Nghiên cứu bộ nguồn biến tần số 50 60hz sử dụng biến tần kiểu ma trận (bản full)

Biến tần ma trận có nhiều ưu điểm mà các biến tần truyền thống không có được như cùng dải công suất nhưng kết cấu gọn nhẹ, đáp ứng đầu ra - đầu vào nhanh, dòng điện đầu vào, điện áp đầu

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

LUẬN ÁN TIẾN SĨ TỰ ĐỘNG HÓA XÍ NGHIỆP CÔNG NGHIỆP

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

PGS TS BÙI QUỐC KHÁNH

Hà Nội – Năm 2012

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi Các số liệu, kết quả trong luận án là hoàn toàn trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào

Tác giả luận án

Đặng Hồng Hải

LỜI CẢM ƠN

Tác giả xin chân thành cảm ơn Thầy hướng dẫn khoa học PGS.TS Bùi Quốc Khánh

đã tận tình hướng dẫn và động viên, khích lệ tác giả hoàn thành luận án

Tác giả xin chân thành cảm ơn GS.TSKH Nguyễn Phùng Quang, PGS.TS Lê Tòng, PGS.TS Nguyễn Văn Liễn, TS Trần Trọng Minh, TS Phạm Quang Đăng – Trường Đại học Bách Khoa Hà nội đã đóng góp nhiều ý kiến quan trọng và sự giúp đỡ nhiệt tình nhất

Tác giả xin chân thành cảm ơn PGS.TS Phạm Ngọc Tiệp, PGS.TS Lưu Kim Thành PGS.TS Hoàng Xuân Bình – Trường Đại học Hàng hải Việt nam đã đóng góp ý kiến và động viên, khích lệ tác giả hoàn thành luận án

Tác giả xin trân trọng cảm ơn Ban Giám Hiệu – Trường Đại học Hàng hải Việt nam

đã tạo điều kiện để tác giả hoàn thành luận án

Tác giả xin trân trọng cảm ơn các cán bộ Viện đào tạo sau đại học – Trường Đại học Bách khoa Hà nội đã tạo điều kiện và khích lệ tác giả hoàn thành luận án

Tác giả bày tỏ lời cảm ơn tới các cán bộ Trung tâm Công nghệ cao - Trường Đại học Bách khoa Hà nội, các đồng nghiệp trong Bộ môn Điện tự động công nghiệp - Trường Đại học Hàng hải Việt nam đã tạo điều kiện về cơ sở vật chất, về thời gian và khích lệ tác giả hoàn thành luận án

Cuối cùng tác giả xin bày tỏ lời cảm ơn sâu sắc đến gia đình, những người đã luôn giành những gì tốt nhất cho tác giả trong suốt thời gian thực hiện luận án

MỤC LỤC

Trang

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT iv

DANH MỤC CÁC BẢNG vi

DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH, ĐỒ THỊ vii

MỞ ĐẦU 1

Chương 1 TỔNG QUAN 5

1.1 Khái quát chung 5

1.2 Tình hình nghiên cứu về bộ nguồn biến đổi tần số ứng dụng biến tần ma trận 6

1.3 Tiêu chuẩn đối với bộ nguồn biến đổi tần số 9

1.4 Định hướng nghiên cứu 9

Nhận xét chương 1 10

Chương 2 CẤU TRÚC MẠCH LỰC VÀ CHUYỂN MẠCH 11

2.1 Cấu trúc mạch lực 11

2.1.1 Mạch lực của bộ nguồn trên cơ sở biến tần ma trận ba pha ba nhánh 12 2.1.2 Mạch lực của bộ nguồn trên cơ sở biến tần ma trận ba pha bốn nhánh 14 2.2 Khóa bán dẫn hai chiều BDS 16

2.3 Chuyển mạch trong biến tần ma trận 18

2.3.1 Chuyển mạch bốn bước 19

2.3.2 Chuyển mạch hai bước 20

2.3.3 Chuyển mạch một bước 21

2.3.4 Chuyển mạch trong quá trình quá độ 21

2.4 Thiết kế chuyển mạch cho biến tần ma trận trực tiếp 3 pha 4 nhánh 22

2.4.1 Logic chuyển mạch nặng 23

2.4.2 Logic chuyển mạch mềm 26

2.4.3 Mô phỏng chuyển mạch cho biến tần ma trận trực tiếp 3 pha 4 nhánh 26

Nhận xét chương 2 29

Chương 3 ĐIỀU BIẾN VECTƠ KHÔNG GIAN CHO BIẾN TẦN MA TRẬN TRỰC TIẾP 3 PHA 4 NHÁNH TRONG BỘ NGUỒN BIẾN ĐỔI TẦN SỐ 30

3.1 Khái quát chung 30

3.2 Xác định vectơ chuẩn trong biến tần ma trận trực tiếp 3 pha 4 nhánh 32

3.2.1 Các trạng thái van trong biến tần ma trận trực tiếp 3 pha 4 nhánh 32

i

3.2.2 Vectơ chuẩn trong biến tần ma trận trực tiếp 3 pha 4 nhánh 35

3.2.3 Biểu diễn hình học của các vectơ chuẩn 40

3.3 Tổng hợp vectơ điện áp ra và vectơ dòng điện vào 43

3.3.1 Xác định vị trí vectơ cần tổng hợp trong không gian 44

3.3.2 Đồng bộ vectơ dòng điện vào với vectơ điện áp lưới đầu vào 45

3.3.3 Xác định vectơ chuẩn để tổng hợp vectơ điện áp ra và vectơ dòng điện vào 46

3.4 Xác định tỉ số điều biến cho các vectơ chuẩn 48

3.5 Xác định các vectơ thành phần trong tỉ số điều biến 53

3.6 Trật tự thực hiện các vectơ chuẩn 58

3.7 Mô phỏng điều biến vectơ không gian 60

3.7.1 Trường hợp không sử dụng bộ lọc với tải trên các pha là tuyến tính đối xứng ……… 61

3.7.2 Trường hợp sử dụng bộ lọc ……… 62

Nhận xét chương 3 72

Chương 4 THIẾT KẾ ĐIỀU KHIỂN CHO BỘ NGUỒN BIẾN ĐỔI TẦN SỐ 74

4.1 Khái quát chung 74

4.1.1 Phương pháp đánh giá mức độ không đối xứng của điện áp 74

4.1.2 Chỉ tiêu chất lượng điện áp khi tải không đối xứng 76

4.2 Mô hình biến tần ma trận trực tiếp 3 pha 4 nhánh 76

4.3 Hệ thống điều khiển một mạch vòng 80

4.3.1 Điều khiển thành phần thứ tự thuận, thứ tự ngược, thứ tự không trong hệ dq 80

