Nghiên cứu xây dựng thiết bị khởi động mềm dùng phương pháp điều chế độ rộng xung

Luận văn tốt nghiệp

LỜI CAM ĐOAN

Tên tôi là Giáp Văn Hội, học viên cao học lớp Điều khiển và Tự động
hóa, khóa 2013B. Sau hơn 2 năm học tập, nghiên cứu tại trường Đại học Bách Khoa
Hà Nội, được sự hướng dẫn của các thầy cô giáo, đặc biệt là TS. Đỗ Mạnh Cường,
tôi đã hoàn thành xong luận văn tốt nghiệp.
Đề tài luận văn tốt nghiệp của tôi là: “Nghiên cứu, xây dựng thiết bị
khởi động mềm dùng phương pháp điều chế độ rộng xung”. Tôi xin cam đoan đây là
công trình nghiên cứu của cá nhân tôi dưới sự hướng dẫn của TS. Đỗ Mạnh Cường
và chỉ tham khảo các tài liệu được liệt kê. Tôi không sao chép công trình của các cá
nhân khác dưới bất kỳ hình thức nào. Nếu có tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm.

Hà Nội, ngày

tháng

năm 2016

Người cam đoan

Giáp Văn Hội

1


Luận văn tốt nghiệp

MỤC LỤC
MỤC LỤC .................................................................................................................. 2

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT....................................................................... 4
DANH MỤC CÁC BẢNG ........................................................................................ 5
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ .................................................................. 6
MỞ ĐẦU .................................................................................................................... 8
Chương 1 – TỔNG QUAN VỀ KHỞI ĐỘNG MỀM ............................................ 9
1.1. Kỹ thuật khởi động mềm và dừng mềm ......................................................... 10
1.1.1.Khởi động mềm ......................................................................................... 10
1.1.2.Dừng mềm ................................................................................................. 11
1.1.2.Tiết kiệm năng lượng khi non tải .............................................................. 12
1.2. Phương pháp điều áp trong các bộ khởi động mềm truyền thống .................. 12
1.2.1. Phương pháp điều khiể n góc pha .............................................................. 12
1.2.2. Khởi động mềm bằ ng bộ biến tầ n ............................................................. 18
Chương 2 – PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHẾ ĐỘ RỘNG XUNG PWM ............... 24
2.1. Tổng quát về kỹ thuật điều chế độ rộng xung – PWM ................................... 24
2.1.1. Một số chỉ tiêu đánh giá kỹ thuật PWM ................................................... 24
2.1.2. Các dạng sóng mang dùng trong kỹ thuật PWM ...................................... 25
2.2. Băm xung điện áp xoay chiều một pha (single – phase AC choppper) .......... 27
2.2.1. Buck AC chopper...................................................................................... 31
2.2.2. Boost AC chopper ..................................................................................... 33
2.2.3. Buck – Boost AC chopper ........................................................................ 35
2.3. Băm xung điện áp xoay chiều ba pha (three – phase AC chopper) ................ 36

2


Luận văn tốt nghiệp

Chương 3 – MÔ HÌNH HÓA VÀ TÍ NH TOÁN CÁC PHẦN TỬ...................... 38
3.1. Phương pháp trung biǹ h không gian trạng thái .............................................. 38
3.2. Mô hình toán ho ̣c bộ Buck AC chopper ......................................................... 41

3.3. Mô hình toán ho ̣c bộ Boost AC chopper ........................................................ 44
3.4. Mô hình toán ho ̣c bộ Buck – Boost AC chopper ............................................ 47
Chương 4 - MÔ PHỎNG VỚI MATLAB/SIMULINK ....................................... 51
KẾT LUẬN .............................................................................................................. 60
TÀI LIỆU THAM KHẢO ...................................................................................... 61

