Nghiên cứu bộ nguồn AC DC 1 pha dạng cascade 5 bậc

ABSTRACT This thesis presents PWM method to control single phase AC/DC Power supply 5 level cascade structure.. PWM method used in this thesis is supported by MATLAB software to check t

TÓM T T LU NăVĔN

Đ tài này thực hi n kỹ thuật đi u ch đ r ng xung đ đi u khi n b ngu n AC/DC 1 pha d ng cascade 5 bậc Kỹ thuật đi u ch PWM sử dụng đ ợc h trợ b i

phần m m MATLAB nhằm ki m tra các tr ng thái ho t đ ng, đ ợc thực hi n đ i

v i t i R V i c u trúc cascade 5 bậc này sẽ làm cho h s công su t gần bằng m t,

ch t l ợng dòng đi n ngu n đ ợc c i thi n, đi n áp trên m i linh ki n gi m, tăng công su t cho m ch

Vi c đi u khi n chuy n đổi năng l ợng AC/DC và cân bằng đi n áp trên 2 tụ

DC khi t i không cân đ ợc đ a vào nghiên c u trong đ tài Gi i thuật đi u khi n

đ ợc thực nghi m bằng vi c sử dụng vi xử lý đi u khi n tín hi u s DSP TMS320F28335 v i kỹ thuật lập trình nhúng từ phần m m MATLAB k t hợp

ch ơng trình CCS 3.0 biên dịch và n p cho vi xử lý

ABSTRACT

This thesis presents PWM method to control single phase AC/DC Power supply (5 level cascade structure) PWM method used in this thesis is supported by MATLAB software to check the operating states, was tested with resistance load Using 5 level cascade makes the Power factor reach the unit, the output current quality is improved, element voltages is lower and the power of system is larger

The controlling of AC/DC inverting and balance the voltages of DC capacitors when the loads unbalance was mentioned in this thesis The control algorithm was implemented using DSP TMS320F28335 microprocessor with embedded code generator technique from MATLAB, compile to C language by

CCS 3.0 and download to microprocessor

M C L C

Quy t định giao đ tài

Lý lịch khoa học i

L i cam đoan ii

L i c m t iii

Tóm tắt luận văn iv

Mục lục v

Danh sách các chữ vi t tắt viii

Danh sách các hình ix

Danh sách các b ng xiii

Ch ngă1: T NG QUAN 1.1 T ng quan chung v lĩnhăv c nghiên c u, các k t qu nghiên c u trong và ngoƠiăn c 1

1.1.1 Tổng quan chung v lĩnh vực nghiên c u 1

1.1.2 M t s k t qu nghiên c u trong và ngoài n c 3

1.2 M căđíchăc aăđ tài nghiên c u 4

1.3 Nhi m v và gi i h năđ tài 4

1.4 Ph ngăphápănghiênăc u 5

Ch ngă2: C ăS LÝ THUY T B CH NHăL Uă1ăPHA 2.1 T ng quan v b ch nhăl u 6

2.1.1 Gi i thi u 6

2.1.2 Phân lo i 7

2.1.3 Các c u trúc c a b chnh l u 1 pha 7

2.1.4 Các ph ơng pháp đi u khi n 9

2.1.4.1 Kỹ thuật đi u ch theo dòng đi n yêu cầu (còn gọi là dòng đi n đặt) 10

2.1.4.2 Kỹ thuật đi u ch Delta-Sigma 11

2.1.4.3 Kỹ thuật đi u ch sóng mang 13

2.2 B ch nhăl uăd ng c u H (full-bridge) 15

2.2.1 Phân tích tr ng thái làm vi c c a c u trúc 15

2.2.2 Nguyên lý làm vi c 16

2.2.3 Chi n l ợc đi u khi n ch đ hai bậc 18

2.2.4 Chi n l ợc đi u khi n ch đ ba bậc 19

2.3 B ch nhăl uăd ng cascade 5 b c 19

2.3.1 Phân tích tr ng thái làm vi c c a c u trúc 19

2.3.2 Nguyên lý làm vi c 22

2.3.3 Mô hình toán c a b ch nh l u 25

2.4 Các tính toán cho b ch nhăl uăă 27

2.4.1 Tìm dòng đi n ngu n 27

2.4.2 Gi i h n giá trị cu n kháng lọc ngõ vào 28

2.5 Thi t k b đi u khi n cho b ch nhăl uăă 28

2.5.1 Ph ơng pháp 1: Chi n l ợc đi u khi n theo kỹ thuật đi u ch dòng đi n đặt 28 2.5.2 Ph ơng pháp 2: Chi n l ợc đi u khi n theo kỹ thuật đi u ch sóng mang 34

Ch ngă3: MÔ PH NG VÀ K T QU MÔ PH NG 3.1 B ch nh l u 1 pha d ng c u H 37

3.1.1 Mô hình mô phỏng c a b ch nh l u 37

3.1.2 B đi u khi n đ ợc thực hi n theo ch đ 2 bậc 40

3.1.3 Phân tích thành phần hài 42

3.1.4 K t qu mô phỏng c a b ch nh l u 2 bậc 44

3.1.5 B đi u khi n đ ợc thực hi n theo ch đ 3 bậc 47

3.2 B ch nhăl uă1ăphaăd ng cascade 5 b c 49

3.2.1 Mô hình mô phỏng c a b ch nh l u 49

3.2.2 Đi u khi n theo ph ơng pháp 1 (kỹ thuật đi u ch theo dòng đi n đặt) 50

3.2.3 Đi u khi n theo ph ơng pháp 2 (kỹ thuật đi u ch sóng mang) 55

3.3 Nh n xét 60

Ch ngă4:ăTHIăCỌNGăPH N C NG, TH C NGHI M VÀ CÁC K T QU TH C NGHI M 4.1 S ăđ t ng quan h th ng ch nhăl u 61

