Ứng dụng mạng trí tuệ nhân tạo điều khiển bộ nghịch lưu áp

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

NGUYỄN XUÂN NGUYÊN

ỨNG DỤNG MẠNG TRÍ TUỆ NHÂN TẠO
ĐIỀU KHIỂN BỘ NGHỊCH LƯU ÁP

CHUYÊN NGÀNH
MÃ SỐ NGÀNH

: KỸ THUẬT ĐIỆN
: 2.02.01

LUẬN VĂN THẠC SĨ

Tp. Hồø Chí Minh, tháng 07 naêm 2006


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: T.S PHAN QUỐC DŨNG

Cán bộ chấm nhận xét 1:……………………………………………………………………………………………………………
(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký)

Cán bộ chấm nhận xét 2:……………………………………………………………………………………………………………
(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký)

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 2006


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

---------------------------

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc Lập – Tự Do – Hạnh Phúc
--------------------------------

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ và tên: NGUYỄN XUÂN NGUYÊN
Ngày sinh:18 – 08 – 1977
Chuyên ngành: Kỹ Thuật Điện

Phái : Nam
Nơi sinh: DacLac
Mã số: 2.02.01

I- TÊN ĐỀ TÀI:
ỨNG DỤNG MẠNG TRÍ TUỆ NHÂN TẠO
ĐIỀU KHIỂN BỘ NGHỊCH LƯU ÁP
II- NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:
1. Tổng quan về kỹ thuật điều chế vector không gian.
2. Kỹ thuật điều chế vector không gian dựa trên mạng neuron nhân tạo.

3. Truyền động động cơ không đồng bộ ba pha sử dụng bộ điều chế vector
không gian dựa trên mạng neuron nhân tạo.
4. Đề xuất phương án triển khai hệ truyền động bộ nghịch lưu áp-ĐCKĐB ứng
dụng mạng neuron nhân tạo.
III- NGÀY GIAO NHIỆM VỤ:
06 - 02 - 2006
IV- NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 06 - 07 - 2006
V- HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: T.S PHAN QUỐC DŨNG
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

TS. Phan Quốc Dũng

BỘ MÔN QUẢN LÝ NGÀNH

T.S Nguyễn Hoàng Việt

Nội dung và đề cương luận văn thạc só đã được Hội Đồng Chuyên Ngành thông qua.
TRƯỞNG PHÒNG ĐT - SĐH

Tp. Hồ Chí Minh, ngày
tháng
năm 2006
TRƯỞNG KHOA QL NGAØNH


LỜI CẢM ƠN
Xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến thầy Phan Quốc
Dũng, người đã tận tình hướng dẫn và cung cấp nhiều tài
liệu q giá để tôi thực hiện luận văn này.
Xin chân thành cảm ơn các thầy cô, bạn bè đồng

nghiệp trong Khoa Lưới Điện, Trường Cao Đẳng Điện Lực
TP.HCM đã luôn quan tâm, tạo mọi điều kiện thuận lợi để
tôi có thể tham gia và hoàn thành khóa học này.
Xin chân thành cảm ơn các anh chị học viên cao học
ngành Kỹ Thuật Điện và Hệ Thống Điện khóa 15 đã đóng
góp những ý kiến q báu trong quá trình thực hiện luận
văn.
Cuối cùng, con xin bày tỏ lòng biết ơn sâu nặng đến
Bố Mẹ đã sinh thành và nuôi con khôn lớn, luôn là chỗ dựa
vững chắc về tinh thần và vật chất, tạo mọi điều kiện thuận
lợi để con được học tập, trưởng thành như ngày hôm nay.

Nguyễn Xuân Nguyên


MỤC LỤC
Chương 1
GIỚI THIỆU

1

1.1 Mở đầu

1

1.2 Tổng quan

2

Chương 2

ĐIỀU KHIỂN BỘ NGHỊCH LƯU ÁP DÙNG KỸ THUẬT ĐIỀU CHẾ
VECTOR KHÔNG GIAN

4

2.1 Bộ nghịch lưu áp

4

2.2 Điều chế độ rộng xung vector không gian

7

2.3 Quá điều chế bộ nghịch lưu áp hai bậc

11

Chương 3
KỸ THUẬT ĐIỀU CHẾ VECTOR KHÔNG GIAN DỰA TRÊN MẠNG
NEURON NHÂN TẠO

21

3.1 Mạng neuron nhân tạo

21

3.2 Điều chế vector không gian dựa trên mạng neuron nhân tạo

27

3.3 Mô phỏng ANN-SVPWM sử dụng Matlab/Simulink

49

Chương 4
TRUYỀN ĐỘNG ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ BA PHA SỬ DỤNG BỘ
ĐIỀU KHIỂN ANN-SVPWM

