Nghiên cứu thực nghiệm giải thuậtđóng cắt các khóa bán dẫn cho bộ biến tần ma trận

Các bộ biến tần trong công nghiệp hiện nay chủ yếu có cấu trúc AC-DC-AC, có khâu trung gian một chiều với tụ điện lớn làm kho tích trữ năng lượng, sử dụngcác transistor có cực điều khiển

MỤC LỤC

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1.1: Bộ biến tần AC/DC/AC truyền thống

Hình 1.2: Cấu hình cơ bản cùa MC

Hình 1.3: Các cấu cho bộ biến tần

Hình 1.4: Cấu trúc mạch Indirect Matrix Converter

Hình 2.1: Cấu hình cơ bản của DMC dạng trực tiếp

Hình 2.2: Cấu hình cơ bản của IMC dạng gián tiếp

Hình 2.3: Tỉ số điều chế bằng 50% giá trị điện áp ngõ vào

Hình 2.4: Tỉ số điều chế bằng 87% giá trị điện áp ngõ vào

Hình 2.5: Vector không gian điện áp ngõ ra

Hình 2.6: Mạch lọc LC

Hình 2.7: Bộ biến đổi ma trận trực tiếp

Hình 2.8: Bộ biến đổi ma trận gián tiếp

Hình 2.9: Các khoá hai chiều

Hình 2.10: Một số cấu trúc IMC

Hình 2.11: Hệ truyền động nhiều động cơ dùng IMC

Hình 2.12: vector không gian của dòng điện ngõ vào

Hình 2.13: Phân chia vùng hoạt động ở tầng chỉnh lưu theo các giá trị điện áp

Hình 2.14: Vector không gian trạng thái ở tầng nghịch lưu.

Hình 2.15: Các trạng thái đóng cắt và vector không gian tương ứng ở tầng nghịch lưu

Hình 2.16: Sắp xếp trạng thái đóng ngắt của các khóa trong bộ biến đổi ma trận gián tiếp

Hình 3.1: Biểu diễn một mạch điện trên PSIM

Hình 3.2: Sơ đồ khối mạch điều khiển và mạch công suất

Hình 3.3: Sơ đồ mô phỏng khối tổng quan của IMC

Hình 3.4: Sơ đồ mô phỏng khối nguồn

Hình 3.5: Sơ đồ mô phỏng khối công suất

Hình 3.6: Sơ đồ mô phỏng khối công suất

Hình 3.7: Sơ đồ mô phỏng khối điều khiển

Hình 3.8: Dạng xung kích của các khóa khối chỉnh lưu

Hình 3.9: Thời điểm chuyển mạch của khối chỉnh lưu và nghịch lưu

Hình 3.10: Ðiện áp và dòng trên nhánh DC

Hình 3.11: Ðiện áp pha tải và dòng tải

Hình 3.12: Ðiện áp dây và dòng tải

Hình 3.13: Dòng điện tải ba pha

Hình 3.14: Phân tích FFT của dòng điện tải

Hình 3.15: Dòng điện nguồn ba pha

Hình 3.16: Phân tích FFT của dòng điện nguồn

Hình 3.17: Áp nguồn – dòng nguồn khi chưa qua mạch lọc cùng pha với nhau.Hình 3.18: Điện áp dây và dòng tải

Hình 3.19: Điện áp pha và dòng tải

Hình 3.20: Dòng điện tải ba pha

Hình 3.21: Phân tích FFT của dòng điện tải

Hình 3.22: Dòng điện nguồn

Hình 3.23: Phân tích FFT của dòng điện nguồn

Hình 3.24: Điện áp dây và dòng tải

Hình 3.25: Điện áp pha và dòng tải.

Hình 3.26: Dòng điện tải ba pha

Hình 3.27: Phân tích FFT của dòng điện tải

Hình 4.4: Sơ đồ các module ePWM

Hình 4.5: Các module con và các đường tín hiệu trong 1 module ePWM.Hình 4.6: Chi tiết bên trong module ePWM

Hình 4.7: Sơ đồ module con counter-compare

Hình 4.8: Chi tiết của module con counter-compare

Hình 4.9: Tạo sóng ở chế độ đếm lên

Hình 4.10: Tạo sóng ở chế độ đếm xuống

Hình 4.11: Tạo sóng ở chế độ đếm lên - xuống

Hình 4.12: Tạo sóng ở chế độ đếm lên – xuống

Hình 4.13: Cấu trúc cơ bản của FPGA

Hình 4.14: Khối Logic trong FPGA

Hình 4.15: Sơ đồ giải thuật

Hình 4.16: Mô hình thực nghiệm IMC

Hình 4.21: IGBT IRG4PF50WD thực tế và sơ đồ bên trong.Hình 4.22: Sơ đồ điều khiển.

Hình 4.23: Mạch điều khiển DSP TMS320F28335

Hình 4.24: Mạch lái

Hình 4.25: Mạch công suất phía chỉnh lưu và nghịch lưu.Hình 4.26: Tải 3-pha RL

Hình 4.27: Xung kích khối chỉnh lưu Sap, Sbp, Scp

Hình 4.28: Xung kích khối nghich lưu Sup, Svp, Swp

Hình 4.29: Xác định sector của phía chỉnh lưu

Hình 4.30: Điện áp 1 chiều Vdc

Hình 4.31: Điện áp dây tải

Hình 4.32: Điện áp pha tải

Hình 4.33: Điện áp dây nguồn vào

Hình 4.34: Dòng điện nguồn trước lọc

Hình 4.35: Dòng điện nguồn sau lọc

Hình 4.36: Dòng điện tải

MỞ ĐẦU

Trong những năm gần đây, xu hướng nghiên cứu của điện tử công suất tậptrung vào các dạng biến tần, đặc biệt là thiết bị biến tần trực tiếp Năm 1976, bộbiến đổi ma trận (matrix converter) – là thiết bị biến tần trực tiếp với nhiều ưuđiểm nổi bật - ra đời Từ khi xuất hiện, bộ biến đổi ma trận không ngừng nhận được

sự quan tâm nghiên cứu Đến nay, bộ biến đổi ma trận đã có cấu tạo phần cứng vàcác phương pháp điều khiển tương đối hoàn chỉnh Việc thương mại hóa sản phẩmnày không còn là điều xa vời, và đã đến lúc chúng ta nghĩ đến việc ứng dụng chúngvào thực tế Các hướng ứng dụng đầy tiềm năng của bộ biến đổi này là điều khiểntruyền động động cơ không đồng bộ và ứng dụng trong các hệ biến đổi năng lượnggió (Wind energy conversion system) Tuy nhiên việc điều khiển bộ biến tần matrận hiện nay gặp nhiều khó khăn do việc thực thi phần cứng khá phức tạp Do đó,

