KỸ THUẬT PWM SÓNG MANG CHO NGHỊCH LƯU ĐA BẬC LAI

Đại Học Quốc Gia Tp. Hồ Chí Minh
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
--------------------





NGUYỄN VĂN PHỤC



KỸ THUẬT PWM SÓNG MANG CHO
NGHỊCH LƯU ĐA BẬC LAI




Chuyên ngành : THIẾT BỊ, MẠNG VÀ NHÀ MÁY ĐIỆN
Mã số ngành : 2.02.01

LUẬN VĂN THẠC SĨ










TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 10/2006.






CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH



Cán bộ hướng dẫn khoa học : Tiến sĩ NGUYỄN VĂN NHỜ

............................................................................................................................
............................................................................................................................

............................................................................................................................
............................................................................................................................
............................................................................................................................


Cán bộ chấm nhận xét 1 :

............................................................................................................................
............................................................................................................................
............................................................................................................................
............................................................................................................................
............................................................................................................................


Cán bộ chấm nhận xét 2 :

............................................................................................................................
............................................................................................................................
............................................................................................................................
............................................................................................................................
............................................................................................................................





Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại HỘI ĐỒNG CHẤM BẢO VỆ LUẬN VĂN
THẠC SĨ TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA, ngày . . . . . tháng . . . . năm . . . .
.

.
. I








Xin gởi lời cám ơn chân thành nhất đến Tiến sĩ Nguyễn Văn
Nhờ đã nhiệt tình hướng dẫn tôi hoàn thành công trình nghiên cứu
này.

Xin chân thành gửi lời cám ơn đến toàn thể quý thầy cô trường
Đại học Bách Khoa Tp. Hồ Chí Minh đã giảng dạy, hướng dẫn và
tạo mọi điều kiện tốt cho tôi hoàn thành công trình nghiên cứu này.

Xin cám ơn các anh chị em khoá K15 ngành Thiết Bị Mạng Và
Nhà Máy Điện đã chia s
ẽ, hỗ trợ, giúp đỡ trong suốt quá trình học
tập vừa qua.

Cuối cùng, nhưng quan trọng nhất, xin gửi lời cám ơn đến các
thành viên trong gia đình cùng bạn bè đã động viên, khích lệ, hỗ trợ
cách này hay cách khác cho công việc học tập của tôi.

Học viên


Nguyễn Văn Phục

LỜI CẢM ƠN


TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
PHÒNG ĐÀO TẠO SĐH ĐỘC LẬP – TỰ DO – HẠNH PHÚC

Tp. HCM, ngày 10 tháng 01 năm 2006


NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ tên học viên: NGUYỄN VĂN PHỤC Phái: Nam
Ngày, tháng, năm sinh: 26/04/2006 Nơi sinh: Khánh hòa
Chuyên ngành: THIẾT BỊ, MẠNG VÀ NHÀ MÁY ĐIỆN MSHV: 01804502
I- TÊN ĐỀ TÀI:

KỸ THUẬT PWM SÓNG MANG CHO
NGHỊCH LƯU ĐA BẬC LAI


II- NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:
1. Giới thiệu nghịch lưu đa bậc lai, ứng dụng

2. Trình bày các cấu trúc nghịch lưu hai bậc, đa bậc
3. Trình bày các phương pháp điều khiển các bộ nghịch lưu
4. Trình bày phương pháp thiết kế, điều khiển bộ nghịch lưu đa bậc lai
5. Thực hiện mô phỏng, đánh giá kết luận
III- NGÀY GIAO NHIỆM VỤ
:

10/01/2006

IV- NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ
: 06/10/2006

V- CÁN BỘ HƯỚNG DẪN : : Tiến sĩ NGUYỄN VĂN NHỜ


CÁN BỘ HƯỚNG DẪN CN BỘ MÔN


QL CHUYÊN NGÀNH



Tiến sĩ Nguyễn Văn Nhờ




Nội dung và đề cương luận văn thạc sĩ đã được Hội đồng chuyên ngành thông qua.
Ngày tháng năm
TRƯỞNG PHÒNG ĐT – SĐH TRƯỞNG KHOA QL NGÀNH

LUẬN VĂN CAO HỌC Trang 1/125 GVHD:NGUYỄN VĂN NHỜ
HVTH: NGUYỄN VĂN PHỤC
TÓM TẮT NỘI DUNG

Luận văn trình bày, phân tích chi tiết phương pháp thiết kế nghòch lưu đa bậc
lai. Với cấu tạo lai này, có thể tạo được số bậc điện áp lớn nhất với cùng số cell
cầu H. Tuy nhiên, độ méo dạng họa tần của nó vẫn đảm bảo như các cấu trúc
không lai khác. Vì vậy, có thể giảm thiểu hay loại bỏ bộ lọc ngõ ra[4].
Với kiểu thiết kế giới thiệu, số cell cầu H và giá trò nguồn DC của chúng
được xác đònh rõ. Để đảm bảo, với số cell cầu H nhất đònh có thể tạo ra số bậc điện
áp lớn nhất. Đồng thời, năng lượng tuần hoàn trong các cell cầu H được giảm thiểu,
giúp tăng hiệu suất toàn hệ thống.
Đặc biệt, luận văn còn trình bày các kỹ thuật PWM sóng mang cho nghòch
lưu lai. Từ đó đưa ra nhận xét, đánh giá ưu nhược điểm của mỗi kỹ thuật. Các kỹ
thuật được ứng dụng trong luận văn là:
- Phương pháp điều chế độ rộâng xung sin (SPWM)
- Phương pháp mô phỏng điều chế vector không gian dùng sóng mang với
common-mode cực tiểu (SVPWMmin)
- Phương pháp mô phỏng điều chế vector không gian dùng sóng mang với
common-mode trung bình (SVPWMmid)
- Phương pháp mô phỏng điều chế Discontinuous dùng sóng mang với common-
mode cực tiểu (DPWMmin)
- Phương pháp mô phỏng điều chế Discontinuous dùng sóng mang với common-
mode trung bình (DPWMmid).
Trong đó kỹ thuật DPWMmin được đánh giá cao. Vì nó cho kết quả về độ
méo dạng họa tần, tổn hao công suất, điện áp hài cơ bản.. tốt hơn phương pháp điều

