Tài liệu Nghiên cứu chỉnh lưu tích cực 3 pha

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP. HCM

----------

NGUYỄN THANH THẢO

NGHIÊN CỨU CHỈNH LƯU
TÍCH CỰC 3 PHA

LUẬN VĂN THẠC SĨ
Chuyên ngành: Kỹ thuật điện
Mã số ngành: 60520202

TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 03 năm 2016


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP. HCM

----------

NGUYỄN THANH THẢO

NGHIÊN CỨU CHỈNH LƯU
TÍCH CỰC 3 PHA

LUẬN VĂN THẠC SĨ
Chuyên ngành: Kỹ thuật điện
Mã số ngành: 60520202
GVHD: PGS.TS. NGUYỄN THANH PHƯƠNG.

TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 03 năm 2016


CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CƠNG NGHỆ TP.HCM

Cán bộ hướng dẫn khoa học: PGS.TS. Nguyễn Thanh Phương

Luận văn Thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Công nghệ TP.HCM
ngày 12 tháng 03 năm 2016.
Thành phần hội đồng đánh giá Luận văn Thạc sĩ gồm:

TT

Họ và tên

Chức danh Hội đồng

1

TS. Huỳnh Châu Duy

Chủ tịch

2

TS. Trần Thanh Phương

Phản biên 1

3

TS. Dương Thanh Long

Phản biện 2

4

PGS.TS. Trần Thu Hà

Ủy viên

5

TS. Trương Đình Nhơn

Ủy viên, Thư ký

Xác nhận của Chủ tịch hội đồng đánh giá Luận văn đã được sửa chữa (nếu
có).
Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV


TRƯỜNG ĐH CƠNG NGHỆ TP.HCM

CỘNG HỊA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

PHÒNG QLKH – ĐTSĐH

Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

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

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

TP.HCM, ngày ...... tháng ...... năm 2015
NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ tên học viên: NGUYỄN THANH THẢO

Giới tính: Nam

Ngày, tháng, năm sinh: 04/ 04/ 1968

Nơi sinh: TP.HCM

Chuyên ngành: Kỹ thuật điện

MSHV: 1341830061

I-

Tên đề tài: NGHIÊN CỨU CHỈNH LƯU TÍCH CỰC 3 PHA

II-

Nhiệm vụ và nội dung:
Nhiệm vụ là nghiên cứu chỉnh lưu 3 pha tích cực theo phương pháp điều chế

độ rộng xung, tiến hành khảo sát tổng hợp và so sánh các kỹ thuật điều chế độ rộng

xung về hiệu quả, tổn hao, chất lượng hài và khảo sát các đặc tính điều khiển từ đó
có thể đề xuất 1 giải pháp điều chế hiệu quả và có thể mang lại sản phẩm điều chế
mới cho chỉnh lưu tích cực.
III-

Ngày giao nhiệm vụ: 26/ 05/ 2015

IV-

Ngày hồn thành nhiệm vụ: 26/ 11/ 2015

V-

Cán bộ hướng dẫn: PGS.TS. NGUYỄN THANH PHƯƠNG

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

KHOA QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH


i

LỜI CAM ĐOAN
Tơi xin cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết
quả nêu trong Luận văn là trung thực và chưa từng được ai cơng bố trong bất kỳ
cơng trình nào khác.
Tơi xin cam đoan là mọi sự giúp đỡ cho việc thực hiện Luận văn này được
cảm ơn và các thông tin trích dẫn trong Luận văn đã được ghi rõ nguồn gốc.

Học viên thực hiện Luận văn

Nguyễn Thanh Thảo.


ii

LỜI CẢM ƠN
Tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành nhất đến quý Thầy Cô trường Đại Học Kỹ
thuật Công nghệ Tp. Hồ Chí Minh, những người đã dìu dắt tơi tận tình, đã truyền
đạt cho tơi những kiến thức và kinh nghiệm quý báu trong suốt thời gian tôi học tập
tại trường.
Tôi xin trân trọng gửi lời cảm ơn đến tất cả các Thầy, Cô Khoa Điện-Điện
Tử đặc biệt là thầy Nguyễn Thanh Phương, đã tận tình hướng dẫn, giúp đỡ, tạo mọi
điều kiện thuận lợi để tơi hồn thành tốt luận văn tốt nghiệp này.
Tôi xin cảm ơn gia đình tơi, những người thân đã hỗ trợ tơi những điều kiện
tốt nhất để học tập trong suốt thời gian dài. Ngồi ra tơi xin gửi lời cảm ơn đến các
bạn đồng nghiệp đã hỗ trợ tôi rất nhiều trong quá trình đi tìm nguồn tài liệu nghiên
cứu, cám ơn đến các bạn lớp 13SMDD21 của tôi, những người đã cùng gắn bó,
cùng học tập và giúp đỡ tơi trong những năm qua cũng như trong suốt quá trình
thực hiện luận văn tốt nghiệp.
Tp. Hồ Chí Minh, tháng 11 năm 2015