54

4.1 Mô tả toán học của động cơ không đồng bộ

54

4.2 Hệ truyền động động cơ không đồng bộ theo nguyên lý V/Hz

56

4.3 Hệ truyền động động cơ không đồng bộ theo nguyên lý RFOC

68

Chương 5
ĐỀ XUẤT PHƯƠNG ÁN TRIỂN KHAI HỆ TRUYỀN ĐỘNG BỘ NGHỊCH
LƯU ÁP-ĐCKĐB ỨNG DỤNG MẠNG NEURON NHÂN TẠO

79

5.1 Hệ điều khiển dùng card giao tiếp DSPACE

79

5.2 Hệ điều khiển dùng chip vi xử lý tín hiệu DSP

80


Chương 6
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ

86

6.1 Kết luận

86

6.2 Hướng mở rộng đề tài

87

TÀI LIỆU THAM KHẢO

88


-1Luận Văn Tốt Nghiệp

CHƯƠNG 1

GIỚI THIỆU
1.1 MỞ ĐẦU
Ngày nay chúng ta đang chứng kiến một sự chuyển vận sôi động của các
xu hướng toàn cầu hoá, tự do hóa và hội nhập về kinh tế xã hội mà sự kết hợp
giữa kỹ thuật máy tính và điện tử công suất nhằm tạo nên các hệ điều khiển chất
lượng cao, thúc đẩy mạnh mẽ các ngành công nghiệp phát triển đã góp phần
quan trọng trong sự chuyển vận đó.
Bộ nghịch lưu là một phần tử quan trọng trong các hệ điều khiển và đặc
biệt là trong các hệ truyền động động cơ xoay chiều ba pha có độ chính xác cao.
Có nhiều phương pháp khác nhau để điều khiển các bộ nghịch lưu, trong đó
phương pháp điều chế vector không gian (SVM) được sử dụng phổ biến nhờ các
ưu điểm của nó như mở rộng phạm vi điều khiển tuyến tính, lượng sóng hài điện
áp ngõ ra thấp và dễ thực hiện bởi các hệ thống số. Các vấn đề cần giải quyết
khi điều khiển nghịch lưu theo phương pháp SVM là đặc tính điều khiển phi
tuyến trong các vùng quá điều chế, tổn hao đóng ngắt, lượng sóng hài, điện áp
common mode,… Việc nghiên cứu thiết kế các bộ nghịch lưu đảm bảo chất lượng
có thể giảm nhẹ yêu cầu hoạt động của hệ thống hoặc cải thiện toàn bộ hệ thống
điều khiển.
Những phát triển của kỹ thuật điều khiển nghịch lưu trong thời gian qua đã
đem lại nhiều thành quả to lớn, góp phần vào sự phát triển mạnh mẽ của lãnh
vực điện tử công suất. Tuy nhiên, với nhu cầu ngày càng cao về chất lượng phục
vụ của hệ thống, các đặc tính của nghịch lưu lại đặt ra các yêu cầu chất lượng
mới, đầy thách thức với các nhà nghiên cứu thiết kế điện tử công suất hiện đại.
Do đó, việc nghiên cứu cải tiến các phương pháp điều khiển nghịch lưu để không

Học viên: Nguyễn Xuân Nguyeân


-2Luận Văn Tốt Nghiệp

ngừng nâng cao chất lượng các hệ thống điều khiển công nghiệp là hết sức cần
thiết.
Góp phần cải thiện chất lượng các bộ điều khiển nghịch lưu, luận văn đã
nghiên cứu ứng dụng mạng neuron nhân tạo vào điều chế vector không gian cho
bộ nghịch lưu áp. Đề tài nghiên cứu điều khiển nghịch lưu áp hướng đến các mục
tiêu:
-

Đơn giản thuật toán và cấu trúc điều khiển,

-

Đặc tính điều khiển tuyến tính trong toàn phạm vi điều chế,

-

Nâng cao tần số điều chế để loại bỏ sóng hài bậc cao trong điện áp
pha tải,

-

Đáp ứng ngõ ra tốt và ổn định với các hệ truyền động V/Hz vòng hở,
V/Hz vòng kín và vector control.

Đề tài thực hiện các nội dung sau:
-

Xây dựng bộ điều chế vector không gian dựa trên mạng neuron nhân
tạo (ANN-SVPWM) cho nghịch lưu hai bậc trong toàn phạm vi điều
chế.

-

Sử dụng ANN-SVPWM để phát triển các hệ truyền động: V/Hz vòng
hở, V/Hz vòng kín và vector control.

Các bộ ANN-SVPWM còn có thể được ứng dụng hiệu quả trong điều
khiển mạch lọc tích cực, điều khiển chiếu sáng, hệ truyền động SVM-DTC,…

1.2 TỔNG QUAN
Điều chế vector không gian đang được phát triển như một phương pháp
điều chế độ rộng xung phổ biến cho nghịch lưu áp trong các hệ truyền động xoay
chiều vì lượng sóng hài ngõ ra tốt và phạm vi điều khiển tuyến tính được mở
rộng. Khó khăn của phương pháp SVM là sự tính toán phức tạp dẫn tới tần số
điều chế bị giới hạn.
Học viên: Nguyễn Xuân Nguyên


-3Luận Văn Tốt Nghiệp

Hiện nay với sự phát triển mạnh mẽ của kỹ thuật bán dẫn, các khoá bán
dẫn IGBT với tốc độ chuyển mạch cao được chế tạo có tần số chuyển mạch vài
chục kHz, thậm chí lên đến 50kHz. Có nhiều nghiên cứu đã được đưa ra nhằm
cải thiện chất lượng của các bộ SVPWM, như thực hiện các vi xử lý tín hiệu DSP
tốc độ cao để nâng cao tần số điều chế và thực hiện các bảng tra để điều khiển
tại các vùng quá điều chế. Tuy nhiên khả năng về tốc độ chuyển mạch của các
khoá công suất vẫn chưa được tận dụng và sự phi tuyến trong các vùng quá điều
chế vẫn chưa được hoàn toàn khắc phục. Mạng neuron nhân tạo với các ưu điểm
của nó có thể được sử dụng để khắc phục các khó khăn trên của các hệ thống số
dựa trên DSP.

