NGHIÊN cứu bộ CHUYỂN đổi CÔNG SUẤT một PHA RA BA PHA

M CL C
Trang t a

Trang

Quyết định giao đề tài
Lý lịch khoa học .......................................................................................................... i
L i cam đoan ..............................................................................................................ii
L i c m tạ .................................................................................................................. iii
Tóm tắt luận văn ......................................................................................................... iv
Mục lục ....................................................................................................................... vi
Danh sách các chữ viết tắt ........................................................................................... x
Danh sách các hình .................................................................................................... xi
Danh sách các b ng .................................................................................................. xiv
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 Đặt v n đề ......................................................................................................... 1
1.1.2 Một số kết qu nghiên cứu trong và ngoài n ớc đ ợc công bố ........................ 2
1.2 Tính c p thi t c aăđ tƠi,ăỦănghĩaăkhoaăh c và th c ti n c aăđ tài .............. 5
1.3 Nhi m v và gi i h n c aăđ tài ........................................................................ 5
1.4ăPh
Ch

ngăphápănghiênăc u................................................................................... 5

ngă2: C ăS

LÝ THUY T

2.1 T ng quan b ch nhăl uă1ăpha ........................................................................... 7
2.1.1 Giới thiệu ........................................................................................................... 7
2.1.2 Bộ chỉnh l u cầu H (PFC) ................................................................................. 8
2.1.3 Nguyên lý hoạt động .......................................................................................... 8
2.1.4 Thiết kế tính toán bộ chỉnh l u cầu H (PFC) ..................................................... 9
2.1.5 C u trúc điều khiển ......................................................................................... 11
2.1.5.1 Ph ơng pháp vòng h .................................................................................. 11
2.1.5.2 Ph ơng pháp vòng kín ................................................................................. 11
2.1.5.3 PWM ( Pulse width modulation ) ................................................................ 13
vi


2.1.5.4 Kỹ thuật điều chế theo dòng yêu cầu hay gọi dòng điện đặt ...................... 14
2.1.5.5 Kỹ thuật điều chế Delta - Sigma ................................................................. 15
2.1.6 C u bộ điều khiển cầu H(PFC) ....................................................................... 17
2.2 B ngh chăl uăhaiăb c ...................................................................................... 17
2.2.1 Tổng quan về nghịch l u hai bậc ..................................................................... 17
2.2.2 Phân loại ......................................................................................................... 18
2.2.3 C u trúc bộ nghịch l u hai bậc ...................................................................... 18
2.2.4 Kỹ thuật điều chế độ rộng xung (PWM) ....................................................... 21
2.2.4.1 Ph ơng pháp điều chế độ rộng xung SPWM .............................................. 21
2.2.4.2 Ph ơng pháp điều chế theo Vector không gian .......................................... 25
2.2.5 Thiết kế bộ điều khiển dự báo ........................................................................ 25
Ch

ngă3.ăMỌăPH NG B

CHUY N Đ I CÔNG SU T M T PHA RA 3

PHA
3.1 B ch nhăl uăm t pha d ng c u H (PFC) ..................................................... 29
3.1.1 Mô hình mô phỏng bộ chỉnh l u cầu H .......................................................... 29
3.1.2 Thiết lập thông số cho các khối ...................................................................... 30
3.2 B ngh chăl uăápăhaiăbơcă(ăInverter) ............................................................. 35
3.2.1 Mô hình mô phỏng bộ nghịch l u áp .............................................................. 35
3.2.2 Thiết lập thông số cho các khối ..................................................................... 36
3.3 K t qu mô ph ng b chuy n đ i công su t AC/AC 3 pha ........................ 39
3.3.1 Sơ đồ tổng quát .............................................................................................. 39
3.3.2 Kết qu mô phỏng .......................................................................................... 40
3.4 Sóng hài (THD) ................................................................................................ 45
Ch

ngă4.ăTHIăCỌNGăPH N C NG CHO B

CHUY N Đ I CÔNG SU T

M T PHA RA 3 PHA
4.1ăăS ăđ t ng quan b chuy n đ i công su t AC/AC 3 pha ............................ 51
4.1.1 Sơ đồ tổng quan bộ chuyển đổi ....................................................................... 51
4.1.2 Sơ đồ tổng quan mạch động lực ...................................................................... 52
4.1.3 Thông số của IGBT và Diode ......................................................................... 53
4.1.4 Sơ đồ triển khai mạch xung kích .................................................................... 54
4.1.4.1 Sơ đồ tổng quan ........................................................................................... 54
vii

4.1.4.2 Sơ đồ nguyên lý và thi công mạch xung kích ............................................. 55
4.1.5 Sơ đồ triển khai mạch c m biến áp ................................................................. 57
4.1.5.1 Sơ đồ tổng quan ........................................................................................... 57
4.1.5.2 Sơ đồ nguyên lý và thi công mạch c m biến áp .......................................... 58
4.1.6 Sơ đồ triển khai mạch c m biến dòng điện ..................................................... 59
4.1.6.1 Sơ đồ tổng quan ........................................................................................... 59
4.1.6.2 Sơ đồ nguyên lý và thi công mạch c m biến dòng điện .............................. 60
4.1.7 Sơ đồ triển khai mạch đệm b o vệ DSP .......................................................... 60
4.2ăS ăđ t ng quan b ngh chăl uăápăhaiăb c (Inverter) .................................. 62
4.2.1 Sơ đồ tổng quan mạch động lực ..................................................................... 62
4.2.2 Thông số của IGBT .......................................................................................... 63
4.2.3 Sơ đồ triển khai mạch c m biến dòng điện ..................................................... 64
4.2.3.1 Sơ đồ tổng quan ........................................................................................... 64
4.2.3.2 Sơ đồ nguyên lý và thi công mạch c m biến dòng ....................................... 64
4.2.4 Sơ đồ triển khai mạch xung kích ..................................................................... 65
4.2.4.1 Sơ đồ tổng quan ............................................................................................ 65
4.2.4.2 Sơ đồ nguyên lý và thi công mạch xung kích . ............................................. 65
Ch

