nghiên cứu bộ biến tần ac-ac matrix converter

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

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

1

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( ϕ )đầu

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

2

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 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

1980-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 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

3

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 Directional Switch-BDS) được sắp xếp thành 3 nhóm, mỗi nhóm tương ứng

(Bi-4

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 Σ 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,

a)

S21

S23 S22

S31

S33 S32

a c b

A B C

b)

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

∗ 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

∗ Biến tần gián tiếp

6

f2

U=

ChØnh l­u

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 :

∗ 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:

7

+ 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 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 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

8

B¶ng 1: So s¸nh sè lîng van b¸n dÉn trong Matrix

Converter víi 2 lo¹i VSI

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

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

9

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

10

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

11

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

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 IGBT có thời gian đóng cắt nhanh hơn transistor thường, thời gian trễ khi mở cỡ 0.15µs , giống nh đối với MOSFET Thời gian trễ khi khoá là 1µs, giống nh với transistor thường Dạng tín hiệu điều khiển thường là 15v khi mở

0

-15v

+15v

E C G

b Cỏc cấu trỳc của khúa 2 chiều

* Cấu trỳc cầu diode

Khoỏ hai chiều sẽ gồm: một IGBT là khoỏ một chiều ở tõm của cầu diode một pha nh ( hỡnh 1-7)

Thuận lợi chớnh là cả hai chiều đều qua 1 van IGBT, cho nờn chỉ yờu cầu một (gate drive) cổng điều khiển cho mỗi lần chuyển mạch Nhược điểm lớn nhất là tổn hao dẫn dũng lớn vỡ cú 3 van (1 IGBT và 2 FRD) trờn một đường dẫn Hướng của dũng qua van đúng cắt là khụng điều khiển được Đõy là một bất lợi dẫn đến khụng được sử dụng với nhiều phương phỏp chuyển mạch tin cậy Hơn nữa tổn hao đúng cắt cũng lớn vỡ sự đúng cắt là cứng

* Cặp IGBT và Diode mắc song song ngược E chung

Sự cấu trỳc khoỏ hai chiều là gồm 2 diot và 2 IGBT mắc song song ngược nh ( hỡnh 1-8) Cỏc điụt thờm vào để tạo ra khả năng ngăn điện ỏp ngược

13

Hình 1-7 : cấu trúc cầu điốt

Hình 1-8 : cấu trúc 2 IGBT song song ngược E chung

Cú vài ưu thế khi sử dụng nếu so sỏnh với cầu điụt Đầu tiờn là khả năng điều khiển độc lập chiều dũng điện Tổn hao dẫn dũng cũng giảm bởi vỡ chỉ cú

2 van dẫn dũng ở một thời điểm, tổn hao đúng cắt cũng giảm vỡ quỏ trỡnh đúng cắt là bỏn mềm(semi-soft) Một bất lợi là mỗi một khoỏ 2 chiều yờu cầu một nguồn cỏch ly riờng cho mỗi mạch điều khiển.Tuy nhiờn cả hai van IGBT cú thể điều khiển với cựng một điện ỏp

* Cặp IGBT và Diode đấu song song ngược C chung

Sự sắp xếp bố trớ cỏc van giống nh mạch E chung, nhưng IGBT được nối

C chung nh (hỡnh 1.9)

Tổn hao là tương đương với kiểu E chung, Thuận lợi của phương phỏp này so với mạch E chung là chỉ cần 6 nguồn cung cấp được cỏch ly để cung cấp cho cỏc tớn hiệu điều khiển cổng Tuy nhiờn kiểu sắp xếp này là khụng tiện lợi trong thực tế bởi vỡ cảm ứng giữa cỏc khoỏ chuyển mạch gõy ra vấn đề Đồng thời mỗi van cũng phải được điều khiển với cỏc điện ỏp khỏc nhau dẫn đến việc điều khiển biến tần sẽ càng phức tạp Chớnh vỡ thế cấu hỡnh E chung thường được dựng để tạo ra cỏc phần tử khoỏ 2 chiều cho Matrix Converter

c) Xõy dựng khoỏ 2 chiều tớch hợp trong một mụđun cụng suất

Mục đớch của việc tớch hợp cỏc khoỏ 2 chiều trong một mụđun cụng suất là:

+ Giảm thể tớch chiếm chỗ của cỏc van bỏn dẫn silicon

+ Giảm cỏc đầu nối mụđun cụng suất đồng thời giảm điện cảm múc vũng phớa đầu vào, và giảm giỏ thành sản xuất

14

Hình 1-9 : Cấu trúc 2 IGBT song song ngược C chung

+ 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

+ 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

15

H×nh 1-10 M¹ch ®iÖn m«®un c«ng suÊt 3pha/1pha khi sö dông

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

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

17

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.

