Những vấn đề cơ bản của matrix converter và nghiên cứu lý thuyết và thực hiện mô phỏng bằng phần mềm matlab

Mở Đầu Điện tử công suất đợc ứng dụng rộng rÃi hầu hết ngành công nghiệp đại Nhờ vào biến đổi đợc xây dựng dựa phần tử bán dẫn công suất (Điôt, Transito,Tiristo,IGBT) cã thÓ khèng chÕ nguån) cã thÓ khèng chÕ nguån lợng điện với tham số thay đổi đợc để cung cấp cho phụ tải điện Do phát triển nh vũ bÃo công nghệ chế tạo phần tử bán dẫn, đà cho đời van bán dẫn với u điểm nh chuyển mạch nhanh, tính dòng áp cao, chắn, hiệu suất cao, độ tin cậy đảm bảo, dẫn đến khả chiếm u hoàn toàn biến đổi điện tử công suất mà điển hình biến tần, biến đổi dùng để biến đổi nguồn điện áp với thông số điện áp tần số không đổi, thành nguồn điện áp với thông số điện áp tần số thay đổi đợc Sự đời biến tần Matrix Converter, (thực chất biến tần làm việc trực tiếp với lới điện) phát triển vợt bậc điện tử công suất, có ý nghĩa lớn việc biến đổi điện Cùng với hoàn thiện kỹ thuật điện tử công suất phát triển kỹ thuật vi xử lý, kỹ thuật điều khiển số cộng với hệ thống điều khiển tự động truyền động điện thông minh đại đà cho phép tạo nên hệ thống truyền động Matrix Converter /Động Cơ làm việc chắn, tin cậy hiệu suất cao, dải điều khiển rộng, đảm bảo chức bảo vệ nh điều khiển xác trình chuyển mạch vốn đòi hỏi nghiêm ngặt Matrix converter (MC) u biến tần truyền thống nhờ khả trao đổi lợng với lới cách liên tục, hiệu suất cao có lần biến đổi điện năng, qua khâu trung gian tích luỹ lợng, cho phép thực hÃm tái sinh lợng trả lới điện mà không cần có mạch điện phụ Vợt qua đợc hạn chế biến tần trực tiếp, tần số điều chỉnh bị giới hạn tần số nguồn cung cấp Ngoài tích hợp với động vào thiết bị đơn để giảm kích thớc, giá thành, tăng hiệu suất độ tin cậy thiết bị, làm việc góc phần t Matrix Converter cho phép điều chỉnh đợc hệ số công suất cos () đầu vào, cho dòng vào áp có dạng hình sin Cùng với việc khắc phục nhợc điểm cố hữu nh tỷ số truyền áp tối đa thấp, số lợng van bán dẫn mạch lực nhiều gây khó khăn vấn đề điều khiển, đuờng thoát lợng tự nhiên (free-wheeling) tụ nối chiều nên mạch bảo vệ phức tạp tạo xu hớng ph¸t triĨn réng r·i cho Matrix Converter c¸c øng dụng công nghiệp mà bị bá ngá Thùc hiƯn c«ng viƯc thiÕt kÕ mét điều khiển truyền động điện động dựa mô hình Matrix Converter liên quan đến vấn đề sau: - Điện tử công suất: khoá hai chiều, tổn hao, bảo vệ, chuyển mạch) khống chế nguồn - Truyền động điện: thuật toán điều khiển động cơ, PWM, không gian vector) khống chế nguồn - Lập trình DSP, VXL, thiết kế mạch in Với vấn đề rộng phức tạp nh vậy, khuôn khổ thời gian có hạn, đồ án đề cập đến vấn đề Matrix Converter nghiên cứu lý thuyết thực mô phần mềm Matlab/simulink dựa thuật toán điều biến tác giả Venturini Bản đồ án đóng góp vào bớc sinh viên