4.1.1 Sơ đ tổng quan m ch công su t 62

4.1.2 Sơ đ tri n khai m ch b o v IGBT 63

4.1.3 Sơ đ tri n khai m ch kích xung 63

4.1.3.1 Sơ đ tổng quan 63

4.1.3.2 Sơ đ nguyên lý và thi công m ch kích xung 64

4.1.4 Sơ đ tri n khai m ch c m bi n đi n áp 66

4.1.4.1 Sơ đ tổng quan 66

4.1.4.2 Sơ đ nguyên lý và thi công m ch c m bi n đi n áp 67

4.1.5 Sơ đ tri n khai m ch c m bi n dòng đi n 68

4.1.5.1 Sơ đ tổng quan 68

4.1.5.2 Sơ đ nguyên lý và thi công m ch c m bi n dòng 68

4.1.6 Sơ đ tri n khai m ch đ m b o v DSP 69

4.2 Mô hình nhúng c a b ch nhăl uăho tăđ ng ch đ 2 b c 70

4.2.1 Mô hình nhúng và thi t lập thông s 70

4.2.2 K t qu thực nghi m 75

4.3 Mô hình nhúng c a b ch nhăl uăho tăđ ng ch đ 3 b c 76

4.3.1 Mô hình nhúng và thi t lập thông s 76

4.3.2 K t qu thực nghi m 79

4.4 B ch nh l uă1ăphaăd ng cascade 5 b c 80

4.4.1 Đi u khi n theo ph ơng pháp 1 (kỹ thuật đi u ch theo dòng đi n đặt) 80

4.4.1.1 Mô hình và thi t lập thông s 80

4.4.1.2 K t qu thực nghi m 81

4.4.2 Đi u khi n theo ph ơng pháp 2 (kỹ thuật đi u ch sóng mang) 82

4.4.2.1 Mô hình và thi t lập thông s 82

4.4.2.2 K t qu thực nghi m 83

4.5 Nh n xét 84

Ch ngă5.ăK T LU N VÀ H NG PHÁT TRI N 5.1 K t luận 86

5.2 H ng phát tri n 86

TÀI LI U THAM KH O

BÀI BÁO

DANH SÁCH CÁC CH Ữ VI T T T

AC Alternating Current

DC Direct Current

ADC Analog-to-Digital Converter

DSP Digital Signal Processor

I/O Input/Output

IGBT Insulated-Gate Bipolar Transistor

GTO Gate-Turn-Off thyristor

IGCT Integrated Gate Controlled Thyristor

KCL Kirchhoff's Current Law

KVL Kirchhoff's Voltage Law

NPC Neutral Point Clamped

PI Proportional-Integral

PWM Pulse Width Modulation

SPWM Sine Wave Pulse Width Modulation

THD Total Harmonic Distortion

PFC Power-Factor Correction

AFE Active Front End

NPC Neutral Point Clamped

CPWM Carrier Based Pulse Width Modulation

DM Delta Modulation

PLL Phase-Locked Loop

IEC International Electrotechnical Commission

PD Phase Dispostion

APOD Alternative Phase Opposition Dispostion

POD Phase Opposition Dispostion

DANH SÁCH CÁC HÌNH

Hình 2.1 Phân lo i tổng quan c a b ch nh l u 7

Hình 2.2 C u trúc H-Bridge sử dụng đi t .8

Hình 2.3 C u trúc H-Bridge sử dụng IGBT 8

Hình 2.4 C u trúc chnh l u 3 bậc 8

Hình 2.5 C u trúc chnh l u d ng NPC 3 bậc 9

Hình 2.6 C u trúc chnh l u d ng cascade 3 bậc 9

Hình 2.7 Đ thị đi u ch xung kích 10

Hình 2.8 Sơ đ kh i c a kỹ thuật đi u ch dòng đi n yêu cầu 11

Hình 2.9 Nguyên lý xu t xung kích c a kỹ thuật đi u ch dòng đi n yêu cầu 11

Hình 2.10 Sơ đ kh i c a kỹ thuật đi u ch Delta-sigma 12

Hình 2.11 Nguyên lý xu t xung kích c a kỹ thuật đi u ch Delta-sigma 12

Hình 2.12 Sơ đ kh i c a kỹ thuật đi u ch CPWM 13

Hình 2.13 Nguyên lý xu t xung kích c a kỹ thuật đi u ch CPWM 13

Hình 2.14 Nguyên lý xu t xung kích c a kỹ thuật đi u ch SPWM 13

Hình 2.15 Sóng mang d ng PD 14

Hình 2.16 Sóng mang d ng APOD 14

Hình 2.17 Sóng mang d ng POD 15

Hình 2.18 C u trúc b chnh l u d ng cầu H 15

Hình 2.19 Tổ hợp các tr ng thái ho t đ ng c a b ch nh l u d ng cầu H 16

Hình 2.20 Bi u đ pha c a b ch nh l u d ng cầu H 17

Hình 2.21 Sơ đ đi u khi n c a b ch nh l u d ng cầu H ch đ 2 bậc 18

Hình 2.22 Sơ đ đi u khi n c a b ch nh l u d ng cầu H ch đ 3 bậc 19

Hình 2.23 C u trúc c a b chnh l u d ng Cascade 5 bậc 20

Hình 2.24 Đơn gi n hóa c u trúc c a b ch nh l u d ng Cascade 5 bậc 20

Hình 2.25 Mẫu đi n áp 5 bậc ngõ vào phần công su t 22

Hình 2.26 Các ch đ ho t đ ng c a b ch nh l u d ng Cascade 5 bậc 23

Ph ngăphápă1:ăChi năl căđi u khi n theo kỹ thu tăđi u ch dòngăđi n đặt Hình 2.27 Sơ đ kh i c a b đi u khi n 29

Hình 2.28 Chi n l ợc c a b ch nh l u 31 Hình 2.29 L u đ gi i thuật đi u khi n theo kỹ thuật đi u ch dòng đi n yêu cầu 33

Ph ngăphápă2: Chi năl căđi u khi n theo kỹ thu tăđi u ch sóng mang

Hình 2.30 Sơ đ kh i vòng lặp dòng đi n 34

Hình 2.31 Sơ đ kh i vòng lặp đi n áp 34

Hình 2.32 Sơ đ kh i c a b đi u khi n 35

Hình 2.33 L u đ gi i thuật đi u khi n theo kỹ thuật đi u ch sóng mang 36

Hình 3.1 Sơ đ kh i tổng quan c a b ch nh l u m t pha 37

Hình 3.2 M ch ngu n và cửa sổ thông s 38

Hình 3.3 Cửa sổ thông s cho cu n c m L phía Ac c a b ch nh l u 38

Hình 3.4 M ch công su t và cửa sổ thông s c a tụ C 39

Hình 3.5 M ch t i và thông s cho t i 39

Hình 3.6 B đi u khi n ch đ 2 bậc 40

Hình 3.7 Sơ đ kh i PI 40

Hình 3.8 Sơ đ kh i PLL và cửa sổ thông s 41

Hình 3.9 Giao di n c a ti n ích Powergui 42

Hình 3.10 Powergui cho phép quan sát các thành phần sóng hài d ng bi u đ 43

Hình 3.11 Powergui cho phép quan sát các thành phần sóng hài d ng dữ li u 43

Hình 3.12 D ng sóng đi n áp trên tụ DC, đi n áp ngu n vs và dòng đi n ngu n is 44 Hình 3.13 D ng sóng đi n áp ngu n vs, đi n áp d ng bậc vab và d ng sóng h s công su t (đóng t i t i th i đi m 0.7x105μs) 44

Hình 3.14 Phân tích FFT dòng đi n ngu n is 45

Hình 3.15 D ng sóng đi n áp trên tụ DC trong th i gian quá đ 45

Hình 3.16 D ng sóng dòng đi n qua t i và d ng sóng đi n áp DC ngõ ra trong quá trình ho t đ ng đóng t i c a b ch nh l u 46

Hình 3.17 D ng sóng đi n áp ngu n vsvà dòng đi n ngu n is khi có t i 46

Hình 3.18 Đ nh p nhô c a dòng đi n qua t i R và đ nh p nhô c a đi n áp trên tụ C tr ng thái xác lập 46

Hình 3.19 B đi u khi n ch đ 3 bậc 47

Hình 3.20 Cửa sổ thông s cho kh i t o sóng mang 47

Hình 3.21 D ng sóng đi n áp ngu n vs, dòng đi n ngu n is, đi n áp d ng bậc vab 48

Hình 3.22 Phân tích FFT dòng đi n ngu n is, d ng sóng h s công su t khi đóng t i t i th i đi m 0.7x105μs 49

Hình 3.23 Mô hình mô phỏng b ch nh l u d ng Cascade 5 bậc 49

Hình 3.24 Sơ đ b đi u khi n ch đ mô phỏng 50

Hình 3.25 D ng sóng đi n áp trên tụ DC, đi n áp ngu n vsvà dòng đi n ngu n is 52 Hình 3.26 D ng sóng đi n áp ngu n vs, đi n áp d ng bậc vab và h s công su t (đóng t i t i th i đi m 0.5x105μs) 53

Hình 3.27 Phân tích FFT và d ng phổ c a dòng đi n ngu n is 53

Hình 3.28 Đ nh p nhô c a dòng đi n qua t i R và đ nh p nhô c a đi n áp trên tụ C tr ng thái xác lập v i t i cân bằng 54

Hình 3.29 D ng sóng đi n áp trên tụ DC v i t i không cân 54

Hình 3.30 D ng sóng dòng đi n t i, đi n áp ngu n vs và dòng đi n ngu n is v i t i không cân bằng 54

Hình 3.31 Sơ đ b đi u khi n ch đ mô phỏng 55

Hình 3.32 D ng sóng đi n áp trên tụ DC, đi n áp ngu n vsvà dòng đi n ngu n is 58 Hình 3.33 D ng sóng đi n áp ngu n vs, đi n áp d ng bậc vab và h s công su t (đóng t i t i th i đi m 0.5x105μs) 58

Hình 3.34 Phân tích FFT dòng đi n ngu n is 58

Hình 3.35 Đ nh p nhô c a dòng đi n qua t i R và đ nh p nhô c a đi n áp trên tụ C tr ng thái xác lập v i t i cân bằng 59

Hình 3.36 D ng sóng đi n áp trên tụ DC v i t i không cân 59

Hình 3.37 D ng sóng dòng đi n qua t i, đi n áp ngu n vsvà dòng đi n ngu n is v i t i không cân 59

Hình 4.1 Sơ đ kh i tổng quan c a b ch nh l u 1 pha 61

Hình 4.2 Sơ đ tri n khai m ch công su t 62

Hình 4.3 Sơ đ thi công m ch công su t 62

Hình 4.4 Thi công sơ đ k t n i các IGBT 63

Hình 4.5 M ch RC b o v IGBT 63

Hình 4.6 Sơ đ tổng quan kh i t o xung 64

Hình 4.7 Sơ đ nguyên lý m ch ngu n 64

Hình 4.8 Thi công m ch ngu n 65

Hình 4.9 Sơ đ nguyên lý m ch lái các IGBT 65

Hình 4.10 Thi công m ch lái các IGBT 66

Hình 4.11 Sơ đ tổng quan m ch c m bi n áp 66

Hình 4.12 Sơ đ nguyên lý m ch c m bi n áp 67

Hình 4.13 Thi công m ch c m bi n áp 68

Hình 4.14 Sơ đ tổng quan m ch c m bi n dòng 68

Hình 4.15 Sơ đ m ch đ m b o v DSP 69

Hình 4.16 Thi công m ch đ m 69

Hình 4.17 Mô hình thực nghi m tổng th c a b ch nh l u 70

Hình 4.18 Mô hình lập trình nhúng c a b đi u khi n ch đ 2 bậc 70

Hình 4.19 Kh i giao ti p Matlab – DSP TMS320F28335 và cửa sổ thông s 71

Hình 4.20 Sơ đ bên trong c a kh i ADC 72

Hình 4.21 Cửa sổ thông s c a ADC c a DSP TMS320F28335 72

Hình 4.22 Cửa sổ xu t xung từ DSP thông GPIO 74

Hình 4.23 D ng sóng đi n áp trên tụ DC, đi n áp ngu n vsvà dòng đi n ngu n is 75 Hình 4.24 D ng sóng đi n áp ngu n vs, đi n áp d ng bậc vab và d ng phổ c a dòng đi n ngu n is 75

