(Luận văn thạc sĩ) điều khiển bộ chỉnh lưu điều rộng xung bằng phương pháp điều khiển công suất trực tiếp

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

LUẬN VĂN THẠC SĨ
TRẦN QUANG LINH

ĐIỀU KHIỂN BỘ CHỈNH LƯU ĐIỀU RỘNG XUNG
BẰNG PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN
CÔNG SUẤT TRỰC TIẾP

NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN - 605250

S KC 0 0 4 1 9 6

Tp. Hồ Chí Minh, tháng 04 năm 2014


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THẬT
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

LUẬN VĂN THẠC SĨ
TRẦN QUANG LINH

ĐIỀU KHIỂN BỘ CHỈNH LƯU ĐIỀU RỘNG
XUNG BẰNG PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN
CÔNG SUẤT TRỰC TIẾP

NGÀNH: THIẾT BỊ MẠNG VÀ NHÀ MÁY ĐIỆN
MÃ SỐ: 605250

Hướng dẫn khoa học:
PGS.TS NGUYỄN VĂN NHỜ

Tp. Hồ Chí Minh, tháng 4 năm 2014


LỜI CAM ĐOAN
Tôi là TRẦN QUANG LINH, học viên lớp cao học ngành Thiết bị, Mạng và
Nhà máy điện niên khoá 2011-2013 sau hai năm học tập và nghiên cứu, đƣợc sự
giúp đỡ của các thầy cô giáo và đặc biệt là PGS.TS NGUYỂN VĂN NHỜ, thầy
giáo hƣớng dẫn tốt nghiệp của tôi, tôi đã đi đến cuối chặng đƣờng để kết thúc khố
học thạc sĩ.
Tơi đã quyết định chọn đề tài tốt nghiệp là: " ĐIỀU KHIỂN BỘ CHỈNH
LƢU ĐIỀU RỘNG XUNG BẰNG PHƢƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN CÔNG
SUẤT TRỰC TIẾP".
Tơi xin cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết
quả trong luận văn là hoàn toàn trung thực và chƣa từng đƣợc ai cơng bố trong bất
kỳ cơng trình nào khác. Nếu có tơi xin chịu hồn tồn trách nhiệm.

Tp.Hồ Chí Minh, ngày ….tháng 4 năm 2014
(Ký tên và ghi rõ họ tên)

Trần Quang Linh

iii


LỜI CẢM TẠ
Xin chân thành gửi lời cảm ơn đến PGS.TS Nguyễn Văn Nhờ đã nhiệt tình
hƣớng dẫn tơi hồn thành luận văn này.

Xin chân thành gửi lời cảm ơn đến tập thể Viện Tim đã tạo điều kiện thuận
lợi cho tôi đi học.
Xin chân thành gửi lời cảm ơn đến tồn thể q thầy cơ trƣờng Đại học Sƣ
Phạm Kỹ Thuật TP. Hồ Chí Minh đã giảng dạy, hƣớng dẫn và tạo mọi điều kiện,
môi trƣờng học tập tốt cho tôi.
Xin cảm ơn các anh em học viên lớp TBM2011B ngành Thiết bị mạng và nhà
máy điện cùng các anh chị học viên cùng nghiên cứu trong phịng thí nghiệm B107
trƣờng Đại học Bách Khoa TP. Hồ Chí Minh đã chia sẽ, hỗ trợ, giúp đỡ trong suốt
quá trình học tập.

iv


MỤC LỤC
Trang tựa

Trang

Xác nhận của cán bộ hƣớng dẫn .............................................................................
Quyết định giao đề tài..............................................................................................
Lý lịch khoa học .....................................................................................................i
Lời cam đoan....................................................................................................... iii
Lời cảm tạ ............................................................................................................ iv
Tóm tắt .................................................................................................................. v
Mục lục ................................................................................................................ vi
Danh sách các chữ viết tắt .................................................................................... ix
Danh sách các hình ............................................................................................... xi
Danh sách các bảng ............................................................................................. xv
Chƣơng 1 TỔNG QUAN
1.1 Tổng quan chung về lĩnh vực nghiên cứu, các kết quả nghiên cứu

trong và ngoài nƣớc .............................................................................................. 1
1.1.1Tổng quan chung về lĩnh vực nghiên cứu ................................................... 1
1.1.2 Một số kết quả nghiên cứu trong và ngoài nƣớc ........................................ 2
1.2 Mục đích của đề tài nghiên cứu ....................................................................... 3
1.3 Nhiệm vụ và giới hạn của đề tài ...................................................................... 3
1.4 Phƣơng pháp nghiên cứu ................................................................................ 4
Chƣơng 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA BỘ CHỈNH LƢU 3 PHA
2.1 Tổng quan mạch chỉnh lƣu ba pha ................................................................... 5
2.2 Nguyên lý làm việc ......................................................................................... 7
2.3 Phạm vi và giới hạn tham số của chỉnh lƣu PWM ........................................... 9
Chƣơng 3 ĐIỀU KHIỂN BỘ CHỈNH LƢU ĐIỀU RỘNG XUNG PWM
BẰNG PHƢƠNG PHÁP TRỰC TIẾP CÔNG SUẤT(DPC)
3.1 Các phƣơng pháp điều khiển chỉnh lƣu PWM ................................................ 10
3.1.1 Cấu trúc điều khiển chỉnh lƣu PWM định hƣớng theo vector điện áp
dựa vào dòng điện (VOC) ............................................................................... 11
3.1.2 Cấu trúc điều khiển chỉnh lƣu PWM theo VFOC ..................................... 12
vi


