2.2.1 Chuyển mạch bốn bước
Chuyển m h bạn ốn bước là mộtphương pháp hiệuquả âtu n thủ hai quy tắc
nêu ra tr n y.ê đâ Nguyên lýchuyển mạch được làm rõ qua việc xét trường hợp
chuyển mạch giữa hai pha A và B theo sơ đồ trên hình 2.2.
Giả sử pha A đang dẫn, pha B
đang khoá và dòng tải có chiều như
hình vẽ. òng đang dẫn bởi van SA1,D
điôt DA1 (nét đậm) Q. uy ước đó là
chiều dương (IL>0). Khi có lệnh
chuyển mạch sang pha B dòng sẽ
phải chuyển sang van SB1, điôt DB1. Quá trình chuyển mạch diễn ra qua bốn bước, được mô tả qua đồ thị như
trên hình 2.3. Các bước tiến hành tuần tự như sau:
Bước 1: Ngắt tín hiệu điều
khiển tới van không dẫn SA2 ngay khi có yêu cầu chuyển mạch để tránh
đường ngắn mạch pha từ B sang A.
Bước 2: Điều khiển mở van
SB1. Do các điôt DA1 và DB1 nên đầu vào không bị ngắn mạch.
Bước 3: Ngắt tín hiệu điều khiển van SA1. Dòng tải sẽ chuyển từ
pha A sang pha B (từ van SA1 sang SB1) theo chiều dòng điện tại bước 2 n ếu
UB>UAhoặc ở ước b 3 nếuUB<UAmà không có hiện tượng hở mạch tải. UA UB UAB IL>0 SA1 SA2 SB1 SB1 DA1 DA2 DB1 DB2
Hình 2.2 Sơ đồ mô tả quá trình chuyển mạch.
Hình 2.3 Đồ thị tín hiệu điều khiển chuyển mạch.
Bước 4: Cho tín hiệu điều khiển mở van SB2 chuẩn bị cho tính chất
dẫn hai chiều của pha B, kết thúc chuyển mạch.
Trường hợp dòng tải có chiều ngược lại suy
luận hoàn àn to tương tự.
Thời gian td tương đương v ới thời gian khoá c ủa
m Iột GBT, cỡ 1÷2µS.
Trạng thái lôgic của quá
trình chuyển mạch này
biểu diến trên hình 2.4.
T c c ất ả ác trường h ợp
chuyển mạch giữ hai pha
A, B ứng với c d dác ấu òng i và i đ ện đ ệnáp cho trong bảng 2.1.
Bảng 2.1 Các trường hợp chuyển mạch giữa hai pha A và B, dấu “+” tương ứng với IL >0, UAB>0, chuyển mạch từ A sang B, dấu “ ” tương ứng với I- L <0,
UAB<0, chuyển mạch từ B sang A.
Chuyển mạch ọi g là nặng ếu n van khoá l dại ưới đ ện i áp cao và dòng qua
van lớn, tổn thất do chuyển mạch ớn l . Chuyển ạnh ọi m g là m n ềm ếu khi van khoá lại, dòng qua van đã bằng0, tổn thấtchuyển mạnh nhỏ. Qua phân tích sẽ
thấy một nửa số quá trình chuyển mạch trên y đâ là chuyển mạch mềm nên
chuyển mạnh ốn b bước theo chiều dòng i c gđ ện òn ọi là chuyển mạch b án
m . êềm Tr n hình 2.2 chuyển ạch ềm ảy m m x ra khi UB>UA, do các iôđ t SD1,
Hình 2.4 Trạng thái logic các van trong chuyển mạch bốn bước.
TH1 TH2 TH3 TH4 TH5 TH6 TH7 TH8
UAB >0 + + + + - - - -
IL >0 + + - - + + - -
SD2 dòng chuyển t ự nhiên ngay sang SB1 khi SB1 được i đ ều khiển m t ở ại
bước 2. Tại ước b 3 khi ngắt t ín hiệu đ ều i khiển òng qua SA1d đã ằng b 0.
