1.4.1 Dạng MC gián tiếp M A B C a b c Ud Id+ Id- R=[SA,SB,SC] I=[Sa,Sb,Sc]T
Hình 1.9 Sơ đồ MC gián tiếp.
Ngoài dạng MC cơ bản còn có các dạng MC gián tiếp (Indirect Matrix Converter-IMC) [19], trong đó có sự phân chia giữa phần chỉnh lưu và phần nghịch lưu, nhưđược thể hiện trên hình 1.9. Sự khác biệt của dạng MC này so với biến tần thông thường là trong phần điện áp một chiều không dùng tụ làm kho tích trữ điện. Sơ đồ IMC gồm 6 van một chiều ở phần nghịch lưu, do đó mạch lực đơn giản hơn, có thể sử dụng những module chuẩn đang được phổ biến rộng rãi. Phần chỉnh lưu đầu vào dùng các khóa bán dẫn hai chiều để
đảm bảo năng lượng trao đổi được theo cả hai chiều. Với phương pháp biến điệu vectơ không gian gián tiếp (ISVM), sẽ được trình bày ở chương 3, IMC có được những đặc tính tương đương với MC cơ bản, tuy nhiên hệ thống điều khiển khá phức tạp.
1.4.2 Dạng MC gián tiếp ít van (SMC)
Các IMC còn có thể làm cho đơn giản hơn nữa khi trong các khóa BDS phía chỉnh lưu bỏ bớt đi một IGBT. Sơ đồ dạng này, được thể hiện trên hình 1.10, gọi là IMC ít van (Sparse Matrix Converter-SMC) [5], [19]. Vai trò thay thế của van được làm rõ qua ví dụ với pha đầu vào A. Van SA kết hợp với các van SA+, SA- tạo nên hai van BDS cho nhánh trên và nhánh dưới của pha A. Đối với nhánh trên dòng đi vào từ pha A sẽ đi qua DA+ và SA+ (nét gạch đứt đoạn), dòng đi ra sẽ đi qua điôt nhánh trên, SA, DA- (nét chấm gạch). Tương tự như vậy đối với nhánh dưới và các pha còn lại. Van SA sẽ phải làm việc nhiều hơn các van SA+ và SA-.
M A B C a b c Ud Id+ Id- DA+ DA- SA SA+ SA-
Hình 1.10 Sơ đồ MC gián tiếp dạng ít van (SMC).
1.4.3 Dạng MC gián tiếp rất ít van (USMC)
Khi chiều năng lượng chỉ cần từ phía nguồn ra phía tải thì sơ đồ IMC còn có thể đơn giản hơn nữa, gọi là sơ đồ MC rất ít van (Ultra Sparse Matrix Converter- USMC) [19]. Sơ đồ USMC biểu diễn trên hình 1.11. Vai trò của van SA vẫn giống như ở sơ đồ trên, tuy nhiên các nhánh van phía trên và phía
dưới chỉ còn là điôt. Dòng một chiều bây giờ chỉ có thể chạy theo một hướng như một chỉnh lưu thông thường. Quá trình điều chế thông qua van SA có tác dụng làm cho dòng đầu vào có dạng sin.
M A B C a b c Ud Id+ Id-
Hình 1.11 Sơ đồ MC gián tiếp dạng rất ít van (USMC).
1.4.4 Biến tần 4Q
Hình 1.12 Sơ đồ biến tần 4Q.
Biến tần 4Q, sơ đồ hình 1.12, có những tính chất gần giống với biến tần ma trận, đó là có dòng đầu vào hình sin, hệ số công suất có thể điều chỉnh được, năng lượng trao đổi với lưới theo cả hai chiều (chính vì vậy mà có tên gọi là biến tần 4Q) [4]. Đây là biến tần có khâu trung gian một chiều, trong đó điện áp trên tụ UDC được giữ không đổi, ở mức cao hơn biên độ của điện áp dây đầu vào nhờ mạch chỉnh lưu tích cực. Các điện cảm đầu vào Ls như các kho từ tạo nên khả năng hiệu chỉnh công suất phản kháng trao đổi với lưới, từ
đó có thể hiệu chỉnh được hệ số công suất của biến tần. Biến tần 4Q đã có những ứng dụng trong công nghiệp đến công suất cỡ 300 kW. Hệ thống điều khiển biến tần này rất phức tạp. Quá trình trao đổi năng lượng giữa tải và lưới phải thông qua các kho điện và từ nên thời gian diễn ra chậm, không giống nhưở các biến tần ma trận.
