Thiết lập mối tương quan giữa kỹ thuật điều chế sóng mang cbpwm và kỹ thuật điều chế vector không gian cho bộ nghịch lưu bốn khóa

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HỒ CHÍ MINH
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
--------------------

PHẠM THÚY NGỌC

ĐỀ TÀI:

THIẾT LẬP MỐI TƯƠNG QUAN GIỮA KỸ THUẬT ĐIỀU
CHẾ SÓNG MANG CBPWM VÀ KỸ THUẬ ĐIỀU CHẾ
VECTOR KHÔNG GIAN CHO BỘ NGHỊCH LƯU
BỐN KHÓA
CHUYÊN NGÀNH: TB-M-NM ĐIỆN

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 07 năm 2007


CÔNG TRÌNH ĐƯC HOÀN THÀNH TẠI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN KHOA HỌC : TS. PHAN QUỐC DŨNG

CÁN BỘ CHẤM NHẬN XÉT 1 : .................................................................

CÁN BỘ CHẤM NHẬN XÉT 2 : .................................................................

Luận văn thạc só được bảo vệ tại HỘI ĐỒNG CHẤM BẢO VỆ LUẬN VĂN
THẠC SĨ

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA, ngày . . . . . tháng . . . . naêm . . .. .


- Trang 3: Tờ nhiệm vụ luận văn thạc sĩ
- Trang 4: Lời cám ơn
- Trang 5: Tóm tắt luận văn thạc sĩ
- Trang kế tiếp: Mục lục
- Các trang tiếp theo: Toàn bộ nội dung luận văn (thực hiện theo đề cương đã bảo vệ)
- Các trang tiếp theo: Tài liệu tham khảo (xếp theo thứ tự A,B,C…..)


ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HCM
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
----------------

CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHIÃ VIỆT NAM
Độc Lập - Tự Do - Hạnh Phúc
---oOo--Tp. HCM, ngày 05 tháng 07 năm 2007

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ và tên học viên: PHẠM THÚY NGỌC.
Giới tính : Nữ
Ngày, tháng, năm sinh : 20.10.1976
Nơi sinh : TP. Thái Nguyên
Chuyên ngành : Thiết bị – Mạng – Nhà máy điện
Khoá (Năm trúng tuyển) :2005
1- TÊN ĐỀ TÀI:
THIẾT LẬP MỐI TƯƠNG QUAN GIỮA KỸ THUẬT ĐIỀU CHẾ SÓNG MANG
CPWM VÀ KỸ THUẬT ĐIỀU CHẾ VECTOR KHÔNG GIAN SVPWM CHO BỘ
NGHỊCH LƯU BỐN KHOÁ

2- NHIỆM VỤ LUẬN VĂN:

•
•

•

Nghiên cứu phương pháp điều khiển bộ nghịch lưu 4 khoá dùng kỹ thuật
điều chế véc tơ không gian và kỹ thuật sóng mang.
Thiết lập mối tương quan giữa thuật điều chế sóng mang CBWM và kỹ
thuật điều chế vector không gian SVPWM trong bộ nghịch lưu bốn
khóa
Khảo sát các dạng sóng điện áp, dòng điện, độ méo dạng điện áp ở ngõ
ra của bộ nghịch lưu áp bốn khóa bằng phần mềm mô phỏng Matlab.

3- NGÀY GIAO NHIỆM VỤ :

05. 2007

4- NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ : 05. 07. 2007
5- HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: TS. PHAN QUỐC DŨNG
Nội dung và đề cương Luận văn thạc só đã được Hội Đồng Chuyên Ngành thông qua.
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN
(Họ tên và chữ ký)

CHỦ NHIỆM BỘ MÔN
QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH
(Họ tên và chữ ký)

LỜI CẢM ƠN
Tôi xin gởi lời biết ơn chân thành đến Tiến Sỹ Phan Quốc Dũng là người
tận tình hướng dẫn, chỉ bảo động viên giúp đỡ tôi trong suốt quá trình hoàn
thành luận văn này.
Tôi xin chân thành cảm ơn sự giúp đỡ của Trường Đại Học Bách Khoa
thành phố Hồ Chí Minh, Phòng Đào Tạo Sau Đại Học, Đã hỗ trợ và tạo điều
kiện thuận lợi cho tôi trong qúa trình học tập cũng như trong qúa trình thực hiện
luận văn tốt nghiệp.
Tôi xin chân thành cảm ơn Ban Chủ Nhiệm Khoa Điện, các Thầy Cô đã
tận tình giảng dạy trong hai năm học qua. Xin cảm ơn các bạn học viên khóa
2005, Những người đã luôn sát cánh bên tôi trong suốt thời gian học tập tại
trường.
Xin cảm ơn Trường Đại Học Công Nghiệp Thành Phố HCM, BCN khoa
Điện trường ĐHCN đã giúp đỡ, động viên và tạo điều kiện để tôi hoàn thành
luận văn này.
Tôi xin cảm ơn Bố Mẹ và gia đình cùng những người thân đã động viên
giúp đỡ tôi trong suốt khoá học cũng như trong thời gian tôi thực hiện luận văn,
Cảm ơn người bạn đời, bạn đồng hành của tôi, đã động viên và tạo mọi điều
kiện để tôi có thể hoàn thành tốt luận văn này.
TP Hồ Chí Minh, ngày …….tháng ……….Năm 2007

