Đồ án tốt nghiệp điện công nghiệp nghiên cứu sử dụng FPGA trong điều khiển biến tần ma trận

Do sự phát triển như vũ bão của công nghệ chế tạo các phần tử bán dẫn, đã cho ra đờicác van bán dẫn với những ưu điểm như chuyển mạch nhanh, tính năng dòng áp cao,chắc chắn, hiệu suất ca

PHẦN MỞ ĐẦU

Điện tử công suất được ứng dụng rộng rãi trong hầu hết các ngành công nghiệphiện đại Nhờ vào các bộ biến đổi được xây dựng dựa trên các phần tử bán dẫn côngsuất (Điôt, Transito, Tiristo, IGBT…) có thể khống chế nguồn năng lượng điện với cáctham số có thể thay đổi được để cung cấp cho các phụ tải điện

Do sự phát triển như vũ bão của công nghệ chế tạo các phần tử bán dẫn, đã cho ra đờicác van bán dẫn với những ưu điểm như chuyển mạch nhanh, tính năng dòng áp cao,chắc chắn, hiệu suất cao, độ tin cậy đảm bảo, dẫn đến khả năng chiếm ưu thế hoàn toàncủa các bộ biến đổi điện tử công suất mà điển hình là bộ biến tần, là một bộ biến đổidùng để biến đổi nguồn điện áp với các thông số điện áp và tần số không đổi, thànhnguồn điện áp ra với các thông số điện áp và tần số thay đổi được Sự ra đời của bộ biếntần Matrix Converter, (thực chất là một bộ biến tần làm việc trực tiếp với lưới điện) là

sự phát triển vượt bậc của điện tử công suất, có ý nghĩa rất lớn trong việc biến đổi điệnnăng

Matrix converter (MC) ưu thế hơn các biến tần truyền thống nhờ khả năng trao đổinăng lượng với lưới một cách liên tục, hiệu suất rất cao do chỉ có một lần biến đổi điệnnăng, không phải qua khâu trung gian tích luỹ năng lượng, cho phép thực hiện hãm táisinh năng lượng trả về lưới điện mà không cần có mạch điện phụ Vượt qua được nhữnghạn chế của biến tần trực tiếp, là tần số điều chỉnh bị giới hạn trên bởi tần số nguồncung cấp Matrix Converter còn cho phép điều chỉnh được hệ số công suất cos( )đầuvào, cho dòng vào và áp ra có dạng hình sin

Mục đích của đồ án này là nghiên cứu các khái niệm cơ bản của Matrix Converter

và nghiên cứu lý thuyết và thực hiện mô phỏng bằng phần mềm Matlab/simulink dựatrên thuật toán điều biến của tác giả Venturini Trình bày những khái niệm cơ bản vềchip khả trình FPGA, hãng Xilinx và những công cụ lập trình và phát triển hệ thống.Dùng FPGA để phát xung theo yêu cầu

Trong thời gian làm đồ án, với sự nỗ lực của bản thân và dưới sự chỉ bảo tận tình củathầy giáo hướng dẫn Đoàn Quang Vinh em đã hoàn thành bản đồ án này đúng hạn định.Mặc dù đã cố gắng hết sức nhưng do thời gian hạn chế, bản thân trình độ còn có hạnnên bản đồ án chắc chắn không tránh khỏi thiếu sót, rất mong nhận được sự chỉ bảo,đóng góp ý kiến của các thầy cô cũng như các bạn sinh viên quan tâm

CHƯƠNG 1 MATRIX CONVERTER CÁC VẤN ĐỀ CƠ BẢN1.1 KHÁI NIỆM VỀ MATRIX CONVERTER

1.1.1 Sự phát triển của Matrix Converter

Thời gian gần đây đã có nhiều người quan tâm đến bộ biến tần ma trận trực tiếpAC-AC dùng trong truyền động thay đổi tốc độ động cơ cảm ứng Một trong nhữngngười đề xuất đầu tiên là Gyugyi và Pelly (năm 1976) đã chỉ ra nguyên tắc hoạt độngcủa bộ biến tần trực tiếp sử dụng khoá có thể điều khiển được 2 chiều để nhận được tần

số đầu ra không bị hạn chế Nhược điểm chính của mạch là xuất hiện nhiều các hài bậccao không mong muốn của dòng vào và áp ra không thể dùng bộ lọc dễ dàng loại bỏ.Vấn đề này đã được vượt qua nhờ Venturini và Alesina (năm 1980-1981) Hai người đãđưa ra một thuật toán điều biến PWM mới có thể tạo dòng điện vào và điện áp ra hìnhsin với tần số biến thiên đồng thời điều khiển được hệ số công suất đầu vào Đến năm

1989 cũng chính 2 ông bằng cách điều chỉnh lại thuật toán ban đầu đã tạo ra được tỉ sốtruyền giữa điện áp ra và điện áp vào tối đa (là 0,86) và điều khiển được trọn vẹn cos đầu vào trong giới hạn của điện áp và cos đầu ra

Năm 1991 In Roy và April, Ishiguro đưa ra một lớp các thuật toán vô hướng nhờdựa trên việc so sánh vô hướng các giá trị điện áp vào tức thời và tạo dòng điện ra hìnhsin theo nguyên tắc dòng điện vào mỗi pha tỉ lệ với điện áp vào trên pha đó trong mộtchu kỳ lấy mẫu Vấn đề thời gian thực của thuật toán điều khiển yêu cầu nhiều lần sosánh ở mỗi lần lấy mẫu sẽ yêu cầu thời gian tính toán của các bộ vi xử lý cao

Tiếp theo là phương pháp điều khiển tạo điện áp đầu ra sử dụng điều biến vector khônggian vector (Space Vector Modulation-SVM), thuật toán điều khiển này sử dụngphương pháp điều biến độ rộng xung(Pulse Width Modulation-PWM) cải thiện đáng kểdạng sóng điện áp ra tuy nhiên khi đó chất lượng dạng sóng của dòng điện vào bị suygiảm

Những nghiên cứu khác gần đây(1992-1998) nhất chủ yếu tập trung vào việc tănghiệu suất của Matrix Converter bằng cách giảm tối đa tổn hao đóng cắt nhờ thực hiệndòng zero khi đóng và áp zero khi mở nhưng đòi hỏi các phần tử phụ thêm vào cấu trúckhoá 2 chiều

Hình 1.1 Cấu trúc tổng quát của ma trận khoá 2 chiều

1.1.2 Khái niệm về Matrix Converter

Matrix Converter là một bộ biến tần trực tiếp chuyển mạch cưỡng bức tốt, có thểnối giữa n pha vào có tần số và điện áp cố định U1, f1 với m pha đầu ra có tần số vàđiện áp biến thiên U2, f2 Với những ứng dụng trong công nghiệp chủ yếu n=m=3 vàđây là cấu hình thường gặp nhất (Hình1 2)

Trong bộ Matrix Converter 33 gồm có một ma trận 9 khoá 2 chiều (Bi-DirectionalSwitch-BDS) được sắp xếp thành 3 nhóm, mỗi nhóm tương ứng với một pha đầu ra.Với cách bố trí như vậy, Matrix Converter sẽ nối bất kỳ đầu vào a, b, c với bất kỳ cácđầu ra A, B, C, tại bất kỳ thời điểm

Ma trận các khoá 2 chiều đưa ra  Cni (i=0 9)= 512 khả năng kết hợp, để tạo ra cáctrạng thái đóng cắt của các khoá, nhưng chỉ có 27 trạng thái thích hợp, bởi vì, đầu vàocủa Matrix Converter như một nguồn áp 3 pha, trong khi đầu ra như một nguồn dòng 3pha, do đó thực hiện đóng cắt các khoá phải tuân theo 2 luật sau, để đảm bảo khôngngắn mạch nguồn áp, và hở mạch nguồn dòng

+ Không được nối 2 đầu vào khác nhau tới cùng một đầu ra vì sẽ gây ngắn mạch ở đầuvào dẫn tới hiện tượng quá dòng điện

+ Không được hở mạch ở đầu ra của Matrix Converter vì khi đó với tải cảm sẽ gây hiệntượng quá áp

Hình 1-2 Cấu trúc 3 pha của Ma trận khoá 2 chiều

S13 S12

a)

S21 S23 S22

S31 S33 S32

a c b

A B Cb)

Việc điều khiển điện áp ra, nhờ cách thực hiện đóng cắt các khoá (với các trạng thái chophép), theo một thứ tự được xác định trước Như vậy “giá trị trung bình” của điện áp raphụ thuộc vào dạng sóng điện áp mong muốn tạo ra từ các điện áp vào Ở dạng sóngđiện áp ra, gồm chủ yếu những thành phần có tần số mong muốn cùng với các thànhphần tần số cao do dóng cắt sinh ra, mà có thể loại bỏ được nhờ bộ lọc LC ở đầu ra,hoặc điện cảm của tải Phía nguồn, dòng điện vào được tạo bởi những đoạn của 3 dòngđiện ra và những đoạn bằng không, mà trong những đoạn bằng không đó dòng điện rakhông trở về nguồn mà tuần hoàn chạy quẩn trong ma trận khoá Phổ dòng vào chủ yếugồm thành phần tần số nguồn cung cấp và các thành phần tần số cao, mà khi có bộ lọcđầu vào thì bị loại trừ để mong muốn tạo dòng điện vào hình sin.

