Matrix converter

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGÀNH ĐIỆN CÔNG NGHIỆP MATRIX CONVERTER GVHD: NGUYỄN VINH QUAN SVTH: NGUYỄN QUỐC ÐẠT MSSV: 09302062 SKL005173 Tp Hồ Chí Minh, tháng 01 - 2011 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP HỒ CHÍ MINH KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Chuyên ngành Điện Công Nghiệp Đề Tài: MATRIX CONVERTER GVHD: NGUYỄN VINH QUAN SVTH: NGUYỄN QUỐC ĐẠT MSSV: 09302062 T.P HỒ CHÍ MINH - 01/2011 LỜI NĨI ĐẦU Công nghiệp ngày phát triển, hệ thống tự động ngày nhà máy xí nghiệp đưa vào sản xuất Trong hầu hết dây chuyền sản xuất sử dụng cấu chuyển động Mà chuyển động thường tạo nhờ động Chính lẽ vấn đề quan trọng điều khiển động cơ, khâu trọng yếu dây chuyền tự động Vì vậy, nhờ vào khoa học kỹ thuật cho đời thiết bị có khả đó, Inverter hay cịn gọi biến tần Với yêu cầu ngày cao phát triển mà Matrix converter nghiên cứu sản xuất với khả bật dòng Inverter trước tính nhỏ gọn hiệu suất cao Chính thiết bị ưu điểm Matrix converter mà em chọn làm đề tài cho đồ án tốt nghiệp Trong đồ án chủ yếu ta tìm hiểu cấu trúc Matrix converter thuật toán điều khiển Venturini vấn đề mô Tuy cố gắng hướng dẫn tận tình thầy hướng dẫn Nhưng kiến thức, kinh nghiệm em hạn chế thiết bị nguồn tài liệu có hạn nên đồ án khơng tránh khỏi thiếu sót, mong thầy thơng cảm tận tình góp ý Qua đây, em xin cảm ơn thầy Nguyễn Vinh Quan Người hướng dẫn, giúp đỡ tận tình cung cấp tài liệu cho em để hồn thành tốt đồ án tốt nghiệp Đồng thời em xin cảm ơn nhà trường thầy tận tình dạy cho em thời gian qua Em xin chân thành cảm ơn Sinh viên thực hiện: Nguyễn Quốc Đạt BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM TRƯỜNG: ĐHSPKT TP HCM ĐỘC LẬP-TỰ DO-HẠNH PHÚC KHOA ĐIỆN-ĐIỆN TỬ NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP - SVTH: Nguyễn Qu NGÀNH: Điện Công Tên đề tài: MATRIX CONVERTER Tài liệu ban đầu: Matrix converter induction motor drive - H.Altun & S.Sunter Nội dung: - Giới thiệu Matrix converter - Cấu trúc Matrix converter - Thuật tốn điều khiển Venturini cho Matrix converter - Mơ sử dụng thuật toán Venturini - Hướng phát triển đề tài Ngày giao nhiệm vụ: Ngày hoàn thành nhiệm vụ: 10/01/2011 Giáo viên hướng dẫn: Nguyễn Vinh Quan Tp Hồ Chí Minh, ngày… tháng… năm… Giáo viên hướng dẫn: Nguyễn Vinh Quan Bộ môn Điện công nghiệp NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN Tp Hồ Chí Minh, ngày… tháng… năm… GVHD: Nguyễn Vinh Quan NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN Tp Hồ Chí Minh, ngày… tháng… năm… GVPB: MATRIX CONVERTER MỤC LỤC CHƯƠNG I: MỞ ĐẦU 1.1 1.2 1.3 1.4 Mở đầu Ý nghĩa thực tiễn đề tài Nội dung tìm hiểu Các nghiên cứu trước CHƯƠNG II: TỔNG QUAN VỀ CÁC DÒNG INVERTE 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 Tổng quan Inverter gián tiếp Inverter trực tiếp Matrix converter So sánh CHƯƠNG III: KHÁI QUÁT VỀ MATRIX CONVERTE 3.1 3.2 3.3 Linh kiện bán dẫn Matrix converter Khóa hai chiều Matrix converter Mạch bảo vệ linh kiện công suất CHƯƠNG IV: CHUYỂN MẠCH TRONG MATRIX CO 4.1 4.2 4.3 Tổng quan Phương pháp chuyển mạch Phương pháp chuyển mạch nâng cao CHƯƠNG V: THUẬT TOÁN CHO MATRIX CONVER 5.1 5.2 