Tổng quan chung về lĩnh vực nghiên cứu, các kết quả trong và ngoài nước 1
1.1.1 Tổng quan chung về lĩnh vực nghiên cứu
Vào đầu thế kỷ XIX, năng lượng điện đã được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực kỹ thuật Đến những năm 70-80 của thế kỷ XX, kỹ thuật điện tử chủ yếu chỉ được sử dụng trong các mạch điều khiển, đo lường và bảo vệ trong hệ thống điện công nghiệp Tuy nhiên, đến thập niên 90, kỹ thuật điện tử đã được áp dụng rộng rãi và thành công trong việc thay thế các khí cụ điện từ, giúp đóng ngắt nguồn cung cấp cho các phụ tải và tạo ra các bộ nguồn công suất lớn trong ngành công nghiệp.
Ngày nay, sự phát triển nhanh chóng của ngành công nghiệp đặt ra yêu cầu cao về hệ thống truyền động ổn định điện áp và điều chỉnh điện áp Điều này rất quan trọng trong các dây chuyền công nghiệp và quá trình điều khiển chính xác cho các chuyển động phức tạp Một thiết bị thiết yếu trong hệ thống điều khiển là bộ nguồn AC/DC, hay còn gọi là bộ chuyển đổi AC/DC hoặc bộ chỉnh lưu, đóng vai trò quan trọng trong việc cung cấp nguồn điện ổn định.
Trong các ứng dụng truyền thống như điều khiển động cơ điện và bộ nguồn công suất, bộ biến đổi công suất ngày càng được mở rộng ứng dụng trong tự động hóa công nghiệp, lưu trữ năng lượng và truyền tải điện Vấn đề hiệu chỉnh hệ số công suất và méo dạng sóng hài đã được giải quyết bằng nhiều giải pháp như bộ bù và bộ lọc thụ động Nghiên cứu trước đây chỉ ra rằng các bộ biến đổi thường gặp phải nhược điểm như hệ số công suất thấp và sóng hài bậc cao Để khắc phục những nhược điểm này, bộ biến đổi AC/DC PWM đã được phát triển, sử dụng các thiết bị như IGBT, GTO và IGCT trong mạch công suất để cải thiện chất lượng điện năng, giảm độ méo và nâng cao hệ số công suất.
Trong những năm gần đây, chỉnh lưu đa bậc đã trở thành một giải pháp phổ biến, thay thế chỉnh lưu hai bậc truyền thống trong nhiều ứng dụng Cấu trúc đa bậc giúp giảm điện áp trên mỗi bán dẫn công suất, cải thiện dạng sóng điện áp DC, và giảm kích thước bộ lọc Kiểu đa bậc cascade được ưa chuộng nhờ vào cấu tạo đơn giản, ít linh kiện và dễ dàng trong việc cân bằng áp tụ điện Tuy nhiên, việc tăng quá nhiều bậc có thể dẫn đến sự cồng kềnh của bộ chỉnh lưu và làm phức tạp quá trình điều khiển.
Các nhà khoa học đang tìm kiếm các phương án chỉnh lưu hiệu quả hơn, trong đó phương pháp chỉnh lưu PWM được đề xuất để khắc phục những nhược điểm hiện tại Luận văn tốt nghiệp "Nghiên cứu bộ nguồn AC/DC 3 pha dạng Cascade 5 bậc" áp dụng phương pháp này Để thực hiện nghiên cứu, học viên đã sử dụng phần mềm Matlab và Simulink của Mathwork, Inc, nhờ vào những lợi ích nổi bật mà phần mềm này mang lại Matlab hỗ trợ ngôn ngữ lập trình cao cấp như C, C++ và cung cấp hàng trăm hàm tích hợp cho nhiều lĩnh vực như toán học, thống kê, xử lý ảnh, xử lý tín hiệu và mô phỏng Simulink, với nhiều hàm tương tự Matlab, cung cấp các khối chuẩn giúp người dùng thực hiện các nhiệm vụ như xử lý ngõ vào/ra, phép tổng và hiển thị.
