Chương 6. HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN BỘ BIẾN ĐỔI
6.1. KHÁI QUÁT VÀ PHÂN LOẠI
6.1.1. Chức năng và cấu trúc của hệ thống điều khiển bộ biến đổi
Chức năng của hệ thống điều khiển bộ biến đổi là biến đổi tín hiệu điều khiển thành xung điều
khiển tương ứng cho việc điều khiển mở các phần tử bán dẫn công suất.
Bộ biến đổi gồm hai phần: Mạch động lực và mạch điều khiển. Mạch động lực chứa các phần tử
van điều khiển như: tiristor, GTO, tranzitor công suất lớn …
Phân loại:
Thông thường các bộ biến đổi có thể chia thành hai nhóm:
- Bộ biến đổi phụ thuộc: chỉnh lưu, bộ biến đổi xung áp xoay chiều
- Bộ biến đổi độc lập: nghịch lưu độc lập, bộ biến đổi xung áp một chiều
Do đó người ta cũng chia hệ điều khiển ra làm hai loại:
- Hệ điều khiển bộ biến đổi phụ thuộc (dùng cho chỉnh lưu và bộ biến đổi xung áp xoay chiều)
- Hệ điều khiển bộ biến đổi độc lập (dùng cho nghịch lưu độc lập và bộ biến đổi xung áp một
chiều).
Hệ điều khiển cũng có thể được phân loại theo tín hiệu như:
- Hệ điều khiển tương tự.
- Hệ điều khiển số.
Chúng ta sẽ lần lượt khảo cứu các hệ điều khiển nêu trên.
Cấu trúc chung của bộ biến đổi phụ thuộc được trình bày trên hình 6.1

Tín hiệu điều khiển là tín hiệu áp U
đk
hoặc mã số. U
đk
được đưa vào bộ điều chế ĐC. Bộ ĐC tạo ra
các tín hiệu điều khiển ở các thời điểm nhất định cho từng van cụ thể (thực hiện chức năng đồng bộ).
Chức năng của bộ điều chế được mô tả bằng phương trình:
α = f( U
đk
)

thuộc vào giá trị của tín hiệu điều khiển (hình 6.3a).
Đặc tính pha của bộ điều chế phụ thuộc vào dạng điện áp tựa (điện áp răng cưa). Nếu điện áp tựa
có dạng hàm số cosin (đường 3 hình 6.3b):
U
RC
(t)=U
m
cosωt.
Chọn ωt = 0 là thời điểm chuyển mạch tự nhiên, thì khi: ωt = α
Ta có: U
m
cosα = U
đk
Điện áp ra của chỉnh lưu được tính theo công thức:
Đặt biểu thức (6.1) vào (6.2) ta được:
Như vậy đặc tính điều chỉnh U
d
=f(U
đk
) của bộ chỉnh lưu là
hàm tuyến tính (đường 1 hình 6.3b).
Đường 2 hình 6.3b là hàm sin
Hình 6.3. Đặc tính điều chỉnh của
chỉnh lưu
6.1.2.2.Nguyên lý điều khiển dịch pha
Một dạng điều khiển theo nguyên tắc khác là người ta
dùng bộ quay pha để thay đổi pha của điện áp hình sin được tạo
ra bởi máy phát tín hiệu sin (MF sin). Khi thay đổi U
đk
, góc pha

Nếu chọn α
max
=175
0
thì:
Phương trình (6.4) là cơ sở để tính phân áp R
1
và R
2
.
b) Dùng một nguồn không đối xứng cho khuếch đại thuật toán hình 6.5. Tín hiệu xoay chiều U
(1)
sau khi
đi qua khâu so sánh bằng KĐT sẽ cho xung vuông góc U
2
, sau đó U
2
được đưa vào khâu cộng modul 2
(=1) và mạch trễ R
2
C
2
để tạo một xung đồng bộ ứng với điểm U
(1)
đi qua điểm 0.
Độ rộng T
x
= RCln2 là cơ sở để chọn R
2
, L