ngă5.ăK THU T NHÚNG CHO B

CHUY NăĐ I CÔNG SU T M T

PHA RA BA PHA SỬ D NG TMS320F28335
5.1 Mô hình nhúng c a b chuy n đ i công su t AC/AC 3 pha ........................ 68
5.1.1 Mô hình nhúng và thiết lập số cho bộ chỉnh l u cầu H . ................................ 68
5.1.1.1 Khối giao tiếp Matlab – DSP TMS320F28335 ........................................... 69
5.1.1.2 Khối ADC . ................................................................................................... 69
5.1.1.3 Các hàm trong khối điều khiển. .................................................................... 72

5.1.1.4 Khối xu t xung ePWM.................................................................................. 73
5.2 Mô hình nhúng và thi t l p s cho b ngh chăl uăáp ..................................... 75
5.2.1 Khối ADC . ...................................................................................................... 75
5.2.2 Các hàm trong khối điều khiển . ...................................................................... 77
5.2.3 Khối kết nối xung tác động ra mạch lái. .......................................................... 78
Ch

ngă6. K T QU TH C NGHI M

6.1 K t qu th c nghi m b chuy n đ i công su t AC/AC 3 pha ..................... 79
6.2 Nh n xét ............................................................................................................ 87
viii


6.3 M t s hình nh th c nghi m t i phòng thí nghi m ...................................... 88
Ch

ngă7. K T LU N

7.1 K t lu n .............................................................................................................. 90
7.2ăH

ng phát tri n .............................................................................................. 90

TÀI LI U THAM KH O

ix


DANH SÁCH CÁC CH

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

PI

Proportional-Integral

PWM

Pulse Width Modulation

SPWM

Sine Wave Pulse Width Modulation

THD

Total Harmonic Distortion

PFC

Power-Factor Correction

CPWM

Carrier Based Pulse Width Modulation

PLL

Phase-Locked Loop

APOD

Alternative Phase Opposition Dispostion

POD

Phase Opposition Dispostion

VSI

Voltage Source Inverter

MPC

Model Predictive Control

ACCM

Average Current Mode

CCM

Continuous Conduetion Mode

EMI

Electromagnetic Interference

x


DANH SÁCH CÁC HÌNH
HÌNH

Trang

Hình 2.1 Bridgeless PFC converter topology ........................................................... 8
Hình 2.2 PFC converter in positive half state of input voltage ................................. 9
Hình 2.3 PFC converter in negative half state of input voltage ................................. 9
Hình 2.4 Bridgeless PFC converter topology ......................................................... 10
Hình 2.5 C u trúc điều khiển vòng h ..................................................................... 12
Hình 2.6 C u trúc điều khiển vòng kín ................................................................... 13
Hình 2.7 Đồ thị điều chế xung kích ........................................................................ 14
Hình 2.8 Sơ đồ kỹ thuật điều chế theo dòng điện yêu cầu ....................................... 15
Hình 2.9 Nguyên lý xu t xung kích của kỹ thuật điều chế theo dòng điện ............ 15
Hình 2.10 Sơ đồ khối của kỹ thuật điều chế Delta - sigma ...................................... 16
Hình 2.11 Nguyên lý xu t xung kích của kỹ thuật điều chế Delta - sigma ............ 16
Hình 2.12 Sơ đồ kỹ thuật điều chế CPWM ............................................................. 17
Hình 2.13 Nghịch l u ba pha nguồn điện áp với bộ điều khiển MPC ..................... 19
Hình 2.14 Dạng sóng mang, sóng điều khiển và xung kích điều chế liên tục ........ 22
Hình 2.15 Dạng sóng mang, sóng điều khiển và xung kích điều chế gián đoạn ..... 23
Hình 2.16 Đ

ng đặc tuyến giữa chỉ số m và chỉ số biên độ sóng sin .................... 23

Hình 2.17 Vector điện áp trong VSI ........................................................................ 24
Hình 2.18 Xem xét điều chỉnh Vector điện áp ( Preindl et at ...,2011) ................... 26

Hình 2.19 Sơ đồ khối của MPC và gi i thuật .......................................................... 26
Hình 2.20 Mô hình điều khiển dự báo theo dòng điện ............................................ 27
Hình 2.21 Chuyển đổi ia, ib, ic, sang tọa độ αβ ......................................................... 27
Hình 3.1 Mô hình mô phỏng bộ chỉnh l u cầu H .................................................... 29
Hình 3.2 Thiết lập thông số mô phỏng nguồn AC ................................................... 30
Hình 3.3 Thiết lập thông số cuộn kháng ................................................................. 30
Hình 3.4 Sơ đồ mạch công su t ................................................................................ 31
Hình 3.5 Thiết lập thông số mô phỏng cho Diode ................................................... 31
Hình 3.6 Thiết lập thông số mô phỏng cho IGBT .................................................... 32
Hình 3.7 Thiết lập thông số mô phỏng cho tụ điện ................................................... 32
Hình 3.8 Khối điều khiển mạch công su t ................................................................ 33
Hình 3.9 Thiết lập thông số mô phỏng sóng mang .................................................. 34
xi


