MỤC LỤC
Chương 1---------------------------------------------------------------------------------------1
TỔNG QUAN VỀ BỘ NGHỊCH LƯU ÁP----------------------------------------------1
I. Giới thiệu tổng quát............................................................................................................................1
1. Bộ nghịch lưu áp............................................................................................................................1
2. Phân loại bộ nghịch lưu áp.............................................................................................................2
II. Các dạng cấu trúc cơ bản của bộ nghịch lưu áp đa bậc.....................................................................2
1. Cấu trúc dạng Diode kẹp NPC (Diode Clamped Multilevel Inverter)...........................................2
2. Cấu trúc dùng tụ điện thay đổi (Flying Capacitor Multilevel Inverter)...............4
3. Cấu trúc dạng ghép tầng (Cascade Inverter)..............................................................5
4. So sánh số linh kiện sử dụng trong 3 dạng nghịch lưu áp đa bậc trên..............6
III. Nhận xét.......................................................................................................................................7

Chương 2------------------------------------------------------------------------------------8
CẤU TRÚC BỘ NGHỊCH LƯU ÁP ĐA BẬC DẠNG CASCADE-------8
I. Bộ nghịch lưu áp cầu 1 pha.....................................................................................................8
II. Bộ nghịch lưu áp đa bậc dạng cascade.............................................................................9

Chương 3----------------------------------------------------------------------------------12
ĐIỀU KHIỂN BỘ NGHỊCH LƯU ÁP ĐA BẬC DẠNG--------------------12
CASCADE – PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHẾ ĐỘ RỘNG XUNG--------12
(Carrier based PWM)---------------------------------------------------------------12
I. Tổng quát về kỹ thuật điều chế độ rộng xung – PWM.................................................12
1. Một số chỉ tiêu đánh giá kỹ thuật PWM của bộ nghịch lưu...................................12
2. Các dạng sóng mang dùng trong kỹ thuật PWM.........................................................................13
II. Phương pháp điều chế độ rộng xung Sin (Sin PWM)...................................................14
1. Nguyên tắc thực hiện..........................................................................................................14
2. Mô phỏng cho bộ nghịch lưu áp cascade 5 bậc........................................................16
2.1 Phân tích cách tạo xung kích........................................................................................16
2.2 Phân tích các trường hợp điều khiển..........................................................................17

Chương 4----------------------------------------------------------------------------------19
KẾT QUẢ MÔ PHỎNG---------------------------------------------------------------19


I. Các thông số mô phỏng trong Psim....................................................................................19
II. Kết quả mô phỏng....................................................................................................................20
III. Nhận xét.....................................................................................................................................23


Chương 1
TỔNG QUAN VỀ BỘ NGHỊCH LƯU ÁP
I. 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 nghịch 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 điện 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 tạo 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
nguồn
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
-1-


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
ngắt
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
kháng (động cơ đồng bộ kích từ dư), dòng điện qua các linh kiện có
thể bị ngắt do quá trình chuyển mạch tự nhiên phụ thuộc vào điện áp
nguồn hoặc phụ thuộc vào điện áp mạch tải. Khi đó linh kiện bán dẫn có thể
chọn là thyristor (SCR).
1. Bộ nghịch lưu áp
Bộ nghịch lưu áp cung cấp và điều khiển điện áp xoay chiều ở ngõ ra. Nguồn
điện áp một chiều có thể ở dạng đơn giản như acquy, pin điện hoặc ở dạng phức tạp
gồm điện áp xoay chiều được chỉnh lưu và lọc phẳng.
Linh kiện trong bộ nghịch lưu áp có khả năng kích đóng và kích ngắt dòng điện
qua nó, tức đóng vai trò một công tắc. Trong các ứng dụng công suất vừa và nhỏ, có
thể sử dụng transistor BJT, MOSFET, IGBT làm công tắc và ở phạm vi công suất lớn
có thể sử dụng GTO, IGCT hoặc SCR kết hợp với bộ chuyển mạch.
Với tải tổng quát, mỗi công tắc còn trang bị một diode mắc đối song với nó. Các
diode mắc đối song này tạo thành mạch chỉnh lưu cầu không điều khiển có chiều dẫn
điện ngược với chiều dẫn điện của các công tắc. Nhiệm vụ của bộ chỉnh lưu cầu diode
là tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình trao đổi công suất ảo giữa nguồn một chiều và
tải xoay chiều, qua đó hạn chế quá điện áp phát sinh khi kích ngắt các công tắc.
2. Phân loại bộ nghịch lưu áp
Bộ nghịch lưu áp có rất nhiều loại cũng như nhiều phương pháp điều khiển khác
nhau.