=0. Nên thay khoá K bằng bóng trường công nghệ MOS
(hình 6.7c). Vì điện trở vào của bóng trường lớn tín hiệu đồng bộ là tín hiệu áp và nguồn đồng bộ sẽ
không bị ngắn mạch qua các mạch phụ khác. Trong trường hợp dùng bóng kênh cảm ứng n thì U
đồng bộ
≥
U
0
, bóng sẽ mở (U
0
là điện áp ngưỡng mở của bóng trường). Hoặc có thể dùng khoá điện tử mắc song
song với tụ C (hình 6.7d). Có thể dùng vi mạch 4066 thay cho khoá điện tử.
Dựa vào công thức (6.11) với E và t cho trước (ϖ t = 180
0
) , ta lựa chọn C và R .
6.2.3. Mạch so sánh
Để so sánh các tín hiệu tương tự (analog), người ta có thể dùng tranzito hoặc khuếch đại thuật
toán như ở hình 6.8. Khuếch đại thuật toán có các ưu điểm sau:
- Điện trở vào vô cùng lớn: R
v
= ∞ (thực tế R
v
= 10
6
÷10
9
Ω);
- Hệ số khuếch đại K = ∞ (thực tế K=10
6
)
- Điện trở ra R

Nếu giả thiết từ thông phân bố đều trong lõi thì
Φ
=B.S (S là tiết diện của lõi dây), thay vào công
thức (6.13) ta có:
Giả sử U
1
(t) là xung vuôn góc có biên độ bằng U
m
và độ rộng là T
s
, tích phân hai vế của phương
trình ta có:
(6.15)
Thông thường biến áp xung truyền xung có một cực tính nên lõi thép sẽ làm việc theo đường từ
hoá riêng (hình 6.10).
Khi có xung, lõi thép sẽ bị từ hoá và cảm ứng từ sẽ thay đổi từ điểm B
0
đến điểm Bm luôn ứng với
thời điểm mà xung kết thúc (OA là đường từ hoá trung bình).
Sau khi xung kết thúc, cảm ứng từ lại giảm từ B
m
về B
0
(đường đậm trên hình 6.10). Do đó trong
công thức (6.15), giới hạn trên của tích phân là B
m
và giới hạn dưới là B
0
.
Lấy tích phân hai về:

; Độ rộng xung T
x
.
Tần số của xung: f . Độ sụt đỉnh xung: ∆
x
(%).
Yêu cầu: Tính biến áp xung
Bước 1: Chọn vật liệu máy biến áp xung
Theo đặc tính từ hoá xác định:
∆B và ∆H lấy theo đường từ hoá trung bình.
Bước 2: Tính thể tích lõi thép
-Tính dòng thứ cấp:
Bước 3: Tính tham số sơ cấp của biến áp xung
-Tính số vòng dây sơ cấp W
1
của biến áp
xung
-Tính điện cảm L theo công thức trên
-Tính dòng sơ cấp của biến áp xung

-Nếu I µ nhỏ so với I
2
/n thì có thể coi:

-Tính W
1
theo công thức (6.16)
-Tính thể tích lõi thép V
-Dựa vào thể tích, chọn kích thước của lõi.


6.12 và 6.13
6.12. Mạch ghép các phần tử cách ly quang
6.2.4.3. Mạch khuếch đại xung đơn công suất lớn
Để tạo ra xung công suất lớn đủ mở cho các tiristo công suất lớn, người ta dùng tiristo làm khuếch
đại (hình 6.14).
Mạch hoạt động như sau:
Giả sử trước đó tụ C được nạp điện với dấu như trên hình 6.14, khi đưa xung (U
V
) vào mở tiristo, tiristo
sẽ mở và tạo ra một xung trên cuộn W
1
và W
2
của biến áp xung có biên độ xung bằng E và dòng bằng
E/R
W1
, R
W1
là điện trở phụ tải quy đổi về sơ cấp máy biến áp xung. Đồng thời sẽ xuất hiện dòng I
C
phóng
qua tiristo. Dòng này có dạng hình sin và biên độ bằng E/P, ( là điện trở sóng của mạch dao động LC).
Tại thời điểm t
2
dòng I
C
đổi dấu và làm tiristo bị khoá lại. Diode D dùng để giảm quá áp trên tiristo khi
tiristo khoá lại.
Các công thức tính toán như sau:
T là độ rộng xung