4.3.2 Điều khiển lặp 81

4.3.3 Điều khiển cộng hưởng 81

4.4 Hệ thống điều khiển hai mạch vòng 82

4.4.1 Bộ điều khiển dòng điện trên hệ tọa độ abc và hệ tọa độ αβγ 83

4.4.2 Bộ điều khiển dòng điện trên hệ tọa độ đồng bộ dq0 83

4.5 Thiết kế hệ thống điều khiển điện áp cho bộ nguồn 84

4.5.1 Thiết kế bộ điều khiển dòng điện 85

4.5.2 Thiết kế bộ điều khiển điện áp 87

4.6 Mô phỏng 88

Nhận xét chương 4 92

ii

Chương 5 XÂY DỰNG BỘ NGUỒN BIẾN ĐỔI TẦN SỐ 50/60Hz ỨNG DỤNG

BIẾN TẦN MA TRẬN 94

5.1 Khái quát chung 94

5.2 Xây dựng mô hình biến tần ma trận trực tiếp 3 pha 4 nhánh ứng dụng trong bộ nguồn 95

5.2.1 Mạch lực và Gate driver 95

5.2.2 Khối điều khiển logic và chuyển mạch 97

5.2.3 Khối tính toán quy luật điều biến 99

5.3 Kết quả thực nghiệm 100

Nhận xét chương 5 105

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 106

TÀI LIỆU THAM KHẢO 107

DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN 111

PHỤ LỤC 112

Phụ lục 1 Thông số và đặc tính kỹ thuật van bán dẫn hai chiều sử dụng trong mô hình thực nghiệm ……… 112

Phụ lục 2 Hàm logic đóng cắt của các van bán dẫn hai chiều phục vụ cho lập trình CPLD ……… 117

Phụ lục 3 Một số sơ đồ mô phỏng ……… 119

iii

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

Bảng 2 Danh mục các chữ viết tắt

BDS Bidirectional switch Khóa bán dẫn hai chiều

CPLD Complex programmable logic

device

Thiết bị logic khả trình có độ tích hợp cao

DSP Digital Signal Processor Vi xử lý tín hiệu số

FPGA Field programmable gate arrays Mảng logic lập trình được

IEEE Institute of Electrical and

MC 3×3 Three phase – three leg matrix

PWM Pulse Width Modulation Điều biến độ rộng xung

SVM Space Vector Modulation Điều biến vectơ không gian

THD Total harmonic distortion Tổng độ méo sóng hài

v

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 1.1 Thông số của bộ nguồn theo tiêu chuẩn IEEE Std 446 – 1995 …… 9

Bảng 2.1 So sánh số lượng van bán dẫn của các cấu trúc biến tần ma trận …… 16

Bảng 2.2 Các thông số kỹ thuật chính của van bán dẫn hai chiều DIM200WBS12-A000 ………

18 Bảng 2.3 Logic chuyển mạch từ pha A sang pha B ……… 19

Bảng 2.4 Logic chuyển mạch của biến tần ma trận trực tiếp 3 pha 4 nhánh … 24

Bảng 3.1 Vectơ điện áp ra và dòng điện vào của tổ hợp van của MC 3×4 … 35

Bảng 3.2 Vectơ điện áp ra và dòng điện vào của MC 3×4 trong hệ tọa độ  38

Bảng 3.3 Bố trí các vectơ chuẩn trong sectơ dòng điện vào ……… 41

Bảng 3.4 Bố trí các vectơ chuẩn trong tứ diện của hình lăng trụ ……… 42

Bảng 3.5 Xác định vị trí các vectơ trong không gian……… 44

Bảng 3.6 Dấu điện áp ra của các tứ diện trong lăng trụ ……… 45

Bảng 3.7 Điện áp dây được sử dụng trong điều chế ……… 46

Bảng 3.8 Các vectơ chuẩn sử dụng trong tổng hợp dòng điện vào, điện áp ra của MC 3×4 ………

47 Bảng 3.9 Xác định các thành phần của vectơ V'i j k, , ……… 54

Bảng 3.10 Các vectơ V V V  i, j, k của 24 tứ diện ……… 56

Bảng 3.11 Các ma trận M-1 của 24 tứ diện ……… 57

Bảng 3.12 Trật tự thực hiện các vectơ chuẩn ……… 58

Bảng 5.1 Thông số về điện của bộ nguồn ……… 94

Bảng 5.2 Logic lựa chọn các tổ hợp van ……… 97

Bảng PL1.1 Các thông số cực đại cho phép của van bán dẫn hai chiều ……… 112

Bảng PL 1.2 Các thông số về nhiệt độ và cơ học của van ……… 112

Bảng PL 1.3 Các thông số của van (mặc định trong điều kiện Tcase = 25°C) 113

Bảng PL 1.4 Các thông số của van (mặc định trong điều kiện Tcase = 125°C) 114 Bảng PL2.1 Hàm logic của 12 van bán dẫn hai chiều ……… 117

