Giáo trình Mạch điện tử công suất và ứng dụng - Chương 5: Nghịch lưu độc lập và biến tần

độ rộng xung hình sin (SPWM): 
 a. Nguyên lý: 
uREF
đku
u 7
3
2
4
6
c
uc: sóng mang (carrier) chu kỳ T 
uref: áp chuẫn (đặt – reference) 
ta có: 
[ ] 2 1av on
CMAX
u tu n
U U T
= = − 
ton on
U
t t
T
av
UCMAX
t
REF
-U
u (t)
o
uu[n]
u
T
Với: - uav là trung bình trong chu kỳ T của 1 xung áp ngỏ ra biên độ U 
 - u[n] là giá trị của uREF tại chỗ giao với uc 
 - UCMAX là biên độ cực đại của sóng mang uc 
Khi T đủ bé, dạng nấc thang “tương đương” này tiến đến hình sin. 
 => giá trị điện áp u1 tương ứng với uref hay biên độ U1 của thành 
phần cơ bản áp ra: 
1 1 và REF REFMAX
CMAX CMAX
u Uu U
U U U U
= = 
23/42 ch5 NL&BT /ĐTCS&ƯD Được phép mang vào phòng thi 
Ví dụ SPWM: 
uREF
đku
u 7
3
2
4
6
c
10.087793
0
ym
1280 m
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120
0
2
4
6
8
10
12
Hình V.4.6c: Các dạng sóng SPWM 
Hình V.4.6.d: Phổ của dạng sóng SPWM hình c. Thành phần có n = 41, 43, 83, 85 là có 
biên độ cao nhất 
 Bài tập tính áp ngỏ ra SPWM: 
24/42 ch5 NL&BT /ĐTCS&ƯD Được phép mang vào phòng thi 
 b. Thông số kỹ thuật điều rộng xung (PWM) của bộ nghịch lưu: 
 * Chỉ số điều chế biên độ ma (còn gọi là chỉ số điều chế – modulation index): 
 Pa
CMAX
Um
U
= 
 UP : biên độ của áp chuẫn uREF , 
UCMAX : biên độ sóng mang răng cưa 
ma : thông số điều khiển, đặc trưng cho yêu 
cầu điều khiển, có thể lớn hay nhỏ hơn 1. 
 * Chỉ số điều chế tần số mf (thường gọi là bội số điều chế tần số – frequency 
modulation ratio – vì nó luôn lớn hơn hay bằng 1): là thông số của sơ đồ điều khiển 
 Cf
O
fm
f
= fC : tần số sóng mang, 
fO : tần số ngỏ ra 
 * Chỉ số điều chế điện áp ngỏ ra mO (gọi tắt là chỉ số điện áp): cho biết hiệu quả 
của sơ đồ điều chế 
 1
1
O V
Um
U
= ; U1 : áp có điều chế và 
 1VU : áp không có điều chế (ví dụ xung vuông ở sơ đồ 1 pha hay dạng sóng 6 nấc 
của sơ đồ 3 pha). Trong sơ đồ NL ba pha: 1VU = 1sixstepU . 
 Với 1sixstepU lấy ở bài tập V.4.1: 
11 1
22
1
sixstep
R
O
UU Um
U UU π π
= = = 
 với U là áp nguồn một chiều và U1R là hiệu dụng thành phần cơ bản áp pha tải. 
25/42 ch5 NL&BT /ĐTCS&ƯD Được phép mang vào phòng thi 
 c. Chỉ số điều chế điện áp mO của SPWM ba pha: 
 Khai triển Fourier uAn với chỉ số điều chế biên độ ma ≤ 1 là thông số: 
 0.5 sin( ) ( )An a Cu m U wt H Mw Nwφ= + + ± 
 Xét thành phần cơ bản của uAn: 
 1 0.5 sinAn au m U wt= 
 chính là khi lưu ý biên 
độ áp ra chỉ là ½ áp nguồn 1 chiều. 
 Thành phần cơ bản của nghịch lưu xung 
vuông tương ứng: 1
4
2
V UU π= 
Suy ra: 
0.5 . 0.7855
4 / 2 4
a
O a a
m Um m m
U
π
π= = = 
Hình V.4.8a: Chỉ số áp ngỏ ra mo theo 
chỉ số điều chế biên độ ma sơ đồ 
nghịch lưu 3 pha. 