3


Luận văn tốt nghiệp

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT

MOSFET: Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor - Transistor hiệu ứng
trường.
IGBT: Insulated Gate Bipolar Transistor - Tranzito lưỡng cực có cổng cách ly.
PWM: Pulse Width Modulation – Phương pháp điều chế độ rộng xung
SPWM: Sin Pulse Width Modulation – Phương pháp điều chế độ rộng xung sin.
SVPWM: Space Vector Pulse Width Modulation - Phương pháp điều chế độ rộng
xung vector không gian.
DC: Direct Current – Điện một chiều.
AC: Alternating Current – Điện xoay chiều.
THD: Total Harmonic Distortion – Méo hài tổng.
APOD: Alternative Phase Opposition Disposition – sóng mang dạng tam giác bố trí
dịch pha 1800.
PD: In Phase Disposition - Sóng mang dạng tam giác bố trí cùng pha.
POD: Phase Opposition Disposition - Sóng mang dạng tam giác bố trí đối xứng qua
trục zero.

4

Luận văn tốt nghiệp

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 2.1. Điện áp ra theo các trạng thái van của mạch Buck AC chopper .............. 32
Bảng 2.2. Điện áp ra và các trạng thái của van mạch Boost AC chopper................. 34
Bảng 2.3. Điện áp ra theo các trạng thái van của mạch Buck - Boost AC chopper .. 35
Bảng 2.4. Điện áp ra theo các trạng thái van của mạch Buck - Boost AC chopper .. 37

5


Luận văn tốt nghiệp

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ

Hình 1.1. Điện áp và dòng điện khi khởi động mềm ................................................ 10
Hình 1.2. Điện áp khi dừng tự do và dừng mềm ....................................................... 12
Hình 1.3. Sơ đồ ma ̣ch lực dùng 6 thyristor .............................................................. 13
Hình 1.4. Điện áp pha A với góc α = 300 .................................................................. 13
Hình 1.5. Xung điều khiển các van ........................................................................... 14
Hình 1.6. Giản đồ hoa ̣t đô ̣ng của các van và góc điề u khiể n α ................................ 15
Hình 1.7. Áp ra thay đổ i theo góc α ......................................................................... 17
Hình 1.8Da ̣ng điê ̣n áp và dòng điê ̣n pha A với tải R = 1Ω, L = 1mH, góc α = π/2 .. 17
Hình 1.9. Sơ đồ cấu trúc của biến tần gián tiếp ....................................................... 18
Hình 1.10. Dạng sóng đầu ra nghich lưu PWM ....................................................... 19
Hình 1.11. Nguyên lý điều chế SPWM một pha ...................................................... 20
Hình 1.12. Nghịch lưu áp ba pha .............................................................................. 20

Hình 1.13. Điều chế SPWM ba pha và da ̣ng điê ̣n áp ra ........................................... 21
Hình 2.1. Hình dạng sóng mang APOD ................................................................... 26
Hình 2.2. Hình dạng sóng mang PD ......................................................................... 26
Hình 2.3. Hình dạng sóng mang POD ...................................................................... 27
Hình 2.4. Chuỗi xung PWM với duty cycle khác nhau ........................................... 28
Hình 2.5. Dạng điện áp ............................................................................................ 28
Hình 2.6 Mạch lực AC Chopper 1 pha ..................................................................... 29
Hình 2.7. Xung PWM cho các van ........................................................................... 29
Hình 2.8. Các chế độ hoạt động của mạch ............................................................... 30
Hình 2.9. Buck AC chopper ..................................................................................... 31
6


Luận văn tốt nghiệp

Hình 2.10. Các tra ̣ng thái chuyể n ma ̣ch của ma ̣ch Buck AC chopper ..................... 32
Hình 2.11. Boost AC chopper .................................................................................. 33
Hình 2.12. Các tra ̣ng thái chuyể n ma ̣ch của ma ̣ch Boost ......................................... 34
Hình 2.13. Buck – Boost AC chopper ...................................................................... 35
Hình 2.14. Các tra ̣ng thái chuyể n ma ̣ch của ma ̣ch Buck – Boost ............................ 35
Hình 2.15. Ba pha AC Chopper ............................................................................... 36
Hình 2.16. Các tra ̣ng thái của ma ̣ch AC Chopper 3 pha .......................................... 36
Hình 4.1. Mô hình hệ thống PWM AC Chopper 3 pha ............................................ 51
Hình 4.2. Điê ̣n áp nguồ n 3 pha 220V/50Hz ............................................................. 51
Hình 4.3. Tải RL nố i sao đố i xứng với R = 0.5Ω, L = 1mH .................................... 52
Hình 4.4. Khố i MACH LUC .................................................................................... 52
Hình 4.5. Khố i DIEU KHIEN .................................................................................. 53
Hình 4.6. Khố i TAO XUNG .................................................................................... 54
Hình 4.7. Khố i Pha A Min ....................................................................................... 54
Hình 4.8. Xung S1 (trên) và S4 (dưới) trong 2 chu kỳ điê ̣n áp ................................ 55