1.1.2 Một số kết quả nghiên cứu trong và ngoài nước
Qua dữ liệu trên internet, tạp chí khoa học, có một số tài liệu có liên quan đến đề tài
Bài viết này tổng quan về các phương pháp điều khiển PI cho bộ chỉnh lưu tích cực đa bậc dạng cầu H, cho phép cung cấp nhiều tải DC Vấn đề chính trong điều khiển là quản lý n+1 biến trạng thái với n hàm chuyển mạch Cấu trúc đa bậc dạng cầu H được ưa chuộng nhờ tính môđun, cấu trúc đơn giản và ít thành phần, không sử dụng diode kẹp hay tụ cân bằng, đồng thời cung cấp các đường DC riêng biệt cho các tải khác nhau Bài viết so sánh các giải pháp điều khiển PI và lựa chọn phương pháp tối ưu nhất.
Bộ chỉnh lưu ba pha cầu H cascade 5 bậc sử dụng phương pháp dòng zero (ZCI) được thiết kế để đạt hệ số công suất bằng 1 và cải thiện chất lượng công suất Điều khiển bộ chuyển đổi theo phương pháp khung tham chiếu đồng bộ (SRF) cho phép tạo ra dòng điện dây dạng sin với hệ số công suất tối ưu Phương pháp SRF thực hiện việc dò tìm điện áp tham chiếu ở ngõ ra, đồng thời đáp ứng yêu cầu của dòng điện dây Giải pháp ZCI giúp cân bằng điện áp đường DC riêng biệt, đảm bảo các điện áp trên tụ điện hội tụ về điện áp tham chiếu, ngay cả khi các tải có công suất khác nhau Phương pháp này đạt được chỉ số THD dưới 2%.
Các chiến lược PWM đa bậc được áp dụng cho các ứng dụng công suất cao và bù công suất phản kháng Nghiên cứu về bộ chỉnh lưu đa bậc nhằm đạt hệ số công suất cao ở ngõ vào, giảm sóng hài dòng điện, giảm tổn thất trên linh kiện bán dẫn và giảm độ nhấp nhô điện áp, từ đó giải quyết hiệu quả các ứng dụng điện áp cao.
Bài báo này trình bày một phương pháp điều khiển mới cho bộ chỉnh lưu cầu H Cascade, nhằm ổn định điện áp đường DC và cân bằng điện áp khi tải thay đổi với công suất khác nhau Phương pháp hoạt động ở tần số chuyển mạch 1kHz và đảm bảo độ méo dạng dòng điện dưới 5%.
Mục đích của đề tài nghiên cứu
Nghiên cứu, xây dựng chương trình mô phỏng cho bộ chuyển đổi AC/DC 3 pha Cascade 5 bậc dùng phần mềm mô phỏng Matlab.
Nhiệm vụ và giới hạn đề tài
Đề tài "Nghiên cứu bộ nguồn AC/DC 3 pha dạng Cascade 5 bậc" đã cung cấp kết quả mô phỏng quan trọng, tạo nền tảng vững chắc cho việc thi công và ứng dụng trong thực tiễn.
Nhiệm vụ nghiên cứu tập trung vào việc tìm hiểu bộ nguồn AC/DC 3 pha sử dụng phương pháp PWM, xây dựng mô hình toán học cho hệ thống này và điều khiển bộ nguồn theo kỹ thuật điều chế dòng điện đặt và điều chế sóng mang Ngoài ra, nghiên cứu cũng sẽ sử dụng phần mềm Matlab để mô phỏng hoạt động của bộ nguồn AC/DC 3 pha, nhằm tối ưu hóa hiệu suất và hiệu quả của hệ thống.
Theo thông tư quy định hệ thống điện phân phối của Bộ Công Thương Số: 32/2010/TT-BCT, bộ nguồn cần đảm bảo các yêu cầu sau: điện áp ngõ ra phải ổn định khi tải thay đổi và khi nguồn thay đổi đột ngột; điện áp ngõ ra ở chế độ xác lập tại tải không được vượt quá ±5%; hệ số công suất phải bằng 1; và hệ số méo dạng phải thấp hơn 6.5%.
