ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
KHOA ĐIỆN

ĐỒ ÁN MÔN HỌC
HỌC PHẦN: ĐỒ ÁN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT
ĐỀ TÀI:

THIẾT KẾ BỘ NGHỊCH LƯU ÁP MỘT PHA
48VDC/220VAC, CÔNG SUẤT 1KW
SỬ DỤNG PHƯƠNG PHÁP SPWM

Người hướng dẫn: TS. GIÁP QUANG HUY
Sinh viên thực hiện: Nhóm 1- 18N32C
Số thẻ sinh viên: ……………..
Nhóm HP / Lớp: 18N32C/ 18TDH1
Ngành: Kĩ thuật điều khiển và tự động hóa

Đà Nẵng, năm 2020


MỤC LỤC
DANH SÁCH HÌNH ẢNH ................................................................................................. 4
CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ MẠCH NGHỊCH LƯU ........................... 6
1.1 Giới thiệu về nghịch lưu: .............................................................................................. 6
1.2 Nghịch lưu áp: ............................................................................................................... 6
1.2.1

Nghịch lưu áp một pha ........................................................................................... 7

1.2.2

Nghịch lưu áp ba pha:............................................................................................. 8

1.3 Nghịch lưu áp dạng Diode kẹp NPC (Diode Clamped Multilevel Inverter) .............. 11
1.4 Nghịch lưu dạng nối tầng cầu H (Cascade Multillevel H-Bridge Inverter) ............... 12
CHƯƠNG 2: PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN BỘ NGHỊCH LƯU ÁP MỘT PHA ....... 14
2.1 Phương pháp PWM ..................................................................................................... 14
2.1.1

Khái niệm ............................................................................................................. 14

2.1.2

Nguyên lý ............................................................................................................. 14

2.1.3

Các cách để tạo ra được PWM để điều khiển ...................................................... 15

2.1.3.1

a. Tạo bằng phương pháp so sánh .................................................................... 16

2.1.3.2

b. Tạo xung vuông bằng phương pháp dùng IC dao động ............................... 17

2.1.3.3

c. Tạo xung vuông bằng phần mềm. ................................................................ 17


2.2 Phương pháp SPWM .................................................................................................. 18
2.2.1

Khái niệm ............................................................................................................. 18

2.2.2

Nguyên lí .............................................................................................................. 18

2.2.2.1

a. SinPWM lưỡng cực ..................................................................................... 18

2.2.2.2

b. SinPWM một cực tính.................................................................................. 19

2.2.3

Các thông số của phương pháp SPWM ................................................................ 20

2.3 KẾT LUẬN ................................................................................................................. 20
CHƯƠNG 3: TÍNH TỐN MẠCH ĐỘNG LỰC, MẠCH LỌC VÀ CHỌN THIẾT BỊ
BẢO VỆ ............................................................................................................................ 21
Sinh viên thực hiện:

Hướng dẫn: TS. Giáp Quang Huy

2



3.1 Phân tích số liệu và tổng quan của bộ nghịch lưu ...................................................... 21
3.2 Tính tốn mạch tăng áp (DC-DC) ............................................................................... 21
3.2.1

Cấu tạo .................................................................................................................. 21

3.2.2

Ngun lí .............................................................................................................. 22

3.2.3

Tính tốn, chọn linh kiện ...................................................................................... 22

3.3 Tính tốn mạch buck ................................................................................................... 23
3.3.1

Ngun lí .............................................................................................................. 23

3.3.2

Tính tốn, chọn linh kiện ...................................................................................... 24

3.4 Tính tốn mạch nghịch lưu ......................................................................................... 25
3.5 Tính tốn mạch lọc...................................................................................................... 26
3.6 Chọn thiết bị bảo vệ .................................................................................................... 27
CHƯƠNG 4: TÍNH TOÁN THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN ....................................... 29
4.1 Mạch điều khiển mạch nghịch lưu (SinPWM) ........................................................... 29

4.1.1

Sơ đồ khối............................................................................................................ 29

4.1.2

Mạch dao động cầu Wien ..................................................................................... 29

4.1.3

Mạch tạo xung vuông ........................................................................................... 31

4.1.4

Mạch tạo xung tam giác ....................................................................................... 32

4.1.5

Khâu so sánh ........................................................................................................ 33

4.2 Mạch điều khiển PWM ............................................................................................... 33
CHƯƠNG 5: MÔ PHỎNG ............................................................................................... 35
5.1 Mô phỏng mạch điều khiển......................................................................................... 35
5.1.1

Mạch điều khiển PWM......................................................................................... 35

5.1.2

Mạch điều khiển SPWM ...................................................................................... 35


