Nghiên cứu ứng dụng mạch điều khiển back – to – back giải thuật PI để ổn định nguồn điện trong các phương tiện giao thông vận tải

TẠP CHÍ KHOA HỌC ĐẠI HỌC SÀI GÒN

Số 23 (48) - Tháng 12/2016

Nghiên cứu ứng dụng mạch điều khiển back – to – back
giải thuật PI để ổn định nguồn điện trong các
phương tiện giao thơng vận tải
Application of back – to – back circuit with PI algorithm to stabilize power supply
in vehicles
ThS. Huỳnh Lê Minh Thiện, Trường Đại học Sài Gòn
Huynh Le Minh Thien, M.Sc., Saigon University
TS. Hồ Văn Cừu, Trường Đại học Sài Gòn
Ho Van Cuu, Ph.D., Saigon University
ThS. Nguyễn Hữu Phúc, Trường Đại học Sài Gòn
Nguyen Huu Phuc, M.Sc., Saigon University
TS. Trần Thanh Vũ, Trường Đại học Giao thơng Vận tải TP.HCM
Tran Thanh Vu, Ph.D., Ho Chi Minh City University of Transport
TS. Đỗ Đăng Trình, Trường Đại học Tây Đơ (Cần Thơ)
Do Dang Trinh, Ph.D., Tay Do University (Cantho)
Tóm tắt
Bài báo nghiên cứu khả năng ứng dụng mạch Back – to – Back vào các bộ biến đổi năng lượng trên các
phương tiện giao thơng vận tải, như tàu điện Metro, máy bay và một số ứng dụng kỹ thuật cao khác.
Trong bài báo mơ tả cấu hình của bộ Back – to – Back sử dụng chỉnh lưu PWM và nghịch lưu PWM 2
bậc với vi điều khiển DSP F28335, khâu điều khiển PI mà điện áp DC trên tụ được kiểm sốt tốt hơn và
do đó kết quả điều khiển năng lượng cũng hiệu quả hơn. Kết quả đạt được từ mơ phỏng và thực nghiệm
cho thấy bước đầu khẳng định sự thành cơng hứa hẹn ứng dụng mơ hình Back – to – Back vào các
phương tiện giao thơng thực tế cũng như ứng dụng vào các thiết bị hiện đại khác có u cầu khắc khe về
tiết kiệm năng lượng và hiệu quả năng lượng.
Từ khóa: Back – to – Back, AC – DC – AC, nghịch lưu hai bậc, PWM, hội tụ nhanh, chất lượng nguồn
điện dự phòng, điều khiển nguồn.
Abstract

This paper proposes to apply the Back-to-back circuit to the energy converter in vehicles such as metro
train, airplane and some other types of high-tech transportation. This paper describes the Back-to-back
configuration that uses two-level PWM rectifier and PWM inverter with DSP F28335 microcontroller
and PI control unit on the rectifier side, which helps to control the DC voltage across the capacitor more
effectively, bringing better result in energy control. Results obtained from simulation and experiment
shows promising potential for the application of the Back-to-back circuit to power supply in vehicles as
well as in other modern equipment that strictly requires energy saving and energy efficiency.
Keywords: Back – to – Back, AC – DC – AC, two level inverter, PWM, fast convergence, the quality of
power backup system, power control.

109


1. Giới thiệu tổng quan mạch Back –
to – back
1.1. Đặt vấn đề
Một trong những biện pháp nâng cao
hiệu suất nguồn điện trên các tàu điện
ngầm, các hệ thống tàu Metro, hầu hết các
bộ điều khiển năng lượng xanh và một số
ứng dụng nhằm hiệu quả hóa năng lượng là
dùng bộ điều khiển năng lượng hai chiều
Back – to – Back, chúng ta đã và đang
dùng bộ biến đổi này như là một lựa chọn
hiệu quả cho vấn đề điều khiển năng lượng
để tiết kiệm năng lượng. Tuy nhiên, với sự
đa dạng và khó tính của các tải phi tuyến
hiện nay, cùng với nhu cầu cần phải sử
dụng tiết kiệm và hiệu quả nguồn năng
lượng điện đòi hỏi hệ thống năng lượng