Theo số pha điện áp đầu ra: 1 pha, 3 pha.



Theo số bậc điện áp giữa một đầu pha tải và một điểm điện thế chuẩn trên
mạch (phase to pole voltage): 2 bậc (two level), đa bậc (multi – level , từ 3
bậc trở lên).



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)…



Theo phương pháp điều khiển:
• Phương pháp điều rộng.
-2-


• Phương pháp điều biên.
• Phương pháp điều chế độ rộng xung sin (Sin PWM).
• Phương pháp điều chế độ rộng sung sin cải biến (Modifield SPWM).
• Phương pháp điều chế vector không gian (Space vector modulation,
hoặc Space vector PWM).
• Phương pháp Discontinuous PWM.
II. 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).
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 được 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 điện thế 0 ở cuối dãy nguồn, các mức điện áp có thể đạt được gồm (0, U, 2U,
3U,…nU). Điện áp từ một pha tải (ví dụ pha a) thông đến một vị trí bất kỳ trên mạch
DC (ví dụ M) nhờ cặp diode kẹp tại điểm đó (ví dụ D1, D1’). Để điện áp pha - nguồn
DC đạt được mức điện áp nêu trên (Uao = U), tất cả các linh kiện bị kẹp giữa hai diode
(D1, D1’) - gồm n linh kiện mắc nối tiếp liên tục kề nhau, phải được kích đóng (ví dụ
S1, S5’, S4’, S3’, S2’), các linh kiện còn lại phải được khoá theo nguyên tắc kích đối
nghịch. Tương ứng với sáu trường hợp kích đóng linh kiện bị kẹp giữa sáu cặp diode,
ta thu được sáu mức điện áp pha - nguồn DC: 0, 1U, 2U, 3U, 4U, 5U. Vì có khả năng
tạo ra sáu mức điện áp pha - nguồn DC nên mạch nghịch lưu trên H1.1 gọi là bộ
nghịch lưu 6 bậc.
Bộ nghịch lưu áp đa bậc dùng diode kẹp cải tiến dạng sóng điện áp tải và giảm
shock điện áp trên linh kiện n lần. Với bộ nghịch lưu ba bậc, dv/dt trên linh kiện và tần
số đóng cắt giảm đi một nửa. Tuy nhiên với n > 3, mức độ chịu gai áp trên các diode
sẽ khác nhau. Ngoài ra, cân bằng điện áp giữa các nguồn DC (áp trên tụ) trở nên khó
khăn, đặc biệt khi số bậc lớn.

-3-


Bảng 1.1: Điện áp ra của Bộ nghịch lưu NPC ứng với các trạng thái

kích đóng.
Vout=Vxo

Sx5

Sx4

Sx3

Sx2

Sx1

S’x5

S’x4

S’x3

S’x2

S’x1

Vxo = 5U

1

1

1


1

1

0

0

0

0

0

Vxo = 4U

0

1

1

1

1

1

0


0

0

0

Vxo = 3U

0

0

1

1

1

1

1

0

0

0

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.
2. Cấu trúc dùng tụ điện thay đổi (Flying Capacitor Multilevel Inverter)

-4-


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
3. Cấu trúc dạng ghép tầng (Cascade Inverter)

-5-



Hình 1.3: Cascade Inverter.
Sử dụng các nguồn DC riêng, thích hợp trong trường hợp sử dụng
nguồn
DC
có
sẵn, ví dụ dưới dạng acquy, battery. Cascade inverter gồm nhiều bộ
nghịch
lưu
áp
cầu
một pha ghép nối tiếp, các bộ nghịch lưu áp dạng cầu một pha này có
các
nguồn
DC
riêng.
Bằng cách kích đóng các linh kiện trong mỗi bộ nghịch lưu áp
một
pha,
ba
mức
điện áp (-U, 0, U) được tạo thành. Sự kết hợp hoạt động của n bộ
nghịch
lưu
áp
trên
một nhánh pha tải sẽ tạo nên n khả năng mức điện áp theo chiều âm
(-U,
-2U,
-3U,
-4U,... –nU), n khả năng mức điện áp theo chiều dương (U, 2U, 3U, 4U,

