Nghiên cứu chế tạo bộ nghịch lưu một pha chuẩn sin

Đồ án tốt nghiệp

TS. Nguyễn Hoàng Mai

LỜI NÓI ĐẦU
Như chúng ta đã biết, hiện nay nước ta đang bước vào quá trình công nghiệp
hóa - hiện đại hóa, cùng với đó là xây dựng cơ sở hạ tầng ngày càng phát triển.Trong
đó năng lượng điện là yếu tố hết sức quan trọng cho việc xây dựng và phát triển đó.
Nhưng thực trạng ngành điện sản xuất không đủ để cung cấp cho nền công
nghiệp và đảm bảo mọi người dân luôn có điện. Chính vì vậy nhu cầu về điện của
người dân luôn tăng cao mà lượng sản xuất không đáp ứng được yêu cầu.
Do vậy đề tài này với mục đích nghiên cứu và xây dựng bộ biến đổi cho phép
khi mất điện lưới ta vẫn có thể sử dụng năng lượng từ acquy để thắp sáng, cũng như để
sử dụng một số vật dụng như quạt, tivi, động cơ...
Trên thị trường hiện nay có rất nhiều lựa chọn cho các bộ nghịch lưu với rất
nhiều mức giá, cấp chất lượng, hiệu suất và công suất khác nhau. Các bộ nghịch lưu
sin thuần thường sử dụng các linh kiện số công suất cao và đắt tiền trong khi đó các bộ
nghịch lưu sin mô phỏng rất đơn giản do không có phần tạo xung phức tạp tuy nhiên
điện áp đầu ra chứa nhiều nhiễu có thể gây ảnh hưởng tới các thiết bị nhạy cảm. Mục
tiêu của đề tài này là phân tích một loại thiết kế khác có thể cho phép tạo ra các bộ
nghịch lưu một pha sin thuần có hiệu suất cao và giá thành thấp và có thể ứng dụng
thực tế trong sản xuất. Bộ nghịch lưu này sử dụng kỹ thuật điều biến độ rộng xung để
tạo ra sin gần thuần với nhiễu rất nhỏ.
Em xin chân thành cảm ơn các thầy cô trong khoa Điện, bộ môn tự động hóa và
đặc biệt là thầy Nguyễn Hoàng Mai đã hướng dẫn em hoàn thành đồ án này. Tronhg
quá tình thực hiện làm đồ án nên không thể không mắc phải sai sót, em mong được sự
chỉ bảo tận tình của các thầy cô.
Đà Nẵng, ngày 8 tháng 12 năm 2016
Sinh viên thực hiện
Trần Đăng Hùng

SVTH: Trần Đăng Hùng

1


Đồ án tốt nghiệp

TS. Nguyễn Hoàng Mai

TÓM TẮT
Đề tài này tập trung nghiên cứu, thiết kế, chế tạo bộ nghịch lưu một pha có sóng
đầu ra dạng hình sin, công suất 1kW. Tất cả các công việc của đề tài bao gồm: tìm
hiểu lý thuyết tổng quan về các bộ nghịch lưu, nghiên cứu các phương pháp điều khiển
bộ nghịch lưu, thiết kế tính toán mạch trên phần mềm Altium, thiết kế và thi công mô
hình thực tế.
Yêu cầu ban đầu đưa ra của đề tài như sau:
“ Thiết kế chế tạo bộ nghịch lưu 12VDC/220VAC, tần số 50Hz, công suất 1kW, sóng
đầu ra dạng thuần sin”
Thông số : UDC = 12V, UAC = 220V, f = 50Hz , Công suất P = 1kW.
Bản thuyết minh cho đề tài được chia làm 4 chương:
Chương 1: Tổng quan các bộ nghịch lưu, khái niệm bộ nghịch lưu, phân loại các bộ
nghịch lưu, nguyên lý cơ bản của từng bộ nghịch lưu và phương pháp điều chế độ rộng
xung.
Chương 2: Nêu ra yêu cầu đối với sự cần thiết điều khiển bộ nghịch lưu, phân loại các
phương pháp điều khiển, phân tích ưu và nhược điểm của phương pháp điều biến độ
rộng xung SinPWM và SVPWM.
Chương 3: Thiết kế tính toán mạch động lực và mạch điều khiển, từ thông số yêu cầu
đặt ra và lựa chọn các linh kiện hợp lý nhất.
Chương 4: Mô hình thực nghiệm của bộ nghịch lưu, phân tích, đánh giá kết quả.
Kết quả xong khi hoàn thành đồ án đã tạo ra thiết bị điện tử nhỏ gọn, giá thành

phù hợp với mọi người dân, sử dụng acquy để dùng khi mất điện.