phải đạt được các chỉ số chất lượng tương
đối khắc khe, nên việc tối ưu các hệ thống
này cần thêm bộ lọc tích cực sử dụng trong
các hệ thống điều khiển/ biến đổi năng
lượng điện. Bài báo này đưa ra cấu hình
ứng dụng bộ Back – to – Back điều khiển
hai bậc cho cả phía chỉnh lưu lẫn phía
nghịch lưu dùng Vi Điều Khiển
TMS320F28335 điều khiển chỉnh lưu và
nghịch lưu trong bộ Back – to – Back, nó
cũng đặt ra nhiều bài toán cần phải giải
quyết, mà đầu tiên là phải tối ưu dòng công
suất trả về nguồn khi phương tiện giao
thông hãm tải động cơ. Bài báo tiếp theo sẽ
nghiên cứu thêm về dòng bù của bộ lọc
tích cực (APF) trong hệ thống Back – to –
Back để dòng điện này có tác động hiệu
quả nhất trong vai trò bù của nó, làm cho
năng lượng điện của nguồn đạt được các
tiêu chí cho các ứng dụng vận tải cao cấp
hiện nay.
1.2. Mô hình tổng quát bộ Back – to –
Back
Mô hình tổng quát của một bộ Back –
to –Back như hình 1.

Hình 1. Mô hình Back – to – Back
Cấu hình phần cứng của bộ Back – to
– Back theo bảng 1 như sau:
Bảng 1: Thông số cấu hình mạch Back – to

– Back
Stt Thiết bị
Quy cách
Nhãn
hiệu
01 Nguồn 3 pha

380Vac

02 Cảm biến áp
Lem

hall lem lv
25-p

03 Kháng vào
L1x3

20mH

04 Tụ ngõ vào
C1x3

100uF

05 DSP F28335
06 iGBTx12

TI
GT60N323

Toshiba

07 Động cơ 3 pha 0.4kw
Hitachi
Xét về góc độ truyền tải năng lượng,
thì một hệ thống tổng quát gồm dây của
pha a, dây của pha b, dây của pha c của
nguồn 3 pha, bộ lọc thụ động LC ngoc vào,
mạch Back – to – Back, trong đó bao gồm
một bên là nguồn – chỉnh lưu và bên kia là
tải – nghịch lưu, và tải động cơ hoặc động
cơ, như hình 1.
 Phía nguồn – chỉnh lưu, hình 2:

Hình 2. Phía nguồn – chỉnh lưu.
110


Trích áp từ 3 pha A, B, C đưa qua
ADC của F28335 để lấy va , vb , vc so sánh
với sóng mang carrier tại tần số lấy mẫu
12kHz, như hình 3.

Hình 6. Phía Nghịch lưu – tải động cơ.
Xung kích các cặp S1-S4, S3-S6, S5S2 lấy từ ngõ ra PWM2 của F28335, trong
đó tham chiếu sine để so với sóng mang
tam giác carrier được lấy sau ADC chung
với bộ chỉnh lưu. Ta được dạng sóng dòng
điện không tải ở ngõ ra sau phía nghịch

lưu, như hình 7.

Hình 3. So sánh sóng sine của 3 pha với
sóng mang để tạo xung kích.
Xung kích lấy ra từ PWM của F28335
như hình 4.

Hình 4. Xung kích iGBT
Trong hình 4, up-upd, vp-vpd, wp-wpd
lần lượt là các cặp xung kích cho ba cặp
iGBT của ba pha A,B,C.
Điện áp ngõ ra bộ chỉnh lưu cũng là
điện áp vào DC cho bộ nghịch lưu, như
hình 5.

Hình 7. Dạng sóng 3 pha không tải sau
nghịch lưu.
2. Mô hình thực nghiệm Back - to - Back
Dựa trên cơ sở tổng quan phần 1, ta
xây dựng mô hình thực nghiệm mạch Back
– to – Back như hình 8.

Hình 5. Điện áp ngõ ra bộ chỉnh lưu
 Phía tải – nghịch lưu, hình 6.

Hình 8. Mô hình chạy thực nghiệm
Back – to – Back
111

2.1. Khối cảm biến
Hình 9 mô tả chi tiết khối cảm biến sử
dụng để trích thông số tín hiệu nguồn ba pha.

Hình 10. Sơ đồ khối mạch lái
2.3. Khối điều khiển
Khối điều khiển sử dụng DSP
TMS320F2833, hình 11.

Hình 9. Sơ đồ nguyên lý mạch cảm biến áp.
Cảm biến áp dùng trong mạch là loại
Hall LEM LV 25-P
Cảm biến dòng loại Hall LEM LA 55P, dòng cực đại 50A
Giá trị điện áp Vout ngõ ra thay đổi
khi ta tác động 1 trong 3 biến trở R2, R5,
R7 theo như trên hình
Giá trị này phải
nằm trong một khoảng nhất định phụ thuộc
vào ngõ vào ADC của vi điều khiển, cụ thể
là 0-3V đối với TMS320F2833
Tải phi tuyến thử nghiệm gồm RL nối
tiếp phía ngõ ra bộ chỉnh lưu diode cầu 3
pha. Phía đầu vào chỉnh lưu có cuộn kháng
AC. Các giá trị Ldc = 20mH, Rdc =
48[Ohm].
2.2. Mạch lái
Mạch lái được mô tả trong sơ đồ khối
như hình 10, là mạch nhận xung từ Vi
điều khiển F28335 để tạo xung kích cho
các iGBT của cả phía chỉnh lưu và phía

nghịch lưu.

