TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
VIỆN ĐIỆN
BỘ MÔN TỰ ĐỘNG HOÁ CÔNG NGHIỆP
====o0o====
ĐỒ ÁN II
ĐỀ TÀI:
THIẾT KẾ THUẬT TOÁN CHUYỂN MẠCH BỐN
BƯỚC CHO BIẾN TẦN MA TRẬN
Giáo viên hướng dẫn : TS. Vũ Hoàng Phương
Sinh viên thực hiện : Lê Văn Công
Lớp : ĐK&TĐH 4
Khóa : K58
MSSV : 20130450
HÀ NỘI, 12-2016
Cán bộ hướng dẫn Sinh viên thực hiện
(Ký và ghi rõ họ tên) (Ký và ghi rõ họ tên
3
MỤC LỤC
LỜI MỞ ĐẦU .................................................................................................................... 4
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ BIẾN TẦN MA TRẬN .............................................. 5
1.1. Sự phát triển của biến tần ma trận .......................................................... 5
1.2. Cấu hình cơ bản của biến tần ma trận .................................................... 7
1.2.1. Cấu trúc van bán dẫn 2 chiều .................................................................... 8
1.2.2. Vấn đề bảo vệ mạch công suất cho biến tần ma trận .............................. 10
1.3. Ứng dụng của biến tần ma trận ............................................................ 12
CHƯƠNG 2. VẤN ĐỀ CHUYỂN MẠCH TRONG BIẾN TẦN MA TRẬN ............ 13
2.1. Vấn đề chuyển mạch ............................................................................ 13
2.2. Chuyển mạch bốn bước dựa trên dấu dòng điện tải ............................. 14
CHƯƠNG 3. MÔ PHỎNG HỆ THỐNG BIẾN TẦN MA TRẬN .............................. 17
3.1. Phần mạch lực ......................................................................................... 18
3.2. Phần mạch điều khiển và chuyển mạch .................................................. 18
3.3. Kết quả mô phỏng ................................................................................... 19
KẾT LUẬN ...................................................................................................................... 24
TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................................... 25
Lời mở đầu
4
LỜI MỞ ĐẦU
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 cos )( đầu vào, cho
dòng vào và áp ra có dạng hình sin.
Em được thầy giáo hướng dẫn TS. Vũ Hoàng Phương giao đề tài: “THIẾT KẾ
THUẬT TOÁN CHUYỂN MẠCH 4 BƯỚC CHO BIẾN TẦN MA TRẬN”. Nội dung đồ
án gồm những chương sau:
Chương 1: Tổng quan về biến tần ma trận
Chương 2: Vấn đề chuyển mạch trong biến tần ma trận
Chương 3: Mô phỏng hệ thống biến tần ma trận
Em xin chân thành cảm ơn sự hướng dẫn và giúp đỡ tận tình của thầy giáo TS. Vũ
Hoàng Phương cả về kiến thức và thiết bị thực nghiệm trong quá trình làm đồ án. Do thời
gian thực hiện đồ án ngắn và năng lực còn hạn chế, đồ án của em chắc chắc có nhiều
thiếu sót, mong nhận được sự góp ý của thầy cô và các bạn.
Hà Nội, ngày 17 tháng 12 năm 2016
Sinh viên thực hiện
Lê Văn Công
Chương 1. Tổng quan về biến tần ma trận
5
CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ BIẾN TẦN MA TRẬN
1.1. Sự phát triển của biến tần ma trận
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 cos
đầu vào trong giới hạn của điện áp và cos đầu ra.
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.
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 …
So sánh biến tần ma trận với biến tần gián tiếp
Biến tần hiện nay có thể chia làm 2 loại lớn.
Biến tần gián tiếp
Chương 1. Tổng quan về biến tần ma trận
6
CHỈNH LƯU LỌC NGHỊCH LƯU
U~ U~
Hình 1.1. Cấu trúc tổng quát 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.
a. 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).
b. Lý do xây dựng Matrix Converters
Chương 1. Tổng quan về biến tần ma trận
7
MC 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.