Hình 3.10 Sơ đồ khối tổng quát bộ nghịch l u áp .................................................... 35
Hình 3.11 Sơ đồ công su t mạch nghịch l u ............................................................ 36
Hình 3.12 Thiết lập thông số mô phỏng IGBT ....................................................... 36
Hình 3.13 Thiết lập thông số mô phỏng dòng điện tham chiếu ............................... 37
Hình 3.14 Sơ đồ biến đổi dòng điện tham chiếu ....................................................... 37
Hình 3.15 Sơ đồ khối bộ chuyển đổi công su t AC/AC 3 pha ................................. 39
Hình 3.16 Dạng sóng hài trong hệ thống điện .......................................................... 46
Hình 3.17 Powergui cho phép quan sát các thành phần sóng hài dạng biểu đồ ...... 49
Hình 3.18 Powergui cho phép quan sát các thành phần sóng hài dạng dữ liệu ........ 49
Hình 3.19 Powergui cho phép quan sát các thành phần sóng hài dạng dữ liệu ........ 50
Hình 4.1 Sơ đồ khối tổng quan bộ chuyển đổi công su t AC/AC 3 pha .................. 51
Hình 4.2 Sơ đồ triển khai mạch công su t ............................................................... 52
Hình 4.3 Sơ đồ thi công mạch công su t ................................................................. 52
Hình 4.4 Thi công sơ đồ kết nối các IGBT .............................................................. 53
Hình 4.5 Sơ đồ chân IGBT ....................................................................................... 53

Hình 4.6 Sơ đồ chân Diode ..................................................................................... 54
Hình 4.7 Sơ đồ tổng quan khối tạo xung .................................................................. 54
Hình 4.8 Sơ đồ nguyên lý mạch nguồn ..................................................................... 55
Hình 4.9 Thi công mạch nguồn ................................................................................ 56
Hình 4.10 Sơ đồ nguyên lý mạch lái IGBT ............................................................. 56
Hình 4.11 Thi công mạch lái IGBT ......................................................................... 57
Hình 4.12 Sơ đồ tổng quan mạch c m biến áp ........................................................ 58
Hình 4.13 Sơ đồ nguyên lý mạch c m biến áp ........................................................ 58
Hình 4.14 Thi công mạch c m biến áp ..................................................................... 59
Hình 4.15 Sơ đồ tổng quan mạch c m biến dòng .................................................... 60
Hình 4.16 Sơ đồ mạch đệm b o vệ DSP .................................................................. 61
Hình 4.17 Sơ đồ triển khai mạch công su t .............................................................. 62
Hình 4.18 Sơ đồ thi công mạch công su t ................................................................ 62
Hình 4.19 Thi công sơ đồ kết nối IGBT .................................................................. 63
Hình 4.20 Sơ đồ chân IGBT...................................................................................... 63
Hình 4.21 Sơ đồ tổng quan mạch c m biến dòng .................................................... 64
Hình 4.22 Sơ đồ tổng quan khối tạo xung ............................................................... 65
xii


Hình 4.23 Sơ đồ nguyên lý mạch nguồn .................................................................. 66
Hình 4.24 Thi công mạch nguồn .............................................................................. 66
Hình 4.25 Sơ đồ nguyên lý mạch lái các IGBT ....................................................... 67
Hình 4.26 Thi công mạch lái các IGBT .................................................................... 67
Hình 5.1 Mô hình nhúng bộ chuyển đổi công su t AC/AC 3 pha ............................ 68
Hình 5.2 Mô hình lập trình nhúng của bộ điều khiển cầu H ................................... 68
Hình 5.3 Khối giao tiếp Matlab – DSP TMS320F28335 và cửa sổ thông số .......... 69
Hình 5.4 Sơ đồ bên trong của khối ADC ................................................................. 70
Hình 5.5 Cửa sổ ADC của DSP TMS320F28335 .................................................... 71
Hình 5.6 Cửa sổ cài đặt thông số cho ePWM 1 ........................................................ 73

Hình 5.7 Cửa sổ cài đặt thông số cho ePWM A ...................................................... 74
Hình 5.8 Cửa sổ cài đặt thông số cho ePWM B ...................................................... 74
Hình 5.9 Mô hình nhúng cho bộ nghịch l u áp ....................................................... 75
Hình 5.10 Sơ đồ bên trong của khối ADC ............................................................... 76
Hình 5.11 Cửa sổ ADC của DSP TMS320F28335 .................................................. 76
Hình 5.12 Cửa sổ xu t xung GPIO .......................................................................... 78
Hình 6.1 Tổng quát mô hình thực nghiệm ............................................................... 88
Hình 6.2 Tổng quan về t i R – L 3 pha ................................................................... 88