 Khi tính toán cho áp pha tải ba pha, cho ta 
 Biên độ thành phần cơ bản 1 0.5 aU m U= 
 chỉ số điện áp mO : 
1
1
0.7855
sixstepO a
Um m
U
= = 
26/42 ch5 NL&BT /ĐTCS&ƯD Được phép mang vào phòng thi 
 4. Các phương pháp điều chế độ rộng xung khác: 
 a. Điều chế theo mẫu: 
 - thay thế sóng hình sin bằng dạng 
sóng nấc thang. 
 - điều chế đối xứng hay không đối 
xứng 
Hình V.4.9.a: Nguyên lý điều chế theo 
mẫu: thay thế hình sin bằng dạng nấc 
thang 
27/42 ch5 NL&BT /ĐTCS&ƯD Được phép mang vào phòng thi 
0
ts(n)
ua(n)
T1(n)
UC
UM
T2(n)
Ts
n n+1n-1
Hình V.4.9b: Điều chế đối xứng 
0
ts(n)
ua(n)
T1(n)
UC
UM
T2(n)
Ts
n n+1n-1
Hình V.4.9c: Điều chế không đối xứng 
 Khi điều chế dối xứng: Bề rộng xung ở kỳ lấy mẫu thứ n : 
 ( )1( ) ; 2( ) 1( )
2 2
S C a
S
C
T U u nT n T n T T n
U
⎡ ⎤−= = −⎢ ⎥⎣ ⎦ 
.2( ) sin( )a M
nu n U
N
π= 
Với Ts: chu kỳ lấy mẫu; ua(n): áp chuẩn tại kỳ lấy mẫu thứ n; UC , UM: biên 
độ sóng mang tam giác và áp chuẩn hình sin. 
 => các độ rộng T1, T2 theo tỉ số UM / UC , TS , hàm sin(n.2π/N) [chứa trong 
ROM] 
28/42 ch5 NL&BT /ĐTCS&ƯD Được phép mang vào phòng thi 
 b. Điều chế vector không gian - SVM (gọi đầy đủ là điều rộng xung vector không 
gian - SVPWM): 
 Tính toán 1 lần cho dạng sóng 3 pha, 
 Vector không gian của áp ba pha: có các 
trường hợp sau: 
 * Hệ ba pha hình sin đối xứng: vector U
JJG
quay góc ωe . 
 * Nghịch lưu 6 nấc thang: bộ 6 vector 1U
JJG
, 
2U
JJG
, 3U
JJG
, 4U
JJG
, 5U
JJG
, 6U
JJG
 mô tả sáu trạng thái của các 
ngắt điện 
 * Khi điều rộng xung 
hình sin SPWM với 
fC = N.fO : bộ N vector 
trạng thái nằm trên đường 
tròn có bán kính thay đổi, 
bằng áp ra mong muốn 
*V . 
Trạng 
thái 
Ngắt điện 
đóng 
áp pha 
tải uA 
áp pha 
tải uB 
áp pha 
tải uC 
Vector 
không gian 
1 S1,S5,S6 2U/3 -U/3 -U/3 1V
JJG
(1,0,0) 
2 S1,S2,S6 U/3 U/3 -2U/3 2V
JJG
(1,1,0) 
3 S4,S2,S6 -U/3 2U/3 -U/3 3V
JJG
(0,1,0) 
4 S4,S2,S3 -2U/3 U/3 U/3 4V
JJG
(0,1,1) 
5 S4,S5,S3 -U/3 -U/3 2U/3 5V
JJG
(0,0,1) 
6 S1,S5,S3 Vd/3 -2Vd/3 Vd/3 6V
JJG
(1,0,1) 
29/42 ch5 NL&BT /ĐTCS&ƯD Được phép mang vào phòng thi 
 Kỹ thuật điều chế độ rộng xung vecto không gian SVPWM: 
 - mô tả các vector trạng thái SPWM là *U theo các vector của NL sáu nấc thang. 
