ba bậc tự do trong điều chế vector điều khiển nghịch lưu hai mức nguồn áp và tác động tới chất lượng điện áp ra của việc phân chia thời gian sử dụng hai trʊng thái không

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐƱI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

BÙI THỊ QUỲNH TRANG

BA BẬC TỰ DO TRONG ĐIỀU CHẾ VECTOR ĐIỀU KHIỂN
NGHỊCH LƯU HAI MỨC NGUỒN ÁP VÀ TÁC ĐỘNG TỚI
CHẤT LƯỢNG ĐIỆN ÁP RA CỦA VIỆC PHÂN CHIA THỜI
GIAN SỬ DỤNG HAI TRƱNG THÁI KHÔNG

Chuyên ngành: ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA
Khóa: 2012B

LUẬN VĂN THƱC SĨ KỸ THUẬT

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC
GS. TSKH. Nguyễn Phùng Quang

Hà Nội – 2015
1


LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan rằng các kết quả khoa học được trình bày trong luận văn
này là thành quả nghiên cứu của bản thân tôi dưới sự hướng dẫn của GS.TSKH.
Nguyễn Phùng Quang. Các kết quả đạt được là chính xác và trung thực.

Tác giả luận văn

Bùi Thị Quỳnh Trang

2


LỜI CẢM ƠN

Trước hết, tôi xin bày tỏ tấm lòng cảm ơn sâu sắc đối với sự chỉ dẫn ân cần,
tận tình và tâm huyết của thầy giáo hướng dẫn GS. TSKH. Nguyễn Phùng Quang
trong suốt quá trình tìm hiểu về đề tài luận văn và các bước thực hiện hoàn
thành nghiên cứu này. Tuy bản thân tôi kinh nghiệm còn non trẻ nhưng thầy
luôn sát cánh chỉ dẫn nhiệt tình. Bên cạnh đó là sự quan tâm, động viên trong
cuộc sống và những chia sẻ của thầy mà tôi cảm nhận được giống như tình cảm
của người cha giành cho con gái. Tôi rất biết ơn vì điều đó và xin chân thành
cảm ơn thầy.
Tôi cũng xin gửi lời cảm ơn chân thành tới các anh NCS và các anh học trò
của thầy đã giúp đỡ rất nhiều từ lúc đầu bỡ ngỡ ra Hà Nội đến lúc hoàn thành
luận văn. Sự quan tâm, tình cảm yêu mến và luôn theo sát từng bước và động
viên về tinh thần là nguồn lực rất lớn giành cho tôi. Tôi nhìn thấy ở các anh có
rất nhiều điều hay đáng để học tập và không ngừng phấn đấu hơn nữa.
Qua đây, tôi cũng xin gửi lời cảm ơn tới tình yêu thương vô bờ bến mà gia
đình đã giành cho tôi. Xin cám ơn những người bạn và những người cộng sự đã
là nguồn động viên rất lớn về mặt tinh thần cho tôi trong suốt thời gian qua.
Đặc biệt là sự cổ vũ, giúp đỡ nhiệt tình của các thầy cô và các đồng nghiệp hiện
đang công tác tại trường ĐH Bà Rịa Vũng Tàu.
Cuối cùng cho tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành nhất tới các thầy cô giáo
của trường ĐHBK Hà Nội đã dạy dỗ rất tâm huyết và giúp chúng tôi hoàn thành
tốt khóa học cao học này.
Một lần nữa tôi xin chân thành cảm ơn.

Người thực hiện

Bùi Thị Quỳnh Trang

3


MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN .......................................................................................... 2
LỜI CẢM ƠN............................................................................................... 3
MỤC LỤC ................................................................................................... 4
DANH MỤC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT .................................................. 5
DANH MỤC BẢNG...................................................................................... 7
DANH MỤC HÌNH VẼ ................................................................................. 8
MỞ ĐẦU ................................................................................................... 11
1 NGUYÊN LÝ ĐIỀU CHẾ VECTOR......................................................... 12
1.1 Khái niệm không gian vetor và chuyển các hệ tọa độ ................... 12
1.2 Mạch nghịch lưu nguồn áp ba pha hai mức .................................. 16
1.3 Nguyên lí điều chế vector điện áp .................................................. 21
1.4 Các hạn chế của thuật toán ........................................................... 24
1.5 Các dạng điều chế đặc biệt khác ................................................... 26
1.5.1 Điều chế hai nhánh van .......................................................... 26
1.5.2 Điều chế ngẫu nhiên ............................................................... 27
2 BA BẬC TỰ DO TRONG ĐIỀU CHẾ VECTOR ĐIỆN ÁP ....................... 29
2.1 Khái nệm ba bậc tự do trong điều chế vector điện áp ................... 29
2.2 Thời gian sử dụng vector điện áp có module bằng không ............. 33
2.2.1 Chia sao cho UNO=0 .............................................................. 33
2.2.2 Chia đều hai vector có module bằng không ............................ 36
2.2.3 Chỉ sử dụng một trong hai vector có module bằng không ....... 39
3 KẾT QUẢ MÔ PHỎNG TRÊN MATLAB SIMULINK .............................. 40
3.1 Ảnh hưởng của điện áp common mode ......................................... 40
3.2 Kết quả mô phỏng phương pháp điều chế vector chuẩn ................ 41