khiển khác, kể cả phương pháp điều rộng xung sin thông thường.

Nội dung luận văn gồm năm chương
- Chương 1: Giới thiệu, phân tích ,đánh giá các vấn đề liên quan đến
nghòch lưu đa bậc lai. Đồng thời đưa ra các vấn đề tồn tại cần giải quyết.

LUẬN VĂN CAO HỌC Trang 2/125 GVHD:NGUYỄN VĂN NHỜ
HVTH: NGUYỄN VĂN PHỤC
- Chương 2: Trình bày cấu tạo các bộ nghòch lưu áp và giới thiệu cấu trúc
cơ bản của nghòch lưu đa bậc lai.
- Chương 3: Trình bày các phương pháp điều khiển cho nghòch lưu lai. Đặc
biệt là phương pháp mô phỏng vector không gian dùng sóng mang cho
phép điều khiển nghòch lưu trong vùng quá điều chế.
- Chương 4: Trình bày phương pháp thiết kế chi tiết nghòch lưu đa bậc lai.
Nó đảm bảo đạt số bậc điện áp lớn và năng lượng tuần hoàn trên toàn hệ
thống là nhỏ nhất. Giúp tăng hiệu suất trên toàn hệ thống.
- Chương 5: Trình bày các kết quả mô phỏng, các đồ thò khảo sát được. Từ
đó đưa ra các nhận xét đánh giá về bộ nghòch lưu lai cũng như phương
pháp điều khiển tương ứng.



LUẬN VĂN CAO HỌC Trang 1/129 GVHD:NGUYỄN VĂN NHỜ
Kỹ thuật PWM sóng mang cho nghòch lưu đa bậc lai
HVTH: NGUYỄN VĂN PHỤC
Chương 1

TỔNG QUAN

1.1.MỞ ĐẦU

Trong những năm gần đây, nghòch lưu đa bậc đã được nghiên cứu rộng rãi.
Nó đã được chấp nhận, để thay thế nghòch lưu áp hai bậc cho ứng dụng công suất
lớn và điện áp cao[11]. Với cấu tạo đa bậc, điện áp ngõ ra được tăng lên, tổn hao
chuyển mạch linh kiện giảm và họa tần ngõ ra được cải thiện đáng kể. Kiểu đa bậc
thông dụng nhất, là dạng cascaded với lợi thế hơn các dạng khác[11]như: cấu tạo
đơn giản, ít thành phần linh kiện, cấu trúc dạng modun, tránh được vấn đề cân bằng
áp tụ. Tuy nhiên, khi cần tăng số bậc điện áp ngõ thì số lượng linh kiện sẽ tăng lên.
Vì thế, bộ nghòch lưu trở nên cồâng kềnh.
Kiểu nghòch lưu đa bậc lai dùng trong luận văn có thể tối giản linh kiện công
suất. Với kiểu cấu tạo lai này, có thể tối giản các cell cầu H nhưng vẫn đạt được số
bậc điện áp ngõ ra như cấu tạo không lai. Mặt khác, với kiểu điều chế lai có thể
dùng các linh kiện công suất trên các cell cầu H khác nhau. Do cell công suất lớn
nhất chỉ chuyển mạch ở tần số cơ bản nên có thể dùng linh kiện chuyển mạch chậm
như: IGCT, GTO, IEGT. Còn cell công suất thấp nhất được điều chế sóng mang tam
giác tần số cao có thể dùng linh kiện: IGBT, MOSFET,BJT..
Với thiết kế đề nghò, chỉ vài cell cầu H và điện áp nguồn DC tương ứng tạo
ra số lượng lớn bậc điện áp. Đồng thời năng lượng tuần hoàn trong những cell cầu
H giảm thiểu đáng kể, góp phần làm tăng hiệu suất của toàn hệ thống.

