Nghiên cứu giải thuật điều khiển theo mô hình dự báo cho bộ nghịch lưu áp

1

BỘ GIÁO DỤC ĐÀO TẠO

BỘ GIAO THÔNG VẬN TẢI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI TPHCM

NGUYỄN THỊ THU HƯƠNG

NGHIÊN CỨU GIẢI THUẬT ĐIỀU KHIỂN THEO
MÔ HÌNH DỰ BÁO CHO BỘ NGHỊCH LƯU ÁP

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH 12- 2015


2

BỘ GIÁO DỤC ĐÀO TẠO

BỘ GIAO THÔNG VẬN TẢI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI TPHCM

NGUYỄN THỊ THU HƯƠNG

NGHIÊN CỨU GIẢI THUẬT ĐIỀU KHIỂN THEO
MÔ HÌNH DỰ BÁO CHO BỘ NGHỊCH LƯU ÁP

CHUYÊN NGÀNH: Kỹ Thuật Điều Khiển và Tự Động Hóa
MÃ SỐ: 60520216

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
1. TS. Nguyễn Đình Tuyên
2. TS. Trần Thanh Vũ

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH 12 - 2015


3

Luận văn được hoàn thành tại:
Trường Đại học Giao Thông Vận Tải TP.HCM

Cán bộ hướng dẫn khoa học: T.S Nguyễn Đình Tuyên
T.S Trần Thanh Vũ

Phản biện 1: PGS.TS Dương Hoài Nghĩa

Phản biện 2: T.S Đặng Xuân Kiên

Phản biện 3:

Luận văn sẽ được bảo vệ tại Hội đồng trường Đại Học Giao Thông Vận
Tải TP. Hồ Chí Minh.
Vào lúc…7hgiờ 30………ngày…07……tháng…01…năm 2016

Có thể tìm hiểu luận văn tại:



Thư viện Trường Đại học Giao Thông Vận Tải TP.HCM


4

LỜI CAM ĐOAN

Tác giả đã thực hiện đề tài một cách độc lập, không vay mượn, sao chép.
Mô hình thi công và chương trình ứng dụng đã được tác giả thiết kế theo yêu
cầu cụ thể của đề tài. Các cơ sở dữ liệu, kết quả được trình bày trong luận văn
tốt nghiệp chính xác, không điều chỉnh so với thực nghiệm.
TP. HCM, tháng 12/2015
Tác giả luận văn

Nguyễn Thị Thu Hương


5

LỜI CẢM ƠN
Đầu tiên, Tôi xin gửi lời cám ơn chân thành đến Quý Thầy/Cô bộ môn
Điều Khiển Tự Động thuộc khoa Điện – Điện tử trường Đại Học Giao Thông
Vận Tải TP.HCM đã tận tình giảng dạy, hướng dẫn và truyền đạt kiến thức cho
Tôi trong những năm học qua.
Đặc biệt, với lòng quý trọng nhất xin gửi lời cám ơn chân thành và sâu sắc
đến TS Trần Thanh Vũ và TS Nguyễn Đình Tuyên đã trực tiếp hướng dẫn và
định hướng cho Tôi hoàn thành luận văn này.
Trân trọng cảm ơn Viện Đào tạo sau đại học, Đại học Giao Thông Vận Tải

TP.Hồ Chí Minh, đã tạo mọi điều kiện thuận lợi nhất cho tôi thực hiện luận văn.
Xin bày tỏ lòng biết ơn đến gia đình, chỗ dựa vững chắc cho Tôi trong
suốt quá trình học tập và làm việc.
Xin cám ơn các bạn đồng nghiệp, những người đã giúp Tôi rất nhiều
trong thời gian thực hiện luận văn.
Cuối cùng xin cảm ơn các bạn cùng lớp đã có những trao đổi, đóng góp ý
kiến về đề tài luận văn.
Tác giả luận văn

Nguyễn Thị Thu Hương


6

MỤC LỤC
Trang phụ bìa…………………………………………………………………..2
Lời cam đoan……………………………………………………………………4
Lời cảm ơn………………………………………………………………………5
Mục lục…………………………………………………………………………6
Danh mục các kí hiệu, các chữ viết tắt…………………………………………8
Danh mục hình vẽ, đồ thị………………………………………………………10

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN ................................................................. 13
1.1 Đặt vấn đề ........................................................................................ 13
1.2 Mục tiêu đề tài .................................................................................. 14
1.3 Bố cục và Nội dung luận văn ............................................................ 15
CHƯƠNG 2 ........................................................................................... 17
CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN CỔ ĐIỂN CHO NGHỊCH LƯU
ÁP .......................................................................................................... 17
2.1 Khái niệm nghịch lưu áp và ứng dụng .............................................. 17

