Điều khiển bộ chỉnh lưu 3 pha pwm bằng phương pháp điều khiển công suất trực tiếp

Đại Học Quốc Gia Tp. Hồ Chí Minh
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
----------o0o---------

ĐẶNG THANH QUAN

ĐIỀU KHIỂN BỘ CHỈNH LƯU 3 PHA PWM
BẰNG PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN CÔNG SUẤT
TRỰC TIẾP
Chuyên ngành : Thiết bị, mạng và nhà máy điện
Mã số ngành : 60.52.50

LUẬN VĂN THẠC SĨ

Tp. Hồ Chí Minh, tháng 6/2009


CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
Cán bộ hướng dẫn khoa học: TS. Lê Minh Phương
...........................................................................................................
...........................................................................................................
...........................................................................................................
...........................................................................................................
...........................................................................................................
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.… năm 2009


LỜI CẢM ƠN

Để hoàn thành luận văn tốt nghiệp này, tôi xin chân thành cảm ơn Quý
thầy cô trường Đại học Bách Khoa Thành phố Hồ Chí Minh đã tận tình
giảng dạy truyền đạt, trang bị những kiến thức khoa học kỹ thuật q báo
cho tơi trong q trình học Cao học ngành “Thiết bị, mạng và nhà máy
điện”.
Đặc biệt, tôi xin chân thành cảm ơn Thầy Lê Minh Phương người đã
tận tình hướng dẫn, truyền đạt kinh nghiệm và giúp đỡ những điều kiện cơ
bản để tơi hồn thành tập luận văn này.
Để có được thành quả ngày hơm nay, tôi xin chân thành cảm ơn cha,
mẹ tôi đã khơng ngại gian khó ni tơi ăn học nên người.
Tơi cũng xin cám ơn gia đình, anh em, bạn bè thân hữu đã luôn giúp đỡ
và động viên tôi trong suốt quá trình thực hiện luận văn này.
Xin chân thành cảm ơn!
Tp. Hồ Chí Minh, tháng 6/2009.
Học viên thực hiện
Đặng Thanh Quan

LỜI NÓI ĐẦU
Ngày nay, việc sử dụng các bộ lọc tích cực ngày càng trở nên quan trọng do các
quy định của các công ty điện lực về giới hạn sự ơ nhiễm bởi sóng hài và do việc sử dụng
rộng rãi các bộ biến đổi cơng suất hồn tồn không điều khiển. Các bộ biến đổi công suất
không điều khiển này làm giảm hệ số cơng suất, phát sóng hài và cơng suất phản kháng
vào lưới điện. Đã có nhiều nổ lực để khắc phục các vấn đề này, từ việc thay đổi cấu trúc
các bộ biến đổi công suất để đạt hệ số công suất đơn vị đến việc sử dụng các hệ thống bù
hoặc các bộ lọc tích cực.
Trong các phương pháp lọc tích cực thì việc sử dụng bộ biến đổi AC/DC không
gây ô nhiễm lưới điện được quan tâm hơn. Ở mức công suất trung bình, giải pháp tốt
nhất đối với sự chuyển đổi 3 pha AC/DC là bộ chỉnh lưu PWM dựa vào bộ biến đổi
nguồn áp 2 bậc. Bằng phương pháp điều khiển cụ thể, bộ chỉnh lưu PWM có khả năng
trào lưu công suất hai chiều với hệ số công suất đơn vị, có thể điều khiển được điện áp
DC, điều khiển dịng điện phía đường dây ở dạng sin và có chức năng giống như bộ lọc
tích cực. Vì thế, bộ chỉnh lưu PWM ngày càng sử dụng phổ biến trong các ứng dụng
cơng nghiệp.
Nội dung chính của luận văn này trình bày phương pháp điều khiển bộ chỉnh lưu 3
pha PWM theo phương pháp điều khiển công suất trực tiếp (DPC) sao cho dòng điện
nguồn gần dạng sin và cùng pha với điện áp pha tương ứng để đạt được hệ số công suất
đơn vị và độ méo dạng của các dòng điện nguồn giảm thiểu đến mức nhỏ nhất có thể.
Luận văn gồm các phần chính sau :
Chương 1: Giới thiệu đề tài.
Chương 2: Bộ chỉnh lưu 3 pha PWM.
Chương 3: Các phương pháp điều khiển bộ chỉnh lưu 3 pha PWM.
Chương 4: Điều khiển bộ chỉnh lưu 3 pha PWM bằng phương pháp điều
khiển công suất trực tiếp (DPC).
Chương 5: Mô phỏng phương pháp điều khiển công suất trực tiếp dựa vào ước
lượng công suất theo vector điện áp (V-DPC) bằng MATLAB/ SIMULINK.
Chương 6: Tổng kết đề tài.

Do thời gian có hạn, điều kiện tiếp cận thực tế chưa nhiều nên luận văn này không
thể tránh khỏi sai sót, tơi rất mong được sự góp ý, chỉ dẫn và thông cảm của Quý thầy cô
và các bạn.
Tp. Hồ Chí Minh, tháng 6/2009.
Học viên thực hiện

Đặng Thanh Quan


LÝ LỊCH TRÍCH NGANG :
Họ và tên: Đặng Thanh Quan.
Ngày, tháng, năm sinh: 18/03/1977
Nơi sinh: Tỉnh Long An
Địa chỉ liên lạc: Điện lực Bình Dương, Số 03 Cách Mạng Tháng Tám,
Phường Chánh Nghĩa, Thị xã Thủ Dầu Một, Tỉnh Bình Dương.

QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO :
Năm 1995-2000 : học đại học tại trường Đại học Bách Khoa Tp.HCM
(ngành Điện-Điện tử).
Năm 2007 trúng tuyển vào khóa cao học 18 tại trường Đại học Bách Khoa
Tp.HCM và tiếp tục học cho đến nay.

QUÁ TRÌNH CƠNG TÁC :
Năm 2000- đến nay : cơng tác tại Điện lực Bình Dương.


TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
PHÒNG ĐÀO TẠO SĐH
ĐỘC LẬP – TỰ DO – HẠNH PHÚC
___________________

________________________
Tp.Hồ Chí Minh, ngày

tháng

năm 2009

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ tên học viên: ĐẶNG THANH QUAN

Phái

Ngày, tháng, năm sinh: 18/03/1977

Nơi sinh: Long An

Chuyên ngành: Thiết Bị, Mạng và Nhà Máy Điện

: Nam
MSHV : 01807290

I - TÊN ĐỀ TÀI:

ĐIỀU KHIỂN BỘ CHỈNH LƯU 3 PHA PWM
BẰNG PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN CÔNG SUẤT TRỰC TIẾP
II - NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:

1 - Tìm hiểu bộ chỉnh lưu 3 pha PWM
2- Tìm hiểu các phương pháp điều khiển bộ chỉnh lưu PWM
3- Nghiên cứu điều khiển bộ chỉnh lưu PWM bằng phương pháp điều khiển công suất

trực tiếp (DPC) và sử dụng phần mềm Matlab/Simulink để mô phỏng hệ thống điều
khiển và đánh giá các kết quả thu được.
III - NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 02/02/2009
IV - NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 02/07/2009
V - CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: TS. LÊ MINH PHƯƠNG
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

CN BỘ MÔN
QL. CHUYÊN NGÀNH

Nội dung và đề cương luận văn thạc sĩ đã được hội đồng chuyên ngành thơng qua.
TRƯỞNG PHỊNG ĐT – SĐH

Ngày
tháng năm 2009
TRƯỞNG KHOA QL NGÀNH


MỤC LỤC
NỘI DUNG
Chương 1 : GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI
1.1. Đặt vấn đề
1.2. Các cơng trình nghiên cứu liên quan
1.3. Mục tiêu và nhiệm vụ của đề tài

Trang
1
2
5
6

Chương 2: BỘ CHỈNH LƯU 3 PHA PWM
7
2.1. Giới thiệu một số cấu trúc chỉnh lưu 3 pha PWM
8
2.2. Nguyên lý làm việc của bộ chỉnh lưu 3 pha PWM
11
2.3. Mơ hình tốn học bộ chỉnh lưu 3 pha PWM
14
2.3.1. Điện áp và dòng điện đường dây
15
2.3.2. Điện áp ngõ vào bộ chỉnh lưu 3 pha PWM
16
2.3.3. Mơ hình tốn học bộ chỉnh lưu 3 pha PWM
17
2.4. Tính tốn cơng suất bộ chỉnh lưu
20
2.5. Phạm vi và giới hạn tham số của bộ chỉnh lưu PWM
20
2.5.1. Giới hạn cực tiểu của điện áp DC-link
20
2.5.2. Giới hạn giá trị điện áp trên điện cảm
21
2.6. Vận hành khơng có bộ cảm biến
23
2.6.1. Khơng có bộ cảm biến dịng điện và điện áp AC
23
2.6.2. Khơng có bộ biến dịng AC
25
2.6.3. Khơng có bộ cảm biến điện áp AC

26
2.7. Ước lượng điện áp nguồn và từ thông ảo
26
2.7.1. Ước lượng điện áp nguồn
26
2.7.2. Ước lượng từ thông ảo
27
Chương 3: CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN BỘ CHỈNH LƯU 3
PHA PWM
31
3.1. Phương pháp điều khiển theo dòng điện
32
3.2. Phương pháp điều khiển theo điện áp
35
3.3. Phương pháp điều khiển theo dòng tải
37
3.4. Phương pháp điều khiển định hướng theo vectơ điện áp (VOC)
38
3.5. Phương pháp điều khiển định hướng theo vectơ từ thông ảo
(VFOC)
43
3.6. Phương pháp điều khiển công suất trực tiếp (DPC)
45
Chương 4: ĐIỀU KHIỂN BỘ CHỈNH LƯU 3 PHA PWM BẰNG
PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN CÔNG SUẤT TRỰC
TIẾP (DPC)
47
4.1. Phương pháp điều khiển công suất trực tiếp dựa vào ước lượng
công suất theo vectơ điện áp (V-DPC)
48

4.1.1 Cấu trúc hệ thống điều khiển bộ chỉnh lưu PWM theo V-DPC
48
4.1.2 Nguyên lý điều khiển theo V-DPC
49
4.2. Phương pháp điều khiển công suất trực tiếp dựa vào ước lượng
công suất theo từ thông ảo (VF-DPC)
52
4.2.1. Cấu trúc hệ thống điều khiển bộ chỉnh lưu PWM theo phương
pháp VF-DPC
52
4.2.2. Nguyên lý điều khiển theo VF-DPC
53


NỘI DUNG

Trang

4.3.