1.2. Cấu hình cơ bản của biến tần ma trận
Trong MC phần công suất hoàn toàn dùng các phần tử bán dẫn, nhiệt độ chịu đựng
cao, có thể lên đến 60 C, độ tin cậy cao, tuổi thọ dài, kích thước giảm nhỏ hơn một cách
đáng kể,có khả năng tích hợp bộ biến tần với động cơ, tạo nên một hệ thống truyền động
thống nhất. Đây là đặc tính ưu việt nhất của MC só với các biến tần phổ biến hiện nay
trong công nghiệp.
Hình 1.2. Cấu hình của MC
Cấu hình cơ bản của một MC được thể hiện trên hình 1.2. Bộ phận cơ bản của MC
là ma trận 3x3, gồm 9 khóa 2 chiều S11,S12,…,S33. Bộ lọc f fL C làm cho dòng đầu vào
trở nên liên tục và gần với dạng sin. Mạch Clamp có tác dụng bảo vệ quá điện áp.
Yêu cầu đặt ra đối với qui luật điều khiển ma trận khóa 2 chiều là:
Chương 1. Tổng quan về biến tần ma trận
8
1. Tổng hợp điện áp đầu ra có dạng sin từ các điện áp đầu vào với tần số theo
yêu cầu, dưới và trên tần số điện áp lưới. Dòng tải sẽ do phụ tải quyết định.
2. Dòng điện đầu vào được tổng hợp từ dòng điện ra và cũng có dạng sin.
3. Năng lượng có thể trao đổi giữa tải với lưới theo cả 2 chiều.
4. Hệ số công suất đầu vào có thể điều chỉnh được , không phụ thuộc tải và
tính chất của tải.
1.2.1. Cấu trúc van bán dẫn 2 chiều
Khóa bán dẫn hai chiều (Bi-directional Switch - BS) là một khóa bán dẫn có thể
dẫn dòng theo cả hai chiều và có thể khóa điện áp theo cả hai chiều.
a. Khóa bán dẫn hai chiều
Hiện nay các khóa bán dẫn hai chiều được xây dựng từ các van IGBT một chiều và
các diode. Sau đây là các cấu trúc khóa bán dẫn hai chiều được xây dựng.
Cấu trúc mạch cầu diode (a) sử dụng 1 van IGBT và 4 diode, cấu trúc này chỉ
sử dụng một phần tử tích cực nhưng có tổn thất cao do khi dẫn có 3 van dẫn bao
gồm 1 IGBT và 2 diode.
Cấu trúc E – chung (b) sử dụng 2 van IGBT mắc theo kiểu E chung, có thể
điều khiển được dòng điện theo cả hai chiều, khi dẫn có 1 IGBT và 1 diode dẫn
nên tổn thất bé hơn so với cầu diode, với cấu trúc này cần 9 nguồn cách ly.
Cấu trúc C chung (c) sử dụng 2 van IGBT mắc theo kiểu C chung, cấu trúc này
giống kiểu E chung nhưng chỉ cần 6 nguồn cách ly điều khiển các khóa bán dẫn
2 chiều ma trận.
Cấu trúc RB-IGBT sử dụng phẩn tử có thể khóa điện áp theo cả 2 chiều , cần 6
nguồn cách ly.
Hình 1.3. Cấu trúc khóa bán dẫn 2 chiều
Chương 1. Tổng quan về biến tần ma trận
9
Bảng 1.1. So sánh cấu trúc khóa bán dẫn 2 chiều
b. Các module công suất
Một số module đặt trước dành cho các dự án đặc biệt hay dành cho thử nghiệm
nghiên cứu, được đưa ra. Một số module đã có sẵn trên thị trường.
Module 600V-300A cấu trúc E chung bao gồm các IGBT và diode tạo nên một
nhánh đầu ra của MC, ngoài ra cấu trúc này có 2 Schotky mắc ngược song song nối ở đầu
ra dùng để phát hiện chiều dòng điện để chuyển mạch
Hình 1.4. Module 600V-300A
Module 1700V-600A, bao gồm 3 khóa bán dẫn hai chiều theo cấu trúc E chung,
sản xuất bởi DYNEX SEMICONDUCTOR.
Hình 1.5. Module 1700V-600A
Chương 1. Tổng quan về biến tần ma trận
10
Module 1200V-100A sử dụng RB-IGBTs phát triển bởi Powerex Coporation,
USA và Mishubishi Electric Power Semiconductor Works.
