RealEDU.

1. NHAØ XUAÁT BAÛN
ÑAÏI HOÏC QUOÁC GIA TP. HOÀ CHÍ MINH
ĐIỀU KHIỂN THIẾT BỊ
ĐIỆN CÔNG NGHIỆP
60
TRẦN QUANG THỌ (Chủ biên)
NGUYỄN VINH QUAN

2. 1
TS. TRẦN QUANG THỌ (Chủ biên),
TS. NGUYỄN VINH QUAN
ĐIỀU KHIỂN THIẾT BỊ
ĐIỆN CÔNG NGHIỆP
NHÀ XUẤT BẢN ĐẠI HỌC QUỐC GIA
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH - NĂM 2022

3. 2

4. 3
LỜI GIỚI THIỆU
Điều khiển là quá trình thu thập, xử lý thông tin, và tác động lên hệ
thống để đạt thông số mong muốn. Điều khiển hệ thống điện công nghiệp là
quá trình điều khiển kết hợp các thành phần trong hệ thống điện để đạt được
mục tiêu theo mức điều khiển tương ứng. Một hệ thống điện thông thường
bao gồm nguồn phát điện, hệ thống truyền tải – phân phối, và các phụ tải. Hệ
thống điện có thể có qui mô lớn và quản lý vận hành ở cấp quốc gia hay vùng
miền thông qua các cấp điều độ. Trong tài liệu này, hệ thống điện công nghiệp
được hiểu với qui mô nhỏ hơn ở cấp cơ sở công nghiệp. Hệ thống điện công
nghiệp này có thể nối với lưới điện quốc gia hoặc chỉ là một hệ thống điện
công nghiệp độc lập. Khi hoạt động độc lập với lưới điện quốc gia, hệ thống
này trở thành một hệ thống điện nhỏ hay còn gọi là Micro-grid. Các thành
phần chính trong hệ thống điện công nghiệp thường bao gồm:
Các nguồn điện phân tán trong hệ thống điện công nghiệp có thể ở
dạng máy phát đồng bộ với nguồn cơ năng từ động cơ đốt trong sử dụng
dầu diesel, nhiệt điện than, khí, tua bin thủy điện nhỏ, v.v. Ngoài ra, các
nguồn điện này có thể sử dụng năng lượng tái tạo như gió, mặt trời hay pin
nhiên liệu ở dạng dự trữ sẵn thông qua các bộ nghịch lưu nối lưới. Đối với
năng lượng tái tạo, xu hướng sử dụng năng lượng này hiện nay ngày càng
nhiều vì có các ưu điểm về môi trường và bền vững. Tuy nhiên, sự phổ
biến của nguồn năng lượng tái tạo cũng gây ảnh hưởng tiêu cực đáng kể
đến hệ thống điện do sự phụ thuộc vào thời tiết.
Đường dây truyền tải: cấp điện áp trong hệ thống điện công nghiệp
thông thường ở cấp trung áp và hạ áp với qui mô nhỏ có các thiết bị đóng
cắt và thiết bị bù lọc để nâng cao chất lượng điện năng.
Phụ tải trong hệ thống điện công nghiệp thông thường bao gồm các
máy sản xuất sử dụng các loại động cơ điện thông qua các bộ biến đổi
công suất. Đối với động cơ điện một chiều, các bộ biến đổi có thể là các
bộ chỉnh lưu có điều khiển, bộ biến đổi một chiều tăng áp và giảm áp. Đối
với động cơ điện xoay chiều 3 pha, các bộ biến đổi có thể là các bộ nghịch
lưu như biến tần.
Để vận hành hiệu quả hệ thống điện công nghiệp, tất cả các thành
phần phải được điều khiển theo các qui định, tiêu chuẩn và được ban hành
bởi các cơ quan quản lý chuyên ngành. Mức độ điều khiển các thành phần
này tùy thuộc vào qui mô, cấp độ quản lý cũng như hiệu quả kinh tế và an
ninh năng lượng yêu cầu của hệ thống.

5. 4
Sách Điều khiển thiết bị điện công nghiệp này tập trung vào nguyên
lý điều khiển vận hành các thiết bị điện trong hệ thống điện công nghiệp
một cách độc lập hoặc kết hợp với các thành phần của hệ thống. Nội dung
trong tài liệu này sẽ trình bày cơ sở xây dựng mô hình toán các thành phần
trên Matlab/Simulink và mô phỏng điều khiển vận hành với các giả định
gần với thực tiễn nhất có thể. Các file mô phỏng cũng được trình bày trên
kênh youtube của tác giả Tran Quang Tho.
Nhóm tác giả hy vọng tài liệu này có thể giúp độc giả là sinh viên,
học viên cao học cũng như nghiên cứu sinh chuyên ngành liên quan, có
các khái niệm cơ bản về các thành phần trong các thiết bị điện công nghiệp
cũng như phương pháp điều khiển chúng để vận hành hiệu quả hơn về mặt
kinh tế và an ninh năng lượng.
Nội dung của tài liệu gồm các chương sau:
Chương 1: Tổng quan điều khiển thiết bị điện công nghiệp
Chương 2: Các bộ biến đổi công suất
Chương 3: Điều khiển động cơ một chiều
Chương 4: Điều khiển tốc độ động cơ không đồng bộ 3 pha
Chương 5: Điều khiển bộ sạc pin
Tài liệu sử dụng các file hình vẽ và tính toán mô phỏng dựa trên phần
mềm Matlab/Simulink (2019b). Một số thuật ngữ hay các ký hiệu chuyên
môn trong tài liệu có thể được sử dụng bằng tiếng Anh nhằm mục đích để
người đọc có thể thuận tiện tra cứu thêm các thuật ngữ liên quan này trên
mạng internet.
Nhóm tác giả mong nhận được góp ý của độc giả để lần tái bản sau
hoàn thiện hơn. Mọi ý kiến đóng góp xin gởi về tác giả:
Tiến sĩ Trần Quang Thọ - Khoa Điện - Điện tử - Trường Đại học Sư
phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh,
Số 1 Võ Văn Ngân, P. Linh Chiểu, TP Thủ Đức, TP Hồ Chí Minh
Email: thotq@hcmute.edu.vn
Điện thoại: 09876 34085
Chào trân trọng! TP HCM, ngày 18 tháng 7 năm 2022.
Nhóm tác giả

6. 5
MỤC LỤC
Trang
LỜI GIỚI THIỆU......................................................................................3
MỤC LỤC.................................................................................................5
DANH SÁCH CÁC CHỮ VIẾT TẮT.......................................................8
CÁC KÝ HIỆU........................................................................................10
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ ĐIỀU KHIỂN THIẾT BỊ
ĐIỆN CÔNG NGHIỆP........................................................................15
1.1 Tính cần thiết của điều khiển tự động thiết bị điện......................15
1.2 Các mô hình điều khiển.
...............................................................16
1.3 Mức độ điều khiển.
.......................................................................18
1.4 Tiêu chuẩn đánh giá.
.....................................................................20
1.5 Phần mềm mô phỏng....................................................................22
1.5.1 Giao diện của Matlab/Simulink.
...........................................23
1.5.2 Sử dụng Matlab/Simulink....................................................25
1.5.3 Sử dụng hình từ trong Matlab/Simulink..............................29
CHƯƠNG 2. CÁC BỘ BIẾN ĐỔI CÔNG SUẤT............................35
2.1 Sự phát triển của linh kiện bán dẫn công suất..............................35
2.2 Các bộ biến đổi dc........................................................................36
2.2.1 Mạch giảm áp.......................................................................36
2.2.2 Mạch tăng áp........................................................................39
2.2.3 Mạch tăng/giảm áp...............................................................60
2.3 Bộ chỉnh lưu có điều khiển 1 pha.
................................................64
2.4 Bộ chỉnh lưu có điều khiển 3 pha.
................................................70
2.4.1 Mô hình mô phỏng...............................................................70
2.4.2 Khảo sát sóng hài.................................................................72
2.5 Bộ nghịch lưu 1 pha.....................................................................75
2.5.1 Bộ nghịch lưu 1 pha 2 bậc.
...................................................75
2.5.2 Bộ nghịch lưu 1 pha đa bậc ghép tầng.................................82
2.6 Bộ nghịch lưu 3 pha.....................................................................89
2.6.1 Nghịch lưu 2 bậc..................................................................89
2.6.2 Nghịch lưu 3 pha đa bậc.
......................................................95

7. 6
CHƯƠNG 3. ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU................105
3.1 Mô hình động cơ........................................................................105
3.1.1 Mô hình liên tục.................................................................106
3.1.2 Mô hình rời rạc...................................................................109
3.2 Điều chỉnh tốc độ động cơ.........................................................111
3.2.1 Sử dụng bộ chỉnh lưu cầu 1 pha.........................................111
3.2.2 Sử dụng bộ biến đổi DC-DC giảm áp................................113
3.2.3 Sử dụng bộ biến đổi DC-DC tăng áp.................................115
3.2.4 Sử dụng bộ biến đổi DC-DC tăng/giảm áp........................117
3.3 Xác định tham số bộ điều khiển.................................................118
3.3.1 Phương pháp Zigler-nichols...............................................119
3.3.2 Phương pháp giải thuật di truyền GA.
................................125
3.3.3 Phương pháp giải thuật tối ưu bầy đàn PSO......................129
3.4 Điều khiển tốc độ động cơ một chiều không chổi than..............136
CHƯƠNG 4. ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ 3 PHA............143
4.1 Động cơ không đồng bộ 3 pha...................................................143
4.2 Mô hình động cơ...................................................................147
4.2.1 Sơ đồ thay thế 1 pha...........................................................147
4.2.2 Xây dựng mô hình..............................................................149
4.3 Điều khiển tốc độ động cơ sử dụng nguyên lý V/f bằng
hằng số..............................................................................................152
4.3.1 Cài đặt tham số cho mô hình..............................................153
4.3.2 Kết quả mô phỏng..............................................................154
4.3.3 Mô hình động cơ 15kW sử dụng nghịch lưu.
.....................156
4.4 Sử dụng bộ điều khiển PI và điều khiển chế độ trượt................163
4.4.1 Mô hình sử dụng bộ điều khiển PI.....................................165
4.4.2 Nguyên lý điều khiển chế độ trượt.....................................168
4.4.3 Cài đặt tham số...................................................................175
4.4.4 Kết quả và nhận xét............................................................176
4.5 Điều khiển động cơ không đồng bộ 3 pha sử dụng phương
pháp MPC.........................................................................................183
4.5.1 Nguyên lý điều khiển dự báo dựa vào mô hình.................183
4.5.2 Xây dựng mô hình MPC....................................................188
4.5.3 Kết quả khảo sát.................................................................190
4.6 Động cơ đồng bộ 3 pha..............................................................193

8. 7
CHƯƠNG 5. ĐIỀU KHIỂN BỘ SẠC PIN......................................199
5.1 Nhu cầu sử dụng pin sạc............................................................199
5.2 Các tiêu chuẩn bộ sạc pin xe điện..............................................200
5.3 Các nghiên cứu liên quan...........................................................202
5.4 Nguyên lý hệ thống sạc..............................................................203
5.4.1 Mạch chỉnh lưu cầu 1 pha..................................................204
5.4.2 Mạch tăng áp một chiều.....................................................205
5.4.3 Bộ biến đổi cầu H tích cực kép DAB.................................208
5.4.4 Nguyên lý điều khiển.........................................................211
5.4.5 Mô hình bộ pin sạc.............................................................214
5.5 Ảnh hưởng của nhiệt độ.............................................................216
5.6 Kết quả và nhận xét....................................................................218
5.7 Lọc sóng hài...............................................................................226
TÀI LIỆU THAM KHẢO...................................................................230

9. 8
DANH SÁCH CÁC CHỮ VIẾT TẮT
Viết tắt Mô tả
AC Điện xoay chiều (Alternating current)
AI Trí tuệ nhân tạo (Artificial intelligence)
BEV Xe chạy hoàn toàn bằng điện (Battery electric vehicle)
BLDC Động cơ một chiều không chổi than (Brusless DC)
CB Cầu dao tự động (Circuit breaker)
CMSI
Nghịch lưu 1 pha đa bậc ghép tầng (Casdaded multilevel
single- phase inverter)
CMV Điện áp cân bằng điểm trung tính (Common mode voltage)
CPU Bộ điều khiển trung tâm (Central processing unit)
D Độ rộng xung kích [pu] (Duty)
DAB Cầu H tích cực kép (Dual active bridge)
DC Điện một chiều (Direct current)
DG Nguồn điện phân tán (Distributed generaion)
FFT Biến đổi Fourier nhanh (Fast Fourier transform)
GA Giải thuật di truyền (Genetic algorithm)
HB Độ rộng băng bão hòa (Hysteresis bandwidth)
HCC
Bộ điều khiển bão hòa dòng điện (Hysteresis current con-
troller)
IGBT
Transistor cực cổng cách ly (Insulated gate bipolar transis-
tor)
INC Kỹ thuật gia tăng điện dẫn (Incremental conductance)
MC Công tắc tơ điện từ (Magnetic contactor)
MCB Cầu dao tự động cỡ nhỏ (Miniature circuit breaker)
MCCB Cầu dao tự động (Molded case circuit breaker)
MPC Điều khiển dự báo dựa vào mô hình (Model predictive control)
MPP Điểm công suất cực đại (Maximum power point)

