Thuật toán dòng điện tiên lượng trong nguồn chỉnh lưu có hiệu chỉnh hệ số công suất

56 
T¹p chÝ KHKT Má - §Þa chÊt, sè 47, 7-2014, tr.56-61 
CƠ - ĐIỆN MỎ (trang 56-68) 
THUẬT TOÁN DÒNG ĐIỆN TIÊN LƯỢNG TRONG NGUỒN CHỈNH LƯU 
CÓ HIỆU CHỈNH HỆ SỐ CÔNG SUẤT 
CUNG QUANG KHANG, Trường Đại học Mỏ - Địa chất 
Tóm tắt: Với các nguồn chỉnh lưu có hiệu chỉnh hệ số công suất sử dụng kỹ thuật điều khiển 
số, việc tính toán giá trị đặt luôn được thực hiện trong mỗi chu kỳ chuyển mạch. Rào cản lớn 
trong kỹ thuật này là tần số chuyển mạch giới hạn do đó làm hạn chế tốc độ xử lý của các vi 
điều khiển hay các bộ xử lý số (DSP). Bài báo trình bày tóm tắt thuật toán điều khiển theo 
dòng điện tiên lượng trong nguồn chỉnh lưu có hiệu chỉnh hệ số công suất. Thuật toán này 
nhằm giảm thiểu khối lượng tính toán giá trị dòng đặt, do đó tăng tốc độ xử lý áp dụng trong 
điều khiển số. Có thể sử dụng các vi điều khiển với giá thành thấp để ứng dụng cho thiết kế 
nguồn chỉnh lưu công suất lớn trong công nghiệp mỏ và luyện kim với hệ số công suất hiệu 
chỉnh xấp xỉ 1 nhằm nâng cao hiệu quả sử dụng điện năng. 
1. Đặt vấn đề 
Nguồn một chiều chỉnh lưu có hệ số công 
suất lớn (xấp xỉ 1 gọi tắt là PFC- Power Factor 
Correction) được nghiên cứu nhiều trên thế giới 
do nhu cầu tiết kiệm năng lượng. 
Các dạng cơ bản trong chỉnh lưu có điều 
khiển áp dụng công nghệ PFC là: chỉnh lưu giảm 
áp (buck-converters, chỉnh lưu tăng áp (boost 
converter), hoặc hỗn hợp (buck-boost converter). 
Các kết quả nghiên cứu cho thấy chỉnh lưu tăng 
áp (điện áp một chiều DC sau chỉnh lưu cao hơn 
điện áp nguồn) phù hợp nhất cho việc áp dụng 
công nghệ nâng cao hệ số công suất. 
Sơ đồ cơ bản chỉnh lưu PFC 1 pha được biểu 
diễn trên hình 1. 
Trong sơ đồ, điện cảm L đóng vai trò tạo sức 
điện động tăng áp 𝑉0 = 𝑉 + 𝐿
𝑑𝑖
𝑑𝑡
 , transitor hoạt 
động như một khoá đóng ngắt chuyển mạch tần 
số cao tạo thành phần 𝐿
𝑑𝑖
𝑑𝑡
 . Như vậy, điện áp ra 
sau điốt lớn hơn điện áp nguồn và điều chỉnh 
bằng xung điều khiển khoá. Xung điều khiển 
khóa thường được tạo ra bằng phương pháp điều 
chế độ rộng xung PWM (Pulse Wide 
Modulation). Có thể xây dựng luật điều khiển sẽ 
đảm bảo dòng điện và điện áp luôn trùng pha 
nhau và kết hợp điều chỉnh độ méo sóng hài sẽ 
cho hệ số công suất xấp xỉ 1. 
AC
Bộ điều khiển PFC
L D
S C
i(t)
0V
Hình 1. Sơ đồ nguyên lý chỉnh lưu PFC một pha 
57 
Sơ đồ nguyên lý điều khiển với kỹ thuật tương tự được nêu trên hình 2: 
Xung PWM
Khuếch đại áp
Điện áp vào
220Vac, 
50Hz
ung PWM
Khuếch đại 
dòng
Khuếch đại áp
Khâu nhân
Tải
Hình 2. Nguyên lý điều khiển tương tự chỉnh lưu PFC 1 pha 
Có thể phát triển nguyên lý này cho các 
chỉnh lưu 3 pha đáp ứng nhu cầu cho tải công 
suất lớn. 