3.3 Kết quả mô phỏng phương pháp điều chế sao cho UNO  0 . ........ 45
4 KẾT QUẢ KIỂM CHỨNG THÔNG QUA VÍ DỤ HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN
XOAY CHIỀU BA PHA .......................................................................... 49
4.1 Hệ truyền động điện xoay chiều ba pha động cơ Rotor lồng sóc ... 49
4.2 Ví dụ cho phương pháp điều chế vector chuẩn ............................. 52
4.3 Ví dụ cho phương pháp điều chế vector sao cho UNO=0 .......... 5656
KẾT LUẬN................................................................................................ 62
Tài liệu tham khảo ................................................................................... 63

4


DANH MỤC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
Các chữ viết tắt
Chữ viết tắt
NL
DC
AC
ĐCVT
KĐB
ĐC
NLNA
IGBT
PWM
ĐCVT
SVM
UPS
TĐĐ
ĐCHNV
CL

DSP
XCBP
FOC
IC
BĐK
ĐKTĐ
SPVM

Ý nghĩa
Nghịch lưu
Dòng điện một chiều
Dòng điện xoay chiều
Điều chế vector
Không đồng bộ
Điều chế
Nghịch lưu nguồn áp
Các van Insulated Gate Bipolar Transitor
Điều chế độ rộng xung (Pulse Width Modulation)
Điều chế vector không gian
Space Vector Modulation
Uninterruptible Power Supply (bộ lưu điện)
Truyền động điện
Điều chế hai nhánh van
Chỉnh lưu
Digital Signal Processing (công nghệ xử lý tín hiệu số)
Xoay chiều ba pha
Field Oriented Control (điều khiển tựa theo từ thông)
Intergated circuit (mạch tích hợp)
Bộ điều khiển
Điều khiển truyền động

Phương pháp điều chế độ rộng xung sin

5


Các ký hiệu
Ký hiệu
Đơn vị
us
u07

S1 6
V1 6
0 7

Z

T1,2
T0,7

U dc
U NO
T

Tzero
Ts
fs



abc
dq
Tpulse

f pulse
Rs
Rr

Ls
Lr

Lm

is

ir
s
r

s
Hz


H
H
H

Ý nghĩa
Vector điện áp
Các vector điện áp chuẩn trong không gian vector

Các sector trong không gian
Các van của nghịch lưu
Các tổ hợp trạng thái logic của các van
Thời gian sử dụng hai vector biên
Thời gian sử dụng các vector có module bằng không
Điện áp nguồn nuôi nghịch lưu
Điện áp trung tính phía phụ tải
Tổng thời gian thực hiện hai vector biên
Tổng thời gian sử dụng các trạng thái không
Chu kì xung
Tần số xung
Hệ tọa độ cố định
Hệ tọa độ ba pha abc
Hệ tọa độ quay dq
Chu kì xung nhịp
Tần số xung nhịp
Tải xoay chiều ba pha
Điện trở phía stator
Điện trở phía rotor
Điện cảm phía stator
Điện cảm phía rotor
Hỗ cảm giữa hai cuộn dây
Vector dòng stator
Vector dòng rotor
Vector từ thông stator
Vector từ thông rotor

6

DANH MỤC BẢNG
Bảng 1.1

Các giá trị tính toán trong mạch nghịch lưu hai mức ............................ 19

Bảng 2.1

Thời gian kích đóng ngắt các van theo phương pháp ĐCVT chuẩn…..38

Bảng 4.1

Các thông số mô phỏng của động cơ………………………………….52

7


DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1.1

Sơ đồ cuộn dây và điện áp stator của ĐCXCBP ................................... 12

Hình 1.2

Vector điện áp stator trong hệ tọa độ cố định αβ .................................. 13

Hình 1.3

Vector không gian điện áp stator và các điện áp pha ............................ 14

Hình 1.4

Biểu diễn vector dòng stator trên hệ tọa độ dq ..................................... 15

Hình 1.5

Sơ đồ mạch nghịch lưu sáu khóa ........................................................... 17

Hình 1.6

Sơ đồ mạch tương đương của trạng thái 100 ........................................ 18

Hình 1.7

Các trạng thái chuyển mạch của nhánh van NL .................................... 18

Hình 1.8

Vector không gian tương ứng trạng thái 110 ........................................ 20

Hình 1.9

Các vector chuẩn trong không gian vector ............................................ 20

Hình 1.10

Thực hiện vector điện áp trong sector thứ nhất ..................................... 22

Hình 1.11

Minh họa giới hạn vùng có ích khi điều chế điện áp ............................ 24

Hình 1.12

Vùng cấm điện áp trên toàn bộ mặt phẳng vector ................................. 25

Hình 1.13

Điều chế hai nhánh van phương án 1 trong sector S1 ........................... 26

Hình 1.14

Điều chế hai nhánh van phương án 2 trong sector S1 ........................... 27

