Nghiên cứu xây dựng các sách lược điều khiển không dùng cảm biến cho các chỉnh lưu ba pha có điều chế độ rộng xung

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

TRẦN QUYẾT TIẾN

NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG CÁC SÁCH LƯỢC ĐIỀU KHIỂN
KHÔNG DÙNG CẢM BIẾN CHO CÁC CHỈNH LƯU BA PHA CÓ
ĐIỀU CHẾ ĐỘ RỘNG XUNG

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
CHUYÊN NGÀNH: ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC :
PGS.TS. VÕ MINH CHÍNH
CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG:

Hà Nội – Năm 2011

19


Mở đầu
Trong những năm gần đây, sự phát triển của công nghệ chế tạo phần tử bán dẫn
cho phép sản xuất ra những phần tử bán dẫn ngày càng nhỏ gọn, chịu đợc dòng
điện và điện áp cao, khả năng đóng cắt với tần số cao, tổn hao công suất thấp. Các
bộ biến đổi sử dụng phần tử bán dẫn hiện đại nh IGBT, GTO, MOSFET dần thay
thế các bộ biến đổi truyền thống sử dụng diode, thyristor trong các ứng dụng yêu
cầu chất lợng điều khiển cao, phức tạp. Ưu điểm của các phần tử bán dẫn hiện đại
là khả năng điều khiển hoàn toàn quá trình đóng và ngắt với tần số cao. Khả năng
này cho phép bộ biến đổi có thể điều khiển đợc hoàn toàn vì các van có thể đóng

hoặc cắt bất cứ khi nào và có thể chuyển mạch hàng trăm lần trong một chu kỳ trong
khi các bộ biến đổi truyền thống chỉ có thể đóng mở một vài lần trong 1 chu kỳ.
Mặt khác do kỹ thuật điện tử phát triển dẫn đến hàng loạt thiết bị là các tải phi
tuyến, những bất lợi do tải phi tuyến mang đến có thể làm giảm độ tin cậy của thiết
bị, do đó cũng làm giảm giá trị của thiết bị. Từ khi phơng thức điều chế SVM ra
đời nó đợc ứng dụng và can thiệp vào sự đóng ngắt của các van bán dẫn. Các
phơng thức chỉnh lu thông thờng trở lên khó khăn trong việc giảm các sóng hài
dòng điện do tải phi tuyến gây ra trên thiết bị điện. Một kỹ thuật mới ra đời có thể
khắc phục đợc những khó khăn do tải phi tuyến mang lại, đó là phơng thức chỉnh
lu PWM. Do cách thức điều khiển bằng dòng, công suất mà ngời ta có thể chia
thành các phơng pháp điều khiển các nhau (VOC, VFOC, DPC, VF-DPC). Các
sách lợc điều khiển này đảm nhận phía chỉnh lu, còn phía nghịch lu ngời ta
cũng có các sách lợc điều khiển riêng. Chỉnh lu PWM đợc ứng dụng trong Biến
tần bốn góc phần t dùng bộ biến đổi BTB (Back- to - back):
Tăng độ tin cậy và khả năng sẵn sàng của hệ thống truyền tải năng lợng.
Tăng độ ổn định động và độ ổn định quá độ của lới.
Phát trả năng lợng về lới, có đặc tính động học tốt, hiệu suất biến đổi năng
lợng cao, cải thiện đáng kể hình dáng của dòng điện lới.
Với sự hớng dẫn của thầy giáo . PGS. TS Võ Minh Chính tôi xin chọn đề tài:
Nghiên cứu xây dựng các sách lợc điều khiển cho Chỉnh lu ba pha có điều
chế độ rộng xung

20


Trong luận văn này tác giả chỉ tập trung vào phần chỉnh lu PWM với các sách
lợc điều khiển và đợc tiến hành trong năm chơng. Mục tiêu là mô phỏng và kiểm
nghiệm các kết quả.
Chơng 1. Giới thiệu chung. Chỉ ra tầm quan trọng của chỉnh lu PWM trong
việc giảm các thảnh phần sóng hài do dòng điện tải phi tuyến gây ra. Và đợc ứng

dụng trong Biến tần BTB.
Chơng 2. Chỉnh lu PWM. Đi sâu vào mô tả toán học của chỉnh lu PWM và
mô tả toán học chỉnh lu PWM trên các hệ trục tọa độ. Các phơng pháp ớc lợng
điện áp và công suất cũng đợc đề cập trong chơng này.
Chơng 3. Điều khiển bộ chỉnh lu PWM theo phơng pháp tựa theo điện áp.
Chơng này nghiên cứu về hai phơng pháp VOC và VF-VOC, xây dựng mô hình
chung, mô hình điều khiển cho dòng điện và điện áp bộ biến đổi.
Chơng 4. Điều khiển bộ chỉnh lu PWM theo phơng pháp điều khiển công
suất trực tiếp, xây dựng mô hình chung, lập các khối tính toán chức năng, lập bảng
điều khiển.
Chơng 5. Tiến hành mô phỏng trên Matlap và Simulink
Em xin chân thành cảm ơn sự giúp đỡ tận tình của thầy giáo hớng dẫn PGS.
TS Võ Minh Chính, của các thầy cô bộ môn Tự động hoá xí nghiệp công nghiệpKhoa Điện- Trờng Đại học Bách Khoa Hà Nội, cảm ơn các bạn bè và ngời thân
trong gia đình đã hết lòng giúp đỡ và tạo điều kiện thuận lợi cho tụi hoàn thành lun
vn ny. Do thời gian cho lun vn và trình độ bản thân có hạn nên lun vn này
không thể tránh khỏi thiếu sót. Tác giả rất mong sự góp ý của các thầy cô và bạn bè
để lun vn này đợc hoàn thiện hơn.
Ngày 28 tháng 09 năm 2011
Hoc viên