5.1.2.1

Xung tam giác .................................................................................................. 35

5.1.2.2

Xung sin ........................................................................................................... 36

5.1.2.3

Xung điều khiển ............................................................................................... 36

5.2 Mô phỏng mạch động lực ........................................................................................... 38
Sinh viên thực hiện:

Hướng dẫn: TS. Giáp Quang Huy

3


5.2.1

Mạch tăng áp DC-DC ........................................................................................... 38

5.2.2

Mạch nghịch lưu ................................................................................................... 38

DANH SÁCH HÌNH ẢNH

Hình 1. 1 Sơ đồ ngun lí mạch nghịch lưu nguồn áp 1 pha ................................... 7
Hình 1. 2 Dạng sóng dịng điện, điện áp trong mạch nghịch lưu áp 1 pha .............. 8
Hình 1. 3 Sơ đồ nghịch lưu áp 3 pha ........................................................................ 9
Hình 1. 4 Dạng điện áp trên tải .............................................................................. 10
Hình 1. 5 Sơ đồ mạch nghịch lưu dùng diode kẹp ................................................. 11
Hình 1. 6 Bảng trạng thái đóng cắt của các van ..................................................... 12
Hình 1. 7 Dạng điện áp ra của cấu trúc NPC Inverter ............................................ 12
Hình 1. 8 Sơ đồ 1 pha của cấu trúc nối tầng cầu H 5 bậc ...................................... 13
Hình 2. 1 Hình biểu diễn hoạt động đóng cắt......................................................... 14
Hình 2. 2 Hình biểu diễn hoạt động đóng cắt......................................................... 15
Hình 2. 3 Đồ thị xung của van điều khiển và đầu ra .............................................. 15
Hình 2. 4 Tạo xung vng bằng phương pháp so sánh .......................................... 16
Hình 2. 5 Mạch tạo xung đơn giản dung 555 ......................................................... 17
Hình 2. 6 Dạng sóng SinPWM hai cực tính cực, phổ sóng hài ............................. 18
Hình 2. 7 Dạng sóng SinPWM một cực tính, phổ sóng hài ................................... 19
Hình 3. 1 Sơ đồ mạch tăng áp ................................................................................ 21
Hình 3. 2 Sơ đồ dịng chạy giải thích ngun lý .................................................... 22
Hình 3. 3 Đường đặc tính dịng trong cuộn cảm .................................................... 24
Hình 3. 4 Sơ đồ nguyên lí mạch buck .................................................................... 24
Hình 3. 5 Bộ lọc tần số cho nghịch lưu độc lập điện áp......................................... 26
Hình 4. 1 Sơ đồ khối mạch điều chế SinPWM ...................................................... 29

Sinh viên thực hiện:

Hướng dẫn: TS. Giáp Quang Huy

4


Hình 4. 2 Sơ đồ cầu Wien và Hệ thống hồi tiếp RC .............................................. 29

Hình 4. 3 Sơ đồ nguyên lý tạo xung vng ............................................................ 31
Hình 4. 4 Sơ đồ ngun lí tạo xung tam giác ......................................................... 32
Hình 4. 5 Sơ đồ mạch so sánh ................................................................................ 33
Hình 4. 6 Sơ đồ ngun lí tạo xung vng dùng IC555 ......................................... 33

Sinh viên thực hiện:

Hướng dẫn: TS. Giáp Quang Huy

5


CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ MẠCH NGHỊCH LƯU
1.1 Giới thiệu về nghịch lưu:
Bộ nghịch lưu là bộ biến đổi tĩnh đảm bảo biến đổi điện áp một chiều thành xoay
chiều. Nguồn cung cấp là một chiều, nhờ các khóa chuyển mạch làm thay đổi cách đấu
nối đầu vào và đầu ra một cách chu kỳ tạo nên đầu ra xoay chiều. Các bộ nghịch lưu
được phân thành hai loại:
- Bộ nghịch lưu áp được cung cấp từ nguồn áp một chiều.
- Bộ nghịch lưu dòng được cung cấp từ nguồn dòng một chiều.
Trong giới hạn đề tài đồ án, chúng em sẽ nghiên cứu về mạch nghịch lưu áp. Điện
áp ra của bộ nghịch lưu áp tạo nên mọt sóng trong nửa chu kỳ gọi là bộ nghịch lưu điều
khiển tồn sóng. Do sự phát triển của các linh kiện bán dẫn công suất và phương pháp
điều khiển, người ta thường sử dụng biện pháp điều khiển độ rộng xung PWM ở mỗi nửa
chu kỳ được tạo nên từ nhiều sóng có độ rộng thích hợp, nhờ đó dễ dàng lọc điện áp ra.
Vì thề để nghiên cứu thường bắt đầu với nghiên cứu với sự làm việc với điều khiển tồn
sóng và làm cơ sở so sánh với sự làm việc với điều khiển độ rộng xung
1.2 Nghịch lưu áp:
Nghịch lưu áp là thiết bị biến đổi nguồn áp một chiều thành nguồn áp xoay chiều
với tần số tùy ý, được sử dụng nhiều trong thực tế. Điện áp ra của nghịch lưu có thể điều