Các ứng dụng của mạng neuron nhân tạo trong lãnh vực điện tử công suất
đã được phát triển mạnh mẽ trong những năm gần đây. Một số các nghiên cứu
thực hiện mạng neuron nhân tạo trong kỹ thuật SVPWM đã được đề xuất [3].
Mặc dù các bộ điều khiển ANN-SVPWM này có ưu điểm là tính toán nhanh
nhưng giới hạn của phương pháp là gặp khó khăn khi huấn luyện trong phạm vi
quá điều chế với sự phi tuyến trong kỹ thuật điều chế.
Luận văn sẽ sử dụng mạng neuron nhân tạo để huấn luyện bộ điều chế độ
rộng xung vector không gian trên cơ sở phương pháp điều khiển giữa các quỹ
đạo biên [2]. Mạng neuron được sử dụng nhằm nâng cao tần số điều chế nhờ
vào khả năng đáp ứng nhanh do nguyên tắc xử lý song song của nó. Phương
pháp điều khiển giữa các quỹ đạo biên được sử dụng nhằm tạo ra đặc tính điều
khiển tuyến tính qua các vùng quá điều chế.
Các bộ ANN-SVPWM sẽ được sử dụng trong các hệ truyền động V/Hz và
Vector control để khảo sát các đáp ứng động của hệ thống.

Học viên: Nguyễn Xuân Nguyên


-4Luận Văn Tốt Nghiệp

CHƯƠNG 2

ĐIỀU KHIỂN BỘ NGHỊCH LƯU ÁP DÙNG KỸ THUẬT
ĐIỀU CHẾ VECTOR KHÔNG GIAN
2.1 BỘ NGHỊCH LƯU ÁP
2.1.1 Vai trò và ứng dụng của bộ nghịch lưu
Bộ nghịch lưu có nhiệm vụ chuyển đổi năng lượng từ nguồn điện một
chiều không đổi sang dạng năng lượng điện xoay chiều để cung cấp cho tải xoay
chiều. Đại lượng được điều khiển ở ngõ ra là điện áp hay dòng điện. Trong
trường hợp đầu bộ nghịch lưu được gọi là bộ nghịch lưu áp và trường hợp sau gọi

là bộ nghịch lưu dòng.
Bộ nghịch lưu được dùng trong các hệ truyền động xoay chiều, dùng làm
nguồn điện liên tục, điều khiển chiếu sáng, mạch lọc tích cực, … Trong thực tế
sản xuất, có rất nhiều hoạt động liên quan đến tốc độ động cơ. Việc điều khiển
và ổn định tốc độ động cơ là phần hết sức quan trọng của các hệ thống điều
khiển công nghiệp. Điều chỉnh tốc độ động cơ nhằm tạo ra các đặc tính cơ mới
để có tốc độ làm việc phù hợp với yêu cầu của phụ tải cơ. Nhìn chung có hai
phương pháp để điều chỉnh tốc độ truyền động:
- Biến đổi tỉ số truyền từ trục động cơ đến cơ cấu máy sản xuất.
- Biến đổi tốc độ góc của động cơ điện.
Phương pháp thứ hai làm giảm tính phức tạp của cơ cấu và cải thiện được
đặc tính điều chỉnh, linh hoạt khi ứng dụng các hệ thống điều khiển điện tử số.
Ngoài ra, các hệ truyền động còn nhiều thông số khác cần được thay đổi, giám
sát như điện áp, dòng điện, khởi động êm, tính chất tải, …Vì vậy bộ nghịch lưu
với các thiết bị bán dẫn công suất hiện đại là sự lựa chọn thích hợp để điều
khiển tốc độ động cơ.
Học viên: Nguyễn Xuân Nguyên


-5Luận Văn Tốt Nghiệp

ng d ng quan tr ng và t
l nh v c truy n

ng

n

ng

i r ng rãi c a b ngh ch l u là nh m vào

ng c xoay chi u v i

chính xác cao.

2.1.2. Phân tích điều khiển bộ nghịch lưu áp
B ngh ch l u áp cung c p và i u khi n

n áp xoay chi u

kh o sát b ngh ch l u áp ba pha có cấu trúc như hình 2.1.