Phương pháp nghiên cứu
Để đạt được các mục tiêu đã đề ra, nghiên cứu sẽ tập trung vào việc thu thập và phân tích tài liệu liên quan đến bộ nguồn AC/DC 3 pha có điều khiển và các giải thuật chỉnh lưu hiện có Đồng thời, sẽ tiến hành nghiên cứu các phương trình toán học của bộ nguồn này, phân tích giải thuật đã chọn, và xác định phương án tối ưu cho đề tài Sau đó, chương trình mô phỏng sẽ được viết bằng phần mềm Matlab, sử dụng giải thuật đã chọn để điều khiển bộ nguồn AC/DC 3 pha Cuối cùng, kết quả và kết luận sẽ được tổng hợp.
2.1 Tổng quan về bộ chỉnh lưu
Bộ chỉnh lưu ba pha có nhiều mẫu mã và chủng loại khác nhau, có thể được phân loại dựa trên cấu trúc hoạt động với tần số chuyển mạch thấp (chuyển mạch tự nhiên) hoặc tần số chuyển mạch cao Phân loại theo số cấp điện áp ở ngõ vào của bộ chỉnh lưu bao gồm hai bậc (two level) và đa bậc (multilevel) với ba bậc trở lên Ngoài ra, theo cấu trúc, bộ chỉnh lưu có thể là dạng cascade (H-bridge multilevel rectifier) hoặc dạng chỉnh lưu chứa điốt kẹp NPC (neutral point clamped multi rectifier).
Các bộ chỉnh lưu chuyển mạch thẳng đơn giản thường sử dụng diode để chuyển đổi năng lượng từ AC sang DC hoặc thyristor để điều khiển luồng năng lượng Mặc dù chúng có cấu trúc đơn giản, nhưng nhược điểm lớn nhất là phát ra sóng hài, gây ảnh hưởng tiêu cực đến hoạt động của hệ thống điện Do đó, việc triệt tiêu sóng hài là vấn đề cần được quan tâm.
Một phương pháp hiệu quả để giảm sóng hài trong dòng điện ngõ vào là sử dụng các kết nối đa xung với biến áp nhiều cuộn dây Bên cạnh đó, việc áp dụng bộ lọc nguồn thụ động hoặc tích cực cũng giúp làm giảm sóng hài vào lưới điện.
Điều chỉnh hệ số công suất (PFC) thông qua việc khử sóng hài sử dụng các chuyển mạch công suất như IGBT, GTO hoặc IGCT giúp cải thiện chất lượng điện năng bằng cách điều khiển dạng sóng dòng điện ngõ vào Phương pháp PWM cho phép đạt được những ưu điểm vượt trội so với bộ chỉnh lưu truyền thống, bao gồm: trao đổi năng lượng hiệu quả giữa tải và nguồn điện, tăng hệ số công suất lên gần bằng một, và giảm sóng hài bậc cao vào lưới điện, từ đó nâng cao chất lượng điện năng.
2.1.2 Các cấu trúc chỉnh lưu ba pha
Trong các bộ chuyển đổi thông thường, bộ chỉnh lưu sử dụng diode và SCR thường tạo ra sóng hài trong lưới điện, dẫn đến hệ số công suất thấp và ảnh hưởng đến việc bố trí công suất trong mạch Để khắc phục vấn đề này, các bộ chuyển đổi sử dụng IGBT đã được áp dụng, giúp nâng cao hệ số công suất gần bằng 1 và giảm thiểu sóng hài.