10. 9
MPPT Dò điểm công suất cực đại (Maximum power point tracking)
OBC Bộ sạc theo xe (On-board battery charger)
OL Rơ le nhiệt (Overload relay)
P&O Kỹ thuật nhiễu và giám sát (Perturb & Observe)
PD Phân bố đồng pha (Phase disposition)
PFC Bộ bù hệ số công suất (Power factor correction)
PID
Khâu tỉ lệ-tích phân-vi phân (Proportional integral deriva-
tive)
PLC Bộ điều khiển lập trình (Programmable logic controller)
PMSM
Động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu (Permanent magnet
synchronous motor)
POD Phân bố ngược pha (Phase opposite disposition)
PR Khâu tỉ lệ cộng hưởng (Proportional resonance)
PSO Tối ưu bầy đàn (Particle swarm optimization)
PT Màn hình khả trình (Programmable terminal)
PWM Điều rộng xung (Pulse width modulation)
SAE Hiệp hội các kỹ sư ô tô (Society of Automotive Engineers)
SCR
Chỉnh lưu bán dẫn có điều khiển (Semiconductor controlled
rectifier)
SMC Điều khiển chế độ trượt (Sliding mode control)
SPWM
Điều rộng xung theo sóng sin (Sinousoidal pulse width
modulation)
SVC Điều khiển vector không gian (Space vector control)
SVPWM
Điều chế vector không gian (Space vector pulse width mod-
ulation)
THD Độ méo hài toàn phần (Total harmonic distortion)
UPS Bộ nguồn dự phòng (Uninterruptible power supply)

11. 10
CÁC KÝ HIỆU
KÝ HIỆU MÔ TẢ
a Góc kích
Ac
Biên độ sóng mang
B Hệ số ma sát dính
Cf
Tụ lọc
Co
Tụ lọc ngõ ra
D Độ rộng xung kích [pu] (Duty)
Dboo
Độ rộng xung kích mạch tăng áp
DVo
Độ nhấp nhô điện áp trên tụ
Ea
Sức điện động phần ứng
f, Y Từ thông
fc
Tần số sóng mang
fm
Tần số nguồn cơ bản
fsw
Tần số chuyển mạch
G Tín hiệu chuẩn hóa
I Dòng điện
I_sol
Dòng điện dàn pin mặt trời
Ia
Dòng điện phần ứng
Ian
Dòng điện phần ứng định mức
Ibat
Dòng điện pin
ic
Dòng điện qua tụ
If
Dòng điện kích từ
iL
Dòng điện qua điện cảm
ILoad
Dòng điện tải
In
Biên độ dòng điện bậc n
Io
Dòng điện ngõ ra
Is Dòng điện nguồn xoay chiều
Is-ave
Dòng điện trung bình

12. 11
iT
Dòng điện qua transistor
J Mô men quán tính
K Hằng số mô men
Ki
Hệ số khâu tích phân
Kp
Hệ số khâu tỉ lệ
L Điện cảm
La
Điện cảm phần ứng
Lb
Điện cảm mạch tăng áp
Lf
Điện cảm bộ lọc
Li
Điện cảm ngõ vào
Lo
Điện cảm lọc ngõ ra
m Chỉ số điều chế
n Số bậc của nghịch lưu
N Số trạng thái
Npar
Số cell pin ghép song song
ns
Tốc độ đồng bộ
Nser
Số cell pin ghép nối tiếp
p Số đôi cực từ
P Công suất tác dụng
Pac
Công suất xoay chiều
Pdc
Công suất một chiều
q Góc pha
Q Công suất phản kháng
Qu
Tín hiệu lượng hóa mức điện áp
R Điện trở
RLoad
Điện trở của phụ tải
Rs
Điện trở stator
s Độ trượt tốc độ
T Mô men

13. 12
Td
Mô men động cơ
te
Hằng số thời gian điện từ
Te
Mô men điện từ
Tf
Mô men ma sát dính
Ti
Thời hằng khâu tích phân
TL
Mô men tải
tm
Hằng số thời gian cơ học
Tn
Mô men định mức
toff
Thời gian ngắt
ton
Thời gian đóng
Ts
Chu kỳ lấy mẫu
Tsw
Chu kỳ chuyển mạch
urd
Điện áp rotor trục d
urq
Điện áp rotor trục q
usd
Điện áp stator trục d
usq
Điện áp stator trục q
V Điện áp
V_sol
Điện áp dàn pin mặt trời
Vaver
Điện áp trung bình
Vbat
Điện áp pin
Vcm
Điện áp cân bằng điểm trung tính
Vdc
Điện áp một chiều
Vi
Điện áp nghịch lưu
VL
Điện áp rơi trên điện cảm
VLL
Điện áp dây
Vn
Biên độ điện áp bậc n
Vo
Điện áp ngõ ra
Vpr
Điện áp phía sơ cấp
Vref
Điện áp đặt

14. 13
Vs
Điện áp nguồn xoay chiều
Vse
Điện áp phía thứ cấp
Vsmax
Biên độ điện áp nguồn
Vt
Điện áp đầu cực
w Tần số góc
wc
Tần số góc của sóng mang
ws
Tần số đồng bộ góc
XLr
Điện kháng cuộn cảm cộng hưởng
y Số pha
φ Góc lệch pha
φm
Góc lệch pha của điện áp đặt

15. 14

16. 15
CHƯƠNG 1.
TỔNG QUAN VỀ ĐIỀU KHIỂN THIẾT BỊ
ĐIỆN CÔNG NGHIỆP
1.1 Tính cần thiết của điều khiển tự động thiết bị điện
Sự phát triển kinh tế xã hội đòi hỏi nâng cao nhu cầu tiện nghi và tự
động hóa trong mọi lĩnh vực. Trong đó, hệ thống điện công nghiệp là một
trong các lĩnh vực quan trọng. Hệ thống điện công nghiệp phát triển sẽ hỗ
trợ đắc lực cho công cuộc phát triển kinh tế xã hội. Các thành phần thiết bị
điện trong hệ thống điện công nghiệp hiện diện trong lĩnh vực sản xuất và
tiêu dùng và cần được điều khiển vận hành để đảm bảo an ninh năng lượng
và hiệu quả kinh tế.
Một hệ thống điện thông thường [1] bao gồm các thành phần như
hình 1-1.
Hình 1‑1. Sơ đồ khối hệ thống điện
Trong đó:
Các nguồn điện phân tán trong hệ thống điện công nghiệp có thể

17. 16
ở dạng máy phát đồng bộ với nguồn cơ năng từ máy phát dầu diesel,
nhiệt điện than, khí, tua bin thủy điện nhỏ, v.v. Ngoài ra, các nguồn
điện này có thể sử dụng năng lượng tái tạo như gió, mặt trời hay pin
nhiên liệu ở dạng dự trữ sẵn thông qua các bộ nghịch lưu nối lưới. Đối
với năng lượng tái tạo, xu hướng sử dụng năng lượng này hiện nay ngày
càng nhiều vì có các ưu điểm về môi trường. Tuy nhiên, sự phổ biến
của nguồn năng lượng tái tạo cũng gây ảnh hưởng tiêu cực đáng kể đến
hệ thống điện.
Đường dây truyền tải: cấp điện áp trong hệ thống điện công nghiệp
thông thường ở cấp trung áp và hạ áp với qui mô nhỏ có các thiết bị đóng
cắt và thiết bị bù lọc để nâng cao chất lượng điện năng.
Phụ tải trong hệ thống điện công nghiệp thông thường bao gồm
các máy sản xuất sử dụng các loại động cơ điện thông qua các bộ biến
đổi công suất. Đối với động cơ một chiều, các bộ biến đổi có thể là
các bộ chỉnh lưu có điều khiển, bộ biến đổi một chiều tăng áp và giảm
áp. Đối với động cơ xoay chiều 3 pha, các bộ biến đổi có thể là các bộ
nghịch lưu như biến tần.
Để vận hành hiệu quả hệ thống điện công nghiệp, tất cả các thành
phần phải được điều khiển theo các qui định, tiêu chuẩn và được ban hành
bởi các cơ quan quản lý chuyên ngành. Mức độ điều khiển các thành phần
này tùy thuộc vào qui mô, cấp độ quản lý cũng như hiệu quả kinh tế và an
ninh năng lượng yêu cầu của hệ thống.
Trong lĩnh vực sản xuất và tiêu dùng, các thành phần thiết bị điện đòi
hỏi mức độ hiệu suất và khả năng tự động hóa ngày càng cao. Cùng với sự
phát triển của IoT, các thiết bị điện có tính năng tiện nghi ngày càng nhiều.
Do đó, việc nghiên cứu và điều khiển các thiết bị này sẽ góp phần nâng cao
hiệu quả của hệ thống điện công nghiệp.
1.2 Các mô hình điều khiển
Về cơ bản, có 2 loại mô hình, đó là mô hình xác lập và mô hình động
hay mô hình quá độ. Ngoài ra, còn có các khái niệm về mô hình không
gian trạng thái. Ví dụ, trên hình 1-2 là mô hình xác lập của phần ứng động
cơ một chiều. Trong khi mô hình quá độ của phần ứng động cơ một chiều
được thể hiện trên hình 1-3. Hình 1-4 là sơ đồ thay thế một pha của động
cơ không đồng bộ 3 pha ở chế độ xác lập.
Tuy nhiên, trong thực tế có thể có các loại mô hình khác tùy thuộc
vào các quan điểm phân loại khác nhau.

18. 17
(a) Hình ảnh minh họa cấu tạo
(b) Mô hình xác lập
của phần ứng
Hình 1‑2. Mô hình xác lập của động cơ một chiều kích từ độc lập
Hình 1‑3. Mô hình quá độ của động cơ một chiều kích từ độc lập
Hình 1‑4. Mô hình xác lập

19. 18
1.3 Mức độ điều khiển
Thông thường có 3 mức độ điều khiển trong hệ thống điện công
nghiệp, đó là điều khiển ở mức sơ cấp cho cấp độ nhà máy, điều khiển ở
mức thứ cấp để kiểm soát chất lượng cho khu vực, và điều khiển ở mức độ
nâng cao để vận hành kinh tế như hình 1-5.
Hình 1‑5. Các cấp độ điều khiển trong hệ thống điện công nghiệp
Ở mức độ điều khiển sơ cấp (Primary control), việc điều khiển
nhằm mục đích đạt các thông số kỹ thuật của thiết bị trong phạm vi nhà
máy. Ví dụ: một bộ nghịch lưu nối lưới khi thực hiện điều khiển ở mức
độ sơ cấp, chủ yếu điều khiển để phát công suất tác dụng vào lưới điện
và đảm bảo các tiêu chuẩn chất lượng điện năng. Tương tự như vậy,
việc điều khiển một máy phát điện đồng bộ sử dụng động cơ diesel ở
mức độ nhà máy nhằm điều khiển điện áp và tần số theo nguồn lưới
đang kết nối.
Ở mức độ điều khiển thứ cấp (Secondary control), việc điều khiển
các thiết bị nhằm mục đích đạt các thông số chất lượng kỹ thuật cho một
khu vực. Ví dụ, việc điều khiển kết hợp các nguồn phát điện và phụ tải
trong một khu vực để đảm bảo ổn định chất lượng điện năng và an toàn
cho hệ thống điện của khu vực.
Trong khi đó, ở mức độ điều khiển nâng cao (Tertiary control), ngoài
mục tiêu ổn định hệ thống, công tác điều độ trong quá trình điều khiển sẽ
hướng đến vận hành kinh tế. Khi đó, việc điều khiển được thực hiện bằng
cách điều khiển kết hợp các loại nguồn phát điện với những mức công suất
khác nhau ở những vị trí khác nhau vào những thời điểm khác nhau nhằm
thỏa mãn cực tiểu chi phí phát điện. Trong quá trình này, có thể cắt bớt phụ
tải hoặc nguồn phát điện.