2.2 Các phương pháp điều khiển cổ điển cho nghịch lưu áp ................... 18
2.2.1 Phương pháp điều khiển Hyteresis ................................................. 19
2.2.2 Kỹ thuật điều chế độ rộng xung Sin (SPWM Sin Pulse Width
Modulation) ............................................................................................ 21
2.2.3 Phương pháp điều chế vectơ không gian (SVPWM) ...................... 24
2.3 Kết quả mô phỏng Psim các phương pháp điều khiển cổ điển .......... 31
CHƯƠNG 3 ........................................................................................... 43
PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN DÒNG ĐIỆN THEO MÔ HÌNH DỰ
BÁO CHO NGHỊCH LƯU HAI BẬC.................................................... 43


7

3.1 Giới thiệu phương pháp điều khiển dự báo (MPC Model Predictive
Control) .................................................................................................. 43
3.2 Điều khiển dự báo dòng điện ............................................................ 45
3.3 Hàm chi phí ..................................................................................... 45
3.4 Mô hình bộ nghịch lưu .................................................................... 46
CHƯƠNG 4 KẾT QUẢ MÔ PHỎNG VÀ PHÂN TÍCH........................ 53
4.1

Thiết lập mô hình mô phỏng sử dụng Psim .................................. 53

4.2

Kết quả mô phỏng ........................................................................ 58

CHƯƠNG 5 MÔ HÌNH THỰC NGHIỆM VÀ KẾT QUẢ..................... 63
5.1 Khái quát về DSP TMS320f28069 ................................................... 63
5.2 Các chức năng của dsp liên quan đến đề tài. ..................................... 67

5.2.1 Analog-to-Digital Converter and Comparator ................................ 67
5.2.2 Chức năng ADC bao gồm: ............................................................. 67
5.2.3 EPWM ........................................................................................... 68
5.3 Giới thiệu chi tiết các khối trong mạch điều khiển ............................ 71
5.3.1 Mạch lái-động lực .......................................................................... 71
5.3.2 Nguồn Cách Ly.............................................................................. 74
5.3.3 Mạch cách ly ................................................................................... 75
5.3.4 Mạch Động Lực ............................................................................. 77
5.3.5 Mạch Cảm Biến Dòng. .................................................................. 78
5.4 Kết quả thực nghiệm......................................................................... 80
CHƯƠNG 6 ........................................................................................... 86
KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN .............................................. 86
6.1 Các kết quả đạt được ........................................................................ 86
6.2 Hạn chế của đề tài............................................................................. 86
6.3 Hướng phát triển của đề tài ............................................................... 86
TÀI LIỆU THAM KHẢO ...................................................................... 87


8

DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT
MPC

Model Predictive Control ( điều khiển dự báo)

PWM

Pulse Width Modulation (Điều chế độ rộng xung)

SPWM

Sinusoidal PWM (Điều chế độ rộng xung sin)

SVPWM

Space Vector PWM (Điều chế vector không gian)

ADC

Analog to Digital Converter ( chuyển đổi tương tự sang số)

THD

Total Harmonic Distortion (Độ méo dạng tổng do sóng hài)

IC

Integrated circuit ( Mạch tích hợp)


9

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
Chương 2
Hình 2. 1: Sơ đồ khối của một biến tần....................................................... 18
Hình 2. 2: Điều khiển dòng theo phương pháp Hyteresis cho nghịch lưu
áp một pha a. Sơ đồ điều khiển. b. Kết quả dòng điện tải và dòng tham
chiếu........................................................................................................... 20
Hình 2. 3: Điều khiển dòng theo phương pháp Hyteresis cho nghịch lưu
áp ba pha. ................................................................................................... 20

Hình 2. 4: Nguyên lý điềuchế SPWM cho nghịch lưu áp một pha .............. 22
Hình 2. 5: Nguyên lý điều chế SPWM cho nghịch lưu áp ba pha ............... 23
Hình 2. 6: Biểu diễn vectơ không gian ....................................................... 24
Hình 2. 7: Các vectơ không gian từ 1đến 6 ................................................. 26
Hình 2. 8: Trạng thái đóng ngắt của các van ............................................... 26
Hình 2. 9: Vectơ không gian Vr trong vùng bất kỳ ...................................... 28
Hình 2. 10: Giản đồ đóng cắt linh kiện ....................................................... 29
Hình 2. 11:Vectơ Vs trong các vùng từ1-6 .................................................. 31
Hình 2. 12: Mô hình mô phỏng nghịch lưu 2 bậc với tải RL sử dụng phần
mềm Psim .................................................................................................. 32
Hình 2. 13: Sơ đồ mô phỏng giải thuật Hyteresis cho nghịch lưu áp ba
pha. …………………………………………………………………......33
Hình 2. 14: Kết quả mô phỏng với giá trị =0.25A. (a) Dòng tải (b) Điện
áp pha (c) Điện áp dây................................................................................ 33
Hình 2. 15: Kết quả mô phỏng với giá trị =0.1A. (a) Dòng tải (b) Điện áp
pha (c) Điện áp dây .................................................................................... 34
Hình 2. 16: Sơ đồ mô phỏng giải thuật SPWM cho nghịch lưu áp ba pha. .. 35
Hình 2. 17: Kết quả mô phỏng với giá trị tần số sóng mang 1 kHz. (a)
Dòng tải (b) Điện áp pha (c) Điện áp dây ................................................... 36