Hình 11. Sơ đồ khối điều khiển
TMS320F28335
Sơ đồ khối trên hình 11 thể hiện toàn
bộ quá trình tính toán thực hiện bên trong
Vi điều khiển. Hệ thống đại lượng điện áp
và dòng tải được quy đổi sang hệ tọa độ
vuông góc, theo đó công suất tức thời p,q
được xác định.
2.4. Giải thuật cho DSP
Lưu đồ giải thật điều khiển DSP để tạo
6 xung PWM cho khối chỉnh lưu và 6 xung
PWM cho khối nghịch lưu để vận hành
mạch Back – to – Back được mô tả theo
hình 12.

112


adcrun
mb_f >IFb ?

Đọc giá trị 3 cảm biến áp nguồn
(Va,Vb,Vc)
Đọc giá trị 3 cảm biến dòng ngõ ra
nghịch lưu (IFa,IFb,IFc)
Đọc giá trị 3 cảm biến dòng tải
(Ila,Ilb,Ilc)
Đọc giá trị áp tụ (Vdc)

NO

K2=2
(Khóa dưới đóng)

NO

K3=2
(Khóa dưới đóng)

YES
K2=1
(khóa trên đóng)

Lọc DC áp tụ tần số lấy mẫu 20khz
mc_f >IFc ?

YES

Chuyển đổi hệ tọa độ abc - > αβ0

K3=1
(khóa trên đóng)

Lọc DC cộng suất thực (congsuat_P)

GPIOdata = K1+K2+K3

Bù PI cho Vdc

Exit

Chuyển đổi hệ tọa độ αβ0 -> abc

ma_f >IFa ?

NO

K1=2
(Khóa dưới đóng)

YES
K1=1
(khóa trên đóng)

Hình 12. Lưu đồ giải thuật điều khiển cho DSP
Phổ FFT dòng điện 3 pha

2.5. Mô phỏng hệ thống
Mô hình Back – to – Back được mô
phỏng với điện áp ngõ vào 3 pha 50V, tần
số 50Hz, kháng ngõ vào L1 = 10mH, tụ lọc
ngõ vào C1 = 100 uF.
Dạng sóng dòng điện 3 pha, hình 13.

Hình 13. Dòng điện trên tải và phổ FFT
Dạng sóng điện áp giữa 2 pha, V_ab, hình 14.

113

Dạng sóng và phổ của dòng điện cũng
nhe điện áp từ hình 13 đến hình 16 cho
thấy các tiêu chí dòng điện và điện áp của
ngõ ra phía chỉnh lưu cũng như phía nghịch
lưu của bộ Back – to – Back đáp ứng tốt
tiêu chí dòng và áp trên tải.
2.6. So sánh kết quả mô phỏng và
kết quả thực nghiệm

Phổ FFT của V_ab

Hình 14. Điện áp V_ab trên tải và phổ FFT
Dạng sóng điện áp pha A, V_an, hình 15.

Điều kiện tiến hành thực nghiệm:
Vrms  50[V ], L1  30[mH ] ;
V_ dc  110[V ]
Động cơ Hitachi 0.4 kW 3 pha
Dạng sóng mô phỏng điện áp DC ở mô
hình không có khâu PI, hình 17.

Phổ FFT của V_an

Hình 15. Điện áp pha A và phổ FFT, V_an
Dạng sóng điện áp DC sau chỉnh lưu
PWM, hình 16.
Hình 17. Sóng điện áp DC trên tụ, mô hình
không có khâu PI.

Dạng sóng mô phỏng điện áp DC ở mô
hình có sử dụng khâu điều khiển PI, hình
18.
Phổ của dạng sóng điện áp DC sau
chỉnh lưu PWM

Hình 18. Dạng sóng mô phỏng khi có sử
dụng khâu PI
Mô phỏng dạng sóng trên tải áp
nguồn, dòng nguồn – dòng tải hệ thống,
hình 19.