SVTH: Trần Đăng Hùng

2


Đồ án tốt nghiệp

TS. Nguyễn Hoàng Mai

KẾ HOẠCH THỰC HIỆN
1. Tiến trình thực hiện đề tài

Tìm hiểu lý thyết

Lập trình/ Mô phỏng

Đánh giá

Viết báo cáo

Thời gian
Sinh viên

Tháng

Tháng

Tháng

Tháng

Tháng

08/2016

09/2016

10/2016

11/2016

12/2016

Trần Đăng Hùng

2. Đóng góp của mỗi thành viên
2.1 Trần Đăng Hùng
- Tìm hiểu lý thuyết về bộ nghịch lưu.
- Thiết kế mạch phần cứng và lập trình.
- Thi công mạch thực tế.

SVTH: Trần Đăng Hùng

3


Đồ án tốt nghiệp

TS. Nguyễn Hoàng Mai

MỤC LỤC

SVTH: Trần Đăng Hùng

4


Đồ án tốt nghiệp

SVTH: Trần Đăng Hùng

TS. Nguyễn Hoàng Mai

5


Đồ án tốt nghiệp

TS. Nguyễn Hoàng Mai

DANH MỤC HÌNH VẼ

DANH MỤC BẢNG BIỂU

SVTH: Trần Đăng Hùng

6

Đồ án tốt nghiệp

TS. Nguyễn Hoàng Mai

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT
PWM:

Pule Width Modulation

SinPWM:

Sine Pule Width Modulation

VPWM:

Vector Pule Width Modulation

AC:

Alternating Current

DC:

Direct Current

HR:

High right

LR:

Low right

LL:

Low left

HL:

High left

LV:

Low volt

TDH:

Total Distortion Harmonic

SVTH: Trần Đăng Hùng

7


Đồ án tốt nghiệp

TS. Nguyễn Hoàng Mai

CHƯƠNG 1

TỔNG QUAN VỀ CÁC BỘ NGHỊCH LƯU

Trong chương này, chúng ta sẽ tìm hiểu tổng quan về các bộ nghịch lưu một pha
như là khái niệm bộ nghịch lưu, phân loại các bộ nghịch lưu, nguyên lý cơ bản của
từng bộ nghịch lưu và lưa chọn phương pháp tối ưu để làm đề tài.

1.1

Tổng quan về các bộ nghịch lưu

1.1.2 Khái niệm về nghịch lưu
Nghịch lưu là quá trình biến đổi dòng điện một chiều thành dòng điện xoay
chiều với tần số cố định hoặc thay đổi.
1.1.3 Phân loại nghịch lưu
1.1.3.1

Nghịch lưu phụ thuộc

Nghịch lưu phụ thuộc có tần số điện áp của dòng điện xoay chiều chính là tần
số không thể thay đổi của lưới điện. Sự hoạt động của nghịch lưu này phải phụ thuộc
vào điện áp lưới vì tham số điều chỉnh duy nhất là góc điều khiển α được xác định theo
tần số và pha của lưới điện xoay chiều.
1.1.3.2

Nghịch lưu độc lập

Nghịch lưu độc lập hoạt động ở tần số ra do mạch điều kiển quyết định và có
thể thay đổi tùy ý, tức là độc lập với lưới điện.
Nghịch lưu độc lập được chia làm 3 loại:

- Nghịch lưu độc lập điện áp
Cho phép biến đổi từ điện áp một chiều E thành nguồn điện xoay chiều có tính
chất như điện áp lưới. Trạng thái không tải là cho phép còn trạng thái ngắn mạch tải là
sự cố. Van bán dẫn trong nghịch lưu độc lập điện áp hoạt động dưới tác động của suất
điện động một chiều E, vì vậy thích hợp là van điều khiển hoàn toàn: các loại
transistor, BJT, MOSFET, IGBT...
- Nghịch lưu độc lập dòng điện
Biến đổi nguồn dòng một chiều thành dòng xoay chiều có tần số tùy ý. Đặc
điểm cơ bản của bộ nghịch lưu dòng là nguồn một chiều cấp điện cho bộ biến đổi phải
là nguồn dòng, do đó điện cảm đầu vào L d thường có giá trị lớn vô cùng để dòng điện
là liên tục.
SVTH: Trần Đăng Hùng

Trang 8


Đồ án tốt nghiệp

-

TS. Nguyễn Hoàng Mai

Nghịch lưu độc lập cộng hưởng
Có đặc điểm khi hoạt động luôn hình thành một mạch vòng dao động cộng

hưởng RLC. Với nghịch lưu độc lập dòng điện và nghịch lưu độc lập công hưởng, do
tính chất mạch cho phép ứng dụng tốt van bán điều khiển thysistor nên chúng thường
được dùng.