Nguyễn Thanh Thảo


iii

TÓM TẮT
Ngày nay, với sự phát triển vượt bậc của các thiết bị biến đổi năng lượng
điều khiển bằng kỹ thuật số (digital control system), việc biến đổi năng lượng điện

từ xoay chiều sang một chiều sử dụng các thiết bị điện tử công suất được sử dụng
trong nhiều lĩnh vực khác nhau như hệ thống truyền tải, hệ thống phân phối điện
năng, dùng trong cơng nghiệp… Một ví dụ cụ thể cho việc biến đổi năng điện từ
xoay chiều sang một chiều ứng dụng trong hệ thống truyền tải và phân phối điện
năng là quá trình vận hành của turbine gió: đầu tiên, điện áp xoay chiều với tần số
và điện áp biến thiên từ turbine gió được chỉnh lưu thành điệp áp một chiều rồi sau
đó lại được nghịch lưu thành xoay chiều với điện áp và tần số lưới. Trong công
nghiệp, việc chỉnh lưu điện áp lưới từ xoay chiều sang một chiều để cung cấp cho
các hệ thống truyền động cơng nghiệp có nhu cầu biến đổi tần số (inverter) ngày
càng được sử dụng rộng rãi thay cho hệ thống điều tốc cơ khí (hộp số). Như vậy, so
với bộ chỉnh lưu không điều khiển cổ điển sử dụng diode, chất lượng của điện áp và
dòng điện chỉnh lưu cần được nâng lên tương ứng. Khi đó điện áp cung cấp cho
thiết bị đầu cuối sẽ có chất lượng tốt hơn.
Hiện nay, nhiều phương pháp điều khiển cho chỉnh lưu đã được nghiên cứu
và ứng dụng điển hình như phương pháp điều chế độ rộng xung sine (SPWM) và
phương pháp điều chế vector không gian (SVPWM) đã cho một số kết quả nhất
định.
Xuất phát từ việc này, yêu cầu đặt ra cho luận văn cụ thể như sau:
• Nghiên cứu các kỹ thuật điều chế SPWM và SVPWM cho chỉnh lưu có
điều khiển.
• Áp dụng kỹ thuật cộng thành phần sóng hài bậc ba cho SPWM.
• Mô phỏng các kỹ thuật điều chế độ xung trên Matlab.
• So sánh, đánh giá của các phương pháp đã mô phỏng trên Matlab.


iv

ABSTRACT
Nowadays, with the intensive development of the power electronic devices
and digital control systems, energy conversion based on power electronic converters

using digital system processor (DSP) system become popular in energy industries
and home applications. By way of example, in wind energy system, at first, AC
voltage from wind turbine with varied frequency and magnitude is rectified into DC
voltage. Then, this DC voltage is converted back into the grid AC voltage with
constant frequency and magnitude. In addition, in industry applications, by
rectifying the grid AC energy into the DC one and then converting this DC energy
back into the AC voltage with variable frequency and magnitude to supply for the
machine drive system, the operating speed of the drive system can be varied without
employing mechanical gear box. Based on what discussed above, compared with
the conventional uncontrolled rectify technique using diode, high demanded
qualities of the DC energy are highly expected.
To date, a great number of rectify techniques were proposed such as direct
current control or direct power control…These proposed techquies require a
modulation method (sine pulse width modulation-SPWM or space vector pulse
width modulation-SVPWM) to realize the demanded voltage reference via the
power electronic inverters.
This thesis focuses on the following aspects:
•

Investigating the application of SPWM and SVPWM techniques
for controlled rectifier.

•

Improving the SPWM technique by including the third harmonic.

•

Realize the studied PWM techniques using Matlab/Simulink.

•

Comparative study between the SPWM and SVPWM techniques
in terms of the rectifying qualities.


v

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
AC

Alternating Current

Xoay chiều.

DC

Direct Current

Một chiều

IGBT

Insulated Gate Bipolar Transistor

Transistor cực điều khiển cách ly.

PWM

Pulse Width Modulation

Điều chế độ rộng xung.

SPWM

Sin Pulse Width Modulation

Điều chế độ rộng xung sin.

SVPWM Space Vector Pulse Width

SVM

Vector không gian điều chế độ

Modulation

rộng xung.

Space Vector Modulation

Điều chế vector không gian.

THIPWM Third-Harmonic-Injection PWM

Phương pháp điều chế hài bậc ba.

THD

Total Harmonic Distortion

Méo hài tổng.

VSC

Voltage Source Converter

Chuyển đổi điện áp nguồn.