10

Hình 2. 18: Kết quả mô phỏng với giá trị tần số sóng mang 5 kHz. (a)
Dòng tải (b) Điện áp pha (c) Điện áp dây ................................................... 37
Hình 2. 19: Mô hình mô phỏng phương pháp SVPWM sử dụng phần mềm
Psim ........................................................................................................... 39
Hình 2. 20 : Kết quả mô phỏng với giá trị tần số lấy mẫu 100s (a) Dòng
tải (b) Điện áp pha (c) Điện áp dây ............................................................. 40
Hình 2. 21: Kết quả mô phỏng với giá trị tần số lấy mẫu 500s (a) Dòng

tải (b) Điện áp pha (c) Điện áp dây ............................................................. 41
Chương 3
Hình 3.1: Chiến lược điều khiển dự báo ................................................. 45
Hình 3. 2: Mô hình tổng quát bộ điều khiển dự báo ................................ 46
Hình 3. 3 : Sơ đồ khối hệ thống điều khiển dự báo ................................. 46
Hình 3.4: Mô hình bộ nghịch lưu ........................................................... 47
Hình 3. 5: Sơ đồ tải tương đương ứng với mỗi trạng thái chuyển mạch. (a)
trạng thái chuyển mạch (0,0,0) ứng với vector V0; (b) trạng thái chuyển
mạch (1,0,0) ứng với vector V1; .(c) trạng thái chuyển mạch (1,1,0) ứng
với vector V2; .(d) trạng thái chuyển mạch (1,1,1) ứng với vector V7. ..... 48
Hình 3.6: Vector điện áp trên mặt phẳng phức ........................................ 50
Chương 4
Hình 4. 1: Mô hình khối công suất ............................................................. 53
Hình 4. 2: Mô hình khối điều khiển ............................................................ 53
Hình 4. 3: Chỉnh định thông số cho giá trị dòng điện tham chiếu ............... 54
Hình 4. 4: Lưu đồ giải thuật MPC .............................................................. 55
Hình 4. 5: Dòng điện chuyển sang hệ trục tọa độ alpha/beta....................... 58
Hình 4. 6: Trường hợp mô phỏng khi thời gian lấy mẫu là 25 µs ................ 58
Hình 4. 7: Dòng điện tải ............................................................................. 59
Hình 4. 8: Áp pha ....................................................................................... 59
Hình 4. 9: Áp dây ....................................................................................... 59
Hình 4. 10: Dòng tải và dòng tham khảo .................................................... 60
Hình 4. 11: Dòng tải ................................................................................... 60


11

Hình 4. 12: Áp pha ..................................................................................... 61
Hình 4. 13: Áp dây ..................................................................................... 61
Hình 4. 14: Dòng tải và dòng tham chiếu ................................................... 62

Chương 5
Hình 5.1: Sơ đồ kết nối thiết bị ngoại vi TMS320f28069 ....................... 64
Hình 5. 2: Sơ đồ chân chức năngTMS320f28069 ................................... 65
Hình 5. 3: Sơ đồ chân f28069PZT 100 pinout ........................................ 66
Hình 5. 4: các cách đếm khác nhau của bộ đếm PWM: đếm lên, đếm
xuống và đếm lên – đếm xuống. ............................................................. 68
Hình 5. 5: Các tạo độ lệch pha trong DSP TMS320F28069 .................... 69
Hình 5. 6: Time Base trong DSP TMS320F28069 .................................. 70
Hình 5. 7: Hình ảnh thực nghiệm của mạch lái trên cơ sở IR2136 ............ 71
Hình 5. 8: Hình ảnh của IR 2136 .............................................................. 72
Hình 5. 9: Thiết kế mạch lái ..................................................................... 72
Hình 5. 10: Các loại IC khác nhau của hãng IR được dùng làm mạch lái .... 73
Hình 5. 11: Hình ảnh nguồn cách ly tạo điện áp 15 V để cấp nguồn cho
mạch lái .................................................................................................. 74
Hình 5. 12: Hình vẽ thiết kế mạch nguồn 15 V các ly ............................. 75
Hình 5. 13: Sơ đồ mạch cách ly .............................................................. 76
Hình 5. 14: Sơ đồ chân của HCPL .......................................................... 76
Hình 5. 15: Hình ảnh vật lý của HCPL ................................................... 77
Hình 5. 16: Sơ đồ nguyên lý của mạch động lực gồm có 6 khóa IGBT .. 77
Hình 5. 17: Hình ảnh và các giá trị định mức của Mosfet được sử dụng
khi làm thực nghiệm. .............................................................................. 78
Hình 5. 18: Hình ảnh thật của mạch cảm biến đo dòng tải dựa trên secro
LA25 ...................................................................................................... 78
Hình 5. 19: Hình ảnh vật lý và kết nối chân của cảm biến dòng LA25 ... 79
Hình 5. 20: Bản thiết kế mạch đo lường dòng có offset .......................... 80
Hình 5. 21: Điện áp pha của tải .............................................................. 81