Phạm Thuý Ngọc



LỜI NÓI ĐẦU
Hiện nay, các thiết bị điện tử công suất hiện đại đang được sử dụng ngày càng
nhiều với phạm vi ứng dụng rộng rãi, trong đó các bộ biến tần điều khiển vận tốc động
cơ không đồng bộ ba pha được sử dụng rộng rãi cho các ứng dụng hệ truyền động trong
công nghiệp. Các bộ biến tần truyền thống có những nhược điểm cơ bản như giá thành

tương đối cao, hệ số công suất nguồn không điều khiển được, tổn hao trên linh kiện
lớn, độ dốc điện áp lớn, giá trị Common Mode lớn, dòng nguồn bị méo dạng so với sin
nên làm nhiễu lưới nguồn, phải sử dụng bộ lọc nguồn để đảm bảo chất lượng điện
năng, …. Do đó, mục tiêu đặt ra là nghiên cứu về bộ biến tần giá thành thấp, chất lượng
và hiệu suất cao, xuất phát từ thực tiễn trên, luận văn đi sâu vào nghiên cứu phương
pháp điều khiển bộ nghịch lưu bốn khóa sử dụng kỹ thuật điều chế độ rộng xung sóng
mang và kỹ thuật điều chế vector không gian, thiết lập mối tương quan giữa hai
phương pháp điều khiển trên, bao hàm sự phân tích các mối quan hệ phức tạp như Mối
quan hệ giữa tín hiệu điều chế và vector không gian, giữa tín hiệu điều chế và các
sector vector không gian, mối quan hệ giữa thời gian lấy mẫu đóng cắt của điều chế
vector không gian và điều chế sóng mang…. Tất cả các mối quanhệ này đều là cơ sở
cho sự thiết lập tương quan, biến đổi hai chiều giữa bộ điều chế vector không gian và
điều chế sóng mang nhằm đạt được sự điều khiển linh hoạt bộ biến tần tiết kiệm với
khả năng triển khai điều khiển thực dễ dàng nhất và tối ưu theo các tiêu chí định trước.
Đây là vấn đề khoa học thời sự và mới mẻ. Nó có ý nghóa quan trọng đối với việc phát
triển lý thuyết cũng như thực tiễn điều khiển PWM của các thiết bị điện tử công suất
hiện đại, đáp ứng được yêu cầu về chất lượng điều khiển và giá thành.


TÓM TẮT NỘI DUNG LUẬN VĂN
Nội dung của luận văn này gồm các chương sau:
Chương I: Giới thiệu tổng quan về bộ nghịch lưu áp bốn khóa, cấu hình và các phương
pháp điều khiển bộ nghịch lưu bốn khóa.
Chương II: Nghiên cứu kỹ thuật điều khiển bộ nghịch lưu áp bốn khóa dùng kỹ thuật
điều chế sóng mang truyền thống, sử dụng phần mềm mô phỏng matlab để khảo sát
phương háp điều khiển này. Từ kết qủa mô phỏng, đánh giá, nhận xét về tổn hao, độ
méo dạng điện áp, dòng điện ở ngõ ra và các hệ số phẩm chất khác.
Chương III Nghiên cứu kỹ thuật điều khiển bộ nghịch lưu áp bốn khóa dùng kỹ thuật
điều chế vector không gian, sử dụng phần mềm mô phỏng matlab để khảo sát phương
pháp điều khiển này. Từ kết qủa mô phỏng, đánh giá, nhận xét về tổn hao, độ méo

dạng điện áp, dòng điện ở ngõ ra và các hệ số phẩm chất khác. Cơ sở chọn lựa thuật
toán điều khiển tối ưu.
Chương IV: Thiết lập mối tương quan giữa kỹ thuật điều chế sóng mang CBPWM và
kỹ thuật điều chế vector không gian. (SVPWM ) nhằm đạt được sự điều khiển linh hoạt
bộ biến tần tiết kiệm với khả năng điều khiển thực dễ dàng nhất và tối ưu theo các tiêu
chí định trước.
Chương V: Kết luận