Điều khiển tương tự đã được áp dụng phổ 
biến trong các nguồn chỉnh lưu PFC. Do sự phát 
triển của kỹ thuật vi xử lý, các bộ xử lý số tín 
hiệu (DSP – Digital Signal Proccesor) và công 
nghệ FPGA(Field Programmable Gate Array - 
chip có dãy cổng lập trình) dẫn đến việc chọn giải 
pháp điều khiển số là xu hướng tích cực. 
Tuy nhiên, hầu hết các phương pháp điều 
khiển kỹ thuật số thông thường dựa trên các luật 
ở kỹ thuật tương tự với định dạng số. Trong việc 
thực hiện kỹ thuật số thông thường các phép 
nhân và chia được thực hiện bởi phần mềm. Do 
tất cả các tính toán được thực thi trong mỗi chu 
kỳ chuyển mạch, nên đòi hỏi phải có một bộ điều 
khiển kỹ thuật số với tốc độ cao. Một số cải tiến 
cũng được áp dụng, tuy nhiên khi tăng tần số 
chuyển mạch thì khối lượng tính toán tăng nhanh 
là một rào cản việc áp dụng điều khiển số. 
2. Thuật toán điều khiển theo giá trị dòng tiên 
lượng 
Để tận dụng triệt để tính ưu việt điều khiển 
kỹ thuật số, phương pháp điều khiển tiên lượng 
đang được nghiên cứu và triển khai thực hiện 
trong kỹ thuật chỉnh lưu PFC và nghịch lưu. Để 
giảm khối lượng tính toán, giá trị điều khiển độ 
rộng xung ở thời điểm tiếp theo d(n+1) sẽ được 
tính toán dự đoán trên cơ sở giá trị trước đó d(n) 
và các cảm biến về dòng điện qua điện cảm L, 
điện áp vào và điện áp ra. Để làm rõ thuật toán 
điều khiển dòng tiên lượng, dưới đây khảo sát 02 
giải thuật thường được áp dụng là thuật toán điều 
khiển dòng trung bình và thuật toán điều khiển 
dòng ngưỡng. 
2.1. Thuật toán giá trị dòng trung bình 
Trên hình 3 là sơ đồ nguyên lý chỉnh lưu 
PFC với điều khiển số thuật toán trị trung bình 
của dòng điện. Trong thuật toán này, xung điều 
khiển PWM có độ rộng được tính toán dựa trên 
các giá tri đã số hoá (A/D) của điện áp vào sau 
chỉnh lưu Vin , điện áp ra Vo và dòng qua điện 
cảm iL. Các bộ nhân, chia, bình phương và khâu 
tích phân tỷ lệ (PI) đều thực hiện bằng phần 
mềm. Giá trị độ rộng xung PWM điều khiển phải 
được quyết định trong chu kỳ chuyển mạch. Do 
vậy, bộ điều khiển DSP cần phải có khả năng tính 
toán tốc độ cao, dẫn đến giá thành cao. Nếu giảm 
tần số chuyển mạch của S thì gặp vấn đề về điện 
cảm L và chất lượng hệ thống giảm. 
58 
Đệm
Tính RMS
Nhân Chia
Tần số mẫu
TảiĐiện 
áp 
vào
Hình 3. Chỉnh lưu PFC với điều khiển số thuật toán trị trung bình dòng điện 
2.2. Thuật toán điều khiển ngưỡng (đặc tính trễ) 
Để thực hiện tạo xung PWM, trong thuật toán này giá trị dòng điện quy chiếu tính toán và dòng 
điện qua điện cảm iL được đưa vào khâu so sánh trễ trong dải ngưỡng cao, thấp (hình 4). Độ rộng của 
dải so sánh là 2H. Khi tăng tần số chuyển mạch độ rộng của dải sẽ giảm. Tuy nhiên, lúc đó khối lượng 
tính toán sẽ tăng nhanh. 