Hình 2.1 Cấu hình bộ nghịch lưu áp ba pha
Giả thiết tải ba pha đối xứng thỏa mãn hệ thức :
ut1 + ut2 + ut3 = 0

(2.1)

G i O là tâm nguồn DC và N là điểm nút ba pha tải đấu sao, ta coù:
ut1 = u10 – uNO
ut2 = u20 – uNO

(2.2)

ut3 = u30 – uNO
Từø các hệ thức (2.1) và (2.2), ta suy ra:

Học viên: Nguyễn Xuân Nguyên

ngõ ra. Ta


-6Luận Văn Tốt Nghiệp

ut1 =

2 u10 − u 20 − u 30
3

ut2 =

2 u 20 − u 30 − u10
3

ut3 =

2 u 30 − u10 − u 20
3

(2.3)

Quá trình điện áp ngõ ra của bộ nghịch lưu áp ba pha sẽ được xác định khi
ta xác định được các điện áp pha-tâm nguồn. Các khóa được kích đóng theo
nguyên tắc đối nghịch, nên điện áp pha-tâm nguồn của một pha nào đó có giá trị
+Vd/2 hoặc -Vd/2 tùy thuộc công tắc lẻ hoặc chẵn của pha được kích đóng tương
ứng. Do đó, điện áp pha tải được xác định hoàn toàn nếu biết được giản đồ kích
đóng các công tắc và điện áp nguồn. Từ đó, ta có thể điều khiển điện áp ngõ ra
của bộ nghịch lưu áp bằng cách điều khiển giản đồ xung kích đóng các công tắc.
Độ méo dạng điện áp và độ méo dạng dòng điện là hai tham số thường

được quan tâm khi phân tích bộ nghịch lưu áp. Hệ số méo dạng điện áp được xác
định bởi hệ thức:
∞

THD U =

∑U

2
t (n)

=

2

U t (1)

U 2t − U 2t (1)
U t (1)

(2.4)

Hệ số méo dạng dòng điện phụ thuộc vào tải và được xác định bởi hệ thức:
∞

THD I =

∑I

2

t (n)

2

I t (1)

=

I t2 − I t2(1)
I t (1)

(2.5)

Các bộ nghịch lưu áp thường được điều khiển dựa theo kỹ thuật điều chế
độ rộng xung (Pulse Width Modulation, PWM ) và qui tắc kích đóng đối nghịch.
Qui tắc kích đóng đối nghịch đảm bảo dạng áp tải được điều khiển tuân theo
giản đồ kích đóng công tắc và kỹ thuật điều chế độ rộng xung có tác dụng hạn
Học viên: Nguyễn Xuân Nguyên


-7Luận Văn Tốt Nghiệp

chế tối đa các ảnh hưởng bất lợi của sóng hài bậc cao xuất hiện ở phía tải. Phụ
thuộc vào phương pháp thiết lập giản đồ kích đóng các công tắc, có thể phân
biệt các dạng điều chế độ rộng xung khác nhau. Trong số đó, phương pháp điều
chế độ rộng xung vector không gian (SVPWM) được sử dụng phổ biến nhờ các
ưu điểm như có đáp ứng đầu ra với sóng hài thấp, tầm điều khiển tuyến tính
được mở rộng, dễ dàng thực hiện bởi các hệ thống số.

2.2 ĐIỀU CHẾ ĐỘ RỘNG XUNG VECTOR KHÔNG GIAN

2.2.1 Khái niệm về vector không gian
Cho đại lượng ba pha cân bằng, phép biến hình vector không gian biến
đổi các đại lượng ba pha sang đại lượng vector
r
r
r
r
V = k(Va + a 2Vb + aVc )

với a = e
Vector

r
V

j2π

3

r
V

theo hệ thức:

(2.6)

và k là hằng số, thường chọn hệ số k=2/3.

được gọi là vector không gian của đại lượng ba pha.

Khi các đại lượng ba pha có dạng cosin:
v a = Vm . cos(x − θ 0 )
2π
)
3
4π
v c = Vm . cos(x − θ 0 − )
3
v b = Vm . cos(x − θ 0 −

Theo định nghóa (2.6), vector không gian được xác định như sau:
r 2
2π
4π
V = [Vm . cos(x − θ 0 ) + a.Vm . cos(x − θ 0 − ) + a 2 .Vm . cos(x − θ 0 − )]
3
3
3
= Vm .[cos(x − θ 0 ) + j. sin(x − θ 0 )] = Vm .e

(2.7)

j( x −θ 0 )

Như vậy, vector không gian có biên độ bằng biên độ của đại lượng pha
Vm, bắt đầu từ vị trí Vm .e − jθ và quay quanh gốc tọa độ với tần số góc ω = dx/dt.
0

Học viên: Nguyễn Xuân Nguyên

-8Luận Văn Tốt Nghiệp

Khi đại lượng ba pha là áp tải nghịch lưu six-step:
Áp dụng hệ thức định nghóa vector không gian tại các thời điểm khác
r

nhau của áp pha tải, vector v được biểu diễn dưới dạng tổng quát nhö sau:

r
v3
r 2Vd j.
v=
.e
3

k .π
3

(2.8)

r
v2

2
Vd
3

r
v4

x + π 
6  , x = ω .t

 π
3 


r
v1

với k = int 

r
v5

r
v6

Hình 2.2 Vector không gian
của áp tải nghịch lưu six-step

Như vậy, vector không gian lần lượt dịch chuyển nhảy cấp đến sáu vị trí
đỉnh của hình lục giác đều với độ lớn vector bằng 2Vd/3 và lưu lại ở từng vị trí
trong thời gian 1/6 chu kỳ.