Matrix Converter chính vì thế có thể thực hiện được việc biến đổi tần số và điện áp trựctiếp AC-AC mà không cần thành phần tích trữ năng lượng trung gian

1.1.3 So sánh Matrix Converter và các loại biến tần hiện có

 Biến tần gián tiếp

Điện áp xoay chiều đầu tiên được chuyển thành một chiều nhờ mạch chỉnh lưu, sau

đó qua bộ lọc rồi mới biến trở về điện áp xoay chiều với tần số f2 Việc biến đổi nănglượng 2 lần làm giảm hiệu suất biến tần, bù lại loại biến tần này cho phép dễ dàng thayđổi tần số f2 không phụ thuộc f1 trong dải tần rộng cả trên lẫn dưới f1 vì tần số ra chỉ phụthuộc vào mạch điều khiển

Hơn nữa với sự ứng dụng hệ điều khiển nhờ kỹ thuật số vi xử lý và dùng van lực là cácloại tranzitor đã cho phát huy tối đa các ưu điểm của loại biến tần này vì vậy đa số biếntần hiện nay là biến tần có khâu trung gian một chiều Tuy nhiên khi dùng van tiristovẫn còn một số khó khăn nhất định khi giải quyết vấn đề khoá van

Chức năng các khâu trong bộ biến tần gián tiếp :

U =

Hình 1-4 Cấu trúc biến tần gián tiếp

f

2~

 Sự giống và khác nhau giữa Matrix Converter và các loại biến tần

a) Matrix Converter và biến tần trực tiếp

- Matrix Converter thực chất là một bộ biến tần trực tiếp nên sẽ có những ưu, nhượcđiểm của biến tần trực tiếp như sau:

+ Nối trực tiếp giữa lưới và tải không qua một khâu trung gian nào nên hiệu suấttruyền động cao

+ Trao đổi năng lượng với lưới một cách liên tục, có khả năng tái sinh năng lượngkhông cần mạch phụ

+ Số lượng van bán dẫn nhiều, do đó sơ đồ van và luật điều khiển cũng rất phức tạp

- Tuy nhiên Matrix Converter vượt trội hơn so với biến tần trực tiếp ở :

+ Khả năng tạo được điện áp ra có tần số không hạn chế, có thể lớn hơn tần số nguồncung cấp f1

+ Có thể điều chỉnh được hệ số công suất đầu vào cos i, độ lệch pha giữa dòng và

áp vào (  i ) có thể > 0, = 0, hoặc < 0

+ Do dùng van 2 chiều nên có thể hoạt động ở 4 góc phần tư mà không cần tác độngvào phía đầu vào

b) Matrix Converter và biến tần gián tiếp

- Một số ưu điểm của biến tần gián tiếp cũng được ứng dụng trong công nghệ MatrixConverter

+ Vì Matrix Converter được phân tích như một bộ biến đổi gồm 2 tầng biến đổi, tầngchỉnh lưu và tầng nghịch lưu, nên có thể sử dụng phương pháp điều biến độ rộng xung(PWM) hay được dùng với biến tần nguồn áp, cho tầng nghịch lưu để đạt được chấtlượng điện áp tốt nhất cho động cơ, do đó tần số và điện áp có thể được điều chỉnh trơn

và không bị giới hạn bởi tần số vào

+ Thực hiện nối trực tiếp tầng chỉnh lưu nguồn dòng PWM với tầng nghịch lưu, mụcđích để tạo ra khả năng trao đổi công suất phản kháng giữa lưới và tải

- Những điểm khác nhau có ý nghĩa rất lớn giữa Matrix Converter và biến tần gián tiếplà:

+ Không còn thành phần tích năng lượng phản kháng trung gian là cuộn cảm lớn hay

tụ một chiều có tuổi thọ hạn chế, do đó giảm được kích thước của bộ biến tần, tạo rakhả năng tích hợp Matrix Converter trong một môđun gắn trên động cơ, giúp hệ truyềnđộng gọn nhẹ và linh hoạt

+ Không cần bộ chỉnh lưu trong mạch lực để tạo ra điện áp một chiều, do đó dòng vào

bộ Matrix Converter có dạng sin (vì khâu chỉnh lưu sẽ làm dòng vào không sin, hệ sốcông suất thấp)

Bảng I thể hiện sự so sánh về số lượng van bán dẫn giữa MC và bộ biến tần nguồn

áp có chỉnh lưu cầu điot, và với bộ biến tần nguồn áp (back to back) có chỉnh lưu điều

Bảng 1: So sánh số lượng van bán dẫn trong Matrix Converter với 2 loại VSI

c Lý do xây dựng Matrix Converter

Matrix Converter được coi là có nhiều ưu thế hơn so với các loại biến tần truyềnthống Vì có thể thực hiện được việc biến đổi tần số và điện áp, mà không cần có thêmcác phần tử tích năng lượng trung gian, như tụ điện có tuổi thọ hạn chế hay cuộn cảm cókích thước lớn để nối một chiều, như vậy sẽ không yêu cầu nhiều tầng biến đổi côngsuất và hiệu suất được tăng lên rõ rệt khi hoạt động ở tần số đóng cắt cao

Vì gồm các khoá 2 chiều nên tạo ra dòng chảy công suất theo 2 hướng lưới đến tải vàtải về lưới, dẫn đến khả năng tái sinh năng lượng trả về lưới, đồng thời có thể hoạt động

ở 4 góc phần tư mà không cần điều chỉnh phía đầu vào bộ biến đổi, do đó động cơ cóthể dễ dàng chuyển đổi chế độ làm việc từ chế độ động cơ sang chế độ hãm tái sinh vàngược lại Nhờ sử dụng các kỹ thuật điều biến (PWM) nên tạo ra dạng sóng áp ra vàdòng vào hình sin, có khả năng điều chỉnh hệ số công suất đầu vào, tức điều chỉnh đượcgóc lệch pha giữa dòng và áp vào là dẫn trước, chậm sau hay không đổi bất chấp cácloại tải khác nhau

Matrix Converter còn được coi là giải pháp toàn bộ silíc “ all silicon” cho bộ biếnđổi công suất trực tiếp AC-AC, nhờ khả năng tích hợp cao, chịu được ở điều kiện nhiệt

độ cao, độ tin cậy được đảm bảo của các chất bán dẫn được chế tạo từ nguyên tố Si Vìthế Matrix Converter sẽ là công nghệ lý tưởng trong tương lai cho những ứng dụng cónhiệt độ cao và kích thước nhỏ gọn, khi đó sẽ không cần tụ điện sẽ là một thuận lợi rất

có ý nghĩa bởi vì tụ chịu được ở nhiệt độ cao thường rất hiếm và đắt

1.1.4 Khó khăn và xu hướng nghiên cứu

a) Những khó khăn

Bên cạnh những ưu thế kể trên, một bất lợi lớn nhất khiến Matrix Converter đãkhông có khả năng cạnh tranh trên thị trường là tỉ số truyền điện áp bị hạn chế (tối đa là0,86) Thêm vào đó là số lượng các van bán dẫn nhiều (18 IGBT và 18điôt FRD) cần đểxây dựng một bộ Matrix Converter, do đó dẫn đến vấn đề điều khiển sẽ rất phức tạp,đồng thời môđun công suất vẫn chưa được sản xuất một cách tối ưu Những bất lợi khác

là khả năng chống lại dao động điện áp phía nguồn kém, và như vậy cần có mạch phụgồm những phần tử phản kháng để cải thiện dạng sóng dòng vào, và đồng thời để bảo

vệ Matrix Converter chống lại các sự cố khi xảy ra quá dòng hoặc quá áp Tuy nănglượng tổn hao trong các phần tử phản kháng này sẽ nhỏ hơn nhiều so với các bộ biếntần có phần tử nối một chiều, nhưng sẽ làm tăng kích thước và giá thành của bộ MatrixConverter, làm giảm ưu thế của Matrix Converter so với các bộ biến tần truyền thống

Vì vốn dĩ không có đường thoát năng lượng (free wheeling) thông với tải, nên khi xảy

ra sự cố ngắt nguồn đột ngột do mất nguồn hoặc do lỗi chuyển mạch, nếu tải có tínhcảm kháng, năng lượng được tích luỹ trong điện cảm ba pha của động cơ không đượcgiải phóng sẽ gây ra quá áp ở đầu ra, nếu không có mạch bảo vệ (clamp hoặc snubber)

sẽ làm phá huỷ các van công suất Vì vậy thời gian để phát các tín hiệu điều khiển quátrình đóng cắt phải yêu cầu rất khắt khe và chính xác, đồng thời vấn đề bảo vệ mạchcông suất trong điều kiện gặp sự cố cũng rất cần được quan tâm xem xét cẩn thận

b) Xu hướng nghiên cứu hiện nay

Các xu hướng nghiên cứu hiện nay

- Nhằm cải thiện những ảnh hưởng do sự tác động từ lưới

- Tăng cường hiệu suất của truyền động khi hoạt động ở tần số đóng cắt cao

- Giảm kích thước hệ truyền động Matrix Converter bằng cách tích hợp tất cả các cấutrúc silicon phức tạp (khoá 2 chiều) trong một môđun công suất Tích hợp các mạch bảo

vệ, khối logic điều khiển chuyển mạch, nguồn cách ly mạch điều khiển, gate drivertrong một bảng mạch điện tử gọi là PEBB