Hình 4.25 D ng sóng đi n áp DC ngõ ra trong quá trình ho t đ ng đóng t i 76

Hình 4.26 Sơ đ tổng quan kh i xu t xung 76

Hình 4.27 Cửa sổ thông s c a ePWM1 77

Hình 4.28 Cửa sổ thông s c a ePWMA 78

Hình 4.29 Cửa sổ thông s c a ePWMB 78

Hình 4.30 D ng sóng đi n áp ngu n vs, dòng đi n ngu n is, đi n áp d ng bậc vab 79 Hình 4.31 Phân tích FFT và d ng phổ c a dòng đi n ngu n is 79

Ph ngăphápă1 (kỹ thu tăđi u ch theoădòngăđi n yêu c u) Hình 4.32 Mô hình lập trình nhúng c a b đi u khi n 80

Hình 4.33 D ng sóng đi n áp trên tụ DC, đi n áp ngu n vsvà dòng đi n ngu n is 81 Hình 4.34 D ng sóng đi n áp ngu n vs, đi n áp d ng bậc vab và d ng phổ c a dòng đi n ngu n is 81

Ph ngăphápă2ă(kỹ thu tăđi u ch sóng mang) Hình 4.35 D ng sóng đi n áp trên tụ DC đo đ ợc sau c m bi n v i t i không cân 82 Hình 4.36 Mô hình lập trình nhúng c a b đi u khi n 82

Hình 4.37 D ng sóng đi n áp trên tụ DC, đi n áp ngu n vsvà dòng đi n ngu n is 83 Hình 4.38 D ng sóng đi n áp ngu n vs, đi n áp d ng bậc vab và d ng phổ c a dòng đi n ngu n is 83 Hình 4.39 D ng sóng đi n áp trên tụ DC đo đ ợc sau c m bi n v i t i không cân 84

DANH SÁCH CÁC B NG

B ng 2.1: B ng tr ng thái chuy n m ch c a b chnh l u d ng cầu H 16

B ng 2.2: B ng tr ng thái chuy n m ch c a b chnh l u d ng Cascade 5 bậc 21

B ng 2.3 M i quan h giữa d1d2d3d4 và T1T2T3T4 32

B ng 3.1: B ng s li u c a b chnh l u khi mô phỏng theo ch đ 2 bậc 44

B ng 3.2: B ng s li u c a b chnh l u khi mô phỏng theo ch đ 3 bậc 48

B ng 3.3: B ng s li u c a b chnh l u khi mô phỏng theo ph ơng pháp 1 52

B ng 3.4: B ng s li u c a b chnh l u khi mô phỏng theo ph ơng pháp 2 57

B ng 3.5: B ng k t qu mô phỏng c a b ch nh l u 60

B ng 4.1: B ng s li u c a b chnh l u khi thực nghi m theo ch đ 2 bậc 75

B ng 4.2: B ng s li u c a b chnh l u khi thực nghi m theo ch đ 3 bậc 79

B ng 4.3: B ng s li u c a b chnh l u khi thực nghi m theo ph ơng pháp 1 81

B ng 4.4: B ng s li u c a b chnh l u khi thực nghi m theo ph ơng pháp 2 83

B ng 4.5: B ng k t qu thực nghi m c a b ch nh 84

Ch ngă1: T NGăQUAN

1.1 T ngăquanăchungăv ălĩnhăv cănghiênăc u,ăcácăk tăqu ănghiênăc uătrong và ngoƠiăn c

1.1.1 T ngăquanăchungăv ălĩnhăv cănghiênăc u

Vào đầu th kỷ XIX, năng l ợng đi n đ ợc đ a vào sử dụng trong nhi u lĩnh

vực kỹ thuật, đ n những thập niên 70-80 c a th kỷ XX, kỹ thuật đi n tử ch đ ợc ng dụng trong những m ch đi u khi n, đo l ng, kh ng ch , b o v … c a h th ng đi n công nghi p gọi là đi n tử công nghi p

Đ n thập niên 90 c a th kỷ XX, kỹ thuật đi n tử đư ng dụng khá r ng rãi và thành công trong vi c thay th các khí cụ đi n từ dùng đ đóng ngắt cung c p ngu n cho những phụ t i, làm các b ngu n công su t l n trong công nghi p…V i u đi m

là kích th c nhỏ gọn, dễ đi u khi n và thuận ti n, kh năng v công su t, đi n áp, dòng đi n và đ tin cậy ngày càng đ ợc c i ti n

Ngày nay, t c đ phát tri n công nghi p r t nhanh, kèm theo đó đó là các yêu cầu cao trong khâu truy n đ ng ổn định đi n áp và có đi u ch nh đi n áp, không th thi u đ ợc trong các dây chuy n công nghi p Vi c đi u khi n chính xác đ trong các chuy n đ ng ph c t p là nhi m vụ c a h th ng truy n đ ng M t trong những thi t bị góp phần quan trọng trong lĩnh vực đi u khi n truy n đ ng là b ngu n AC/DC hay còn gọi là b chuy n đổi AC/DC hoặc b ch nh l u

V i tình hình đó, nhi u thi t bị bi n đổi công su t đư đ ợc ng dụng đ đáp ng

những yêu cầu trên Các thi t bị bi n đổi công su t đư giúp nâng cao hi u qu quá trình bi n đổi năng l ợng đi n đ ng th i luôn đ ợc c i ti n và hoàn thi n đ đáp ng yêu cầu v ch t l ợng đi n năng Ngoài các ng dụng truy n th ng nh đi u khi n

đ ng cơ đi n, các b ngu n công su t, ph m vi ng dụng c a b bi n đổi công su t ngày càng đ ợc m r ng nh trong lĩnh vực tự đ ng hóa công nghi p, l u trữ năng

l ợng, và còn đ ợc ng dụng trong truy n t i đi n

Các v n đ v sự hi u ch nh h s công su t, méo d ng sóng hài nh đư bi t,…

cao Do đó các b bi n đổi AC/DC PWM (pulse width modulation) có th khắc phục

đ ợc các nh ợc đi m trên đ bắt ki p v i các yêu cầu yêu cầu ra trong tình hình m i,

nó có nhi u ph ơng pháp đi u khi n Các ph ơng pháp đi u khi n cũ và m i bao hàm

m t sự thay đổi nhỏ trong c u trúc hay l ợc đ đi u khi n c a các b bi n đổi các

b bi n đổi năng l ợng đi n này các van chuy n m ch ngu n đ ợc đi u khi n nh các transistor l ỡng cực có cực cửa cách ly (IGBT), các thyristor tắt m bằng cực cửa (GTO), hoặc các thyristor đi u khi n có cực cửa k t hợp (IGCT) đ ợc ch a trong

m ch công su t c a b ch nh l u đ tích cực thay đổi d ng sóng c a dòng đi n ngõ vào, làm gi m đ méo, gi m sóng hài do đó chúng c i thi n đ ợc h s công su t

Trong những năm gần đây, ch nh l u đa bậc đư đ ợc nghiên c u r ng rưi Nó

đư đ ợc ch p nhận và thay th ch nh l u hai bậc truy n th ng trong r t nhi u ng dụng V i c u t o đa bậc, đi n áp trên m i bán dẫn công su t gi m, c i thi n đ ợc

d ng sóng đi n áp phía DC, kích th c b lọc nhỏ hơn, gi m đi n áp trên các van công su t Ki u đa bậc thông dụng nh t là d ng cascade v i những lợi th hơn các

d ng khác nh : c u t o đơn gi n, ít thành phần linh ki n, c u trúc d ng mođun, v n đ cân bằng áp tụ đi n cũng đơn gi n Tuy nhiên n u tăng quá nhi u bậc thì b ch nh l u

tr nên c ng k nh và vi c đi u khi n cũng tr nên ph c t p

V i những u đi m và đ khắc phục những nh ợc đi m đư nêu trên, các nhà khoa học luôn nghiên c u đ tìm các ph ơng án ch nh l u t t hơn M t ph ơng án đ

h n ch các nh ợc đi m nói trên là ph ơng pháp ch nh l u PWM và đ t i luận văn t t

nghi p đ ợc chọn ―Nghiênăc uăb ăngu năAC/DCă1ăphaăd ngăcascadeă5ăb c‖ bằng

ph ơng pháp này

Đ nghiên c u b ch nh l u học viên sử dụng phần m m Matlab và Simulink

c a hưng Mathwork, Inc [19], phần m m này có r t nhi u thuận lợi riêng bi t Matlab cho phép sử dụng ngôn ngữ c p cao nh là C hay C++ Matlab có hàng trăm hàm xây dựng sẵn và có th sử dụng trong nhi u lĩnh vực: toán học, sự th ng kê, vi c xử lý và thu nhận nh, vi c xử lý tín hi u, sự mô phỏng Simulink là n n t ng mà trong đó

có nhi u hàm gi ng trong Matlab và có nhi u tập kh i chuẩn cho phép ng i dùng thực hi n các nhi m vụ nh : các ngõ vào/ra, các phép tổng, hi n thị, đ ng tín hi u Còn v phần c ng, khi học viên chọn Matlab là phần m m phát tri n sơ đ , thì phần

c ng có th đ ợc chọn đ thực hi n mư t o ra từ trong Matlab nên học viên đư chọn card DSP TMS320F28335 c a hưng Texas Instruments [20] vì nó có kh năng lập

trình nhúng Card DSP TMS320F28335 có hi u su t cao, ít tổn hao công su t, không phụ thu c ho t đ ng c a h th ng và r t t ơng thích v i Matlab và Simulink