Phương pháp điều khiển công suất trực tiếp dùng vectơ không
gian (DPC-SVM)
4.3.1. Cấu trúc hệ thống điều khiển bộ chỉnh lưu PWM theo phương
pháp DPC-SVM
4.3.2. Nguyên lý điều khiển theo DPC-SVM
4.4. Bộ điều khiển dải trễ (bộ điều khiển cơng suất)
4.5. Lựa chọn phân vùng vectơ và bảng đóng cắt
Chương 5 : MÔ PHỎNG PHƯƠNG PHÁP V-DPC BẰNG MATLAB/
SIMULINK
5.1. Mơ hình và thơng số mơ phỏng

5.1.1. Các thơng số điện của hệ thống
5.1.2. Mơ hình tồn hệ thống điều khiển bộ chỉnh lưu 3 pha PWM
bằng phương pháp V-DPC
5.1.3. Mơ hình và thơng số cài đặt của các khối chức năng
5.2. Kết quả mô phỏng
5.2.1. Trường hợp bộ chỉnh lưu có tải R = 20 Ω
5.2.2. Trường hợp bộ chỉnh lưu có tăng tải lên 50%
5.2.3. Trườnghợp hệ thống có tải gây méo dạng dịng điện nguồn
5.2.4. Trường hợp hệ thống có tải gây méo dạng và mất cân bằng
dịng điện nguồn
5.2.5. Điều chỉnh gián tiếp hệ số cơng suất bằng cách thay đổi giá
trị công suất phản kháng điều khiển
Chương 6 : TỔNG KẾT ĐỀ TÀI

103
106

TÀI LIỆU THAM KHẢO

108

58
58
58
61
62
69
70
70
71

72
80
80
85
91
97


Chương 1

Giới thiệu đề tài

CH

NG 1
GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI

Chương này trình bày lý do thực hiện, mục tiêu và nhiệm vụ của đề tài, bao
gồm các phần chính sau :
1.1.

Đặt vấn đề

1.2.

Các cơng trình nghiên cứu liên quan

1.3.

Mục tiêu và nhiệm vụ của đề tài

CBHD : TS. Lê Minh Phương

1

HVTH : Đặng Thanh Quan


Chương 1

Giới thiệu đề tài

1.1. ĐẶT VẤN ĐỀ :
Ngày nay, các thiết bị như máy vi tính, máy thu thanh truyền hình, máy
in,….được sử dụng ngày càng nhiều do đời sống xã hội ngày càng nâng cao. Các thiết bị
này có tải phi tuyến, chúng là nguồn góc gây ra các sóng hài dịng điện, dẫn đến tăng
cơng suất phản kháng và tổn thất công suất trên đường dây tải điện. Sóng hài cũng gây ra
hiện tượng giao thoa điện từ và đôi khi chúng cũng gây ra các hiện tượng nguy hiểm (do
hiện tượng cộng hưởng tạo ra) làm ảnh hưởng xấu đến các thiết bị tự động và điều khiển,
các hệ thống bảo vệ và cũng như các phụ tải khác, kết quả là làm giảm độ tin cậy và tính
năng của các hệ thống thiết bị này.
Ngồi ra, các tải phi tuyến và các dịng điện khơng hình sin tạo ra các điện áp
khơng hình sin trên các tổng trở lưới điện, do đó các điện áp khơng hình sin xuất hiện tại
nhiều nút trên lưới điện. Nó gây ra hiện tượng quá nhiệt đường dây, quá nhiệt các máy
biến áp và các máy phát, dẫn đến tổn hao sắt từ nhiều hơn.
Nếu giảm thành phần sóng hài dòng điện trên đường dây xuống vài phần trăm thì
sẽ tránh được các vấn đề đã đề cập ở trên. Hiện tại, có nhiều phương pháp giảm sóng hài,
các kỹ thuật này dựa trên các thành phần thụ động, các bộ chỉnh lưu diode 1 pha và 3 pha
hỗn hợp và các kỹ thuật điện tử công suất chẳng hạng như: các bộ chỉnh lưu nhiều xung,
các bộ lộc tích cực và bộ chỉnh lưu PWM. Hình 1.1 trình bày các kỹ thuật giảm sóng hài
dịng điện 3 pha phổ biến nhất, chúng có thể chia thành hai loại sau [20]:
A. Giảm sóng hài tải phi tuyến đã được lắp đặt sẵn.

B. Giảm sóng hài thơng qua việc lắp đặt tải điện tử cơng suất tuyến tính.
Trước đây, kỹ thuật sử dụng các bộ lọc thụ động đấu nối song song ở phía AC là
phổ biến nhất. Tuy nhiên, chúng kềnh càng, đắt tiền và gây ra hiện tượng cộng hưởng.
Những năm gần đây, các kỹ thuật lọc tích cực và biến đổi PWM đã thay thế chúng trong
các thiết bị cơng nghệ. Bộ chỉnh lưu PWM có thể thực thi chức năng như bộ lọc tích cực,
giống bộ lọc tích cực [14].

CBHD : TS. Lê Minh Phương

2

HVTH : Đặng Thanh Quan


Chương 1

Giới thiệu đề tài

Hình 1.1 Các kỹ thuật giảm sóng hài dịng điện 3 pha phổ biến nhất
Ngày nay, các bộ chỉnh lưu PWM ngày càng được ưa chuộng do chúng có các ưu
điểm sau [9,11,14,16] :
− Điều khiển chính xác và ổn định điện áp DC ngõ ra.
− Điều khiển dòng điện nguồn gần dạng sin với hệ số công suất đơn vị.
− Trào lưu công suất hai chiều.
− Điều khiển được cơng suất phản kháng.
− Giảm kích thước tụ điện của bộ lọc DC.
− Đáp ứng nhanh với sự thay đổi của điện áp nguồn do được điều khiển bởi điện
áp DC vịng kín.
− Giảm chi phí đầu tư cáp điện và máy biến áp do vận hành ở chế độ hệ số cơng
suất đơn vị.