Luận văn tốt nghiệp

GVHD: TS Phan Quốc Dũng

NỘI DUNG LUẬN VĂN
CHƯƠNG I
TỔNG QUAN VỀ BỘ NGHỊCH LƯU ÁP BA PHA TIẾT KIỆM
1.1 TỔNG QUAN

1.1.1 Bộ nghịch lưu
1.1.2 Bộ nghịch lưu áp
1.2

BỘ NGHỊCH LƯU TIẾT KIỆM

1.2.1 Đặc điểm tổng quan của bộ nghịch lưu ba pha bốn khóa ( FSTPI )
1.2.2 Lịch sử phát triển của nghịch lưu áp ba pha giá thành thấp
1.3

CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN BỘ NGHỊCH LƯU ÁP GIÁ THÀNH THẤP

1.3.1 Phương pháp điều chế sóng mang – CBPWM
1.3.2 Phương pháp điều chế vector không gian – SVPWM
1.3.2 Phương pháp điều khiển SHE PWM
1.4

CÁC CẤU HÌNH CỦA BỘ BIẾN TẦN GIÁ THÀNH THẤP

1.4.1 Giới thiệu chung
1.4.2 Cấu hình biến tần tiết kiệm với ngõ vào 3 pha và ngõ ra cấp nguồn
cho động cơ 3 pha
1.4.3 Cấu hình bộ biến tần có cấu hình rút gọn (2 IGBT ở khâu chỉnh lưu
và 4 IGBT ở khâu nghịch lưu)
CHƯƠNG II
KỸ THUẬT ĐIỀU CHẾ SÓNG MANG
TỔNG QUAN
2. 1 CƠ SỞ PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHẾ SÓNG MANG
2. 1.1

Nguyên lý hoạt động của Bộ PWM sóng mang
2.1.2 Mối quan hệ giữa biên độ điện áp ngõ ra và hệ số ma
2.2 XÂY DỰNG MÔ PHỎNG PHƯƠNG PHÁP CBPWM TRONG MATLAB

2.2.1 Sơ đồ bộ nghịch lưu và phương pháp điều rộng sóng mang
2.2.2 Sơ đồ mô phỏng trong Simulink


Luận văn tốt nghiệp

GVHD: TS Phan Quốc Dũng

2.2.3 Khảo sát kết qủa của các qúa trình mô phỏng
CHƯƠNG III
KỸ THUẬT ĐIỀU CHẾ VECTOR KHÔNG GIAN
TỔNG QUAN
3.1 CƠ SỞ PHƯƠNG PHÁP SVPWM
3.1.1 Khái niệm vector không gian
3.1.2 Kỹ thuật điều chế vector không gian
3.2 GIẢI THUẬT ANALOG THỰC HIỆN ĐIỀU CHẾ VECTOR KHÔNG GIAN
3.2.1 Cơ sở giải thuật
3.2.2 Xác định thời gian đóng ngắt cho các công tắc
3.3 XÂY DỰNG SƠ ĐỒ MÔ PHỎNG PHƯƠNG PHÁP SVPWM TRONG MATLAB
3.3.1 Xây dựng sơ đồ mô phỏng phương pháp svpwm trong matlab
3.3.2 Kết qủa mô phỏng
CHƯƠNG IV
MỐI TƯƠNG QUAN GIỮA PHƯƠNG PHÁP CBPWM-SVPWM
TỔNG QUAN
4.1. THIẾT LẬP MỐI TƯƠNG QUAN GIỮA PHƯƠNG PHÁP CBPWM-SVPWM

4.2

4.1.1 Phương pháp điều chế độ rộng xung sóng mang CBPWM
4.1.2 Phương pháp điều chế vector không gian SVPWM
4.1.2 Thiết lập mối tương quan giữa CBPWM-SVPWM

XÂY DỰNG MÔ HÌNH MÔ PHỎNG MỐI TƯƠNG QUAN GIỮA PHƯƠNG
PHÁP CBPWM- SVPWM
4.2.1 Xây dựng mô hình mô phỏng mối tương quan giữa CBPWM- SVPWM
4.2.2 Kết qủa mô phỏng