1.2

Cấu tạo và nguyên lý

1.2.2 Nghịch lưu độc lập điện áp một pha
1.2.2.1

Cấu tạo

Sơ đồ nghịch lưu áp một pha được mô tả như sơ đồ hình 1.1. Sơ đồ gồm 4 van
động lực chủ yếu là: T1, T2, T3, T4 và các diode D1, D2, D3, D4 dùng để trả công
suất phản kháng về lưới và như vậy tránh được hiện tượng quá áp ở đầu nguồn.
Tụ C được mắc song song với nguồn để đảm bảo cho nguồn đầu vào là nguồn hai
chiều (nguồn một chiều thường được cấp bởi chỉnh lưu chỉ cho phép dòng đi theo một
chiều).
Như vậy tụ C thực hiện việc tiếp nhận công suất phản kháng của tải, đồng thời tụ C
còn đảm bảo cho nguồn đầu vào là nguồn áp.

Hình 1-1: Sơ đồ nghịch lưu cầu một pha
1.2.2.2

Nguyên lý làm việc

Ở nửa chu kỳ đầu (2) cặp van T1, T2 dẫn điện, phụ tải được đấu vào nguồn. Do
nguồn là nguồn áp lên điện áp trên tải Ut = E, hướng dòng điện là đường nét đậm.

SVTH: Trần Đăng Hùng

Trang 9

Đồ án tốt nghiệp

TS. Nguyễn Hoàng Mai

Tại thời điểm 2), T1 và T2 bị khóa, đồng thời T3 và T4 mở ra tải sẽ được đấu vào
nguồn theo chiều ngược lại, tức là dấu điện áp trên tải sẽ đảo chiều và U t = - E tại thời
điểm 2.
Do tải mang tính trở cảm nên dòng vẫn giữ nguyên hướng cũ (đường nét đậm)
T1, T2 bị khóa nên dòng phải khép mạch qua D3, D4. Suất điện động cảm ứng trên tải
sẽ trở thành nguồn trả năng lượng thông qua D3, D4 về tụ C (đường nét đứt).
Tương tự như vậy đối với chu kỳ tiếp theo khi khóa cặp T, T dòng tải sẽ khép
mạch qua D1 và D2.
Đồ thị điện áp tải Ut, dòng điện tải i t, dòng qua diode iD và dòng qua thyristor
được biểu diễn trên hình 1.2.

Hình 1-2: Đồ thị nghịch lưu áp cầu một pha
Trên thực tế người ta thường dùng nghịch lưu áp với phương pháp điều chế độ
rộng xung PWM để giảm bớt được kích thước của bộ lọc. Nguyên lý của phương pháp
này sẽ được nghiên cứu ở phần sau.

SVTH: Trần Đăng Hùng

Trang 10


Đồ án tốt nghiệp

1.2.2.3

TS. Nguyễn Hoàng Mai

Ưu điểm và nhược điểm nghịch lưu độc lập điện áp

 Ưu điểm
 Điều chỉnh được tần số f.
 Điên áp ra của nghịch lưu có thể dùng các phương pháp khác nhau để giảm
sóng hài bậc cao.
 Các van được sử dụng là các van điều khiển hoàn toàn là do đó dễ dàng điều
khiển đóng cắt các van.
 Công suất bộ biến đổi phụ thuộc vào công suất của van, mà công suất của van
động lực ngày càng lớn với kích thước ngày càng nhỏ gọn.
 Nhược điểm
 Số lượng van sử dụng khá nhiều.
 Điện áp ra có sóng hài bậc cao ảnh hưởng tới thiết bị điện.

Hình 1-3: Các sóng hài bậc cao

1.2.3 Bộ nghịch lưu độc lập dòng một pha
 Cấu tạo:

SVTH: Trần Đăng Hùng

Trang 11


Đồ án tốt nghiệp

TS. Nguyễn Hoàng Mai

Hình 1-4: Sơ đồ nghịch lưu cầu một pha

Điện áp xoay chiều được chỉnh lưu thành một chiều nhờ bộ chỉnh lưu có điều
khiển, điện áp một chiều sau chỉnh lưu được đưa qua cuộn kháng lọc. Cuộn kháng lọc
có tác dụng biến nguồn điện sau chỉnh lưu thành nguồn dòng để cung cấp cho mạch
nghịch lưu. Đối với bộ nghịch lưu dòng điện cung cấp từ nguồn điện một chiều thực tế
là không đổi, không phụ thuộc vào hiện tượng của bộ nghịch lưu trong khoảng làm
việc trước đó. Trong thực tế thì bộ nghịch lưu nguồn dòng được cung cấp bằng nguồn
điện một chiều qua cuộn dây có điện cảm lớn, điều đó cho phép làm thay đổi điện áp
của bộ nghịch lưu.
 Nguyên lý làm việc:
Xét sơ đồ cầu: Các tín hiệu điều khiển được đưa vào từng đôi thyristor T 1 , T2 thì
lệch pha với tín hiệu điều khiển đưa vào đôi T3, T4 một góc 1800.
Điện cảm đầu vào nghịch lưu đủ lớn L d = ∞ do đó dòng điện đầu vào được san
phẳng, nguồn cấp cho nghịch lưu là nguồn dòng và dạng dòng điện của nghịch lưu i N
có dạng xung vuông.
Khi đưa xung vào mở cặp van T1 , T2 dòng điện iN = id = Id. Đồng thời dòng qua
tụ C tăng lên đột biến, tụ C bắt đầu được nạp điện với dấu “+” ở bên trái và dấu “-” ở
bên phải. Khi tụ C nạp đầy, dòng qua tụ giảm về không. Do i N = iC + iZ = Id = hằng số,
nên lúc đầu dòng qua tải nhỏ và sau đó dòng qua tải tăng lên. Sau một nửa chu kỳ t = t1
người ta đưa xung vào mở cặp van T3, T4. Cặp T3, T4 mở tạo ra quá trình phóng điện
của tụ C từ cực “+” về cực “-”. Dòng phóng ngược chiều với dòng qua T 1 và T2 sẽ làm
cho T1 và T2 bị khóa lại.