1.2 KHOÁ 2 CHIỀU TRONG MATRIX CONVERTER

1.2.1 Quá trình năng lượng trong Matrix Converter

Ta biết rằng Matrix Converter có khả năng trao đổi năng lượng với lưới một cáchliên tục, đồng thời có thể phát công suất phản kháng trở lại lưới hoặc tiêu thụ Q Điềunày rất có ý nghĩa đối với truyền động dùng Matrix Converter với công suất lớn, vì sựảnh hưởng đến lưới là rất đáng kể, hơn nữa tổn hao hạn chế được sẽ là rất lớn Để thựchiện được điều này cần có các khoá 2 chiều trong cấu trúc của Matrix Converter để có

đáp ứng được yêu cầu đó, vì vậy các van điều khiển hoàn toàn theo một chiều riêng rẽ

sẽ được kết hợp lại để tạo ra các khoá Các van thường được sử dụng để tạo ra khoá 2chiều là IGBT, các van MOSFET, MCT, IGCT cũng được sử dụng

a) Đặc điểm của van IGBT ( Isulated Gate Bipolar Transistor )

Thực chất là transistor công suất có cực điều khiển cách ly IGBT là sự kết hợp các

ưu điểm của van MOSFET là đóng cắt nhanh, nên tạo ra sự thay đổi công suất nhanh và

ưu điểm của transistor thường là chịu được tải có dòng và áp lớn nên có tổn hao dẫndòng thấp

Là phần tử được điều khiển bằng điện áp, do đó công suất điều khiển là rất nhỏ khôngđáng kể Như vậy có thể điều khiển trực tiếp IGBT bởi đầu ra của các vi mạch công suấtnhỏ

Hình 1-5 Ký hiệu một IGBT

IGBT có thời gian đóng cắt nhanh hơn transistor thường, thời gian trễ khi mở cỡ0.15s,giống như đối với MOSFET Thời gian trễ khi khoá là 1s, giống như vớitransistor thường Dạng tín hiệu điều khiển thường là 15v khi mở và -15v khi khoá(hình 1.6)

0

-15v

+15v

E C G

b Các cấu trúc của khóa 2 chiều

* Cặp IGBT và Diode mắc song song ngược E chung

Sự cấu trúc khoá hai chiều là gồm 2 diot và 2 IGBT mắc song song ngược như ( hình1-8) Các điôt thêm vào để tạo ra khả năng ngăn điện áp ngược

Có vài ưu thế khi sử dụng nếu so sánh với cầu điôt Đầu tiên là khả năng điều khiển độclập chiều dòng điện Tổn hao dẫn dòng cũng giảm bởi vì chỉ có 2 van dẫn dòng ở mộtthời điểm, tổn hao đóng cắt cũng giảm vì quá trình đóng cắt là bán mềm(semi-soft)

Hình 1-8 : cấu trúc 2 IGBT song song ngược E chung

Hình 1-7 : cấu trúc cầu điốt

* Cặp IGBT và Diode đấu song song ngược C chung

Sự sắp xếp bố trí các van giống như mạch E chung, nhưng IGBT được nối C chung như(hình 1.9)

Tổn hao là tương đương với kiểu E chung, thuận lợi của phương pháp này so với mạch

E chung là chỉ cần 6 nguồn cung cấp được cách ly để cung cấp cho các tín hiệu điềukhiển cổng Tuy nhiên kiểu sắp xếp này là không tiện lợi trong thực tế bởi vì cảm ứng giữa các khoá chuyển mạch gây ra vấn đề Đồng thời mỗi van cũng phải được điềukhiển với các điện áp khác nhau dẫn đến việc điều khiển biến tần sẽ càng phức tạp.Chính vì thế cấu hình E chung thường được dùng để tạo ra các phần tử khoá 2 chiều choMatrix Converter

c) Xây dựng khoá 2 chiều tích hợp trong một môđun công suất

Mục đích của việc tích hợp các khoá 2 chiều trong một mô đun công suất là:

+ Giảm thể tích chiếm chỗ của các van bán dẫn silicon

+ Giảm các đầu nối môđun công suất đồng thời giảm điện cảm móc vòng phíađầu vào, và giảm giá thành sản xuất

+ Cho phép tích hợp cả mạch bảo vệ và logic điều khiển chuyển mạch trong bảngmạch điều khiển để tiến tới xây dựng một khối điện tử công suất độc lập cho MatrixConverter

Để chọn cách xây dựng môđun một cách tối ưu, phạm vi giới hạn công suất của biếntần là một tiêu chuẩn rất quan trọng

Với công suất lớn, hiệu quả và độ tin cậy là vấn đề quan trọng hơn giá thành, mạch điềukhiển IGBT phải đảm bảo các chức năng : đóng cắt ưu việt để giảm tổn hao chuyểnmạch, đồng thời bảo vệ quá dòng điện Như vậy, môđun công suất và mạch điều khiểnphải được gắn với nhau sao cho kích cỡ, tổn hao, và số đầu nối là nhỏ nhất, cho phépngười sử dụng không phải quan tâm đến vấn đề bảo vệ và hoạt động của các khoá côngsuất

Ta phân tích hai công nghệ CC và CE để đưa ra cấu hình tối ưu cho môđun côngsuất chứa các khoá 2 chiều Sự phân tích bao gồm các vấn đề về mạch điều khiển như

Hình 1-9 : Cấu trúc 2 IGBT song song ngược C chung

giảm số nguồn cách ly, vấn đề bảo vệ môđun công suất, và khả năng tích hợp chúng vàomột môđun thông minh cho Matrix Converter

Phụ thuộc vào công suất định mức, có 2 công nghệ tích hợp các van

+ Công nghệ CE để xây dựng môđun công suất 3pha/ 1pha, dùng cho Matrix Converter

có công suất lớn Một ưu thế là có thể theo dõi được điện áp VCE , nên có thể sử dụngcông nghệ CE trong mạch điều khiển cổng thông minh với khả năng phát hiện sự cốngắn mạch, và phát tín hiệu kích thích rất chính xác là những yêu cầu trong bộ MatrixConverter có công suất lớn Số đầu điều khiển trên một môđun cũng được giảm xuốngcòn là 9

+ Công nghệ CC để xây dựng môđun công suất 3pha/3pha và dùng cho MatrixConverter có công suất nhỏ Ưu điểm là giảm được số nguồn công suất cách ly cấp chomạch điều khiển cổng (6), và tạo ra giải pháp one-chip cho kích thước nhỏ gọn, số đầuđiều khiển trên một môđun giảm xuống còn là 24, và có khả năng nuôi các bộ chuyểnđổi điện áp vào và dòng điện ra từ nguồn công suất của mạch điều khiển

Một xu hướng trong việc chế tạo hệ truyền động điều chỉnh tốc độ (VSD) là phát triểncác hệ thống điện tử công suất được tích hợp hoàn toàn dẫn tới giảm giá thành sản phẩm

và thời gian thiết kế Để tạo ra một khối điện tử công suất tích hợp (PEBB) cho MatrixConverter thì các khối logic điều khiển chuyển mạch, bảo vệ quá dòng, nguồn cách lynuôi mạch điều khiển, và khối bảo vệ lỗi chuyển mạch phải được tích hợp trên cùngmột bảng mạch

d) Mạch điều khiển cổng điển hình cho 1 van IGBT

Mỗi khoá trong MC yêu cầu 1 tín hiệu điều khiển được cách ly Sự cách ly có thể làbiến áp xung hoặc cách ly về quang

Cách ly quang có thể tạo chu kỳ xung làm việc không hạn chế, nhưng nguồn cấp phảiđược cách ly riêng rẽ đối với mỗi van làm số lượng thiết bị và giá thành mạch điều

Hình 1-10 Mạch điện môđun công suất 3pha/1pha khi sử dụng

a) CE-IGBT’s b)CC-IGBT’s

mạch điều khiển cơ bản (Hình 1-10) Mạch này có số lượng thiết bị ít, không yêu cầunguồn cách ly và làm việc tốt với phạm vi của chu kỳ xung đủ lớn.