Trn Quyt Tin

21


Mục lục
Trang
2

Trang phụ bìa

Lời cam đoan
Mục lục
Danh mục các ký hiệu chữ viết tắt
Danh mục bảng
Danh mục hình vẽ, đồ thị
Mở đầu
Abstract

3
4
7
10
11
15
17
19

Chơng 1 Giới thiệu chung

1.1 ảnh hởng của sóng hài do tải phi tuyến gây ra trên các thiết bị điện và cách
19

khắc phục
1.2 nhợc điểm của các loại biến tần nguồn áp thông thờng

21

1.3 Các bộ biến đối có khả năng phát trả năng lợng về lới

23

1.3.1 Bộ biến tần nguồn dòng chỉnh lu thyristor

23

1.3.2 Bộ biến tần nguồn áp có mắc thêm 1 nghịch lu ở phía lới

24

1.3.3 Bộ biến tần dùng chỉnh lu PWM - biến tần BTB

25

1.4

Đặc điểm của hệ thống điều khiển năng lợng hai phía

26

1.5

kết luận

27
28

Chơng 2 Bộ Chỉnh lu PWM
2.1 Các sơ đồ chỉnh lu thông dụng

28

2.2 Cấu tạo và nguyên lý làm việc của bộ chỉnh lu pwm

30

2.3 Xây dựng véc tơ không gian

34

2.4 mô hình toán học của bộ chỉnh lu pwm

38

2.4.1 Mô tả bộ chỉ nh lu PWM trong hệ tọa độ 3 pha

38

2.4.2 Mô tả bộ chỉnh lu PWM trong hệ tọa độ tĩnh

40

2.4.3 Mô tả toán học bộ chỉnh lu PWM trong hệ tọa độ quay d-q

41

2.5 ớc lợng công suất lới

43

2.5.1 Ước lợng công suất dựa trên điện áp lới

22

43


2.5.2 Ước lợng công suất dựa trên vector từ thông ảo

44

2.6 Các giới hạn

48

2.6.1 Điện áp một chiều tối thiểu

48

2.6.2 Mối quan hệ giữa điện áp một chiều và điện cảm

49

2.7 Giảm dùng cảm biến

50

Chơng 3 điều khiển bộ chỉnh lu PWM theo phơng pháp tựa theo
54

véc tơ điện áp

3.1 các phơng pháp chính điều khiển bộ chỉnh lu pwm

54

3.2 kỹ thuật điều chế độ rộng xung pwm

56
56

3.2.1 Giới thiệu
58

3.2.2 Điều chế độ rộng xung với điện áp sin
3.2.3 Thực thi PWM bằng điều khiển số

59

3.2.4 Hiệu ứng thời gian chết
3.2.5 Điều chế véc tơ không gian (SVM)

60
61

3.3 điều khiển chỉnh lu pwm theo phơng pháp tựa theo vec tơ điện áp
3.3.1
3.3.2
3.3.3
3.3.4
3.3.5
3.3.6

Giới thiệu
Sơ đồ bộ điều khiển chỉnh lu PWM theo vec tơ điện áp (VOC)
Sơ đồ bộ điều khiển chỉnh lu PWM theo từ thông ảo (VFOC)
Bộ điều chỉnh
Xác định luật điều khiển
Các bộ đo dòng điện

65
65

66
69
71
77
86

chơng 4 Điều khiển bộ chỉnh lu pwm theo phơng pháp điều
87

khiển công suất trực tiếp

4.1 Điều khiển chỉnh lu pwm theo phơng pháp điều khiển công suất trực tiếp
87
4.1.1
4.1.2
4.1.3
4.1.4

89

90
90
91

Khối tính toán từ thông
Khối tính toán công suất
Lựa chọn vector điện áp
Bộ điều chỉnh trễ từ thông và công suất
92

4.1.5 Thiết lập bảng chuyển mạch
4.2 bảng chọn dpc

94

23


4.2.1 Bảng chọn DPC cơ sở (Classical DPC)

94

4.2.2 Bảng chọn DPC cải tiến (Modified DPC)
4.2.3 Bảng chọn 12 sector

96
98

Chơng 5 Tổng hợp và Mô Phỏng hệ thống điều khiển

101
102

5.1 Khâu tính từ thông bộ biến đổi
5.1.1 Khâu tính S

102

5.1.2 Khâu ớc lợng từ thông bộ biến đổi

102

5.2 Khâu ớc lợng điện áp bộ biến đổi

105

5.3 Khâu ớc lợng công suất

105

5.4 Bộ tính sector

107

5.5 Các khâu so sánh và bảng chuyển mạch

108

5.6 Bộ phát xung

109

5.7 Bộ chuyển đổi điện áp từ hệ tọa độ abc sang hệ tọa độ
5.8 Xây dựng mô hình thực nghiệm trên Simulink/Matlab
5.9 Kết quả mô phỏng trên Matlab/Simulink
5.10 Nhận xét