2.2.2 Phương pháp điều rộng xung vector không gian
Phương pháp điều chế vector không gian sẽ tạo nên sự dịch chuyển liên
tục của vector không gian tương đương trên quỹ đạo đường tròn. Nhờ đó, các
sóng hài bậc cao được loại bỏ và quan hệ giữa tín hiệu điều khiển và biên độ

điện áp ra trở nên tuyến tính. Vector tương đương ở đây chính là vector trung
bình trong chu kỳ lấy mẫu của quá trình điều khiển nghịch lưu.
Xét trong góc phần sáu thứ nhất của hình lục giác giới hạn bởi ba vector
r r
r
v1 , v2 và vo . Trong chu kỳ lấy mẫu Ts, giả thiết điều khiển điện áp tải nghịch lưu
r

r

sao cho vector điện áp tải chốt ở vị trí vector v1 trong thời gian T1, tại vector v2

r

trong thời gian T2 và nằm tại vector không v 0 trong thời gian Ts-T1-T2. Vector
trung bình hình thành bởi chuỗi tác động trên sẽ được xác định theo hệ thức:

Học viên: Nguyễn Xuân Nguyên


-9Luận Văn Tốt Nghiệp

T1 + T2
Ts
T
π
r
r j. 3
r 
1  1r

V=
 ∫ v1 .dt + ∫ v 2 .e dt + ∫ v 0 dt 
Ts  0

T1
T1 + T2

=

⇒

T
T1 + T2
Ts
π
2 Vd j. 3
1  1 2 Vd
r 
.dt + ∫
e dt + ∫ o.dt 
∫
3
Ts  0 3
T1
T1 + T2


r 2Vd T1 2Vd T2 j. π3
e
+

V=
3 Ts
3 Ts

(2.9)

T1
T
, d 2 = 2 , ta có:
Ts
Ts

Khi đặt các tỉ số đóng d 1 =
r
r
r
V = d 1 v1 + d 2 v 2

(2.10)

r
v2

r
d 2 v2

B
θ

O

r
v

A

r
d 1 v1

r
v1
r
v

Hình 2.3 Tổng hợp vector yêu cầu
Thực tế khi điều khiển nghịch lưu, với vector yêu cầu có độ lớn V và góc
pha θ cho trước, ta cần xác định thời gian đóng ngắt linh kiện cần thiết.
Từ hình 2.3, áp dụng định lý hàm số sin cho tam giác OAB, ta được:
d 1 v1
d v
V
= 2 2 =
 2π 
π
 sin(θ )
sin − θ 
sin

 3 
3



Vì v1 = v2 =2Vd/3, nên ta có:

Học viên: Nguyễn Xuân Nguyên


- 10 Luận Văn Tốt Nghiệp

d 1 = 3.

V
. sin(π − θ )
3
Vd

V
d 2 = 3 . . sin θ
Vd

(2.11)

Khi vector yêu cầu nằm ở góc phần sáu khác so với góc phần sáu thứ
nhất, việc tính toán thời gian tác động được thực hiện bằng cách quy vector yêu
cầu về góc phần sáu đầu tiên rồi áp dụng hệ thức (2.11).
Nếu vector trung bình được điều khiển theo quỹ đạo tròn thì nó sẽ cùng
pha với vector yêu cầu và module tỉ lệ với module của vector yêu cầu. Điều chế
vector không gian lúc này có đặc tính tuyến tính. Trong phạm vi điều khiển
tuyến tính, đường tròn nội tiếp lục giác là giới hạn lớn nhất của quỹ đạo vector
không gian điều khiển. Khi điều khiển tuyến tính ở giới hạn lớn nhất, thành

phần cơ bản điện áp pha tải là

Vd
3

. Chỉ số điều chế tương ứng lúc này sẽ là:

Vd
V(1) m
3 = π = 0.907
=
m=
2
2
2 3
Vd
Vd
π
π

Để điều khiển vector trung bình di chuyển đều đặn trên quỹ đạo tròn bên
trong lục giác, ta phải xác định thời gian tồn tại của các vector cơ bản T1, T2 và
T0 trong chu kỳ lấy mẫu Ts từ thông tin về độ lớn và vị trí của vector yêu cầu. Từ
đó tạo giản đồ đóng ngắt các khoá nghịch lưu. Một trong những tiêu chí để chọn
giản đồ kích đóng là sao cho giảm thiểu tối đa số lần chuyển mạch của linh kiện
để giảm tổn hao do đóng ngắt chúng. Số lần chuyển mạch sẽ ít nhất nếu ta điều
khiển các vector cơ bản theo trình tự đối xứng như sau:

Tại sector thứ nhất:
Trong nửa chu kỳ lấy mẫu đầu tiên

V0 [ T0/2 ] V1 [ T1 ] V2 [ T2 ] V7 [ T0/2 ] ,

Học viên: Nguyễn Xuân Nguyên


- 11 Luận Văn Tốt Nghiệp

Và trong nửa chu kỳ lấy mẫu còn lại
V7 [ T0/2 ] V2 [ T2 ] V1 [ T1 ] V0 [ T0/2 ] .

Taïi sector thứ hai:
Trong nửa chu kỳ lấy mẫu đầu tiên
V0 [ T0/2 ] V3 [ T3 ] V2 [ T2 ] V7 [ T0/2 ] ,

Và trong nửa chu kỳ lấy mẫu còn lại
V7 [ T0/2 ] V2 [ T2 ] V3 [ T3 ] V0 [ T0/2 ], …

Trình tự kích đóng được thực hiện tương tự cho các sector còn lại.

