Nghiên cứu kỹ thuật điều chế CPS-SPWM trong chỉnh lưu ba pha công suất lớn

 130 
NGHI£N CøU Kü THUËT §IÒU CHÕ CPS-SPWM 
TRONG CHØNH L¦U BA PHA C¤NG SUÊT LíN 
Vũ Minh Quang 
Đại học Thủy lợi Hà Nội 
Zhao Jian, Wang Dazhi 
Đại học Đông Bắc Trung Quốc 
Tóm tắt: Hiện nay việc nghiên cứu thiết bị chỉnh lưu điều chế độ rộng xung PWM đang được 
phát triển rộng rãi, các thiết bị chỉnh lưu nguồn điện áp PWM đang thay thế cho bộ chỉnh lưu dùng 
Đi- ốt không có khả năng điều khiển. Đề tài tập trung nghiên cứu nguyên lý cơ bản của phương 
pháp điều chế CPS-SPWM, đề xuất bộ chỉnh lưu ba pha PWM nguồn điện áp hai vòng hồi tiếp 
dùng kỹ thuật điều khiển CPS-SPWM. Qua đó thấy được khả năng áp dụng của kỹ thuật CPS- 
SPWM trong điều chế công suất lớn, giảm nhiễu cho mạng điện cải thiện chất lượng sóng đầu ra, 
hiệu quả tần số đóng cắt cao, thực hiện được tối ưu hóa hệ thống. 
Từ khóa :CPS-SPWM; chỉnh lưu PWM; công suất lớn; thiết bị chỉnh lưu. 
I. LỜI DẪN 
Các bộ biến đổi điện đang được ứng dụng 
trong thực tế gồm thiết bị chỉnh lưu và hai dạng 
thiết bị biến đổi AC-AC và biến đổi AC-DC-AC. 
Các thiết bị biến tần kinh điển chưa thực hiện 
được biến đổi công suất hai chiều tuy rằng có 
quan tâm đến hiệu quả đặc tính đầu ra nhưng chất 
lượng dòng điện không cao thành phần sóng hài 
lớn. Các thiết bị biến tần xuất hiện về sau này đã 
thực hiện được biến đổi công suất hai chiều tuy 
nhiên hệ số công suất còn hạn chế, tồn tại sự ảnh 
hưởng nhiễu đến mạng điện. Trong đề tài này đã 
đề cập phương pháp chỉnh lưu SPWM dùng kỹ 
thuật CPS –SPWM khắc phục được các khuyết 
điểm nêu trên của bộ chỉnh lưu, đảm bảo hệ số 
công suất cao, dòng điện dạng sin, thu được điện 
áp một chiều ổn định. Trong thiết kế với các linh 
kiện phụ trợ thu được dòng điện đầu vào dạng gần 
hình sin, như thế dòng điện đầu vào hàm chứa chủ 
yếu sóng hài bậc cao, cần loại bỏ đảm bảo giảm 
nhiễu đến mạng điện và nâng cao hệ số công suất, 
nâng cao hiệu quả tần số đóng cắt. 
II. NGUYÊN LÝ CƠ BẢN ĐIỀU CHẾ ĐỘ 
RỘNG XUNG MẠCH BA PHA HÌNH SIN 
DÙNG KỸ THUẬT CPS-PWM 
Dựa theo nguyên lí cơ bản điều chế SPWM, tại 
thời điểm giao điểm tự nhiên của sóng hình sin và 
sóng hình tam giác đầu vào tiến hành điều khiển 
đóng mở các van công suất tạo nên phương pháp 
điều chế tự nhiên SPWM. Đây là phương pháp 
điều chế cơ bản nhất. Tuy nhiên trong thực tế 
thường áp dụng quy tắc lấy mẫu sóng đối xứng, ý 
tưởng cơ bản là lúc sóng hình tam giác cực đại ở 
mỗi chu kỳ tiến hành đối chiếu với giá trị điện áp 
của sóng điều khiển hình chính sin. Sau đó quyết 
định đóng hay mở các van công suất. 
Nguyên lý lấy mẫu sóng đối xứng SPWM 
như hình 1. Trong đó Uc là sóng mang hình tam 
giác; Ur là sóng điều khiển Tc là chu kỳ sóng 
tam giác; Ure là giá trị điện áp hình sin ở thời 
điểm lấy mẫu te. 