4.2.3 Nhận xét

CHƯƠNG V

KẾT LUẬN


Luận văn tốt nghiệp

GVHD: TS Phan Quốc Dũng

CHƯƠNG I

TỔNG QUAN VỀ BỘ NGHỊCH LƯU ÁP BA PHA
TIẾT KIỆM
1.1

TỔNG QUAN

1.1.1 Bộ nghịch lưu
Bộ nghịch lưu có nhiệm vụ chuyển đổi năng lượng từ nguồn điện một chiều
sang nguồn điện xoay chiều để cung cấp cho tải xoay chiều.
Bộ nghịch lưu được ứng dụng rộng rãi trong truyền động động cơ xoay chiều, lò
cảm ứng trung tần, hàn trung tần, nguồn xoay chiều trong gia đình, nguồn lưu điện
(UPS), Chiều sáng (đèn huỳnh quang cao tần), bù nhuyễn công suất phản kháng và
ứng dụng trong truyền tải điện cao áp một chiều...
Bộ nghịch lưu thường có hai dạng: Bộ nghịch lưu áp ( đại lượng điều khiển ở
ngõ ra là điện áp ), và bộ Bộ nghịch lưu dòng ( đại lượng điều khiển ở ngõ ra là dòng
điện )
1.1.2 Bộ nghịch lưu áp
Bộ nghịch lưu áp cung cấp và điều khiển điện áp xoay chiều ở ngõ ra. Bộ
nghịch lưu áp ba pha truyền thống có cấu trúc như Hình 1.1a.

Nguồn điện áp một chiều có thể là Pin, Ắc qui ( Hình 1.1a,b ) hoặc ở dạng
phức tạp gồm bộ chỉnh lưu và lọc phẳng. Linh kiện trong bộ nghịch lưu thường sử
dụng các công tắc bán dẫn, Trong các bộ nghịch lưu công suất vừa và nhỏ, có thể sử
dụng BJT, MOSFET, IGBT và ở phạm vi công suất lớn có thể sử dụng GTO, IGCT
hoặc SCR kết hợp với bộ chuyển mạch.
Bộ nghịch lưu áp có dạng một pha hoặc ba pha. Quá trình chuyển mạch của
bộ nghịch lưu áp thường là quá trình chuyển đổi cưỡng bức. Trong trường hợp đặc

1


Luận văn tốt nghiệp

GVHD: TS Phan Quốc Dũng

biệt, bộ nghịch lưu làm việc không có quá trình chuyển mạch hoặc với quá trình
chuyển mạch phụ thuộc bên ngoài.Từ đó ta có hai trường hợp bộ biến tần với quá
trình chuyển mạch độc lập và quá trình chuyển mạch phụ thuộc bên ngoài.
Trên thực tế, bộ nghịch lưu có vai trò rất quan trọng trong bộ biến tần. Bằng
cách nghiên cứu phát triển bộ nghịch lưu chúng ta có thể có nhiều bộ biến tần tối ưu
hơn. Như bộ biến tần tiết kiệm sử dụng bộ nghịch lưu áp ba pha bốn khóa hay bộ
nghịch lưu áp đa bậc ( Multi-level Voltage Source Inverter ) thường được sử dụng vì
những ưu điểm vượt trội của nó.
Khi đề cập đến bộ nghịch lưu áp ba pha hai bậc, ngoài cách tiếp cận truyền
thống đối với bộ nghịch lưu áp hai bậc ( Hình 1.1a ) đó là bộ nghịch lưu áp ba pha
sáu khóa trong luận văn này sẽ đi sâu vào nghiên cứu, tìm hiểu cấu hình, nguyên lý
họat động và các phương pháp điều khiển bộ nghịch lưu áp tiết kiệm ba pha bốn
khóa ( Hình 1.1b )

Hình 1.1

a. Bộ nghịch lưu áp ba pha truyền thống
b. Bộ nghịch lưu áp ba pha bốn khóa

2


Luận văn tốt nghiệp

GVHD: TS Phan Quốc Dũng

Phân tích điện áp trong bộ nghịch lưu ba pha bốn khóa
Dựa trên nguyên lý điều chế đối với bộ nghịch lưu ba pha truyền thống (Hình 1.2)

Hình 1.2 Bộ nghịch lưu áp ba pha bốn khóa
ta xây dựng giải thuật điều chế đối với bộ nghịch lưu áp tiết kiệm. Từ sơ đồ của bộ
nghịch lưu ba pha sáu khóa, ta phân tích điện áp pha Uan, điện áp tâm nguồn U0n .
uaN = ua0 – uN0
ubN = ub0 – uN0
ucN= uc0–uN0

( 1.1 )

Biến đổi hệ ( 1.1 ), ta có:
ua0 + ub0 + uc0 - 3 uN0 = 0

( 1.2 )

Từ đó suy ra điện áp tâm nguồn:

u N0 =

u10 + u 20 + u 30
3

( 1.3 )

Thế trở lại vào hệ (1.1) ta có:

3


Luận văn tốt nghiệp

GVHD: TS Phan Quốc Dũng

2u ao − u bo − uco
3
2u − u − u
u bN = bo co ao
3
2u − u − u
u cN = co bo ao
3
u aN =