Đã có nhiều phương pháp điều khiển bộ chỉnh lưu 3 pha PWM, tuy nhiên, các
phương pháp điều khiển phổ biến hiện nay về cơ bản chúng có thể chia thành 2 nhóm:
điều khiển dựa vào ước lượng điện áp và điều khiển dựa vào ước lượng từ thông ảo và
được minh họa sau đây [9]:

CBHD : TS. Lê Minh Phương

3

HVTH : Đặng Thanh Quan


Chương 1

Giới thiệu đề tài

Các phương pháp điều khiển bộ chỉnh lưu PWM
PPPPPPPPWPWM

Điều khiển
theo điện áp

VOC

Điều khiển
theo
từ thơng ảo

DPC

VFOC

VF-DPC

DPC-SVM
Hình 1.2 Các phương pháp điều khiển bộ chỉnh lưu PWM.
Trong các phương pháp này, phổ biến nhất là phương pháp điều khiển định hướng
theo điện áp (VOC), VOC đảm bảo việc thực thi tĩnh và động cao thơng qua các vịng
điều khiển dịng điện bên trong. Tuy nhiên, cấu hình cuối cùng và việc thực thi hệ thống
VOC phụ thuộc nhiều vào đặc tính của giải thuật điều khiển dịng điện đã áp dụng. Một
phương pháp khác ít phổ biến hơn là phương pháp điều khiển cơng suất trực tiếp, nó dựa
vào các vịng điều khiển cơng suất tác dụng và phản kháng tức thời và không cần khối bộ
điều chế PWM do trạng thái đóng cắt của bộ biến đổi được chọn phù hợp bởi bảng trạng
thái đóng cắt dựa vào độ sai lệch tức thời giữa các giá trị công suất tác dụng và phản
kháng đã ước lượng và các giá trị cơng suất điều khiển. Do đó, điểm mấu chốt của việc
thực thi giải thuật DPC là ước lượng chính xác và nhanh cơng suất tác dụng và phản
kháng đường dây. Trong phương pháp DPC, sai lệch khi ước lượng công suất tác dụng
và phản kháng tức thời chịu ảnh hưởng bởi trạng thái đóng cắt và tổng trở đường dây
tồn phần (điện cảm phía AC và điện cảm dây quấn động cơ) [9,13,14,19].
Xuất phát từ các ưu điểm của phương pháp DPC đã nêu trên, luận văn này tập
trung nghiên cứu điều khiển bộ chỉnh lưu PWM loại chỉnh lưu cầu 3 pha kiểu boost
theo phương pháp điều khiển cơng suất trực tiếp (DPC) sao cho dịng điện nguồn gần
dạng sin và cùng pha với điện áp pha tương ứng để đạt được hệ số công suất đơn vị và độ
méo dạng của các dòng điện nguồn giảm thiểu đến mức nhỏ nhất có thể.

CBHD : TS. Lê Minh Phương

4

HVTH : Đặng Thanh Quan

Chương 1

Giới thiệu đề tài

1.2. MỘT SỐ CƠNG TRÌNH NGHIÊN CỨU LIÊN QUAN :
1/- “Direct Power Control of PWM Converter without Power-Source Voltage
Sensors,” của các tác giả Toshihiko Noguchi, Hiroaki, Seiji Kondo, and Isao
Takahashi :
Bài báo này đã đề xuất phương pháp điều khiển công suất bộ chỉnh lưu PWM
không cần các bộ cảm biến điện áp nguồn. Giải thuật có hai đặc tính để cải thiện hệ
số cơng suất và hiệu suất, đó là kỹ thuật điều khiển trực tiếp công suất tức thời bộ
biến đổi công suất (điều khiển kết hợp công suất phản kháng và tác dụng) bằng cách
chọn trạng thái đóng cắt tối ưu của bộ chỉnh lưu PWM và kỹ thuật ước lượng các
dạng sóng điện áp nguồn được thực hiện bằng cách tính tốn công suất tác dụng và
phản kháng đối với mỗi trạng thái đóng cắt bộ chỉnh lưu PWM từ các dịng điện
nguồn.
2/- “Virtual-Flux-Based Direct Power Control of Three-Phase PWM
Rectifiers,” của các

tác giả Mariusz Malinowski, Steffan Hansen, Frede

Blaabjerg, G. D. Marques and Marian Pkazmierkowski :
Bài báo này trình bày phương pháp điều khiển công suất bộ chỉnh lưu PWM không
cần bộ cảm biến điện áp nguồn bằng cách dựa vào việc ước lượng từ thơng ảo thay
vì ước lượng điện áp nguồn như phương pháp DPC thông thường. Việc ước lượng
công suất nguồn khơng cần cảm biến điện áp ít nhiễu hơn nhiều nhờ vào tính năng
của các bộ tích phân trong giải thuật tính tốn.
3/- “Simple Direct Power Control of Three-Phase PWM Rectifier Using SpaceVector Modulation (DPC-SVM),” của các tác giả Mariusz Malinowski, Maker

Jasinski, and Marian Pkazmierkowski :
Bài báo này trình bày phương pháp điều khiển công suất bộ chỉnh lưu PWM có tần
số đóng cắt khơng đổi bằng cách sử dụng phương pháp điều chế vectơ không gian
(SVM). Các công suất tác dụng và phản kháng được sử dụng như các biến điều
khiển điều chế độ rung xung (PWM) thay vì sử dụng các dịng điện nguồn, đồng
thời các bộ cảm điện áp nguồn được thay thế bằng bộ ước lượng từ thông ảo.