SVTH: Trần Đăng Hùng

Trang 12


Đồ án tốt nghiệp

TS. Nguyễn Hoàng Mai

Hình 1-5: Giản đồ xung của nghịch lưu cầu một pha
Quá trình chuyển mạch xảy ra gần như tức thời. Sau đó tụ C sẽ được nạp điện
theo chiều ngược lại với cực tính “+” ở bên phải và cực tính “-” ở bên trái, dòng
nghịch lưu iN = id = Id nhưng đã đổi dấu. Đến thời điểm t = t2 người ta đưa xung vào mở
T1, T2 thì T3, T4 sẽ bị khóa lại và quá trình được lặp lại như trước.
Như vậy chức năng cơ bản của tụ C là làm nhiệm vụ chuyển mạch cho các
thyristor. Ở thời điểm t1, khi mở T3 và T4, thyristor T1 và T2 sẽ bị khóa lại bởi điện áp
ngược của tụ C. Khoảng thời gian duy trì điện áp ngược t 1 + t1’ là cần thiết để duy trì
quá trình khóa và phục hồi tính chất điều khiển van và t 1 - t1’ = tk toff ; toff là thời gian
khóa của thyristor hay chính là thời gian phục hồi tính chất điều khiển.
Trong đó : . tk = là góc khóa của nghịch lưu.
 Ưu điểm:
 Có khả năng vượt qua được các sự cố chuyển mạch và tự phục hồi về trạng thái
làm việc bình thường.
 Có khả năng hãm tái sinh trả năng lượng về lưới bằng đảo dấu cực tính của điện
áp một chiều trong khi chiều dòng điện không đổi chiều. Vì vậy không cần yêu
SVTH: Trần Đăng Hùng

Trang 13


Đồ án tốt nghiệp

TS. Nguyễn Hoàng Mai

cầu thêm bộ chỉnh lưu đảo chiều điện áp. Sự làm việc của động cơ khi độ trượt
âm sẽ tự động đảo dấu điện áp một chiều vì dòng điện một chiều là đại lượng
được điều khiển. Do đó trong bộ nghịch lưu nguồn dòng năng lượng sẽ được tự
động nghịch lưu trả về lưới.

 Nhược điểm:
 Không thể làm việc được ở chế độ không tải.
 Kích thước của tụ điện và điện cảm lọc nguồn một chiều khá lớn. Các tụ chuyển
mạch phải có trị số lớn cần thiết để thu nhận năng lượng của cuộn dây stator khi
chuyển mạch.
 Để đảm bảo năng lượng phản kháng tối thiểu thì động cơ phải được thiết kế sao
cho điện cảm tản nhỏ nhất. Điều này sẽ làm tăng mức giá động cơ.
1.2.4 Nghịch lưu cộng hưởng
Đặc điểm cơ bản của nghịch lưu cộng hưởng là quá trình chuyển mạch của van
dựa vào hiện tượng cộng hưởng. Giá trị điện cảm không lớn như nghịch lưu dòng (L d=
∞) và không nhỏ hơn nghịch lưu áp (L d= 0), mà chiếm một vị trí trung gian sao cho
khi kết hợp với điện cảm của tải Lt và tụ điện C thì trong mạch xuất hiện dao động.
1.2.4.1

Nghịch lưu cộng hưởng song song

Hình 1-6: Nghịch lưu cộng hưởng song song và giản đồ xung

SVTH: Trần Đăng Hùng

Trang 14


Đồ án tốt nghiệp

TS. Nguyễn Hoàng Mai

Xét sơ đồ hình 1-10, khi t=0 cặp van T1, T2 được mở ra. Tụ C được nạp qua mạch
(+) → Ld → T1 → Zt → T2 → (-). Dòng nạp cho tụ có dạng hình sin vì dao động cộng
hưởng.