LI
repI PWMI+
-
(a) Khâu so sánh ngưỡng
(b) Tạo xung PWM
HightI
LowI
repI
H
H
Hình 4. Thuật toán điều khiển ngưỡng 
2.3. Thuật toán điều khiển giá trị dòng tiên lượng 
Khảo sát sơ đồ chỉnh lưu PFC như hình 5, ta thấy khi khoá S hoạt động chuyển mạch với tần số 
𝑓𝑠 . Các điện áp vào Vin, điệp áp ra Vo được coi như không thay đổi trong thời gian chu kỳ chuyển 
mạch Ts. 
59 
Ta sẽ có 02 trạng thái mạch được xác lập có thể mô tả bằng sơ đồ tương đương trên hình 6. 
AC
Bộ điều khiển PFC
L D
S C
0VinV
Li
Hình 5. Chỉnh lưu PFC tăng áp, điện cảm L nối tiếp 
))(( ntiL
t(n) t(n+1)
))()(( sL Tndnti 
))1(( nti L
sTndnt )()( 
Chế độ 1 Chế độ 2
L
C
0V
)(tVin
Li
+
-
L
C
0V
)(tVin
Li
+
-
+
-
+
-
Chế độ 1 Chế độ 2
Hình 6. Mạch điện tương đương trong 2 chế độ chuyển mạch 
Khi khoá S đóng mạch, ta có: 
𝑉𝑖𝑛(𝑡) = 𝐿
𝑑𝑖𝐿
𝑑𝑡
, 𝑣ớ𝑖 𝑡(𝑛) ≤ 𝑡 < 𝑡(𝑛) + 𝑑(𝑛)𝑇𝑠, . (1) 
Khi khoá S mở, dòng điện qua điện cảm sẽ được tính toán theo biểu thức sau: 
𝑑𝑖𝐿
𝑑𝑡
= 𝑉𝑖𝑛(𝑡) − 𝑉𝑜(𝑡), 𝑣ớ𝑖 𝑡(𝑛) + 𝑑(𝑛)𝑇𝑠 ≤ 𝑡 < 𝑡(𝑛 + 1), (2) 
trong đó: Vin(t), Vo(t) tương ứng là điện áp vào và ra, t(n) và t(n+1) thời điểm bắt đầu của chu kỳ 
chuyển mạch đóng thứ n và (n+1), d(n) là độ rộng xung PWM hay chính là thời gian khoá S đóng, Ts 
là chu kỳ chuyển mạch. 
Do tần số chuyển mạch lớn hơn nhiều lần tần số lưới nên, các phương tình trên được sai phân 
hoá thành: 
 𝑉𝑖𝑛(𝑡(𝑛)) = 𝐿
𝑖𝐿(𝑡(𝑛) + 𝑑(𝑛). 𝑇𝑠) − 𝑖𝐿(𝑡(𝑛))
𝑑(𝑛). 𝑇𝑠
, (3) 
 𝑉𝑖𝑛(𝑡(𝑛)) − 𝑉𝑜(𝑡(𝑛)) = 𝐿
𝑖𝐿(𝑡(𝑛 + 1)) − 𝑖𝐿(𝑡(𝑛) + 𝑑(𝑛). 𝑇𝑠)
𝑑(𝑛). 𝑇𝑠
, (4) 
Dòng qua cuộn L trong khoảng thời gian ngắt khoá S, t(n)+d(n).Ts, có thể tính được từ (3): 
 𝑖𝐿(𝑡(𝑛) + 𝑑(𝑛). 𝑇𝑠) = 𝑖𝐿(𝑡(𝑛)) +
1
𝐿
. 𝑉𝑖𝑛(𝑡(𝑛). 𝑑(𝑛). 𝑇𝑠, (5) 
Dòng qua cuộn L khi bắt đầu thời điểm thứ (n+1) chuyển mạch S đóng, t(n+1), có thể tính được 
từ (4): 
 𝑖𝐿(𝑡(𝑛 + 1)) = 𝑖𝐿(𝑡(𝑛) + 𝑑(𝑛). 𝑇𝑠) +
1
𝐿
. (𝑉𝑖𝑛(𝑡(𝑛)) − 𝑉𝑜(𝑡(𝑛)). (1 − 𝑑(𝑛)). 𝑇𝑠, (6) 
Từ (5) và (6) ta sẽ xác định được dòng điện ở đầu thời điểm (n+1) theo giá trị đo lường đầu thời 