chế theo nhiều phương pháp khác nhau để có thể giảm được sóng điều hịa bậc cao.
Trước kia nghịch lưu áp bị hạn chế trong ứng dụng vì cơng suất của các van
động lực điều khiển còn nhỏ, hơn nữa việc sử dụng nghịch lưu áp bằng thyristor khiến
cho hiệu suất của bộ biến đổi giảm, sơ đồ điều khiển phức tạp.
Ngày nay công suất của các van động lực IGBT, GTO, MOSFET càng trở nên
lớn và có kích thước gọn nhẹ, do đó nghịch lưu áp trở thành bộ biến đổi thơng dụng và
được chuẩn hóa trong các bộ biến tần cơng nghiệp. Do đó sơ đồ nghịch lưu áp chúng em
sử dụng van điều khiển hoàn toàn.

Sinh viên thực hiện:

Hướng dẫn: TS. Giáp Quang Huy

6


1.2.1 Nghịch lưu áp một pha
a.

Sơ đồ nguyên lý:

Sơ đồ nghịch lưu một pha được mơ tả như hình vẽ, sơ đồ gồm 4 van động lực
chủ yếu là T1, T2, T3, T4 và các diode D1, D2, D3, D4 dùng để trả công suất phản kháng
về lưới và như vậy tránh được hiện tượng quá áp ở đầu nguồn.
Tụ C được mắc song song với nguồn có nhiệm vụ san phẳng điện áp đầu vào và
dự trữ năng lượng dưới dạng điện trường.
- Zt: Phụ tải.
- Is: Dòng nguồn xoay chiều dạng răng cưa:
Khi Is > 0 thì nguồn cung cấp năng lượng cho tải ( các thysistor dẫn dịng ).
Khi Is < 0 thì tải trả năng lượng về nguồn ni ( các diode dẫn dịng ).


Hình 1. 1 Sơ đồ nguyên lí mạch nghịch lưu nguồn áp 1 pha

b.

Nguyên lý làm việc:

Giả sử T2 và T4 đang có dịng chạy qua ( dịng từ A đến B ). Khi t= 0 xung mở
cho T1 và T3, T2 và T4 khóa lại, dịng tải Is = Im khơng thể đảo chiều một cách đột ngột.
Nó chạy theo chiều cũ nhưng theo chiều D1 đến E đến D3 đến D1 và giảm dần, D1 và
D3 dẫn dòng khiến T1 và T3 vừa mở đã bị khóa lại. Khi = t1, i = 0, D1 và D3 khóa lại,
T1 và T3 sẽ mở lại do vẫn còn xung điều khiển vẫn còn xung điều khiển tác động ở các
cực G1, G3, dòng tải I =-Im và chảy từ B về A Giai đoạn t = 0 đến T1 là giai đoạn hoàn
năng lượng. Khi t = T/2 ( tại thời điểm t2 ) cho xung mở T2 và T4, T1 và T3 bị khóa lại,
dịng tải chạy qua D2 và D4 khiến cho T2 và T4 vừa mở ra đã bị khóa lại. Khi t = t3, I =
Sinh viên thực hiện:

Hướng dẫn: TS. Giáp Quang Huy

7


0 và T2 và T4 sẽ mở lại, I >0 chạy theo chiều A đến B. Dòng tải I biến thiên theo quy
luật hàm mũ giữa hai giá trị Im và –Im.
c.

Dạng sóng dịng điện, điện áp trong mạch:

Hình 1. 2 Dạng sóng dịng điện, điện áp trong mạch nghịch lưu áp 1 pha


1.2.2 Nghịch lưu áp ba pha:
Sơ đồ nghịch lưu áp 3 pha được ghép từ ba sơ đồ một pha có điểm trung tính.
Để đơn giản hóa việc tính tốn, ta giả thiết như sau:
- Các van là lý tưởng, nguồn có nội trở vơ cùng nhỏ và dẫn dòng theo 2 chiều.
- Các van động lực cơ bản T1, T2, T3, T4, T5, T6, Za = Zb = Zc.
Các diode D1, D2, D3, D4, D5, D6 làm chức năng trả năng lượng về nguồn và tụ
C đảm bảo nguồn cấp là nguồn áp đồng thời tiệp nhận năng lượng phản kháng từ tải