2
ở trạng thái bão hoà khi bóng mở:
Mạch khuếch đại trên hình 6.15 có nhược điểm là khi truyền một xung có độ rộng quá lớn
(t
x
>1ms) thì kích thước biến áp xung lớn và dạng xung sẽ bị xấu đi. Để khắc phụ người ta thường dùng bộ
trộn cao tần như sơ đồ trên hình 6.16.
Điện áp U
V
là xung có độ dài bằng t
x
được trộn với xung có chu kỳ T
1
nhỏ hơn rất nhiều so với t
x
thông qua mạch logic và AND.
Bộ phát xung cao tần thường là dao động đa hài xung vuông góc có tần số f = 5 ÷10kHz. Biến áp
xung được tính với độ rộng xung T
1
.
6.2.5. Sơ đồ điều khiển bộ biến đổi phụ thuộc dùng khuếch đại thuật toán (Hình 6.17)
Nguyên lý hoạt động của mạch như sau:
Tín hiệu xoay chiều sau khi được chỉnh lưu bởi D
3
, D
4
sẽ được so sánh với điện áp U
0
để tạo ra tín
hiệu đồng bộ (hình 6.19 a, b) trùng với thời điểm điện áp lưới đi qua điểm O. Tín hiệu đồng bộ này sẽ mở

này luôn có hai van dẫn điện: Một van ở nhóm catôt chung và một van ở nhóm anôt chung. Theo lý
thuyết chỉ cần 6 xung đơn để mở cho 6 tiristo tương ứng U
g1
ở thời điểm t1 đối với tiristo T
1
, U
g2
ở thời
điểm t
2
ứng với T
2
… (hình 6.18). Do đặc tính của phụ tải cũng như đặc điểm chuyển mạch có thể làm cho
van đang dẫn trước đó bị khoá lại, ví dụ trong khoảng t
1
÷ t
2
, T
1
làm việc với T
6
. Tại thời điểm t
2
khi mở
T
2
và khoá T
6
lại có thể làm cho T
1

, T
5
= K
5
+ K
6
, T
6
= K
6
+ K
1
K
1
, K
2
, K
3
, K
4
, K
5
, K
6
là các kênh tạo xung cho từng tiristo tương ứng. Việc cộng các xung được
thực hiện bằng mạch logic “hoặc” (mạch OR). Trình tự tạo xung được mô tả trên hình 6.21, sau khi được
trộn, các tín hiệu sẽ được khuếch đại và đưa lên cực điều khiển của các tiristo.
Cách 2: Tạo ra các tín hiệu điều khiển >60
0
(hình 6.20b) tức là t

T
t
f f
+
= = =
f - Tần số lưới điện
t
S
– Được tạo ra bởi máy phát xung và tần số của nó là:
Tuy nhiên sai số của hệ thống điều khiển không chỉ phụ thuộc vào mức độ lượng tử của tín hiệu
điều khiển, mà còn phụ thuộc vào sự đồng bộ với lưới điện, đặc biệt là việc xác định thời điểm chuyển
mạch tự nhiên.
Có hai phương pháp xây dựng hệ điều khiển số:
6.3.1. Phương pháp dịch pha (Hình 6.22)
Tín hiệu điều khiển dưới dạng cơ số hai sẽ
được nạp vào bộ đếm ở những thời điểm nhất định
nhờ xung đồng bộ (ĐB) với lưới điện (thông
thường là thời điểm chuyển mạch tự nhiên).
Đồ thị trên hình 6.23 mô tả quá trình làm
việc của hệ điều khiển được xây dựng cho bộ đếm
K byte. Giá trị K
đkh
= 1000 sẽ được ghi vào bộ đếm
ở thời điểm chuyển mạch tự nhiên.
Sau đó tín hiệu từ máy phát xung sẽ là tín hiệu clock cho bộ đếm xuống. Nội dung của bộ đếm
sẽ giảm dần về không. Khi nội dung của bộ đếm bằng không, đầu ra của nó sẽ cho tín hiệu điều khiển
ứng với góc điều khiển:
Xét bộ điều khiển xung số theo nguyên tắc dịch pha hình 6.24a
Hình 6.24a. Bộ điều khiển xung số
Tín hiệu xoay chiều sau khi đi qua các khâu