xiii


DANH SÁCH CÁC B NG
B NG

Trang

B ng 3.1: Số liệu mô phỏng bộ chuyển đổi công su t AC/AC 3 pha ...................... 39
B ng 3.2: Số liệu mô phỏng bộ chuyển đổi công su t AC/AC 3 pha ...................... 41
B ng 3.3: Số liệu mô phỏng bộ chuyển đổi công su t AC/AC 3 pha ...................... 43
B ng 3.4: Kết qu mô phỏng bộ chuyển đổi công su t AC/AC 3 pha ..................... 44
B ng 3.5: Đồ thị THD và hệ số công su t ngõ vào và ra .......................................... 45
B ng 3.6: Tiêu chuẩn IEEE 519 về hài điện áp ....................................................... 46
B ng 3.7: Tiêu chuẩn IEEE 519 về hài dòng điện .................................................... 47
B ng 3.8: ψiên độ dạng sóng hài điện áp ................................................................. 48
B ng 6.1: Số liệu thực nghiệm bộ chuyển đổi công su t AC/AC 3 pha .................. 79
B ng 6.2: Số liệu thực nghiệm bộ chuyển đổi công su t AC/AC 3 pha ................... 81
B ng 6.3: Số liệu thực nghiệm bộ chuyển đổi công su t AC/AC 3 pha ................ 82
B ng 6.4: Số liệu thực nghiệm bộ chuyển đổi công su t AC/AC 3 pha ................. 84
B ng 6.5: Kết qu thực nghiệm bộ chuyển đổi công su t AC/AC 3 pha ................ 86

B ng 6.6: Đồ thị tính THD và hệ số công su t ngõ vào và ra ............................... 87

xiv


Ch
1.1

ngă1: T NGăQUAN

T ngăquanăchungăv ălĩnhăv cănghiênăc u,ăcácăk tăqu ănghiênăc uătrongă

và ngoƠiăn

c

1.1.1 Đặtăv năđ
Những thập niên 80 của thế kỷ XX, kỹ thuật điện tử chỉ đ ợc ứng dụng trong
những mạch điều khiển, đo l

ng, khống chế, b o 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 t i một pha và ba pha, làm các bộ nguồn công su t 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 m rộng, kh năng về công su t, điện áp, dòng điện và độ tin cậy ngày
càng đ ợc c i tiến.
Ngày nay, tốc độ phát triển công nghiệp r t nhanh, kèm theo là các yêu cầu

cao trong khâu truyền động ổn định điện áp và có điều chỉnh điện áp, không thể
thiếu đ ợc trong các dây chuyền công nghiệp. Việc điều khiển chính xác để tạo nên
các chuyển động phức tạp là nhiệm vụ của hệ thống truyền động. Phát triển công
nghệ bán dẫn đư chế tạo các bộ điều khiển điện tử công su t đáp ứng yêu cầu truyền
động ngày càng phức tạp trên. Một trong những thiết bị góp phần quan trọng trong
lĩnh vực điều khiển truyền động điện là bộ biến đổi công su t AC/AC 3 pha.
Bộ chỉnh l u Dω đ ợc sử dụng rộng rãi trong một số ứng dụng nh : chỉnh l u
mạ điện 12V-24V/300A, nguồn switching 15V/1000A, nguồn biến tần, máy nạp ắc
quy 12V-24V/1000A, máy nạp phóng ắc quy, máy phục hồi ắc quy, máy hàn một
chiều, máy gi t i… Hiện nay chúng đ ợc ứng dụng trên khắp thế giới.

1


Việc nghiên cứu điều khiển chỉnh l u đư có từ lâu. Đối t ợng chính trong các
nghiên cứu này là nghiên cứu chỉnh l u theo ph ơng pháp điều chế độ rộng sóng
mang (CPWM).Trong những năm gần đây, việc nghiên cứu các ph ơng pháp điều
khiển chỉnh l u PWM đư và đang đ ợc thực hiện ngày một nhiều hơn, thành qu
nh t là nghiên cứu theo ph ơng pháp vector không gian (SVPWM).
Các công trình nghiên cứu về chỉnh l u PWM xu t phát từ các phòng thí
nghiệm của các n ớc Mỹ, Úc, Hàn Quốc, Trung Quốc… cũng chỉ theo hai h ớng
trên.
Ngày nay với sự phát triển nhanh chóng của khoa học kỹ thuật và công nghệ
trên thế giới, Việt Nam đang từng ngày hội nhập và tiếp nhận những thành tựu mới
nh t của khoa học và công nghệ. Đặc biệt trong ngành công nghiệp điện tử, các
thiết bị điện tử công su t đ ợc s n xu t ngày càng nhiều, đ ợc ứng dụng trong
công nghiệp và đ i sống hằng ngày phát triển hết sức mạnh mẽ.
Hiện nay, việc bộ biến đổi công su t AC/AC 3 pha th

ng sử dụng bằng

diode, S C R , Transistor… với nhiều nh ợc điểm: dòng đầu vào chứa nhiều sóng
hài bậc cao, quá trình chuyển mạch diễn ra chậm. Để khắc phục những nh ợc điểm
trên, nghiên cứu các ph ơng pháp mới, một trong những ph ơng án đó là ph ơng
pháp chỉnh l u PWM và nghịch l u sử dụng kỹ thuật điều khiển dự báo dòng điện.
1.1.2. M tăs ăk tăqu ănghiênăc uătrongăvƠăngoƠiăn

căđƣăcôngăb :

Trong những năm gần đây, chỉnh l u đa bậc dạng đư đ ợc nghiên cứu và sử
dụng rộng r i trong n ớc nh :
Luận văn thạc sĩ của Trần Quang Linh – Đại Học S Phạm Kỹ Thuật về
“ Điều Khiển Bộ Chỉnh L u Điều Rộng Xung Bằng Ph ơng Pháp Điều Khiển
Công Su t Trực Tiếp”
Luận văn thạc sĩ của Bùi Thanh Hiếu – Đại Học S Phạm Kỹ Thuật về
“ Nghiên Cứu Bộ Nguồn Ba Pha Cầu H Gồm Hai Mạch NPC Ba Bậc”
Bài báo hội nghị toàn quốc VCCA 2013 của – Phan T n Ph ớc “Thực
Nghiệm Điều Khiển Bộ Biến Đổi AC/DC 1 Pha Dạng CASCADE 5 Bậc”