đề tài “Nghiên cứu thực nghiệm giải thuật đóng cắt các khóa bán dẫn cho bộ biến tần ma trận” để tập trung vào nghiên cứu và đưa ra phương pháp thực hiện

quá trình đóng cắt cho các khoá bán dẫn sử dụng card DSP và FPGA

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN 1.1 Đặt vấn đề

Nhờ sự phát triển mạnh mẽ của lĩnh vực điện tử công suất, các bộ biến đổiAC-AC ngày càng được ứng dụng rộng rãi trong các hệ truyền động động cơ ACnói riêng và trong công nghiệp nói chung như: điều khiển các hệ truyền động sửdụng động cơ AC, ứng dụng trong hệ thống năng lượng gió, hệ thống 400Hz cấpnguồn cho máy bay Bên cạnh đó, việc điều khiển các bộ biến đổi điện tử công suấtcũng trở nên dễ dàng và chính xác hơn nhờ sự phát triển của công nghệ xử lý tínhiệu số, vi xử lý và công nghệ bán dẫn Một trong những mục tiêu của các hướngnghiên cứu trên thế giới hiện nay là không ngừng cải tiến các bộ biến đổi AC-ACnhằm làm giảm tổn hao, nâng cao hiệu suất làm việc, cải thiện chất lượng điệnnăng

Hình 1.1: Bộ biến tần sử dụng cấu hình AC-DC-AC truyền thống.

Các bộ biến tần trong công nghiệp hiện nay chủ yếu có cấu trúc AC-DC-AC,

có khâu trung gian một chiều với tụ điện lớn làm kho tích trữ năng lượng, sử dụngcác transistor có cực điều khiển cách ly (IGBT) như hình 1.1 Cấu trúc AC-DC-ACbao gồm mọi dải công suất, từ vài trăm watt đến hàng nghìn kW Các biến tần nàyđều có nhược điểm cơ bản là dòng đầu vào không sin, không điều chỉnh được hệ sốcông suất, do đó công suất lắp đặt sẽ bị hạn chế tối đa đến 60% công suất của trạm

nguồn cung cấp Ngoài ra cấu trúc biến tần phổ biến nhất AC-DC-AC lại không cókhả năng trao đổi công suất với lưới theo cả hai chiều, điều này gây khó khăn chonhững ứng dụng thực tế khi tải có tính thế năng hoặc có quán tính lớn.

Bộ biến tần ma trận (Matrix Converter) là một trong những hướng nghiên cứu

có khả năng đáp ứng được những yêu cầu đó: dòng điện ở nguồn vào dạng sin vàcông suất có thể đi theo hai chiều từ nguồn đến tải hoặc tải về nguồn Nhiều dạngcấu trúc mạch khác nhau đã được ứng dụng để tạo ra các bộ biến đổi xoay chiềuAC-AC có thể biến đổi năng lượng xoay chiều từ biên độ, tần số này sang biên độ,tần số khác Tuy nhiên, so với các cấu trúc AC-DC-AC thông thường thì bộ biếnđổi ma trận có thể tạo ra dạng sóng đầu vào, đầu ra có dạng sin, có thể điều khiển

hệ số công suất đầu vào và đặc biệt là không cần đến thành phần dự trữ công suất,tất cả đều là khóa bán dẫn

Với những ưu điểm trên, bộ biến đổi ma trận đã thu hút được sự nghiên cứurất rộng rãi Bộ biến đổi ma trận được giới thiện lần đầu tiên vào năm 1980 bởiVenturini và Alesina với chín khóa bán dẫn hai chiều (bi-directional switches) đượcsắp đặt theo dạng ma trận để bất kỳ một điện áp pha đầu vào nào cũng có thể nốivới bất kỳ điện áp pha đầu ra như hình 1.2

Hình 1.2: Cấu hình cơ bản của MC.

Phương pháp điều khiển bộ biến đổi ma trận đưa ra bởi Venturini và Alesinađược biết đến như phương pháp “trực tiếp” với điện áp đầu ra mong muốn nhậnđược bằng cách nhân ma trận đóng ngắt với điện áp đầu vào Một phương pháp điềukhiển khác dựa trên ý tưởng “điện áp DC giả tưởng” được đưa ra bởi Rodriguez vàonăm 1983 Phương pháp này cũng được biết đến như phương pháp điều khiển “giántiếp” cho bộ biến đổi ma trận Tuy nhiên, việc đóng ngắt các khóa bán dẫn képtrong bộ biến đổi ma trận rất dễ gây quá áp hoặc quá dòng dẫn đến hư hỏng linhkiện, do đó cần phải có một mạch bảo vệ phức tạp đi kèm Vì vậy, bộ biến đổi matrận thông thường vẫn chưa được ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp

Với sự phát triển của nhiều kỹ thuật điều chế gần đây, một kỹ thuật điều chếkhác đã được đưa ra dẫn đến sự ra đời của bộ biến đổi trực tiếp xoay chiều AC haitầng Như vậy, dựa vào cấu trúc của bộ biến đổi ma trận, có thể phân thành haidạng: bộ biến đổi ma trận trực tiếp (Direct Matrix Converter), bộ biến đổi ma trậngián tiếp (IndirectMatrix Converter)

Hình 1.3: Các cấu cho bộ biến tần AC-AC.