Hình 2.1

Vector us được thực hiện bởi tổng của nhiều vector chuẩn.................. 30

Hình 2.2

Sự chuyển đổi giữa các tổ hợp trạng thái đóng ngắt NL ....................... 31

Hình 2.3

Thực hiện hai chu kì liên tiếp khi điều chế vector ................................ 34

Hình 2.4

Kích đóng ngắt các nhánh van trong sector 1 ....................................... 37

Hình 3.1

Mạch chỉnh lưu, nghịch lưu và động cơ ................................................ 40

Hình 3.2

Mô phỏng nghịch lưu và khối điều chế vector ...................................... 42

Hình 3.3

Khối điều chế vector điện áp chuẩn ...................................................... 42

Hình 3.4

Mạch nghịch lưu ba pha trong Matlab Simulink ................................... 43

Hình 3.5

Dòng đầu ra ba pha iAB , iBC , iCA ............................................................... 43
8


Hình 3.6

Điện áp ngõ ra phía phụ tải U AB ,U BC ,U CA ............................................. 44

Hình 3.7

Điện áp trung bình ngắn hạn U AB ,U BC ,U CA ........................................... 44

Hình 3.8

Điện áp trung bình U AO ,U BO ,U CO và U NO .............................................. 45

Hình 3.9

Điện áp trung bình U A ,U AO ,U NO ........................................................... 45

Hình 3.10 Khối điều chế vector sao cho U NO  0 ................................................... 46
Hình 3.11 Dòng đầu ra ba pha iAB , iBC , iCA ............................................................... 46
Hình 3.12 Điện áp trung bình ngắn hạnđầu ra ba pha. ........................................... 47
Hình 3.13 Điện áp trung bình U AO ,U BO ,U CO và U NO ............................................. 47
Hình 3.14 Điện áp trung bình U A ,U AO ,U NO .......................................................... 48

Hình 4.1

Mô phỏng hệ điều khiển truyền động ĐCKĐB..................................... 49

Hình 4.2

Mô hình bộ ĐKTĐ theo phương pháp ĐCVT trực tiếp ........................ 50

Hình 4.3

Sơ đồ cấu trúc BĐK dòng điện, tốc độ và từ thông kiểu Dead-Beat .... 51

Hình 4.4

Mạch công suất gồm chỉnh lưu, nghịch lưu gắn với ĐC trong Plecs.... 51

Hình 4.5

Đáp ứng dòng điện isd của động cơ ....................................................... 52

Hình 4.6

Đáp ứng dòng điện isq của động cơ ....................................................... 53

Hình 4.7

Đáp ứng tốc độ của động cơ .................................................................. 53

Hình 4.8

Đáp ứng điều chỉnh từ thông của động cơ ............................................ 54

Hình 4.9

Dòng điện ngõ ra ................................................................................... 54

Hình 4.10 Điện áp trung bình ngắn hạn ba pha đầu ra ........................................... 55
Hình 4.11 Điện áp trung bình ngắn hạn của U AO ,U BO ,U CO ,U NO ............................ 55
Hình 4.12 Điện áp trung bình ngắn hạn U A ,U AO ,U NO ............................................ 56
Hình 4.13 Đáp ứng dòng điện isd của động cơ....................................................... 57
9


Hình 4.14 Đáp ứng dòng điện isq của động cơ ....................................................... 57
Hình 4.15 Đáp ứng tốc độ của động cơ .................................................................. 58
Hình 4.16 Đáp ứng điều chỉnh từ thông của động cơ ............................................ 58
Hình 4.17 Dòng điện ngõ ra ba pha phía phụ tải ................................................... 59

Hình 4.18 Điện áp trung bình ngắn hạn đầu ra ba pha phía phụ tải ....................... 59
Hình 4.19 Điện áp trung bình ngắn hạn của U AO ,U BO ,U CO ,U NO ........................... 60
Hình 4.20 Điện áp trung bình ngắn hạn U A ,U AO ,U NO ............................................ 60

10


MỞ ĐẦU
Thuật toán điều chế vector điện áp giữ vai trò vô cùng quan trọng trong các
thiết bị biến đổi AC-DC và DC-AC của kỹ thuật truyền động điện, kỹ thuật phát truyền tải và nâng cao chất lượng điện năng. Điều chế vector là một phương
pháp điều khiển động cơ điện xoay chiều ba pha hiện đại và hiện tại đang được
ứng dụng rộng rãi, với ưu điểm gắn liền một cách rõ ràng các phương pháp mô
tả toán học chính xác các mối quan hệ vật lý của động cơ với các công nghệ điều
khiển mới, nó có khả năng vượt trội về áp đặt dòng điện, momen.
Khi nói tới điều phương pháp chế vector người ta thường nhắc đến phương
pháp điều chế chuẩn rất thông dụng đã được trình bày trong nhiều tài liệu và
cho phép cài đặt thuận lợi trên vi điều khiển. Tuy nhiên, theo phương pháp này
điện áp thành phần commmon mode vẫn còn tồn tại khá lớn. Điện áp common
mode là nguyên nhân chính gây nên các vấn đề về tương thích điện từ, gây ra sự
hư hỏng nhanh chóng của bệ đỡ động cơ bởi gia tăng sự xả điện qua các thành
phần lăn của trụ đỡ. Tuy nhiên, việc sử dụng cuộn kháng trên đường dây, sử
dụng các mạch lọc thông thấp giúp ta loại bỏ dễ dàng thành phần tần số cao
của điện áp common mode nhưng các thành phần common mode tần số thấp
U NO không bị lọc bởi các thiết bị này. Khi thiết kế một bộ lọc thành phần điện
áp common mode tần số thấp đồng nghĩa với sự tốn kém chi phí và bộ điều
khiển thêm cồng kềnh.
Với việc hiểu biết sâu sắc và tận dụng được “ba bậc tự do“ khi thực hiện kỹ
thuật điều chế vector, sẽ giúp ta khả năng tạo ra các phương pháp điều chế tối
ưu, góp phần nâng cao chất lượng điện áp AC 3~ của thiết bị biến đổi. Bằng
cách sử dụng bậc tự do thứ ba trong điều chế vector điện áp một cách linh hoạt