T0/2

T1

T2

T0/2

S1
S3
S5

Ts/2

Ts/2
Ts

Hình 2.4 Giản đồ kích linh kiện trong sector 1

2.3 QUÁ ĐIỀU CHẾ BỘ NGHỊCH LƯU ÁP HAI BẬC
2.3.1 Giới thiệu về quá điều chế
Ta đã biết, phương pháp điều khiển sáu bước tạo được điện áp pha tải có
thành phần cơ bản V(1) m =

2
Vd . Tuy nhiên điện áp ngõ ra chứa nhiều thành phần
π

hài bậc cao và biên độ không điều khiển được bởi giản đồ kích mà chỉ điều
khiển được thông qua điện áp một chiều ngõ vào. Các phương pháp điều khiển
vector không gian và dạng cải biên của nó được sử dụng để điều khiển điện áp

Học viên: Nguyễn Xuân Nguyên


- 12 Luận Văn Tốt Nghiệp

ngõ ra có module đến trị số

Vd
3

ứng với đường tròn nội tiếp lục giác. Ta thấy

phần công suất ứng với diện tích giới hạn bởi đường tròn nội tiếp và chu vi lục
giác không được sử dụng, không tận dụng tốt điện áp một chiều ngõ vào, tạo ra
sự lãng phí. Trong quá trình điều khiển công suất lớn, việc tận dụng khả năng
công suất của bộ nghịch lưu có ý nghóa kinh tế kỹ thuật quan trọng trong vận
hành và đặc biệt là khi điều khiển qua các quá trình quá độ. Từ đó phát sinh nhu
cầu điều khiển điện áp ngõ ra bộ nghịch lưu đến giá trị cực đại mà phương pháp
sáu bước tạo ra.
Điều khiển bộ nghịch lưu áp để thành phần cơ bản điện áp ngõ ra đạt trị
số từ

Vd
3

đến

2
Vd được gọi là điều chế mở rộng hay quá điều chế.
π

Để tạo ra thành phần cơ bản của điện áp ngõ ra trong phạm vi quá điều
r

chế thì vector yêu cầu V ∗ sẽ có phần quỹ đạo vượt ra ngoài hình lục giác. Điều
r

này chỉ có thể thực hiện được khi vector trung bình V di chuyển theo vector yêu
cầu với tỉ số biên độ thay đổi và cùng pha hay lệch pha so với vector yêu cầu.
Chính điều này sẽ dẫn đến tương quan không tuyến tính giữa vector yêu cầu và

thành phần cơ bản điện áp ngõ ra, đồng thời xuất hiện các thành phần hài bậc
cao trong điện áp pha tải. Các phương pháp quá điều chế cố gắng điều khiển
tuyến tính liên tục thành phần cơ bản điện áp ngõ ra bộ nghịch lưu đến trị số của
phương pháp điều khiển sáu bước với lượng sóng hài sinh ra đủ nhỏ, có lợi cho
sử dụng.
Đặc tính điều khiển tuyến tính, lượng sóng hài bậc cao của điện áp pha tải
và tổn hao đóng ngắt là các yếu tố quyết định chất lượng của phương án quá
điều chế bộ nghịch lưu nguồn áp.

Học viên: Nguyễn Xuân Nguyeân


- 13 Luận Văn Tốt Nghiệp

2.3.2 Quá điều chế dùng nguyên lý điều khiển giữa các quỹ đạo biên
2.3.2.1 Giới thiệu
Các kết quả nghiên cứu về quá điều chế đã hình thành nên nhiều phương
pháp thực hiện khác nhau. Hầu hết các phương pháp có đặc tính điều khiển phi
tuyến và phải sử dụng các bảng tra được tính toán trước như là phương pháp để
bù phi tuyến. Để đạt được đặc tính điều khiển tuyến tính trong toàn phạm vi
bằng các biểu thức giải tích mà không phải sử dụng các bảng tra, có hai phương
pháp đã được đề xuất.
- Phương pháp điều khiển giữa các tín hiệu biên
- Phương pháp điều khiển giữa các quỹ đạo biên
Phương pháp đầu áp dụng cho kỹ thuật điều chế độ rộng xung sóng mang
và phương pháp sau áp dụng cho kỹ thuật điều chế vector không gian. Về cơ bản
thì hai phương pháp trên là hai dạng thể hiện khác nhau của cùng một ý tưởng.
Trong phạm vi luận văn, chỉ khảo sát phương pháp quá điều chế sử dụng
các quỹ đạo biên áp dụng cho kỹ thuật điều chế vector không gian.

2.3.2.2 Nguyên lý điều khiển giữa các quỹ đạo
r

r

Trong hệ thống tọa độ vuông góc, gọi Va và Vb là các vector cùng chung
r

r

r

r

gốc tọa độ và vector V nằm trên đoạn thẳng nối hai vector Va và Vb . Vector V
r

r

có thể biểu diễn dưới dạng hàm tuyến tính của hai vector Va và Vb như sau:
r
r
r
(2.12)
V = (1 − η)Va + ηVb
r r
Tham số η thay đổi trong phạm vi [0,1]. Nếu η = 0 thì V = Va và nếu
r r
r
η = 1 thì V = Vb . Điều này cho thấy vector V sẽ thay đổi giữa hai vector giới

r
r
hạn Va và Vb khi tham số η thay đổi.