1.4.5 So sánh số lượng phần tử trong các sơ đồ biến tần
Về số lượng phần tử công suất, theo bảng 1.3, có thể so sánh các dạng MC với nhau và với các biến tần thông dụng khác, đó là biến tần với chỉnh lưu đầu vào là cầu điôt (biến tần PWM) và biến tần có chỉnh lưu tích cực phía đầu vào (biến tần 4Q). Theo bảng 1.3 có thể thấy rằng, để thay thế các phần tử lưu giữ năng lượng kích thước lớn các sơ đồ MC hoàn toàn sử dụng các phần tử bán dẫn có kích thước nhỏ với độ tin cậy cao hơn.
Bảng 1.3 So sánh số phần tử trong các sơ đồ bộ biến tần khác nhau.
Biến tần Số van bán dẫn. Điôt nhanh. Số điôt chỉnh lưu Tụ điện lớn Cuộn cảm lớn - PWM - MC - IMC - SMC - USMC - 4Q 6 18 (9 BDS) 18 (6 BDS) 15 9 18 (6 BDS) 6 18 18 18 18 18 6 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 1 0 hoặc 1 0 0 0 0 3
1.5 Tình hình nghiên cứu về Matrix Converter 1.5.1 Lịch sử phát triển 1.5.1 Lịch sử phát triển
Khái niệm về Matrix converter (MC), sử dụng các van bán dẫn điều khiển hoàn toàn, với các đặc tính cơ bản như điện áp hình sin, dòng vào sin, điều chỉnh được hệ số công suất, tần số ra không bị giới hạn, lần đầu tiên được đưa ra bởi Venturini (1980), Alesina và Venturini (1981). Thuận toán do Ventirini
đưa ra cho tỷ số biến đổi điện áp lớn nhất là 0,5. Năm 1989 [3], [24], Alesina và Venturini tiếp tục đưa ra thuật toán cải tiến, nâng tỷ số truyền áp lên tới 0.866. Từ những năm 1990 đến nay lý thuyết cũng như những đề xuất về mô hình MC đã có những bước phát triển không ngừng.
1.5.2 Các phương pháp điều chế
Các phương pháp điều chế xác định quy luật điều khiển các khóa bán dẫn hai chiều để tạo nên điện áp đầu ra từ các pha điện áp đầu vào và tổng hợp nên dòng đầu vào từ các dòng đầu ra. Về cơ bản cho đến nay có bốn phương pháp điều chế chính sau đây:
1. Phương pháp Venturini-Alesina.
2. Phương pháp 3M.
3. Phương pháp vectơ không gian gián tiếp (Indirect Space Vector Modulation-ISVM).
4. Phương pháp vectơ không gian trực tiếp (Space Vector Modulation- SVM).
Các phương pháp khác nhau với khả năng ứng dụng khác nhau, dựa trên cách mô tả toán học MC khác nhau, phân biệt chủ yếu bởi yêu cầu về mức độ tính toán và số lượng các đại lượng đầu vào do các phép đo cung cấp. Mức độ tính toán xác định khả năng các vi xử lý ngày nay có thể đáp ứng được hay không. Các đại lượng cần đo hoặc theo dõi với độ chính xác nào đó xác định khả năng hoạt động của sơđồ trong các điều kiện thực tế.
Phương pháp Venturini-Alesina dựa trên cơ sở giải hệ phương trình ma trận thiết lập giữa điện áp và dòng điện 3 pha đầu vào với 3 pha đầu ra, từ đó xác định được thời gian mà mỗi khóa bán dẫn hai chiều được điều khiển mở để điện áp ra và dòng đầu vào đều có dạng sin. Cơ sở toán học của phương pháp này được dẫn giải trong [24]. Nhược điểm chính của thuật toán là đòi hỏi tính toán phức tạp, cần nhiều phép tính lượng giác trong mỗi chu kỳ cắt
mẫu. Các giá trị điện áp đầu vào cũng cần phải đo và cập nhật liên tục với độ chính xác cao.
Theo phương pháp 3M, thời gian đóng cắt của các van được tính toán dựa trên việc theo dõi giá trị điện áp đầu vào, giá trị điện áp đặt đầu ra nằm ở đâu giữa 3 giá trị lớn nhất, trung bình và nhỏ nhất (Max, Medium, Min), từ đó mà có tên đặt là 3M [16], [17], [18]. Về yêu cầu tính toán phương pháp 3M khá đơn giản, tuy nhiên hiệu quả của phương pháp sẽ phụ thuộc nhiều vào độ chính xác của tính toán và của phép đo các giá trị điện áp thực. Điều này sẽ gây nhiều khó khăn cho các ứng dụng trong thực tế.