điểm n trước đó: 
 𝑖𝐿(𝑡(𝑛 + 1)) = 𝑖𝐿(𝑡(𝑛)) +
1
𝐿
. 𝑉𝑖𝑛(𝑡(𝑛)). 𝑇𝑠 −
1
𝐿
. 𝑉𝑜(𝑡(𝑛)). (1 − 𝑑(𝑛)). 𝑇𝑠, (7) 
Do vậy, luật rời rạc hoá của biểu thức (7) sẽ là: 
 𝑖𝐿(𝑡(𝑛 + 1)) = 𝑖𝐿(𝑡(𝑛)) +
1
𝐿
. 𝑉𝑖𝑛(𝑛). 𝑇𝑠 −
1
𝐿
. 𝑉𝑜(𝑛). (1 − 𝑑(𝑛)). 𝑇𝑠, (8) 
60 
Biểu thức này cho thấy có thể dự tính dòng điện qua điện cảm ở chu kỳ sau qua các giá trị ở đầu 
chu kỳ trước. Do vậy, ta có thể xác định được độ rộng xung d(n) từ biểu thức (8): 
 𝑑(𝑛) =
𝐿
𝑇𝑠
.
𝑖𝐿(𝑛 + 1) − 𝑖𝐿(𝑛)
𝑉𝑜
−
𝑉𝑜 − 𝑉𝑖𝑛(𝑛)
𝑉0
, (9) 
Trong điều khiển chỉnh lưu PFC, dòng điện qua L tính toán iL(n+1) bắt buộc phải có dạng được 
quy chiếu bởi giá trị đặt iref sao cho dạng dòng điện đồng pha với điện áp vào, điện áp ra cũng điều 
chỉnh đạt giá trị đặt Vref, do vậy ta có: 
 𝑑(𝑛) =
𝐿
𝑇𝑠
.
𝑖𝑟𝑒𝑓(𝑛 + 1) − 𝑖𝐿(𝑛)
𝑉𝑟𝑒𝑓
−
𝑉𝑟𝑒𝑓 − 𝑉𝑖𝑛(𝑛)
𝑉𝑟𝑒𝑓
, (10) 
Dòng điện quy chiếu được xác định theo biểu thức sau: 
 𝑖𝑟𝑒𝑓(𝑛 + 1) = 𝐾𝑃𝐼 . |sin (𝜔𝑡(𝑛 + 1))|, (11) 
Trong đó KPI là giá trị đỉnh tính ở đầu ra khâu khuếch đại sai lệch giữa điện áp ra Vo và điện áp 
đặt Vref. 
Đệm
DSP
Sóng sin 
chuẩn
Xác định 
điểm qua “0”
Tải
Nhân
Sai lệch
Hình 7. Đề xuất áp dụng thuật toán tiên lượng dòng điện 
cho bộ chỉnh lưu có hiệu chỉnh hệ số công suất
3. Kết luận 
Việc nghiên cứu, thiết kế bộ nguồn chỉnh lưu 
1 pha PFC áp dụng phương pháp điều khiển số 
thuật toán dòng tiên lượng có những ưu điểm như 
sau: 
- Do sử dụng vi điều khiển số hay các bộ xử 
lý số DSP để điều khiển độ rộng xung PWM nên 
sơ đồ mạch đơn giản, giảm thiểu số lượng linh 
kiện, mạch hoạt động ổn định và chính xác. 
- Thuật toán dòng tiên lượng cho phép giảm 
số lượng tính toán. Do vậy có khả năng tăng tần 
số chuyển mạch làm cho điều khiển dễ dàng, tổn 
thất năng lượng thấp, giảm các giá trị L, C tức là 
kích thước linh kiện nhỏ gọn, dễ tích hợp. 
- Việc thiết lập các thông số bảo vệ cực đại 
trong vi điều khiển đơn giản, không phụ thuộc 
vào các yếu tố vật lý. 