ngành TĐH trờng ĐHBKHN đề tài - phơng pháp biến tần Matrận Bổ xung thêm đề tài có nhiều hứa hẹn phát triển ứng dụng thực tế tong lai gần Trong thời gian làm đồ án ,với nỗ lực thân bạn nhóm dới bảo tận tình thầy giáo hớng dẫn Trần Trọng Minh em đà hoàn thành đồ án hạn định Mặc dù đà cố gắng nhng thời gian hạn chế, thân trình độ có hạn nên đồ án chắn không tránh khỏi thiếu sót, mong nhận đợc bảo, đóng góp ý kiến thầy cô nh bạn sinh viên quan tâm Chơng I: Matrix Converter vấn đề I.1 khái niệm Matrix Converter I.1.1 Sù ph¸t triĨn cđa Matrix Converter Thêi gian gần đà có nhiều ngời quan tâm đến bé biÕn tÇn ma trËn trùc tiÕp AC-AC dïng truyền động thay đổi tốc độ động cảm ứng Một ngời đề xuất Gyugyi Pelly (năm 1976) đà nguyên tắc hoạt động biến tần trực tiếp sử dụng khoá điều khiển đợc chiều để nhận đợc tần số đầu không bị hạn chế Nhợc điểm mạch xuất nhiều hài bậc cao không mong muốn dòng vào áp dùng lọc dễ dàng loại bỏ Vấn đề đà đợc vợt qua nhờ Venturini Alesina (năm 1980-1981), Hai ngời đà đa thuật toán điều biến PWM tạo dòng điện vào điện áp hình sin với tần số biến thiên đồng thời điều khiển đợc hệ số công suất đầu vào Đến năm 1989 ông cách điều chỉnh lại thuật toán ban đầu đà tạo đợc tỉ số truyền điện áp điện áp vào tối đa (là 0,86) điều khiển đợc trọn vẹn cos đầu vào giới hạn điện áp cos đầu Năm 1991 In Roy April, Ishiguro đa lớp thuật toán vô hớng nhờ dựa việc so sánh vô hớng giá trị điện áp vào tức thời tạo dòng điện hình sin theo nguyên tắc dòng điện vào pha tỉ lệ với điện áp vào pha chu kỳ lấy mẫu Vấn đề thời gian thực thuật toán điều khiển yêu cầu nhiều lần so sánh lần lấy mẫu yêu cầu thời gian tính toán vi xử lý cao Tiếp theo phơng pháp điều khiển tạo điện áp đầu sử dụng điều biến vector không gian vector (Space Vector Modulation-SVM), thuật toán điều khiển sử dụng phơng pháp điều biến độ rộng xung(Pulse Width Modulation-PWM) cải thiện đáng kể dạng sóng điện áp nhiên chất lợng dạng sóng dòng điện vào bị suy giảm Những nghiên cứu khác gần đây(1992-1998) chủ yếu tập trung vào việc tăng hiệu suất Matrix Converter cách giảm tối đa tổn hao đóng cắt nhờ thực dòng zero đóng áp zero mở nhng đòi hỏi phần tử phụ thêm vào cấu trúc khoá chiều Năm 1993 Wheeler Grant đa phơng pháp chuyển mạch dòng điện semi-soft giảm đáng kể tổn hao đóng cắt đồng thời chuyển mạch tin cậy chắn.Hiện nghiên cứu chủ yếu thuật toán điều biên tối u với khía cạnh thiết kế mạch công suất gọn nhẹ môđun tích hợp động cơ, bù ảnh hởng điện áp vào không cân bằng, vấn đề bảo vệ Matrix Converter ) khống chế nguồn Hình 1.1 Cấu trúc tổng quát cđa ma trËn kho¸ chiỊu I.1.2 Kh¸i niƯm Matrix Converter Matrix Converter biến tần trùc tiÕp chun m¹ch cìng bøc tèt, cã thĨ nèi n pha vào có tần số điện áp cố định U1, f1 với m pha đầu có tần số điện áp biến thiên