Hình 1. Quy tắc lấy mẫu sóng SPWM 
 131 
Đường Ure và sóng mang hình tam giác cắt 
nhau tại A và B, làm cho Tc tách thành 3 đoạn t1, 
t2 , t3. Giả thiết biên độ sóng hình tam giác là 
Ucm là không đổi.Sóng điện áp điều khiển hình 
sin là Ur = Urm.sin(ω1.t). Tỉ số biên độ sóng điều 
khiển hình sin và biên độ sóng mang hình tam 
giác M = Urm/Ucm là độ điều khiển. Theo lý 
thuyết M trong khoảng từ 0~1. Trong thực tế giá 
trị nhỏ nhất bị giới hạn thường M trong khoảng 
0.95~0.98. Dựa theo tính đối xứng của sóng 
hình tam giác thời gian t1 và t3 sẽ như nhau. 
Từ hình 1 ta có : 
)sin(
4
42
1
2
e
rm
re
c
c
tM
U
U
T
Tt


 (2.1) 
Do（2.1）nên suy ra độ rộng xung 
))sin(1(
2 12 e
c tMTt  (2.2) 
Thời gian ngắt quãng 
 1 3 2
1 ( )
2 c
t t T t   (2.3) 
Biểu thức (2.2) và (2.3) là công thức cơ bản 
để tính toán độ rộng xung điều chế SPWM, 
chỉnh lưu ba pha đối xứng các pha lệch nhau 
góc 2/3 vì vậy tính toán độ rộng xung cho 2 
pha còn lại chỉ cần dịch pha 2/3. 
Nguyên lý cơ bản của phương pháp điều chế 
CPS-SPWM (carrier phase shifting – SPWM) là 
dựa vào N nhóm mạch bán cầu ba pha của bộ 
chỉnh lưu ba pha (mô đun PWM). Mỗi mạch 
điện cầu ba pha đều sử dụng phương pháp điều 
chế SPWM các van công suất tần số đóng cắt 
thấp với một sóng điều khiển riêng. Tiến hành 
đưa vào N nhóm sóng hình tam giác để điều 
chế. Các sóng tam giác có biên độ như nhau, 
nhưng lệch pha nhau góc không đổi, vì thế các 
xung đầu ra của SPWM cũng lệch pha một góc 
nhất định, thông qua xếp chồng tín hiệu đầu ra 
thu được tín hiệu một chiều ổn định, tăng hiệu 
quả công suất mạch điện. Lựa chọn góc di pha 
hợp lý có thể làm lượng sóng hài biên độ lớn 
giảm đi. Tín hiệu xung điều khiển SPWM của 
các mô đun mạch bán cầu do so sánh giữa sóng 
hình tam giác và sóng điều khiển chính sin sinh 
ra. Toàn bộ các sóng điều khiển hình chính sin 
của các mô đun mạch điện bán cầu là như nhau. 
Tuy nhiên giữa các sóng tải của các mô đun tồn 
tại góc di pha. Đây là yếu tố làm nên vị trí sóng 
các xung từ các mô đun của bộ SPWM, biên độ 
xung như nhau, tuy nhiên dãy xung không trùng 
hợp. Khi xếp chồng thu được điện áp đầu ra tần 
số đóng cắt cao, giảm nhỏ sóng hài đầu ra. 
Ý nghĩa cơ bản của phương pháp điều chế 
CPS – SPWM là: có thể tổ hợp thiết bị biến 
dòng mang tính điện áp gồm N mô đun sử dụng 
cùng một tín hiệu sóng điều khiển Sm tần số ω, 
sóng tải hình tam giác của các mô đun biến 
dòng tần số Kc.ω. Vị trí các sóng pha hình tam 
giác lệch nhau 1/N chu kỳ sóng hình tam giác.. 
Với N là số mô đun biến dòng, Kc là tỉ lệ tần số 
điều chế, mr là tỉ lệ biên độ điều chế. Nguyên lý 
như hình 2 với N = 2. 
Hình 2. Nguyên lý điều chế CPS-SPWM 
P1 và P2 là mạch xung sinh ra khi so sánh 
sóng hình tam giác và sóng điều khiển hình sin. 
III. MÔ HÌNH MÔ PHỎNG THIẾT BỊ 
CHỈNH LƯU NGUỒN ĐIỆN ÁP HAI 
VÒNG HỒI TIẾP 
1. Mô hình 
Thiết bị chỉnh lưu nguồn điện áp cầu ba pha 
như hình 3 
 132 
aS
'
aS
bS cS
'
bS
'
cS
dE
dcU
dR
ai
bi
ci
aU
bU
cU
Hình 3 Thiết bị chỉnh lưu cầu ba pha nguồn 
điện áp PWM 
2. Thiết lập mô hình mô phỏng hệ thống 
Dựa theo phương pháp điều chế, sử dụng 
phần mềm Matlab simulink thiết lập mô hình 
mô phỏng thiết bị chỉnh lưu PWM nguồn 
điện áp có hai vòng hồi tiếp. 