- Sản phẩm có thể ứng dụng cho các thiết bị 
điện sử dụng điện một chiều với hiệu suất của 
nguồn đạt giá trị cao. 
TÀI LIỆU THAM KHẢO 
[1]. Compliance Testing to the IEC 1000-3-2 
(EN 61000-3-2) and IEC 10000-3-3 Standard. 
61 
[2]. WWanfeng Zhang, Guang Feng, Yan 
Fei, Bin Wu, “New Digital Control Method 
for Power Factor Correction”, IEEE 
Transaction on INDUCTRIAL 
ELECTRONICS, vol.53. 
[3]. FF.J.Azcondo Ade Castro, V.M Lopez, O. 
Garcia, “Power Factor Correction without 
Current sensor based on Digital Current 
Rebuilding”, IEEE Transaction on 
INDUCTRIAL ELECTRONICS, vol.25. 
SUMMARY 
PFC rectifier with algorithm preditive current control 
Cung Quang Khang, Hanoi University of Mining and Geology 
For digital power factor correction (PFC) control methods, the duty cycle is calculated in 
every switching period. One main implementation barrier is the limited switching frequency, due to 
the limited processor speed. In this paper a predictive digital PFC control method is proposed to solve 
this problem. The proposed control method generates all the duty cycles in advance, based on the 
reference current and sensed inductor current, input voltage and output voltage. It requires only one 
multiplication and three addition operations for digital implementation, so that the proposed PFC 
control method can be implemented (by using a low cost DSP or microprocessor to achieve high 
switching frequency). A power factor correction rectifier, can use in mining industry. 
NGHIÊN CỨU ÁP DỤNG KỸ THUẬT NGĂN NGỪA HIỆN TƯỢNG (tiếp theo trang 55) 
6. Kết luận 
Bài báo thông qua việc nghiên cứu điều kiện 
địa chất và các yếu tố ảnh hưởng đến hiện tượng 
lở gương trong lò chợ khai thác cơ giới hóa đồng 
bộ của Công ty than Khe Chàm nhằm đề xuất giải 
pháp xử lý ngăn ngừa hiện tượng lở gương bằng 
cách bơm hóa chất DMT-601A/B của Trung 
Quốc qua lỗ khoan vào các khe nứt của khối than 
để gia cố. Trong các lò chợ khai thác cơ giới hóa 
đồng bộ ở các mỏ vùng Sơn Đông, Sơn Tây 
Trung Quốc sử dụng hóa chất này để gia cố vỉa 
than mềm yếu, bở rời đã cho thấy hiệu quả tốt, 
làm cho gương lò chợ ổn định dẫn đến quá trình 
khấu than được tiến hành liên tục và làm tăng 
hiệu quả trong khai thác. 
TÀI LIỆU THAM KHẢO 
[1]. Công ty than Khe Chàm-TKV, 2009. Tài liệu 
về điều kiện địa chất lò chợ khai thác cơ giới hóa 
đồng bộ của Công ty than Khe Chàm, trang 
1÷25. 
[2]. Đồng Thục Kiến, Tôn Ích Kiến, 2012. Ứng 
dụng kỹ thuật gia cố gương lò chợ khai thác cơ 
giới hóa đồng bộ mỏ than Tra Thành-Từ Châu. 
Tạp chí quản lý và kỹ thuật tài nguyên - Trung 
Quốc, trang 62 (bản tiếng Trung).
SUMMARY 
Study on the utilization of the chemicals DMT-601 A/B for preventing landslides 
in the fully mechanized longwall at Khe Cham coal company 
Vu Trung Tien, Do Anh Son; Nguyen Van Quang 
Hanoi University of Mining and Geology 
During the coal exploitation process at the longwall faces, due to soft and loose coal, there 
have been the face failures, causing many difficulties in coal mining activities, moving support and 
leading to the interrupted technological links, not only affecting on the labor productivity, mining 
production and working plan but also making unsafe for people working in mine. The study and 
application of alternatives for solving the problems of face failures is essential to maintain normal 
operations for the mine and ensure the safe working conditions for workers.