12

Hình 5. 22: Phân tích FFT điện áp pha của tải ........................................ 81
Hình 5. 23: Điện áp dây của tải .............................................................. 82
Hình 5. 24: Dòng điện pha của tải .......................................................... 82
Hình 5. 25: Phân tích FFT của dòng điện tải.......................................... 83
Hình 5. 26: Điện áp pha của tải .............................................................. 83
Hình 5. 27: Phân tích FFT điện áp pha của tải ........................................ 84
Hình 5. 28: Điện áp dây của tải .............................................................. 84
Hình 5. 29: Dòng điện pha của tải .......................................................... 85
Hình 5. 30: Phân tích FFT của dòng điện tải.......................................... 85


13

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN

1.1 Đặt vấn đề
Hiện nay, động cơ AC không động bộ ba pha được sử dụng phổ biến nhất
trong các ứng dụng điện công nghiệp và dân dụng do kết cấu đơn giản, hiệu suất
cao, giá thành thấp.Trong công nghiệp, động cơ không đồng bộ thường được
dùng làm nguồn động lực cho các máy cán thép loại vừa và nhỏ, cho các máy
công cụ ở các nhà máy công nghiệp nhẹ…Trong nông nghiệp, được dùng làm
máy bơm hay máy gia công nông sản phẩm…Trong đời sống hằng ngày, động
cơ không đồng bộ chiếm một vị trí quan trọng với nhiều ứng dụng như: quạt gió,
động cơ trong tủ lạnh, máy quay dĩa,… Tóm lại, cùng với sự phát triển của nền
sản xuất điện khí hóa và tự động hóa, phạm vi ứng dụng của động cơ không
đồng bộ ngày càng rộng rãi.
Với xu hướng phát triển công nghệ hiện nay và tương lai, kết cấu động cơ
không thay đổi nhiều mà người ta tập trung cải tiến các kỹ thuật điều khiển ứng
dụng điện tử công suất và vi xử lý để có thể điều khiển động cơ ba pha theo ý
muốn một cách chính xác và sử dụng hiệu quả năng lượng hơn. Một trong

những giải pháp để điều khiển tối ưu động cơ không đồng bộ 3 pha là sử dụng
bộ nghịch lưu áp. Các phương pháp truyền thống nhằm điều khiển bộ nghịch lưu
áp là: điều khiển hyterisis hay điều khiển tuyến tính dựa trên kỹ thuật điều chế
độ rộng xung (PWM).
Tuy nhiên, điều khiển dự báo (MPC-Model Predictive Control) đã ra đời
cách đây hơn ba thập niên nhưng trong những năm gần đây phát triển mạnh mẽ
và ứng dụng trong điều khiển công nghiệp với các thành công đáng kể. Điều
khiển dự báo theo mô hình là một trong những kỹ thuật điều khiển tiên tiến, là
một công cụ mạnh cho việc điều khiển các quá trình công nghiệp, đặc biệt là các
quá trình phi tuyến. Có được điều này là do khả năng triển khai các điều kiện
ràng buộc vào thuật toán điều khiển một cách dễ dàng mà ở các phương pháp
điều khiển kinh điển khác không có. Điều khiển dự báo được sử dụng phổ biến
nhất trong điều khiển quá trình vì công thức trong điều khiển dự báo MPC bao


14

gồm cả điều khiển tối ưu, điều khiển các quá trình ngẫu nhiên, điều khiển các
quá trình có trễ, điều khiển khi biết trước quỹ đạo đặt. Một ưu điểm khác của
MPC là có thể điều khiển các quá trình có tín hiệu điều khiển bị chặn, có các
điều kiện ràng buộc.
Do đó, nhằm mục đích góp phần tìm hiểu và nghiên cứu giải thuật để cải
thiện chất lượng dòng điện tải cho bộ nghịch lưu áp, đề tài“Nghiên cứu giải
thuật điều khiển theo mô hình dự báo cho bộ nghịch lưu áp” sẽ tập trung
nghiên cứu giải thuật điều khiển MPC để điều khiển dòng điện tải. Toàn bộ quá
trình phân tích được xem xét trên mô hình toán và triển khai mô phỏng trên phần
mềm Psim. Để minh chứng việc áp dụng giải thuật MPC vào trong điều khiển
dòng của bộ nghịch lưu áp ba pha, một mô hình phần cứng được xây dựng trong
phòng thí nghiệm, giải thuật được thực thi trên vi xử lý C2000 của Texas
Instruments.