LUẬN VĂN CAO HỌC Trang 2/129 GVHD:NGUYỄN VĂN NHỜ
Kỹ thuật PWM sóng mang cho nghòch lưu đa bậc lai
HVTH: NGUYỄN VĂN PHỤC
Đặc biệt, luận văn còn trình bày ứng dụng phương pháp mô phỏng điều chế
vector không gian dùng sóng mang (SVPWM) và phương pháp Discontinuos
PWM(DPWM). Việc ứng dụng hai phương pháp này, để tăng chỉ số điều điều chế
cũng như giảm tổn hao chuyển mạch trên linh kiện mà phương pháp SPWM chưa
giải quyết được. Nhờ đó, góp phần làm giảm tổn hao trên toàn hệ thống và nâng
cao hiệu quả các linh kiện công suất.
Luận văn thực hiện nghiên cứu tổng quát cách thiết kế nghòch lưu đa bậc
thông qua giải tích. Sau đó, dùng phần mềâm mô phỏng PSIM để kiểm chứng và

khảo sát các phương pháp điều khiển khi chỉ số điều chế thay đổi từ 0 đến 1.1.
Đề tài nghiên cứu có ý nghóa thực tiễn trong việc đưa ra giải pháp giảm thiểu
tổn hao trên hệ thống nghòch lưu. Giải quyết vấn đề quá điều chế trong nghòch lưu
đa bậc lai giúp tận dụng triệt để khả năng linh kiện. Các vấn đề đó được thể hiện
qua giá trò công suất tuần hoàn trong hệ thống, tổn hao chuyển mạch trên linh kiện
và hài bậc một lớn nhất điện áp ngõ ra.
1.2 GIỚI THIỆU

Trong những năm gần đây, có nhiều công trình nghiên cứu nghòch lưu đa bậc
lai cho ứng dụng điện áp cao và công suất lớn[4]. Với thuận lợi là điện áp ngõ ra có
thành phần họa tần thấp. Thêm vào đó, với số lượng cell cầu H nhất đònh có thể
tổng hợp số bậc điện áp ngõ ra lớn nhất [4]. Để đạt được số bậc điện áp lớn, người
ta cấp nguồn cho các cell cầu H có giá trò khác nhau. Khái niệm nghòch lưu lai cơ
bản dựa trên nguyên tắc này. Thông thường nguồn DC nghòch lưu lai được cung cấp
theo tỉ lệ(Vdc1: Vdc2: Vdc3: Vdc4.. = 1:3:9:27… hay 1:2:4:8…). Tuy nhiên, mặc dù
cấu tạo đó cho số bậc điện áp lớn, nhưng thành phần họa tần cũng như hiệu suất
trên toàn hệ thống không cao. Ví dụ, cấu tạo kiểu trinary (1:3:9:27..) hay binary

LUẬN VĂN CAO HỌC Trang 3/129 GVHD:NGUYỄN VĂN NHỜ
Kỹ thuật PWM sóng mang cho nghòch lưu đa bậc lai
HVTH: NGUYỄN VĂN PHỤC
(1:2:4:8…) năng lượng tuần hoàn trong hệ thống cao tại một số vùng chỉ số điều chế.
Lý do là, cell có điện áp DC cao nhất cung cấp họa tần cơ bản lớn hơn họa tần cơ
bản cần thiết ngõ ra. Trong trường hợp này, các cell công suất thấp hơn phải cung
cấp công suất âm. Vì vậy, cần thiết kế lại nguồn DC của bộ nghòch lưu lai. Sao cho,
các cell cầu H không cung cấp công suất vượt quá công suất cần thiết.
Trước đây, điều khiển nghòch lưu lai chủ yếu dựa vào phương pháp điều rộng
xung sin(SPWM). Phương pháp SPWM cho điện áp hài cơ bản tối đa là Ud
(Ud=Vdc1+ Vdc2+..+ Vdcn). Gần đây, đã có sự hoàn tất mối liên hệ giữa phương
pháp sóng mang PWM và phương pháp vector không. Hơn nữa, một kỹ thuật điều

khiển tương tự được đề nghò là discontinuos PWM (DPWM) giúp làm giảm tổn thất
chuyển mạch trên linh kiên công suất. Vì thế, luận văn trình bày phương pháp thiết
kế nghòch lưu đa bậc lai để hạn chế công suất tuần hoàn trong hệ thống. Ngoài ra
còn trình bày, so sánh các phương pháp điều khiển để tận dụng khả năng các linh
kiện trong bộ nghòch lưu.

LUẬN VĂN CAO HỌC Trang 4/129 GVHD:NGUYỄN VĂN NHỜ
Kỹ thuật PWM sóng mang cho nghòch lưu đa bậc lai
HVTH: NGUYỄN VĂN PHỤC
Chương 2

CẤU TRÚC BỘ NGHỊCH LƯU ÁP

2.1 GIỚI THIỆU
Bộ nghòch lưu áp cung cấp và điều khiển điện áp xoay chiều ngõ ra. Trong
luận văn ta bộ nghòch lưu áp với quá trình chuyển mạch cưỡng bức, sử dụng linh
kiện có khả năng điều khiển kích ngắt dòng điện.
Nguồn điện áp một chiều có thể ở dạng đơn giản như acquy, pin điện hoặc
dạng phức tạp gồm điện áp xoay chiều được chỉnh lưu và lọc phẳng.
Linh kiện dùng trong phạm vi công suất nhỏ và vừa sử dụng BJT, MOSFET,
IGBT làm công tắc còn ở phạm vi công suất lớn dùng GTO, IGCT, IEGT hoặc SCR
kết hợp với bộ chuyển mạch.
Với tải tổng quát, mỗi công tắc còn trang bò một diode mắc đối song với nó.
Các diode này tạo thành cầu diode chỉnh lưu không điều khiển có chiều dẫn điện
ngược lại với chiều dẫn của các công tắc. Nhiệm vụ của cầu diode là tạo điều kiện
thuận lợi cho quá trình trao đổi công suất ảo giữa nguồn một chiều và tải xoay
chiều, qua đó hạn chế phát sinh quá điện áp khi kích ngắt các công tắc.
Sau đây, giới thiệu sơ lược các bộ nghòch lưu áp cơ bản, có liên quan đến
luận văn.
2.2 BỘ NGHỊCH LƯU ÁP 1 PHA