CBHD : TS. Lê Minh Phương

5

HVTH : Đặng Thanh Quan


Chương 1

Giới thiệu đề tài

4/- “Cơ sở truyền động điện,” NXB KH&KT, 2007 của các tác giả Bùi Quốc
Khánh, Nguyễn Văn Liễn, ĐHBK Hà Nội :
Tài liệu này trình bày các phương pháp VOC, DPC để điều khiển bộ chỉnh lưu
PWM trong cấu trúc biến tần nguồn áp động cơ không đồng bộ.
1.3. MỤC TIÊU VÀ NHIỆM VỤ CỦA ĐỀ TÀI :
1.3.1. Mục tiêu :
Mục tiêu của đề tài là nghiên cứu điều khiển bộ chỉnh lưu PWM loại chỉnh lưu

cầu 3 pha kiểu boost theo phương pháp điều khiển cơng suất trực tiếp (DPC) sao cho
dịng điện nguồn gần dạng sin và cùng pha với điện áp pha tương ứng để đạt được hệ số
công suất đơn vị và độ méo dạng của các dòng điện nguồn giảm thiểu đến mức nhỏ nhất
có thể.

1.3.2. Nhiệm vụ của đề tài:
1) Trình bày lý thuyết cơ bản về bộ chỉnh lưu 3 pha PWM, xây dựng mơ hình tốn
học của bộ chỉnh lưu 3 pha PWM.
2) Trình bày và phân tích lý thuyết các phương pháp điều khiển bộ chỉnh lưu 3 pha
PWM.
3) Nghiên cứu điều khiển bộ chỉnh lưu 3 pha PWM (kiểu boost) bằng phương pháp
điều khiển công suất trực tiếp (DPC) và sử dụng phần mềm Matlab/Simulink để
mô phỏng hệ thống điều khiển và đánh giá các kết quả thu được.

CBHD : TS. Lê Minh Phương

6

HVTH : Đặng Thanh Quan


Chương 2

Bộ chỉnh lưu 3 pha PWM

CHƯƠNG 2
BỘ CHỈNH LƯU 3 PHA PWM

Chương 2 trình bày lý thuyết cơ bản về bộ chỉnh lưu 3 pha PWM và xây dựng
mô hình tốn học của bộ chỉnh lưu 3 pha PWM.
Nội dung chính gồm :
2.1. Giới thiệu một số cấu trúc chỉnh lưu 3 pha PWM
2.2. Nguyên lý làm việc của bộ chỉnh lưu 3 pha PWM
2.3. Mơ hình tốn học bộ chỉnh lưu 3 pha PWM
2.4. Tính tốn cơng suất bộ chỉnh lưu

2.5. Phạm vi và giới hạn tham số của bộ chỉnh lưu PWM
2.6. Vận hành khơng có bộ cảm biến
2.7. Ước lượng điện áp nguồn và từ thông ảo

CBHD : TS. Lê Minh Phương

7

HVTH : Đặng Thanh Quan


Chương 2

Bộ chỉnh lưu 3 pha PWM

2.1 GIỚI THIỆU MỘT SỐ CẤU TRÚC BỘ CHỈNH LƯU 3 PHA PWM :
Cấu trúc gồm một bộ nghịch lưu nguồn áp PWM và có bộ chỉnh lưu diode ở phía
trước nó là một trong các cấu trúc phổ biến nhất được sử dụng trong lĩnh vực truyền
động AC thay đổi tốc độ hiện nay (hình 2.1). Bộ chỉnh lưu diode khơng điều khiển có ưu
điểm là đơn giản, thơ và chi phí thấp [16]. Tuy nhiên, nó chỉ cho phép trào lưu cơng suất
một chiều. Do đó, năng lượng trả về từ động cơ phải được tiêu tán trên điện trở công suất
và được điều khiển bởi bộ bâm đấu nối ở phía bên kia DC-link. Kết quả là mạch điện
ngõ vào diode có hệ số cơng suất thấp và các dịng điện ngõ vào có sóng hài bậc cao.
Ngồi ra, nó cịn có một hạn chế xấu hơn là điện áp lớn nhất ngõ ra phía động cơ ln
ln nhỏ hơn điện áp nguồn cung cấp.

Hình 2.1 Bộ chỉnh lưu diode.
Cho đến nay, bên cạnh bộ chỉnh lưu 6 xung cịn có nhiều cấu trúc bộ chỉnh lưu khác
đã được đề xuất và ứng dụng. Một vài cấu trúc điển hình được trình bày ở hình 2.2.
Hình 2.2a trình bày cấu trúc đơn giản của bộ chỉnh lưu kiểu boost có khả năng tăng

điện áp ngõ ra DC. Đây là đặc tính quan trọng đối với bộ biến đổi của hệ thống truyền
động AC tốc độ thay đổi (ASDs) để điện áp ngõ ra phía động cơ lớn nhất. Nhược điểm
chính của giải pháp này là gây áp lực lên các linh kiện, gây méo dạng tần số thấp dòng
điện ngõ vào.
Các cấu trúc hình 2.2b,c sử dụng khối chỉnh lưu PWM có dịng điện định mức rất
thấp (bằng 20-25% giá trị hiệu dụng dòng điện so với cấu trúc 2.2e). Do đó, chúng có chi
phí thấp, tiềm năng cung cấp chỉ có khả năng hãm tái sinh (hồi năng - regenerative
braking) đối với cấu trúc 2.2b hoặc chức năng lọc tích cực đối với cấu trúc 2.2c.