 - hai trạng thái 0 (0,0,0)U
JJG
 và 7 (1,1,1)U
JJG
 có áp bằng 0 được thêm vào để điều chỉnh áp ra 
 * Công thức cho điều chế vector không gian: 
 - vector không gian *U
JJJG
 = Ua
JJJG
 + Ub
JJJG
*sin( ) sin
3 3
*sin( ) sin
3
a
b
U U
U U
π πα
πα
− =
=
 => 
2 *.sin( )
33
2 *.sin( )
3
Ua U
Ub U
π α
α
= −
=
 - Ua , Ub tương ứng với ta và tb : 
 * 1 2a ba b
C C
t tU U U U U
T T
= + = +JJJG JJJG JJG JJG JJJG 
 với TC là chu kỳ điều chế độ rộng xung, 
 Đặt: 
1
= aa CUt TU và 1
= bb CUt TU 
 với 1 2 1= =
JJG JJG
U U U 
 => - -O C a bt T t t= là thời gian có áp ra bằng zero 
U1
U2
U*
Ua
Ub
α
30/42 ch5 NL&BT /ĐTCS&ƯD Được phép mang vào phòng thi 
 Điều kiện : C a bT t t> + 
=> *U
JJJG
 nằm phía trong hình lục giác 
đều, *max 1 cos( / 6)U U π= 
Suy ra biên độ áp ngỏ ra cực đại *maxU : 
 *max
2 cos 0.577
3 6 3
UU U Uπ= ⋅ ⋅ = = 
với U: áp cấp điện một chiều, 
vì biên độ của áp 6 nấc thang ( 1U
JJG
6U
JJG
) U1 = 
2
3
U . 
 tương ứng với chỉ số điện áp mO 
giới hạn (cực đại) bằng: 
*
max
2
1
0.577 0.907
sixstepGH
U Um
UU π
= = = 
pha b
Tc
S2
pha c
Ts
S2
to
U1
to
S2
2
U2
ta
S5
S3
U2
tb
S5
S6
U7
S5
S6
U7
2
S5
S6
S4
S3 S6
S4
to
S6
S1
2
S6
S1
Uo
ta
S1
Uo
tb
S1
U1
S1
2
S1pha a
Tc
S2
to
31/42 ch5 NL&BT /ĐTCS&ƯD Được phép mang vào phòng thi 
 c. Triệt tiêu các sóng hài chọn trước: 
 Khi sử dụng những dạng sóng có độ 
rộng xung cố định: Áp ra uo : 
 1 1 2 2 3( ) ( )o o o ou u u uα α= − + 
 => Có thể chọn α1, α2 để triệt tiêu 2 
sóng hài của uo . 
Ví dụ: Tính các góc θ1, θ2 để dạng sóng v 
hình V.4.12.a không có các sóng hài bậc 5, 
7. Dạng sóng điều rộng xung hình V.4.12.a 
có thể phân tích thành các dạng sóng cơ 
bản như hình V.4.12.b và như vậy, ta có: 
 uO = uO1 – uO2 + uO3 , 
Hình V.4.12: Dạng sóng điều rộng xung hình sin 
(a) và phân tích chúnh thành các dạng cơ bản (b)
Dạng tổng quát của biên độ các sóng hài là: 
2 11 2sin . 2sin .4 n nU
n nU
α α
π
− +⎡ ⎤= ⎣ ⎦ 
 Cho U5 và U7 bằng không, giải ra α1 = 56.7Ο, α2 = 66.4Ο . 
 Khi đó U1 = 1.068U hay giá trị hiệu dụng U1R = 0.755U 
32/42 ch5 NL&BT /ĐTCS&ƯD Được phép mang vào phòng thi 
d. Điều chế độ rộng xung sử dụng bộ so sánh có trễ (điều chế delta): 
Đặt
Phản hồi
SO SÁNH SMIT
Out
pha 
Pha A
3 2
Hình V.4.13b: Các dạng sóng điều rộng 
xung dùng bộ so sánh có trễ phản hồi dòng 
điện: 
IREF : tín hiệu đặt dòng; iO : phản hồi dòng 
vO : dạng áp ra; v1 : hài cơ bản của điện 
áp ra 
Bất lợi: tần số đóng ngắt phụ 
thuộc đặc tính tải 
33/42 ch5 NL&BT /ĐTCS&ƯD Được phép mang vào phòng thi 
V.7 BIẾN TẦN: 
 - Là BBĐ AC (lưới) Ỉ AC (3 pha) có tần số, điện áp thay đổi 
- Dùng cho điều khiển động cơ xoay chiều. 
Có hai dạng biến tần tĩnh: 
 Biến tần trực tiếp (cyclo-converter) và 
 biến tần qua trung gian một chiều. 