110
110
111
114

Kết luận

115

Tài liệu tham khảo

116

24


Chơng 1
Giới thiệu chung

Trong chơng này sẽ dẫn giải tầm quan trọng của chỉnh lu PWM trong việc
giảm ảnh hởng của sóng hài trong các tải và trong biến tần có khả năng phát trả
năng lợng về lới.
1.1. ảnh hởng của sóng hài do tải phi tuyến gây ra trên các

thiết bị điện và cách khắc phục
Nhng phng pháp nhm hn ch v loi b nh hng ca nhiu v sóng
hi trong h thng in c kho sát mt cách rng rãi. Vn ny hin nay c
cp n v phát triển hn na khi ngy nay có qúa nhiu thit b in t (máy vi
tính, iu khin i, máy in, TV, vv). Thit b ny, mt ti phi tuyn có ngun l
dòng in iu hòa khi chúng có nhng phn ng nhanh hoc b suy gim khi truyn
ti. Các thnh phn sóng hi cng l nguyên nhân gây tr ngi cho trng in t v
thnh thong nguy him do nhng cng hng do chúng mang li. Chúng có nhng
nh hng tiêu cực ti iu khin v các thit b t ng, bo v các h thng v loi
ti khác kt qu l lm gim tin cy v giá tr ca thit b. Hn na ti phi tuyn
v các dòng in không sin to ra các in áp ri không sin trên các phn t c lp.
nhn ra in áp không sin có mt vi im chính nh nó mang li hin tng quá
nhit cho các ng dây, máy bin áp v nói chung l do tn tht st t.
ã có nhiu phng pháp nhm gim tác dụng ca sóng hi. Nhng k thut
ny da trên các thnh phn th ng, trn ln chnh lu mt pha v ba pha v các
k thut v in t công sut nh: Chnh lu a xung, b lc tích cc chnh lu
PWM. Chúng nhìn chung c cung cp bi:
a) suy gim iu hòa ã c g b trên các ti phi tuyn;
b) suy gim iu hòa thông qua h thng các ti in t công sut tuyn tính.
Phng pháp truyn thng gim thiu các tác ng ca thnh phn sóng
hi liên quan n b lc LC c mc song song vi li. Các b lc ny thng
thng c kt ni các chân ca nó vi các t in v các van tit lu. S chân ca

25


nã phụ thuộc vào số thứ tự bộ lọc ( 5th, 7th, 11th, 13th). C¸c lợi thế của bộ lọc thụ động
là đơn giản và gi¸ thành thấp. C¸c bất lợi cã thể kể đến như:
¾ Mỗi một hệ thống được thiết kế riªng cho một ứng dụng cụ thể (kÝch thước
và vị trÝ của c¸c phần tử bộ lọc, nguy cơ g©y cộng hưởng của nã).

¾ Dßng cơ bản cao làm tổn thất điện năng.
¾ Bộ lọc nặng và cồng kềnh.
Trong trường hợp chỉnh lưu diode, một c¸ch đơn giản để giảm c¸c hài dßng
điện là thªm hàng loạt c¸c cuộn cảm đầu vào và đầu ra của chỉnh lưu (thường là từ
1-5%).
C¸c kỹ thuật kh¸c, dựa trªn việc trộn lẫn c¸c tải phi tuyến một pha và ba pha
cho giảm một THD bởi v× c¸c thành phần dßng bËc 5th và 7th của chỉnh lưu diode một
pha thường là một bộ đếm pha với c¸c thành phần sãng hài 5th và 7th của chỉnh lưu
ba pha .
Một c¸ch kh¸c trong kỹ thuật điện tử c«ng suất là dïng c¸c chỉnh lưu đa
xung. Mặc dï dễ thực hiện song lại cã một số bất lợi như: m¸y biến ¸p nặng, cồng
kềnh, làm tăng điện ¸p rơi, tăng c¸c thành phần sãng hài khi tải phi tuyến và điện ¸p
lưới.
Để thay thế cho bộ lọc thụ động là dùng c¸c bộ lọc tÝch cực PWM, chóng cã
thể hiển thị chế độ động tốt hơn và cã thể kiểm so¸t c¸c hài dßng cơ bản. Bộ lọc tÝch
cực cã thể ph©n thành hai loại là: bộ lọc tÝch cực song song (bộ lọc dßng) (H×nh 1.1)
và loạt bộ lọc tÝch cực nèi tiÕp (bộ lọc ¸p).

H×nh 1.1: Bé läc tÝch cùc song song ba pha víi t¶i phi tuyÕn.

26


Một bộ lọc tích cực (AF) ba pha hai mức song song (shunt) bao gồm sáu
chuyển mạch và topo của chúng giống hệt nghịch lu PWM (AF đợc điều khiển bởi
một dòng điện nguồn iF) nó cộng thêm vào dòng tải iLoad sinh ra dòng điện sin iL
(Hìnnh 1.1). AF cho phép:
ắ bù các thành phần phản ứng cơ bản với dòng tải,
ắ làm tải đối xứng (từ vị trí lới đợc quan sát),
ắ bù điều hòa tốt hơn khi ding các bộ lọc thụ động.

Mặc dù đạt đợc các thành tựu xuất sắc song AF không tránh khỏi các bất lợi
nh điều khiển phức tạp, chuyển mạch khó khăn và những vấn đề về EMC (nhiễu do
chuyển mạch tồn tại trong dòng điện lới và thậm chí trong cả điện áp lới). Do đó
để giảm hiệu ứng này việc đặt một bộ lọc thụ động thông thấp nhỏ giữa lới và AF
là cần thiết.