3.1.3 Cấu trúc điều khiển chỉnh lƣu PWM theo phƣơng pháp trực tiếp
công suất (DPC) ........................................................................................ 12
3.1.4 Cấu trúc điều khiển chỉnh lƣu PWM theo VF-DPC .................................. 13
3.2 Bộ chỉnh lƣu điều rộng xung PWM bằng phƣơng pháptrực tiếp
công suất DPC .............................................................................................. 14
3.3 Mơ hình tốn học điều khiển trực tiếp công suất DPC cho
chỉnh lƣu PWM .............................................................................................. 15
3.3.1 Khối công suất ........................................................................................ 15
3.3.2 Chiến lƣợc điều khiển .............................................................................. 16
Chƣơng 4 MÔ PHỎNG BỘ NGUỒN AC/DC 3 PHA
4.1 Bộ chỉnh lƣu ba pha 6 IGBT .......................................................................... 31

4.1.1 Khối mạch động lực ................................................................................. 32
4.1.2 Bộ điều khiển . ......................................................................................... 35
4.1.3 Kết quả mô phỏng chỉnh lƣu ba pha 6 IGBT ............................................ 36
4.2 Bộ chỉnh lƣu ba pha 12 IGBT (NPC 3 bậc). ................................................... 35
4.2.1 Khối mạch động lực ................................................................................. 46
4.2.2 Khối điều khiển ........................................................................................ 47
4.2.3 Kết quả mô phỏng chỉnh lƣu ba pha 12 IGBT .......................................... 48
4.3 Phân tích thành phần hài ................................................................................ 55
4.4 Bảng so sánh của chỉnh lƣu 3 pha NPC – 2 bậc và 3 bậc................................ 57
Chƣơng 5 XÂY DỰNG MƠ HÌNH THỰC NGHIỆM BỘ CHỈNH LƢU BA
PHA BẰNG PHƢƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN CÔNG SUẤT TRỰC TIẾP
5.1 Sơ đồ tổng thể mơ hình thực nghiệm ............................................................. 58
5.2 Mơ tả chi tiết mơ hình thực nghiệm ............................................................... 60
5.2.1 Sơ đồ tổng quan mạch công suất .............................................................. 60
5.2.2 Mạch điều khiển....................................................................................... 63
5.2.2.1 Sơ đồ triển khai mạch kích xung......................................................... 63
5.2.2.2 Sơ đồ triển khai mạch cảm biến điện áp .............................................. 66
5.2.2.3 Sơ đồ triển khai mạch cảm biến dòng điện.......................................... 69
5.2.2.4 Sơ đồ triển khai mạch đệm bảo vệ DSP .............................................. 71
5.2.2.5 Kit DSP TMS320F28335 ................................................................... 71
vii


Chƣơng 6 KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM PHƢƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN
CÔNG SUẤT TRỰC TIẾP BỘ CHỈNH LƢU BA PHA BẰNG KỸ
THUẬT LẬP TRÌNH NHÚNG.
6.1 Giới thiệu thƣ viện lập trình nhúng của Matlab/Simulink............................... 76
6.2 Mơ hình lập trình nhúng trên Matlab/simulink ............................................... 79
6.3 Kết quả thực nghiệm của bộ chỉnh lƣu ba pha ................................................ 84
6.4 Nhận xét ........................................................................................................ 94

6.5 Một số hình ảnh thực nghiệm tại phịng thí nghiệm ....................................... 96
Chƣơng 7 KẾT LUẬN
7.1 Kết luận ......................................................................................................... 97
7.2 Hƣớng phát triển của đề tài ............................................................................ 97
TÀI LIỆU THAM KHẢO

viii


GVHD: PGS.TS Nguyễn Văn Nhờ

Chƣơng 1
TỔNG QUAN

1.1

Tổng quan chung về lĩnh vực nghiên cứu, các kết quả nghiên cứu trong

và ngoài nƣớc.
1.1.1. Tổng quan chung về lĩnh vực nghiên cứu.
Những thập niên 80 của thế kỷ XX, kỹ thuật điện tử chỉ được ứng dụng trong
những mạch điều khiển, đo lường, khống chế, bảo vệ… hệ thống điện công nghiệp
gọi là điện tử công nghiệp.
Đến thập niên 90 của thế kỷ XX, kỹ thuật điện tử đã ứng dụng khá rộng rãi và
thành cơng trong việc thay thế các khí cụ điện dùng để đóng ngắt nguồn điện cho
những phụ tải một pha và ba pha, làm các bộ nguồn cơng suất lớn trong cơng
nghiệp… Với ưu điểm là kích thước nhỏ gọn, dễ điều khiển và thuận tiện, đáp ứng
tần số được mở rộng, khả năng về công suất, điện áp, dòng điện và độ tin cậy ngày
càng được cải tiến.
Trong đó, nhiều thiết bị biến đổi cơng suất đã được ứng dụng để phục vụ

