu khin, các gii thuật chnh lu đợc công b.
 Nghiên cu và phân tích các phơng trình toán học ca b ngun AC/DC 1pha.
 Nghiên cu và phân tích gii thuật đư chọn.
 Chọn phơng án tt nht và có kh năng thực hin đ tài.
 Vit chơng trình mô phỏng bằng công cụ phần mm Matlab.
 Dựa vào gii thuật đợc chọn đ điu khin b ngun AC/DC 1pha.
 Lập trình điu khin b chnh lu trên dựa vào Card DSP TMS320F28335.
 Nhận xét kt qu - Kt luận.


6
Chngă2: CăS LÝ THUYT
B CHNHăLUă1ăPHA

2.1 Tng quan v b chnhălu
2.1.1 Gii thiu
B ngun AC/DC còn gọi là b chuyn đổi AC/DC (hay là b chnh lu) có
nhim vụ chuyn đổi năng lợng từ ngun đin xoay chiu sang ngun mt chiu đ
cung cp cho ti mt chiu. B chuyn đổi AC/DC đợc sử dụng rng rãi trong nhiu

ng dụng đa dng nh: làm ngun cung cp cho các vi điu khin, các thit bị đin
dân dụng, tăng phô đin tử, np pin, điu khin đng cơ mt chiu và các b chuyn
đổi công sut …
Các b chnh lu chuyn mch tự nhiên (không điu khin) đơn gin nht là
dùng các đit đ chuyn đổi năng lợng từ AC sang DC hay sử dụng các thyristor cho
phép điu khin lung năng lợng. Đi vi các b chuyn đổi này thì rt đơn gin
nhng khuyt đim chính ca các b chuyn đổi chuyn mch tự nhiên này là h s
công sut thp, phát ra các sóng hài và công sut phn kháng [18].
Các sóng hài có nh
hng không tt lên hot đng ca h thng đin. Vì vậy, cần phi quan tâm đn vic
phát đin và điu khin chúng.
Mt phơng pháp cơ bn và phổ bin đ làm gim các sóng hài  dòng đin
ngun vào b chuyn đổi (dòng đin li) là dùng các kt ni đa xung dựa trên các
bin áp có nhiu cun dây, thêm vào đó là dùng các b lọc (lọc ngun) thụ đng hay
b lọc tích cực nhằm làm gim sóng hài vào li đin.
Bên cnh đó, dựa trên các khái nim v khử sóng hài đợc gọi là điu chnh h
s công sut (PFC) đ làm gim sóng hài.  các b bin đổi này, điu khin các
chuyn mch công sut ging nh các IGBT, GTO hoặc IGCT đợc cha trong mch
công sut ca mch chnh lu đ thay đổi tích cực dng sóng ca dòng đin ngõ vào,
làm gim đ méo dng ca sóng dòng đin ngun, làm gim các sóng hài do đó ci
thin đợc h s công sut.
Tuy nhiên có mt s ng dụng mà  đó lung năng lợng có th bị đo ngợc
trong quá trình hot đng. Trong các ng dụng này, b chuyn đổi năng lợng theo
mt hng phi có kh năng nhận năng lợng hi v ngun cp và đợc bit nh sự
khôi phục ngun.
7
Đ điu khin các chuyn mch công sut và làm gim đ méo dng sóng dòng
đin ngõ vào, ci thin h s công sut ta áp dụng phơng pháp điu ch đ rng xung.
Vi phơng pháp này có đợc những u đim mà các b chnh lu truyn thng cha
đt đợc nh:

 Có sự trao đổi năng lợng giữa ti và ngun đin.
 Tăng h s công sut, h s công sut có th đt đn bằng mt.
 Gim sóng hài bậc cao đi vào li đin đ ci thin cht lợng đin năng.
 Dng sóng dòng đin ngun có dng sin.
2.1.2 Phân loi
B chnh lu có đa dng mẫu mã, chng loi, các b chnh lu có th đợc
phân loi bằng các cu trúc hot đng vi tần s chuyn mch thp (chuyn mch tự
nhiên) và các cu trúc hot đng vi tần s chuyn mch cao nh:
- Theo s cp đin áp  ngõ vào ca b chnh lu công sut: hai bậc (two level),
đa bậc (multilevel - ba bậc tr lên)
- Theo cu trúc b chnh lu: dng cascade (H-bridge multilevel rectifier), dng
chnh lu cha đit kẹp NPC (neutral point clamped multi Rectifier).
Nh đư trình bày  trên ta có th phân loi tổng quan nh hình sau:
Rectifiers
Line Commutated PFC
Diode Thyristor
Regenerative
(AFE)
Non Regenerative
- Boost
- Vienna
- Others
- Voltage Source Rectifier
- Current Source Rectifier