2


Đối với n ớc ngoài:
Bộ chỉnh lưu hồi phục dùng PWM: (PWM Regenerative Rectifiers: State of
the Art):
Các bộ điều chỉnh hiện đại bắt buộc các giới hạn chính xác hơn về các hài
dòng điện gây ra b i các bộ chuyển đổi nguồn mà đ ợc thực hiện với các bộ chỉnh
l u điều chế độ rộng xung (PWM). Ngoài ra một số các ứng dụng đòi hỏi kh năng
phục hồi công su t tới nguồn c p. Bộ chỉnh l u này trình bày các trạng thái kỹ thuật
trong phạm vi các bộ chỉnh l u hồi phục có gi m hài ngõ vào và làm gia tăng hệ số

công su t. Các bộ chỉnh l u có kh năng c p năng l ợng ng ợc lại từ phía DC về
nguồn công su t AC.
Tôpô các nguồn công su t một pha đ ợc xem nh các chiến l ợc điều khiển
t ơng ứng của chúng. Quan tâm đặc biệt đ ợc đ a ra cho ứng dụng của các bộ
chỉnh l u PWM nguồn dòng hoặc nguồn áp trong các quá trình khác nhau với tầm
công su t từ vài KW đến vài MW. các bộ chỉnh l u hồi phục PWM là một công
nghệ vô cùng phát triển và hoàn thiện đ ợc sự ch p nhận rộng rãi trong công
nghiệp.
Phương pháp điều khiển bộ chuyển đổi AC/DC điều chế độ rộng xung PWM
dùng khâu phản hồi dòng điện. (A Control Method for PWM AC/DC Converter by
Use of Inductor Current Feed Forward and Feedback)
Một bộ chuyển đổi AC-DC đ ợc xây dựng với việc thực hiện của một chiến
l ợc điều khiển đ ợc đề xu t cho hệ thống các máy phát phân phối đ ợc kết nối hệ
thống điện để giữ cho điện áp DC không đổi và hệ số công su t của l ới điện có thể
điều chỉnh.
ψài báo đề xu t một chiến l ợc điều khiển cho bộ chuyển đổi nguồn điện áp
(VSC) bằng ph ơng pháp điều chế độ rộng xung 3 pha (PWM), điều quan trọng của
bài báo là sử dụng dòng điện trong bộ lọc nh là tín hiệu ph n hồi để điều chỉnh
dòng điện ngõ ra.
Đối với bộ chuyển đổi nguồn áp đ ợc sử dụng trong các hệ thống máy phát
phân phối kết nối với l ới điện, điện áp l ới điện là không thể kiểm soát đ ợc, và

3


cách duy nh t để đ m b o ch t l ợng điện năng là điều khiển dòng điện. Mục đích
chính của bộ điều khiển để điều chỉnh độ lớn và góc pha của dòng điện này bằng
cách điều chế độ rộng xung (PWM), để công su t tác dụng và ph n kháng trên l ới
điện có thể đ ợc kiểm soát. Dòng điện điều khiển đ ợc chọn cho việc này b i kh
năng loại bỏ sự biến dạng điện áp l ới điện hiện có.

Tối ưu hóa bộ chỉnh lưu PWM sử dụng thuật toán Genenic(Optimization of
Single-phase PWM Rectifier Performance by Using the Genetic Algorithm):
Bộ chỉnh l u này có đ ợc sự tối u các thông số của chỉnh l u bộ chỉnh l u
một pha PWM. Một vòng lặp điều khiển đư đ ợc thiết kế để đạt đ ợc một điện áp
đầu ra DC phù hợp với độ gợn sóng tối thiểu, dòng điện ngõ vào với sóng hài tối
thiểu và hệ số công su t ngõ vào tối đa. Trong bộ chỉnh l u này các thông số đư
đ ợc tối u hóa bằng cách sử dụng thuật toán Genetic. Để xác minh hiệu qu của
các sự tối u hóa đư đề xu t, các mô phỏng khác nhau đư đ ợc thực hiện. Bằng cách
sử dụng MATLAB simulink các kết qu mô phỏng chứng minh rằng hệ thống đ ợc
đề xu t hoạt động tốt.
Cải thiện hiệu suất của bộ chuyển đổi AC - DC PWM với sự hổ trợ của điều
khiển trể (PWM AC – to - DC Converter Performances Improvement with the Help
of Hysteresis Control):
Bộ chuyển đổi này gi i quyết một số nghiên cứu về việc c i thiện hiệu su t
của một bộ chuyển đổi AC - DC PWM, dựa trên một dòng điện điều khiển bộ
nghịch l u điện áp, cung c p cho một một bộ điều khiễn mức điện áp DC
và một bộ điều khiển hệ số công su t

ngõ ra

ngõ vào. So với nguồn các nguồn công su t

chế độ chuyển mạch, dạng này của bộ chuyển đổi hoạt động trong 2 vùng góc
phần t và đ ợc giới thiệu các hệ thống điều khiển công su t th p để nuôi d ỡng bộ
nghịch l u. Đối t ợng nghiên cứu

đây đ ợc tập trung vào bộ điều khiển hai mức,

nh kết qu tính toán tổn th t và sóng hài tần số cao của dòng điện đầu vào gi m đi,
với các u điểm đặc biệt về kh năng điều phối đ

đổi và thiết kế bộ lọc t ơng thích.

