Đang tải... (xem toàn văn)
Bài viết đề cập đến các cấu trúc chỉnh lưu phía lưới trong hệ biến tần truyền động nhiều động cơ. Cấu trúc chỉnh lưu kiểu ma trận, sử dụng các van bán dẫn hai chiều có nhiều ưu điểm được phân tích chi tiết.
CHỈNH LƯU PHÍA LƯỚI TRONG HỆ BIẾN TẦN TRUYỀN ĐỘNG NHIỀU ĐỘNG CƠ A GRID-TIE MATRIX RECTIFIER IN A MULTIPLE INVERTER-MOTOR DRIVES ĐẶNG HỒNG HẢI Khoa Điện - Điện tử, Trường Đại học Hàng hải Việt Nam Email liên hệ: danghonghai@vimaru.edu.vn Tạp chí Khoa học Cơng nghệ Hàng hải Số 59 - 8/2019 DC Bus Lưới AC Tóm tắt Bài báo đề cập đến cấu trúc chỉnh lưu phía lưới hệ biến tần truyền động nhiều động Cấu trúc chỉnh lưu kiểu ma trận, sử dụng van bán dẫn hai chiều có nhiều ưu điểm phân tích chi tiết Phương pháp PWM áp dụng để điều chế cho chỉnh lưu kiểu ma trận nhằm đảm bảo chỉnh lưu kiểu ma trận phát huy đầy đủ ưu điểm dòng đầu vào có dạng hình sin, tần số dòng đầu vào áp đầu vào trùng pha với nhau, trao đổi lượng theo hai chiều Các kết nhận từ mô phản ảnh đầy đủ ưu điểm chỉnh lưu kiểu ma trận với phương pháp điều chế PWM Từ khóa: Hệ biến tần, chỉnh lưu kiểu ma trận, điều chế PWM Abstract This paper mentions the grid-tie rectifier structures in multiple inverter-motor drives The bidirectional matrix rectifier topology using bidirectional switches with many advantages is analyzed in detail A specific PWM method is adopted for the matrix rectifier to achieve the highest performance of the proposed structure such as a sinusoidal input waveform, unity power factor at the line frequency, bidirectional power flow ability The simulation results verified the advantages of proposed matrix converter topology with PWM modulation method Keywords: Multiple inverter, Matrix rectifier, PWM modulation method Đặt vấn đề Hệ biến tần ứng dụng hệ truyền động nhiều động không đồng ba CHỈNH LƯU pha cơng suất lớn, từ vài trăm đến hàng nghìn KW, với yêu cầu khác điều chỉnh NGHỊCH M1 tốc độ, mô men Sơ đồ khối cấu trúc hệ biến LƯU tần truyền động nhiều động Hình Hệ biến tần kiểu có cấu trúc kiểu Tải AC gián tiếp, bao gồm ba khâu chính, khâu chỉnh lưu, khâu DC bus, khâu nghịch lưu [1] Phụ NGHỊCH Mi thuộc vào cơng suất hệ, khâu chỉnh lưu có LƯU i thể hay nhiều chỉnh lưu mắc song CHỈNH LƯU n song Phụ thuộc vào số lượng động cần truyền động có số lượng khâu nghịch lưu tương ứng Hình Sơ đồ cấu trúc hệ biến tần Khâu chỉnh lưu thực biến đổi truyền động nhiều động AC/DC, nhằm mục đích cung cấp điện áp chiều cho DC bus, với cấp điện áp chiều phù hợp yêu cầu nghịch lưu Đáp ứng yêu cầu này, khâu chỉnh lưu ba cấu trúc, gồm có chỉnh lưu khơng điều khiển, chỉnh lưu tích cực, chỉnh lưu kiểu ma trận Chỉnh lưu không điều khiển sử dụng van bán dẫn diot [2], Hình 2, chỉnh lưu tích cực sử dụng van bán dẫn IGBT [3], Hình Trong báo nghiên cứu cấu trúc mạch công suất, phương pháp điều chế PWM cho chỉnh lưu kiểu ma trận, ứng dụng hệ biến tần truyền động nhiều động cơ, cấu trúc chỉnh lưu kiểu ma trận Hình Mạch van chỉnh lưu kiểu ma trận Sơ đồ cấu trúc mạch van chỉnh lưu kiểu ma trận Hình [4] Mạch van sử dụng van bán dẫn hai chiều, mắc theo sơ đồ cầu Mỗi van bán dẫn hai chiều tạo nên hai IGBT nối theo sơ đồ emitor chung nối theo sơ đồ colector chung Với cấu trúc nối kiểu này, van bán dẫn hai chiều cho phép dòng điện chảy theo hai chiều Cấu trúc chỉnh lưu kiểu ma trận sử dụng van bán dẫn hai chiều có nhiều ưu điểm mà chỉnh lưu truyền thống khơng có được, với phương