Tại thời điểm dòng đi qua tải giảm về không do đó T 1 và T2 bị khoá lại. Trong
khoảng thời gian từ đến tất cả các thyristor đều bị khóa lại và L t = 0. Điện áp trên T1,
T2 bằng nửa điện áp trên tụ Uc và điện áp nguồn E. Điện áp trên tụ trong khoảng thời
gian ÷ phải lớn hơn nguồn E đảm bảo khóa T 1 và T2 chắc chắn. Tại thời điểm cặp van
T3 và T4 mở ra. Điện áp trên T 1 và T2 bằng điện áp nghịch lưu của tụ C đặt lên (= Uc),
tụ được nạp theo chiều ngược lại và đảo dấu. Dòng nạp của tụ C cũng mang tính dao
động và giảm về không ở thời điểm . Lúc này T3 và T4 khóa lại.
1.2.4.2

Nghịch lưu cộng hưởng nối tiếp

Sơ đồ gồm 2 cuộn dây L1, L2 được quấn trên cùng một lõi thép để tạo ra hiện
tượng cảm ứng, tụ C được mắc nối tiếp với tải.
Các giá trị của L1, L2, C và Rt được chọn sao cho dòng qua thyristor là dòng dao
động.

Hình 1-7: Mạch nghịch lưu cộng hưởng nối tiếp và sơ đồ thay thế


Nghịch lưu nối tiếp có ba chế độ làm việc:



Chế độ khóa tự nhiên: f0 > f, dòng qua T1 giảm về không sau một thời gian mới
mở T2, chế độ này tương tự như chế độ làm việc của nghịch lưu song song.



Chế độ giới hạn: f0 = f dòng qua T1 giảm về không thì T2 được mở ra vì vậy
chế độ này đảm bảo dòng tải it và điện áp trên tải Ut là hình sin.

SVTH: Trần Đăng Hùng

Trang 15


Đồ án tốt nghiệp



TS. Nguyễn Hoàng Mai

Chế độ chuyển mạch cưỡng bức: f0 < f khi T1 còn chưa khóa đã kích xung mở
cho T2.
Nghịch lưu nối tiếp có thể làm việc ở chế độ 2 và 3 ở trên là do hiện tượng cảm

ứng của hai cuộn L1 và L2.
Khi T1 còn đang dẫn đã mở cho T2, dòng phóng qua tụ C qua L2 và T2 sẽ gây
nên hiện tượng cảm ứng trong cuộn L 2. Sức điện động này có có dấu chống lại sự tăng
của dòng, tức là (+) ở bên trái và (-) ở bên phải.
Do L1 và L2 quấn trên cùng một lõi thép nên sức điện động này cảm ứng lên L 1.
Các tham số được chọn sao cho Ut < 0 nên T1 sẽ bị khóa lại.
Nghịch lưu chủ yếu làm việc ở hai chế độ trên. Nghịch lưu nối tiếp làm việc với
dải phụ tải thay đổi tương đối rộng.
Để giữ cho điện áp trên tải là không đổi khi phụ tải thay đổi, thay đổi tần số của
xung điều khiển f.
Chế độ f > f0 là chế độ mà nghịch lưu cộng hưởng làm việc như chế độ nghịch
lưu dòng điện.
1.2.5 Cải thiện điện áp ra cho nghịch lưu độc lập điện áp
Nếu tải ra không đòi hỏi về dạng áp hình sin sẽ không cần quan tâm đến bộ loc.

Tuy nhiên với tải xoay chiều được thiết kế chế tạo để làm việc với nguồn điện áp hình
sin (như động cơ điện, máy biến áp lực...) cần phải cải thiện dạng điện áp ra theo yêu
cầu của tải. Có một số phương pháp sau được sử dụng:
Dùng bộ lọc tần số thụ động với dòng tải lớn và điện áp cao bộ lọc phải thực
hiện bằng các phần tử thụ động L và C, điều này dẫn đến tổn thất công suất không thể
tránh khỏi làm giảm hiệu suất hệ thống, mặt khác là tăng đáng kể kích thước thiết bị.
Hơn nữa hiệu quả lọc tần của bộ lọc thụ động không cao.
Phương pháp cộng điện áp nhiều nghịch lưu độc lập với góc pha lệch nhau hoặc
tần số khác nhau. Phương pháp này thực hiện khá đơn giản, các van hoạt động nhẹ
nhàng vì tần số chuyển mạch thấp, nhưng mạch động lực, mạch điều khiển phức tạp.
Phương pháp băm xung chọn lọc trong khoảng van dẫn: các van không đóng
mở nhiều lần như trong phương pháp điều chế PWM mà thường chỉ dưới 10 lần.