Sơ đồ a, b, c, d trình bày giải pháp đơn giản cho bộ chuyển đổi Boost, nhưng gặp hạn chế về độ nhấp nhô của các thành phần và biến dạng tần số thấp của dòng điện vào Sơ đồ e) mô tả bộ chỉnh lưu cầu ba pha sử dụng IGBT, đây là loại chỉnh lưu phổ biến nhất do giá thành thấp, khả năng trao đổi năng lượng hai chiều và hệ số công suất gần bằng 1, mặc dù có tổn hao chuyển mạch cao Để giảm điện áp cao trên các chuyển mạch công suất, bộ chỉnh lưu đa bậc đã được phát triển, như thể hiện trong mạch Hình 2.2 và Hình 2.3, giúp cung cấp công suất lớn và hệ số công suất gần bằng 1.
Hình 2.2 Mạch chỉnh lưu loại NPC ba pha ba bậc e)
Hình 2.1 Các dạng mạch chỉnh lưu
Mạch chỉnh lưu ba pha cascade 5 bậc bao gồm 6 cầu H, cung cấp điện áp DC cho 6 tải độc lập Hai cầu H trên cùng một pha được mắc nối tiếp, mang lại ưu điểm là cấu trúc dạng mô-đun, giúp việc mở rộng bậc trở nên đơn giản hơn.
2.2 Các phương pháp điều khiển
Phạm vi ứng dụng của các chuyển đổi công suất đang ngày càng mở rộng nhờ vào sự cải tiến trong công nghệ chất bán dẫn, giúp nâng cao hiệu suất điện áp và dòng điện, đồng thời cải thiện các đặc tính chuyển mạch.
Các bộ chuyển đổi điện tử công suất dạng mô-đun có nhiều ưu điểm nổi bật như hiệu quả cao, trọng lượng nhẹ, kích thước nhỏ gọn, hoạt động nhanh và mật độ công suất cao Điều này đạt được nhờ vào việc sử dụng các chế độ hoạt động chuyển mạch, trong đó các thiết bị bán dẫn công suất được điều khiển ở chế độ ON/OFF Kỹ thuật điều chế độ rộng xung (PWM) là một phương pháp xử lý năng lượng cơ bản trong hệ thống chuyển đổi công suất Trong các bộ chuyển đổi hiện đại, PWM hoạt động với tốc độ cao, phù hợp với công suất định mức, từ vài kilohertz cho điều khiển động cơ đến hàng megahertz cho các bộ chuyển đổi cộng hưởng nguồn công suất.
Hình 2.3 Mạch chỉnh lưu cascade ba pha 5 bậc
PWM là kỹ thuật điều chỉnh điện áp đầu ra cho tải, dựa trên việc thay đổi độ rộng của chuỗi xung vuông, từ đó tạo ra sự biến đổi điện áp đầu ra.
Các khóa IGBT trong bộ chỉnh lưu cần xung kích để đóng ngắt, và mỗi khóa IGBT yêu cầu bộ xung kích riêng biệt Độ rộng xung trong bộ xung kích thay đổi theo quy luật phụ thuộc vào kỹ thuật điều chế được lựa chọn.
2.2.1 Kỹ thuật điều chế theo dòng điện đặt (Hysteresis current control)
Sơ đồ khối của bộ điều khiển dùng dòng điện đặt có dạng nhƣ Hình 2.4
Nguyên lý điều khiển được xác định thông qua việc so sánh dòng điện đặt i * a với dòng điện tải i a Khi dòng điện tải i a nhỏ hơn dòng điện đặt, bộ điều khiển sẽ xuất xung vào nguồn dương để tăng dòng, ngược lại, khi dòng tải vượt quá giá trị đặt, bộ điều khiển sẽ xuất xung vào nguồn âm để giảm dòng Nhờ đó, ngõ ra sẽ duy trì dao động quanh giá trị i * a với sai số đã được định trước.
Hình 2.4 Sơ đồ khối của kỹ thuật điều chế dòng điện đặt
Hình 2.5 Nguyên lý xuất xung kích của kỹ thuật điều chế dòng điện đặt
Khi i* lớn hơn i, thì mức độ so sánh sẽ tăng lên, và ngược lại Mạch điều chỉnh dòng điện sử dụng mạch trễ có ưu điểm là đáp ứng nhanh, dễ thực hiện và chi phí thấp.