Hình 1.6. Sơ đồ nguyên lý module 1200V-10A sử dụng RB-IGBTs
1.2.2. Vấn đề bảo vệ mạch công suất cho biến tần ma trận
a. Mạch Clamp
Mạch Clamp bao gồm hai cầu chỉnh lưu 3 pha với mạch xoay chiều là phía nguồn
và phía đầu ra trên tải, có chung mạch một chiều là tụ C. Bình thường, tụ C được nạp
điện đến giá trị biên độ của điện áp vào hoặc điện áp ra, tùy theo giá trị nào cao hơn. Khi
có các xung điện áp ở phía lưới hoặc ở phía tải cao hơn điện áp trên tụ các điôt sẽ mở
thông để tụ hấp thụ năng lượng của các xung áp này. Nếu điện dung của tụ đủ lớn điện áp
trên tụ sẽ thay đổi không đáng kể, đảm bảo điện áp trên ma trận khóa được giữ trong
phạm vi cho phép. Về phía lưới, quá áp có thể xảy ra khi có các phần tử đóng cắt tác
động hoặc bởi sóng sét truyền trên đường dây. Về phía tải, quá áp nguy hiểm có thể xảy
ra khi ngắt nguồn MC gây nên dòng tải bị ngắt tức thì. Mạch Clamp giống như một mạch
hạn chế điện áp song song với mỗi phần tử khóa hai chiều trong sơ đồ MC. Các điôt
trong mạch Clamp phải là các điôt nhanh để có tác dụng cắt ngay các xung điện áp có độ
rộng rất ngắn.
b. Bộ lọc đầu vào.
Dòng đầu vào bao gồm những xung dòng được tổng hợp từ dòng đầu ra, bao gồm
những thành phần sóng hài cơ bản ở tần số lưới và các thành phần sóng hài bậc cao, là bội
số của tần số lấy mẫu. Do tần số lấy mẫu rất lớn so với tần số điện áp lưới nên kích thước
bộ lọc nhỏ không ảnh hưởng đáng kể tới kích thước của mạch lực. Bộ lọc đầu vào cần
được thiết kế để dòng đầu vào liên tục và gần với dạng sin nhất.
Chương 1. Tổng quan về biến tần ma trận
11
ai
bi
ci
LC
Hình 1.7. Mô hình lọc LC
Khi tính toán bộ lọc LC cho đầu vào cần dựa trên các nguyên tắc sau:
Tại tần số cơ bản =50Hz thì <<
Để chất lượng đầu ra không bị ảnh hưởng bởi sụt áp . 10 |L L L SU I X U
Tại sóng hài bậc cao h h
C LX X
Để giảm quá độ do cộng hưởng củamạch LC, ta đưa thêm điện trở
2L
RC
Tần số cắt của bộ lọc 1
f
f fL C được chọn sao cho
5
sf
với
2s sf là tần số cắt mẫu,
c. Các phương pháp điều chế
Các phương pháp điều chế xác định quy luật điều khiển các khóa bán dẫn hai
chiều để tạo nên điện áp đầu ra từ các pha điện áp đầu vào và tổng hợp nên dòng đầu
vào từ các dòng đầu ra. Về cơ bản cho đến nay có bốn phương pháp điều chế chính sau
đây:
Phương pháp Venturini-Alesina.
Phương pháp 3M.
Phương pháp vectơ không gian gián tiếp (Indirect Space Vector
Modulation-ISVM).
Phương pháp vectơ không gian trực tiếp (Space Vector Modulation-
SVM).
Chương 1. Tổng quan về biến tần ma trận
12
Trong khuôn khổ đồ án này, ta thiết kê điều khiển bằng phương pháp SVM. Ưu
điểm của SVM là trong mỗi chu kỳ cắt mẫu có thể chỉ cần xác định góc pha của điện áp
đầu vào, tương đối so với các thời điểm điện áp nguồn qua không mà không cần quan
tâm đến giá trị tức thời của điện áp. Điện áp đầu ra được xác định theo tần số yêu cầu
và hệ số biến điệu mong muốn.