VFOC

Virtual Flux Oriented Control

Điều khiển định hướng từ thông
ảo.

VOC

Voltage Oriented Control

Điều khiển định hướng theo điện
áp.

DPC

Direct Power Control

VF-DPC Virtual Flux Based Direct Power
Control

Điều khiển công suất trực tiếp.
Điều khiển công suất trực tiếp từ
thông ảo.


vi

KÝ HIỆU
α

Góc pha của vector chuẩn

ε

Góc pha điều khiển phần chỉnh lưu PWM.

γ

Góc pha của vector áp nguồn phần chỉnh lưu PWM.

ω

Tần số góc.

ia. ib, ic

Dịng ba pha.

idc

Dịng một chiều.

iα

Thành phần dòng điện trên trục α của hệ tọa độ α – β.

iβ

Thành phần dòng điện trên trục β của hệ tọa độ α – β.

id

Thành phần dòng điện trên trục d của hệ tọa độ d – q.

iq

Thành phần dòng điện trên trục q của hệ tọa độ d – q.

VA, VB, Vc Điện áp nguồn ba pha.
VDC

Điện áp một chiều trên tải.

Vs

Điện áp nguồn.

vc

điện áp chuyển đổi

VSα

Thành phần điện áp trên trục α của hệ tọa độ α – β.

VSβ

Thành phần điện áp trên trục β của hệ tọa độ α – β.

VSd

Thành phần điện áp trên trục d của hệ tọa độ d – q.

VSq

Thành phần điện áp trên trục q của hệ tọa độ d – q.


vii

DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 3.1 Vector không gian, trạng thái chuyển mạch và trạng thái đóng khóa. .... 31
Bảng 3.2 Các vector, các vector chuyển mạch, điện áp pha và điện áp dây như một
chức năng của DC bus điện áp Vdc............................................................................ 33
Bảng 3.3 Các vector điện áp, vector chuyển mạch, α và β. ..................................... 34
Bảng 3.4 Xác định sector theo góc của vector tham chiếu. .................................... 38
Bảng 3.5 Khoảng thời gian Ta và Tb cho mỗi sector. .............................................. 42
Bảng 3.6 Bảy đoạn chuyển mạch liền kề. ............................................................... 45
Bảng 3.7 Kiểu xung chuyển mạch ba pha cho mỗi sector. ..................................... 48
Bảng 3.8 Chuỗi chuyển mạch cho kỹ thuật ba pha PWM. ..................................... 49

viii

DANH MỤC CÁC HÌNH
Hình 1.1. Chỉnh lưu dùng diode. ............................................................................ 02
Hình 1.2. Kỹ thuật đa xung với chỉnh lưu diode 16 tia. .......................................... 02
Hình 1.3. Mạch chỉnh lưu cầu 3 pha có điều khiển. ................................................ 03
Hình 1.4. Chỉnh lưu dùng kỹ thuật điều khiển xung PWM với IGBT. .................. 04
Hình 1.5. Chỉnh lưu với hệ thống truyền động điện. ............................................... 04
Hình 1.6. Phân loại các phương pháp điều khiển cho chỉnh lưu PWM . ................ 05
Hình 2.1. Miêu tả đơn giản của mạch chỉnh lưu PWM cho dịng cơng suất hai
chiều.08
Hình 2.2. Sơ đồ định pha cho chỉnh lưu PWM........................................................ 08
Hình 2.3. Dịng cơng suất trong chỉnh lưu tích cực. ................................................ 09
Hình 2.4. Sơ đồ khối bộ chỉnh lưu PWM nguồn áp trong hệ tọa độ ba pha tự
nhiên.11
Hình 2.5 Sơ đồ khối chỉnh lưu PWM nguồn áp trong hệ tọa độ α – β. .................. 13
Hình 2.6. Sơ đồ vector điều khiển định hướng điện áp (VOC). ............................. 14
Hình 2.7. Sơ đồ khối chỉnh lưu PWM nguồn áp trong hệ tọa độ d – q đồng bộ. .... 15
Hình 3.1 Phát tín hiệu điều khiển cho SPWM. ....................................................... 19
Hình 3.2 Chỉnh lưu ba pha Sin PWM. .................................................................... 19
Hình 3.3 Ba pha Sin PWM. .................................................................................... 20
Hình 3.4 Bơm hài bậc ba một pha PWM. ............................................................... 24
Hình 3.5 Điện áp tham chiếu (a, b, c), dạng sóng tam giác (VT), và điện áp ngõ ra
(Vao, Vbo, Vco). ......................................................................................... 25
Hình 3.6 Miêu tả vùng dưới điều chế và quá điều chế trong vector khơng gian.... 26
Hình 3.7 Chỉnh lưu cầu ba pha. .............................................................................. 27
Hình 3.8 Hình dạng tám khóa của chỉnh lưu ba pha. ............................................. 29
Hình 3.9 Vector khơng gian của chỉnh lưu cầu ba pha........................................... 29