áp 3 bậc phía AC c a b ch nh l u Sự nh p nhô đi n áp trên các chuy n m ch công

su t trong b chuy n đổi 3 bậc ch là m t nửa c a đi n áp k t n i DC thay vì toàn b

đi n áp k t n i DC nh trong b chuy n đổi hai bậc thông th ng Tuy nhiên, chi n

l ợc đi u khi n càng tr nên ph c t p và v n đ cân bằng đi n áp giữa các tụ k t n i

DC là khó khăn hơn khi s bậc đi n áp càng nhi u

- B chuy n đổi ch a đi t kẹp PWM đa bậc (NPC) đ ợc thực hi n đi u khi n theo ph ơng pháp trực ti p dựa trên Lyapunov và k t hợp v i thuật toán vectơ không gian Chi n l ợc đi u khi n này làm thay đổi h s hi u ch nh đi n áp đ đi u ch nh

th i gian tác đ ng c a các vectơ m t cách hi u qu nhằm cân bằng đi n th đi m

―zero‖.Sự đi u khi n này có đ ợc k t qu thông qua mô phỏng là đi n áp ngõ ra đáp

ng theo yêu cầu h th ng r t t t, d ng sóng dòng đi n ngu n d ng sin, h s công

su t gần bằng m t và tổng méo d ng sóng hài dòng đi n (THD) bằng 4.7% [4]

- B chuy n đổi đa bậc đ ợc nghiên c u cho các ng dụng đẩy-kéo v i thuật toán thích nghi đ đi u khi n b chuy n đổi Dựa trên sự phân tích các tr ng thái ho t

đ ng c a b ch nh l u và áp dụng các khâu hi u ch nh PI đ t o tín hi u đi u khi n chuy n m ch thông qua kỹ thuật đi u ch sóng mang Qua vi c mô phỏng, thực nghi m v i sự h trợ c a phần m m matlab và Card Dspace DS1104 đư đ a ra k t qu thỏa các tiêu chí yêu cầu là h s công su t x p x bằng m t, dòng đi n ngu n d ng sin

và tổng h s méo d ng (THD) c a dòng đi n từ 5% đ n 5.8% đ ng th i đi n áp ngõ

ra đáp ng theo h th ng [6], [7], [8]

- Các b chuy n đổi đa bậc đ ợc thực hi n nhằm hi u ch nh h s công su t bằng

ph ơng pháp đi u ch đ r ng xung Ph ơng pháp này đ ợc thực hi n theo kỹ thuật

đi u ch dòng đi n yêu cầu và dựa trên các tín hi u đi u khi n d ng s , các tín hi u này có đ ợc là nh vào sự tập hợp các tín hi u từ b cân bằng đi n áp trên các tụ, từ

b đi u khi n dòng đi n (khâu hi u ch nh PI) và vùng ho t đ ng c a đi n áp ngu n Dựa vào c u trúc c a b ch nh l u và sự phân tích các tr ng thái ho t đ ng c a m i

c u trúc đ đi u khi n nhằm t o ra m t đi n áp đa bậc phía AC c a b ch nh l u thích nghi Qua vi c mô phỏng v i sự h trợ c a phần m m matlab [3], [5] và thực nghi m thông qua Card DSP TMS320C240 cho các c u trúc ch nh l u khác nhau [9], [10] K t qu cho th y h s công su t x p x bằng m t, dòng đi n ngõ vào c a b

ch nh l u có d ng sin, tổng méo d ng sóng hài c a dòng đi n ngu n c p cho b ch nh

l u (THD) x p x 5% và đi n áp ngõ ra đáp ng theo yêu cầu h th ng

- V i những ph ơng pháp đi u khi n trên thì trong những năm gần đây, ch nh

l u đa bậc d ng cascade đư đ ợc nghiên c u và sử dụng r ng rãi vì có c u trúc d ng

mođun, c u t o đơn gi n, dễ thực hi n và đặc bi t là v n đ cân bằng đi n áp giữa các tụ đi n dễ dàng hơn so v i các d ng NPC

1.2 M căđíchăc aăđ tài nghiên c u

 Nghiên c u, xây dựng ch ơng trình mô phỏng cho b ngu n AC/DC 1 pha dùng phần m m mô phỏng matlab

 Lập trình đi u khi n cho b ngu n AC/DC 1 pha dựa vào Card DSP TMS320F28335

1.3 Nhi m v và gi i h năđ tài

Đ tài ―Nghiênăc uăb ăngu năAC/DCă1ăphaăd ngăcascadeă5ăb c‖ đ a ra k t

qu mô phỏng Từ đó thi công mô hình b ngu n AC/DC 1 pha, đ ng th i làm cơ s

áp dụng vào thực tiễn

Nhi m vụ và gi i h n đ tài nghiên c u

 Tìm hi u b ngu n AC/DC 1pha sử dụng ph ơng pháp PWM

 Xây dựng mô hình toán học cho b ngu n AC/DC 1pha

 Đi u khi n b ngu n AC/DC 1pha theo kỹ thuật đi u ch dòng đi n yêu cầu

 Đi u khi n b ngu n AC/DC 1pha theo kỹ thuật đi u ch sóng mang

 Tìm hi u phần m m matlab dùng đ mô phỏng b ngu n AC/DC 1pha

 Tìm hi u c u trúc phần c ng, tập l nh c a DSP TMS320F28335 đ lập trình nhúng

 Thi công b ch nh l u 1pha

 Lập trình đi u khi n b ngu n AC/DC 1pha d ng cascade 5 bậc trên cơ s Card DSP TMS320F28335

1.4 Ph ngăphápănghiênăc u

Đ đáp ng đ ợc các mục tiêu đư đ ra, ti n hành nghiên c u và gi i quy t các

v n đ nh sau:

 Thu thập và nghiên c u các tài li u liên quan v các b ngu n AC/DC 1pha có

đi u khi n, các gi i thuật ch nh l u đ ợc công b

 Nghiên c u và phân tích các ph ơng trình toán học c a b ngu n AC/DC 1pha

 Nghiên c u và phân tích gi i thuật đư chọn

 Chọn ph ơng án t t nh t và có kh năng thực hi n đ tài

 Vi t ch ơng trình mô phỏng bằng công cụ phần m m Matlab

 Dựa vào gi i thuật đ ợc chọn đ đi u khi n b ngu n AC/DC 1pha

 Lập trình đi u khi n b ch nh l u trên dựa vào Card DSP TMS320F28335

 Nhận xét k t qu - K t luận

Ch ngă2: C ăS LÝ THUY T

cung c p cho t i m t chi u B chuy n đổi AC/DC đ ợc sử dụng r ng rãi trong nhi u

ng dụng đa d ng nh : làm ngu n cung c p cho các vi đi u khi n, các thi t bị đi n dân dụng, tăng phô đi n tử, n p pin, đi u khi n đ ng cơ m t chi u và các b chuy n đổi công su t …

Các b chnh l u chuy n m ch tự nhiên (không đi u khi n) đơn gi n nh t là dùng các đi t đ chuy n đổi năng l ợng từ AC sang DC hay sử dụng các thyristor cho phép đi u khi n lu ng năng l ợng Đ i v i các b chuy n đổi này thì r t đơn gi n

nh ng khuy t đi m chính c a các b chuy n đổi chuy n m ch tự nhiên này là h s công su t th p, phát ra các sóng hài và công su t ph n kháng [18].Các sóng hài có nh

h ng không t t lên ho t đ ng c a h th ng đi n Vì vậy, cần ph i quan tâm đ n vi c phát đi n và đi u khi n chúng

M t ph ơng pháp cơ b n và phổ bi n đ làm gi m các sóng hài dòng đi n ngu n vào b chuy n đổi (dòng đi n l i) là dùng các k t n i đa xung dựa trên các

bi n áp có nhi u cu n dây, thêm vào đó là dùng các b lọc (lọc ngu n) thụ đ ng hay

b lọc tích cực nhằm làm gi m sóng hài vào l i đi n

Bên c nh đó, dựa trên các khái ni m v khử sóng hài đ ợc gọi là đi u ch nh h

s công su t (PFC) đ làm gi m sóng hài các b bi n đổi này, đi u khi n các chuy n m ch công su t gi ng nh các IGBT, GTO hoặc IGCT đ ợc ch a trong m ch công su t c a m ch chnh l u đ thay đổi tích cực d ng sóng c a dòng đi n ngõ vào, làm gi m đ méo d ng c a sóng dòng đi n ngu n, làm gi m các sóng hài do đó c i thi n đ ợc h s công su t

Tuy nhiên có m t s ng dụng mà đó lu ng năng l ợng có th bị đ o ng ợc trong quá trình ho t đ ng Trong các ng dụng này, b chuy n đổi năng l ợng theo

m t h ng ph i có kh năng nhận năng l ợng h i v ngu n c p và đ ợc bi t nh sự khôi phục ngu n

Đ đi u khi n các chuy n m ch công su t và làm gi m đ méo d ng sóng dòng

đi n ngõ vào, c i thi n h s công su t ta áp dụng ph ơng pháp đi u ch đ r ng xung

V i ph ơng pháp này có đ ợc những u đi m mà các b ch nh l u truy n th ng ch a

đ t đ ợc nh :