Hình 1.2: Chỉnh lu PWM.
Một kỹ thuật khác rất hay trong việc giảm các thành phần sóng hài dòng điện
đợc biết đến với tên chỉnh lu tích cực hay chỉnh lu PWM (Hình 1.2) đợc sử
dụng phổ biến trong các biến tần bốn góc phần t [2], [9]. Đó là loại biến tần có
khả năng phát trả năng lợng về lới BTB (back - to - back). Nhng để có cái nhìn
khái quát về chỉnh lu PWM hãy xem xét các so sánh về các loại biến tần cổ điển và
hiện đại trong phần tiếp theo.
1.2. nhợc điểm của các loại biến tần nguồn áp thông
thờng
Động cơ không đồng bộ là một phần tử phi tuyến rất mạnh, tuy có u điểm về
khởi động đơn giản, có khả năng vận hành tin cậy, rẻ tiền nhng lại rất khó điều
khiển. Sau này với sự phát triển của khoa học kỹ thuật, các sách lợc điều khiển ra

27


đời dẫn đến việc điều khiển động cơ không đồng bộ không còn là một việc khó
khăn nữa và chúng trở lên phổ biến hơn động cơ một chiều. Nhng bộ biến tần
nguồn áp thông thờng (Hình 1.3) cho động cơ khi làm việc với các phụ tải thế năng
(nh cơ cấu nâng hạ tải trọng) cần làm việc ở cả 4 góc phần t, trong đó cần chế độ
hãm tái sinh hoặc khi làm việc với các phụ tải có quán tính lớn (nh quạt gió, máy
bơm ly tâm) khi giảm tốc độ cần hãm tái sinh lại không đáp ứng đợc. Các hệ thống
điều chỉnh động cơ xoay chiều 3 pha trên thị trờng hiện nay hầu hết thờng sử
dụng một mạch chỉnh lu diode công suất để cấp điện áp một chiều cho bộ nghịch

lu.

Hình 1.3: Cấu trúc biến tần nguồn áp thông thờng.
Tại chế độ động cơ, năng lợng từ lới sẽ qua các khâu chỉnh lu, lọc và
nghịch lu để cấp cho tải là động cơ.
Khi động cơ chuyển sang chế độ hãm tái sinh, khi đó tốc độ trên trục động cơ
sẽ lớn hơn tốc độ đồng bộ 0 , động cơ làm việc nh một máy phát năng lợng trả

về lới nhng vẫn tiêu thụ công suất phản kháng để tạo ra từ trờng quay, động năng
của động cơ sẽ chuyển thành điện năng trả về mạch một chiều. Nếu bộ biến đổi phía
lới chỉ bao gồm các diode nh trong các biến tần nguồn áp thờng dùng thì tụ điện
C sẽ đợc nạp đến mức điện áp rất cao, nguy hiểm cho thiết bị. Vì vậy cần tiêu tán
năng lợng hãm trên một điện trở R nối song song với tụ C và điều khiển dòng qua
điện trở này sao cho điện áp trên tụ C không vợt quá mức cho phép hoặc sử dụng
chế độ hãm đặc biệt trong đó tổn thất đồng PCu trên dây quấn stator máy điện cân
bằng với năng lợng hãm, hoặc hãm động năng kinh điển khi cho dòng điện một
chiều chạy qua dây quấn stator.

28


Trong quá trình hãm, nếu không tiêu tán kịp thời, năng lợng hãm có thể gây
quá áp trong mạch một chiều làm cho biến tần báo lỗi và có thể gây phá huỷ các tụ
điện một chiều. Đặc biệt đối với các ứng dụng đảo chiều, tăng tốc và giảm tốc
thờng xuyên thì khả năng hãm là cần thiết, ví dụ nh thang máy, các máy điện
công suất lớn, các dây chuyền đóng gói... Thông thờng khi năng lợng hãm lớn
hơn hoặc bằng 10% năng lợng làm việc định mức của hệ thống (Ph/Pđm > 0,1) thì
cần phải tính đến việc bổ xung các mạch hãm cho hệ thống.
Biện pháp sử dụng điện trở hãm đang đợc sử dụng rộng rãi nhất hiện nay vì
tính đơn giản, chi phí thấp. Tuy nhiên nó lại tiêu phí năng lợng dới dạng nhiệt,

không gian lắp đặt lớn làm tăng kích thớc của biến tần và phải thiết kế thêm các bộ
làm mát...
Nhu cầu thực tiễn đòi hỏi phải thiết kế một hệ thống điều khiển động cơ xoay
chiều làm việc ở cả 4 góc phần t, có khả năng phát trả năng lợng về lới.
Điện năng phát trả về lới thông qua bộ biến đổi phía lới phải tuân theo các
yêu cầu sau:
Bộ biến đổi phải tự động đồng bộ với lới điện khi động cơ chuyển sang chế
độ hãm để phát trả năng lợng về lới.
Bộ biến đổi phía lới cần sinh ra điện áp PWM đầu ra có dạng sin để cho
sóng hài cơ bản của nó có biên độ và góc pha tơng tự nh nguồn điện áp
cung cấp.
Các sóng hài bậc cao càng giảm thiểu càng tốt làm sao để đảm bảo đáp ứng
các tiêu chuẩn về giới hạn độ méo cho phép của dòng và áp.
Đảm bảo cho hiệu suất làm việc cao cho hệ thống, giảm dòng điện yêu cầu
của nguồn. Nghĩa là cần điều khiển bộ biến đổi phía lới hoạt động với hệ số
cos xấp xỉ bằng 1.
1.3. Các bộ biến đối có khả năng phát trả năng lợng về lới
1.3.1 Bộ biến tần nguồn dòng chỉnh lu thyristor

29


Hình 1.4: Bộ biến tần nguồn dòng chỉnh lu thyistor.
Đặc điểm của biến tần nguồn dòng (Hình 1.4) là dòng điện Id không đổi chiều.
Do điện áp đầu ra, đầu vào của chỉnh lu của biến tần thay đổi đợc dấu nên biến
tần nguồn dòng dễ dàng làm việc ở chế độ hãm tái sinh.
-ở chế độ động cơ, công suất lới cấp cho bộ chỉnh lu PCL = U d Id > 0 . Còn
1

phía tải, công suất Pd = U d Id < 0 . Nh vậy dòng năng lợng đi từ lới đến tải.

