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 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 nếu UB>UA hoặc ở bước 3 nếu UB<UA mà không có hiện tượng hở mạch tải.
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 toàn tương tự. Thời gian td tương đương với thời gian khoá của một IGBT, cỡ 1÷2µS. Trạng thái lôgic của quá trình chuyển mạch này biểu diến trên hình 2.4. Tất cả các trường hợp chuyển mạch giữ hai pha
A, B ứng với các dấu dòng điện và điện áp cho trong bảng 2.1.
Hình 2.4 Trạng thái logic các van trong chuyển mạch bốn bước.
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 IL <0,
UAB<0, chuyển mạch từ B sang A.
Chuyển mạch gọi là nặng nếu van khoá lại dưới điện áp cao và dòng qua van lớn, tổn thất do chuyển mạch lớn. Chuyển mạnh gọi là mềm nếu khi van khoá lại, dòng qua van đã bằng 0, tổn thất chuyển mạnh nhỏ. Qua phân tích sẽ thấy một nửa số quá trình chuyển mạch trên đây là chuyển mạch mềm nên chuyển mạnh bốn bước theo chiều dòng điện còn gọi là chuyển mạch bán mềm. Trên hình 2.2 chuyển mạch mềm xảy ra khi UB>UA, do các điôt SD1, TH1 TH2 TH3 TH4 TH5 TH6 TH7 TH8 UAB>0 + + + + - - - - IL>0 + + - - + + - - A->B + - + - + - + -
SD2 dòng chuyển tự nhiên ngay sang SB1 khi SB1 được điều khiển mở tại bước 2. Tại bước 3 khi ngắt tín hiệu điều khiển dòng qua SA1đã bằng 0.
Phân tích tương tự có thể thấy rằng các truờng hợp TH1, TH2, TH4 và TH7 là chuyển mạch nặng, còn TH2, TH3, TH5, TH8 là chuyển mạch mềm.
2.2.2 Chuyển mạch hai bước
Nếu đã biết chắc chắn chiều dòng điện thì không cần phát tín hiệu cho van 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.
Hình 2.5 Trạng thái lôgic của van trong chế độ chuyển mạch 2 bước.
Lưu ý sự khác biệt giữa hình 2.4 và 2.5. Phương 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 và 0011 trên hình 2.5).
Hình 2.6 Tín hiệu điều khiển van khi dòng đổi chiều.
Xét trường hợp dòng đổi chiều như trên hình 2.6. Để tránh hở mạch
tải khi dòng nằm trong ngưỡng quanh giá trị không, [-Ih , Ih], do tín hiệu chiều dòng điện 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. Mức ngưỡng này tăng 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 điện lại nằm trong dải ngưỡng này.
2.2.3 Chuyển mạch một bước UA 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, IL>0 (a) UAB>0, IL<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 2.2, giả sử cần chuyển mạch giữa hai pha đầu vào A 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 ở hình 2.7 (b), từ SA2 sang SB2. Với UAB>0 trên hình (a) là chuyển mạch
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, ít làm ảnh hưởng đến thời gian cắt mẫu của PWM. Tuy vậy lại cần theo dõi chính xác cả chiều dòng điện lẫn điện áp, trong đó tín hiệu điện áp lấy vào từ lưới sẽ bịảnh 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, S2 đang dẫn, S1 nằm dưới điện áp ngược. Điện áp đo trên van U2 cỡ 1,5÷2,5V (phụ thuộc vào loại IGBT), U1 cỡ 0,7÷1,5V, bằng điện áp trên 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 vào dấu điện áp U1, U2 đo được có thể hoàn toàn xác định chiều của dòng điện.
Hình 2.8 cũng thể hiện sơ đồ khối của một bộ điều khiển thông minh cho một khoá BDS. 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. Nếu có tín hiệu chuyển mạch từ vi điều khiển tới cùng với thông tin về chiều dòng điện nhận được từ pha dẫn trước đó, phần tử ra quyết định, chính là một mạch điều khiển lôgic, sẽ xác định chính xác IGBT nào được mở tiếp theo. Chuyển mạch diễn ra theo hai bước như đã đề cập ở phần 2.2.2. Khi van đã mở, chiều dòng điện lại được xác định và chuyển về phần tử ra quyết định để truyền cho các mạch điều khiển khác. Sau khi chuyển mạch nếu dòng có đổi chiều thì bộ điều khiển sẽ tự động đổi phần tử dẫn trong chính BDS đó.
