Điện tử công suất 1

5.3 CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN BỘ NGHỊCH LƯU ÁP
Các bộ nghòch lưu áp thường điều khiển dựa theo kỹ thuật điều chế độ rộng xung PWM (Pulse Width Modulation) và qui tắc kích đóng đối nghòch. Qui tắc kích đóng đối nghòch
đảm bảo dạng áp tải được điều khiển tuân theo giản đồ kích đóng công tắc và kỹ thuật điều
chế độ rộng xung có tác dụng hạn chế tối đa các ảnh hưởng 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 nghòch
lưu áp, ta có thể phân biệt các dạng điều chế độ rộng xung khác nhau.
Một số chỉ tiêu đánh giá kỹ thuật PWM của bộ nghòch lưu.
Chỉ số điều chế (Modulation index) m: đươc đònh nghóa 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 6 bước.
m=

u (1)m
u(1)m− six _ step

=

u (1)m
2
Vd

(5.31)

π
Trò hiệu dụng các thành phần phần sóng hài bậc cao dòng điện:

I hRMS =


n

(5.33)

Giả sử tải xoay chiều gồm sức điện động cảm ứng và cảm kháng tản mắc nối tiếp, độ
méo dạng dòng điện có thể viết lại dưới dạng:

I hRMS 1
=
I1
I1

∞

∑I

n =2

2
n

ω .L
= 1 σ
U1

2

⎛ Un ⎞
1
⎜⎜

d =

I hRMS

I hRMS _ Sixstep

(5.36)

Với phương pháp điều chế 6 bước, hệ số méo dạng dòng điện bằng 1.
Nếu sử dụng phương pháp điều chế vector không gian, hệ số méo dạng có thể tính theo
tích phân của tích vô hướng vector sau đây:

5-11


Điện tử công suất 1

I hRMS

1
=
T

[∫ ir( t ) − ir ( t ) ][. ir( t ) − ir ( t ) ]* .dt

T

1

1


(5.39)

Nếu sử dụng kỹ thuật PWM không đồng bộ, ta không thể phân tích Fourier phổ dòng điện
theo các biến tần số rời rạc khi mà sóng hài dòng điện xuất hiện theo biến tần số liên
tục. Trường hợp này, ta có thể sử dụng khái niệm phổ mật độ dòng điện theo hệ thức:

d =

∞

∫h

2
d

( f ).df

(5.40)

0 ,f ≠f1

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 Pon và tổn hao công suất động Pdyn. Tổn hao công suất Pdyn
tăng lên khi tần số đóng ngắt của linh kiện tăng lên.
Tần số đóng ngắt của linh kiện không thể tăng lên tùy ý vì những lý do sau:
- công suất tổn hao linh kiện tăng lên tỉ lệ với tần số đóng ngắt
- linh kiện công suất lớn thường gây ra công suất tổn hao đóng ngắt lớn hơn. Do đó,
tần số kích đóng của nó phải giảm cho phù hợp, ví dụ các linh kiện GTO công suất

1

1

(5.41)
U .(sinωt + sin 5ωt + sin 7ωt + .....)
π
5
7
Biên độ thành phần sóng hài bậc n của điện áp pha tải có thể xác đònh theo hệ thức:
2U ⎡
2 nπ ⎤
nπ
; n=1,5,7,11,13,…
(5.42)
)
2 + cos( ) − cos(
U (n ) =
⎢
3nπ ⎣
3
3 ⎥⎦
ut1 (t ) =

Với n=1, biên độ thành phần hài cơ bản: U t1(1)m =

2

π


⎢ ⎜ 3 ⎟ .dx +
3
3
3
⎝
⎠
⎝
⎠
⎝
⎠
⎪
2π
π
⎢0
⎥
3
3
⎣
⎦⎭

∫

∫

∫

Tải đấu dạng tam giác:
Điện áp tải ut12 có thể biểu diễn dưới dạng:
2 3 ⎡
1

4U
cos( )
nπ
6

(5.46)

Với n=1, biên độ thành phần hài cơ bản điện áp tải: U t12(1)m =

2 3

π

U

(5.47)

Trò hiệu dụng điện áp pha có độ lớn:
U12t

⎡
⎢1
=⎢
π
⎢
⎣

2π

1

thực hiện dựa vào kỹ thuật
analog. Giản đồ kích đóng công
tắc bộ nghòch lưu dựa trên cơ sở
so sánh hai tín hiệu cơ bản:
- sóng mang up (carrier signal)
tần số cao
- sóng điều khiển ur- reference
signal (hoặc sóng điều chếmodulating signal) dạng sin. Ví

5-14


Điện tử công suất 1

dụ: công tắc lẻ được kích đóng khi sóng điều khiển lớn hơn sóng mang (ur>up). Trong
trường hợp ngược lại, công tắc chẵn được kích đóng.
Sóng mang up có thể ở dạng tam giác. Tần số sóng mang càng cao, lượng sóng hài bậc
cao bò khử bớt càng nhiều. Tuy nhiên, tần số đóng ngắt cao làm cho tổn hao phát sinh do quá
trình đóng ngắt các công tắc tăng theo. Ngoài ra, các linh kiện đòi hỏi có thời gian đóng ton,
và ngắt toff nhất đònh. Các yếu tố này làm hạn chế việc chọn tần số sóng mang.
Sóng điều khiển ur mang thông tin về độ lớn trò hiệu dụng và tần số sóng hài cơ bản
của điện áp ở ngõ ra. Trong trường hợp bộ nghòch lưu áp ba pha, ba sóng điều khiển của ba
pha phải được tạo lệch nhau về pha 1/3 chu kỳ của nó. Trong trường hợp bộ nghòch lưu áp một
pha, tương ứng với hai pha tải tưởng tượng ở hình (H5.6), ta cần tạo hai sóng điều khiển lệch
pha nhau 1/2 chu kỳ (tức chúng ngược pha nhau ). Để đơn giản mạch kích hơn nữa, ta có thể
sử dụng một sóng điều khiển duy nhất để kích đóng, ví dụ : cặp công tắc (S1S4) được kích
đóng theo quan hệ giữa sóng điều khiển và sóng mang, còn cặp (S3S2) được kích đóng ngược
lại với chúng. Lúc đó, hình thành trạng thái kích đóng (S1S2) hoặc (S3S4).
Gọi mf là tỉ số điều chế tần số (Frequency modulation ratio) :
mf =

U
2

(5.52)

Khi giá trò ma>1, biên độ tín hiệu điều chế lớn hơn biên độ sóng mang thì biên độ hài
cơ bản điện áp ra tăng không tuyến tính theo biến ma. Lúc này, bắt đầu xuất hiện lượng sóng
hài bậc cao tăng dần cho đến khi đạt ở mức giới hạn cho bởi phương pháp 6 bước. Trường hợp
này còn được gọi là quá điều chế (overmodulation) hoặc điều chế mở rộng.

5-15


Điện tử công suất 1

Trong trường hợp bộ nghòch lưu áp ba pha, các thành phần sóng hài bậc cao sẽ được
giảm đến cực tiểu nếu giá trò mf được chọn bằng số lẻ bội ba..
Nếu để ý đến hệ thức tính chỉ số điều chế, ta thấy phương pháp SPWM đạt được chỉ
số lớn nhất trong vùng tuyến tính khi biên độ sóng điều chế bằng với biên độ sóng mang. Lúc
đó, ta có:
mSPWM

_ max

=

u(1) m

u(1)m −six


đó, biên độ sóng hài cơ
bản điện áp pha tải nằm
trong giới hạn (0,U/2).
Để mở rộng phạm vi
điều khiển tuyến tính,
phương pháp điều chế độ
rộng xung sin cải biến
có thể được sử dụng.
Phương pháp này cho
phép thực hiện điều khiển tuyến tính điện áp tải với chỉ số điều chế nằm trong phạm vi
0 ≤ m ≤ 0.907 , biên độ sóng hài bậc một điện áp đạt giá trò cực đại bằng U
và chỉ số điều
3

chế lúc đó bằng:
U
mMSPWM_ max =

π
3
=
= 0,907
2U
2 3
π

(5.54)

Nguyên lý thực hiện: giản đồ kích đóng linh kiện cũng dựa vào kết quả so sánh các tín
hiệu điều khiển và sóng mang (dạng tam giác) tần số cao. Sóng điều chế (ur1,ur2,ur3) được tạo

b.Trường hợp sóng điều chế liên tục dẫn giải từ tương quan giữa phương pháp điều chế
độ rộng xung lấy mẫu (sampling PWM) và phương pháp điều chế vector không gian.
Hàm mô tả sóng điều khiển ba pha đối với pha thứ nhất có thể viết dưới dạng như sau
(xem đồ thò ur1b, hình H5.11b):
⎧M . cos( x − 30 0 ) nếu
⎪
hoặc
⎪
⎪⎪ M . 3 . cos( x )
nếu
ur = ⎨
hoặc
⎪
⎪M . cos( x + 30 0 ) nếu
⎪
⎪⎩
hoặc