1.3. Ứng dụng của biến tần ma trận
MC có ứng dụng trong lĩnh vực truyền động giống như các biến tần thông
thường với các ưu điểm cơ bản là kết cấu gọn nhẹ và làm việc được ở cả bốn góc
phần tư.
MC có tiềm năng ứng dụng trong lĩnh vực truyền tải điện như một bộ biến đổi
nối giữa hai lưới điện có tần số tiêu chuẩn khác nhau ( 50/60 Hz).
MC có thể ứng dụng trong các bộ lọc tích cực nối tiếp với lưới điện. Với dòng
đầu vào và ra đều hình sin và hệ số công suất thay đổi được, các bộ tụ lọc tĩnh sẽ
được điều khiển trong một chế độ tối ưu nhất.
Chương 2: Vấn đề chuyển mạch trong biến tần ma trận
13
CHƯƠNG 2
VẤN ĐỀ CHUYỂN MẠCH TRONG BIẾN TẦN MA
TRẬN
2.1. Vấn đề chuyển mạch
Chuyển mạch là quá trình chuyển dòng điện từ một van đang dẫn sang một
van vừa mới được điều khiển mở ra. Chuyển mạch có thể xảy ra tự nhiên, nghĩa là một
van mới mở sẽ tạo điều kiện để khóa van đang dẫn lại, hoặc xảy ra theo một trình tự
cưỡng bức, nghĩa là phải có giải pháp để khóa van đang dẫn lại thì dòng tải mới
chuyển sang van vừa mới điều khiển mở ra. Chuyển mạch là một quá trình phức tạp
trong sơ đồ các bộ biến đổi nói chung và trong MC nói riêng. Trong sơ đồ các bộ biến
đổi có hai phương pháp chuyển mạch, đó là chuyển mạch theo dòng và chuyển mạch
theo áp. Do dòng điện là yếu tố quyết định phản ánh tính dẫn mở van, cũng như phản
ánh quá trình năng lượng nên phương pháp chuyển mạch theo dòng được quan tâm
hơn, trong nội dung chương này sẽ trình bày phương pháp chuyển mạch bốn bước dựa
trên dấu dòng điện tải và chuyển mạch bốn bước dựa trên dấu điện áp.
Quá trình chuyển mạch trong MC cần phải đảm bảo hai quy tắc sau:
Không được ngắn mạch phía lưới: đảm bảo không xảy ra hiện tượng ngắn mạch
điện áp lưới gây ra xung dòng điện lớn phá hủy các van bán dẫn
Không được hở mạch phía tải: đảm bảo không gây ra hiện tượng hở mạch phía tải
vì nếu tải có tính cảm thì sự hở mạch đột ngột sẽ gây ra biến thiên dòng tải quá
lớn, tạo ra xung áp đánh thủng các van bán dẫn.
Có hai phương pháp chuyển mạch đơn giản đó là: chuyển mạch có thời gian chết và
chuyển mạch trùng dẫn, hai phương pháp này đều vi phạm một trong hai quy tắc vừa nêu
trên, để đảm bảo bộ biến đổi khỏi quá áp hay quá dòng thì cần thêm các mạch phụ trợ
như cuộn cảm, mạch snubber, hay mạch Clamp.
Ví dụ hình 2.1 giả sử khi có yêu cầu chuyển mạch từ pha a sang pha b, trong
trường hợp lý tưởng thì khi khóa S1 ngắt thì khóa S2 đóng lại đồng thời nên sẽ không có
hiện tượng hở mạch đầu ra hay ngắn mạch đầu vào.
Tuy nhiên do các van bán dẫn thực tế có thời gian đóng, ngắt hữu hạn nên các ban
bán dẫn không thể đóng ngắt đồng thời được, do đó để có thể điều khiển được quá trình
Chương 2: Vấn đề chuyển mạch trong biến tần ma trận
14
chuyển mạch, buộc phải vi phạm một trong hai quy tắc trên. Các mạch phụ trợ phải thêm
vào để bảo vệ các van bán dẫn khỏi quá áp, quá dòng.