1.2 Mục tiêu đề tài
Trong đề tài này, nội dung chính là nghiên cứu và thực thi giải thuật điều
khiển dòng điện cho nghịch lựu áp ba pha bằng phương pháp điều khiển theo
mô hình dự báo.
Mục tiêu cụ thể
- Tìm hiểu các phương pháp điều khiển độ rộng xung truyền thống
nghịch lưu ba pha.
 Phương pháp điều khiển hyterisis
 Sine PWM (SPWM)
 Space Vector PWM (SVPWM)
- Nghiên cứu phương pháp điều khiển theo mô hình dự báo
 Xây dựng mô hình toán học cho bộ nghịch lưu áp ba pha
 Xây dựng hàm mục tiêu
 Xây dựng các yếu tố ảnh hưởng đến hàm mục tiêu
 Chọn các trạng thái đóng cắt để tôi ưu hóa hàm mục tiêu
- Thực hiện mô phỏng các phương pháp trên dựa trên cơ sở lý thuyết
và sử dụng chương trình Psim
 Tìm hiểu phần mềm Psim


15

 Xây dựng mô hình toán trên phần mềm Psim, xây dựng mô hình mô
phỏng
 Lập trình trên ngôn ngữ C liên kết với phần mềm Psim thông qua khối
chức năng DLL.
 Xuất kết quả, phân tích kết quả mô phỏng.
- Xây dựng mô hình thí nghiệmbộ biến tần 3 pha thực tế: gồm mạch
chỉnh lưu cầu 3 pha, nghịch lưu, mạch lái, mạch điều khiển, mạch bảo
vệ.

- Xây dựng mô hình phần cứng và lập trình C sử dụng phần mềm CCS
5.1 Cho vi xử lý TMS320F28069 của hãng Texas Instruments
 Mô hình phần cứng được xây dựng tại PTN Điện tử công suất
 Board điều khiển dựa trên vi xử lý C2000 TMS320F28069 của TI
 Khối công suất được xây dựng trên cơ sở khóa công suất bán dẫn của
hãng Semikron.
 Mạch lái được xây dựng dựa trên Opto HCPL3120.
 Tiến hành đo dạc dạng sóng áp pha, áp dây, dòng điện, các số liệu về
độ méo dạng…
1.3 Bố cục và Nội dung luận văn
Nội dung luận văn được chia thành những chương sau:
Chương 1 Tổng quan
Đề ra mục tiêu nghiên cứu, các vấn đề cần giải quyết và phương pháp
thực hiện. Các phần mềm và phần cứng để thực hiện giải thuật cũng được
trình bày trong chương này.
Chương 2 Các phương pháp điều khiển cổ điển cho nghịch lưu áp ba
pha
Trong chương này, các phương pháp điều khiển cổ điển sẽ được trình bày.
Hai phương pháp chính đó là điều khiển theo phương pháp hyterisis và
điều khiển tuyến tính theo kỹ thuật điều chế độ rộng xung sẽ được phân
tích. Các ưu khuyết điểm của phương pháp điều khiển cổ điển sẽ trình
bày.
Chương 3 Phương pháp điều khiển theo mô hình dự báo


16

Trong chương này, phương pháp điều khiển dự báo sẽ được phân tích và
ứng dụng trong điều khiển bộ nghịch lưu. Phương pháp điều khiển dự báo
dựa trên trạng thái đóng cắt của các vector không gian cố định tại thời

điểm hiện tại, mô hình hệ thống sẽ dự báo trạng thái đóng cắt trong thời
gian kế tiếp. Để chọn được vector phù hợp cần phải có điều kiện ràng
buộc. Điều kiện này được định nghĩa là 1 hàm tối ưu (cost function) được
đánh giá dựa trên giá trị dự báo của biến điều khiển. Giá trị dự báo được
tính dựa trên trạng thái đóng cắt hiện tại và sau đó trạng thái kế tiếp sẽ
được chọn bởi hàm tối ưu. Phương pháp điều khiển này có thể tóm gọn
trong các bước sau:
 Định nghĩa hàm tối ưu
 Xây dựng mô hình dự báo và các trạng thái đóng cắt.
 Xây dựng mô hình dự báo tương ứng với tải.
Chương 4 Kết quả mô phỏng
Mô hình hóa và mô phỏng sử dụng phần mềm Psim. Thiết kế và mô
phỏng luật điều MPC cho nghịch lưu. So sánh kết quả khi thay đổi các
thông số trong luật điều khiển.
Chương 5 Thiết kế mô hình phần cứng và kết quả
Thiết kế phần cứng và phần mềm điều khiển cho mô hình nghịch lưu hai
bậc. Giới thiệu về vi xử lý DSP TMS320F28069 và hệ thống phần cứng.
Mô phỏng thực nghiệm phương pháp điều khiển MPC. Đo đạc và đưa ra
các đánh giá.
Chương 6 Kết luận và hướng phát triển đề tài


17

CHƯƠNG 2 CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN CỔ ĐIỂN
CHO NGHỊCH LƯU ÁP