( 1.4 )

Điện áp dây trên tải:
uab = uaN – ubN

ubc = ubN – ucN
uca= ucN–uaN

( 1.5 )

Từ công thức trên ta thấy điện áp ở ngõ ra của bộ nghịch lưu sẽ được xác định
khi ta xác định các điện áp trung gian uaN , ubN , ucN.
Trong trường hợp bộ nghịch lưu bốn khóa, uco = 0, thế vào 1.4 ta thu được hệ:
2uao − u bo
3
2u − −u ao
u bN = bo
3
−u − u
ucN = bo ao
3
uaN =

( 1.6 )

Đối với bộ nghịch lưu áp ba pha ta thường điều khiển các công tắc theo qui tắc
kích đóng đối nghịch. Trạng thái cả hai công tắc trong một pha cùng được kích đóng
hoặc cùng được kích đóng là không được phép.
Ta có : q1 + q3 = q2 + q4 = 1
Với qui tắc kích đóng đối nghịch, điện áp uaN , ubN , ucN lần lượt có giá trị +
udc/2 nếu công tắc lẻ được kích đóng, có giá trị - udc/2 nếu công tắc chẵn được kích
đóng

4

Luận văn tốt nghiệp

GVHD: TS Phan Quốc Dũng

1.2 BỘ NGHỊCH LƯU TIẾT KIỆM

1.2.1 Đặc điểm tổng quan của bộ nghịch lưu ba pha bốn khóa ( FSTPI )
Hiện nay, các bộ biến tần điều khiển vận tốc động cơ không đồng bộ ba pha
cấp nguồn từ lưới xoay chiều một pha được sử dụng khá rộng rãi cho các ứng dụng
hệ truyền động trong nông nghiệp, công nghiệp, máy quạt, máy bơm, máy điều hòa
không khí…
Các bộ biến tần truyền thống có những nhược điểm cơ bản như giá thành
tương đối cao, hệ số công suất nguồn không điều khiển được, dòng nguồn bị méo
dạng so với sin nên làm nhiễu lưới nguồn, phải sử dụng bộ lọc nguồn để đảm bảo
chất lượng điện năng, không có khả năng trao đổi công suất theo hai chiều. Do đó,
mục tiêu đặt ra cho các nghiên cứu về bộ biến tần nhằm đạt được hiệu suất cao, giá
thành hạ và chất lượng cao.
Bộ nghịch lưu áp ba pha bốn khóa được đưa ra với mục đích giảm giá thành
của bộ biến tần, tuy nhiên bên cạnh ưu điểm giá thành cạnh tranh hơn, bộ biến tần
tiết kiệm cũng còn tồn tại một số nhược điểm nhất định, đó là việc điều khiển mở
rộng quá điều chế chưa thực hiện được, giải pháp cân bằng điện áp tụ giải quyết
chưa triệt để, kỹ thuật điều chế độ rộng xung véc tơ không gian chưa phải là tối ưu
và đòi hỏi lập trình phức tạp những nhược điểm này đang dần được nghiên cứu và
khắc phục, để đưa bộ biến tần này ứng dụng rộng rãi trong thực tế.
1.2.2 Lịch sử phát triển của nghịch lưu áp ba pha bốn khóa
Các nghiên cứu gần đây về lãnh vực biến tần tiết kiệm ở ngoài nước từ năm
- 1984-2005 được tóm tắt bằng những điểm chính như sau :