Ua
Ub
SaA1
SaA2
SbA1
SbA2
IL
Hình 2.1. Chuyển mạch từ pha a sang pha b
2.2 . Chuyển mạch bốn bước dựa trên dấu dòng điện tải
Phương pháp để đảm bảo hai quy tắc trên là chuyển mạch bốn bước dựa trên dấu
dòng điện tải. Để giải thích phương pháp này chúng ta sử dụng hình 2.2.
SaA
SbA
SaA1
SaA2
SbA1
SbA2
td
Hình 2.2. Biểu đồ thời gian phương pháp chuyển mạch bốn bước dựa trên dấu dòng điện tải
Logic chuyển mạch 4 bước như sau:
Bước 1: SaA2 không tham gia dẫn dòng nên SaA2 sẽ mất tín hiệu ngay.
Bước 2: Van ở pha b chuẩn bị vào dẫn dòng, SbA1 được điều khiển mở.
Dòng sẽ chạy qua SbA1 tại thời điểm đó hoặc tại thời điểm tiếp theo, trong
bước thứ ba.
Chương 2: Vấn đề chuyển mạch trong biến tần ma trận
15
Bước 3: SaA1 mất tín hiệu điều khiển.
Bước 4: Tín hiệu điều khiển đưa đến SbA2 để đảm bảo dòng pha b có thể
chạy theo cả hai chiều.
Đồ thị thời gian của quá trình được thể hiện trên hình 2.7. Theo hình 2.7 mỗi bước
thực hiện cách nhau một khoảng thời gian td, là thời gian khóa, mở của IGBT, cỡ 1,5 –
2,5 µS. Quá trình xảy ra đối với dòng iL<0 có thể đượcsuy luận tương tự. Như vậy trong
chuyển mạch 4 bước thời gian để hoàn tất một quá trình chuyển mạch là vào khoảng
4,5÷7,5 µS.
Quá trình trình toán các hệ số biến điệu cho MC sẽ tạo ra tín hiệu điều khiển mở
các khóa hai chiều sao cho tại một thời điểm bất kỳ không có hai pha đầu vào nào được
nối với cùng một pha đầu ra. Do đó quá trình chuyển mạch là độc lập đối với mỗi pha
đầu ra. Với mỗi pha đầu ra sẽ diễn ra quá trình chuyển mạch giữa 3 pha đầu vào với
nhau, trong đó quá trình là như nhau giữa a-b, b-c và c-a.
Như vậy ta có thể biểu diễn logic chuyển mạch 4 bước của chuyển mạch ba pha
như sau qua hình
SaA1
SbA1
ScA1
00-11-00
00-00-11
01-00-00
01-00-01
00-00-01
10-00-00
10-00-10
00-00-10
10-00-00
10-10-00
00-00-00
01-00-00
01-01-00
00-01-00
00-01-00
00-01-01
00-00-01
00-10-00
00-10-10
00-00-10
IL>0 IL<0
11-00-00
SaA1SaA2-SbA1SbA2-ScA1ScA2
SaA2
SbA2
ScA2
Hình 2.3. Biểu đồ logic trạng thái của phương pháp chuyển mạch bốn bước dựa trên dấu dòng
điện ra tải cho một pha đầu ra
Chương 2: Vấn đề chuyển mạch trong biến tần ma trận
16
Hình 2.4. Trạng thái logic trong chuyển mạch 3 pha.
Trong trường hợp dòng điện tải bé rất khó có thể xác định chiều dòng điện, để
tránh vấn đề này, có thể sử dụng điện áp trên khóa bán dẫn hai chiều để xác định dấu
dòng điện. Giả sử V1 là điện áp thuận rơi trên van bán dẫn S1a và V2 là điện áp thuận rơi
trên van bán dẫn S1b . V1 và V2 tương ứng sẽ là dương và âm khi S1 dẫn dòng tải dương,
tương tự khi dòng tải âm thì V1 và V2 tương ứng sẽ là âm và dương. Do đó đo điện áp
trên một nửa của khóa bán dẫn hai chiều có thể xác định được chiều dòng điện.
Hình 2.5. Stateflow chuyển mạch 4 bước 1 pha đầu ra
Chương 3. Mô phỏng hệ thống biến tần ma trận
17
CHƯƠNG 3
MÔ PHỎNG HỆ THỐNG BIẾN TẦN MA TRẬN
Trong chương này ta tiến hành đi xây dựng mô hình và mô phỏng hệ thống biến
tần ma trận.