Học viên: Nguyễn Xuân Nguyên


- 14 Luận Văn Tốt Nghiệp

Hình 2.5 Nguyên lý điều khiển giữa các quỹ đạo
Giả thiết các vector vừa nêu là những vector điện áp trong bộ nghịch lưu
r
áp với quỹ đạo biết trước và vector V là vector điện áp yêu cầu mà ta cần điều
r
khiển để đạt được. Ta sẽ biểu diễn vector V trong mối liên quan đến chỉ số
điều chế:
r
2
V * = V * .e jθ = m. Vd e jθ .
π

(2.13).

Với chỉ số điều chế m được định nghóa bằng tỉ số biên độ điện áp hài cơ
bản tạo ra bởi phương pháp điều chế khảo sát và phương pháp sáu bước.
V(1) m
2Vd
π

m=

(2.14)

r
r
Giả thiết rằng hai vector không gian Va và Vb di chuyển dọc theo các
r

quỹ đạo tương ứng của nó là Ca và Cb trong khi vector yêu cầu V di chuyển trên
quỹ đạo tương ứng là C.
Trường hợp điều khiển đối xứng trong sáu vùng lục giác, thành phần cơ
bản của vector yêu cầu có thể được tính toán như sau:
π

V(1) m

1
=
π
3

r
r
1
(1 − η )Va + ηVb .e − jθ .dθ = (1 − η )
π
3

∫[
3

0

]

π

r − jθ
1
∫0 Va e .dθ + η π
3
3

Học viên: Nguyễn Xuân Nguyên

π

3

r

∫V e
0

b

− jθ

dθ

- 15 Luận Văn Tốt Nghiệp

Kết quả tích phân cho ta :
(2.15)

V(1) m = (1 − η )Va (1) m + η .Vb(1) m

đây Va(1)m và Vb(1)m là các biên độ thành phần hài cơ bản tạo nên từ quỹ đạo
r
r
chuyển động của các vector Va và Vb .
r

r

r

r

Nếu η = 0 thì V = Va và V(1)m = Va(1)m .
Nếu η = 1 thì V = Vb và V(1)m = Vb(1)m.

r r
r
Gọi m, ma và mb là các chỉ số điều chế của các vector V , Va và Vb tương
ứng. Ta sẽ thiết lập giá trị tham số η để phương pháp điều chế vector theo
(2.12) trở thành tuyến tính trong phạm vi ma2Vd
π

2Vd
= ma
π
2Vd
= mb
π

V(1) m = m
Va (1) m
Vb(1) m

(2.16)

Bằng cách thay thế (2.16) vào (2.15), ta thu được:
η=

m − ma
mb − ma

(2.17)

Giả thiết cho trước các quỹ đạo vector Ca, Cb với các chỉ số điều chế
r
tương ứng là ma, mb. Quá điều chế sẽ tuyến tính nếu vector V được điều khiển
r

r

theo hàm tuyến tính của hai vector Va và Vb theo hệ thức:
r

r
r
m − ma
V = (1 − η ) V a + η V b , với η =
mb − ma

Lúc này, chỉ số điều chế m sẽ thay đổi tuyến tính trong khoảng [ma, mb]
và biên độ hài cơ bản tương ứng trong khoảng [ Va(1)m, Vb(1)m ].
Một cách tổng quát, ta có thể xét mở rộng khả năng điều chế tuyến tính.
Khi cho trước các quỹ đạo vector C1, C2, ...Cn, chỉ số điều chế và các biên độ

Học viên: Nguyễn Xuân Nguyên


- 16 Luận Văn Tốt Nghiệp

thành phần sóng hài tương ứng lần lượt là m1,m2,..,mn và V1(1)m,V2(1)m,..Vn(1)m.
Điều chế vector không gian sẽ tuyến tính trong toàn phạm vi điều khiển [m1,mn]
nếu với mỗi chỉ số điều chế yêu cầu m thỏa điều kiện mi ≤ m ≤ mi +1 , i=1,2..,(n-1),
r
vector không gian V được điều khiển theo hệ thức:
r
r
r
m − mi
V = (1 − η)Vi + ηVi+1 , với η =
m i+1 − m i

(2.18)

2.3.2.3 Áp dụng vào các vùng dưới điều chế và quá điều chế
Có ba quỹ đạo biên của vector không gian khi khảo sát quá điều chế
nghịch lưu áp hai bậc. Quỹ đạo biên thứ nhất là đường tròn tiếp xúc lục giác,
quỹ đạo biên thứ hai là chu vi lục giác và quỹ đạo biên thứ ba là sáu đỉnh của
lục giác. Mở rộng phương pháp đến toàn bộ phạm vi của chỉ số điều chế, ta gọi
quỹ đạo zero ứng với tâm của hình lục giác.
Điều khiển nghịch lưu áp dựa trên nguyên lý này chúng ta chia thành ba
phạm vi điều chế.

Phạm vi dưới điều chế
v

r

Quỹ đạo biên trong chính là tâm của lục giác ứng với vector zero V0 = 0
có chỉ số điều chế là m0 = 0. Quỹ đạo biên ngoài là đường tròn tiếp xúc lục giác
r

ứng với vector V1 =

Vd
3

e jθ có chỉ số điều chế là m1 = 0.907.