2.1 Khái niệm nghịch lưu áp và ứng dụng
Bộ nghịch lưu có nhiệm vụ chuyển đổi năng lượng từ nguồn điện một
chiều không đổi sang dạng năng lượng điện xoay chiều để cung cấp cho tải xoay

chiều.
Các bộ nghịch lưu tạo thành bộ phận chủ yếu trong cấu tạo của bộ biến
tần. Biến tần là thiết bị biến đổi dòng điện, điện áp xoay chiều ở tần số này
thành dòng điện, điện áp xoay chiều ở tần số khác có thể điều chỉnh được. Ứng
dụng quan trọng và tương đối rộng rãi của chúng nhằm vào lĩnh vực truyền động
điện động cơ xoay chiều với độ chính xác cao. Trong lĩnh vực tần số cao, nghịch
lưu được dùng trong các thiết bị lò cảm ứng trung tần, thiết bị hàn trung tần. Bộ
nghịch lưu còn được dùng làm nguồn điện xoay chiều cho nhu cầu gia đình, làm
nguồn điện liên tục UPS, điều khiển chiếu sáng, bộ nghịch lưu còn được ứng
dụng vào lĩnh vực bù nhuyễn công suất. Trong giới hạn đề tài này, bộ nghịch lưu
áp 2 bậc được nghiên cứu trong ứng dụng cho biến tần.
Cấu tạo biến tần gồm có:
- Bộ chỉnh lưu chuyển đổi điện áp xoay chiều có tần số cố định thành
nguồn một chiều. Thực hiện bởi cầu Diode và tụ điện. Nhờ vậy, hệ số công suất
cos của hệ biến tần đều có giá trị không phụ thuộc vào tải và có giá trị ít nhất
0.96.
- Bộ nghịch lưu thực hiện chuyển đổi điện áp ở ngõ ra. Điện áp một chiều
này được biến đổi (nghịch lưu) thành điện áp xoay chiều 3 pha đối xứng. Công
đoạn này hiện nay được thực hiện thông qua hệ IGBT (transistor lưỡng cực có
cổng cách ly) bằng phương pháp điều chế độ rộng xung (PWM).
Linh kiện đóng ngắt được mắc thành từng cặp đối nghịch nhau, đồng thời
các công tắc còn trang bị diode mắc đối song với nó để hạn chế hiện tượng quá
áp khi kích đóng công tắc.Với cấu trúc như trên ta có thể điều khiển tần số độc
lập mà không phụ thuộc tần số nào.
Nguyên lý cơ bản làm việc của bộ biến tần khá đơn giản. Đầu tiên, nguồn
điện xoay chiều 1 pha hay 3 pha được chỉnh lưu và lọc thành nguồn 1 chiều


18

bằng phẳng. Công đoạn này được thực hiện bởi bộ chỉnh lưu cầu diode và tụ
điện. Nhờ vậy, hệ số công suất cos của hệ biến tần đều có giá trị không phụ
thuộc vào tải và có giá trị 0.96. Điện áp một chiều này được biến đổi (nghịch
lưu) thành điện áp xoay chiều 3 pha đối xứng. Công đoạn này hiện nay được
thực hiện thông qua hệ IGBT (transistor lưỡng cực có cổng cách ly) bằng
phương pháp điều chế độ rộng xung (PWM). Nhờ tiến bộ của công nghệ vi xử lý
và công nghệ bán dẫn lực hiện nay, tần số chuyển mạch xung có thể lên tới dải
tần số siêu âm nhằm giảm tiếng ồn cho động cơ và giảm tổn thất trên lõi sắt
động cơ.

Hình 2. 1: Sơ đồ khối của một biến tần
Hệ thống điện áp xoay chiều 3 pha ở đầu ra có thể thay đổi giá trị biên độ
và tần số vô cấp tuỳ theo bộ điều khiển. Theo lý thuyết, giữa tần số và điện áp có
một quy luật nhất định tuỳ theo chế độ điều khiển. Đối với tải có mô men không
đổi, tỉ số điện áp - tần số là không đổi. Với tải bơm và quạt, quy luật này lại là
hàm bậc 4. Điện áp là hàm bậc 4 của tần số. Điều này tạo ra đặc tính mô men là
hàm bậc hai của tốc độ phù hợp với yêu cầu của tải bơm/quạt do bản thân mô
men là hàm bậc hai của điện áp.
2.2 Các phương pháp điều khiển cổ điển cho nghịch lưu áp
Có rất nhiều mô hình điều khiển các bộ biến đổi điện tử công suất nói
chung và bộ nghịch lưu áp nói riêng. Có hai phương pháp điều khiển phổ biến


19

nhất được trình bày trong các tài liệu: Phương pháp điều khiển Hyterisis và điều
khiển tuyến tính dựa trên kỹ thuật điều chế độ rộng xung.
Cùng với sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ bán dẫn, các vi xử lý với
tốc độ xử lý cao ra đời. Các giải thuật điều khiển mới lần lượt được ra đời và
ứng dụng vào việc điều khiển các bộ biến đổi công suất như: điều khiển mờ,