Hình 3.1. Sơ đồ cấu trúc mô phỏng biến tần ma trận
Mô hình biến tần ma trận bao gồm 2 phần chính:
Phần mạch lực ( Power block), phần mạch điều khiển ( Controller ).
Sử dụng phần mềm Matlab để mô phỏng theo cấu trúc như sau
Hình 3.2. Mô hình mô phỏng MC trong Matlab/Simulink
Chương 3. Mô phỏng hệ thống biến tần ma trận
18
3.1. Phần mạch lực
Hình 3.3. Tổng quan về mạch lực của MC
Phần mạch lực : Mô phỏng hệ thống điện áp 3 pha đầu vào ua, ub, uc, mạch lọc
LC đầu vào, bộ biến đổi kiểu ma trận với các khóa hai chiều dùng IGBT, mạch phụ tải 3
pha
a. Hệ thống điện áp 3 pha ua, ub, uc được xây dựng bằng 3 khối AC Voltage
Source với các thông số : Biên độ 220*sqrt(2) (V), tần số 50 (Hz), góc pha đầu
lệch nhau 2π/3.
b. Mạch lọc LC đầu vào được xây dựng bằng các phần tử cuộn cảm L và tụ điện
C.
c. Khối van IGBT
Hình 3.4. Xây dựng BDS 2 chiều trong Matlab- Simulink
3.2. Phần mạch điều khiển và chuyển mạch
Chương 3. Mô phỏng hệ thống biến tần ma trận
19
Hình 3.5. Cấu trúc phần điều khiển SVM của MC
Mạch điều khiển ( Controller ):
Mô phỏng các khâu đồng bộ điện áp, đặt tần số, tính toán thời gian đóng cắt,
PWM, mã hóa và lựa chọn tổ hợp van theo phương pháp SVM.
Khối chuyển mạch 4 bước
Nhiệm vụ của khối là từ 9 tín hiệu mở van BDS đưa ra được 18 tín hiệu mở van
cho 18 van IGBT được mắc E chung trong các van 2 chiều và được mô phỏng bằng khối
StateFlow trong Matlab/Simulink.
Hình 3.6. Bên trong khối 4-step switching
3.3. Kết quả mô phỏng
Ta tiến hành mô phỏng với các thông số :
Chương 3. Mô phỏng hệ thống biến tần ma trận
20
Tần số lưới fin=50hz, Tải RL với R=10 Ohm, L=10mH, hệ số điều chế
m=0.866, tần số phát xung fc=5Khz
Mô phỏng cho tần số fout=50 Hz trong hai trường hợp không có lọc và có
bộ lọc LC đầu vào
Tính toán thông số cho bộ lọc:
Với tần số lưới 50Hz, điện áp rơi trên bộ lọc nhỏ nên có thể coi điện áp đầu vào biến
tần ma trận xấp xỉ điện áp lưới (Ul). Điện áp đầu vào này tạo ra dòng phản kháng (I0)
chảy trong các tụ điện của bộ lọc. Dòng I0 làm lệch pha dòng và áp đầu vào dẫn tới giảm
hệ số công suất đầu vào.
Trong đó :
I0 : Dòng không tải
X50 : Tổng trở của bộ lọc
Ul : Điện áp lưới
i : Tần số góc điện áp lưới
Thành phần cơ bản của dòng điện chảy qua Matrix Converter được tính theo công
thức:
050
3 i
PI
U
Trong đó :
50I : Thành phần dòng điện cơ bản của biến tần
0P : Công suất đầu ra của biến tần
Công thức tính góc lệch của dòng và áp đầu vào:
1 0
50
tani
I
I
Ta có thể tìm được giá trị điện dung lớn nhất của bộ lọc để đạt được hệ số công suất
theo yêu cầu :
0 maxmax 2
0
tan( )tan( )
/ 3 3
i i F ii F
i i i
U C PC
P U U
6
2
2, 2.1000.0,15.10 (F) 5( F)
3.220 .100.πFC
Chương 3. Mô phỏng hệ thống biến tần ma trận
21
Giá trị của các phần tử điện cảm LF được xác định nhờ biểu thức sau:
22
0 2
11.
ofCL
Trong đó fo là tần số cắt của mạch lọc LC ( 0,1fs < fo < 0.5fs), thường chọn bằng 1/5 tần
số đóng cắt. Chọn tần số đóng cắt của van là 5 kHz ta được fo = 1 kHz. Vậy giá trị điện
cảm L được tính bằng 2 6
15( )
(2 .1000) .5.10mH
.
