nghiên cứu, xây dựng biến tần kiểu ma trận

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI ***** Trần Trọng Minh NGHIÊN CỨU, XÂY DỰNG BIẾN TẦN KIỂU MA TRẬN Chuyên ngành : Tự động hoá xí nghiệp công nghiệp Mã số : 62.52.60.20 LUẬN ÁN TIẾN SỸ KỸ THUẬT NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC PGS.TS. BÙI QUỐC KHÁNH HÀ NỘI - 2007 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết quả trong luận án là hoàn toàn trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào. Tác giả luận án Trần Trọng Minh. - 1 - MỤC LỤC MỞ ĐẦU 9 Chương 1 TỔNG QUAN VỀ BIẾN TẦN KIỂU MA TRẬN 12 1.1 Biến tần, bộ biến đổi năng lượng quan trọng trong công nghiệp …………………………………………………………………………….12 1.2 Các yêu cầu về đảm bảo thành phần sóng hài đối với các bộ biến đổi bán dẫn công suất 14 1.3 Biến tần kiểu ma trận (Matrix Converter – MC) 17 1.3.1 Cấu hình cơ bản của MC 18 1.3.2 Bộ lọc đầu vào (input filter) 19 1.3.3 Mạch Clamp 21 1.3.4 Ma trận khoá đóng cắt hai chiều (Bidirectional Switch - BDS) 21 1.4 Các dạng Matrix Converter khác 23 1.4.1 Dạng MC gián tiếp 23 1.4.2 Dạng MC gián tiếp ít van (SMC) 24 1.4.3 Dạng MC gián tiếp rất ít van (USMC) 24 1.4.4 Biến tần 4Q 25 1.4.5 So sánh số lượng phần tử trong các sơ đồ biến tần 26 1.5 Tình hình nghiên cứu về Matrix Converter 26 1.5.1 Lịch sử phát triển 26 1.5.2 Các phương pháp điều chế 27 1.5.3 Module mạch lực 29 1.5.4 Vấn đề điều khiển chuyển mạch các van bán dẫn 29 1.5.5 Ảnh hưởng của điện áp trên lưới đối với MC 30 1.5.6 Phát triển các ứng dụng của MC 31 1.6 Kết luận chương 1 32 Chương 2 VẤN ĐỀ CHUYỂN MẠCH TRONG MA TRẬN KHOÁ HAI CHIỀU ………………………………………………………………34 2.1 Quy tắc thực hiện quá trình chuyển mạch 34 2.2 Các kỹ thuật chuyển mạch trong MC 35 2.2.1 Chuyển mạch bốn bước 35 2.2.2 Chuyển mạch hai bước 37 - 2 - 2.2.3 Chuyển mạch một bước 38 2.2.4 Chuyển mạch thông minh 39 2.3 Chuyển mạch cộng hưởng 41 2.4 Chuyển mạch trong quá trình quá độ 42 2.5 Kết luận chương 2 44 Chương 3 CÁC PHƯƠNG PHÁP BIẾN ĐIỆU TRONG BIẾN TẦN MA TRẬN ………………………… 46 3.1 Vấn đề biến điệu bề rộng xung trong biến tần ma trận 46 3.2 Phương pháp Venturini-Alesina (VA) 46 3.2.1 Hệ phương trình và lời giải 46 3.2.2 Mô phỏng thuật toán Venturini-Alesina 51 3.3 Phương pháp biến điệu vectơ không gian gián tiếp 54 3.3.1 Sơ đồ MC điều biến gián tiếp 54 3.3.2 Điều biến vectơ không gian cho phía chỉnh lưu 55 3.3.3 Điều biến vectơ không gian cho phía nghịch lưu 57 3.3.4 Kết hợp giữa chỉnh lưu và nghịch lưu 59 3.4 Ứng dụng phương pháp biến điệu vectơ không gian gián tiếp cho sơ đồ MC cơ bản 59 