Nhƣng có một số nhƣợc điểm là:
Độ nhấp nhô dòng điện trong chế độ ổn định lớn
Thay đổi tần số chuyển mạch
Điện áp ra có chứa các hài với tần số không phải là bội của tần số cơ bản
2.2.2 Kỹ thuật điều chế Delta-Sigma
Nguyên lý điều khiển trong kỹ thuật này tương tự như kỹ thuật điều chế dòng điện, nhưng có quy luật hoạt động khác biệt Tín hiệu sai số được phát hiện bởi các bộ so sánh, và ngõ ra của chúng được lấy mẫu theo tỷ lệ cố định để đảm bảo trạng thái của bộ chỉnh lưu luôn ổn định trong mỗi khoảng thời gian lấy mẫu Do đó, không có PWM được thực hiện, mà chỉ có các vectơ cơ bản được tạo ra bởi bộ chuyển đổi trong một khoảng thời gian xác định.
Xung nhịp (xung lấy mẫu) t
Hình 2.6 Sơ đồ khối của kỹ thuật điều chế Delta-sigma ia i*a i*a - ia Xung kích
Hình 2.7 Nguyên lý xuất xung kích của kỹ thuật điều chế dòng điện đặt
Tại xung nhịp (n-1), i a > i* a nên ngõ ra của bộ điều chế ở mức thấp
Tại xung nhịp n, i a = i* a nên ngõ ra của bộ điều chế vẫn giữ mức thấp trong suốt chu kỳ xung nhịp
Tại xung nhip (n-1), i a < i* a nên ngõ ra của bộ điều chế chuyến trạng thái sang mức cao trong suốt chu kỳ lấy mẫu xung nhịp
Tổng quan về bộ chỉnh lưu
Bộ chỉnh lưu ba pha có nhiều mẫu mã và chủng loại, được phân loại dựa vào cấu trúc hoạt động với tần số chuyển mạch thấp (chuyển mạch tự nhiên) và tần số chuyển mạch cao Phân loại theo số cấp điện áp ở ngõ vào, bộ chỉnh lưu có thể là hai bậc (two level) hoặc đa bậc (multilevel - ba bậc trở lên) Ngoài ra, theo cấu trúc, bộ chỉnh lưu có thể là dạng cascade (H-bridge multilevel rectifier) hoặc dạng chỉnh lưu chứa điốt kẹp NPC (neutral point clamped multi rectifier).
Bộ chỉnh lưu chuyển mạch thẳng đơn giản thường sử dụng diode để chuyển đổi năng lượng từ AC sang DC, hoặc thyristor để điều khiển luồng năng lượng Mặc dù có cấu trúc đơn giản, nhưng các bộ chuyển đổi này phát ra sóng hài, gây ảnh hưởng tiêu cực đến hoạt động của hệ thống điện Do đó, việc triệt tiêu sóng hài là vấn đề cần được chú trọng.
Một phương pháp hiệu quả để giảm thiểu sóng hài trong dòng điện ngõ vào là sử dụng các kết nối đa xung kết hợp với biến áp nhiều cuộn dây Bên cạnh đó, việc áp dụng các bộ lọc nguồn thụ động hoặc tích cực cũng giúp giảm sóng hài xâm nhập vào lưới điện.
Điều chỉnh hệ số công suất (PFC) thông qua khử sóng hài bằng cách điều khiển các chuyển mạch công suất IGBT, GTO hoặc IGCT giúp cải thiện chất lượng điện năng Phương pháp PWM cho phép thay đổi tích cực dạng sóng của dòng điện ngõ vào, giảm độ méo dạng sóng và sóng hài, từ đó nâng cao hệ số công suất có thể đạt đến giá trị bằng một Ngoài ra, phương pháp này còn tạo ra sự trao đổi năng lượng hiệu quả giữa tải và nguồn điện, đồng thời giảm sóng hài bậc cao vào lưới điện.