vi

DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH, ĐỒ THỊ

Hình 1.1 Bộ biến đổi truyền thống 5

Hình 1.2 Cấu trúc bộ nguồn biến đổi tần số 60/400Hz trong lĩnh vực hàng không 8

Hình 2.1 Cấu trúc tổng quát của biến tần ma trận 11

Hình 2.2 Biến tần ma trận 3 pha 3 nhánh 12

Hình 2.3 Cấu trúc bộ nguồn biến đổi tần số với máy biến áp mắc tại đầu ra MC 13

Hình 2.4 Biến tần ma trận ba pha bốn nhánh 14

Hình 2.5 Cấu trúc bộ nguồn biến đổi tần số với máy biến áp mắc tại đầu vào MC 15

Hình 2.6 Khóa bán dẫn hai chiều 16

Hình 2.7 Thông số kỹ thuật van bán dẫn hai chiều (BDS) DIM200WBS12-A000 17

Hình 2.8 Chuyển mạch giữa hai pha 18

Hình 2.9 Chuyển mạch bốn bước theo chiều dòng điện 19

Hình 2.10 Chuyển mạch hai bước từ pha A sang pha B khi IL > 0 20

Hình 2.11 Trạng thái logic của van trong chế độ chuyển mạch hai bước, 20

Hình 2.12 Chuyển mạch một bước với a) IL >0, b) IL <0 21

Hình 2.13 Cấu trúc của MC 3×4 22

Hình 2.14 Cấu trúc hệ thống điều khiển chuyển mạch của MC 3×4 22

Hình 2.15 Trạng thái logic chuyển mạch ba pha của MC 3×4 24

Hình 2.16 Đồ thị thời gian chuyển mạch bốn bước của MC 3×4 25

Hình 2.17 Đồ thị thời gian các bước chuyển mạch mềm của MC 3×4 26

Hình 2.18 Kết quả mô phỏng logic chuyển mạch bốn bước của MC 3×4 27

Hình 2.19 Mô phỏng chuyển mạch bốn bước cho MC 3×4 trên State Flow 28

Hình 3.1 Sơ đồ điều biến vectơ không gian cho biến tần ma trận trực tiếp 3 pha 4 nhánh 31

Hình 3.2 Biến tần ma trận trực tiếp 3 pha 4 nhánh 32

Hình 3.3 Nhóm tổ hợp van thứ nhất của biến tần ma trận trực tiếp 3 pha 4 nhánh 33 Hình 3.4 Nhóm tổ hợp van thứ hai của biến tần ma trận trực tiếp 3 pha 4 nhánh 34

vii

Hình 3.5 Nhóm tổ hợp van thứ ba của biến tần ma trận trực tiếp 3 pha 4 nhánh 34

Hình 3.6 Mối quan hệ giữa hai hệ tọa độ 37

Hình 3.7 Biểu diễn hình học các vectơ chuẩn trong hệ tọa độ  41

Hình 3.8 Vị trí sáu hình lăng trụ trong hệ tọa độ  43

Hình 3.9 Các tứ diện trong lăng trụ I 43

Hình 3.10 a) Hình chiếu của vectơ chuẩn trên mặt phẳng ;b) Biểu diễn các vectơ chuẩn trong hệ tọa độ abc 44

Hình 3.11 a) Vectơ không gian điện áp vào và vectơ không gian dòng điện vào; b) Đồng bộ điện áp lưới với các sector dòng đầu vào 45

Hình 3.12 Vectơ không gian điện áp ra thuộc tứ diện 11 và vectơ không gian dòng điện vào thuộc sectơ I 46

Hình 3.13 Tổng hợp vectơ điện áp ra và vectơ dòng điện vào 49

Hình 3.14 Xác định tỉ số điều biến 51

Hình 3.15 Trật tự chuyển mạch 60

Hình 3.16 Kết quả mô phỏng với tải tuyến tính đối xứng, không sử dụng bộ lọc……… 61

Hình 3.17 Phân tích phổ - FFT trong trường hợp tải tuyến tính đối xứng không sử dụng bộ lọc ……… 61

Hình 3.18 Kết quả mô phỏng với tải tuyến tính đối xứng ……… 62

Hình 3.19 Phân tích phổ - FFT trong trường hợp tải tuyến tính đối xứng có sử dụng bộ lọc ……… 63

Hình 3.20 Quỹ đạo của các vectơ trong trường hợp tải tuyến tính đối xứng …… 63

Hình 3.21 Kết quả mô phỏng với tải tuyến tính không đối xứng ……… 64

Hình 3.22 Phân tích phổ - FFT trong trường hợp tải tuyến tính không đối xứng 65 Hình 3.23 Quỹ đạo của các vectơ trong trường hợp tải tuyến tính không đối xứng ……… 65

Hình 3.24 Kết quả mô phỏng với tải phi tuyến đối xứng ……… 67

Hình 3.25 Phân tích phổ - FFT trong trường hợp tải phi tuyến đối xứng ……… 67

Hình 3.26 Quỹ đạo các vectơ trong trường hợp tải phi tuyến đối xứng ………… 67

Hình 3.27 Kết quả mô phỏng với tải phi tuyến không đối xứng ……… 68

Hình 3.28 Quỹ đạo các vectơ trong trường hợp tải phi tuyến không đối xứng … 69 Hình 3.29 Phân tích phổ - FFT trong trường hợp tải phi tuyến không đối xứng 69

Hình 3.30 Kết quả mô phỏng với tải tuyến tính, phi tuyến, không đối xứng …… 71

viii

Hình 3.31 Quỹ đạo các vectơ trong trường hợp tải tuyến tính, phi tuyến, không

đối xứng ……… 71

Hình 3.32 Phân tích phổ - FFT trong trường hợp tải tuyến tính, phi tuyến, không đối xứng ……… 72

Hình 4.1 Phân tích các thành phần đối xứng 75

Hình 4.2 Biến tần ma trận trực tiếp 3 pha 4 nhánh 75

Hình 4.3 Điều khiển thành phần PNZ trong hệ dq0 80

Hình 4.4 Cấu trúc điều khiển sử dụng bộ điều khiển lặp 81

Hình 4.5 Cấu trúc điều khiển P + RC 82

Hình 4.6 Cấu trúc điều khiển sử dụng bộ điều khiển cộng hưởng 82

Hình 4.7 Cấu trúc điều khiển hai mạch vòng 83

Hình 4.8 Cấu trúc hệ thống điều khiển điện áp ra của bộ nguồn biến đổi tần số 85

Hình 4.9 Cấu trúc điều khiển mạch vòng dòng điện sử dụng bộ điều khiển P+RC ………

85 Hình 4.10 Cấu trúc điều khiển mạch vòng điện áp trên một pha ……… 87

Hình 4.11 Kết quả mô phỏng với tải tuyến tính không đối xứng có bộ điều khiển 88 Hình 4.12 Phân tích phổ - FFT của điện áp ra trường hợp tải tuyến tính không đối xứng có bộ điều khiển ………

88 Hình 4.13 Điện áp và sai lệch điện áp trường hợp tải tuyến tính không đối xứng có bộ điều khiển ………

89 Hình 4.14 Quỹ đạo của các vectơ trong trường hợp tải tuyến tính không đối xứng có bộ điều khiển ………

90 Hình 4.15 Kết quả mô phỏng với đóng cắt tải ba pha tuyến tính có bộ điều khiển 90 Hình 4.16 Phân tích phổ - FFT của điện áp ra trong trường hợp đóng cắt tải ba pha tuyến tính có bộ điều khiển ………