Bộ biến đổi ma trận gián tiếp (Indirect matrix converter - IMC) là một dạngcủa bộ biến đổi ma trận, trong đó cấu trúc mạch xem như gồm hai khâu biến đổi làchỉnh lưu – nghịch lưu ghép với nhau Khâu chỉnh lưu gồm sáu khóa bán dẫn haichiều, khâu nghịch lưu gồm sáu khóa bán dẫn một chiều Bộ biến đổi ma trận giántiếp biến đổi từ ba pha sang ba pha với dòng công suất có khả năng chạy theo haichiều, điện áp và dòng điện mong muốn đều có dạng sin, không cần thiết bị lưu trữnăng lượng DC, có khả năng điều khiển hệ số công suất ngõ vào độc lập với dòngđiện tải ngõ ra

Hình 1.4: Cấu trúc mạch biến tần ma trận gián tiếp (Indirect Matrix

Converter)

1.2 Tính cần thiết của đề tài

Vấn đề chất lượng điện năng hiện nay đang là mối quan tâm của xã hội, nhàmáy và xí nghiệp Đặc biệt trong bối cảnh hiện nay, quá trình công nghiệp hóa vàhiện đại hóa phát triển theo chiều hướng tốt Khi chất lượng điện năng không đượcđảm bảo sẽ ảnh hưởng đến tuổi thọ thiết bị, gây nhiễu thiết bị xung quanh và tạo ratác động không mong muốn của Relay Bộ biến tần 3 pha cổ điển sử dụng chỉnh lưukhông điều khiển có 2 khuyết điểm chính là: gây ra dòng điền ngõ vào không sin,chứa nhiều sóng hài và sự xuất hiện của tụ điện làm tăng kích thước, chiếm chổkhông gian và giảm tuổi thọ Do đó, đề tài này đề xuất bộ biến tần 3 pha kiểu matrận để thay thế bộ biến tần cổ điển.

1.3 Mục tiêu, nhiệm vụ và giới hạn của đề tài

c. Triển khai mô phỏng trên phần mềm chuyên dụng cho giải thuật trên

d. Triển khai thực nghiệm giải thuật đóng cắt các khóa công suất dựatrên công nghệ FPGA và vi điều khiển DSP TMS320F28335 củahãng Texas Instruments Board công suất dựa trên linh kiện của hãngSemikron, Fairchid nhằm nâng cao chất lượng đầu ra của biến tần matrận

1.3.2 Nhiệm vụ và giới hạn đề tài:

Do giới hạn về thời gian và điều kiện nghiên cứu nên đề tài chỉ giới hạn trongcác vấn đề sau:

- Nghiên cứu phương pháp điều chế độ rộng xung PWM cho IMC Xây dựng

mô hình mô phỏng cho IMC trong Psim sử dụng với tải RL

- Thiết kế và thi công mô hình thực nghiệm cho IMC sử dụng khóa đóng ngắtbằng IGBT, phối hợp với card DSP TMS320F28335 và FPGA EPM7128SLC84-15W BEJ240107A để xử lý tín hiệu điều khiển Đánh giá và so sánh kết quả giữa

mô phỏng và thực nghiệm

1.4 Bố cục của luận văn

Chương I: Giới thiệu chung về đề tài, đưa ra mục tiêu, tính cần thiết và phạm

vi giới hạn của đề tài

Chương II: Cơ sở lý thuyết.

Chương III: Trình bày giải thuật điều chế độ rộng xung PWM cho bộ biến

đổi ma trận gián tiếp, xây dựng sơ đồ mô phỏng bằng PSim, kết quả mô phỏng

Chương IV: Trình bày quá trình thiết kế và thi công mô hình thực nghiệm

cho bộ biến đổi ma trận gián tiếp, đánh giá kết quả thực nghiệm thu được

Chương V: Kết luận và hướng phát triển của đề tài.

CHƯƠNG II: CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Trong chương này, trước hết sẽ trình bày về cấu trúc mạch, nguyên lý hoạtđộng và các giải thuật điều chế được ứng dụng cho bộ biến đổi ma trận thôngthường Tiếp theo là các vấn đề liên quan đến mô hình thực nghiệm, như khóa haichiều (bi-directional switches), mạch lọc, mạch kẹp Phần cuối sẽ tập trung phântích về giải thuật điều chế vector không gian cho bộ biến đổi ma trận gián tiếp, đâycũng là phương pháp được sử dụng trong luận văn

2.1 Biến tần kiểu ma trận (Matrix Converter – MC)

Biến tần kiểu ma trận là một dạng biến tần trực tiếp, hay là bộ biến đổiAC/AC MC là bước phát triển tiếp theo của các biến tần trực tiếp cycloconverterdựa trên những tiến bộ vượt bậc của công nghệ chế tạo các phần tử bán dẫn côngsuất và các thiết bị xử lý số cực mạnh MC sử dụng các khóa bán dẫn hai chiều nên

có thể tạo ra dòng đầu vào hình sin, hệ số công suất điều chỉnh được, điện áp rahình sin với tần số cao và thấp hơn tần số điện áp lưới, có khả năng áp dụng chomọi dải công suất, từ nhỏ đến lớn Trong MC phần công suất hoàn toàn dùng cácphần tử bán dẫn, nhiệt độ chịu đựng cao hơn, có thể lên đến 60°C, độ tin cậy cao,tuổi thọ dài, kích thước giảm nhỏ hơn một cách đáng kể

Khả năng làm việc được ở cả bốn góc phần tư mà không cần thêm vào phần tửphụ nào cùng với kích thước nhỏ gọn đưa đến khả năng tích hợp bộ biến tần vớiđộng cơ, tạo nên một hệ thống truyền động thống nhất Đây là đặc tính ưu việt nhấtcủa MC so với các biến tần phổ biến hiện nay trong công nghiệp