Hình 16. Điện áp DC và phổ FFT sau
chỉnh lưu PWM
114


- Giải thuật điều khiển dựa vào lý
thuyết công suất tức thời, thực hiện trong
hệ tọa độ vector vuông góc αβ. Điện áp dc
phục vụ hoạt động của mạch lọc được duy
trì gần như không đổi.
- Mô hình có thể sử dụng cho mạch 3f 4
dây với tụ phân chia, tuy nhiên cần giải quyết
triệt để bài toán bù chênh lệch áp của 2 tụ.
Hình 19. Dạng sóng mô phỏng
Dạng sóng đo thực nghiệm, hình 20.

TÀI LIỆU THAM KHẢO
1. Huỳnh Lê Minh Thiện, Hồ Văn Cừu, Trần

Thanh Vũ, “Xây dựng giải pháp điều khiển
thích nghi hội tụ nhanh để thiết kế bộ lọc tích
cực 3 pha”, Tạp chí khoa học trường ĐH Sài
Gòn, tháng 09 năm 2015.
2. Tan Luong Van, Le Minh Thien Huynh,
Thanh Trang Tran and Duc Chi Nguyen,
“Improved Control Strategy of Three-Phase
Four-Wire Inverters using Sliding Mode
Input-Ouput Feedback Linearization under
Unbalanced and Nonlinear Load Conditions”,
AETA, Dec 2015.
3. N.V.Nho, M.J. Youn, Carrier PWM algorithm
with optimized switching loss for three-phase
four-leg multilevel inverters, IEE Electronics
Letters, UK, Vol.41, pp.43-44, No.1, ISSN
0013-5194, Jan 2005
4. Nguyễn Văn Nhờ, Myung- Bok Kim, GunWoo Moon, Myung- Joong Youn, “ A Novel
Carrier Based PWM Method in Three-phase
Four-Wire Inverters”, IEEE 2004
5. N.V. Nho, N.X. Bac and H-H. Lee, "An
Optimized Discontinuous PWM Method to
Minimize Switching Loss for Multilevel
Inverters", IEEE Transactions On Industrial
Electronics, Vol.58, NO. 9, SEPTEMBER
2011
6. Mauricio Aredes and Edson H. Watanabe, “
New Control Algorithms For Series And
Shunt Three-Phase Foure-Wire Active Power
Filters”, IEEE Transactions on Power
Delivery, Vol.10, No.3, July 1995

7. Alessandro Cavini, Fabio Ronchi, Andrea
Tilli, “ Four-Wire Shunt Active Filters:
Optimized Design Methodology”, IEEE 2003
8. Nguyễn Phùng Quang, “Matlab và Simulink”,

Hình 20. Dạng sóng đo thực nghiệm: Áp
nguồn-dòng nguồn-dòng tải hệ thống.
Các kết quả mô phỏng và thực nghiệm
trên các hình từ 17 đến 20 minh chứng cho
sự cải thiện độ méo dạng sóng điện áp DC
trên tụ, cũng như dòng điện và điện áp tải.
3. Kết luận
- Mô hình thực nghiệm mạch Back –
to – Back 3 pha ứng dụng trong giao thông
vận tải đã được thi công và thử nghiệm với
chế độ tải động cơ không đồng bộ. Nguồn
cung cấp 3 pha 380V 50Hz được giảm áp
qua máy biến áp 3 pha, có khả năng thay
đổi mức điện áp dạng nhảy cấp. Hệ thống
tải được thiết kế với bộ chỉnh lưu trực tiếp
PWM 2 bậc 6 xung, mắc vào tụ lọc C_dc.
Dòng điện vào có các cuộn kháng AC ngõ
vào mắc nối tiếp với bộ chỉnh lưu. Hệ
thống cảm biến áp và dòng điện đo lường
sử dụng loại Hall. Card điều khiển DSP
TMS320F28335 được trang bị thuộc loại
phổ biến trong các mô hình nghiên cứu
điều khiển thiết bị điện tử công suất.
115

NXB KHKT, Hà Nội, 2004.
9. H.Akagi et al,” Instantaneous Power Theory
and Applications to Power Conditioning”,
IEEE Press 2007
10. N.V.Nho, M.J. Youn, Carrier PWM algorithm
with optimized switching loss for three-phase
four-leg multilevel inverters, IEE Electronics

Ngày nhận bài: 16/11/2016

Letters, UK, Vol.41, pp.43-44, No.1, ISSN
0013-5194, Jan 2005
11. H. Akagi, Y. Kanazawa, A. Nabae,
“Generalized Theory of the Instantaneous
Reactive Power in Three-Phase”, Circuits,
IPEC'83 - Int. Power Electronics Conf.,
Tokyo, Japan, 1983, pp. 1375-1386.

Biên tập xong: 15/12/2016

116

Duyệt đăng: 20/12/2016