đã loại bỏ được hoàn toàn điện áp thành phần common mode U NO .
Kết quả của nghiên cứu đã được kiểm chứng qua mô hình mô phỏng trong
Matlab simulink và thông qua một ví dụ mô phỏng trong hệ truyền động điện
động cơ không đồng bộ ba pha Rotor lồng sóc.

11


1 NGUYÊN LÝ ĐIỀU CHẾ VECTOR

Vào những năm 1970s, với công trình khoa học được trình bày trong các
công bố của Hasse và Blaschke đã tạo nên một bước đột phá trong kỹ thuật
điều khiển động cơ không đồng bộ. Bằng cách ứng dụng phương pháp chuyển vị
tọa độ (transvector), động cơ không đồng bộ được điều khiển trong hệ tọa độ
dq, quay với tốc độ của từ trường quay, thay vì trong hệ tọa độ tĩnh truyền
thống abc. Hai phương pháp của hai nhà khoa học Hasse và Blaschke đã nhận
được sự quan tâm lớn của giới khoa học và công nghiệp, và sau đó được biết
đến với tên gọi lần lượt là: phương pháp điều khiển vector gián tiếp (Hasse) và
phương pháp điều khiển vector trực tiếp (Blaschke). Các tiến bộ vượt bậc trong
công nghệ vi xử lý, vi điều khiển, và đặc biệt là DSP cho phép thực hiện các
thuật toán phức tạp trong thời gian thực đã giúp cho các phương pháp điều
khiển vector (hay còn được gọi là điều khiển tựa từ thông – Field Oriented
Control FOC) trở thành các công nghệ điều khiển động cơ xoay chiều được
chuẩn hóa trong công nghiệp từ những năm 90 của thế kỷ trước.

1.1 Khái niệm không gian vetor và chuyển các hệ tọa độ
Equation Chapter (Next) Section 1
Động cơ xoay chiều ba pha (ĐCXCBP) có ba cuộn dây stator ba pha và điện
áp được bố trí không gian như hình 1.1:

Hình 1.1 Sơ đồ cuộn dây và điện áp stator của ĐCXCBP

Ba trục của ba cuộn dây lệch nhau 1 góc 120 trong không gian. Ba điện áp
cấp cho động cơ từ lưới ba pha hay từ bộ nghịch lưu, biến tần thỏa mãn phương
trình:
o

12


(1.1)

usa (t )  usb (t )  usc (t )  0
Trong đó các điện áp ba pha trên hệ tọa độ abc:
usa (t )  us .cos( ws t )

o
usb (t )  us .cos( ws t  120 )

o
usc (t )  us .cos( ws t  240 )
s  2 f s ; f s là tần số của mạch Stator
Với:

(1.2)

u s là biên độ của điện áp ba pha và có thể thay đổi.

Vector không gian của điện áp stator được định nghĩa như sau:
u s (t )  k u sa (t )  u sb (t )  u sc (t ) 

 k[usa (t )  usb (t ).e j120  usc (t ).e j 240 ]
o

o

(1.3)

( trong mặt phẳng abc ba chiều với 3 vector đơn vị )
Tương tự như vector trong mặt phẳng phức hai chiều với 2 vector đơn vị
(1.4)
u s (t )  k usa (t )  a.usb (t )  a 2usc (t ) 
o
1
3
Trong đó a  e j120    j
là giá trị phức và k là hằng số biến hình.
2
2
Trong trường hợp này k =2/3 hay phương trình (1.4) được viết lại là:
2
u s (t )  usa (t )  a.usb (t )  a 2usc (t ) 
(1.5)
3





Với: 1  a  a 2   e j 0  e j120  e j 240   0



Hình chiếu của vector điện áp stator u s trên từng cuộn dây chính là điện áp
o

o

o

của từng pha được minh hoạ như sau:

Hình 1.2 Vector điện áp stator trong hệ tọa độ cố định αβ
13


Vector không gian điện áp stator cố định là một vector có module xác định
u s quay trên mặt phẳng phức với tốc độ góc s và tạo với trục thực (trùng với
cuộn dây pha A) một góc s (t ) .
Ta đặt một hệ tọa độ mới có gốc trùng với gốc hệ tọa độ cũ abc , trục thực α
trùng với vector u sa , trục ảo β (vuông góc với trục thực). Hệ tọa độ mới này
được gọi là hệ tọa độ stator cố định αβ hay là hệ tọa độ αβ. Vector không
gian u s lúc này được mô tả qua hai giá trị thực us và ảo us là 2 thành phần của
vector.
us  us  jus