Bộ nghòch lưu áp một pha có dạng mạch cầu (còn gọi là cell cầu H hay có
thể gọi tắt là cell) (H1.1a) chứa bốn công tắc và bốn diode mắc đối song. Giản đồ
kích đóng các công tắc và đồ thò áp tải được vẽ trên hình (H1.1b)

LUẬN VĂN CAO HỌC Trang 5/129 GVHD:NGUYỄN VĂN NHỜ
Kỹ thuật PWM sóng mang cho nghòch lưu đa bậc lai
HVTH: NGUYỄN VĂN PHỤC

a) b)
Hình 1.1: Bộ nghòch lưu áp một pha dạng mạch cầu
2.3 BỘ NGHỊCH LƯU ÁP BA PHA
Bộ nghòch lưu áp ba pha thường có dạng mạch cầu hình (H1.2a). Mạch chứa
sáu công tắc S
1
, S
2
… S
6
và sáu diode mắc đối song D
1
, D
2
… D
6
.
Tải ba pha có thể mắc hình sao(H1.2b) hoặc tam giác (H1.2c).

Hình 1.2: Cấu hình bộ nghòch lưu áp ba pha
π
2

π


LUẬN VĂN CAO HỌC Trang 6/129 GVHD:NGUYỄN VĂN NHỜ
Kỹ thuật PWM sóng mang cho nghòch lưu đa bậc lai
HVTH: NGUYỄN VĂN PHỤC
2.4
BỘ NGHỊCH LƯU ÁP ĐA BẬC
Các bộ nghòch lưu vừa được mô tả ở mục 2.2, 2.3 chứa hai khóa bán dẫn
(IGBT) trên mỗi nhánh pha tải. Chúng được gọi chung là bộ nghòch lưu áp hai bậc,
được áp dụng rộng rãi trong phạm vi công suất vừa và nhỏ. Khái niệm hai bậc xuất
phát từ quá trình điện áp giữa đầu một pha tải (vò trí 1,2,3) đến một điểm điện thế
chuẩn trên mạch DC (điểm 0), ví dụ khi chọn điểm có điện thế chuẩn là tâm nguồn
DC thì điện áp từ pha tải đến tâm nguồn thay đổi giữa (+U/2) và (-U/2) trong quá
trình đóng ngắt các linh kiện. Đối với nghòch lưu cấu trúc một pha thì điện áp pha
tải đến tâm nguồn DC thay đổi giữa (+U) và (-U).
Các bộ nghòch lưu áp hai bậc có nhược điểm là [3][1]:
- Tạo điện áp cung cấp cho độïng cơ với độ dốc điện áp dv/dt khá lớn.
- Làm hư bạc đạn và giảm cách điện của động cơ bởi tồn tại trạng thái khác
không của tổng điện thế từ các pha đến tâm nguồn DC(common-mode voltage).
- Sự chuyển mạch tần số cao làm giảm đònh mức, tuổi thọ thiết bò đóng ngắt
cũng như tổn thất công suất lớn.
- Tần số đóng ngắt nằm trong khoảng băng thông 10-30KHz tạo ra nhiễu
điện từ trường lên thiết bò truyền thông và thiết bò điện tử khác.
Bộ nghòch lưu áp đa bậc được phát triển để cải thiện các vấn đề nêu trên[1].
Nó thường được sử dụng ở điện áp cao và công suất lớn với các ưu điểm sau:
- Công suất bộ nghòch lưu áp tăng lên.
- Điện áp đặt lên các linh kiện và tần số chuyển mạch giảm xuống giúp
giảm tổn hao trên linh kiện.
- Với cùng tần số đóng ngắt, các thành phần sóng hài bậc cao của điện áp

ra giảm nhỏ hơn so với trường hợp bộ nghòch lưu áp hai bậc.

LUẬN VĂN CAO HỌC Trang 7/129 GVHD:NGUYỄN VĂN NHỜ
Kỹ thuật PWM sóng mang cho nghòch lưu đa bậc lai
HVTH: NGUYỄN VĂN PHỤC
- Đối với tải công suất lớn, điện áp cung cấp cho tải có thể đạt giá trò tương
đối lớn.
2.4.1
C
ấu trúc nghòch lưu áp đa bậc dùng diode kèm
( Neutral Point clamped
Multilevel Inverter – NPC )

Hình 1.3: Cấu trúc nghòch lưu dùng diode kèm

Sử dụng thích hợp khi các nguồn DC tạo nên từ hệ thống điện AC. Bộ nghòch
lưu đa bậc chứa các cặp diode kèm có một mạch nguồn DC được phân chia thành
một số cấp điện áp nhỏ hơn nhờ chuỗi các tụ điện mắc nối tiếp. 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 chọn mức điện thế 0 ở cuối dãi nguồn, các bậc điện áp có thể
D1’