Hình 2.1 Phân loi tổng quan ca b chnh lu
2.1.3 Các cu trúc ca b chuynăđi AC/DC 1pha
Trong h thng chuyn đổi đin tử công sut thông thng thì các b chnh lu
dùng đit và thyristor là đợc sử dụng thông dụng (hình 2.2).
8

Các b chnh lu này là phi tuyn nên nó to to các sóng hài trong dòng đin
li AC. Lợng hài cao trong dòng đin li sẽ gây ra h s công sut thp và điu
này dẫn đn nhiu vn đ trong h thng phân b công sut.
+
Vdc
-
D4D3
D2D1

Hình 2.2 Cu trúc H-bridge sử dụng đit
Do đó đ ci thin vn đ sóng hài thì các nhà khoa học đa mt s cu trúc
mch công sut sau đây:
L
T
2
T3
T4
T1
+
V
dc
-
C

Hình 2.3 Cu trúc H-bridge sử dụng IGBT
(Còn đợc gọi là dng full-bridge hay dng cầu H sử dụng IGBT)
Cu trúc hình 2.3 thay th cho cu trúc sử dụng đit, trong quá trình hot đng
tuy có ci thin đợc h s công sut và vn đ sóng hài nhng đin áp trên mi IGBT
cao và giá trị cun kháng L còn ln. Chính vì th mà các cu trúc đa bậc sau đây đư ra
đi thay th các cu trúc trên hình 2.3 nhằm ci thin các vn đ sóng hài, gim đin

áp trên mi IGBT và gim giá trị cun kháng.

L
T11
T21
T12
T22
T41
T31
C1
C2
+
-
Vdc
(b)
Hình 2.4 Cu trúc chnh lu dng NPC 3 bậc
9
L
T
2
T3
T4
T1
+
Vdc
-
C1
C2
S1
S2

(a)
L
T11
T21
T31
T41
T32
T42T22
T12
C1
C2
+
-
Vdc

Hình 2.5 Cu trúc chnh lu 3 bậc
L
T
11
T21
T31
T41
T32
T42
T22
T12
C1
C2
-
Vdc1

+
V
dc2
+
-

Hình 2.6 Cu trúc chnh lu dng Cascade 3 bậc
2.1.4 Cácăphngăphápăđiu khin
Phm vi ng dụng ca các chuyn đổi công sut vẫn m rng nh có sự ci tin
công ngh cht bán dẫn, công ngh cht bán dẫn này đa ra hiu sut đin áp và dòng
đin cao hơn cũng nh các đặc tính chuyn mch tt hơn.
Mặt khác, những u đim chính ca các b chuyn đổi đin tử công sut dng
mođun nh: hiu qu cao, trọng lợng nhẹ, kích thc nhỏ gọn, hot đng nhanh, mật
đ công sut cao đang dần đt đợc, thông qua vic sử dụng các ch đ hot đng
chuyn mch. Các thit bị bán dẫn công sut đợc điu khin  ch đ đóng/ngắt
10
(ON/OFF). Điu này dẫn đn các kiu điu ch đ rng xung khác nhau và các kiu
điu ch đ rng xung là mt kỹ thuật xử lý năng lợng cơ bn đợc ng dụng trong
h thng chuyn đổi công sut. Trong các b chuyn đổi hin đi, PWM là mt định vị
xử lý tc đ cao, phụ thuc vào công sut định mc, từ mt vài kilohertz (điu khin
đng cơ) đn hàng megahertz (các b chuyn đổi cng hng cho ngun công sut).
PWM là phơng pháp điu chnh đin áp ra ti hay nói cách khác là phơng
pháp điu ch dựa trên sự thay đổi đ rng ca chui xung vuông dẫn đn sự thay đổi
đin áp ra.
Các khóa IGBT công sut trong các b chnh lu đợc tác đng đóng/ngắt thì
cần có những xung kích cp cho chân kích ca mi khóa IGBT, vi mi khóa IGBT
khác nhau thì b xung kích khác nhau, đ rng ca mi xung trong chui xung kích
thay đổi theo mt qui luật và phụ thuc vào kỹ thuật điu ch đợc chọn.
V
15V