 Có sự trao đổi năng l ợng giữa t i và ngu n đi n

 Tăng h s công su t, h s công su t có th đ t đ n bằng m t

 Gi m sóng hài bậc cao đi vào l i đi n đ c i thi n ch t l ợng đi n năng

 D ng sóng dòng đi n ngu n có d ng sin

2.1.2 Phân lo i

B chnh l u có đa d ng mẫu mã, ch ng lo i, các b ch nh l u có th đ ợc phân lo i bằng các c u trúc ho t đ ng v i tần s chuy n m ch th p (chuy n m ch tự nhiên) và các c u trúc ho t đ ng v i tần s chuy n m ch cao nh :

- Theo s c p đi n áp ngõ vào c a b ch nh l u công su t: hai bậc (two level),

đa bậc (multilevel - ba bậc tr lên)

- Theo c u trúc b ch nh l u: d ng cascade (H-bridge multilevel rectifier), d ng

ch nh l u ch a đi t kẹp NPC (neutral point clamped multi Rectifier)

Nh đư trình bày trên ta có th phân lo i tổng quan nh hình sau:

Rectifiers

(AFE)Non Regenerative

- Boost

- Vienna

- Others

- Voltage Source Rectifier

- Current Source Rectifier

Hình 2.1 Phân lo i tổng quan c a b ch nh l u

2.1.3 Các c u trúc c a b chuy năđ i AC/DC 1pha

Trong h th ng chuy n đổi đi n tử công su t thông th ng thì các b ch nh l u dùng đi t và thyristor là đ ợc sử dụng thông dụng (hình 2.2)

Các b chnh l u này là phi tuy n nên nó t o t o các sóng hài trong dòng đi n

l i AC L ợng hài cao trong dòng đi n l i sẽ gây ra h s công su t th p và đi u này dẫn đ n nhi u v n đ trong h th ng phân b công su t

Do đó đ c i thi n v n đ sóng hài thì các nhà khoa học đ a m t s c u trúc

m ch công su t sau đây:

-Hình 2.3 C u trúc H-bridge sử dụng IGBT (Còn đ ợc gọi là d ng full-bridge hay d ng cầu H sử dụng IGBT)

C u trúc hình 2.3 thay th cho c u trúc sử dụng đi t, trong quá trình ho t đ ng tuy có c i thi n đ ợc h s công su t và v n đ sóng hài nh ng đi n áp trên m i IGBT cao và giá trị cu n kháng L còn l n Chính vì th mà các c u trúc đa bậc sau đây đư ra

đ i thay th các c u trúc trên hình 2.3 nhằm c i thi n các v n đ sóng hài, gi m đi n

áp trên m i IGBT và gi m giá trị cu n kháng

2.1.4 Cácăph ngăphápăđi u khi n

Ph m vi ng dụng c a các chuy n đổi công su t vẫn m r ng nh có sự c i ti n công ngh ch t bán dẫn, công ngh ch t bán dẫn này đ a ra hi u su t đi n áp và dòng

đi n cao hơn cũng nh các đặc tính chuy n m ch t t hơn

Mặt khác, những u đi m chính c a các b chuy n đổi đi n tử công su t d ng mođun nh : hi u qu cao, trọng l ợng nhẹ, kích th c nhỏ gọn, ho t đ ng nhanh, mật

đ công su t cao đang dần đ t đ ợc, thông qua vi c sử dụng các ch đ ho t đ ng chuy n m ch Các thi t bị bán dẫn công su t đ ợc đi u khi n ch đ đóng/ngắt

(ON/OFF) Đi u này dẫn đ n các ki u đi u ch đ r ng xung khác nhau và các ki u

đi u ch đ r ng xung là m t kỹ thuật xử lý năng l ợng cơ b n đ ợc ng dụng trong

h th ng chuy n đổi công su t Trong các b chuy n đổi hi n đ i, PWM là m t định vị

xử lý t c đ cao, phụ thu c vào công su t định m c, từ m t vài kilohertz (đi u khi n

đ ng cơ) đ n hàng megahertz (các b chuy n đổi c ng h ng cho ngu n công su t)

PWM là ph ơng pháp đi u ch nh đi n áp ra t i hay nói cách khác là ph ơng pháp đi u ch dựa trên sự thay đổi đ r ng c a chu i xung vuông dẫn đ n sự thay đổi

đi n áp ra

Các khóa IGBT công su t trong các b chnh l u đ ợc tác đ ng đóng/ngắt thì

cần có những xung kích c p cho chân kích c a m i khóa IGBT, v i m i khóa IGBT khác nhau thì b xung kích khác nhau, đ r ng c a m i xung trong chu i xung kích thay đổi theo m t qui luật và phụ thu c vào kỹ thuật đi u ch đ ợc chọn

V 15V

0

20%

duty cycle

50%

duty cycle

90%

duty cycle

Hình 2.7 Đ thị đi u ch xung kích

2.1.4.1 K ỹ thu tăđi u ch theoădòngăđi n yêu c u hay còn g i là dòngă đi n đặt (Hysteresis current control)

Nguyên lý đi u khi n: Theo hình 2.8 ta đư xác định đ ợc dòng đi n yêu cầu

a

*

i , dòng đi n yêu cầu i *a đ ợc so sánh v i tín hi u dòng đi n h i ti p ia, khi dòng

đi n h i ti p ia nhỏ hơn dòng đi n yêu cầu i *a thì b đi u khi n xu t xung kích đ các IGBT công su t đóng vào ngu n d ơng nhằm làm tăng dòng đi n h i ti p ia, khi dòng

đi n h i ti p ia v ợt quá giá trị yêu cầu thì b đi u khi n xu t xung kích đ các IGBT công su t đóng vào ngu n âm làm gi m dòng đi n h i ti p iaxu ng Nh vậy ngõ ra

sẽ đ ợc giữ dao đ ng quanh giá trị yêu cầu i *a v i sai s định tr c

Hình 2.8 Sơ đ kh i c a kỹ thuật đi u ch theo dòng đi n yêu cầu

Gi i h n trên

Gi i h n d i

Hình 2.9 Nguyên lý xu t xung kích c a kỹ thuật đi u ch theo dòng đi n yêu cầu

u đi m c a m ch đi u ch dòng đi n dùng m ch trễ là đáp ng quá đ nhanh,

thực hi n dễ dàng và chi phí th p

Nh ng có m t s nh ợc đi m là:

- Đ nh p nhô dòng đi n tr ng thái xác lập l n

- Tần s chuy n m ch không c định

- Đi n áp ra có ch a các hài v i tần s không ph i là b i c a tần s cơ b n

2.1.4.2 K ỹ thu tăđi u ch Delta-Sigma

Nguyên lý đi u khi n: Kỹ thuật đi u khi n này trong khá gi ng v i kỹ thuật

đi u ch theo dòng đi n yêu cầu nh ng quy luật ho t đ ng c a nó thì khác Tín hi u

sai s đ ợc dò ra b i các b so sánh, các ngõ ra c a b so sánh có đ ợc các mẫu tỷ

l c định đ tr ng thái c a b ch nh l u giữ ổn định trong m i kho ng th i gian l y mẫu Vì vậy, trong su t kho ng th i gian không có có xung l y mẫu thì không có PWM nào đ ợc thực hi n, ch có các vectơ cơ b n có th đ ợc t o ra b i b chuy n đổi trong m t th i gian c định

i*a - iaXung kích

Hình 2.11 Nguyên lý xu t xung kích c a kỹ thuật đi u ch Delta-sigma

Từ hình 2.11 ta th y:

T i xung nhịp (n-1), ia > i*a nên ngõ ra c a b đi u ch m c th p

T i xung nhịp n, ia = i*a nên ngõ ra c a b đi u ch vẫn giữ m c th p trong

su t chu kỳ xung nhịp

T i xung nhịp (n-1), ia < i*a nên ngõ ra c a b đi u ch chuy n tr ng thái sang m c cao trong su t chu kỳ l y mẫu xung nhịp

Ho t đ ng theo kỹ thuật đi u ch này đem l i m t sự r i r c đi n áp ngõ ra

c a b chnh l u, khác v i sự thay đổi liên tục c a đi n áp ngõ ra v n là nét đặc tr ng

cụ th c a PWM

2.1.4.3 K ỹ thu tăđi u ch sóng mang (CPWM)

- Nguyên lý đi u khi n: Đ đi u khi n hai IGBT trên m t nhánh ta thực hi n theo qui tắc kích đ i nghịch: T1 + T2 = 1

_ +

T2

T1ucar

IGBT1

IGBT2

Xung kíchudk

Hình 2.12 Sơ đ c a kỹ thuật đi u ch CPWM

Hình 2.13 Nguyên lý xu t xung kích c a kỹ thuật đi u ch CPWM

- Khi đi n áp đi u khi n (uđk) là hàm sin thì đ ợc gọi là kỹ thuật đi u ch Sine Pulse Width Modulation (SPWM)

Hình 2.14 Nguyên lý xu t xung kích c a kỹ thuật đi u ch SPWM

Đ thực hi n t o gi n đ kích đóng/ngắt các linh ki n trong cùng m t nhánh, ta

sử dụng sóng mang (d ng tam giác) và tín hi u đi u khi n (d ng sin) Đ i v i b ch nh

l u n bậc thì s sóng mang đ ợc sử dụng là (n-1) sóng mang Chúng có cùng tần s fc

và biên đ đ nh – đ nh Ac Sóng đi u ch (hay sóng đi u khi n) có biên đ đ nh – đ nh