Phân tích tương tự có th thể ấy rằng các truờng hợp TH1, TH2, TH4 và
TH7 là chuyển mạch ặng n , còn TH2, TH3, TH5, TH8 l chuyà ển ạch ềm m m .
2.2.2 Chuyển mạch hai bước
Nếu đã biết chắc chắn
chiều dòng điện thì không
cần phát t ín hi cho van ệu
không dẫn dòng trong khóa hai chiều. Do đó 4 bước chuyển mạch trên đây chỉ
còn hai bước. Trong
phương pháp này chỉ có IGBT thực sự đang dẫn
trong van hai chiều được
kích hoạt. Đồ thị trạng thái lôgic các van chuyển mạch cho trên hình 2.5 .
Lưu ý s ự khác biệt giữa hình 2.4 v 2.5. Pà hương pháp hai bước chỉ điều khiển cho một IGBT dẫn trong trường
hợp chiều dòng điện đã xác định rõ
(IL>0 hoặc IL<0) và chỉ sử dụng tới
trạng thái hai IGBT trong cùng một BDS dẫn khi tín hiệu chiều dòng điện
là chưa rõ ràng xẩy ra trong quá trình
đảo chiều dòng điện (các trạng thái
1100 v 0011 tr n hà ê ình 2.5).
Xét trường hợp dòng đổi chiều
như êtr n hình 2.6. Để tránh h mở ạch
Hình 2.5 Trạng thái l gic ủa van trong chế độ ô c chuyển mạch 2 bước.
Hình 2.6 Tín hiệu điều khiển van khi dòng đổi chiều.
t ải khi dòng n ằm trong ngưỡng quanh giá trị không, [-Ih , Ih], do tín hiệu
chiều dòng iđ ện còn chưa xác định nên cần kích hoạt cả hai IGBT trong một
BDS đang dẫn. Khi ra ngoài khoảng này do tín hiệu về chiều dòng điện có thể
biết chắc chắn nên chỉ cần một van được kích hoạt. ức ngưỡng này tăng M
theo công suất của bộ biến tần, vì vậy nó ảnh hưởng tới chất lượng sóng đầu
ra, nhất là khi giá trị làm việc của dòng iđ ệnlại nằm trong dải ngưỡng này.
2.2.3 Chuyển mạch một bướcUA UA UB UAB IL>0 SA1 SA2 SB1 SB2 DA1 DA2 DB1 DB2 UA UB UAB IL<0 SA1 SA2 SB1 SB2 DA1 DA2 DB1 DB2 UA UB UAB IL>0 SA1 SA2 SB1 SB2 DA1 DA2 DB1 DB2 UA UB UAB IL<0 SA1 SA2 SB1 SB2 DA1 DA2 DB1 DB2 UAB>0 I, L>0 (a) UAB>0 I, L<0 (b) 0 1 0 1
Hình 2.7 Quá trình chuyển mạch một bước. (a) IL>0; (b) IL<0.
Theo sơ đồ trên hình 2. , giả sử cần chuyển mạch giữa hai pha đầu vào A 2
và B, nếu biết được điện áp UAB và chiều dòng điện IL thì quá trình chuyển
mạch chỉ cần một bước. Ví dụ về kiểu chuyển mạch này được mô tả trên hình
2.7 cho hai trường hợp, dòng IL>0 và IL<0. Tín hiệu điều khiển bao giờ cũng
chuyển từ một IGBT đang dẫn dòng sang một IGBT ở pha khác có chiều dẫn dòng cùng chiều. Trên hình 2.7 (a) tín hiệu điều khiển chuyển từ SA1 (dẫn dòng dương ở pha A) sang SB1 (dẫn dòng dương ở pha B). Tương tự như vậy
nặng, trên hình (b) là chuyển mạch mềm. Tín hiệu điện áp UAB>0 cần thiết để không thể nhầm lẫn đưa tín hiệu điều khiển đến SB2 trên hình (a), SB1 trên hình (b), vì như vậy sẽ xảy ra ngắn mạch.
