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).
- MC có thể ứng dụng trong các bộ lọc tích cực nối trực tiếp với lưới điện. Với dòng đầu vào và đầu ra đều hình sin và hệ số công suất thay đổi được, các bộ tụ lọc tĩnh sẽđược điều khiển trong một chế độ tối ưu nhất.
- MC có thể là bộ biến đổi đầu ra, có nhiệm vụ ổn định điện áp và tần số cho các hệ máy phát phân tán turbine khí hoặc turbine gió. Khi đó máy phát có thể phát điện áp tần số cao và thay đổi, nhờ đó kích thước máy phát được giảm nhỏ và yêu cầu về điều tốc không còn khắt khe nữa.
1.6 Kết luận chương 1
Giải pháp “all silicon” cho MC mới chỉ là khả năng trong tương lai. Hiện tại các nghiên cứu về MC đang sử dụng các transistor với cực điều khiển cách ly – IGBT để tạo nên các van dẫn hai chiều (Bidirectional switch – BDS). Những khó khăn về thực hiện quy luật biến điệu, về điều khiển quá trình chuyển mạch giữa các van, giá thành chế tạo còn cao là những lý do khiến cho MC vẫn nằm trong các phòng thí nghiệm, chưa có hãng sản xuất nào công bố những mẫu MC thương mại.
Chính vì vậy, mục đích của nghiên cứu này là xây dựng một mẫu biến tần ma trận thử nghiệm nhằm đánh giá và chứng minh những khả năng ứng dụng thực tế và các đặc tính ưu việt của loại biến tần này.
Với việc xây dựng biến tần ma trận hai vấn đề chính phải giải quyết là quy luật biến điệu và điều khiển chuyển mạch giữa các van hai chiều. Nhiệm vụ của luận án này chính là xây dựng thuật toán biến điệu và thuật toán điều khiển lôgic chuyển mạch. Các thuật toán này sẽ được áp dụng và kiểm chứng trong mô hình thực nghiệm. Luận án này cũng giải quyết vấn đề đảm bảo chất lượng dòng đầu vào trong điều kiện điện áp lưới mất cân bằng. Vấn đề ứng
dụng MC được đề nghị trong hệ thống truyền động điều khiển trực tiếp mô men động cơ không đồng bộ.
Phương pháp nghiên cứu là sử dụng các phương tiện mô phỏng để khảo sát tính đúng đắn của các quy luật điều khiển cũng như các quá trình năng lượng liên quan.
Trong mô hình thử nghiệm một loạt các vấn đề liên quan đến quá trình thiết kế đã được thực hiện, tuy nhiên sẽ không thể trình bày một cách chi tiết trong bản luận án này. Mô hình thí nghiệm chứng tỏ việc xây dựng một thế hệ biến tần mới là hoàn toàn hiện thực trong điều kiện Việt nam hiện nay.
Chương 2 VẤN ĐỀ CHUYỂN MẠCH TRONG MA TRẬN KHOÁ HAI CHIỀU
2.1 Quy tắc thực hiện quá trình chuyển mạch
Chuyển mạch là quá trình chuyển dòng điện từ một van đang dẫn bị khoá lại sang một van khác vừa mở ra. Chuyển mạch trong sơđồ MC có những yêu cầu khác biệt so với sơ đồ biến tần có khâu trung gian một chiều. Trên hình 2.1 thể hiện chuyển mạch trong sơ đồ nghịch lưu thường. Giữa tín các hiệu điều khiển mở S1 và S2 có một thời gian chết τ để tránh dòng đâm xuyên giữa S1 và S2, khi đó không có van
nào dẫn. Giả sử dòng đang chạy qua van S1, có tín hiệu khoá S1. Do tải có tính cảm dòng tải vẫn duy trì theo chiều cũ và sẽ chạy qua điôt D2. Như vậy, nhờ có hệ thống điôt ngược dòng tải không bị ngắt đột ngột nên không gây nên quá điện áp. Ngoài ra song song với các van S1, S2 còn có các mạnh RC trợ giúp cho quá trình chuyển mạch.
Hình 2.1 Chuyển mạch trong nghịch lưu thường.
Trong sơ đồ MC không có hệ thống điôt ngược và cũng không dùng các mạch RC nên chuyển mạch đặt ra nhiều vấn đề phức tạp hơn. Quá trình chuyển mạch trong MC phải tuân thủ hai quy tắc sau:
- Không được ngắn mạch phía lưới. - Không được hở mạch phía tải.
Quy tắc thứ nhất đảm bảo không xẩy ra ngắn mạch phía điện áp lưới gây ra xung dòng điện lớn phá huỷ van. Quy tắc thứ hai đảm bảo không gây ra hiện tượng hở mạch phía tải gây ra quá điện áp, đánh thủng các van bán dẫn.
2.2 Các kỹ thuật chuyển mạch trong MC 2.2.1 Chuyển mạch bốn bước 2.2.1 Chuyển mạch bốn bước
Chuyển mạnh bốn bước là một phương pháp hiệu quả tuân thủ hai quy tắc nêu ra trên đây. Nguyên lý chuyển mạch được làm rõ qua việc xét trường hợp chuyển mạch giữa hai pha A và B theo sơđồ trên hình 2.2.
Giả sử pha A đang dẫn, pha B đang khoá và dòng tải có chiều như hình vẽ. Dòng đang dẫn bởi van SA1, điôt DA1 (nét đậm). Quy 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