những yêu cầu ngày càng cao của cuộc sống. Các thiết bị biến đổi cơng suất đã giúp
nâng cao hiệu quả q trình biến đổi năng lượng điện đồng thời luôn được cải tiến
và hoàn thiện để đáp ứng yêu cầu về chất lượng điện năng. Ngoài các ứng dụng
truyền thống như điều khiển động cơ điện, các bộ nguồn công suất, phạm vi ứng
dụng của bộ biến đổi công suất ngày càng được mở rộng như trong lĩnh vực tự động
hóa cơng nghiệp, lưu trữ năng lượng, và còn được ứng dụng trong truyền tải điện.
Các vấn đề về sự hiệu chỉnh hệ số cơng suất, méo dạng sóng hài như đã biết,
có đa dạng giải pháp được đề xuất bao gồm các bộ bù, các bộ lọc thụ động và tích
cực … nhằm cải tiến chất lượng điện năng. Các nghiên cứu bộ biến đổi trước đây
cho thấy bên cạnh các chức năng cơ bản của sự chuyển đổi cơng suất thì có một số
nhược điểm như hệ số cơng suất thấp, năng lượng chỉ chảy theo một chiều và có

HVTH: Trần Quang Linh

Trang 1


GVHD: PGS.TS Nguyễn Văn Nhờ
nhiều sóng hài bậc cao. Do đó các bộ biến đổi AC/DC PWM (pulse width
modulation) có thể khắc phục được các nhược điểm trên để bắt kiệp với các yêu
cầu đặt ra trong tình hình mới, nó có nhiều phương pháp điều khiển. Các phương
pháp điều khiển cũ và mới bao hàm một sự thay đổi nhỏ trong cấu trúc của lược đồ
điều khiển của các bộ biến đổi. Ở các bộ biến đổi năng lượng điện này các van
chuyển mạch nguồn được điều khiển như các transistor lưỡng cực có cực cửa cách
ly (IGBT), các thyristor tắt mở bằng cực cửa (GTO), hoặc các thyristor điều khiển
có cực cửa kết hợp (IGCT) được chứa trong mạch cơng suất của bộ chỉnh lưu để
tích cực thay đổi dạng sóng của dịng điện ngõ vào, làm giảm độ méo, giảm sóng
hài và do đó chúng cải thiện được hệ số công suất.
Để nghiên cứu bộ chỉnh lưu học viên sử dụng phần mềm Matlab và Simulink
của hãng Mathwork, Inc [19], phần mềm này có rất nhiều thuận lợi riêng biệt.

Matlab cho phép sử dụng ngôn ngữ cấp cao như là C, C++ . Matlab có hàng trăm
hàm xây dựng sẵn và có thể sử dụng trong nhiều lĩnh vực: toán học, sự thống kê,
việc xử lý và thu nhận ảnh, việc xử lý tín hiệu, sự mơ phỏng, . . . Simulink là nền
tảng mà có nhiều hàm giống nhau trong Matlab và có nhiều tập khối chuẩn cho
phép người dùng thực hiện các nhiệm vụ như: vào/ra, các phép tổng, hiển thị,
đường tín hiệu, . . . Còn về phần cứng, khi học viên chọn Matlab là phần mềm phát
triển sơ đồ, thì phần cứng có thể chọn để thực hiện mã tạo ra từ trong MATLAB
nên học viên đã chọn card DSP F28335 của hãng Texas Instruments [20] vì nó có
khả năng lập trình nhúng. Card DSP có hiệu suất cao, ít tổn hao cơng suất, khơng
phụ hoạt động hệ thống, và rất tương thích với MATLAB và Simulink.
1.1.2. Một số kết quả nghiên cứu trong và ngoài nƣớc.
Trong những năm gần đây, chỉnh lưu đa bậc dạng đã được nghiên cứu và sử
dụng rộng rải trong nước như:
Luận văn thạc sĩ của Bùi Thị Thanh Hiền– Thái nguyên về “ Nghiên cứu hệ
truyền động điện biến tần-động cơ xoay chiều sử dụng biến tần 4 góc phần tư”

HVTH: Trần Quang Linh

Trang 2


GVHD: PGS.TS Nguyễn Văn Nhờ
Luận văn thạc sĩ của Trần Thị Hoàn – Thái nguyên về “Nghiên cứu bộ biến
đổi AC/DC bốn góc phần tư” -
Điều khiển VSC-HVDC - Ứng dụng trong truyền tải điện một chiều Hội An Đảo Cù Lao Chàm. ( Control of VSC-HVDC Aplication of HVDC transmission Hoi
An - Cu Lao Cham island)
Đối với nước ngoài:
Các chiến lược PWM đa bậc đã được đề xuất cho các ứng dụng công suất
cao hoặc các ứng dụng điện áp cao cũng như bù công suất phản kháng . Các bộ
chỉnh lưu đa bậc đã được nghiên cứu để đạt được hệ số công suất ngõ vào cao, giảm

sóng hài dịng điện, giảm tổn thất trên chất bán dẫn, và làm cho độ nhấp nhô điện áp
trên chất bán dẫn công suất thấp để giải quyết các ứng dụng điện áp cao. Qua dữ
liệu trên internet, tạp chí khoa học, cho thấy một số tài liệu có liên quan đến đề tài.
Tạp chí Control Strategy for Three Phase Voltage Source PWM Rectifier
Based on the Space Vector Modulation, Kada HARTANI, Yahia MILOUD Moulay
Tahar University of Saida University of Saida. BP-138 En-nasr Saida – Algeria
kada_hartani tháng 3/2010.
1.2.