Chuyển mạch một bước yêu cầu thời gian cho quá trình chuyển mạch rất
ngắn, làm ảnh hưởng đến thời gian cắt mẫu của PWM. Tuy vậy lại cần theo ít
dõi chính xác cả chiều dòng điện lẫn điện áp, trong đó tín hiệu điện áp lấy vào từ lưới sẽ bị ảnh hưởng rất mạnh nhiễu từ lưới.
2.2.4 Chuyển mạch thông minh
Phương pháp này xác định chiều dòng điện qua điện áp rơi trên van. Điện
áp trên van U1 và U2 được xác định như trên hình 2.8. Giả sử dòng điện có
chiều như hình vẽ, S đang dẫn2 , S1 nằm dưới i n đ ệ áp ngược. Điện áp o trên đ
van U2 cỡ 1,5÷2,5V (phụ thuộc vào loại IGBT), U1 cỡ 0,7÷1,5 , bV ằng đ ện i áp êtr n điôt D2. Tín hiệu điện áp này có tính ổn định cao ngay cả khi dòng
điện chạy qua van rất nhỏ cỡ 100 , µA. Nếu chỉ có một IGBT dẫn trong một
thời điểm thì dựa v dào ấu ện iđ áp U1, U2 đo được có thể hoàn toàn x ácđịnh
chiều của dòng điện.
Hình 2.8 cũng thể hiệnsơ đồ khối của một bộ điều khiển thông minh cho m ột kho BDSá . Các bộ điều khiển trong cùng một pha ra có liên hệ chặt chẽ
với nhau. Do tại bất cứ thời điểm nào cũng có một BDS trong cùng một pha
đầu ra đang dẫn nên thông tin về chiều dòng điện luôn được cập nhật. N có ếu
tín hiệu chuyển mạch từ vi điều khiển tới cùng với thông tin về chiều dòng
điện nhậnđược t ừ pha d trẫn ước , phđó ần t ử ra quy ếtđịnh, chính là m một ạch
điều khiển lôgic, s x ẽ ác địnhchính ác IGBT nào x được m tiở ếp theo. Chuyển
mạchdiễn ra theo hai bước như đã đề ập ở c phần2.2.2. Khi van đã ở m , chiều
dòng i l đ ện ại được x ácđịnh và chuyển ề v phần ử t ra quyết định để truyềncho
c mác ạch đ ều i khiểnkhác. Sau khi chuyển mạch nếu dòng có đổi chiều thì ộb
Để khắc phục trễ do
truyền ôth ng ảnh hưởng đến
chuyển mạch khi dòng đảo
chiều cần có một khoảng
thời gian chết kh ng cho ô
van nào d ẫnkhi dòng về tới
không. Hình 2.9 là đồ thị thời gian quá trình đảo chiều dòng điện có bù thời gian truyền thông, theo đó ta thấy rằng van SA2, phần tử dẫn dòng ngược, sẽ không được kích hoạt
chừng nào b iộ đ ều khiển
của BDS tiếp theo nhận
được thông tin chính xác về chiều dòng điện. Thời gian
trễ đủ nhỏ, cỡ 250nS, không làm ảnh hưởng tới dạng sóng dòng điện.
Khi khởi động bộ biến tần thì chưa thể biết được chiều dòng tải. Trong
trường hợp này BDS đầu tiên trong tuần tự chuyển mạch sẽ mở một trong
hai IGBT của nó. Nếu mở đúng thì
có dòng điện chạy qua, nghĩa là đã có
tín hiệu chiều dòng điện, còn nếu mở sai không có dòng điện chạy qua thì tự động chuyển đổi sang IGBT đúng.
Hình 2.10 là đồ thị trạng thái của kỹ
Hình 2.8 Cấu trúc mạch điều khiển chuyển mạch thông minh.
Hình 2.9 Đồ thị thời gian quá trình chuyển mạch khi dòng đổi chiều.
thuật chuyển mạch hai bước áp dụngtrong trường ợp h n ày.