D1

LUẬN VĂN CAO HỌC Trang 8/129 GVHD:NGUYỄN VĂN NHỜ
Kỹ thuật PWM sóng mang cho nghòch lưu đa bậc lai
HVTH: NGUYỄN VĂN PHỤC
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 ở trên nhờ cặp diode kèm tại điểm đó. Để điện áp pha-nguồn DC

đạt được bậc điện áp trên ( U
a0
= U ), tất cả các linh kiện bò kẹp giữa hai diode (
D1, D1’ ) – gồm n linh kiện mắc nối tiếp liên tục kề nhau, phải được kích đóng,
các linh kiện còn lại phải được khoá theo nguyên tắc kích đối nghòch. Như hình vẽ
trên, tạo ra sáu bậc 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 ngắt 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.
2.4.2 Cấu trúc nghòch lưu áp đa bậc dùng tụ kèm
(Capacitor-Clamped
Multilevel Inverter)

Cấu trúc bộ nghòch lưu nguồn áp (VSI) tụ kèm được giới thiệu bởi Meynard
và Foch [2] để thay thế cho VSI diode kèm dựa vào những thuận lợi của kiểu cấu
tạo này. Hình 1.4 minh họa cho kiểu VSI tụ kèm với hệ thống năm bậc. Để giải
thích vận hành kiểu cấu tạo tụ kèm, ta xét kiểu cấu tạo một pha ba bậc đơn giản
như trong hình 1.5. Để đạt được điện áp ngõ ra 2Vdc, S1, S2, S7 và S8 phải được
kích đóng, để đạt được điện áp là Vdc cần kích đóng S
1
-S
3
-S
7
-S
8
và –Vdc cần kích
đóng S

3
-S
4
-S
5
-S
7
. Để đạt được bậc điện áp “0” cần kết hợp đóng các công tắc S
1
-
S
3
-S
5
-S
7
hay S
2
-S
4
-S
6
-S
8
. Việc nạp điện tụ C1 có thể được cân bằng bằng việc kết
hợp việc đóng ngắt các công tắc. Khi tụ tham gia càng nhiều theo chiều tăng của số
bậc nghòch lưu.

LUẬN VĂN CAO HỌC Trang 9/129 GVHD:NGUYỄN VĂN NHỜ
Kỹ thuật PWM sóng mang cho nghòch lưu đa bậc lai

HVTH: NGUYỄN VĂN PHỤC

Hình 1.4: Cấu trúc nghòch lưu năm bậc dùng tụ kèm

Hình 1.5: Cấu trúc nghòch lưu ba bậc dùng tụ kèm
Ưu điểm chính của nghòch lưu dạng này là :
+ Khi số bậc tăng cao thì không cần dùng bộ lọc.

LUẬN VĂN CAO HỌC Trang 10/129 GVHD:NGUYỄN VĂN NHỜ
Kỹ thuật PWM sóng mang cho nghòch lưu đa bậc lai
HVTH: NGUYỄN VĂN PHỤC
+ Có thể điều tiết công suất tác dụng và phản kháng nên hiện được việc
điều tiết công suất trong lưới có dùng nghòch lưu.
Nhược điểm :
+ Số lượng tụ công suất lớn tham gia trong mạch nhiều dẫn đến giá thành
tăng và độ tin cậy giảm.
+ Việc điều khiển sẽ khó khăn khi số bậc của nghòch lưu tăng cao.
2.4.5 Cấu trúc nghòch lưu đa bậc dạng cascade

(cascade inverter)


Hình 1.6: cấu hình nghòch lưu ba pha dạng cascade
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 và bằng nhau (VDC1=VDC2=…=VDCn=U). Bằng cách kích đóng
các linh kiện trong mỗi bộ nghòch lưu áp một pha, ba bậc điện áp ( -U, 0, U ) được

LUẬN VĂN CAO HỌC Trang 11/129 GVHD:NGUYỄN VĂN NHỜ

Kỹ thuật PWM sóng mang cho nghòch lưu đa bậc lai
HVTH: NGUYỄN VĂN PHỤC
tạo thành. Sự kết hợp hoạt động của n bộ nghòch lưu áp trên một nhánh pha tải sẽ
tạo nên n khả năng bậc điện áp theo chiều âm ( -U, -2U, -3U, -4U,….-nU ), n khả
năng bậc điện áp theo chiều dương ( U, 2U, 3U, 4U,…nU ) và bậc 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. 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.
2.4.6 Cấu trúc nghòch lưu đa bậc lai
(Hybrid Voltage Source Inverter)



Hình 1.7: Cấu trúc nghòch lưu lai một pha bảy bậc
Bộ chuyển đổi nguồn áp lai được giới thiệu bởi Manjrekar et al. [2] là một
cấu trúc dạng cascaded được bổ sung bởi những đầy cầu H bao gồm ít nhất một

LUẬN VĂN CAO HỌC Trang 12/129 GVHD:NGUYỄN VĂN NHỜ
Kỹ thuật PWM sóng mang cho nghòch lưu đa bậc lai
HVTH: NGUYỄN VĂN PHỤC
nguồn Vdcj có giá trò khác. Hình 1.7 mô tả cấu trúc nghòch lưu lai một pha bảy bậc
gồm một cell điện áp cao và một cell điện áp thấp. Trong vận hành, bộ nghòch lưu
lai sử dụng cell điện áp cao chuyển đổi công suất chính còn cell điện áp thấp hơn