Sinh viên thực hiện:

Hướng dẫn: TS. Giáp Quang Huy

8


Hình 1. 3 Sơ đồ nghịch lưu áp 3 pha

=>Để tạo ra điện áp 3 pha đối xứng, luật dẫn điện của các van phải tuân theo:
- T1 và T4 dẫn lệch nhau 180 độ và tạo ra pha A
- T2 và T5 dẫn lệch nhau 180o và tạo ra pha C
- T3 và T6 lệch nhau 180 độ tạo ra pha B
=> Các pha lệch nhau 120 độ.
+ Dạng điện áp ra trên tải được xác định như sau:
* Trong khoảng 0 đến t1: T1, T6, T5 dẫn, sơ đồ thay thế có dạng như hình
1.4a. Từ sơ đồ thay thế ta thấy Uza = E/3
* Trong khoảng t1 đến t2: T1, T2, T6 dẫn, sơ đồ thay thế có dạng như hình 1.4b.
Từ sơ đồ thay thế ta thấy Uza = E/3
* Trong khoảng từ t2 đến t3: T1, T2, T3 dẫn, sơ đồ thay thế có dạng như hình
1.4c. Từ sơ đồ thay thế ta thấy Uza = E/3


Sinh viên thực hiện:

Hướng dẫn: TS. Giáp Quang Huy

9


Hình 1. 4 Dạng điện áp trên tải

Sinh viên thực hiện:

Hướng dẫn: TS. Giáp Quang Huy

10


1.3 Nghịch lưu áp dạng Diode kẹp NPC (Diode Clamped Multilevel Inverter)
Bộ nghịch lưu đa bậc dạng Diode kẹp có mạch nguồn DC được phân nhỏ thành
các cấp nhờ các tụ điện mắc nối tiếp. Mạch nguồn DC có n tụ mắc nối tiếp thì ta sẽ có bộ
nghịch lưu (n+1) bậc.
Ngun tắc kích đóng của phương pháp này là ta mở tất cả các van kẹp trong 2
Diode để được các cấp điện áp mong muốn.
Ưu điểm:

Bộ nghịch lưu áp đa bậc dùng Diode kẹp cải tiến dạng sóng điện áp tải và
giảm sóc điện áp trên linh kiện n lần. Với bộ nghịch lưu 5 bậc, dv/dt trên linh kiện
và tần số đóng cắt giảm đi 4 lần.
Nhược điểm:
Khi số bậc lớn, việc cân bằng điện áp trên tụ trở nên khó khăn. Mức điện áp
đặt lên các diode sẽ khác nhau.


Hình 1. 5 Sơ đồ mạch nghịch lưu dùng diode kẹp

Sinh viên thực hiện:

Hướng dẫn: TS. Giáp Quang Huy

11


Hình 1. 6 Bảng trạng thái đóng cắt của các van

Hình 1. 7 Dạng điện áp ra của cấu trúc NPC Inverter

1.4

Nghịch lưu dạng nối tầng cầu H (Cascade Multillevel H-Bridge Inverter)

Cascade Inverter gồm nhiều bộ nghịch lưu áp cầu H một pha ghép nối tiếp,
các bộ nghịch lưu áp dạng cầu H này có các nguồn DC riêng như : acquy, pin mặt
trời,…Giá trị các nguồn DC này có thể bằng nhau hoặc không bằng nhau.
Với n bộ cầu H trên mỗi pha ta sẽ tạo ra được 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 van bán dẫn điện áp thấp.
Quy luật kích đóng các van trên một pha phải thỏa mãn 2 van trên cùng một
nhánh khơng được kích đóng hoặc ngắt đồng thời.
Ví dụ: Trong sơ đồ nghịch lưu nối tầng cầu H 1 pha 5 mức như bên dưới thì:
Sinh viên thực hiện:


Hướng dẫn: TS. Giáp Quang Huy

12


S1x và S4x khơng được đóng ngắt đồng thời (x - là các pha A, B, C).
Điện áp ra trên mỗi pha là: Vout =Vdc1+Vdc2=2Vdc

Hình 1. 8 Sơ đồ 1 pha của cấu trúc nối tầng cầu H 5 bậc

- Bảng trạng thái đóng cắt các van và điện áp đầu ra:
Switching status
S1

S2

S3

S1’

S4

S2’

S3’

S4’

Output
Voltage


1

1

0

0

1

1

0

0 +2Vdc

1

1

0

0

1

0

1


0 +Vdc

1

0

1

0

0

1

0

1 0

0

0

1

1

0

1


0

1 -Vdc

0

0

1

1

0

0

1

1 -2Vdc

Sinh viên thực hiện:

Hướng dẫn: TS. Giáp Quang Huy

13


CHƯƠNG 2: PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN BỘ NGHỊCH LƯU ÁP MỘT
PHA

2.1

Phương pháp PWM

2.1.1

Khái niệm
Phương pháp điều chế PWM có tên tiếng anh là Pulse Width Modulation là

phương pháp điều chỉnh điện áp ra tải. là phương pháp điều chế dựa trên sự thay đổi độ
rộng của chuỗi xung vuông dẫn đến sự thay đổi điện áp ra.
PWM dùng để điều khiển động cơ, điều khiển ổn định tốc độ động cơ. PWM nó
cịn tham gia và điều chế các mạch nguồn như là: boost, buck, nghịch lưu 1 pha và 3
pha... PWM chúng ta còn gặp nhiều trong thực tế và các mạch điện điều khiển.
Ưu điểm là điều chỉnh được điện áp ra và hạn chế tối đa các sóng hài bậc cao xuất
hiện ở tải.
Nhược điểm PWM lại yêu cầu van bán dẫn phải có tần số đóng cắt lớn.
2.1.2 Nguyên lý
Phương pháp được thực hiện theo nguyên tắc đóng ngắt nguồn tới tải và một cách
có chu kì theo luật điều chỉnh thời gian đóng cắt. Phần tử thực hiện nhiện vụ đó trong
mạch các van bán dẫn
Xét hoạt động đóng cắt của một van bán dẫn. Dùng van đóng cắt bằng Mosfet

Hình 2. 1 Hình biểu diễn hoạt động đóng cắt

Sinh viên thực hiện:

Hướng dẫn: TS. Giáp Quang Huy

14



Hình 2. 2 Hình biểu diễn hoạt động đóng cắt

Trên là mạch nguyên lý điều khiển tải bằng PWM và giản đồ xung của chân điều
khiển và dạng điện áp đầu ra khi dùng PWM.
Nguyên lý: Trong khoảng thời gian 0 - to ta cho van G mở toàn bộ điện áp nguồn
Ud được đưa ra tải. Còn trong khoảng thời gian to - T cho van G khóa, cắt nguồn cung
cấp cho tải. Vì vậy với to thay đổi từ 0 cho đến T ta sẽ cung cấp toàn bộ , một phần hay
khóa hồn tồn điện áp cung cấp cho tải.
Cơng thức tính giá trị trung bình của điện áp ra tải :
Gọi to là thời gian xung ở sườn dương (khóa mở )cịn T là thời gian của cả
sườn âm và dương, Umax là điện áp nguồn cung cấp cho tải.
=> Ud = Umax.

to
(V) hay Ud = Umax.D
T

(với D = to /T là hệ số điều chỉnh và được tính bằng % )

Hình 2. 3 Đồ thị xung của van điều khiển và đầu ra

2.1.3 Các cách để tạo ra được PWM để điều khiển
Để tạo được ra PWM thì hiện nay có hai cách thơng dụng : Bằng phần cứng và
bằng phần mềm.
Bằng phần cứng có thể tạo bằng phương pháp so sánh hay là từ trực tiếp từ các IC
dao động tạo xung vuông như : 555, LM556...

Sinh viên thực hiện:


Hướng dẫn: TS. Giáp Quang Huy

15


Bằng phần mềm được tạo bằng các chip có thể lập trình được. Tạo bằng phần
mềm thì độ chính xác cao hơn là tạo bằng phần cứng. Nên người ta hay sử dụng phần
mềm để tạo PWM
2.1.3.1a. Tạo bằng phương pháp so sánh
Thường sử dụng opamp để so sánh giữa 2 tín hiệu
+ Tín hiệu răng cưa (xung tam giác): dùng để xác định tần số của PWM (cũng là
tần số của xung ra )
+ Tín hiệu tựa: là một điện áp chuẩn xác định mức công suất điều chế (tín hiệu
DC)
Chúng ta sử dụng một bộ so sánh điện áp 2 đầu vào là 1 xung răng cưa (Saw) và 1
tín hiệu 1 chiều (Ref)
+ Khi Saw < Ref thì cho ra điện áp là 0V
+ Khi Saw > Ref thì cho ra điện áp là Umax
Và cứ như vậy mỗi khi chúng ta thay đổi Ref thì Output lại có chuỗi xung độ rộng
D thay đổi với tần số xung vuông Output = tần số xung răng cưa Saw.