điều khiển theo mạng trí tuệ nhân tạo, điều khiển theo mô hình trượt (sliding
mode control), điều khiển dự báo. Điều khiển theo mô hình mờ được ứng dụng
trong các hệ thống điều khiển mà trong đó có các thông số không được xác định.
Điều khiển trượt cũng được ứng dụng trong việc điều khiển các bộ biến đổi công
suất và mang tính ổn định cao dựa vào các trạng thái đóng cắt của các khóa công
suất bán dẫn. Trong những phương pháp điều khiển hiện đại trên thì phương
pháp điều khiển theo mô hình dự báo cũng là một phương pháp điều khiển mang
tính ổn định cao. Chương 3, sẽ trình bày cụ thể và chi tiết phương pháp điều
khiển dự báo. Tuy nhiên, các giải thuật điều khiển truyền thống sẽ được trình
bày trong chương này để có cái nhìn tổng quan về các phương pháp điều khiển.
2.2.1 Phương pháp điều khiển Hyteresis
Ý tưởng cơ bản của điều khiển Hyterisis là đảm bảo dòng điện điều khiển
được giữ trong phạm vi cho trước. Hình 2.1a trình bày sơ đồ khối của việc điều
khiển dòng điện cho nghịch lưu áp một pha 2
Nghịch lưu áp một pha có chức năng biến đổi từ nguồn điện DC sang AC.
Cấu hình nghịch lưu áp một pha có bốn khóa công suất T1, T2, T3, T4. Để tránh
hiện tượng ngắn mạch và hở mạch, các khóa công suất này được đóng cắt với
qui luật như sau:
T1 và T4 có trạng thái đóng ngắt giống nhau.
T2 và T3 có trạng thái đóng ngắt giống nhau.
T1 và T2 có trạng thái đóng ngắt ngược nhau.
Theo như hình vẽ 2.2a, giả sử dòng điện qua tải RL có giá trị đặt là iL*,
dòng điện hồi tiếp là iL. Hai giá trị này sẽ đi qua khâu so sánh và sai số giữa giá
trị đặt và giá trị thực là . Và sai số này là ngõ vào của bộ điều khiển Hyteresis.
Nếu giá trị sai số này vượt ngưỡng /2 thì ngõ ra của bộ điều khiển Hyteresis x
có giá trị bằng 1, nghĩa là 2 khóa T1 và T4 ở trạng thái ON, hai khóa T2 và T3 ở
trạng thái OFF. Nếu sai số vượt ngưỡng -/2 thì ngõ ra của bộ điều khiển


20

Hyteresis x có giá trị bằng 0, có nghĩa là 2 khóa T1 và T4 ở trạng thái OFF và 2
khóa T2, T3 ở trạng thái ON. Hình 2.2 b biểu diễn giá trị thực và giá trị đặt của
dòng điện trong trường hợp nghịch lưu áp một pha.

Hình 2. 2: Điều khiển dòng theo phương pháp Hyteresis cho nghịch lưu áp
một pha a. Sơ đồ điều khiển. b. Kết quả dòng điện tải và dòng tham chiếu

Hình 2.3: Điều khiển dòng theo phương pháp Hyteresis cho nghịch lưu áp
ba pha.


21

Tương tự như điều khiển dòng cho nghịch lưu áp một pha, việc điều khiển
dòng điện cho nghịch lưu áp ba pha cũng thực hiện tượng tự. Như trình bày
trong hình 2.3, dòng điện trên mỗi pha sẽ được đo đạc và hồi tiếp về khâu so
sánh. Dòng điện mỗi pha sẽ được so sánh với giá trị đặt, và bộ điều khiển sẽ xác
định được các trạng thái đóng cắt của các khóa công suất. Tuy nhiên, điều khiển
Hyteresis giữa các pha hoàn toàn độc lập và có sự tương tác giữa các dòng điện
với nhau, do đó, sai số dòng điện mỗi pha không thể đáp ứng được trong giá trị /2 đến -/2.
Ưu và nhược điểm của phương pháp điều khiển dòng theo Hyteresis
Ưu điểm:
- Đáp ứng động tốt
- Chi phí thấp, điều khiển dễ dàng
Nhược điểm
- Độ nhấp nhô dòng điện trong chế độ ổn định lớn
- Tần số chuyển mạch thay đổi, phụ thuộc vào giá trị .
- Không có sự phối hợp điều khiển Hyteresis giữa các pha, do đó không
có chiến lược điều khiển tạo vector zero.