Để khắc phục trễ do truyền thông ảnh hưởng đến chuyển mạch khi dòng đảo chiều cần có một khoảng thời gian chết không cho van nào dẫn khi 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 bộ điều khiển của BDS tiếp theo nhận được thông tin chính xác về chiều dòng điện. Thời gian
trễđủ nhỏ, cỡ 250nS, không làm ảnh hưởng tới dạng sóng dòng điện.
Hình 2.8 Cấu trúc mạch điều khiển chuyển mạch thông minh.
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 2.9 Đồ thị thời gian quá trình
thuật chuyển mạch hai bước áp dụng trong trường hợp này.
Hình 2.10 Đồ thị trạng thái chuyển mạch theo phương pháp chuyển mạch thông minh.
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
(a)
(b)
Hình 2.11 Mô hình khoá mềm. a) Phần tử chuyển mạch đóng cắt mềm E chung; b) Phần tử chuyển mạch đóng cắt mềm cầu điôt.
Chuyển mạch mềm có thể thực hiện nhờ quá trình cộng hưởng, tạo nên chếđộ 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 rất lớn hoặc điện áp rất cao.
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, Q2 để 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 sốđóng 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 MC cơ 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, IL<0) SA1 SA2 SB1 SB2 DA1 DA2 DB1 DB2 (+) (-) N
Hình 2.12 Trạng thái lựa chọn điện áp UA, UB và 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 2.14 cho 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 vềđến 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, IL<0) SB1 SB2 DA1 DA2 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 Kết luận chương 2
Chương này đã phân tích các phương pháp chuyển mạch có thể áp dụng cho MC. Chuyển mạch bốn bước yêu cầu thời gian dài nhất, ít nhất là ba lần thời gian khoá của một IGBT, khoảng hơn 6 µS, tuy nhiên chỉ cần xác định được chiều dòng điện. Việc đo dòng tải đối với tải trở cảm là tương đối dễ dàng vì dòng khá trơn tru. Các phương pháp chuyển mạch ít bước hơn sẽ rút ngắn được thời gian dành cho chuyển mạch, tuy nhiên đều yêu cầu phải xử lý riêng nhiều tình huống đặc biệt gây khó khăn cho việc thiết kế lôgic điều khiển. Việc xét dấu điện áp vào cũng gây bất lợi vì điện áp bị ảnh hưởng nhiều bởi nhiễu. Chuyển mạch thông minh hứa hẹn kết quả tốt nhưng thiết bị yêu cầu khá phức tạp. Chuyển mạch cộng hưởng chỉ nên áp dụng cho những ứng dụng công suất lớn.
Trong nghiên cứu này đặt ra nhiệm vụ xây dựng một mẫu thí nghiệm MC công suất nhỏ, vì vậy áp dụng phương pháp chuyển mạch bốn bước là thuận lợi hơn cả. Thiết kế mạch lôgic điều khiển chuyển mạch đã được kiểm nghiệm bằng mô phỏng (hình 2.14, 2.15) và sẽ được tiếp tục đề cập đến trong chương 5 của luận án này.
Hình 2.15 Mô hình mô phỏng mạch điều khiển quá trình chuyển mạch dùng ToolBox StateFlow.
Chương 3 CÁC PHƯƠNG PHÁP BIẾN ĐIỆU TRONG BIẾN TẦN MA TRẬN
3.1 Vấn đề biến điệu bề rộng xung trong biến tần ma trận
Điện áp trên mỗi pha đầu ra của biến tần ma trận (Matrix Converter - MC) được tạo ra bởi các đoạn của điện áp ba pha đầu vào. Ví dụ, để tạo được điện áp ra cho pha A từ ba pha đầu vào a, b, c, trong mỗi một chu kỳ cắt mẫu, đầu ra A sẽ được nối với một trong ba pha đầu vào trong một khoảng thời gian nhất định. Khoảng thời gian này phụ thuộc vào giá trị điện áp pha đầu vào và giá trị điện áp pha đầu ra tại thời điểm cắt mẫu. Các phép biến điệu sẽ xác định độ rộng của những khoảng thời gian này sao cho giá trị trung bình của điện áp đầu ra trong mỗi chu kỳ cắt mẫu thay đổi theo một sóng hình sin tần số thấp mong muốn với biên độ thay đổi được.
Nếu trong biến tần nguồn áp thông thường, độ rộng xung chỉ phụ thuộc vào giá trị điện áp ra tại thời điểm cắt mẫu vì đầu vào đã là nguồn một chiều