Hình 3.10 Theo sơ đồ cho SVPWM đầy đủ. ............................................................ 34
Hình 3.11 Cơ bản của dạng sóng điện áp. ................................................................ 36
Hình 3.12 Cấu trúc của kiểu xung đối xứng cho ba pha. ......................................... 42


ix

Hình 3.13 ⃗

đặt vào sector 1. ............................................................................... 43

Hình 3.14 Kiểu chuyển mạch trong sáu sector. ........................................................ 46
Hình 3.15 Kiểu chuyển mạch của sáu sector trong chu kỳ....................................... 47
Hình 3.16 Chuỗi chuyển mạch của cả sáu Sector..................................................... 49
Hình 5.1 Kết quả điện áp DC lớn nhất của ba phương pháp điều khiển. .............. 68
Hình 5.2 Sóng điện áp ngõ ra của SPWM. ............................................................. 69
Hình 5.3 Sóng điện áp ngõ ra của THIPWM. ....................................................... 69
Hình 5.4 Sóng điện áp ngõ ra của SVPWM. .......................................................... 69
Hình 5.5. Sóng điện áp và dịng điện pha ngõ vào của SPWM. .............................. 70
Hình 5.6. Sóng điện áp và dòng điện pha ngõ vào của THIPWM. ......................... 70
Hình 5.7. Sóng điện áp và dịng điện pha ngõ vào của SVPWM. ........................... 70
Hình 5.8. Sóng điện áp và dòng điện pha ngõ vào của SVPWM, với Vref = 500V.71
Hình 5.9. Kết quả đo THD của SPWM. ................................................................. 72
Hình 5.10.Kết quả đo THD của SVPWM. ................................................................ 72
Hình 5.11.Kết quả đo THD của THIPWM. .............................................................. 72


x

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN ........................................................................................................ i
LỜI CẢM ƠN .............................................................................................................ii
TÓM TẮT ................................................................................................................. iii
ABSTRACT ............................................................................................................... iv
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT ............................................................................ v
KÝ HIỆU.................................................................................................................... vi
DANH MỤC CÁC BẢNG........................................................................................vii
DANH MỤC CÁC HÌNH ....................................................................................... viii
Chương 1: TỔNG QUAN VỀ CHỈNH LƯU BA PHA. ........................................... 01
1.1.

Giới thiệu ........................................................................................................ 01

1.2.1. Tổng quan ....................................................................................................... 01
1.2.2. Chỉnh lưu Diode ............................................................................................. 01
1.2.3. Chỉnh lưu thyristor. ......................................................................................... 03
1.2.4. Chỉnh lưu PWM. ............................................................................................. 03
1.3.

Mục đích nghiên cứu. ..................................................................................... 05

1.4.

Cấu trúc luận văn. ........................................................................................... 06

Chương 2: MƠ HÌNH HĨA CHỈNH LƯU TÍCH CỰC.

2.1.

Hoạt động của chỉnh lưu PWM .................................................................. 07

2.2.

Mơ hình tốn học bộ chỉnh lưu 3 pha PWM. ................................................. 10

2.2.1. Mô tả dịng điện và điện áp nguồn. ................................................................ 10
2.2.2. Mơ tả điện áp vào bộ chỉnh lưu PWM. ........................................................... 10
2.3.

Sơ đồ khối của chỉnh lưu PWM...................................................................... 11

2.3.1. Mô tả chỉnh lưu PWM trong hệ ba pha. ......................................................... 11
2.3.2. Mơ hình chỉnh lưu PWM trong hệ tọa độ tĩnh α – β. ..................................... 12
2.3.3. Mơ hình chỉnh lưu PWM trong hệ tọa độ d – q. ............................................. 13

2.4. Giới hạn hoạt động. ............................................................................... 16
Chương 3: PHƯƠNG PHÁP VÀ KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN CHỈNH LƯU PWM.16
3.1

Sinusoidal PWM. ............................................................................................ 16


xi

3.1.1 Khái niệm về Sinusoidal PWM (SPWM). ...................................................... 16
3.1.2 Chỉ số điều chế của Sinusoidal PWM. ........................................................... 21
3.2

Thêm thành phần sóng hài bậc 3 trong PWM. ............................................... 21

3.2.1 Khái niệm và tính tốn khi thêm thành phần hài bậc 3. ................................. 21
3.3.

Vector không gian điều chế độ rộng xung (SVPWM). .................................. 25

3.3.1. Giới thiệu. ....................................................................................................... 25
3.3.2. Nguyên lý của Space Vector PWM. ............................................................... 26
Phương thức thực hiện của điều chế độ rộng xung vector khơng

3.3.3.

gian hai bậc. .................................................................................................... 34
3.3.3.1.