Mục đích của đề tài nghiên cứu.
 Nghiên cứu bộ nguồn chỉnh lưu 3 pha điều rộng xung bằng phương pháp
điều khiển công suất trực tiếp.
 Nghiên cứu, xây dựng chương trình và mơ phỏng chương trình cho bộ
nguồn chỉnh lưu dùng phần mềm mơ phỏng matlab.
 Lập trình điều khiển bộ chỉnh lưu AC/DC 3 pha trên dựa vào Card DSP
TMS320F28335.

1.3.

Nhiệm vụ và giới hạn của đề tài.
Đề tài “Điều khiền bộ chỉnh lưu điều rộng xung bằng phương pháp điều

khiển công suất trực tiếp.” đưa ra kết quả mơ phỏng. Từ đó thi cơng mơ hình bộ
nguồn AC/DC 3 pha, đồng thời làm cơ sở áp dụng vào thực tiễn.

HVTH: Trần Quang Linh

Trang 3

GVHD: PGS.TS Nguyễn Văn Nhờ
Nhiệm vụ và giới hạn đề tài nghiên cứu
 Tìm hiểu các mơ hình tốn, các giải thuật được các nhà nghiên cứu công
bố và đã thực thi để vận dụng vào đề tài.
 Nghiên cứu, xây dựng chương trình mơ phỏng cho bộ nguồn AC/DC 3
pha dùng phần mềm mơ phỏng matlab.
 Tìm hiểu trúc phần cứng, tập lệnh của DSP TMS320F28335 để lập trình
nhúng..
 Lập trình điều khiển bộ chỉnh lưu ba pha trên cơ sở DSP TMS320F28335
 Thi công phần cứng bộ chỉnh lưu ba pha
1.4.

Phƣơng pháp nghiên cứu.
Để đáp ứng các mục tiêu đã đề ra, tiến hành nghiên cứu và giải quyết các vấn

đề sau:
 Thu thập, nghiên cứu các tài liệu liên quan về các bộ chỉnh lưu AC/DC
3 pha điều khiển bằng PWM và các giải thuật chỉnh lưu được cơng bố.
 Nghiên cứu và phân tích các phương trình tốn học bộ nguồn AC/DC 3
pha.
 Nghiên cứu và phân tích giải thuật đã chọn.
 Chọn phương án tốt nhất và có khả năng thực hiện đề tài.
 Lập trình mơ phỏng bằng cơng cụ phần mềm matlab.
 Lập trình điều khiển bộ chỉnh lưu trên dựa vào DSP TMS320F28335.
 Nhận xét kết quả - Kết luận.

HVTH: Trần Quang Linh

Trang 4

GVHD: PGS.TS Nguyễn Văn Nhờ

Chƣơng 2
CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA BỘ CHỈNH LƢU BA PHA
2.1 Tổng quan bộ chỉnh lƣu ba pha.
2.1.1 Giới thiệu
Bộ nguồn AC/DC còn gọi là bộ chuyển đổi AC/DC (hay là bộ chỉnh lưu) có
nhiệm vụ chuyển đổi năng lượng từ nguồn điện xoay chiều sang nguồn một chiều
để cung cấp cho tải một chiều. Bộ chuyển đổi AC/DC được sử dụng rộng rãi trong
nhiều ứng dụng đa dạng như: làm nguồn cung cấp cho các vi điều khiển, các thiết
bị điện dân dụng, tăng phô điện tử, nạp pin, điều khiển động cơ một chiều và các bộ
chuyển đổi công suất …
Các bộ chỉnh lưu chuyển mạch tự nhiên (không điều khiển) đơn giản nhất là
dùng các điốt để chuyển đổi năng lượng từ AC sang DC hay sử dụng các thyristor
cho phép điều khiển luồng năng lượng. Đối với các bộ chuyển đổi này thì rất đơn
giản nhưng khuyết điểm chính của các bộ chuyển đổi chuyển mạch tự nhiên này là
hệ số công suất thấp, phát ra các sóng hài và cơng suất phản kháng. Các sóng hài có
ảnh hưởng khơng tốt lên hoạt động của hệ thống điện vì vậy cần phải quan tâm đến
việc phát điện và điều khiển chúng.
Một phương pháp cơ bản và phổ biến để làm giảm các sóng hài ở dịng điện
nguồn vào bộ chuyển đổi (dịng điện lưới) là dùng các kết nối đa xung dựa trên các
biến áp có nhiều cuộn dây, thêm vào đó là dùng các bộ lọc (lọc nguồn) thụ động hay
bộ lọc tích cực nhằm làm giảm sóng hài vào lưới điện.
Bên cạnh đó, dựa trên các khái niệm về khử sóng hài được gọi là điều chỉnh
hệ số cơng suất (PFC) để làm giảm sóng hài. Ở các bộ biến đổi này, điều khiển các
chuyển mạch công suất giống như các IGBT, GTO hoặc IGCT được chứa trong
mạch công suất của mạch chỉnh lưu để thay đổi tích cực dạng sóng của dịng điện
ngõ vào, làm giảm độ méo dạng của sóng dịng điện nguồn, làm giảm các sóng hài
do đó cải thiện được hệ số cơng suất.