20. 19
Do đó, mức độ điều khiển sơ cấp của mọi thiết bị điện là nền tảng cơ
bản của điều khiển hệ thống điện công nghiệp.
controller object
C(t)
U(t)
R(t)
Hình 1‑6. Nguyên lý điều khiển vòng hở
Hơn nữa, trong điều khiển, tùy thuộc vào mức độ điều khiển với
các yêu cầu khác nhau, có thể sử dụng nguyên lý điều khiển vòng hở hay
điều khiển vòng kín như hình 1-6 và 1-7. Ví dụ, để điều khiển vận hành
di chuyển theo các hướng của một cầu trục, người vận hành sử dụng bộ
điều khiển cầm tay để điều khiển trực tiếp cơ cấu di chuyển của cầu trục.
Khi đó, hệ thống có vẻ như sử dụng nguyên lý điều khiển vòng hở. Tuy
nhiên, bản chất của điều khiển luôn là vòng kín. Bởi vì trong quá trình điều
khiển, người vận hành sử dụng các giác quan của mình để nhận biết thông
số trạng thái của hệ thống cầu trục, từ đó tác động vào các nút bấm của bộ
điều khiển cầm tay nhằm đạt mục tiêu di chuyển của cầu trục. Thêm vào
đó, khi điều khiển vòng hở, việc điều khiển có thể gây mất an toàn và khó
có thể đạt được mục tiêu điều khiển hệ thống.
controller object
sensor
C(t)
U(t)
R(t)
Cf(t)
E(t)
-
+
N(t)
Hình 1‑7. Nguyên lý điều khiển vòng kín
Có nhiều phương pháp điều khiển được sử dụng để điều khiển các
thành phần của hệ thống điện công nghiệp và thường được phân nhóm
như hình 1-8. Phương pháp điều khiển sử dụng trí thông minh nhân tạo
AI (Artificial intelligence) ngày càng được sử dụng nhiều như: logic mờ,
mạng nơ ron, mạng nơ ron mờ dựa trên cơ sở dữ liệu và học máy. Các

21. 20
giải thuật di truyền GA (Genetic algorithm), tối ưu bầy đàn PSO (Particle
swarm optimization), Cookoo search, Harmony search, v.v, cũng có thể
xem là phương pháp AI vì dựa vào thông tin tri thức. Phương pháp điều
khiển bão hòa (Hysteresis) thường sử dụng điều khiển dòng, điều khiển
trực tiếp công suất, v.v. Phương pháp điều khiển dự báo MPC (Model
predictive control) thường dựa vào mô hình để hiệu chỉnh việc điều khiển.
Phương pháp chế độ trượt SMC (Sliding mode control) có thể điều khiển
một đại lượng bất kỳ thông qua việc điều chỉnh mặt trượt.
Trong đó, các phương pháp điều khiển tuyến tính (Linear) như
sử dụng các bộ điều khiển PID (Proportional integral derivative)
hay PR (Prportional resonance) là phổ biến nhất vì tính đơn giản và hiệu
quả của chúng.
Control
methods
Sliding mode
Linear
Hysteresis
Artificial
intelligence
Prediction
Hình 1‑8. Các phương pháp điều khiển thường dùng
Trong từng mức độ và yêu cầu cụ thể, có thể sử dụng một phương pháp
hay nhiều phương pháp điều khiển kết hợp nhằm đạt mục tiêu điều khiển.
1.4 Tiêu chuẩn đánh giá
Để đánh giá chất lượng của việc điều khiển một hệ thống, thông
thường các chỉ tiêu kỹ thuật cũng như kinh tế được xem xét một cách định
lượng. Các chỉ tiêu kỹ thuật thông thường bao gồm:
Tính ổn định
Sai số xác lập
Đáp ứng động

22. 21
Độ vọt lố
Tiêu chuẩn chất lượng điện năng: tiêu chuẩn sóng hài dòng điện,
điện áp
Tiêu chuẩn chống cô lập
Tổn thất công suất
0 1 2 3 4 5 6
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2
Step Response
Time (seconds)
Amplitude
Steady-state error
Settling time
Hình 1‑9. Sai số xác lập
0 1 2 3 4 5 6 7 8
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2
1.4
1.6
Step Response
Time (seconds)
Amplitude
Overshoot
Hình 1‑10. Độ vọt lố
Để đảm bảo vận hành an toàn và hiệu quả hệ thống điện công nghiệp,
các cơ quan quản lý vận hành ban hành các tiêu chuẩn cụ thể cho các thông
số kỹ thuật liên quan [2], [3]. Các tiêu chuẩn chất lượng điện năng đã được

23. 22
các cơ quan vận hành hệ thống điện ban hành như: IEEE-929 (2000) [4];
IEEE-1547 (2009) và giới hạn sóng hài IEEE 519-2014 [2], [5], [6] của
Mỹ; tiêu chuẩn IEC 62116 (2005) về cô lập DG; IEC 61727 (2007); các
tiêu chuẩn EN 50160 ở châu Âu; VDE 0126 (2006) của Đức; thông tư 30
BCT (2019) của Bộ Công thương Việt Nam, v.v, trong đó, các tiêu chuẩn
về tần số khi kết nối lưới, giới hạn sóng hài và tổng trở bộ lọc cũng rất
nghiêm ngặt đối với thiết bị nối lưới.
Như vậy, để thỏa mãn các tiêu chuẩn kỹ thuật và góp phần nâng
cao chất lượng điện năng của hệ thống điện công nghiệp, cần phải có các
nghiên cứu sâu hơn để điều khiển hệ thống điện công nghiệp hiệu quả hơn
về mặt kinh tế và an ninh năng lượng.
1.5 Phần mềm mô phỏng
Hiện nay có nhiều phần mềm được sử dụng để hỗ trợ mô phỏng điều
khiển và kết nối phần cứng cho các thiết bị điện từ nhiều hãng khác nhau.
Trong lĩnh vực điều khiển các thiết bị lập trình như PLC (Programmable
logic controller) và màn hình HMI (Human machine interface) sẽ có các
phần mềm hỗ trợ lập trình đi kèm như: CX-One của Omron, Tia Portal của
Siemens, GX Developer của Mitsubishi, v.v. Trong lĩnh vực tự động và
điều khiển trang bị điện có phần mềmAutomation StudioTM
của hãng Famic
Technologies Inc. Ngoài ra, trong lĩnh vực mô phỏng còn có các phần mềm
như MATLAB
của hãng Mathworks
, PSIM của hãng PowerSim, v.v.
Mỗi phần mềm sẽ có các ưu điểm riêng và tùy vào nhu cầu cụ thể để có
các ứng dụng phù hợp. Thêm vào đó, vấn đề hỗ trợ kỹ thuật cũng như bản
quyền cũng cần được cân nhắc khi lựa chọn để sử dụng.
Trong tài liệu này, phần mềm Matlab
/Simulink
được lựa chọn để
hỗ trợ việc mô phỏng điều khiển các bộ biến đổi điện năng. Bởi vì, phần
mềm này có cộng đồng người sử dụng rất lớn, trong nhiều lĩnh vực khác
nhau cũng như hỗ trợ cho giáo dục rất mạnh. Hơn nữa, với sự phát triển
vượt bậc của máy vi tính về tốc độ xử lý và giá thành máy tính ngày càng
rẻ đã giúp cho phần mềm Matlab được sử dụng dễ dàng trên các máy tính
có cấu hình trung bình. Ngoài ra, hãng Mathworks còn cho phép xây dựng
mô hình mô phỏng trực tuyến qua mạng internet. Tuy nhiên, tính năng chỉ
ở mức tương đối cơ bản, không đầy đủ như phần mềm cài sẵn, nhưng vẫn
đủ dùng. Trong tương lai, với sự phát triển của mạng internet 5G cũng như
6G, tốc độ truyền tải qua internet rất cao có thể tạo ra khả năng làm việc
rộng lớn cho phần mềm này.

24. 23
1.5.1 Giao diện của Matlab/Simulink
Tùy thuộc vào sở thích và cách sử dụng của mỗi người dùng sẽ có
các cách thức thực hiện khác nhau. Tài liệu này trình bày theo cách sử
dụng mang tính chủ quan của cá nhân tác giả. Quan điểm này có thể không
giống với quan điểm sử dụng của độc giả.
Phần mềm Matlab/Simulink có dung lượng rất lớn (trên 20 GB) vì
ứng dụng cho nhiều lĩnh vực khác nhau. Do đó, phần này chỉ giới thiệu thư
viện chứa các phần tử cơ bản liên quan đến việc mô phỏng điều khiển các
bộ biến đổi sử dụng linh kiện bán dẫn điện tử công suất. Trong mỗi phiên
bản phần mềm có những cải tiến bổ sung khác nhau với xu hướng cải tiến
ngày càng nhiều. Vì vậy, các phiên bản sau thường có dung lượng lớn hơn
phiên bản trước.
Khi khởi động phần mềm Matlab, giao diện sẽ xuất hiện như hình
1-11 với thư mục mặc định là thư mục gốc (Matlab/bin). Để làm việc, độc
giả nên chọn thư mục khác với thư mục gốc. Một điều cần lưu ý là tên các
file lưu giữ trong Matlab nên bắt đầu bằng chữ và không có khoảng trắng.
Hình 1‑11. Giao diện khi khởi động Matlab.

25. 24
Để điều chỉnh kích cỡ font chữ cho phù hợp với nhu cầu của mỗi
người dùng, độc giả có thể kích vào mục Preferences của menu HOME và
chọn mục Fonts àCustom để điều chỉnh như hình 1-12.
Hình 1‑12. Tùy chỉnh font chữ trong Matlab
Matlab/Simulink có một thư viện khổng lồ được đóng gói theo phần
mềm cài đặt cũng như có thể tải về từ trang chủ hay cộng đồng người sử dụng.
Hơn nữa, thư viện này cũng được phân loại theo từng lĩnh vực. Độc giả nên
tham khảo các file mô phỏng tạo sẵn này bằng cách gõ Simulink và nhấn Enter
trong cửa sổ Command Window hoặc kích vào biểu tượng có chữ simulink
ở menu HOME của giao diện Matlab trên hình 1-11. Sau đó, kích vào tab
Examples và chọn View all của mục mà độc giả quan tâm như sau:
Hình 1‑13. Tham khảo thư viện mô hình mô phỏng sẵn có

26. 25
1.5.2 Sử dụng Matlab/Simulink
Để xây dựng mô hình mô phỏng bằng Simulink của Matlab, người
sử dụng có thể tạo một file mới với tên file là VD_so_1 bằng cách kích
chuột phải trong cửa sổ Current Folder và đặt tên như sau:
(a)
(b)
(c)
Hình 1‑14. Khởi tạo file Simulink từ cửa sổ Current Folder
Ngoài ra, độc giả cũng có thể tạo file mô phỏng bằng cách kích vào
biểu tượng Simulink trên giao diện Matlab. Khi đó, một cửa sổ Simulink
Start Page xuất hiện, việc rê chuột vào Blank Model và kích vào Create
Model trên hình 1-15(a) cũng giúp tạo ra trang mô hình mô phỏng như
hình 1-15(b). Khi đó, file này sẽ có tên mặc định là untitled và độc giả có
thể đổi tên khác theo nhu cầu.
(a) (b)
Hình 1‑15. Khởi tạo file Simulink từ tab New
Hơn nữa, còn có nhiều cách khác để độc giả cũng có thể khởi tạo file
mô phỏng, như là từ Blank Project trên hình 1-15(a). Tuy nhiên, cần cài đặt
đường dẫn cho Project này.

27. 26
(a) (b)
Hình 1‑16. Mở thư viện của Simulink
Để tìm các phần tử trong thư viện, độc giả kích vào mục Library
Browser trên menu SIMULATION của trang mô hình VD_so_1. Khi đó,
các mục của thư viện sẽ xuất hiện như hình 1-16(a), sau đó kích chọn vào
phần tử mong muốn và kéo rê vào trang mô hình rồi thả ra. Ngoài ra, đối
với người dùng quen thuộc đã biết tên các phần tử trong thư viện Simulink
với những phiên bản mới gần đây, người dùng có thể kích đúp vào trang
mô hình và gõ vào tên của phần tử cần tìm bên cạnh biểu tượng kính lúp
như hình 1-16(b). Tài liệu này chủ yếu sử dụng các phần tử trong thư viện
của mục Simulink và Simscape/Electrical.
Có thể thực hiện mô phỏng trong Matlab với các chế độ khác nhau
như chế độ liên tục, chế độ rời rạc. Trong tài liệu này, chủ yếu thực hiện
mô phỏng cho mô hình Simulink ở chế độ rời rạc. Bởi vì, khi mô phỏng ở
chế độ rời rạc sẽ cho kết quả khảo sát gần với thực tiễn hơn so với chế độ
liên tục khi triển khai nhúng xuống phần cứng để thí nghiệm.
Để mô phỏng ở chế độ rời rạc (Discrete), tại tab MODELING, kích
vào biểu tượng Model Settings, một hộp thoại sẽ xuất hiện như sau:

28. 27
Hình 1‑17. Cài đặt thời gian lấy mẫu Ts
Khi đó, chọn Type: Fixed-step và Solver: discrete (no continuous
states) trong mục Solver selection. Kế tiếp, chọn Fixed-step size
(fundamental sample time): Ts. Trong đó, Ts là chu kỳ lấy mẫu để tính
toán khi mô phỏng.
Trong mô hình mô phỏng nếu có các phần tử của mạch động lực
(công suất) như điện trở, nguồn điện, v.v, một khối powergui phải được sử
dụng và cài đặt như hình sau:
Hình 1‑18. Chọn chế độ mô phỏng khi có phần tử mạch động lực (công suất)

29. 28
a) b)
Hình 1‑19. Khai báo thời gian lấy mẫu Ts
Khối powergui này có thể tìm trong thư viện của Simulink ở mục
Simscape/Electrical/Specialized Power Systems/Fundamental Blocks.
Đường dẫn tới khối này có thể hơi khác một chút tùy thuộc vào từng phiên
bản của phần mềm.
Có nhiều cách để khai báo thời gian lấy mẫu Ts
khi mô phỏng. Độc
giả có thể nhập giá trị Ts
trực tiếp từ Command Window bằng cách gõ
Ts
=2e-5. Giá trị 2e-5 trong Matlab có nghĩa là 2*10-5
và tương ứng với tần
số lấy mẫu fs
=1/(2*10-5
)=50 kHz. Ngoài ra, độc giả cũng có thể cài đặt Ts
trong cửa sổ của Workspace với Name là Ts
và Value bằng 2e-5. Với hai
cách nhập này, file mô phỏng có tên VD_so_1 sẽ không chứa tham số Ts
.
Do đó, khi sao chép và di chuyển file này đến một máy tính khác để chạy
mô phỏng, tham số Ts
cần phải được nhập lại.
Để tham số Ts
được khai báo đi kèm trong file Simulink, trong tài liệu
này chủ yếu thực hiện cài đặt Ts
thông qua mục InitFcn của tab Callbacks
trong thuộc tính mô hình Model Properties. Để mở thuộc tính này, kích
chuột phải vào nền trắng của trang file mô phỏng như hình 1-19(a). Khi đó
hộp thoại Model Properties sẽ mở ra như hình 1-19(b) để nhập Ts
.
Ngoài ra, trong tab Callbacks còn có nhiều mục khác có thể được
dùng để cài đặt và hỗ trợ cho quá trình mô phỏng.
Để cài đặt thời gian mô phỏng, độc giả có thể nhập vào mục
Stop Time với đơn vị là giây trong menu SIMULATION. Để thực