Góc và vector điện áp tham chiếu. .......................................................... 34

3.3.3.2.

Chỉ số điều chế của phương thức điều chế. ............................................. 35

3.3.3.3.

Xác định Sector........................................................................................ 36

3.3.3.4.

Lượng thời gian Ta, Tb, T0. ...................................................................... 37

3.3.3.5.

Tính tốn thời gian chuyển mạch cho mỗi khóa Transistor (S1 – S6). .... 43

3.3.3.6.

Các kiểu sơ đồ.......................................................................................... 45

Chương 4. MƠ HÌNH MƠ PHỎNG MẠCH CHỈNH LƯU .................................... 50
4.1.

Mơ hình mơ phỏng mạch cơng suất................................................................ 50

4.2.

Mơ hình mơ phỏng mạch điều khiển kiểu SPWM. ........................................ 51

4.2.1. Khối chuyển đổi abc sang dq. ......................................................................... 52
4.2.1.1.

Khối chuyển đổi hệ tọa độ ba pha (abc) sang hệ tọa độ hai pha (α–β).... 53

4.2.1.2.

Xác định sin_cos(gamma). ...................................................................... 53

4.2.1.3.

Khối chuyển đổi hệ tọa độ hai pha (α – β) sang hệ tọa độ (d – q). .......... 54

4.2.2. Khối chuyển đổi hệ tọa độ (d – q) sang hệ tọa độ ba pha (abc). .................... 54
4.2.2.1.

Khối chuyển đổi d_q sang alpha_beta. .................................................... 54

4.2.2.2.

Khối chuyển đổi alpha_beta sang abc. .................................................... 55

4.2.3. Khối PI. ........................................................................................................... 55
4.2.4. Khối PWM cấp xung kích các khóa (S1, ....., S6). ......................................... 56
4.2.5. Kết quả mơ phỏng. .......................................................................................... 57
4.3.

Mơ hình mơ phỏng mạch chỉnh lưu kiểu SVPWM. ....................................... 58


xii

4.3.1. Giới thiệu. ....................................................................................................... 59
4.3.2. Khối SVM. ...................................................................................................... 59
4.3.2.1.

Khối chuyển đổi hệ tọa độ (d – q) sang hệ tọa độ hai pha (α – β). .......... 59

4.3.2.2.

Khối tính sector........................................................................................ 60

4.3.2.3.

Khối tính T0, T1, T2. ............................................................................... 60

4.3.2.4.

Khối tính ta, tb, tc. ................................................................................... 61

4.3.3. Kết quả mơ phỏng. .......................................................................................... 62
4.4.

Mơ hình mô phỏng mạch chỉnh lưu kiểu THIPWM. ..................................... 63

4.4.1. Giới thiệu. ....................................................................................................... 63
4.4.2. Khối chuyển đổi dq sang abc. ......................................................................... 64
4.4.2.1.

Khối Bo han ap. ....................................................................................... 65

4.4.2.2.

Khối abc1 to Vabc. .................................................................................. 65

4.4.3. Kết quả mô phỏng. .......................................................................................... 66
Chương 5: SO SÁNH CẤU TRÚC VÀ KẾT QUẢ MÔ PHỎNG CỦA 3 KỸ
THUẬT ĐIỀU CHẾ SPWM, SVPWM VÀ THIPWM. ........................................... 67
5.1.

Cấu trúc mạch. ................................................................................................ 67

5.2.

Kết quả mô phỏng trên Matlab simulink. ....................................................... 68

5.2.1. Điện áp ngõ ra [Vdc]. ..................................................................................... 68
5.2.1.1.

Vref lớn nhất. ........................................................................................... 68

5.2.1.2.

Chọn Vref = 400V. .................................................................................. 69

5.2.2. Độ gợn sóng điện áp ngõ ra. ........................................................................... 69
5.2.3. Xét sóng điện áp và dòng điện ngõ vào. ......................................................... 70
5.2.4. Méo hài tổng (THD). ...................................................................................... 71
Chương 6: KẾT LUẬN ............................................................................................ 74


1

Chương 1: TỔNG QUAN VỀ CHỈNH LƯU BA PHA.
1.1

Giới thiệu
Trước khi phát minh bán dẫn, việc sử dụng chỉnh lưu trong ứng dụng công

nghiệp đã được thực hiện với các bộ chuyển đổi cơ điện (một động cơ AC kết hợp
với một máy phát DC) và với các bộ chuyển đổi thủy ngân .
Một giai đoạn mới bắt đầu để chuyển đổi công suất lớn trong năm 1960, bộ
chỉnh lưu diode đầu tiên trên 100kA đã được đưa vào thị trường và mười năm sau,
thyristor đầu tiên của các nhà máy này đã hoạt động.
Tuy nhiên, để đạt được THD thấp (Total Harmonic Distortion) trong chuyển

