Dieu khien dong_co_dung_bien_tan_abb

ĐỒ ÁN:

ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ DÙNG BIẾN TẦN ABB ACS 150

MỤC LỤC
Trang
LỜI MỞ ĐẦU.........................................................................................................................4
LỜI CẢM ƠN.........................................................................................................................5
Nhận xét của giáo viên hướng dẫn.........................................................................................6
Nhận xét của giáo viên phản biện...........................................................................................7
CHƯƠNG
1
LÝ THUYẾT LIÊN QUAN...................................................................................................8
I. Giới thiệu lịch sử biến tần...............................................................................................8
1. Lịch sử phát triển các linh kiện bán dẫn công suất.....................................................8
2. Lịch sử ra đời của biến tần trong công nghiệp............................................................8
3. Tầm quan trọng của biến tần trong công nghiệp........................................................8
3.1. Luận chứng kinh tế...............................................................................................9
3.2. Tính hữu dụng của biến tần trong các ứng dụng bơm và quạt.............................9
4. Phân loại biến tần........................................................................................................9
5. Vai trò biến tần đa bậc.............................................................................................10
II. Biến tần trực tiếp..........................................................................................................10
1. Giới thiệu..................................................................................................................10
2 Phân loại biến tần.......................................................................................................11
2.1.Biến tần trực tiếp một pha ..................................................................................11
2.2. Biến tần trực tiếp ba pha. ...................................................................................13
2.3. Biến tần trực tiếp một pha vào một pha ra(SISO). ............................................15
2.4. Biến tần trực tiếp ba pha vào một pha ra (TISO)...............................................16
2.5. Biến tần đường bao ( Matrix cyclyconverter) ..................................................18
III. Bộ nghịch lưu.............................................................................................................19
1.Giới thiệu chung........................................................................................................19
2. Các bộ nghịch lưu nguồn áp một pha......................................................................20
2.1. Bộ nghịch lưu nguồn áp một pha bán cầu..........................................................20
2.2. Bộ nghịch lưu nguồn áp toàn cầu (Full-Bridge VSI).........................................26
3. Các bộ nghịch lưu nguồn áp 3 pha (Three-Phase Voltage Source Inverters) ..........31
3.1.Kỹ thuật điều chế độ rộng xung sóng sin ...........................................................32
3.2. Hoạt động sóng vuông của các bộ nghịch lưu áp 3 pha(Square - Wave
Operation…)..............................................................................................................33
3.3.Sự loại trừ hài có chọn lọc trong các bộ nghịch lưu áp 3 pha.............................34
3.4..Các kỹ thuật điều chế vector không gian cơ bản (Space-Vector-based
Modulating Techniques)............................................................................................35
5. Các điện áp pha của tải trong các bộ nghịch lưu áp 3 pha. ......................................39
5.1 Các bộ nghịch lưu nguồn dòng (CSI: Current Source Inverters)........................41
5.2. Các kỹ thuật điều chế độ rộng xung sóng mang cơ bản trong các bộ nghịch lưu
nguồn dòng. ..............................................................................................................42
IV. Biến tần đa bậc...........................................................................................................45
1.Giới thiệu về biến tần đa bậc.....................................................................................45
1.1 .Khái niệm...........................................................................................................45
1.2. Neutural point clamped inverter NPC................................................................47
2. Cấu trúc biến tần đa bậc ( bộ nghịch lưu đa bậc)......................................................48
2.1 Cascade Multilevel Inverter.................................................................................49
2.2. Capacitor Clamped Multilevel Inverter..............................................................50
2.3. Cấu trúc phối hợp...............................................................................................51
3. So sánh về các dạng nghịch lưu đa bậc.....................................................................51
3.1 Phương pháp Sin PWM (Ứng dụng ở tần số khá cao f < 9500Hz)....................52
LỚP ĐHĐT1B

GVHD: ThS. TRẦN VĂN TRINH

Trang 1

ĐỒ ÁN:


3.2. Switching frequency optimal PWM method( SFO PWM)................................53
3.3. Phương pháp vector không gian.........................................................................54
3.4 Giản đồ vector điện áp bộ biến tần ba bậc...........................................................55
3.5. Giản đồ vector điện áp bộ nghịch lưu năm bậc..................................................59
V. Ứng dụng biến tần đa bậc............................................................................................61
1. Giới thiệu..................................................................................................................61
2. Đặc tính cơ của các động cơ điện.............................................................................61
2.1. Động cơ điện một chiều kích từ độc lập (song song).........................................61
2.2. Động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp............................................................62
2.3. Động cơ điện ba pha xoay chiều không đồng bộ (KĐB) ..................................63
3. Điều chỉnh tốc độ động cơ điện xoay chiều ba pha KĐB sử dụng biến tần. ...........65
3. 1 Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện trở phụ trong mạch rôto..................65
3.2 Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện áp đặt vào mạch stato......................66
3.3 Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi tần số của nguồn xoay chiều...................66
3.4 Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi số đôi cực của động cơ............................67
VI. Giới thiệu biến tần ACS 150......................................................................................67
1. Nguồn cung cấp........................................................................................................67
2.Cấu trúc tổng quan của biến tần ABB.......................................................................67
3.Chi tiết về sơ đồ kết nối in/ out của biến tần ABB ACS 150....................................68
4.Cách kết nối nên tránh ở ngõ ra của biến tần ............................................................69
5.Sơ đồ kết nối IN/OUT ...............................................................................................70
6.Chức năng từng phím trên mặt máy..........................................................................70
7 .MENU chính ............................................................................................................71
8.Cách cài đặt và hoạt động của chế độ “ SHORT PARAMETER MODE “.............72
9. Cách cài đặt và hoạt động của chế độ “ LONG PARAMETER MODE “ : ...........73
10.Một số sơ đồ kết nối dây IN/ OUT ABB khuyên dùng (macro)..............................73
10.1. ABB Standard macro........................................................................................73
10.2. 3 wire macro.....................................................................................................74
10.3.Alternate Macro.................................................................................................75
10.4. Motor potentiometer macro..............................................................................75
11. Tín hiệu điều khiển kết nối từ bên ngoài................................................................76
12. Điều khiển...............................................................................................................77
12.1 . Điều khiển bằng tay với sự hổ trợ màn hình và bàn phím...............................77
12.2. Điều khiển bằng các thiết bị ngoại vi bên ngoài: ( WIN CC + PLC + MODUL
EM 235 )....................................................................................................................77
VII. EM235.......................................................................................................................77
VIII. PLC..........................................................................................................................80
1. Giới thiệu PLC S7-200.............................................................................................80
2. Sơ đồ khối cấu tạo của PLC......................................................................................80
3. Ứng dụng xuất sung tốc độ cao................................................................................80
3.1. Điều rộng xung 50% (PTO) ..............................................................................80
3.2. Điều rộng xung theo tỉ lệ (PWM).......................................................................81
4. Đọc xung tốc độ cao (High Speed Counter - HSC)..................................................81
IX. WINCC.......................................................................................................................85
1. Giới thiệu WinCC (Windows Control Center).........................................................85
2. Khởi động WinCC....................................................................................................85
3. Tạo một Project mới.................................................................................................85
4. Cài đặt Driver kết nối PLC.......................................................................................85
5. Tạo các biến..............................................................................................................86
5.1 Biến nội................................................................................................................86
5.2. Biến ngoại: Sử dụng PC Access .......................................................................87
LỚP ĐHĐT1B


Trang 2

ĐỒ ÁN:


6. Tạo và soạn thảo một giao diện người dùng.............................................................90
7. Cài đặt thông số cho winCC Runtime......................................................................90
CHƯƠNG
2
THỰC HIỆN ĐỒ ÁN...........................................................................................................92
I. Lưu đồ giải thuật chương trình điều khiển motor.........................................................92
II. Điều khiển bằng tay.....................................................................................................92
III. Điều khiển bằng WIN CC + PLC _ MODUL E235...................................................93
1.Cài đặt thông số.........................................................................................................93
2. Chương trinh điều khiển PLC + WICC...................................................................93
2.1 Chương trình PLC...............................................................................................93
2.2 Tạo Item trong PC Access...................................................................................98
2.3.Giao diện WINCC:..............................................................................................99
CHƯƠNG
3
ĐÁNH GIÁ – KẾT LUẬN.................................................................................................101
TÀI LIỆU THAM KHẢO..................................................................................................102

LỚP ĐHĐT1B


Trang 3

ĐỒ ÁN:


LỜI MỞ ĐẦU
Với sự phát triển không ngừng của khoa học kỹ thuật, đặc biệt là ngành điện tử đã
được ứng dụng rất nhiều trong công nghiệp. Trong lĩnh vực điều khiển được áp dụng nhiều
trong sản xuất công nghiệp không thể thiếu các dây chuyền tự động hóa để vận hành các hệ
thống phức tạp trong nhà máy. Chính vì vậy để hiểu rõ hơn về các dây chuyền tự động đó
thì trong đồ án hai này chúng tôi tìm hiểu một ứng dụng của ngành điện tử đặt biệt là lĩnh
vực tự động hóa nhằm mục đích mô phỏng các hệ thống đó dưới những linh kiện mà mình
đã được học. Cụ thể là trong đồ án này chúng tôi sẽ khảo sát và điều khiển tốc độ động cơ
thông qua biến tần ACS150 kết hợp với PLC- S7200 và khối mở rộng EM 235.
Đề tài “Điều Khiển Tốc Độ Động Cơ Dùng Biến Tần ACS 150” có nhiều
loại hình khác nhau dựa vào công dụng và độ phức tạp của hệ thống. Do tài liệu tham khảo
còn hạn chế, trình độ của chúng tôi có hạn và kinh nghiệm trong thực tế còn non kém, nên
đề tài chắc chắn còn nhiều thiếu sót. Vì vậy rất mong nhận được những ý kiến đóng góp,
giúp đỡ chân thành của các thầy cô cũng như của các bạn sinh viên.

LỚP ĐHĐT1B


Trang 4

ĐỒ ÁN:


LỜI CẢM ƠN
Để hoàn thành đề tài này chúng em đã được sự chỉ bảo tận tình của thầy giáo hướng
dẫn và sự giúp đỡ của các bạn trong lớp. Nhân đây chúng em xin trân trọng cảm ơn thầy
Trần Văn Trinh đã trực tiếp hướng dẫn chúng em trong đồ án này, cùng các thầy cô trong
khoa và các bạn.Chúng em cũng xin cảm ơn nhà trường và gia đình đã tạo mọi điều kiện
cho em có thể hoàn thành đề tài này.
Sinh viên
Nguyễn Hữu Dũng
Đặng Minh Hữu
Lê Anh Trường
Nguyễn Trí Nhân
Trương Quang Tường

LỚP ĐHĐT1B


Trang 5

ĐỒ ÁN:


Nhận xét của giáo viên hướng dẫn
.....................................................................................................................................
.....................................................................................................................................
.....................................................................................................................................
.....................................................................................................................................
.....................................................................................................................................
.....................................................................................................................................
.....................................................................................................................................
.....................................................................................................................................
.....................................................................................................................................
.....................................................................................................................................
.....................................................................................................................................
.....................................................................................................................................
.....................................................................................................................................
.....................................................................................................................................
.....................................................................................................................................
.....................................................................................................................................
.....................................................................................................................................
.....................................................................................................................................
.....................................................................................................................................
.....................................................................................................................................
.....................................................................................................................................
.....................................................................................................................................
.....................................................................................................................................
.....................................................................................................................................
.....................................................................................................................................
.....................................................................................................................................
.....................................................................................................................................