Trên hình vẽ: Q1, Q2 là 2 van MOSFET công suất thấp loại IRFD110

Hình 1-11 thể hiện nguyên tắc hoạt động.Tín hiệu điều khiển mong muốn được tạo bởilogíc điều khiển cho 1 khoá gồm 2 van S1 và S2 Tín hiệu này được gửi tới sơ cấp BAXviệc thay đổi giá trị điện áp khởi tạo nhờ thay đổi từ thông sắt từ BAX có tỉ số 1:1 dẫntới giá trị khởi tạo này cũng là giá trị phía thứ cấp BAX

Khi bão hoà lõi sắt thì điện áp này giảm = 0 và khi sang phần (-) của tín hiệu điều khiểnthì lõi hết bão hoà, giá trị điện áp được khởi tạo về phần âm sau đó bão hoà lõi sắt lạixảy ra và điện áp phần âm về 0 Nhờ vậy dạng xung áp qua sơ (thứ) BAX là chuỗinhững xung ngắn có cực tính thay đổi theo lệch từ logíc điều khiển

Trong phần + của dạng sóng điện áp thứ cấp, tụ kết hợp của 2 cổng S1 và S2 sẽ nạp quaQ2 và điốt trong của Q1 Khi sóng điện áp nàygiảm về giá trị không, điốt trong Q1 phâncực ngược, tụ sẽ giữ giá trị nạp cho S1, S2 trong một khoảng thời gian phụ thuộc vàodòng điện dò, nếu thời gian là không thích hợp (quá ngắn) cần thêm 1 tụ song song vớicổng điều khiển Cần chú ý là thời gian mở lớn nhất cho mỗi khoá 2 chiều phải đượctính cụ thể rõ ràng trong chiến lược điều biến MC

S1, S2 đóng lại khi điện áp thứ cấp BAX âm Tụ kết hợp nạp giá trị âm qua Q1 và điốttrong Q2 Điốt trong Q2 dẫn khi điện áp âm trở về 0 và tụ sẽ phóng áp âm được nạp chotới khi nhận được xung áp dương thứ cấp BAX Quá trình nạp áp âm trong chu kỳ ngắttạo khả năng chống nhiễu tuyệt vời và đảm bảo rằng thời gian mở giả định là không thểxảy ra

Hình 1-11 mạch điều khiển cho một khoá 2 chiều

+15v

-15v

C 1:1

+18v

-18v

1.3 VẤN ĐỀ BẢO VỆ MẠCH CÔNG SUẤT CHO MATRIX CONVERTER

Ta biết rằng để Matrix Converter làm việc đạt hiệu quả tốt nhất thì cần thêm vàonhững mạch phụ, mà bao gồm các phần tử phản kháng, để bảo vệ khỏi các sự cố và cảithiện chất lượng điện áp ra cũng như dòng điện vào Các mạch đó gồm mạch snubber,mạnh clamping, và bộ lọc đầu vào LC Trong một số nghiên cứu về quá trình chuyểnmạch, đã đưa ra phương pháp chuyển mạch thông minh mà không cần mạch snubber,nhằm giảm tối đa số lượng các van bán dẫn có trong Matrix Converter Tuy nhiên bộlọc đầu vào LC và mạch clamping là những mạch không thể thiếu được trong cấu hìnhchung của một Matrix Converter

1.3.1 Bộ lọc đầu vào LC

Hình 1-13 Cấu hình bộ lọc đầu vào

Việc thiết kế một bộ lọc đầu vào cần có:

+ Tạo ra tần số phóng nạp (cut-off) thấp hơn tần số đóng cắt

+ Tăng tối đa hệ số công suất cos đầu vào với một công suất đầu ra đã cho nhỏ nhất + Giảm nhỏ thể tích và trọng lượng của bộ lọc với một công suất phản kháng đã cho + Giảm nhỏ điện áp rơi trên điện cảm của bộ lọc khi dòng định mức để tăng tối đa tỉ

số truyền điện áp q

a) Phân tích tác dụng lọc sóng hài của mạch lọc LC (Hình 1.13)

Ta biết rằng dòng điện vào là được điều biến nên dòng vào sẽ có thể cùng pha (inphase) với điện áp vào Với tần số lưới là 50Hz, thì điện áp rơi qua bộ lọc là bé và điện

áp ở đầu vào Matrix Converter (E’i) sẽ xấp xỉ với điện áp vào (Ei) Điện áp E’i tạo radòng điện phản kháng (I0) chảy trong các tụ điện của bộ lọc CF Chính dòng điện nàygây ra sự lệch pha giữa tổng dòng điện vào và điện áp vào, và dẫn tới giảm hệ số côngsuất đầu vào

Các tụ của bộ lọc gây ra dòng không tải cảm kháng I0 được tính như sau:

F C i i jE F C i F i j

i E X

i E

0

(1.1)Với I0 là dòng không tải, X50 là điện trở tổng của bộ lọc, i là tần số góc của điện ápvào

Công thức xấp xỉ này đã bỏ qua điện áp rơi trong điện cảm bộ lọc, bởi vì dòng điệnkhông tải chỉ đi qua các tụ điện

Thành phần cơ bản của dòng điện do Matrix Converter tạo ra (I50) tính được nhờ côngsuất đầu ra của biến tần và giá trị điện áp vào

Như vậy khi thiết kế bộ lọc cần quan tâm đến giá trị công suất định mức, việc chọn giátrị của điện dung CF phụ thuộc vào công suất định mức của biến tần và yêu cầu thựchiện (ví dụ như cosi > 0,9 thì công suất đầu ra P0 > 10% công suất định mức)

Công thức tính góc lệch pha của dòng điện vào so với điện áp vào

I

I tg i



(1.3)

Thay I50 =P0/3*Ei vào công thức (1.3) ta tính được giá trị điện dung lớn nhất của bộ lọc

để tạo ra hệ số công suất yêu cầu :

(1.4) )

i i E i

tg F

C i

E F

C i i

E i

max) , ( 0 P

* /3 0 P max) ,

f

 2

1

0 

(1.5)Khi thiết kế bộ lọc cũng cần tính đến điện điện áp rơi qua điện cảm để thoả mãn kích cỡcủa cuộn cảm và tụ điện Một tụ nhỏ đảm bảo cosi đủ cao, nhưng lại yêu cầu cuộn cảmlớn để thoả mãn tần số cắt của bộ lọc, thì sẽ là không thích hợp Kích thước của cuộncảm được giới hạn nhờ điện áp rơi cơ bản do dòng cơ bản của Matrix Converter tạo ra.Như vậy bộ lọc đầu vào được xem là làm san bằng dòng điện để tạo ra thành phần cơbản của dòng điện, dạng sóng dòng vào gồm thành phần cơ bản 50Hz cộng với một sốhài nhỏ xung quanh tần số đóng cắt

b) Phân tích sự ảnh hưởng của bộ lọc đầu vào LC gây hiện tượng quá áp khi nguồn bị nhiễu

Khi ngắt các khoá của Matrix Converter có thể xảy ra quá dòng Trong trườnghợp không có mạch clamp bảo vệ, hoặc có clamp nhưng tụ clamp đang phóng điện thìquá áp lớn bằng 2 lần điện áp vào sẽ xảy ra, và khi có điện áp ban đầu ở tụ trong bộ lọcđầu vào, thì mức độ quá áp có thể sẽ lớn hơn nữa điều này phụ thuộc vào dấu của điện

áp ban đầu

Khi nối mạch clamp có tụ phóng điện, với đầu vào của Matrix Converter thì nănglượng được tích trong cuộn cảm của bộ lọc sẽ cao hơn trường hợp không có clamp tuymức quá áp có thể lớn hơn 2 lần nhưng chế độ quá độ là lâu hơn so với khi không nối,bởi vì sự dao động năng lượng trong mạch LC đầu vào là cao hơn

Với trường hợp tụ clamp đang nạp điện thì sẽ không xảy ra sự tăng năng lượng đượctích trong bộ lọc đầu vào, vì vậy sẽ mất đi một phần dao động năng lượng từ mạch lọc

LC và do đó mức quá áp có thể được giảm xuống rất nhiều (50%)

Hình 1-15 Bộ lọc đầu vào với điện trở hạnchế (damping)

áp rơi trên các điện trở hạn chế, nhưng có thể sử dụng để loại trừ quá áp khi khởi độngcấp nguồn cho Matrix Converter

Khi có tụ clamp tham gia vào sự quá độ khi khởi động (thậm chí ngay cả khi tụ nàyphóng ), nếu thoả mãn điều kiện của R thì quá trình quá độ cũng bị tắt dần

1.3.2 Mạch kẹp (clamp diode)

Không có đường thoát năng lượng cũng gây khó khăn cho MC trong việc bảo vệmạch công suất chống lại các sự cố Ví dụ, nếu các khoá ngắt khi có quá dòng, sẽ xảy raquá áp nghiêm trọng do hở mạch tải, và kết quả là phá huỷ toàn bộ mạch công suất, vìđặc tính cảm vốn có của tải động cơ Bảo vệ quá áp thực hiện bằng 1 mạch kẹp (clamp)nối với đầu ra của MC Mạch clamp gồm cầu điốt nuôi 1 tụ điện một chiều Tụ này sẽhấp thụ năng lượng tải lớn khi tất cả các khoá của biến tần mở ra, như vậy sẽ bảo vệ

Hình 1-15 Mạch clamp diode bảo vệ Matrix Converter

a) Trạng thái zero-vectors b) Trạng thái không nối tất cả các khoá

Matrix Converter trong trường hợp ngắt khẩn cấp do gặp sự cố, khi đó mức quá áp sẽđược hạn chế cả phía lưới và phía động cơ Mức quá áp phía lưới đã được phân tích kỹ

ở trên, khi mà có sự ảnh hưởng của bộ lọc đầu vào LC Ở đây ta phân tích quá áp phíatải và cách năng lượng được giải phóng

Ta quan tâm tới việc tạo ra một mômen hãm lớn trong một thời gian ngắn khi ngắtnguồn Bởi vì dòng chảy công suất là rất lớn, cần có một (braking chopper) bộ băm hãm(gồm 1 van bán dẫn và một điện trở hãm) nối thêm vào trong mạch clamp vì sẽ làmtăng tối đa tổn hao động cơ nhờ tăng các hài dòng điện động cơ.Mặc dù như vậy sẽ tăng

độ phức tạp của ASD (truyền động có điều chỉnh tốc độ) nhưng có thể giảm đáng kểkích thước của tụ clamp khi sử dụng chopper cho trường hợp quá dòng xấu nhất Điệntrở hãm phải có khả năng tích luỹ dần năng lượng bởi vì sử dụng chopper chỉ đượcdùng trong thời gian ngắn (tình huống khẩn cấp) Như vậy năng lượng khi thoát ra sẽđược giảm nhờ tăng lớn nhất tổn hao trên động cơ Đạt được điều này do tăng các hàidòng điện của động cơ khi mà từ thông động cơ không thể điều khiển được