3.4.1 Các tổ hợp van tương đương 59 3.4.2 Sơ đồ điều chế vectơ không gian gián tiếp cho MC 61 3.4.3 Tuần tự đóng cắt của các van trong một chu kỳ cắt mẫu 63 Chương 4 PHƯƠNG PHÁP BIẾN ĐIỆU VECTƠ KHÔNG GIAN TRỰC TIẾP ………………………… 64 4.1 Phương pháp vectơ không gian trong MC 64 4.1.1 Xác định vectơ không gian 64 4.1.2 Tổng hợp vectơ điện áp ra và vectơ dòng điện vào 70 4.2 Đồng bộ vectơ dòng điện vào với điện áp lưới đầu vào 71 4.3 Xác định các hệ số biến điệu 72 4.4 Trường hợp hệ số công suất gần lý tưởng 75 4.5 Thứ tự thực hiện các vectơ 77 - 3 - 4.6 Thực hiện quy luật biến điệu 78 4.6.1 Xác định vị trí của các vectơ không gian 78 4.6.2 Lựa chọn các tổ hợp van và thứ tự thực hiện các vectơ chuẩn 79 4.7 Mô phỏng MC biến điệu vectơ không gian trực tiếp 80 4.7.1 Mô hình 80 4.7.2 Kết quả mô phỏng 82 4.8 Kết luận của chương 4 82 Chương 5 XÂY DỰNG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN CHO BIẾN TẦN KIỂU MA TRẬN 86 5.1 Cấu trúc của hệ thống điều khiển biến tần kiểu ma trận 86 5.2 Khâu tính toán quy luật biến điệu 87 5.3 Khâu điều khiển lôgic 89 5.3.1 Lựa chọn các tổ hợp van 89 5.3.2 Lôgic điều khiển quá trình chuyển mạch 90 5.3.3 Mô phỏng hệ thống điều khiển chuyển mạch 93 5.4 Thiết kế mạch lôgic điều khiển chuyển mạch dùng CPLD 95 5.4.1 Cấu trúc cơ bản của CPLD 95 5.4.2 Lập trình cho mạch điều khiển lôgic 97 5.4.3 Mô phỏng mạch lôgic trên WINSIM 99 5.4.4 Kết quả thực nghiệm 101 5.5 Kết luận chương 5 103 Chương 6 MỘT SỐ VẤN ĐỀ LIÊN QUAN ĐẾN ỨNG DỤNG THỰC TẾ CỦA MC …………………………108 6.1 Đảm bảo chất lượng dòng đầu vào trong điều kiện điện áp lưới mất cân bằng 108 6.1.1 Biểu thức tổng quát tính toán dòng đầu vào 109 6.1.2 Đồng bộ theo vectơ điện áp đầu vào 110 6.1.3 Đồng bộ với vectơ điện áp vào hiệu 111 6.1.4 Đồng bộ với thành phần thứ tự thuận trong vectơ điện áp vào 111 6.2 Ứng dụng MC trong DTC 113 6.2.1 Sơ đồ MC-DTC 113 6.2.2 Mô phỏng 116 - 4 - 6.3 So sánh biến tần ma trận và biến tần công nghiệp 119 6.3.1 Mô tả thí nghiệm 119 6.3.2 Kết quả thí nghiệm 123 6.4 Kết luận 126 KẾT LUẬN VÀ CÁC ĐỀ XUẤT 127 Danh mục những công trình của tác giả 129 Tài liệu tham khảo 130 PHỤ LỤC 135 - 5 - Danh mục hình vẽ Hình 1.1 Sơ đồ cấu trúc biến tần có khâu trung gian một chiều. 13 Hình 1.2 Sơ đồ nguyên lý biến tần trực tiếp. 13 Hình 1.3 Sự xuất hiện xung điện áp trong sơ đồ chỉnh lưu cầu 16 Hình 1.4 Cấu hình cơ bản của MC. 18 Hình 1.5 Mạch lọc đầu vào 19 Hình 1.6 Các khoá 2 chiều: a) E chung; b) C chung; c) IGBT trong cầu điôt 22 Hình 1.7 Sơ đồ mạch lực MC 3 pha dùng IGBT mắc E chung 22 Hình 1.8 Sơ đồ mạch lực MC 3 pha dùng IGBT mắc C chung 23 Hình 1.9 Sơ đồ MC gián tiếp. 23 Hình 1.10 Sơ đồ MC gián tiếp dạng ít van (SMC) 24 Hình 1.11 Sơ đồ MC gián tiếp dạng rất ít van (USMC). 