t
t
t
15V
15V
0
0
0
20%
duty
cycle
50%
duty
cycle
90%
duty
cycle

Hình 2.7 Đ thị điu ch xung kích
2.1.4.1 Kỹ thutăđiu ch theoădòngăđin yêu cu hay còn gi là dòngăđin đặt
(Hysteresis current control)
Nguyên lý điu khin: Theo hình 2.8 ta đư xác định đợc dòng đin yêu cầu
a
*i
, dòng đin yêu cầu
a
*i
đợc so sánh vi tín hiu dòng đin hi tip
a
i

, khi dòng
11
đin hi tip
a
i
nhỏ hơn dòng đin yêu cầu
a
*i
thì b điu khin xut xung kích đ các
IGBT công sut đóng vào ngun dơng nhằm làm tăng dòng đin hi tip
a
i
, khi dòng
đin hi tip
a
i
vợt quá giá trị yêu cầu thì b điu khin xut xung kích đ các IGBT
công sut đóng vào ngun âm làm gim dòng đin hi tip
a
i
xung. Nh vậy ngõ ra
sẽ đợc giữ dao đng quanh giá trị yêu cầu
a
*i
vi sai s định trc.

Hình 2.8 Sơ đ khi ca kỹ thuật điu ch theo dòng đin yêu cầu
Gii hn trên
Gii hn di

Hình 2.9 Nguyên lý xut xung kích ca kỹ thuật điu ch theo dòng đin yêu cầu
u đim ca mch điu ch dòng đin dùng mch trễ là đáp ng quá đ nhanh,
thực hin dễ dàng và chi phí thp.
Nhng có mt s nhợc đim là:
- Đ nhp nhô dòng đin  trng thái xác lập ln
- Tần s chuyn mch không c định
- Đin áp ra có cha các hài vi tần s không phi là bi ca tần s cơ bn
2.1.4.2 Kỹ thutăđiu ch Delta-Sigma
Nguyên lý điu khin: Kỹ thuật điu khin này trong khá ging vi kỹ thuật
điu ch theo dòng đin yêu cầu nhng quy luật hot đng ca nó thì khác. Tín hiu
12
sai s đợc dò ra bi các b so sánh, các ngõ ra ca b so sánh có đợc các mẫu  tỷ
l c định đ trng thái ca b chnh lu giữ ổn định trong mi khong thi gian ly
mẫu. Vì vậy, trong sut khong thi gian không có có xung ly mẫu thì không có
PWM nào đợc thực hin, ch có các vectơ cơ bn có th đợc to ra bi b chuyn
đổi trong mt thi gian c định.

Bă
điuăch
Xungănhpă(xungălyămu)t

Hình 2.10 Sơ đ khi ca kỹ thuật điu ch Delta-sigma
i*a
ia
i*a - ia
Xung kích
Xung nhịp
n-1
n
n+1

Hình 2.11 Nguyên lý xut xung kích ca kỹ thuật điu ch Delta-sigma
Từ hình 2.11 ta thy:
Ti xung nhịp (n-1), ia > i*a nên ngõ ra ca b điu ch  mc thp.
Ti xung nhịp n, ia = i*a nên ngõ ra ca b điu ch vẫn giữ mc thp trong
sut chu kỳ xung nhịp.
Ti xung nhịp (n-1), ia < i*a nên ngõ ra ca b điu ch chuyn trng thái sang mc
cao trong sut chu kỳ ly mẫu xung nhịp.
Hot đng theo kỹ thuật điu ch này đem li mt sự ri rc đin áp  ngõ ra
ca b chnh lu, khác vi sự thay đổi liên tục ca đin áp ngõ ra vn là nét đặc trng
cụ th ca PWM.
13
2.1.4.3 Kỹ thutăđiu ch sóng mang (CPWM)
- Nguyên lý điu khin: Đ điu khin hai IGBT trên mt nhánh ta thực hin theo
qui tắc kích đi nghịch: T1 + T2 = 1
_
+
T2
T1
ucar
IGBT
1
IGBT2
Xung kích
udk