5.3 Tổng quan Thuật toán điều biến Venturini Phương pháp điều khiển sử dụng thuật toán điều chế Venturini CHƯƠNG VI: THÀNH LẬP MƠ HÌNH MATRIX CON 6.1 6.2 6.3 Tổng quan Xây dựng mơ hình mơ Matlab/Simulink Phân tích kết mô CHƯƠNG VII: KẾT LUẬN 7.1 7.2 Các kết đạt Hướng phát triển TÀI LIỆU THAM KHẢO SVTH: NGUYỄN QUỐC ĐẠT MATRIX CONVERTER GVHD: NGUYỄN VINH QUAN CHƯƠNG I: MỞ ĐẦU 1.1 Mở đầu Hiện khoa học công nghệ phát triển mạnh mẽ, nhà máy xí nghiệp đưa dây chuyền tự động vào sản xuất Do vấn đề điều khiển cấu truyền động dây chuyền sản xuất, điều khiển tốc độ động nghiên cứu phát triển mạnh Và Inverter đời nhằm đáp ứng u cầu đó, dịng Inverter trước chủ yếu chuyển đổi từ điện áp chiều DC sang điện áp xoay chiều có tần số thay đổi Nhưng nhược điểm thấy rõ để có điện áp chiều DC Inverter phải có thêm phận chỉnh lưu từ nguồn xoay chiều AC sang nguồn chiều DC Vậy, vấn đề giá thành hiệu suất đặt Ngoài ra, vấn đề nguồn tài nguyên thiên nhiên ngày cạn kiệt, lượng thiếu hụt nên vấn đề tiết kiệm lượng quan tâm Với phát triển khoa học công nghệ bán dẫn mà loại Inverter đời có tiềm thay dịng Inverter cũ trước Matrix converter Matrix converter lại Inverter trực tiếp, nhờ trực tiếp chuyển đổi từ áp xoay chiều có tần số cố định sang áp xoay chiều có tần số thay đổi bỏ qua khâu trung gian chuyển đổi thành áp chiều DC mà giảm đáng kể tổn hao làm tăng hiệu suất Inverter Đồng thời giảm kích thước Inverter giá thành gảm Cũng vấn đề mà em chọn Matrix converter làm đề tài tốt nghiệp cho Một đề tài có nhiều triển vọng tương lai Em mong nội dung đề tài góp phần vào phát triển dịng Matrix converter tương lai 1.2 Ý nghĩa thực tiễn đề tài Matrix converter loại biến tần có khả tiết kiệm lượng cao dịng Inverter trước đây, đồng thời kích thước giá thành giảm Do việc nghiên cứu tìm hiểu Matrix converter có ý nghĩa quan trọng thực tiễn Việc nghiên cứu tìm hiểu khơng giúp cho phát triển dòng Matrix converter sau mà cịn giúp loại Inverter dễ dàng vào thị trường Việt Nam SVTH: NGUYỄN QUỐC ĐẠT MATRIX CONVERTER GVHD: NGUYỄN VINH QUAN Do ý tưởng Matrix converter đưa từ năm 1976 có nhiều vấn đề mà đến loại Inverter loại Inverter mới, mà nhiều cơng trình nghiên cứu khác nhiều tác giả Matrix converter Do đề tài xây dựng không sở khoa học cơng trình nghiên cứu tác giả mà nhiều cơng trình nghiên cứu tác giả khác Matrix converter 1.3 Nội dung tìm hiểu Nội dung chủ yếu đề tài tìm hiều thuật toán điều khiển Matrix converter, phần quan trọng việc chế tạo Matrix converter vấn đề mơ Matrix converter chương trình Matlab/Simulink Nội dung đồ án là: - Giới thiệu Matrix converter - Cấu trúc Matrix converter - Thuật toán điều khiển Venturini cho Matrix converter - Mô sử dụng thuật tốn Venturini 1.4 Các cơng trình nghiên cứu trước Các cơng trình nghiên cứu quan trọng trước đây: Năm 1976 Gyugyi Pelly nguyên tắc hoạt động biến tần trực tiếp sử dụng khố hai chiều để tạo tần số ngõ không bị hạn chế có nhiều sóng hài bậc cao ngõ Năm 1980 Venturini Alesina đưa phương pháp điều chế khắc phục nhược điểm hệ số truyền áp tối đa lúc 0,5 Sau cải tiến cách thêm thành phần hài bậc vào thành phần hài để nâng tỉ số điều chế điện áp lớn 0.866 Tiếp đến