U2, f2 Với ứng dụng công nghiệp chủ yếu n=m=3 cấu hình thờng gặp (Hình 2) Trong bé Matrix Converter 33 gåm cã mét ma trËn khoá chiều (BiDirectional Switch-BDS) đợc xếp thành nhóm, nhóm tơng ứng với pha đầu Víi c¸ch bè trÝ nh vËy, Matrix Converter sÏ nèi đầu vào a, b, c với đầu A, B, C, thời ®iĨm Ma trËn c¸c kho¸ chiỊu ®a  Cni (i=0 9)= 512 khả kết hợp, để tạo trạng thái đóng cắt khoá, nhng có 27 trạng thái thích hợp, vì, đầu vào Matrix Converter nh nguồn áp pha, đầu nh nguồn dòng pha, thực đóng cắt khoá phải tuân theo luật sau, để đảm bảo không ngắn mạch nguồn áp, hở mạch nguồn dòng + Không đợc nối đầu vào khác tới đầu gây ngắn mạch đầu vào dẫn tới tợng dòng điện + Không đợc hở mạch đầu Matrix Converter với tải cảm gây tợng áp S11 S12 A S13 a a b c S21 b S22 B S23 c A S31 S32 C B C b) S33 H×nh 1-2 CÊu tróc pha cđa Ma trËn khoá chiều a) a)Mạch điện b) ký hiệu Việc ®iỊu khiĨn ®iƯn ¸p ra, nhê c¸ch thùc hiƯn ®ãng cắt khoá (với trạng thái cho phép), theo thứ tự đợc xác định trớc Nh giá trị trung bình điện áp phụ thuộc vào dạng sóng điện áp mong muốn tạo từ điện áp vào dạng sóng điện áp ra, gồm chủ yếu thành phần có tần số mong muốn với thành phần tần số cao dóng cắt sinh ra, mà loại bỏ đợc nhờ lọc LC đầu ra, điện cảm tải Phía nguồn, dòng điện vào đợc tạo đoạn dòng điện đoạn không, mà đoạn không dòng điện không trở nguồn mà tuần hoàn chạy quẩn ma trận khoá Phổ dòng vào chủ yếu gồm thành phần tần số nguồn cung cấp thành phần tần số cao, mà có lọc đầu vào bị loại trừ để mong muốn tạo dòng điện vào hình sin Matrix Converter thực đợc việc biến đổi tần số điện áp trực tiếp AC-AC mà không cần thành phần tích trữ lợng trung gian I.1.3 So sánh Matrix Converter loại biến tần có Biến tần chia làm loại lớn  BiÕn tÇn trùc tiÕp BiÕn BiÕn tÇn trùc tiÕp tÇn BiÕn tÇn trùc tiÕp trùc BiÕn tÇn trùc tiÕp tiếp Biến tần trực tiếp Mạch van U~ f1 U~ f2 Hình 1-3 Cấu trúc biến tần trực tiếp Điện áp vào xoay chiều U1 tần số f1 cần qua mạch van chuyển tải với tần số khác, biến tần có hiệu suất biến đổi lợng cao, thêm vào khả thực tái sinh lợng trở lới mà không cần có mạch điện phụ Tuy nhiên sơ đồ mạch phức tạp, có số lợng van lớn, với mạch pha Việc thay đổi tần số f khó khăn phụ thuộc vào f 1, chủ yếu có biến tần loại với phạm vi điều chỉnh f2 f1 Biến tần trực tiÕp BiÕn BiÕn tÇn trùc tiÕp tÇn BiÕn tÇn trùc tiếp gián Biến tần trực tiếp tiếp Biến tần trực tiÕp U= U1~ ChØnh f1~ lu U= Läc U2~ NGHÞCH LƯU độc LậP f2 f2~ tần gián tiếp Điện áp xoayHình chiều1-4 đầuCấu tiêntrúc đợcbiến chuyển thành chiều nhờ mạch chỉnh lu, sau qua lọc biến trở điện áp xoay chiều với tần số f Việc biến đổi lợng lần làm giảm hiệu suất biến tần, bù lại loại biến tần cho phép dễ dàng thay đổi tần số f không phụ thuộc f1 dải tần rộng lẫn dới f1 tần số phụ thuộc vào mạch điều