(a).Hình 4 mô tả mô hình mô phỏng thiết 
bị chỉnh lưu SPWM với phương pháp điều 
chế tự nhiên 
Hình 4 Mô hình thiết bị chỉnh lưu SPWM 
phương pháp điều chế tự nhiên. 
(b).Hình 5 mô tả mô hình mô phỏng thiết bị 
chỉnh lưu với phương pháp dùng kỹ thuật điều 
chế CPS-SPWM 
Hình 5 Mô hình thiết bị chỉnh lưu phương pháp 
điều chế CPS-SPWM. 
IV. KẾT QUẢ MÔ PHỎNG 
1. Trong mô phỏng ứng dụng bước nhảy cố 
định dạng ode45. Bước nhảy lớn nhất 1.e-4. Mô 
hình thiết bị chỉnh lưu công suất hệ thống 22kW. 
Thời gian mô phỏng 6(s). Cả hai loại hệ thống nói 
trên đều có thể thực hiện công suất hai chiều lưu 
động. Ở thời điểm 2s nguồn điện một chiều thực 
hiện việc hồi quỹ năng lượng. Thực hiện đủ 2 chế 
độ làm việc chỉnh lưu và nghịch lưu. 
Hình 7. Sóng dòng điện và điện áp pha A 
bộ chỉnh lưu VSR ở hai chế độ chỉnh lưu 
và nghịch lưu. 
 133 
2. Thiết bị chỉnh lưu PWM có thể loại trừ toàn 
bộ sóng hài trong lưới điện, tuy nhiên do các linh 
kiện IGBT lúc đóng cắt sinh ra sóng hài là không 
thể ngăn ngừa. Sóng hài do IGBT sinh ra và hệ số 
điều chế tần số của SPWM là tỉ lệ thuận. Điều này 
sẽ thấy rõ qua kết quả mô phỏng 
 (a). Phổ sóng tần sóng hài điện áp một chiều 
trong kỹ thuật điều chế tự nhiên SPWM như hình 8. 
Hình 8. Phổ sóng tần sóng hài điện áp một 
chiều trong kỹ thuật điều chế tự nhiên SPWM. 
Sóng hài chủ yếu tập trung từng nhóm 20 
nhịp gần nhau. Theo tỉ lệ điều chế tần số Kc= 
20. Chứng tỏ phương pháp điều chế tự nhiên 
điều chế SPWM sóng hài do IGBT sinh ra phụ 
thuộc tỉ lệ điều chế tần số. 
(b).Phổ sóng tần sóng hài điện áp một chiều 
trong kỹ thuật điều chế CPS- SPWM hình 9. Số 
mô đun chỉnh lưu PWM là N = 3 
Hình 9 Phổ sóng tần sóng hài điện áp một chiều 
trong kỹ thuật điều chế CPS- SPWM. 
Sóng hài tập trung theo từng nhóm 60 nhịp liền 
nhau. Theo tỉ lệ điều chế tần số là Kc = 20. Chứng tỏ 
sóng hài sinh ra do linh kiện IGBT trong kỹ thuật 
điều chế CPS-PWM phụ thuộc tỉ lệ điều chế tần số 
của SPWM và số mô đun chỉnh lưu N. Trong mô 
phỏng trên tần số sóng hình tam giác là 1000Hz. Số 
nhịp sóng hài trong tùng nhóm sẽ là N.Kc, vì thế 
nâng cao được tần số đóng cắt đầu ra N lần, chất 
lượng đặc tính sóng đầu ra được cải thiện lớn. 
Thông qua so sánh sóng phổ tần của hai hệ 
thống ta thấy: sóng hài tín hiệu SPWM đơn lẻ 
xuất hiện từng nhóm 20 nhịp kề nhau. Sóng hài 
tín hiệu của CPS-SPWM xuất hiện từng nhóm 
60 nhịp liền kề nhau. Như vậy đã nâng cao tần 
số đóng cắt 3 lần, sau 60 nhịp thì sóng hài cơ 
bản được loại trừ, năng cao chất lượng sóng. 
(c) Phổ tần sóng hài dòng điện mạch xoay 
chiều thiết bị chỉnh lưu CPS-PWM. 
 Dòng điện thành phần pha A và dòng điện 
tổng hợp pha A như hình 10. 