30. 29
hiện chạy hoặc dừng mô phỏng, kích vào biểu tượng RUN/STOP để
thực thi.
1.5.3 Sử dụng hình từ trong Matlab/Simulink
Hình 1‑20. Mô hình mạch chỉnh lưu cầu 1 pha
Giả sử một mô hình mô phỏng mạch chỉnh lưu cầu 1 pha được xây
dựng trong Matlab/Simulink có tham số như trên hình 1-20 với tải R=10 W
và L=0.1 H. Để trích xuất hình này sang các dạng trình bày khác trong các
ứng dụng của Microsoft Office như Word hay Powerpoint, kích vào menu
FORMAT, chọn Screenshot và chọn Send Windows Metafile to Clipboard
rồi dán (Ctrl+V) vào trang trình bày Word mong muốn. Khi đó, ta sẽ được
ảnh mong muốn như hình 1-21.
Hình 1‑21. Sao chép hình trên Simulink sang MS Word

31. 30
Để khảo sát dạng sóng mô phỏng, các scope được sử dụng để quan
sát các tín hiệu mô phỏng. Lưu ý: ngõ vào của scope phải ở dạng tín hiệu
điều khiển, không thể ở dạng mạch động lực. Trên hình 1-21, scope đầu
tiên có 2 ngõ vào dùng để khảo sát tín hiệu dòng điện Is và điện áp Vs của
nguồn xoay chiều trước khi đưa vào mạch chỉnh lưu. Ở chế độ mặc định,
trong scope chỉ hiển thị 1 khung hình sau khi thực hiện chạy mô phỏng như
hình 1-22(a). Để hiển thị 2 tín hiệu trong 2 khung hình khác nhau, kích vào
menu View của scope này và kéo chọn xuống 2 ô màu xanh như trên hình
1-22(a) sẽ được kết quả như hình 1-22(b). Tuy nhiên, hình trên scope này
có nhược điểm là nền màu đen. Do đó, khi chuyển hình này sang trình bày
trong MS Word sẽ có nền màu đen tương tự. Nếu in tài liệu này ra giấy sẽ
tốn rất nhiều mực và không tốt cho môi trường.
(a) (b)
Hình 1‑22. Chọn khung hình cho scope
Vì vậy, để thuận tiện khi chuyển các hình ảnh trong scope sang trình
bày có nền trắng, các bước cần thực hiện như sau: kích vào menu View
của scope và chọn Style, khi đó, sẽ xuất hiện một hộp thoại và chọn màu ở
mục Figure color, Axes colors màu trắng và chọn các mục còn lại như hình
1-23. Ngoài ra, các thuộc tính khác của scope cũng có thể được điều chỉnh
bằng cách kích vào View rồi chọn Configuration Properties….

32. 31
Hình 1‑23. Chọn màu nền và màu nét vẽ cho các tín hiệu của scope
Hình 1‑24. Khảo sát tín hiệu dòng điện ngõ ra sử dụng Visualize Signal
Thêm vào đó, để khảo sát nhanh tín hiệu dòng điện ngõ ra trên tải tại
tín hiệu ngõ ra của khối đo dòng điện Current Measurement I_Load, kích vào
đường tín hiệu này, sau đó kích vào dấu “…” và rê trỏ chuột đến biểu tượng
phát sóng để chọn Enable Data Logging. Khi đó, nếu kích vào biểu tượng phát
sóng này sau khi chạy mô phỏng sẽ thu được kết quả như hình sau:

33. 32
Hình 1‑25. Dạng sóng dòng điện tải khi sử dụng Visualize Signal
Hình 1‑26. Scope đo điện áp tải
Tương tự, để khảo sát dạng sóng điện áp sau chỉnh lưu trên tải, kích
vào scope thứ 2 trong mô hình này sẽ thu được kết quả như hình 1-26.
Kích thước font chữ của các trục trên Scope thường khá nhỏ ở chế độ mặc
định nên khó quan sát khi chuyển ảnh này sang dạng trình bày MS Word.
Để điều chỉnh kích cỡ này, độc giả nên chuyển ảnh trên Scope sang dạng
hình (Figure) bằng cách kích vào menu File của Scope và chọn Print to
Figure. Khi đó, độc giả dễ dàng điều chỉnh các thuộc tính của hình này
bằng cách kích vào menu View của Figure này và chọn Property Editor.
Sau khi chỉnh sửa các thuộc tính của hình, kích vào menu Edit và chọn
Copy Figure rồi dán sang Word sẽ được như hình sau:

34. 33
Hình 1‑27. Hình dạng sóng ngõ ra sau khi tăng cỡ chữ
Hình 1‑28. Chọn ghi dữ liệu tín hiệu đo vào workspace
Để khảo sát phổ hài và giá trị THD của dạng sóng dòng điện của
nguồn vào Is trên hình 1-23, trước khi chạy mô phỏng, kích vào Scope Is_

35. 34
Vs và chọn menu View. Sau đó kích chọn Configuration Properties… rồi
chọn tab Logging và kích chọn mục Lock data to workspace với tên IsVs
như hình 1-28 và nhấn OK. Chú ý: trong trường hợp sử dụng các phiên
bản mới gần đây, phải vào mục Model Settings của menu MODELING và
kích vào Data Import/Export, sau đó bỏ tick chọn ở mục Single simulation
output của phần Save to workspace or file. Bây giờ hãy nhấn chạy mô
phỏng lại rồi kích đúp vào khối powergui, sau đó chọn tab Tools và chọn
FFT Analysis và nhấn OK như hình sau:
Hình 1‑29. Chọn tính năng FFT Analysis để xem phổ hài và THD
Nhấn Refresh và chọn các thông số như trên hình 1-30 rồi nhấn
Display để xem phổ hài và THD của dòng điện.
Hình 1‑30. Chọn tính năng xem phổ hài và THD của dòng điện Is

36. 35
CHƯƠNG 2.
CÁC BỘ BIẾN ĐỔI CÔNG SUẤT
2.1 Sự phát triển của linh kiện bán dẫn công suất
Trong những năm gần đây, ngành công nghệ bán dẫn đã phát triển
vượt bậc và các linh kiện bán dẫn công suất có khả năng chịu được dòng
điện và điện áp ngày càng cao. Điều này đã giúp cho các thiết bị điện sử
dụng linh kiện điện tử công suất có giá thành ngày càng rẻ và được ứng
dụng ngày càng nhiều. Trong các thiết bị điện công nghiệp trước đây, việc
chuyển mạch công suất với dòng điện lớn chủ yếu sử dụng các tiếp điểm
để chuyển mạch. Nhưng hiện nay, việc sử dụng linh kiện điện tử công suất
đã giúp cho thiết bị điện chuyển mạch tốt hơn, như: không có hồ quang khi
chuyển mạch nên an toàn hơn, tần số chuyển mạch cao hơn, hoạt động bền
bỉ hơn, cải thiện chất lượng và hiệu suất của thiết bị ngày càng tốt hơn. Khi
đó, phương pháp chuyển mạch sử dụng linh kiện điện tử bán dẫn công suất
được gọi là chuyển mạch không tiếp điểm.
Nguyên lý điều khiển bộ biến đổi được thể hiện trên hình 2-1. Để
nâng cao chất lượng điều khiển, các phương pháp điều khiển thường sử
dụng tín hiệu hồi tiếp ngõ ra (feedback) thông qua các cảm biến hoặc ước
lượng để điều chỉnh thông số ngõ ra mong muốn. Ngoài ra, cũng có thể sử
dụng các phương pháp dựa vào tín hiệu ngõ vào để điều chỉnh gọi là điều
khiển nuôi tiến (feedforward).
Switching
converter
Driver
Control signal
Input
power
Output
power
Firing signal
Sensor
Controller
Reference
signal
Hình 2‑1. Nguyên lý điều khiển bộ biến đổi công suất
Tuy nhiên, việc điều khiển bộ biến đổi công suất khá phức tạp và ảnh
hưởng nhiều đến năng suất và hoạt động của thiết bị. Thêm vào đó, tổn hao

37. 36
của bộ biến đổi bao gồm tổn hao dẫn và tổn hao chuyển mạch cũng ảnh
hưởng đến hiệu suất của thiết bị.
Do đó, việc phân loại thiết bị để có các phương pháp điều khiển phù
hợp sẽ góp phần vào việc cải thiện hiệu suất của thiết bị. Một trong các kỹ
thuật điều khiển được ứng dụng phổ biến trong các bộ biến đổi là kỹ thuật
điều rộng xung PWM (Pulse-width modulation). Ngoài ra, phương pháp
điều khiển PID (Proportional integral derivative) cũng là một trong các
phương pháp điều khiển tuyến tính thường được sử dụng trong lĩnh vực
điện tử công suất.
Trong các phần sau của chương này sẽ trình bày nguyên lý điều
khiển các loại bộ biến đổi cơ bản thường dùng và được mô hình mô phỏng
trên Matlab/Simulink để tăng tính trực quan trong miền khảo sát.
2.2 Các bộ biến đổi dc
Các bộ biến đổi DC-DC được sử dụng khá phổ biến trong lĩnh vực
điện tử công suất. Trong trường hợp có sẵn nguồn một chiều với điện áp cố
định, trong khi phụ tải một chiều cần điện áp cao hơn hoặc thấp hơn mức
điện áp có sẵn, khi đó, các mạch tăng hoặc giảm áp được sử dụng để tạo ra
các mức điện áp phù hợp với phụ tải.
2.2.1 Mạch giảm áp
Mạch giảm áp được sử dụng khi điện áp vào cao hơn điện áp ngõ
ra mong muốn. Ví dụ: mạch điều chỉnh tốc độ động cơ một chiều có điện
áp định mức 240V, trong khi đang có sẵn nguồn một chiều 250VDC. Như
vậy, để điều chỉnh tốc độ động cơ cần phải có một nguồn điện áp một chiều
có điều chỉnh.
Đối với động cơ một chiều, phương pháp điều chỉnh điện áp phần
ứng thường được sử dụng để điều chỉnh tốc độ động cơ. Do đó, khi vận
hành tốc độ động cơ thường hoạt động với tốc độ từ định mức trở xuống
nên điện áp cần thiết cho động cơ cũng từ định mức trở xuống. Với nguồn
điện áp có sẵn 250VDC, một mạch giảm áp cần được sử dụng. Phương
pháp giảm áp có thể sử dụng biến áp hoặc mạch giảm áp sử dụng linh kiện
điện tử công suất. Phương pháp sử dụng biến áp cần sử dụng máy biến áp
để giảm áp. Khi đó, nếu cần nhiều mức điện áp ngõ ra cho nhiều mức tốc
độ khác nhau, biến áp phải có nhiều nấc điện áp ngõ ra nên phức tạp và khó
điều khiển và độ tinh trong điều chỉnh không cao. Thêm vào đó, kích thước
và trọng lượng của thiết bị có thể tăng cao và làm tăng giá thành sản phẩm.
Trong khi đó, phương pháp sử dụng linh kiện điện tử công suất để điều

38. 37
chỉnh điện áp ngõ ra tỏ ra có nhiều ưu điểm như: độ tinh điều chỉnh cao,
phạm vi điều chỉnh rộng, hiệu suất cao, kích thước gọn nhẹ, đáp ứng nhanh
và vận hành bền bỉ. Vì vậy, phần này sẽ trình bày nguyên lý điều khiển
mạch giảm áp hay còn gọi là chopper giảm áp (Buck converter). Nguyên lý
chủ yếu dựa trên phương pháp PWM. Điện áp ngõ ra của bộ biến đổi giảm
áp như hình 2-2 khi bỏ qua sụt áp trên linh kiện được xác định như sau:
dc on dc on
o dc
on off sw
V *t V *t
V V *D
t t T
= = =
+
(2‑1)
Trong đó, D [pu] là độ rộng xung kích dẫn bão hòa cho transistor
IGBT và Tsw
là chu kỳ của xung chuyển mạch. Độ nhấp nhô điện áp ngõ
ra phụ thuộc vào tụ lọc Co và tần số chuyển mạch cũng như dòng điện tải
ngõ ra.
Hình 2‑2. Mô hình mô phỏng rời rạc (Discrete) điều khiển mạch giảm áp
với chu kỳ lấy mẫu Ts
=2e-5 và bộ điều khiển có P=20; I=500
Sơ đồ nguyên lý điều khiển được xây dựng trên Simulink thể hiện
trên hình 2-2. Trong đó, điện áp ngõ vào Vdc bằng 250 V. Điện áp ngõ ra
được điều chỉnh thông qua giá trị đặt cho tải điện trở R=20 W. Giá trị điện
áp mong muốn ở ngõ ra được cài đặt thay đổi ngẫu nhiên sau mỗi 0.3 s
thông qua khối Uniform Random Number.