khiển Hơn với sù øng dơng hƯ ®iỊu khiĨn nhê kü tht sè vi xử lý dùng van lực loại tranzitor đà cho phát huy tối đa u điểm loại biến tần đa số biến tần biến tần có khâu trung gian chiều Tuy nhiên dùng van tiristo số khó khăn định giải vấn đề khoá van Chức khâu biến tần gián tiếp : - Khâu chỉnh lu Chỉnh lu trình biến dòng điện xoay chiều thành chiều - Khâu lọc + Đóng vai trò kho tích trữ lợng dới dạng nguồn áp, dùng tụ điện dới dạng nguồn dòng dùng cuộn cảm + Nhờ có khâu trung gian chiều, phía nghịch lu làm việc tơng đối độc lập với phía chỉnh lu - Khâu nghịch lu độc lập Nghịch lu độc lập trình biến đổi lợng điện chiều thành lợng điện dòng xoay chiều với tần số, giá trị điện áp, số pha, thứ tự pha trình chuyển mạch dòng điện pha thân nghịch lu định, không phụ thuộc vào nguồn điện xoay chiều khác BiÕn tÇn trùc tiÕp Sù BiÕn tÇn trùc tiÕp gièng Biến tần trực tiếp Biến tần trực tiếp khác Biến tần trực tiếp Biến tần trực tiếp BiÕn tÇn trùc tiÕp Matrix BiÕn tÇn trùc tiÕp Converter Biến tần trực tiếp Biến tần trực tiếp Biến tần trực tiếp loại Biến tần trực tiếp biến Biến tần trực tiếp tần a) Matrix Converter biến tần trực tiếp - Matrix Converter thực chất biến tần trực tiếp nên có u, nhợc điểm biến tần trực tiếp nh sau: + Nối trực tiếp lới tải không qua khâu trung gian nên hiệu suất truyền động cao + Trao đổi lợng với lới cách liên tục, có khả tái sinh lợng không cần mạch phụ + Số lợng van bán dẫn nhiều, sơ đồ van luật điều khiển phức tạp - Tuy nhiên Matrix Converter vợt trội so với biến tần trực tiếp : + Khả tạo đợc điện áp có tần số không hạn chế, lớn tần số nguồn cung cấp f1 + Có thể điều chỉnh đợc hệ số công suất đầu vào cos i, độ lệch pha dòng áp vào ( i ) > 0, = 0, hc < + Do dùng van chiều nên hoạt động góc phần t mà không cần tác động vào phía đầu vào b) Matrix Converter biến tần gián tiếp - Một số u điểm biến tần gián tiếp đợc ứng dụng công nghệ Matrix Converter + Vì Matrix Converter đợc phân tích nh biến đổi gồm tầng biến đổi, tầng chỉnh lu tầng nghịch lu, nên sử dụng phơng pháp điều biến độ rộng xung (PWM) hay đợc dùng với biến tần nguồn áp, cho tầng nghịch lu để đạt đợc chất lợng điện áp tốt cho động cơ, tần số điện áp đợc điều chỉnh trơn không bị giới hạn tần số vào + Thực nối trực tiếp tầng chỉnh lu nguồn dòng PWM với tầng nghịch lu, mục đích để tạo khả trao đổi công suất phản kháng lới tải - Những điểm khác có ý nghĩa lớn Matrix Converter biến tần gián tiếp là: + Không thành phần tích lợng phản kháng trung gian cuộn cảm lín hay tơ mét chiỊu cã ti thä h¹n chÕ, giảm đợc kích thớc biến tần, tạo khả tích hợp Matrix Converter môđun gắn động cơ, giúp hệ truyền động gọn nhẹ linh hoạt + Không cần chỉnh lu mạch lực để tạo điện áp chiều, dòng vào Matrix Converter có dạng sin (vì khâu chỉnh lu làm dòng vào không sin, hệ số công suất thấp) Bảng i thể so sánh số lợng van bán dẫn MC biến tần nguồn áp có chỉnh lu cầu điot, với biến tần nguồn áp (back to back) có chỉnh lu điều khiển biến tần, có chúc dẫn dòng công suất chảy theo hớng tạo dòng vào hình sin Có thể thấy tụ nối chiều điện cảm đầu vào sử dụng biến tần (back to back) đợc thay van bán dẫn thêm vào giải pháp Matrix Converter Công nghệ MC Biến tần back to back Biến tần với chỉnh lu không điều khiển Khóa điều khiển hoàn toàn 18 12 Diot cắt nhanh Diot chỉnh lu Tụ hoá lớn điện cảm lớn 18 12 0 6 Bảng 1: So sánh số lợng van bán dẫn Matrix Converter với loại VSI Nếu van đóng cắt đợc sử dụng khoá hai chiều Matrix Converter có khả chặn điện áp ngợc ví dụ MTO tạo khoá chiều cách mắc song song ngợc hai van mà không cần thêm điốt phục hồi nhanh Điều dẫn tới biến tần nhỏ gọn có tiềm cải thiện hiệu suÊt thùc tÕ cao c Lý x©y dùng Matrix Converter Matrix Converter đợc coi có nhiều u so với loại biến tần truyền thống Vì thực đợc việc biến đổi tần số điện áp, mà không cần có thêm phần tử tích lợng trung gian, nh tụ điện có tuổi thọ hạn chế hay cuộn cảm có kích thớc lớn để nối chiều, nh không yêu cầu nhiều tầng biến đổi công suất hiệu suất đợc tăng lên rõ rệt hoạt động tần số đóng cắt cao Vì gồm khoá chiều nên tạo dòng chảy công suất theo hớng lới đến tải tải lới, dẫn đến khả tái sinh lợng trả lới, đồng thời hoạt động góc phần t mà không cần điều chỉnh phía đầu vào biến đổi, động dễ dàng chuyển đổi chế độ làm việc từ chế độ động sang chế độ hÃm tái sinh ngợc lại Nhờ sử dụng kỹ thuật điều biến (PWM) nên tạo dạng sóng áp dòng vào hình sin, có khả điều chỉnh hệ số công suất đầu vào, tức điều chỉnh đợc góc lệch pha dòng áp vào dẫn trớc, chậm sau hay không đổi bất chấp loại tải khác Matrix Converter đợc coi giải pháp toàn silíc all silicon cho biến đổi công suất trực tiếp AC-AC, nhờ khả tích hợp cao, chịu đợc điều kiện nhiệt độ cao, độ tin cậy đợc đảm bảo chất bán dẫn đợc chế tạo từ nguyên tố Si Vì Matrix Converter công nghệ lý tởng tơng lai cho ứng dụng có nhiệt độ cao kích thớc nhỏ gọn, không cần tụ điện thuận lợi có ý nghĩa tụ chịu đợc nhiệt độ cao thờng đắt I.1.4 Khó khăn xu hớng nghiên cứu a) Những khó khăn Bên cạnh u kể trên, bất lợi lớn khiến Matrix Converter đà khả cạnh tranh thị trờng tỉ số truyền điện áp bị hạn chế (tối đa 0,86) Thêm vào số lợng van bán dẫn nhiều (18 IGBT 18điôt FRD) cần để xây dựng Matrix Converter, ®ã dÉn ®Õn vÊn ®Ị ®iỊu khiĨn phức tạp, đồng thời môđun công suất cha đợc sản xuất cách tối u Những bất lợi khác khả chống lại dao động điện áp phía nguồn kém, nh cần có mạch phụ gồm phần tử phản kháng để cải thiện dạng sóng dòng vào, đồng thời để bảo vệ Matrix Converter chống lại cố xảy dòng áp Tuy lợng tổn hao phần tử phản kháng nhỏ nhiều so với biến tần có phần tử nối