Trong quá trình ngắt nguồn toàn bộ chỉ có 2 khả năng của các trạng thái đóng cắt làmđộng cơ tách ra khỏi lưới

+ Trạng thái zero-vectors (aaa, bbb, ccc) sẽ nối tất cả các đầu của động cơ tới 1 đầu củalưới (Hình1.15a) Bởi vì khi làm việc từ thông rôto và tốc độ động cơ không thể bằng 0nên ngắn mạch động cơ sẽ làm dòng stator tăng lên

+ Trạng thái không nối tất cả các khoá, vì vậy dòng động cơ sẽ chảy qua mạch clamp.(Hình 1.15b).Vì điện áp trong mạch clamp là cao hơn biên độ sức điện động (EMF) củađộng cơ, điều này làm dòng stator sẽ giảm xuống

Bằng cách thay đổi 2 trạng thái đóng cắt trên sẽ tạo ra sự biến đổi năng lượng cơ thànhnăng lượng điện đồng thời cho phép từ thông rôto động cơ tắt dần Trên hình 1-16 đưa

ra đường dẫn dòng chảy năng lượng

Trong trạng thái zero-vector, dòng điện tăng và năng lượng cơ được biến đổi thành nănglượng điện từ mà được tích tụ trong điện kháng tản của động cơ Khi tất cả các khoáđều mở ra, năng lượng điện từ được chuyển vào mạch clamp Một phần nhỏ năng lượngnày được sử dụng lại để nuôi mạch điều khiển Muốn đạt được mômen hãm lớn nhất thìdòng năng lượng trong mạch clamp phải đạt gần bằng công suất định mức của động cơ.Phần lớn năng lượng tĩnh điện ở tụ clamp được chuyển thành năng lượng nhiệt nhờ nốimột (braking chopper) bộ băm có điện trở hãm Giải pháp này cho phép giảm được kích

cỡ của tụ kẹp vì nó nhỏ hơn, rẻ hơn và gọn nhẹ hơn khi gắn vào Matrix Converter đểchuyển năng lượng điện thành năng lượng nhiệt

trễ này, dòng tải cảm kháng sẽ được chảy qua một mạch bảo vệ (snubber) Mạch bảo vệphải được tính toán để hạn chế điện áp các van tới một giá trị thích hợp

Trong Matrix Converter, sử dụng một mạch RC snubber đơn giản được nối songsong qua khoá 2 chiều(Hình 1.18) Để tránh tổn hao trong mạch bảo vệ lớn quá mứcviệc thiết kế mạch snubber phải đi liền với việc thiết lập thời 1 gian trễ rất cẩn thận

Với một mạch R-C dùng bảo vệ Matrix Converter khi thực hiện chuyển mạch dòng điệnđơn giản và dễ hiểu là chuyển mạch dòng điện với thời gian chết (dead time) Tuy chiếnlược chuyển mạch là đơn giản nhưng việc chọn đúng tham số cho mạch snubber là rấtkhó khăn để điều khiển điện áp đỉnh qua các khoá, khi xảy ra hở mạch dây quấn động

cơ trong khoảng thời gian chết

Các tham số của mạch RC được xác định nhờ giá trị định mức của van và chế độ hoạtđộng của mạch

* Chọn giá trị điện trở dựa vào 2 tiêu chuẩn

- Điện trở phải giải phóng năng lượng của tụ khi khoá dẫn dòng, chính vì thế giá trịđiện trở được chọn sao cho thời gian phóng của tụ phải <= chu kỳ làm việc nhỏ nhất củabất kỳ 1 khoá nào trong Matrix Converter

Hình 1-16 Mạch Snubber cho khoá 2 chiều

- Điện trở này sẽ xác định giá trị đỉnh của dòng điện phóng ra từ tụ, mà dòng này cótác động lên khoá.Do đó giá trị điện trở thích hợp được chọn phải hạn chế giá trị đỉnhcủa dòng xuống dưới giá trị định mức và đủ giải phóng năng lượng tụ khi khoá mở dẫndòng.

* Chọn giá trị cho tụ là vấn đề quan trọng đối với điện áp qua van.

Trong thời gian chết, dòng tải đi qua mạch snubber, và giá trị của tụ xác định điện

áp qua van khi khoá không dẫn Lúc đó phải chọn giá trị tụ sao cho điện áp qua van nhỏhơn điện áp định mức của van

Dạng sóng dòng điện và điện áp qua van lúc đóng cắt chủ yếu phụ thuộc vào thời giantrễ giữa các khoá, giá trị điện áp đầu vào, dòng điện đầu ra và các tham số của mạchSnubber Còn tổn hao đóng cắt phụ thuộc vào tụ điện, thời gian chết, và các tham sốtrong công thức tính tổng tổn hao công suất trong mạch RC

3

2 2

2 0

L s

Snub

CV C

R I f

không tin cậy sẽ ảnh hưởng đến chế độ hoạt động an toàn và hiệu suất của MatrixConverter.

2.1 TỔNG QUÁT VỀ QUÁ TRÌNH CHUYỂN MẠCH

2.1.1 Chuyển mạch tự nhiên và chuyển mạch cưỡng bức

Chuyển mạch là quá trình dòng điện chuyển từ van đang dẫn (nhưng sắp ngắt) nàysang van chưa dẫn (nhưng sắp dẫn) khác

Ví dụ : Sự chuyển mạch trong các bộ biến tần gián tiếp…

2.1.2 Chuyển mạch cứng và chuyển mạch mềm

a) Chuyển mạch cứng

Khi khoá một van bán dẫn dòng điện do tụ trong mạch khoá cưỡng bức phóng rarất lớn, gần như là dòng ngắn mạch Do đó dòng qua van cần khoá gần như bị triệt tiêutức thời chuyển mạch như vậy gọi là chuyển mạch cứng

b) Chuyển mạch mềm

Khi chuyển mạch mà dòng qua van cần khoá bị triệt tiêu dần theo quá trình daođộng của dòng điện phóng tụ C trong mạch cưỡng bức thì gọi là chuyển mạch mềm( êm )

Sự đóng cắt mềm là sự đóng cắt trong điều kiện dòng điện hoặc điện áp bằng không,như vậy sẽ không có tổn hao công suất xảy ra như ở đóng cắt cứng, sẽ cho phép tần số đóng cắt cao hơn, đồng thời (EMC) sự tương hợp điện từ phát sinh cũng được giảmxuống

Hình 2.1 Mạch đóng cắt mềm E chung

Xét mạch có một phần tử (cell) gồm 1 cặp IGBT với E chung đấu song song ngược với

1 cặp điốt, 1 IGBT phụ, 2 điốt , cuộn cảm, tụ điện, một nguồn áp E.(Hình 2.1)

* Nguyên lý hoạt động

Giả sử cell 1 và cell 2 là 2 khoá sẽ dẫn và sẽ ngắt tương ứng Khi chuyển mạch xảy

ra, tất cả các tín hiệu điều khiển là được phát ra cùng một lúc Tại thời điểm này, dòngđiện chảy từ nguồn cung cấp của cell 1 qua CR và đồng thời qua D3, LR, E, QA và D2,dòng cũng chảy qua CR của cell 2 Điện áp trên tụ CR nạp tuyến tính đến giá trị E, mạchcộng hưởng được hình thành giữa LR, CR và CR của cell 2 Khi VCR =0, D1 bắt đầu dẫn

LR phóng tuyến tính qua D1 và D3 D1 sẽ dẫn dòng điện có trị số là ILR –Iload Khi ILR =

Iload van QP1 bắt đầu dẫn và dòng điện qua van là Iload –ILR Dòng trong cuộn cảm vẫnphóng tuyến tính, khi LLR =0 thì van QP1 mang dòng tải đầy đủ Điều này đảm bảo rằng các van chính đóng cắt dưới điều kiện điện áp bằng không, và van phụ đóng cắt dưới điều kiện dòng điện bằng không

Một vấn đề với mạch này là nguồn điện áp E khó thực hiện được trong các hệ thốngthực tế Một giải pháp đưa ra với vấn đề này là thay thế nguồn E bằng cách mắc một tụsong song với QA tuy nhiên điều kiện đóng cắt khi dòng về không của QA sẽ bị mất đi.Tổn hao đóng cắt không bị loại trừ hoàn toàn, nhưng được giảm đi rõ rệt Tổn hao dẫncũng giảm so với mạch cầu vì chỉ có 2 van dẫn dòng tải Một bất lợi chính là số lượngcác van bán dẫn tăng cho nên ít dùng để xây dựng Matrix Converter

Nhìn chung công nghệ đóng cắt mềm chưa được sử dụng để xây dựng Matrix Converterbởi vì sẽ làm tăng số lượng các van bán dẫn Matrix Converter với đóng cắt cứng đã sửdụng nhiều van hơn các bộ biến tần thông thường, và sự tăng như vậy trong đóng cắtmềm là không mong muốn trong việc xây dựng cấu trúc Matrix Converter