34/42 ch5 NL&BT /ĐTCS&ƯD Được phép mang vào phòng thi 
1. Biến tần trực tiếp: 
o
oi
v
A
B
C
N
K
C
B
T2T1 T3
T4 T5 T6
R
L
hình V.7.1.a: Biến tần trực tiếp, sơ đồ một 
pha; 
- Là ứng dụng của bộ chỉnh 
lưu điều khiển pha đảo chiều 
- điều khiển sao cho áp ngỏ ra 
là một dạng sóng xoay chiều có chu 
kỳ. 
Ưu điểm: công suất lớn và rất lớn, 
hiệu suất cao nhờ biến đổi trực tiếp.
 Nhược điểm: tần số ra khá bé (≤1/3) so với tần số lưới điện, có thể khắc phục khi 
dùng GTO. 
35/42 ch5 NL&BT /ĐTCS&ƯD Được phép mang vào phòng thi 
2. Biến tần có trung gian môt chiều: 
Biến tần có trung gian một chiều gồm hai bộ phận: 
 chỉnh lưu đầu vào 
 nghịch lưu ở đầu ra (nguồn dòng và nguồn áp). 
 - Biến tần nguồn dòng: công suất lớn, đóng ngắt ở tần số bé, đầu vào là chỉnh lưu 
SCR. 
NL
NA3 3
Lưới Tải
NL
ND3 3
Lưới Tải
L
C
L
Hình V.7.2: Biến tần có trung gian một 
chiều 
Q7
Chỉnh lưu Diod Nghịch lưu nguồn áp
A B C
L
C
R
Hình V.7.3: Mạch động lực biến tần nguồn áp dùng 
IGBT 
 - Biến tần nguồn áp: sử dụng các ngắt điện một chiều (có điều khiển khóa), có thể 
đạt chất lượng điện áp ngỏ ra rất cao. 
- Mạch hãm động năng: Q7 cho phép tiêu thụ lượng điện năng trả về từ tải, không 
để áp DC tăng cao 
36/42 ch5 NL&BT /ĐTCS&ƯD Được phép mang vào phòng thi 
 Bộ biến tần cần đảm bảo các yêu cầu cơ bản sau: 
 - Thực hiện được logic ba pha, 
thay đổi tần số ra. 
 - Điều khiển áp theo yêu cầu của 
tải, thuờng gặp quan hệ U/f = hằng số 
 - Hạn chế được sóng hài áp 
(dòng): thực hiện các thuật toán SPWM 
 ĐK fĐK U
Tải
BIẾN TẦN
Lưới
Hình V.7.4: Giống như nghịch lưu, biến tần có 2 
tín hiệu điều khiển: điện áp và tần số. 
 - Các chức năng điều khiển tải tương ứng (trong công nghiệp là động cơ AC): 
 * điều khiển áp, dòng (đ/v động cơ là tốc độ, momen) 
 * quá trình khởi động, hãm 
 * Bảo vệ 
 (SeÕ giới thiệu kỹ hơn trong chương 6, 7) 
37/42 ch5 NL&BT /ĐTCS&ƯD Được phép mang vào phòng thi 
V.8 ỨNG DỤNG: 
 Bộ nguồn xoay chiều công nghiệp, phân làm các nhóm: 
- Theo loại thiết bị sử dụng: máy phát điện xoay chiều (nhóm thiết bị quay) và điện 
tử công suất (thiết bị tĩnh). 
- Theo nguồn điện: đầu vào là nguồn một chiều hay lưới điện xoay chiều 
- Theo dãy tần số hoạt động: chia làm các nhóm: 
1. Ngỏ ra tần số công nghiệp (nhỏ hơn 400 Hz) cố định: nguồn cho các thiết bị điện 
thay thế điện lưới: - bộ lưu điện (UPS – Uninterruped Power Supply) 
 - Inverter 
2. Ngỏ ra tần số công nghiệp thay đổi: điều khiển tốc độ động cơ xoay chiều (biến 
tần). 
 3. Ngỏ ra trung tần hay cao tần: Từ 500 Hz đến 25 KHz khi sử dụng SCR hay cao 
hơn khi dùng transistor 
 - là các bộ nguồn cho các công nghệ điện: nung nóng cảm ứng, rung động siêu âm 
của các vật liệu từ giảo. 
 - Các bộ dao động công suất hình sin sử dụng đèn điện tử hay transistor, làm việc ở 
tần số từ 50 KHz đến vài MHz dùng cho tôi cao tần hay nung nóng điện môi. 