…nU)
và
mức
điện áp 0. Như vậy, bộ nghịch lưu áp dạng cascade gồm n bộ nghịch
lưu
áp
một
pha

-6-


trên mỗi nhánh sẽ tạo thành bộ nghịch lưu (2n+1) bậc.
Tần số đóng ngắt trong mỗi module của dạng mạch này có thể
giảm
đi
n
lần
và
dv/dt cũng giảm đi như vậy. Điện áp trên áp đặt lên các linh kiện giảm
đi
0,57n
lần,
cho phép sử dụng IGBT điện áp thấp.
Ngoài dạng mạch gồm các bộ nghịch lưu áp một pha, mạch
nghịch
lưu
áp
đa
bậc

còn có dạng ghép từ ngõ ra của các bộ nghịch lưu áp ba pha. Cấu trúc
này
cho
phép
giảm dv/dt và tần số đóng ngắt còn 1/3. Mạch cho phép sử dụng các
cấu
hình
nghịch
lưu áp ba pha chuẩn. Mạch nghịch lưu đạt được sự cân bằng điện áp
các
nguồn
DC,
không tồn tại dòng cân bằng giữa các module. Tuy nhiên, cấu tạo
mạch
đòi
hỏi
sử
dụng các máy biến áp ngõ ra.

-7-


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
kẹp
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
lưu

nghịch 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 đối 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.
III. 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
-8-


thành

phần
sóng
hài
bậc cao của điện áp ra giảm nhỏ hơn so với trường hợp bộ nghịch lưu
áp 2 bậc.
giá
lớn.

Đối với tải công suất lớn, điện áp cung cấp cho các tải có thể đạt
trị
tương
đối

Chương 2
CẤU TRÚC BỘ NGHỊCH LƯU ÁP ĐA BẬC DẠNG CASCADE
I. Bộ nghịch lưu áp cầu 1 pha
Bộ nghịch lưu áp một pha dạng mạch cầu (còn được gọi là bộ
nghịch
lưu
áp
dạng
chữ H) chứa bốn công tắc và bốn diode mắc đối song.

Hình 2.1: Bộ nghịch lưu áp cầu 01 pha.
Quy tắc kích đóng đối nghịch: cặp công tắc trên cùng một nhánh
không
được
kích
đóng đồng thời, tức là 2 công tắc trên cùng một nhánh luôn ở trong
trạng

thái
một
-9-


được kích đóng và một được kích ngắt. Trạng thái cả 2 cùng kích đóng
(trạng
thái
ngắn mạch điện áp nguồn) hoặc cùng kích ngắt không được phép xảy
ra.
Nếu biểu diễn trạng thái được kích đóng của linh kiện là 1 và
trạng
thái
được
kích
ngắt là 0 thì ta có:
S1 + S4 = 1
S2 + S3 = 1
Bằng cách điều khiển đóng ngắt các khóa ta có thể thu được điện
áp
xoay
chiều
ở
ngõ ra của bộ nghịch lưu. Điện áp ở ngõ ra trên 2 điểm A, B của bộ
nghịch
lưu
thay
đổi giữa 3 trạng thái +V, 0, -V. Điện áp của bộ nghịch lưu được tạo ra
như
sau:

khóa
S1 và S2 đồng thời được kích đóng sẽ tạo ra điện áp VAB = +V, khóa
S3
và
S4
đồng
thời kích đóng sẽ tạo ra điện áp VAB = -V và khi (S1, S3) hoặc (S4, S2)
được
kích
đóng sẽ tạo ra mức điện áp 0.