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

18

Thùc hiÖn lÖch

§iÖn ¸p thø cÊp BAX

§iÖn ¸p ®iÒu khiÓn van 0,6 ms

Läc ®Çu vµo

M¹ch

3 (A,B,C) 3

I.3.1 Bộ lọc đầu vào LC

Bộ lọc đầu vào, là bộ lọc thụng thấp, gồm một mạch LC nối tiếp, cú tỏc dụng cải thiện dạng súng của dũng điện vào bằng cỏch loại bỏ những thành phần súng hài bậc cao Như vậy cần phải tớnh toỏn bộ lọc sao cho nú cú điện khỏng nhỏ nhất (cộng hưởng) với súng hài cơ bản và cú điện khỏng lớn đối với cỏc súng hài bậc cao đồng thời giảm nhỏ tổn thất cũng như kớch thước của bộ lọc

Việc thiết kế một bộ lọc đầu vào cần cú:

+ Tạo ra tần số phúng nạp (cut-off) thấp hơn tần số đúng cắt

+ Tăng tối đa hệ số cụng suất cosϕ đầu vào với một cụng suất đầu ra đó cho nhỏ nhất

+ Giảm nhỏ thể tớch và trọng lượng của bộ lọc với một cụng suất phản khỏng đó cho

19

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

+ 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:

F C i i jE F

C i F L i j

i E X

i

E

ω ω

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 cosϕi > 0,9 thì công suất đầu ra P0 > 10% công suất định mức)

20

I tg i

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

i i E i

tg F

C i

E F

C i i

E i

tg

ω

ϕ ω

3

max) , ( 0 P

* /3 0 P max) ,

F C F L

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

21

H×nh 1-15 Bé läc ®Çu vµo víi ®iÖn trë h¹n chÕ (damping)

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%)

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)

Cf

vµo MC

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

23

thời gian ngắn (tỡnh huống khẩn cấp) Như vậy năng lượng khi thoỏt ra sẽ được giảm nhờ tăng lớn nhất tổn hao trờn động cơ Đạt được điều này do tăng cỏc hài dũng điện của động cơ khi mà từ thụng động cơ khụng thể điều khiển được

Trong quỏ trỡnh ngắt nguồn toàn bộ chỉ cú 2 khả năng của cỏc trạng thỏi đúng cắt làm động cơ tỏch ra khỏi lưới

+ Trạng thỏi zero-vectors (aaa, bbb, ccc) sẽ nối tất cả cỏc đầu của động

cơ tới 1 đầu của lưới (Hỡnh1.16a) Bởi vỡ khi làm việc từ thụng rụto và tốc độ động cơ khụng thể bằng 0 nờn ngắn mạch động cơ sẽ làm dũng stator tăng lờn

+ Trạng thỏi khụng nối tất cả cỏc khoỏ, vỡ vậy dũng động cơ sẽ chảy qua mạch clamp.(Hỡnh 1.16b).Vỡ điện ỏp trong mạch clamp là cao hơn biờn độ sức điện động (EMF) của động cơ, điều này làm dũng stator sẽ giảm xuống

Bằng cỏch thay đổi 2 trạng thỏi đúng cắt trờn sẽ tạo ra sự biến đổi năng lượng cơ thành năng lượng điện đồng thời cho phộp từ thụng rụto động cơ tắt dần Trờn hỡnh 1-16 đưa ra đường dẫn dũng chảy năng lượng