2.2 CHUYỂN MẠCH DÒNG ĐIỆN TRONG MATRIX CONVERTER

2.2.1 Yêu cầu của quá trình chuyển mạch

Hình 2.3 a) Chuyển mạch cơ bản một pha x tới một pha y

b) Chuyển mạch lý tưởng c) Chuyển mạch có thời gian chết d) Chuyển mạch có trùng dẫn

không có 2 khoá 2 chiều cùng được đóng ở cùng một thời điểm (hình2.2a), bởi vì điềunày sẽ dẫn đến ngắn mạch hai dây vào của Matrix Converter, sinh ra dòng điện lớn pháhuỷ biến tần Thêm vào đó phải đảm bảo các khoá hai chiều cho mỗi pha đầu ra không được mở cùng một lúc (hình 2.2b) bởi vì điều này sẽ làm mất đường dẫn của dòng tảicảm kháng và sẽ gây ra quá áp rất lớn, dẫn đến sự phá hỏng các van Hai điều này đãgây ra những khó khăn, bởi vì các van bán dẫn không thể đóng mở ngay tức thời do sựtrễ khi truyền tín hiệu và thời gian đóng cắt hạn chế Vấn đề này đã đươc dẫn ra, như làmột vấn đề kìm hãm khả năng phát triển thương mại của Matrix Converter

2.2.1 Các phương pháp chuyển mạch dòng điện cơ bản

Trên (hình vẽ 2.3) là sơ đồ nguyên lý chuyển mạch của một pha đầu ra từ pha vào

x tới pha vào y

x y

Sx Sy

t¶i

Iout Vx

a Chuyển mạch dòng điện có thời gian chết (dead time)

Thực hiện ngắt khoá sẽ ngắt, trong khi khoá sẽ dẫn chưa được đóng lại (hình 2.3c),nhằm tránh xảy ra ngắn mạch đầu vào Như vậy có thể gây quá áp ở đầu ra, bởi vìkhông có van nào dẫn trong thời gian chết nên sẽ xảy ra hở mạch tạm thời của tải Vìvậy phải có một mạch clamp hoặc mạch snubber bảo vệ đấu song song với một cellchuyển mạch hoặc đấu với đầu ra để đảm bảo sự liên tục của dòng tải Phương pháp nàykhông tốt vì năng lượng thất thoát trong mỗi lần chuyển mạch lớn, việc thiết kế thêmmạch snubber trở lên phức tạp, mạch clamp cũng cần một tụ lớn đồng thời làm tăng sốlượng các van bán dẫn có trong cấu trúc Matrix Converter như vậy sẽ làm giảm ưu thếcủa Matrix Converter, khi được coi như là một giải pháp “all silicon” cho các bộ biếntần

b Chuyển mạch dòng điện có trùng dẫn (over lap)

Thực hiện đóng khoá sẽ dẫn trong khi khoá sẽ ngắt còn đang dẫn (hình 2.3d) Điều

sẽ gây ngắn mạch tạm thời làm phát sinh dòng điện vòng ngắn mạch tuần hoàn giữa cácpha vào tham gia quá trình chuyển mạch, dòng điện này có thể rất lớn dẫn đến phá huỷcác van Hạn chế dòng điện này bằng cách thêm một cuộn cảm phụ phía đầu vào, vớimục đích làm chậm sự tăng nhanh của dòng điện này dưới mức có thể phá huỷ van, để quá trình chuyển mạch được an toàn Tuy nhiên phương pháp này cũng không tối ưu vìcuộn kháng L ở đầu vào có kích thước rất lớn và đắt.

2.2.2 Phương pháp chuyển mạch semi-soft

Cả hai phương pháp chuyển mạch cơ bản trên đều cần có các thành phần phảnkháng thêm vào để bảo vệ Matrix Converter, như vậy sẽ dẫn đến tổn hao lớn Do tínhchất của khoá 2 chiều sử dụng 2 van một chiều mắc song song ngược có thể điều khiểnđộc lập chiều dòng điện, do đó một chiến lược chuyển mạch mới gồm 2 bước hoặc 4bước đã được đề xuất Dựa vào việc xác định dấu của dòng điện ra, hoặc dấu của điện

áp dây vào có các pha tham gia quá trình chuyển mạch Đầu tiên là ngắt khoá đang dẫn(mà sẽ không dẫn) sẽ làm mất đường dòng điện vòng tuần hoàn như vậy tránh ngắnmạch đầu vào, sau đó thực hiện chuyển mạch có trùng dẫn Như vậy sẽ không cần thêmvào bộ lọc đầu vào và đạt được chuyển mạch bán mềm (semi-soft) Phương pháp nàycũng thể hiện lại đặc điểm của khoá 4 góc phần tư là dòng tải có thể đi theo các hướng

a Chiến lược 4 bước chuyển mạch (hình 2.3):

Bước 1 : Ngắt van không dẫn trong khoá sẽ ngắt Lúc này chiều dòng điện không thểđổi dấu nên có thể xác định được van này

Bước 2: Mở van dẫn (theo chiều dòng tải) trong khoá sẽ dẫn Bây giờ có nối giữa cácpha vào nhưng không gây ngắn mạch đầu vào vì không có dòng điện vòng đồng thời tạo

ra đường dẫn cho dòng điện tải

Bước 3 : Ngắt van dẫn của khoá sẽ ngắt.Dòng tải bây giờ cưỡng bức phải chảy qua vandẫn của khoá sẽ dẫn

Bước 4 : Mở van không dẫn của khoá sẽ dẫn để thiết lập lại đặc điểm 4 góc phần tư củakhoá 2 chiều, vì vậy dòng tải có thể đổi dấu

Trong khi bước 1 và 4 là phụ thì bước 2 và 3 là chính Chính vì thế khoảng thời giantrong các bước 2 và 3 phải phù hợp với đặc điểm mở (thời gian mở) của các van IGBTtrong khoá 2 chiều

11 - 00

Iout > 0

Sx -Sy Sx(p)Sx(n) - Sy(p)Sy(n)

1 = on

Iout < 0

Hình 2.4 Biểu đồ trạng thái của chiến lược chuyển mạch 4 bước

Quá trình chuyển mạch này có đồ thị thời gian trong( hình 2.5), trễ giữa mỗi lần đóngcắt td là phụ thuộc vào đặc điểm của van IGBT

* Các trường hợp của 4 bước chuyển mạch

Như vậy 4 khoá 2 chiều phải được đóng mở theo một thứ tự ứng với mỗi chiều củadòng điện ra và điện áp vào cũng như là phải xác định được dòng đang dẫn theo chiềunào trước và sau khi xảy ra quá trình chuyển mạch

Hình 2.5 Đồ thị thời gian của chuyển mạch 4 bước

Với hình vẽ như trên, xảy ra 8 trường hợp chuyển mạch khác nhau phụ thuộc vào dấudòng điện ra (I) và điện áp dây (U).

Hình 2.7 Tám trường hợp chuyển mạch khác nhau

+ Các trường hợp C1, C4, C6, C7 chuyển mạch xảy ra nhờ ngắt một khoá nên gọi làchuyển mạch cưỡng bức

+ Các trường hợp khác chuyển mạch xảy ra nhờ đóng một khoá nên gọi là chuyển mạch

tự nhiên

Với C1 (Hình 2.8): Trước khi chuyển mạch cả 2 IGBT trong khoá 2 chiều của pha Rđều đóng để dẫn dòng chạy qua Dòng sẽ chảy từ pha R tới đầu ra Bước đầu tiên S1được ngắt, S4 được đóng để dẫn dòng, bởi vì có điện áp dương giữa 2 pha vào, dòngđiện vẫn chưa chảy trong pha S Ngay sau khi S2 ngắt, dòng điện cưỡng bức phải đảosang pha S Bước cuối cùng cho S3 đóng lại để dẫn dòng ngược Bây giờ khoá 2 chiềutrong pha S dẫn dòng, còn khoá 2 chiều trong pha R sẽ bị ngắt lại

Với C2(Hình 2.8): Thời điểm bắt đầu là thời điểm kết thúc của trường hợp C1 Bướcđầu tiên S3 ngắt, sau đó S2 sẽ được đóng lại để dẫn dòng và dòng điện sẽ đảo từ pha Ssang pha R Ngay sau khi dòng điện được chuyển mạch, S4 sẽ tự ngắt Thứ tự cuối cùngkết thúc là cho mở S1 để dẫn dòng ngược

Thuận lợi của chuyển mạch 4 bước là trong quá trình chuyển mạch không xảy radòng điện lớn do ngắn mạch đầu vào cũng không xảy ra quá áp do không nối dòng tải

Hình 2.8 Thứ tự đóng cắt cho 8 trường hợp (IGBT1IGBT4 tương ứng S1S4)

* Phân tích tổn hao đóng cắt trên cơ sở chuyển mạch 4 bước

Hình 2.9 Sơ đồ chuyển mạch 4 bước gồm cả điện cảm ký sinh

Trên (hình vẽ 2.9) có Lp và Lb là điện cảm ký sinh của các môđun IGBT và điện

cảm tản của đường nối giữa 2 van

Hình 2.10 đồ thị thời gian cho một trật tự đóng cắt điển hình

Với hình vẽ đồ thị thời gian như trên (hình 2.10), ta sẽ phân tích tổn hao đóng cắt khichuyển mạch trong Matrix Converter