HVTH: Trần Quang Linh

Trang 5


GVHD: PGS.TS Nguyễn Văn Nhờ
Tuy nhiên có một số ứng dụng mà ở đó luồng năng lượng có thể bị đảo
ngược trong quá trình hoạt động. Trong các ứng dụng này, bộ chuyển đổi năng
lượng theo một hướng phải có khả năng nhận năng lượng hồi về nguồn cấp và được
biết như sự khôi phục nguồn.
Để điều khiển các chuyển mạch cơng suất và làm giảm độ méo dạng sóng
dịng điện ngõ vào, cải thiện hệ số công suất ta áp dụng phương pháp điều chế độ
rộng xung. Với phương pháp này có được những ưu điểm mà các bộ chỉnh lưu
truyền thống chưa đạt được như:
- Tăng hệ số cơng suất, hệ số cơng suất có thể đạt đến bằng một.
- Giảm sóng hài bậc cao đi vào lưới điện để cải thiện chất lượng điện năng.
- Dạng sóng dịng điện nguồn có dạng sin.
2.1.2 Cấu trúc bộ chỉnh lƣu ba pha
Mạch chỉnh lưu ba pha sử dụng nguồn ba pha có điểm trung tính với sơ đồ
ngun lý (Hình 2.1) như sau:

Hình 2.1: Mạch chỉnh lưu ba pha
Cuộn dây L và điện trở R là hai thành phần của cuộn cảm tăng cường lọc
nguồn.
Mạch gồm sáu khóa K được điều khiển độc lập. Mỗi khóa K gồm IGBT và
diode mắc song song để dẫn điện hai chiều.
Tụ C được dùng để lọc phẳng điện áp ra.
Tải RL được gắn vào tụ.

HVTH: Trần Quang Linh

Trang 6


GVHD: PGS.TS Nguyễn Văn Nhờ
2.2 Nguyên lý làm việc:
Đầu vào biến tần (trong mạch nguồn cung cấp xoay chiều) có lắp thêm cuộn
cảm L đảm bảo công suất trao đổi hai chiều giữa lưới và tải, dòng điện chỉnh lưu I
phải thay đổi được dấu. Ta gọi I có dấu “+”khi nó có chiều hướng về tải và ngược
lại có dấu “-” khi chiều của nó hướng về lưới. Vì dấu điện áp một chiều là cố định
nên công suất có thể thay đổi hai chiều từ lưới về tải P = U.I > 0 và từ tải về lưới P =
U.I < 0. Để thực hiện được nguyên lý làm việc trên biến tần cần có điều kiện:
Bắt buộc phải có điện cảm đầu vào.
Giá trị điện áp một chiều Udc không đổi và phải lớn hơn giá trị điện áp chỉnh
lưu tự nhiên từ lưới.
Quy luật điều khiển: khơng đóng hai khóa trên cùng một pha để tránh ngắn
mạch ngõ ra.
Do khóa đóng cắt hai chiều Tranzitor và điôt ngược kết hợp với tụ điện C và
các điện cảm nguồn L hình thành mạch vịng dao động cộng hưởng LC tạo nên điện
áp một chiều Udc. Để giải thích nguyên lý làm việc chỉnh lưu PWM ta dùng sơ đồ
thay thế đồ thị vector như trên.
U3 (010)

Im

U2 (110)

U4 (011)
U1 (100)

U5 (001)

U6 (101)

Hình 2.2: Sáu vector điện áp cơ bản

HVTH: Trần Quang Linh

Trang 7


GVHD: PGS.TS Nguyễn Văn Nhờ
Đồ thị 6 vector điện áp cơ bản khi điều khiển sự chuyển mạch các khoá bán
dẫn Sa, Sb, Sc. Để thực hiện dòng điện đầu vào có dạng hình sin người ta dùng
phương pháp biến điệu vector không gian theo như nghịch lưu (SVPWM). Khi xem
ba cặp IGBT như là ba khóa bán dẫn cho ba pha Sa Sb Sc. Mỗi khóa có hai trạng thái
đóng “1” và cắt “0” tạo ra sáu vector điện áp tác dụng là U1 (100), U2(110), U3(010)
, U4 (101), U5 (001), U6 (101) và hai trạng thái không là U0(000) và U7 (111).
Vị trí

U0

U1

U2

U3

U4

U5

U6

U7

Sa

0

1

1

0

0

0

1

1

Sb

0

0

1

1

1

0

0

1

Sc

0

0

0

0

1

1

1

1

Bảng 2.1: Bảng trạng thái kích dẫn IGBT theo vector không gian

Bộ chỉnh lưu ba pha dùng phương pháp PWM có được những ưu điểm và
nhược điểm mà các bộ chỉnh lưu truyền thống chưa đạt được như:
Ưu điểm:
 Điều chỉnh được giá trị điện áp DC ngõ ra.
 Giảm sóng hài bậc cao (THD %) đi vào lưới điện để cải thiện chất lượng
điện năng.
 Tăng hệ số công suất (PF), hệ số công suất có thể đạt đến bằng 1.
Nhược điểm:
 Điều khiển phức tạp.
 Gây nhiễu (EMI) do đóng ngắt tần số lớn.
 Đắt tiền.

HVTH: Trần Quang Linh

Trang 8


GVHD: PGS.TS Nguyễn Văn Nhờ
2.3 Phạm vi và giới hạn tham số của chỉnh lƣu PWM.
2.3.1. Giới hạn cực tiểu của điện áp một chiều.