Hình 10. Dòng điện thành phần pha A 
và dòng điện tổng hợp pha A. 
Từ hình 10 có thể thấy sóng dòng điện mạch 
điện thành phần có dạng gần hình sin, sóng của 
dòng điện tổng hợp có độ chính sin cao hơn và mịn 
hơn nâng cao hiệu quả hiệu chỉnh công suất. 
Hình 11 Phổ tần sóng hài dòng điện 
tổng hợp pha A. 
 134 
Hình 12 Phổ tần sóng hài dòng điện 
 thành phần pha A. 
Từ hình 11 và 12 ta thấy sóng hài dòng điện 
thành phần xuất hiện từng nhóm 20 nhịp liền 
nhau. Sóng hài dòng điện tổng hợp xuất hiện 
theo nhóm 60 nhịp kề nhau. Như vậy tần suất 
đóng cắt được nâng cao 3 lần. Hàm lượng biên 
độ sóng hài giảm đáng kể, cải thiện đặc tính đầu 
ra. Hay nói cách khác: kỹ thuật CPS – SPWM 
có tính năng tổng hợp không thất thoát. 
V. KẾT LUẬN 
Đề tài đã nghiên cứu phương pháp điều khiển 
bộ chỉnh lưu ba pha dùng kỹ thuật điều chế CPS – 
SPWM. Qua đó khẳng định phương pháp đạt hiệu 
quả điều khiển cao. Nâng cao được tính năng của 
hệ thống chỉnh lưu, giảm thiểu sóng hài nhiễu đến 
mạng điện, nâng cao chất lượng điện năng và hệ số 
công suất sử dụng điện. Đồng thời có khả năng hồi 
lại năng lượng về lưới điện. Với kỹ thuật CPS – 
SPWM từ các thiết bị tần số đóng cắt thấp có thể 
thực hiện được hiệu quả tần số đóng cắt cao, thông 
qua việc triệt tiêu tương hỗ sóng hài của các mô 
đun có thể thực hiện biến đổi công suất lớn với đặc 
tính sóng đầu ra tốt đẹp hơn. 
Tài liệu tham khảo: 
[1] Võ Minh Chính, Phạm Quốc Hải, Trần Trọng Minh, Điện tử công suất ,Nhà xuất bản khoa 
học và kỹ thuật; Hà Nội, 2008. 
[2] Nguyễn Văn Nhờ, Bài giảng điện tử công suất, Đại học Bách khoa TP Hồ Chí Minh, 2010. 
[3] Li Chun, Nghiên cứu kỹ thuật điều khiển số chỉnh lưu nhiều cấp CPS - SPWM ứng dụng 
thiết bị nguồn điện loại sóng nhiễu，Đại học Triết Giang Hàng Châu Trung Quốc ,2006. 
[4] Li Jianlin,Wang Liqiao, Ứng dụng kỹ thuật điều khiển sóng mang CPS - SPWM trong biến 
đổi công suất lớn, Nhà xuất bản Cơ khí công nghiệp Bắc Kinh Trung Quốc ，2009. 
[5] Li Jianlin， Hu Changsheng， Wang Liqiao, et al. APF Based on Multilevel Voltage Source 
Cascade Converter with Carrier Phase Shifted SPWM[C]. TENCON 2003. Conference on 
Convergent Technologies for Asia-Pacific Regio，15-17 Oct.2003， Vol.1，264-267. 
[6] Li Jianlin，Wang Liqiao，Li Yuling，et al. A Novel Current-Source Converter with Carrier Phase 
Shifted SPWM for Active Power Filter[c]. TENCON 2003. Conference on Convergent Technologies for Asia-
Pacific Region，Vol.1，15-17Oct.2003,268-272. 
Abstract 
SIMULATION OF CPS-SPWM HIGH-POWER INVERTER 
Vu Minh Quang 
Hanoi Water Resources University 
Zhao Jian, Wang Dazhi 
Northeastern University of China 
Three-phase PWM voltage source rectifiers (VSR) are applicated to the Frequency inverter in place of 
conventional no-control rectifiers based on power diode in this thesis.The paper introduced fundamental 
principle of CPS-SPWM .expounded design of structure of double loop voltage type PWM rectifier system 
based on CPS-SPWM control. Thus understand that the CPS-SPWM technique can achieve SPWM 
technology of high power occasion, greatly improve the output waveform, reduce output harmonics, 
improve the equivalent switching frequency, optimize system performance. Simulink results show the 
system has good static performance and dynamic performance and CPS-SPWM is rationality. 
Key word: CPS-SPWM；PWM rectifier；high-power；inverter.