2.1.2 Các cấu trúc chỉnh lưu ba pha
Trong các bộ chuyển đổi thông thường, các bộ chỉnh lưu sử dụng diode và SCR thường tạo ra sóng hài trong lưới điện, dẫn đến hệ số công suất thấp và ảnh hưởng đến việc bố trí công suất trong mạch Để cải thiện tình trạng này, các bộ chuyển đổi sử dụng IGBT đã được thay thế, giúp nâng cao hệ số công suất gần bằng 1 và giảm thiểu sóng hài.
Sơ đồ a, b, c, d trình bày giải pháp đơn giản cho bộ chuyển đổi Boost, nhưng hạn chế chính là độ nhấp nhô trên các thành phần và biến dạng tần số thấp của dòng điện vào Sơ đồ e) mô tả bộ chỉnh lưu cầu ba pha sử dụng IGBT, đây là loại chỉnh lưu phổ biến nhất nhờ giá thành thấp, khả năng trao đổi năng lượng hai chiều và hệ số công suất gần bằng một, mặc dù có tổn hao chuyển mạch cao Để giảm điện áp cao trên các chuyển mạch công suất, các bộ chỉnh lưu đa bậc đã được phát triển, như mạch Hình 2.2 và Hình 2.3, cung cấp công suất lớn nhất và hệ số công suất gần bằng 1.
Hình 2.2 Mạch chỉnh lưu loại NPC ba pha ba bậc e)
Hình 2.1 Các dạng mạch chỉnh lưu
Mạch chỉnh lưu ba pha cascade 5 bậc bao gồm 6 cầu H, cung cấp điện áp DC cho 6 tải độc lập Hai cầu H trên cùng một pha được mắc nối tiếp, mang lại ưu điểm là cấu trúc dạng mô-đun, giúp việc mở rộng bậc trở nên đơn giản hơn.
Các phương pháp điều khiển
Phạm vi ứng dụng của các chuyển đổi công suất ngày càng mở rộng nhờ vào sự tiến bộ của công nghệ chất bán dẫn, mang lại hiệu suất điện áp và dòng điện cao hơn, cùng với các đặc tính chuyển mạch vượt trội.
Các bộ chuyển đổi điện tử công suất dạng mô-đun mang lại nhiều ưu điểm như hiệu quả cao, trọng lượng nhẹ, kích thước nhỏ gọn, hoạt động nhanh và mật độ công suất cao Chúng hoạt động thông qua các chế độ chuyển mạch, với thiết bị bán dẫn công suất được điều khiển ở chế độ ON/OFF Điều này tạo ra các kiểu điều chế độ rộng xung (PWM), một kỹ thuật quan trọng trong xử lý năng lượng cho hệ thống chuyển đổi công suất Trong các bộ chuyển đổi hiện đại, PWM là một phương pháp xử lý tốc độ cao, với tần số hoạt động từ vài Kilohertz cho đến hàng Megahertz, tùy thuộc vào công suất định mức.
Hình 2.3 Mạch chỉnh lưu cascade ba pha 5 bậc
PWM là kỹ thuật điều chỉnh điện áp đầu ra bằng cách thay đổi độ rộng của chuỗi xung vuông, từ đó ảnh hưởng đến mức điện áp cung cấp cho tải.
Các khóa IGBT trong bộ chỉnh lưu cần xung kích để đóng ngắt, với mỗi khóa IGBT yêu cầu bộ xung kích khác nhau Độ rộng của xung trong bộ xung kích thay đổi theo quy luật phụ thuộc vào kỹ thuật điều chế được chọn.
2.2.1 Kỹ thuật điều chế theo dòng điện đặt (Hysteresis current control)
Sơ đồ khối của bộ điều khiển dùng dòng điện đặt có dạng nhƣ Hình 2.4
Nguyên lý điều khiển xác định dòng điện đặt và so sánh với tín hiệu dòng điện tải i a Khi dòng điện tải i a nhỏ hơn dòng điện đặt i * a, bộ điều khiển sẽ xuất xung vào nguồn dương để tăng dòng Ngược lại, khi dòng tải vượt quá giá trị đặt, bộ điều khiển sẽ xuất xung vào nguồn âm để giảm dòng Nhờ đó, ngõ ra sẽ duy trì dao động quanh giá trị i * a với sai số được định trước.