đối với tín hiệu điều khiển. Sơ đồ cấu trúc gồm bộ đếm, khâu phát xung và khâu so sánh số (hình 6.25).
Máy phát xung sẽ tạo ra xung nhịp để đưa vào bộ đếm có hệ số K
đếm

max
=2
N
. Trạng thái của bộ đếm
được thay đổi từ giá trị cực đại đến giá trị cực tiểu (2
N
giá trị) trong khoảng thời gian bằng nửa chu kỳ của
điện áp lưới, do đó máy phát xung (FX) sẽ có tần số là:
Bộ đếm chính là bộ tạo ra răng cưa số tuyến tính và răng cưa số này được đồng bộ với lưới nhờ
khâu đồng bộ (ĐB). Thời điểm ban đầu của răng cưa số (bộ nhận giá trị cực đại) tương ứng với thời điểm
chuyển mạch riêng của bộ biến đổi. Tín hiệu răng cưa số sẽ được so sánh với mã điều khiển (K
đkh
=1000)
và khi hai tín hiệu này bằng nhau bộ so sánh sẽ tạo ra tín hiệu lôgic tương ứng với góc điều khiển α.
Phương trình mô tả bộ so sánh có dạng như sau:
6.4. CẤU TRÚC CỦA HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN NGHỊCH LƯU
Hệ thống điều khiển nghịch lưu dùng để tạo ra các xung điều khiển đóng mở các van động lực
theo những luật mong muốn. Các luật điều khiển chủ yếu tập trung vào các vấn đề điều chỉnh điện áp, tấn
số và đảm bảo chất lượng điện áp ra của nghịch lưu.
Hệ điều khiển có thể được phân loại theo hệ một pha hoặc ba pha. Nó cũng có thể được phân theo
tín hiệu thành hệ điều khiển tương tự hoặc hệ điều khiển số.
Cũng tương tự như hệ thống điều khiển bộ biến đổi phụ thuộc, hệ điều khiển nghịch lưu cũng gồm
hai phần: Phần tạo luật điều khiển và phần tạo tín hiệu công suất để đóng mở các van động lực.
Thành phần cấu trúc của hệ điều khiển nghịch lưu gồm các khâu sau:
- Máy phát xung (FX): Để tạo tín hiệu đồng bộ cho toàn hệ thống và tạo tần số cho nghịch lưu.
- Bộ chia tần: Để giảm sai số và ổn định tần số, thông thường người ta dùng máy phát xung

nhờ giá trị U
R max
. Khi t = t
1
, điện áp trên tụ U
C
đạt giá trị U
0
, khuếch đại thuật toán lật trạng thái và U
R
=
-U
R max
≈ -E. Điện áp trên tụ C không thể thay đổi đột ngột và lúc này tụ C lại phóng điện qua R
1
. Ở thời
điểm t=t
2
khi :
khuếch đại thuật toán lại lật trạng thái và U
R
=U
R max
≈ +E và sau đó quá trình lặp lại.
Thời gian phóng tụ C
Thay giá trị U
0
vào biểu thức trên ta có:
và chu kỳ máy phát sẽ là:
6.5.2. Máy phát xung dùng bóng một tiếp giáp (UJT)

– điện áp rơi trên bóng.
Ứng với đường AB ta có:
Ứng với đường AC ta có:
Như vậy đường phụ tải phải nằm giữa hai đường AB và AC hay điện trở phụ tải R
2
phải thoả mãn
điều kiện:
U
M
– điện áp nguồn khi bóng mở: U
M
= E.η
η - hệ số truyền cho trong sổ tay tra cứu.
I
M
- dòng tối thiểu khi bóng bắt đầu mở.
I
N
– dòng tối thiểu mà bóng có khả năng mở, nếu I < I
N
bóng sẽ khoá lại.
U
N
– điện áp rơi trên bóng ứng với trạng thái mở.
Chu kỳ của mạch dao động được tính theo công thức:
6.5.3. Bộ tạo độ rộng xung (đa hài đợi)
Bộ tạo dao động xung là bộ dao động tạo xung vuông có độ rộng nhất định., thường được dùng để
tạo xung hoặc làm các phần tử trễ xung. Sơ đồ bộ tạo độ rộng xung hình 6.28. Nguyên lý làm việc như
sau :
Hình 6.28.Mạch tạo độ rộng xung