24

Hình 1-17 Đường dẫn năng lượng khi hãm với mạch clamp

Dòng chảy năng lượng Cơ năng

Điện cảm móc vòng Stator

Mạch Clamp

Bộ băm có R h∙m Nhiệt năng

Nhiệt

Zero Vector

Bộ chọn trạng thái các khóa đầu ra

Không nối các khóa MC

Động cơ

cảm ứng

Matrix Converter

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

25

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

26

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

3

2 2

2 0

L s

Snub

CV C

R I f

(1.6)

Với fs là tần số đóng cắt, τ 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

27

II.1 Tổng quỏt về quỏ trỡnh chuyển mạch

II.1.1 Chuyển mạch tự nhiờn và chuyển mạch cưỡng bức

Chuyển mạch là quỏ trỡnh dũng điện chuyển từ van đang dẫn (nhưng sắp ngắt) này sang van chưa dẫn (nhưng sắp dẫn) khỏc

a) Chuyển mạch tự nhiờn.

Điểm chuyển mạch tự nhiờn là thời điểm ở đú cú sự tự chuyển van dẫn

từ van này sang van khỏc, một van mới mở ra sẽ tạo điều kiện khúa một van đang dẫn lại

Vớ dụ: Sự chuyển mạch của cỏc van dưới tỏc dụng của điện ỏp lưới xoay chiều nh trong cỏc bộ biến đổi phụ thuộc (chỉnh lưu, biến tần trực tiếp…)

b) Chuyển mạch cưỡng bức

Cỏc van nếu cựng nằm dưới điện ỏp một chiều sẽ khụng thể chuyển mạch tự nhiờn Khi đú để khúa một van đang dẫn lại sẽ phải dựng van điều khiển hoàn toàn hoặc nếu là van thyristor sẽ cần một mạch đặc biệt chuyờn dụng (mạch khoỏ cưỡng bức) để thực hiện quỏ trỡnh chuyển mạch

Vớ dụ : Sự chuyển mạch trong cỏc bộ biến tần giỏn tiếp…

II.1.2 Chuyển mạch cứng và chuyển mạch mềm

Sự đúng cắt mềm là sự đúng cắt trong điều kiện dũng điện hoặc điện ỏp

bằng khụng, như vậy sẽ khụng cú tổn hao cụng suất xảy ra như ở đúng cắt

28

Hình 2.1 Mạch đóng cắt mềm E chung

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

29

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

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

30

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

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

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

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

31

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

32

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

Quỏ trỡnh chuyển mạch này cú đồ thị thời gian trong( hỡnh 2.5), trễ giữa mỗi lần đúng cắt td là phụ thuộc vào đặc điểm của van IGBT

* Cỏc trường hợp của 4 bước chuyển mạch

Nh vậy 4 khoỏ 2 chiều phải được đúng mở theo một thứ tự ứng với mỗi chiều của dũng điện ra và điện ỏp vào cũng nh là phải xỏc định được dũng đang dẫn theo chiều nào trước và sau khi xảy ra quỏ trỡnh chuyển mạch

Với hỡnh vẽ như trờn, xảy ra 8 trường hợp chuyển mạch khỏc nhau phụ thuộc vào dấu dũng điện ra (I) và điện ỏp dõy (U)

+ Cỏc trường hợp C1, C4, C6, C7 chuyển mạch xảy ra nhờ ngắt một khoỏ nờn gọi là chuyển mạch cưỡng bức

+ Cỏc trường hợp khỏc chuyển mạch xảy ra nhờ đúng một khoỏ nờn gọi

là chuyển mạch tự nhiờn

Với C1 (Hỡnh 2.8): Trước khi chuyển mạch cả 2 IGBT trong khoỏ 2 chiều của pha R đều đúng để dẫn dũng chạy qua Dũng sẽ chảy từ pha R tới đầu ra Bước đầu tiờn S1 được ngắt, S4 được đúng để dẫn dũng, bởi vỡ cú điện

ỏp dương giữa 2 pha vào, dũng điện vẫn chưa chảy trong pha S Ngay sau khi S2 ngắt, dũng điện cưỡng bức phải đảo sang pha S Bước cuối cựng cho S3

34

Hình 2.6 Chuyển mạch từ pha R sang pha S

Hình 2.7 Tám trường hợp chuyển mạch khác nhau

đúng lại để dẫn dũng ngược Bõy giờ khoỏ 2 chiều trong pha S dẫn dũng, cũn khoỏ 2 chiều trong pha R sẽ bị ngắt lại.