chiều, nhng làm tăng kích thớc giá thành Matrix Converter, làm giảm u Matrix Converter so với biến tần truyền thống Vì đờng thoát lợng (free wheeling) thông với tải, nên xảy cố ngắt nguồn đột ngột nguồn lỗi chuyển mạch, tải có tính cảm kháng, lợng đợc tích luỹ điện cảm ba pha động không đợc giải phóng gây áp đầu ra, mạch bảo vệ (clamp snubber) làm phá huỷ van công suất Vì thời gian để phát tín hiệu điều khiển trình đóng cắt phải yêu cầu khắt khe xác, đồng thời vấn đề bảo vệ mạch công suất điều kiện gặp cố cần đợc quan tâm xem xét cẩn thận b) Xu hớng nghiên cứu Các xu hớng nghiên cứu + Nhằm cải thiện ảnh hởng tác động từ lới, + Tăng cờng hiệu suất truyền động hoạt động tần số đóng cắt cao + Giảm kích thớc hệ truyền động Matrix Converter cách tích hợp tất cấu trúc silicon phức tạp (khoá chiều) môđun công suất Tích hợp mạch bảo vệ, khối logic điều khiển chuyển mạch, nguồn cách ly mạch điều khiển, gate driver bảng mạch điện tử gọi PEBB I.2 khoá chiều matrix converter I.2.1 Quá trình lợng Matrix Converter Ta biết Matrix Converter có khả trao đổi lợng với lới cách liên tục, đồng thời phát công suất phản kháng trở lại lới tiêu thụ Q Điều có ý nghĩa truyền động dùng Matrix Converter với công suất lớn, ảnh hởng đến lới đáng kể, tổn hao hạn chế đợc lớn Để thực đợc điều cần có khoá chiỊu cÊu tróc cđa Matrix Converter ®Ĩ cã thể dẫn dòng theo chiều lới đến tải tải lới I.2.2 Cấu trúc khoá chiều Matrix Converter yêu cầu khoá hai chiều để trao đổi lợng với lới Khoá hai chiều phải có khả điều khiển hoàn toàn đợc chiều dòng điện hai hớng chặn điện áp dơng âm Tuy nhiên van bán dẫn đáp ứng đợc yêu cầu đó, van điều khiển hoàn toàn theo chiều riêng rẽ đợc kết hợp lại để tạo khoá Các van thờng đợc sử dụng để tạo khoá chiều IGBT, van MOSFET, MCT, IGCT đợc sử dụng a) Đặc ®iĨm cđa van IGBT ( Isulated Gate Bipolar Transistor ) Thực chất transistor công suất có cực điều khiển cách ly IGBT kết hợp u điểm van MOSFET đóng cắt nhanh, nên tạo thay đổi công suất nhanh u điểm transistor thờng chịu đợc tải có dòng áp lớn nên có tổn hao dẫn dòng thấp Là phần tử đợc điều khiển điện áp, công suất điều khiển nhỏ không đáng kể Nh điều khiển trực tiếp IGBT đầu vi mạch công suất nhỏ C G H×nh 1-5 EKý hiƯu mét IGBT IGBT cã thêi gian đóng cắt nhanh transistor thờng, thời gian trễ më cì 0.15s , gièng nh ®èi víi MOSFET Thêi gian trễ khoá 1s, giống nh với transistor thờng Dạng tín hiệu điều khiển thờng 15v mở -15v khoá (hình 1.6) +15v C G E -15v on off on b C¸c cÊu tróc khóa chiều Hình 1-6 Mạch tín hiệu ®iỊu khiĨn BiÕn tÇn trùc tiÕp * BiÕn tÇn trùc tiÕp BiÕn tÇn trùc tiÕp BiÕn tÇn trùc tiÕp CÊu BiÕn tÇn trùc tiÕp tróc BiÕn tÇn trùc tiếp cầu Biến tần trực tiếp diode Khoá hai chiều gồm: IGBT khoá Hình 1-7 :làcấu trúcmột cầuchiều điốt tâm cầu diode pha nh ( h×nh 1-7)