91 Hình 4.17 Điện áp và sai lệch điện áp trường hợp đóng cắt tải ba pha tuyến tính 91 Hình 4.18 Quỹ đạo của các vectơ trong trường hợp đóng căt tải ba pha tuyến tính ………

92 Hình 5.1 Sơ đồ cấu trúc bộ nguồn biến đổi tần số 50/60Hz 94

Hình 5.2 Cấu trúc của hệ thống điều khiển biến tần ma trận 3 pha 4 nhánh 95

Hình 5.3 Sơ đồ mạch lực biến tần ma trận trực tiếp 3 pha 4 nhánh 96

Hình 5.4 Mô hình mạch lực của biến tần ma trận trực tiếp 3 pha 4 nhánh 96

Hình 5.5 Mạch Gate driver 96

ix

Hình 5.6 Khối điều khiển logic và chuyển mạch 97

Hình 5.7 Biến tần ma trận trực tiếp 3 pha 4 nhánh ……… 97

Hình 5.8 Cấu trúc card DS1103 ……… 99

Hình 5.9 Sơ đồ cấu trúc cho khâu tính toán trong DSP 100

Hình 5.10 Cấu trúc hệ thống thí nghiệm bộ nguồn biến đổi tần số 50/60Hz ứng dụng biến tần ma trận trực tiếp 3 pha 4 nhánh ………

100 Hình 5.11 Mô hình thực nghiệm bộ nguồn biến đổi tần số 50/60Hz ứng dụng biến tần ma trận trực tiếp 3 pha 4 nhánh ………

101 Hình 5.12 Tín hiệu điều khiển chuyển mạch cho van bán dẫn hai chiều (BDS) 102

Hình 5.13 Điện áp vào và dòng điện vào 103

Hình 5.14 Điện áp ra và dòng tải 104

Hình 5.15 Kết quả thực nghiệm với tải không đối xứng 104

Hình PL1.1 Sơ đồ chân của van bán dẫn hai chiều ……… 112

Hình PL1.2 Tổn thất đóng cắt theo dòng tải ……… 115

Hình PL1.3 Tổn thất đóng cắt theo điện trở cực G ……… 115

Hình PL1.4 Đặc tính thuận của diot ……… 115

Hình PL1.5 Vùng làm việc an toàn của van bán dẫn ……… 115

Hình PL1.6 Giá trị dòng định mức theo nhiệt độ vỏ ……… 116

Hình PL1.7 Giá trị dòng điện pha của MC 3×4 theo tần số chuyển mạch …… 116

Hình PL1.8 Kích thước của van bán dẫn hai chiều DIM200WBS12-A000 … 116

Hình PL3.1 Sơ đồ mô phỏng MC 3×4 ……….……… 119

Hình PL3.2 Sơ đồ mô phỏng mạch lực MC 3×4 ……….…… 120

Hình PL3.3 Sơ đồ mô phỏng chuyển mạch trong MC 3×4 ……….… 120

Hình PL3.4 Sơ đồ mô phỏng khối điều biến vectơ không gian cho MC 3×4 121

Hình PL3.5 Sơ đồ mô phỏng khối chuyển hệ tọa độ ……… 122

Hình PL3.6 Sơ đồ mô phỏng khối xác định tứ diện ……… 122

Hình PL3.7 Sơ đồ mô phỏng khối xác định sectơ ……….…… 122

Hình PL3.8 Sơ đồ mô phỏng khối đồng bộ …….……….…… 123

Hình PL3.9 Sơ đồ mô phỏng khối xác định tỉ số điều biến ……… 123

Hình PL3.10 Sơ đồ mô phỏng khối PWM ……….……… 123

x

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Trên thế giới hiện nay đang tồn tại hai lưới điện với tần số khác nhau là 50Hz và 60Hz, các nước Bắc Mỹ sử dụng lưới điện có tần số 60Hz, Việt Nam thuộc nhóm các nước

sử dụng lưới điện có tần số 50Hz Ở Việt Nam, thường xuyên có các phụ tải sử dụng điện

áp với tần số 60Hz, ví dụ như trong một số ngành công nghiệp, khi các tàu thủy cập bến có nhu cầu sử dụng điện trên bờ Ngoài ra các thiết bị trên máy bay và trong quân sự, thường

sử dụng tần số 400Hz Từ đó xuất hiện yêu cầu chuyển đổi tần số lưới sang tần số của phụ tải sử dụng Để giải quyết vấn đề nêu trên, có một số giải pháp đang được thực hiện trong thực tế hiện nay, như:

Thứ nhất là sử dụng các bộ biến đổi công suất truyền thống như biến tần gián tiếp, biến tần trực tiếp Các bộ biến đổi kiểu này tuy có nhiều ưu điểm nhưng cũng có những nhược điểm nhất định rất khó khắc phục triệt để, ví dụ như dòng điện đầu vào không sin,

hệ số công suất thấp, thành phần sóng hài của điện áp ra khá lớn

Thứ hai là sử dụng bộ biến đổi kiểu ma trận (Matrix Converter - MC) còn được gọi

là biến tần ma trận, đây là giải pháp có nhiều ưu điểm Biến tần ma trận có nhiều ưu điểm

mà các biến tần truyền thống không có được như cùng dải công suất nhưng kết cấu gọn nhẹ, đáp ứng đầu ra - đầu vào nhanh, dòng điện đầu vào, điện áp đầu ra có dạng sin theo tần số cơ bản, năng lượng có thể trao đổi theo hai chiều, hệ số công suất đầu vào có thể điều chỉnh được đạt tới một [1] Với nhiều ưu điểm như vậy nên biến tần ma trận ngày càng nhận được sự quan tâm và nghiên cứu nhiều hơn trên thế giới

Trên cơ sở các phân tích và đánh giá, luận án đặt vấn đề “Nghiên cứu bộ nguồn biến đổi tần số 50/60Hz sử dụng biến tần kiểu ma trận”

2 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

Là những kết quả đạt được trong lĩnh vực nghiên cứu về biến tần ma trận và những ứng dụng của nó Phát triển và hoàn thiện thêm phương pháp điều biến vectơ không gian cho biến tần ma trận Đây là nghiên cứu mới về bộ nguồn biến đổi tần số ứng dụng biến tần ma trận ở Việt nam, đáp ứng được nhu cầu cấp thiết trong thực tế về bộ nguồn biến đổi tần số