Hình 2.2: Dạng điện áp ngõ ra bộ nghịch lưu cầu 01 pha.
II. 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


-10-


nghịch
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.
Trạng thái đóng ngắt các công tắc trong 1 nhánh pha phải thỏa
mãn
điều
kiện
kích
đóng đối nghịch:
S1x + S4x = 1;
(2.2)

S2x + S3x = 1


S’1x + S’4x = 1;

S’2x + S’3x = 1

Tùy theo trạng thái đóng ngắt, điện áp pha – tâm nguồn DC
(phase
–
to
pole
voltage) của bộ nghịch lưu được tính theo công thức sau:
Vx out = Vxo = Vx 01 + Vx 02
(2.3)
Với x = A, B, C

-11-


Hình 2.4: Biểu diễn 01 pha của cascade inverter 5 bậc
Điện áp pha tải trong trường hợp 3 pha tải đối xứng đấu dạng sao
Y
có
thể
được
thiết lập tương tự như trường hợp bộ nghịch lưu áp 2 bậc:
(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:
Ut ab = uao – ubo ; Ut bc = ubo – uco ; Ut ca = uco – uao
(2.5)
Và tổng điện áp từ các pha đến tâm nguồn DC (common – mode
voltage):
(2.6)

-12-


Hình 2.5: Dạng điện áp ngõ ra của bộ nghịch lưu cascade 5 bậc.
Bảng 2.1: Điện áp ngõ ra ứng với các trạng thái đóng, ngắt của cascade inverter 5 bậc.

-13-


Chương 3
ĐIỀU KHIỂN BỘ NGHỊCH LƯU ÁP ĐA BẬC DẠNG
CASCADE – PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHẾ ĐỘ RỘNG XUNG
(Carrier based PWM)
Các bộ nghịch lưu áp thường được điều khiển dựa theo kỹ thuật
điều
chế
độ
rộng
xung – PWM (Pulse Width Modulation) và qui tắc kích đóng đối nghịch.
Qui
tắc

kích
đóng đối nghịch 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
nghịch lưu áp, ta có thể phân biệt các dạng điều chế độ rộng xung
khác nhau.
I. Tổng quát về kỹ thuật điều chế độ rộng xung – PWM
1. Một số chỉ tiêu đánh giá kỹ thuật PWM của bộ nghịch lưu
 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
(six step)
(3.1)
Với Vd _ tổng điện áp các nguồn DC.


-14-


 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
hiện trong nguồn điện, được tính theo:
(3.2)
Độ méo dạng trong trường hợp dòng điện không chứa thành phần DC được
tính
theo hệ thức sau:

(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.
 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 lí do sau:
• Công suất tổn hao trên 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 MW chỉ có thể đóng ngắt ở tần số khoảng
100Hz.
• Các qui định về tương thích điện từ (Electromagnet Compatibility –
EMC) qui định khá nghiêm ngặt đối với các bộ biến đổi công suất
đóng ngắt với tần số cao hơn 9KHz.
2. Các dạng sóng mang dùng trong kỹ thuật PWM
 Hai sóng mang kế cận liên tiếp nhau sẽ bị dịch 180 độ - APOD (Alternative
-15-


Phase Opposition Disposition)

Hình 3.1: Hình dạng sóng mang APOD
 Bố trí cùng pha – PD (In Phase Disposition): tất cả các sóng mang
đều
cùng
pha.

Hình 3.2: Hình dạng sóng mang PD

 Bố trí đối xứng qua trục zero – POD (Phase Opposition
Disposition):
các
sóng mang nằm trên trục zero sẽ cùng pha nhau, ngược lại các
sóng
mang
cùng nằm dưới trục zero sẽ bị dịch đi 180 độ.

Hình 3.3: Hình dạng sóng mang POD

-16-


Trong các phương pháp bố trí sóng mang, phương pháp bố trí các
sóng
mang
đa
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.
II. Phương pháp điều chế độ rộng xung Sin (Sin PWM)
Phương pháp còn có tên Subharmonic PWM (SH – PWM), hay
Multi
carrier
based PWM.
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 up (carrier signal) tần số cao, có thể ở dạng tam

giác.
• Sóng điều khiển ur (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 (ur > up). Trong trường hợp ngược lại,
công
tắc chẵn được kích đóng.
Tần số sóng mang càng cao, lượng sóng hài bậc cao xuất hiện
trong
dạng
điện
áp
và dòng điện tải bị khử càng nhiều.
Đối với bộ nghịch lưu áp n bậc, số sóng mang được sử dụng là (n1).