Udac

2U d ( rms )

(15 ÷ 20 %)
Uchinh luu

U dc min  2U d ( rms)  2. 3U f ( rms)

Thông thường chọn điện áp một chiều tốt nhất ở giá trị
Udc = 2U d ( rms ) +(15 ÷ 20 %) 2U d ( rms )

(2.1)
(2.2)

2.3.2. Giới hạn giá trị điện áp trên điện cảm.
Giả định rằng các chuyển mạch là lí tưởng, cơng suất hiệu dụng ở ngõ vào và
ngõ ra có thể được xem bằng nhau trong một chu kỳ khi tổn thất cơng suất và sóng
hài bậc cao được bỏ qua. Vì vậy: Pin

= Pout .

3
2

(2.3)

U dc2
Rload

(2.4)

Cơng suất hiệu dụng ở ngõ vào: Pin= id Em
Công suất hiệu dụng ở ngõ ra : Pout 
Với

Em :là giá trị đỉnh của điện áp ngõ vào (V).
id :là giá trị đỉnh của dòng điện ngõ vào (A).
Udc :là điện áp ngõ ra (thành phần DC) (V).
Từ (2.3); (2.4) ta được :
id 

2
2 U dc2
Pout 
3Em
3Em Rload

(2.5)

Từ quyển sách [9] (chương 11_trang 434) định nghĩa điện áp kết nối DC tối
thiểu để thực hiện tính tốn giá trị cuộn kháng L. Theo đó điện áp kết nối DC được
định nghĩa:

2
U dc  3  Em2   Lid  



(2.6)

với
 = 2.π.f và f = 50Hz
Phương trình 2.6 chỉ ra quan hệ giữa điện áp nguồn, điện áp một chiều, dòng
điện tải và giá trị điện cảm. Từ đó xác định được giá trị điện cảm cực đại.
U dc2  Em2

3
L
id

HVTH: Trần Quang Linh

(2.7)

Trang 9


GVHD: PGS.TS Nguyễn Văn Nhờ

Chƣơng 3
ĐIỀU KHIỂN BỘ CHỈNH LƢU ĐIỀU RỘNG XUNG
PWM BẰNG PHƢƠNG PHÁP TRỰC TIẾP CÔNG
SUẤT(DPC)
3.1 Các phƣơng pháp điều khiển chỉnh lƣu PWM.
Cấu trúc điều khiển chỉnh lưu PWM về cơ bản thì có cùng một mục đích
chung nhưng lại dựa trên các nguyên tắc khác nhau. Chúng được phân loại dựa trên
hai nguyên tắc: Điều khiển dựa trên điện áp và điều khiển dựa trên từ thông ảo. Điều
khiển dựa trên điện áp là ước lượng điện áp lưới và sẽ điều khiển bằng dòng điện
hay công suất. Điện áp lưới nếu điều khiển bằng dịng điện thì gọi là phương pháp
VOC (Voltage Oriented Control), cịn theo cơng suất thì gọi là DPC (Direct Power
Control).
Các phƣơng pháp điều khiển chỉnh lƣu PWM

Điều khiển theo véc tơ
Điện áp

VOC

DPC

Điều khiển theo véc tơ
từ thơng ảo

VFOC

VF-DPC

Hình 3.1: Các phương pháp điều khiển chỉnh lưu PWM
Điều khiển dựa trên từ thông ảo là phương pháp điều khiển cần phải ước
lượng từ thông ảo của lưới điện và áp dụng phương pháp điều khiển từ thông stator
của động cơ không đồng bộ cho lưới điện. Nếu điều khiển bằng mạch vịng dịng
điện thì gọi là phương pháp VFOC (Voltage Flux Oriented Control), còn khi điều

HVTH: Trần Quang Linh

Trang 10


GVHD: PGS.TS Nguyễn Văn Nhờ
khiển dựa theo cơng suất thì gọi là phương pháp VF-DPC.Các cấu trúc điều khiển
chỉnh lưu PWM được minh họa trên hình 3.1.
3.1.1 Cấu trúc điều khiển chỉnh lƣu PWM định hƣớng theo vector điện
áp dựa vào dòng điện (VOC).
Đặc điểm của phương pháp điều khiển dựa vào dịng điện là xử lý tín hiệu
trên hai hệ toạ độ là hệ toạ độ cố định α -β và hệ toạ độ quay d - q. Các giá trị dòng
điện đo được trong hệ ba pha được biến đổi sang hệ toạ độ cố định α -β sau đó được

biến đổi sang hệ toạ độ d - q. Cấu trúc điều khiển chỉnh lưu PWM theo VOC được
trình bày trên hình vẽ 3.2 .

Hình 3.2: Cấu trúc điều khiển chỉnh lưu PWM theo VOC
Cấu trúc các mạch vịng điều khiển chỉnh lưu PWM được trình bày , trong
đó lượng đặt dịng i*q = 0 và đại lượng đặt dòng i*d lấy ra từ bộ điều chỉnh điện áp
một chiều. Khi điều khiển vector dòng điện IL trùng với trục d thì ILd = IL và ILq = 0.
Do dòng điện id và iq được ước lượng từ ia, ib qua khâu biến đổi tọa độ a, b, c => αβ=> d - q.