Hình 2.12 Sơ đ ca kỹ thuật điu ch CPWM

Hình 2.13 Nguyên lý xut xung kích ca kỹ thuật điu ch CPWM
- Khi đin áp điu khin (u

đk
) là hàm sin thì đợc gọi là kỹ thuật điu ch Sine
Pulse Width Modulation (SPWM).

Hình 2.14 Nguyên lý xut xung kích ca kỹ thuật điu ch SPWM
Đ thực hin to gin đ kích đóng/ngắt các linh kin trong cùng mt nhánh, ta
sử dụng sóng mang (dng tam giác) và tín hiu điu khin (dng sin). Đi vi b chnh
14
lu n bậc thì s sóng mang đợc sử dụng là (n-1) sóng mang. Chúng có cùng tần s f
c

và biên đ đnh – đnh A
c
. Sóng điu ch (hay sóng điu khin) có biên đ đnh – đnh
A
m
và tần s f
m
, dng sóng ca nó thay đổi xung quanh trục tâm ca h thng (n-1)
sóng mang. Nu sóng điu khin ln hơn sóng mang nào đó thì linh kin tơng ng
đợc điu khin sẽ đợc kích dẫn. Trng hợp sóng điu khin nhỏ hơn sóng mang
nào đó thì linh kin đó sẽ bị kích ngắt.
Các sóng mang dng tam giác thng có tần s f
c
< 10kHz cho các b chnh lu
đa bậc và có th là mt sóng mang chuẩn hay nhiu sóng mang và đợc chia thành ba
loi sau:
a. B trí cùng pha (PD: In Phase Dispostion): tt c các loi sóng mang đu cùng pha
nhau:
1

-1
0
2
-2
0,1
0
0,05
0,15
0,2 0,25 0,3 0,35 0,4 0,45 0,5
Thi gian (s)

Hình 2.15 Sóng mang dng PD
b. Hai sóng mang k tip nhau s dch 180
o
ậ gi là sóng APOD (Alternative Phase
Opposition Disposition):
1
-1
0
2
-2
0,1
0
0,05
0,15
0,2 0,25 0,3 0,35 0,4 0,45 0,5
Thi gian (s)

Hình 2.16 Sóng mang dng APOD
15

c. B tríăđi xng qua trc Zero ậ gi là sóng POD (Phase Opposition Disposition):
Tt c các sóng mang trên trục 0 sẽ cùng pha nhau và các sóng mang nằm di trục 0
sẽ bị dịch đi 180
o
.
1
-1
0
2
-2
0,1
0
0,05
0,15
0,2 0,25 0,3 0,35 0,4 0,45 0,5
Thi gian (s)

Hình 2.17 Sóng mang dng POD
Trong các phần mô phỏng và thực nghim trong quyn luận văn này, tác gi ch
sử dụng phơng pháp mt sóng mang chuẩn đư tích sẵn trong DSP TMS320F28335.
2.2 B chnhăluădng cu H (full-bridge)
2.2.1 Phân tích trng thái làm vic ca cu trúc
Sơ đ mch 4 khóa đơn gin ca b chnh lu dng cầu H mt pha sử dụng các
IGBT nh th hin trên hình 2.18
R
A
A
A

Hình 2.18 Cầu chnh lu toàn phần hay cầu H

Mch công sut ca b chnh lu hot đng  ch đ điu khin hoàn toàn di
dng kt ni cầu H, nó dùng 4 chuyn mch công sut điu khin đợc vi 4 đit mắc
đi song đ to ra mt đin áp mt chiu
o
V
có th điu chnh đợc. Hot đng thích
hợp ca b chnh lu này là đin áp ngõ ra phi ln hơn đin áp ngõ vào ti bt kỳ thi