2.2 Cấu hình cơ bản của MC

Trong những năm gần đây, biến tần ma trận đã có những phát triển đáng kể vàđược ứng dụng nhiều trong dân dụng, công nghiệp, quân sự, hàng không… Hai cấutrúc cơ bản của biến tần ma trận: kiểu trực tiếp (DMC – Direct matrix converter)trình bày ở hình 2.1 và kiểu gián tiếp (IMC – Indirect matrix converter) trình bày ởhình 2.2 Tuy nhiên, gần đây, bộ biến tần ma trận kiểu gián tiếp nhận được nhiều sựquan tâm của các nhà nghiên cứu nhằm thay thế bộ biến tần truyền thống (sử dụngcấu hình AC/DC/AC) và biến tần ma trận kiểu trực tiếp

Bộ biến tần ma trận kiểu gián tiếp có những ưu điểm và bộ biến tần ma trậnkiểu trực tiếp không có được như là: sự đơn giản trong quá trình chuyển mạch giữacác van công suất, khả năng giảm số lượng van bán dẫn do tận dụng khả năngchuyển mạch mềm giữa các van hai chiều, khả năng chuyển đổi năng lượng trựctiếp từ một nguồn xoay chiều ba pha cho nhiều ngõ ra ba pha.

Bộ phận cơ bản của MC là ma trận 3x3, gồm 9 khóa hai chiều SaA, SbB, …, ScC.Các khóa hai chiều này nối các pha đầu ra A, B, C với các pha điện áp đầu vào a, b,

c theo một quy luật nhất định để tạo ra điện áp đầu ra Bộ lọc Lf Cf làm cho dòngđầu vào trở nên liên tục và gần với dạng sin Mạch Clamp có tác dụng bảo vệ quáđiện áp MC không sử dụng các phần tử phản kháng như tụ điện, điện cảm nào đểlàm các khâu trung gian dự trữ năng lượng

Hình 2.1: Cấu hình cơ bản của DMC dạng trực tiếp.

Bộ biến đổi ma trận gián tiếp (Indirect matrix converter - IMC) là một dạngcủa bộ biến đổi ma trận, trong đó cấu trúc mạch xem như gồm hai khâu biến đổi làchỉnh lưu – nghịch lưu ghép với nhau Khâu chỉnh lưu gồm sáu khóa bán dẫn haichiều, khâu nghịch lưu gồm sáu khóa bán dẫn một chiều Bộ biến đổi ma trận giántiếp biến đổi từ ba pha sang ba pha với dòng công suất có khả năng chạy theo haichiều, điện áp và dòng điện mong muốn đều có dạng sin, không cần thiết bị lưu trữnăng lượng DC, có khả năng điều khiển hệ số công suất ngõ vào độc lập với dòngđiện tải ngõ ra

Hình 2.2: Cấu hình cơ bản của IMC dạng gián tiếp Yêu cầu đặt ra đối với quy luật điều khiển ma trận khóa hai chiều là:

1 Tổng hợp điện áp đầu ra có dạng sin từ các điện áp đầu vào với tần số theoyêu cầu, dưới và trên tần số điện áp lưới Dòng tải sẽ do phụ tải quyết định

2 Dòng điện đầu vào được tổng hợp từ dòng điện ra và cũng có dạng sin

3 Năng lượng có thể trao đổi giữa tải với lưới theo cả hai chiều

4 Hệ số công suất đầu vào có thể điều chỉnh được, không phụ thuộc tải vàtính chất của tải Các yêu cầu 2, 3, 4 nhằm tạo ra các đặc tính ưu việt của MC màcác biến tần truyền thống không thể có được

2.3 Các phương pháp điều chế

2.3.1 Phương pháp điều chế Venturini

Phương pháp này được xem là phương pháp điều chế hoàn chỉnh đầu tiên cho

Hình 2.4: Tỉ số điều chế bằng 87% giá trị điện áp ngõ vào

2.3.2 Phương pháp điều chế vô hướng (Roy)

Phương pháp này dựa vào việc đo giá trị tức thời của điện áp ngõ vào và sosánh biên độ tương đối của chúng theo thuật toán sau:

- Đặt M là ngõ vào khác cực tính với 2 ngõ còn lại.

- Đặt L là ngõ vào có giá trị tuyệt đối nhỏ nhất trong 2 ngõ vào còn lại đó.

- Đặt K là ngõ vào còn lại.

Tỷ số đóng được xác định bởi:

Tương tự như phương pháp của Venturini, để đạt được tỉ số điều chế 87%, cần

phải thêm vào ở điện áp ngõ ra một thành phần sóng hài bậc ba, khi đó

sẽ có dạng như sau:

(2.7)

2.3.3 Phương pháp điều chế vector không gian

Vector điện áp ngõ ra được thể hiện dưới dạng:

(2.8)

với:

Vector có biên độ là và quay với vận tốc góc Vector này

được tổng hợp từ thời gian tác động trung bình của các vector liền kề vớivector điện áp ngõ ra trong một chu kỳ mẫu.