đổi cơng suất cao có thể là tương đối công việc phức tạp. Một số hạn chế về công
nghệ sử dụng cấu trúc nhất định trong mức công suất được thiết lập sẵn. Tiến bộ
mới nhất trong các thiết bị bán dẫn công suất cao có được giới thiệu giải pháp mới
cho chuyển đổi hệ thống năng lượng cao, tuy nhiên, mức độ chấp nhận của mỗi
công nghệ khác nhau tùy theo với các ngành công nghiệp khác nhau và ứng dụng.
Những năm gần đây các xu hướng nghiên cứu về điện tử công suất tập trung
rất nhiều trong các dạng mạch chỉnh lưu và nghịch lưu, đặc biệt là chỉnh lưu điều
chế độ rộng xung (PWM). Rất nhiều nghiên cứu đã thành công và giải quyết được
nhiều mặt hạn chế trong các bộ điện tử cơng suất. Điều quan trọng là các cơng trình
nghiên cứu được thực hiện tại nhiều nơi trên thế giới với từng mặt thành công riêng
rẽ và chưa được tổng hợp hệ thống, đồng thời chưa chỉ ra hết các khả năng áp dụng
và các ảnh hưởng của các phương pháp điều chế.
1.2

Tổng quan

1.2.1. Chỉnh lưu Diode
Chỉnh lưu Diode trong hình 1.1 là đơn giản nhất của tất cả các loại chỉnh lưu.
Chỉnh lưu này thường áp dụng trong các mạch cơng suất lớn do tính bền bỉ và chi
phí thấp của linh kiện. Tuy nhiên, quá trình chuyển mạch là khơng điều khiển, các
bộ chuyển đổi này ít khi được áp dụng trong các ứng dụng công nghiệp, chỉ trong
những trường hợp khi không cần điều khiển điện áp ngõ ra. Một nhược điểm của bộ


2

chỉnh lưu này là độ méo hài tổng [total harmonic distortion - THD] cao trong các
dịng ngõ vào.

Hình 1.1. Chỉnh lưu dung diode.

(a)

(b)
Hình 1.2. Kỹ thuật đa xung với chỉnh lưu diode 16 tia. (a). Không dung trở
kháng biến đổi. (b). Với trở kháng biến đổi.
Để bù lại sự méo dạng sóng hài sinh ra bởi chỉnh lưu diode, bộ lọc tuyến tính
thụ động hoặc hiệu chỉnh hệ số cơng suất có thể được sử dụng. Kỹ thuật đa xung
thường được tìm thấy trong các ứng dụng cơng suất cao với cuộn dây quấn kết nối
đặc biệt trong máy biến áp để dung như những bộ lọc tuyến tính như hình 1.2. Tuy
kỹ thuật này đơn giản, nhược điểm là máy biến áp trở nên nặng và cồng kềnh.


3

Những kỹ thuật này cải thiện đáng kể chất lượng dòng ngõ vào (cho bộ chỉnh
lưu 12 xung, THD là khoảng 14%, trong khi cho cấu trúc 18 xung, THD thu được là
khoảng 9%). Một vấn đề của kỹ thuật này là không điều khiển được điện áp ngõ ra.
Cách thứ hai để có được một điều khiển điện áp tải là giới thiệu một trở
kháng biến đổi với lõi sắt bão hòa từ. Phạm vi điện áp điều khiển trong kỹ thuật này
ở 60-80 volts.
1.2.2. Chỉnh lưu thyristor

Hình 1.3. Mạch chỉnh lưu cầu 3 pha có điều khiển.
Các chỉnh lưu thyristor kế thừa ưu điểm của chỉnh lưu diode. Tuy nhiên do
sự phức của mạch điều khiển, chi phí cho bộ chỉnh lưu thyristor thường cao hơn
chỉnh lưu diode. Do chỉnh lưu thyristor điều khiển bán kỳ dòng điện, độ méo dạng
sóng hài của các dịng ngõ vào cao hơn nếu so với chỉnh lưu diode nhưng điện áp
ngõ ra có thể điều chỉnh được. Do sự đơn giản, độ tin cậy và hiệu quả, chỉnh lưu
thyristor vẫn được dùng nhiều cho đến ngày nay với các ứng dụng cơng suất lớn.

1.2.3. Chỉnh lưu PWM
Như đã trình bày trong phần giới thiệu, bộ nguồn DC có một vai trị rất quan
trọng trong các ứng dụng gia dụng và công nghiệp. Một bộ nguồn DC với chất
lượng điện năng cao, hệ số sóng hài thấp, và hệ số cơng suất có thể điều chỉnh theo
yêu cầu vận hành là một trong những yêu cầu thiết thực trong ngành kỹ thuật điện
hiện nay.