phương pháp điều chế vector không gian cho dạng sóng ngõ tốt lại làm ảnh hưởng đến dạng sóng ngõ vào Các nghiên cứu sau chủ yếu làm tăng hiệu suất Matrix converter, chế tạo nên Modular chuyên dụng Tại Việt Nam nghiên cứu ứng dụng FPGA điều khiển vector không gian cho ACAC Matrix converter ba phase Dương Hữu Trí, Nguyễn Văn Nhờ phịng thí nghiệm Hệ Thống Năng Lượng, Khoa Điện- Điện Tử, ĐH Bách Khoa TP.HCM Nghiên cứu trình giải thuật điều khiển PWM cho chuyển đổi nguồn pha AC-AC matrix converter với dịng đầu vào, áp đầu có dạng sin Giải thuật phát SVTH: NGUYỄN QUỐC ĐẠT Hình 6.12.2: Dạng sóng điện áp dây Vab dịng điện Ia x 10 MATRIX CONVERTER 6.3.1.5 Tần số = 60 , = Tần số = 60 , = Hình 6.13.1: Dạng sóng dịng điện 3∅ ngõ Hình 6.13.2: Dạng sóng điện áp dây Vab dòng điện Ia x 10 MATRIX CONVERTER 6.3.1.6 Hình 6.14.1: Dạng sóng dịng điện 3∅ ngõ Hình 6.14.2: Dạng sóng điện áp dây Vab dòng điện Ia x 10 MATRIX CONVERTER Tần số 6.3.1.7 Mục 6.3.1.7 đến 6.3.1.9 mô trường hợp thay đổi tần số sóng mang " W Hình 6.15.1: Dạng sóng dịng điện 3∅ ngõ = 60 , Hình 6.15.2: Dạng sóng điện áp dây Vab dịng điện Ia x 10 MATRIX CONVERTER Hình 6.16.1: Dạng sóng dịng điện 3∅ ngõ Hình 6.16.2: Dạng sóng điện áp dây Vab dòng điện Ia x 10 MATRIX CONVERTER Tần số 6.3.1.9 Hình 6.17.1: Dạng sóng dịng điện 3∅ ngõ Hình 6.17.2: Dạng sóng điện áp dây Vab dòng điện Ia x 10 MATRIX CONVERTER 6.3.1.10.Tần số = 50 , Mục 6.3.1.10 đến 6.3.1.13 trường hợp thay đổi tần số hệ số truyền áp để dịng qua tải khơng đổi = 60 , Hình 6.18.1: Dạng sóng dịng điện 3∅ ngõ Hình 6.18.2: Dạng sóng điện áp dây Vab dịng điện Ia x 10 MATRIX CONVERTER 6.3.1.11.Tần số = 25 ;, = 0.6, Hình 6.19.1: Dạng sóng dịng điện 3∅ ngõ Hình 6.19.2: Dạng sóng điện áp dây Vab dịng điện Ia x 10 MATRIX CONVERTER 6.3.1.12.Tần số = 10 , = 0.5, Hình 6.20.1: Dạng sóng dịng điện 3∅ ngõ Hình 6.20.2: Dạng sóng điện áp dây Vab dịng điện Ia x 10 Qua kết mơ với tải RL ta nhận thấy: - Dạng sóng điện áp ngõ tổng hợp sóng ba phase ngõ vào - Sóng dịng điện qua tải gần sóng sin - Sóng dịng điện ngõ cải thiện đáng kể tăng tần số sóng mang - Với tần số mang tần số ngõ lớn dạng sóng ngõ gợn sóng MATRIX CONVERTER 6.3.2 Kết mơ với tải Motor Chọn Motor 4kW – 50Hz – 400V – 1430rpm Vậy Momen motor là: Z= = = Với: T50: Momen đầy tải trục motor tần số 50Hz Tm100: Momen điện từ motor 100Hz P: Công suất motor p: Số đôi cực từ n: Tốc độ định mức motor nm100: Tốc độ từ trường 100Hz SVTH: NGUYỄN QUỐC ĐẠT MATRIX CONVERTER 49 Thực mô phỏng: 6.3.2.1 Tần số = 50 , Tần số = 50 , Hình 6.21.1: Dạng sóng dịng điện 3∅ ngõ Hình 6.21.2: Dạng sóng điện áp dây Vab dòng điện Ia x 10 MATRIX CONVERTER 6.3.2.2 Hình 6.22.1: Dạng sóng dịng điện 3∅ ngõ Hình 6.22.2: Dạng sóng điện áp dây Vab dòng điện Ia x 10 MATRIX CONVERTER Tần số 6.3.2.3 Hình 6.23.1: Dạng sóng dịng điện 3∅ ngõ = 50 , Hình 6.23.2: Dạng sóng điện áp dây Vab dòng điện Ia x 10 MATRIX CONVERTER Tần số 6.3.2.4 Hình 6.24.1: Dạng sóng dịng điện 3∅ ngõ = 25 ;, Hình 6.24.2: Dạng sóng điện áp dây Vab dòng điện Ia x 10 MATRIX CONVERTER Tần số 6.3.2.5 Hình 6.25.1: Dạng sóng dịng điện 3∅ ngõ Hình 6.25.2: Dạng sóng điện áp dây Vab dòng điện Ia x 10 = 100 S