pháp điều chế phù hợp, dòng đầu vào chỉnh lưu có dạng hình sin, tần số dòng điện đầu vào điện áp vào chỉnh lưu trùng pha nhau, van bán dẫn hai chiều cho phép trao đổi lượng theo hai chiều 71 D1 D3 V1 D5 iDC V3 Sap V5 iDC Sbp Scp iDC + + + a p a Udc b c Udc b c D6 D2 Hình Sơ đồ mạch van chỉnh lưu khơng điều khiển VDC Vsc D4 Vsa Vsb V4 V6 V2 Hình Sơ đồ mạch van chỉnh lưu tích cực - n San Sbn Scn Hình Sơ đồ mạch van chỉnh lưu kiểu ma trận Phương pháp điều chế PWM cho chỉnh lưu kiểu ma trận Điều chế cho chỉnh lưu kiểu ma trận điều khiển van bán dẫn đóng/cắt theo quy luật định, nhằm đạt mục đích điện áp chiều đầu ổn định, tần số dòng điện đầu vào điện áp đầu vào chỉnh lưu trùng pha với nhau, điều khiển dòng lượng chảy theo chiều mong muốn, từ phía xoay chiều phía chiều ngược lại Hai phương pháp sử dụng cho trình điều chế cho chỉnh lưu kiểu ma trận, phương pháp điều chế vectơ không gian (SVM) [5], phương pháp PWM [4] Trong nghiên cứu sử dụng phương pháp PWM để thực trình điều chế cho chỉnh lưu kiểu ma trận Giả thiết van bán dẫn lý tưởng, tần số cắt mẫu lớn nhiều so với tần số nguồn áp vào, nguồn áp đầu vào nguồn cứng Khi điện áp phía chiều định luật chuyển mạch van bán dẫn hai chiều điện áp lưới, dòng chiều phụ thuộc vào tải Hệ thống điện áp ba pha đầu vào đối xứng có dạng biểu thức (1), Hình hình dạng điện áp vào: U(t) (1) Vsa Vm cos a Vm cos(i t) 2 Vsb Vm cos b Vm cos(i t ) 2 Vsa Vm cos a Vm cos(i t ) t Mục đích việc điều biến cho chỉnh lưu kiểu ma trận nhằm trì điện áp chiều dương đảm bảo tần số dòng đầu vào trùng pha với điện áp đầu vào I II III IV V VI chỉnh lưu Khi điện áp đầu vào đối xứng, có trường Hình Các sectơ điện áp vào hợp xảy điện áp lưới: Hai điện áp pha dương điện áp pha âm, gọi sectơ chẵn (II, IV, VI), hai điện áp pha âm điện áp pha dương, gọi sectơ lẻ (I, III, V), hai trường hợp thể Hình Các van bán dẫn chỉnh lưu chia thành hai nhóm, nhóm nối với cực “p” nhóm nối với cực “n” a Trường hợp thứ nhất: Hai điện áp pha có giá trị dương điện áp pha có giá trị âm Giả sử điện áp pha A pha B mang giá trị dương, pha C mang giá trị âm Có thể thấy rằng: Vsc Vsa Vsb (2) Trong trường hợp này, van bán dẫn Scn phải trì trạng thái dẫn van bán dẫn Sap, Sbp điều chế - Khi Sap dẫn, điện áp chiều Vac mang giá trị dương Tỉ số điều chế van bán dẫn Sap xác định biểu thức (3) đây: cos a dac (3) cos c - Khi Sbp dẫn, điện áp chiều Vbc mang giá trị dương Tỉ số điều chế van bán dẫn Sbp xác định biểu thức (4) đây: cos b dbc (4) cos c 72 Tạp chí Khoa học Cơng nghệ Hàng hải Số 59 - 8/2019 Giá trị trung bình điện áp chiều xác định biểu thức (5) đây: Vdc dac (Vsa Vsc ) dbc (Vsb Vsc ) Thay (1), (3), (4) vào (5) nhận biểu thức (6): 3.Vm Vdc cos c (5) (6) b Trường hợp thứ hai: Hai điện áp pha có giá trị âm điện áp pha có giá trị dương Giả thiết điện áp pha A pha B mang giá trị âm, pha C mang giá trị dương Khi đó: Vsc Vsa Vsb (7) Trong trường hợp này, van bán dẫn Scp phải trì trạng thái dẫn van bán dẫn San, Sbn điều chế - Khi San dẫn, điện áp chiều Vca mang giá trị dương Tỉ số điều chế van bán dẫn San xác định biểu thức (8): cos a dac (8) cos c - Khi Sbn dẫn, điện áp chiều Vcb mang giá trị dương Tỉ số điều chế van bán dẫn Sbn xác định biểu thức (9): cos b dbc (9) cos c Giá trị trung bình điện áp chiều chu kỳ trích mẫu xác định biểu thức (10) đây: (10) Vdc dac (Vsa Vsc ) dbc (Vsb Vsc ) Thay (1), (8), (9) vào (10) nhận được: Vdc 3.Vm cos c (11) Thực tương tự, xác