Phương pháp chuyển mạch thông minh có khả năng tự xác định chiều dòng điện và quyết định chính xác cần điều khiển mở van nào. Tuy nhiên
trang bị kỹ thuật yêu cầu khá
phức tạp.
2.3 Chuyển mạch cộng hưởng
Chuyển mạch mềm có thể thực hiện nhờ quá trình cộng hưởng, tạo nên chế độ đóng cắt khi điện áp bằng không hoặc dòng bằng không, do đó tổn hao giảm. Đây là biện pháp quan trọng để xây dựng các bộ biến đổi với công suất
lớn, trong đó các van phải làm việc với dòng điện rấtlớn hoặc điện áp rất cao.
Hình 2. 10 Đồ thị trạng thái chuyển mạch theo
phương pháp chuyển mạch thông minh.
( a)
( b)
Hình 2. 11 Mô hình khoá mềm. a) Phần tử chuyển mạch đóng cắt mềm E chung;
Trên hình 2.11 thể hiện hai mô hình khóa chuyển mạch mềm. Các mạch cộng hưởng đều dựa trên mạch dao động LC. Mạch LC có thể bắt đầu dao động nhờ một van phụ đưa vào hoặc do bản thân các van chuyển mạch đưa
vào. Sơ đồ (a) sử dụng thêm khóa phụ QA, sơ đồ (b) sử dụng chính hai khóa
Q1, Q2để khởi động mạch dao động. Dao động này sẽ bắt buộc điện áp hoặc
dòng điện trên phần tử đóng cắt bằng không trong thời gian chuyển mạch.
Các cấu hình khoá này có thể được áp dụng trong MC khi công suất yêu
cầu là rất lớn. Ưu điểm cơ bản của hai mô hình này là tổn hao không tăng đáng kể khi tăng tần số đóng cắt.
2.4 Chuyển mạch trong quá trình quá độ
Sơ đồ MC không có hệ thống điôt ngược và kho điện để tích trữ năng
lượng tạm thời, không có các mạch trợ giúp đóng mở RC. Điều này nảy sinh nhiều vấn đề liên quan đến các quá trình quá độ, ví dụ như lúc khởi động và
lúc dừng. Trong mô hình MCcơ bản mạch Clamp có chức năng bảo vệ trong
các quá trình chuyển mạch cũng như khi mất điện, khởi động và dừng máy. Tuy nhiên có thể loại bỏ mạch Clamp để giảm nhỏ kích thước của MC. Các
quá trình chuyển mạch nêu trên đây chưa giải quyết được các vấn đề này.
Khi có lệnh dừng nếu lập tức cắt xung điều khiển ở các khóa bán dẫn sẽ
gây nên hiện tượng hở mạch tải, năng lượng tích tụ trong các điện cảm tải
không có đường thoát sẽ gây ra quá áp trên các linh kiện bán dẫn. Giải pháp
được đưa ra là phải mở một số IGBT kết
hợp với một số điôt tạo nên mạch điôt ngược như ở trong biến tần thông thường để giải phóng dòng tải. Phương pháp thực hiện được mô tả qua hình 2.12. Khi
UA UB (IL>0 I, L<0) SA1 SA2 SB1 SB2 DA1 DA2 DB1 DB2 (+) (-) N
Hình 2. 12 Trạng thái lựa chọn điện
áp UA, UBvà các điôt DA2, DB1
điện áp các pha đang có dấu UA>0, UB<0, nếu điều khiển đóng các khóa SA2 và SB1 thì hai điôt nối tiếp với hai khóa DA2 và DB1 sẽ tạo nên mạch điôt
ngược (thể hiện bằng nét đậm) đối với cả hai chiều của dòng tải IL, làm dòng
suy giảm nhanh. Do lưới điện ba pha có sự thay đổi, cặp điện áp âm dương thoả mãn điều kiện trên lặp lại sau mỗi khoảng thời gian 1/3 chu kỳ điện áp lưới.
Hình 2.13 mô tả trạng thái chuyển đổi trung gian khi pha C bắt đầu âm hơn pha B. Van SC1 được điều khiển mở và điôt DC1 sẽ tham gia vào hệ thống điôt ngược thay cho DB1.