Bộ biến đổi ma trận 3 pha, vector điện áp ngõ ra có 27 khả năng có thể xảy ra

và được chia ra thành 3 nhóm như sau:

Nhóm 1: Mỗi ngõ ra bộ biến đổi ma trận nối với một ngõ vào khác nhau Các

vector không gian có biên độ không đổi và quay với vận tốc góc ứng với tần sốnguồn

Nhóm 2: Hai ngõ ra bộ biến đổi ma trận nối với cùng một ngõ vào, ngõ ra còn

lại nối với 1 trong 2 ngõ vào còn lại Khi đó vector không gian có biên độ thay đổi,

có phương thuộc 1 trong 6 góc phần sáu (góc 600) Giá trị tối đa vector không

gian

là: (như hình 2.5)

Nhóm 3: Tất cả ngõ ra nối chung với 1 ngõ vào, vector điện áp chính là vector

không (nằm tại gốc tọa độ)

Giả sử vector điện áp ngõ ra nằm trong góc phần sáu thứ nhất (hình 2.5):

Hình 2.5: Vector không gian điện áp ngõ ra 2.3.4 Phương pháp điều chế gián tiếp

Phương pháp này nhằm mục đích tăng tỉ số điều chế lên trên mức 87% Điện

áp ngõ ra bộ biến đổi được diễn đạt như sau:

(2.9)

Ma trận A có thể xem như ma trận “điều chế của khối chỉnh lưu”, ma trận B là

ma trận “điều chế của khối nghịch lưu” tương tự như trong các hệ thống chuyển đổi

AC-DC-AC thông thường

với tỉ số điều chế của các phương pháp khác

2.4 Bộ lọc đầu vào (input filter)

Sơ đồ mạch lọc đầu vào tiêu biểu cho trên hình 2.6 Dòng đầu vào bao gồmnhững xung dòng, chính là sự tổng hợp những đoạn của 3 dòng đầu ra, gồm thànhphần sóng hài cơ bản ở tần số lưới và các thành phần sóng hài bậc cao, là bội số củatần số lấy mẫu Do tần số lấy mẫu rất lớn so với tần số điện áp lưới nên kích thước

bộ lọc nhỏ, không ảnh hưởng đáng kể đối với kích thước của mạch động lực

Hình 2.6: Mạch lọc LC.

2.5 Mạch Clamp

Mạch Clamp, xem hình 2.7, bao gồm hai cầu chỉnh lưu 3 pha với mạch xoaychiều là phía nguồn và phía đầu ra trên tải, có chung mạch một chiều là tụ C Bìnhthường, tụ C được nạp điện đến giá trị biên độ của điện áp vào hoặc điện áp ra, tùytheo giá trị nào cao hơn Khi có các xung điện áp ở phía lưới hoặc ở phía tải caohơn điện áp trên tụ các điôt sẽ mở thông để tụ hấp thụ năng lượng của các xung ápnày Nếu điện dung của tụ đủ lớn điện áp trên tụ sẽ thay đổi không đáng kể, đảmbảo điện áp trên ma trận khoá được giữ trong phạm vi cho phép

Về phía lưới, quá áp có thể xảy ra khi có các phần tử đóng cắt tác động hoặcbởi sóng sét truyền trên đường dây

Về phía tải, quá áp nguy hiểm có thể xẩy ra khi ngắt nguồn MC gây nên dòngtải bị ngắt tức thì

Mạch Clamp giống như một mạch hạn chế điện áp song song với mỗi phần tửkhóa hai chiều trong sơ đồ MC Các điôt trong mạch Clamp phải là các điôt nhanh

để có tác dụng cắt ngay các xung điện áp có độ rộng rất ngắn Điện áp trên tụ điệntrong mạch Clamp có thể là nguồn cung cấp cho mạch điều khiển Mức điện áp trên

tụ trong mạch cũng thể hiện những thông tin cần thiết để thực hiện nhanh quá trìnhkhởi động lại

Nhược điểm của mạch Clamp là mạch không tham gia vào hoạt động trong chế độ làm việc bình thường, làm tăng kích thước, giá thành của MC Bằng các kỹ thuật chuyển mạch phù hợp có thể không cần dùng đến mạch Clamp

Hình 2.7: Bộ biến đổi ma trận trực tiếp.

Hình 2.8: Bộ biến đổi ma trận gián tiếp

2.6 Ma trận khoá đóng cắt hai chiều (Bidirectional Switch - BDS)

Ma trận khóa, là thành phần chính, quan trọng nhất của MC, gồm chín khoáhai chiều BDS, S11, S12, , S33 Hiện nay, các nhà sản xuất chưa đưa ra các khoábán dẫn hai chiều nên các phần tử này phải được tạo ra từ các khoá bán dẫn thôngthường Các phần tử bán dẫn thông thường có được khả năng chịu điện áp ngượcnếu được mắc song song với một điôt ngược Các IGBT là các khóa bán dẫn được

sử dụng rộng rãi hiện nay vì các đặc tính tốt như điều khiển bằng điện áp, đóng cắtnhanh, khả năng chịu điện áp cao, dòng điện lớn Các khóa hai chiều được xây dựngchủ yếu trên cơ sở IGBT với các sơ đồ như được thể hiện trên hình 2.9, (a), (b) và(c) Sơ đồ dùng cầu điôt (hình 2.9, (c)), gồm 1 IGBT và 4 điôt Các điôt này cũng

phải là các điôt nhanh để phù hợp với khả năng đóng cắt nhanh của IGBT Ưu điểmcủa sơ đồ này là chỉ cần dùng một IGBT Nhược điểm của khóa hai chiều này làdòng chảy qua 3 phần tử nên tổn thất trên sơ đồ khá lớn Khoá hai chiều hiện naychủ yếu xây dựng trên sơ đồ sử dụng 2 IGBT mắc song song ngược theo kiểu chungemittor hoặc chung collector và 2 điôt nhanh, trong đó mỗi chiều dòng điện đi quamột cặp IGBT và điôt như được biểu diễn trên hình 2.9, (a), (b) (c), (d) (e), (f).

Hình 2.9: Các khoá hai chiều.

2.7 Các ưu điểm của biến tần ma trận kiểu gián tiếp

Biến tần ma trận kiểu gián tiếp thừa hưởng những ưu điểm của các bộ biến tần

ma trận trực tiếp: dòng điện ngõ vào sin, dòng điện ngõ ra sin, hệ số công suất điềukhiển được Trong một số ứng dụng biến tần ma trận kiểu gián tiếp tỏ ra thíchhợp hơn so với biến tần ma trận trực tiếp với những ưu điểm như sau

2.7.1 Chuyển mạch an toàn

Tại thời điểm xảy ra chuyển mạch trong khối chỉnh lưu, điện áp trong khốinghịch lưu tương ứng là vector không (vector V0 hoặc V7), tương ứng dòng điệntrên nhánh DC cũng bằng không Do đó, các linh kiện bán dẫn trong khối chỉnh lưuchuyển mạch tại thời điểm dòng điện bằng không, điều này giúp cho quá trìnhchuyển mạch diễn ra an toàn hơn và tổn hao do chuyển mạch cũng giảm đi.