5

Luận văn tốt nghiệp

GVHD: TS Phan Quốc Dũng

- 1984 : Van Der Broeck H.W., Van Wyk J.D. đề xuất cấu hình bộ nghịch
lưu ba pha tiết kiệm ( 4 khóa thay vì 6 khóa) và khả năng điều khiển tốc độ
động cơ ba pha [1].
- 1993 : Enjeti P. N. et al đã đưa ra các cấu hình bộ biến tần có cấu hình
rút gọn (2 IGBT ở khâu chỉnh lưu và 4 IGBT ở khâu nghịch lưu) để chuyển đổi
năng lượng từ 1 pha sang 3 pha [2,3] với các tính năng về giá thành hạ và điều
khiển nâng cao hệ số công suất nguồn. Phương pháp điều khiển là loại bỏ sóng
hài bậc cao theo yêu cầu bằng cách tính toán ngoại tuyến và tra bảng còn
nhiều hạn chế. Phương pháp điều khiển véctơ và kỹ thuật sóng mang chưa
được đề cập.
- 1995 : Jacobina C.B. et al đưa ra giải thuật điều khiển vô hướng và điều
khiển véc tơ cho bộ nghịch lưu tiết kiệm (4 khóa) [4], 1996 – nhóm này đề xuất
cấu hình biến tần tiết kiệm với ngõ vào 3 pha và ngõ ra cấp nguồn cho động cơ
3 pha [5]. Cũng trong năm này, Covic G. A. et al đề xuất phương pháp điều chế
PWM véctơ không gian dạng bất đối xứng cho bộ biến tần cấu trúc tiết kiệm
[6]. Covic G. A. cũng đã đưa ra phương pháp bù sự mất cân bằng điện áp
nguồn DC bằng kỹ thuật SVPWM năm 1997-1999 [7, 9, 10].
- 1997 : Darwin T.W. Liang cũng đã đề xuất phương pháp SVPWM kế
thừa các công trình của nhóm Jacobina nhưng tiếp cận theo cách phân tích từ
thông stator [8].
- 1999 : nhóm nghiên cứu Jacobina tiếp tục hoàn thiện phương pháp
điều chế PWM véc tơ không gian của mình bằng cách tổng hợp các phương
pháp SVPWM sử dụng các tổ hợp 3 véc tơ không gian trong số 4 véc tơ [11].
2005 : nhóm Jacobina đề xuất bộ biến tần tiết kiệm cấp nguồn cho động cơ

6


Luận văn tốt nghiệp

GVHD: TS Phan Quốc Dũng

KĐB có cuộn dây kép [12], Klima J. đưa ra phương pháp giải tích và phân
tích Fourier cho bộ nghịch lưu tiết kiệm [13,14].
1.3 CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN BỘ NGHỊCH LƯU ÁP TIẾT KIỆM

Giới thiệu
Các phương pháp điều khiển áp dụng cho bộ nghịch lưu áp hai bậc như
phương pháp điều chế độ rộng xung và các dạng cải biến của nó, phương pháp điều
khiển vector, phương pháp khử sóng hài tối ưu, các phương pháp điều khiển dòng
điện,… Đều có thể được điều chỉnh để áp dụng cho bộ nghịch lưu áp ba pha tiết
kiệm. Trong các phương pháp điều khiển, các thuật toán cố gắng thực hiện duy trì
trạng thái cân bằng các nguồn điện áp DC và khử bỏ hiện tượng common – mode
voltage, nguyên nhân gây ra một số hiện tượng làm sớm lão hoá động cơ. tiết kiệm
ba pha. Dưới này là ba phương pháp điều chế cơ bản.
1.3.1

Phương pháp điều chế sóng mang – CBPWM ( Carrier-Base Pulse Wide
Modulation ):

Phương pháp điều chế sóng mang được trình bày chi tiết trong chương II
1.3.2 Phương pháp điều chế vector không gian – SVPWM ( SpaceVector Pulse
Wide Modulation ) :
Phương pháp điều chế Vector không gian được trình bày chi tiết trong chương III

1.3.2 Phương pháp điều khiển SHE PWM: (Selective Harmonic Elimination
Pulse Wide Modulation )
Kỹ thuật SHE PWM có vai trò quan trọng trong các bộ biến đổi công suất do
có công suất tổn hao đóng ngắt thấp.
Hiẹân nay có rất nhiều phương pháp điều khiển SHE cho các bộ nghich lưu áp :

7


Luận văn tốt nghiệp

GVHD: TS Phan Quốc Dũng

- Newton Raphson
- Resultant
- Genetic
- ANN
- Others
Nhược điểm tồn tại gây ra bởi việc tính toán hệ phương trình lượng giác để
xác định các thời điểm chuyển mạch linh kiện rất phức tạp. Do đó, các giải thuật
điều khiển SHE PWM được thực hiện phần lớn dùng kỹ thuật nạp các dữ liệu đã tính
toán off-line vào mạch ROM. Phương án này tiêu tốn nhiều bộ nhớ và không linh
động trong xử lý theo thời gian thực. Bên cạnh những nhược điểm còn tồn tại, kỹ
thuật triệt tiêu chọn lọc sóng hài (SHEPWM) cho thấy một khả năng điều khiển tối
ưu thiết bị công suất lớn với tổn hao thấp.
1.4 CÁC CẤU HÌNH CỦA BỘ BIẾN TẦN TIẾT KIỆM