4

Hình 1.4. Chỉnh lưu dùng kỹ thuật điều khiển xung PWM với IGBT.
Kỹ thuật chỉnh lưu tích cực có nhiều ưu điểm khi quan tâm tới chất lượng công
suất với hệ số cơng suất và độ méo sóng hài có thể đạt được là rất thấp. Ngày nay,
cấu trúc chỉnh lưu tích cực đã trở thành tiêu chuẩn trong các thiết bị cơng suất thấp
và trung bình. Với thiết bị cơng suất cao, giá thành của thiết bị đóng ngắt tích cực
thường làm tăng hàm chi phí. Bên cạnh đó, trong các ứng dụng kích thước và khối
lượng bộ chỉnh lưu là yếu tố quyết định, việc điều chỉnh hệ số cơng suất dùng cuộn
kháng bù có thể áp dụng, nhưng với độ tăng của tính phức tạp và hàm chi phí.

Hình 1.5. Chỉnh lưu với hệ thống truyền động điện.
Việc ứng dụng kỹ thuật điều khiển xung PWM không những cho phép thỏa mãn
các yêu cầu bên trên mà còn cho phép thực thi việc khử các thành phần sóng hài cụ
thể bằng cách thay đổi giá trị đặt trong quá trình điều khiển, điều này cho phép mở
rộng phạm vi nghiên cứu của đề tài trong tương lai.


5

Các kỹ thuật điều khiển cho chỉnh lưu PWM có thể được phân loại như là dựa
trên điện áp hay là dựa trên thơng lượng ảo như hình 1.6.

Hình 1.6. Phân loại các phương pháp điều khiển cho chỉnh lưu PWM .
Bên cạnh đó, việc ứng dụng các kỹ thuật điều khiển nâng cao như logic mờ
cũng có thể áp dụng để nâng cao hiệu quả điều khiển của bộ biến đổi.
Đã có nhiều cơng trình nghiên cứu về chỉnh lưu tích cực ba pha ở trong và ngồi
nước như:
o Bùi Văn Đại và Vũ Minh Quang (2014), Nghiên cứu về bộ chỉnh lưu 3
pha PWM với hệ thống điều chỉnh hai vòng hồi tiếp. ĐH Thủy lợi Hà
nội
o S. Begag, N. Belhaouchet and L. Rahmani (2009), Three-Phase PWM
Rectifier with Constant Switching Frequency. Journal of electrical
systems.
o H.Azizi and A.Vahedi, Performance Analysis of Direct Power
Controlled PWM Rectifier under Disturbed AC Line Voltage. Power
Engineering Department-Iran University of Science &Technology.
Tuy nhiên, các luận văn thạc sĩ trong nước chưa thấy khảo sát tổng hợp và so
sánh các kỹ thuật điều chế độ rộng xung cho chỉnh lưu tích cực 3 pha.
1.3.

Mục đích nghiên cứu
Mục đích của đề tài này là đi vào nghiên cứu chỉnh lưu 3 pha tích cực theo

phương pháp điều chế độ rộng xung, tiến hành khảo sát tổng hợp và so sánh các kỹ
thuật điều chế độ rộng xung về hiệu quả, tổn hao, chất lượng hài và khảo sát các đặc


6

tính điều khiển từ đó có thể đề xuất 1 giải pháp điều chế hiệu quả và có thể mang lại
sản phẩm điều chế mới cho chỉnh lưu tích cực.

1.4.

Cấu trúc luận văn
Trong luận văn này bao gồm 6 chương.
Chương 1 là phần giới thiệu tổng quan về các loại chỉnh lưu dùng Diod,

Thyristor và IGBT, mục đích nghiên cứu chỉnh lưu tích cực 3 pha.
Chương 2 và 3 cung cấp cho cái nhìn sâu sắc vào các khái niệm, phương
trình tốn, thực hiện và các dạng sóng đươc tạo ra bởi SPWM, THIPWM và
SVPWM.
Chương 4 trình bày các mơ hình Simulink và các kết quả thu được từ mơ
phỏng của SPWM, THIPWM và SVPWM ở trong vùng điều chế.
Chương 5 là so sánh cấu trúc và kết quả mô phỏng của 3 kỹ thuật từ chương
4 cùng với so sánh tổng méo sóng hài (THD) ở ngõ ra.
Chương 6 tóm tắt luận văn với kết luận và kiến nghị cho nghiên cứu tương
lai.


7

Chương 2:

MƠ HÌNH HĨA CHỈNH LƯU TÍCH CỰC.

