Sy tải Iout Vx Vy Sx Sy 1 0 a) b) c) d)
dead time overlap time
Sx(p)
Sx
Sx(n )
Cú hai phương phỏp chuyển mạch đơn giản nhất, khụng tuõn theo 2 luật trờn nhưng cần cú mạch phụ bổ xung để trỏnh phỏ hỏng bộ biến tần.
a. Chuyển mạch dũng điện cú thời gian chết (dead time)
Thực hiện ngắt khoỏ sẽ ngắt, trong khi khoỏ sẽ dẫn chưa được đúng lại (hỡnh 2.3c), nhằm trỏnh xảy ra ngắn mạch đầu vào. Như vậy cú thể gõy quỏ ỏp ở đầu ra, bởi vỡ khụng cú van nào dẫn trong thời gian chết nờn sẽ xảy ra hở mạch tạm thời của tải. Vỡ vậy phải cú một mạch clamp hoặc mạch snubber bảo vệ đấu song song với một cell chuyển mạch hoặc đấu với đầu ra để đảm bảo sự liờn tục của dũng tải. Phương phỏp này khụng tốt vỡ năng lượng thất thoỏt trong
mạch clamp cũng cần một tụ lớn đồng thời làm tăng số lượng cỏc van bỏn dẫn cú trong cấu trỳc Matrix Converter như vậy sẽ làm giảm ưu thế của Matrix Converter, khi được coi như là một giải phỏp “all silicon” cho cỏc bộ biến tần.
b. Chuyển mạch dũng điện cú trựng dẫn (over lap)
Thực hiện đúng khoỏ sẽ dẫn trong khi khoỏ sẽ ngắt cũn đang dẫn (hỡnh 2.3d). Điều này sẽ đảm bảo sự liờn tục đối với mạch đầu ra, loại trừ khả năng quỏ ỏp xảy ra, nhưng sẽ gõy ngắn mạch tạm thời làm phỏt sinh dũng điện vũng ngắn mạch tuần hoàn giữa cỏc pha vào tham gia quỏ trỡnh chuyển mạch, dũng điện này cú thể rất lớn dẫn đến phỏ huỷ cỏc van. Hạn chế dũng điện này bằng cỏch thờm một cuộn cảm phụ phớa đầu vào, với mục đớch làm chậm sự tăng nhanh của dũng điện này dưới mức cú thể phỏ huỷ van, để quỏ trỡnh chuyển mạch được an toàn. Tuy nhiờn phương phỏp này cũng khụng tối ưu vỡ cuộn khỏng L ở đầu vào cú kớch thước rất lớn và đắt.
II.2.2 Phương phỏp chuyển mạch semi-soft
Cả hai phương phỏp chuyển mạch cơ bản trờn đều cần cú cỏc thành phần phản khỏng thờm vào để bảo vệ Matrix Converter, nh vậy sẽ dẫn đến tổn hao lớn. Do tớnh chất của khoỏ 2 chiều sử dụng 2 van một chiều mắc song song ngược cú thể điều khiển độc lập chiều dũng điện, do đú một chiến lược chuyển mạch mới gồm 2 bước hoặc 4 bước đó được đề xuất. Dựa vào việc xỏc định dấu của dũng điện ra, hoặc dấu của điện ỏp dõy vào cú cỏc pha tham gia quỏ trỡnh chuyển mạch. Đầu tiờn là ngắt khoỏ đang dẫn (mà sẽ khụng dẫn) sẽ làm mất đường dũng điện vũng tuần hoàn nh vậy trỏnh ngắn mạch đầu vào, sau đú thực hiện chuyển mạch cú trựng dẫn. Nh vậy sẽ khụng cần thờm vào bộ lọc đầu vào và đạt được chuyển mạch bỏn mềm (semi-soft). Phương phỏp này cũng thể hiện lại đặc điểm của khoỏ 4 gúc phần tư là dũng tải cú thể đi theo cỏc hướng.
a. Chiến lược 4 bước chuyển mạch (hỡnh 2.3):
Bước 1 : Ngắt van khụng dẫn trong khoỏ sẽ ngắt. Lỳc này chiều dũng điện khụng thể đổi dấu nờn cú thể xỏc định được van này
Bước 2: Mở van dẫn (theo chiều dũng tải) trong khoỏ sẽ dẫn. Bõy giờ cú nối giữa cỏc pha vào nhưng khụng gõy ngắn mạch đầu vào vỡ khụng cú dũng điện vũng đồng thời tạo ra đường dẫn cho dũng điện tải
Bước 3 : Ngắt van dẫn của khoỏ sẽ ngắt.Dũng tải bõy giờ cưỡng bức phải chảy qua van dẫn của khoỏ sẽ dẫn.
Bước 4 : Mở van khụng dẫn của khoỏ sẽ dẫn để thiết lập lại đặc điểm 4 gúc phần tư của khoỏ 2 chiều, vỡ vậy dũng tải cú thể đổi dấu.
Trong khi bước 1 và 4 là phụ thỡ bước 2 và 3 là chớnh. Chớnh vỡ thế khoảng thời gian trong cỏc bước 2 và 3 phải phự hợp với đặc điểm mở (thời gian mở) của cỏc van IGBT trong khoỏ 2 chiều.
Hình 2.4 Biểu đồ trạng thái của chiến lược chuyển mạch 4 bước
11 - 00 10 - 00 10 - 10 00 - 10 00 - 11 01 - 00 01 - 01 00 - 01 Iout > 0 Sx -Sy Sx(p)Sx(n) - Sy(p)Sy(n) 1 = on 0 = 0ff Iout < 0
Quỏ trỡnh chuyển mạch này cú đồ thị thời gian trong( hỡnh 2.5), trễ giữa mỗi lần đúng cắt td là phụ thuộc vào đặc điểm của van IGBT
* Cỏc trường hợp của 4 bước chuyển mạch
Nh vậy 4 khoỏ 2 chiều phải được đúng mở theo một thứ tự ứng với mỗi chiều của dũng điện ra và điện ỏp vào cũng nh là phải xỏc định được dũng đang dẫn theo chiều nào trước và sau khi xảy ra quỏ trỡnh chuyển mạch
Với hỡnh vẽ như trờn, xảy ra 8 trường hợp chuyển mạch khỏc nhau phụ thuộc vào dấu dũng điện ra (I) và điện ỏp dõy (U).
Hình 2.6 Chuyển mạch từ pha R sang pha S
+ Cỏc trường hợp C1, C4, C6, C7 chuyển mạch xảy ra nhờ ngắt một khoỏ nờn gọi là chuyển mạch cưỡng bức
+ Cỏc trường hợp khỏc chuyển mạch xảy ra nhờ đúng một khoỏ nờn gọi là chuyển mạch tự nhiờn.
Với C1 (Hỡnh 2.8): Trước khi chuyển mạch cả 2 IGBT trong khoỏ 2 chiều của pha R đều đúng để dẫn dũng chạy qua. Dũng sẽ chảy từ pha R tới đầu ra. Bước đầu tiờn S1 được ngắt, S4 được đúng để dẫn dũng, bởi vỡ cú điện ỏp dương giữa 2 pha vào, dũng điện vẫn chưa chảy trong pha S. Ngay sau khi S2 ngắt, dũng điện cưỡng bức phải đảo sang pha S. Bước cuối cựng cho S3 đúng lại để dẫn dũng ngược. Bõy giờ khoỏ 2 chiều trong pha S dẫn dũng, cũn khoỏ 2 chiều trong pha R sẽ bị ngắt lại.
Với C2(Hỡnh 2.8): Thời điểm bắt đầu là thời điểm kết thỳc của trường hợp C1. Bước đầu tiờn S3 ngắt, sau đú S2 sẽ được đúng lại để dẫn dũng và dũng điện sẽ đảo từ pha S sang pha R. Ngay sau khi dũng điện được chuyển mạch, S4 sẽ tự ngắt. Thứ tự cuối cựng kết thỳc là cho mở S1 để dẫn dũng ngược
Thuận lợi của chuyển mạch 4 bước là trong quỏ trỡnh chuyển mạch khụng xảy ra dũng điện lớn do ngắn mạch đầu vào cũng khụng xảy ra quỏ ỏp do khụng nối dũng tải. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
* Phõn tớch tổn hao đúng cắt trờn cơ sở chuyển mạch 4 bước
Trờn (hỡnh vẽ 2.9) cú Lp và Lb là điện cảm ký sinh của cỏc mụđun IGBT và điện cảm tản của đường nối giữa 2 van
Với hỡnh vẽ đồ thị thời gian như trờn (hỡnh 2.10), ta sẽ phõn tớch tổn hao đúng cắt khi chuyển mạch trong Matrix Converter
Cốt lừi của mọi quỏ trỡnh chuyển mạch là phụ thuộc vào chiều của dũng tải IL, và sự tương quan về thế giữa VA và VB . Khi chuyển mạch từ SA tới SB
với chiều dũng tải nh hỡnh vẽ. Nếu VA là dương hơn VB thỡ chuyển mạch sẽ xảy ra ở thời điểm t3, kết quả là sẽ ngắt cứng Q1 trong SA và đúng mềm Q3 trong SB . Ngược lại nếu VB là dương hơn VA ,chuyển mạch sẽ diễn ra ở thời điểm t2, kết quả là đúng cứng Q3 trong SB và ngắt mềm Q1 trong SA .Chú ý rằng là sẽ khụng cú tổn hao đúng cắt ở cỏc trường hợp với Q2 và Q4 bởi vỡ lỳc đú 2 van này khụng dẫn dũng khi dũng tải là dương như trờn hỡnh vẽ.
Nh vậy, sẽ cú một nửa quỏ trỡnh chuyển mạch là đúng cắt mềm, do đú tổn hao đúng cắt trong cỏc van bỏn dẫn sẽ được giảm xuống là 50%. Chớnh vỡ thế phương phỏp này thường được gọi là chuyển mạch dũng điện bỏn mềm (semi-soft)
Chuyển mạch mềm khụng phải là hoàn toàn khụng cú tổn hao, nhưng năng lượng tiờu hao là ít nhất, và là ít hơn so với chuyển mạch cứng.Trong
cỏc bộ biến đổi cụng suất, thường sử dụng cụng nghệ đúng cắt cộng hưởng (Cụng nghệ đúng cắt mềm) để giảm tổn hao đúng cắt. Trong Matrix Converter cụng nghệ cộng hưởng tạo ra lợi thế cho vấn đề chuyển mạch. Tuy nhiờn cỏc mạch này đều làm tăng đỏng kể số lượng cỏc thành phần cú trong Matrix Converter , tăng tổn hao dẫn dũng, và hầu hết yờu cầu chỉnh sửa tới thuật toỏn điều khiển để hoạt động được dưới tất cả cỏc điều kiện.
b) Chiến lược 2 bước chuyển mạch(Hỡnh 2.14)
Trong chiến lược chuyển mạch này, chỉ cú một van được điều khiển trong khoỏ(cell) đang dẫn. Điều này cú nghĩa là trong khi chuyển mạch dũng điện, van dẫn ngược là khụng cần phải điều khiển, vỡ thế chuyển mạch xảy ra chỉ qua 2 bước.Dũng điện ngược lại nhận được bằng cỏch điều khiển van dẫn ngược trong một cell khi dũng điện giảm xuống dưới một giỏ trị ngưỡng. Khi dũng này đó tăng đầy đủ theo chiều đối diện, van ban đầu sẽ được khoỏ lại. Một vấn đề với phương phỏp này là do chiều dũng điện khụng biết được trong chu kỳ ngược lại, do đú chuyển mạch khụng thể xảy ra.Sự trễ này cú thể rất lớn đặc biệt là trong những bộ biến tần Matrix Converter cụng suất lớn, ở đõy độ phõn giải dũng điện nhỏ nhất là rất lớn. Điều này cú thể dẫn đến làm mộo dạng súng của dũng điện ra. Phương phỏp này sẽ khụng thớch hợp, nếu dũng điện đầu ra cần được điều khiển là nằm trong khoảng cỏc giỏ trị ngưỡng.
44
Hình 2.11 Đảo chiều dòng điện sử dụng mức ngưỡng (threshold level)
1100
IL>0 IL<0
abcd A = SA1 B = SA2 1 = on
C = SB1D = SB2 2 = off 0011 1000 0010 0100 0001 0101 1010
II.2.3 Phương phỏp chuyển mạch cải tiến
Để một chiến lược chuyển mạch phải đủ tin cậy trong cỏc ứng dụng thực tế, thỡ thụng tin về chiều dũng điện phải thật chớnh xỏc.Nếu khụng chớnh xỏc, cỏc sự cố cú thể xảy ra. Một phương phỏp chuyển mạch và cụng nghệ phỏt hiện chiều dũng điện mới cho phộp chuyển mạch tin cậy ở bất kỳ thời điểm nào mà khụng cần sử dụng thờm cỏc mạch snubber hay clamp đấu song song với cỏc cell chuyển mạch
Phương phỏp này về cơ bản là giống với phương phỏp semi-soft, nhưng chỉ cú một van dẫn được điều khiển ở bất kỳ một thời điểm. Sự hoạt động chớnh xỏc phụ thuộc vào mạch điều khiển cổng thụng minh (gate driver) cho mỗi cell, được dựng để xỏc định chiều dũng điện, đồng thời phối hợp với cỏc mạch điều khiển của cỏc cell khỏc. Sơ đồ khối của một gate driver thụng minh
nh sau:
Hình 2.12 Sơ đồ khối một gate driver thông minh
SA1 D1 VA VB IL SA2 D2 Khối phát hiện chiều dòng điện Khối Gate driver Khối xử lý Khối nhận Khối Phát Tín hiệu tới Gate driver kế tiếp Tín hiệu từ vi xử lý Tín hiệu từ Gate driver trước Khóa 2 chiều
a. Phỏt hiện chiều dũng điện
Phương phỏp sử dụng điện ỏp qua mỗi van trong một cell chuyển mạch để xỏc định chiều dũng điện chảy qua van. Cỏc điện ỏp VA và VB cú thể đo được. Giả sử dũng điện IL cú chiều như hỡnh vẽ, SA1 sẽ dẫn và SA2 sẽ được phõn cực ngược. Kết quả là điện ỏp VA là cỡ 1,2V (điều này phụ thuộc vào đặc điểm loại van được sử dụng) và điện ỏp VB là khoảng – 0,7V. Khi dũng đi theo chiều ngược lại, thỡ sẽ xảy ra cỏc tỡnh huống ngược lại của trường hợp trờn. Giả sử là đỳng van cần điều khiển được điều khiển, chiều dũng điện ở trong cell từ đú cú thể được suy ra. Mạch phỏt hiện chiều dũng điện này và logic điều khiển kết hợp là được tớch hợp trong một gate driver cho mỗi cell. Để đảm bảo thụng tin về chiều dũng điện được tin cậy thỡ chỉ một van trong một cell được điều khiển ở bất kỳ một thời điểm. Điều này cú nghĩa là dũng điện hoặc bằng khụng hoặc chảy theo một hướng được định rừ.
b. Phương phỏp chuyển mạch dũng điện
(Hỡnh vẽ 2.14) thể hiện chuyển mạch của 2 pha vào thành một pha ra của Matrix Converter
Ban đầu cell A dẫn và dũng tải cú chiều nh hỡnh vẽ. Dưới những điều kiện này SA1 sẽ được điều khiển đúng lại để dẫn dũng tải. Trạng thỏi này là trạng thỏi A trờn biểu đồ trạng thỏi (hỡnh2.15). Trong biểu đồ trạng thỏi, mỗi một vũng trũn thể hiện cỏc trạng thỏi khỏc nhau của cỏc van trong hỡnh 2.16. “ 1 ” chỉ rằng van được điều khiển để dẫn dũng, “ 0 ” chỉ rằng van sẽ được ngắt. Chữ cỏi đầu tiờn trong mỗi vũng trũn chỉ van SA1, tiếp theo là SA2 rồi SB1 và cuối cựng là SB2. Thụng tin về chiều dũng điện từ mạch điều khiển cell A liờn tục được gửi đến mạch điều khiển của cell B. Quỏ trỡnh đảo chiều dũng điện
Hình 2.15 Biểu đồ trạng thái 2 bước chuyển mạch cải tiến
A B
xảy ra khi cell B là cell tớch cực, điều này để cell sắp dẫn cú thể mở đỳng van cần dẫn. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Khi chiến lược điều biến yờu cầu chuyển mạch tới cell B, SB1 sẽ được điều khiển mở để dẫn dũng trờn cơ sở thụng tin về chiều dũng điện từ cell A gửi tới. Mạch lỳc này sẽ ở trạng thỏi cả hai van SA1 và SB1 là cựng mở dẫn dũng. Điều này được thể hiện bằng sự quỏ độ từ trạng thỏi A tới trạng thỏi B, sau đú SA1 được ngắt. Sau một khoảng thời gian ngắn (5às) thụng tin về chiều dũng điện sẽ được lấy từ cell B. Quỏ trỡnh chuyển mạch hoàn thành (trạng thỏi C) mà khụng xảy ra ngắn mạch đầu vào cũng như đảm bảo được đường dẫn liờn tục cho dũng điện tải.
Để tạo ra chiều dũng điện tải theo cả 2 hướng trong khoảng giữa những lần chuyển mạch, mạch điều khiển cell tớch cực truyền tự động tớn hiệu điều khiển giữa cỏc van trong cell. Sự đảo chiều dũng điện được thực hiện bằng cỏch đảo ngược cỏc tớn hiệu điều khiển khi mạch phỏt hiện dũng điện tải đó giảm về khụng. Giả sử cell B là cell tớch cực và dũng điện cú chiều như trờn hỡnh 2.16 .Quỏ trỡnh đảo chiều dũng điện được thể hiện bằng sự quỏ độ từ trạng thỏi C sang trạng thỏi E như trờn biểu đồ trạng thỏi. Mạch điện sẽ đi qua trạng thỏi D mà khụng cú van nào được điều khiển .Sự điều khiển này của cỏc van trong mỗi cell đảm bảo cú thể biết được chiều dũng điện.
Một trường hợp đặc biệt xảy ra khi Matrix Converter được đúng lần đầu tiờn, cell đầu tiờn được mở mà khụng biết được van nào trong cell sẽ mở, bởi vỡ cell được mở trước đú khụng cú, và do đú khụng xỏc định được chiều dũng điện.Vấn đề này được vượt qua bằng cỏch điều khiển cả 2 van của cell đầu
Hình 2.16 Đồ thị thời gian chuyển mạch 2 bước
tiờn. Nếu đỳng van cú chiều dẫn cựng chiều dũng điện tải, dũng sẽ chảy qua và mạch làm việc bỡnh thường như trường hợp trờn. Nếu phỏt hiện khụng cú dũng điện tớn hiệu điều khiển được đảo lại và truyền tự động đến đỳng van cần dẫn trong cell.
c. Những khú khăn tiềm ẩn
Khú khăn xảy ra bởi vỡ cú sự trễ khi truyền thụng tin về chiều dũng điện tới mạch điều khiển của cell tiếp theo. Khú khăn này chỉ là vấn đề quan trọng khi chuyển mạch xảy ra cựng thời điểm với đảo chiều dũng điện. Ban đầu dũng tải là theo chiều dương với cell A là cell đang dẫn, do đú SA1 là van đang dẫn (trạng thỏi A). Đường gạch chộo trờn hỡnh 2.17 chỉ ra khoảng trễ đường truyền khi gửi thụng tin mới về dũng điện đến cell B. Khi dũng điện giảm về khụng, mạch sẽ chuyển tới trạng thỏi F là trạng thỏi khụng cú van nào dẫn. Nếu khụng cú trạng thỏi này SA2 sẽ mở dẫn dũng ngược ngay lập tức. Điều này cú thể gõy ra cỏc sự cố, bởi vỡ khi chuyển mạch yờu cầu trong vựng gạch chộo thỡ SB1 sẽ bị điều khiển sai. Chớnh vỡ thế mạch cần tồn tại ở trạng thỏi F trong một khoảng thời gian, để nhận được thụng tin về dũng điện một cỏch chớnh xỏc. Khoảng thời gian trễ này là khụng lớn lắm nờn khụng gõy mộo dạng súng dũng điện,
mạch được bắt đầu. Nếu thụng tin về chiều dũng điện là chớnh xỏc SB2 sẽ được