SVTH: Trần Đăng Hùng

Trang 16


Đồ án tốt nghiệp

TS. Nguyễn Hoàng Mai

Phương pháp này chỉ phù hợp khi sử dụng các van không có khả năng làm việc ở tần
số cao như GTO, IGBT hay thysistor (có kèm chuyển mạch cưỡng bức).
Phương pháp điều chế PWM: trong một khoảng dẫn của van, transistor không
dẫn liên tục mà đóng cắt rất nhiều lần với độ rộng xung dẫn thay đổi. Ưu điểm của kỹ
thuật này là:
-

Các thành phần điều hòa của điện áp hoặc dòng điện ra bị đẩy sang phía tần số

-

cao, do đó dễ lọc.
Cho phép thay đổi điện áp ra bằng sơ đồ có hai khóa chuyển mạch trong một

pha.
Kỹ thuật PWM liên quan chặt chẽ đến các bộ biến đổi điện tử công suất góp phần làm
giảm tổn hao chuyển mạch, tăng tần số làm việc của chúng.
1.2.6 Điều chế PWM cho nghịch lưu độc lập điện áp một pha
1.2.6.1

Pule Width Modulation (PWM)

PWM là phương pháp điều chỉnh điện áp ra tải hay nói cách khác là phương
pháp điều chế dựa trên sự thay đổi độ rộng của mỗi chuỗi xung vuông dẫn đến sự thay
đổi điện áp ra. Các PWM khi biến đổi thì có cùng một tần số và khác nhau và độ rộng
của sườn xung dương hoặc là sườn âm.

Hình 1-8: Đồ thị dạng xung điều chế PWM
Gọi t1 là thời gian xung ở sườn dương (khóa mở) còn T là thời gian cả sườn âm
và dương, Umax là nguồn xung cấp cho tải.
Ud = Umax.( t1/T) [V] hay Ud = Umax.D
SVTH: Trần Đăng Hùng

Trang 17


Đồ án tốt nghiệp

TS. Nguyễn Hoàng Mai

Với D = t1/T là hệ số điều chỉnh và tính bằng %.
Như vậy ta nhìn trên đồ thị dạng điều chế xung thì ta có điện áp trung bình trên
tải sẽ là:
• Ud = 12.30% = 3,6 V (với D = 30%)
• Ud = 12.60% = 7,2 V (với D = 60%)
• Ud = 12.90% = 10,8 V (với D = 90%)
1.2.6.2

Các phương pháp PWM

a) Phương pháp điều khiển PWM đơn cực
Hai đại lượng cần phải quan tâm khi xem xét PWM là: sóng mang và sóng điều
biên:
• Sóng mang: là sóng tam giác có tần số lớn, có thể hàng chục thậm chí hàng trăm kHz.
• Sóng điều biên: là sóng hình sin có tần số bằng tần số sóng cơ ban đầu ra của bộ
nghịch lưu. Sóng điều biên chính là sóng mong muốn ở đầu ra của bộ nghịch lưu.

Hình 1-9: Điện áp ra của bộ nghịch lưu PWM đơn cực
Nhận thấy rằng điện tích của mỗi xung gần với điện tích dưới dạng sóng hình
sin mong muốn giữa hai khoảng liên tiếp. Các điều hòa của sóng điều chế theo phương
pháp PWM giảm rõ rệt theo phương pháp này.
Để xác định thời điểm kích mở cần thiết để tổng hợp đúng dạng sóng đầu ra
theo phương pháp PWM (đơn cực) trong mạch điều khiển người ta tạo một sóng sin
chuẩn mong muốn và so sánh nó với một dãy xung tam giác được biểu diễn trên hình
dưới. Giao điểm của hai sóng xác định thời điểm kích mở van bán dẫn.

SVTH: Trần Đăng Hùng

Trang 18


Đồ án tốt nghiệp

TS. Nguyễn Hoàng Mai

Hình 1-10: Đồ thị xác định thời điểm kích mở van công suất
Điện áp đầu ra của bộ nghịch lưu dùng phương pháp PWM cực đại khi ở chế độ
xung vuông, có nghĩa là khi đó đầu ra của PWM giống như bộ nghịch lưu nguồn áp.
Khi điện áp điều khiển càng giảm thì bề rộng của xung càng giảm và độ trống xung
tăng lên, do vậy điện áp ra giảm. Vì vậy có thể điều khiển điện áp đầu ra bằng điện áp
điều khiển.
Quá trình đưa xung có tần số cao và sẽ tạo ra đóng cắt tần số lớn do vậy sẽ làm
tăng các điều hòa bậc cao. Nhưng có thể dễ dàng lọc ra điều hòa bậc thấp và tấn số cơ
bản sin hơn. Bên cạnh đó động cơ là tải điện cảm nên dễ dàng làm suy giảm các điều
hòa bậc cao cả điện áp và dòng điện.
b) Phương pháp điều khiển PWM lưỡng cực
Thay cho phương pháp điều khiển PWM đơn cực để nâng cao chất lượng điều
khiển ta có phương pháp điều khiển PWM lưỡng cực. Các MOSFET kích mở theo
từng cặp nhằm tránh khoảng điện áp về không (lưỡng cực). Phần điện áp nữa chu kì
đầu rất ngắn. Để xác định thời điểm van bán dẫn người ta điều chế sóng tam giác tần
số cao bằng sóng sin chuẩn. Vì vậy không tạo độ lệch pha giữa sóng tam giác và sóng
sin cần điều biên.