Am và tần s fm, d ng sóng c a nó thay đổi xung quanh trục tâm c a h th ng (n-1) sóng mang N u sóng đi u khi n l n hơn sóng mang nào đó thì linh ki n t ơng ng

đ ợc đi u khi n sẽ đ ợc kích dẫn Tr ng hợp sóng đi u khi n nhỏ hơn sóng mang nào đó thì linh ki n đó sẽ bị kích ngắt

Các sóng mang d ng tam giác th ng có tần s fc < 10kHz cho các b chnh l u

đa bậc và có th là m t sóng mang chuẩn hay nhi u sóng mang và đ ợc chia thành ba

b Hai sóng mang k ti p nhau s d ch 180 o ậ g i là sóng APOD (Alternative Phase

c B tríăđ i x ng qua tr c Zero ậ g i là sóng POD (Phase Opposition Disposition):

T t c các sóng mang trên trục 0 sẽ cùng pha nhau và các sóng mang nằm d i trục 0

sử dụng ph ơng pháp m t sóng mang chuẩn đư tích sẵn trong DSP TMS320F28335

2.2 B ch nhăl uăd ng c u H (full-bridge)

A

Hình 2.18 Cầu ch nh l u toàn phần hay cầu H

M ch công su t c a b ch nh l u ho t đ ng ch đ đi u khi n hoàn toàn d i

d ng k t n i cầu H, nó dùng 4 chuy n m ch công su t đi u khi n đ ợc v i 4 đi t mắc

đ i song đ t o ra m t đi n áp m t chi u V o có th đi u ch nh đ ợc Ho t đ ng thích hợp c a b ch nh l u này là đi n áp ngõ ra ph i l n hơn đi n áp ngõ vào t i b t kỳ th i

đi m nào (V o  V s) B ch nh l u này có th ho t đ ng ch đ 2 bậc hoặc 3 bậc nh

bi u hi n trong hình 2.19

AA

(c) tr ng thái c a T1 và T3 hoặc T2 và T4―ON‖

tr ng thái ―ON‖ thì v AFE = 0 (hình 2.19c)

Từ nguyên lý làm vi c và phân tích tr ng thái ta có b ng tr ng thái nh sau:

B ng 2.1 B ng giá trị tr ng thái chuy n m ch c a b ch nh l u d ng cầu H

s

dt

diL

Trong đó: vL là đi n áp t c th i trên cu n dây L (V)

vslà đi n áp t c th i c a ngu n đi n cung c p (V)

N u giá trị c a đi n áp ngõ ra (Vo) nhỏ hơn giá trị đ nh c a đi n áp ngu n (Vs)

nh tr ng hợp: trong su t th i gian kh i đ ng dòng đi n ngu n is không th ki m soát đ ợc và tụ đi n C sẽ đ ợc n p thông qua các đi t v i giá trị đ nh c a đi n áp ngu n (Vsp), nh vậy b ch nh l u này tr thành b ch nh l u không đi u khi n d ng cầu H dùng đi t Sau đó b chuy n đổi bắt đầu làm vi c ch đ đi u khi n làm giá trị

đi n áp ngõ ra V o tăng đ n giá trị tham chi u

sinδ X

V V P

L

AFE s

Trong đó:

Vs : Giá trị hi u dụng c a đi n áp ngu n đầu vào (V)

VAFE : Giá trị hi u dụng c a sóng hài đầu tiên đ ợc tiêu thụ b i đầu vào c a b

ch nh l u (V)

 là đ dịch chuy n pha giữa hai đ i l ợng ph c Vs và VAFE

XL là c m kháng cu n dây ngõ vào t i tần s 50Hz ()

Cos là h s công su t

Đ t o ra đi n áp đã đ ợc ch nh l u là không đổi, công su t đầu vào và đầu ra

ph i bằng nhau Từ sơ đ pha trong hình 2.20a cho th y:

L AFE s

X

sinδ V

cos

L

AFE s

s

X

cosδ V

V sin

V i công su t ph n kháng bằng không, h s công su t bằng 1 Thì ph ơng trình (2.4) và (2.5) có th đ ợc vi t l i:

sinδ V X

cosδ V

Từ các sơ đ pha c a b ch nh l u ta th y b ch nh l u làm vi c c hai tr ng hợp: tr ng hợp th nh t nh m t b ch nh l u và tr ng hợp th hai nh m t bi n tần, và đ ợc th hi n cụ th trong các hình 2.20b và 2.20c Mục đích là đ đi u khi n

b ch nh l u trong m t ph ơng pháp mà nó tiêu thụ dòng sóng hài từ m ng l i ngu n, các sóng hài mà cùng pha v i đi n áp ngu n Đi u này có th đ t đ ợc b i vi c

đi u khi n b ch nh l u bằng ph ơng pháp đi u ch đ r ng xung

2.2.3 Chi năl căđi u khi n ch đ hai b c

Chi n l ợc đi u khi n c a b ch nh l u đ ợc thực hi n ph ơng pháp kỹ thuật

đi u ch theo dòng đi n yêu cầu nh hình 2.21

H

Hình 2.21 Sơ đ đi u khi n c a b ch nh l u d ng cầu H ch đ 2 bậc

Giá trị đ nh c a dòng đi n yêu cầu (I*) có đ ợc bằng cách so sánh giá trị c a

đi n áp yêu cầu (V*) v i giá trị c a đi n áp trên tụ lọc C (Vdc) đ có m t giá trị sai s

đ a qua kh i hi u ch nh PI Đ có đ ợc h s công su t bằng m t ta đi u khi n dòng

đi n ngu n is bám theo dòng đi n yêu cầu i* nên dòng đi n yêu cầu i* ph i cùng pha

v i đi n áp ngu n vs Đ có đ ợc sự cùng pha này ta ph i thực hi n tách góc pha c a ngu n vs bằng vòng khóa pha PLL r i k t hợp v i giá trị đ nh c a dòng đi n yêu cầu (I*) cho ra dòng đi n yêu cầu i* Sau cùng đem dòng đi n yêu cầu i* so sánh v i dòng

đi n ngu n isđ đi u khi n kh i công su t sao cho dòng đi n ngu n is bám theo dòng

đi n yêu cầu i* Ho t đ ng c a b ch nh l u làm cho đi n áp phía AC (vab) có d ng 2 bậc

2.2.4 Chi năl căđi u khi n ch đ ba b c

C u trúc ho t c a b chnh l u ch đ 3 bậc t ơng tự nh ch đ 2 bậc,

nh ng ch khác là ho t đ ng m ch đi u khi n làm cho đi n áp phía AC (vab) có d ng

3 bậc thay vì 2 bậc Chi n l ợc đi u khi n c a b ch nh l u đ ợc thực hi n theo

ph ơng pháp sóng mang nh th hi n trên hình 2.22

P W M

v dk

PI

v c

Hình 2.22 M ch đi u khi n c a b ch nh l u d ng cầu H ch đ 3 bậc

Giá trị đ nh c a dòng đi n yêu cầu I* có đ ợc bằng cách so sánh giá trị c a đi n

áp đ ợc yêu cầu V* v i giá trị c a đi n áp Vdc trên tụ lọc C r i thông qua kh i hi u

chnh PI Đ có đ ợc dòng đi n yêu cầu i* cùng pha v i đi n áp ngu n vs thì ta thực

hi n tách góc pha c a ngu n vs thông qua vòng khóa pha PLL r i k t hợp v i giá trị

đ nh c a dòng đi n yêu cầu I* So sánh giá trị c a dòng đi n yêu cầu i* v i giá trị c a dòng đi n ngu n is và thông qua khâu hi u ch nh PI2 đ có giá trị đi n áp đi u khi n

vdk Khâu PWM nhận tín hi u vdk và tín hi u sóng mang vcđ hi u ch nh và đ a ra các xung đi u khi n kh i công su t

2.3 B ch nhăl uăd ng cascade 5 b c

2.3.1 Phân tích tr ng thái làm vi c c a c u trúc

C u trúc c a b chnh l u 5 bậc dựa trên 2 phần tử full-bridge đ ợc ghép n i

d i d ng cascade nh bi u diễn hình 2.23

10

10

Hình 2.24 Đơn gi n hóa c u trúc c a b ch nh l u d ng Cascade 5 bậc

Có 4 chuy n m ch công su t v i các đi t mắt đ i song và m t tụ đi n trong m i

phần tử full-bridge Đ tránh các chuy n m ch công su t trong m i nhánh ho t đ ng (m hoặc đóng) cùng m t th i đi m, qui tắc chuy n m ch công su t đ ợc đ a ra nh sau:

N u T1 = 1, thì T11 = 1 và T21 = 0 hoặc

B ng 2.2 B ng giá trị tr ng thái chuy n m ch c a b ch nh l u 5 bậc

đi n áp trên tụ, đ cân bằng đi n áp trên hai 2 tụ DC Trong đó m t vài tr ng thái có cùng đặc tính bù chẳng h n nh (T1,T2,T3,T4) = (1,0,0,0) và (1,0,1,1), c hai tr ng thái này đ ợc sử dụng đ n p cho tụ C1 và t o ra đi n áp vab = v0 Qua đó, ch có 7 tr ng thái chuy n m ch đ ợc đi u khi n đ ho t đ ng c a b ch nh l u đ t đ ợc h s công

su t cao, méo d ng dòng đi n th p, đi n áp trên hai tụ đ ợc cân bằng Phụ thu c vào các tr ng thái chuy n m ch c a chuy n m ch công su t, có 3 m c đi n áp (-v0, 0, v0) phía AC (vab) c a m i phần tử full-bridge và 5 m c đi n áp (2v0, v0, 0, -v0, -2v0) cho

b chnh l u d ng cascade 5 bậc nh hình 2.25

Vùng 2 Vùng 1

2vo

vab

vs

Hình 2.25 Mẫu đi n áp 5 bậc ngõ vào phần công su t

V i vablà đi n áp ngõ vào cầu công su t và volà đi n áp ngõ ra c a b ch nh l u

2.3.2 Nguyên lý làm vi c

Đ gi m đi n áp trên các van công su t và đ nh p nhô đi n áp trên các chuy n

m ch công su t trong các ng dụng công su t l n và công su t trung bình, các b chuy n đổi đa bậc đ ợc sử dụng thay th các b chuy n đổi 2 bậc truy n th ng B

chnh l u đ ợc sử dụng đ t o ra m t sóng PWM bậc thang nh nhau phía AC c a

b chnh l u, d ng sóng gần v i d ng sóng sin, sóng hài dòng đi n nhỏ và đ nh p nhô dv/dt th p Có 5 m c đi n áp phía đi n áp vab dẫn đ n có 5 ch đ ho t đ ng d i sự phân tích các tr ng thái họat đ ng tr c đó v i nhi u gi định đ ợc thực hi n nh : a/ Các chuy n m ch tr ng thái Tjilà lí t ng

b/ Hai tụ đi n vC1 và vC2 có cùng giá trị

c/ Đi n áp ngu n là hằng s trong su t m t kho ng th i gian chuy n m ch PWM d/ Đi n áp ngõ ra c a 2 phần tử full-bridge đ ợc gi định bằng nhau

e/ Hai chuy n m ch công su t trong m i nhánh là bù lẫn nhau

f/ Đ gi m tổn th t công su t trên các linh ki n công su t ta chọn tr ng thái chuy n m ch c a các linh ki n là ít nh t

Theo sự phân tích các tr ng thái c a c u trúc m ch trên, ta có 5 ch đ ho t

b

R1

VC1

10

T3 T4

C2 R2

VC2

10(a)L

b

R1

VC1

10

b

R1

VC1

10

T3 T4

C2 R2

VC2

10(e)

b

R1

VC1

10

Hình 2.26 Các ch đ ho t đ ng c a b ch nh l u d ng Cascade 5 bậc

(a) Ch đ 1; (b) Ch đ 2; (c) Ch đ 3; (d) Ch đ 3; (e) Ch đ 4

 Ch đ 1 (vab = vC1+vC2 = 2v0): Tr ng thái chuy n m ch (T1,T2,T3,T4) đ ợc đi u khi n là (1,0,1,0), dòng đi n ngu n is gi m m t cách tuy n tính v i đ d c (vs-vC1-

vC2)/L, từ đó vs < (vC1 + vC2) Tụ đi n C1 và C2 đ ợc n p b i dòng đi n ngu n is

 Ch đ 2 (vab = vC1 hoặc vC2 = v0): Có 4 tr ng thái chuy n m ch có th t o ra

m c đi n áp vab = v0 Hai tr ng thái (T1,T2,T3,T4) = (1,0,0,0) và (1,0,1,1) có cùng ho t

đ ng là n p cho tụ C1, hai tr ng thái còn l i (T1,T2,T3,T4) = (0,0,1,0) và (1,1,1,0) cùng

n p cho tụ C2 Đ đi u khi n đơn gi n, ch có hai tr ng thái t ơng đ ơng đ ợc thực

hi n trong ch đ này, (T1,T2,T3,T4) = (1,0,0,0) hoặc (0,0,1,0) Dòng đi n ngu n is là

d ơng thì n p đi n cho tụ C1 n u tr ng thái (1,0,0,0) hoặc n p cho tụ C2 n u tr ng thái (0,0,1,0) N u dòng đi n ngu n is là âm thì dòng đi n ngu n is không n p cho tụ

C1 hoặc C2 Có hai tr ng thái t ơng tự có th đ ợc thực hi n bù hai đi n áp tụ đi n theo yêu cầu cân bằng đi n áp Theo biên đ c a đi n áp ngu n vs và đi n áp tụ đi n

vC1 và vC2, dòng đi n ngu n is có th đ ợc đi u khi n tăng hoặc gi m bằng cách chọn

tr ng thái chuy n m ch thích hợp

 Ch đ 3 (vab = vC1 - vC2 hoặc vC1 - vC2 = 0): Có 6 tr ng thái chuy n m ch đ đ t

đ ợc đi n áp vab = 0 nh ng ch có tr ng thái (T1,T2,T3,T4) = (0,0,0,0) đ ợc thực hi n Dòng đi n ngu n is tăng (hay gi m) theo đ d c vs/L n u đi n áp ngu n vs là d ơng (hoặc âm) Trong ch đ này ta cũng có th đ bù đi n áp tụ đi n vC1 và vC2 nh :

tr ng thái (1,0,0,1) dòng đi n ngu n is d ơng thì n p cho tụ C1 và không n p cho tụ C2

và đi n áp tụ C2 đ ợc bù n u tr ng thái (0,1,1,0) nh ng do có s chuy n m ch nhi u

dẫn đ n tổn th t công su t l n nên không đ ợc chọn

 Ch đ 4 (vab = -vC1 hoặc - vC2 = -v0): Có 4 tr ng thái chuy n m ch đ t o ra vab

= -v0 Nh ng 2 tr ng thái (T1,T2,T3,T4) = (0,1,1,1) và (0,1,0,0) cùng m t ho t đ ng không n p cho tụ C1 T ơng tự, 2 tr ng thái (1,1,0,1) và (0,0,0,1) thì không n p cho tụ

C2 Đ đi u khi n đơn gi n ch có hai tr ng thái (0,1,0,0) và (0,0,0,1) đ ợc thực hi n

đ bù đi n áp tụ đi n C1 và C2 trong ch đ này N u tr ng thái (0,1,0,0) thì dòng

đi n ngu n isd ơng (hoặc âm) không n p (hoặc n p) cho tụ C1, tụ đi n C2không đ ợc

n p (hoặc đ ợc n p) bằng dòng đi n ngu n is d ơng (hoặc âm) tr ng thái (0,0,0,1)

Đi n áp tụ đi n vC1 và vC2 có th đ ợc bù trong ch đ này bằng cách chọn hai tr ng thái thích hợp này

 Ch đ 5 (vab = - vC1 - vC2 = - 2v0): Tr ng thái chuy n m ch (0,1,0,1) đ ợc chọn

đ đ t đ ợc đi n áp vab = -2v0 Trong ch đ này không có bù đi n áp trên 2 tụ đi n vì dòng đi n ngu n is là âm sẽ n p cho c hai tụ đi n C1 và C2 Dòng đi n ngu n is sẽ tăng tuy n tính trong tr ng hợp này

Qua 5 ch đ ho t đ ng trên, ch đ 1 và 5 không có tr ng thái bù đi n áp giữa 2 tụ đi n vC1 và vC2, ch đ 2, 3 và 4 có các tr ng thái d thừa đ thực hi n bù

đi n áp giữa 2 tụ đi n nhằm cân bằng đi n áp trên 2 tụ

2.3.3 Mô hình toán c a b ch nhăl u

Từ các hàm chuy n m ch trên ta có ph ơng trình chuy n m ch tr ng thái nh sau:

4 3 2

2 1 1

TTP

TT

s

dt

di L

1

C1 s

C1 1

R

v i dt

dv

2

C2 s

C2 2

R

v i dt

C2 s s

0b C1

a0 C1

s s s

v v và 0 v nêu

; v Ri dt

di L

0 v và v v nêu

; v Ri dt

di L

1 C1

0b C1

a0 1

C1 s C1 1

v v và 0 v nêu

; R v

0 v và v v nêu

; R

v i dt

2

C2 s

0b C1

a0 2

C2 C2

2

v v và 0 v nêu

; R

v i

0 v và v v nêu

; R v dt

dv

C1 C1

1

R

v dt

dv

2

C2 C2

2

R

v dt

a0 C2

s s

0b C1

a0 C1

s s s

v v

và 0 v nêu

; v Ri dt

di L

0 v và v v

nêu

; v Ri dt

di L

a0 1

C1

0b C1

a0 1

C1 s C1

1

v v

và 0 v nêu

; R v

0 v và v v

nêu

; R

v i dt

a0 2

C2 s

0b C1

a0 2

C2 C2

2

v v

và 0 v nêu

; R

v i

0 v và v v

nêu

; R v dt

dv

Ch đ 5:

C2 C1 s

s

dt

di L

1

C1 s

C1 1

R

v i dt

dv

2

C2 s

C2 2

R

v i dt

dv

Theo 5 ch đ ho t đ ng trên thì đ gi m tổn th t công su t trên các phần tử công su t, ta chọn ch đ 1, 3 và 5 không có tr ng thái so sánh đi n áp giữa hai tụ (v C1 ,v C2) Ch đ 2 và 3 đ ợc chọn đ cân bằng đi n áp trên 2 tụ b i các tr ng thái d

C u trúc b chnh l u đa bậc trên có th đ ợc mô hình hóa trong các đi u ki n

c a các ph ơng trình cơ b n phía AC và DC Theo các tr ng thái chuy n m ch c a các chuy n m ch công su t trong m i phần tử cầu H, các ph ơng trình tham chi u c a

b chnh l u có th đ ợc trình bày nh :

v L

Ri L

v dt

1 1

C1 1

s 1 C1

C R

v C

i P dt

2 2

C2 2

s 2 C2

C R

v C

i P dt

Ph ơng trình đ ng c a b ch nh l u có th đ ợc trình bày nh sau

G(x).P f(x)

v - Ri L -v f(x) =

R C -v

s C2

I là giá trị đ nh c a dòng đi n ngõ vào (A)

Giá trị trung bình c a m t hàm tuần hoàn v i chu kỳ T nh sau:

t t-T

1f(t) = f(τ)dτ

T

Hơn nữa, c hai đáp án c a *

s,p

I là d ơng và c hai có th ch p nhận trong toán

học Tổng quan v kỹ thuật, ngõ ra c a hai đáp án có th đ ợc ch p nhận vì nó đòi hỏi

m c tiêu thụ năng l ợng t i thi u (v i d u ‗ - ‗) và đư đ ợc ch p nhận nh giá trị đ nh mong mu n c a dòng đi n ngõ vào Cho nên giá trị đ nh tham chi u c a dòng đi n ngõ vào đ ợc cho bỡi:

2.5 Thi t k b đi u khi n cho b ch nhăl u

2.5.1 Ph ngăphápă1:ăChi năl căđi u khi n theo kỹ thu tăđi u ch dòngăđi n yêu c u

Sơ đ kh i c a chi n l ợc đi u khi n b ch nh l u đ ợc th hi n nh hình 2.27

Kh i tín hi u đi n ngu n đ ợc sử dụng đ xác định bán kỳ d ơng hay âm c a đi n áp

ngu n vs M t b đi u khi n dòng đi n đ ợc thực hi n dò dòng đi n ngu n is bám theo dòng đi n yêu cầu i* Kh i vòng khóa pha PLL có nhi m vụ khóa góc pha c a đi n áp ngu n vs, k t hợp góc pha này v i giá trị I* đ có đ ợc dòng đi n yêu cầu i* cùng pha

v i đi n áp ngu n vs B so sánh đi n áp tụ đ ợc sử dụng đ làm gi m đ sai l ch đi n

áp giữa 2 tụ phía DC B dò tìm vùng làm vi c đ ợc thực hi n đ t o ra m t mẫu

đi n áp đa m c phía AC c a b ch nh l u B đi u khi n đi n áp đ ợc sử dụng là khâu hi u chnh PI đ hi u ch nh đi n áp phía DC theo đi n áp tham chi u mong

mu n Chi n l ợc đi u khi n làm sóng hài dòng đi n c a ngu n đi n đ ợc gi m đi theo tiêu chuẩn c a y ban kỹ thuật đi n qu c t (IEC) 1000-3-2 H s công su t đầu vào x p x bằng m t và v n đ cân bằng đi n áp giữa hai tụ đ ợc c i thi n

B so sánh

đi n áp tụ

Tín hi u đi n ngu n

vC2

|vs|

Các hàm chuy n

m ch

Kích lái các IGBT

áp vab nhằm gi m đ nh p nhô dv/dt, gi m đi n áp trên các chuy n m ch công su t Đ

gi m sóng hài dòng đi n theo chuẩn IEC 1000-3-2, dòng đi n ngu n is đ ợc đi u khi n theo dòng đi n yêu cầu i* đ cùng pha v i đi n áp ngu n vs M t đi u ki n cần thi t cho chi n l ợc đi u khi n nói trên đ t o ra m t mẫu đi n áp PWM phía AC

c a b ch nh l u là đi n áp trên 2 tụ (vC1, vC2) ph i l n hơn m t nữa giá trị đi n áp

đ nh c a ngu n và nhỏ hơn giá trị đi n áp đ nh c a ngu n (vsp/2 < vo < vsp v i gi định

vC1 = vC2 = vo) Các tính ch t c a m i ch đ ho t đ ng c a b ch nh l u đ ợc trình bày hình 2.26 Tr ng thái chuy n m ch thích hợp có th đ ợc chọn đ t o ra m c

đi n áp vab t ơng ng n u đi n áp t c th i c a ngu n, các đi n áp trên tụ (vC1, vC2) và

sự sai l ch mong mu n c a dòng đi n ngu n is đư đ ợc cho Bằng cách đi u khi n

m c đi n áp c a vab, dòng đi n ngu n is sẽ bám theo đ i l ợng đi u khi n dòng đi n

ngu n is v i đ d c dòng đi n (vs – vab)/L n u đi n áp rơi trên R là không đáng k Sự

lựa chọn ch đ ho t đ ng thích hợp dựa trên sự phân tích m i tr ng thái chuy n m ch

và đ ợc ghi nhận trong b ng tr ng thái chuy n m ch trên (b ng 2.2) Hai vùng ho t

đ ng c a đi n áp ngu n vs (0 < |vs| < vo và vo < |vs| < 2vo) theo phần d ơng và âm đ ợc xem xét đ t o m t mẫu đi n áp 3 bậc d ng sóng đi n áp vab nh trong hình 2.25

M c đi n áp 0 và vo (hoặc –vo) đ ợc t o ra phía AC c a b ch nh l u trong vùng 1 khi đi n áp ngu n vs là d ơng (hoặc âm), đi n áp m c vo và 2vo (hoặc -2vo) đ ợc t o

ra trong vùng 2 n u đi n áp ngu n vs là d ơng (hoặc âm) Trong vùng 1, đi n áp trên

m i tụ l n hơn giá trị tuy t đ i c a đi n áp ngu n vs Ho t đ ng c a ch đ 2 và 3

đ ợc sử dụng khi đi n áp ngu n vslà d ơng đ t o m c đi n áp vovà 0 t ơng ng, ch

đ 3 và 4 đ ợc thực hi n đ t o m c đi n áp 0 và m c đi n áp –vo t ơng ng khi đi n

áp ngu n vslà âm Đ đ m b o rằng dòng đi n ngu n isbám theo dòng đi n yêu cầu i*

nh mong mu n, m c đi n áp vo (ch đ 2) đ làm gi m dòng đi n ngu n is và m c

đi n áp 0 (ch đ 3) đ ợc thực hi n đ làm tăng dòng đi n ngu n iskhi đi n áp ngu n

vslà d ơng và đi n áp ngu n vs nhỏ hơn vo trong vùng 1 ch đ 2, dòng đi n ngu n

is n p cho tụ C1 (hoặc C2) n u hàm chuy n m ch (T1,T2,T3,T4) = (1,0,0,0) (hoặc (0,0,1,0)) Có 2 tr ng thái chuy n m ch trong ch đ 2 đ ợc thực hi n đ cân bằng

đi n áp tụ vC1 và vC2 ngõ ra Khi đi n áp ngu n vs âm, m c đi n áp 0 (ch đ 3) đ làm gi m dòng đi n ngu n is và m c đi n áp -vo (ch đ 4) đ ợc thực hi n đ làm tăng dòng đi n ngu n is Trong ch đ 4 này, dòng đi n ngu n is n p cho tụ C1 (ho c C2)

n u hàm chuy n m ch (T1,T2,T3,T4) = (0,1,0,0) (hoặc (0,0,0,1)) và có 2 tr ng thái chuy n m ch ch đ 4 này đ thực hi n cân bằng đi n áp tụ vC1 và vC2 ngõ ra Trong vùng ho t đ ng th 2 (vo < |vs| < 2vo), đi n áp vab đ ợc chuy n qua l i giữa vo

và 2vo trong nữa chu kỳ d ơng c a đi n áp ngu n vs b i vi c chọn ch đ ho t đ ng 1

và ch đ ho t đ ng 2 t ơng ng Ch đ ho t đ ng th 2 đ ợc thực hi n đ t o ra

đi n áp vab = vo, làm tăng dòng đi n ngu n is và n p cho tụ C1 (hoặc C2) n u (T1,T2,T3,T4) = (1,0,0,0) (hoặc (0,0,1,0)) Ch đ ho t đ ng 1 đ ợc thực hi n đ đ t

đ ợc vab = 2vo, gi m dòng đi n ngu n is và n p cho c 2 tụ C1 và C2 trong vùng ho t

đ ng này Trong nữa chu kỳ âm c a đi n áp ngu n vs, đi n áp vab đ ợc chuy n đổi qua

l i giữa –vo và -2vo bằng cách chọn ch đ 4 và ch đ 5 t ơng ng Ho t đ ng ch

đ 5 đ ợc sử dụng đ tăng dòng đi n ngu n is và n p cho c 2 tụ C1 và C2 Ch đ 4

đ ợc thực hi n đ gi m dòng đi n ngu n is và n p cho tụ C1 hoặc C2 dựa vào hàm