HVTH: Trần Quang Linh

Trang 11


GVHD: PGS.TS Nguyễn Văn Nhờ
3.1.2 Cấu trúc điều khiển chỉnh lƣu PWM theo VFOC.
Cấu trúc điều khiển chỉnh lưu PWM theo VFOC có sự khác biệt so với VOC,
trục d ở đây được chọn trùng với vector L do vậy vector điện áp UL sẽ trùng với
trục q, vector dòng điện IL trùng với vector UL nên ILd=0 và ILd=IL. Do vậy mạch
vịng điều chỉnh theo VFOC sẽ có lượng đặt i*Ld = 0 và i*Lq lấy từ đầu ra bộ điều
chỉnh điện áp một chiều.

Hình 3.3: Cấu trúc các mạch vòng điều khiển chỉnh lưu PWM theo VFOC
3.1.3 Cấu trúc điều khiển chỉnh lƣu PWM theo phƣơng pháp trực tiếp
công suất (DPC)
Phương pháp điều khiển trực tiếp công suất PDC cho chỉnh lưu PWM được
phát triển từ ý tưởng điều khiển trực tiếp mô men (DTC) của truyền động động cơ
khơng đồng bộ.Trong đó hai đại lượng của DTC là mô men và từ thông được thay
bằng công suất P và Q . Ở đây, chọn lượng đặt công suất phản kháng Qref = 0 tức là
cos = 1. Lượng đặt công suất tác dụng Pref được lấy từ đầu ra bộ điều chỉnh điện áp

HVTH: Trần Quang Linh

Trang 12


GVHD: PGS.TS Nguyễn Văn Nhờ
một chiều nhân với lượng đặt điện áp một chiều Udc. Hai bộ điều chỉnh công suất
được thiết kế dạng khâu đóng cắt có đặc tính từ trễ (đặc tính rơle) :
Ea

R

L

R

L

R

L

ia
PWM

Eb

TẢI

ib
Udc

Ec

ic

0

Sb

Sa
Đo điện áp Ea,Eb,Ec và dịng điện ia,ib,ic
đánh giá cơng suất tức thời P,Q và chọn
sector n

Udc

BẢNG CHUYỂN
MẠCH

Sq

n

Ptt

Sc

Udc

ref

Sp

Qtt
PI
Chọn sector

Iref

Qtt

Udc
Qref

Pref

Ptt

Pref

Hình 3.4: Cấu trúc điều khiển chỉnh lưu PWM theo DPC
3.1.4 Cấu trúc điều khiển chỉnh lƣu PWM theo VF-DPC
Phương pháp điều khiển chỉnh lưu PWM theo VF-DPC giống như phương
pháp điều khiển trực tiếp công suất PDC cho chỉnh lưu PWM chỉ khác khâu chọn
sector n ta dựa vào từ thơng đưa vào bảng đóng cắt tương tự như DTC

  L  arctg

 L

 L

Hình 3.5: Cấu trúc điều khiển chỉnh lưu PWM theo VF-DPC

HVTH: Trần Quang Linh

Trang 13


GVHD: PGS.TS Nguyễn Văn Nhờ
3.2 Bộ chỉnh lƣu điều rộng xung PWM bằng phƣơng pháp điều khiển
công suất trực tiếp DPC.
Khối
nguồn ba pha

Khối
trở kháng nguồn
Khối
bộ chỉnh lƣu PWM

Ea

R

L

Khối
tải

ia

PWM

Eb

R

L

TẢI

ib
Udc

Ec

R

ic

L

0

Sb

Sa

Sc
Udc

Khối
xung kích

Đo điện áp Ea,Eb,Ec và dịng điện ia,ib,ic đánh
giá cơng suất tức thời p,q và chọn sector n
Khối
ƣớc lƣợng công suất

Ud

n

Sq
Ptt

Sp

Qtt

PI

Khối
chọn sector n

Khối
bộ điều
khiển đặc
tính trể

Qtt

Qd=0

Id

Khối
bộ điều
chỉnh áp
DC

Udc

Pd

Ptt

Pd

Hình 3.6: Cấu trúc điều khiển chỉnh lưu PWM theo DPC
Khối nguồn ba pha : Khối nguồn AC cung cấp 3 điện áp cho khối công suất
thông qua khối lọc ngõ vào.
Khối trở kháng nguồn : Gồm cuộn kháng, điện trở, khối ngăn không cho
ngắn mạch ngõ vào và cũng là khối tăng cường

HVTH: Trần Quang Linh

Trang 14


GVHD: PGS.TS Nguyễn Văn Nhờ

Khối ƣớc lƣợng công suất: Đánh giá công suất tức thời
Khối chọn sector n: Lựa chọn phân vùng vector.
Khối bộ điều khiển đặc tính trể
Khối xung kích: Bảng chuyển mạch.
Khối bộ chỉnh lƣu PWM: Khối IGBT
Khối bộ điều chỉnh áp DC: PI
Khối tải
3.3 Mơ hình tốn học bộ chỉnh lƣu PWM điều khiển trực tiếp công suất
3.3.1 Khối công suất
a. Khối nguồn ba pha
Khối nguồn AC cung cấp 3 điện áp cho khối công suất thông qua khối lọc
ngõ vào.
Phương trình điện áp ba pha nguồn ta có:

ea =Emsin(t )

2

eb = Em sin(t -  )
3

4

ec = Em sin(t -  )

3


(3.1)

b. Khối trở kháng nguồn
Gồm cuộn kháng, điện trở, khối này ngăn không cho ngắn mạch ngõ vào và
cũng là khối tăng cường.
c. Khối bộ chỉnh lƣu PWM :
Gồm 6 IGBT hay 12 IGBT mắc kiểu cầu 3 pha. Khối công suất sẽ chỉnh lưu
nguồn năng lượng điện AC ngõ vào và cho ra nguồn năng lượng DC ở ngõ ra cấp
cho tải.
3.3.2 Chiến lƣợc điều khiển
Chiến lược điều khiển của bộ chỉnh lưu được thực hiện như hình 3.7