Ngày nay, các phương pháp vectơ không gian được sử dụng rộng rãi vì khả năng dễ dàng lập trình trên các bộ vi xử lý, yêu cầu tính toán ít hơn. Phương pháp vectơ không gian gián tiếp (ISVM) phát triển dựa trên phương pháp vectơ không gian cho biến tần với khâu trung gian một chiều, trong đó MC được phân chia thành hai phần: phần chỉnh lưu tích cực và phần nghịch lưu thông thường, liên kết qua khâu một chiều ảo (virtual DC-link) [19], [25], [26]. Việc phân chia MC thành chỉnh lưu và nghịch lưu dẫn đến hai biến trung gian phải theo dõi là dòng điện và điện áp của khâu trung gian một chiều ảo, hai ma trận khóa đóng cắt cho phía chỉnh lưu và phía nghịch lưu.
Phương pháp vectơ không gian có thể được xây dựng một cách trực tiếp (SVM), trong đó chỉ cần quan tâm đến một ma trận khóa đóng cắt 3x3 duy nhất. Lý thuyết SVM được trình bày một cách hệ thống trong [9], [10], [15], trong đó sử dụng cách tính toán số phức trên biểu diễn vectơ tất cả các đại lượng điện, các trạng thái đóng cắt của van trên sơ đồ, do đó có được các kết quả mang tính tổng quát cho nhiều trường hợp. Phương pháp SVM cũng cho phép giải thích các thuận toán điều khiển Venturini-Alesina và ISVM như các trường hợp riêng. Ưu điểm của SVM là trong mỗi chu kỳ cắt mẫu có thể chỉ cần xác định góc pha của điện áp đầu vào, tương đối so với các thời điểm điện áp nguồn qua không mà không cần quan tâm đến giá trị tức thời của điện áp.
Điện áp đầu ra được xác định theo tần số yêu cầu và hệ số biến điệu mong muốn. Như vậy mạch biến điệu đòi hỏi một số tối thiểu các tín hiệu bên ngoài nên khả năng chống nhiễu tốt.
Quy luật điều chế trong MC khá phức tạp, đòi hỏi một khối lượng tính toán lớn trong thời gian thực. Các tính toán này không thể thực hiện được trên các vi xử lý hiện nay như đối với quy luật điều biến ở các biến tần có khâu trung gian một chiều. Tuy nhiên các họ DSP ngày nay với giá thành ngày càng hạ và tốc độ tính toán ngày càng cao đã cho phép giải quyết vấn đề này. Điều này nói lên tính thực tế của các ứng dụng MC.
1.5.3 Module mạch lực
Số lượng van bán dẫn để tạo nên ma trận khóa hai chiều là 18 cái, tương đối nhiều. Điều này ảnh hưởng đến khả năng cạnh trạnh của MC đối với các biến tần thông thường. Các nhà sản xuất ngày nay vẫn chưa cho ra đời các khóa bán dẫn hai chiều thực sự trong một vỏ nên module mạch lực của MC còn khá phức tạp. Tuy nhiên hãng Dynex Semiconductor đã tuyên bố cho ra đời module khóa hai chiều dòng 200A và 400A, điện áp 1700V [13]. Đây là tín hiệu cho thấy vấn đề này sẽ được giải quyết trong tương lai gần.
1.5.4 Vấn đề điều khiển chuyển mạch các van bán dẫn
Do các khóa bán dẫn hai chiều đều nằm dưới điện áp xoay chiều nên vấn đề chuyển mạch rất phức tạp. MC không sử dụng mạch snubber (RC song song với phần tử đóng cắt) để giảm tối đa kích thước và tổn thất trên phần tử. Đây là ưu điểm cơ bản của MC vì tạo ra khả năng chế tạo module mạch lực chỉ gồm các phần tử bán dẫn với khả năng chịu nhiệt độ cao và kích thước nhỏ gọn. Các biện pháp chuyển mạch phải được áp dụng không phụ thuộc vào quy luật biến điệu là quy luật nào trong bốn phương pháp cơ bản kể trên [2], [12]. Điều khiển quá trình chuyển mạch giữa các van bán dẫn trong MC phải có độ chính xác rất cao, hoạt động chuẩn xác trong những khoảng thời gian cỡ
µS. Các mảng mạch lôgic lập trình được (CPLD, FPGA) giúp ta giải quyết được vấn đề này. Quá trình chuyển mạch được phân biệt theo chuyển mạch theo áp, chuyển mạch theo dòng hoặc kết hợp cả hai. Tùy theo áp hay chiều dòng điện biết được, chuyển mạch có thể thực hiện theo 1, 2, 3, hoặc 4 bước, với mỗi bước bằng thời gian khóa của một IGBT, thường từ 1,5 đến 2,5 µS [22], [23], [33], [34]. Để tăng cường độ an toàn cho van bán dẫn, một số biện pháp chuyển mạch thông minh cũng được áp dụng [12], [31], tuy nhiên khi đó mức độ phức tạp của hệ thông điều khiển cũng tăng lên nhiều. Với công suất vừa và nhỏ thì chuyển mạch bốn bước theo chiều dòng điện là một biện pháp phù hợp hơn cả vì việc đo dòng đầu ra có dạng sin dễ thực hiện hơn. Với dải công suất lớn hơn cần phải chuyển sang kiểu chuyển mạch cộng hưởng. Đây là một vấn đề phức tạp và mới chỉ một số ít tác giả đề cập đến [28], chắc chắn cần nhiều công sức nghiên cứu hơn nữa đểđưa đến được các ứng dụng cụ thể. Điều khiển quá trình chuyển mạch cũng nhằm để loại bỏ mạch Clamp chống quá áp hay để giảm bớt yêu cầu đặt ra đối với mạch này [21], [27]. Để loại bỏ được mạch Clamp cần phải tạo ra hệ thống điôt ngược từ các điôt song song với các IGBT và lựa chọn một điện áp dây đầu vào có cực tính phù hợp có tác dụng làm giảm nhanh dòng tải mà không gây nên quá áp trong mạch.
Nói chung vấn đề chuyển mạch cho các van trong sơđồ MC có thể sẽ đơn giản hơn trong tương lai gần, khi các nhà sản xuất sẽ cho ra đời các phần tử khóa bán dẫn hai chiều thực sự.
1.5.5 Ảnh hưởng của điện áp trên lưới đối với MC
Tỷ số truyền điện áp trong MC cao nhất là 0,866. Thực ra tỷ số truyền áp trong các biến tần có khâu trung gian một chiều nếu làm việc trong chế độ tuyến tính cũng chỉ là 0,86. Nếu các MC được sử dụng rộng rãi thì việc chế tạo các động cơ với mức điện áp phù hợp không phải là một vấn đề khó khăn,
nhất là tương lai của MC là được tích hợp cùng với động cơ để trở thành một hệ truyền động duy nhất.
Là biến tần trực tiếp nên MC chịu ảnh hưởng trực tiếp của những dao động, nhiễu, cũng như sự mất cân bằng của các pha điện áp lưới. Giống như mọi thiết bịđiện khác, MC cần phải được thiết kếđểđảm bảo chịu đựng được những dao động của điện áp lưới công nghiệp trong phạm vi cho phép. Những nhiễu trên lưới do ảnh hưởng của các thiết bị đóng cắt và các bộ biến đổi bán dẫn làm việc trên lưới sẽđược suy giảm nhờ bộ lọc LfCf trên đầu vào [4], [22]. Khi lưới mất cân bằng sử dụng những quy luật điều biến đặc biệt MC vẫn đảm bảo được điện áp đầu ra và dòng điện đầu vào đều có dạng sin [7], [25], [26]. Do không có mạch điôt ngược để dẫn dòng tải, sự làm việc của MC bị ảnh hưởng nghiêm trọng trong hai trường hợp. Thứ nhất, đó là khi phía lưới bị mất nguồn đột ngột. Do không có kho điện dự trữ nên ma trận van sẽ khóa lại lập tức, điều này sẽ khiến các cuộn cảm đầu vào bị mất dòng đột ngột, gây nên quá điện áp, có thể đánh thủng các van bán dẫn. Thứ hai, đó là khi có hiện tượng nháy điện, nghĩa là phía lưới bị mất điện trong một thời gian ngắn rồi lại có điện trở lại. Trong trường hợp này phần điều khiển vẫn còn nguồn nuôi do năng lượng trên các tụ một chiều, tuy nhiên phần đồng bộ với lưới bị mất dẫn tới quy luật điều khiển rối loạn, các van có thể bị khóa hoàn toàn dẫn đến dòng tải bị ngắt đột ngột gây nên quá áp lớn. Vấn đề này phải được đặt ra khi thiết kế đểđảm bảo an toàn cho các van trong bộ biến đổi.
1.5.6 Phát triển các ứng dụng của MC
Có thể chỉ ra các lĩnh vực mà việc ứng dụng MC sẽ đưa đến những hiệu quảđặc biệt như sau:
- MC có ứng dụng trong lĩnh vực truyền động giống như các biến tần thông thường với các ưu điểm cơ bản là kết cấu gọn nhẹ và làm việc được ở cả bốn góc phần tư.
- MC có tiềm năng ứng dụng trong lĩnh vực truyền tải điện như một bộ biến đổi nối giữa hai lưới điện có tần số tiêu chuẩn khác nhau (50 Hz, 60 Hz).