MATRIX CONVERTER GVHD: NGUYỄN VINH QUAN Qua kết mô ta nhận thấy: - Kết mô với Motor gần giống với tải RL - Do tải Motor tải quay nên có q tính đặc tính khởi động nên dạng sóng ngõ với tải RL có dạng sin với tải Motor Tóm lại, kết mô cho dạng sóng ngõ dạng sin có tần số điện áp thay đổi Các kết so sánh với kết mô tài liệu khác giống Vậy qua kết mô ta đạt yêu cầu điều chỉnh tần số ngõ thay đổi hệ số truyền áp để có dịng áp ngõ mong muốn SVTH: NGUYỄN QUỐC ĐẠT 55 MATRIX CONVERTER GVHD: NGUYỄN VINH QUAN CHƯƠNG VII: KẾT LUẬN Như trình bày Matrix converter tìm hiểu từ năm 1976 loại inverter có nhiều hạn chế mà trước chưa tìm giải pháp tối ưu cho thiết bị Chính mà Việt Nam, vấn đề Matrix converter giai đoạn tìm hiểu thử nghiệm Cũng vấn đề tài liệu nghiên cứu chủ yếu tài liệu tiếng Anh Trong đề tài Matrix converter ta trọng tìm hiểu cấu trúc Matrix converter tìm hiểu nguyên lý điều khiển, mô để kiểm nghiệm thuật toán điều khiển Matlab/Simulink 7.1 Các kết đạt Tuy cố gắng nhiều hạn chế việc tìm hiểu mơ Nhưng thu nhiều kết đặc biệt mơ thành cơng thuật tốn điều khiển Venturini Các kết đạt được: - Tìm hiểu cấu trúc Matrix converter - Cấu trúc khóa hai chiều - Thuật tốn điều khiển Venturini - Mơ trêm Matlab/Similink sử dụng thuật tốn Venturini Cho dạng sóng dịng áp ngõ có tần số điện áp điều chỉnh 7.2 Hướng phát triển Do nguồn tài liệu kiến thức có hạn mà nội dung đề tài chưa đến độ chuyên sâu Matrix converter Chính vấn đề phát triển đề tài nội dung đề tài nhiều hướng phát triển Ngoài việc thực làm board mạch tạo Matrix converter thực tế điều quan trọng Việc thời gian trễ tần số đóng ngắt tối đa khóa dẫn thực tế, nhiễu, xung áp cao sinh nhiều vấn đề điều khiển Matrix converter công suất lớn SVTH: NGUYỄN QUỐC ĐẠT 56 MATRIX CONVERTER GVHD: NGUYỄN VINH QUAN TÀI LIỆU THAM KHẢO Matrix Converter for Frequency Changing Power Supply Applications (Saúl lópez Arévalo) Matrix Converter Induction Motor Drive - H.Altun & S.Sunter Novel Technologies For Power Conversion Circuits (Kouetsu Fujita, Yasuhiro Okuma & Jun’ichi Itoh) The Comparison of Direct and Indirect Matrix Converters (P Chlebis, P Simonik, M Kabasta) Cycloconverters (Burak Ozpineci, Leon M Tolbert) High Performance Motor Drive using Matrix Converter (Abdelkader Djahbar, Benyounès Mazari) Matrix Converter for Six Phase Induction Machine Drive System (Noureddine Mansour, Abdelkader Djahbar, Benyounès Mazari) Ứng dụng FPGA điều khiển vector không gian cho AC-AC Matrix converter ba pha (Dương Hữu Trí, Nguyễn Văn Nhờ) SVTH: NGUYỄN QUỐC ĐẠT 57 ... khiển Matrix converter, phần quan trọng việc chế tạo Matrix converter vấn đề mô Matrix converter chương trình Matlab/Simulink Nội dung đồ án là: - Giới thiệu Matrix converter - Cấu trúc Matrix converter. .. Điện Công Tên đề tài: MATRIX CONVERTER Tài liệu ban đầu: Matrix converter induction motor drive - H.Altun & S.Sunter Nội dung: - Giới thiệu Matrix converter - Cấu trúc Matrix converter - Thuật toán... SVTH: NGUYỄN QUỐC ĐẠT 10 MATRIX CONVERTER GVHD: NGUYỄN VINH QUAN CHƯƠNG III: KHÁI QUÁT VỀ MATRIX CONVERTER 3.1 Linh kiện bán dẫn Matrix converter Như nêu chương trước, Matrix converter sử dụng module