Mô hình mô phỏng quá trình chuyển mạch dùng ToolBox StateFlow
trong MATLAB cho trên hình 2.15 với
kết quả mô phỏng cho trên hình 2.1 cho 4
thấy hiệu quả của việc dập dòng điện.
Mô hình MC bắt đầu khởi động cho đến 0,03 S thì có lệnh dừng. Dòng điện ở cả 3 pha đã suy giảm về đến 0 sau khoảng 0,01 S, nghĩa là nửa chu kỳ điện áp
lưới. Ở chế độ làm việc bình thường quá trình chuyển mạch diễn ra trong
vùng bôi đen, theo phương pháp chuyển mạch bốn bước. Khi có lệnh dừng
máy do muốn dừng hoặc do tín hiệu bảo vệ phát động, nó sẽ chuyển ra làm
việc ở vòng ngoài. Đồ thị này cũng cho thấy các khả năng khác nhau để chuyển được từ trạng thái pha nào đó đang dẫn dòng ra vòng ngoài, tùy thuộc vào chiều của dòng tải. Quá trình này diễn ra tuần tự và yêu cầu nhiều nhất là một chu kỳ điện áp lưới để dừng hẳn.
UA
UB SA2 SA1 (IL>0 I, L<0 ) SB1 SB2 DA1 DA 2 DB1 DB2 (+) (-) N UC SC1 SC2 DC1 DC2 (-)
Hình 2. 13 Trạng thái trung gian chuyển đổi từ pha B sang pha C.
Hình 2.14 Dòng điện bị suy giảm nhanh dưới tác dụng của hệ thống điôt ngược (kết quả mô phỏng).
2.5 K ết ận chương 2 lu
Chương này đã phân tích c ác phương pháp chuyển ạch m có dthể áp ụng
cho MC. Chuyển mạch ốn b bước yêu cầu thời gian dài nhất, ít nhất là ba lần
thời gian khoá c m ủa ột IGBT, khoảng ơ h n 6 µS, tuy nhi n chê ỉ ần c x ác định được chiều dòng iđ ện. Việc đo dòng tải đối v tới ải ctrở ảm là t ng ươ đối d ễ
dàng vì dòng kh tr á ơn tru. C c phá ương pháp chuyển ạch m bít ước ơ h n sẽ r út ngắn đượcthờigian dành cho chuyển mạch, tuy nhiên đều yêu cầu phải x lý ử
riêng nhiều t ình huống đặc biệt gây khó khăn cho việc thiết ế k lôgic đ ềui khiển. Việc x d i v cét ấu đ ện áp ào ũng gây bất l vì i b ợi đ ện áp ị ảnh ưởng h nhiều b ởinhiễu. Chuyển mạch ôth ng minh hứa h k ẹn ết quả ốt t nhưng thiết ị b yêu cầu á kh phức ạp t . Chuyển ạch ộng ưởng m c h nêchỉ n áp dụng cho những ứng dụng công suất l . ớn
Trong nghi n cê ứu n àyđặt ra nhiệm v xâụ y dựng một m í ẫu th nghiệm MC công suất nhỏ, vì v dậy áp ụng phương pháp chuyển ạch ốn ước m b b là thuận
l hợi ơn cả. Thiết ế k mạch lôgic đ ềui khiển chuyển mạch đã được kiểm
nghiệm bằng mô phỏng ình 2.14, 2.15) và s (h ẽ đượctiếp ục t c đề ập đến trong chương 5 của luận nán ày.
Hình 2. 15 Mô hình mô phỏng mạch điều khiển quá trình chuyển mạch dùng ToolBox StateFlow.
Chương 3 C ÁC PHƯƠNG PHÁP BIẾN ĐIỆU TRONG BIẾN TẦN MA TRẬN
3.1 Vấn đề biến điệu bề rộng xung trong ếnbi tần ma tr ận
Điện áp trên mỗi pha đầu ra của biến ần t ma tr (ận Matrix Converter MC) -