CBHD : TS. Lê Minh Phương

8

HVTH : Đặng Thanh Quan


Chương 2

Bộ chỉnh lưu 3 pha PWM

Hình 2.2d trình bày cấu trúc bộ biến đổi 3 bậc gọi là bộ chỉnh lưu Vienna. Ưu điểm
chính của cấu trúc này là điện áp đóng cắt thấp nhưng khơng địi hỏi chế độ đóng cắt đặc
biệt.
Hình 2.2e trình bày cấu trúc phổ biến nhất được sử dụng trong ASDs, UPS và là bộ
chỉnh lưu PWM được ưa chuộng gần đây. Cấu trúc này có ưu điểm là sử dụng khối 3 pha
có chi phí thấp và có trào lưu cơng suất hai chiều. Tuy nhiên, nó cũng có những khuyết
điểm là giá trị tương đối của dòng điện định mức cao, khả năng chịu đựng đối với các
tình trạng nguy hiểm (shoot-through) kém và tổn thất do đóng ngắt cao.
Đặc tính của tất cả các cấu trúc chỉnh lưu PWM ở hình 2.2 được so sánh với nhau
trong bảng 2.1.

Bảng 2.1 Các đặc tính của các bộ chỉnh lưu 3 pha
Cấu hình\đặc tính

Bộ chỉnh lưu diode
Bộ chỉnh lưu (a)
Bộ chỉnh lưu (b)
Bộ chỉnh lưu (c)
Bộ chỉnh lưu (d)
Bộ chỉnh lưu (e)

Điều
khiển
điện áp
DC ngõ
ra
+
+
+

Các dạng
sóng dịng
điện gần
dạng hình
sin
+
+
+

Độ méo
dạng sóng

hài dịng
điện ngõ
vào thấp
+
+
+

Điều
chỉnh
hệ số
công
suất
+
+
+
+

Trào
lưu
công
suất hai
chiều
+
+

Ghi chú

UPF (*)
UPF
UPF

(*) hệ số công suất đơn vị.
Cấu trúc 2.2e là cấu trúc có nhiều ưu điểm nhất và được hầu hết các công ty lớn
trên thế giới chọn lựa để áp dụng chế tạo thành sản phẩn (chẳng hạn như các công ty
Siemens, ABB, v.v...). Bộ biến đổi AC/DC/AC ở hình 2.3 được ABB chế tạo thành ASC
611/ACS 617(15kW-1,12MW) thực hiện truyền động bốn gốc phần tư [16]. Bộ biến đổi
cơng suất nguồn thì tương tự như bộ biến đổi động cơ ACS1000 (DTC) ngoại trừ phần
mềm điều khiển. Tương tự, Siemems có Simovert masterdrive (2,2kW-2.3MW). Một
giải pháp khác thường sử dụng trong công nghệ được minh họa ở hình 2.4 giống như sự
vận hành đa truyền động [11,16], ABB đã chế tạo bộ biến đổi phía nguồn tích cực ACA
635(250kW-2.5MW) và Siemens Simovert Masterdrive trong phạm vi công suất từ 7,5
kW lên đến 1,5 MW.

CBHD : TS. Lê Minh Phương

9

HVTH : Đặng Thanh Quan


Chương 2

Bộ chỉnh lưu 3 pha PWM

Hình 2.2 Các cấu trúc cơ bản của các bộ chỉnh lưu 3 pha chế độ đóng cắt.
a)Bộ biến đổi kiểu boost đơn giản. b) Bộ chỉnh lưu diode với bộ chỉnh lưu hãm tái sinh
PWM. c) Bộ chỉnh lưu diode với bộ chỉnh lưu lọc tích cực PWM. d) Bộ chỉnh lưu Vienna (bộ
biến đổi 3 bậc). e) Bộ chỉnh lưu ngược PWM (bộ biến đổi 2 bậc).

Trong hệ thống điện phân phối DC ở hình 2.4 hoặc bộ biến đổi cơng suất ở hình

2.3, đầu tiên, điện AC được chuyển thành DC nhờ vào bộ chỉnh lưu 3 pha PWM. Nó tạo
ra hệ số cơng suất đơn vị (UPF) và dịng điện sóng hài thấp. Các bộ biến đổi cơng suất
được kết nối với thanh cái DC để cung cấp xa hơn của việc biến đổi theo yêu cầu cho tải,
chẳng hạn như hệ thống truyền động AC cho phép thay đổi tốc độ đối với động cơ đồng
bộ (IM) và động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu (PMSM), bộ biến đổi DC/DC, hệ thống
vận hành đa truyền động (multidrive),v.v…
CBHD : TS. Lê Minh Phương

10

HVTH : Đặng Thanh Quan


Chương 2

Bộ chỉnh lưu 3 pha PWM

Ngoài ra, hệ thống AC/DC/AC trên tạo ra:
-

Động cơ có thể vận hành ở tốc độ cao mà không làm suy giảm từ trường (field
weakeing) (bằng cách duy trì điện áp thanh cái DC cao hơn điện áp đỉnh của
nguồn cung cấp).

-

Do đó, giảm 1/3 điện áp commonmode so với cấu trúc thông thường nhờ vào
bộ chỉnh lưu - nghịch lưu điều khiển dạng sin (tần số đóng ngắt giống nhau và
thời gian lấy mẫu đồng bộ sẽ tránh được xung điện áp common mode. Bởi vì
điện áp khơng (U0,U7) khác nhau khơng được áp dụng cùng một thời điểm).