Cốt lõi của mọi quá trình chuyển mạch là phụ thuộc vào chiều của dòng tải IL, và sựtương quan về thế giữa VA và VB Khi chuyển mạch từ SA tới SB với chiều dòng tải nhưhình vẽ Nếu VA là dương hơn VB thì chuyển mạch sẽ xảy ra ở thời điểm t3, kết quả là sẽngắt cứng Q1 trong SA và đóng mềm Q3 trong SB Ngược lại nếu VB là dương hơn

VA ,chuyển mạch sẽ diễn ra ở thời điểm t2, kết quả là đóng cứng Q3 trong SB và ngắtmềm Q1 trong SA Chú ý rằng là sẽ không có tổn hao đóng cắt ở các trường hợp với Q2

và Q4 bởi vì lúc đó 2 van này không dẫn dòng khi dòng tải là dương như trên hình vẽ.Như vậy, sẽ có một nửa quá trình chuyển mạch là đóng cắt mềm, do đó tổn hao đóngcắt trong các van bán dẫn sẽ được giảm xuống là 50% Chính vì thế phương pháp nàythường được gọi là chuyển mạch dòng điện bán mềm (semi-soft)

Chuyển mạch mềm không phải là hoàn toàn không có tổn hao, nhưng năng lượng tiêuhao là ít nhất, và là ít hơn so với chuyển mạch cứng.Trong các bộ biến đổi công suất,thường sử dụng công nghệ đóng cắt cộng hưởng (Công nghệ đóng cắt mềm) để giảmtổn hao đóng cắt Trong Matrix Converter công nghệ cộng hưởng tạo ra lợi thế cho vấn

đề chuyển mạch Tuy nhiên các mạch này đều làm tăng đáng kể số lượng các thànhphần có trong Matrix Converter , tăng tổn hao dẫn dòng, và hầu hết yêu cầu chỉnh sửatới thuật toán điều khiển để hoạt động được dưới tất cả các điều kiện

b) Chiến lược 2 bước chuyển mạch(Hình 2.14)

Trong chiến lược chuyển mạch này, chỉ có một van được điều khiển trong khoá(cell)đang dẫn Điều này có nghĩa là trong khi chuyển mạch dòng điện, van dẫn ngược làkhông cần phải điều khiển, vì thế chuyển mạch xảy ra chỉ qua 2 bước.Dòng điện ngượclại nhận được bằng cách điều khiển van dẫn ngược trong một cell khi dòng điện giảmxuống dưới một giá trị ngưỡng Khi dòng này đã tăng đầy đủ theo chiều đối diện, vanban đầu sẽ được khoá lại Một vấn đề với phương pháp này là do chiều dòng điện khôngbiết được trong chu kỳ ngược lại, do đó chuyển mạch không thể xảy ra.Sự trễ này có thểrất lớn đặc biệt là trong những bộ biến tần Matrix Converter công suất lớn, ở đây độphân giải dòng điện nhỏ nhất là rất lớn Điều này có thể dẫn đến làm méo dạng sóng củadòng điện ra Phương pháp này sẽ không thích hợp, nếu dòng điện đầu ra cần được điềukhiển là nằm trong khoảng các giá trị ngưỡng

Hình 2.11 Đảo chiều dòng điện sử dụng mức ngưỡng (threshold level)

CHƯƠNG 3 PHƯƠNG PHÁP TẠO ĐIỆN ÁP ĐẦU RA TRONG

MATRIX CONVERTER3.1 THUẬT TOÁN ĐIỀU BIẾN VENTURINI

3.1.1 Giới thiệu chung

Sóng ra của Matrix Converter được tạo bởi cách chọn các đoạn của mỗi pha đầu vàotheo một trình tự trong một thời gian nhất định nào đó

Ví dụ :

Để tạo được sóng pha a thì ta sẽ phải tuần tự đóng các khoá SAa ,SBa, SCa, theo mộtthứ tự tương ứng, trong các khoảng thời gian được tính toán trước và phải đáp ứng yêucầu không được đồng thời có 2 khoá 2 chiều cùng dẫn

Tương tự với pha B và pha C, nói chung tuần tự của mỗi pha đầu ra là như nhau

Dạng sóng chuẩn của điện áp pha đầu ra khi fvào = 50Hz , fra =25Hz, tần số đóng cắt fw

=500Hz có dạng như biểu diễn trên (hình 3.2) :

Hình 3.1 Cấu trúc 3 pha của Matrix Converter

Ta nhận thấy điện áp ra bao gồm những đoạn của 3 điện áp vào.

Để hiểu cách thức hoạt động của bộ biến tần Matrix Converter nhằm tạo ra các tần sốđầu ra khác nhau, dựa trên tần số đóng cắt, ta xác định các hàm điều biến để tạo chu kỳlàm việc(khoảng thời gian dẫn) cho mỗi khoá 2 chiều

Ví dụ một hàm điều biến cho tín hiệu điều khiển khóa nối pha vào A với pha ra a :

( ) ( )

( ) ( )

a

(3.2)Trong đó: va (t) là đáp ra pha a

vA(t), vB(t), vC(t) là đáp pha vào A, B, C tương ứng

seq T Aa

t t Aa

m ( ) 

seq T Ba

t t Ba

m ()

seq T Ca

t t Ca

m ( ) 

tAa , tBa , tCa là các khoảng thời gian dẫn các khoá SAa, SBa, SCa tương ứng

Tseq là chu kỳ đóng cắt (quá trình đóng cắt diễn ra tuần tự hết trong thời gian Tseq)

Hình 3.2 Dạng sóng điện áp pha đầu ra Matrix Converter

seq T Aa

t t Aa

Một cách tương tự ta cũng có với pha b và c , từ đó ta có thể tổng hợp thành công thứcsau:

t B v

t A v

t Cc m t Bc m t Ac m

t Cb m t Bb m t Ab m

t Ca m t Ba m t Aa m t c

t b v

t a v

t b i

t a i

t Cc m t Cb m t Ca m

t Bc m t Bb m t Ba m

t Ac m t Ab m t Aa m t C i

t B i

t A i

(3.4)Hai phương trình trên ta có thể viết rút gọn lại :

, ,



3.1.2 Giải pháp điều biến cơ bản của Venturini

Một bài toán điều biến thông thường đặt ra là giả sử điện áp ra có hình sin, và tiếptheo là yêu cầu dòng vào có hình sin

Ta có hệ thống điện áp vào đã cho:

3

2 cos

t i

t i im

V t i v

(3.8)Giả sử hệ thống dòng điện ra là

o

t o om

I t o i

2 cos

t o

t o im

qV t o v

3

2 cos

i t i

i

t i om

qI t ii

(3.11)Venturini đã đưa ra 2 giải pháp cơ bản để giải quyết vấn đề trên

t m q

t m q

t m q

t m q

t m q

t m q

t m q

t m q

/ 4 cos

2 1 3 / 2 cos

2 1

3 / 2 cos

2 1 cos

2 1 3

/ 4 cos

2 1

3 / 4 cos

2 1 3 / 2 cos

2 1 cos

2 1 3

1

1

(3.12)+ Với m=-(0+i) ta có

2 1 cos

2 1 3

/ 4 cos

2 1

cos 2 1 3

/ 4 cos

2 1 3 / 2 cos

2 1

3 / 4 cos

2 1 3 / 2 cos

2 1 cos

2 1 3

t m q

t m q

t m q

t m q

t m q

t m q

t m q

t m q

sự thay đổi hệ số lệch pha của tải 0.

Các trường hợp khác có thể xảy ra khi ta chọn 1 và 2 để có được hệ số lệch pha đầuvào là dẫn trước (tức trường hợp mang tính dung kháng) khi tải chậm pha ở đầu ra(tảimang tính cảm kháng) và ngược lại

Với 1=2 các hàm điều biến sẽ là:

im V j v K v seq

T Kj

t t Kj

3

1 2

2 1 3

1 )

3 / 2 0 3 / 4

3 / 4 3 / 2 0

Sử dụng giải pháp này, giá trị lớn nhất của tỉ số điện áp ra trên điện áp vào là (q) đạt50%

Giá trị điện áp đầu ra lớn nhất có thể được cải thiện =86% giá trị điện áp vào nếu ta đưavào ma trận điện áp đầu ra thành phần điều hoà bậc 3 của tần số vào và tần số ra Cácthành phần bậc 3 này sẽ mất đi trong tải 3 pha, cách thêm vào này cũng giống như cáchthêm vào đã làm trong các bộ biến tần thông thường

Như vậy các hàm điều biến sẽ là:

im V j v K

v t

Kj

3 3

4 2

2 1 3

1 ) (

(3.15)Với K= A,B,C và j =a,b,c

K = 0, 2/3, 4/3 tương ứng với K =A, B, C

Điện áp đầu ra tính được nhờ công thức:

m q

q t

o im

V

q j t o im

qV j

4

1 3

cos 6

j = 0, 2/3, 4/3 tương ứng với j =a, b, c

Hình 3.3 Minh họa giới hạn điện áp q=50%

Bây giờ ta phải tính được các chu kỳ làm việc(khoảng thời gian các khoá 2 chiều dẫn)trong mẫu xung kích thích dùng để đóng cắt các khoá Từ các (thuật toán) công thức(3.15) và (3.16), ta dễ dàng tính được các chu kỳ làm việc của các khoá nhờ vi xử lý,khi áp dụng trong điều khiển vòng hở và vòng kín của hệ truyền động động cơ cảm ứngdùng Matrix Converter