Triển khai ứng dụng những tiến bộ mới nhất về chế tạo van bán dẫn hai chiều hiện nay để xây dựng mạch lực biến tần ma trận Các kết quả thực nghiệm đạt được là cơ sở quan trọng khi triển khai công nghệ chế tạo bộ nguồn biến đổi tần số ứng dụng biến tần ma trận

1

3 Mục tiêu, đối tượng và phạm vi nghiên cứu

* Mục tiêu nghiên cứu

- Xác định cấu trúc mạch lực và phương pháp điều khiển hợp lý cho MC ứng dụng trong bộ nguồn biến đổi tần số 50/60Hz;

- Khả năng ứng dụng của bộ nguồn biến đổi tần số 50/60Hz

* Đối tượng nghiên cứu

Luận án tập trung nghiên cứu về biến tần ma trận ứng dụng trong bộ nguồn biến đổi tần số 50/60Hz cho tàu thủy

* Phạm vi nghiên cứu

- Về lý thuyết:

Nghiên cứu xây dựng cấu trúc mạch lực của biến tần ma trận sử dụng trong bộ nguồn biến đổi tần số Ứng dụng phương pháp chuyển mạch phù hợp cho các van bán dẫn hai chiều trong biến tần ma trận sử dụng trong bộ nguồn Nghiên cứu xây dựng được thuật toán điều chế vectơ không gian Ứng dụng thuật toán điều khiển để điều khiển điện áp đầu

ra của bộ nguồn trong trường hợp tải không đối xứng

- Về thực nghiệm:

Xây dựng mô hình thực nghiệm bộ nguồn biến đổi tần số ứng dụng biến tần ma trận Triển khai các thuật toán điều khiển cho biến tần ma trận ứng dụng trong bộ nguồn của mô hình thực nghiệm

4 Phương pháp nghiên cứu

- Nghiên cứu nội dung chính và các vấn đề có liên quan trên mô hình lý thuyết;

- Thực hiện mô phỏng trên phần mềm Matlab/Simulink/Sim Power System/State Flow để đánh giá kết quả nghiên cứu lý thuyết;

- Xây dựng mô hình thực nghiệm và tiến hành các thí nghiệm có liên quan trên mô hình đã xây dựng được, trên cơ sở đó kiểm chứng các kết quả nghiên cứu lý thuyết và mô phỏng

5 Nội dung nghiên cứu

Nội dung của luận án bao gồm các chương sau:

Mở đầu: Trình bày mục tiêu, nhiệm vụ và nội dung nghiên cứu Ý nghĩa khoa học

và thực tiễn của đề tài

Chương 1: Tổng quan, trình bày tổng quan về bộ nguồn biến đổi tần số, tiêu chuẩn,

tình hình nghiên cứu ứng dụng biến tần ma trận trong bộ nguồn biến đổi tần số ở trong nước và trên thế giới Các vấn đề cần giải quyết khi nghiên cứu xây dựng bộ nguồn biến đổi tần số ứng dụng biến tần ma trận Định hướng nghiên cứu và các vấn đề luận án cần giải quyết

Chương 2: Cấu trúc mạch lực và chuyển mạch, trình bày về cấu trúc bộ nguồn biến

đổi tần số, biến tần ma trận ứng dụng trong bộ nguồn biến đổi tần số, bao gồm các phương

án mạch lực, modul khóa bán dẫn hai chiều thực sự sẽ được sử dụng để xây dựng mạch lực của biến tần ma trận, thiết kế chuyển mạch cho biến tần ma trận ứng dụng trong bộ nguồn biến đổi tần số

Chương 3: Điều biến vectơ không gian cho biến tần ma trận trực tiếp 3 pha 4 nhánh, trình bày phương pháp điều biến cho biến tần ma trận trực tiếp 3 pha 4 nhánh Đề

xuất phương pháp xác định các vectơ thành phần theo các vectơ chuẩn khi tổng hợp điện

áp ra và dòng điện vào của biến tần ma trận trực tiếp 3 pha 4 nhánh, thực hiện mô phỏng với các loại tải khác nhau để đánh giá kết quả

Chương 4: Thiết kế điều khiển cho bộ nguồn biến đổi tần số, trình bày về việc điều

khiển điện áp ra cho bộ nguồn trong trường hợp tải không đối xứng Tổng hợp bộ điều khiển điện áp, đảm bảo tính đáp ứng nhanh và độ ổn định điện áp ra của bộ nguồn trong trường hợp tải không đối xứng

Chương 5: Xây dựng bộ nguồn biến đổi tần số 50/60Hz ứng dụng biến tần ma trận,

trình bày về việc xây dựng mô hình thực nghiệm bộ nguồn biến đổi tần số 50/60Hz ứng dụng biến tần ma trận trực tiếp 3 pha 4 nhánh Thực thi phương pháp điều biến vectơ không gian ba chiều cho biến tần trên DSP Thực hiện chuyển mạch cho biến tần ma trận trực tiếp 3 pha 4 nhánh trên thiết bị phần cứng CPLD

Cuối cùng là phần kết luận của toàn bộ luận án, những tồn tại và hướng phát triển tiếp theo của đề tài

3

6 Các kết quả nghiên cứu mới của luận án

- Thiết kế chuyển mạch cho biến tần ma trận trực tiếp 3 pha 4 nhánh ứng dụng trong bộ nguồn biến đổi tần số

- Thực hiện phương pháp điều biến vectơ không gian và cài đặt được thuật toán điều biến vectơ không gian cho biến tần ma trận trực tiếp 3 pha 4 nhánh ứng dụng trong bộ nguồn biến đổi tần số;

- Xây dựng mô hình thực nghiệm bộ nguồn biến đổi tần số ứng dụng biến tần ma trận trực tiếp 3 pha 4 nhánh