4

ng truyền của một bộ chuyển


1.2 Tính c p thiết của đề tài, ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài.
Nghiên cứu, xây dựng ch ơng trình mô phỏng cho bộ chuyển đổi công su t
AC/AC 3 pha dùng phần mềm mô phỏng matlab.
Lập trình điều khiển cho bộ chuyển đổi công su t AC/AC 3 pha dựa vào
Card DSP TMS320F28335.
1.3 Nhi m v và gi i h năđ tài
Đề tài “Nghiênăc uăb ăchuy n đ iăcôngăsu tăAC/AC 3 pha” đ a ra kết
qu mô phỏng. Từ đó thi công mô hình bộ chuyển đổi công su t AC/AC 3 pha,
đồng th i làm cơ s áp dụng vào thực tiễn.
Nhiệm vụ và giới hạn đề tài nghiên cứu
-

Tìm hiểu bộ nguồn AC/DC 1 pha sử dụng ph ơng pháp PWM.

-

Xây dựng mô hình toán học cho bộ nguồn AC/DC 1 pha.

-

Điều khiển bộ nguồn AC/DC 1 pha theo kỹ thuật điều chế sóng mang.

-

Điều khiển bộ nghịch l u hai bậc bằng kỹ thuật điều khiển theo d báo dòng điện
( Predictive current control )

-

Tìm hiểu phần mềm matlab dùng để mô phỏng bộ chuyển đổi công su t AC/AC 3
pha.

-

Tìm hiểu c u trúc phần cứng, tập lệnh của DSP TMS320F28335 để lập trình nhúng.

-

Thi công bộ chuyển đổi công su t Aω/Aω 3 pha trên cơ s card DSP
TM 320F28335.
1.4 Ph

ngăphápănghiênăc u

Để đáp ứng đ ợc các mục tiêu đư đề ra, tiến hành nghiên cứu và gi i quyết
các v n đề nh sau:
-

Thu thập và nghiên cứu các tài liệu liên quan về các bộ chuyển đổi công su t
AC/AC 3 pha có điều khiển, các gi i thuật chỉnh l u đ ợc công bố.

-

Nghiên cứu và phân tích các ph ơng trình toán học của bộ chuyển đổi công su t
AC/AC 3 pha.

5


-

Nghiên cứu và phân tích gi i thuật đư chọn.

-

Chọn ph ơng án tốt nh t và có kh năng thực hiện đề tài.

-

Viết ch ơng trình mô phỏng bằng công cụ phần mềm Matlab.

-

Dựa vào gi i thuật đ ợc chọn để điều khiển bộ chuyển đổi công su t AC/AC 3 pha.

-

Lập trình điều khiển bộ chỉnh l u trên dựa vào Card DSP TMS320F28335.

-

Nhận xét kết qu - Kết luận.

6


Ch

ngă2: C ăS

LÝ THUY T

2.1 T ng quan b ch nhăl uăm t 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 c p cho t i một chiều. Bộ chuyển đổi Aω/Dω đ ợc sử dụng rộng rãi trong nhiều
ứng dụng đa dạng nh : làm nguồn cung c p 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 su t …
Các bộ chỉnh l u chuyển mạch tự nhiên (không điều khiển) đơn gi n nh t 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 r t đơn
gi n nh ng khuyết điểm chính của các bộ chuyển đổi chuyển mạch tự nhiên này là hệ
số công su t th p, phát ra các sóng hài và công su t ph n kháng. Các sóng hài có nh
h

ng không tốt lên hoạt động của hệ thống điện vì vậy cần ph i quan tâm đến việc

phát điện và điều khiển chúng.
Một ph ơng pháp cơ b n và phổ biến để làm gi m các sóng hài

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 gi m 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 su t (PFC) để làm gi m sóng hài.

các bộ biến đổi này, điều khiển các

chuyển mạch công su t giống nh các IGψT, GTO hoặc IGωT đ ợc chứa trong mạch
công su t của mạch chỉnh l u để thay đổi tích cực dạng sóng của dòng điện ngõ vào,
làm gi m độ méo dạng của sóng dòng điện nguồn, làm gi m các sóng hài do đó c i
thiện đ ợc hệ số công su t.
Tuy nhiên có một số ứng dụng mà

đó luồng năng l ợng có thể bị đ o ng ợc

trong quá trình hoạt động. Trong các ứng dụng này, bộ chuyển đổi năng l ợng theo

7


một h ớng ph i có kh năng nhận năng l ợng hồi về nguồn c p và đ ợc biết nh sự
khôi phục nguồn.
Để điều khiển các chuyển mạch công su t và làm gi m độ méo dạng sóng
dòng điện ngõ vào, c i thiện hệ số công su t 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 su t, hệ số công su t có thể đạt đến bằng một.
- Gi m sóng hài bậc cao đi vào l ới điện để c i thiện ch t l ợng điện năng.

- Dạng sóng dòng điện nguồn có dạng sin.
2.1.2 B ăCh nhăl uăc uăHă(PFC)
ωhúng ta có thể th y từ hình 2.1. Đây là c u trúc dự kiến gồm 2 bộ chuyển
đổi đơn pha tăng áp mà không có dòng đầu vào tần số của bộ chỉnh l u diode.