Như ta đã biết, bộ nghịch lưu áp tạo thành một bộ phận quan trọng trong bộ
biến tần, Ứng dụng quan trọng và tương đối rộng rãi của chúng thuộc lónh vực truyền
động động cơ xoay chiều với độ chính xác cao. Chính vì vậy khi giới thiệu trong

mục này sẽ giới thiệu các cấu hình cơ bản của bộ biến tần tiết kiệm.
Bộ biến tần điều khiển động cơ không đồng bộ ba pha giá thành thấp” (gọi tắt
là bộ biến tần tiết kiệm) bằng cách sử dụng cấu hình dạng tiết kiệm số lượng khóa
công suất ở khâu nghịch lưu, khâu chỉnh lưu có thể chuyển sang cấu hình chỉnh lưu
điều rộng xung để điều khiển nâng cao hệ số công suất nguồn và đảm bảo dòng
nguồn dạng sin.
1.4.1

Giới thiệu chung

8


Luận văn tốt nghiệp

GVHD: TS Phan Quốc Dũng

Bộ biến tần được dùng để chuyển đổi điện áp hoặc dòng điện ở đầu vào từ
tần số này thành điện áp hoặc dòng điện có tần số khác ở đầu ra. Với chức năng đó,
biến tần thường được sử dụng để điều khiển tốc độ của động cơ xoay chiều theo
phương pháp điều khiển theo tần số, theo đó tần số nguồn sẽ thay đổ thành tần số
biến thiên phụ thuộc vào yêu cầu của tải. Dưới đây sẽ giới thiệu bộ biến tần ba pha
truyền thống.

Hình 1.3 Cấu hình biến tần ba pha truyền thống với ngõ vào3 pha và ngõ ra
cấp nguồn cho động cơ 3 pha
1.4.2 Cấu hình biến tần tiết kiệm với ngõ vào 3 pha và ngõ ra cấp nguồn cho
động cơ 3 pha
Cấu hình biến tần điều khiển động cơ không đồng bộ ba pha giá thành thấp
(Hình 1.4 ) (gọi tắt là bộ biến tần tiết kiệm) được đưa ra từ cấu hình bộ biến tần

truyền thống với sự thay thế hai khoá điều khiển ở một pha bằng cách đó, tiết kiệm
số khóa này và ngõ ra pha này được lấy trực tiếp từ tâm nguồn DC. Sử dụng cấu
hình dạng tiết kiệm số lượng khóa công suất ở khâu nghịch lưu, khâu chỉnh lưu có

9


Luận văn tốt nghiệp

GVHD: TS Phan Quốc Dũng

thể chuyển sang cấu hình chỉnh lưu điều rộng xung để điều khiển nâng cao hệ số
công suất nguồn và đảm bảo dòng nguồn dạng sin.
Tham số đầu ra của biến tần tiết kiệm có thể được thay đổi bởi điện áp điều
khiển hoặc dòng điều khiển.

u13 = u01 – u03

Khi đó, điện áp trên một pha được lấy trực tiếp từ tâm nguồn DC, điện áp
này phụ thuộc vào điều kiện làm việc của các khóa q1 và q2 trong qúa trình điều
chế. Để tạo ra điện áp ba pha đối xứng ở ngõ ra, điện áp

v12

phải thay đổi +π/3

hoặc -π/3 tùy theo thứ tự pha. Ta cũng có thể dễ dàng nhận thấy rằng, điện áp dây

u12 có ba mức thay đổi:

+ Ud / 2 , 0 và -Ud/ 2, trong khi đó điện áp

u13 và

u23 chỉ

có hai mức thay đổi: +ud /2 và -ud /2. Tuy nhiên,nguyên tắc cơ bản bù điện áp đầu
ra tương tự như ở bộ nghịch lưu ba pha truyền thống.

Hình 1.3 Cấu hình biến tần ba pha hai bậc tiết kiệm với ngõ vào 3 pha và ngõ ra
3 pha cấp nguồn cho động cơ 3 pha

10


Luận văn tốt nghiệp

GVHD: TS Phan Quốc Dũng

Trong trường hợp sử dụng điện áp điều khiển, điện áp dây:
Trong qúa trình điều chế bộ biến tần ba pha bốn khóa không tồn tại vector thứ tự
không, bốn vec tor chuẩn được chỉ ra trên hình vẽ, và được định nghóa:

Hình 1.5 Định nghóa 4 vector điện áp chuẩn

(

r
v = k va + a vb + a 2 vc

)

1
3
a = e j2 π / 3 = − +
2 2
Bốn vector điện áp chuẩn có thể được xắp xếp như sau:
⎛