định trạng thái đóng cắt van tỉ số điều chế tương ứng cho tất trường hợp cụ thể (từng sector) thể Bảng Giá trị trung bình điện áp chiều chu kỳ cắt mẫu xác định biểu thức (12): 3.Vm Vdc (12) cos in đó: cos(in ) max( cos a , cos b , cos c ) Bảng Tỉ số điều chế tương ứng với sector Sectơ dij dlm cos b cos a cos b cos c cos c cos b cos c cos a cos a cos c cos a cos b cos c cos a cos a cos c cos a cos b cos b cos a cos b cos c cos c cos b Mô chỉnh lưu kiểu ma trận Chỉnh lưu kiểu ma trận mô phần mềm Matlab-Simulink, sơ đồ mô Hình Hình Sơ đồ mơ chỉnh lưu kiểu ma trận Matlab Tạp chí Khoa học Cơng nghệ Hàng hải Số 59 - 8/2019 73 d1r.Ts d2r.Ts d2r d1r PWM4 PWM2 TS a) b) 400 Ua 300 200 UA(V); iA(A) 100 10*ia -100 -200 -300 -400 0.01 0.02 0.03 0.04 c) 0.05 s 0.06 0.08 0.07 0.09 0.1 d) FFT window: of cycles of selected signal FFT window: of cycles of selected signal -300 150 100 200 50 0 -50 -200 -100 -300 0.04 0.05 0.045 0.055 Time (s) 0.06 0.065 -150 0.04 0.07 0.05 0.045 0.06 0.065 0.07 Fundamental (50Hz) = 106.9 , THD = 5086% Fundamental (50Hz) = 301.9 , THD = 0.19% 0.18 0.16 Mag (% of Fundamental) Mag (% of Fundamental) 0.055 Time (s) 0.14 0.12 0.1 0.08 0.06 0.04 0.02 0 Harmonic order e) 10 0 Harmonic order 10 f) Hình Kết mơ phỏng: Tải RL, R=10, L=0,02H a) Xung PWM, b) Điện áp đầu ra, c) Điện áp dòng điện ba pha đầu vào, d) Điện áp dòng điện đầu vào pha A, e) Phân tích phổ FFT điện áp đầu vào; f) Phân tích phổ dòng điện đầu vào Nhận xét: Các kết nhận từ mô cho thấy, áp dụng phương pháp điều chế PWM cho chỉnh lưu kiểu ma trận, tần số (50Hz) dòng điện điện áp đầu vào trùng pha với nhau, dòng điện đầu vào có dạng hình sin Kết luận Qua phân tích kết nhận từ mô cho thấy chỉnh lưu kiểu ma trận có nhiều ưu điểm chỉnh lưu truyền thống ứng dụng hệ biến tần truyền động nhiều động Các kết mô cho thấy phương pháp điều chế PWM dùng cho chỉnh lưu kiểu ma trận đảm bảo cho chỉnh lưu phát huy đầy đủ ưu điểm Các kết mơ tạo sở cho bước xây dựng mơ hình thực nghiệm 74 Tạp chí Khoa học Công nghệ Hàng hải Số 59 - 8/2019 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Kocks krane QC, GMBH [2] Võ Minh Chính, Phạm Quốc Hải, Trần Trọng Minh; Điện tử cơng suất, Nhà xuất Khoa học kỹ thuật, 2015 [3] Bùi Quốc Khánh, Nguyễn Văn Liễn, Cơ sở truyền động điện, Nhà xuất Khoa học kỹ thuật, 2007 [4] Han Ju Cha, Prasad N Enjeti, A Three phase AC/AC High frequency link Matrix converter for VSCF Applications, Page 1971-1976, Power Electronics Specialist Conference, 2003 PESC '03.2003 IEEE 34th Annual [5] GUO Yougui, ZHU Jianlin and DENG Cheng, Three Modulation Modes of SVM for AC-AC Matrix Converter, pp 382-386, 2008 IEEE Conference on Robotics, Automation and Mechatronics Ngày nhận bài: 02/4/2019 Ngày nhận sửa: 23/4/2019 Ngày duyệt đăng: 03/5/2019 Tạp chí Khoa học Cơng nghệ Hàng hải Số 59 - 8/2019 75 ... trận có nhiều ưu điểm chỉnh lưu truyền thống ứng dụng hệ biến tần truyền động nhiều động Các kết mô cho thấy phương pháp điều chế PWM dùng cho chỉnh lưu kiểu ma trận đảm bảo cho chỉnh lưu phát... cos c cos b Mô chỉnh lưu kiểu ma trận Chỉnh lưu kiểu ma trận mô phần mềm Matlab-Simulink, sơ đồ mơ Hình Hình Sơ đồ mô chỉnh lưu kiểu ma trận Matlab Tạp chí Khoa học Cơng nghệ Hàng hải Số 59... van chỉnh lưu không điều khiển VDC Vsc D4 Vsa Vsb V4 V6 V2 Hình Sơ đồ mạch van chỉnh lưu tích cực - n San Sbn Scn Hình Sơ đồ mạch van chỉnh lưu kiểu ma trận Phương pháp điều chế PWM cho chỉnh lưu