2.7.2 Giảm số linh kiện bán dẫn

(a) Ultra Sparse Matrix Converter (b) Very Sparse Matrix Converter

(c) Inverting Link Matrix Converter (d) Sparse Matrix Converter

Hình 2.10: Một số cấu trúc IMC.

Cấu trúc mạch của IMC có thể được cải tiến nhằm làm giảm số linh kiện bándẫn mà vẫn giữ được các đặc điểm như các bộ biến tần ma trận thông thường, nhưkiểm soát được hệ số công suất đầu vào, vẫn giữ được dạng dòng điện nguồn vàđiện áp tải là dạng sin Ngoài ra, với việc giảm số lượng linh kiện làm cho công việcthiết kế cũng trở nên đơn giản hơn, giá thành cũng giảm đi

Bảng 2.1: So sánh số lượng linh kiện giữa các loại IMC

Direct Matrix 18 18

Việc giảm số lượng linh kiện thường thực hiện trong khối chỉnh lưu và phảiđảm bảo cho IMC vẫn có khả năng hoạt động trong cả bốn góc phần tư Tuy nhiên,tổn hao trong quá trình hoạt động có thể sẽ cao hơn vì quá trình chuyển mạch diễn

ra trong nhiều linh kiện hơn

2.7.3 Hiệu quả hơn trong các hệ truyền động nhiều động cơ

Hiện nay, bộ IMC thường được lựa chọn để thay thế cho các bộ biến đổi DC-AC truyền thống dùng trong hệ truyền động nhiều động cơ (multi-motor drivesystems) cần thành phần dự trự năng lượng DC lớn Vì khi sử dụng bộ IMC thìkhông cần đến các thành phần dự trữ năng lượng DC

AC-Mạch lọc Bộ biến đổi 3 pha – 2 pha PWM – VSI INV 1

Hình 2.11: Hệ truyền động nhiều động cơ dùng IMC

2.8 Mối quan hệ giữ dòng điện và điện áp của biến tần ma trận gián tiếp.

Sơ đồ mạch điện của IMC được hiển thị trong hình 2.2 Khái niệm của Biếntần ma trận gián tiếp là tách bộ chuyển đổi AC/AC thành hai tầng, cụ thể là, tầngchỉnh lưu (rectifier stage) và tầng nghịch lưu chỉnh, mà không cần tụ điện cồng

kềnh Tầng chỉnh lưu bao gồm sáu khoá hai chiều, trong khi đó tầng nghịch lưugồm sáu khoá một chiều Mô hình toán học thể hiện mối liên hệ giữa dòng điện vàđiện áp của biến tần ma trận của gián tiếp có thể được dẫn giải từ hình 2.2 như sau:Điện áp DC-link được tạo ra bởi tầng chỉnh lưu thông qua trạng thái đóng cắtcủa các khoá công suất và điện áp đầu vào va, vb, vc như sau:

nghĩa là trạng thái đóng cắt của 6 khoá một chiều trong tầng nghịch lưu.

2.9 Phương pháp điều chế vector không gian cho biến tần ma trận gián tiếp.

2.9.1 Điều khiển tầng chỉnh lưu.

Như thể hiện trong hình 2.2, các điện áp và dòng điện ở ngõ vào của biến tàn

ma trận gián tiếp được biểu thị tương ứng bởi va, vb, vc và ia, ib, ic Và các điện áp vàdòng điện ngõ ra được biểu thị bằng VA, VB, VC và iA, iB, iC Giả sử rằng điện áp 3pha ngõ vào là cân bằng, có biên độ là Vin và tầng số góc là ωin do đó điện áp 3 phangõ vào được hiển thị như sau:

ay ay

Để giải thích phương pháp vectơ không gian nhằm điều khiển tầng chỉnh lưu,

ta định nghĩa vector không gian của dòng điện ngõ vào như sau:

( 2 3 4 3)

2 3

Bảng 2.2 trình bày toàn bộ các vectơ không gian của dòng điện ngõ vào theotrạng thái đóng cắt của các khóa công suất hai chiều ở tầng chỉnh lưu Theo bảng2.2, vector không gian dòng điện đầu có sáu vectơ tích cực có hướng cố định và bavectơ không

Bảng 2.2 Các vectơ không gian dòng điện đầu vào

S a n

S b n

Hình 2.9 biểu diễn sơ đồ vector không gian của dòng điện ở tầng chỉnh lưu.Mỗi vector tích cực nói lên sự kết nối của điện áp pha đầu vào và DC-link Ví

dụ, vector tích cực Iab cho thấy kết nối của tầng chỉnh lưu như sau: điện áp pha "a"nói đến cực dương và điện áp pha "b" nói đến cực âm của DC-link Các vectơkhông cho thấy không có sự kết nối giữa điện áp đầu vào và DC link

Hình 2.12: Vector không gian của dòng điện ngõ và.