1
.
Dễ dàng nhận thấy trạng thái này là trạng thái ổn định, vì đầu vào "+" của khuếch đại thuật toán có
điện áp
3
32
0
R
RR
E
U
+
−=
(bỏ qua ảnh hưởng của R
4
) và
00 C
UU
>
.
b) Trạng thái tạo xung
Tại thời điểm t
1
, khi có xung điều khiển có giá trị lớn hơn U
0
tác động đầu vào "+" của khuếch đại
thuật toán làm cho nó lật trạng thái và U
R
= + E.
Mạch phản hồi R

2
), khuếch đại thuật toán lật trạng thái và trở
về trạng thái ổn định, kết thúc quá trình tạo xung.
Độ rộng xung có thể được tính theo công thức:
)1ln(
2
3
11
R
R
CRt
x
+=
Thông thường để thay đổi t
x
người ta thay đổi các giá trị R
1
, C
1
hoặc tỷ số R
3
/R
2
.
6.5.4. Bộ chia tần
Bộ chia tần đơn giản nhất là dùng các trigơ nối tiếp nhau. Thông thường người ta ta dùng trigơ
đếm loại T và như vậy bộ chia tần đơn giản nhất sẽ có hệ số chia k =2
n
, n là số trigơ mắc nối tiếp với nhau
(hình 6.29).

nối vào đầu J của T
2
, đầu ra
1
Q
nối vào đầu vào K của T
2
; T
2
nối tương tự với T
3
, nhưng
đầu ra Q
3
lại được nối vào K của T
1
và
3
Q
nối với J của T
1
, do đó ta khử được hai trạng thái (2
3
= 8 trạng
thái) và bộ đếm chỉ còn lại 6 trạng thái. Mỗi khi có tín hiệu đồng bộ (x = 1), bộ đếm lại lật trạng thái và
ta lại khử đi được 2 trạng thái 101 và 010. Theo biểu đồ xung ta dễ dàng nhận thấy chu kỳ T đã được chia
làm 6 khoảng đều nhau (
2
6
π

3
, G
4
) theo biểu đồ xung 4 và 5 (hình 6.33).
Xung điều khiển đưa vào cặp tiristo T
1
, T
2
lệch 180
0
so với xung điều khiển đưa vào cặp T
3
, T
4
.
Nguyên lý điều khiển nghịch lưu cầu một pha (hình 6.33) như sau:
Máy phát xung (1) sẽ tạo ra xung với tần số bằng tần
số ra của nghịch lưu.
Sau khi qua bộ đảo, xung sẽ được phân thành hai
kênh lệch nhau 180
0
(2 và 3).
Xung từ các kênh này được vi phân để lấy thông tin
về thời điểm mở các cặp tiristo: 4 và 5. Các xung này đưa
vào các bộ khuếch đại xung để tạo ra các xung điều khiển có
độ rộng và công suất đủ để mở các tiristo động lực. Các bộ
khuếch đại đầu ra đã được trình bày trong phần chỉnh lưu.
Để điều chỉnh tần số, máy phát xung phải có khả năng
thay đổi tần số theo quy luật mong muốn f = f(U
đk

Q
,
2
Q
,
3
Q
sẽ được đưa vào bộ
khuếch đại tạo xung để tạo ra các tín hiệu điều khiển (G
1
, G
2
, G
3
, G
4
, G
5
, G
6
) cho các tiristo động lực
(hình 6.35).
6.7.3. Điều khiển nghịch lưu áp một pha
Nguồn áp là nguồn được sử dụng rộng rãi vì
ưu điểm cơ bản của nó là có thể dùng cho các dạng
phụ tải khác nhau. Nhờ sự phát triển vượt bậc của
kỹ thuật điện tử, các loại van điều khiển hoàn toàn
như IGBT và GTO đã làm đơn giản rất nhiều các
mạch điều khiển, nên trong lĩnh vực điều khiển
nghịch lưu áp (PWM) theo quy luật hình sin để tạo