4

Chương 1

TỔNG QUAN

1.1 Khái quát chung

Trên thế giới hiện nay đang tồn tại hai lưới điện với tần số khác nhau là 50Hz và 60Hz, Việt Nam thuộc nhóm các nước sử dụng lưới điện có tần số 50Hz Trong công nghiệp nhiều khi có các phụ tải sử dụng điện áp có tần số khác với tần số lưới cung cấp (60Hz), trên tàu thủy có chuẩn tần số là 60Hz, khi cập cảng để sửa chữa, các máy phát trên tàu ngừng hoạt động, cần phải nguồn điện trên bờ có tần số 60Hz để cung cấp cho các phụ tải trên tàu Trong lĩnh vực hàng không và quân sự, để giảm thiểu kích thước của thiết bị, tần số sử dụng chủ yếu là 400Hz Từ đó xuất hiện nhu cầu chuyển đổi tần số

Một giải pháp tiên tiến hiện nay là sử dụng các bộ đổi tần Bộ đổi tần là bộ biến đổi tần số nhằm mục đích biến đổi từ giá trị tần số này sang giá trị tần số khác Các bộ biến đổi

sử dụng trong bộ đổi tần là thành phần quan trọng nhất Giải pháp về bộ biến đổi trong bộ đổi tần đang sử dụng hiện nay là sử dụng bộ biến đổi truyền thống, được chỉ ra trên hình 1.1, Giải pháp thứ nhất được chỉ ra

trên hình 1.1a Cấu trúc bộ biến đổi

bao gồm hai phần, phần đầu vào sử

dụng chỉnh lưu ba pha, có thể không

có điều khiển hoặc có điều khiển,

phần đầu ra sử dụng ba bộ nghịch

lưu áp một pha, đầu ra sử dụng máy

biến áp Ưu điểm của phương án này

là điều khiển đơn giản vì ba pha độc

lập với nhau, tuy nhiên kích thước

lớn, năng lượng không trao đổi được

theo hai chiều

Giải pháp thứ hai được chỉ ra

trên hình 1.1b, bộ nguồn ba pha biến

đổi tần số sử dụng nghịch lưu 3 pha,

4 dây với chỉnh lưu tích cực đầu vào

Phía đầu vào của bộ biến đổi sử dụng

chỉnh lưu tích cực sẽ đảm bảo năng

Hình 1.1 Bộ biến đổi truyền thống

a) BBĐ ba pha ghép từ ba BBĐ một pha b) BBĐ ba pha với chỉnh lưu tích cực phía đầu vào

và nghịch lưu 3 pha 4 nhánh đầu ra

5

lượng được trao đổi theo cả hai chiều, dòng điện đầu vào có dạng sin, có thể điều chỉnh được hệ số công suất gần tới một Phía đầu ra của bộ biến đổi sử dụng nghịch lưu 3 pha – 4 nhánh (ba nhánh cho ba pha, một nhánh cho dây trung tính) Do phía đầu ra dùng nghịch lưu nguồn áp nên khâu trung gian một chiều vẫn phải sử dụng tụ lọc Nhược điểm của sơ

đồ này là điểm trung tính của tải không thể nối đất an toàn được Ngoài ra việc khâu trung gian một chiều sử dụng tụ sẽ làm tăng kích thước của bộ biến đổi và độ tin cậy kém

Một trong các xu hướng chính hiện nay trong lĩnh vực điện tử công suất là nghiên cứu các bộ biến đổi không sử dụng tụ điện hoặc dung lượng tụ cực tiểu Bộ biến đổi tần số kiểu ma trận còn được gọi là biến tần ma trận, là một dạng biến tần trực tiếp, bao gồm một

ma trận khóa bán dẫn hai chiều Mặc dù là cấu trúc mới, biến tần ma trận đã và đang được quan tâm nghiên cứu do có nhiều ưu điểm nổi bật so với các bộ biến đổi truyền thống Cấu trúc của biến tần ma trận không sử dụng tụ điện hay cuộn cảm làm phần tử tích trữ năng lượng nên kết cấu gọn nhẹ, hiệu suất cao, đáp ứng đầu ra, đầu vào nhanh, các van bán dẫn trong biến tần ma trận là van bán dẫn hai chiều, cho phép dòng điện chảy được theo hai chiều, năng lượng có thể trao đổi được theo hai chiều Phương pháp điều khiển cho biến tần ma trận đảm bảo cho điện áp đầu ra và dòng điện đầu vào của biến tần có dạng hình sin theo tần số cơ bản, hệ số công suất đầu vào của biến tần không phụ thuộc vào hệ số công suất của tải và có thể điều chỉnh được, đảm bảo cho điện áp đầu vào và dòng điện đầu vào trùng pha với nhau Biến tần ma trận ngày càng được ứng dụng vào nhiều lĩnh vực, điều khiển động cơ không đồng bộ, động cơ đồng bộ, bộ nguồn trong lĩnh vực quân sự, hàng không, tàu thủy, bộ nguồn di động trong lĩnh vực công nghiệp

1.2 Tình hình nghiên cứu về biến tần ma trận và ứng dụng trong

bộ nguồn biến đổi tần số

Hiện nay trên thế giới có nhiều nhóm nghiên cứu về biến tần ma trận, trong đó các

nhóm nghiên cứu chủ yếu trên thế giới hiện nay có Nottingham University của Vương

quốc Anh, Aalborg University của Đan mạch và một số nhóm khác Các nhóm nghiên cứu trong nước có Trung tâm Nghiên cứu triển khai công nghệ cao, Đại học Bách khoa Hà nội Đại học Bách khoa Thành phố Hồ Chí Minh Những vấn đề nghiên cứu chính hiện nay về biến tần ma trận của các nhóm nghiên cứu trong nước và trên thế giới được thực hiện trên hai lĩnh vực, lý thuyết và triển khai ứng dụng

Các nghiên cứu về lý thuyết đề cập đến các vấn đề như cấu trúc mạch lực, các phương pháp điều khiển, các phương pháp chuyển mạch Về cấu trúc mạch lực, ngoài cấu trúc cơ bản, một số cấu trúc khác được nghiên cứu, phát triển nhằm mục đích giảm bớt số

6

lượng van bán dẫn hai chiều phải sử dụng, đơn giản hóa vấn đề chuyển mạch và điều khiển, phục vụ cho các đối tượng đặc biệt như máy điện sáu pha [2], làm việc trong hệ thống ba pha bốn dây

Về chuyển mạch, vấn đề chuyển mạch được đề cập đến khi sử dụng các van bán dẫn hai chiều và phương pháp điều chế được sử dụng Các phương pháp chuyển mạch tự nhiên [3], chuyển mạch bốn bước, hai bước, một bước [1][4][5] vẫn là các phương pháp chủ đạo đang được quan tâm nghiên cứu và triển khai trong các thí nghiệm

Về phương pháp điều biến, các phương pháp khác nhau đã và đang được nghiên cứu, ứng dụng như Venturini – Alesina, điều biến gián tiếp, điều biến trực tiếp, điều biến

đa mức, mỗi phương pháp đều có những ưu nhược điểm nhất định Phương pháp điều biến gián tiếp được chia thành hai bước, điều biến cho phía chỉnh lưu và điều biến cho phía nghịch lưu Với phía chỉnh lưu có thể áp dụng phương pháp SVM [1] hoặc phương pháp PWM [6] Ưu điểm nổi bật của phương pháp PWM là không cần áp dụng các phương pháp chuyển mạch cho các khóa bán dẫn hai chiều của phía chỉnh lưu, do quá trình chuyển mạch này được điều khiển để diễn ra vào thời điểm dòng điện chảy qua các van về không Với phía nghịch lưu, phụ thuộc vào số lượng nhánh đầu ra mà phương pháp SVM 2D hoặc SVM 3D được áp dụng Các phương pháp khác nhau có thể được áp dụng cho từng phía nhưng đặc điểm chung của chúng là quá trình điều chế cho hai phía phải được phối hợp đồng bộ và chặt chẽ với nhau do ở phần trung gian một chiều không sử dụng phần tử tích trữ năng lượng Phương pháp Venturini – Alesina được phát triển thêm cho biến tần ma trận có nhiều nhánh ra [7] Nhược điểm của phương pháp này là khối lượng tính toán lớn với nhiều phép tính lượng giác, điều này sẽ làm giảm giá trị của tần số trích mẫu Tuy nhiên có thể khắc phục được phần nào nhược điểm nêu trên nếu các giá trị về lượng giác được sắp xếp thành bảng tra Phương pháp điều biến vectơ không gian cho biến tần ma trận được chia thành hai nhánh, điều biến hai chiều trong hệ , áp dụng cho các biến tần ma trận ba pha có ba nhánh ra, điều biến ba chiều trong hệ abc hoặc hệ , áp dụng cho biến tần ma trận ba pha có bốn nhánh ra Quá trình điều biến bao gồm các công việc: Xác định

bộ các vectơ chuẩn được sử dụng trong quá trình điều biến; Xác định các vectơ chuẩn ứng với từng vị trí trong không gian của vectơ điện áp ra cần tổng hợp; Xác định tỉ số điều biến

và trật tự thích hợp để thực hiện các vectơ chuẩn, chuyển giá trị của các tỉ số điều biến thành thời gian đóng cắt của các van bán dẫn Phương pháp điều biến ba chiều trong hệ

 được trình bày trong [8][9] Trong phương pháp này, mỗi vectơ điện áp ra hoặc vectơ dòng điện vào được tổng hợp từ ba vectơ thành phần trùng phương với ba vectơ chuẩn tạo

7

nên không gian chứa vectơ cần tổng hợp Mỗi vectơ thành phần lại được tổng hợp từ hai vectơ chuẩn có cùng phương với vectơ thành phần cần tổng hợp Như vậy với ba vectơ thành phần sẽ cần sáu vectơ tích cực và vectơ không được sử dụng để hoàn thiện một chu

kỳ điều biến Tương ứng với số lượng vectơ tích cực sẽ có sáu tỉ số điều biến được xác định Việc xác định các tỉ số điều biến dựa trên nguyên tắc dòng điện và điện áp đầu vào trùng pha với nhau

Biến tần ma trận hoạt động trong các điều kiện không bình thường, điện áp đầu vào

bị méo và biến đổi [10][11][12], đầu ra của biến tần bị lỗi ngắn mạch [13], đầu ra của biến tần được nối với tải không đối xứng hoặc tải phi tuyến Việc điều khiển vòng kín trong các

hệ thống ứng dụng biến tần ma trận cũng được nghiên cứu, mạch vòng điều khiển dòng điện [14], mạch vòng điều khiển điện áp [15]

Các nghiên cứu về triển khai ứng dụng trong công nghiệp Về van bán dẫn hai chiều, một số hãng sản xuất linh kiện bán dẫn đang triển khai sản xuất thử nghiệm van bán dẫn hai chiều như Dynex [16], Semelab [17][18] Các ứng dụng trong công nghiệp như trong lĩnh vực truyền động điện của biến tần truyền thống [19][20][21], trong việc ổn định tần số và điện áp ra cho hệ thống máy phát điện sức gió [22][23]

Ứng dụng biến tần ma trận

vào bộ nguồn biến đổi tần số là

một hướng đang trong quá trình

nghiên cứu và phát triển mạnh mẽ

trên thế giới Đây là công trình

nghiên cứu đầu tiên trong nước về

bộ nguồn biến đổi tần số ứng

từ không tải đến giá trị định mức, tuy nhiên giá trị phụ tải phân bố trên các pha vẫn cân bằng, điện áp ra sẽ bị thay đổi, để đảm bảo ổn định điện áp ra, phương pháp điều khiển

bám và điều khiển lặp đã được sử dụng

Hình 1.2 Cấu trúc bộ nguồn biến đổi tần số 60/400Hz

trong lĩnh vực hàng không [24]

8

1.3 Tiêu chuẩn đối với bộ nguồn biến đổi tần số

Các bộ biến đổi dùng làm bộ nguồn có những yêu cầu khác biệt so với các biến tần thông thường Đó là bộ nguồn phải đảm bảo các chế độ hoạt động khi phụ tải mất đối xứng mạnh, đến 100 %, nghĩa là có thể chỉ còn tải trên một pha hoặc hai pha Tải có những dao động đột biến, khi có những thiết bị khởi động hoặc đóng cắt một cụm phụ tải lớn Ngoài

ra, bộ biến đổi phải đạt hiệu suất cao, kích thước nhỏ gọn, làm việc không gây ồn, đảm bảo

ổn định điện áp ra một cách tức thời

Khi bộ nguồn làm việc với tải mất đối xứng sẽ dẫn đến điện áp pha đầu ra của nó bị mất đối xứng, do đó việc điều khiển để đảm bảo được sự cân bằng của điện áp đầu ra trong phạm vi cho phép là cần thiết Điện áp ổn định là điện áp mà thiết bị tiêu thụ điện mong muốn nhận được trong điều kiện hoạt động bình thường Tiêu chuẩn IEEE Std 446 – 1995 [25] quy định cho các bộ biến đổi ba pha, các thông số phải nằm trong giới hạn cho phép, được chỉ ra trong bảng 1.1 dưới đây