2

-ở chế độ hãm tái sinh, công suất bộ chỉnh lu PCL = U d Id < 0 , còn công suất
1

tải Pd = U d Id > 0 . Nh vậy dòng năng lợng đi từ tải về lới và động cơ làm việc ở
2

chế độ hãm tái sinh.
1.3.2 Bộ biến tần nguồn áp có mắc thêm 1 nghịch lu ở phía lới

Hình 1.5: Cấu trúc biến tần nguồn áp có mắc thêm 1 bộ nghịch lu phía lới.

30


Đặc điểm của biến tần nguồn áp là điện áp một chiều luôn giữ dấu không đổi
trong khi đó dòng điện Id cũng không đổi dấu. Do vậy không thể thực hiện trao đổi
năng lợng từ tải về lới. Để khắc phục điều này bộ chỉnh lu sẽ gồm hai bộ chỉnh
lu mắc song song ngợc, một bộ làm việc ở chế độ chỉnh lu và bộ kia làm việc ở
chế độ nghịch lu phụ thuộc. Khi hãm tái sinh, bộ CL1 phải khoá chắc sau đó mở
bộ NL1 để hãm. Kết thúc quá trình hãm, bộ NL1 khoá chắc thì bộ CL1 mới đợc
đa vào làm việc.
Các biến tần nêu trên đều có chung một đặc điểm là bộ biến đổi phía lới đợc
cấu tạo bởi các thyristor có tần số chuyển mạch trùng với tần số lới điện. Do đó độ
tác động nhanh thấp, ngoài ra dòng điện đầu vào biến tần chứa nhiều sóng hài bậc
cao làm méo điện áp lới khiến cho hệ số cos thấp.
1.3.3 Bộ biến tần dùng chỉnh lu PWM - biến tần BTB
Biến tần dùng bộ chỉnh lu PWM có thể khắc phục cả 3 vấn đề trên. Nó có thể
làm việc ở 4 góc phần t thực hiện trao đổi công suất giữa tải và lới. Dòng đầu vào

có dạng sin và hệ số công suất có thể điều chỉnh xấp xỉ 1.
Sơ đồ cấu tạo biến tần dùng chỉnh lu PWM đợc trình bày trong hình sau:

Hình 1.6: Cấu trúc biến tần dùng chỉnh lu PWM.
Sơ đồ trên bao gồm 2 khối chỉnh lu và nghịch lu có cấu tạo nh nhau và có
chung mạch một chiều. Do dòng điện của bộ biến đổi phía lới có chứa các sóng hài

31


bậc cao nên cần có thêm cuộn cảm lọc đờng dây để chặn, ngoài ra hiệu điện áp sai
lệch giữa nguồn lới và bộ biến đổi phía lới cũng sẽ rơi trên cuộn cảm này.
1.4. Đặc điểm của hệ thống điều khiển năng lợng hai phía
Hệ thống làm việc ở chế độ điều khiển động cơ thông thờng trong các góc
phần t thứ nhất hoặc thứ ba, còn trong các góc phần t thứ hai và bốn hệ thống phải
trả năng lợng về lới. Điều quan trọng là cần phải điều khiển đợc hoàn toàn dòng
điện phía lới để có thể đảm bảo chất lợng điện năng và kiểm soát để hệ số công
suất phía lới xấp xỉ 1. Hệ thống phải đảm bảo để dòng điện phía lới và phía động
cơ đều có dạng hình sin trong cả 4 chế độ hoạt động.
Đặc tính động học tốt hơn
Khả năng làm việc ở bốn góc phần t cho phép hệ thống có đặc tính động học
tốt hơn so với hệ thống cũ trớc đây. Khả năng phát trả năng lợng hãm tái sinh về
lới cho phép hệ thống có khả năng tăng tốc và giảm tốc độ nhanh hơn so với hệ
thống cũ, cho phép tốc độ và gia tốc lớn hơn.
Khả năng điều khiển điện áp một chiều tốt hơn
Trong hoạt động của biến tần, điện áp của mạch một chiều phải lớn hơn hoặc
tối thiểu phải bằng biên độ đỉnh giữa pha- pha của điện áp cung cấp cho động cơ.
Điều này đảm bảo cho biến tần hoạt động bình thờng và cho đáp ứng mômen đủ
nhanh. Ngoài ra nó còn cho phép khai thác động cơ ở điện áp định mức lớn nhất có
thể.

Bằng việc điều khiển bộ chỉnh lu PWM phía lới, có thể điều khiển đợc điện
áp của mạch một chiều đáp ứng các yêu cầu trên. Lúc này bộ chỉnh lu PWM phía
lới sẽ hoạt động nh một bộ biến đổi có khả năng tăng áp cho điện áp một chiều.
Khả năng này khiến cho hệ thống ít bị ảnh hởng bởi tải của động cơ cũng nh
trờng hợp sụt giảm của điện áp lới. Nếu điều khiển tốt điện áp một chiều có thể
cho phép giảm dung lợng của các tụ điện mà vẫn đảm bảo chất lợng điện áp ra
bằng phẳng so với hệ thống cũ.
Khả năng điều chỉnh hệ số công suất phía lới