Hình 2.4 Sơ đồ khối của kỹ thuật điều chế dòng điện đặt
Hình 2.5 Nguyên lý xuất xung kích của kỹ thuật điều chế dòng điện đặt
Khi i* lớn hơn i, ngõ ra của bộ so sánh tăng lên mức cao và ngược lại Mạch điều chỉnh dòng điện sử dụng mạch trễ có ưu điểm là đáp ứng quá độ nhanh, dễ thực hiện và chi phí thấp.
Nhƣng có một số nhƣợc điểm là:
Độ nhấp nhô dòng điện trong chế độ ổn định lớn
Thay đổi tần số chuyển mạch
Điện áp ra có chứa các hài với tần số không phải là bội của tần số cơ bản
2.2.2 Kỹ thuật điều chế Delta-Sigma
Nguyên lý điều khiển trong kỹ thuật này tương tự như kỹ thuật điều chế dòng điện, nhưng quy luật hoạt động lại khác biệt Tín hiệu sai số được phát hiện qua các bộ so sánh, và ngõ ra của bộ so sánh được lấy mẫu theo tỷ lệ cố định để duy trì trạng thái ổn định của bộ chỉnh lưu trong mỗi khoảng thời gian lấy mẫu Do đó, không có PWM được thực hiện; chỉ có các vectơ cơ bản được tạo ra bởi bộ chuyển đổi trong một khoảng thời gian cố định.
Xung nhịp (xung lấy mẫu) t
Hình 2.6 Sơ đồ khối của kỹ thuật điều chế Delta-sigma ia i*a i*a - ia Xung kích
Hình 2.7 Nguyên lý xuất xung kích của kỹ thuật điều chế dòng điện đặt
Tại xung nhịp (n-1), i a > i* a nên ngõ ra của bộ điều chế ở mức thấp
Tại xung nhịp n, i a = i* a nên ngõ ra của bộ điều chế vẫn giữ mức thấp trong suốt chu kỳ xung nhịp
Tại xung nhip (n-1), i a < i* a nên ngõ ra của bộ điều chế chuyến trạng thái sang mức cao trong suốt chu kỳ lấy mẫu xung nhịp
Kỹ thuật điều chế này tạo ra sự rời rạc điện áp ở ngõ ra của bộ chỉnh lưu, khác biệt với sự thay đổi liên tục của điện áp ngõ ra, đặc trưng cho phương pháp PWM.
2.2.3 Kỹ thuật điều chế sóng mang (CPWM)
Nguyên lý điều khiển: Để điều khiển hai IGBT trên một nhánh ta thực hiện theo qui tắc kích đối nghịch: T1 + T2 = 1
Hình 2.8 Sơ đồ của kỹ thuật điều chế CPWM
Hình 2.9 Nguyên lý xuất xung kích của kỹ thuật điều chế CPWM
Tín hiệu điều khiển là hàm tuyến tính được so sánh với tín hiệu sóng mang tam giác, nhằm tạo ra sóng vuông để điều khiển các IGBT.
Khi điện áp điều khiển (uđk) là hàm sine thì đƣợc gọi là kỹ thuật điều chế Sine Pulse Width Modulation (SPWM)
Nguyên lý xuất xung kích trong kỹ thuật điều chế SPWM sử dụng sóng mang dạng tam giác và tín hiệu điều khiển dạng sin để tạo giản đồ kích đóng cho các linh kiện trong cùng một nhánh Đối với bộ chỉnh lưu n bậc, số sóng mang được sử dụng là (n-1), tất cả đều có tần số fc và biên độ đỉnh – đỉnh AC giống nhau Sóng điều chế có biên độ đỉnh – đỉnh A m và tần số f m, thay đổi xung quanh trục tâm của (n-1) sóng mang Khi sóng điều khiển lớn hơn sóng mang, linh kiện tương ứng sẽ được kích đóng, ngược lại, nếu sóng điều khiển nhỏ hơn, linh kiện sẽ bị khóa kích.