lưu áp một pha
Hình 6.37.Sơ đồ điều khiển nghịch lưu
áp một pha
6.7.4. Điều khiển nghịch lưu áp ba pha
6.7.4.1. Phương pháp điều chế (PMW) kinh điển
Nội dung của phương pháp kinh điển là cần tạo ra tín hiệu điều khiển ba pha đối xứng từ một tín
hiệu điều khiển hình sin (U
*
). Thông thường các bộ nghịch lưu áp đều đòi hỏi khả năng điều chỉnh tần số
nên bộ biến đổi một pha thành ba pha (U
a
, U
b
, U
c
) phải không phụ thuộc vào tần số. Sau đó các tín hiệu
U
a
, U
b
, U
c
lần lượt được so sánh với tín hiệu răng cưa. Như vậy đối với nghịch lưu áp ba pha cần có ba bộ
điều chế (PMW) cho ba pha riêng biệt. Đây cũng là nhược điểm cơ bản của phương pháp điều chế kinh
điển (hình 6.38).
Hình 6.38.Sơ đồ điều chế PWM kinh điển
6.7.4.2. Phương pháp điều khiển số tựa tương tự
Bản chất của phương pháp này cũng giống như phương pháp điều chế tương tự, tức là so sánh tín
hiệu răng cưa với tín hiệu chủ đạo có dạng hình sin. Điểm khác cơ bản là tín hiệu chủ đạo hình sin đã
được số hoá. Tín hiệu răng cưa trên không tồn tại một cách thực sự như một tín hiệu mà chỉ là giá trị mô

b
= U
m
sin(
ω
.t - 120
0
)
U
c
= U
m
sin(
ω
.t + 120
0
)
6.7.4.3. Phương pháp điều khiển vectơ
Như đã phân tích trong phần nghịch lưu, ưu điểm cơ bản của phương pháp điều chế véc tơ là chỉ
cần một bộ điều chế duy nhất cho cả ba pha thay vì ba bộ điều chế cho từng pha riêng biệt như trong
mạch điều khiển riêng biệt.
Bất kỳ một tín hiệu chủ đạo hình sin nào cũng được quy đổi về các véc tơ chuyển mạch chuẩn
(hình 6.40b). Việc quy đổi các véc tơ điện áp mong muốn theo các véc tơ chuẩn đảm bảo tạo ra hệ thống
điện áp ba pha đối xứng trong nghịch lưu nếu thời gian lấy mẫu bảng 2T.
Ta có phương trình:
2f
s
(t
a
.U

, t
b
, t
c
, nó cũng
chính là thời gian ứng với các véc tơ chuyển mạch đóng cắt trong các khoảng thời gian t
a
, t
b
, t
0
, chính là
thời gian đóng cắt của các van động lực (hình 6.40c).
Hình 6.40.Phương pháp điều khiển vectơ
Bộ chọn kênh xác định vị trí của véc tơ chủ đạo U
*
trong các góc I, II, III, IV, V, VI tương ứng, và
ứng với mỗi góc bộ chọn kênh sẽ tạo ra hai véc tơ biên cần thiết tương ứng với góc đó. Chức năng chọn
kênh có thể giải quyết bằng phần cứng hoặc phần mềm tuỳ thuộc vào khả năng tính toán của bộ vi xử lý.
Câu hỏi ôn tập
1. Chức năng và cấu trúc của hệ thống điều khiển bộ biến đổi ?
2. Nguyên lý điều khiển dọc, nguyên lý điều khiển dịch pha ?
3. Các mạch tạo tín hiệu đồng bộ, tạo điện áp răng cưa, mạch so sánh ?
4. Biến áp xung ?
5. Các phần tử cách ly quang ?
6. Các bộ khuyếch đại xung ?
7. Tại sao phải tạo xung kép để điều khiển các tiristor trong chỉnh lưu cầu tiristor ba pha ?
8. Phương pháp điều khiển dịch pha trong mạch điều khiển số các bộ biến đổi ?
9. Phương pháp điều khiển dọc trong mạch điều khiển số các bộ biến đổi ?
10. Cấu trúc của bộ điều khiển nghịch lưu ?