Hình 4.9. Thứ tự đóng cắ t của các van theo thứ tự S1, S4, S3, S6, S5, S2 ............... 55
Hình 4.10. Điê ̣n áp và dòng điê ̣n trên pha A ............................................................ 56
Hình 4.11. Phân tích phổ sóng hài dòng điê ̣n (290 chu kỳ), THD = 8.56%. ............ 56
Hình 4.12. Điê ̣n áp và dòng điê ̣n pha A ................................................................... 57
Hình 4.13. Phân tích phổ sóng hài dòng điê ̣n (290 chu kỳ), THD = 27.29% ........... 57
Hình 4.14. Điê ̣n áp và dòng điê ̣n trên Pha A ............................................................ 58
Hình 4.15. Phân tích phổ sóng hài dòng điê ̣n (290 chu kỳ), THD = 0.86% ............. 58
Hình 4.16. Điê ̣n áp và dòng điê ̣n trên Pha A ............................................................ 59
Hình 4.17. Phân tích phổ sóng hài dòng điê ̣n (290 chu kỳ), THD = 2.73% ............. 59

7


Luận văn tốt nghiệp

MỞ ĐẦU

Ngày nay, trên tất cả các nước trên thế giới nói chung và nước ta nói riêng các
thiết bị bán dẫn đã và đang thâm nhập vào các ngành công nghiệp, nông nghiệp và cả
trong lĩnh vực sinh hoạt. Các nhà máy, xí nghiệp đã ứng dụng ngày càng nhiều những
thành tựu của công nghiệp điện tử công suất, một trong số đó là các thiết bị khởi động
mềm.
Việc áp dụng phương pháp khởi động mềm và dừng mềm, nhất là đối với các
hệ thống công suất lớn sẽ giúp giảm ảnh hưởng đến nguồn cung cấp (dòng đỉnh và
sụt áp khi khởi động); bảo vệ thiết bị, mang lại hiệu suất cao hơn trong chế độ làm
việc liên tục.
Các bộ khởi động mềm dùng thyristor truyền thống (đặc biệt trong công suất
lớn trên 100kW) có nhiều nhược điểm như gây ra méo lớn, điều khiển bằng xung
dòng điện tuy nhiên khả năng kiểm soát dòng điện khi khởi động chưa tốt…
Thiết bị điều áp xoay chiều dùng các van điều khiển hoàn toàn như MOSFET,

IGBT cho phép băm trực tiếp điện áp xoay chiều từ nguồn để cấp cho phụ tải có thể
giảm thiểu được các thành phần hài bậc thấp (bậc 3, 5, 7), cải thiện được độ méo phi
tuyến ảnh hưởng tới nguồn.
Luận văn thạc sỹ kỹ thuật này được viết với mục đích nghiên cứu đặc tính làm
việc của các thiết bị bán dẫn công suất mà cụ thể là các thiết bị điều áp xoay chiều sử
dụng van điều khiển hoàn toàn và các ứng dụng của chúng.

