Luận Văn Tốt Nghiệp GVHD: Ts Nguyễn Văn Nhờ
SVTH: Trần Quốc Hoàn 1/102 Mục lục
Mục lục 1
Tóm tắt luận văn 4
Chương 1
TỔNG QUAN VỀ BỘ NGHỊCH LƯU ÁP 5
1. Giới thiệu tổng quát 5
1.1 Bộ nghịch lưu áp 6
1.2 Phân loại bộ nghịch lưu áp 6
2. Các dạng cấu trúc cơ bản của bộ nghịch lưu áp đa bậc 7
2.1 Cấu trúc dạng Diode kẹp NPC (Diode Clamped Multilevel Inverter) 7
2.2 Cấu trúc dùng tụ điện thay đổi (Flying Capacitor Multilevel Inverter) 9
2.3 Cấu trúc dạng ghép tầng (Cascade Inverter) 10
2.4 So sánh số linh kiện sử dụng trong 3 dạng nghịch lưu áp đa bậc trên 12
3. Nhận xét 12
Chương 2
CẤU TRÚC BỘ NGHỊCH LƯU ÁP ĐA BẬC DẠNG CASCADE 13
1. Bộ nghịch lưu áp cầu 1 pha 13
2. Bộ nghịch lưu áp đa bậc dạng cascade 14
Chương 3
ĐIỀU KHIỂN BỘ NGHỊCH LƯU ÁP ĐA BẬC DẠNG CASCADE – PHƯƠNG
PHÁP ĐIỀU CHẾ ĐỘ RỘNG XUNG (Carrier based PWM) 17

1. Tổng quát về kỹ thuật điều chế độ rộng xung – PWM 17
1.1 Một số chỉ tiêu đánh giá kỹ thuật PWM của bộ nghịch lưu 17
1.2 Các dạng sóng mang dùng trong kỹ thuật PWM 18
2. Phương pháp điều chế độ rộng xung Sin (Sin PWM) 20
2.1 Nguyên tắc thực hiện 20

3.2 Chế độ Minimum common mode – SVPWM 63
3.3 Chế độ Minimum common mode – DPWM 63
3.4 Chế độ Medium common mode – DPWM 63
4. Nhận Xét 63
Chương 6
ĐIỀU KHIỂN BỘ NGHỊCH LƯU ĐA BẬC DẠNG CASCADE VỚI NGUỒN DC
KHÔNG CÂN BẰNG 63

1. Mô phỏng cho trường hợp nguồn DC không cân bằng 63
1.1 Thực hiện mô phỏng 63
1.2 Kết quả mô phỏng 63
Luận Văn Tốt Nghiệp GVHD: Ts Nguyễn Văn Nhờ
SVTH: Trần Quốc Hoàn 3/102 2. Phương pháp điều khiển bộ nghịch lưu áp đa bậc với nguồn DC không cân bằng
63

2.1 Nguyên lý điều chế 63
2.2 Ứng dụng cho bộ nghịch lưu đa bậc dạng cascade 63
3. Mô phỏng điều khiển bộ nghịch lưu cascade với nguồn DC không cân bằng 63
3.1 Chương trình trong khối DLL 63
3.2 Mô phỏng trong trường hợp nguồn không cân bằng là nguồn DC 63
3.3 Mô phỏng trong trường hợp nguồn không cân bằng được lấy từ bộ chỉnh
lưu cầu 3 pha diode 63