32


Bộ PWM phía lới cho phép điều chỉnh đợc hệ số công suất phía lới. Nh
vậy, nó có thể hoạt động nh một hệ thống bù công suất phản kháng. Thông thờng,
ngời ta mong muốn đạt đợc hệ số công suất xấp xỉ bằng 1. Trong các hệ thống cũ
dùng mạch nắn 6 điôt và một bộ nghịch lu PWM ngời ta cũng có thể đạt đợc hệ
số công suất xấp xỉ 1, tuy nhiên do có nhiều sóng hài bậc thấp nên giá trị hiệu dụng
dòng điện của hệ thống này lớn hơn so với hệ thống dùng hai bộ biến đổi PWM.
Giảm sóng hài bậc cao của dòng điện phái lới
Không thể có bộ nghịch lu nào cung cấp dòng điện hoàn toàn hình sin, vì vậy
dòng điện lới sẽ luôn bị méo dạng nhất định. Dòng điện lới sẽ chỉ gần giống hình
sin và chứa nhiều thành phần sóng hài bậc cao là bội số của tần số chuyển mạch.
Ngoài ra, nếu sử dụng bộ chỉnh lu diode còn tạo ra các sóng hài lẻ bậc thấp. Các
sóng hài lẻ bậc thấp có thể gây ra hiện tợng nh: Làm phát nóng các biến áp, gây
lỗi cho động cơ, làm hỏng tụ điện... Nh vậy hệ thống sử dụng hai bộ biến đổi PWM
cho chất lợng điện áp cao hơn. Các sóng hài bậc cao do nó sinh ra có thể lọc dễ
dàng hơn so với các sóng hài bậc thấp bằng các bộ lọc L hoặc LCL cỡ nhỏ.
1.5. kết luận
Việc sử dụng chỉnh lu PWM trong các biến tần BTB đã chỉ rõ ra những u
điểm do đó có thể đa ra các tóm tắt về chỉnh lu PWM nh sau [10]:

ắ

Dòng công suất hai hớng

ắ

Dòng vo gn sin

ắ

Quy tắc về tính đồng nhất hệ số công suất đầu vào

ắ

méo sóng hi dòng in thp thông thng nh hn 5%

ắ

iu chnh v n nh áp v dòng mt chiu

ắ

Gim kích c ca t in do s tác ng ca các dòng liên tc.
Hn na nó có th hot ng mt cách úng n ngay c khi in áp li b

méo hay b ct xén, v nhng s thay i tn s in áp li. Tng t nh b lc
tích cc PWM, chnh lu PWM có cu trúc iu khin phc tp, hiu qu thp hn
chnh lu diode do các chuyn mch ngoi khó khăn.

33

Chương 2
BỘ CHỈNH LƯU PWM
Chương này sẽ xây dựng mô hình toán học của bộ chỉnh lưu PWM trong các
hệ tọa độ, các biểu thức ước lượng từ thông, điện áp bộ biến đổi và công suất của hệ
thống. Các mô hình toán học về bộ chỉnh lưu PWM có thể tìm thấy trong các tài
liệu [1]-[15].
2.1 CÁC SƠ ĐỒ CHỈNH LƯU THÔNG DỤNG
Trong chương 1 ta đã đề cập đến chỉnh lưu diode (Hình 2.1) dùng trong các
biến tần nguồn áp. Một chỉnh lưu diode không điều khiển có ưu điểm là đơn giản,
bền vững và giá thành thấp. Tuy nhiên với nhược điểm là dòng công suất không
định hướng, do đó năng lượng trở về từ động cơ phải được tiêu tan trên điện trở
công suất được điều khiển bởi bộ băm kết nối với khâu DC. Mạch diode đầu vào
cũng là kết quả hệ số công suất thấp và thành phần sóng hài dòng điện bậc cao. Một
hạn chế nữa là điện áp động cơ cực đại ở đầu ra luôn thấp hơn điện áp nguồn cấp
[11].

Hình 2.1: Chỉnh lưu diode.
Trong các sơ đồ chỉnh lưu ba pha [14], [11] chúng ta sẽ gặp một số sơ đồ
chỉnh lưu thông dụng hiện nay. Thành phần sóng hài bậc cao và hệ số công suất
thấp là nguyên nhân vài vấn đề trong hệ thống phân phối điện năng. Những tiêu
chuẩn mới về giới hạn các thành phần sóng hài dòng điện được ra đời bởi các tổ
chức và chính phủ các nước [11] (ở Mỹ là IEEE 519 và Châu Âu là IEC 61000-3).

34


Do đó một số lượng các chỉnh lưu hoạt động theo chế độ chuyển mạch mới đã ra
đời và phát triển.

Có thể giới thiệu năm sơ đồ chỉnh lưu điển hình (Hình 2.2):
Hình a) trình bày một bộ chuyển đổi có giải pháp tăng áp đơn giản. Nhược
điểm chính trong giải pháp này méo dòng đầu vào ở tần số thấp.
Hình b), c) là các mô đun chỉnh lưu PWM với dải dòng rất thấp (khoảng 2025% trị số dòng hiệu dụng so sánh với sơ đồ e). Do đó, nó có tiềm năng về chi phí
thấp. Cung cấp chế độ hãm tái sinh b) hay lọc tích cực c).
Hình d) trình bày một bộ chuyển đổi được gọi với tên là chỉnh lưu Vienna. Lợi
thế của bộ chỉnh lưu này là điện áp chuyển mạch thấp nhưng lại không có những
chuyển mạch điển hình như yêu cầu.
Hình e) trình bày một sơ đồ phổ biến nhất hiện nay dùng ASD (các truyền
động thay đổi tốc độ), UPS (bộ lưu điện) giống như một chỉnh lưu PWM. Cấu trúc
phổ biến này có lợi thế là dùng mô đun ba pha giá thành thấp với khả năng cho
dòng năng lượng theo hai phía. Một số nhược điểm như: thang đo dơn vị dòng cao,
tổn thất chuyển mạch lớn, cách khắc phục lỗi kém. Một số tính năng của các chỉnh
lưu ba pha được cho trong bảng 2.1 sau [14, [11]:
Bảng 2.1: Tính năng của một số chỉnh lưu
đồ Sự