8


Luận văn tốt nghiệp

Chương 1
TỔNG QUAN VỀ KHỞI ĐỘNG MỀM

Động cơ không đồng bộ 3 pha được dùng rộng rãi trong công nghiệp vì chúng
có cấu trúc đơn giản, làm việc tin cậy, nhưng có nhược điểm dòng điện khởi động
lớn, gây ra sụt áp trong lưới điện. Phương pháp tối ưu hiện nay là dùng bộ điều khiển
điện tử để hạn chế dòng điện khởi động, đồng thời điều chỉnh tăng mô men mở máy
một cách hợp lý, vì vậy các chi tiết của động cơ chịu độ dồn nén về cơ khí ít hơn,
tăng tuổi thọ làm việc an toàn cho động cơ. Ngoài việc tránh dòng đỉnh trong khi khởi
động động cơ, còn làm cho điện áp nguồn ổn định hơn không gây ảnh hưởng xấu đến
các thiết bị khác trong lưới.
Phương pháp khởi động được áp dụng ở đây là cần hạn chế điện áp ở đầu cực
động cơ, tăng dần điện áp theo một chương trình thích hợp để điện áp tăng tuyến tính
từ một giá trị xác định đến điện áp định mức. Đó là quá trình khởi động mềm (ramp)
toàn bộ quá trình khởi động được điều khiển đóng mở các van công suất bằng bộ vi
xử lý với các cổng vào ra tương ứng, tần số giữ không đổi theo tần số điện áp lưới.
Ngoài ra còn cung cấp cho chúng ta những giải pháp tối ưu nhờ nhiều chức năng như
khởi động mềm và dừng mềm, dừng đột ngột, phanh dòng trực tiếp, tiết kiệm năng

lượng khi non tải. Có chức năng bảo vệ động cơ như bảo vệ quá tải, mất pha.
 Những ứng dụng điển hình của bộ khởi động mềm:
-

Động cơ điện cho chuyên chở vật liệu.

-

Động cơ bơm.

-

Động cơ vận hành non tải lâu dài.

-

Động cơ có bộ chuyển đổi (hộp số, băng tải, …).

-

Động cơ có quán tính lớn (quạt, máy nén, bơm, băng truyền, thang máy, máy

nghiền, máy ép, máy khuấy, máy dệt, …).

9


Luận văn tốt nghiệp

 Đặc điểm của bộ khởi động mềm:

-

Bền vững tiết kiệm không gian lắp đặt.

-

Có chức năng điều khiển và bảo vệ.

-

Khoảng điện áp sử dụng từ 200 – 500 V, tần số từ 45 – 65 Hz.

-

Có phần mềm chuyên dụng đi kèm.

-

Lắp đặt, cài đặt chức năng dễ dàng.

1.1.

Kỹ thuật khởi động mềm và dừng mềm

1.1.1. Khởi động mềm
Vì mô men động cơ tỉ lệ với bình phương điện áp, dòng điện tỉ lệ với điện áp,
mô men gia tốc và dòng điện khởi động được hạn chế thông qua điều chỉnh trị số hiệu
dụng của điện áp. Như vậy, hoạt động của bộ khởi động mềm hoàn toàn dựa trên việc
điều khiển điện áp khi khởi động và dừng, tức là trị số hiệu dụng của điện áp là thay
đổi.

Nếu dừng động cơ, mọi tín hiệu kích mở van bị cắt và dòng điện dừng tại điểm
qua 0 kế tiếp của điện áp nguồn.

Hình 1.1. Điện áp và dòng điện khi khởi động mềm.

10


Luận văn tốt nghiệp

Trong đó:
Ia – Dòng điện ban đầu khi khởi động trực tiếp;
Is – Dòng điện bắt đầu có ramp điện áp;
In – Dòng điện định mức của động cơ;
n – Tốc độ động cơ;
Us – Điện áp bắt đầu ramp;
Un – Điện áp định mức của động cơ;
Tr – thời gian ramp.
Nếu phát hiện động cơ đạt tốc độ yêu cầu trước khi hết thời gian đặt của bộ
khởi động mềm, điện áp vào lập tức được tăng lên 100% điện áp lưới, đó chính là
chức năng phát hiện tăng tốc.