Trong điều kiện điện áp ba pha đầu vào cân bằng, có hai trường hợp để táchcác sơ đồ vector không gian vào sáu vùng Trong điều kiện đầu tiên, một điện áppha đầu vào là dương và hai điện áp đầu vào giai đoạn là âm (khu vực 1,3,5) Trongđiều kiện thứ hai, một điện áp đầu vào giai đoạn là âm và hai điện áp đầu vào giaiđoạn dương (khu vực 2,4,6) như hình 2.13

Hình 2.13: Phân chia vùng hoạt động ở tầng chỉnh lưu theo các giá trị điện áp

Để không mất tính tổng quát của quá trình phân tích hoạt động tầng chỉnh lưu,

ta giả sử rằng giai đoạn chỉnh lưu hoạt động trong vùng 1 Vector dòng điện thamchiếu đầu vào được tổng hợp bằng cách sử dụng hai vectơ liền kề Iab và Iac như thểhiện trong hình 2.12

uuur uuur uuur

(2.22)Các giá trị của hai vectơ tích cực trong tầng chỉnh lưu được cho bởi:

sin 6

c ac

Từ (2.25) và (2.26), giá trị trung bình của điện áp dc-link là:

(min)

3 2

ON hay điều chế của các khoá công suất

Bằng cách sử dụng phương pháp tương tự từ (2.22) - (2.29) và hình 2.13, tỷ lệ thời gian ON của các khoá công suất hai chiều khác có thể được tính toán tương tự Bảng 3.2 tóm tắt các trạng thái chuyển mạch và điện áp dc-link tương ứng và giá trịtrung bình của điện áp dc-link

Bảng 2.3: Tóm tắt điện áp DC-link phụ thuộc vào các trạng thái đóng cắt của

Khóa chuyển mạch Diện áp DC-link

Điện áptrung bình(

)

1 -π/6 π/6 S ap

S cn

-v c /v a

S bn

-v a /v c

S bp

-v a /v b

S cn

-v b /v a

S cp

-v b /v c

S an

-v a /v c

v ca v cb

2.9.2 Điều khiển tầng nghịch lưu

Hình 2.14: Vector không gian trạng thái ở tầng nghịch lưu

Một khi các trạng thái chuyển mạch của các tầng chỉnh lưu đã được quyết địnhnhư trong phần trình bày 2.9.1, phương pháp vector không gian được sử dụng đểđiều khiển tầng nghịch lưu các bộ biến tần 3 pha thường được điều khiển dựa theo

kỹ thuật điều chế độ rộng xung (Pulse Width Modulation, PWM) và qui tắc kíchđóng đối nghịch Qui tắc kích đóng đối nghịch đảm bảo dạng áp tải được điều khiểntuân theo giản đồ kích đóng công tắc và kỹ thuật điều chế độ rộng xung có tác dụnghạn chế tối đa các ảnh hưởng bất lợi của sóng hài bậc cao xuất hiện ở phía tải.

Phụ thuộc vào phương pháp thiết lập giản đồ kích đóng các công tắc, có thểphân biệt các dạng điều chế độ rộng xung khác nhau Trong số đó, phương phápđiều chế độ rộng xung vector không gian (SVPWM) được sử dụng phổ biến nhờ các

ưu điểm như có đáp ứng đầu ra với sóng hài thấp, tầm điều khiển tuyến tính được

ra trở nên tuyến tính Vector tương đương ở đây chính là vector trung bình trongthời gian một chu kỳ lấy mẫu của quá trình điều khiển

2 3

out j

(2.30)Giả sử vector out ở vùng 1 như trong hình 2.11, độ dài vector d1 , d2 , d0,và d7được tính như sau:

3

out

out dc

V d

(2.31)

( )

out dc

V d

Như vậy, chỉ với 8 vector chuẩn như hình 2.14 ta có thể biểu diễn điện áp củađầu ra vói biên độ và góc pha bất kỳ

Đối với phương pháp điều rộng xung vector không gian, bộ nghịch lưu đượcxem như là một khối duy nhất với 8 trạng thái đóng ngắt riêng biệt từ 0 đến 7

Hình 2.15: Các trạng thái đóng cắt ở tầng nghịch lưu.

Trong đó ωout là góc của vector điện áp đầu ra tham khảo d1, d2, d0, và d7 là

tỷ lệ thời gian ở trạng thái ON của các vector V1, V2, V0, và V7.

Tỷ lệ biến đổi điện áp giữa ngõ ra và ngõ vào của biến tần ma trận gián tiếp được định nghĩa như sau:

out in

V m V

=

(2.34)Theo (2.30) - (2.34), Tỷ lệ biến đổi điện áp phải nhỏ hơn 0,866 để các giá trị d1, d2, d0, và d7 đạt giá trị dương

2.9.3 Phối hợp thứ tự đóng cắt giữa hai tầng chỉnh lưu và nghịch lưu

Để có được dòng điện đầu vào cân bằng và điện áp đầu ra cân bằng trong mộtkhoảng thời gian lấy mẫu, trạng thái đóng cắt của hai tầng chỉnh lưu và nghịch lưuphải được phối hợp với nhau Như trên phân tích, trong một thời gian lấy mẫu Ts,điện áp dc-link có hai giá trị vab và vac với chu kỳ là dab và dac Vì vậy, các trạngthái chuyển mạch ở tầng nghịch lưu được chia thành hai nhóm Các tỷ lệ thời gianđóng của các vector tích cực và vector không được tính như sau:

- Trong giai đoạn đầu tiên, khi vector dòng điện Iab được áp dụng trong tầng chỉnh lưu, các tỷ lệ thời gian ON của V1, V2, V0, và V7 được xác định như sau:

Theo nguyên tắc chọn vectơ không trong tầng nghịch lưu, quá trình sắp xếpxung đóng cắt của các khoá công suất ở tầng chỉnh lưu và nghịch lưu được trình bàytrong hình 2.16 trong trường hợp cả vector dòng điện và điện áp ở vùng 1 Có thểthấy rằng quá trình chuyển mạch của Sbn, Scn trong tầng chỉnh lưu xảy ra trongkhoảng thời gian nơi vectơ zero được áp dụng trong giai đoạn biến tần.

Hình 2.16: Sắp xếp trạng thái đóng ngắt của các khóa trong bộ biến đổi ma trận

gián tiếp.