SVTH: Trần Đăng Hùng

Trang 19

Đồ án tốt nghiệp

TS. Nguyễn Hoàng Mai

Hình 1-11: Điều chế độ rộng xung lưỡng cực
c) So sánh hai phương pháp trên
Hai phương pháp trên là hai phương pháp nghịch lưu cơ bản. Về cấu trúc mạch
động lực không có gì khác nhau mà khác nhau về nguyên tắc điều khiển chuyển mạch
các van bán dẫn. Hai phương pháp trên có chứa ưu điểm và nhược điểm nhất định.

•

Phương pháp điều khiển PWM đơn cực:
Ưu điểm:
Mạch điều khiển đơn giản do không có phần tử điện áp âm trong thành phần
điện áp pha. Số lượng chuyển mạch của các van bán dẫn ít do vậy tổn hao chuyển

mạch thấp.
•
Nhược điểm:
Điện áp ra có biên độ không cao khi điện áp ra yêu cầu giá trị cận không thì khó
đáp ứng khả năng chuyển mạch của các van bán dẫn.

Phương pháp điều khiển PWM lưỡng cực:
•
Ưu điểm:
Điện áp ra có biên độ lớn, có khả năng điều khiển điện áp nhỏ cũng như tần số.
Khả năng đáp ứng yêu cầu cao về ổn định dòng.
• Nhược điểm:
Sự phức tạp của mạch điều khiển do phải phân phối đóng cắt của các van bán

dẫn. Phổ sóng hài của điều chế đơn cực tốt hơn điều chế lưỡng cực.

SVTH: Trần Đăng Hùng

Trang 20


Đồ án tốt nghiệp

TS. Nguyễn Hoàng Mai

Kết luận: Trong chương này, chúng ta đã tìm hiểu được khái niệm của bộ nghịch
lưu, phân loại các bộ nghịch lưu, cấu tạo và nguyên lý của từng bộ nghịch lưu cơ bản,
phân tích ưu điểm và nhược điểm, các phương pháp cải thiện điên áp ra của bộ nghịch
lưu.

SVTH: Trần Đăng Hùng

Trang 21


Đồ án tốt nghiệp

CHƯƠNG 2

CHI TIẾT PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN BỘ
NGHỊCH LƯU

Trong chương này, chúng ta sẽ tìm hiểu các yêu cầu đặt ra khi điều khiển bộ nghịch
lưu, phân loại các phương pháp điều khiển, tìm hiểu nguyên lý của các phương pháp,

ưu và nhược điểm của các phương pháp điều khiển cơ bản.

2.1 Yêu cầu đặt ra
Từ chương 1 ta thấy, khi nghịch lưu áp một pha thì đồ thị điện áp pha có dạng bậc
thang và dòng điện pha có dạng gấp khúc, rất không phù hợp cho động cơ không đồng
bộ, mặt khác biên độ điện áp là cố định, không điều chỉnh được. Vì vậy cần thiết phải
thực hiện các phương pháp điều chế gọi là các phương pháp điều khiển bộ nghịch lưu.
Yêu cầu cơ bản của các thuật toán điều chế để hoạt động của bộ nghịch lưu có hai
mục đích chính:
• Điều chỉnh được giá trị điện áp, dòng điện về biên độ và tần số.
• Tối thiểu hóa tổng các thành phần sóng hài.

2.2 Phân loại
Có nhiều phương pháp để điều khiển bộ nghịch lưu áp để tạo ra điện áp có biên độ
và tần số mong muốn cung cấp cho động cơ.
2

Phương pháp điều biến độ rộng xung

Một trong những phương pháp được sử dụng rộng rãi để điều khiển sóng ra xoay
chiều của các bộ biến đổi điện tử công suất là phương pháp điều chế độ rộng xung
(Pulse Width Modulation – PWM). Đó là kỹ thuật thay đổi chu kỳ làm việc của các van
trong bộ biến đổi với tần số thấp hơn. Có một số xu hướng rõ ràng để phát triển, cải
tiến phương pháp PWM đó là giảm độ méo dạng sóng hài và tăng biên độ sóng ra ứng
với một tần số đóng mở đưa ra. Do đó có nhiều phương pháp điều chế khác nhau và
dẫn đến cấu trúc bộ biến đổi cũng khác nhau.
Đối với bộ nghịch lưu nguồn áp thì phương pháp PWM có những ưu nhược
điểm như sau:
 Ưu điểm:


Điện áp ra được điều khiển mà không thêm bất kỳ thiết bị nào.


