những vấn đề cơ bản của Matrix Converter và nghiên cứu lý thuyết
và thực hiện mô phỏng bằng phần mềm Matlab
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 dùa 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.
1
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
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
3
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 cosϕ đầu vào trong giới hạn của
điện áp và cosϕ đầu ra.
Năm 1991 In Roy và April, Ishiguro đưa ra một líp các thuật toán vô
hướng nhờ dùa 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
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
6
a
C
c
b
B
A
S11
S13
S12
a)
S21
S23
S22
S31
S33
S32
a
c
b
U~
f1
H×nh 1-3 CÊu tróc biÕn tÇn trùc tiÕp
nng lng cao, thờm vo ú l kh nng thc hin tỏi sinh nng lng tr v
li m khụng cn cú mch in phụ.
Tuy nhiờn s mch ny khỏ phc tp, vỡ cú s lng van ln, nht l
vi mch 3 pha. Vic thay i tn s f
2
khỏ khú khn v ph thuc vo f
1
, vỡ
vy hin nay ch yu ch cú bin tn loi ny vi phm vi iu chnh f
2
f
1
.
Bin tn giỏn tip .
in ỏp xoay chiu u tiờn c chuyn thnh mt chiu nh mch
chnh lu, sau ú qua b lc ri mi bin tr v in ỏp xoay chiu vi tn s f
2
. Vic bin i nng lng 2 ln lm gim hiu sut bin tn, bự li loi bin
tn ny cho phộp d dng thay i tn s f
2
khụng ph thuc f
1
trong di tn
rng c trờn ln di f
1
vỡ tn s ra ch ph thuc vo mch iu khin.
+ 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 mét
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
∗ Sù 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.
+ Sè 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 :
9
+ 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 cosϕ
i
, độ lệch pha
giữa dòng và áp vào ( ϕ
i
) có thể > 0, = 0, hoặc < 0.
+ Do dùng van 2 chiều nên có thể hoạt động ở 4 góc phần tư mà không
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
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.
11
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.
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
13
+ 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
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.
* 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.
16
H×nh 1-7 : cÊu tróc cÇu ®ièt
H×nh 1-8 : cÊu tróc 2 IGBT song song ng=îc E chung
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
* 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
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
V
CE
, 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.
19
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”
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.
21
!"#
$%&'
(
(
(
H×nh 1-12 nguyªn t¾c ho¹t ®éng cña m¹ch ®iÒu khiÓn
I.3 Vn bo v mch cụng sut cho Matrix Converter
Ta bit rng Matrix Converter lm vic t hiu qu tt nht thỡ cn
thờm vo nhng mch ph, m bao gm cỏc phn t phn khỏng, bo v
khi cỏc s c v ci thin cht lng in ỏp ra cng nh dũng in vo. Cỏc
mch ú gm mch snubber, mnh clamping, v b lc u vo LC. Trong mt
s nghiờn cu v quỏ trỡnh chuyn mch, ó a ra phng phỏp chuyn mch
thụng minh m khụng cn mch snubber, nhm gim ti a s lng cỏc van
bỏn dn cú trong Matrix Converter. Tuy nhiờn b lc u vo LC v mch
+ Tng ti a h s cụng sut cos u vo vi mt cụng sut u ra ó
cho nh nht
+ Gim nh th tớch v trng lng ca b lc vi mt cụng sut phn
khỏng ó cho.
+ Gim nh in ỏp ri trờn in cm ca b lc khi dũng nh mc
tng ti a t s truyn in ỏp q
23
Hình 1-14 Cấu hình bộ lọc đầu vào
Hình 1-13 Cấu hình dạng khối tổng quát của Matrix Converter với động cơ cảm ứng
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 (E
i
). Điện áp E’
i
tạo ra dòng điện phản kháng (I
0
) chảy trong các tụ điện
của bộ lọc C
F
. 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 I
0
được tính như sau:
F
1
50
0
(1.1)
Với I
0
là dòng không tải, X
50
là điện trở tổng của bộ lọc, ω
i
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 (I
50
) tính
được nhờ công suất đầu ra của biến tần và giá trị điện áp vào.
I
50
=P
0
/3*E
i
(1.2)
Dòng điện đầu vào tổng cộng của Matrix Converter và bộ lọc bằng tổng
của dòng điện không tải (I
0
) với dòng điện chủ đạo từ Matrix Converter (I
50
=
50
0
1
I
I
tg
i
ϕ
(1.3)
Thay I
50
=P
0
/3*E
i
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
ii
E
i
tg
F
C
i
E
F
C
ii
E
nhất chấp nhận được. Điện cảm được chọn phụ thuộc vào tần số cắt mong
muốn của bộ lọc là f
0
F
C
F
L
f
π
2
1
0
=
(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 cosϕ
i
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.
25
Copyright: Tài liệu đại học ©