39. 38
Hình 2‑3. Đáp ứng điện áp và dòng điện ngõ ra
(a) Đáp ứng của điện áp
(b) Đáp ứng của dòng điện
Hình 2‑4. Xung kích và dòng qua transistor với D=0.5
(a) Dạng sóng xung kích cho IGBT
(b) Dạng sóng dòng điện qua IGBT
Dạng sóng điện áp và dòng điện có độ nhấp nhô phụ thuộc vào mạch
lọc ngõ ra và được thể hiện trên hình 2-3. Tụ điện Co và điện cảm Lo có
vai trò lọc thông thấp. Khi điện cảm và dung lượng tụ càng lớn sẽ giúp cho
độ nhấp nhô ngõ ra càng nhỏ. Tuy nhiên, điều này cũng sẽ ảnh hưởng đến
đáp ứng động và tính ổn định của mạch.

40. 39
Việc chuyển mạch công suất sẽ sinh ra sóng hài và gây nhiễu điện
từ dòng điện do dòng điện qua transistor bị gián đoạn như hình 2-4. Nhiễu
này có thể ảnh hưởng đến các thiết bị khác đang được vận hành gần đó.
Theo chuỗi Fourier, hài dòng điện có tần số là bội số của tần số chuyển
mạch như sau:
( ) ( )
s aver
T s aver
k 1
2I
i (t) DI sin k D cos k t
k
∞
−
−
=
= + p w
p
∑ (2‑2)
Trong đó:
sw
2 f
w = p và D là độ rộng xung kích cho transistor.
Do đó, một bộ lọc cần được thiết kế để giảm nhiễu điện từ. Khi đó,
tín hiệu nhiễu có thể lọc bằng mạch lọc L-C và có tần số lọc như sau:
filter
f f
1
f
2 L C
=
p
(2‑3)
Việc chọn thông số mạch lọc phụ thuộc vào tần số muốn lọc. Thông
thường theo tiêu chuẩn giới hạn nhiễu điện từ yêu cầu dòng nhiễu phải có
biên độ dưới 80dB.
2.2.2 Mạch tăng áp
Trong thực tế có những trường hợp nguồn điện ngõ vào có sẵn điện
áp thấp hơn nhu cầu của phụ tải. Khi đó, mạch tăng áp DC cần được sử
dụng để đáp ứng nhu cầu của tải.
Ví dụ: các hệ thống nghịch lưu nối lưới sử dụng pin mặt trời với
nguồn điện áp ngõ ra của các tấm pin mặt trời có điện áp khoảng 30 VDC.
Do đó, các tấm pin được nối nối tiếp và kết hợp nối song song để có điện
áp phù hợp cấp cho nghịch lưu. Trong khi đó, điện áp phía một chiều cần
cấp cho nghịch lưu nối lưới 3 pha 2 bậc với điện áp lưới 3 pha 380V, cần
điện áp một chiều lên đến khoảng 700 VDC. Nếu ghép nhiều tấm pin mặt
trời nối tiếp để có điện áp lên đến 700V thì rủi ro cao. Bởi vì, khi có 1 tấm
pin bị hỏng và hở mạch làm cho các tấm pin nối tiếp còn lại bị ngắt khỏi
nguồn một chiều của hệ thống. Do đó, cần ghép các tấm pin sao cho có
điện áp khoảng một nửa nhu cầu và dùng mạch tăng áp để tăng lên đến
khoảng 700V. Trong thực tế, tùy vào nhu cầu và cân bằng giữa các loại tổn
hao, khi đó sẽ có giải pháp ghép nối các tấm pin phù hợp.
Một ví dụ khác, phụ tải là các động cơ điện một chiều có điện áp định
mức khoảng 500V, trong khi điện áp một chiều có sẵn thấp hơn nên sẽ cần

41. 40
một mạch tăng áp một chiều. Hoặc các phụ tải là các bộ sạc pin cấp 2 cho
các xe điện có điện áp sạc lên đến 275VDC, trong khi nguồn lưới một pha
chỉ được khoảng 200VDC sau khi chỉnh lưu cầu 1 pha sử dụng diod.
2.2.2.1 Điện áp ngõ vào cố định
Hình 2‑5. Nguyên lý điều khiển mạch tăng áp DC
Để tăng áp DC có thể sử dụng biến áp xung hoặc các phương pháp
tăng áp khác, tuy nhiên, phương pháp sử dụng mạch boost như hình 2-5
cũng được sử dụng khá phổ biến vì không sử dụng biến áp nên gọn nhẹ và
rẻ tiền. Mạch điều khiển này thường được áp dụng với nguồn một chiều có
điện áp ngõ vào cố định.
Nguyên lý hoạt động của mạch như sau: khi transistor IGBT được
kích dẫn bão hòa, điểm số 2 được nối xuống 0, khi đó, sẽ có dòng điện
tăng dần qua điện cảm Lb
. Khi ngưng kích IGBT đột ngột sẽ làm cho
điện cảm sinh ra sức điện động cảm ứng VL
có dấu - ở điểm số 1 và dấu
+ ở điểm số 2. Sức điện động này nối nối tiếp với nguồn Vdc sẽ giúp
cho điện thế điểm số 2 cao hơn điện thế điểm số 3 nên diod D0 được
phân cực thuận và phóng điện cấp cho tải và tụ lọc Cf
. Khi đó, dòng
điện qua điện cảm giảm dần và khi IGBT được kích dẫn trở lại làm cho
D0 bị phân cực nghịch và dòng điện qua điện cảm tăng lên. Quá trình như
vậy cứ lặp đi lặp lại giúp cho điện áp ngõ ra cao hơn điện áp ngõ vào. Quá
trình hoạt động có thể ở chế độ liên tục hay gián đoạn tùy vào phương pháp
lựa chọn của người thiết kế.

42. 41
Điện áp ngõ ra được xác định như sau:
o
dc
V 1
V 1 D
=
−
(2‑4)
Trong đó, D là độ rộng xung kích IGBT. Theo định lý Kirchhoff, ta
sẽ có:
dc L o
V V V 0
− − = (2‑5)
Trong đó, VL
là sức điện động trên điện cảm. Do đó:
L
dc b o
L
dc b o
L
dc b o
sw
di
V L V 0
dt
i
V L V 0
t
i
V L V 0
D*T
− − =
D
→ − − =
D
D
→ − − =
(2‑6)
Với Tsw
là chu kỳ của xung chuyển mạch và DiL
là độ nhấp nhô dòng
điện qua điện cảm.
Độ nhấp nhô điện áp ngõ ra cấp cho tải phụ thuộc và thông số tụ lọc
Cf
và dòng điện tải và được xác định như sau:
o
o
sw f
I
V
2 *f *C
D =
p
(2‑7)
Với fsw
là tần số xung kích cho IGBT.
Hình 2‑6. Đáp ứng điện áp và dòng điện của mạch tăng áp DC

43. 42
Đáp ứng điện áp của mạch tăng áp DC với thông số ở hình 2-5 được
thể hiện trong hình 2-6(a) và đáp ứng dòng điện tương ứng ở hình 2-6(b).
2.2.2.2 Điện áp ngõ vào thay đổi và MPPT
Trong trường hợp nguồn điện ngõ vào được lấy từ dàn pin mặt trời,
khi đó, nguồn một chiều ngõ vào này sẽ thay đổi tùy theo điều kiện thời
tiết. Do đặc tính phi tuyến của pin mặt trời như minh họa ở hình 2-7, để
thu được công suất cực đại cần phải có mạch tăng áp hoặc giảm áp để dò
điểm công suất cực đại MPPT (Maximum power point tracking). Thông
thường, các mạch tăng áp sẽ được sử dụng trong các hệ thống nghịch lưu
nối lưới sẽ kết hợp tính năng MPPT. Về bản chất, mạch dò MPPT có chức
năng phối hợp tổng trở sao cho tổng trở mạch tăng áp và phụ tải bằng với
tổng trở dàn pin mặt trời.
Hình 2‑7. Các đặc tính của pin mặt trời theo bức xạ với nhiệt độ 25o
C.
(a) Đặc tính V-I
(b) Đặc tính V-W
Hiện nay có nhiều giải thuật MPPT đã được nghiên cứu và ứng
dụng [7]. Tuy nhiên, hầu hết các phương pháp đều dựa trên nguyên lý của
phương pháp P&O (Perturb & Observe) [8] và phương pháp gia tăng điện
dẫn INC (Incremental Conductance) [9] để cải tiến thêm nhằm tăng hiệu
quả ứng dụng với các điều kiện khác nhau.

44. 43
Hình 2‑8. Đặc tính V-W của 1 tấm pin với bức xạ 1000W/m2
và nhiệt độ 25o
C.
Giả sử điểm làm việc hiện thời của dàn pin đang ở bên trái của điểm
công suất cực đại MPP (Maximum power point) như hình 2-8. Khi đó,
nhiệm vụ của các giải thuật MPPT là phải điều chỉnh điểm làm việc tiến về
bên phải để tiếp cận điểm MPP. Ngược lại, khi điểm làm việc đang ở bên
phải, giải thuật MPPT phải điều chỉnh để điểm làm việc tiến về bên trái để
tiếp cận MPP.
Lưu đồ các giải thuật P&O và INC cũng được trình bày trên hình 2-9
và 2-10. Trong đó, các giá trị điện áp tại điểm công suất cực đại VMPP
khi
khởi chạy lần đầu được chọn bằng khoảng 80% điện áp hở mạch của dàn
pin. Đại lượng Incr (Increment) là số gia điện áp sau mỗi chu kỳ lấy mẫu
tính toán của giải thuật. Số gia này có thể bằng vài mV cho đến vài trăm
mV tùy thuộc vào thông số cụ thể cũng như yêu cầu của hệ thống.

45. 44
Start
Measure:
V_sol (t)
I_sol(t)
Calculate:
P(t)=V_sol(t)*I_sol(t)
DP=P(t)-P(t-1)
DV=V_sol(t)-V_sol(t-1)
DP>0
DV>0
DV>0
Yes
No
Yes
VMPP=V_sol(t-1)+Incr
VMPP=V_sol(t-1)+Incr VMPP=V_sol(t-1)-Incr VMPP=V_sol(t-1)-Incr
Yes
Return
Update:
P(t-1)=P(t)
V_sol(t-1)=VMPP
No No
(At theleft) (At theleft)
(At theright)
(At theright)
Hình 2‑9. Giải thuật dò MPPT P&O (Perturb & Observe)

46. 45
Trong giải thuật P&O ở hình 2-9, giá trị số gia lớn sẽ giúp cho hệ
thống đáp ứng nhanh đến điểm cực đại. Tuy nhiên, điều này cũng gây ra
nhiễu động lớn và làm tăng sai số xác lập của điện áp một chiều ở ngõ ra
khi đang ở điểm MPP. Ngược lại, số gia nhỏ sẽ giúp giảm sai số xác lập ở
điểm MPP, nhưng cũng có nhược điểm là làm giảm đáp ứng động khi có
sự biến đổi của bức xạ hay nhiệt độ của dàn pin.
Start
Measure:
V_sol (t)
I_sol(t)
Calculate:
DV=V_sol(t)-V_sol(t-1)
DI=I_sol(t)-I_sol(t-1)
R=I_sol(t)/V_sol(t)
RD=DI/DV
DV=0
DI=0
RD = - R
Yes
No
Yes
VMPP=V_sol(t-1)-Incr
VMPP=V_sol(t-1)-Incr VMPP=V_sol(t-1)+Incr VMPP=V_sol(t-1)+Incr
Yes
Return
Update:
V_sol(t-1)=VMPP
DI>0
Yes
RD > - R
Yes
No
No
No
No
(At the MPP)
(At the MPP)
(At the right)
(At the right) (At the left) (At the left)
Hình 2‑10. Giải thuật dò MPPT INC (Incremental Conductance)

47. 46
So với giải thuật P&O, giải thuật INC ở hình 2-10 gần như không
bị ảnh hưởng bởi số gia Incr khi đang làm việc ở điểm cực đại MPP. Tuy
nhiên, khi có sự thay đổi công suất cực đại của dàn pin, số gia Incr cũng sẽ
ảnh hưởng đến đáp ứng động của quá trình dò MPP.
Hình 2‑11. Mô hình mạch tăng áp dò MPP sử dụng phương pháp P&O
Hình 2‑12. Thông số dàn pin mặt trời

48. 47
Hình 2‑13. Các đặc tính của dàn pin
Mô hình minh họa của một mạch tăng áp sử dụng dàn pin mặt trời
sử dụng giải thuật P&O được thể hiện trên hình 2-11. Đặc tính của dàn pin
gồm 18 tấm của hãng SunPower, với 3 nhánh song song, mỗi nhánh có 6
tấm ghép nối tiếp. Mỗi tấm pin có công suất 305.226 Wp (Watt peak) như
hình 2-12. Các đặc tính của dàn pin với các mức bức xạ tại nhiệt độ 25o
C
cũng được thể hiện trên hình 2-13. Do đó, dàn pin với bức xạ 1000W/m2
và 25o
C sẽ cho tổng công suất 5494 Wp tại điểm MPP có điện áp 328.2
V. Khi bức xạ giảm còn 200W/m2, tổng công suất của dàn pin giảm còn
1056Wp tại điện áp 315.7V. Vì vậy, việc chọn mạch tăng áp hay giảm áp
sẽ quyết định thông số tổng trở tải cần thiết.
Trong sơ đồ sử dụng mạch tăng áp ở hình 2-11, muốn thu được công
suất ở mức thấp nhất là 1056W từ dàn pin tương ứng với bức xạ 200W/m2,
điện áp ngõ ra khi đó phải lớn hơn 315.7V.