0 0 ≤ x < 60 0

180 0 ≤ x < 240 0
60 0 ≤ x < 120 0

240 0 ≤ x < 300 0
120 0 ≤ x < 180 0

; ( 0 ≤ M ≤ 1)

(5.56)



270 0 ≤ x < 330 0

; 150 0 ≤ x < 210 0
; 210 0 ≤ x < 270 0

; ( 0 ≤ M ≤ 1)

(5.57)

Ưu điểm của sóng điều chế dạng gián đoạn là số lần chuyển mạch trong một chu kỳ
bò giảm xuống, do đó công suất tổn hao do quá trình đóng ngắt cũng giảm theo. Do tín hiệu
sóng điều chế được thiết lập ở giá trò cực trò trong một phần ba chu kỳ nên số lần chuyển
mạch sẽ giảm đi một phần ba so với phương pháp điều chế với tín hiệu liên tục.
5.3.4 ĐIỀU CHẾ THEO MẪU (REGULAR SAMPLING TECHNIQUES)
Nguyên lý của phương pháp điều chế độ rộng xung sin dựa vào kỹ thuật analog.
Việc điều chế độ rộng xung cũng có thể thực hiện trên cơ sở kỹ thuật số. Lúc đó, tín
hiệu điều khiển được số hóa trong từng chu kỳ lấy mẫu. Mẫu tín hiệu sau đó được so
sánh với sóng răng cưa ví dụ thực hiện bằng mạch đếm.
Kỹ thuật lấy mẫu có thể thực hiện đối xứng hoặc không đối xứng. Kỹ thuật đối xứng
được thực hiện với chu kỳ lấy mẫu bằng chu kỳ sóng tam giác (H5.12a), trường hợp lấy
mẫu không đối xứng xảy ra khi việc lấy mẫu diễn ra ở mỗi nửa chu kỳ sóng tam giác
(H5.12b).

5-17


Điện tử công suất 1

Khi áp dụng phương pháp lấy mẫu đối xứng, không cần thiết tạo ra sóng tam giác như



Điện tử công suất 1

Với SHE, giản đồ kích đóng được chọn sẽ khử bỏ (n -1) sóng hài bậc cao và điều
khiển sóng hài cơ bản, hàm tối ưu quan hệ giữa các góc α1,α2,...,αn được biểu diễn qua hệ n
phương trình sau:
u1 = U 1 (α 1 ,α 2 ,...,α n )
0 = U k1 (α 1 ,α 2 ,...,α n )
(5.61)
0 = U k 2 (α 1 ,α 2 ,...,α n )
0 = U k (n −1) (α 1 ,α 2 ,...,α n )
Giải hệ các phương trình xác đònh góc kích α1,α2,...,αn ta sẽ thiết lập được giản đồ
kích đóng các công tắc.
Nếu dạng điện áp tải là hàm lẻ, hệ số bk trong phân tích chuỗi Fourier sẽ triệt tiêu và
ta có:
(5.62)
bk=0
4
ak =
π
ak =

π

2

∫ u . sin kωt .d( ωt )

(5.63)

2.U ⎡
⎢1 + 2 ( −1) p . cos kα p ⎥
ak =
⎥
kπ ⎢
p =1
⎣
⎦
π
2

αn

∫

∫

∑

(5.64)
(5.65)

Phạm vi điều khiển điện áp của phương pháp SHE:
Trong phạm vi điều khiển PWM tuyến tính (m
a5 =

a11 =
a13 =

2.U

π

[1 + 2(− cos11α1 + cos11α 2 − cos11α 3 + cos11α 4 − cos11α 5 ] = 0

2.U
[1 + 2( − cos13 α1 + cos13 α2 − cos13 α3 + cos13 α4 − cos13 α5 ] = 0
π

Với m=0.8, sử dụng phương pháp Newton-Raphson và giải hệ phương trình trên bằng
máy tính, ta thu được hệ nghiệm sau:
α1 = 0 ,1458 [ rad ]; α 2 = 0 ,2704 [ rad ]; α 3 = 0 ,8410 [ rad ];

α 4 = 0 ,8885 [ rad ]; α 5 = 1,5326 [ rad ]

5-20