25 Hình 1.12 Sơ đồ biến tần 4Q 25 Hình 2.1 Chuyển mạch trong nghịch lưu thường 34 Hình 2.2 Sơ đồ mô tả quá trình chuyển mạch 35 Hình 2.3 Đồ thị tín hiệu điều khiển chuyển mạch 35 Hình 2.4 Trạng thái logic các van trong chuyển mạch bốn bước. 36 Hình 2.5 Trạng thái lôgic của van trong chế độ chuyển mạch 2 bước 37 Hình 2.6 Tín hiệu điều khiển van khi dòng đổi chiều. 37 Hình 2.7 Quá trình chuyển mạch một bước. (a) I L >0; (b) I L <0. 38 Hình 2.8 Cấu trúc mạch điều khiển chuyển mạch thông minh. 40 Hình 2.9 Đồ thị thời gian quá trình chuyển mạch khi dòng đổi chiều 40 Hình 2.10 Đồ thị trạng thái chuyển mạch theo phương pháp chuyển mạch thông minh. 41 Hình 2.11 Mô hình khoá mềm. a) Phần tử chuyển mạch đóng cắt mềm E chung; b) Phần tử chuyển mạch đóng cắt mềm cầu điôt. 41 Hình 2.12 Trạng thái lựa chọn điện áp U A , U B và các điôt DA2, DB1 làm điôt ngược. 42 Hình 2.13 Trạng thái trung gian chuyển đổi từ pha B sang pha C. 43 Hình 2.14 Dòng điện bị suy giảm nhanh dưới tác dụng của hệ thống điôt ngược (kết quả mô phỏng). 44 Hình 2.15 Mô hình mô phỏng mạch điều khiển quá trình chuyển mạch dùng ToolBox StateFlow. 45 Hình 3.1 Hình ảnh điện áp ra lớn nhất q m = 0,5. 50 Hình 3.2 Mô tả tỷ số truyền áp bằng 0.866 51 Hình 3.3 Sơ đồ mô phỏng MC một pha 52 Hình 3.4 Sóng điện áp pha ra, f 0 =70Hz, tải R=100 Ω , L=80mH. 53 Hình 3.5 Sóng điện áp đầu vào và dòng điện vào(x30). 53 Hình 3.6 Sóng điện áp dây và dòng điện, f 0 =70Hz, tải R=100 Ω , L=80 mH. 54 Hình 3.7 Mô hình MC biến điệu gián tiếp. 55 Hình 3.8 Các vectơ dòng điện vào. 57 Hình 3.9 Các vectơ điện áp ra. 59 Hình 3.10 Số van tham gia để tạo ra pha đầu ra A. 60 - 6 - Hình 3.11 Vectơ dòng điện và vectơ điện áp đều nằm trong góc phần sáu thứ nhất. 61 Hình 3.12 Trình tự điều khiển các khoá trong MC ứng với (3.38) 63 Hình 4.1 Sơ đồ cấu trúc của MC 66 Hình 4.2 Các tổ hợp van trong matrix converter 67 Hình 4.3 Vectơ không gian điện áp đầu ra (a) và dòng điện đầu vào (b), ứng với các tổ hợp van abb, bcc, caa. 68 Hình 4.4 (a) Vectơ không gian điện áp ra; (b) Vectơ không gian dòng điện vào. 68 Hình 4.5 Đồng bộ điện áp lưới đầu vào với các sector dòng đầu vào. 71 Hình 4.6 Tổng hợp vectơ không gian từ các vectơ biên chuẩn 76 Hình 4.7 Mô hình mô phỏng bộ biến tần Matrix Converter trên MATLAB SIMULINK. 80 Hình 4.8 Khóa chuyển mạch hai chiều dùng IGBT. 81 Hình 4.9 Dạng điện áp, dòng đầu vào (trên); Dạng điện áp, dòng đầu ra (dưới). 