Quy

tắc Méo sóng Giản

Tính

điện

áp hài dòng sóng,

năng

đầu

ra điện lưới dòng điện số
bậc thấp

DC

gần sin

hiệu Dòng

Chú ý

chỉnh hệ công suất
công hai hướng

suất

Sơ đồ
-

-

-

-

-

Rec (a)

+

-

-

+

-

Rec (b)

-

-

-

-

+

Rec (c)

-

+

+

+

-

Chỉnh
lưu
diode

35

UPF


Rec (d)

+

+

+

+

-

UPF

Rec (e)

+

+

+

+

+

UPF

Hình 2.2: Các sơ đồ chỉnh lưu ba pha cơ bản [11].
a) loại chuyển đổi tăng áp đơn giản b) chỉnh lưu diode PWM hãm tái sinh.
c) chỉnh lưu diode PWM lọc tích cực d) chỉnh lưu Vienna (3 mức chuyển đổi).
e) chỉnh lưu PWM đảo chiều (2 mức chuyển đổi).
2.2 CẤU TẠO VÀ NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC CỦA BỘ CHỈNH LƯU PWM
Bộ chỉnh lưu PWM có cấu tạo gồm 3 phần: Phần lọc phía lưới gồm điện trở và
cuộn cảm, cầu biến đổi gồm 6 transistor IGBT mắc song song ngược với 6 điốt có

36


nhiệm vụ biến đổi điện áp từ phía xoay chiều sang phía một chiều, mạch một chiều
gồm tụ C và tải

Hình 2.3: Cấu tạo bộ chỉnh lưu PWM.
Dưới đây là sơ đồ thay thế một pha của bộ chỉnh lưu PWM:

R

L

~ US1

UL ~

USH
Hình 2.4: Sơ đồ thay thế một pha của bộ chỉnh lưu PWM.
Trong sơ đồ trên u L là điện áp lưới và u S là điện áp của bộ điều chỉnh quy đổi
về điểm A. u S được điều chỉnh để thành phần sóng cơ bản của nó u S1 có cùng tần số
với lưới.
Điện áp u S có thể tách ra thành 2 thành phần: u S1 là thành phần sóng cơ bản
của uS và u SH là tổng các sóng hài của u S .
Rõ ràng u L và u S1 ảnh hưởng đến thành phần sóng cơ bản của dòng i L tức là
ảnh hưởng đến công suất tác dụng của bộ chỉnh lưu. Thành phần nhiễu u SH chỉ làm
tăng sóng hài của i L và không ảnh hưởng đến công suất tác dụng của bộ chỉnh lưu.

37


Bằng việc điều khiển các transistor IGBT một cách thích hợp có thể làm giảm
sóng hài của i L và dòng điện i L sẽ có dạng gần giống hình sin và làm tăng công
suất truyền tải của bộ chỉnh lưu.
Hơn thế nữa, bằng cách điều chỉnh biên độ và góc pha của dòng điện iS so với
điện áp lưới u L có thể điều chỉnh độ lớn và hướng truyền tải công suet.
Khi góc ϕ giữa u L và i L nhỏ hơn 900 thì P = u Li L cos ϕ > 0 và công suất
truyền từ lưới sang phía một chiều.
Khi góc ϕ > 900 thì P = u Li L cos ϕ < 0 và công suất truyền từ phía một chiều
sang phía xoay chiều.
Bỏ qua thành phần sóng hài trong u S và i L , dưới đây là giản đồ vectơ của bộ

chỉnh lưu PWM (Hình 2.5) trong 2 trường hợp P>0 (Hình 2.5 a,c) và P<0 (Hình 2.5
b,d) :

Hình 2.5: Giản đồ vectơ của bộ chỉnh lưu trong trường hợp P > 0 và P < 0.
a) giản đồ P > 0 ( ϕ <900, cos ϕ > 0) b) giản đồ P < 0 ( ϕ > 900, cos ϕ < 0 )
c) giản đồ P = Pmax > 0 (cos ϕ = 1) d) giản đồ P = -Pmax < 0 (cos ϕ =-1, hãm tái
sinh).
Vai trò của cuộn cảm là rất quan trọng. Nó giúp cho dòng điện i L có hình sin
và làm tăng điện áp đầu ra bộ biến đổi. Có thể điều khiển dòng điện lưới i L bằng

38


việc thay đổi điện áp rơi trên cuộn cảm. Mà điện áp trên rơi trên cuộn cảm u L bằng
sự chênh lệch điện áp giữa điện áp lưới u L và điện áp bộ biến đổi u S . Khi thay đổi
góc pha ε và biên độ điện áp bộ chỉnh lưu US có thể điều khiển gián tiếp biên độ và
góc pha của dòng điện lưới. Bằng cách này, dấu và giá trị trung bình của của dòng
điện một chiều có thể điều khiển được. Dòng điện một chiều này tỷ lệ với công suất
tác dụng truyền qua bộ chỉnh lưu. Công suất phản kháng cũng có thể điều khiển
được một cách độc lập bằng cách thay đổi thành phần cơ bản của dòng điện nhiễu
i L đối với u L . Nếu điều khiển chỉnh lưu PWM sao cho véc tơ dòng điện IL trùng

pha với véc tơ điện áp UL (Hình 2.5 c) thì cos ϕ = 1 tương ứng công suất P > 0, Khi
véc tơ IL ngược pha với véc tơ UL (Hình 2.5 d) thì cos ϕ = -1 và công suất P < 0
(ứng với chế độ hãm tái sinh).
Phần chính của mạch là cầu chuyển đổi (Hình 2.7) gồm các IGBT loại ba chân
hoặc trong trường hợp nguồn điện áp cao có thể dùng GTO. Cầu chuyển đổi điện áp
có thể biểu diễn thành tám trạng thái (Hình 2.6 sáu trạng thái tích cực U1(100),
U2(110), U3(010), U4(011), U5(001), U6(101) và hai trạng thái không U0(000),
U7(111)). Các trạng thái tích cực có thể được biểu diễn thành sáu véc tơ như sau