1

v1 = +V, v2 = +V, v3 = 0, v1 = ⎜ +
+ j
3
⎝

1

⎞
⎟
3 ⎠

1 ⎞
⎛
+
1
−
j
⎟
v1 = +V, v2 = -V, v3 = 0, v2 = ⎜

3 ⎠
⎝
v1 = +V, v2 = -V, v3 = 0, v3 =

1 ⎞
⎛
⎜ −1 − j
⎟
3 ⎠
⎝

v1 = -V, v2 = -V, v3 = 0 v4 =

1 ⎞
⎛ 1
⎜− 3 − j
⎟
3 ⎠
⎝

11


Luận văn tốt nghiệp

GVHD: TS Phan Quốc Dũng

Hình 1.6 Biểu diễn 4 vector chuẩn trên hệ tọa độ phức

1.4.3 Cấu hình bộ biến tần có cấu hình rút gọn (2 IGBT ở khâu chỉnh lưu và 4

IGBT ở khâu nghịch lưu) để chuyển đổi năng lượng từ 1 pha sang 3 pha
Bộ biến tần ba pha tiết kiệm cấu hình rút gọn (2 IGBT ở khâu chỉnh lưu và 4
IGBT ở khâu nghịch lưu) để chuyển đổi năng lượng từ 1 pha sang 3 pha
Được trình bày trên Hình 1.7

Hình 1.7 Cấu hình biến tần tiết kiệm với ngõ vào1 pha và ngõ ra cấp nguồn
cho động cơ 3 pha

12


Luận văn tốt nghiệp

GVHD: TS Phan Quốc Dũng

CHƯƠNG II

KỸ THUẬT ĐIỀU CHẾ SÓNG MANG

TỔNG QUAN

Kỹ thuật điều chế sóng mang (CBPWM - Carrer-Base Pulser Wide
Modulation ) là một trong những kỹ thuật điều chế chủ đạo của kỹ thuật PWM, Nó
đang ngày càng được quan tâm nghiên cứu và phát triển. Với những lý thuyết mới
được công bố đã mở ra những khả năng thuận lợi cho việc điều khiển các hệ thống
bán dẫn phức tạp, và có khả năng kỹ thuật điều chế sóng mang sẽ trở thành kỹ thuật
chủ đạo của các bộ nghịch lưu và chỉnh lưu công suất trong tương lai.
Trong chương II, sẽ đi sâu vào nghiên cứu kỹ thuật điều khiển bộ nghịch lưu
áp tiết kiệm dùng kỹ thuật điều chế sóng mang truyền thống, sử dụng phần mềm mô
phỏng chuyên dùng để khảo sát các dạng tín hiệu ở ngõ ra của phương pháp điều

khiển này.
2.1

CƠ SỞ PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHẾ SÓNG MANG

2.1.1 Nguyên lý hoạt động của Bộ PWM sóng mang
Về nguyên lý của phương pháp điều chế sóng mang thực hiện dựa vào kỹ
thuật analog. Giản đồ kích đóng công tắc cho bộ nghịch lưu trên hình Hình 2-1 dựa
trên cơ sở so sánh hai tín hiệu
• Sóng mang up ( Carrier signal ) tần số cao
• Sóng điều khiển ur ( Reference signal)

13


Luận văn tốt nghiệp

GVHD: TS Phan Quốc Dũng

Hình 2.1 Sơ đồ bộ nghịch lưu áp ba pha tiết kiệm
Sóng mang có thể ở dạng tam giác, răng cưa. Tần số sóng mang thường rất
lớn so với tần số sóng điều khiển. Tần số sóng mang càng cao, lượng sóng hài bị khử
càng nhiều. Tuy nhiên, tần số đóng cắt cao làm cho tổn hao phát sinh do qúa trình
đóng cắt các công tắc tăng theo. Ngoài ra, các linh kiện đòi hỏi thời gian đóng ton và
thời gian cắt toff nhất định. Các yếu tố này hạn chế việc chọn tần số sóng mang.
Sóng điều khiển thường mang thông tin về độ lớn trị hiệu dụng và tần số
sóng hài cơ bản của điện áp ngõ ra. Trong trường hợp bộ nghịch lưu áp ba pha
truyền thống, ba sóng điều khiển của ba pha phải được tạo lệch nhau về pha 1/3 chu
kỳ của nó. Còn trong trường hợp bộ nghịch lưu áp ba pha tiết kiệm, chúng ta chỉ
điều khiển bốn khóa tương ứng với hai tín hiệu điều khiển, lệch nhau một góc π /3.

Để đơn giản ta có sơ đồ khối điều khiển như hình vẽ sau:

14


Luận văn tốt nghiệp

GVHD: TS Phan Quốc Dũng

Các công tắc được kích đóng theo nguyên tắc kích đóng đối nghịch, Ta có thể
chọn công tắc lẻ được kích đóng khi sóng điều khiển nhỏ hơn sóng mang, trường hợp
ngược lại, công tắc chẵn được kích đóng

Hình 2.2 Các dạng sóng mang
a. Dạng sóng răng cưa b. Dạng sóng tam giác

15