38/42 ch5 NL&BT /ĐTCS&ƯD Được phép mang vào phòng thi 
 1. Các bộ nguồn tần số cao: 
 Nguyên lý: nung nóng bằng dòng xoáy (eddy current) 
 Dãy tần số làm việc thay đổi từ tần số công nghiệp đến vài trăm KHz: 
 - Tần số làm việc giảm khi công suất tăng. 
 - Tần số cần phải tăng tăng khi bề dầy làm việc giảm (tôi bề mặt thép). 
2. Điều khiển động cơ AC dùng biến tần: 
Phương pháp phổ biến hiện nay để điều khiển tốc độ động cơ xoay chiều 
Từ trường quay có tốc độ 
p
fno
⋅= 60 ; trong đó no tính bằng vòng/phút, f : tần số 
(Hz) và p là số đôi cực. Rotor sẽ quay theo từ trường quay với độ trượt s hầu như không 
đổi. 
 Có hai nguyên lý chính: 
 - Điều khiển U/f hằng 
 -Điều khiển vector động cơ KĐB sử dụng các vi xử lý mới có khả năng tính toán rất 
mạnh để điều khiển động cơ KĐB. 
39/42 ch5 NL&BT /ĐTCS&ƯD Được phép mang vào phòng thi 
 3. Bộ nguồn xoay chiều 
không gián đoạn (bộ lưu điện hay 
UPS uninterrupted – power – 
supply): 
Nạp
Accu
Nghịch 
lưu
Lưới
Tải
Chuyển mạch
Điều khiển
Hình V.8.1: Sơ đồ khối bộ nguồn xoay chiều không gián 
đoạn 
 Bao gồm bộ nghịch lưu sử dụng accu và bộ chuyển mạch (rơ le hay TRIAC). 
 Vấn đề then chốt của UPS off-line là thời gian chuyển đổi, tính từ khi nguồn xem 
như bị mất đến khi xác lập áp nghịch lưu, 
 Sơ đồ UPS hay nghịch lưu có đầu vào accu điện áp thấp dùng 2 bộ nghịch lưu: 
 Accu Ỉ [NL1 Ỉ BA tần số cao Ỉ CL Ỉ Lọc 1 ]Ỉ NL2 Ỉ Lọc 2 Ỉ tải 
 UPS ON-LINE: UPS không có bộ chuyển mạch và bộ nghịch lưu luôn làm việc 
40/42 ch5 NL&BT /ĐTCS&ƯD Được phép mang vào phòng thi 
 4. Chấn lưu (ballast) điện tử: 
 là loại đèn được sử dụng rất phổ biến 
nhờ hiệu suất và tuổi thọ rất cao. 
 Nguyên lý làm việc của đèn huỳnh 
quang là dựa vào sự phát sáng của chất 
(bột) huỳnh quang (fluorescent) khi có dòng 
điện tử va vào. 
nguồn
220 VAC
BL
ST
Hình V.8.2: Sơ đồ đèn huỳnh quang truyền 
thống, dùng chấn lưu là cuộn dây 
- Khi làm việc ở điện lưới cần có điện trường cao của xung mồi ban đầu để tạo sự 
phóng điện. 
5. Grid converter: Bộ biến đổi nạp năng lượng vào lưới: 
- nhu cầu/ khả năng sử dụng năng lượng phân tán (mặt trời, gió..) 
Tải AC
nạp
accu
Nghịch lưu
Tải DC
0
Nguồn
năng lượng
phân tán
BBĐ áp DC
 Nguồn sử dụng năng lượng mặt trời hay sức gió hoạt động độc lập (cổ điển) 
41/42 ch5 NL&BT /ĐTCS&ƯD Được phép mang vào phòng thi 
 - Bộ biến đổi nạp năng lượng vào lưới: cần đồng bộ tần số bộ nghịch lưu và lưới điện 
 MPPT: Khối dò tìm điểm làm việc cho công suất cực đại của bộ pin mặt trời 
42/42 ch5 NL&BT /ĐTCS&ƯD Được phép mang vào phòng thi 
a. Nối tiếp/song song pin mặt trời, dùng chung 1 BBĐ b. như a. nhưng dùng BBĐ một pha 
b. các tấm pin mặt trời dùng chung bộ nghịch lưu nối lưới, ghép sau các BBĐ tăng áp 
d. Micro Inverter.