49. 48
o _ sol
V V 315.7V
> = (2‑8)
Giả sử bỏ qua sụt áp trên linh kiện, điện trở tải khi đó cần ở mức tối
thiểu và được xác định như sau:
2
2 o
dc Load o
Load
2 2
o
Load
dc
V
P R *I
R
V 315.7
R 94.38
P 1056
= =
→ = ≥ = W
(2‑9)
Trong trường hợp sử dụng mạch giảm áp, điện áp ngõ ra của bộ biến
đổi ở điều kiện bức xạ cao nhất phải nhỏ hơn điện áp dàn pin tại điểm MPP.
Tức là điện áp ngõ ra mạch giảm áp phải nhỏ hơn 328.2 V với mức công
suất 5494Wp. Vì vậy, điện trở tải phải nhỏ hơn giá trị giới hạn như sau:
2
2 o
dc Load o
Load
2 2
o
Load
dc
V
P R *I
R
V 328.2
R 19.6
P 5494
= =
→ = ≤ = W
(2‑10)
(a)

50. 49
(b)
Hình 2‑14. Khối P&O và code
Giải thuật P&O được cụ thể hóa trên hình 2-14(a) với code ở hình
2-14(b). Trong đó, đại lượng Do là độ rộng xung kích được đưa ra để so
sánh với sóng tam giác nhằm tạo xung kích cho IGBT. Trong giải thuật
MPPT, để tăng điện áp làm việc của dàn pin, giải thuật cần phải giảm độ
rộng xung thông qua đại lượng DelD, với DelD là số gia độ rộng xung.
Trái lại, khi sử dụng cho mạch giảm áp, có thể tăng điện áp làm việc bằng
cách tăng độ rộng xung kích.
Trong thực tế, các đại lượng dòng và áp được đo lường thông qua
các cảm biến với độ trễ lớn. Do đó, tần số tính toán của giải thuật MPPT
nên nhỏ hơn 10 kHz tương ứng với chu kỳ 10-4
s. Điều này cũng giúp tăng
tính khả thi khi ứng dụng các linh kiện vi xử lý rẻ tiền có tần số thấp. Khi
đó, sơ đồ của hình 2-11 và 2-14(a) đã sử dụng khối gọi hàm Func call của
Matlab với chu kỳ lấy mẫu bằng 1e-4s.
Hình 2‑15. Đáp ứng của điện áp, dòng điện dàn pin và độ rộng xung kích

51. 50
Hình 2‑16. Đáp ứng điện áp, dòng điện,
và công suất thu được trên tải.
Bảng 2‑1: Thông số bức xạ cài đặt cho dàn pin
Time (s) 0-0.5 0.5-1 1-1.5 1.5-2
Iradiance (W/m2) 1000 700 500 200
Kết quả mô phỏng của mô hình ở hình 2-11 được thể hiện trên hình
2-15 và 2-16. Trong đó, bức xạ được cài đặt cho dàn pin ở 25o
C trong 4
khoảng thời gian tương ứng như bảng 2-1.
Với hình 2-15 tương ứng với các đáp ứng ngõ vào của mạch tăng
áp bao gồm điện áp, dòng điện của dàn pin và độ rộng xung kích cho
transistor IGBT. Tương tự, hình 2-16 là đáp ứng ngõ ra của mạch tăng áp
bao gồm điện áp, dòng điện và công suất ngõ ra.

52. 51
Hình 2‑17. Mô hình mạch tăng áp sử dụng phương pháp INC
Khi sử dụng giải thuật INC, mô hình tăng áp trên hình 2-17 có thông
số tương tự như ở hình 2-11. Chỉ khác mỗi giải thuật dò MPPT. Khi đó,
sơ đồ khối của giải thuật được trình bày trên hình 2-18(a) và code ở hình
2-18(b).
(a)

53. 52
(b)
Hình 2‑18. Giải thuật dò MPPT INC
Hình 2‑19. Các đặc tính dàn pin và độ rộng xung kích
Các kết quả mô phỏng khi sử dụng phương pháp dò MPPT INC
được trình bày trên hình 2-19 và 2-20. Độc giả cũng có thể tự so sánh
và đánh giá các kết quả này so với các kết quả trên hình 2-15 và 2-16
của giải thuật P&O.

54. 53
Hình 2‑20. Đáp ứng ngõ ra của mạch tăng áp sử dụng phương pháp INC
2.2.2.3 Mạch tăng áp sử dụng nguồn xoay chiều
Trong một số ứng dụng của mạch tăng áp khi có nguồn điện ngõ
vào là nguồn xoay chiều 1 pha hoặc 3 pha. Khi đó, ngoài chức năng
tăng áp, bộ điều khiển còn có nhiệm vụ điều khiển PFC (Power factor
correction), đây là một yêu cầu bắt buộc đối với các thiết bị sử dụng
điện xoay chiều hiện nay. Phương pháp phổ biến nhất để điều khiển
PFC là sử dụng dòng điện đặt đồng dạng với dạng sóng của điện áp
phía xoay chiều.
Loại mạch tăng áp này được sử dụng phổ biến trong các mạch sạc
pin dành cho xe điện công suất lên đến 20kW với nguồn xoay chiều 1 pha.
Khi công suất cao hơn 20kW, mạch thường phải sử dụng nguồn điện ngõ
vào ở dạng xoay chiều 3 pha.
Trên hình 2-21 là sơ đồ nguyên lý mạch tăng áp cơ bản với ngõ vào
là nguồn xoay chiều 1 pha 220V – 50Hz và ví dụ minh họa tính toán điện
cảm và tụ điện. Các thông số điện cảm và tụ điện lọc điện áp ngõ ra cũng
được tính toán tương tự như phần trên. Trong đó, điện áp yêu cầu cấp cho
tải Vo
trên tải R_Load
bằng 400V với dòng điện tải ILoad
bằng 20A và tần số
chuyển mạch fsw
bằng 2 kHz.
Khi điện áp ngõ vào ở dạng xoay chiều 1 pha 220V, sau khi qua
mạch chỉnh lưu cầu 1 pha, điện áp Vdc
bằng khoảng 200 VDC (=0.9*220).

55. 54
Trong khi điện áp sạc cho pin cấp 2 có điện áp yêu cầu lên đến 275V, giá
trị này cao hơn mức Vdc sau khi chỉnh lưu. Do đó, phải cần đến mạch tăng
áp DC. Điện cảm Li
được xác định như sau:
dc L o
V V V 0
− − =
(2‑11)
L
s i o
i
0.9* V L V 0
dt
D
→ − − =
(2‑12)
L
s i o
sw
i
i
i
0.9*V L V 0
D*T
5
0.9*220 L 400 0
1
0.5*
2000
L 0.01 H
D
→ − − =
→ − − =
 
 
 
→ = (2‑13)
Hình 2‑21. Sơ đồ nguyên lý mạch tăng áp sử dụng nguồn xoay chiều 1
pha
Tụ Co
dùng để lọc điện áp ngõ ra được xác định gần đúng như sau:
Load Load
o o
o o
I I
V C
2* *C 2* * V
D ≈ → ≈
w w D (2‑14)
Thay số vào, ta sẽ tính được:

56. 55
o
20
C 0.00318 F 3180 F
2*100 *10
≈ = =
m
p (2‑15)
Hình 2‑22. Mạch tăng áp sử dụng phương pháp điều khiển dòng trung bình
Hình 2‑23. Dạng sóng điện áp và dòng điện 1 pha ngõ vào

57. 56
Hình 2‑24. Dạng sóng điện áp và dòng điện 1 pha ngõ vào phóng to trong
khoảng 0.96-1.06 s
Có nhiều phương pháp điều khiển mạch tăng áp dựa vào loại dòng
điện hồi tiếp. Phương pháp điều khiển dòng cực đại (Maximum current
control) thường dựa vào dòng điện qua transistor để hồi tiếp và so sánh
khi thực hiện điều khiển dòng điện. Phương pháp điều khiển dòng bão hòa
(Hysteresis current control) dựa vào độ sai lệch dòng điện trong một biên
giới hạn để chuyển mạch transistor. Tuy nhiên, phương pháp này có nhược
điểm là khó kiểm soát tần số chuyển mạch.
Một phương pháp điều khiển khá phổ biến được sử dụng là phương
pháp điều khiển dòng trung bình như hình 2-22. Trong đó, IL
là dòng điện
đo hồi tiếp cho mạch điều khiển được lấy trên điện cảm Li.
Dạng sóng điện áp và dòng điện ngõ vào được trình bày trên hình
2-23 và 2-24. Trong đó, điện áp trước khi đưa vào scope đã được giảm
còn một phần ba để thuận tiện so sánh với dạng sóng dòng điện. Dạng
sóng điện áp và dòng điện phóng to trong hình 2-24 đã cho thấy sự
đồng pha giữa điện áp và dòng điện ngõ vào. Điều này có được là nhờ
dạng sóng trị tuyệt đối của điện áp Vdc sau khi chỉnh lưu nhân với giá
trị dòng điện đặt.

58. 57
Hình 2‑25. Dạng sóng dòng điện qua điện cảm và transistor
Dạng sóng dòng điện qua điện cảm và transistor cũng đã được trình
bày trên hình 2-25(a) và 2-25(b) tương ứng trong khoảng thời gian 0.96-
1.06s.
Dạng sóng điện áp và dòng điện ngõ ra trên tải cũng đã được thể
hiện trên hình 2-26 với các mức đặt ngẫu nhiên khác nhau. Sai số xác lập
và đáp ứng động phụ thuộc nhiều vào tụ lọc ngõ ra và các hệ số Kp và Ki
của bộ điều khiển.
Hình 2‑26. Đáp ứng điện áp và dòng điện ngõ ra
Độc giả có thể tự điều chỉnh các thông số này để có được kết quả
mong muốn.

59. 58
Đối với phương pháp điều khiển dòng cực đại, xung kích cho
transistor tăng cao đáng kể so với phương pháp điều khiển dòng trung
bình.
Hình 2‑27. Mạch tăng áp sử dụng phương pháp điều khiển dòng bão hòa
Phương pháp điều khiển dòng điện bão hòa được trình bày trên hình
2-27. Trong đó, độ rộng băng HB bằng 1.4A để có được số xung tương ứng
với 2 kHz của phương pháp điều khiển dòng trung bình.
Hình 2‑28. Dạng sóng điện áp và dòng điện 1 pha ngõ vào của phương
pháp HCC

60. 59
Hình 2‑29. Dạng sóng điện áp và dòng điện 1 pha ngõ vào phóng to trong
khoảng 0.98-1.04 s của phương pháp HCC
Hình 2‑30. Dạng sóng dòng điện qua điện cảm và transistor của phương
pháp HCC trong khoảng thời gian 0.98-1.04s

61. 60
Hình 2‑31. Đáp ứng điện áp và dòng điện ngõ ra của phương pháp HCC
Các kết quả của phương pháp điều khiển dòng bão hòa được thể
hiện trên hình 2-28 đến 2-31. Các đáp ứng đã cho thấy khả năng đáp ứng
rất nhanh của phương pháp điều khiển HCC. Tuy nhiên, trong hình 2-30,
tương ứng với khoảng thời gian 0.98-1.04s, đã cho thấy tần số chuyển
mạch của transistor thay đổi trong phạm vi lớn. Có lúc tần số chuyển mạch
rất cao (14 kHz), cũng có lúc tần số chuyển mạch rất thấp (160 Hz). Điều
này có thể gây khó khăn cho việc kiểm soát chất lượng điều khiển, đặc biệt
là phát sinh sóng hài đáng kể. Độc giả có thể tự điều chỉnh các thông số
HB để có thêm các kết quả khảo sát khác nhau.
Đối với các mạch tăng áp DC có nguồn điện ngõ vào dạng xoay
chiều 1 pha hoặc 3 pha sử dụng các transistor IGBT để thực hiện chỉnh lưu
tăng áp. Khi đó, dễ dàng điều khiển điện áp phía DC cũng như hệ số công
suất. Mạch điều khiển tương tự như mạch nghịch lưu nối lưới điều khiển
công suất ở chế độ thu công suất từ lưới. Do đó, kiểu mạch này sẽ được
trình bày trong nội dung điều khiển nghịch lưu nối lưới.
2.2.3 Mạch tăng/giảm áp
Trong trường hợp nguồn điện áp ngõ vào cố định, trong khi phụ tải
cần điện áp có khi thấp hơn nguồn vào, cũng có khi cao hơn nguồn vào.
Khi đó, cần sử dụng một mạch vừa có chức năng giảm áp vừa có chức năng
tăng áp. Mạch điện đáp ứng được yêu cầu đó được gọi là mạch giảm/tăng áp