(1.6)

Tương tự, ta cũng có thể biểu diễn các đại lượng ba pha khác như dòng điện
stator, từ thông stator và từ thông rotor dưới dạng vector không gian như trên
i s ,  s và  r .

i s  is  jis

 s   s  j s
    j
r
r
 r

(1.7)

Hệ tọa độ stator cố định αβ hay là hệ tọa độ αβ được minh họa như hình 1.3:

Hình 1.3 Vector không gian điện áp stator và các điện áp pha

Bằng các phương pháp hình học cơ bản ta có thể xác định các thành phần
của vector u s như sau:
usa  us


1
3
us
usb   us 

2
2

us  usa



1
us  3  usa  2usb 

14

(1.8)


Ta viết lại phương trình (1.6):
2 
1
1   3
3 
u s   usa  usb  usc   j 
usb 
usc  
(1.9)
3 
2
2   2
2


Từ đó, ta có thể xác định ma trận chuyển đổi hệ tọa độ abcαβ:
1
1 

usa 
1 



us  2
2
2  
 usb
(1.10)
u   
3
3  
 s  3 0
usc 


2
2 
Hay việc chuyển ngược lại từ hệ tọa độ αβabc:


 1
0 
usa  

3  us 
u     1
(1.11)
 
 sb   2
2  u s  
usc  


 1  3 
 2
2 
Hệ tọa độ dq:
Như trên ta đã biết, các vector i s , r ,  s và u s đều quay xung quanh gốc tọa
độ với tốc độ góc là s . Nếu ta đặt một hệ tọa dq mới có gốc trùng với gốc của
hệ tọa độ αβ, hướng trục thực d trùng với hướng vector  r , trục ảo là q thì hệ
tọa độ mới này cũng là một hệ tọa độ quay xung quanh điểm gốc với tốc độ
d
góc là s  r  r như hình 1.4:
dt

Hình 1.4 Biểu diễn vector dòng stator trên hệ tọa độ dq

Ta có:

15


is  is  jis

is  isd  jisq

(1.12)

Bằng các cách chứng minh về hình học đơn giản ta có công thức chuyển hệ
tọa độ αβ→dq như sau:
isd  is .cos  s  is sin  s
(1.13)


isq  is .sin  s  is cos  s
Và ngược lại chuyển từ hệ tọa độ dq→αβ:
is  isd .cos  s  isq sin  s
(1.14)

is  isd .sin  s  isq cos  s
Như vậy, bằng cách ứng dụng phương pháp chuyển vị hệ tọa độ tĩnh abc truyền
thống qua hệ tọa độ quay dq giúp cho việc điều khiển động cơ KĐB trong hệ
truyền động một cách dễ dàng và mang lại hiệu quả kinh tế cao hơn.

1.2 Mạch nghịch lưu nguồn áp ba pha hai mức
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. Đại lượng được điều khiển ở ngõ ra là điện áp hoặc dòng điện. Nếu đại
lượng được điều khiển ở ngõ ra là điện áp thì bộ nghịch lưu được gọi là bộ
nghịch lưu áp, ngược lại gọi là bộ nghịch lưu dòng.
Nguồn một chiều cung cấp cho bộ nghịch lưu áp có tính chất nguồn điện
áp và nguồn một chiều cung cấp cho bộ nghịch lưu dòng có tính chất nguồn
dòng. Các bộ nghịch lưu tương ứng được gọi là bộ nghịch lưu áp nguồn áp và bộ
nghịch lưu dòng nguồn dòng hoặc gọi tắt là bộ nghịch lưu áp và bộ nghịch lưu
dòng.
Trong trường hợp nguồn điện ở đầu vào và đại lượng ở ngõ ra khác nhau,
ví dụ bộ nghịch lưu cung cấp dòng điện xoay chiều từ nguồn điện áp một chiều,
ta gọi chúng là bộ nghịch lưu điều khiển dòng điện từ nguồn điện áp hoặc bộ
nghịch lưu dòng nguồn áp.
Các bộ nghịch lưu là thành phần chủ yếu trong bộ biến tần. 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, bộ nghịch
lưu được dùng trong các thiết bị lò cảm ứng trung tần, thiết bị hàn trung tần.