Hình 2.1 Bridgeless PFC converter topology
Dòng điện đầu vào và điện áp ngõ ra thì đ ợc điều chế bằng các công tắc T0
trong nửa chu kì d ơng và T1 trong nửa chu kì âm của điện áp ngõ vào t ơng ứng,
do đó nó đ ợc gọi là các cầu PFω topo
2.1.3 Nguyên lý ho tăđ ng
- Trong n a chu kỳ d

ngă

8


Hình 2.2 PFC converter in positive half state of input voltage
Tr ngătháiă1: ωác công tắc giữ nguyên trạng thái, dòng điện chạy qua công
tắc T0 và qua thân của diode T1. Đồng th i, các tụ x điện và c p nguồn cho t i.
Tr ngătháiă2: ωác công tắc

trạng thái đóng, dòng điện chạy qua D1, tụ

điện cùng với t i, và tr lại với dòng xoay chiều đến với thân của diode D2.
-

Trong nữa chu kỳ âm

Hình 2.3 PFC converter in negative half state of input voltage

Trạng thái 1: Các công tắc giữ nguyên trạng thái. Dòng điện chạy qua T1 và
thân diode T0. Đồng th i tụ x điện, c p nguồn cho t i.
Trạng thái 2: Các công tắc trong mạch tắt. Dòng điện chạy qua diode D2, t i
và tr về với nguồn xoay chiều sau khi chạy qua thân diode T0.
2.1.4 Thi tăk ătínhătoánăb ăch nhăl uăc uăHă(ăPFCă)
- Điện áp xoay chiều vào: 220VAω – 240VAC
- Hệ số công su t: 1
- Điện áp một chiều ra: 400VDω
- ωông su t: 1KW
- Tần số sóng mang: 10khz

9


Hình 2.4 Bridgeless PFC converter topology
Công su t đầu vào và đầu ra
Pout = Pin =1kW= 1pu
Vout = 400 V
Vin = (180-240) V = 1pu
fs : tần số sóng mang : 10kHz
Ibase =

Pbase 1,0kW
=
= 5(A)
Vbase 200V

Zbase =

Vbase 200V

=
= 40(Ω)
Ibase
5

Chọn điện tr t i 120ohm
Vbase =

400V
= 2(pu)
200V

Dòng điện ra :
Iout =

Pbase 1,0kW
=
=2,5(A)
Vout
400

Điện áp sóng hài :
Vripple = 0,05 x Vout = 0,1
Vripple = 0,1 x 200= 20 (V)

10


Tính cho tụ:
I2

2.(2ref ).V

C =

Với I2=

(1)

Vbase.Ibas e
200.5
=
= 2.5 (A)
Vout
400

(2)

Thay (2) vào (1) ta đ ợc:
C =

2.5
I2
=
= 199,0.10-6F= 199,1µF
2.2re(50 Hz).20V
2.(2ref ).V

Chọn tụ điện C có điện dung 330MF – 400V
Với fs = 10kHz
Tính L:

I10kHz = 0,1. 1pu = 0,1 pu
XL =  L =

V
=
I

Mà XLn = n  L=

XL =

Vn
=
In.n

L=

XL



200
5.200

=

Vn
=nVL
In

=0.2(Ω )

0,2
XL
= 636 µF
2ref 2. 3,14.50

Vậy chọn điện c m của cuộn dây là 0,35mH
2.1.5 C uătrúcăđi u khi n.

11


ωó hai ph ơng pháp chính để lọc sóng điều hòa bậc cao tùy thuộc vào cách
đo dòng điện. Hai cách này có c u trúc điều khiển khác nhau sẽ có một số đặc điểm
khác nhau.
2.1.5.1ăPh

ngăphápăvòngăh .

Ph ơng pháp này dựa trên việc đo thành phần dòng điện phía t i từ đó tách
ra thành phần sóng điều hòa chứa trong dòng t i. C u trúc điều khiển vòng h cho
chỉnh l u PWM thực hiện chức năng mạch lọc tích cực:

Hình 2.5 C u trúc điều khiển vòng h chỉnh l u PWM với chức
năng mạch lọc tích cực
Theo ph ơng pháp này thì không có thông tin ph n hồi về dòng điện trên
l ới. T t c sai lệch trong hệ thống c trong quá trình đo và điều khiển sẽ gây ra các
sóng điều hòa trên dòng điện l ới, các thành phần này là không xác định. C u trúc
điều khiển này có u điểm là ổn định nh ng yêu cầu số c m biến đo dòng nhiều.

2.2.5.2 Ph

ngăphápăvòngăkín.

Phuơng pháp này dựa trên việc đo dòng điện trên l ới từ đó xác định đ ợc
dòng điện bù cần thiết.
Theo ph ơng pháp điều khiển vòng kín sẽ có thêm một mạch vòng điều
chỉnh dòng điện l ới bên ngoài mạch vòng điều chỉnh dòng t i. Ph ơng pháp này
có u điểm là thuật toán điều khiển đơn gi n hơn so với c u trúc vòng h và yêu
cầu số c m biến đo dòng ít hơn (2 c m biến).
C u trúc điều khiển vòng kín cho chỉnh l u PWM thực hiện chức năng mạch
lọc tích cực.