- Kết quả mô phỏng:
Hình 3.7. Điện áp ra (trên), dòng điện đầu ra (dưới) với fout=50hz khi chưa có bộ lọc đầu vào
Chương 3. Mô phỏng hệ thống biến tần ma trận
22
Hình 3.8. Điện áp đầu vào (trên), dòng điện đầu vào (dưới) fout =50hz (chưa có bộ lọc đầu vào)
Hình 3.9. Dòng điện và điện áp đầu vào (trên), dòng điện đầu vào (dưới), fout=50hz, có bộ lọc
đầu vào
Từ các kết quả mô phỏng nhận được cho thấy, điện áp đầu ra có dạng là các xung
áp lặp lại các giá trị của các điện áp dây đầu vào, hầu như không có quá áp, điều này
chứng tỏ tính đúng đắn của các bước lô gic chuyển mạch, dòng điện đầu vào sau khi lọc
có dạng sin và trùng pha với điện áp đầu vào (mô phỏng với cos 1 ), dòng diện đầu ra
có dạng sin, tần số đầu ra đúng với tần số đặt.
Chương 3. Mô phỏng hệ thống biến tần ma trận
23
Hình 3.10. Đồ thị điện áp và dòng điện đầu ra khi có chuyển mạch 4 bước
Hinh 3.11. Đồ thị trong iSaA1, iSaA2
Kết quả khi lắp thêm bộ chuyển mạch 4 bước cho thấy, dạng điện áp dây
trên tải uAB cho thấy hầu như các van chuyển mạch mà không gây ra quá điện
áp. Dòng điện ra Iabc có dạng sin cho thấy tính chính xác của việc thực hiện quy
luật biến điệu. Các đồ thị dòng iSaA1, iSaA2 cho thấy IGBT của khóa hai chiều
của pha đầu vào a tham gia vào việc tạo nên dòng tải.
Chương 3. Mô phỏng hệ thống biến tần ma trận
24
KẾT LUẬN
Qua thời gian thực thiện đồ án 2, với đề tài “Thiết kế hệ điều khiển cho biến tần
ma trận 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 thầy giáo ThS. Vũ Hoàng Phương đã
có nhiều hướng dẫn giúp em hoàn thiện tốt hơn đồ án này.
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. Theo yêu cầu của đồ án 2, đề tài chỉ dừng lại ở việc tìm hiểu sơ đồ
mạch lực và mô phỏng dùng Matlab/Simulink.
Tuy nhiên trong báo cáo này vẫn còn nhiều thiếu sót, em rất mong được sự góp ý
xây dựng và sửa đổi của các thầy cô giáo và các bạn có quan tâm.
Em xin trân trọng cảm ơn.!
Hà Nội, ngày 17 tháng 12 năm 2016
Sinh viên thực hiện
Lê Văn Công
Phụ lục
25
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] Trần Trọng Minh, “Xây dựng biến tần kiểu ma trận”, Luận án tiến sĩ chuyên
ngành tự động hóa công nghiệp ĐHBKHN, 2007.
[3] Jose Rodriguez, Marco Rivera, Johan W. Kolar, Patrick W. Wheeler, “A
Review of Control and Modulation Methods for Matrix Converters”, IEEE Transactions
On Industrial Electronics, Vol. 59, No. 1, January 2012.
[4] Lee Empringham, Johann W. Kolar, Jose Rodriguez, Pat W. Wheeler, Jon C.
Clare, “Technological Issues and Industrial Application of Matrix Converters: A
Review”, IEEE Transactions On Industrial Electronics, Vol.60, No.10, October 2013.
[5] Marco Matteini, “Control techniques for matrix converter adjustable speed
drives”, PhD thesis, Department of Electrical Engineering, Univesity of Bologna.
Top Related