1.1.2. Dừng mềm
Nếu điện áp cấp bị cắt trực tiếp, động cơ chạy theo quán tính cho tới khi dừng
trong khoảng thời gian xác định. Thời gian dừng với mômen quán tính nhỏ có thể rất
ngắn, cần tránh trường hợp này đề phòng sự phá huỷ về cơ và sự dừng tải đột ngột
không mong muốn. Không nên cắt trực tiếp các động cơ có mômen quán tính nhỏ
như băng truyền, thang máy, máy nâng để đảm bảo không nguy hiểm cho người, thiết
bị và sản phẩm.
Nhờ chức năng dừng mềm mà điện áp động cơ được giảm từ từ trong khoảng

từ 1 đến 20 giây tuỳ thuộc vào yêu cầu. Điện áp ban đầu cho dừng mềm Ustop = 0,9Un
và điện áp cuối quá trình vào khoảng 0,85 điện áp ban đầu. Thời gian ramp điện áp
tới 1000 giây cùng điện áp đầu và cuối quá trình dừng mềm đặt theo chương trình.

11


Luận văn tốt nghiệp

Hình 1.2. Điện áp khi dừng tự do và dừng mềm.
Như vậy, thực chất dừng mềm là cố ý kéo dài quá trình dừng bằng cách giảm
từ từ điện áp nguồn cung cấp vào động cơ. Nếu trong quá trình dừng mà có lệnh khởi
động, thì quá trình dừng này lập tức bị huỷ bỏ và động cơ được khởi động trở lại.
1.1.3. Tiết kiệm năng lượng khi non tải
Nếu động cơ điện vận hành không tải hay non tải thì trong trường hợp này
khởi động mềm giúp tiết kiệm điện năng nhờ giảm điện áp động cơ tới gia trị U0, việc
giảm điện áp do đó làm giảm dòng điện, dẫn đến giảm bớt cả tổn hao đồng và tổn hao
sắt %.

1.2.

Phương pháp điều áp trong các bộ khởi động mềm truyền thống

1.2.1. Phương pháp điề u khiể n góc pha
Mạch lực của phương pháp điều áp xoay chiều 3 pha truyền thống gồm 3 cặp
thyristor đấu song song ngược, các thyristor đươ ̣c kích mở ở các khoảng thời gian
bằ ng nhau và bằ ng 1/6 chu kỳ điê ̣n áp nguồ n theo thứ tự T1, T2, T3, T4, T5, T6 với
góc mở α. Khi đó, ta ̣i mỗi thời điể m có ba tra ̣ng thái xảy ra:
-

Mỗi pha có mô ̣t van dẫn, như vâ ̣y, tải đươ ̣c mắ c đầ y đủ ba pha vào lưới do đó,

điê ̣n áp pha trên tải bằ ng điê ̣n áp nguồ n.

12


Luận văn tốt nghiệp

-

Có hai van dẫn ở hai pha, mô ̣t pha tải bi ngắ
̣ t điê ̣n và hai pha tải còn la ̣i sẽ chia

nhau điê ̣n áp dây nào đươ ̣c nố i vào nguồ n.
-

Không có van nào dẫn, tải bi ngắ
̣ t hẳ n khỏi nguồ n.

Hình 1.3. Sơ đồ ma ̣ch lực dùng 6 thyristor.

Hình 1.4. Điện áp pha A với góc α = 300.

Các tra ̣ng thái trên phu ̣ thuô ̣c vào góc điề u khiể n α và góc φ của tải

  arctan  L / R  . Ta chia thành ba vùng làm viê ̣c sau:

13

Luận văn tốt nghiệp

-

α < φ: dòng tải liên tu ̣c, điê ̣n áp ra không điề u khiể n đươ ̣c. Khi α > φ, dòng tải

gián đoa ̣n, điê ̣n áp ra đươ ̣c điề u khiể n theo góc α.
-

φ < α < αgh: trong vùng này xen kẽ những giai đoa ̣n hai hoă ̣c ba van dẫn. αgh

là góc giới ha ̣n của vùng này.
-

αgh < α < 5π/6: vùng chỉ có giai đoa ̣n hai hoă ̣c không van nào dẫn.
Trong đó αgh đươ ̣c xác đinh
̣ bởi:

gh  arctan

2  /3tan  1 
 
e
2
3

Hình 1.5. Xung điề u khiể n các van.