Chúng
có
cùng tần số fc và cùng biên độ đỉnh - đỉnh Ac. Sóng điều chế (hay
sóng
điều
khiển)
có
biên độ đỉnh bằng Am và tần số fm, dạng sóng của nó thay đổi xung
quanh
trục
tâm
của
hệ thống (n-1) sóng mang. Nếu sóng điều khiển lớn hơn sóng mang
nào
đó
thì
linh
kiện tương ứng với sóng mang đó sẽ được kích đóng, ngược lại nếu
-17-


sóng
điều
nhỏ hơn sóng mang thì linh kiện đó sẽ bị khoá kích.

khiển

Gọi mf là tỉ số điều chế tần số ( frequency modulation ratio):
(3.4)
Việc tăng giá trị mf 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 ma là tỉ số điều chế biên độ (amplitude modulation ratio):

(3.5)
Nếu ma ≤ 1 (biên độ sóng sin nhỏ hơn tổng biên độ sóng mang) thì quan hệ
giữa
thành phần cơ bản của điện áp ra và điện áp điều khiển là tuyến tính.

Hình 3.4: Quan hệ giữa biên độ sóng mang và sóng điều khiển.
Khi giá trị ma > 1, biên độ tín hiệu điều chế lớn hơn tổng biên độ
sóng
mang
thì
biên độ hài cơ bản của điện áp ra tăng không tuyến tính theo ma. Lúc
này,
bắt
đầu
xuất
hiện lượng sóng hài bậc cao tăng dần cho đến khi đạt ở mức giới hạn

-18-


cho
bởi
phương
pháp 6 bước. Trường hợp này còn được gọi là quá điều chế
(overmodulation)

hoặc
điều chế mở rộng.
Phương pháp Sin PWM đạt được chỉ số điều chế lớn nhất trong
vùng
tuyến
tính
khi biên độ sóng điều chế bằng tổng biên độ sóng mang:

(3.6)
Trong đó U_tổng điện áp các nguồn DC.
2. Mô phỏng cho bộ nghịch lưu áp cascade 5 bậc
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 Udka và các sóng mang Vp1,
Vp2,
Vp3,
Vp4,
cụ
thể như sau:
(3.7)
Ta xác định được điện áp pha – tâm nguồn (phase – to pole
voltage):

(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).

-19-


Hình 3.5: Sơ đồ xung kích 1 pha của BNL áp 5 bậc.
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
lưu cầu một pha cần phải đạt được trạng thái cân bằng công suất
(khoảng
thời
gian
dẫn
và ngắt phải tương đối đều nhau). Muốn vậy ta phải bố trí các sóng
mang
sao
cho
đạt

được các yêu cầu trên. Dưới đây phân tích các trường hợp đóng ngắt
của
bộ
nghịch
lưu
cầu một pha trong một chu kì áp điều khiển: có 4 trường hợp tương
ứng
với
4
khoảng
giá trị của điện áp điều khiển.

-20-


Hình 3.6: Các khoảng giá trị của Vref.
 Trường hợp 1: 2Vd ≥ Vd ≥ Vref ≥ 0
Có 2 cách điều khiển:
• Cố định điện áp ngõ ra của bộ nghịch lưu H1 với V01 = 0, điều
khiển
bộ
nghịch lưu H2 sao cho điện áp ngõ ra thay đổi tùy theo Vref .
• Điều khiển bộ nghịch lưu H1 sao cho điện áp ngõ ra thay đổi
theo
giá
trị
Vref, cố định điện áp ngõ ra của bộ nghịch lưu H2 sao cho V02
= 0.
 Trường hợp 2: 2Vd ≥ Vref ≥ Vd ≥ 0
Có 2 cách điều khiển:

• Cố định điện áp ngõ ra của bộ nghịch lưu H1 sao cho V01 = Vd,
điều
khiển bộ nghịch lưu H2 sao cho điện áp tổng của cả 2 bộ
nghịch
lưu
đạt được giá trị mong muốn V0 = V01 + V02 = Vref.
• Điều khiển bộ nghịch lưu H1 sao cho tổng điện áp V0 = Vref ,
cố
định
điện áp ngõ ra của bộ nghịch lưu H2 sao cho V02 = Vd.
 Trường hợp 3: 0 ≥ Vref ≥ -Vd ≥ -2Vd
Có 2 cách điều khiển:
• Cố định điện áp ngõ ra của bộ nghịch lưu H1 sao cho V01 = 0,
điều
khiển bộ nghịch lưu H2 sao cho tổng điện áp ngõ ra là V0 =
Vref.
• Điều khiển bộ nghịch lưu H1 sao cho tổng điện áp ngõ ra V0 =
Vref,
cố
định điện áp ngõ ra bộ nghịch lưu H2 sao cho V02 = 0.
 Trường hợp 4: 0 ≥ -Vd ≥ Vref ≥ -2Vd
Có 2 cách điều khiển:
• Cố định điện áp ngõ ra của bộ nghịch lưu H1 sao cho V01 =
-Vd,
điều
khiển bộ nghịch lưu H2 sao cho tổng điện áp ngõ ra là V0 =

-21-



Vref.
• Điều khiển bộ nghịch lưu H1 sao cho tổng điện áp ngõ ra của cả
2
bộ
là
V0 = Vref , cố định điện áp của bộ nghịch lưu H2 sao cho V02 =
-Vd.
Vậy để đạt được sự cân bằng công suất giữa các bộ nghịch lưu
cầu
một
pha,
ta
chọn phương án điều khiển như sau:
 Trường hợp 1 (2Vd ≥ Vd ≥ Vref ≥ 0): cố định điện áp của bộ
nghịch
lưu
H2
sao cho V02 = 0, điều khiển bộ nghịch lưu H1 sao cho V01 =
Vref.
 Trường hợp 2 (2Vd ≥ Vref ≥ Vd ≥ 0): cố định điện áp ngõ ra của
bộ
nghịch
lưu H1 sao cho V0 = Vd , điều khiển bộ nghịch lưu H2 sao cho
tổng
điện
áp
đạt được V0 = Vref.
 Trường hợp 3 (0 ≥ Vref ≥ -Vd ≥ -2Vd): cố định điện áp của bộ
nghịch
lưu

H2 sao cho V02 = 0, điều khiển bộ nghịch lưu H1 sao cho V02 =
Vref.
 Trường hợp 4 (0 ≥ -Vd ≥ Vref ≥ -2Vd): cố định điện áp ngõ ra của
bộ
nghịch
lưu H1 sao cho V01 = -Vd, điều khiển bộ nghịch lưu H2 sao cho
tổng
điện
áp của 2 bộ nghịch lưu V0 = Vref.
Do đó ta bố trí sóng mang với dạng như sau:

Hình 3.7: Dạng bố trí các sóng mang PD.
Chương 4

-22-


KẾT QUẢ MÔ PHỎNG
I. Các thông số mô phỏng trong Psim
Để so sánh kết quả giữa các phương pháp điều chế, từ đây về
sau
ta
thống
nhất
khảo sát các phương pháp với chỉ số điều chế m từ (0 – 1) quy chuẩn
như sau:
• Khi m = 1 thì điện áp tải đạt cực đại Ut(1)m = Ud / 3 . Vậy
ứng
với
m

bất
kì ta có
•

Khi biên độ tín hiệu điều khiển udk = (n-1)/2 thì Ut(1)m =
Ud/2. Vậy ứng với
thì biên độ tín hiệu điều khiển được tính theo:
(3.9)
với n là số bậc của bộ nghịch lưu.

Ud là tổng điện áp các nguồn DC (ví dụ đối với bộ nghịch lưu cascade 5
bậc như trên thì Ud = 4Vd).
Sơ đồ mô phỏng bộ nghịch lưu áp 5 bậc dạng cascade theo phương pháp PWM
(bản vẽ A3). Các thông số mô phỏng:
• Chỉ số điều chế m = 0.7
• Sóng điều khiển có tần số 50Hz, sóng mang dạng PD tần số 2000 Hz.
• Các nguồn DC có giá trị Vd = 200V.
• Tải RL đấu dạng sao (Y) có R = 5 Ω , L = 0.01H (cosϕ = 0.85), hằng số thời
gian

-23-