2.10 Nhận xét và kết luận

Sau những năm nghiên cứu, có rất nhiều phương pháp điều chế đã được pháttriển cho bộ biến đổi ma trận gián tiếp, cho phép tạo ra dòng điện vào ra có dạngsin, vận hành với hệ số công suất duy nhất Vấn đề thực tiễn quan trọng nhất làthiếu bộ khóa xoay chiều tích hợp Hạn chế này đã được khắc phục nhờ các mô-đuncông suất gồm mạch công suất hoàn chỉnh của bộ biến đổi ma trận

Từ những phân tích về các phương pháp điều chế và những ưu điểm của bộbiến đổi ma trận gián tiếp Trong luận văn này sẽ chọn cấu trúc của bộ biến đổi matrận gián tiếp để thực hiện và giải thuật được sử dụng là phương pháp điều chếvector không gian cho cả phần chỉnh lưu và nghịch lưu

CHƯƠNG III: MÔ HÌNH HOÁ VÀ MÔ PHỎNG HOẠT ĐỘNG CỦA BIẾN TẦN MA TRẬN GIÁN

TIẾP BẰNG PSIM

Chương này sẽ mô phỏng hoạt động của bộ biến đổi ma trận gián tiếp với tải RL

Mô hình điều chỉnh tần số ngõ ra sử dụng bộ biến đổi được xây dựng bằng phần mềmPSim Giải thuật điều chế vector không gian được trình bày chi tiết ở mục 2.9 được ứngdụng để mô phỏng

3.1 Giới thiệu phần mềm PSim (Power Electronics Simulation

Software)

PSIM là phần mềm mạch do hãng Powe Sim (Hoa Kỳ) – Một trong các nhàsản xuất các thiết bị dạy học nổi tiếng viết và đưa ra thị trường Đây là phần mềmkhông chỉ mạnh trong học tập, giảng dạy mà còn là tài liệu cơ bản cho các kỹ sư khinghiên cứu, phân tích, khai thác mạch điện tử công suất, các mạch điều khiển tương

tự và số, cũng như trong hệ truyền động xoay chiều (AC) và một chiều (DC)

PSIM bao gồm 3 chương trình:

- PSIM Schematic: chương trình thiết kế mạch

- PSIM Simulator: chương trình mô phỏng

- PSIM VIEW: chương trình hiển thị đồ thị sau khi mô phỏng

PSIM biểu diễn một số mạch điện trên 4 khối:

Hình 3.1: Biểu diễn một mạch điện trên PSIM.

Trong đó:

- Power circuit: Mạch động lực

- Control circuit: Mạch điều khiển

- Sensors: Hệ cảm biến

- Switch controllers: Bộ điều khiển chuyển mạch

Mạch động lực bao gồm các van bán dẫn công suất, các phần tử RLC, máybiến áp lực và cuộn cảm san bằng

Mạch điều khiển sẽ được biểu diễn bằng sơ đồ khối, bao gồm cả các phần tửtrong miền S, miền Z, các phần tử logic và cách phần tử phi tuyến (ví dụ bộ chia).Các phần tử cảm biến sẽ đo các giá trị điện áp, dòng điện trong mạch động lực đểđưa các tín hiệu đo này về mạch điều khiển Sau đó, mạch điều khiển sẽ cho các tínhiệu đến bộ điều khiển chuyển mạch để điều khiển quá trình đóng ngắt các van bándẫn trong mạch động lực

3.2 Mô phỏng luật điều khiển đóng cắt các khóa công suất

3.2.1 Giới thiệu chung về mạch điều khiển và công suất

• Sơ đồ khối

Hình 3.2: Sơ đồ khối mạch điều khiển và mạch công suất

• Trong đó:

- Khối nguồn 3-pha: là điện áp đầu vào có giá trị hiệu dụng V = 220V, f = 50Hz

- Khối lọc LC: cuộn cảm Lf = 1mH, tụ điện Cf = 25µF

- Khối chỉnh lưu: gồm 6 khóa IGBT hai chiều

- Khối nghịch lưu: gồm 6 khóa IGBT một chiều

- Khối tải: tải 3-pha R = 25Ω, L = 15mH

- Khối sensor áp: đọc giá trị điện áp nguồn

• Các yêu cầu chung của mạch điều khiển:

- Phát xung điều khiển đến các khóa theo đúng luật đóng ngắt

- Điều khiển dòng điện ngõ vào và điện áp ngõ ra sin

- Đảm bảo xung điều khiển phát tới các khóa phù hợp để mở chắc chắn các khóa

- Tần số ngõ ra 50Hz

- Tỷ số điều chế 0.75

- Tần số đóng ngắt fS = 10kHZ

3.2.2 Xây dựng mô hình IMC bằng PSIM

Như đã trình bày ở chương 2, các phương trình từ 2.14 đến 2.42 chính là cơ sởtính toán cho việc xây dựng mô hình IMC bằng phần mềm PSIM

Sơ đồ mô phỏng tổng quát của IMC như hình 3.3 Sơ đồ gồm khối nguồn, khốicông suất, khối tải và khối điều khiển

Hình 3.3: Sơ đồ mô phỏng khối tổng quan của IMC.

• Khối nguồn: Khối nguồn ba pha đặc trưng cho nguồn điện xoay chiều ba phahình sin đưa đến ngõ vào bộ IMC Đồng thời, ba tín hiệu sin lệch pha nhau 1200cũng được đưa vào khối DLL để xử lý tín hiệu nhằm tạo ra xung kích cho cáckhóa bán dẫn

Hình 3.4: Sơ đồ mô phỏng khối nguồn

• Khối công suất: gồm 18 khóa IGBT kết nối với nhau tạo thành hai khối: khốichỉnh lưu gồm 12 khóa IGBT tạo thành 6 cặp khóa bán dẫn hai chiều và khốinghịch lưu dạng ba pha hai bậc gồm 6 khóa IGBT Tín hiệu ngõ vào của khốiIMC gồm 12 xung kích cho các khóa bán dẫn và nguồn điện áp xoay chiều bapha Tín hiệu ngõ ra là ba pha ngõ ra của bộ biến đổi

Hình 3.5: Sơ đồ mô phỏng khối công suất

• Khối tải: Tải RL được dùng trong mô phỏng

RL