14

(1.1)


Luận văn tốt nghiệp

Hình 1.6. Giản đồ hoa ̣t đô ̣ng của các van và góc điề u khiể n α.
Do tính chấ t đố i xứng nên da ̣ng dòng điê ̣n và điê ̣n áp của các pha tương tự
nhau nhưng lê ̣ch pha nhau 1200, la ̣i có da ̣ng dòng điê ̣n và điê ̣n áp của mô ̣t pha la ̣i
gồ m hai nửa chu kỳ đố i xứng nhau nên ta chỉ cầ n xét các dòng điê ̣n và điê ̣n áp ở trong
mô ̣t khoảng 1/6 chu kỳ là có đủ cả da ̣ng của mô ̣t chu kỳ. Vâ ̣y dưới đây ta chỉ xét mô ̣t
khoảng từ α đế n (α + π/3) cho pha A.
-

Vùng φ < α < αgh.
Ở thời điể m phát xung mở T1, trước đó có hai van T6, T5 đang dẫn, dòng qua

T5 là iC giảm về 0 ở thời điể m θ1. Như vâ ̣y, trong khoảng α < θ < θ1 có 3 van T1, T6,
T5 dẫn suy ra:

uAt  uA ; uBt  uB ; uCt  uC ;
iA  θ  

2U
2U
sin  θ  φ  
sin  θ  φ  e  θ α /Q
z
z

(1.2)
(1.3)

Ở khoảng còn la ̣i θ1 < θ < α + π/3 chỉ còn T1 và T6 dẫn:

u At  u Bt 

15

uA  uB 
2

(1.4)


Luận văn tốt nghiệp









 sin      sin     1200
sin     1200  Q


e

2U 
2
2
2

iA  iB 

z 

  sin      e Q

1



 (1.5)




Áp hiê ̣u du ̣ng trên tải:
U HD 


1  5
3
3 3
cos 2 
  3  sin 2 
 2

4
4


Um
2

(1.6)

Vùng αgh < α < 5π/6.

-

Vùng này luôn có hai van dẫn hoă ̣c không có van nào dẫn. Dòng iA = 0 ở thời
điể m θ2.
Khi α < θ < θ2 hai van T1 và T3 dẫn:

u At  u Bt 
iA 





uA  uB 

(1.7)

2





6U 
sin θ  φ  300  sin α  φ  300 e  θ α /Q 


2z

(1.8)

Trong khoảng còn la ̣i: θ2 < θ < α + π/3 không có van nào dẫn:
u At  u Bt  u Ct  0

(1.9)

Áp hiê ̣u du ̣ng trên tải:
U HD 

Um
2


1  5π
3
3 3
cos2α 
  3α  sin2α 
π 2

4
4


(1.10)

Khi α > 5π/6 điê ̣n áp dây của hai van có xung mở luôn âm nên tải bi ̣ngắ t khỏi
nguồ n.
Điê ̣n áp trên tải ở mỗi pha có tri ̣hiê ̣u du ̣ng biể n thiên từ Um về 0 khi góc điề u
khiể n α đi từ 0 tới 5π/6.

16


Luận văn tốt nghiệp

Hình 1.7. Áp ra thay đổ i theo góc α.

Hình 1.8. Da ̣ng điê ̣n áp và dòng điê ̣n pha A với tải R = 1Ω, L = 1mH, góc α = π/2.

17


Luận văn tốt nghiệp

Nhận xét:
 Ưu điể m:
-

Điề u chin̉ h điê ̣n áp vô cấ p, linh hoa ̣t.

-

Điề u chin̉ h nhanh, dễ ta ̣o các ma ̣ch vòng tự đô ̣ng điề u chin̉ h.

-

Kić h thước bô ̣ biế n đổ i go ̣n nhe ̣, giá thành rẻ.

 Khuyế t điể m:
-

Chấ t lươ ̣ng điê ̣n áp không tố t (không có da ̣ng sin).

-

Tổ n hao sóng bâ ̣c cao.

1.2.2. Khởi đô ̣ng mề m bằ ng bô ̣ biế n tầ n
Biế n tầ n trong hê ̣ truyề n đô ̣ng có chức năng chin
́ h là thay đổ i tầ n số và biên
đô ̣ điê ̣n áp nguồ n cấ p vào đô ̣ng cơ để thay đổ i tố c đô ̣ đô ̣ng cơ. Các bô ̣ biế n tầ n phổ
biế n hiê ̣n nay là các bô ̣ biế n tầ n gián tiế p. Biế n tầ n gián tiế p là bô ̣ biế n đổ i tầ n số ,
biên đô ̣ điê ̣n áp nguồ n cấ p thông qua khâu trung gian điê ̣n áp mô ̣t chiề u.
Các bộ biến tần gián tiếp có cấu trúc như sau:

Hình 1.9. Sơ đồ cấu trúc của biến tần gián tiếp.

Phương pháp điề u chế điê ̣n áp đầ u ra trong bô ̣ biế n tầ n chủ yế u dựa vào hai
phương pháp:

18


Luận văn tốt nghiệp

-

Phương pháp điề u chế sin PWM (SPWM).

-

Phương pháp điề u chế vector không gian (SVPWM).
Phương pháp SPWM dựa vào một tín hiệu sin chuẩn có tần số bằng tần số ra

và biên độ tỷ lệ với biên độ điện áp ra nghịch lưu. Tín hiệu này sẽ được so sánh với
một tín hiệu răng cưa có tần số lớn hơn rất nhiều tần số của tín hiệu sin chuẩn. Giao
điểm của hai tín hiệu này xác định thời điểm đóng mở van công suất. Điện áp ra có
dạng xung với độ rộng thay đổi theo từng chu kỳ.

Hình 1.10. Dạng sóng đầu ra nghich lưu PWM.
Trong đó:
vo1 là thành phần sin cơ bản;
vi là điện một chiều vào bộ nghịch lưu;
vo là điện áp ra.

Trong quá trình điều chế, người ta có thể tạo xung hai cực hoặc một cực, điều
biến theo độ rộng xung đơn cực và điều biến theo độ rộng xung lưỡng cực.
Để tạo ra điện áp xoay chiều bằng phương pháp SPWM, ta sử dụng một tín
hiệu xung tam giác vtri (gọi là sóng mang) đem so sánh với một tín hiệu sin chuẩn vc

(gọi là tín hiệu điều khiển). Nếu đem 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 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.

19


Luận văn tốt nghiệp

Tần số sóng mang lớn hơn rất nhiều tần số tín hiệu điều khiển. Hình dưới miêu tả
nguyên lý của của phương pháp điều chế SPWM một pha:

Hình 1.11. Nguyên lý điều chế SPWM một pha.
Khi:

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

Đối với nghịch lưu áp ba pha có sơ đồ như hình 2.10. Để tạo ra điện áp sin ba
pha dạng điều rộng xung, ta cần ba tín hiệu sin mẫu.

Hình 1.12. Nghịch lưu áp ba pha.

20


Luận văn tốt nghiệp

Nguyên lý điều chế và dạng sóng như sau:

Hình 1.13. Điều chế SPWM ba pha và da ̣ng điê ̣n áp ra.
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

Vc
Vtri

ma - hệ số điều biến ;
Vc - biên độ sóng điều khiển ;
Vtri - biên độ sóng mang.
21

(1.11)


Luận văn tốt nghiệp

Trong vùng tuyến tính (0 < ma < 1), biên độ của thành phần sin cơ bản VA01
(điện áp pha) trong dạng sóng đầu ra tỷ lệ với hệ số điều biến theo công thức:
VA01  ma

Vdc
2

(1.12)

3Vdc
2

(1.13)

Đối với điện áp dây là:
VA01  m a

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 

f tri
fc

(1.14)

Trong đó:
mf - hệ số điều chế tần số ;
ftri - tần số sóng mang, bằng tần số PWM ;
fc - tấn số tín hiệu điều khiển.
Giá trị của mf được chọn sao cho nên có giá trị dương và lẻ. Nếu mf là một
giá trị không nguyên thì trong dạng sóng đầu ra sẽ có các thành phần điều hòa phụ
(subharmonic). Nếu mf 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 mf 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.

22


Luận văn tốt nghiệp

Như vậy, 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. Đặc trưng cơ bản của phương pháp này là thành phần sóng điều hòa của điện áp
ra. 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.

23


Luận văn tốt nghiệp

Chương 2
PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHẾ ĐỘ RỘNG XUNG PWM

Thiết bị điều áp xoay chiều đã được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng như
lò công nghiệp, điều khiển dây chuyền, điều chỉnh ánh sáng, khởi động mềm của
động cơ cảm ứng và kiểm soát tốc độ quạt, máy bơm. Để thực hiện điều áp, kỹ thuật
điều chỉnh góc pha đã được sử dụng rộng rãi. Kỹ thuật này có ưu điểm là đơn giản
trong thiết kế và sử dụng mạch điều khiển, nhưng có nhược điểm là hệ số công suất
kém, thành phần sóng hài cao trong cả nguồn cấp và phụ tải. Các thiết bị điều áp xoay
chiều có thể được thay thế bằng các bộ AC choppers sử dụng phương pháp điều chế
độ rộng xung (PWM) để có thể sử dụng hiệu quả hơn. Với phương pháp này, điện áp
đầu vào được cắt nhỏ thành các phân đoạn và các cấp điện áp đầu ra được quyết định
bằng cách kiểm soát chu kỳ làm việc của các công tắc chuyển mạch.

2.1.

Tổng quát về kỹ thuật điều chế độ rộng xung – PWM

2.1.1. Một số chỉ tiêu đánh giá kỹ thuật PWM
-

Chỉ số điều chế (Modulation Index) m: được định nghĩa như tỉ số giữa biên độ

thành phần hài cơ bản tạo nên bởi phương pháp điều khiển và biên độ thành phần hài
cơ bản đạt được trong phương pháp điều khiển sáu bước (sixstep)
m=

𝑈1𝑚
𝑈1𝑚−𝑠𝑖𝑥𝑠𝑡𝑒𝑝

=

𝑈1𝑚

(2.1)

2
𝑉
𝜋 𝑑

Với Vd là tổng điện áp các nguồn DC.

-

Độ méo dạng tổng do sóng hài THD (Total Harmonic Distortion): Là đại lượng

dùng để đánh giá tác dụng của các sóng hài bậc cao (2,3…) xuất hiện trong nguồn
điện, được tính theo:
THDI =

2
√ ∑∞
𝑗≠1 𝐼(𝑗)

(2.2)

𝐼(1)

24


Luận văn tốt nghiệp

Độ méo dạng trong trường hợp dòng điện không chứa thành phần DC được
tính theo hệ thức sau:
THDI =

2
√ ∑∞
𝑗=2 𝐼(𝑗)

𝐼(1)

=

2
√𝐼2 −𝐼(1)

(2.3)

𝐼(1)

Trong đó :
I(j): trị hiệu dụng sóng hài bậc j, j ≥ 2;
I(1): trị hiệu dụng thành phần hài cơ bản của dòng điện.
-

Tần số đóng ngắt và công suất tổn hao do đóng ngắt:
Công suất tổn hao xuất hiện trên linh kiện bao gồm hai thành phần: tổn hao

công suất khi linh kiện ở trạng thái dẫn điện Pon và tổn hao công suất động Pdyn. Tổn
hao công suất Pdyn tăng lên khi tần số đóng ngắt của linh kiện tăng lên. Tần số đóng
ngắt của linh kiện không thể tăng lên tùy ý vì những lí do sau:
 Công suất tổn hao trên linh kiện tăng lên tỉ lệ với tần số đóng ngắt.
 Linh kiện công suất lớn thường gây ra công suất tổn hao đóng ngắt lớn
hơn. Do đó, tần số kích đóng của nó phải giảm cho phù hợp, ví dụ các linh kiện GTO
công suất MW chỉ có thể đóng ngắt ở tần số khoảng 100Hz.
 Các qui định về tương thích điện từ (Electromagnet Compatibility EMC) qui định khá nghiêm ngặt đối với các bộ biến đổi công suất đóng ngắt với tần
số cao hơn 9KHz.

2.1.2. Các dạng sóng mang dùng trong kỹ thuật PWM
Hai sóng mang kế cận liên tiếp nhau sẽ bị dịch 180 độ - APOD (Alternative
Phase Opposition Disposition)

25