Hình 2. 4 Tạo xung vng bằng phương pháp so sánh

Sinh viên thực hiện:

Hướng dẫn: TS. Giáp Quang Huy

16



2.1.3.2b. Tạo xung vuông bằng phương pháp dùng IC dao động
Như chúng ta đã biết thì có rất nhiều IC có thể tạo được trực tiếp ra xung vng
mà khơng cần phải tạo tín hiệu tam giác làm gì vì trong đó nó đã tích hợp sẵn hết cả rồi
và ta chỉ việc lắp vào là xong. ví dụ dùng dao động IC555 vì con IC này vừa đơn giản lại
dễ kiếm

Hình 2. 5 Mạch tạo xung đơn giản dung 555

Với tần số xác định được là f = 1/(ln.C1.(R1+2R2) nên chỉ cần điều chỉnh R2 là có
thể thay đổi độ rộng xung dễ dàng. Ngồi 555 ra cịn rất nhiều các IC tạo xung vuông
khác.
2.1.3.3c. Tạo xung vuông bằng phần mềm.
Đây là cách tôi ưu trong các cách để tạo được xung vuông. Với tạo bằng phần
mềm cho độ chính xác cao về tần số và PWM. Với lại mạch của chúng ta đơn giản đi rất
nhiều. Xung này được tạo dựa trên xung nhịp của CPU.

Sinh viên thực hiện:

Hướng dẫn: TS. Giáp Quang Huy

17


2.2

Phương pháp SPWM

2.2.1


Khái niệm

Phương pháp SinPWM (SPWM) dùng để tạo ra một điện áp xoay chiều, phương
pháp này sử dụng tín hiệu xung tam giác tần số cao (hay cịn gọi là sóng mang) đem so
sánh với tín hiệu sin chuẩn có tần số f cùng với tần số ra của bộ nghịch lưu.
Nếu xung điều khiển cấp cho một bộ nghịch lưu một pha thì ngõ ra sẽ thu được
một dạng điện áp dạng điều rộng xung có tần số bằng với tần số nguồn sin mẫu và biên độ
hài bậc nhất phụ thuộc vào nguồn điện một chiều cung cấp, tỉ số giữa biên độ sóng sin
mẫu đối với sóng mang. Tần số sóng mang phải lớn hơn tần số của sóng sin mẫu.
2.2.2

Ngun lí

Xét với mạch nghịch lưu áp một pha cầu sử dụng 4 van ta có hai dạng SinPWM
như sau:
2.2.2.1a. SinPWM lưỡng cực

Hình 2. 6

Dạng sóng SinPWM hai cực tính cực, phổ sóng hài

Ngun lí của phương pháp này tuân theo nguyên tắc chung của phương
pháp SinPWM những điểm cắt nhau của hai xung dùng để so sánh là điểm chuyển đổi
trạng thái của 2 cặp van vì vậy dạng điện áp ra sẽ là hai xung chữ nhật với 2 mức điện áp
là E và –E biến thiên theo quy luật của sóng điều chế hình sin (sóng điều khiển)
Sinh viên thực hiện:

Hướng dẫn: TS. Giáp Quang Huy

18



Khi điện áp đầu ra sau mỗi lần đóng cắt luôn tồn tại ở hai dấu –E,E nên
được gọi là điều chế hai cực tính.
2.2.2.2b. SinPWM một cực tính
Để điều chế một cực tính cũng có nhiều cách ở đây hai van của một cặp khơng
đóng ngắt đồng thời mà lại đổi nhau, thời điểm chuyển đổi trạng thái giữa hai nhóm cũng
khác nhau nhưng vẫn dựa theo nguyên tắc của phương pháp SinPWM. Cụ thể ta có thể so
sánh giữa hai hình sin ngược pha và một xung tam giác cao tần hoặc một cách khác ta có
thể dùng một sóng sin cịn xung tam giác được dịch chuyển để ln cùng dấu với sóng
sin.

Hình 2. 7

Sinh viên thực hiện:

Dạng sóng SinPWM một cực tính, phổ sóng hài

Hướng dẫn: TS. Giáp Quang Huy

19


2.2.3

Các thông số của phương pháp SPWM
Trong phương pháp này ta quan tâm đến 2 hệ số chính
 Hệ số biên độ: ma=

𝑈𝑚𝑑𝑐

𝑈𝑚𝑐

=

𝑈𝑠𝑖𝑛
𝑈𝑡𝑎𝑚𝑔𝑖𝑎𝑐

là tỉ số giữa biên độ điện áp của sóng

điều chế và sóng mang, bình thường thì ma <1 còn nếu ma >1 gọi là quá
điều chế và nó giảm chất lượng điện áp ra.
 Mặt khác, ma 