Như đã trình bày ở chương 1, chỉnh lưu diode được áp dụng thường xuyên
nhất trong chuyển đổi điện AC/DC. Tuy nhiên, do dịng điện đầu vào bị méo dạng
đáng kể, đó là không thể chấp nhận được đối với các tiêu chuẩn quốc tế, chỉnh lưu
diode nên được thay thế bởi một dạng khác, không gây ô nhiễm và thiết bị năng
lượng lưới thân thiện. Do đó, bộ chuyển đổi trình bày một sự tương tác thấp trên
lưới điện sẽ được quan tâm nhiều hơn. Bộ biến đổi nguồn áp 3 pha VSC (Voltage

Source Converter) áp dụng như một giai đoạn giao diện lưới gọi là "Tăng hoạt động
chỉnh lưu, có thể mất dòng điện đầu vào sin với một hệ số cơng suất nhưng cũng có
thể làm việc trong cả hai chế độ chỉnh lưu và nghịch lưu. Từ độ tin cậy và hiệu quả
đã trình bày bộ chỉnh lưu PWM là giải pháp rất hứa hẹn.
Các chỉnh lưu PWM, được xem là thay thế rõ ràng nhất chỉnh lưu diode
thông thường. Chương này giới thiệu và trình bày vấn đề cơ bản của hoạt động của
chỉnh lưu PWM và hạn chế hoạt động. Ngồi ra, các mơ hình tốn học trong hệ quy
chiếu khác nhau được trình bày.
Các yêu cầu cơ bản của một chỉnh lưu PWM có thể được định nghĩa như sau:
 Dòng điện dẫn hai chiều.
 Méo hài thấp của dịng lưới.
 Quy định hệ số cơng suất đầu vào.
 Điều chỉnh và ổn định của điện áp phía DC.
 Giảm kích thước tụ lọc DC .
2.1 . Hoạt động của chỉnh lưu PWM
Hình 2.1b cho thấy dịng chỉnh lưu PWM một pha trình bày trong hình 2.1a.
L và R đại diện cho điện cảm lưới. VS là điện áp lưới và VC là cầu điện áp chuyển
đổi điều khiển từ phía DC. Tầm quan trọng của VC phụ thuộc vào chỉ số điều chế
của VSC và cấp điện áp DC.


8

S1
L

R

VB

L

R

VC

L

A
B

VDC

R

C
S4

a)

S5

LOAD

N

VA

S3

S6

AC side

S2

Converter

DC side

b)
jωLic
L
Vs

Ric
ic

R
Vc

Hình 2.1. Miêu tả đơn giản của mạch chỉnh lưu PWM cho dịng cơng suất hai chiều.
a) Mạch chính.

b) Đại diện một pha của mạch chỉnh lưu.

Hình 2.2. Sơ đồ định pha cho chỉnh lưu PWM.
a) Hệ số công suất chỉnh lưu.

b) Hệ số công suất nghịch lưu.

9

Điện cảm L nối ngõ vào của bộ chuyển đổi PWM với lưới là một phần
không thể thiếu của chỉnh lưu dịng. Nó mang đặc tính của nguồn dịng của dịng
điện ngõ vào và cung cấp tính năng tăng cường. Các dòng iC được điều khiển bởi sự
sụt giảm điện áp trên điện cảm L kết nối hai nguồn điện áp (lưới và chuyển đổi
PWM). Nó có nghĩa là điện áp tự cảm Vl bằng sự khác biệt giữa điện áp lưới VS và
điện áp chuyển đổi VC. Khi góc pha ɛ và biên độ của điện áp chuyển đổi VC được
điều khiển gián tiếp pha và biên độ của dịng điều khiển. Theo cách này trị trung
bình và dấu hiệu của dòng DC được điều khiển và cân đối công suất chủ động chảy
qua chuyển đổi. Công suất phản kháng có thể được kiểm sốt một cách độc lập với
sự thay đổi của dòng hài cơ bản iC trong mối quan hệ với điện áp VS Hình. 2.2 trình
bày sơ đồ pha tổng quát cho cả hai kiểu chỉnh lưu và tái sinh khi hệ số công suất là
cần thiết. Hình này cho thấy rằng các vector điện áp VC là cao hơn trong thời gian
nghịch lưu (lên đến 3%) sau kiểu chỉnh lưu. Như vậy, chỉnh lưu PWM có hai chế độ

Plosses

hoạt động.

VA

S1
LOAD

Chế độ chỉnh lưu Plưới = Ptải + Plosses

Chế độ tái sinh Plưới = Ptải - Plosses

Hình 2.3. Dịng cơng suất trong chỉnh lưu tích cực.


Chế độ chỉnh lưu,



Chế độ nghịch lưu.

Tuy nhiên, trong một hệ thống thực ln tổn thất cơng suất bởi vì:


Tổn thất trên transistor công suất khi chuyển mạch.