-

Khả năng đáp ứng của bộ điều khiển điện áp được cải thiện do tín hiệu tiếp
thuận có khả năng tối thiểu hóa điện dung DC- link trong khi vẫn duy trì điện
áp DC-link nằm trong giới hạn dưới các điều kiện tải bậc thang.

Hình 2.3 Bộ biến đổi AC/DC/AC.

Hình 2.4 Hệ thống điện phân phối DC.

2.2 NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC CỦA BỘ CHỈNH LƯU 3 PHA PWM :
Để giải thích nguyên lý làm việc bộ chỉnh lưu PWM, chúng ta sử dụng sơ đồ thay
thế 1 pha ở hình 2.5b của bộ chỉnh lưu có sơ đồ mạch điện minh họa ở hình 2.5a. Trong
đó, L và R là điện cảm và điện trở đường dây, uL là vectơ điện áp nguồn, uS là vectơ điện
áp của bộ biến đổi cầu điều khiển được từ phía DC (hay điện áp tải quy đổi về phía
nguồn). Biên độ của uS phụ thuộc vào chỉ số điều chế và độ lớn điện áp DC [9].

CBHD : TS. Lê Minh Phương

11

HVTH : Đặng Thanh Quan


Chương 2

Bộ chỉnh lưu 3 pha PWM

Hình 2.5 Biểu diễn đơn giản bộ chỉnh lưu 3 pha PWM trào lưu cơng suất 2 chiều.

a) Mạch chính b) Biểu diễn mạch một pha bộ chỉnh lưu.
Hình 2.6 biểu diễn giản đồ vectơ tổng quát và cả giản đồ vectơ ở chế độ chỉnh lưu
và tái sinh khi hệ số công suất đơn vị được yêu cầu. Hình minh họa đã cho thấy rằng
vectơ điện áp uS trong quá trình tái sinh cao hơn (lên đến 3%) ở chế độ chỉnh lưu. Nó có
nghĩa là hai chế độ này khơng có cân đối nhau.
Các điện cảm kết nối giữa ngõ vào của bộ chỉnh lưu và nguồn là thành phần tích
phân của mạch. Nó nói lên đặc trưng nguồn dịng điện của mạch điện ngõ vào của mạch
điện ngõ vào và tạo ra đặc tính tăng áp của bộ biến đổi. Dịng điện nguồn iL được điều
khiển bởi điện áp trên điện cảm L liên kết hai nguồn áp (nguồn và bộ biến đổi) với nhau.
Nghĩa là điện áp cuộn cảm uI bằng với độ sai lệch giữa điện áp nguồn và điện áp bộ biến
đổi.

Hình 2.6 Giản đồ vectơ bộ chỉnh lưu PWM.
a) Giản đồ vectơ tổng quát b) Chế độ chỉnh lưu khi hệ số công suất đơn vị
c) Chế độ nghịch lưu khi hệ số công suất đơn vị.
CBHD : TS. Lê Minh Phương

12

HVTH : Đặng Thanh Quan


Chương 2

Bộ chỉnh lưu 3 pha PWM

Khi chúng ta điều khiển góc pha ε và biên độ của điện áp bộ chuyển đổi uS, chúng
ta điều khiển gián tiếp biên độ và góc pha của dịng điện nguồn. Trong phương pháp này,
giá trị trung bình và dấu của dịng điện DC là đối tượng để điều khiển, có tỷ lệ với công
suất tác dụng đi qua bộ biến đổi. Công suất phản kháng có thể được điều khiển độc lập

với độ sai lệch giữa dịng điện sóng hài cơ bản IL và điện áp UL.
Để đạt được cosϕ = 1 và cơng suất tác dụng có chiều từ lưới về tải (khi đó p>0,
dịng điện chỉnh lưu irec có dấu dương và có chiều hướng về tải) ứng với chế độ phát
năng lượng thì chúng ta phải điều khiển bộ chỉnh lưu PWM sao cho vectơ dòng điện iL
trùng với vectơ uL.
Tương tự để đạt được cosϕ = 1 và cơng suất tác dụng có chiều từ tải về lưới (khi đó
p<0, dịng điện chỉnh lưu irec có dấu âm và có chiều hướng về lưới điện) ứng với chế độ
hãm tái sinh thì chúng ta phải điều khiển bộ chỉnh lưu PWM sao cho vectơ dòng điện iL
ngược với vectơ uL.
Mạch điện chính của bộ biến đổi cầu (hình 2.5a) bao gồm 03 khóa bán dẫn (sử dụng
transistor IGBT hoặc đối với trường hợp công suất cao là thyristor GTO) cho 03 pha là
Sa, Sb, Sc, mỗi khóa có hai trạng thái đóng 1 và cắt 0 ứng với khi trạng thái khóa nối vào
+Udc và -Udc. Điện áp của bộ biến đổi cầu được biểu diễn bằng 08 trạng thái đóng cắt khả
dụng bao gồm có 06 trạng thái tác dụng và 02 trạng thái khơng (xem hình 2.7) và được
mơ tả bằng phương trình sau đây :
jkπ / 3
(2 / 3)
u
dc e
với k = 0…5
u k +1 = 0


CBHD : TS. Lê Minh Phương

13

(2.1)

HVTH : Đặng Thanh Quan

Chương 2

Bộ chỉnh lưu 3 pha PWM

Hình 2.7 Các trạng thái đóng cắt của bộ biến đổi cầu PWM.
Để thực hiện dịng điện ngõ vào có dạng hình sin người ta sử dụng vectơ không
gian để biểu diễn 08 trạng thái ở hình 2.7 gồm 06 trạng thái tác dụng ứng với các vectơ
tác dụng U1,U2,…, U6 và 02 trạng thái không ứng với các vectơ không U0, U7 và được
tóm tắt trong bảng 2.2 và minh họa ở hình 2.8 sau đây :
Bảng 2.2 Vectơ điện áp tương ứng với các trạng thái 03 khóa Sa, Sb, Sc.
Pha
a
b
c

U0
0
0
0

U1
1
0
0

U2
1
1

0

U3
0
1
0

U4
0
1
1

U5
0
0
1

U6
1
0
1

U7
1
1
1

Hình 2.8 Biểu diễn vectơ không gian bộ biến đổi cầu 3 pha PWM.