(Hình 2.6) [11] :
U2

U3

U1

U4

U0,U7

U6

U5

Hình 2.6: Mô tả tám véc tơ điện áp trạng thái chuyển mạch của các khóa bán
dấn Sa, Sb ,Sc.
Để thiết lập bảng chuyển mạch có thể áp dụng công thức sau [10]:

39


⎧2
jkπ / 3
⎪ u e
Với k = 0…5
u k +1 = ⎨ 3 dc
⎪⎩0

(2.1)

Hình 2.7: Bảng trạng thái chuyển mạch của bộ cầu chuyển đổi PWM [1], [11].
2.3 XÂY DỰNG VÉC TƠ KHÔNG GIAN
Điện áp trên các pha của lưới u a , ub , uc lệch nhau một góc 120o. Khi đóng
nguồn từ lưới vào bộ chỉnh lưu PWM thì sẽ sinh ra trong ba cuộn dây pha ba dòng
điện tương ứng i a , i b , i c thoả mãn điều kiện sau [1], [11], [14]:
ia (t ) + ib (t ) + ic (t ) = 0

(2.2)

Biểu diễn chi tiết các dòng điện này như sau:
ia = I m cos(ωt + ϕ )

ib = I m cos(ωt + ϕ + 120 0 )

(2.3)

40


ic = I m cos(ωt + ϕ + 240 0 )

Còn các thành phần điện áp lưới:
u a = Em cos ωt
ub = Em cos(ωt + 120 0 )

(2.4)

uc = Em cos(ωt + 240 )
0

ω : Là tốc độ góc của dòng điện lưới ( ω = 2πf )

Trong đó:

I m : Là giá trị đỉnh của dòng điện pha

Em : Là giá trị đỉnh của điện áp pha
ϕ : Góc pha giữa UL và IL
f : Là tần số của dòng điện

Xây dựng được vector không gian sau:
iL (t ) =

(

)

0
0
2
ia (t )e jϕ + ib (t ).e j (ϕ +120 ) + ic (t )e j (ϕ + 240 ) = iL e jγ
3

(2.5a)

Để đơn giản cho ϕ = 0 ta viết lại (2.5) thành:
iL (t ) =

(

)

0
0
2
ia (t ) + ib (t ).e j120 + ic (t )e j 240 = iL e jγ
3

(2.5b)

Theo công thức (2.5) iL (t) là một đại lượng vec tơ có module không đổi, nó
quay trên mặt phẳng phức với tốc độ góc bằng với tốc độ góc ω = 2πf và tạo với
trục thực một góc pha γ = 2πf . Trong đó f là tần số của dòng điện lưới . Vậy ta có
thể xây dung các véc tơ không gian từ các đại lượng pha (Hình 2.8). Trên hình vẽ
này ta thấy rằng véc tơ điện áp lưới iL (t) được tính bằng tổng các véc tơ pha với
góc pha cánh nhau 1200.
Gọi hệ tọa độ thực ảo trên là hệ toạ độ cố định α − β (Hình 2.9), khi đó thấy
rằng hình chiếu của vector dòng điện iL lên hai trục đó cũng là các đại lượng hình
sin:
iL = i Lα + j.i Lβ

(2.6)

41


Hình 2.8: Xây dựng các vector không gian từ các đại lượng pha.

Hình 2.9: Vector dòng điện lưới trong hệ toạ độ α − β .

Coi dòng điện ba pha của lưới là đối xứng thì để biết thông tin về dòng điện
lưới chỉ cần biết giá trị của hai trong ba pha là đủ. Khi đó các thành phần của dòng
điện trên mặt phẳng α − β được tính như sau:
i Lα =

3
ia
2

(2.7)

i Lβ =

1
(ia + 2ib )
2

(2.8)

Áp dụng công thức (2.5b) cho điện áp lưới và điện áp bộ biến đổi có:

42


u L (t ) =
u s (t ) =

(

0

0
2
u a (t ) + u b (t ).e j120 + u c (t ).e j 240
3

(

)

0
0
2
u Sa (t ) + u Sb (t ).e j120 + u Sc (t ).e j 240
3

(2.9)

)

(2.10)

Một cách hoàn toàn tương tự ta cũng có thể biểu diễn các đại lượng này trên
trục tọa độ cố định α − β
u L = u Lα + ju Lβ

(2.11)

u S = u Sα + ju Sβ

(2.12)

Bây giờ ta sẽ xem xét vector V trên một hệ toạ độ khác, hệ toạ độ d-q nằm
lệch một góc ϑ so với hệ α − β :

Hình 2.10: Biểu diễn vector không gian trên hệ toạ độ dq.
V αβ = Vα + jVβ

Trên hệ α − β :
Trên hệ d-q:

V dq = Vd + jVq

(2.13)
(2.14)

Có thể thấy được mối liên quan giữa hai hệ toạ độ α − β và d-q qua công thức
sau:
⎧⎪Vd = Vα cosϑ + Vβ sin ϑ
⎨
⎪⎩Vq = −Vα sin ϑ + Vβ cosϑ

(2.15)

Thay (2.15) vào (2.14) thu được:
V

dq

= (Vd cos ϑ + Vq sin ϑ ) + j (Vq cos ϑ − Vd sin ϑ ) = (Vd + jVq )(cosϑ − j sin ϑ )

= V αβ .e jϑ

(2.16)

43