U AC
là tỉ số giữa biên độ điện áp sau nghịch lưu và biên
U DC

độ điện áp một chiều đầu vào.
 Hệ số biến tần: mf =

𝑓𝑐
𝑓𝑑𝑐

là tỉ số giữa tần số sóng mang fc và tần số điện áp

điều chế fdc. Thơng thường tần số sóng mang bằng tần số đóng ngắt van do
đó tần số này hay được gọi là tần số chuyển mạch fsw.
2.3

KẾT LUẬN


Phương pháp điều khiển PWM: Sử dụng IC 555, còn đối với phương pháp SPWM
ta sử dụng theo kiểu lưỡng cực với 1 kênh xung điều khiển cấp cho 2 cặp van được so
sánh từ sóng hình sin mẫu với xung tam giác tần số cao.

Sinh viên thực hiện:

Hướng dẫn: TS. Giáp Quang Huy

20


CHƯƠNG 3: TÍNH TỐN MẠCH ĐỘNG LỰC, MẠCH LỌC VÀ CHỌN
THIẾT BỊ BẢO VỆ

3.1

Phân tích số liệu và tổng quan của bộ nghịch lưu
Theo yêu cầu của đề tài ta có nguồn áp EDC =48V cần đưa qua bộ nghịch

lưu để tạo UAC=220V với cơng suất P=1000W và có tần số 50Hz. Với UAC=URMS, nên
Umax=312V nếu chọn ma=0.8 (hệ số điều biến của mạch điều khiển SinPWM) thì
UDC=390V.
Bộ biến đổi DC/AC sẽ gồm 4 phần thành phần chính như sau :
Mạch tăng áp: Có nhiệm vụ đẩy áp EDC=48v lên áp UDC=390V trước khi đưa vào
mạch nghịch lưu
Mạch nghịch lưu: Biến đổi dòng một chiều sang dòng xoay chiều với yêu cầu
như đề bài với tải chọn là thuần trở.
Mạch điều khiển: Gồm 2 mạch điều khiển. Một mạch điều khiển phần tăng áp
(PWM). Mạch còn lại điều khiển mạch nghịch lưu (SinPWM).

Mạch lọc: Có hai mạch lọc. Mạch lọc thứ nhất có tác dụng lọc sóng đa hài sau
mạch nghịch lưu để có sóng ra dạng sine chuẩn. Mạch lọc cịn lại tác dụng lọc sóng ra
Ngồi ra, đối với mỗi loại van bán dẫn ta chọn sẽ đi kèm với biện pháp bảo vệ nó riêng.
3.2

Tính tốn mạch tăng áp (DC-DC)

3.2.1

Cấu tạo

Hình 3. 1 Sơ đồ mạch tăng áp

Mạch tăng áp trực tiếp có cấu tạo đơn giản được tạo bởi một cuộn cảm, một tụ
điện có chức năng tích lũy năng lượng và một diode, một van chuyển mạch

Sinh viên thực hiện:

Hướng dẫn: TS. Giáp Quang Huy

21


3.2.2

Ngun lí

Hình 3. 2 Sơ đồ dịng chạy giải thích nguyên lý

Nguyên lý hoạt động:

Giả sử ban đầu khóa mở, tụ C được nạp đầy, cuộn cảm như một dây dẫn
Khi khóa đóng, dịng điện chạy qua cuộn cảm theo chiều kim đồng hồ và cuộn dây
tích trữ năng lượng. Chiều bên trái cuộn dây mang dấu dương. Cùng lúc đó, năng lượng
trên tụ C được xả qua tải, làm ổn định điện áp trên tải.
Khi khóa mở, dịng điện giảm dần. Tuy nhiên dòng điện do cuộn cảm giải phóng
năng lượng. Chiều cuộn dây đảo ngược (bên trái cuộn dây mang dấu âm). Kết quả ta có
hai nguồn điện sẽ nạp năng lượng cho tụ thông qua diode D.
3.2.3 Tính tốn, chọn linh kiện
Cho EDC = 48 V, u cầu nâng lên UDC= 390 V, P= 1000 W
 I= 2.56 A
Tỉ số D được tính theo cơng thức

D  1

EDC
48
 1
 0,877
UDC
390

Giả sử mạch vận hành ở chế độ xác lập, dịng qua cuộn cảm liên tục ln dương.
Tần số đóng ngắt có thể chọn cho mạch điều khiển van là f =20kHz.