83 Hình 4.10Dòng đầu vào biến tần và phân tích phổ Furiê (có mạch lọc đầu vào). 84 Hình 4.11 Dạng điện áp ngay đầu vào biến tần và phân tích phổ Furiê 84 Hình 4.12 Dạng điện áp đầu ra biến tần và phân tích phổ Furiê 85 Hình 4.13 Dạng dòng điện đầu ra biến tần và phân tích phổ Furiê 85 Hình 5.1 Sơ đồ cấu trúc hệ thống điều khiển trong MC. 86 Hình 5.2 Sơ đồ cấu trúc khâu tính toán dùng DSP 88 Hình 5.3 Sơ đồ mạch lực MC 88 Hình 5.4 Quá trình chuyển mạch bốn bước giữa pha Ua và pha Ub 90 Hình 5.5 Đồ thị thời gian các bước chuyển mạch. 91 Hình 5.6 Đồ thị quả bóng trạng thái chuyển mạch giữa hai pha đầu vào. 92 Hình 5.7 Trạng thái lôgic trong chuyển mạch ba pha 92 Hình 5.8 Kết quả mô phỏng. 94 Hình 5.9 Cấu trúc chung của CPLD 95 Hình 5.10 Cấu trúc của một macrocell 96 Hình 5.11 Lôgíc trạng thái trong WINCUPL. 98 Hình 5.12 Kết quả mô phỏng thực hiện lôgic bảng chọn. 100 Hình 5.13 Mô hình MC thử nghiệm. 102 Hình 5.14 Tín hiệu điều khiển tới hai khóa BDS chuyển mạch với nhau. 103 Hình 5.15 Dạng xung điều khiển đưa đến hai IGBT trong một BDS. 104 Hình 5.16 Dạng điện áp ra với điều khiển chuyển mạch 4 bước (20mS/ô) 104 Hình 5.17 Dạng dòng điện đầu ra. 105 Hình 5.18 Dạng điện áp ra với thời gian quét 5mS/ô 105 Hình 5.19 Dạng điện áp ra ở nửa chu kỳ dương. 106 Hình 5.20 Dạng điện áp ra ở nửa chu kỳ âm 106 Hình 5.21 Dạng dòng đầu vào (kênh 3) và dạng điện áp đầu vào (kênh 4) khi động cơ đảo chiều quay. 107 Hình 5.22 Mô hình thí nghiệm MC với phụ tải động cơ 108 Hình 6.1 Các khả năng chọn vectơ đồng bộ. 108 Hình 6.2 Sơ đồ cấu trúc hệ thống MC-DTC. 114 Hình 6.3 Vectơ không gian của MC 114 - 7 - Hình 6.4 Vectơ không gian trong sơ đồ DTC cơ bản. 115 Hình 6.5 Góc pha xác định theo thành phần d-q Phi_PQ và theo phân tích Furiê Phi_P+N. 117 Hình 6.6 Đồng bộ với vectơ i e theo d-q. 118 Hình 6.7 Đồng bộ với vectơ i e theo Furiê 118 Hình 6.8 Đồng bộ với vectơ ip in ee ∗ − 118 Hình 6.9 Đồng bộ với vectơ ip e 118 Hình 6.10 Thiết bị thí nghiệm tạo tải cho động cơ. 120 Hình 6.11 Biến tần so sánh SP1403 của Control Techniques. 121 Hình 6.12 Biến tần thí nghiệm MC01. 121 Hình 6.13 Hình dạng điện áp, dòng đầu vào của biến tần so sánh 124 Hình 6.14 Phân tích chất lượngđiện áp, dòng đầu vào của biến tần so sánh. 124 Hình 6.15 Hình dạng điện áp, dòng đầu vào của biến tần MC. 125 Hình 6.16 Phân tích chất lượng điện áp, dòng đầu vào biến tần MC. 125 - 8 - Danh mục bảng Bảng 1.1 Giới hạn cho phép về độ méo sóng hài điện áp theo tiêu chuẩn IEEE Std 519-1992. 