4. Nhận xét 63
Kết luận 63
Tài liệu tham khảo 63


1. Giới thiệu tổng quát
Bộ nghịch lưu có nhiệm vụ chuyển đổi năng lượng từ nguồn điện một chiều
không đổi sang dạng năng lượng điện xoay chiều để cung cấp cho tải xoay chiều.
Đại lượng được điều khiển ở ngõ ra là điện áp hoặc dòng điện, tương ứng ta có bộ
nghịch lưu được gọi là bộ nghịch lưu áp và bộ ngh
ịch dòng.
Nguồn một chiều cung cấp cho bộ nghịch lưu áp có tính chất nguồn điện áp và
nguồn cho bộ nghịch lưu dòng có tính chất là nguồn dòng điện. Các bộ nghịch lưu
tương ứng được gọi là bộ nghịch lưu áp nguồn áp và bộ nghịch lưu dòng nguồn dòng
hoặc gọi tắt là bộ nghịch lưu áp và bộ nghịch lưu dòng.
Trong trường hợp nguồn đi
ện ở đầu vào và đại lượng ở ngõ ra không giống nhau,
ví dụ bộ nghịch lưu cung cấp dòng điện xoay chiều từ nguồn điện áp một chiều, ta gọi
chúng là bộ nghịch lưu điều khiển dòng điện từ nguồn điện áp hoặc bộ nghịch lưu
dòng nguồn áp.
Các bộ nghịch lưu tạo thành bộ phận chủ yếu trong cấu tạ
o của bộ biến tần. Ứng
dụng quan trọng và tương đối rộng rãi của chúng nhằm vào lĩnh vực truyền động điện
động cơ xoay chiều với độ chính xác cao. Trong lĩnh vực tần số cao, bộ nghịch lưu
được dùng trong các thiết bị lò cảm ứng trung tần, thiết bị hàn trung tần. Bộ nghịch lưu
còn được dùng làm nguồn điện xoay chiều cho nhu cầu gia đình, làm ngu
ồn điện liên
tục UPS, điều khiển chiếu sáng, bộ nghịch lưu còn được ứng dụng vào lĩnh vực bù
nhuyễn công suất phản kháng.
Các tải xoay chiều thường mang tính cảm kháng (ví dụ động cơ không đồng bộ,
lò cảm ứng), dòng điện qua các linh kiện không thể ngắt bằng quá trình chuyển mạch
tự nhiên. Do đó, mạch bộ nghịch lưu thường chứa linh kiện tự kích ng
ắt để có thể điều
khiển quá trình ngắt dòng điện.
Trong các trường hợp đặc biệt như mạch tải cộng hưởng, tải mang tính chất dung

¾ Theo cấu hình của bộ nghịch lưu: dạng cascade (Cascade inverter), dạng
diode kẹp NPC (Neutral Point Clamped Multilevel Inverter), hoặc dạng
dùng tụ điện thay đổi (Flying Capacitor Multilevel Inverter)…
¾ Theo phương pháp điều khiển:
• Phương pháp điều rộng.
• Phương pháp điều biên.
• Phương pháp đi
ều chế độ rộng xung sin (Sin PWM).
• Phương pháp điều chế độ rộng sung sin cải biến (Modifield SPWM).
Luận Văn Tốt Nghiệp GVHD: Ts Nguyễn Văn Nhờ
SVTH: Trần Quốc Hoàn 7/102 • Phương pháp điều chế vector không gian (Space vector modulation,
hoặc Space vector PWM).
• Phương pháp Discontinuous PWM.
2. Các dạng cấu trúc cơ bản của bộ nghịch lưu áp đa bậc
Có 3 dạng thường được sử dụng trong bộ nghịch lưu áp đa bậc:
• Dạng diode kẹp NPC (Diode Clamped Multilevel Inverter).
• Dạng dùng tụ điện thay đổi (Flying Capacitor Multilevel Inverter).
• Dạng ghép tầng cascade (Cascade Inverter).
2.1 Cấu trúc dạng Diode kẹp NPC (Diode Clamped Multilevel Inverter)
Sử dụng thích hợp khi các nguồn DC tạo nên từ hệ thống điện AC. Bộ nghịch lưu
đa bậc chứa các cặp diode kẹp có một mạch nguồn DC đượ
c phân chia thành một số
cấp điện áp nhỏ hơn nhờ chuỗi các tụ điện mắc nối tiếp.
Giả sử nhánh mạch DC gồm n nguồn có độ lớn bằng nhau mắc nối tiếp. Điện áp
pha - nguồn DC (phase to pole voltage) có thể đạt được (n+1) giá trị khác nhau và từ
đó bộ nghịch lưu được gọi là bộ nghịch lưu áp (n+1) bậc. Ví dụ (như hình 1.1) chọn
mức

Vxo = 2U 0 0 0 1 1 1 1 1 0 0
Vxo = U 0 0 0 0 1 1 1 1 1 0
Vxo = 0 0 0 0 0 0 1 1 1 1 1
Với x = a, b, c.