để cải thiện dạng sóng điện áp của quá trình chuyển đổi. Ngoài ra, cell điện áp cao
sử dụng những thiết bò có khả năng khóa điện áp cao nhưng lại không cần chuyển
mạch nhanh như có thể dùng các IGCT(Integated Gate Controled Thyristors ).
Trong khi cell điện áp thấp dùng những thiết bò có khả năng chuyển mạch nhanh
nhưng lại không cần chòu điện áp cao IGBT. Điện áp tổng hợp được theo hình 1.7
là: -3U, -2U, -U, 0, U, 2U, 3U với nguyên tắc chuyển mạch như sau:
Điện áp VaN Điện áp cell IGCT Điện áp cell IGBT
-3U  -2U -2U 0  -U
-2U  -U -2U 0  U
-U  0 0 0  -U
0  U 0 0  U
U  2U 2U 0  -U
2U  3U 2U 0  U
Bảng 2.1: Nguyên tắc tổng hợp điện áp nghòch lưu lai bảy bậc hình 1.7
Những thuận lợi của cấu trúc lai
- Có thể kết hợp của hai loại thiết bò điện tử công suất có đặc tính khác nhau
trong cùng một bộ nghòch lưu.
- Số lượng chuyển mạch trên các cell công suất lớn rất ít, chỉ xảy ra ở cell
công suất thấp nhất.

LUẬN VĂN CAO HỌC Trang 13/129 GVHD:NGUYỄN VĂN NHỜ
Kỹ thuật PWM sóng mang cho nghòch lưu đa bậc lai
HVTH: NGUYỄN VĂN PHỤC
- Với số cell nhất đònh nhưng tổng hợp số bậc điện áp ngõ ra lớn. Điều này
giúp tiết kiệm linh kiện điện tử công suất, nhưng vẫn đạt được chất lượng điện áp
tương đương như những bộ nghòch lưu không lai khác.
- Có khả năng điều khiển linh động. Có thể nâng cao công suất cũng như
điện pá một các dể dàng.
Những điểm không thuận lợi của cấu trúc lai
- Cần cung cấp các nguồn DC độc lập cho mỗi cell cầu H.

- Trong quá trình tổng hợp điện áp, các cell có công suất nhỏ thường phải
nhận năng lượng theo chiều âm nên nếu dùng cầu chỉnh lưu cung cấp nguốn DC
cho các cell cầu H thì phải dùng cầu chỉnh lưu hai chiều.
Luận văn không tập trung nghiên cứu nguồn DC cung cấp cho các cell. Xem
chúng là nguồn vô cùng lớn. Tuy nhiên, trong hương phát triển đề tài có đề cập lại
vấn đề này.

LUẬN VĂN CAO HỌC Trang 14/129 GVHD:NGUYỄN VĂN NHỜ
Kỹ thuật PWM sóng mang cho nghòch lưu đa bậc lai
HVTH: NGUYỄN VĂN PHỤC
Chương 3


PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN
NGHỊCH LƯU ÁP


Các bộ nghòch lưu áp thường điều khiển dựa theo kỹ thuật điều chế độ rộng
xung – PWM (Pulse Witdth Modulation) và qui tắc kích đóng đối nghòch. Qui tắc
kích đóng đối nghòch đảm bảo dạng áp tải được điều khiển tuân theo giản đồ kích
đóng công tắc và kỹ thật điều chế độ rộâng xung có tác dụng hạn chế tối đa các ảnh
hưởng bất lợi của sóng hài bậc cao xuất hiện phía tải.
Phụ thuộc vào phương pháp thiết lập giản đồ kích đóng các công tắc trong bộ
nghòch lưu áp, ta có thể phân biệt các dạng điều chế độ rộng xung khác nhau.
3.1
CÁC CHỈ TIÊU ĐÁNH GIÁ NGHỊCH LƯU ÁP

Chỉ số điều chế (Modulation index): đònh nghóa là tỉ số giữa biên độ thành
phần hài cơ bản tạo nên bởi phương pháp điều khiển và giá trò chuẩn được chọn
trước. Trong luận văn chọn giá trò đó là

3
2
)1(
d
mSVPWM
V
V =
.
d
m
d
m
mSVPWM
m
V
U
V
U
V
U
m
2
3
3
2
)1()1(
)1(
)1(
===
(3.1)

Vd : Điện áp pha đến tân nguồn DC
U
(1)m
: Điện áp hài cơ bản một pha
Để đánh giá các đại lượng điện người ta thường dựa vào chỉ số méo dạng
sóng hài toàn phần.

1
2
2
)(
H
H
THD
n
n
∑
∞
=
=
(3.2)

LUẬN VĂN CAO HỌC Trang 15/129 GVHD:NGUYỄN VĂN NHỜ
Kỹ thuật PWM sóng mang cho nghòch lưu đa bậc lai
HVTH: NGUYỄN VĂN PHỤC
Với: n là số nguyên, H
(n)
là sóng hài bậc thứ n, H
1
là sóng hài bậc một hay

sóng hài cơ bản.
Để đánh giá ảnh hưởng của từng sóng hài riêng lẻ ta có thể dùng phương
pháp phân tích phổ sóng hài cho đại lượng tuần hoàn không sin theo công thức phân
tích Fourier. Sau đây là công thức viết cho đại lượng i tuần hoàn, chu kỳ T
p
nhưng
không sin có thể triển khai thành tổng các đại lượng dạng sin theo hệ thức (2) [1]:

).cos(.).sin(
1
XnBXnAIi
n
nnAV
∑
∞
=
++=
(3.3)
với:
∫
=
π
π
2
0
.
2
1
dxiI
AV

;
∫
=
π
π
2
0
)..sin(.
1
dXXniA
n
;
∫
=
π
π
2
0
)..cos(.
1
dXXniB
n
;
tX
ω
=

Biên đôï sóng hài bậc n được xác đònh theo hệ thức:

22

)( nnmn
BAI +=
(3.4)
Đặc biệt khi đánh giá chất lượng bộ nghòch lưu còn dùng một số tiêu chí như:
- Khả năng giảm thiểu hiện tượng common-mode voltage, là nguyên nhân
làm giảm tuổi thọ động cơ.
- Giá thành, độ tin cậy của bộ nghòch lưu.
- Phạm vi ứng dụng về điện áp và công suất.
- Khả năng linh hoạt trong vấn đề mở rộng tăng điện áp hay công suất.
- Phân bố công suất cân bằng trên các linh kiện phù hợp.
- Tần số đóng ngắt và công suất tổn hao do đóng ngắt
- Các qui đònh về tương thích điện từ (Electromagnet Compatibility-EMC)
qui đònh khá nghiêm ngặt đốiù với các bộ biến đổi công suất đóng ngắt với tần số
cao hơn 10kHz.

LUẬN VĂN CAO HỌC Trang 16/129 GVHD:NGUYỄN VĂN NHỜ
Kỹ thuật PWM sóng mang cho nghòch lưu đa bậc lai
HVTH: NGUYỄN VĂN PHỤC
- Công suấât tổn hao xuất hiện trên linh kiện bao gồm hai thành phần: tổn hao
công suất khi linh kiện ở trạng thái dẫn điện Pon và tổn hao công suất động Pdyn.
Tổn hao công suất Pdyn tăng lên khi tần số đóng ngắt của linh kiện tăng lên. Tần
số đóng ngắt của linh kiện không thể tăng lên tùy ý vì những lý do sau:
+ Công suất tổn hao linh kiện tăng lên tỉ lệ với tần số đóng ngắt.
+ Linh kiện công suất lớn thường gây ra tổn hao đóng ngắt linh kiện lớn hơn.
Do đó, tần số kích đóng của nó phải giảm cho phù hợp, ví dụ các linh kiện GTO
công suất MW chỉ có thể đóng ngắt ở tần số khoảng 100Hz.
3.2 PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU RỘNG XUNG SIN (SPWM)
Về nguyên lý, phương pháp thực hiện kỹ thuật analog. Giản đồ kích đóng
công tắc của bộ nghòch lưu dựa trên cơ sở so sánh hai tính hiệu cơ bản:
- Sóng mang u

p
(carrier signal) tần số cao.
- Sóng điều chế u
r
(reference signal) (hoặc sóng điều chế-modulation signal)
dạng sin. Ví dụ: công tắc lẻ được kích khi sóng điều khiển lớn hơn sóng mang (u
r
>
u
p
). Trong trường hợp ngược lại công tắc chẵn được kích đóng.
Sóng mang u
p
có thể ở dạng tam giác. Tần số sóng mang càng cao, lượng
sóng hài bậc cao bò khử càng nhiều. Tuy nhiên, tần số đóng ngắt cao làm tổn hao
phát sinh do quá trình đóng ngắt các công tắc tăng theo. Ngoài ra, các linh kiện còn
có thời gian đóng t
on
và thời gian ngắt t
off
nhất đònh. Các yếu tố này làm hạn chế
việc chọn tần số sóng mang.
Sóng điều khiển u
r
mang thông tin về độ lớn trò hiệu dụng và tần số sóng hài
cơ bản của điện áp ngõ ra. Trong trường hợp bộ nghòch lưu áp ba pha phải được tạo
lệch nhau về pha 1/3 chu kỳ của nó. Trong trường hợp bộ nghòch lưu áp một pha, ta
cần tạo hai sóng điều khiển lệch pha nhau nữa chu kỳ (tức chúng ngược pha nhau).

LUẬN VĂN CAO HỌC Trang 17/129 GVHD:NGUYỄN VĂN NHỜ

Kỹ thuật PWM sóng mang cho nghòch lưu đa bậc lai
HVTH: NGUYỄN VĂN PHỤC
Để đơn giản mạch kích hơn nữa, ta có thể sử dụng một sóng điều khiển duy nhất để
khích đóng, ví dụ: cặp công tắc (S1S4) được kích đóng theo quan hệ giữa sóng điều
khiển và sóng mang, còn cặp (S2S3) được kích đóng ngược lạivới chúng. Lúc đó
hình thành trạng thái kích đóng (S1S2) hoặc (S3S4).
Gọi
f
m
là tỉ số điều chế tần số (frequency modulation ratio):
rẻence
carrier
f
f
f
m =
(3.5)
Việc tăng giá trò
f
m
sẽ dẫn đến việc tăng giá trò tần số các sóng hài xuất
hiện. Điểm bất lợi của việc tăng tần số sóng mang là vấn đề tổn hao do đóng ngắt
lớn.
Tương tự, gọi là tỉ số điều chế biên độ (amplitude modulation ratio):
carrierm
referencem
a
U
U
m