LỚP ĐHĐT1B


Trang 6

ĐỒ ÁN:


Nhận xét của giáo viên phản biện
.....................................................................................................................................
.....................................................................................................................................
.....................................................................................................................................
.....................................................................................................................................
.....................................................................................................................................
.....................................................................................................................................
.....................................................................................................................................
.....................................................................................................................................
.....................................................................................................................................
.....................................................................................................................................
.....................................................................................................................................
.....................................................................................................................................
.....................................................................................................................................
.....................................................................................................................................
.....................................................................................................................................
.....................................................................................................................................
.....................................................................................................................................
.....................................................................................................................................
.....................................................................................................................................
.....................................................................................................................................
.....................................................................................................................................
.....................................................................................................................................
.....................................................................................................................................
.....................................................................................................................................
.....................................................................................................................................
.....................................................................................................................................
.....................................................................................................................................

LỚP ĐHĐT1B


Trang 7

ĐỒ ÁN:


CHƯƠNG 1
LÝ THUYẾT LIÊN QUAN
I. Giới thiệu lịch sử biến tần
1. Lịch sử phát triển các linh kiện bán dẫn công suất.
Sự phát triển của truyền động điện đã thúc đẩy cho sự phát triển của ngành điện tử
công nghiệp. Tuy nhiên những ứng dụng của nó còn nhiều hạn chế vì thiếu linh kiện điện
tử công suất có hiệu suất cao, kích thước nhỏ, tần số hoạt động lớn và đặc biệt có độ tin cậy
cao. Các đèn điện tử chân không, và đèn cơ khí không đáp ứng được những đòi hỏi khắt
khe của điện tử công nghiệp. Điều đó đã thúc đẩy các nhà khoa học nghiên cứu để phát
minh ra các linh kiện mới. Và mãi đến năm 1948, với sự ra đời của Transistor do Bardeen,
Brattain và Schockley, tại phòng thí nghiệm Bell Telephone, giải thưởng Nobel năm 1956,
đã đánh dấu bước phát triển cách mạng trong kĩ thuật điện tử. Từ đó ngành điện tử phát
triển mạnh mẽ theo hai hướng là kĩ thuật điện tử tín hiệu và điện tử công suất. Trong đó
ngành kĩ thuật điện tử tín hiệu chủ yếu là xử lí các tín hiệu qua khuếch đại, điều chế tần số
cao, tín hiệu vào được mạch và linh kiện điện tử xử lí cho tín hiệu ra biến đổi về độ lớn,
dạng sóng và tần số. Nguồn chỉ có tác dụng nuôi linh kiện điện tử. Còn đối với ngành điện
tử công suất thì chủ yếu nghiên cứu về chuyển mạch đóng cắt dòng điện lớn, điện áp cao
để thay đổi độ lớn, dạng sóng, tần số dòng công suất.
Dưới đây là bảng tóm tắt về thời gian ra đời cũng như các chỉ số ứng dụng của các linh
kiện.
Linh kiện

Năm xuất
hiện

Điện áp Dòng điện Tần số định Công suất
định mức định mức
mức
định mức

Điện áp rơi
thuận

Tiristo(SCR)

1957

6 kV

3,5kA

500Hz

100MW

1.5±2.5V

Triac

1958

1kV

100A

500 Hz

100kW

1.5±2V

GTO

1962

4,5 kV

3kA

2 KHz

10MW

3±4V

BJT

1960

1,2 kV

800A

10 Hz

1MW

1.5±3V

MOSFET

1976

500V

50A

1 MHz

100KW

3±4V

IGBT

1983

1,2kV

400A

20 KHz

100KW

3±4V

SIT

1976

1,2kV

300A

100KHz

10KW

2±4V

MCT

1988

3kV

3kA

20±100KHz 10MW

1±2V

2. Lịch sử ra đời của biến tần trong công nghiệp
Năm 1986, AIE phát minh ra bộ điều khiển tốc độ động cơ một chiều.
Năm 1962, Bộ điều khiển tốc độ đầu tiên có tính xu hướng thương mại xuất hiện trên
thị trường.

3. Tầm quan trọng của biến tần trong công nghiệp
Với sự phát triển như vũ bão về chủng loại và số lượng của các bộ biến tần, ngày càng
có nhiều thiết bị điện – điện tử sử dụng các bộ biến tần, trong đó một bộ phận đáng kể sử
dụng biến tần phải kể đến chính là bộ biến tần điều khiển tốc độ động cơ điện.
LỚP ĐHĐT1B


Trang 8

ĐỒ ÁN:


Trong thực tế có rất nhiều hoạt động trong công nghiệp có liên quan đến tốc độ động
cơ điện. Đôi lúc có thể xem sự ổn định của tốc độ động cơ mang yếu tố sống còn của chất
lượng sản phẩm, sự ổn định của hệ thống … ví dụ: máy ép nhựa làm đế giầy, cán thép, hệ
thống tự động pha trộn nguyên liệu, máy ly tâm định hình khi đúc … Vì thế, việc điều
khiển và ổn định tốc độ động cơ được xem như vấn đề chính yếu của các hệ thống điều
khiển trong công nghiệp.
Điều chỉnh tốc độ động cơ là dùng các biện pháp nhân tạo để thay đổi các thông số
nguồn như điện áp hay các thông số mạch như điện trở phụ, thay đổi từ thông … Từ đó tạo
ra các đặc tính cơ mới để có những tốc độ làm việc mới phù hợp với yêu cầu của phụ tải
cơ. Có hai phương pháp để điều chỉnh tốc độ động cơ:
• Biến đổi các thông số của bộ phận cơ khí tức là biến đổi tỷ số truyền chuyển tiếp từ
trục động cơ đến cơ cấu máy sản xuất.
• Biến đổi tốc độ góc của động cơ điện. Phương pháp này làm giảm tính phức tạp của
cơ cấu và cải thiện được đặc tính điều chỉnh, đặc biệt linh hoạt khi ứng dụng các hệ thống
điều khiển bằng điện tử. Vì vậy, bộ biến tần được sử dụng để điều khiển tốc độ động cơ
theo phương pháp này.
3.1. Luận chứng kinh tế
• Chiếm 30% thị trường biến tần là các bộ điều khiển moment.
• Trong các bộ điều khiển moment đông cơ chiếm 55% là các ứng dụng quạt gió,
trong đó phần lớn là các hệ thống HAVC (điều hòa không khí trung tâm), chiếm 45% là
các ứng dụng bơm, chủ yếu là trong công nghiệp nặng.
• Nâng cấp cải tạo các hệ thống bơm và quạt từ hệ điều khiển tốc độ không đổi lên hệ
tốc độ có thể điều chỉnh được trong công nghiệp với lợi nhuận to lớn thu về từ việc tiết
giảm nhiên liệu điện năng tiêu thụ.
3.2. Tính hữu dụng của biến tần trong các ứng dụng bơm và quạt
• Điều chỉnh lưu lượng tương ứng với điều chỉnh tốc độ Bơm và Quạt.
• Điều chỉnh áp suất tương ứng với điều chỉnh góc mở của van.
• Giảm tiếng ồn công nghiệp.
• Năng lượng sử dụng tỉ lệ thuận với lũy thừa bậc ba của tốc độ động cơ.
• Giúp tiết kiệm điện năng tối đa.
Như tên gọi, bộ biến tần sử dụng trong hệ truyền động, chức năng chính là thay đổi tần
số nguồn cung cấp cho động cơ để thay đổi tốc độ động cơ nhưng nếu chỉ thay đổi tần số
nguồn cung cấp thì có thể thực hiện việc biến đổi này theo nhiều phương thức khác, không
dùng mạch điện tử. Trước kia, khi công nghệ chế tạo linh kiện bán dẫn chưa phát triển,
người ta chủ yếu sử dụng các nghịch lưu dùng máy biến áp. Ưu điểm chính của các thiết bị
dạng này là sóng dạng điện áp ngõ ra rất tốt (ít hài) và công suất lớn (so với biến tần hai
bậc dùng linh kiện bán dẫn) nhưng còn nhiều hạn chế như:
- Giá thành cao do phải dùng máy biến áp công suất lớn.
- Tổn thất trên biến áp chiếm đến 50% tổng tổn thất trên hệ thống nghịch lưu.
- Chiếm diện tích lắp đặt lớn, dẫn đến khó khăn trong việc lắp đặt, duy tu, bảo trì
- Điều khiển khó khăn, khoảng điều khiển không rộng và dễ bị quá điện áp ngõ ra do
có hiện tượng bão hoà từ của lõi thép máy biến áp.
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 (Ramp start hay Soft start), tính chất tải … mà chỉ có bộ
biến tần sử dụng các thiết bị bán dẫn là thích hợp nhất trong trường hợp này.

4. Phân loại biến tần.
Trong thực tế biến tần được phân làm hai loại chính dựa theo phương thức chuyển đổi
tần số là:
• Biến tần trực tiếp
LỚP ĐHĐT1B


Trang 9

ĐỒ ÁN:


• Biến tần gián tiếp
o Nghịch lưu đơn bậc
o Nghịch lưu đa bậc
Trong đồ án này chúng ta sẽ nghiên cứu cả hai loại biến tần này, trong phần biến tần
đa bậc chúng ta sẽ đi sâu vào phương pháp vector không gian.

Hình 1.1: Mô hình minh họa sự phát triển biến tần theo thời gian.

5. Vai trò biến tần đa bậc.
Hiện nay biến tần đã và đang được sử dụng rất có hiệu quả trên thế giới nói chung và
tại Việt Nam nói riêng, tuy có nhiều ưu điểm và ứng dụng với hiệu quả cao nhưng biến tần
đơn bậc cũng còn tồn tại một số hạn chế như:
• Sóng điện áp còn nhiều hài bậc cao, chưa gần sin.
• Trị số điện kháng Lf mạch lọc còn cao, dẫn đến tổn hao.
• Tổn hao trong quá trình đóng cắt (Psw) cao.
• Công suất truyền tải còn thấp (Pcond)…
Để khắc phục những hạn chế nói trên người ta đã phát minh ra biến tần đa bậc nhằm
phục vụ và đáp ứng tốt hơn nhu cầu của con người. Ưu điểm của biến tần đa bậc là khắc
phục tốt những hạn chế của biến tần đơn bậc, vì là đa bậc nên sóng ra gần sin hơn vì thế
giảm bớt hài bậc cao, ít tổn hao. Cho dù sóng ra như thế nào thì cũng chỉ gần Sin nên ta
phải dùng bộ lọc, càng gần Sin thì lọc càng ít, vì thế biến tần đa bậc có tổn hao do dung
kháng Lf trong bộ lọc thấp. Vì đóng cắt ở tần số cao biến tần đa bậc còn có tổn hao trong
thời gian chuyển trạng thái ít, công suất truyển tải nâng cao, công suất tổn hao giảm
xuống… đó là những ưu điểm vượt trội của biến tần đa bậc so với biến tần đơn bậc. Trong
tương lai khi nền công nghiệp phát triển mạnh mẽ, đòi hỏi công suất cao trong những điều
kiện tần số khắc khe thì biến tần đa bậc sẽ là một giải pháp tốt, nó có thể đáp ứng tốt những
đòi hỏi đặt ra.

II. Biến tần trực tiếp
1. Giới thiệu
Bộ biến đổi AC-AC là một vấn đề lớn đã được nghiên cứu trong các bộ chuyển đổi
công suất trong công nghiệp và được ứng dụng nhiều hơn so với các bộ chuyển đổi công
suất khác. Mặc dù bộ biến đổi công suất AC- AC đã được phát triển trong thời gian dài và
được sử dụng phổ biến từ sau năm 1930, nhưng tần số đóng ngắt và công suất còn thấp.
Cho đến khi linh kiện điện tử công suất được ra đời, như Turn off thyristors (GTO), Triac,
Bipolar Transistor (BT), Insulated Gate Bipolar Transistor (IGBT) và Power Mosfield
Effect Transistor (MOSFET) và sau đó là biến đổi công suất từ AC-DC sau năm 1980 nâng
cao tần số đóng ngắt và có thể chuyển đổi công suất cao. Thiết bị nguồn công suất DC
hoàn toàn được thay đổi từ sau năm 1960 khi SCR được sản xuất. Tương ứng với mạch
điều khiển cũng dần dần chuyển từ tương tự sang điều khiển bằng hệ thống số sau năm
LỚP ĐHĐT1B


Trang 10

ĐỒ ÁN:


1980. Các tính toán điều khiển cho tất cả biến tần trực tiếp AC-AC được nghiên cứu và
bàn luận rộng rãi. Biến tần trực tiếp AC/AC dùng để biến đổi một nguồn công suất AC
sang một nguồn AC khác. Các cách thường dùng hay các dạng như sau:
1. Biến đổi điện áp một pha AC/AC
2. Biến đổi điện áp ba pha AC/AC
3. Biến tần trực tiếp một pha vào một pha ra (SISO)
4. Biến tần trực tiếp ba pha vào một pha ra (TISO)
5. Biến tần trực tiếp ba pha vào ba pha ra (TITO)
6. Biến tần đường bao ( Matrix).
Tất cả bộ biến đổi điện áp AC/AC từ nguồn AC với tần số và điện áp cao hơn sang tần
số và điện áp thấp hơn với góc trễ pha nhỏ.

2 Phân loại biến tần
2.1.Biến tần trực tiếp một pha
Các bộ chuyển mạch hai nửa chu kì gồm hai nhóm: nhóm dương kí hiệu là P và nhóm
âm kí hiệu là N. Cơ sở của mạch công suất điều khiển điện áp một pha AC-AC với pha
điều khiển như hình 1.a bao gồm 1 cặp SCR ghép nối back to back đối nghịch giữa nguồn
AC và tải cho ta điện áp có dạng sóng đối nghịch hai chiều đối xứng. Cặp SCR có thể được
thay thế bằng Triac như hình 1.b cho nguồn công suất thấp; với sự bố trí như hình 1.c gồm
hai điốt và hai SCR để cung cấp điện áp bình thường cực âm làm đơn giản mạch qua cửa
cần cho sự cách ly. Trong hình 1d với 1 SCR và 4 điốt làm giảm bớt tổn thất nhưng lại tăng
thêm sự hao phí vì nhiệt. Một sự kết hợp giữa SCR và Điốt như hình 1.e, cung cấp điện áp
điều khiển ngõ ra không đối xứng một chiều với phương thức tự kiểm soát nhưng có cấu
thành DC vào và hơn nữa, không thực tế để loại trừ tổn hao công suất do sự nóng lên của
tải.

Hình 1. Mô hình điều khiển điện áp một pha.Hình a) Ghép nối hai SCR.
Hình b) Sử dụng Triac. Hình c)Kết hợp hai SCR và hai Điốt. Hình d)Một SCR kết hợp với
4 Điốt. Hình e)Sự kết hợp giữa SCR và Điốt.
Dạng sóng trên tải được cho như hình sau: Với là góc kích của SCR.
Sau đây là dạng sóng toàn kì một pha tải cảm R_L, trong trường hợp tải trở thì điện áp
tải gián đoạn còn tải R_L thì không còn gián đoạn nữa.

LỚP ĐHĐT1B


Trang 11

ĐỒ ÁN:


Hình 2. Dạng sóng một pha toàn chu kì với tải trở

Hình 3. Dạng sóng toàn kì một pha tải cảm R_L

LỚP ĐHĐT1B


Trang 12

ĐỒ ÁN:


Hình 4. Thời gian điều khiển đóng cắt một pha.
Hình a. Thời gian đóng cắt của linh kiện.
Hình b. Biểu đồ hệ số công suất
Điện áp ngõ ra có công thức:

Điện áp tức thời.

Hệ số công suất (Power factor)
2.2. Biến tần trực tiếp ba pha.

Ta có các dạng mạch của biến tần trực tiếp ba pha mắc như các hình dưới đây

LỚP ĐHĐT1B


Trang 13

ĐỒ ÁN:


Hình 5. Sơ đồ mạch điện áp ba pha AC
Trong hình a và b ta thấy sơ đồ mạch ba pha điều khiển các pha độc lập nhau rất
đơn giản. Trong hình a chịu dòng và áp một pha trên một đường, trong khi hình b thì chịu
dòng trên một đường và áp trên một đường, hệ số công suất trong hình b thì không cao,
góc điều khiển của cả hai mô hình a và b biến đổi từ 0 đến 180 độ với tải R. Trong hình c
và d cho mô hình ba pha ba mạch và khó điều khiển. Cả hai mô hình trong mỗi pha có hai
SCR, một trong mỗi pha phải luôn luôn dẫn để điều phối dòng giữa tải và nguồn. Trong
hình e và f thì tải lại ở giữa nguồn và bộ biến đổi, ở đây dòng có thể chuyển đổi giữa hai
LỚP ĐHĐT1B


Trang 14

ĐỒ ÁN:


dây nếu như có một SCR dẫn, xong mỗi SCR dẫn đều có một xung kích khác nhau. Sóng
điện áp và dòng gần giống như là của hình b. Hình f thì chỉ có ba SCR và ngay khi chúng
dẫn thì nguồn sẽ được nối ngay với tải và mỗi SCR dẫn trong 120 độ. Mô hình f thì ít được
sử dụng nhưng nó có dòng lớn và như trong trường hợp điều khiển một pha thì ta có thể
thay thế sáu SCR bằng ba SCR và ba điốt. Trong hình g và h thì tải đấu hình sao và tam
giác, hạn chế lớn nhất của hai mô hình là điện áp ra có nhiều hài, đặc biệt là hài bậc hai
bỡi tính không đối xứng.
2.3. Biến tần trực tiếp một pha vào một pha ra(SISO).
Trái ngược với sự điều khiển điện áp AC tại tần số không đổi đã được bàn luận nhiều.
Bộ biến tần trực tiếp hoạt động như bộ biến đổi AC/AC có tần số biến đổi kèm theo nhưng
đặc tính của nó. Nguyên lí của bộ chuyển đổi được xây dựng trên dạng sóng điện áp, từ sự
gián đoạn điện áp từng khúc của sóng điện áp của nguồn AC tần số cao và được phát minh
từ năm 1920.Bộ nghịch lưu thủy ngân đã được dùng trong các bộ chỉnh lưu ở Đức năm
1930 với nguồn 1 pha tần số 16. 2/3 Hz, trực tiếp kéo tải từ nguồn ba pha tần số 50 Hz.
Trong khi đó bộ biến tần trực tiếp dùng 18 Thyratrons cung cấp 400 Hp tải đã hoạt động
trong một vài năm như các mô hình phụ tải ở Mỹ. Tuy nhiên, thực tế và sử dụng có ích là
hai vấn đề khác nhau mà phải đợi mãi tới khi SCR ra đời năm 1960. Dưới đây là mô hình
sử dụng SCR:

Hình 6 : Cấu trúc bộ biến tần trực tiếp một pha AC/AC
a)Mạch công suất của biến tần trực tiếp dạng cầu một pha
b) Mạch thay thế tương đương đơn giản hóa.
Với sự hiểu biết và sử dụng rộng rãi của SCR công suất và sự điều khiển bằng vi mạch
điện tử, bộ biến tần trực tiếp ngày này đã thực sự là bộ biến đổi hoàn thiện cho nguồn công
suất có tốc độ chậm. Sự biến đổi điện áp và biến đổi tần số (VVVF) được sử dụng trong
các hệ thống cần có sự điều khiển chính xác và ổn định như trong các hệ thống cán thép và
hệ thống chế tạo tàu thủy của hải quân, hệ thống dây chuyền sản xuất da dày…
Biến tần trực tiếp dần dần được thay thế bỡi bộ chuyển đổi khác vì với những đặc tính
của nó không thực tế và có những hạn chế không giống như bộ biến đổi SCR và được thay
thế dần. Tại vì SCR có những hạn chế như nhu cầu về thời gian đóng cắt không đáp ứng,
tần số hoạt động thấp, thời gian dV/dt và độ nhạy của SCR còn thấp. Hạn chế chính của
biến tần trực tiếp là dải hoạt động tần số có hiệu quả hẹp, độ biến đổi ngõ vào trên ngõ ra
có điện áp thấp.

LỚP ĐHĐT1B


Trang 15

ĐỒ ÁN:


Hình 7: Dạng sóng ngõ vào và ngõ ra của bộ biến tần trực tiếp tải trở tần số 5016.2/3 Hz.

Hình 8: Dạng sóng biến tần trực tiếp một pha vào một pha ra tần số 50/10 Hz với tải
trở. Hình a Dạng sóng điện áp tải và dòng tải, Hình b Dạng sóng dòng công suất biến đổi.
Tuy ít khi được sử dụng, nhưng biến tần trực tiếp dạng SISO thì có ích để giải thích
cho những nguyên lí phức tạp hơn.
2.4. Biến tần trực tiếp ba pha vào một pha ra (TISO)

LỚP ĐHĐT1B


Trang 16

ĐỒ ÁN:


Hình 9: Biến tần trực tiếp ba pha nửa sóng cung cấp một pha tải

Hình 10: Dạng sóng biến tần trực tiếp ba pha nửa sóng với dòng tuần hoàn
Trong hình 9 cho thấy sơ đồ của mạch điều khiển biến tần trực tiếp ba pha nửa sóng
cung cấp một pha tải. Nguyên lí điều khiển giống như điều khiển một pha. Hình 10 cho
thấy dạng sóng đặc trưng của mạch có chỉ số đập mạch bằng p = 3 với dòng điện liên tục.
Mỗi bộ chuyển đổi quản lí với sự chỉnh lưu và cách thức tạo ra áp tải và hai bộ chuyển đổi
để giảm độ gợn sóng trong quá trình điều khiển. Dạng sóng cơ bản sinh ra ở hai bộ chuyển
LỚP ĐHĐT1B


Trang 17

ĐỒ ÁN:


đổi là giống nhau, điện áp sinh ra khác nhau giữu điện áp bộ biến đổi và điện áp sinh ra bỡi
độ tự cảm( thường không đáng kể với mạch điện trở) là dòng liên tục.
2.5. Biến tần đường bao ( Matrix cyclyconverter)
Dạng sóng của bộ biến tần này là đường bao của các sóng vào nên nó có tên là biến tần
đường bao. Có thể điều khiển bộ biến tần này sao cho các tình trạng dẫn hoàn toàn như các
điốt, việc điều khiển các tiristo được tiến hành trong khoảng nửa chu kì làm việc. Ta nhận
thấy mạch điều khiển cần thiết để tổng hợp đầu ra đơn giản hơn các đơn giản hơn bộ biến
tần điều khiển pha như trình bày các phần trên. Tuy nhiên nó cũng có một vài hạn chế, vì
sóng ra có xu hướng trở nên hình chữ nhật nên xuất hiện điều hòa bậc cao. Tỷ số tần số ra
trên tần số vào không thay đổi một cách tùy ý mà phải là số nguyên. Một tải có hệ số công
suất chậm sau hay vượt trước, tùy theo từng khoảng thời gian phải cho nhóm làm việc ở
chế độ chỉnh lưu sau đó ở chế độ nghịch lưu với hế cố công suất tải bằng 1 hay gần bằng 1.
Nếu mỗi nhóm bộ biến đổi sáu nửa chu kì với các điện áp pha khác nhau có thể chuyển
mạch các pha một cách tự nhiên để có tỷ số tần số 3/1 khi đó sóng ra gần sin hơn.

Hình 11: Dạng sóng điện áp tải biến tần trực tiếp đường bao sáu pha.

LỚP ĐHĐT1B


Trang 18

ĐỒ ÁN:


III. Bộ nghịch lưu
1.Giới thiệu chung
Mục đích chính của các bộ chuyển đổi nguồn tĩnh là cung cấp 1 dạng sóng ngõ ra xoay
chiều từ 1 nguồn cung cấp một chiều. Các dạng sóng ngõ ra này được yêu cầu trong các
động cơ có thể điều chỉnh tốc độ các bộ cung cấp nguồn liên tục. Với các ngõ ra là sóng sin
xoay chiều thì biên độ, tần số và góc pha nên được điều khiển. Tùy vào loại dạng sóng ngõ
ra xoay chiều, các phương pháp này có thể được xem như là các bộ nghịch lưu nguồn
áp(VSIs: Voltage Source Inverters) nếu như ngõ ra xoay chiều được điều khiển một cách
độc lập là dạng sóng điện áp.Các cấu trúc này hầu hết được sử dụng rộng rãi vì chúng hoạt
động như các nguồn áp và điều này được yêu cầu trong nhiều ứng dụng trong công ngiệp
trong đó, các động cơ có thể điều chỉnh được tốc độ (ASD) là ứng dụng phổ biến nhất của
các bộ nghịch lưu, xem hình 3.1.

Hình 3.1 Mô hình điều khiển tốc độ
Tương tự, các phương pháp này được gọi là các bộ nghịch nguồn dòng (CSIs: Current
Source Inverters) với ngõ ra xoay chiều có thể điều khiển được là dạng sóng dòng điện.
Các cấu trúc này vẫn được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng công nghiệp có điện áp
trung bình, và các dạng sóng điện áp đòi hỏi có chất lượng cao.
Các bộ chuyển đổi nguồn tĩnh, đặc biệt là các bộ nghịch lưu được tạo thành từ các bộ
chuyển mạch công suất và vì vậy, các dạng sóng ngõ ra xoay chiều được tạo thành từ các
giá trị rời rạc. Mặc dù dạng sóng này không thật sự là sóng sin như mong đợi, nhưng thành
phần cơ bản của nó vẫn hoạt động tốt. Hoạt động này nên được đảm bảo bằng một kỹ thuật
điều chế mà điều khiển về thời gian và trình tự được sử dụng để đóng ngắt các khóa nguồn
On và Off. Các kỹ thuật điều chế được sử dụng nhiều nhất là kỹ thuật sóng mang cơ bản
(SPWM), kỹ thuật vector không gian (SV: Space Vector), và kỹ thuật hạn chế hài có chọn
lọc (SHE: Selective Harmonic Elimlination).
Bộ nghịch lưu nguồn áp (VSI) tạo ra một dạng sóng điện áp ra xoay chiều gồm các giá
trị rời rạc (dv/dt cao), do đó, tải nên có thành phần cảm kháng tại các tần số hài để tạo ra
một dạng sóng dòng điện mịn. Tải dung kháng trong các bộ nghịch lưu nguồn áp sẽ tạo ra
các đỉnh nhọn của dòng lớn (current spikes). Trong trường hợp này, ta nên sử dụng một bộ
lọc cảm kháng giữa phần xoay chiều của VSI và tải. Mặt khác, bộ nghịch lưu nguồn dòng
(CSI) tạo ra dạng sóng dòng điện ngõ ra gồm các giá trị rời rạc (di/dt lớn). Do đó, tải nên
chứa thành phần dung kháng tại các tần số hài để tạo ra một dạng sóng điện áp mịn. Tải
cảm trong CSIs sẽ sinh ra các đỉnh nhọn của áp lớn. Trong trường hợp này, ta nên dùng
một bộ lọc dung kháng giữa phần xoay chiều của CSI và tải.
LỚP ĐHĐT1B


Trang 19

ĐỒ ÁN:


Dạng sóng điện áp 3 bậc thường không được dùng trong các động cơ có thể điều khiển
được tốc độ với mức điện áp trung bình vì thành phần dv/dt lớn sẽ thêm vào các cực của
động cơ. Các sự lựa chọn để cải thiện các dạng sóng ngõ ra xoay chiều trong VSIs là các
phương pháp đa bậc (multilevel và multicell). Nguyên tắc cơ bản là tạo ra dạng sóng ngõ ra
theo yêu cầu từ các mức điện áp khác nhau, và nó tạo ra các dạng sóng điện áp trung bình
với thành phần dv/dt được giảm thiểu. Các phương pháp này được phát triển mạnh trong
ASDs, và chúng cũng thích hợp với bộ lọc tích cực (active filter) và các bộ bù điện áp. Các
kỹ thuật điều chế chuyên dụng được phát triển để đóng ngắt số lượng lớn hơn các van công
suất. Trong số các phương pháp điều chế đó, SPWM và SV cơ bản được ứng dụng rất rộng
rãi.
Trong nhiều ứng dụng, có yêu cầu đưa năng lượng từ phần xoay chiều của bộ nghịch
lưu và gửi ngược về phần một chiều. Với trường hợp này, mỗi khi ASD cần dừng lại hoặc
giảm tốc độ, hướng của dòng liên kết một chiều (dc link current) bị đảo ngược vì thực tế
điện áp liên kết một chiều là cố định. Nếu một tụ điện được dùng để duy trì điện áp liên kết
một chiều (như trong ASD chuẩn) thì năng lượng sẽ bị tiêu tán hoặc được hồi về hệ thống
phân phối, mặt khác, điện áp liên kết một chiều sẽ tăng lên từ từ. Cách đầu tiên là yêu cầu
tụ điện liên kết một chiều được nối song song với một điện trở, và nó phải được đóng ngăt
một cách thích hợp chỉ khi năng lượng truyền từ tải của động cơ về dc link. Một cách lựa
chọn tốt hơn là phản hồi năng lượng về hệ thống phân phối. Tuy nhiên, cách này cần một
giao thức đảo ngược dòng được nối giữa hệ thống phân phối và tụ liên kết một chiều. Một
phương pháp mới là dùng các kỹ thuật lọc tích cực trước khâu cuối (the active front-end
rectifer technologies), với chế độ phát lại là chế độ hoạt động tự nhiên của hệ thống.
Trong chương này, ta sẽ nói về các bộ nghịch lưu một pha và ba pha dạng nguồn dòng
và áp. Dc link sẽ được coi như là thành phần dc hoàn hảo, cả nguồn dòng và áp đều có thể
được giữ cố định như điện áp liên kết một chiều (dc link) trong ASDs chuẩn hoặc được
thay đổi như dòng dc link trong các động cơ nguồn dòng có điện áp trung bình. Đặc biệt ta
sẽ tìm hiểu về các giao thức, các kỹ thuật điều chế, phương diện điều khiển, hướng ứng
dụng. Để quá trình phân tích được đơn giản hơn, ta coi như các bộ nghịch lưu là các giao
thức không có sự tiêu tốn (gồm các khóa công suất lý tưởng). Tuy nhiên, một vài điều kiện
thực tế, không lý tưởng cũng sẽ được đề cập đến.

2. Các bộ nghịch lưu nguồn áp một pha
Các bộ nghịch lưu nguồn áp (VSI) một pha gồm 2 dạng: bán cầu và toàn cầu. Mặc dù
công suất của chúng thấp nhưng chúng vẫn được sử dụng rộng rãi trong các bộ cung cấp
nguồn (power supplies). UPSs một pha và trong các giao thức nguồn tĩnh có công suât cao
phức tạp hiện nay (form elaborate high-power static power topologies)
2.1. Bộ nghịch lưu nguồn áp một pha bán cầu.
Hình 3.2 cho ta thấy dạng mạch của bộ nghịch lưu nguồn áp 1 pha bán cầu, 2 tụ
điện lớn để tạo ra điểm trung tính N, mỗi tụ điện duy trì một điện áp cố định vi /2. Bởi vì
các hài dòng được sinh ra bởi hoạt động của bộ nghịch lưu là các hài có bậc thấp (loworder harmonics), nên ta cần phải đặt vào các tụ điện lớn (C+ và C- ).

LỚP ĐHĐT1B


Trang 20

ĐỒ ÁN:


Hình 3.2 Bộ nghịch lưu nguồn áp 1 pha bán cầu
Một điều cần lưu ý rằng cả 2 công tắc S+ và S- đều không thể được dẫn đồng thời vì
sẽ gây ra sự ngắn mạch qua nguồn áp liên kết một chiều vi (dc link voltage source). Có hai
trạng thái đóng ngắt xác định (trạng thái 1 và 2) và một trạng thái đóng ngắt không xác
định (trạng thái 3) như trong bảng 3.1. Để tránh sự ngắn mạch qua đường dẫn dc và trạng
thái điện áp ngõ ra xoay chiều không xác định, kỹ thuật điều chế nên luôn đảm bảo rằng tại
mỗi thời điểm hoặc công tắc trên hoặc chỉ công tắc dưới của bộ nghịch lưu được On.
Bảng 3.1 Các trạng thái đóng ngắt của bộ nghịch lưu nguồn áp một pha bán cầu.

Hình 3.3 cho thấy dạng sóng lý tưởng ứng với bộ nghịch lưu bán cầu trong hình 3.2.
Các trạng thái của các công tắc S+ và S- được xác định bởi kỹ thuật điều chế, mà trong
trường hợp này là kỹ thuật điều chế sóng mang cơ bản PWM.

Hình 3.3 Dạng sóng lý tưởng của bộ nghịch lưu nguồn áp bán cầu ứng với kỹ thuật
điều chế độ rộng xung sóng sin (ma=0.8, mf =9): (a) các tín hiệu sóng mang và tín hiệu
điều chế; (b) trạng thái của công tắc S+; (c) trạng thái của công tắc S- ; (d) điện áp ngõ ra
xoay chiều; (e) chuỗi(spectrum) điện áp ngõ ra xoay chiều; (f) dòng điện ngõ ra xoay

LỚP ĐHĐT1B


Trang 21

ĐỒ ÁN:


chiều; (g) dòng điện một chiều; (h) chuỗi dòng điện một chiều; (i) dòng điện của công tắc
S+ ; (j) dòng của diode D+.
2.1.1 Kỹ thuật điều chế độ rộng xung sóng mang cơ bản.
Như đã đề cập ở trước, điều mong muốn là điện áp xoay chiều ngõ ra vo = vAN theo
như dạng sóng đã cho (có nghĩa là dạng sóng sin) bằng cách đóng ngắt một cách thích hợp
các khóa công suất. Kỹ thuật điều chế độ rộng xung (PWM) sóng mang cơ bản xác định
các trạng thái đóng, ngắt của các khóa trên một nhánh của bộ nghịch lưu bằng cách so sánh
một tín hiệu điều chế vc (điện áp ngõ ra xoay chiều mong muốn) và một sóng tam giác v∆
(tín hiệu sóng mang). Trong thực tế, khi vc > v∆ công tắc S+ đóng và công tắc S- ngắt.
Tương tự, khi vc < v∆ công tắc S+ ngắt và công tắc S- đóng.
Một trường hợp đặc biệt là khi tín hiệu điều chế vc là một sóng sin với tần số fc và
biên độ c , và tín hiệu tam giác v∆ với tần số f∆ và biên đo ∆ . Đây là loại điều chế độ
rộng xung sóng sin (SPWM). Trong trường hợp này, hệ số điều chế ma (còn được coi là tỉ
số biên độ điều chế) được xác định là:
(3.1)
Và hệ số tần số sóng mang mf (tỉ số tần số điều chế) là:

(3.2)
Hình 3.3 (e) cho ta thấy rằng điện áp ngõ ra xoay chiều vo = vaN là dạng sóng sin cơ
bản có chứa hài, với các đặc điểm sau:
a. Biên độ của điện áp xoay chiều ngõ ra o1 của thành phần cơ bản thỏa biểu thức
sau:
(3.3)
b. Với các hài lẻ tần số sóng mang mf của điện áp ngõ ra xoay chiều xuất hiện các tần
số fh xung quanh mf và các bội số của nó h = lmf ± k, l = 1, 2, 3… với k = 2, 4, 6, … ứng
với l = 1, 3, 5, … và k = 1, 3, 5 … ứng với l = 2, 4, 6, …
c. Biên độ của điện áp ngõ ra xoay chiều của các hài là một hàm của hệ số điều chế
ma và không phụ thuộc vào tần số sóng mang mf nếu mf > 9.
d. Các hài trong dòng liên kết một chiều xuất hiện với các tần số fp quanh tần số sóng
mang mf và các bội số của nó: p = lmf ± k ± 1, l = 1, 2, 3, … với k = 2, 4, 6, … ứng với
l = 1, 3, 5 … và k = 1, 3, 5, … ứng với l = 2, 4, 6, …
Các vấn đề quan trọng cũng cần phải chú ý là:
- Với các giá trị mf nhỏ (mf < 21), tín hiệu sóng mang v∆ và tín hiệu điều chế vc nên
đồng bộ với nhau để đảm bảo các đặc tính ở trước. Nếu không, các hài bậc ba sẽ xuất hiện
trong điện áp ngõ ra xoay chiều.
- Với các giá trị mf lớn (mf >21), các hài bậc ba sẽ không đáng kể nếu sử dụng kỹ
thuật điều chế độ rộng xung không đồng bộ. Tuy nhiên, vì có khả chứa các hài bậc ba có
bậc thấp (low order subharmonics) nên phương pháp này nên tránh sử dụng.
- Trong vùng ngoài điều chế (ma > 1) một số chỗ giao nhau giữa sóng mang và sóng
điều chế được bị lệch, điều này dẫn đến sự phát sinh ra các hài bậc thấp nhưng nó chứa
thành phần cơ bản có mức điện áp ngõ ra xoay chiều cao hơn. Không may là, tính chất
tuyến tính giữa ma và o1 đạt được trong vùng tuyến tính ở biểu thức (3.3) không được giữ
trong vùng ngoài điều chế, hơn nữa, ta có thể thấy được ảnh hưởng của sự bão hòa ở hình
(3.4).
LỚP ĐHĐT1B


Trang 22

ĐỒ ÁN:


Hình 3.4 Thành phần xoay chiều cơ bản của điện áp ngõ ra trong bộ nghịch lưu
nguồn áp bán cầu với kỹ thuật SPWM
Kỹ thuật PWM cho phép tạo ra một điện áp ngõ ra xoay chiều. Trường hợp đặc biệt
của kỹ thuật này là kỹ thuật SPWM (tín hiệu điều chế là sóng sin) tạo ra trong vùng tuyến
tính một điện áp ngõ ra xoay chiều thay đổi tuyến tính theo một hàm của hệ số điều chế và
có các hài với tần số và biên độ được xác định rõ. Các đặc điểm này đơn giản hóa các
thành phần của bộ lọc khi thiết kế. Tuy nhiên, biên độ tối đa của điện áp xoay chiều của
thành phần cơ bản là vi /2 trong chế độ hoạt động này. Các mức điện áp cao hơn đạt được
bằng cách sử dụng vùng quá điều chế (ma >1); tuy nhiên, các hài bậc thấp sẽ xuất hiện
trong điện áp ngõ ra xoay chiều. Các giá trị rất lớn của hệ số điều chế (ma > 3.24) điện áp
ngõ ra xoay chiều hoàn toàn vuông và nó được xem như là kỹ thuật điều chế sóng vuông.
2.1.2 Kỹ thuật điều chế sóng vuông (Square- Ware Modulating Technique).
Cả hai công tắc S+ và S- đều đóng trong một bán kì của ngõ ra xoay chiều. Kỹ thuật
này tương đương với kỹ thuật SPWM với chỉ số điều chế không xác định. Hình 3.5 cho ta
thấy: điện áp ngõ ra xoay chiều chuẩn của các hài tại các tần số có h = 3, 5, 7, 9, … và ứng
với một điện áp liên kết một chiều; biên độ của điện áp ngõ ra xoay chiều của thành phần
cơ bản được cho bởi:
(3.6)
Và biên độ của các hài được cho bởi:

(3.7)
Ta có thể xem như điện áp ngõ ra xoay chiều không thể thay đổi được bằng bộ
nghịch lưu. Tuy nhiên, ta có thể thay đổi bằng cách điều khiển điện áp liên kết một chiều
vi. Các kỹ thuật điều chế khác cũng có thể được ứng dụng trong cấu hình bán cầu (như kỹ
thuật loại trừ hài có chọn lựa).

LỚP ĐHĐT1B


Trang 23

ĐỒ ÁN:


Hình 3.5 Dạng sóng của bộ nghịch lưu nguồn áp bán cầu lý tưởng với kỹ thuật điều
chế sóng vuông: (a) điện áp ngõ ra xoay chiều; (b) chuỗi (phổ) của điện áp ngõ ra xoay
chiều.
2.1.3 Sự loại trừ hài có chọn lựa (Selective Harmonic Elimination):
Mục đích chính là đạt được một dạng sóng điện áp ngõ ra xoay chiều hình sin với
thành phần cơ bản có thể được điều chỉnh một cách tùy ý trong một phạm vi và các hài
thực chất được loại trừ một cách có chọn lọc. Điều này đạt được bằng cách tạo ra một cách
chính xác các thời điểm đóng và ngắt của các van công suất (power valves). Điện áp ngõ ra
xoay chiều chỉ chứa các hài lẻ (voh = 0, h = 2, 4, 6 …). Tuy nhiên, dạng sóng điện áp mỗi
pha (vo = vAN trong hình 3.2), nên được đóng ngắt N lần trên mỗi bán kì để điều chỉnh
thành phần cơ bản và loại trừ các hài N-1 trong dạng sóng điện áp ngõ ra. Ví dụ, để loại trừ
các hài bậc thứ 3 và thứ 5 và điều khiển độ lớn của thành phần cơ bản (N = 3), ta giải quyết
các biểu thức sau:

(3.8)
Các góc 1, 2, và 3 được xác định như trong hình 3.6a. Các góc được xác định bằng các
phương pháp của thuật toán lặp lại vì không có các kết quả phân tích nào được đưa ra.

Hình 3.6 Các dạng sóng lý của bộ nghịch lưu nguồn áp bán cầu lý tưởng với kỹ thuật
loại trừ hài có chọn lọc (SHE: Selective Harmonic Elimination): (a) điện áp ngõ ra xoay
chiều với sự lọai trừ hài thứ ba và thứ 5; (b) phổ của (a); (c) điện áp ngõ ra xoay chiều với
sự loại trừ hài thứ 3, 5 và 7; (d) phổ của (c).
Các góc 1, 2, và 3 được đánh dấu với các giá trị khác nhau của o1/vi trong hình 4.7a.
Công thức chung để loại trừ một số các hài chẵn N-1 (N – 1 = 2, 4, 6, …) là

LỚP ĐHĐT1B


Trang 24

ĐỒ ÁN:


(3.9)
Với 1, 2, … N nên thỏa 1 < 2 < … < N < π/2. Tương tự, để hạn chế một số các hài lẻ,
ví dụ, bậc 3, 5 và 7, và để điều khiển biên độ của thành phần cơ bản (N – 1 = 3), ta phải
giải quyết các biểu thức sau:

(3.10)
Các góc 1, 2, 3 và4 được xác định như trong hình 4.6b. Các góc 1, 2, 3 và4 được đánh
dấu với các giá trị khác nhau của o1/vi trong hình 4.7b.

Hình 3.7 Các góc đóng ngắt với SHE và sự điều khiển điện áp cơ bản trong bộ nghịch lưu
nguồn áp nửa cầu: (a) sự loại trừ các hài thứ 3 và 5; (b) sự loại trừ các hài thứ 3, 5, và 7.

Biểu thức chung để loại trừ một số các hài lẻ N – 1 (N- 1 = 3, 5, 7 … ) được cho bởi:

(3.11)
Để thực hiện kỹ thuật điều chế SHE, bộ điều chế nên tạo ra mô hình cổng tùy theo các
góc như trong hình 3.7. Nhiệm vụ này luôn được thực hiện bởi các hệ thống số mà nó
thông thường chứa các góc trong các bảng tra cứu.
2.1.4 Dòng liên kết một chiều (DC Link Current)
Các tụ điện được xem như là một phần của bộ nghịch lưu và vì vậy một nguồn điện
cân bằng tức thời không thể được coi là nhờ các thành phần lưu trữ năng lượng (C+ và C-).
Tuy nhiên, nếu ta xem như là bộ nghịch lưu không có sự tiêu tán, năng lượng trung bình
tiêu thụ bởi tải trong một thời gian phải được cân bằng với giá trị trung bình của nguồn
cung cấp bằng nguồn dc. Vì vậy, ta có:

LỚP ĐHĐT1B


Trang 25

ĐỒ ÁN:


(3.12)
Với T là thời gian của điện áp ngõ ra xoay chiều. Với tải cảm và tần số đóng ngắt khá
cao, dòng tải io thì gần như dạng sin và vì vậy, chỉ có thành phần cơ bản của điện áp ngõ ra
cung cấp đến tải. Mặt khác, nếu điện áp liên kết một chiều duy trì với giá trị không đổi vi
(t) = Vi ,biểu thức (4.12) có thể được đơn giản hóa thành:

(3.13)
Với Vo1 là điện áp ngõ ra xoay chiều hiệu dụng cơ bản, Io là dòng tải hiệu dụng, f là
hệ số công suất của một tải cảm tùy ý, và Ii là dòng liên kết một chiều mà nó có thể được
đơn giản hóa tiếp thành:

(3.14)
2.2. Bộ nghịch lưu nguồn áp toàn cầu (Full-Bridge VSI)
Hình 3.8 cho ta thấy dạng mạch của một bộ nghịch lưu nguồn áp toàn cầu. Bộ nghịch
lưu này tương tự với bộ nghịch lưu bán cầu, tuy nhiên, một nhánh thứ hai cung cấp điểm
trung tính cho tải. Như ta đã biết, cả hai công tắc S1+ và S1- (hoặc S2+ và S2-) không thể
cùng dẫn đồng thời vì sẽ dẫn đến sự ngắn mạch qua nguồn áp liên kết một chiều vi. Có 4
trạng thái đóng ngắt xác định (1, 2, 3 và 4) và một trạng thái đóng ngắt không xác định như
trong bảng 3.2.

Hình3.8 Bộ nghịch lưu nguồn áp toàn cầu một pha (Single-phase full-bridge VSI)

LỚP ĐHĐT1B


Trang 26

ĐỒ ÁN:


Bảng 3.2 Các trạng thái đóng ngắt của bộ nghịch lưu nguồn áp một pha toàn cầu

Điều kiện không xác định nên được tránh để điện áp ngõ ra xoay chiều luôn có thể xác
định được. Để tránh sự ngắn mạch qua đường dẫn một chiều (dc bus) và trạng thái không
xác định của điện áp ngõ ra xoay chiều, kỹ thuật điều chế nên đảm bảo rằng cả công tắc ở
trên hay ở dưới của mỗi nhánh đều không cùng dẫn tại bất cứ thời điểm nào. Ta có thể thấy
rằng điện áp ngõ ra xoay chiều có thể đạt đến giá trị tối đa là điện áp liên kết một chiều vi,
và nó gấp 2 lần so với bộ nghịch lưu áp bán cầu.
Một số kỹ thuật điều chế được phát triển cho các bộ nghịch lưu nguồn áp toàn cầu.
Trong số đó là các kỹ thuật PWM (lưỡng cực (bipolar) và đơn cực (unipolar).
2.2.1 Kỹ thuật PWM lưỡng cực
Các trạng thái 1 và 2 (bảng 3.2) được dùng để tạo ra điện áp ngõ ra xoay chiều trong
phương pháp này. Vì vậy, các đặc điểm của dạng sóng điện áp ngõ ra xoay chiều chỉ có 2
giá trị là vi và –vi . Để tạo ra các trạng thái này, ta có thể dùng kỹ thuật sóng mang cơ bản
như trong cấu trúc bán cầu (hình 3.3), chỉ dùng một tín hiệu điều chế dạng sóng sin. Ta nên
chú ý là trạng thái đóng của công tắc S+ trong dạng bán cầu thì tương đương với trạng thái
on của cả hai công tắc S1+ và S2- trong dạng toàn cầu. Tương tự, trạng thái đóng của công
tắc S- trong dạng bán cầu thì tương đương với trạng thái on của cả hai công tắc S1- và S2+
trong dạng toàn cầu. Phương pháp này được gọi là kỹ thuật điều chế độ rộng xung sóng sin
lưỡng cực. Dạng sóng điện áp ngõ ra xoay chiều của bộ nghịch lưu nguồn áp toàn cầu về
cơ bản là dạng sóng sin, biên độ của thành phần cơ bản o1 thỏa biểu thức sau trong vùng
tuyến tính của kỹ thuật điều chế (ma ≤ 1), và nó gấp 2 lần so với bộ nghịch lưu nguồn áp
bán cầu.
(3.15)
Trong vùng ngoài điều chế (ma > 1) biên độ của thành phần cơ bản

o1thỏa biểu thức

sau:
(3.16)
2.2.2 Kỹ thuật PWM đơn cực.
LỚP ĐHĐT1B


Trang 27

ĐỒ ÁN:


Trái với phương pháp lưỡng cực, kỹ thuật PWM đơn cực dùng các trạng thái 1, 2, 3,
và 4 (bảng 3.2) để tạo ra điện áp ngõ ra xoay chiều. Vì vậy, dạng sóng điện áp ngõ ra xoay
chiều có thể đồng thời đạt được một trong 3 giá trị: vi, -vi, và 0. Để tạo ra các giá trị này, ta
có thể dùng kỹ thuật sóng mang cơ bản như trong hình 3.9, bằng cách dùng 2 tín hiệu điều
chế dạng sóng sin (vc và –vc ). Tín hiệu vc được dùng để tạo ra vaN, và –vc được dùng để
tạo ra vbN. Vì vậy, vbN1 = -vaN1. Mặt khác, vo1 = vaN1 – vbN1 = 2* vaN1; vì vậy,
o1=2* aN1=ma*vi. Phương pháp này được gọi là kỹ thuật điều chế độ rộng sóng sin đơn
cực.
Các kết quả tương tự có thể được rút ra với biên độ của thành phần cơ bản và các hài
của điện áp xoay chiều ngõ ra và dòng điện liên kết một chiều, và với các chế độ hoạt động
tại các giá trị nhỏ hơn và lớn hơn của mf, (bao gồm vùng ngoài điều chế (ma > 1)), cao hơn
so với các bộ nghịch lưu nguồn áp toàn cầu sử dụng phương pháp SPWM lưỡng cực. Tuy
nhiên, bởi vì các điện áp pha (vaN và vbN) bằng nhau nhưng lệch pha nhau 180o, điện áp
ngõ ra (vo = vab = vaN – vbN) sẽ không chứa các hài chẵn. Vì vậy, nếu mf là chẵn, các hài
trong điện áp ngõ ra xoay chiều xuất hiện tại các tần số fh lẻ quanh 2 lần sóng mang chuẩn
mf và các bội số của nó. Cụ thể là: h = lmf ± k, l= 2, 4, …với k= 1, 3, 5, … và các hài
trong dòng liên kết một chiều xuất hiện tại các tần số chuẩn fp xung quanh 2 lần tần số
sóng
mang
chuẩn
mf
và
các
bội
số
của
nó.
Cụ
thể
là:
p = lmf ± k ± 1, l = 2, 4, …với k= 1, 3, 5, … Đặc điểm này được xem như là một ưu điểm
bởi vì nó cho phép sử dụng các thành phần của bộ lọc nhỏ hơn để đạt được dạng sóng điện
áp và dòng điện có chất lượng cao với cùng tần số đóng ngắt như các bộ nghịch lưu nguồn
áp sử dụng phương pháp lưỡng cực.
a. Sự loại trừ hài có chọn lọc
Trái với các bộ nghịch lưu nguồn áp bán cầu, phương pháp này được áp dụng cho mỗi
loại dây (per- line fashion) cho các bộ nghịch lưu nguồn áp toàn cầu. Điện áp ngõ ra xoay
chiều chỉ chứa các hài lẻ. Hơn nữa, dạng sóng điện áp ngõ ra xoay chiều (vo = vab trong
hình 4.8) nên có N xung trên mỗi bán kù để điều chỉnh thành phần cơ bản và loại trừ các
hài N-1. Ví dụ, để loại trừ các hài thứ 3, 5, và 7 và để điều khiển biên độ của thành phần cơ
bản N=4), ta giải quyết các biểu thức sau:

(3.19)

LỚP ĐHĐT1B


Trang 28

ĐỒ ÁN:


Hình 3.9 Các dạng sóng của bộ nghịch lưu nguồn áp toàn cầu lý tưởng với kỹ thuật
SPWM đơn cực (ma = 0.8, mf = 8): (a) tín hiệu điều chế và tín hiệu sóng mang; (b) trạng
thái của công tắc S1+; (c) trạng thái của công tắc S2+; (d) điện áp ngõ ra xoay chiều; (e)
phổ điện áp ngõ ra xoay chiều; (f) dòng điện ngõ ra xoay chiều; (g) dòng điện một chiều;
(h) phổ của dòng điện một chiều; (i) dòng điện của công tắc S1+; (j) dòng diode D1+.
Với các góc 1, 2, 3 và 4 được xác định như trong hình 3.10 (a). Các góc 1, 2, 3 và 4
được đánh dấu với các giá trị khác nhau của o1/vi trong hình 3.11a. Công thức chung để
loại trừ một số các hài một cách tùy ý N-1 (N – 1 = 3, 5, 7, …) là

(3.20)
Với 1, 2, … N nên thỏa 1 < 2 < … < N < π/2. Hình 3.10c cho biết một trường hợp đặc
biệt chỉ điện áp ngõ ra xoay chiều là được điều khiển. Điều này được biết như là điều khiển
ngõ ra bằng sự xóa bỏ điện áp bắt nguồn từ thực tế là sự thực thi của nó có thể đạt được
LỚP ĐHĐT1B


Trang 29

ĐỒ ÁN:


một cách dễ dàng bằng cách dùng 2 tín hiệu chuyển mạch dạng sóng vuông dịch pha nhau
như trong hình 3.12.

Hình 3.10 Các dạng sóng của bộ nghịch lưu nguồn áp bán cầu lý tưởng với kỹ thuật
SHE: (a) sự loại trừ các hài thứ 3, 5 và 7 của điện áp ngõ ra xoay chiều; (b) phổ của (a);
(c) điện áp ngõ ra ac với sự điều khiển cơ bản; (d) chuỗi(phổ) của (c).

Hình 3.11 Các góc đóng ngắt ứng với kỹ thuật SHE và sự điều khiển điện áp cơ bản
của các bộ nghịch lưu nguồn áp bán cầu: (a) sự điều khiển cơ bản và sự loại trừ hài thứ 3,
5, 7; (b) điều khiển cơ bản
Góc dịch pha trở thành 2* 1 (hình 3.11b). Vì vậy, biên độ của thành phần cơ bản và
của các hài trong điện áp ngõ ra xoay chiều được cho bởi:

(3.21)
Ta cũng có thể thấy trong hình 3.12c để 1 = 0 thì cần phải đạt được sóng vuông. Trong
trường hợp này, điện áp ngõ ra xoay chiều cơ bản theo công thức:

(3.22)
Với điện áp tải cơ bản có thể được điều khiển bằng cách sử dụng điện áp liên kết một
chiều.

LỚP ĐHĐT1B


Trang 30

ĐỒ ÁN:


Hình 3.12 Dạng sóng của bộ nghịch lưu nguồn áp toàn cầu lý tưởng ứng với sự điều
khiển điện áp bằng sự xóa bỏ điện áp: (a) trạng thái của công tắc S1+; (b) trạng thái của
công tắc S2+; (c) điện áp ngõ ra xoay chiều; (d) phổ của (c). switch S1. state; (b) switch
S2. state; (c)
b. Dòng liên kết một chiều (DC Link Current)
Vì thực tế là bộ nghịch lưu được xem như là không só sự tiêu tán và được cấu tạo
không chứa các linh kiện tích trữ năng lượng, nên công suất tức thời bằng nhau:
(3.23)
Đối với tải cảm và tần số đóng ngắt khá cao, dòng tải io gần như dạng sin. Với phép
toán xấp xỉ, điện áp ngõ ra xoay chiều cũng có thể được xem như là dạng sóng sin. Mặt
khác, nếu điện áp liên kết một chiều là hằng số vi(t)=Vi, biểu thức (4.23) có thể được đơn
giản thành:

(3.24)
Với Vo1 là điện áp ngõ ra xoay chiều hiệu dụng, Io là dòng điện tải hiệu dụng, và f là
hệ số công suất của tải cảm bất kỳ. Vì vậy, dòng liên kết một chiều có thể được rút gọn
tiếp thành:
(3.25)
Điều quan trọng cần chú ý là sự có mặt của hài bậc 2 trong dòng liên kết một chiều
(biên độ của nó tương tự với dòng liên kết một chiều). Hài thứ 2 này được đưa về nguồn áp
dc, vì vậy, khi thiết kế nên xét đến nó để đảm bảo là điện áp liên kết một chiều gần như là
cố định. Trong thực tế, nguồn áp dc đòi hỏi có số lượng lớn các tụ điện (chi phí cao, tốn
không gian, nhiều đặc tính phức tạp đặc biệt đối với các nguồn cung cấp có công suất trung
bình và cao).

3. Các bộ nghịch lưu nguồn áp 3 pha (Three-Phase Voltage Source
Inverters)
Các bộ nghịch lưu nguồn áp một pha được sử dụng trong các ứng dụng công suất thấp
và các bộ nghịch lưu nguồn áp 3 pha được sử dụng trong các ứng dụng công suất trung
bình và cao. Mục đích chính của các bộ nghịch lưu nguồn áp 3 pha là cung cấp một nguồn
áp 3 pha với biên độ, pha và tần số của điện áp có thể điều khiển được. Mặc dù hầu hết các
ứng dụng đều đòi hỏi dạng sóng điện áp hình sin (ví dụ: ASDs, UPSs, FACTS, var
compensators), nhưng các điện áp bất kỳ cũng được yêu cầu trong một số ứng dụng (ví dụ:
các bộ lọc tích cực, các bộ bù điện áp).
LỚP ĐHĐT1B


Trang 31

ĐỒ ÁN:


Dạng mạch chuẩn của bộ nghịch lưu nguồn áp 3 pha như trong hình 3.13 và 8 trạng
thái đóng ngắt được cho trong bảng 3.3. Như trong các bộ nghịch lưu áp một pha, các công
tắc của bất kỳ nhánh nào của bộ nghịch lưu (S1 và S4, S3 và S6, hoặc S5 và S2 không thể
đóng đồng thời vì nó sẽ gây nên sự ngắn mạch qua nguồn áp liên kết một chiều. Tương tự,
để tránh các trạng thái không xác định trong bộ nghịch lưu áp, và các điện áp dây ngõ ra
xoay chiều không xác định, các công tắc của bất kỳ nhánh nào của bộ nghịch lưu đều
không thể ngắt đồng thời và vì vậy, điều này sẽ dẫn đến kết quả là điện áp sẽ phụ thuộc vào
cực của dòng điện dây tương ứng.

Hình 3.13 Dạng mạch của bộ nghịch lưu áp 3 pha

Bảng 3.3 Các trạng thái đóng ngắt hợp lý của bộ nghịch lưu áp 3 pha
Trong số 8 trạng thái ở bảng 4.3, có 2 trạng thái (7 và 8) tạo ra điện áp dây xoay chiều
bằng 0. Trong trường hợp này, các dòng điện dây xoay chiều sẽ được dẫn qua một trong
các linh kiện ở trên hoặc ở dưới. Các trạng thái còn lại (1 đến 6 trong bảng 4.3) tạo ra các
mức điện áp ngõ ra xoay chiều khác 0. Để tạo ra dạng sóng điện áp như mong muốn thì bộ
nghịch lưu phải chuyển từ trạng thái này sang trạng thái khác. Vì vậy, kết quả là điện áp
ngõ ra xoay chiều bao gồm các giá trị rời rạc: vi, 0 và –vi. Việc lựa chọn các trạng thái để
tạo ra dạng sóng như mong muốn được thực hiện bởi kỹ thuật điều chế cần đảm bảo là chỉ
sử dụng các trạng thái thích hợp.
3.1.Kỹ thuật điều chế độ rộng xung sóng sin
Đây là phần mở rộng của kỹ thuật SPWM trong các bộ nghịch lưu áp một pha. Trong
trường hợp này, để tạo ra các điện áp của tải lệch pha nhau một góc 120o, ta cần sử dụng 3
tín hiệu điều chế lệch pha nhau 120o. Hình 3.14 cho thấy dạng sóng lý tưởng của bộ nghịch
lưu áp ba pha với kỹ thuật điều chế SPWM. Để sử dụng một tín hiệu sóng mang và để đảm
bảo các đặc điểm của kỹ thuật điều chế độ rộng xumg, tần số sóng mang chuẩn mf nên là
các giá trị lẻ và là bội số của 3. Vì vậy, tất cả các điện áp pha (vaN, vbN, vcN) đều bằng
nhau nhưng lệch pha nhau 1200 và không chứa hài; hơn nữa, các hài tại các tần số là bội
của 3 thì bằng nhau về biên độ và pha trong tất cả các pha. Ví dụ, nếu hài thứ 9 trong pha
aN là:
LỚP ĐHĐT1B


Trang 32

ĐỒ ÁN:


(3.26)
Thì hài thứ 9 trong pha bN sẽ là:

(3.27)
Vì vậy, điện áp dây ngõ ra xoay chiều vab = vaN –vbN sẽ không chứa hài thứ 9. Vì
vậy, với các giá trị là bội số lẻ của 3 của tần số sóng mang chuẩn mf, các hài trong điện áp
ngõ ra xoay chiều sẽ xuất hiện tại các tần số chuẩn fh và các bội số của nó, cụ thể là:
(3.28)
Với l= 1, 3, 5, … ứng với k= 2, 4, 6, … và l= 2, 4, … ứng với k= 1, 5, 7, … như vậy h
không là bội của 3. Vì vậy, các hài sẽ là mf ± 2, mf ± 4, … 2mf ±1, 2mf ±2, … 3mf ±2,
3mf ±4, … 4mf ±1, 4mf ±5,…
Để dòng điện tải gần như dạng sóng sin, các hài trong dòng liên kết dc tại các tần số
được cho bởi:
(3.29)
Với l= 0, 2, 4, … ứng với k= 1, 5, 7, … và l= 1, 3, 5, … ứng với k= 2, 4, 6, … như
vậy h= l*mf ±k là dương và không là bội của 3. Ví dụ, hình 3.14h cho ta thấy hài thứ 6
(h=6), vì h=1*9 -2-1=6. Các kết quả tương tự có thể được đưa ra với các giá trị lớn và nhỏ
của mf như với các cấu hình 1 pha. Tuy nhiên, bởi vì biên độ tối đa của điện áp pha cơ bản
trong vùng tuyến tính (ma ≤1) là vi/2, nên biên độ tối đa của điện áp dây ngõ ra xoay chiều
của thành phần cơ bản là

. Vì vậy ta có thể viết:

(3.30)
Để tăng biên độ của điện áp tải, biên độ của tín hiệu điều chế c có thể được tạo ra
cao hơn biên độ của tín hiệu sóng mang v∆ , điều này dẫn đến sự quá điều chế. Mối quan
hệ giữa biên độ của điện áp dây ngõ ra xoay chiều cơ bản và điện áp liên kết dc trở nên
không tuyến tính như trong các bộ nghịch lưu nguồn áp một pha. Vì vậy, trong vùng quá
điều chế, giới hạn của điện áp dây là:

(3.31)
3.2. Hoạt động sóng vuông của các bộ nghịch lưu áp 3 pha(Square - Wave
Operation…)
Các giá trị lớn của ma trong kỹ thuật SPWM dẫ đến sự quá điều chế. Điều này được
biết như là hoạt động sóng vuông và được minh họa trong hình 3.15, với các van công suất
được đóng ở 1800. Trong chế độ hoạt động này, bộ nghịch lưu không thể điều khiển điện
áp tải ngoại trừ bằng phương pháp của điện áp liên kết dc vi. Biểu thức của điện áp dây
xoay chiều cơ bản:

(3.32)

LỚP ĐHĐT1B


Trang 33

ĐỒ ÁN:


Điện áp dây ngõ ra xoay chiều có chứa các hài fh, với h=6*k±1 (k= 1, 2, 3, … ) và và
biên độ của chúng tỉ lệ nghịch với bậc của hài (hình 3.15d). Công thức của các biên độ đó
là:

(3.33)

Hình 3.14 Chế độ hoạt động sóng vuông của bộ nghịch lưu áp 3 pha: (a) trạng thái
của công tắc S1; (b) trạng thái của công tắc S3; (c) điện áp ngõ ra xoay chiều; (d) phổ của
điện áp ngõ ra xoay chiều.
3.3.Sự loại trừ hài có chọn lọc trong các bộ nghịch lưu áp 3 pha.
Như trong các bộ nghịch lưu áp một pha, kỹ thuật loại trừ hài có chọn lọc có thể được
áp dụng với các bộ nghịch lưu áp 3 pha. Trong trường hợp này, các khóa công suất của mỗi
nhánh của bộ nghịch lưu được đóng ngắt để loại trừ một số các hài cho trước và để điều
khiển biên độ của điện áp pha. Trong nhiều ứng dụng, các điện áp dây ngõ ra nên cân bằng
và lệch pha nhau 1200, các hài là bội số của 3 (h= 3, 9,15, …) có thể được có mặt trong các
điện áp pha (vaN, vbN, vcN) và sẽ không xuất hiện trong các điện áp tải (vab, vbc, vca). Vì
vậy, các hài này không cần phải loại trừ, vì các góc đóng ngắt được dùng để chỉ loại trừ các
hài tại các tần số h= 5, 7, 11, 13, … .
Biểu thức để loại trừ một số hài được chọn cũng giống với các biểu thức được dùng
trong các bộ nghịch lưu 1 pha. Ví dụ, để loại trừ các hài thứ 5, 7 và để điều khiển biên độ
cơ bản (N=3), ta giải các phương trình sau:

(3.34)
Với các góc 1, 2, và 3 được xác định như trong hình 3.16(a) và được đánh dấu như
trong hình 3.17. Hình 3.16b cho thấy rằng, các hài thứ 3, 9, 15, … luôn có mặt trong các
điện áp pha; tuy nhiên, chúng không xuất hiện trong các điện áp dây (hình 3.16d)

LỚP ĐHĐT1B


Trang 34

ĐỒ ÁN:


Hình 3.15 Dạng sóng lý tưởng của bộ nghịch lưu áp 3 pha ứng với kỹ thuật SHE: (a)
sự loại trừ các hài thứ 5, 7 trong điện áp pha vaN; (b) phổ của (a); (c) sự loại trừ các hài
thứ 5, 7 trong điện áp dây vab; (d) phổ của (c).