62. 61
(Buck/Boost converter). Trên hình 2-32 là một sơ đồ minh họa điều khiển
mạch Buck/Boost cơ bản với điện áp yêu cầu thay đổi trong phạm vi 50-550
VDC thông qua khối phát tín hiệu ngẫu nhiên cho mỗi khoảng 0.3s.
Điện áp ngõ ra dựa theo công thức sau:
i
o
D * V
V
1 D
=
− (2‑16)
Trong đó: Vi
là điện áp ngõ vào và D là độ rộng xung kích cho các
transistor.
Hình 2‑32. Mô hình nguyên lý mạch điều khiển giảm/tăng áp
Hình 2‑33. Đáp ứng ngõ ra của mạch giảm/tăng áp
(a) Đáp ứng của điện áp độ (b) Đáp ứng dòng điện

63. 62
Trong đó, các transistor IGBT1 và IGBT2 kết hợp làm chức năng
Buck và Boost điện áp ngõ ra theo yêu cầu. Tương tự các mạch biến đổi
bên trên, để khảo sát ảnh hưởng của các tham số đến chất lượng điện áp
ngõ ra, độc giả có thể tự điều chỉnh thông số mạch và bộ điều khiển với
những giá trị khác nhau để nhận xét kết quả.
Các kết quả mô phỏng của mô hình ở hình 2-32 được thể hiện trên
hình 2-33. Trong đó, đáp ứng của điện áp ngõ ra trên hình 2-33(a) và đáp
ứng của dòng điện ngõ ra trên hình 2-33(b) đã cho thấy thời gian xác lập
nhỏ hơn 0.05 giây. Trong khi sai số xác lập điện áp cao nhất trong khoảng
0.9-1.2s nhỏ hơn 20V. Để tác động đến sai số xác lập, việc điều chỉnh hệ số
tích phân của bộ điều khiển PI và tụ lọc ngõ ra sẽ quyết định chỉ tiêu này.
Thêm vào đó, độ vọt lố gần như không đáng kể.
Một trường hợp ứng dụng khá phổ biến của mạch tăng/giảm áp, đó
là các bộ biến đổi nguồn cấp cho động cơ một chiều được minh họa như
hình 2-34. Trong đó, điện áp ngõ vào cố định 200VDC. Trong khi phụ tải
là một động cơ một chiều có điện áp định mức lên đến 500VDC tương ứng
với tốc độ định mức 1750 vg/ph. Do đó, khi điều chỉnh tốc độ bằng phương
pháp điều khiển điện áp phần ứng động cơ, điện áp cần cấp cho động cơ có
thể thay đổi với những giá trị khác nhau tùy vào nhu cầu tốc độ động cơ.
Có lúc cần điện áp cao hơn 200V, cũng có lúc cần điện áp thấp hơn 200V.
Hình 2‑34. Mô hình mạch giảm/tăng áp dùng để điều khiển động cơ một chiều

64. 63
Hình 2‑35. Đáp ứng tốc độ và mô men động cơ
Giả sử yêu cầu tốc độ động cơ bằng 20% định mức trong khoảng thời
gian 0-1 s như trên hình 2-35(a), khi đó, điện áp cần cấp cho động cơ nhỏ
hơn 200V nên bộ biến đổi làm việc ở chế độ giảm áp. Điện áp phần ứng
động cơ lúc này khoảng 120V như hình 2-36(b) trong khoảng 0-1 s.
Hình 2‑36. Đáp ứng dòng điện phần ứng và điện áp của động cơ
Trong các khoảng thời gian tiếp theo, tốc độ yêu cầu của động cơ
nhảy từng bước lên 50%, 75%, và 100% giá trị tốc độ định mức tương ứng
với các khoảng thời gian 1-2 s, 2-3 s, 3-5 s trong hình 2-35(a). Khi đó, điện
áp yêu cầu của động cơ cao hơn 200V như hình 2-36(b), nên bộ biến đổi
hoạt động ở chế độ tăng áp. Trong khoảng thời gian 4-5 s, mô men tải tăng
từ 50% lên 100% định mức làm cho mô men động cơ và dòng điện phần
ứng cũng tăng lên một cách tương ứng.

65. 64
Các đáp ứng của mô men và dòng điện phần ứng động cơ trên hình
2-35(b) và 2-36(a) cho thấy độ vọt lố tăng cao đáng kể. Tuy nhiên, các giá
trị này không vượt quá 2.5 lần định mức. Điều này được kiểm soát bởi sơ
đồ đã sử dụng khâu giới hạn dòng điện và bộ điều khiển dòng điện. Hơn
nữa, các tham số của các bộ điều khiển PI chưa được lựa chọn tối ưu nên
kết quả có thể chưa thật sự tốt. Do đó, độc giả có thể thực hiện mô phỏng
với các tham số điều khiển khác và tự đưa ra nhận xét kết quả.
2.3 Bộ chỉnh lưu có điều khiển 1 pha
Trong những ứng dụng điều chỉnh tốc độ động cơ một chiều có công
suất trung bình và nhỏ, nguồn điện sẵn có thường là nguồn xoay chiều 1
pha được lấy từ lưới điện hạ áp có điện áp hiệu dụng 220V – 50 Hz. Khi đó,
các phụ tải một chiều có yêu cầu điện áp từ 200VDC trở xuống sẽ sử dụng
các bộ chỉnh lưu có điều khiển bằng thyristor hay SCR (Semiconductor
controlled rectifier).
Hình 2‑37. Mô hình nguyên lý mạch chỉnh lưu cầu 1 pha có điều khiển
sử dụng thyristor

66. 65
Sơ đồ nguyên lý điều khiển mạch chỉnh lưu sử dụng thyristor được thể
hiện trên hình 2-37. Trong đó, mạch động lực bao gồm nguồn vào xoay chiều
1 pha 220V – 50 Hz, điện cảm lọc ngõ vào, cầu chỉnh lưu sử dụng 4 thyristor,
và ngõ ra là phụ tải R_Load mắc song song với một diod. Đối với tải thuần
trở, diod này chưa có tác dụng gì. Tuy nhiên, khi tải có thành phần cảm hay
động cơ điện, diod sẽ có tác dụng giúp dòng điện qua tải không bị gián đoạn.
Điện áp ngõ ra được xác định như sau:
( )
s max
o
V
V 1 cos
= + a
p
(2‑17)
Trong đó: a là góc kích của bộ chỉnh lưu. Do đó, khi thay đổi góc
kích sẽ thay đổi được điện áp ngõ ra của bộ chỉnh lưu. Mạch điều khiển
bao gồm các khối chức năng sau: bộ điều khiển PI, khâu dò điểm 0 hay còn
gọi là đồng bộ góc kích, mạch đếm góc kích, mạch phát xung kích và đếm
độ rộng xung kích. Trong mô hình ở hình 2-37, độ rộng xung kích được cài
bằng 2 độ. Khâu giám sát sử dụng các scope với các dạng sóng ngõ vào và
ra được thể hiện trên hình 2-38 và 2-39.
Hình 2‑38. Đáp ứng điện áp và dòng điện ngõ ra trên tải trở
Hình 2‑39. Dạng sóng điện áp và dòng điện ngõ vào (Vs
/15) của nguồn
xoay chiều

67. 66
Khâu đếm góc kích và đếm độ rộng xung kích dựa vào khối tích
phân có reset ngõ vào. Nhiệm vụ của bộ điều khiển PI là tính chuyển đổi
từ sai số giữa điện áp đặt Vref và điện áp ngõ ra được hồi tiếp về sang góc
kích a.
Với các giá trị đặt Vref trong các khoảng thời gian khác nhau trên
hình 2-38(a), điện áp ngõ ra Vo
sẽ có các dạng sóng với các góc dẫn khác
nhau. Tương ứng là các dạng sóng của dòng điện ngõ ra ở hình 2-38(b).
Trong khoảng thời gian 0.25-0.3s, để điện áp ra 200V, góc kích bằng 0 nên
góc dẫn bằng 180o
. Dạng sóng này cũng được thể hiện rõ ràng hơn ở dạng
xoay chiều của ngõ vào như hình 2-39. Cần lưu ý biên độ điện áp Vs trên
hình 2-39 đã được giảm 15 lần để có dạng sóng điện áp tương đối với dòng
điện Is
nhằm tăng tính trực quan cho khảo sát.
Hình 2‑40. Điều khiển tốc độ động cơ một chiều sử dụng chỉnh lưu cầu 1
pha có điều khiển

68. 67
Trong trường hợp phụ tải ngõ ra có thành phần điện cảm và sức điện
động, khi đó, phụ tải tương tự như động cơ một chiều. Để minh họa cho
loại tải này, sơ đồ điều khiển trên hình 2-40 được dùng cho tải động cơ một
chiều kích từ độc lập có thông số: 20hp; 240V; 1750vg/ph. Với các thông
số định mức này, dễ dàng xác định được mô men tải định mức bằng 82Nm.
Hình 2‑41. Đáp ứng tốc độ và mô men động cơ
Hình 2‑42. Dạng sóng điện áp và dòng điện của động cơ
Khi đó, bộ điều khiển điện áp trên hình 2-37 được thay bằng bộ điều
khiển tốc độ. Thêm vào đó, ngoài bộ điều khiển PI được dùng để điều
khiển tốc độ động cơ còn có thêm 1 bộ điều khiển PI thứ 2 dùng để điều
chỉnh dòng điện. Nếu không có bộ điều khiển dòng điện này, có thể gây ra
quá dòng cho động cơ mà không thể kiểm soát. Bởi vì, khi dùng khâu bão

69. 68
hòa có thể giảm dòng điện quá độ. Tuy nhiên, điều này cũng làm giảm đáp
ứng động của tốc độ động cơ.
Đáp ứng tốc độ và mô men động cơ cũng được thể hiện trên hình
2-41(a) và 2-41(b) đã cho thấy thời gian xác lập luôn nhỏ hơn 0.5s.
0.98 0.99 1 1.01 1.02 1.03 1.04
(a)
0
100
200
300
Vt
(V)
Firing angle
Firing angle
0.98 0.99 1 1.01 1.02 1.03 1.04
(b)
Time (seconds)
0
100
200
Idc
(A)
Offset=0
Hình 2‑43. Phóng to dạng sóng điện áp và dòng điện trong khoảng
0.98-1.04s
1.98 1.99 2 2.01 2.02 2.03 2.04
(a)
0
100
200
300
Vt
(V)
Firing angle
Firing
angle
1.98 1.99 2 2.01 2.02 2.03 2.04
(b)
Time (seconds)
0
100
200
Idc
(A)
Offset=0
Hình 2‑44. Phóng to dạng sóng điện áp và dòng điện trong khoảng
1.98-2.04s
Dạng sóng điện áp và dòng điện động cơ được thể hiện trên hình
2-42 và được phóng to trên hình 2-43 và 2-44 đã cho thấy góc kích giảm
nhỏ để tăng điện áp ngõ ra nhằm để tăng điện áp ngõ ra của bộ chỉnh lưu.
Điều này sẽ giúp tăng tốc độ đạt được giá trị mong muốn cần điều chỉnh.

70. 69
Hình 2‑45. Dạng sóng điện áp và dòng điện ngõ vào của nguồn xoay chiều
Hình 2‑46. Dạng sóng phóng to trong các khoảng thời gian 0.98-1.1s
Hình 2‑47. Dạng sóng điện áp và dòng điện ngõ vào phóng to trong các
khoảng thời gian 1.98-2.1s

71. 70
Dạng sóng điện áp và dòng điện ngõ vào cũng được thể hiện trên
hình 2-45 và được phóng to trên hình 2-46 và 2-47 cũng cho thấy sự thay
đổi của góc kích thyristor. Độc giả có thể tự nhận xét các dạng sóng này so
với khi sử dụng tải thuần trở ở hình 2-39.
2.4 Bộ chỉnh lưu có điều khiển 3 pha
2.4.1 Mô hình mô phỏng
Trong trường hợp phụ tải một chiều có công suất trung bình và lớn,
nguồn một chiều cấp cho tải có thể lấy từ mạch chỉnh lưu cầu 3 pha có điều
khiển sử dụng thyristor. Các phụ tải đó thường là động cơ điện một chiều, các
máy xi (mạ) sử dụng công nghệ điện phân hoặc chân không trong công nghiệp.
Điện áp ngõ ra cũng được xác định như sau:
s
o
3 6 *V
V cos
= a
p (2‑18)
Trong đó: a là góc kích của bộ chỉnh lưu và Vs
là điện áp hiệu dụng
của 1 pha. Do đó, khi thay đổi góc kích cũng sẽ thay đổi được điện áp ngõ
ra của bộ chỉnh lưu.
Hình 2‑48. Mô hình nguyên lý mạch chỉnh lưu cầu 3 pha có điều khiển
sử dụng thyristor