Các sóng mang dạng tam giác có tần số cao (f m V s).
Khi các chuyển mạch T1, T4 ở trạng thái “ON” và chuyển mạch T2, T3 ở trạng thái “OFF” thì V AB V o (Hình 2.15a)
Khi các chuyển mạch T1, T4 ở trạng thái “OFF” và chuyển mạch T2, T3 ở trạng thái “ON” thì V AB V o (Hình 2.15b)
Khi các chuyển mạch T1, T3 ở trạng thái “ON” và chuyển mạch T2, T4 ở trạng thái “OFF” hoặc chuyển mạch T1, T3 ở trạng thái “OFF” và chuyển mạch T2, T4 ở trạng thái “ON” thì V AB 0
Hình 2.15 Sơ đồ hoạt động khi chuyển mạch các IGBT
Từ nguyên lý làm việc và phân tích trạng thái ta có bảng trạng thái nhƣ sau:
Bảng 1 Bảng trạng thái kích của các IGBT
Phương pháp điều khiển mạch chỉnh lưu cầu sử dụng điện áp đo được trên tải V O để so sánh với điện áp đặt trước, từ đó tạo ra tín hiệu sai lệch Tín hiệu này được chuyển đến bộ điều khiển điện áp PID, có nhiệm vụ chuyển đổi áp thành dòng điện I ref Dòng điện tức thời cùng pha với nguồn v s được so sánh với dòng điện nguồn để điều khiển dòng điện Bộ điều khiển dòng này cũng là một bộ PID, chuyển đổi dòng điện thành điện áp để điều chỉnh việc đóng ngắt của các IGBT Để cân bằng điện áp trên tụ, điện áp đo trên tụ được so sánh với điện áp đặt trước để xác định giá trị sai lệch, và thông qua bộ điều khiển PID, áp được chuyển thành dòng điện kết hợp với dòng điện nguồn và dòng điện đặt trước Để đánh giá thành phần sóng hài của dòng điện, người ta sử dụng độ méo dạng THD dựa trên kết quả phân tích FFT được tích hợp sẵn trên Matlab, cho thấy mức độ sai biệt của tín hiệu so với tần số cơ bản của nó.
Với I dis : Dòng điện hiệu dụng các hài bậc cao (A)
I rms1 : Dòng điện hiệu dụng tại tần số cơ bản (A)
I rms : Dòng điện hiệu dụng (A)
THD, hay Tổng độ méo dạng sóng hài (%), là chỉ số quan trọng để phân tích dữ liệu và tính toán độ méo dạng của các tín hiệu đầu ra Để thực hiện điều này, chúng ta sử dụng chương trình Powergui, một ứng dụng tích hợp sẵn trong Simulink của Matlab.
Sau khi hoàn tất mô phỏng, hãy sử dụng tiện ích Powergui để quan sát tín hiệu đầu ra Chọn phân tích FFT (FFT Analysis) để xem kết quả phân tích từ công cụ FFT tools, như được trình bày trong hình 2.14 Lưu ý rằng để có kết quả phân tích FFT, bạn cần lưu đồ thị mô phỏng vào workspace của Matlab trước khi mở công cụ này.
Mạch chỉnh lưu ba pha có điều khiển
Hình 2.17 Sơ đồ mạch chỉnh lưu cầu ba pha dùng IGBT
Mạch chỉnh lưu cầu ba pha bao gồm 6 IGBT, tụ điện và tải DC, với nguồn ba pha lệch nhau 120 độ Cuộn cảm ngõ vào giúp tăng cường điện áp ngõ ra Mạch điều khiển vòng kín nhận tín hiệu điện áp tại ngõ ra và so sánh với điện áp đặt trước thông qua khối điều khiển độ rộng xung PWM Khi điện áp ngõ ra chưa đạt yêu cầu (e>0), bộ PWM xuất xung kích cho IGBT để nạp tụ Ngược lại, khi điện áp trên tụ lớn hơn giá trị yêu cầu (e