Các thuật toán trên chỉ yêu cầu đo được 2 trong 3 điện áp dây vào tức thời, sau đó ta sẽtính được biên độ điện áp vào (Vim ) và vị trí của vector điện áp vào (it) theo các côngthức sau:

V t

3

1 3

2 3

arctan



(3.18)Với VAB và VBC là các điện áp dây vào tức thời

Biên độ điện áp ra và vị trí vector điện áp ra tính như sau:

V t

o arctan 3



(3.20)Trong đó Va , Vb ,Vc là các điện áp đầu ra cần đạt được Trong hệ điều khiển vòng kín(ví dụ : hệ điều khiển vector) thì biên độ điện áp này và góc (vị trí) vector là đầu ra trựctiếp của vòng điều khiển, như vậy ta sẽ tính được tỉ số điện áp yêu cầu

im V

om V q

2

2



(3.21)Như vậy, tỉ số điện áp yêu cầu (q) và tần số đầu ra (o) là do người sử dụng đưa ra hay

là đầu ra của bộ điều khiển (trong trường hợp điều khiển vòng kín) Chúng sẽ đượcdùng để tính tần số ra mong muốn o , sau đó vị trí vector điện áp ra được cập nhật ởmỗi chu kỳ lấy mẫu Tseq theo công thức:

(ot)k =(ot)k-1 +o*Tseq (3.22)

3.1.3 Kỹ thuật bù nhiễu điện áp lưới:

Ở trên ta đã đưa ra các công thức tính, thuật toán điều biến của Venturini choMatrix Converter Nhưng chưa tính tới yếu tố nào do môi trường hay lưới không ổnđịnh Matrix Converter là một dạng biến tần trực tiếp vì vậy mà mỗi sự biến động củalưới có ảnh hưởng rõ rệt đến tải và ngược lại, chính vì thế để nâng cao chất lượng củaMatrix Converter vấn đề bù nhiễu là rất quan trọng

Phương pháp bù nhiễu ở đây rất đơn giản nó thích hợp cho thuật toán điều biếnVenturini Bằng cách nhập liên tục giá trị địên áp đầu vào (biên độ max), góc pha đầuvào, cũng như dòng điện ra một cách liên tục ở mỗi chu kỳ cắt mẫu, để kết quả tính toánsát với thực trạng làm việc Điều này giúp MC xử lý tình huống được chính xác

Để hiểu rõ hơn về vấn đề này ta phân tích thuật toán Venturini sâu hơn một chút Khởinguồn của thuật toán Venturini là xác định matrận điều biến dựa trên những giá trị biên

độ và tần số điện áp đầu vào, vì vậy tại mỗi thời điểm dù đầu vào có là như thế nàonhưng nếu biết được biên độ và vị trí của vectơ điện áp vào và sóng ra yêu cầu thì ta cóthể tính được thời gian tác động các khoá một cách chính xác, tương ứng tạo sóng điện

áp ra theo yêu cầu

Một mở rộng nữa theo hướng tư duy này đó là ứng dụng thuật toán Venturini cho vòngđiều khiển kín, khi mà biên độ và tần số sóng điện áp ra được điều khiển bởi bộ PI Khi

đó thì tần số và biên độ sóng đầu ra cũng được cập nhật liên tục và vì vậy matrận điềubiến cũng được tính toán liên tục và cho ra những thông số chính xác thích hợp theo yêucầu của vòng điều khiển kín Nó đảm bảo rằng sẽ đạt được điện áp ra một cách chínhxác bất kể sự biến thiên, nhiễu hay không cân bằng của điện áp lưới

3.2 ĐIỀU BIẾN KHÔNG GIAN VECTOR GIÁN TIẾP (2 MẶT)

3.2.1 Khái quát về phương pháp điều biến độ rộng xung trên không gian vector (SV - PWM)

a) Phương pháp điều biến độ rộng xung hình sin

Phương pháp tạo điện áp ra là chuỗi những xung chữ nhật có cùng biên độ, độrộng của xung phụ thuộc vào luật điều khiển

Luật điều khiển :Thực hiện so sánh 2 điện áp

+ Điện áp chuẩn Ur thường có dạng hình sin, có tần số là fr Nó thể hiện điện áp ramong muốn

+ Điện áp mang Up thường có dạng răng cưa hay tam giác, có tần số fp >> fr

Giá trị trung bình điện áp ra (Utb) trong một chu kỳ của điện áp mang là tỉ lệ với giá trịđiện áp chuẩn Ur , như vậy khi Ur có dạng hình sin thì Utb cũng có dạng hình sin, có thểđiều chỉnh biên độ áp ra bằng cách điều chỉnh tỉ số Ur/Utb

Điện áp ra chứa thành phần sóng hài cơ bản và các sóng hài bậc cao là 7, 9, 11…

b) Phương pháp điều biến độ rộng xung trên không gian vector

Một phương pháp khác cũng cho dạng sóng ra hình sin, dựa trên các vector khônggian điện áp ra biểu diễn trong mặt phẳng tọa độ d-q, có trục d trùng với trục của vector

từ thông rôto(với động cơ không đồng bộ), khi đó công suất tổng cũng như trở kháng làkhông thay đổi

Hình vẽ chỉ ra 8 vector không gian chuẩn tương ứng với 8 vị trí đóng cắt của các vantrong nghịch lưu nguồn áp V* là véc tơ điện áp bất kỳ, được thực hiện để tính ra thờigian đóng cắt các van, nhờ chọn đúng 2 vector biên V1 và V2

Ta có công thức thực hiện vector V* :

V* Tz = V1 *T1 + V2 *T2 + V0 *(T0/2) + V7 *(T0/2) (3.23)

Với T1, T2 là các khoảng thời gian cho việc thực hiện V1 , V2 tương ứng

T0 là khoảng thời gian cho việc thực hiện V0 và V7

Tz =1/2 chu kỳ đóng cắt Tpul

Hình 3.6 a)Thực hiện V1 trong T1 b)Thực hiện V2 trong T2

c)

Điện áp pha U có chứa thành phần hài bậc 3 do điều biến vector không gian tạo ra, vàthành phần này không xuất hiện trong điện áp dây.

Giá trị lớn nhất của điện áp pha trong SPWM là chỉ bằng UDC, nhưng trong SVPWM là3

2

UDC Điều đó giải thích tại sao chỉ số điều biến của SPWM là thấp hơn SVPWM(78% so với 90%), tức là phương pháp SVPWM có thể tạo ra điện áp ra cao hơnSPWM khoảng 15%

3.2.2 Điều biến không gian vector gián tiếp

Phương pháp điều biên gián tiếp đã được áp dụng cho Matrix Converter, ý tưởngchủ đạo của công nghệ điều biên gián tiếp là mô tả Matrix Converter như bộ biến đổigồm 2 tầng biến đổi

+ Tầng chỉnh lưu tạo ra điện áp một chiều ảo (UDC) có giá trị không đổi trong một chu

B C Tầng nghịch lưu

Hình 3.7 Mô tả Matrix Converter như 2 tầng biến đổi

Bởi vì đặc điểm của biến tần trực tiếp là các tham số điện ở đầu này có thể được tạothành từ các tham số ở đầu kia bằng cách nhân với ma trận truyền T Như vậy các giá trịtức thời của dòng điện vào và điện áp ra sẽ tính được nhờ ma trận truyền T như sau :

input out T V

C B A

v v v

T T T

T T T

T T T

v v

v

*

33 32 31

13 22 21

13 12 11

(3.24)

out T input T I

c b a

i i i

T T T

T T T

T T T

i i

i

*

33 32 31

13 22 21

13 12 11

Bằng cách áp dụng chiến lược điều biến không gian vector đã dùng cho biến tần nguồn

áp, cho các tầng chỉnh lưu và nghịch lưu tương ứng của Matrix Converter sau đó kếthợp 2 chiến lược

Như vậy ma trận truyền của Matrix Converter T sẽ được tạo ra bằng cách nhân ma trậntrạng thái tầng chỉnh lưu R với ma trận trạng thái tầng nghịch lưu I ta được

3 2 1

33 32 31

13 22 21

13 12 11

I I I

T T T

T T T

T T T

Ri ={ -1,0,1} là trạng thái đóng mở của tầng chỉnh lưu

Ij = { 0,1} là trạng thái đóng mở của tầng nghịch lưu

Từ (hình 3.8), MC được xem như một bộ chỉnh lưu và một bộ nghịch lưu Các côngthức (hàm) điều biến được hình thành từ cả chỉnh lưu và nghịch lưu

Các hệ thống 3 pha điện áp và dòng điện được biến đổi thành các vector không giandùng trong các hệ toạ độ gồm 2 trục nhờ công thức sau:

j e BC v AB v o V

j e b i a i i I

2 3

e v n j e b v a v i V

2 3

2

n j e C i n j e B i A i o I

(3.30)

Vo, Ii ,Vi , Ii là các vector không gian điện áp và dòng điện vào ra tương ứng

Nhiệm vụ của khối điều biến (modulor) là tổng hợp điện áp ra từ các điện áp vàovàdòng điện vào từ các dòng ra

a) Điều biến VTKG phía chỉnh lưu.

Giả sử có một điện áp 1 chiều ảo như trong (hình 3.8) Trong đó điều biến VTKGgián tiếp tất cả các đại lượng tính đều liên quan đến điện áp một chiều này

Dòng điện vào và điện áp một chiều ảo được tạo thành từ trạng thái các khoá như sau: