Đề tài Nghiên cứu bộ biến tần AC-AC Matrix Converter

Nghiên cứu bộ biến tần AC-AC Matrix Converter Mở Đầu Điện tử công suất được ứng dụng rộng rãi trong hầu hết các ngành công nghiệp hiện đại. Nhờ vào các bộ biến đổi được xây dựng dựa trên các phần tử bán dẫn công suất (Điôt, Transito,Tiristo,IGBT…) có thể khống chế nguồn năng lượng điện với các tham số có thể thay đổi được để cung cấp cho các phụ tải điện. Do sự phát triển như vũ bão của công nghệ chế tạo các phần tử bán dẫn, đã cho ra đời các van bán dẫn với những ưu điểm như chuyển mạch nhanh, tính năng dòng áp cao, chắc chắn, hiệu suất cao, độ tin cậy đảm bảo, dẫn đến khả năng chiếm ưu thế hoàn toàn của các bộ biến đổi điện tử công suất mà điển hình là bộ biến tần, là một bộ biến đổi dùng để biến đổi nguồn điện áp với các thông số điện áp và tần số không đổi, thành nguồn điện áp ra với các thông số điện áp và tần số thay đổi được. Sự ra đời của bộ biến tần Matrix Converter, (thực chất là một bộ biến tần làm việc trực tiếp với lưới điện) là sự phát triển vượt bậc của điện tử công suất, có ý nghĩa rất lớn trong việc biến đổi điện năng. Cùng với sự hoàn thiện của kỹ thuật điện tử công suất là sự phát triển của kỹ thuật vi xử lý, kỹ thuật điều khiển số cộng với các hệ thống điều khiển tự động truyền động điện thông minh và hiện đại đã cho phép tạo nên hệ thống truyền động “Matrix Converter /Động Cơ” làm việc chắc chắn, tin cậy hiệu suất cao, dải điều khiển rộng, đảm bảo các chức năng bảo vệ cũng như điều khiển chính xác quá trình chuyển mạch vốn đòi hỏi rất nghiêm ngặt. Matrix converter (MC) ưu thế hơn các biến tần truyền thống nhờ khả năng trao đổi năng lượng với lưới một cách liên tục, hiệu suất rất cao do chỉ có một lần biến đổi điện năng, không phải qua khâu trung gian tích luỹ năng lượng, cho phép thực hiện hãm tái sinh năng lượng trả về lưới điện mà không cần có mạch điện phụ. Vượt qua được những hạn chế của biến tần trực tiếp, là tần số điều chỉnh bị giới hạn trên bởi tần số nguồn cung cấp. Ngoài ra còn có thể tích hợp cùng với động cơ vào một thiết bị đơn nhất để giảm kích thước, giá thành, tăng hiệu suất và độ tin cậy thiết bị, làm việc ở cả 4 góc phần tư. Matrix Converter còn cho phép điều chỉnh được hệ số công suất cosđầu vào, cho dòng vào và áp ra có dạng hình sin. Cùng với việc khắc phục những nhược điểm cố hữu như tỷ số truyền áp tối đa thấp, số lượng van bán dẫn ở mạch lực nhiều gây khó khăn trong vấn đề điều khiển, không có đuờng thoát năng lượng tự nhiên (free-wheeling) và tụ nối một chiều nên mạch bảo vệ phức tạp sẽ tạo ra xu hướng phát triển rộng rãi cho Matrix Converter trong các ứng dụng công nghiệp mà cho đến nay vẫn còn bị bỏ ngỏ Thực hiện công việc thiết kế một bộ điều khiển truyền động điện động cơ dựa trên mô hình Matrix Converter sẽ liên quan đến những vấn đề sau: Điện tử công suất: khoá hai chiều, tổn hao, bảo vệ, chuyển mạch… Truyền động điện: thuật toán điều khiển động cơ, PWM, không gian vector… Lập trình DSP, VXL, thiết kế mạch in... Với những vấn đề rộng và phức tạp như vậy, trong khuôn khổ thời gian có hạn, bản đồ án này chỉ đề cập đến những vấn đề cơ bản của Matrix Converter và nghiên cứu lý thuyết và thực hiện mô phỏng bằng phần mềm Matlab/simulink dựa trên thuật toán điều biến của tác giả Venturini . Bản đồ án này đóng góp vào một trong những bước đi đầu tiên của sinh viên ngành TĐH trường ĐHBKHN về đề tài mới - phương pháp biến tần Matrận - Bổ xung thêm 1 đề tài có nhiều hứa hẹn phát triển và ứng dụng thực tế trong tưong lai gần. Trong thời gian làm đồ án ,với sự nỗ lực của bản thân và các bạn cùng nhóm dưới sự chỉ bảo tận tình của thầy giáo hướng dẫn Trần Trọng Minh em đã hoàn thành bản đồ án này đúng hạn định. Mặc dù đã cố gắng hết sức nhưng do thời gian hạn chế, bản thân trình độ còn có hạn nên bản đồ án chắc chắn không tránh khỏi thiếu sót, rất mong nhận được sự chỉ bảo, đóng góp ý kiến của các thầy cô cũng như các bạn sinh viên quan tâm. Chương I: Matrix Converter các vấn đề cơ bản I.1 khái niệm về Matrix Converter I.1.1 Sự phát triển của Matrix Converter Thời gian gần đây đã có nhiều người quan tâm đến bộ biến tần ma trận trực tiếp AC-AC dùng trong truyền động thay đổi tốc độ động cơ cảm ứng. Một trong những người đề xuất đầu tiên là Gyugyi và Pelly (năm 1976) đã chỉ ra nguyên tắc hoạt động của bộ biến tần trực tiếp sử dụng khoá có thể điều khiển được 2 chiều để nhận được tần số đầu ra không bị hạn chế. Nhược điểm chính của mạch là xuất hiện nhiều các hài bậc cao không mong muốn của dòng vào và áp ra không thể dùng bộ lọc dễ dàng loại bỏ. Vấn đề này đã được vượt qua nhờ Venturini và Alesina (năm 1980-1981), Hai người đã đưa ra một thuật toán điều biến PWM mới có thể tạo dòng điện vào và điện áp ra hình sin với tần số biến thiên đồng thời điều khiển được hệ số công suất đầu vào. Đến năm 1989 cũng chính 2 ông bằng cách điều chỉnh lại thuật toán ban đầu đã tạo ra được tỉ số truyền giữa điện áp ra và điện áp vào tối đa (là 0,86) và điều khiển được trọn vẹn cosj đầu vào trong giới hạn của điện áp và cosj đầu ra. Năm 1991 In Roy và April, Ishiguro đưa ra một lớp các thuật toán vô hướng nhờ dựa trên việc so sánh vô hướng các giá trị điện áp vào tức thời và tạo dòng điện ra hình sin theo nguyên tắc dòng điện vào mỗi pha tỉ lệ với điện áp vào trên pha đó trong mét chu kỳ lấy mẫu. Vấn đề thời gian thực của thuật toán điều khiển yêu cầu nhiều lần so sánh ở mỗi lần lấy mẫu sẽ yêu cầu thời gian tính toán của các bộ vi xử lý cao. Tiếp theo là phương pháp điều khiển tạo điện áp đầu ra sử dụng điều biến vector không gian vector (Space Vector Modulation-SVM), thuật toán điều khiển này sử dụng phương pháp điều biến độ rộng xung(Pulse Width Modulation-PWM) cải thiện đáng kể dạng sóng điện áp ra tuy nhiên khi đó chất lượng dạng sóng của dòng điện vào bị suy giảm. Những nghiên cứu khác gần đây(1992-1998) nhất chủ yếu tập trung vào việc tăng hiệu suất của Matrix Converter bằng cách giảm tối đa tổn hao đóng cắt nhờ thực hiện dòng zero khi đóng và áp zero khi mở nhưng đòi hỏi các phần tử phụ thêm vào cấu trúc khoá 2 chiều. Năm 1993 Wheeler và Grant đưa ra phương pháp chuyển mạch dòng điện semi-soft giảm đáng kể tổn hao đóng cắt đồng thời chuyển mạch tin cậy chắc chắn.Hiện nay các nghiên cứu chủ yếu về thuật toán điều biên tối ưu hoặc với khía cạnh thiết kế mạch công suất gọn nhẹ trong một môđun tích hợp trên động cơ, bù ảnh hưởng của điện áp vào không cân bằng, vấn đề bảo vệ Matrix Converter … Hình 1.1 Cấu trúc tổng quát của ma trận khoá 2 chiều I.1.2 Khái niệm về Matrix Converter Matrix Converter là một bộ biến tần trực tiếp chuyển mạch cưỡng bức tốt, có thể nối giữa n pha vào có tần số và điện áp cố định U1, f1 với m pha đầu ra có tần số và điện áp biến thiên U2, f2. Với những ứng dụng trong công nghiệp chủ yếu n=m=3 và đây là cấu hình thường gặp nhất (Hình 2). Trong bé Matrix Converter 3´3 gồm có một ma trận 9 khoá 2 chiều (Bi-Directional Switch-BDS) được sắp xếp thành 3 nhóm, mỗi nhóm tương ứng với một pha đầu ra. Với cách bố trí như vậy, Matrix Converter sẽ nối bất kỳ đầu vào a, b, c với bất kỳ các đầu ra A, B, C, tại bất kỳ thời điểm. Ma trận các khoá 2 chiều đưa ra S Cni (i=0 .. 9)= 512 khả năng kết hợp, để tạo ra các trạng thái đóng cắt của các khoá, nhưng chỉ có 27 trạng thái thích hợp, bởi vì, đầu vào của Matrix Converter như một nguồn áp 3 pha, trong khi đầu ra như một nguồn dòng 3 pha, do đó thực hiện đóng cắt các khoá phải tuân theo 2 luật sau, để đảm bảo không ngắn mạch nguồn áp, và hở mạch nguồn dòng + Không được nối 2 đầu vào khác nhau tới cùng một đầu ra vì sẽ gây ngắn mạch ở đầu vào dẫn tới hiện tượng quá dòng điện + Không được hở mạch ở đầu ra của Matrix Converter vì khi đó với tải cảm sẽ gây hiện tượng quá áp Hình 1-2 Cấu trúc 3 pha của Ma trận khoá 2 chiều a) Mạch điện b) ký hiệu Việc điều khiển điện áp ra, nhờ cách thực hiện đóng cắt các khoá (với các trạng thái cho phép), theo một thứ tự được xác định trước. Như vậy “giá trị trung bình” của điện áp ra phụ thuộc vào dạng sóng điện áp mong muốn tạo ra từ các điện áp vào. Ở dạng sóng điện áp ra, gồm chủ yếu những thành phần có tần số mong muốn cùng với các thành phần tần số cao do dóng cắt sinh ra, mà có thể loại bỏ được nhờ bộ lọc LC ở đầu ra, hoặc điện cảm của tải. Phía nguồn, dòng điện vào được tạo bởi những đoạn của 3 dòng điện ra và những đoạn bằng không, mà trong những đoạn bằng không đó dòng điện ra không trở về nguồn mà tuần hoàn chạy quẩn trong ma trận khoá. Phổ dòng vào chủ yếu gồm thành phần tần số nguồn cung cấp và các thành phần tần số cao, mà khi có bộ lọc đầu vào thì bị loại trừ để mong muốn tạo dòng điện vào hình sin. Matrix Converter chính vì thế có thể thực hiện được việc biến đổi tần số và điện áp trực tiếp AC-AC mà không cần thành phần tích trữ năng lượng trung gian I.1.3 So sánh Matrix Converter và các loại biến tần hiện có Biến tần hiện nay có thể chia làm 2 loại lớn. M¹ch van U~ f2 U~ f1 H×nh 1-3 CÊu tróc biÕn tÇn trùc tiÕp * Biến tần trực tiếp . Điện áp vào xoay chiều U1 và tần số f1 chỉ cần qua một mạch van là chuyển ngay ra tải với tần số khác, vì vậy biến tần này có hiệu suất biến đổi năng lượng cao, thêm vào đó là khả năng thực hiện tái sinh năng lượng trở về lưới mà không cần có mạch điện phụ. Tuy nhiên sơ đồ mạch này khá phức tạp, vì có số lượng van lớn, nhất là với mạch 3 pha. Việc thay đổi tần số f2 khá khó khăn và phụ thuộc vào f1, vì vậy hiện nay chủ yếu chỉ có biến tần loại này với phạm vi điều chỉnh f2 £ f1. f1~ U1~ U2~ f2 U= ChØnh l­u Läc NGHÞCH L¦U ®éc LËP U= H×nh 1-4 CÊu tróc biÕn tÇn gi¸n tiÕp f2~ * Biến tần gián tiếp . Điện áp xoay chiều đầu tiên được chuyển thành một chiều nhờ mạch chỉnh lưu, sau đó qua bộ lọc rồi mới biến trở về điện áp xoay chiều với tần số f2 . Việc biến đổi năng lượng 2 lần làm giảm hiệu suất biến tần, bù lại loại biến tần này cho phép dễ dàng thay đổi tần số f2 không phụ thuộc f1 trong dải tần rộng cả trên lẫn dưới f1 vì tần số ra chỉ phụ thuộc vào mạch điều khiển. Hơn nữa với sự ứng dụng hệ điều khiển nhờ kỹ thuật số vi xử lý và dùng van lực là các loại tranzitor đã cho phát huy tối đa các ưu điểm của loại biến tần này vì vậy đa số biến tần hiện nay là biến tần có khâu trung gian một chiều. Tuy nhiên khi dùng van tiristo vẫn còn một số khó khăn nhất định khi giải quyết vấn đề khoá van. Chức năng các khâu trong bộ biến tần gián tiếp : - Khâu chỉnh lưu Chỉnh lưu là quá trình biến dòng điện xoay chiều thành một chiều. - Khâu lọc + Đóng vai trò một kho tích trữ năng lượng dưới dạng nguồn áp, khi dùng tụ điện hoặc dưới dạng nguồn dòng khi dùng cuộn cảm. + Nhờ có khâu trung gian một chiều, phía nghịch lưu sẽ làm việc tương đối độc lập với phía chỉnh lưu - Khâu nghịch lưu độc lập Nghịch lưu độc lập là quá trình biến đổi năng lượng điện một chiều thành năng lượng điện dòng xoay chiều với tần số, giá trị điện áp, số pha, thứ tự pha và quá trình chuyển mạch dòng điện giữa các pha do bản thân bộ nghịch lưu quyết định, không phụ thuộc vào nguồn điện xoay chiều khác * Sự giống và khác nhau giữa Matrix Converter và các loại biến tần a) Matrix Converter và biến tần trực tiếp - Matrix Converter thực chất là một bộ biến tần trực tiếp nên sẽ có những ưu, nhược điểm của biến tần trực tiếp như sau: + Nối trực tiếp giữa lưới và tải không qua một khâu trung gian nào nên hiệu suất truyền động cao. + Trao đổi năng lượng với lưới một cách liên tục, có khả năng tái sinh năng lượng không cần mạch phụ. + Số lượng van bán dẫn nhiều, do đó sơ đồ van và luật điều khiển cũng rất phức tạp. - Tuy nhiên Matrix Converter vượt trội hơn so với biến tần trực tiếp ở : + Khả năng tạo được điện áp ra có tần số không hạn chế, có thể lớn hơn tần số nguồn cung cấp f1. + Có thể điều chỉnh được hệ số công suất đầu vào cosj i, độ lệch pha giữa dòng và áp vào ( j i ) có thể > 0, = 0, hoặc < 0. + Do dùng van 2 chiều nên có thể hoạt động ở 4 góc phần tư mà không cần tác động vào phía đầu vào. b) Matrix Converter và biến tần gián tiếp - Một số ưu điểm của biến tần gián tiếp cũng được ứng dụng trong công nghệ Matrix Converter. + Vì Matrix Converter được phân tích như một bộ biến đổi gồm 2 tầng biến đổi, tầng chỉnh lưu và tầng nghịch lưu, nên có thể sử dụng phương pháp điều biến độ rộng xung (PWM) hay được dùng với biến tần nguồn áp, cho tầng nghịch lưu để đạt được chất lượng điện áp tốt nhất cho động cơ, do đó tần số và điện áp có thể được điều chỉnh trơn và không bị giới hạn bởi tần số vào + Thực hiện nối trực tiếp tầng chỉnh lưu nguồn dòng PWM với tầng nghịch lưu, mục đích để tạo ra khả năng trao đổi công suất phản kháng giữa lưới và tải. - Những điểm khác nhau có ý nghĩa rất lớn giữa Matrix Converter và biến tần gián tiếp là: + Không còn thành phần tích năng lượng phản kháng trung gian là cuộn cảm lớn hay tụ một chiều có tuổi thọ hạn chế, do đó giảm được kích thước của bộ biến tần, tạo ra khả năng tích hợp Matrix Converter trong một môđun gắn trên động cơ, giúp hệ truyền động gọn nhẹ và linh hoạt. + Không cần bộ chỉnh lưu trong mạch lực để tạo ra điện áp một chiều, do đó dòng vào bộ Matrix Converter có dạng sin (vì khâu chỉnh lưu sẽ làm dòng vào không sin, hệ số công suất thấp) Bảng I thể hiện sự so sánh về số lượng van bán dẫn giữa MC và bộ biến tần nguồn áp có chỉnh lưu cầu điot, và với bộ biến tần nguồn áp (back to back) có chỉnh lưu điều khiển là bộ biến tần, có cùng chúc năng dẫn dòng công suất chảy theo 2 hướng và tạo dòng vào hình sin.. Có thể thấy tụ nối một chiều và điện cảm đầu vào sử dụng trong bộ biến tần (back to back) là được thay thế bằng 6 van bán dẫn thêm vào trong giải pháp Matrix Converter Công nghệ Khóa điều khiển hoàn toàn Diot cắt nhanh Diot chỉnh lưu Tụ hoá lớn điện cảm lớn MC 18 18 0 0 0 Biến tần back to back 12 12 0 1 3 Biến tần với chỉnh lưu không điều khiển 6 6 6 1 0 hoặc 1 B¶ng 1: So s¸nh sè l­îng van b¸n dÉn trong Matrix Converter víi 2 lo¹i VSI Nếu các van đóng cắt được sử dụng trong khoá hai chiều của Matrix Converter có khả năng chặn điện áp ngược ví dụ MTO thì có thể tạo ra khoá 2 chiều bằng cách mắc song song ngược hai van đó mà không cần thêm điốt phục hồi nhanh. Điều này dẫn tới một bộ biến tần nhỏ gọn hơn nữa có tiềm năng cải thiện hiệu suất thực tế cao. c. Lý do xây dựng Matrix Converter Matrix Converter được coi là có nhiều ưu thế hơn so với các loại biến tần truyền thống. Vì có thể thực hiện được việc biến đổi tần số và điện áp, mà không cần có thêm các phần tử tích năng lượng trung gian, như tụ điện có tuổi thọ hạn chế hay cuộn cảm có kích thước lớn để nối một chiều, như vậy sẽ không yêu cầu nhiều tầng biến đổi công suất và hiệu suất được tăng lên rõ rệt khi hoạt động ở tần số đóng cắt cao. Vì gồm các khoá 2 chiều nên tạo ra dòng chảy công suất theo 2 hướng lưới đến tải và tải về lưới, dẫn đến khả năng tái sinh năng lượng trả về lưới, đồng thời có thể hoạt động ở 4 góc phần tư mà không cần điều chỉnh phía đầu vào bộ biến đổi, do đó động cơ có thể dễ dàng chuyển đổi chế độ làm việc từ chế độ động cơ sang chế độ hãm tái sinh và ngược lại. Nhờ sử dụng các kỹ thuật điều biến (PWM) nên tạo ra dạng sóng áp ra và dòng vào hình sin, có khả năng điều chỉnh hệ số công suất đầu vào, tức điều chỉnh được góc lệch pha giữa dòng và áp vào là dẫn trước, chậm sau hay không đổi bất chấp các loại tải khác nhau. Matrix Converter còn được coi là giải pháp toàn bộ silíc “ all silicon” cho bộ biến đổi công suất trực tiếp AC-AC, nhờ khả năng tích hợp cao, chịu được ở điều kiện nhiệt độ cao, độ tin cậy được đảm bảo của các chất bán dẫn được chế tạo từ nguyên tố Si. Vì thế Matrix Converter sẽ là công nghệ lý tưởng trong tương lai cho những ứng dụng có nhiệt độ cao và kích thước nhỏ gọn, khi đó sẽ không cần tụ điện sẽ là một thuận lợi rất có ý nghĩa bởi vì tụ chịu được ở nhiệt độ cao thường rất hiếm và đắt I.1.4 Khó khăn và xu hướng nghiên cứu a) Những khó khăn Bên cạnh những ưu thế kể trên, một bất lợi lớn nhất khiến Matrix Converter đã không có khả năng cạnh tranh trên thị trường là tỉ số truyền điện áp bị hạn chế (tối đa là 0,86). Thêm vào đó là số lượng các van bán dẫn nhiều (18 IGBT và 18điôt FRD) cần để xây dựng một bộ Matrix Converter, do đó dẫn đến vấn đề điều khiển sẽ rất phức tạp, đồng thời môđun công suất vẫn chưa được sản xuất một cách tối ưu. Những bất lợi khác là khả năng chống lại dao động điện áp phía nguồn kém, và như vậy cần có mạch phụ gồm những phần tử phản kháng để cải thiện dạng sóng dòng vào, và đồng thời để bảo vệ Matrix Converter chống lại các sự cố khi xảy ra quá dòng hoặc quá áp. Tuy năng lượng tổn hao trong các phần tử phản kháng này sẽ nhỏ hơn nhiều so với các bộ biến tần có phần tử nối một chiều, nhưng sẽ làm tăng kích thước và giá thành của bộ Matrix Converter, làm giảm ưu thế của Matrix Converter so với các bộ biến tần truyền thống. Vì vốn dĩ không có đường thoát năng lượng (free wheeling) thông với tải, nên khi xảy ra sự cố ngắt nguồn đột ngột do mất nguồn hoặc do lỗi chuyển mạch, nếu tải có tính cảm kháng, năng lượng được tích luỹ trong điện cảm ba pha của động cơ không được giải phóng sẽ gây ra quá áp ở đầu ra, nếu không có mạch bảo vệ (clamp hoặc snubber) sẽ làm phá huỷ các van công suất. Vì vậy thời gian để phát các tín hiệu điều khiển quá trình đóng cắt phải yêu cầu rất khắt khe và chính xác, đồng thời vấn đề bảo vệ mạch công suất trong điều kiện gặp sự cố cũng rất cần được quan tâm xem xét cẩn thận. b) Xu hướng nghiên cứu hiện nay Các xu hướng nghiên cứu hiện nay + Nhằm cải thiện những ảnh hưởng do sự tác động từ lưới, + Tăng cường hiệu suất của truyền động khi hoạt động ở tần số đóng cắt cao. + Giảm kích thước hệ truyền động Matrix Converter bằng cách tích hợp tất cả các cấu trúc silicon phức tạp (khoá 2 chiều) trong một môđun công suất. Tích hợp các mạch bảo vệ, khối logic điều khiển chuyển mạch, nguồn cách ly mạch điều khiển, gate driver trong một bảng mạch điện tử gọi là PEBB I.2 khoá 2 chiều trong matrix converter I.2.1 Quá trình năng lượng trong Matrix Converter Ta biết rằng Matrix Converter có khả năng trao đổi năng lượng với lưới một cách liên tục, đồng thời có thể phát công suất phản kháng trở lại lưới hoặc tiêu thụ Q. Điều này rất có ý nghĩa đối với truyền động dùng Matrix Converter với công suất lớn, vì sự ảnh hưởng đến lưới là rất đáng kể, hơn nữa tổn hao hạn chế được sẽ là rất lớn. Để thực hiện được điều này cần có các khoá 2 chiều trong cấu trúc của Matrix Converter để có thể dẫn dòng theo cả 2 chiều lưới đến tải hoặc tải về lưới I.2.2 Cấu trúc khoá 2 chiều Matrix Converter yêu cầu các khoá hai chiều để có thể trao đổi năng lượng với lưới. Khoá hai chiều phải có khả năng điều khiển hoàn toàn được chiều dòng điện cả hai hướng và chặn điện áp cả dương và âm. Tuy nhiên vì không có van bán dẫn nào có thể đáp ứng được yêu cầu đó, vì vậy các van điều khiển hoàn toàn theo một chiều riêng rẽ sẽ được kết hợp lại để tạo ra các khoá . Các van thường được sử dụng để tạo ra khoá 2 chiều là IGBT, các van MOSFET, MCT, IGCT cũng được sử dụng. a) Đặc điểm của van IGBT ( Isulated Gate Bipolar Transistor ) Thực chất là transistor công suất có cực điều khiển cách ly. IGBT là sự kết hợp các ưu điểm của van MOSFET là đóng cắt nhanh, nên tạo ra sù thay đổi công suất nhanh và ưu điểm của transistor thường là chịu được tải có dòng và áp lớn nên có tổn hao dẫn dòng thấp. G C E Là phần tử được điều khiển bằng điện áp, do đó công suất điều khiển là rất nhỏ không đáng kể. Nh­ vậy có thể điều khiển trực tiếp IGBT bởi đầu ra của các vi mạch công suất nhỏ. Hình 1-5 Ký hiệu một IGBT H×nh 1-6 M¹ch vµ tÝn hiÖu ®iÒu khiÓn off on on 0 -15v +15v E C G IGBT có thời gian đóng cắt nhanh hơn transistor thường, thời gian trễ khi mở cỡ 0.15ms , giống nh­ đối với MOSFET. Thời gian trễ khi khoá là 1ms, giống nh­ với transistor thường. Dạng tín hiệu điều khiển thường là 15v khi mở và -15v khi khoá (hình 1.6) H×nh 1-7 : cÊu tróc cÇu ®ièt b. Các cấu trúc của khóa 2 chiều * Cấu trúc cầu diode Khoá hai chiều sẽ gồm: một IGBT là khoá một chiều ở tâm của cầu diode mét pha nh­ ( hình 1-7) Thuận lợi chính là cả hai chiều đều qua 1 van IGBT, cho nên chỉ yêu cầu một (gate drive) cổng điều khiển cho mỗi lần chuyển mạch. Nhược điểm lớn nhất là tổn hao dẫn dòng lớn vì có 3 van (1 IGBT và 2 FRD) trên một đường dẫn. Hướng của dòng qua van đóng cắt là không điều khiển được. Đây là một bất lợi dẫn đến không được sử dụng với nhiều phương pháp chuyển mạch tin cậy. Hơn nữa tổn hao đóng cắt cũng lớn vì sự đóng cắt là cứng. H×nh 1-8 : cÊu tróc 2 IGBT song song ng­îc E chung * Cặp IGBT và Diode mắc song song ngược E chung Sự cấu trúc khoá hai chiều là gồm 2 diot và 2 IGBT mắc song song ngược nh­ ( hình 1-8) Các điôt thêm vào để tạo ra khả năng ngăn điện áp ngược. Có vài ưu thế khi sử dụng nếu so sánh với cầu điôt. Đầu tiên là khả năng điều khiển độc lập chiều dòng điện. Tổn hao dẫn dòng cũng giảm bởi vì chỉ có 2 van dẫn dòng ở một thời điểm, tổn hao đóng cắt cũng giảm vì quá trình đóng cắt là bán mềm(semi-soft). Một bất lợi là mỗi một khoá 2 chiều yêu cầu một nguồn cách ly riêng cho mỗi mạch điều khiển.Tuy nhiên cả hai van IGBT có thể điều khiển với cùng một điện áp H×nh 1-9 : CÊu tróc 2 IGBT song song ng­îc C chung * Cặp IGBT và Diode đấu song song ngược C chung Sự sắp xếp bố trí các van giống nh­ mạch E chung, nhưng IGBT được nối C chung nh­ (hình 1.9). Tổn hao là tương đương với kiểu E chung, Thuận lợi của phương pháp này so với mạch E chung là chỉ cần 6 nguồn cung cấp được cách ly để cung cấp cho các tín hiệu điều khiển cổng. Tuy nhiên kiểu sắp xếp này là không tiện lợi trong thực tế bởi vì cảm ứng giữa các khoá chuyển mạch gây ra vấn đề. Đồng thời mỗi van cũng phải được điều khiển với các điện áp khác nhau dẫn đến việc điều khiển biến tần sẽ càng phức tạp. Chính vì thế cấu hình E chung thường được dùng để tạo ra các phần tử khoá 2 chiều cho Matrix Converter c) Xây dựng khoá 2 chiều tích hợp trong một môđun công suất Mục đích của việc tích hợp các khoá 2 chiều trong một môđun công suất là: + Giảm thể tích chiếm chỗ của các van bán dẫn silicon + Giảm các đầu nối môđun công suất đồng thời giảm điện cảm móc vòng phía đầu vào, và giảm giá thành sản xuất + Cho phép tích hợp cả mạch bảo vệ và logic điều khiển chuyển mạch trong bảng mạch điều khiển để tiến tới xây dựng một khối điện tử công suất độc lập cho Matrix Converter Để chọn cách xây dựng môđun một cách tối ưu, phạm vi giới hạn công suất của biến tần là một tiêu chuẩn rất quan trọng. Với công suất lớn, hiệu quả và độ tin cậy là vấn đề quan trọng hơn giá thành, mạch điều khiển IGBT phải đảm bảo các chức năng : đóng cắt ưu việt để giảm tổn hao chuyển mạch, đồng thời bảo vệ quá dòng điện. Nh­ vậy, môđun công suất và mạch điều khiển phải được gắn với nhau sao cho kích cỡ, tổn hao, và số đầu nối là nhỏ nhất, cho phép người sử dụng không phải quan tâm đến vấn đề bảo vệ và hoạt động của các khoá công suất. Ta phân tích hai công nghệ CC và CE để đưa ra cấu hình tối ưu cho môđun công suất chứa các khoá 2 chiều. Sự phân tích bao gồm các vấn đề về mạch điều khiển nh­ giảm số nguồn cách ly, vấn đề bảo vệ môđun công suất, và khả năng tích hợp chúng vào một môđun thông minh cho Matrix Converter Phụ thuộc vào công suất định mức, có 2 công nghệ tích hợp các van H×nh 1-10 M¹ch ®iÖn m«®un c«ng suÊt 3pha/1pha khi sö dông a) CE-IGBT’s b)CC-IGBT’s + Công nghệ CE để xây dựng môđun công suất 3pha/ 1pha, dùng cho Matrix Converter có công suất lớn. Một ưu thế là có thể theo dõi được điện áp VCE , nên có thể sử dụng công nghệ CE trong mạch điều khiển cổng thông minh với khả năng phát hiện sự cố ngắn mạch, và phát tín hiệu kích thích rất chính xác là những yêu cầu trong bé Matrix Converter có công suất lớn. Số đầu điều khiển trên một môđun cũng được giảm xuống còn là 9 + Công nghệ CC để xây dựng môđun công suất 3pha/3pha và dùng cho Matrix Converter có công suất nhỏ. Ưu điểm là giảm được số nguồn công suất cách ly cấp cho mạch điều khiển cổng (6), và tạo ra giải pháp one-chip cho kích thước nhỏ gọn, số đầu điều khiển trên một môđun giảm xuống còn là 24, và có khả năng nuôi các bộ chuyển đổi điện áp vào và dòng điện ra từ nguồn công suất của mạch điều khiển. Mét xu hướng trong việc chế tạo hệ truyền động điều chỉnh tốc độ (VSD) là phát triển các hệ thống điện tử công suất được tích hợp hoàn toàn dẫn tới giảm giá thành sản phẩm và thời gian thiết kế. Để tạo ra một khối điện tử công suất tích hợp (PEBB) cho Matrix Converter thì các khối logic điều khiển chuyển mạch, bảo vệ quá dòng, nguồn cách ly nuôi mạch điều khiển, và khối bảo vệ lỗi chuyển mạch phải được tích hợp trên cùng một bảng mạch. d) Mạch điều khiển cổng điển hình cho 1 van IGBT Mỗi khoá trong MC yêu cầu 1 tín hiệu điều khiển được cách ly. Sự cách ly có thể là biến áp xung hoặc cách ly về quang. Cách ly quang có thể tạo chu kỳ xung làm việc không hạn chế, nhưng nguồn cấp phải được cách ly riêng rẽ đối với mỗi van làm số lượng thiết bị và giá thành mạch điều khiển cao. Cách ly về quang có thể chống nhiễu, nhưng nguồn cung cấp cách ly phải được thiết kế cẩn thận tránh vấn đề gây “ hợp” điện dung sẽ xảy ra dv/dt lớn. H×nh 1-11 m¹ch ®iÒu khiÓn cho mét kho¸ 2 chiÒu Vấn đề chính với biện áp xung là cần có sự cân bằng thế khiến nó khó hoạt động để tạo ra độ rộng xung điều khiển yêu cầu đủ lớn. Tuy nhiên với van cần cách ly như IGBTs hoặc MOSFETs thì khó khăn có thể loại trừ nếu dùng khả năng nạp của tụ điện đầu vào của van. Công nghệ MC sử dụng ưu thế này để xây dựng mạch điều khiển cho van, mạch điều khiển cơ bản (Hình 1-10). Mạch này có số lượng thiết bị Ýt, không yêu cầu nguồn cách ly và làm việc tốt với phạm vi của chu kỳ xung đủ lớn. Trên hình vẽ: Q1, Q2 là 2 van MOSFET công suất thấp loại IRFD110 Hình 1-11 thể hiện nguyên tắc hoạt động.Tín hiệu điều khiển mong muốn được tạo bởi logíc điều khiển cho 1 khoá gồm 2 van S1 và S2. Tín hiệu này được gửi tới sơ cấp BAX việc thay đổi giá trị điện áp khởi tạo nhờ thay đổi từ thông sắt từ. BAX có tỉ số 1:1 dẫn tới giá trị khởi tạo này cũng là giá trị phía thứ cấp BAX. Khi bão hoà lõi sắt thì điện áp này giảm = 0 và khi sang phần (-) của tín hiệu điều khiển thì lõi hết bão hoà, giá trị điện áp được khởi tạo về phần âm sau đó bão hoà lõi sắt lại xảy ra và điện áp phần âm về 0. Nhờ vậy dạng xung áp qua sơ (thứ) BAX là chuỗi những xung ngắn có cực tính thay đổi theo lệch từ logíc điều khiển. Trong phần + của dạng sóng điện áp thứ cấp, tụ kết hợp của 2 cổng S1 và S2 sẽ nạp qua Q2 và điốt trong của Q1 .Khi sóng điện áp nàygiảm về giá trị không, điốt trong Q1 phân cực ngược, tụ sẽ giữ giá trị nạp cho S1, S2 trong một khoảng thời gian phụ thuộc vào dòng điện dò, nếu thời gian là không thích hợp (quá ngắn) cần thêm 1 tô song song với cổng điều khiển. Cần chú ý là thời gian mở lớn nhất cho mỗi khoá 2 chiều phải được tính cụ thể rõ ràng trong chiến lược điều biến MC. S1, S2 đóng lại khi điện áp thứ cấp BAX âm. Tụ kết hợp nạp giá trị âm qua Q1 và điốt trong Q2. Điốt trong Q2 dẫn khi điện áp âm trở về 0 và tụ sẽ phóng áp âm được nạp cho tới khi nhận được xung áp dương thứ cấp BAX. Quá trình nạp áp âm trong chu kỳ ngắt tạo khả năng chống nhiễu tuyệt vời và đảm bảo rằng thời gian mở giả định là không thể xảy ra. Thùc hiÖn lÖch §iÖn ¸p thø cÊp BAX §iÖn ¸p ®iÒu khiÓn van 0,6 ms +15v +18v +18v -18v H×nh 1-12 nguyªn t¾c ho¹t ®éng cña m¹ch ®iÒu khiÓn I.3 Vấn đề bảo vệ mạch công suất cho Matrix Converter Ta biết rằng để Matrix Converter làm việc đạt hiệu quả tốt nhất thì cần thêm vào những mạch phụ, mà bao gồm các phần tử phản kháng, để bảo vệ khỏi các sự cố và cải thiện chất lượng điện áp ra cũng như dòng điện vào. Các mạch đó gồm mạch snubber, mạnh clamping, và bộ lọc đầu vào LC. Trong một số nghiên cứu về quá trình chuyển mạch, đã đưa ra phương pháp chuyển mạch thông minh mà không cần mạch snubber, nhằm giảm tối đa số lượng các van bán dẫn có trong Matrix Converter. Tuy nhiên bộ lọc đầu vào LC và mạch clamping là những mạch không thể thiếu được trong cấu hình chung của một Matrix Converter H×nh 1-13 CÊu h×nh d¹ng khèi tæng qu¸t cña Matrix Converter víi ®éng c¬ c¶m øng H×nh 1-14 CÊu h×nh bé läc ®Çu vµo I.3.1 Bộ lọc đầu vào LC Bộ lọc đầu vào, là bộ lọc thông thấp, gồm một mạch LC nối tiếp, có tác dụng cải thiện dạng sóng của dòng điện vào bằng cách loại bỏ những thành phần sóng hài bậc cao. Như vậy cần phải tính toán bộ lọc sao cho nó có điện kháng nhỏ nhất (cộng hưởng) với sóng hài cơ bản và có điện kháng lớn đối với các sóng hài bậc cao đồng thời giảm nhỏ tổn thất cũng như kích thước của bộ lọc. Việc thiết kế một bộ lọc đầu vào cần có: + Tạo ra tần số phóng nạp (cut-off) thấp hơn tần số đóng cắt + Tăng tối đa hệ số công suất cosj đầu vào với một công suất đầu ra đã cho nhỏ nhất + Giảm nhỏ thể tích và trọng lượng của bộ lọc với một công suất phản kháng đã cho. + Giảm nhỏ điện áp rơi trên điện cảm của bộ lọc khi dòng định mức để tăng tối đa tỉ số truyền điện áp q a) Phân tích tác dụng lọc sóng hài của mạch lọc LC (Hình 1.14) Ta biết rằng dòng điện vào là được điều biến nên dòng vào sẽ có thể cùng pha (in phase) với điện áp vào. Với tần số lưới là 50Hz, thì điện áp rơi qua bộ lọc là bé và điện áp ở đầu vào Matrix Converter (E’i) sẽ xấp xỉ với điện áp vào (Ei). Điện áp E’i tạo ra dòng điện phản kháng (I0) chảy trong các tụ điện của bộ lọc CF . Chính dòng điện này gây ra sự lệch pha giữa tổng dòng điện vào và điện áp vào, và dẫn tới giảm hệ số công suất đầu vào. Các tụ của bộ lọc gây ra dòng không tải cảm kháng I0 được tính như sau: (1.1) Với I0 là dòng không tải, X50 là điện trở tổng của bộ lọc, wi là tần số góc của điện áp vào. Công thức xấp xỉ này đã bỏ qua điện áp rơi trong điện cảm bộ lọc, bởi vì dòng điện không tải chỉ đi qua các tụ điện. Thành phần cơ bản của dòng điện do Matrix Converter tạo ra (I50) tính được nhờ công suất đầu ra của biến tần và giá trị điện áp vào. I50 =P0/3*Ei (1.2) Dòng điện đầu vào tổng cộng của Matrix Converter và bộ lọc bằng tổng của dòng điện không tải (I0) với dòng điện chủ đạo từ Matrix Converter (I50). Khi thành phần phản kháng của dòng vào là không đổi ( I0 =const), thì góc pha dòng vào phụ thuộc vào công suất của tải. Khi tải có công suất lớn thì I50 chiếm ưu thế hoàn toàn và như vậy tạo ra được hệ số công suất đầu vào cao. Như vậy khi thiết kế bộ lọc cần quan tâm đến giá trị công suất định mức, việc chọn giá trị của điện dung CF phụ thuộc vào công suất định mức của biến tần và yêu cầu thực hiện (ví dụ như cosji > 0,9 thì công suất đầu ra P0 > 10% công suất định mức) Công thức tính góc lệch pha của dòng điện vào so với điện áp vào (1.3) Thay I50 =P0/3*Ei vào công thức (1.3) ta tính được giá trị điện dung lớn nhất của bộ lọc để tạo ra hệ số công suất yêu cầu (1.4)) Với P0 là công suất đầu ra của biến tần, ji,max là góc lệch pha vào lớn nhất chấp nhận được. Điện cảm được chọn phụ thuộc vào tần số cắt mong muốn của bộ lọc là f0 (1.5) Khi thiết kế bộ lọc cũng cần tính đến điện điện áp rơi qua điện cảm để thoả mãn kích cỡ của cuộn cảm và tụ điện. Một tụ nhỏ đảm bảo cosji đủ cao, nhưng lại yêu cầu cuộn cảm lớn để thoả mãn tần số cắt của bộ lọc, thì sẽ là không thích hợp. Kích thước của cuộn cảm được giới hạn nhờ điện áp rơi cơ bản do dòng cơ bản của Matrix Converter tạo ra. Nh­ vậy bộ lọc đầu vào được xem là làm san bằng dòng điện để tạo ra thành phần cơ bản của dòng điện, dạng sóng dòng vào gồm thành phần cơ bản 50Hz cộng với một số hài nhỏ xung quanh tần số đóng cắt. b) Phân tích sự ảnh hưởng của bộ lọc đầu vào LC gây hiện tượng quá áp khi nguồn bị nhiễu Khi ngắt các khoá của Matrix Converter có thể xảy ra quá dòng. Trong trường hợp không có mạch clamp bảo vệ, hoặc có clamp nhưng tụ clamp đang phóng điện thì quá áp lớn bằng 2 lần điện áp vào sẽ xảy ra, và khi có điện áp ban đầu ở tụ trong bộ lọc đầu vào, thì mức độ quá áp có thể sẽ lớn hơn nữa điều này phụ thuộc vào dấu của điện áp ban đầu. Khi nối mạch clamp có tụ phóng điện, với đầu vào của Matrix Converter thì năng lượng được tích trong cuộn cảm của bộ lọc sẽ cao hơn trường hợp không có clamp tuy mức quá áp có thể lớn hơn 2 lần nhưng chế độ quá độ là lâu hơn so với khi không nối, bởi vì sự dao động năng lượng trong mạch LC đầu vào là cao hơn Với trường hợp tụ clamp đang nạp điện thì sẽ không xảy ra sự tăng năng lượng được tích trong bộ lọc đầu vào, vì vậy sẽ mất đi một phần dao động năng lượng từ mạch lọc LC và do đó mức quá áp có thể được giảm xuống rất nhiều (50%) H×nh 1-15 Bé läc ®Çu vµo víi ®iÖn trë h¹n chÕ (damping) Có thể tăng điện trở trong bộ lọc đầu vào (R>RK) bằng cách tăng hệ số tắt dần (damping) thì sẽ giảm tối đa mức quá áp vì dao động quá độ khi nhiễu nguồn điện áp sẽ bị mất đi. Như vậy cần thêm 1 điện trở hãm ở mỗi pha vào trong chu kỳ nạp của tụ clamp (Hình 1.15). Giá trị của điện trở hãm phải đảm bảo tác động không chu kỳ (tức là ngăn cản dao động tự do) của mạch R-L-C (mạch gồm bộ lọc đầu vào và các điện trở hạn chế). Điều này là không thể thực hiện được khi Matrix Converter đang hoạt động vì sẽ xảy ra điện áp rơi trên các điện trở hạn chế, nhưng có thể sử dụng để loại trừ quá áp khi khởi động cấp nguồn cho Matrix Converter Khi có tụ clamp tham gia vào sự quá độ khi khởi động (thậm chí ngay cả khi tụ này phóng ), nếu thoả mãn điều kiện của R thì quá trình quá độ cũng bị tắt dần. I.3.2 Mạch kẹp (clamp diode) H×nh 1-16 M¹ch clamp diode b¶o vÖ Matrix Converter a) Tr¹ng th¸i zero-vectors b) Tr¹ng th¸i kh«ng nèi tÊt c¶ c¸c kho¸ Không có đường thoát năng lượng cũng gây khó khăn cho MC trong việc bảo vệ mạch công suất chống lại các sự cố. Ví dụ, nếu các khoá ngắt khi có quá dòng, sẽ xảy ra quá áp nghiêm trọng do hở mạch tải, và kết quả là phá huỷ toàn bộ mạch công suất, vì đặc tính cảm vốn có của tải động cơ.Bảo vệ quá áp thực hiện bằng 1 mạch kẹp (clamp) nối với đầu ra của MC. Mạch clamp gồm cầu điốt nuôi 1 tụ điện một chiều. Tụ này sẽ hấp thụ năng lượng tải lớn khi tất cả các khoá của biến tần mở ra, như vậy sẽ bảo vệ Matrix Converter trong trường hợp ngắt khẩn cấp do gặp sự cố, khi đó mức quá áp sẽ được hạn chế cả phía lưới và phía động cơ. Mức quá áp phía lưới đã được phân tích kỹ ở trên, khi mà có sự ảnh hưởng của bộ lọc đầu vào LC. Ở đây ta phân tích quá áp phía tải và cách năng lượng được giải phóng Ta quan tâm tới việc tạo ra một mômen hãm lớn trong một thời gian ngắn khi ngắt nguồn. Bởi vì dòng chảy công suất là rất lớn, cần có một (braking chopper) bộ băm hãm (gồm 1 van bán dẫn và một điện trở hãm) nối thêm vào trong mạch clamp vì sẽ làm tăng tối đa tổn hao động cơ nhờ tăng các hài dòng điện động cơ.Mặc dù như vậy sẽ tăng độ phức tạp của ASD (truyền động có điều chỉnh tốc độ) nhưng có thể giảm đáng kể kích thước của tụ clamp khi sử dụng chopper cho trường hợp quá dòng xấu nhất. Điện trở hãm phải có khả năng tích luỹ dần năng lượng bởi vì sử dụng chopper chỉ được dùng trong thời gian ngắn (tình huống khẩn cấp). Như vậy năng lượng khi thoát ra sẽ được giảm nhờ tăng lớn nhất tổn hao trên động cơ. Đạt được điều này do tăng các hài dòng điện của động cơ khi mà từ thông động cơ không thể điều khiển được Trong quá trình ngắt nguồn toàn bộ chỉ có 2 khả năng của các trạng thái đóng cắt làm động cơ tách ra khỏi lưới. + Trạng thái zero-vectors (aaa, bbb, ccc) sẽ nối tất cả các đầu của động cơ tới 1 đầu của lưới (Hình1.16a). Bởi vì khi làm việc từ thông rôto và tốc độ động cơ không thể bằng 0 nên ngắn mạch động cơ sẽ làm dòng stator tăng lên. + Trạng thái không nối tất cả các khoá, vì vậy dòng động cơ sẽ chảy qua mạch clamp.(Hình 1.16b).Vì điện áp trong mạch clamp là cao hơn biên độ sức điện động (EMF) của động cơ, điều này làm dòng stator sẽ giảm xuống Bằng cách thay đổi 2 trạng thái đóng cắt trên sẽ tạo ra sự biến đổi năng lượng cơ thành năng lượng điện đồng thời cho phép từ thông rôto động cơ tắt dần. Trên hình 1-16 đưa ra đường dẫn dòng chảy năng lượng. H×nh 1-17 §­êng dÉn n¨ng l­îng khi h·m víi m¹ch clamp Trong trạng thái zero-vector, dòng điện tăng và năng lượng cơ được biến đổi thành năng lượng điện từ mà được tích tụ trong điện kháng tản của động cơ. Khi tất cả các khoá đều mở ra, năng lượng điện từ được chuyển vào mạch clamp. Một phần nhỏ năng lượng này được sử dụng lại để nuôi mạch điều khiển (xem hình1-13). Muốn đạt được mômen hãm lớn nhất thì dòng năng lượng trong mạch clamp phải đạt gần bằng công suất định mức của động cơ. Phần lớn năng lượng tĩnh điện ở tụ clamp được chuyển thành năng lượng nhiệt nhờ nối một (braking chopper) bộ băm có điện trở hãm. Giải pháp này cho phép giảm được kích cỡ của tụ kẹp vì nó nhỏ hơn, rẻ hơn và gọn nhẹ hơn khi gắn vào Matrix Converter để chuyển năng lượng điện thành năng lượng nhiệt I.3.3 Mạch snubber Mạch LC có chức năng tương tự mạch snubber. Tuy nhiên trong thực tế 1 mạch snubber nhỏ vẫn được sử dụng để giảm nhẹ ảnh hưởng của điện cảm dây nối. Đặc điểm rõ nét của MC là dòng điện luôn chuyển mạch từ 1 khoá được điều khiển tới 1 khoá khác. Rất khác với biến tần nguồn áp thông thường là chuyển mạch từ một van được điều khiển đến các điốt hoàn năng lượng thêm vào hoặc ngược lại. Trong biến tần thông thường có 1 khoảng thời gian trễ giữa các tín hiệu điều khiển các van (tránh dẫn tức thời) và dòng tải cảm kháng sẽ đi qua điốt hoàn năng lượng để tạo sự an toàn cho các van. Không có đường thoát năng lượng trong MC nhưng vẫn cần thiết có 1 khoảng thời gian trễ giữa các tín hiệu điều khiển để tránh ngắn mạch đầu vào. Trong thời gian trễ này, dòng tải cảm kháng sẽ được chảy qua một mạch bảo vệ (snubber). Mạch bảo vệ phải được tính toán để hạn chế điện áp các van tới một giá trị thích hợp Trong Matrix Converter, sử dụng một mạch RC snubber đơn giản được nối song song qua khoá 2 chiều(Hình 1.18). Để tránh tổn hao trong mạch bảo vệ lớn quá mức việc thiết kế mạch snubber phải đi liền với việc thiết lập thời 1 gian trễ rất cẩn thận. H×nh 1-18 M¹ch Snubber cho kho¸ 2 chiÒu Với một mạch R-C dùng bảo vệ Matrix Converter khi thực hiện chuyển mạch dòng điện đơn giản và dễ hiểu là chuyển mạch dòng điện với thời gian chết (dead time). Tuy chiến lược chuyển mạch là đơn giản nhưng việc chọn đúng tham sè cho mạch snubber là rất khó khăn để điều khiển điện áp đỉnh qua các khoá, khi xảy ra hở mạch dây quấn động cơ trong khoảng thời gian chết. Các tham số của mạch RC được xác định nhờ giá trị định mức của van và chế độ hoạt động của mạch * Chọn giá trị điện trở dựa vào 2 tiêu chuẩn + Điện trở phải giải phóng năng lượng của tụ khi khoá dẫn dòng, chính vì thế giá trị điện trở được chọn sao cho thời gian phóng của tụ phải <= chu kỳ làm việc nhỏ nhất của bất kỳ 1 khoá nào trong Matrix Converter + Điện trở này sẽ xác định giá trị đỉnh của dòng điện phóng ra từ tụ, mà dòng này có tác động lên khoá.Do đó giá trị điện trở thích hợp được chọn phải hạn chế giá trị đỉnh của dòng xuống dưới giá trị định mức và đủ giải phóng năng lượng tụ khi khoá mở dẫn dòng. * Chọn giá trị cho tụ là vấn đề quan trọng đối với điện áp qua van. Trong thời gian chết, dòng tải đi qua mạch snubber, và giá trị của tụ xác định điện áp qua van khi khoá không dẫn. Lúc đó phải chọn giá trị tụ sao cho điện áp qua van nhỏ hơn điện áp định mức của van Dạng sóng dòng điện và điện áp qua van lúc đóng cắt chủ yếu phụ thuộc vào thời gian trễ giữa các khoá, giá trị điện áp đầu vào, dòng điện đầu ra và các tham số của mạch Snubber. Còn tổn hao đóng cắt phụ thuộc vào tụ điện, thời gian chết, và các tham sè trong công thức tính tổng tổn hao công suất trong mạch RC (1.6) Với fs là tần số đóng cắt, t là thời gian chết, VL là RMS (Căn bậc hai trung bình) của điện áp dây vào và I0 là RMS của dòng đầu ra Chương II: vấn đề chuyển mạch trong matrix converter Matrix Converter có nhiều thuận lợi hơn các biến tần truyền thống như khả năng tái sinh năng lượng trở lại lưới, dòng điện vào và ra hình sin, và có thể điều khiển được hệ số công suất đầu vào, kích thước cũng được giảm xuống đáng kể bởi vì không có phần tử phản kháng lớn tích năng lượng trung gian. Tuy nhiên cũng có một vài vấn đề thực tế quan trọng nảy sinh cần được quan tâm với Matrix Converter. Vì không có đường thoát năng lượng tự nhiên (freewheel paths), nên rất khó để thực hiện chuyển mạch dòng điện tin cậy từ một khoá này sang một khoá khác, quá trình chuyển mạch không tin cậy sẽ ảnh hưởng đến chế độ hoạt động an toàn và hiệu suất của Matrix Converter. II.1 Tổng quát về quá trình chuyển mạch II.1.1 Chuyển mạch tự nhiên và chuyển mạch cưỡng bức Chuyển mạch là quá trình dòng điện chuyển từ van đang dẫn (nhưng sắp ngắt) này sang van chưa dẫn (nhưng sắp dẫn) khác a) Chuyển mạch tự nhiên. Điểm chuyển mạch tự nhiên là thời điểm ở đó có sự tự chuyển van dẫn từ van này sang van khác, một van mới mở ra sẽ tạo điều kiện khóa một van đang dẫn lại. Ví dô: Sự chuyển mạch của các van dưới tác dụng của điện áp lưới xoay chiều nh­ trong các bộ biến đổi phụ thuộc (chỉnh lưu, biến tần trực tiếp…) b) Chuyển mạch cưỡng bức Các van nếu cùng nằm dưới điện áp một chiều sẽ không thể chuyển mạch tự nhiên. Khi đó để khóa một van đang dẫn lại sẽ phải dùng van điều khiển hoàn toàn hoặc nếu là van thyristor sẽ cần một mạch đặc biệt chuyên dụng (mạch khoá cưỡng bức) để thực hiện quá trình chuyển mạch Ví dô : Sự chuyển mạch trong các bộ biến tần gián tiếp… II.1.2 Chuyển mạch cứng và chuyển mạch mềm a) Chuyển mạch cứng Khi khoá một van bán dẫn dòng điện do tô trong mạch khoá cưỡng bức phóng ra rất lớn, gần nh­ là dòng ngắn mạch. Do đó dòng qua van cần khoá gần nh­ bị triệt tiêu tức thời chuyển mạch nh­ vậy gọi là chuyển mạch cứng b) Chuyển mạch mềm Khi chuyển mạch mà dòng qua van cần khoá bị triệt tiêu dần theo quá trình dao động của dòng điện phóng tụ C trong mạch cưỡng bức thì gọi là chuyển mạch mềm ( êm ) H×nh 2.1 M¹ch ®ãng c¾t mÒm E chung Sự đóng cắt mềm là sự đóng cắt trong điều kiện dòng điện hoặc điện áp bằng không, như vậy sẽ không có tổn hao công suất xảy ra như ở đóng cắt cứng, sẽ cho phép tần số đóng cắt cao hơn, đồng thời (EMC) sự tương hợp điện từ phát sinh cũng được giảm xuống. Xét mạch có một phần tử (cell) gồm 1 cặp IGBT với E chung đấu song song ngược với 1 cặp điốt, 1 IGBT phô, 2 điốt , cuộn cảm, tụ điện, một nguồn áp E.(Hình 2.1) * Nguyên lý hoạt động Giả sử cell 1 và cell 2 là 2 khoá sẽ dẫn và sẽ ngắt tương ứng. Khi chuyển mạch xảy ra, tất cả các tín hiệu điều khiển là được phát ra cùng một lúc. Tại thời điểm này, dòng điện chảy từ nguồn cung cấp của cell 1 qua CR và đồng thời qua D3, LR, E, QA và D2, dòng cũng chảy qua CR của cell 2. Điện áp trên tụ CR nạp tuyến tính đến giá trị E, mạch cộng hưởng được hình thành giữa LR, CR và CR của cell 2. Khi VCR =0, D1 bắt đầu dẫn. LR phóng tuyến tính qua D1 và D3. D1 sẽ dẫn dòng điện có trị số là ILR –Iload . Khi ILR = Iload van QP1 bắt đầu dẫn và dòng điện qua van là Iload –ILR . Dòng trong cuộn cảm vẫn phóng tuyến tính, khi LLR =0 thì van QP1 mang dòng tải đầy đủ. Điều này đảm bảo rằng các van chính đóng cắt dưới điều kiện điện áp bằng không, và van phụ đóng cắt dưới điều kiện dòng điện bằng không Một vấn đề với mạch này là nguồn điện áp E khó thực hiện được trong các hệ thống thực tế. Một giải pháp đưa ra với vấn đề này là thay thế nguồn E bằng cách mắc một tụ song song với QA tuy nhiên điều kiện đóng cắt khi dòng về không của QA sẽ bị mất đi. Tổn hao đóng cắt không bị loại trừ hoàn toàn, nhưng được giảm đi rõ rệt. Tổn hao dẫn cũng giảm so với mạch cầu vì chỉ có 2 van dẫn dòng tải. Một bất lợi chính là số lượng các van bán dẫn tăng cho nên Ýt dùng để xây dựng Matrix Converter Nhìn chung công nghệ đóng cắt mềm chưa được sử dụng để xây dựng Matrix Converter bởi vì sẽ làm tăng số lượng các van bán dẫn. Matrix Converter với đóng cắt cứng đã sử dụng nhiều van hơn các bộ biến tần thông thường, và sự tăng nh­ vậy trong đóng cắt mềm là không mong muốn trong việc xây dựng cấu trúc Matrix Converter II.2 Chuyển mạch dòng điện trong Matrix Converter II.2.1 Yêu cầu của quá trình chuyển mạch H×nh 2.2 Hai kho¸ trªn mét ®Çu ra Matrix Converter a)Tr¸nh ng¾n m¹ch ®Çu vµo b)Tr¸nh hë m¹ch ®Çu ra Việc chuyển mạch trong Matrix Converter phải được điều khiển chính xác ở mọi thời điểm với hai luật cơ bản. Ta có thể hình dung ra 2 khoá trên một đầu ra của Matrix Converter (hình 2.2). Một điều quan trọng là quá trình chuyển mạch phải đảm bảo không có 2 khoá 2 chiều cùng được đóng ở cùng một thời điểm (hình2.2a), bởi vì điều này sẽ dẫn đến ngắn mạch hai dây vào của Matrix Converter, sinh ra dòng điện lớn phá huỷ biến tần. Thêm vào đó phải đảm bảo các khoá hai chiều cho mỗi pha đầu ra không được mở cùng một lúc (hình 2.2b) bởi vì điều này sẽ làm mất đường dẫn của dòng tải cảm kháng và sẽ gây ra quá áp rất lớn, dẫn đến sự phá hỏng các van. Hai điều này đã gây ra những khó khăn, bởi vì các van bán dẫn không thể đóng mở ngay tức thời do sự trễ khi truyền tín hiệu và thời gian đóng cắt hạn chế. Vấn đề này đã đươc dẫn ra, nh­ là một vấn đề kìm hãm khả năng phát triển thương mại của Matrix Converter II.2.1 Các phương pháp chuyển mạch dòng điện cơ bản Trên (hình vẽ 2.3) là sơ đồ nguyên lý chuyển mạch của một pha đầu ra từ pha vào x tới pha vào y H×nh 2.3 a) ChuyÓn m¹ch c¬ b¶n mét pha x tíi mét pha y b) ChuyÓn m¹ch lý t­ëng c) ChuyÓn m¹ch cã thêi gian chÕt d) ChuyÓn m¹ch cã trïng dÉn Có hai phương pháp chuyển mạch đơn giản nhất, không tuân theo 2 luật trên nhưng cần có mạch phụ bổ xung để tránh phá hỏng bộ biến tần. a. Chuyển mạch dòng điện có thời gian chết (dead time) Thực hiện ngắt khoá sẽ ngắt, trong khi khoá sẽ dẫn chưa được đóng lại (hình 2.3c), nhằm tránh xảy ra ngắn mạch đầu vào. Như vậy có thể gây quá áp ở đầu ra, bởi vì không có van nào dẫn trong thời gian chết nên sẽ xảy ra hở mạch tạm thời của tải. Vì vậy phải có 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 liên tục của dòng tải. Phương pháp này không tốt vì năng lượng thất thoát trong mỗi lần chuyển mạch lớn, việc thiết kế thêm mạch snubber trở lên phức tạp, mạch clamp cũng cần một tụ lớn đồng thời làm tăng số lượng các van bán dẫn có trong cấu trúc Matrix Converter như vậy sẽ làm giảm ưu thế của Matrix Converter, khi được coi như là một giải pháp “all silicon” cho các bộ biến tần. b. Chuyển mạch dòng điện có trùng dẫn (over lap) Thực hiện đóng khoá sẽ dẫn trong khi khoá sẽ ngắt còn đang dẫn (hình 2.3d). Điều này sẽ đảm bảo sự liên tục đối với mạch đầu ra, loại trừ khả năng quá áp xảy ra, nhưng sẽ gây ngắn mạch tạm thời làm phát sinh dòng điện vòng ngắn mạch tuần hoàn giữa các pha vào tham gia quá trình chuyển mạch, dòng điện này có thể rất lớn dẫn đến phá huỷ các van. Hạn chế dòng điện này bằng cách thêm một cuộn cảm phụ phía đầu vào, với mục đích làm chậm sự tăng nhanh của dòng điện này dưới mức có thể phá huỷ van, để quá trình chuyển mạch được an toàn. Tuy nhiên phương pháp này cũng không tối ưu vì cuộn kháng L ở đầu vào có kích thước rất lớn và đắt. II.2.2 Phương pháp chuyển mạch semi-soft Cả hai phương pháp chuyển mạch cơ bản trên đều cần có các thành phần phản kháng thêm vào để bảo vệ Matrix Converter, nh­ vậy sẽ dẫn đến tổn hao lớn. Do tính chất của khoá 2 chiều sử dụng 2 van một chiều mắc song song ngược có thể điều khiển độc lập chiều dòng điện, do đó một chiến lược chuyển mạch mới gồm 2 bước hoặc 4 bước đã được đề xuất. Dựa vào việc xác định dấu của dòng điện ra, hoặc dấu của điện áp dây vào có các pha tham gia quá trình chuyển mạch. Đầu tiên là ngắt khoá đang dẫn (mà sẽ không dẫn) sẽ làm mất đường dòng điện vòng tuần hoàn nh­ vậy tránh ngắn mạch đầu vào, sau đó thực hiện chuyển mạch có trùng dẫn. Nh­ vậy sẽ không cần thêm vào bộ lọc đầu vào và đạt được chuyển mạch bán mềm (semi-soft). Phương pháp này cũng thể hiện lại đặc điểm của khoá 4 góc phần tư là dòng tải có thể đi theo các hướng. a. Chiến lược 4 bước chuyển mạch (hình 2.3): Bước 1 : Ngắt van không dẫn trong khoá sẽ ngắt. Lúc này chiều dòng điện không thể đổi dấu nên có thể xác định được van này Bước 2: Mở van dẫn (theo chiều dòng tải) trong khoá sẽ dẫn. Bây giờ có nối giữa các pha vào nhưng không gây ngắn mạch đầu vào vì không có dòng điện vòng đồng thời tạo ra đường dẫn cho dòng điện tải Bước 3 : Ngắt van dẫn của khoá sẽ ngắt.Dòng tải bây giờ cưỡng bức phải chảy qua van dẫn của khoá sẽ dẫn. Bước 4 : Mở van không dẫn của khoá sẽ dẫn để thiết lập lại đặc điểm 4 góc phần tư của khoá 2 chiều, vì vậy dòng tải có thể đổi dấu. Trong khi bước 1 và 4 là phụ thì bước 2 và 3 là chính. Chính vì thế khoảng thời gian trong các bước 2 và 3 phải phù hợp với đặc điểm mở (thời gian mở) của các van IGBT trong khoá 2 chiều. H×nh 2.4 BiÓu ®å tr¹ng th¸i cña chiÕn l­îc chuyÓn m¹ch 4 b­íc H×nh 2.5 §å thÞ thêi gian cña chuyÓn m¹ch 4 b­íc Quá trình chuyển mạch này có đồ thị thời gian trong( hình 2.5), trễ giữa mỗi lần đóng cắt td là phụ thuộc vào đặc điểm của van IGBT * Các trường hợp của 4 bước chuyển mạch H×nh 2.6 ChuyÓn m¹ch tõ pha R sang pha S Nh­ vậy 4 khoá 2 chiều phải được đóng mở theo một thứ tự ứng với mỗi chiều của dòng điện ra và điện áp vào cũng nh­ là phải xác định được dòng đang dẫn theo chiều nào trước và sau khi xảy ra quá trình chuyển mạch Với hình vẽ như trên, xảy ra 8 trường hợp chuyển mạch khác nhau phụ thuộc vào dấu dòng điện ra (I) và điện áp dây (U). H×nh 2.7 T¸m tr­êng hîp chuyÓn m¹ch kh¸c nhau + Các trường hợp C1, C4, C6, C7 chuyển mạch xảy ra nhờ ngắt một khoá nên gọi là chuyển mạch cưỡng bức + Các trường hợp khác chuyển mạch xảy ra nhờ đóng một khoá nên gọi là chuyển mạch tự nhiên. Với C1 (Hình 2.8): Trước khi chuyển mạch cả 2 IGBT trong khoá 2 chiều của pha R đều đóng để dẫn dòng chạy qua. Dòng sẽ chảy từ pha R tới đầu ra. Bước đầu tiên S1 được ngắt, S4 được đóng để dẫn dòng, bởi vì có điện áp dương giữa 2 pha vào, dòng điện vẫn chưa chảy trong pha S. Ngay sau khi S2 ngắt, dòng điện cưỡng bức phải đảo sang pha S. Bước cuối cùng cho S3 đóng lại để dẫn dòng ngược. Bây giờ khoá 2 chiều trong pha S dẫn dòng, còn khoá 2 chiều trong pha R sẽ bị ngắt lại. Với C2(Hình 2.8): Thời điểm bắt đầu là thời điểm kết thúc của trường hợp C1. Bước đầu tiên S3 ngắt, sau đó S2 sẽ được đóng lại để dẫn dòng và dòng điện sẽ đảo từ pha S sang pha R. Ngay sau khi dòng điện được chuyển mạch, S4 sẽ tự ngắt. Thứ tự cuối cùng kết thúc là cho mở S1 để dẫn dòng ngược Thuận lợi của chuyển mạch 4 bước là trong quá trình chuyển mạch không xảy ra dòng điện lớn do ngắn mạch đầu vào cũng không xảy ra quá áp do không nối dòng tải. H×nh 2.8 Thø tù ®ãng c¾t cho 8 tr­êng hîp (IGBT1¸IGBT4 t­¬ng øng S1¸S4) * Phân tích tổn hao đóng cắt trên cơ sở chuyển mạch 4 bước H×nh 2.9 S¬ ®å chuyÓn m¹ch 4 b­íc gåm c¶ ®iÖn c¶m ký sinh H×nh 2.10 ®å thÞ thêi gian cho mét trËt tù ®ãng c¾t ®iÓn h×nh Trên (hình vẽ 2.9) có Lp và Lb là điện cảm ký sinh của các môđun IGBT và điện cảm tản của đường nối giữa 2 van Với hình vẽ đồ thị thời gian như trên (hình 2.10), ta sẽ phân tích tổn hao đóng cắt khi chuyển mạch trong Matrix Converter Cốt lõi của mọi quá trình chuyển mạch là phụ thuộc vào chiều của dòng tải IL, và sự tương quan về thế giữa VA và VB . Khi chuyển mạch từ SA tới SB với chiều dòng tải nh­ hình vẽ. NÕu VA là dương hơn VB thì chuyển mạch sẽ xảy ra ở thời điểm t3, kết quả là sẽ ngắt cứng Q1 trong SA và đóng mềm Q3 trong SB . Ngược lại nếu VB là dương hơn VA ,chuyển mạch sẽ diễn ra ở thời điểm t2, kết quả là đóng cứng Q3 trong SB và ngắt mềm Q1 trong SA .Chó ý rằng là sẽ không có tổn hao đóng cắt ở các trường hợp với Q2 và Q4 bởi vì lúc đó 2 van này không dẫn dòng khi dòng tải là dương như trên hình vẽ. Nh­ vậy, sẽ có một nửa quá trình chuyển mạch là đóng cắt mềm, do đó tổn hao đóng cắt trong các van bán dẫn sẽ được giảm xuống là 50%. Chính vì thế phương pháp này thường được gọi là chuyển mạch dòng điện bán mềm (semi-soft) Chuyển mạch mềm không phải là hoàn toàn không có tổn hao, nhưng năng lượng tiêu hao là Ýt nhất, và là Ýt hơn so với chuyển mạch cứng.Trong các bộ biến đổi công suất, thường sử dụng công nghệ đóng cắt cộng hưởng (Công nghệ đóng cắt mềm) để giảm tổn hao đóng cắt. Trong Matrix Converter công nghệ cộng hưởng tạo ra lợi thế cho vấn đề chuyển mạch. Tuy nhiên các mạch này đều làm tăng đáng kể số lượng các thành phần có trong Matrix Converter , tăng tổn hao dẫn dòng, và hầu hết yêu cầu chỉnh sửa tới thuật toán điều khiển để hoạt động được dưới tất cả các điều kiện. H×nh 2.11 §¶o chiÒu dßng ®iÖn sö dông møc ng­ìng (threshold level) b) Chiến lược 2 bước chuyển mạch(Hình 2.14) H×nh 2.13 BiÓu ®å tr¹ng th¸i cña chiÕn l­îc 2 b­íc chuyÓn m¹ch Trong chiến lược chuyển mạch này, chỉ có một van được điều khiển trong khoá(cell) đang dẫn. Điều này có nghĩa là trong khi chuyển mạch dòng điện, van dẫn ngược là không cần phải điều khiển, vì thế chuyển mạch xảy ra chỉ qua 2 bước.Dòng điện ngược lại nhận được bằng cách điều khiển van dẫn ngược trong mét cell khi dòng điện giảm xuống dưới một giá trị ngưỡng. Khi dòng này đã tăng đầy đủ theo chiều đối diện, van ban đầu sẽ được khoá lại. Một vấn đề với phương pháp này là do chiều dòng điện không biết được trong chu kỳ ngược lại, do đó chuyển mạch không thể xảy ra.Sự trễ này có thể rất lớn đặc biệt là trong những bộ biến tần Matrix Converter công suất lớn, ở đây độ phân giải dòng điện nhỏ nhất là rất lớn. Điều này có thể dẫn đến làm méo dạng sóng của dòng điện ra. Phương pháp này sẽ không thích hợp, nếu dòng điện đầu ra cần được điều khiển là nằm trong khoảng các giá trị ngưỡng. II.2.3 Phương pháp chuyển mạch cải tiến Để một chiến lược chuyển mạch phải đủ tin cậy trong các ứng dụng thực tế, thì thông tin về chiều dòng điện phải thật chính xác.Nếu không chính xác, các sự cố có thể xảy ra. Một phương pháp chuyển mạch và công nghệ phát hiện chiều dòng điện mới cho phép chuyển mạch tin cậy ở bất kỳ thời điểm nào mà không cần sử dụng thêm các mạch snubber hay clamp đấu song song với các cell chuyển mạch H×nh 2.12 S¬ ®å khèi mét gate driver th«ng minh Phương pháp này về cơ bản là giống với phương pháp semi-soft, nhưng chỉ có một van dẫn được điều khiển ở bất kỳ một thời điểm. Sự hoạt động chính xác phụ thuộc vào mạch điều khiển cổng thông minh (gate driver) cho mỗi cell, được dùng để xác định chiều dòng điện, đồng thời phối hợp với các mạch điều khiển của các cell khác. Sơ đồ khối của một gate driver thông minh nh­ sau: Phát hiện chiều dòng điện H×nh 2.13 Ph¸t hiÖn chiÒu dßng ®iÖn dùa vµo thÕ VA vµ VB Phương pháp sử dụng điện áp qua mỗi van trong mét cell chuyển mạch để xác định chiều dòng điện chảy qua van. Các điện áp VA và VB có thể đo được. Giả sử dòng điện IL có chiều như hình vẽ, SA1 sẽ dẫn và SA2 sẽ được phân cực ngược. Kết quả là điện áp VA là cỡ 1,2V (điều này phụ thuộc vào đặc điểm loại van được sử dụng) và điện áp VB là khoảng – 0,7V. Khi dòng đi theo chiều ngược lại, thì sẽ xảy ra các tình huống ngược lại của trường hợp trên. Giả sử là đúng van cần điều khiển được điều khiển, chiều dòng điện ở trong cell từ đó có thể được suy ra. Mạch phát hiện chiều dòng điện này và logic điều khiển kết hợp là được tích hợp trong mét gate driver cho mỗi cell. Để đảm bảo thông tin về chiều dòng điện được tin cậy thì chỉ một van trong mét cell được điều khiển ở bất kỳ một thời điểm. Điều này có nghĩa là dòng điện hoặc bằng không hoặc chảy theo một hướng được định rõ. H×nh 2.14 Nguyªn lý biÕn ®æi 2 pha sang 1 pha cña Matrix Converter b. Phương pháp chuyển mạch dòng điện H×nh 2.15 BiÓu ®å tr¹ng th¸i 2 b­íc chuyÓn m¹ch c¶i tiÕn A B C (Hình vẽ 2.14) thể hiện chuyển mạch của 2 pha vào thành một pha ra của Matrix Converter Ban đầu cell A dẫn và dòng tải có chiều nh­ hình vẽ. Dưới những điều kiện này SA1 sẽ được điều khiển đóng lại để dẫn dòng tải. Trạng thái này là trạng thái A trên biểu đồ trạng thái (hình2.15). Trong biểu đồ trạng thái, mỗi một vòng tròn thể hiện các trạng thái khác nhau của các van trong hình 2.16. “ 1 ” chỉ rằng van được điều khiển để dẫn dòng, “ 0 ” chỉ rằng van sẽ được ngắt. Chữ cái đầu tiên trong mỗi vòng tròn chỉ van SA1, tiếp theo là SA2 rồi SB1 và cuối cùng là SB2. Thông tin về chiều dòng điện từ mạch điều khiển cell A liên tục được gửi đến mạch điều khiển của cell B. Quá trình đảo chiều dòng điện xảy ra khi cell B là cell tích cực, điều này để cell sắp dẫn có thể mở đúng van cần dẫn. H×nh 2.16 §å thÞ thêi gian chuyÓn m¹ch 2 b­íc Khi chiến lược điều biến yêu cầu chuyển mạch tới cell B, SB1 sẽ được điều khiển mở để dẫn dòng trên cơ sở thông tin về chiều dòng điện từ cell A gửi tới. Mạch lúc này sẽ ở trạng thái cả hai van SA1 và SB1 là cùng mở dẫn dòng. Điều này được thể hiện bằng sự quá độ từ trạng thái A tới trạng thái B, sau đó SA1 được ngắt. Sau một khoảng thời gian ngắn (5ms) thông tin về chiều dòng điện sẽ được lấy từ cell B. Quá trình chuyển mạch hoàn thành (trạng thái C) mà không xảy ra ngắn mạch đầu vào cũng như đảm bảo được đường dẫn liên tục cho dòng điện tải. Để tạo ra chiều dòng điện tải theo cả 2 hướng trong khoảng giữa những lần chuyển mạch, mạch điều khiển cell tích cực truyền tự động tín hiệu điều khiển giữa các van trong cell. Sự đảo chiều dòng điện được thực hiện bằng cách đảo ngược các tín hiệu điều khiển khi mạch phát hiện dòng điện tải đã giảm về không. Giả sử cell B là cell tích cực và dòng điện có chiều như trên hình 2.16 .Quá trình đảo chiều dòng điện được thể hiện bằng sự quá độ từ trạng thái C sang trạng thái E như trên biểu đồ trạng thái. Mạch điện sẽ đi qua trạng thái D mà không có van nào được điều khiển .Sự điều khiển này của các van trong mỗi cell đảm bảo có thể biết được chiều dòng điện. Một trường hợp đặc biệt xảy ra khi Matrix Converter được đóng lần đầu tiên, cell đầu tiên được mở mà không biết được van nào trong cell sẽ mở, bởi vì cell được mở trước đó không có, và do đó không xác định được chiều dòng điện.Vấn đề này được vượt qua bằng cách điều khiển cả 2 van của cell đầu tiên. Nếu đúng van có chiều dẫn cùng chiều dòng điện tải, dòng sẽ chảy qua và mạch làm việc bình thường như trường hợp trên. Nếu phát hiện không có dòng điện tín hiệu điều khiển được đảo lại và truyền tự động đến đúng van cần dẫn trong cell. H×nh 2.17 ChuyÓn m¹ch khi ®¶o chiÒu dßng ®iÖn dßng c. Những khó khăn tiềm Èn Khó khăn xảy ra bởi vì có sự trễ khi truyền thông tin về chiều dòng điện tới mạch điều khiển của cell tiếp theo. Khó khăn này chỉ là vấn đề quan trọng khi chuyển mạch xảy ra cùng thời điểm với đảo chiều dòng điện. Ban đầu dòng tải là theo chiều dương với cell A là cell đang dẫn, do đó SA1 là van đang dẫn (trạng thái A). Đường gạch chéo trên hình 2.17 chỉ ra khoảng trễ đường truyền khi gửi thông tin mới về dòng điện đến cell B. Khi dòng điện giảm về không, mạch sẽ chuyển tới trạng thái F là trạng thái không có van nào dẫn. Nếu không có trạng thái này SA2 sẽ mở dẫn dòng ngược ngay lập tức. Điều này có thể gây ra các sự cố, bởi vì khi chuyển mạch yêu cầu trong vùng gạch chéo thì SB1 sẽ bị điều khiển sai. Chính vì thế mạch cần tồn tại ở trạng thái F trong một khoảng thời gian, để nhận được thông tin về dòng điện một cách chính xác. Khoảng thời gian trễ này là không lớn lắm nên không gây méo dạng sóng dòng điện, phụ thuộc vào phương pháp truyền dữ liệu(khoảng 150ms), sau đó chuyển mạch được bắt đầu. Nếu thông tin về chiều dòng điện là chính xác SB2 sẽ được điều khiển mở dẫn dòng ngược, mạch sẽ ở trạng thái E, dòng chảy theo chiều ngược lại trong cell B và chuyển mạch kết thúc. Nếu chuyển mạch xảy ra trong khi thông tin về chiều dòng điện sai, van dẫn tiếp theo sẽ bị điều khiển sai (trạng thái C) . Lúc này sẽ không có sự cố xảy ra bởi vì dòng điện đã về không và không van nào được điều khiển, mạch sẽ phát hiện rằng không có dòng đang chảy và đảo chiều tín hiệu điều khiển để đưa mạch tới trạng thái E. Có thể thấy rằng chuyển mạch xảy ra trong khi dòng đổi chiều là chiến lược một bước chuyển mạch H×nh 2.18 BiÓu ®å tr¹ng th¸i cho toµn bé qu¸ tr×nh chuyÓn m¹ch Tóm lại vấn đề chuyển mạch trong Matrix Converter là rất phức tạp, tuy nhiên với việc cải tiến phương pháp chuyển mạch như trên đã trình bày, đã đưa ra một phương pháp chuyển mạch mới mà không cần bất kỳ một mạch bảo vệ van (snubber hoặc clamp) mắc song song qua các cell chuyển mạch, điều này cho phép giảm đáng kể số lượng van bán dẫn. Công nghệ chuyển mạch này cũng được mở rộng với bất kỳ số đầu vào và số đầu ra nào của Matrix Converter bởi vì tính chất môđun của các mạch điều khiển và các khoá 2 chiều. Phương pháp cũng được sử dụng thích hợp với trường hợp công suất lớn, bởi vì điện áp thuận rơi trên các van sẽ lớn hơn khiến cho việc phát hiện chiều dòng điện trở nên dễ dàng hơn. Đối lập với các phương pháp khác, phát hiện chiều dòng điện bằng các bộ chuyển đổi dòng, khi mà với dòng định mức tăng lên thì độ phân giải sẽ bị mất đi. Thêm vào đó ở mỗi lần chuyển mạch, các van sắp đóng và sắp ngắt sẽ được đóng cắt dưới những điều kiện phân cực ngược. Vì lợi thế này nên được gọi là chuyển mạch bán mềm- bán tự nhiên(semi-soft, semi-natural) . Chương III : Phương pháp tạo điện áp đầu ra trong Matrix Converter III.1 Thuật toán điều biến Venturini H×nh 3.1 CÊu tróc 3 pha cña Matrix Converter III.1.1 Giới thiệu chung Sóng ra của Matrix Converter được tạo bởi cách chọn các đoạn của mỗi pha đầu vào theo một trình tự trong một thời gian nhất định nào đó. Ví dô : Để tạo được sóng pha a thì ta sẽ phải tuần tự đóng các khoá SAa ,SBa, SCa, theo một thứ tự tương ứng, trong các khoảng thời gian được tính toán trước và phải đáp ứng yêu cầu không được đồng thời có 2 khoá 2 chiều cùng dẫn. Tương tự với pha B và pha C, nói chung tuần tự của mỗi pha đầu ra là nh­ nhau. Dạng sóng chuẩn của điện áp pha đầu ra khi fvào = 50Hz , fra =25Hz, tần số đóng cắt fw =500Hz có dạng nh­ biểu diễn trên (hình 3.2) : H×nh 3.2 D¹ng sãng ®iÖn ¸p pha ®Çu ra Matrix Converter uA uB uC Ta nhận thấy điện áp ra bao gồm những đoạn của 3 điện áp vào. Để hiểu cách thức hoạt động của bộ biến tần Matrix Converter nhằm tạo ra các tần số đầu ra khác nhau, dựa trên tần số đóng cắt, ta xác định các hàm điều biến để tạo chu kỳ làm việc(khoảng thời gian dẫn) cho mỗi khoá 2 chiều (3.1) Ví dô một hàm điều biến cho tín hiệu điều khiển khóa nối pha vào A với pha ra a : Ta thấy đây là các hàm thời gian liên tục. Ta sẽ sử dụng chúng để xác định và so sánh các chiến lược điều biến khác nhau Từ cách tiến hành đóng cắt các khoá theo 1 trình tự nhất định đó ta có thể thấy rằng điện áp ở đầu ra mét pha là : (3.2) Trong đó: va (t) là đáp ra pha a vA(t), vB(t), vC(t) là đáp pha vào A, B, C tương ứng tAa , tBa , tCa là các khoảng thời gian dẫn các khoá SAa, SBa, SCa tương ứng Tseq là chu kỳ đóng cắt (quá trình đóng cắt diễn ra tuần tự hết trong thời gian Tseq) mAa, mBa, mCa là các hàm điều biến Một cách tương tự ta cũng có với pha b và c , từ đó ta có thể tổng hợp thành công thức sau: (3.3) Vì dòng điện vào là những đoạn của 3 dòng ra cộng với những khoảng bằng không mà trong những khoảng bằng không đó, dòng điện tải chảy qua ma trận khoá 2 chiều Như vậy ta cũng có: (3.4) Hai phương trình trên ta có thể viết rút gọn lại : (3.5) (3.6) Do chỉ 1 đầu vào được nối với bất kỳ 1 đầu ra của Matrix Converter , ở cùng một thời điểm bất kỳ cho trước và do tính liên tục của dòng điện nên ta có: (3.7) III.1.2 Giải pháp điều biến cơ bản của Venturini Một bài toán điều biến thông thường đặt ra là giả sử điện áp ra có hình sin, và tiếp theo là yêu cầu dòng vào có hình sin. Ta có hệ thống điện áp vào đã cho: (3.8) Giả sử hệ thống dòng điện ra là (3.9) Ta phải tìm một ma trận điều biến M(t) sao cho (3.10) và (3.11) Venturini đã đưa ra 2 giải pháp cơ bản để giải quyết vấn đề trên + Với wm=(w0-wi) ta có (3.12) + Với wm=-(w0+wi) ta có (3.13) Với giải pháp M1(t) thì fi = f0 . Ta được góc lệch pha giữa dòng điện và điện áp ở đầu vào và đầu ra là bằng nhau Với giải pháp M2(t) thì fi = - f0 . Ta được góc lệch pha giữa dòng điện và điện áp ở đầu vào và đầu ra là ngược nhau Kết hợp cả hai giải pháp trên ta sẽ điều khiển được hệ số lệch pha đầu vào, tức là điều khiển được hệ số công suất cosfi đầu vào M(t) = a1[M1(t)] +a2[M2(t)] với a1+a2=1 Khi đặt a1=a2 ta sẽ được hệ số lệch pha đầu vào đồng nhất (tức là fi = 0) mà bất chấp sự thay đổi hệ số lệch pha của tải f0 Các trường hợp khác có thể xảy ra khi ta chọn a1 và a2 để có được hệ số lệch pha đầu vào là dẫn trước (tức trường hợp mang tính dung kháng) khi tải chậm pha ở đầu ra(tải mang tính cảm kháng) và ngược lại Với a1=a2 các hàm điều biến sẽ là: (3.14) Với K= A,B,C và j =a,b,c H×nh 3.3 Minh häa giíi h¹n ®iÖn ¸p q=50% Sử dụng giải pháp này, giá trị lớn nhất của tỉ số điện áp ra trên điện áp vào là (q) đạt 50% Giá trị điện áp đầu ra lớn nhất có thể được cải thiện =86% giá trị điện áp vào nếu ta đưa vào ma trận điện áp đầu ra thành phần điều hoà bậc 3 của tần số vào và tần số ra. Các thành phần bậc 3 này sẽ mất đi trong tải 3 pha, cách thêm vào này cũng giống nh­ cách thêm vào đã làm trong các bộ biến tần thông thường. Nh­ vậy các hàm điều biến sẽ là: (3.15) Với K= A,B,C và j =a,b,c bK = 0, 2p/3, 4p/3 tương ứng với K =A, B, C Điện áp đầu ra tính được nhờ công thức: (3.16) với q là tỉ số điện áp mong muốn, qm là tỉ số điện áp lớn nhất (0,86) H×nh 3.4 minh häa giíi h¹n ®iÖn ¸p q=86% Yj = 0, 2p/3, 4p/3 tương ứng với j =a, b, c Bây giê ta phải tính được các chu kỳ làm việc(khoảng thời gian các khoá 2 chiều dẫn) trong mẫu xung kích thích dùng để đóng cắt các khoá.Từ các (thuật toán) công thức (3.15) và (3.16), ta dễ dàng tính được các chu kỳ làm việc của các khoá nhờ vi xử lý, khi áp dụng trong điều khiển vòng hở và vòng kín của hệ truyền động động cơ cảm ứng dùng Matrix Converter. Các thuật toán trên chỉ yêu cầu đo được 2 trong 3 điện áp dây vào tức thời, sau đó ta sẽ tính được biên độ điện áp vào (Vim ) và vị trí của vector điện áp vào (wit) theo các công thức sau: V2im =4/9 ( V2AB + V2BC +VAB *VBC) (3.17) (3.18) Với VAB và VBC là các điện áp dây vào tức thời Biên độ điện áp ra và vị trí vector điện áp ra tính nh­ sau: V2om =2/3 ( V2a + V2b + V2c) (3.19) (3.20) Trong đó Va , Vb ,Vc là các điện áp đầu ra cần đạt được. Trong hệ điều khiển vòng kín (ví dụ : hệ điều khiển vector) thì biên độ điện áp này và góc (vị trí) vector là đầu ra trực tiếp của vòng điều khiển, như vậy ta sẽ tính được tỉ số điện áp yêu cầu (3.21) Như vậy, tỉ số điện áp yêu cầu (q) và tần số đầu ra (wo) là do người sử dụng đưa ra hay là đầu ra của bộ điều khiển (trong trường hợp điều khiển vòng kín). Chúng sẽ được dùng để tính tần số ra mong muốn wo , sau đó vị trí vector điện áp ra được cập nhật ở mỗi chu kỳ lấy mẫu Tseq theo công thức: (wot)k =(wot)k-1 +wo*Tseq (3.22) III.1.3 Kỹ thuật bù nhiễu điện áp lưới: Ở trên ta đã đưa ra các công thức tính, thuật toán điều biến của Venturini cho Matrix Converter. Nhưng chưa tính tới yếu tố nào do môi trường hay lưới không ổn định. Matrix Converter là một dạng biến tần trực tiếp vì vậy mà mỗi sự biến động của lưới có ảnh hưởng rõ rệt đến tải và ngược lại, chính vì thế để nâng cao chất lượng của Matrix Converter vấn đề bù nhiễu là rất quan trọng. Phương pháp bù nhiễu ở đây rất đơn giản nó thích hợp cho thuật toán điều biến Venturini. Bằng cách nhập liên tục giá trị địên áp đầu vào (biên độ max), góc pha đầu vào, cũng nh­ dòng điện ra một cách liên tục ở mỗi chu kỳ cắt mẫu, để kết quả tính toán sát với thực trạng làm việc. Điều này giúp MC xử lý tình huống được chính xác. Để hiểu rõ hơn về vấn đề này ta phân tích thuật toán Venturini sâu hơn một chút. Khởi nguồn của thuật toán Venturini là xác định matrận điều biến dựa trên những giá trị biên độ và tần số điện áp đầu vào, vì vậy tại mỗi thời điểm dù đầu vào có là như thế nào nhưng nếu biết được biên độ và vị trí của vectơ điện áp vào và sóng ra yêu cầu thì ta có thể tính được thời gian tác động các khoá một cách chính xác, tương ứng tạo sóng điện áp ra theo yêu cầu. Một mở rộng nữa theo hướng tư duy này đó là ứng dụng thuật toán Venturini cho vòng điều khiển kín, khi mà biên độ và tần số sóng điện áp ra được điều khiển bởi bộ PI. Khi đó thì tần số và biên độ sóng đầu ra cũng được cập nhật liên tục và vì vậy matrận điều biến cũng được tính toán liên tục và cho ra những thông số chính xác thích hợp theo yêu cầu của vòng điều khiển kín. Nó đảm bảo rằng sẽ đạt được điện áp ra một cách chính xác bất kể sự biến thiên, nhiễu hay không cân bằng của điện áp lưới. III.2 Điều biến không gian vector gián tiếp (2 mặt) III.2.1 Khái quát về phương pháp điều biến độ rộng xung trên không gian vector (SV - PWM) a) Phương pháp điều biến độ rộng xung hình sin (SPWM) Phương pháp tạo điện áp ra là chuỗi những xung chữ nhật có cùng biên độ, độ rộng của xung phụ thuộc vào luật điều khiển Luật điều khiển :Thực hiện so sánh 2 điện áp + Điện áp chuẩn Ur thường có dạng hình sin, có tần số là fr . Nó thể hiện điện áp ra mong muốn. + Điện áp mang Up thường có dạng răng cưa hay tam giác, có tần số fp >> fr Giá trị trung bình điện áp ra (Utb) trong mét chu kỳ của điện áp mang là tỉ lệ với giá trị điện áp chuẩn Ur , như vậy khi Ur có dạng hình sin thì Utb cũng có dạng hình sin, có thể điều chỉnh biên độ áp ra bằng cách điều chỉnh tỉ số Ur/Utb Điện áp ra chứa thành phần sóng hài cơ bản và các sóng hài bậc cao là 7, 9, 11… Trong nhiều ứng dụng về công nghiệp, phương pháp này được sử dụng để điều khiển điện áp đầu ra của nghịch lưu nguồn áp (VSI). Ưu thế là tạo được điện áp ra hình sin, tuy nhiên chỉ được đảm bảo tốt trong phạm vi ( 0% : 78%) của sóng chữ nhật tạo ra. Nếu chỉ số điều biến vượt quá giá trị này, mối quan hệ tuyến tính giữa chỉ số điều biến và điện áp ra sẽ không được đảm bảo, lúc đó phải yêu cầu các phương pháp quá điều biến. b) Phương pháp điều biến độ rộng xung trên không gian vector (SV - PWM) Một phương pháp khác cũng cho dạng sóng ra hình sin, dựa trên các vector không gian điện áp ra biểu diễn trong mặt phẳng tọa độ d-q, có trục d trùng với trục của vector từ thông rôto(với động cơ không đồng bộ), khi đó công suất tổng cũng như trở kháng là không thay đổi. H×nh 3.5 C¸c vector kh«ng gian ®iÖn ¸p ®Çu ra vµ c¸ch x¸c ®Þnh thêi gian ®ãng c¾t Hình vẽ chỉ ra 8 vector không gian chuẩn tương ứng với 8 vị trí đóng cắt của các van trong nghịch lưu nguồn áp. V* là véc tơ điện áp bất kỳ, được thực hiện để tính ra thời gian đóng cắt các van, nhờ chọn đúng 2 vector biên V1 và V2 Ta có công thức thực hiện vector V* : V* Tz = V1 *T1 + V2 *T2 + V0 *(T0/2) + V7 *(T0/2) (3.23) Với T1, T2 là các khoảng thời gian cho việc thực hiện V1 , V2 tương ứng. T0 là khoảng thời gian cho việc thực hiện V0 và V7 Tz =1/2 chu kỳ đóng cắt Tpul H×nh 3.6 a)Thùc hiÖn V1 trong T1 b)Thùc hiÖn V2 trong T2 c) MÉu xung thùc hiÖn vector ®iÖn ¸p V* trong gãc phÇn 6 thø nhÊt c) Điện áp pha U có chứa thành phần hài bậc 3 do điều biến vector không gian tạo ra, và thành phần này không xuất hiện trong điện áp dây Giá trị lớn nhất của điện áp pha trong SPWM là chỉ bằng UDC, nhưng trong SVPWM là UDC. Điều đó giải thích tại sao chỉ số điều biến của SPWM là thấp hơn SVPWM (78% so với 90%), tức là phương pháp SVPWM có thể tạo ra điện áp ra cao hơn SPWM khoảng 15% III.2.2 Điều biến không gian vector gián tiếp Phương pháp điều biên gián tiếp đã được áp dụng cho Matrix Converter, ý tưởng chủ đạo của công nghệ điều biên gián tiếp là mô tả Matrix Converter nh­ bộ biến đổi gồm 2 tầng biến đổi + Tầng chỉnh lưu tạo ra điện áp một chiều ảo (UDC) có giá trị không đổi trong mét chu kỳ đóng cắt + Tầng nghịch lưu tạo ra 3 điện áp đầu ra TÇng chØnh l­u I=[SA,SB,SC]T R=[Sa,Sb,Sc] p n UDC c b a A B C TÇng nghÞch l­u H×nh 3.7 M« t¶ Matrix Converter nh­ 2 tÇng biÕn ®æi Hai tầng biến đổi được nối qua một khâu nối một chiều ảo, và nh­ vậy mô hình Matrix Converter bây giờ tương đương với biến tần nguồn áp (VSI) có chỉnh lưu điều khiển ở đầu vào nhưng không có các phần tử phản kháng nối một chiều Bởi vì đặc điểm của biến tần trực tiếp là các tham số điện ở đầu này có thể được tạo thành từ các tham số ở đầu kia bằng cách nhân với ma trận truyền T. Như vậy các giá trị tức thời của dòng điện vào và điện áp ra sẽ tính được nhờ ma trận truyền T như sau : hay là : (3.24) hay là : (3.25) ` Vout`,Iout ,`Vinput ,` Iinput là các vector (không phải là các vector không gian) có các thành phần là các giá trị tức thời của điện áp và dòng điện tương ứng. Ma trận T là ma trận hàm truyền của Matrix Converter, có các thành phần ( Tij ) thể hiện các hàm truyền biến đổi các điện áp vào tức thời thành các điện áp ra tức thời Ta cần thiết lập một chiến lược điều biến gián tiếp để xác định các giá trị Tij của ma trận truyền T Bằng cách áp dụng chiến lược điều biến không gian vector đã dùng cho biến tần nguồn áp, cho các tầng chỉnh lưu và nghịch lưu tương ứng của Matrix Converter sau đó kết hợp 2 chiến lược. Nh­ vậy ma trận truyền của Matrix Converter T sẽ được tạo ra bằng cách nhân ma trận trạng thái tầng chỉnh lưu R với ma trận trạng thái tầng nghịch lưu I ta được T = I*R Hay là (3.26) Với I là vector điều khiển tầng nghịch lưu và được điều khiển nhờ góc pha điện áp ra Dinv R là vector điều khiển tầng chỉnh lưu và được điều khiển nhờ góc pha dòng điện vào Drec Ri ={ -1,0,1} là trạng thái đóng mở của tầng chỉnh lưu Ij = { 0,1} là trạng thái đóng mở của tầng nghịch lưu H×nh 3.8 Minh ho¹ Matrix Converter sö dông ph­¬ng ph¸p SVM Từ (hình 3.8), MC được xem như một bộ chỉnh lưu và một bộ nghịch lưu. Các công thức (hàm) điều biến được hình thành từ cả chỉnh lưu và nghịch lưu. Các hệ thống 3 pha điện áp và dòng điện được biến đổi thành các vector không gian dùng trong các hệ toạ độ gồm 2 trục nhờ công thức sau: (3.27) (3.28) (3.29) (3.30) `Vo`, Ii ,`Vi ,` Ii là các vector không gian điện áp và dòng điện vào ra tương ứng Nhiệm vụ của khối điều biến (modulor) là tổng hợp điện áp ra từ các điện áp vào và dòng điện vào từ các dòng ra. a) Điều biến VTKG phía chỉnh lưu. Giả sử có một điện áp 1 chiều ảo nh­ trong (hình 3.8) . Trong đó điều biến VTKG gián tiếp tất cả các đại lượng tính đều liên quan đến điện áp một chiều này. Dòng điện vào và điện áp một chiều ảo được tạo thành từ trạng thái các khoá nh­ sau: (3.31) (3.32) Loại ia ib ic VDC Active 0 Vbc 0 -Vbc 0 -Vab 0 Vca 0 -Vca 0 Vab Zero 0 0 B¶ng 3.1: C¸c tr¹ng th¸i ®ãng c¾t vµ c¸c vector chuÈn phÝa chØnh l­u H×nh 3.9 Tr­êng hîp ®iÒu biÕn dßng vµo a) 6 vector chuÈn dßng vµo b)Ph©n tÝch vector dßng vµo bÊt kú a) b) Sự kết hợp các khoá (trạng thái các khoá) cho trong bảng 3.1, và trong hình 3.9a là 6 vectơ không gian chuẩn, hình 3.9b trình bày cách tính một vector dòng vào bất kỳ dựa vào 2 vector chuẩn, đối với tầng chỉnh lưu . Chu kỳ làm việc của các vector biên tính được nhờ công thức sau: (3.33) (3.34) (3.35) (3.36) Hệ số điều biến : mrec thường chọn =1 khi không cần điều khiển biên độ dòng điện. Các chu kỳ làm việc tính được có thể nhân với các ma trận khoá để tính giá trị trung bình các dòng điện vào và điện áp 1 chiều như sau: (3.37) (3.38) Các trạng thái khoá (Sx) được thay bằng các vectơ chuẩn (nh­ hình 3.9a) chứa vector cần thực hiện. Từ điện áp một chiều này, ta tính được các điện áp đầu ra và các công thức điều biến cho bộ nghịch lưu cũng được xây dựng từ đó. b. Điều biến vectơ KG phía nghịch lưu Điện áp đầu ra và dòng 1 chiều được tính nh­ sau: (3.39) (3.40) Loại va vb vc iDC+ VAB vBC vCA Active 1/3vDC 1/3vDC -2/3vDC ơ -iC 0 vDC -vDC 1/3vDC -2/3vDC 1/3vDC -iB vDC -vDC 0 -2/3vDC 1/3vDC 1/3vDC -iA -vDC 0 vDC 2/3vDC -1/3vDC -1/3vDC iA vDC 0 -vDC -1/3vDC 2/3vDC -1/3vDC iB -vDC vDC 0 1/3vDC -1/3vDC 2/3vDC iC 0 -vDC vDC Zero 0 0 B¶ng 3.2: C¸c tr¹ng th¸i ®ãng c¾t vµ c¸c vector chuÈn phÝa nghÞch l­u a) b) H×nh 3.10 Tr­êng hîp ®iÒu biÕn ¸p ra a) 6 vector chuÈn ¸p ra b) Ph©n tÝch vector ¸p ra bÊt kú Hình 3.10a chỉ ra các vectơ chuẩn mà nghịch lưu tạo ra được nhờ gắn điện áp 1 chiều tới các đầu ra. Bảng 3.2: chỉ các trạng thái khoá có thể xảy ra và kết quả về môđun và hướng của các vectơ. Khi trong một góc phần 6, phân tích vectơ áp ra và quan hệ điện áp ra được thể hiện trong hình 3.10b. Dựa vào (hình vẽ 3.10b) các chu kỳ làm việc tính được bằng cách tách Vout thành các vector con Vl và Vg (3.41) (3.42) (3.43) Từ các chu kỳ làm việc này, ta tính được giá trị trung bình của các điện áp ra và dòng điện nối 1 chiều. (3.44) (3.45) Ta kết hợp các công thức (hàm) điều biến chỉnh lưu và nghịch lưu sẽ được công thức điều biến kết hợp. c. Mối quan hệ giữa MC và B2B –VSI S6 S4 S2 S5 S3 S1 S1.S7+S2.S8 S3.S7+S4.S8 S5.S7+S6.S8 A c b a H×nh3:11 Mét pha VSI t­¬ng ®­¬ng víi 1 pha MC S8 S7 a b c Þ A Bởi vì Matrix Converter không giống như bộ chỉnh lưu hoặc nghịch lưu, vì thế ta phải biến đổi các công thức điều biến trên thành 1 công thức điều biến cho 9 khoá 2 chiều. Nếu nhìn từ đầu ra 1 pha MC, thì mỗi pha đầu ra Matrix Converter tương đương với 2 khoá của một pha phía nghịch lưu và 6 khoá phía chỉnh lưu. S7 Từ hình 7 ta thấy công nghệ VSI có thể biến đổi thành một pha của MC, đồng thời cũng thấy rằng các khoá trong một nhánh đầu ra của MC phải được điều khiển bằng một luật (hàm) là tích của các luật chỉnh lưu và nghịch lưu Ta sẽ có công thức sau: (3.46) hay là (3.47) Nhân các công thức giá trị trung bình ta tìm được cách mà các điện áp ra tạo thành bởi áp vào và các ma trận khoá kết hợp d. Điều biến VT-KG gián tiếp cho MC Bây giờ đã tính được các giá trị trung bình của điện áp ra và dòng điện vào, các công thức điều biến gián tiếp kết hợp cũng thành lập được. Công thức sau chỉ ra 1 ví dụ về cách tạo ra các trạng thái đóng cắt cho 9 khoá 2 chiều, bằng việc nhân các công thức chỉnh lưu và nghịch lưu với nhau. (3.48) Hay là (3.49) Thời gian còn lại của chu kỳ đóng cắt tương ứng với vectơ không (zero) thực hiện tuần hoàn dòng điện đầu ra và ngắt các điện áp vào. Các công thức tính chu kỳ làm việc: (3.50) (3.51) (3.52) (3.53) (3.54) e) Phương pháp PWM dựa trên điều biến vectơ không gian 2 mặt. Các công thức điều biến trong ví dụ trên cần có 4 vectơ tích cực và 1 vectơ không, để điều biến VTKG điện áp và dòng điện trong mỗi chu kỳ đóng cắt. Sự phân bố các vectơ này là tự do và mức độ tự do được sử dụng để cải thiện méo sóng hài hoặc làm giảm số lần đóng cắt. Các phương pháp khác nhau của các công thức điều biến là: Phương pháp 8 khoá Sử dông 4 vector tích cực đặt xung quanh 1 vector không. Chiến lược cho 8 BSO (khoảng thời gian đi qua của các khoá), sau đó được phát triển thành chiến lược 9 khoá. Hình sau chỉ ra chiến lược này Vab do abb acc aca aba bbb abb aba aca acc Vac H×nh 3.12 §iÒu biÕn hai mÆt 8 kho¸ Phương pháp 10 khoá Phương pháp này nhằm giảm sự méo sóng hài bằng cách thêm một vector không khác vào cuối của chu trình, tạo ra 2 khoảng dẫn phụ. Nh­ vậy tần số đóng cắt tăng lên gấp đôi, với cùng số lần đóng cắt trên một giây thì tần số đóng cắt giảm xuống còn 4/5 Ngoài ra còn một số phương pháp khác nh­ phương pháp sóng hài thấp và phương pháp tổn hao thấp Chương IV: Xây dựng mô hình Matrix Converter IV.1 Phân tích lựa chọn thuật toán mô phỏng Thuật toán Venturini_Alesina và thuật toán điều chế vector không gian gián tiếp là những phương pháp được ứng dụng rộng rãi trong kỹ thuật điều khiển hoạt động của MC. Cả hai thuật toán trên đều có thể tạo ra tỉ số truyền điện áp tối đa qm = 0.866, có tính khả thi cao trong các ứng dụng yêu cầu hoạt động với thời gian thực. Thuật toán Venturini_Alesina có ưu điểm là khối lượng tính toán Ýt. Thông số đầu vào là giá trị tức thời của 2 điện áp dây đầu vào, các phép tính lượng giác trong các phương trình có thể được gia tốc bằng việc sử dụng các bảng tính sẵn đặt trong bộ nhớ ROM của các bộ vi xử lý. Hơn nữa do trình tự chuyển mạch giữa các van trên mạch lực trong các nhóm van ở đầu ra hoàn toàn giống nhau và được xác định trước nên việc điều khiển quá trình chuyển mạch đơn giản hơn rất nhiều. Trong khi đó, thuật toán điều chế vector không gian gián tiếp yêu cầu khối lượng tính toán lớn, biên độ và góc pha của vector dòng điện vào và vector điện áp ra được tính toán đồng thời trong tong chu kỳ cắt mẫu Tseq. Trình tự chuyển mạch giữa các van trên mạch lực được xác định dựa vào vị trí góc của vector dòng điện vào và vector điện áp ra, do đó quá trình chuyển mạch phức tạp hơn rất nhiều. Trong một số trường hợp phải tiến hành tối ưu lại trình tự chuyển mạch (giảm số lần chuyển mạch từ 10 lần xuống 8 lần trong mét chu kỳ cắt mẫu Tseq). Do đó, xét về mặt mô phỏng thì việc xây dựng mô hình Matrix Converter sử dụng thuật toán Venturini_Alesina đơn giản và dễ dàng hơn rất nhiều. IV.2 Xây dựng mô hình Matrix Converter bằng matlab/ Simulink IV.2.1. Thành lập các phương trình cơ sở cho việc xây dựng mô hình MC Như đã trình bày trong mục III, các phương trình (3.15), (3.16) chính là cơ sở cho việc xây dựng mô hình MC bằng các phần mềm mô phỏng chuyên dụng. Việc tính toán các thông số đầu vào của phương trình được thực hiện dựa trên giá trị tức thời của điện áp vào thông qua một số phép biến đổi toán học. Gọi VAB, VBC là giá trị tức thời của điện áp dây đầu vào, biên độ và góc pha của điện áp vào được xác định theo công thức: (4.1) (4.2) Tương tự , với hệ thống điện áp đích ta có: (4.3) (4.4) Tỉ số truyền điện áp q được xác định theo biểu thức: (4.5) Thay (5) vào phương trình xác định điện áp ra ta có: (4.6) Với , tương ứng với k = a, b, c Xét riêng với pha a, điện áp ra và thời gian dẫn của các khoá được xác định theo biểu thức: (4.7) (4.8) (4.9) (4.10) Đặt (4.11) (4.12) (4.13) Kết hợp với (8), (9), (10) ta có: (4.14) (4.15) (4.16) Từ các phương trình trên, ta có mô hình một pha của MC dùng Matlab/Simulink như trong hình vẽ. Sơ đồ chi tiết của các khối chức năng trong sơ đồ được cho trong các hình từ … Tương tù nh­ trên, ta có được mô hình MC cho các pha B, và pha C. Về nguyên tắc, các khối chức năng trong các mô hình cho pha A, B, C không có sự khác biệt. Sự khác nhau duy nhất nằm trong các khối chức năng M1&M2, trong đó Va trong các phương trình (4.14), (4.15) lần lượt được thay bằng Vb, Vc tương ứng với các pha B, C. Sơ đồ chi tiết của mô hình được cho trong hình IV.2.2. Phân tích các khối chức năng trong mô hình Khối clock: tạo nhịp thời gian cho quá trình mô phỏng Khối điện áp nguồn, điện áp đích: các thông số của khối điện áp nguồn gồm có tần số nguồn cấp, biên độ điện áp nguồn (Amp) và biên độ điện áp nhiễu (A, A=0 trong trường hợp điện áp lưới cân bằng). Khối tạo điện áp đích tạo ra hệ thống điện áp sin ba pha đầu ra với tần số và biên độ mong muốn. Khối này cũng giống khối điện áp nguồn ngoại trừ một điều là giá trị A luôn đặt bằng không. Khối tính biên độ, góc pha điện áp vào, ra: khối này thực hiện các phương trình (4.1)-(4.4), xác định biên độ, góc pha điện áp vào, ra. H×nh 4.1 Khèi tÝnh biªn ®é vµ vÞ trÝ vector ®iÖn ¸p vµo Vim^2 & wit H×nh 4.2 Khèi tÝnh biªn ®é vµ vÞ trÝ vector ®iÖn ¸p ra Vom^2 & wot Khối q: tính toán tỉ số truyền yêu cầu, khối này cũng bao gồm bộ hạn chế để giới hạn tỉ số truyền qm=0.866. H×nh 4.2 Khèi tÝnh tØ sè truyÒn ¸p q =Vi/Vo Khối K1&K2, K3: thực hiện chức năng của phương trình (4.11)-(4.13), tính toán các giá trị K1, K2, K3. H×nh 4.3 Khèi tÝnh c¸c gi¸ trÞ K1(K31) & K2(K32) H×nh 4.4 Khèi tÝnh gi¸ trÞ K3 (K33) Khối M1&M2, M3: Thực hiện chức năng phương trình (4.14)-(4.16), tính toán thời gian dẫn dòng cho các van trên mạch lực. H×nh 4.5 Khèi tÝnh c¸c gi¸ trÞ M1&M2, M3 Khèi logic chuyÓn m¹ch: t¹o ra c¸c xung ®iÒu khiÓn ®ãng më c¸c van trªn m¹ch lùc dùa trªn c¬ së so s¸nh gi÷a c¸c tÝn hiÖu M1, M2, M3 víi tÝn hiÖu xung tam gi¸c (ST) cã tÇn sè b»ng tÇn sè c¾t mÉu. Khèi t¹o tÝn hiÖu xung tam gi¸c (Sawtooth) cã d¹ng sau: H×nh 4.6 Khèi logic chuyÓn m¹ch Khối nguồn: Matrix Converter là biến tần trực tiếp vì vậy nên vấn đề bù nhiễu điện áp lưới là rất được quan tâm. Để mô phỏng bù nhiễu điện áp lưới ta chọn trường hợp nhiễu điện áp lưới là các sóng hài bậc 5 và bặc 7 (4.17) (4.18) (4.19) Khi đó bộ nguồn có dạng nh­ sau: H×nh 4.7 Khèi bé nguån vµ nhiÔu ®iÖn ¸p l­íi Bộ khoá: Do sử dụng phần mềm Matlab/simulink nên các khoá bán dẫn ở đây để đơn giản và cho tốc độ tính toán nhanh ta mô phỏng trong trường hợp khoá lý tưởng, tức là chỉ làm nhiệm vụ đóng cắt mà thôi. Sử dụng phần tử khoá switch trong Matlab/simulink/nonlinear/switch phần tử này là thiết bị chuyển đổi được điều khiển bởi tín hiệu ở đầu vào thứ hai đem so sánh vơí một giá trị đặt chọn trước. Đối với một pha đầu ra ta sử dụng ba khoá này các tín hiệu đóng cắt lần lượt được đưa vào các chân điều khiển, một đầu được nối với tín hiệu hằng zero đầu còn lại được nối với tín hiệu nguồn cung cấp a, b, c tương ứng. Do tại mỗi thời điểm chỉ có một van dẫn mà thôi, vì vậy tín hiệu ra dễ thấy là tổng của các tín hiệu điện áp đóng cắt (hình 4.1) H×nh 4.8 Bé kho¸ ra lý t­ëng mét pha (pha a) víi threshold = 1 Từ các khối ở trên ta xây dựng được sơ đồ Simulink thực hiện thuận toán Venturini để tạo điện áp đầu ra mét pha : ví dụ pha a H×nh 4.9 S¬ ®å khèi t¹o ®iÖn ¸p ®Çu ra mét pha VD pha a Sơ đồ SimuLink tạo áp ra 3 pha có bù nhiễu H×nh 4.10 S¬ ®å khèi t¹o ®iÖn ¸p ra 3 pha cã bï nhiÔu IV.3. Xây dựng mô hình MC cho mét pha dùng Matlab /Pow -er Blockset Sử dụng các phần tử công suát trong thư viện Matlab/Power Blockset ta có thể xây dựng mô hình MC và thu được đặc tính dòng - áp gần sát với thực tế hơn. So với mô hình dùng Matlab/Simulink, mô hình này có một vài điểm khác biệt. Đó là, do bản thân các IGBT có thời gian trễ khi chuyển trạng thái nên không thể áp dụng quá trình chuyển mạch lí tưởng để điều khiển quá trình chuyển mạch giữa các van. Kỹ thuật chuyển mạch được sử dụng ở đây là kỹ thuật chuyển mạch bốn bước. IV.3.1 Xây dựng các BDS và modul công suất 3pha_1pha: H×nh 4.11 M« h×nh kho¸ hai chiÒu kiÓu E chung dïng Matlab/powersys Các BDS được xây dựng từ các khối IGBT và diode mắc theo kiểu CE. Sơ đồ chi tiết của một BDS và modul công suất 3pha-1pha được cho trong hình vẽ. Do các IGBT và diode được xây dựng như những nguồn dòng nên về nguyên tắc chúng không được mắc nối tiếp nhau. Để đảm bảo cho mô hình hoạt động được phải loại bá vai trò mạch bảo vệ của các diode, các mạch bảo vệ của IGBT là các mạch thuần trở với điện trở cỡ MW. IV.3.2. Mô hình hệ thống dùng Matlab/Power Blockset Mô hình bộ khoá chuyển mạch thiết bị khoá hai chiều tải một pha được thể hiện trên hình 4.12. Hình 4.12 sơ đồ chuyển mạch bốn bước xây dựng trên Matlab/powersys IV.4. Phân tích kết quả mô phỏng IV.4.1 Kết quả mô phỏng với tải R_L Tất cả các kết quả mô phỏng đều được thực hiện với thông số của lưới nh­ sau: biên độ hiệu dụng 220(V), tần số lưới 50Hz. Do mô phỏng chỉ đẻ kiểm tra, phản ánh chất lượng sóng vào ra mà không mang tính điều khiển nên tải ở đây ta chọn là tải RL.: Thông số của tải: R=18W, L=70mH; Thông số nguồn: f1 =50Hz, Vim =220*sqrt(2); A = 0 (không có nhiễu) a> q=0.3, f0 = 30Hz Hình 4.13 Hệ thống dòng vào và điện áp vào (VA, IA) H×nh 4.14 HÖ thèng, dßng ®Çu ra cña MC (Ia Ib Ic) Hình 4.15 Hệ thống dòng tải ba pha (Ila, Ilb, Ilc) H×nh 4.16 §iÖn ¸p ®Çu ra MC (Voa) Hình 4.17 Hệ thống điện áp dây Vab và dòng tải Ila*20 b> q=0.5, fo = 30Hz H×nh 4.18 HÖ thèng dßng vµo vµ ®iÖn ¸p vµo (VA, IA) H×nh 4.19 §iÖn ¸p d©y Vab vµ dßng t¶i Ila*20 H×nh 4.20 §iÖn ¸p ®Çu ra MC (Voa) Hình2.21 Hệ thống dòng tải ba pha (Ila, Ilb, Ilc), dòng đầu ra của MC (Ia Ib Ic) Ic> q=0.866, f0 = 30Hz H×nh 4.22 HÖ thèng dßng vµo vµ ®iÖn ¸p vµo (VA, IA); §iÖn ¸p d©y Vab vµ dßng t¶i Ila*20 Hình 4.23 Điện áp đầu ra MC (Voa) d> q=0.5, fo 30Hz, A=10V H×nh 4.24 HÖ thèng dßng vµo vµ ®iÖn ¸p vµo (VA, IA) H×nh 4.25 HÖ thèng ®iÖn ¸p ®Çu ra (Voa) vµ dßng ®©u ra Matrix Converter(Ia,Ib,Ic) H×nh 4.22 HÖ thèng ®iÖn ¸p d©y Vab vµ dßng t¶i Ila*20 a) Nhận xét kết quả mô phỏng : Kết quả mô phỏng chính xác về mặt lý thuyết, đem so sánh với các kết quả được công bố trên các tạp chí khoa học thì có kết quả tương tự. Nhiễu điện áp lưới đã được bù rất tốt, hệ số công suất đầu vào bằng một, dạng sóng dòng điện vào và áp ra là rất sin, đáp ứng biến đổi tần số nhanh và tuyến tính. Mô phỏng logic chuyển mạch không gặp các trường hợp quá áp hay quá dòng, cho ta tin tưởng vào mô hình thiết kế cùng với thuật toán điều khiển để thực hiện thiết kế mạch thật b) So sánh với biến tần nguồn áp + Tính phức tạp Phức tạp hơn do khối lượng tính toán lớn do tồn tại nhiều phép tính lượng giác Vì vậy để thực hiện nó ta không sử dụng được các thiết bị logic để tạo ra sóng sin chuẩn và sóng mang như các bộ PWM của biến tần nguồn áp thông thường Dẫn đến phải sử dụng bộ VXL tốc độ cao. Cờu trúc mạch điều khiển MC thông thường sử dụng 2 VXL làm việc song song trong đó một VXL giải quyết các bài toán liên quan đến thời gian thực, tính toán thời gian dẫn các van trên mạch lực từ các thông số đầu vào; một VXL làm nhiệm vụ điều khiển quá trình chuyển mạch cho các khoá trên mạch lực và giao tiếp với người sử dụng + Khả năng mở rộng của mô hình Mô hình được xây dựng bằng Matlab/Simulink có tốc độ chạy chương trình nhanh được xây dựng thành khối hoàn thiện với đầu vào là các điện áp đích (đặt) đầu ra là điện áp mong muốn. Vì vậy mô hình có thể được dùng trong các mô hình mô phỏng mạch vòng điều khiển kín với động cơ xoay chiều 3 pha. KẾT LUẬN CHUNG Qua thời gian thực thiện đồ án tốt nghiệp, với đề tài “Ngiên cứu bộ biến tần AC-AC Matrix Converter” đã giúp em hiểu rõ hơn những vấn đề lý thuyết và thực tế liên quan đến đề tài nhằm củng cố thêm các kiến thức đã học trong trường. Được sự hướng dẫn, giúp đỡ nhiệt tình của các thầy cô giáo trong bộ môn Tự Động Hoá XNCN, đặc biệt là thày hướng dẫn Trần Trọng Minh cùng với sự nỗ lực của bản thân, đến nay bản đồ án đã tương đối hoàn thành. Trong bản đồ án đã đề cập đến các vấn đề về điện tử công suất đối với bộ biến tần - Matrix Converter - Một bộ biến tần trực tiếp AC/AC, có rất nhiều ưu thế so với các bộ biến tần kinh điển. Tuy nhiên do hạn chế về thời gian và các thiết bị thực hành nên đề tài chưa hoàn thiện đầy đủ. Chỉ dừng lại ở việc mô phỏng dùng Matlab/Simulink. Tôi rất mong được sự góp ý xây dựng và sửa đổi của các thầy cô giáo và các bạn có quan tâm. Xin trân trọng cảm ơn.! Sinh viên thực hiện Trịnh Văn Hải Mục lục Tài liệu tham khảo Tài liệu dùng cho thuật toán điều biến và xây dượng mô hình mô phỏng: [1] Sedat Sunter, Huseyin Altun và Jon C.Clare, “A control technique for compensating the effects of input voltage variation on matrix converter modulation algorithms” MELECON [2] H.Altun và S.Sunter, “ Simulation and modeling of vector controled 3-phase matrix converter indution motor drive ”, ELECO’01. [3] Sedat Sunter và Jon C.Clare, ”feedforward indirect vector control of a matrix converter-fed indution motor drive” compel 19,4 [4] Sedat Sunter và Jon C.Clare(1996), “A true four quadrent matrix converter indution motor drive with servo performance” PESC,Baveno. [5] Y.Tatar,vaf S.Sunter “ Pspice modelling and simulation of a matrix converter-fed indution motordrive” Tài liệu dùng cho chương Chuyển mạch: [6] Cho, J.G. vaf Cho, G.H.(1991), “ soft switched matrix converter for highfrequence direct AC/AC power conversion”, EPE Conf.Rec. [7] Wheeler và J.Clare(1998), “Intelligent commutation of matrix converter bi_directional switch cell using novel gate drive tecniques”,PESC’98. [8] Jochen Mahlein, Jorg Weigold và Olaf Simon, “New concepts for Matrix converter design” IECON’01 [9] Christina Klumpner, Peter Nielsen, Ion Boldea và Frede Blaabjeerg, “ A matrix converter_motor (MCM) for industry application” [10] Peter Nielsen, Frede Blaabjerg,” New protection issues of a matrix converter: Design considerations for adjustable-speed drives” IEEE vol 35, no5, Tháng 9 năm 1999. [11] P.W.Wheeler và D.A. Grant “ A new low loss matrix converter for AC variable-speed drives.” IPEMC’94 trang 851-856. [12] O.Simon và M.brucmann, “EconoMac the first all-in-one IGBT “module for Matrix converter “ [13] L.Empringham, P.M.Wheleer , J.C.Clare “ Bi-dirictional switch curent commutation for Matix converter application” [14] Axel Schuster, “ Amatrix converter without rective clamp elements for an indution motor drive system”. [15] Christina Klumpner và Ion Baldea,”The matrix converter : Overvoltages caused by the output filter , Bidirectional power flow, and Control for artificial, loading of induction motors”. Các tài liệu đọc thêm khác 16] Điện tử công suất, Nguyễn Bính, 1996, NXB Khoa học và kỹ thuật, 1996 17] Giáo trình Điện tử công suất, Trần Trọng Minh, NXB Giáo dục 18] Điều chỉnh tự động truyền động điện, Bùi Quốc Khánh, Phạm Quốc Hải, Nguyễn Văn Liễn, Dương Văn Nghi, NXB Khoa học và kỹ thuật, 1996 19] Điều khiển tự động truyền động xoay chiều ba pha, Nguyễn Phùng Quang, NXB Giáo dục, 1996 20] Điều khiển số máy điện, Lê Văn Doanh, Nguyễn Thế Công, Nguyễn Trung Sơn, Cao Văn Thành, NXB Khoa học và kỹ thuật, 1999 21] Từ điển khoa học kỹ thuật điện, Đỗ Quang Đạt, Đỗ Gia Phan, NXB Khoa học và kỹ thuật, 1999 22] Lý Thuyết điều khiển tự động, Phạm Công Ngô Khoa học và kỹ thuật, 1996 23] Phân tích và giải mạch điện tử công suất, Phạm Quốc Hải, Dương Văn Nghi, NXB Khoa học và kỹ thuật, 1997