Với một chỉ số điều chế m thuộc phạm vi [ m0 m1], vector tác động sẽ di
chuyển ổn định trên đường tròn và được mô tả bởi phương trình vector:

r
r

r
V
V = (1 − η01 ).V0 + η01 .V1 = η01 . d .e jθ (2.19)
3
Quan hệ giữa chỉ số điều chế m và biên độ hài cơ bản của điện áp:
V(1) m = η01 .

Vd

2
= m Vd
π
3

(2.20)

Học viên: Nguyễn Xuân Nguyên


- 17 Luận Văn Tốt Nghiệp

Phạm vi quá điều chế mode-1
Trong quá điều chế mode-1, quỹ đạo biên trong là đường tròn nội tiếp lục
giác ứng với chỉ số điều chế m1=0.907 và quỹ đạo biên ngoài là chu vi lục giác
ứng với chỉ số điều chế m2=0.952.
Quỹ đạo vector tác động có thể được xác định:
r
V
Vd
e jθ

V12 = (1 − η12 ) d e jθ + η12
π
3
3 cos( − θ )
6

(2.21)

Thành phần điện áp cơ bản được tính như sau:
V(1) m =

1
2π

r − jθ
V
∫ 12 e dθ

2π

0

2
2
= [(1 − η12 )m 1 + η12 m 2 ] Vd = m Vd
π
π

(2.22)

Phạm vi quá điều chế mode-2
Trong quá điều chế mode-2, quỹ đạo biên trong là chu vi lục giác và quỹ
đạo biên ngoài là các đỉnh của lục giác với chỉ số điều chế đơn vị. Quỹ đạo
vector tác động có thể được xác định theo phương trình:

r
V23 = (1 − η 23 )

với

 Vd
 3 ,
v

V3 = 
π
 Vd e j 3 ,
 3

r
Vd
e jθ + η 23 V3
π
3 cos( − θ)
6

0≤θ≤

(2.23)

π
6

π
π
≤θ≤
6
3
r

Trong phần sáu thứ nhất của lục giác, cả hai vector V23 và vector yêu cầu
r
r
V bắt đầu cùng tại vector đỉnh v1 nhưng vector

vector yêu cầu khi 0 ≤ θ ≤

r
V23 di chuyển trễ pha hơn

π
π
π
và sớm pha hơn vector yêu cầu khi ≤ θ ≤ . Cả
6
6
3

Học viên: Nguyễn Xuân Nguyên

- 18 Luận Văn Tốt Nghiệp

r

hai vector sau đó sẽ kết thúc tại vector đỉnh v 2 tại cùng thời điểm.
Thành phần điện áp cơ bản nhận được từ tích phân xác định:
1
2π

V(1) m =

2π

r

∫V

23

(2.24)

e − j θ dθ

0

r

Ở đây V23 cho bởi (2.22), thay vào ta có:

V(1)m =

1 2π
(1 − η23 )
2π ∫0

Vd
1 2π r
η 23 V3 dθ
e j θ dθ +
π
2π ∫0
3 cos( − θ)
6

Kết quả nhận được laø:

2
2
V(1) m = [(1 − η23 )m 2 + η23 m 3 ] Vd = m Vd
π
π

(2.25)

Tính toán thời gian chuyển mạch
r

Cho vector yêu cầu V(V,θ ) đặt tại phần sáu thứ nhất của lục giác giới
r

r

hạn bởi hai vector đỉnh v1 và v 2 , các tỉ số đóng d1, d2 và d0 ứng với các vector
r

r

r

cơ bản v1 , v 2 và v 0 được tính toán như sau.

Điều khiển vùng dưới điều chế
Các tỉ số đóng được xác định bởi hệ thức sau:
d1 =

3

V
π
sin( − θ )
Vd
3

d2 =

3

V
sin( θ )

Vd

(2.26)

d 0 = 1 − d1 − d 2

Các tỉ số đóng có thể được biểu diễn dạng đơn giản hơn:

π
d 1 = η01 sin( − θ)
3
d 2 = η01 sin(θ)
Với

η 01 =

(2.27)

m − m0
2 3
m
=
m1 − m 0
π
Học viên: Nguyễn Xuân Nguyên


- 19 Luận Văn Tốt Nghiệp

Điều khiển vùng quá điều chế mode-1

Các tỉ số đóng được xác định bởi hệ thức sau:
d = (1 −
)sin( − ) +
1
12
12
3

d

Với

2

= (1 −

η12 =

12

)sin( ) +

12

sin(

3

cos(

6

− )
− )

(2.28)

sin( )
cos(

6

− )

m − m1
m 2 − m1

Điều khiển vùng quá điều chế mode-2
Các tỉ số đóng được tính toán phụ thuộc vị trí của vector yêu cầu trong
phần sáu đang khảo sát :

Khi 0 ≤ θ ≤

π
:
6
d 1 = (1 − η 23

π
− θ)

3
)
+ η 23
π
cos(
− θ)
6
sin(

d 2 = (1 − η 23 )

Khi

(2.29)

sin( θ )
π
cos(
− θ)
6

π
π
≤θ ≤ :
6
3
π
− θ)
3
d 1 = (1 − η 23 )

π
cos( − θ )
6
sin(

d 2 = (1 − η 23 )

sin( θ )
+ η 23
π
cos( − θ )
6

Học viên: Nguyễn Xuân Nguyên

(2.30)