15 Bảng 1.2 Giới hạn thành phần sóng hài đối với dòng điện theo tiêu chuẩn IEEE Std 519-1992. 17 Bảng 1.3 So sánh số phần tử trong các sơ đồ bộ biến tần khác nhau. 26 Bảng 2.1 Các trường hợp chuyển mạch giữa hai pha A và B, dấu “+” tương ứng với I L >0, U AB >0, chuyển mạch từ A sang B, dấu “- ” tương ứng với I L <0, U AB <0, chuyển mạch từ B sang A 36 Bảng 3.1 Trạng thái khoá và các vectơ tương ứng phía chỉnh lưu 56 Bảng 3.2 Trạng thái khoá và các vectơ tương ứng cho phía nghịch lưu 58 Bảng 3.3 Ma trận khóa của MC ứng với các bước chuyển mạch 63 Bảng 4.1 Các tổ hợp van và giá trị của các vectơ chuẩn tương ứng đối với điện áp ra và dòng điện đầu vào. 69 Bảng 4.2 Thứ tự thực hiện các vectơ chuẩn, ứng với vị trí của các vectơ điện áp ra và dòng điện vào tại các góc phần sáu tương ứng. 76 Bảng 4.3 Xác định vị trí của vectơ không gian theo hai tọa độ (Uα, Uβ). 78 Bảng 5.1 Lôgic lựa chọn các tổ hợp van 89 Bảng 5.2 Bảng trạng thái lôgic 91 Bảng 5.3 Trạng thái lôgic của quá trình chuyển mạch ba pha 93 Bảng 6.1 Bảng chọn vectơ trong DTC 115 Bảng 6.2 Bảng chọn các vectơ cho DTC khi sử dụng MC 116 Bảng 6.3 Các số liệu tính toán do PZ4000 cung cấp 122 [...]... thực tế, đề tài xây dựng mẫu thí nghiệm biến tần ma trận, công suất 4 kW, dùng làm cơ sở để thử nghiệm các thuật toán điều khiển khác nhau cũng như để kiểm chứng một số đặc tính về truyền động ứng dụng biến tần Bản luận án bao gồm bảy chương Chương 1, Tổng quan về biến tần kiểu ma trận, trình bày những vấn đề chủ yếu về biến tần kiểu ma trận, những vấn đề về điều khiển cũng như tình hình nghiên cứu về... vì vậy, mục đích của nghiên cứu này là xây dựng một mẫu biến tần ma trận thử nghiệm nhằm đánh giá và chứng minh những khả năng ứng dụng thực tế và các đặc tính ưu việt của loại biến tần này Với việc xây dựng biến tần ma trận hai vấn đề chính phải giải quyết là quy luật biến điệu và điều khiển chuyển mạch giữa các van hai chiều Nhiệm vụ của luận án này chính là xây dựng thuật toán biến điệu và thuật toán... 1,0 0,5 8,0 50 . 20,0 1.3 Biến tần kiểu ma trận (Matrix Converter – MC) Biến tần kiểu ma trận là một dạng biến tần trực tiếp, hay là bộ biến đổi AC-AC. MC là bước phát triển tiếp theo của các biến tần trực. về truyền động ứng dụng biến tần. Bản luận án bao gồm bảy chương. Chương 1, Tổng quan về biến tần kiểu ma trận, trình bày những vấ n đề chủ yếu về biến tần kiểu ma trận, những vấn đề về điều. tạo một mô hình biến tần kiểu ma trận nhằm chứng minh khả năng chế tạo và ứng dụng biến tần này trong phạm vi công nghiệp. Đây là một nhiệm vụ khó khăn vì biến tần kiểu ma trận chưa có các