Với C2(Hỡnh 2.8): Thời điểm bắt đầu là thời điểm kết thỳc của trường hợp C1 Bước đầu tiờn S3 ngắt, sau đú S2 sẽ được đúng lại để dẫn dũng và dũng điện sẽ đảo từ pha S sang pha R Ngay sau khi dũng điện được chuyển mạch, S4 sẽ tự ngắt Thứ tự cuối cựng kết thỳc là cho mở S1 để dẫn dũng ngược

Thuận lợi của chuyển mạch 4 bước là trong quỏ trỡnh chuyển mạch khụng xảy ra dũng điện lớn do ngắn mạch đầu vào cũng khụng xảy ra quỏ ỏp

do khụng nối dũng tải

* Phõn tớch tổn hao đúng cắt trờn cơ sở chuyển mạch 4 bước

35

Hình 2.8 Thứ tự đóng cắt cho 8 trường hợp (IGBT1 ữ IGBT4 tương ứng S1 ữ S4)

Hình 2.9 Sơ đồ chuyển mạch 4 bước gồm cả điện cảm ký sinh

Trờn (hỡnh vẽ 2.9) cú Lp và Lb là điện cảm ký sinh của cỏc mụđun IGBT

và điện cảm tản của đường nối giữa 2 van

Với hỡnh vẽ đồ thị thời gian như trờn (hỡnh 2.10), ta sẽ phõn tớch tổn hao đúng cắt khi chuyển mạch trong Matrix Converter

Cốt lừi của mọi quỏ trỡnh chuyển mạch là phụ thuộc vào chiều của dũng tải IL, và sự tương quan về thế giữa VA và VB Khi chuyển mạch từ SA tới SB

với chiều dũng tải nh hỡnh vẽ Nếu VA là dương hơn VB thỡ chuyển mạch sẽ xảy

ra ở thời điểm t3, kết quả là sẽ ngắt cứng Q1 trong SA và đúng mềm Q3 trong

SB Ngược lại nếu VB là dương hơn VA ,chuyển mạch sẽ diễn ra ở thời điểm t2, kết quả là đúng cứng Q3 trong SB và ngắt mềm Q1 trong SA Chú ý rằng là sẽ khụng cú tổn hao đúng cắt ở cỏc trường hợp với Q2 và Q4 bởi vỡ lỳc đú 2 van này khụng dẫn dũng khi dũng tải là dương như trờn hỡnh vẽ

36

Hình 2.10 đồ thị thời gian cho một trật tự đóng cắt điển hình

Nh vậy, sẽ cú một nửa quỏ trỡnh chuyển mạch là đúng cắt mềm, do đú tổn hao đúng cắt trong cỏc van bỏn dẫn sẽ được giảm xuống là 50% Chớnh vỡ thế phương phỏp này thường được gọi là chuyển mạch dũng điện bỏn mềm (semi-soft)

Chuyển mạch mềm khụng phải là hoàn toàn khụng cú tổn hao, nhưng năng lượng tiờu hao là ít nhất, và là ít hơn so với chuyển mạch cứng.Trong cỏc bộ biến đổi cụng suất, thường sử dụng cụng nghệ đúng cắt cộng hưởng (Cụng nghệ đúng cắt mềm) để giảm tổn hao đúng cắt Trong Matrix Converter cụng nghệ cộng hưởng tạo ra lợi thế cho vấn đề chuyển mạch Tuy nhiờn cỏc mạch này đều làm tăng đỏng kể số lượng cỏc thành phần cú trong Matrix Converter , tăng tổn hao dẫn dũng, và hầu hết yờu cầu chỉnh sửa tới thuật toỏn điều khiển để hoạt động được dưới tất cả cỏc điều kiện

b) Chiến lược 2 bước chuyển mạch(Hỡnh 2.14)