HVTH: Trần Quang Linh

Trang 15


GVHD: PGS.TS Nguyễn Văn Nhờ
*
U dc

220
PI

U dc

I*

p*

p

ptt

U dc

Sp

ptt

ea , eb , ec

Khối
ƣớc lƣợng
cơng suất

ia , ib , ic

q*=0

q

Sq

Sa
S pa
Khối xung
kích

Sb
S pb

qtt

n

n

Sc
S pc

Hình 3.7: Sơ đồ điều khiển bộ chỉnh lưu ba pha theo công suất trực tiếp
Giá trị đỉnh của dịng điện u cầu (I*) có được bằng cách so sánh giá trị của
điện áp yêu cầu (U*dc) với giá trị của điện áp trên tụ lọc C (Udc) để có một giá trị sai
số đưa qua khối hiệu chỉnh áp PI. Kế tiếp nhân dòng điện yêu cầu (I*) với điện áp
trên tụ lọc C (Udc) ta được công suất tác dụng yêu cầu (p*).Để có được hệ số công
suất bằng một ta đặt công suất phản kháng yêu cầu q*=0. Giá trị cơng suất tác dụng
tính tốn(ptt), cơng suất phản kháng tính tốn(qtt) và phân vùng sector (  n ) có được
từ ba điện áp nguồn và ba dịng điện nguồn thơng qua khối ước lượng cơng suất.
Sau đó đem cơng suất tác dụng u cầu (p*), công suất phản kháng yêu cầu (q*=0)
so sánh với công suất tác dụng tính tốn(ptt), cơng suất phản kháng tính tốn(qtt) có
một giá trị sai số đưa vào khối điều khiển đặc tính trễ để xác định trong từng sector
(  n ) cần tăng hay giảm công suất tác dụng, cơng suất phản kháng.Sau đó, đưa vào
khối xung kích điều khiển khối công suất (IGBT) sao cho công suất tác dụng tính
tốn (ptt), cơng suất phản kháng tính tốn(qtt) bám theo công suất tác dụng yêu cầu
(p*), công suất phản kháng yêu cầu (q*=0).
a. Khối ƣớc lƣợng công suất:
Khối ước lượng công suất là một phần quan trọng của hệ thống. Mục đích là
xác định cơng suất tính tốn để so sánh với công suất đặt để đưa ra điều khiển hợp

HVTH: Trần Quang Linh

Trang 16


GVHD: PGS.TS Nguyễn Văn Nhờ
lý. Công suất tác dụng và cơng suất phản kháng của chỉnh lưu PWM được tính
trên tọa độ a, b, c là:

Stt =Ptt +Qtt

(3.2)

Ptt =Re U , I * =eaia  ebib  ecic



(3.3)

Qtt  I m U , I * 

(3.4)



1
((ea -eb )  ic +(eb -ec )  ia +(ec -ea )  ib )
3

b. Khối chọn sector n:
Lựa chọn phân vùng vector.Việc phân vùng cho vị trí vector điện áp có thể
chọn 6 hoặc 12 vùng.

β

4

U3

3

6

α

5


6

2

5

β

4

U2

3

7

2

α

U4

8

1

1

9
U5

 10

 11

U1

 12
U6

Hình 3.8: Phân vùng vector cho phương pháp điều khiển DPC
Với sự phân vùng là 6 hoặc 12 khi giá trị tức thời giá trị công suất thay đổi sẽ
hạn chế số vector sử dụng. Điều này gây ra dao động đập mạch công suất, ảnh
hưởng xấu đến chất lượng điều khiển. Để cải thiện, có thể thay đổi số mức trong bộ
điều khiển đóng cắt . Vị trí sector  n=arctg(uα/uβ) ta được hình 3.8

Có thể mơ tả bằng biểu thức tốn học cho phân vùng vector:
(2n  3)



(2n  2)

6


6

  n  (2n  1)
  n  (n  1)

HVTH: Trần Quang Linh


6


6

n=1,2,….6

(3.5)

n=1,2….12

(3.6)

Trang 17


GVHD: PGS.TS Nguyễn Văn Nhờ

Hình 3.9: Các sector (  n )
A

B

C

n

Max

Min

Mid<0

1

Max

Mid<0

Min

2

Max

Mid>0

Min

3

Mid>0

Max

Min

4

Mid<0

Max

Min

5

Min

Max

Mid<0

6

Min

Max

Mid>0

7

Min

Mid>0

Max

8

Min

Mid<0

Max

9

Mid<0

Min

Max

10

Mid>0

Min

Max

11

Max

Min

Mid>0

12

Bảng 3.1: Lựa chọn phân vùng sector
c. Khối bộ điều khiển đặc tính trễ

Ngun lý điều khiển: Theo hình 3.10 ta đã xác định được công suất yêu cầu
P* , công suất yêu cầu P* được so sánh với tín hiệu cơng suất tính tốn Ptt , khi cơng

suất tính tốn Ptt nhỏ hơn cơng suất u cầu P* thì bộ điều khiển xuất xung kích để

HVTH: Trần Quang Linh

Trang 18