Bộ nghịch lưu còn ứng dụng làm nguồn điện xoay chiều cho nhu cầu gia đình,
làm nguồn điện liên tục UPS, điều khiển chiếu sáng và còn được ứng dụng
trong lĩnh vực bù nhuyễn công suất phản kháng.
Mạch nghịch lưu áp ba pha hai mức rất thông dụng và có nhiều trong thực
tế. Xuất phát từ sơ đồ nguyên lý của mạch nghịch lưu xoay chiều ba pha với ba
cuộn dây pha A, B, C được minh họa như hình 1.5:
16


Hình 1.5 Sơ đồ mạch nghịch lưu sáu khóa

Mạch nghịch lưu được nuôi bởi một điện áp một chiều trung gian U dc và có
sáu khóa V1  V6 . Bộ vi xử lý điều chế vector có nhiệm vụ tính toán, tạo ra các
chùm xung kích thích điều khiển các cặp van V1 / V2 , V3 / V4 và V5 / V6 sao cho ba
điện áp ba pha (dạng xung băm) có biên độ, tần số và góc pha theo yêu cầu đặt
lên ba cực của động cơ. Điểm N là điểm trung tính phía phụ tải xoay chiều ba
pha, O là điểm trung tính phía nguồn một chiều.
Các van của NL thường là IGBT với ưu điểm là thời gian đáp ứng đóng ngắt
rất nhanh được dùng trong các bộ biến đổi độ rộng xung tần số cao. IGBT có
khả năng chịu tải cao (điện áp tới vài ngàn volt và dòng điện tới vài ngàn
Ampere). IGBT thường được dùng trong các mạch công suất lớn lên đến 10MV
hoặc cao hơn nữa. Ngày nay, IGBT được chế tạo duới dạng IC công nghiệp có
khả năng tự bảo vệ chống quá tải, ngắn mạch và được chế tạo tích hợp dạng
module riêng hay module bán dẫn (dưới dạng complex bao gồm mạch điều
khiển và mạch bảo vệ). Đề tài cũng chỉ nghiên cứu về mạch nghịch lưu van
IGBT.
Trong đó các van được qui ước như sau:
 V1  V2  1

(1.15)

 V3  V4  1
V  V  1
6
 5
Hai van của 1 nhánh không cùng đóng và không cùng mở 1 lúc được. Trạng
thái đóng van (ON): 1, trạng thái mở van (OFF): 0.
Các van V3  V4 hay còn gọi là nhánh van A, các van V1  V2 hay còn gọi là nhánh
van B, các van V5  V6 hay còn gọi là nhánh van C.
Ví dụ cho 1 trường hợp khi chuyển mạch van với trạng thái là 100 thì sơ đồ
mạch tương đương là:
17


Hình 1.6 Sơ đồ mạch tương đương của trạng thái 100

Bằng phương pháp tính thủ công ta nhìn hình 1.6 dễ dàng tính toán ra được các
giá trị đầu ra của mạch NL là UAN  2 / 3Udc ; U BN  1/ 3U dc ; U CN  1/ 3U dc và các
giá trị điện áp pha tải UAB  Udc ; UBC  0; UCA  Udc .
Các trạng thái đóng ngắt được minh họa như hình 1.7:

Hình 1.7 Các trạng thái chuyển mạch của nhánh van NL
18


Ta quy ước các trạng thái trong bảng là giá trị logic của các van nhánh trên
của mạch van V1 , V3 , V5 . Ta có 3 nhánh van của mạch NL sẽ tao nên 8 tổ hợp
các trạng thái đóng ngắt. Mỗi một trạng thái đóng ngắt của mạch van mạch van
sẽ cho ta các giá trị điện áp ra tương ứng. Bằng cách thay đổi lần lượt các giá trị
logic của các nhánh van mà ta tính toán theo như ví dụ trên hình 1.6 và tổng
hợp được các giá trị như trong bảng 1.1:

Bảng 1.1 Các giá trị tính toán trong mạch nghịch lưu hai mức

Áp dụng định nghĩa về không gian vector trên hệ tọa độ abc, ta lần lượt
chuyển các vector điện áp qua không gian vector bằng phương pháp đại số theo
công thức (1.5). Ví dụ cho trạng thứ 2 ứng với các trạng thái đóng ngắt của van
nhánh trên V1 , V3 , V5  110 :
Từ bảng 1.1 ta có: usa  1/ 3Udc ; usb  1/ 3Udc ; usc  2 / 3U dc
o
o
o
o 
2
2 1
1
2
usa (t )  usb (t )e j120  usc (t ).e j 240    U dc  U dce j120  U dce j 240 
 3 3
3
3
3

o
o
o
2U dc j 240o
2 U dc 

1  e j120  e j 240  3e j 240   
e


3 3 
3
2U dc j 240o  j180o 2U dc j 60o

e
e

e
3
3
2
Vector điện áp u s lúc này có module u s  U dc và tạo với trục thực α một góc là
3
o
60 .

 u s (t ) 





19


Ta cũng có thể tìm vị trí của vector u s bằng cách thứ 2 đó là dùng phương
pháp hình học cộng vector. Vector điện áp u s là tổng của 3 vector thành phần

u sa , u sb , u sc minh họa cụ thể như hình vẽ 1.8:

Hình 1.8 Vector không gian tương ứng trạng thái 110

Vector điện áp u s lúc này cũng có kết quả giống như theo phương pháp đại
số. Tương tự, ta lần lượt xét cho các trạng thái còn lại và rút ra công thức tổng
quát cho vector không gian điện áp pha stator:
uk 


j ( k 1)
2
3
U dc e
3

k  1, 2,3, 4,5, 6

(1.16)

Ngoài ra cũng theo bảng 1.1 thì còn có hai vector u 0 và u 7 có module bằng
không và nằm tại gốc tọa độ. Như vậy ta có thể biểu diễn các vector không gian
điện áp pha stator u s như hình 1.9:

Hình 1.9 Các vector chuẩn trong không gian vector
20


Ngoài ra mạch nghịch lưu ba pha hai mức cũng được mô hình hóa nhánh van
và được mô tả bằng hàm logic, giá trị trung bình ngắn hạn và hàm điều chế.
Việc mô hình hóa ấy áp dụng cho nhiều loại mạch van nguồn áp khác nhau 1
pha, 3 pha và nó còn có thể áp dụng cho các mạch van nguồn dòng một cách

tương tự. Bằng cách mô hình hóa mạch van giúp ta dễ dàng tổng quát hóa các
mạch van và tiết kiệm thời gian tính toán theo phương thức thủ công.
Cách mô hình hóa các mạch van được trình bày rất rõ trong tài liệu [3] và [4].
Đối với mạch nghịch lưu ba pha hai mức như trên hình 1.5 ta cũng tiến hành
mô hình hóa và thu được các giá trị tương đương giống như bảng 1.1.
Các phương pháp điều khiển bộ nghịch lưu áp:
 Phương pháp điều rộng.
 Phương pháp điều biên.
 Phương pháp điều chế độ rộng xung (SH-PWM).
 Phương pháp điều chế độ rộng xung cải biến (Modified PWM).
 Phương pháp điều chế vector không gian (SVPWM –Carrier Based
PWM).

1.3 Nguyên lí điều chế vector điện áp
Ý tưởng của phương pháp điều chế vector không gian là tạo nên sự dịch chuyển
liên tục của các vector không gian tương của vector điện áp bộ nghịch lưu trên
qũi đạo đường tròn, tương tự như trường hợp vector không gian của đại lượng
sin ba pha tạo được. Với sự dịch chuyển đều đặn của vector không gian trên quĩ
đạo tròn, các sóng hài bậc cao được loại bỏ và quan hệ giữa tín hiệu điều khiển
và biên độ áp ra trở nên tuyến tính.
Áp dụng định nghĩa vector không gian, ta xác định quĩ đạo của điện áp ba
pha của bộ NL áp gồm 8 vector chuẩn từ u0  u7 tương ứng với tổ hợp các trạng
thái đóng ngắt của van NL. Trong đó, các điện áp u1  u6 hay được gọi là các
vector điện áp chuẩn có module không đổi và có giá trị là u1,2,...,6  2 U dc . Sáu

3

vector điện áp chuẩn này chia không gian vector thành sáu góc phần sáu bằng
nhau gọi là các sector từ S1  S6 . Hai vector điện áp chuẩn còn lại là u 0 và u 7
có module bằng không hay còn được gọi là vector điện áp trạng thái không

nằm tại gốc tọa độ.
Vì các góc phần sáu đều bằng nhau nên ta xét ở trong góc phần sáu thứ
nhất đại diện cho các góc phần sáu còn lại. Xét trong sector S1 sẽ có bốn vector
chuẩn cơ bản là u1 ,u2 , u0 , u7 ta cần thực hiện vector điện áp là u s . Giả sử trong
21


chu kì lấy mẫu Ts , ta cho thực hiện vector u1 khoảng thời gian là T1 , vector u 2
khoảng thời gian là T2 và vector u 0 và u 7 sẽ được thực hiện trong khoảng thời
gian còn lại : T0 ,7  Ts   T1  T2  như hình 1.10:

Hình 1.10 Thực hiện vector điện áp trong sector thứ nhất

Điện áp sẽ u s luôn có module tối đa là:

us

max

 u1  u 2  ...  u 6 

2
U dc
3

Khi đó vector điện áp u s sẽ được tính như sau:
Ts

T1

u  u
s

0

Hay có :
us 

1

0



T1  T2



u2 

T1

Ts

 u

0

 u7 

(1.17)

T1  T2

T  (T1  T2 )
T1
T
u1  2 u 2  s
 u0  u7 
Ts
Ts
Ts

(1.18)

Vì u0 = u7  0 nên triển khai công thức (1.18) ra:

cos( ) 
cos( )  2
1  2
3 
Ts u s 
 T1U dc    T2 U dc 


 sin( )  3
0  3
sin( ) 
3 


2
2
T1U dc  T2 U dc cos( )
3
T u cos( )  3
3
 s s

2
 Ts u s sin( ) 
0
 T2 U dc sin( )
3
3
Cân bằng 2 vế của hai ma trận phương trình (1.19) :
22

(1.19)


2
2


Ts u s cos( )  3 T1U dc  3 T2 U dc cos( 3 )

T u sin( )  2 T U sin( )
2 dc
3
 s s

3

Ts u s sin(   )
3
T1 
2

U dc sin( )

3
3

Ts u s sin( )

T2  2
U dc sin( )

3
3

Ta tính được thời gian thực hiện hai vector biên u1 và u 2 là T1 và T2 :
us




T1 
T1  3 U Ts sin  3   





dc


T  3 u s T sin   

s
 2
T2 
U dc

3


Ts M sin    
2
3


(1.20)

(1.21)