12


Hình 2.6 C u trúc điều khiển vòng kín chỉnh l u PWM với chức năng
mạch lọc tích cực
2.1.5.3 PWM (Pulse Width Modulation)
Phạm vi ứng dụng của các chuyển đổi công su t vẫn m rộng nh có sự c i
tiến công nghệ ch t bán dẫn, công nghệ ch t bán dẫn này đ a ra hiệu su t điện áp và
dòng điện cao hơn cũng nh các đặc tính chuyển mạch tốt hơn.
Mặt khác, những u điểm chính của các bộ chuyển đổi điện tử công su t
dạng mođun nh : hiệu qu cao, trọng l ợng nhẹ, kích th ớc nhỏ gọn, hoạt động
nhanh, mật độ công su t cao đang dần đạt đ ợc, thông qua việc sử dụng các chế độ
hoạt động chuyển mạch. Các thiết bị bán dẫn công su t đ ợc điều khiển

chế độ

đóng/ngắt (ON/OFF). Điều này dẫn đến các kiểu điều chế độ rộng xung khác nhau

và các kiểu điều chế độ rộng xung là một kỹ thuật xử lý năng l ợng cơ b n đ ợc
ứng dụng trong hệ thống chuyển đổi công su t. Trong các bộ chuyển đổi hiện đại,
PWM là một định vị xử lý tốc độ cao, phụ thuộc vào công su t định mức, từ một vài
kilohertz (điều khiển động cơ) đến hàng megahertz (các bộ chuyển đổi cộng h

ng

cho nguồn công su t).
PWM là ph ơng pháp điều chỉnh điện áp ra t i hay nói cách khác là ph ơng
pháp điều chế dựa trên sự thay đổi độ rộng của chuỗi xung vuông dẫn đến sự thay
đổi điện áp ra.
Các khóa IGBT công su t trong các bộ chỉnh l u đ ợc tác động đóng/ngắt
(ON/OFF) thì cần có những xung kích c p cho chân kích của mỗi khóa IGBT, với
mỗi khóa IGBT khác nhau thì bộ xung kích khác nhau, độ rộng của mỗi xung trong

13


chuỗi xung kích thay đổi theo một qui luật và phụ thuộc vào kỹ thuật điều chế đ ợc
chọn.
V
15V

20%
duty
cycle
t

0

15V

50%
duty
cycle
t

0

15V

90%
duty
cycle
t

0

Hình 2.7 Đồ thị điều chế xung kích
(Với độ rộng xung đầu ra t ơng ứng và đ ợc tính bằng %).
2.1.5.4 K thu tă đi u ch theoă dòngă đi n yêu c u hay còn g i là dòng
đi năđặt (Hysteresis current control)
Nguyên lý điều khiển: Theo hình 2.8 ta đư xác định đ ợc dòng điện yêu cầu
i *a , dòng điện yêu cầu i *a đ ợc so sánh với tín hiệu dòng điện hồi tiếp i a , khi dòng

điện hồi tiếp i a nhỏ hơn dòng điện yêu cầu i *a thì bộ điều khiển xu t xung kích để
các IGBT công su t đóng vào nguồn d ơng nhằm làm tăng dòng điện hồi tiếp i a ,
khi dòng điện hồi tiếp i a v ợt quá giá trị yêu cầu thì bộ điều khiển xu t xung kích
để các IGBT công su t đóng vào nguồn âm làm gi m dòng điện hồi tiếp i a xuống.
Nh vậy ngõ ra sẽ đ ợc giữ dao động quanh giá trị yêu cầu i *a với sai số định

tr ớc.

14


Hình 2.8 Sơ đồ khối của kỹ thuật điều chế theo dòng điện yêu cầu

Giới hạn trên

Giới hạn d ới

Hình 2.9 Nguyên lý xu t xung kích của kỹ thuật điều chế theo dòng điện yêu cầu
u điểm của mạch điều chỉnh dòng điện dùng mạch trễ là đáp ứng quá độ
nhanh, thực hiện dễ dàng và chi phí th p.
Nh ng có một số nh ợc điểm là:
-

Độ nh p nhô dòng điện

trạng thái xác lập lớn

-

Tần số chuyển mạch không cố định

-

Điện áp ra có chứa các hài với tần số không ph i là bội của tần số cơ b n
2.1.5.5 K thu tăđi u ch Delta-Sigma
Nguyên lý điều khiển: Kỹ thuật điều khiển này trong khá giống với kỹ thuật

điều chế theo dòng điện yêu cầu nh ng quy luật hoạt động của nó thì khác. Tín hiệu
sai số đ ợc cho ra b i các bộ so sánh, các ngõ ra của bộ so sánh có đ ợc các mẫu
tỷ lệ cố định để trạng thái của bộ chỉnh l u giữ ổn định trong mỗi kho ng th i gian
l y mẫu. Vì vậy, trong suốt kho ng th i gian không có có xung l y mẫu thì không

15


có PWM nào đ ợc thực hiện, chỉ có các Vector cơ b n có thể đ ợc tạo ra b i bộ
chuyển đổi trong một th i gian cố định.
t Xungănh pă(xungăl yăm u)
B ă
đi uăch

Hình 2.10 Sơ đồ khối của kỹ thuật điều chế Delta-sigma
ia

i*a

n-1

Xung nhịp

n

n+1

Xung kích
i*a - ia

Hình 2.11 Nguyên lý xu t xung kích của kỹ thuật điều chế Delta-sigma
Từ hình 2.11 ta th y:
Tại xung nhịp (n-1), ia > i*a nên ngõ ra của bộ điều chế

mức th p.

Tại xung nhịp n, ia = i*a nên ngõ ra của bộ điều chế vẫn giữ mức th p trong
suốt chu kỳ xung nhịp.
Tại xung nhịp (n-1), ia < i*a nên ngõ ra của bộ điều chế chuyển trạng thái
sang mức cao trong suốt chu kỳ l y mẫu xung nhịp.
Hoạt động theo kỹ thuật điều chế này đem lại một sự r i rạc điện áp

ngõ ra

của bộ chỉnh l u, khác với sự thay đổi liên tục của điện áp ngõ ra vốn là nét đặc
tr ng cụ thể của PWM.

16