−
−
=
(3.6)
Nếu
1
≤
a
m
(biên độ sóng sin nhỏ hơn biên độ sóng mang) thì quan hệ giữa
thành phần cơ bản của áp ra và áp điều khiển là tuyến tính.
Đối với bộ nghòch lưu áp một pha:

UmU
amt
.
)1(
=
(3.7)
Đối với bộ nghòch lưu áp ba pha:

2
.
)1(
U
mU
amt
=
(3.8)
Khi giá trò

1>
a
m
, biên độ tín hiệu điều chế lớn hơn tín hiệu sóng mang thì
biên độ hài cơ bản điện áp ra tăng không tuyến tính theo biến
a
m
. Lúc này, bắt đầu
xuất hiện lượng sóng hài bậc cao tăng dần cho đến khi đạt ở mức giới hạn cho bởi
phương pháp 6 bước. Trường hợp này gọi là quá điều chế (overmodulation) hoặc
điều chế mở rộng.

LUẬN VĂN CAO HỌC Trang 18/129 GVHD:NGUYỄN VĂN NHỜ
Kỹ thuật PWM sóng mang cho nghòch lưu đa bậc lai
HVTH: NGUYỄN VĂN PHỤC
Trong trường hợp bộ nghòch lưu áp ba pha, các thành phần sóng hài bậc cao
sẽ được giảm đến cực tiểu nếu giá trò
f
m
được chọn bằng số lẻ bội ba.
Nếu để ý đến hệ thức tính chỉ số điều chế, ta thấy phương pháp SPWM đạt
được chỉ số lớn nhất trong vùng tuyến tính khi biên độ sóng điều chế bằng với biên
độ sóng mang. Lúc đó, ta có:

866.0
2
3
2
3
3

2
)1()1(
max_
====
U
U
V
U
V
U
m
d
m
d
m
SPWM

Phân tích sóng hài
Việc đánh giá chất lượng sóng hài xuất hiện trong điện áp tải có thể được
thực hiện bằng phân tích chuỗi Fourier. Ở đây, chu kỳ lấy tích phân Fourier được
chia thành nhiều khoảng nhỏ, với cận lấy từng tích phân của từng khoảng được xác
đònh từ các giao điểm của sóng điều khiển và sóng mang dạng tam giác.
3.3 PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHẾ VECTOR KHÔNG GIAN (SVPWM)
(Space vector modulation-hoặc Space vector PWM)
Phương pháp điều chế vector không gian xuất phát từ các ứng dụng của
vector không gian trong máy điện xoay chiều, sau đó được mở rộâng triển khai trong
máy điện ba pha. Phương pháp điều chế vector không gian và các dạng cải tiến của
nó có tính hiện đại, giải thuật dựa chủ yếu vào kỹ thuật số và là các phương pháp
được sử dụng phổ biến nhất hiện nay trong lónh vực điện tử công suất liên quan đến
điều khiển đại lượng xoay chiều ba pha như điều khiển truyền động xoay chiều,

điều khiển các mạch lọc tích cực, điều khiển các thiết bò công suất trên hệ thống
truyền tải điện.
Khái niệm vector không gian và phép biến hình vector không gian
Cho đại lượng 3 pha cân bằng
a
v
,
b
v
,
c
v
thoả hệ thức:

LUẬN VĂN CAO HỌC Trang 19/129 GVHD:NGUYỄN VĂN NHỜ
Kỹ thuật PWM sóng mang cho nghòch lưu đa bậc lai
HVTH: NGUYỄN VĂN PHỤC
a
v
+
b
v
+
c
v
=0 (3.9)
Thực hiện phép biến hình từ các đại lượng ba pha
a
v
,

b
v
,
c
v
sang đại lượng
vector
v
r
theo hệ thức :
)...(
2
cba
vavavkv
++=
r
(3.10)
trong đó :
2
3
2
1
3/2
jea
j
+−==
π
(3.11)
được gọi là phép biến hình vector không gian và đại lượng vector
v

r
gọi là vector
không gian của đại lượng ba pha.
Hằng số k có thể chọn với các giá trò khác nhau. Với k=2/3, phép biến hình
không bảo toàn công suất và với k=
3/2
là phép biến hình bảo toàn công suất.
Để minh hoạ cụ thể cho khái niệm này ta xét các đại lượng ba pha dạng
cosin như sau:

)cos(
0
θ
−= xVv
ma


)
3
2
cos(
0
π
θ
−−= xVv
ma
(3.12)

)
3

4
cos(
0
π
θ
−−= xVv
ma

Vector không gian theo đònh nghóa sẽ là:

⎥
⎦
⎤
⎢
⎣
⎡
−−+−−+−= )
3
4
cos(.)
3
2
cos(.)cos(.
3
2
0
2
00
π
θ

π
θθ
xVaxVaxVv
mmm
r
(3.13)

[]
)(
00
0
.)sin(.)cos(
θ
θθ
−
=−+−=
xj
mm
eVxjxVv
r
(3.14)
Như vậy, trong hệ trục tọa độ vuông góc
βα
−
, vector không gian
v
r
có biên
độ
m

V
bắt đầu từ vò trí
0
.
θ
j
m
eV
−
sẽ quay chung quanh trục tọa độ với tần số góc
ω
.
Phép biến hình vector không gian ngược