Hình 3.16 Các góc đóng ngắt ứng với kỹ thuật SHE và sự điều khiển điện áp cơ bản
trong các bộ nghịch lưu áp 3 pha: sự loại trừ hài thứ 5 và 7.
3.4..Các kỹ thuật điều chế vector không gian cơ bản (Space-Vector-based
Modulating Techniques)
Hiện nay, các phương thức điều khiển được thực hiện trong các hệ thống số, và vì vậy
các kỹ thuật điều chế số cũng có thể được ứng dụng. Kỹ thuật điều chế vector không gian
cơ bản là một kỹ thuật số mà mục đích chính là tạo ra các điện áp dây của tải PWM mà nó
bằng mức trung bình của các điện áp dây của tải. Điều này được thực hiện trong mỗi thời
gian lấy mẫu bằng cách lựa chọn một cách thích hợp các trạng thái đóng ngắt từ một số
trạng thái hợp lý của bộ nghịch lưu áp (bảng 3.3) và tính toán chính xác các khoảng thời
gian chúng được sử dụng. Sự lựa chọn và tính toán thời gian tùy thuộc vào sự chuyển đổi
vector không gian.
3.4.1 Sự chuyển đổi vector không gian
Bất sự thay đổi trong nhóm 3 pha mà nó tăng thêm đối với các khung cố định abc
có thể được biểu diễn trong một mặt phẳng phức bởi một vector tổng hợp bao gồm một
thành phần thực () và một thành phần phức ( i). Ví dụ, vector của các tín hiệu điều chế dây

LỚP ĐHĐT1B


Trang 35

ĐỒ ÁN:


3 pha là

có thể được biểu diễn bằng vector tổng hợp
bằng các phương pháp chuyển đổi sau:
(3.35)

(3.36)
Nếu các tín hiệu điều chế dây [vc]abc là ba dạng sóng sin cân bằng cùng một biên độ
c và tần số góc , các tín hiệu điều chế được tạo thành trong khung khung tĩnh Vc = [vc ]
trở thành một vector của môđun c cố định, và nó quay với tần số (hình 3.18). Tương tự,
sự chuyển đổi vector không gian được áp dụng trong các điện áp dây của 8 trạng thái của
bộ nghịch lưu áp đối với vi (bảng 3.3), mà nó tạo ra 8 vector không gian (Vi, i= 1, 2, …8)
trong hình 3.18. Như được mong đợi, V1 đến V6 là các vector điện áp dây có giá trị
(nonnull) và V7 vàV8 là các vector điện áp dây vô hiệu.

Hình 3.17 Sự biểu diễn của vector không gian
Mục đích của kỹ thuật vector không gian thì gần giống với tín hiệu điều chế Vc với 8
vector không gian (Vi, i= 1, 2, …, 8) có sẵn trong các bộ nghịch lưu. Tuy nhiên, nếu tín
hiệu điều chế Vc được thiết lập giữa 2 vector bất kỳ Vi và Vi+1, thì chỉ nên dùng 2 vector
khác 0 gần nhất (Vi, Vi+1) và 1 vector không gian zero (Vz = v7 hoặc V8). Vì vậy, điện áp
tải tối đa được tối đa hóa và tần số đóng cắt được tối thiểu hóa. Để đảm bảo là điện áp được
tạo ra trong khoảng thời gian lấy mẫu Ts (các điện áp được qui định bởi các vector Vi,
Vi+1, và Vz được dùng trong các khoảng thời gian Ti, Ti+1, và Tz) thì bằng với vector Vc,
ta có biểu thức sau:
(3.37)
Kết quả của phần thực và phần ảo của biểu thức (3.37) ứng với điện áp dây của tải,
biên độ bị giới hạn trong khoảng: 0 ≤ c ≤ 1 từ đó:
Ti = Ts * c * sin(π/3 - )
(3.38)
Ti+1 = Ts * c *sin()
(3.39)
Tz = Ts – Ti – Ti+1
(3.40)

LỚP ĐHĐT1B


Trang 36

ĐỒ ÁN:


Các biểu thức ở trước xác định rằng biên độ tối đa của điện áp dây cơ bản là duy nhất
khi 0 ≤ ≤ π /3. Đây là điểm lợi thế hơn so với kỹ thuật SPWM và biên độ tối đa của điện
áp dây cơ bản là a
trong vùng hoạt động tuyến tính. Mặc dù, kỹ thuật điều chế vector
không gian chọn lọc các vector được sử dụng và tương ứng với với từng thời điểm chính
xác, nhưng sự lựa chọn của vector không gian zero và tần số lấy mẫu chuẩn vẫn chưa xác
định được.
Chẳng hạn như, nếu vector điện áp dây đang điều chế là vector 1 (hình 3.18), các
vector V1, V2, và Vz nên được sử dụng trong khoảng thời gian lấy mẫu lần lượt là T1, T2,
và Tz. Vẫn còn vấn đề được đặt ra là các chuỗi (i) V1 – V2 – Vz, (ii) Vz – V1 – V2 – Vz,
(iii) Vz – V1 – V2 – V1 – Vz, (iv) Vz – V1 – V2 – Vz – V2 – V1 – Vz , hoặc bất kỳ các
chuỗi nào khác thì thực tế là ta nên dùng chuỗi nào. Và cuối cùng, kỹ thuật này không xác
định được là vector zero nào ta nên dùng: V7, V8, hay là tổng hợp của 2 vector này.
3.4.2 Sự lựa chọn chuỗi vector không gian và vector zero
Chuỗi được dùng nên đảm bảo là các điện áp dây của tải có đặc tính đối xứng theo góc
phần tư (quarter-wave symetry) để giảm các hài không mong muốn trong các chuỗi của
chúng (các hài chẵn). Thêm vào đó, nên được thực hiện việc lựa chọn vector không gian
zero để giảm tần số đóng cắt. Mặc dù đây không là một phương pháp đối xứng để tạo ra
một chuỗi vector không gian, sự biểu diễn đồ thị cho tha thấy rằng các chuỗi Vi, Vi+1, Vz
(với Vz được lựa chọn luân phiên giữa V7 và V8) sẽ cho ta hiệu suất cao hơn trong việc
giảm thiểu các hài không mong muốn và giảm tần số đóng cắt.
a.Tần số lấy mẫu chuẩn.
Tần số sóng mang chuẩn mf trong các kỹ thuật điều chế độ rộng xung sóng mang cơ
bản 3 pha được chọn là một số nguyên lẻ bội của 3 (mf = 3*n; n= 1, 3, 5, … ). Vì vậy, ta có
thể giảm thiểu các hài kí sinh hoặc các hài không có ích trong các dạng sóng PWM. Một
phương pháp tương tự có thể được sử dụng trong kỹ thuật điều chế vector không gian để
giảm thiểu các hài không mong muốn. Do đó, ta chọn tần số lấy mẫu chuẩn fsn nên là một
số nguyên là bội của 6. Để tạo ra các điện áp dây cân xứng, tất cả các cung (sector) (tổng là
6) nên được dùng như nhau trong mỗi chu kì. Ví dụ, trong hình 3.19 cho ta thấy các dạng
sóng có liên quan của bộ nghịch lưu áp dùng kỹ thuật vector không gian ứng với fsn = 18
và c = 0.8. Hình 3.19 chứng thực rằng các hài đáng chú ý đầu tiên trong điện áp dây của
tải là tại tần số fsn, và tần số này cũng chính là tần số đóng cắt.

LỚP ĐHĐT1B


Trang 37

ĐỒ ÁN:


Hình 3.18 Các dạng sóng lý tưởng của bộ nghịch lưu áp ba pha ứng với kỹ thuật điều
chế vector không gian ( c = 0.8, fsn = 18): (a) các tín hiệu điều chế; (b) trạng thái của
công tắc S1, (c) trạng thái của công tắc S3; (d) điện áp ngõ ra xoay chiều; (e) phổ của (d);
(f) dòng điện ngõ ra xoay chiều; (g) dòng điện một chiều; (h) phổ của dòng điện một
chiều; (i) dòng qua công tắc S1; (j) dòng qua diode D1.
b. Dòng liên kết một chiều trong các bộ nghịch lưu áp 3 pha
Vì ta xem như bộ nghịch lưu là thiết bị không tiêu tán và cấu tạo của nó không chứa
các thành phần tích trữ năng lượng, nên công suất tức thời được xác định như sau:
(3.41)
Với ia(t), ib(t), ic(t) là các dòng điện pha của tải, xem hình 4.20. Nếu tải là cân bằng và
là tải cảm, tần số đóng cắt tương đối cao thì các dòng điện tải gần như là các dạng sóng sin
cân bằng. Mặt khác, nếu các điện áp ngõ ra xoay chiều được xem như là dạng sin và điện
áp liên kết một chiều được coi như là một hằng số vi(t)=Vi, biểu thức (4.41) được đơn giản
thành:

(3.42)
LỚP ĐHĐT1B


Trang 38

ĐỒ ÁN:


Với Vo1 là điện áp dây ngõ ra hiệu dụng cơ bản, Io là dòng điện pha hiệu dụng của tải,
và f là hệ số công suất của tải cảm bất kỳ. Như vậy, biểu thức của dòng điện liên kết một
chiều được rút gọn tiếp thành:
(3.43)
Với Il=
là dòng điện dây hiệu dụng của tải. Kết quả của biểu thức dòng điện liên
kết một chiều cho thấy các điện áp tải không chứa hài bậc thấp, so với các bộ nghịch lưu áp
một pha thì ở đây không xuất hiện hài bậc hai. Tuy nhiên, vì các điện áp dây của tải có
chứa các hài xung quanh tần số lấy mẫu chuẩn fsn, dòng điện liên kết một chiều sẽ vẫn
chứa các hài nhưng xung quanh tần số fsn như trong hình 3.19h.

Hình 3.19 Các dòng điện pha của tải được nối dạng tam giác (kiểu nối delta-∆)

5. Các điện áp pha của tải trong các bộ nghịch lưu áp 3 pha.
Đôi khi tải được mắc dạng sao (Y) và các điện áp pha của tải là van, vbn, vcn (hình
4.21).

Hình 3.20 Các điện áp pha của tải được mắc dạng hình sao (Y)
Để xác định được chúng, ta nên xem các vector điện áp dây là:

(3.44)
Vector của điện áp dây có thể được viêt như là một hàm cảu vector điện áp pha [van
vbn vcn]T như là:

(3.45)

LỚP ĐHĐT1B


Trang 39

ĐỒ ÁN:


Biểu thức (3.45) trình bày một hệ thống tuyến tính với ẩn số là vector [van vbn vcn]T.
Nhưng hệ thống này ,vì vậy, các điện áp pha của tải không thể xác định bằng phương pháp
ma trận đảo. Tuy nhiên, nếu các điện áp pha , biểu thức (3.45) có thể được viết lại thành:

(3.46)
Và vì vậy:

(3.47)
Và nó có thể được rút gọn tiếp thành:

(3.48)
Biểu thức cuối cùng của các điện áp pha của tải là một hàm chỉ của vab và vbc. Hình
3.22 cho ta thấy các điện áp pha và điện áp dây đạt được khi dùng biểu thức (3.48).

Hình 3.21 Các điện áp pha và điện áp dây của bộ nghịch lưu áp 3 pha: (a) điện áp
dây vab của tải; (b) điện áp pha van của tải.
LỚP ĐHĐT1B


Trang 40

Dieu khien dong_co_dung_bien_tan_abb

Dieu khien dong_co_dung_bien_tan_abb

Recommended

Recommended

More Related Content

What's hot

What's hot (18)

Similar to Dieu khien dong_co_dung_bien_tan_abb

Similar to Dieu khien dong_co_dung_bien_tan_abb (20)

Dieu khien dong_co_dung_bien_tan_abb