Luận Văn Tốt Nghiệp GVHD: Ts Nguyễn Văn Nhờ
SVTH: Trần Quốc Hoàn 9/102 2.2 Cấu trúc dùng tụ điện thay đổi (Flying Capacitor Multilevel Inverter) Hình 1.2: Flying Capacitor Multilevel Inverter.
Ưu điểm chính của nghịch lưu dạng này là:
• Khi số bậc tăng cao thì không cần dùng bộ lọc.
• Có thể điều tiết công suất tác dụng và phản kháng nên hiện được việc
điều tiết công suất.
• Mỗi nhánh có thể được phân tích độc lập với các nhánh khác. Không
như nghịch lưu đa bậc dạng NPC khi phân tích phải quan tâm đến cân
bằng điện áp ba pha
ở ngõ vào.
Nhược điểm:
• Số lượng tụ công suất lớn tham gia trong mạch nhiều, dẫn đến giá thành
tăng và độ tin cậy giảm.
• Việc điều khiển sẽ khó khăn khi số bậc của nghịch lưu tăng cao.
Luận Văn Tốt Nghiệp GVHD: Ts Nguyễn Văn Nhờ
SVTH: Trần Quốc Hoàn 10/102 2.3 Cấu trúc dạng ghép tầng (Cascade Inverter)
Luận Văn Tốt Nghiệp GVHD: Ts Nguyễn Văn Nhờ
SVTH: Trần Quốc Hoàn 12/102 2.4 So sánh số linh kiện sử dụng trong 3 dạng nghịch lưu áp đa bậc trên
Bảng 1.2 so sánh số linh kiện được sử dụng trong mỗi pha của 3 dạng nghịch lưu
kể trên. Ta thấy, số công tắc IGBT và số diode mắc đối song được sử dụng trong mỗi
dạng nghịch lưu cùng bậc là như nhau. Diode kẹp thì không cần trong dạng tụ thay đổi
và dạng cascade inverter, trong khi đó tụ cân bằng thì không cần cho dạng diode k
ẹp
và cascade inverter. Tóm lại, dạng cascade inverter là sử dụng ít linh kiện nhất.
Bảng 1.2: So sánh số linh kiện trong 1 pha của 3 dạng nghịch lưu.
Cấu hình
nghịch lưu
Diode kẹp NPC Tụ thay đổi Cascade inverter
Công tắc IGBT 2(n-1) 2(n-1) 2(n-1)
Diode đối song 2(n-1) 2(n-1) 2(n-1)
Diode kẹp (n-1)(n-2) 0 0
Tụ trên nguồn DC (n-1) (n-1) (n-1)/2
Tụ cân bằng 0 (n-1)(n-2)/2 0

Một ưu điểm khác của cascade inverter là cấu hình có thể thay đổi linh hoạt, ta có
thể tăng hoặc giảm số bậc một cách dễ dàng, bằng cách thêm hoặc bớt số bộ nghịch
lưu cầu 1 pha tương ứng.
3. Nhận xét
Ưu điểm của bộ nghịch lưu áp đa bậc: công suất của bộ nghịch lưu áp tăng lên;
điện áp đặt lên các linh kiện bị giảm xuống nên công suất tổn hao do quá trình đóng
ngắt các linh kiện cũng giảm theo; với cùng tần số đóng ngắt, các thành phần sóng hài

AB
= +V, khóa S3 và S4 đồng
thời kích đóng sẽ tạo ra điện áp V
AB
= -V và khi (S1, S3) hoặc (S4, S2) được kích
đóng sẽ tạo ra mức điện áp 0.
Luận Văn Tốt Nghiệp GVHD: Ts Nguyễn Văn Nhờ
SVTH: Trần Quốc Hoàn 14/102
Hình 2.2: Dạng điện áp ngõ ra bộ nghịch lưu cầu 1 pha.
2. Bộ nghịch lưu áp đa bậc dạng cascade
Bộ nghịch lưu áp đa bậc dạng cascade như đã giới thiệu ở trên, có cấu tạo gồm
nhiều bộ nghịch lưu áp cầu một pha ghép nối tiếp với nhau. Một bộ nghịch lưu áp
dạng cascade n bậc thì trên mỗi nhánh pha sẽ có (n-1)/2 bộ nghịch lưu áp cầu một pha
ghép nối tiếp với nhau.
Ta xét bộ nghịch lưu áp 5 bậc dạng cacade: cấu tạo gồm 2 bộ ngh
ịch lưu áp cầu 1
pha ghép nối tiếp, mỗi bộ được cung cấp bởi 1 nguồn điện áp DC riêng biệt. Điện áp
ngõ ra của mỗi bộ nghịch lưu áp cầu một pha có 3 bậc (–V, 0, +V), do đó điện áp ngõ
ra của bộ nghịch lưu cascade sẽ có 5 bậc (-2V, -V, 0, +V, +2V).

Hình 2.3: Cấu trúc mạch của bộ nghịch lưu áp 5 bậc dạng cascade.

Luận Văn Tốt Nghiệp GVHD: Ts Nguyễn Văn Nhờ
SVTH: Trần Quốc Hoàn 15/102 Trạng thái đóng ngắt các công tắc trong 1 nhánh pha phải thỏa mãn điều kiện kích

3
2
000 acb
uuu
−
−
; U
tc
=
3
2
000 bac
uuu −−
(2.4)
Trong trường hợp 3 pha tải dạng tam giác, điện áp pha tải bằng điện áp dây do bộ
nghịch lưu cung cấp:
U
t ab
= u
ao
– u
bo
; U
t bc
= u
bo
– u
co
; U
t ca

S
x1
S
x2
S
x3
S
x4
S’
x1
S’
x2
S’
x3
S’
x4
V
x0
= +2V +V +V 1 1 0 0 1 1 0 0
+V 0 1 1 0 0 1 0 1 0
+V 0 1 1 0 0 0 1 0 1
0 +V 1 0 1 0 1 1 0 0
V
x0
= +V
0 +V 0 1 0 1 1 1 0 0
+V -V 1 1 0 0 0 0 1 1
-V +V 0 0 1 1 1 1 0 0
0 0 1 0 1 0 1 0 1 0
0 0 1 0 1 0 0 1 0 1

bất lợi của sóng hài bậc cao xuất hiện ở phía tải.
Phụ thuộc vào phương pháp thiết lập giản đồ kích đóng các công tắc trong bộ
nghịch lưu áp, ta có thể phân biệt các dạng điều chế độ rộng xung khác nhau.
1. Tổng quát về kỹ thuật điều chế độ rộng xung – PWM
1.1 Một số chỉ tiêu đánh giá kỹ thuật PWM của bộ nghịch lưu
¾ Chỉ số điều chế (Modulation Index) m: được định nghĩa như tỉ số giữa biên
độ thành phần hài cơ bản tạo nên bởi phương pháp điều khiển và biên độ
thành phần hài cơ bản đạt được trong phương pháp điều khiển sáu bước
(sixstep)
m =
sixstepsm
m
U
U
−1
1
=
d
m
V
U
π
2
1
(3.1)
với V
d
_ tổng điện áp các nguồn DC.
¾ Độ méo dạng tổng do sóng hài THD (Total Harmonic Distortion)
Là đại lượng dùng để đánh giá tác dụng của các sóng hài bậc cao (2,3…) xuất

I
j
j
∑
∞
=
=
)1(
2
)1(
2
I
II −
(3.3)
Trong đó I
(j)
: trị hiệu dụng sóng hài bậc j, j ≥ 2.
I
(1)
: trị hiệu dụng thành phần hài cơ bản của dòng điện.
¾ Tần số đóng ngắt và công suất tổn hao do đóng ngắt:
Công suất tổn hao xuất hiện trên linh kiện bao gồm hai thành phần: tổn hao công
suất khi linh kiện ở trạng thái dẫn điện P
on
và tổn hao công suất động P
dyn
. Tổn hao
công suất P
dyn
tăng lên khi tần số đóng ngắt của linh kiện tăng lên. Tần số đóng ngắt

bậc cùng pha – PD cho độ méo dạng áp dây nhỏ nhất. Đối với bộ nghịch lưu áp ba
bậc, phương pháp POD và APOD cho cùng kết quả dạng sóng mang.
Luận Văn Tốt Nghiệp GVHD: Ts Nguyễn Văn Nhờ
SVTH: Trần Quốc Hoàn 20/102 2. Phương pháp điều chế độ rộng xung Sin (Sin PWM)
Phương pháp còn có tên Subharmonic PWM (SH – PWM), hay Multi carrier
based PWM.
2.1 Nguyên tắc thực hiện
Để tạo giản đồ kích đóng các linh kiện trong cùng một pha tải, ta sử dụng một số
sóng mang (dạng tam giác) và một tín hiệu điều khiển (dạng sin).
Về nguyên lý, phương pháp được thực hiện dựa vào kỹ thuật analog. Giản đồ
kích đóng các công tắc của bộ nghịch lưu dựa trên cơ sở so sánh hai tín hiệu cơ bản:
•
Sóng mang u
p
(carrier signal) tần số cao, có thể ở dạng tam giác.
• Sóng điều khiển u
r
(reference signal) hoặc sóng điều chế (modulating
signal) dạng sin. Ví dụ, công tắc lẻ được kích đóng khi sóng điều
khiển lớn hơn sóng mang (u
r

=
m
c
f
f
(3.4)
Việc tăng giá trị m
f
sẽ dẫn đến việc tăng giá trị tần số các sóng hài xuất hiện.
Điểm bất lợi của việc tăng tần số sóng mang là vấn đề tổn hao do số lần đóng cắt lớn
Tương tự, gọi m
a
là tỉ số điều chế biên độ (amplitude modulation ratio):
m
a
=
carrierm
referencem
U
U
−
−
=
c
m
An
A
).1( −
(3.5)
Luận Văn Tốt Nghiệp GVHD: Ts Nguyễn Văn Nhờ

−
=
U
U
π
2
2/
=
4
π
= 0.785 (3.6)
trong đó U_tổng điện áp các nguồn DC.
2.2 Mô phỏng cho bộ nghịch lưu áp cascade 5 bậc
2.2.1 Phân tích cách tạo xung kích
Phân tích cho một pha (ví dụ pha a), xung kích cho các linh kiện được thiết lập
dựa trên cơ sở so sánh sóng điều khiển U
dka
và các sóng mang V
p1
, V
p2
, V
p3
, V
p4
, cụ
thể như sau:

Luận Văn Tốt Nghiệp GVHD: Ts Nguyễn Văn Nhờ
SVTH: Trần Quốc Hoàn 22/102

⎪
⎪
⎪
⎨
⎧
−
−
d
d
d
d
V
V
V
V
2
0
2
(3.8)
Từ đây ta hoàn toàn có thể xác định được điện áp tải trên các pha như đã trình
bày trong (2.4) và (2.5).

Hình 3.5: Sơ đồ xung kích 1 pha của BNL áp 5 bậc.
Luận Văn Tốt Nghiệp GVHD: Ts Nguyễn Văn Nhờ
SVTH: Trần Quốc Hoàn 23/102 2.2.2 Phân tích các trường hợp điều khiển
Điều khiển bộ nghịch lưu áp dạng cascade phải thỏa mãn yêu cầu là công suất tổn
hao trên các linh kiện trong một chu kì phải tương đối bằng nhau, tức là các bộ nghịch

¾ Trường hợp 2: 2V
d
≥ V
ref
≥ V
d
≥ 0
Có 2 cách điều khiển:
Luận Văn Tốt Nghiệp GVHD: Ts Nguyễn Văn Nhờ
SVTH: Trần Quốc Hoàn 24/102 • Cố định điện áp ngõ ra của bộ nghịch lưu H1 sao cho V
01
= V
d
, điều
khiển bộ nghịch lưu H2 sao cho điện áp tổng của cả 2 bộ nghịch lưu
đạt được giá trị mong muốn V
0
= V
01
+ V
02
= V
ref
.
• Điều khiển bộ nghịch lưu H1 sao cho tổng điện áp V
0
= V

02
= 0.
¾ Trường hợp 4: 0
≥
-V
d

≥
V
ref

≥
-2V
d

Có 2 cách điều khiển:
• Cố định điện áp ngõ ra của bộ nghịch lưu H1 sao cho V
01
= -V
d
, điều
khiển bộ nghịch lưu H2 sao cho tổng điện áp ngõ ra là V
0
= V
ref
.
• Điều khiển bộ nghịch lưu H1 sao cho tổng điện áp ngõ ra của cả 2 bộ là
V
0
= V

V
d

≥
0): cố định điện áp ngõ ra của bộ nghịch
lưu H1 sao cho V
0
= V
d
, điều khiển bộ nghịch lưu H2 sao cho tổng điện áp
đạt được V
0
= V
ref
.
¾ Trường hợp 3 (0
≥ V
ref
≥ -V
d
≥ -2V
d
): cố định điện áp của bộ nghịch lưu
H2 sao cho V
02
= 0, điều khiển bộ nghịch lưu H1 sao cho V
02
= V
ref
.

= U
d
/ 3 . Vậy ứng với m bất
kì ta có U
t(1)m
= m.
3
d
U• Khi biên độ tín hiệu điều khiển u
dk
= (n-1)/2 thì U
t(1)m
= U
d
/2. Vậy ứng
với U
t(1)m
= m.
3
d
U
thì biên độ tín hiệu điều khiển được tính theo:
u
dk
=
3
)1.(