Đồ án tốt nghiệp



Hài bậc thấp có thể được giảm thiểu hoặc loại bỏ. Khi hài bậc cao được lọc
dễ dàng thì bộ lọc sẽ gọn hơn.

 Nhược điểm:


Cần phải chọn van có thời gian đóng mở bé, vì vậy tăng giá thành sản
phẩm.

 Phương pháp điều biến độ rộng xung phân chia thành hai loại:


Phương pháp điều rộng xung SinPWM.



Phương pháp điều chế vector không gian SVPWM.

2.2.2 Phương pháp điều biến sigma - delta
Nguyên lý của điều biến sigma - delta là có thể điều chỉnh giá trị trung bình của
một đại lượng không phải là biến trạng thái với điều kiện tích phân sẽ làm biến mất sự
gián đoạn của nó, hoặc ta cũng có thể điều chỉnh điện áp trên cực của nguồn dòng.

2.2.3 Phương pháp điều biến tính toán trước
Nguyên lý của điều biến tính toán trước là thay cho việc xác định các góc
chuyển mạch trong thời gian thực bằng kỹ thuật điện tử tự hay kỹ thuật số, ta có thể
tính toán trước, lưu giữ trong bộ nhớ rồi sử dụng bộ vi xử lý điều khiển các khóa
chuyển mạch.
Trong nội dung đề tài ta chỉ nghiên cứu phương pháp điều biến độ rộng xung PWM.

2.3 Các phương pháp PWM
2

Phương pháp điều rộng xung SinPWM
2.3.2.1

Nguyên lý điều chế

Để tạo ra điện áp xoay chiều bằng phương pháp SinPWM, ta sử dụng một tín
hiệu xung tam giác vtri (gọi là sóng mang) đem so sánh với một tín hiệu sin chuẩn v c
(gọi là tín hiệu điều khiển). Nếu đem xung điều khiển này cấp cho bộ nghịch 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 vc 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.
Khi:


Đồ án tốt nghiệp

vc > vtri , VA0 = Vdc/2
vc < ttri , VA0 = -Vdc/2

Hình 2-2: Nguyên lý của phương pháp điều chế SinPWM
2.3.2.2

Các công thức tính toán

Ta cần tính được biên độ hài bậc nhất của điện áp ngõ ra từ tỉ số biên độ giữa
sóng mang và sóng tam giác.
Ta có công thức sau tính biên độ của hài bậc nhất:
Ut = ma.

(2-1)

Hệ số điều chế biên độ ma được định nghĩa là tỷ số giữa biên độ của tín hiệu
điều khiển với biên độ của sóng mang:
ma =
Trong đó:
 ma : hệ số điều biến
 Vc: biên độ sóng điều khiển
 Vtri: biên độ sóng mang

(2-2)


Đồ án tốt nghiệp

Trong vùng tuyến tính (0 < ma < 1), biên độ của thành phần sin cơ bản V A0 (điện
áp pha) trong dạng sóng đầu ra tỷ lệ với hệ số điều biến theo công thức:
VA0 = ma.

(2-3)

Đối với điện áp dây là:
VAB = ma
Như vậy trong phương pháp này biên độ điện áp dây đầu ra bộ nghịch lưu chỉ có
thể đạt 86,67% điện áp một chiều đầu vào trong vùng tuyến tính (0 < ma < 1).
Hệ số điều chế tỷ số mf là tỷ số giữa tần số sóng mang và tần số tín hiệu điều
khiển:
mf =
Trong đó:


mf : hệ số điều chế tỷ số



ftri: tần số sóng mang, bằng tần số PWM



fc: tần số tín hiệu điều khiển

Giá trị của mf được chọn sao cho nên có giá trị dương và lẻ. Nếu m f là một giá
trị không nguyên thì trong dạng sóng đầu ra sẽ có các thành phần điều hòa phụ. Nếu m f
không phải là một số lẻ, trong dạng sóng đầu ra sẽ tồn tại thành phần một chiều và các
hài bậc chẵn. Giá trị của m f nên là bội số của 3 đối nghịch lưu áp ba pha vì trong điện
áp dây đầu ra sẽ triệt tiêu các hài bậc chẵn và hài là bội số của ba.
2.3.2.3

Ưu và nhược điểm của phương pháp SinPWM

 Ưu điểm:
 Nếu điện áp một chiều đầu vào không đổi, để điều chỉnh biên độ và tần số
của điện áp đầu ra ta chỉ việc điều chỉnh biên độ và tần số của tín hiệu sin
chuẩn vc.
 Nhược điểm:
 Đặc trưng cơ bản của phương pháp này là thành phần sóng điều hòa của điện
áp ra cao. Muốn giảm các sóng điều hòa bậc cao cần phải tăng tần số sóng
mang hay tần số PWM. Tuy nhiên càng tăng tần số PWM thì tổn hao chuyển
mạch lại tăng lên.