- Với tỉ số điều chế thấp, thì tần số chuyển mạch tăng lên làm gây tổn
hao trên các khóa công suất.
- Điện áp ra chứa sóng hài với tần số không phải bội số tần số cơ bản,
làm cho việc lựa chọn bộ lọc rất khó khăn.
2.2.2 Kỹ thuật điều chế độ rộng xung Sin (SPWM Sin Pulse Width
Modulation)
Để tạo ra điện áp xoay chiều bằng phương pháp SPWM, ta sử dụng một tín hiệu
xung tam giác (gọi là sóng mang) đem so sánh với một tín hiệu sin chuẩn (gọi là
tín hiệu điều khiển). Nếu xung điều khiển này cấp cho bộ nghich lưu một pha,
thì ở ngõ ra sẽ thu được dạng xung điện áp mà thành phần điều hòa cơ bản có
tần số bằng tần số tín hiệu điều khiển và biên độ phụ thuộc vào nguồn điện một
chiều cấp cho bộ nghịch lưu và tỷ số giữa biên độ sóng sin mẫu và biên độ sóng
mang. Tần số sóng mang lớn hơn rất nhiều tần số tín hiệu điều khiển 2. Hình
2.4 nguyên lý của của phương pháp điều chế SPWM một pha:


22

Khi: Vcontrol> Vtri thì VAO= Vdc/2
VcontrolĐối với nghịch lưu áp ba pha có sơ đồ như hình 2.5. Để tạo ra điện áp sin
ba pha dạng điều rộng xung, ta cần ba tín hiệu điều khiển có dạng sóng sin mẫu.
Ba tín hiệu sin mẫu va*, vb*, vc*được so sánh với sóng mang và tín hiệu ra của bộ
so sánh này là tín hiệu điều khiển các khóa công suất bán dẫn trong bộ nghịch
lưu như trình bày ở hình 2.5. Nếu sóng điều khiển lớn hơn sóng mang thì khóa
trên của các nhánh ở trạng thái ON, khóa dưới của các nhánh ở trạng thái OFF.
Trong trường hợp ngược lại, nếu sóng điều khiển nhỏ hơn sóng mang thì khóa
trên của các nhánh ở trạng thái OFF, khóa dưới của các nhánh ở trạng thái ON.
Điện áp pha a, pha b và điện áp dây được trình bày trong hình 2.5

Hình 2. 4: Nguyên lý điều chế SPWM cho nghịch lưu ápmột pha


23

Hình 2.5: Nguyên lý điều chế SPWM cho nghịch lưu áp ba pha


24

2.2.3 Phương pháp điều chế vectơ không gian (SVPWM)
Phương pháp điều chế vectơ không gian khác với các phương pháp điều
chế độ rộng xung khác. Với phương pháp điều chế PWM khác, bộ nghịch lưu
được xem như ba bộ biến đổi đẩy kéo riêng biệt với ba điện áp pha độc lập nhau.
Đối với phương pháp điều chế vectơ không gian, bộ nghịch lưu được xem như
một khối duy nhất với 8 trạng thái đóng ngắt từ 0 đến 7 2
Thành lập vectơ không gian
Đối với nguồn áp ba pha cân bằng, ta luôn có phương trình sau:
( )

( )

(2.1)

( )

Và bất kỳ ba hàm số nào thỏa mãn phương trình trên đều có thể chuyển sang hệ
tọa độ hai chiều vuông góc. Ta có thể biểu diễn phương trình trên dưới dạng ba.
Vectơ gồm [
vectơ [00

00] , trùng với trục x, vectơ [0

0] T lệch một góc 120 và

] lệch một góc 240 so với trục x, như hình vẽ 2.6 sau:

Hình 2. 6: Biểu diễn vectơ không gian
Phương trình của vectơ không gian trong hệ tọa độ phức như sau:
( ) =

2
(
3

+

.

+

.

)

(2.2)

Với 2/3 là hệ số biến hình. Phân tích u(t) trong phương trình trên thành phần
thực và phần ảo.
=

+

(2.3)


25

Ta xây dựng được công thức chuyển đổi hệ tọa độ từ ba pha abc sang hệ
tọa độ phức x-y bằng cách cân bằng phần thực và phần ảo phương trình (2.3), ta
có:
( )=

2
3

+

⇒

2
+
3
2
=
+
3
2
=
3

2
3

2
+
3
2
−
3
1
2
3/2

2 1
=
3
0

⇒

−2
+
3
−2
3
−2
3

+

1
2
− 3/2

−

−

−2
3

(2.4)

Tiếp theo hình thành tọa độ quay α-β bằng cách cho hệ tọa độ x-y quay với vận
tốc góc ωt.Ta có công thức chuyển đổi hệ tọa độ như sau:
=

cos(

) cos( +

)

sin(

)

)

cos( +

cos( ) −sin( )
=
sin( ) cos( )

(2.5)

Nguồn áp ba pha tạo ra là cân bằng và sin nên ta có thể viết lại phương trình
điện áp pha như sau:
=
sin( )
=
sin( − 2 /3)
=
sin( + 2 /3)

(2.6)

Từ phương trình (2.6) ta xây dựng được phương trình sau:
( )=

(2.7)

=

Thể hiện vectơ không gian có biên độ Vr quay với vận tốc góc ωt quanh gốc tọa
độ 0.Phương trình điện áp dây theo phương trình (2.6) như sau:

=

2 3
3 2

1
⎛
⎜
0
⎝

−

1
2
3
2

−

1
2⎞
3⎟

(2.8)

2⎠

Với√2 để chuyển từ giá trị biên độ sang giá trị hiệu dụng. √3để chuyển giá trị