Trong chiến lược chuyển mạch này, chỉ cú một van được điều khiển trong khoỏ(cell) đang dẫn Điều này cú nghĩa là trong khi chuyển mạch dũng điện, van dẫn ngược là khụng cần phải điều khiển, vỡ thế chuyển mạch xảy ra chỉ qua 2 bước.Dũng điện ngược lại nhận được bằng cỏch điều khiển van dẫn ngược trong một cell khi dũng điện giảm xuống dưới một giỏ trị ngưỡng Khi dũng này đó tăng đầy đủ theo chiều đối diện, van ban đầu sẽ được khoỏ lại Một vấn đề với phương phỏp này là do chiều dũng điện khụng biết được trong chu kỳ ngược lại, do đú chuyển mạch khụng thể xảy ra.Sự trễ này cú thể rất lớn đặc biệt là trong những bộ biến tần Matrix Converter cụng suất lớn, ở đõy độ phõn giải dũng điện nhỏ nhất là rất lớn Điều này cú thể dẫn đến làm mộo dạng súng của dũng điện ra Phương phỏp này sẽ khụng thớch hợp, nếu dũng điện đầu ra cần được điều khiển là nằm trong khoảng cỏc giỏ trị ngưỡng

37

Hình 2.11 Đảo chiều dòng điện sử dụng mức ngưỡng (threshold level)

Hình 2.13 Biểu đồ trạng thái của chiến lược 2 bước chuyển mạch

II.2.3 Phương phỏp chuyển mạch cải tiến

Để một chiến lược chuyển mạch phải đủ tin cậy trong cỏc ứng dụng thực

tế, thỡ thụng tin về chiều dũng điện phải thật chớnh xỏc.Nếu khụng chớnh xỏc, cỏc sự cố cú thể xảy ra Một phương phỏp chuyển mạch và cụng nghệ phỏt hiện chiều dũng điện mới cho phộp chuyển mạch tin cậy ở bất kỳ thời điểm nào mà khụng cần sử dụng thờm cỏc mạch snubber hay clamp đấu song song với cỏc cell chuyển mạch

Phương phỏp này về cơ bản là giống với phương phỏp semi-soft, nhưng chỉ cú một van dẫn được điều khiển ở bất kỳ một thời điểm Sự hoạt động chớnh xỏc phụ thuộc vào mạch điều khiển cổng thụng minh (gate driver) cho mỗi cell, được dựng để xỏc định chiều dũng điện, đồng thời phối hợp với cỏc mạch điều khiển của cỏc cell khỏc Sơ đồ khối của một gate driver thụng minh

Khối phát hiện chiều dòng điện

Khối Gate driver

Khối xử lý

Khối nhận

Khối Phát

Tín hiệu tới Gate driver kế tiếp

Tín hiệu từ

vi xử lý

Tín hiệu từ Gate driver trước

Khóa 2 chiều

a Phỏt hiện chiều dũng điện

Phương phỏp sử dụng điện ỏp qua mỗi van trong một cell chuyển mạch

để xỏc định chiều dũng điện chảy qua van Cỏc điện ỏp VA và VB cú thể đo được Giả sử dũng điện IL cú chiều như hỡnh vẽ, SA1 sẽ dẫn và SA2 sẽ được phõn cực ngược Kết quả là điện ỏp VA là cỡ 1,2V (điều này phụ thuộc vào đặc điểm loại van được sử dụng) và điện ỏp VB là khoảng – 0,7V Khi dũng đi theo chiều ngược lại, thỡ sẽ xảy ra cỏc tỡnh huống ngược lại của trường hợp trờn Giả

sử là đỳng van cần điều khiển được điều khiển, chiều dũng điện ở trong cell từ

đú cú thể được suy ra Mạch phỏt hiện chiều dũng điện này và logic điều khiển kết hợp là được tớch hợp trong một gate driver cho mỗi cell Để đảm bảo thụng tin về chiều dũng điện được tin cậy thỡ chỉ một van trong một cell được điều khiển ở bất kỳ một thời điểm Điều này cú nghĩa là dũng điện hoặc bằng khụng hoặc chảy theo một hướng được định rừ

b Phương phỏp chuyển mạch dũng điện

39

Hình 2.14 Nguyên lý biến đổi 2 pha sang 1 pha của Matrix Converter Hình 2.13 Phát hiện chiều dòng điện dựa vào thế VA và VB

(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

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 (5µs) 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

C