3
Ts M sin   
2

Với  là góc quay của vector điện áp u s và đặt hệ số điều chế M 

us
.
U dc / 2

Xét về mặt biên độ thì do hai vector u 0 và u 7 có module bằng không nên thực
chất u1 và u 2 đã thực hiện hoàn toàn độ lớn của vector điện áp u s . Khi đó, ta có
tổng thời gian thực hiện vector điện áp u s :

T  T1  T2 


3
3


Ts M sin     
Ts M sin   
2
3
 2

3
 


Ts M  sin      sin    
2

 3


(1.22)

3


Ts Mcos    
2
6

Khi đó thời gian còn lại cho hai vector u 0 và u 7 là :



3


Tzero  T0  T7  Ts  T  Ts 1 
Mcos     
2
6



(1.23)

Sau mỗi chu kì trích mẫu Ts , khâu đều chế (ĐC) còn lại cung cấp cho khâu
điều chế vector không gian (ĐCVTKG) giá trị mới của vector điện áp u s . Dựa
vào vị trí của vector điện áp u s quay trong sector nào mà ta tính được thời gian
thực hiện các vector biên, các vector không và từ đó ta tính toán được thời gian

kích đóng ngắt cho các van của NL.
Nguyên lý điều chế vector trên đều được áp dụng cho tất cả các sector còn lại
trong mặt phẳng vector một cách tương tự. Bên cạnh đó, việc tận dụng hai
23


vector có module bằng không u 0 , u 7 và trình tự thực hiện các vector trong một
chu kì điều chế là hết sức quan trọng. Khi đó ta cần tìm hiểu kĩ hơn về khái
niệm “ba bậc tự do” trong điều chế vector được trình bày trong chương 2.

1.4 Các hạn chế của thuật toán
Phương pháp ĐCVTKG trong mạch nghịch lưu áp có thể hạn chế sóng hài
dòng điện cũng như giảm tổn hao phát sinh do quá trình đóng ngắt. Tuy nhiên,
ta cần lưu ý tới các hạn chế của nó khi thực hiện phần cứng cũng như phần
mềm của thuật toán. Ta biết rằng vector điện áp u s sẽ có module tối đa là
2
u s max  U dc nên khi ta thay vào công thức (1.21) ta có được:
3
2


(1.24)
T max 
Ts cos     ; 0    
3
3
6

Từ công thức (1.24) ta vẽ được đồ thị hình 1.11a. Vì thời gian tổng T luôn





bị giới hạn bởi Ts nên thực tế vùng thực sự có ích cho việc điều chế vector
điện áp chỉ nằm bên trong hình lục giác đều được giới hạn bởi đỉnh các vector
chuẩn như hình 1.11b:

Hình 1.11 Minh họa giới hạn vùng có ích khi điều chế điện áp

Trong thực tiễn để giảm sóng hài bậc cao, ta chỉ sử dụng vùng bên trong
đường tròn nội tiếp lục giác trên. Khi đó điện áp sẽ có module tối đa là
1
u s max 
U dc . Trong phương pháp điều chế độ rộng xung sin (SPVM) với biên
3
1
độ thành phần điện áp cơ bản nhỏ hơn và chỉ bằng u s  U dc .
2

24


Khi đó hệ số điều chế M của phương pháp điều chế vector đạt tối đa là :
U dc
2
M 3 
 1,155 .
U dc
3

2
Udc
us

Và chỉ số điều chế m là : m 
 3 
 0.907
2U
u ref
2 3
dc



Tuy nhiên, khi ta chỉ sử dụng đường tròn nội tiếp tam giác làm đường tròn
giới hạn sẽ gây lãng phí phần điện áp phần điện tích giữa lục giác và đường
tròn. Ta tận dụng phần diện tích này bằng cách khống chế T bởi Ts . Khi T
vượt quá Ts thì ta không thực hiện hai vector có module bằng không nữa và các
góc một phần sáu chỉ còn một nhánh van tham gia điều chế.
Ngoài ra ta phải chú ý tới phạm vi mở van (module điện áp) phải được giới
hạn sao cho hai giá trị T0 ,T7 phải luôn lớn hơn thời gian đóng ngắt của các van
IGBT và giá trị của T1 ,T2 không bao giờ được phép nhỏ hơn thời gian chạy các
thủ tục xử lý ngắt của chương trình. Vì vậy nên ta có thêm một hạn chế nữa đối
với vùng diện tích có ích trong việc đều chế. Vùng hạn chế này là vùng cấm
điện áp như hình 1.12:

Hình 1.12 Vùng cấm điện áp trên toàn bộ mặt phẳng vector

Ta nên lưu ý tới tính đồng bộ cần được đảm bảo giữa việc xử lý số liệu và
điều chế băm xung điện áp điều chế. Khi xảy ra quá trình quá độ làm cho các

khung Ts trong từng xung nhịp là khác nhau. Để đảm bảo sự đồng bộ hóa cho
từng chu kì và thời gian xử lý đóng ngắt trong từng nhịp xung không bị lệch, dễ
dàng cho các bộ đếm tiến lùi của vi xử lý vì thế ta tiến hành tách vector u 0 ra
hai đầu của mỗi chu kì. Xét đại điện trong sector S1 như sau:
25