2.3 MƠ HÌNH TỐN HỌC BỘ CHỈNH LƯU PWM :

Đồ thị vectơ hình 2.7 của sơ đồ thay thế bộ chỉnh lưu PWM có thể biểu diễn trên
tọa độ tĩnh α-β và tọa độ quay d-q (hình 2.9) bằng phép biến đổi tuyến tính khơng gian
CBHD : TS. Lê Minh Phương

14

HVTH : Đặng Thanh Quan


Chương 2

Bộ chỉnh lưu 3 pha PWM

vectơ. Chúng ta giả thiết rằng nguồn 3 pha đối xứng tần số công nghiệp không đổi
ω=2πf, thỏa điều kiện ba pha đối xứng (ia + ib + ic = 0) [9,10].

Hình 2.9 Mối quan hệ giữa các vectơ trong bộ chỉnh lưu PWM.

2.3.1 Điện áp và dòng điện nguồn :
Điện áp 3 pha nguồn và dòng điện nguồn cơ bản :
ua = Em cosωt

(2.2a)
2π
)
3

(2.2b)

2π

)
3

(2.2c)

ub = Em cos(ωt +
uc = Em cos(ωt -

ia = Im cos(ωt + ϕ)
2π
+ ϕ)
3

(2.3b)

2π
+ ϕ)
3

(2.3c)

ib = Im cos(ωt +
ic = Im cos(ωt -

(2.3a)

Trong đó, Em (Im) và ω là biên độ của điện áp (dòng điện) pha và tần số góc, với
giả thiết : ia + ib + ic ≡ 0.
Phép biến đổi từ hệ tọa độ 3 pha abc sang tọa độ tĩnh α-β theo phương trình sau :

CBHD : TS. Lê Minh Phương

15

HVTH : Đặng Thanh Quan


Chương 2

Bộ chỉnh lưu 3 pha PWM

x 
 α
 xβ  =
 
 x0 

1
− 1/ 2
− 1/ 2   

 xa
 
2
−
0
3
/
2
3

/
2
  xb 
3 
 
1 / 2 1 / 2 1 / 2   xc 



(2.4)

Dựa vào phép biến đổi trên chúng ta có thể chuyển đổi các phương trình (2.2) sang
hệ thống φ-β và điện áp ngõ vào trong hệ tọa độ φ-β được tính như sau :
uLα =

3
Emcosωt
2

(2.5)

uLβ =

3
Emsinωt
2

(2.6)

Và điện áp ngõ vào trong tọa độ quay (đồng bộ) d-q :

u Ld 
 =
u Lq 

 3

 2
0

E

m


2 
 2
 =  u Lα + u Lβ 

0





(2.7)

2.3.2 Điện áp ngõ vào bộ chỉnh lưu PWM :
Điện áp dây ngõ vào bộ chỉnh lưu PWM có thể được mơ tả bằng sự hổ trợ của hình
2.8 như sau :
uSab= (Sa – Sb).udc

(2.8a)

uSbc= (Sb – Sc).udc

(2.8b)

uSca= (Sc – Sa).udc

(2.8c)

Và các điện áp pha :
uSa= fa.udc

(2.9a)

uSb= fb.udc

(2.9b)

uSc= fc.udc

(2.9c)

Trong đó :
fa =

2S

fb =

2S

fc =

2S

a

− ( S b + S c)

(2.10a)

3
b

− (S c + S a)

(2.10b)

3
c

− ( S a + S b)

(2.10c)

3

với giả thiết fa, fb , fc là 0, ±1/3 và ±2/3.

CBHD : TS. Lê Minh Phương

16

HVTH : Đặng Thanh Quan


Chương 2

Bộ chỉnh lưu 3 pha PWM

2.3.3 Mơ hình tốn học bộ chỉnh lưu PWM :
a) Mơ hình của bộ chỉnh lưu PWM trong hệ tọa độ 3 pha :
Các phương trình điện áp đối với hệ thống 3 pha cân bằng khơng có đấu trung tính
có thể được viết như sau (hình 2.7b) [9]:
uL = uI + us
uL =RiL +

(2.11)

di
dt

L

L+uS

(2.12)

Viết ở dạng 3 pha :

u a 
 
ub  =
 
uc 

i a 
 
d
R ib  + L
dt
 
ic 

ia  u Sa 
   
ib  + u Sb 
   
ic  u Sc 

(2.13)

C du dc = Saia + Sbib +Scic - idc

(2.14)

và phương trình dịng điện :
dt

Kết hợp các phương trình (2.9,2.10,2.13,2.14) biểu diễn sơ đồ khối 3 pha bộ chỉnh

lưu nguồn áp PWM như minh họa ở hình 2.10 [5] :

Hình 2.10 Sơ đồ khối của bộ chỉnh lưu nguồn áp PWM trong hệ tọa độ 3 pha.

CBHD : TS. Lê Minh Phương

17

HVTH : Đặng Thanh Quan