72. 71
Một mô hình minh họa mô phỏng mạch chỉnh lưu cầu 3 pha có
điều khiển được thể hiện trên hình 2-48. Trong mạch chỉnh lưu cầu 3 pha,
điện áp dây giữa các pha sẽ quyết định trạng thái phân cực thuận cho các
thyristor. Do đó, khối đo lường phải đo điện áp dây giữa các pha (VLL
).
Thêm vào đó, khâu dò zero để biết trạng thái phân cực thuận cho các
thyristor sẽ phải sử dụng điện áp dây, còn được gọi là khâu đồng bộ góc
kích. Thông thường, có 2 cách để phát xung kích cho mạch chỉnh lưu cầu
3 pha có điều khiển, đó là cách phát 1 xung và cách phát 2 xung cách nhau
60o
. Trên hình 2-48, mạch điều khiển sử dụng phương pháp phát 2 xung
kích còn được gọi là xung kép, xung kế tiếp cách xung đầu 60o
. Phương
pháp phát xung kép sẽ cho tần số dợn sóng cao hơn nên giảm được kích
thước bộ lọc ngõ ra.
Bộ điều khiển điện áp có nhiệm vụ xác định góc kích a cho các
thyristor. Vì góc kích a trong sơ đồ này không sử dụng giá trị tham chiếu
180o
, nên sai số điện áp được đưa vào bộ điều khiển PI là sai số giữa điện
áp ngõ ra Vo
và điện áp đặt Vref. Xung kích của các thyristor được phát
bằng các Flip Flop RS sau khi so sánh và đếm góc kích. Thời gian hay độ
rộng các xung kích là 2o
, sau khi duy trì được độ rộng này, các xung kích
sẽ được ngắt bằng chức năng Reset của Flip Flop.
Tương tự như mạch chỉnh lưu cầu 1 pha, mạch chỉnh lưu cầu 3 pha
có điều khiển cũng sử dụng khối tích phân có ngõ vào reset để đếm góc
kích và đếm độ rộng xung kích.
Hình 2‑49. Đáp ứng dạng sóng điện áp và dòng điện ngõ ra trên tải
thuần trở

73. 72
Dạng sóng điện áp của ngõ ra, điện áp dây ngõ vào và dòng điện ngõ
ra được thể hiện trên hình 2-49 cho thấy khi giảm góc kích sẽ giúp cho điện
áp trung bình ngõ ra tăng lên. Dạng sóng điện áp ngõ ra tựa trên điện áp
dây ngõ vào với các góc kích khác nhau được thể hiện trên hình 2-49(a).
Vì tải thuần trở nên dạng sóng dòng điện ngõ ra đồng dạng với điện áp ngõ
ra như trên hình 2-49(b).
Để điện áp ngõ ra trơn mượt hơn, có thể sử dụng bộ lọc thông thấp.
Trong các ứng dụng có nhu cầu dòng ngõ ra lớn và tần số dợn sóng cao,
các mạch chỉnh lưu nhiều pha, 6 pha chẳng hạn, có thể được sử dụng kết
hợp với cuộn kháng cân bằng.
Hình 2‑50. Dạng sóng điện áp và dòng điện ngõ vào của nguồn xoay
chiều 3 pha
Dạng sóng các điện áp dây và dòng điện pha ngõ vào cũng được thể
hiện trên hình 2-50 tương ứng với các khoảng thời gian khác nhau với các
góc kích khác nhau.
2.4.2 Khảo sát sóng hài
Vì mạch chỉnh lưu cầu 3 pha có điều khiển này thường dùng cho
tải có công suất khá lớn, do đó, vấn đề sóng hài cần được lưu ý và có giải
pháp khắc phục nhằm đạt tiêu chuẩn chất lượng điện năng. Một cách trực
quan có thể nhận thấy rằng, khi góc kích càng nhỏ, điện áp ngõ ra trên hình
2-49(a) càng lớn. Điều này sẽ giúp cho dòng điện ngõ vào gây ra sóng hài
ít hơn.
Có nhiều cách để khảo sát sóng hài trên phần mềm Matlab/
Simulink đối với các đại lượng điện áp hay dòng điện. Giá trị THD

74. 73
(Total harmonic distortion) của điện áp và dòng điện thường được xác
định như sau:
2
n
n 2
v
1
V
THD
V
∞
=
=
∑
(2‑19)
2
n
n 2
i
1
I
THD
I
∞
=
=
∑
(2‑20)
Trong đó: V1
và I1
là biên độ của điện áp và dòng điện cơ bản
(bậc 1).
+ Phương pháp sử dụng khối tính THD (Total harmonic distortion)
của tính hiệu trong thư viện đo lường của Simulink như hình sau:
Hình 2‑51. Khối đo THD của tín hiệu với tần số cơ bản 60 Hz
Sau đó kích đúp khối này để nhập tần số cơ bản bằng 50 và thời gian
lấy mẫu bằng Ts
. Tuy nhiên, phương pháp này chỉ cho biết giá trị THD
trong mỗi chu kỳ cơ bản mà không cho biết phổ hài. Do đó, rất khó để có
một cái nhìn tổng quát về sóng hài. Vì vậy, phương pháp này rất ít được
sử dụng.
+ Phương pháp sử dụng công cụ phân tích FFT (Fast Fourier
transform) là phương pháp được sử dụng phổ biến nhất trong mô phỏng.
Để phân tích sóng hài của dòng điện nguồn được đặt tên Iabc trong khối đo
lường Three-phase V-I Measurement trong hình 2-48, kích đúp vào khối
scope đo VLL và IabcàView. Sau đó kích vào Tab Logging để tích chọn
Log data to workspace và đặt tên Harmonic_VI như hình sau:

75. 74
Hình 2‑52. Khối Scope ghi dữ liệu để khảo sát sóng hài
Sau đó chạy mô phỏng lại mô hình ở hình 2-48 một lần nữa. Khi
chạy mô phỏng kết thúc, kích đúp vào khối powergui trên hình 2-48, kích
vào Tab Tools và chọn FFT Analysis. Tiếp theo kích vào Refresh và chọn
các cài đặt phù hợp và bấm chọn Display.
Hình 2‑53. THD và phổ dòng điện ngõ vào pha A đo 1 chu kỳ tại 0.08s
Tương tự, khi thay đổi thời điểm đo từ 0.13s, ta sẽ có kết quả như sau:
Hình 2‑54. THD và phổ dòng điện ngõ vào pha A đo 1 chu kỳ tại 0.13s

76. 75
Phổ sóng hài và THD dòng điện ngõ vào mạch chỉnh lưu của pha
A đo tại các chu kỳ cuối của các khoảng thời gian khảo sát với các góc
kích khác nhau được thể hiện trên hình 2-53 đến 2-55. Khi đó, THD dòng
điện pha A tương ứng trong các khoảng thời gian là 49.65%, 39.02%, và
31.18%. Điều đó cho thấy sóng hài dòng điện thay đổi theo góc kích của
các thyristor. Do đó, các bộ biến đổi này thường phải có thêm bộ phận lọc
sóng hài để đảm bảo tiêu chuẩn nối lưới - các bộ lọc đó không được đề cập
trong nội dung này.
Hình 2‑55. THD và phổ dòng điện ngõ vào pha A đo 1 chu kỳ tại 0.18s
Ngoài các bộ chỉnh lưu sử dụng thyristor hay SCR còn có các bộ
biến đổi sử dụng các transistor công suất. Các bộ này thường là các bộ
nghịch lưu nối lưới vận hành ở chế độ thu công suất với điều kiện tăng áp
DC và sẽ được trình bày trong phần nghịch lưu nối lưới.
2.5 Bộ nghịch lưu 1 pha
Bộ nghịch lưu là bộ chuyển đổi từ nguồn điện một chiều sang
nguồn điện xoay chiều có tần số phù hợp với phụ tải yêu cầu cụ thể.
Nghịch lưu được ứng dụng phổ biến trong các bộ điều khiển động cơ
điện, các thiết bị UPS, các bộ biến đổi nối lưới, v.v. Trong phần này
chủ yếu trình bày nguyên lý điều khiển nghịch lưu 1 pha với ngõ ra có
tần số cố định 50Hz. Tuy nhiên, việc điều chỉnh tần số cũng có thể cài đặt
tùy vào yêu cầu cụ thể.
2.5.1 Bộ nghịch lưu 1 pha 2 bậc
Sơ đồ nguyên lý của một bộ nghịch lưu 1 pha 2 bậc được thể hiện
trên hình sau:

77. 76
Rload
Lf
Cf
Filter
Vdc
+
-
S1
S2
S3
S4
Rsh
Hình 2‑56. Nguyên lý mạch nghịch lưu 1 pha cầu H
Rload
Lf
Cf
Filter
Vdc
+
-
S1
S2
S3
S4
Rsh
S5
Hình 2‑57. Nguyên lý mạch nghịch lưu 1 pha cầu H5
Rload
Lf/2
Cf
Vdc
+
-
S1
S2
S3
S4
Rsh
S+
S-
Lf/2
Hình 2‑58. Nguyên lý mạch nghịch lưu 1 pha HERIC
Có nhiều sơ đồ nghịch lưu 1 pha được nghiên cứu [10] như cầu H,
H5 (có thêm chuyển mạch phụ thứ 5), HERIC (highly efficient and reliable
inverter concept) được thể hiện trên hình 2-56 đến 2-58. Ngoài ra, còn có
các sơ đồ như REFU, FB-DCBP (Full-bridge inverter with dc by-pass),
FB-ZVR (Full-bridge zero voltage rectifier), v.v. Tuy nhiên, tùy thuộc vào
nhu cầu thực tế để chọn một sơ đồ phù hợp với một ứng dụng cụ thể. Trong
khuôn khổ tài liệu này cơ bản tập trung vào sơ đồ nghịch lưu cầu H ở hình
2-56. Trong sơ đồ này, điện trở Rsh
dùng làm cảm biến dòng để phục vụ
điều khiển bảo vệ quá dòng điện cho nghịch lưu và nguyên lý bảo vệ quá
dòng không trình bày trong tài liệu này. Có nhiều phương pháp điều chế
nghịch lưu 1 pha. Tuy nhiên, đối với nghịch lưu cầu H trên hình 2-56 có 2

78. 77
phương pháp điều chế cơ bản là điều chế 2 cực (bipolar) và điều chế đơn
cực (unipolar). Khi bỏ qua sụt áp trên linh kiện và bộ lọc, điện áp ngõ ra
được xác định như sau:
ac dc
V m*V
= (2‑21)
Trong đó: m là chỉ số điều chế và Vdc
là điện áp của nguồn một chiều.
Hình 2‑59. Mô hình mô phỏng nghịch lưu 1 pha cầu H điều chế lưỡng cực
Hình 2‑60. Các dạng sóng điện áp (a) Sóng điều khiển và sóng mang (b)
Xung kích S1
(c) Điện áp ngõ ra của nghịch lưu

79. 78
Trong mô hình mô phỏng ở hình 2-59 sử dụng phương pháp điều chế
lưỡng cực. Tức là, điện áp ngõ ra của nghịch lưu Vi
có 2 mức là +Vdc và
-Vdc như hình 2-60(c). Trong mô hình này, một tín hiệu điện áp với tần
số 50 Hz là Vref được so sánh với sóng mang tam giác Vc có tần số 2 kHz
như hình 2-60(a). Khi đó, dạng sóng xung kích S1
sẽ được thể hiện trên
hình 2-60(b).
Hình 2‑61. Các dạng sóng ngõ ra (a) Dòng điện (b) Điện áp(c) Công suất
P và Q
(a)

80. 79
(b)
Hình 2‑62. Phổ hài và THD đo một chu kỳ cơ bản từ thời điểm 0.04 s
(a) Dòng điện (b) Điện áp
Các đáp ứng dòng điện, điện áp và công suất của ngõ ra sau khi
qua mạch lọc cũng được thể hiện trên hình 2-61. Độ dợn sóng của dòng
điện tải ở hình 2-61(a) ít hơn độ dợn sóng của điện áp ở hình 2-61(b)
nhờ có thành phần điện cảm trên tải có chức năng giảm bớt độ nhấp nhô
dòng điện. Mặc dù vậy điện áp trên tải cũng có sóng hài cao đáng kể.
Phương pháp điều chế 2 cực làm cho điện áp ngõ ra Vi của nghịch
lưu chỉ có 2 mức nên làm tăng cao sóng hài đáng kể. Sóng hài của dòng
điện trên hình 2-62(a) có THD bằng 3.29% và biên độ hài riêng lẻ tại 2
kHz lên đến 2.5%. Bởi vì phổ hài điện áp ở hình 2-62(b) cho thấy THD
lên đến 11.7% và biên độ hài riêng lẻ tại 2 kHz lên đến gần 10.5%.
Để giảm sóng hài cho điện áp ngõ ra nghịch lưu, có thể tăng tần
số chuyển mạch nhưng cũng sẽ tăng tổn hao chuyển mạch và làm giảm
hiệu suất của thiết bị. Một cách khác cũng có thể áp dụng là tăng điện
cảm lọc ngõ ra của nghịch lưu. Tuy nhiên, điều này cũng làm tăng kích
thước bộ lọc và tổn hao trên mạch lọc. Do đó, việc lựa chọn tần số
chuyển mạch và kích thước mạch lọc đòi hỏi sự cân bằng cụ thể cho
từng thiết bị.

81. 80
Hình 2‑63. Mô hình mô phỏng nghịch lưu 1 pha cầu H điều chế đơn cực
Hình 2‑64. Các dạng sóng điện áp khi điều chế đơn cực (a) Sóng điều
khiển và sóng mang (b) Xung kích S11(c) Xung kích S21 (d) Điện áp
ngõ ra Vi