U 2 3902

 152
Điện trở tải: R 
P 1000
Giá trị cuộn cảm sẽ được tính theo cơng thức


Sinh viên thực hiện:

Hướng dẫn: TS. Giáp Quang Huy

22


Lmin

D(1-D)2 R
0,877.(1-0,877) 2 .152
=
=
 50, 4 µH
2f
2.20.103

Chọn C = 100 μF để có độ nhấp nhơ điện áp thấp.
Chọn diode chịu được dòng I = 2.56A với hệ số dự trữ dịng của diode là 3 thì
 Idiode = 3 x 2.56= 7.68 A
Điện áp ngược đặt lên diode là Ung=390V vậy với Ku của diode là 2 thì điện áp yêu
cầu để chọn diode là Udiode = 2x390= 780V
Với thông số trên ta sẽ chọn diode DS17 800-1800V 40A.
Chọn van động lực cho mạch tăng áp ta dựa vào
Ilv 

1000
= 20.83A
EDC


Chọn hệ số dự trữ dòng điện trong điều kiện làm mát tự nhiên thì hệ số dự trữ của
dòng điện gần bằng 1.5
 Iv = 1.5 x 20.83= 31.25 A
Chọn hệ số dự trữ của điện áp Ku = 2
 Uvan = 2x48= 96 V
Vậy chọn van MOSFET IRF540N TO-220 33A 100V.
3.3

Tính tốn mạch buck

3.3.1 Ngun lí
Giả sử rằng cơng tắc ở vị trí mở trong một thời gian dài thì cường độ dịng điện
trong mạch bằng 0 và khơng có điện áp.
Khi cơng tắc đóng thì dịng điện qua cuộn cảm sẽ tăng lên và cuộn cảm sẽ tạo ra
điện áp trên nó. Điện áp đầu ra sẽ nhỏ hơn đầu vào. Năng lượng lưu trữ cuộn cảm bằng
cách sử dụng từ trường của nó.
khi bật cơng tắc, trên cuộn cảm điện áp là V L = Vin – Vout
Dịng điện qua cuộn cảm tăng tuyến tính theo thời gian. Tốc độ tăng dịng tuyến
tính tỷ lệ với điện áp đầu vào trừ điện áp đầu ra chia cho độ tự cảm

Sinh viên thực hiện:

Hướng dẫn: TS. Giáp Quang Huy

23


Hình 3. 3 Đường đặc tính dịng trong cuộn cảm


Khi công tắc mở, nguồn điện áp đầu vào bị ngắt kết nối và cuộn cảm sẽ truyền
năng lượng tích trữ cho tải. Các cuộn cảm sẽ trở thành nguồn dòng cho tải.
Diode D1 sẽ cung cấp một đường trở lại của dịng điện chạy qua cuộn cảm trong
q trình chuyển mạch ở trạng thái tắt.
Dòng điện dẫn giảm với độ dốc bằng –Vout / L
3.3.2 Tính tốn, chọn linh kiện

Hình 3. 4 Sơ đồ nguyên lí mạch buck

Mạch giảm điện áp có đầu vào Vin  48V và cho điện áp đầu ra Vo  12V , chọn
f  20kHz .

Giả sử P  12W ,

Sinh viên thực hiện:

Hướng dẫn: TS. Giáp Quang Huy

24


U2
R
P 12

 I t  U  12  1A

2
2
 R  U  12  12


P
12
P  UI t 

Với 

D

0,9 là hiệu suất nguồn xung, ta được:

Vo
12

 0, 28
Vin  48  0,9

-

Độ gợn sóng dịng: I L  10% I  0,1 1  0,1A

-

Độ gợn sóng áp: VC  10%Vo  0,1 12  1,2V

(Vin  Vo ) D (48  12)  0, 28

L



 5mH

f I L
20  103  0,1


I L
0,1
C 

 0,52  F

8 f  U C 8  20  103  1, 2

3.4

Tính tốn mạch nghịch lưu

Theo phân tích ở 3.1 ta chọn ma= 0.8 (đối với mạch điều khiển SinPWM). Sóng ra
có dạng Uout = Umax sin(100πt).
Điện áp ra lớn nhất sau mạch nghịch lưu sẽ là U max  U DC .ma  390  0.8  312V
Chọn tần số chuyển mạch (đối với mạch điều khiển SinPWM) là fsw= 10kHz (chọn
hệ số tần mf= 200). Chọn hệ số an toàn của van bán dẫn là 2
 Uv= 2x312= 624 V
Công suất bộ nghịch lưu là 1000W, xem tải chỉ có R vậy dịng đi qua van là

I

P
U RMS




1000
 4.55 A
220

Trong điều kiện làm mát tự nhiên thì hệ số dự trữ của dòng điện gần bằng 4, nên
dòng điện yêu cầu để chọn được van là
 Iv =4x 4.55 =18.2 A

Sinh viên thực hiện:

Hướng dẫn: TS. Giáp Quang Huy

25