Bảng 1.1 Thông số của bộ nguồn theo tiêu chuẩn IEEE Std 446 – 1995 [25]

Độ ổn định điện áp ± 2% khi tải đối xứng

± 3% khi tải mất đối xứng 20 % (100%, 80%, 80%; 100%, 100%, 80%) Thời gian ổn định 100ms

Độ dịch pha 120o ± 1o khi tải đối xứng Điện áp đầu ra

120o ± 3o khi tải mất đối xứng 20%

1.4 Định hướng nghiên cứu

Trên cơ sở các vấn đề nghiên cứu Để giải quyết yêu cầu đề ra của luận án, định hướng nghiên cứu của luận án như sau:

Nghiên cứu về cấu trúc không đối xứng của mạch lực biến tần ma trận (3 dây vào 4 dây ra), phân tích, đánh giá, lựa chọn mạch lực phù hợp ứng dụng trong bộ nguồn biến đổi tần số Trên cơ sở cấu trúc mạch lực biến tần ma trận đã lựa chọn để ứng dụng trong bộ nguồn, thiết kế cấu trúc của bộ nguồn biến đổi tần số

Thiết kế logic chuyển mạch cho cấu trúc không đối xứng của biến tần ma trận ứng dụng trong bộ nguồn;

9

Thực hiện phương pháp điều khiển phù hợp cho cấu trúc không đối xứng của biến tần ma trận ứng dụng trong bộ nguồn, nhằm đảo bảo những tính ưu việt của biến tần ma trận;

Điều khiển ổn định giá trị hiệu dụng của điện áp ra của bộ nguồn trong trường hợp tải không đối xứng, đảm bảo tính đáp ứng nhanh với sự biến đổi của tải và độ cứng đặc tính ngoài của bộ nguồn biến đổi tần số, đáp ứng theo tiêu chuẩn IEEE Std 446-1995

Xây dựng mô hình mô phỏng và thực nghiệm của bộ nguồn biến đổi tần số ứng dụng biến tần ma trận, triển khai các thuật toán điều khiển trên mô hình thực nghiệm đã xây dựng, nhằm kiểm chứng các vấn đề nghiên cứu như cấu trúc mạch lực, phương pháp chuyển mạch, phương pháp điều khiển

Các nội dung nghiên cứu được trình bày trong các chương 2, 3, 4, 5 của luận án

Nhận xét chương 1

Các vấn đề cơ bản về bộ nguồn biến đổi tần số được khái quát trong chương một, bao gồm tình hình nghiên cứu, phát triển và các lĩnh vực ứng dụng của bộ nguồn, trên tàu thủy, máy bay, trong các ngành công nghiệp…Các yêu cầu cơ bản của bộ nguồn cũng được nêu ra

Một số cấu trúc mạch lực của bộ biến đổi đang sử dụng hiện nay cho bộ nguồn được đề cập, cấu trúc truyền thống như bộ biến đổi ba pha được xây dựng từ việc ghép ba

bộ biến đổi một pha, bộ biến đổi ba pha với chỉnh lưu tích cực phía đầu vào và nghịch lưu

ba pha bốn dây đầu ra Hạn chế chủ yếu của các cấu trúc truyền thống là điện áp đầu ra và dòng điện đầu vào không sin, không đảm bảo được việc truyền năng lượng theo hai chiều, kích thước bộ biến đổi tương đối lớn Bộ biến đổi kiểu ma trận với những ưu điểm nổi bật như tạo được điện áp đầu ra và dòng điện đầu vào có dạng hình sin, hệ số công suất đầu vào của biến tần có thể điều chỉnh được và đạt gần bằng một, năng lượng có thể trao đổi theo hai chiều, được đề xuất để xây dựng bộ nguồn biến đổi tần số Trên cơ sở đó đề xuất định hướng nghiên cứu và các vấn đề cần giải quyết của luận án là: cấu trúc mạch lực, cấu trúc bộ nguồn, điều khiển chuyển mạch, điều khiển biến tần, điều khiển ổn định điện áp ra

và xây dựng mô hình thực nghiệm để kiểm chứng các kết quả nghiên cứu

10

Chương 2

CẤU TRÚC MẠCH LỰC VÀ CHUYỂN MẠCH

2.1 Cấu trúc mạch lực

Phần lực của bộ nguồn biến đổi tần số đóng vai trò quan trọng, quyết định kích

thước, chất lượng, các mạch phụ trợ khác và phương pháp điều khiển cho bộ nguồn….Phần lực bao gồm mạch lực của bộ biến đổi, các mạch phụ trợ khác như: Máy biến áp để cách ly và có thể biến đổi điện áp nhằm đảm bảo điện áp đầu ra đạt đúng giá trị mong muốn, lọc đầu vào, lọc đầu ra nhằm mục đích nâng cao chất lượng điện áp và dòng điện, mạch bảo vệ cho các van bán dẫn

Dựa trên nguyên tắc điện áp đầu ra được tạo ra trực tiếp từ điện áp đầu vào, có nghĩa là một pha đầu ra được nối với một pha đầu vào thông qua một khóa bán dẫn Nếu điện áp đầu vào là n pha thì một pha đầu ra sẽ được nối với cả n pha đầu vào thông qua n khóa bán dẫn Nếu điện áp đầu ra là m pha, theo nguyên tắc trên sẽ có một ma trận khóa bán dẫn có kích thước m×n để nối giữa m pha đầu ra với n pha đầu vào, ma trận khóa bán dẫn được chỉ ra trên hình 2.1a Biến tần có cấu trúc cơ bản như hình 2.1a được gọi là biến tần ma trận, cấu trúc kiểu trực tiếp Để đảm bảo dòng điện có thể chảy theo hai chiều, các khóa bán dẫn sử dụng trong biến tần ma trận là khóa hai chiều (BDS)

Phương pháp điều khiển cho biến tần ma trận trực tiếp có thể biến đổi cấu trúc trực tiếp thành cấu trúc kiểu gián tiếp, được chỉ ra trên hình 2.1b Theo cấu trúc kiểu gián tiếp biến tần ma trận được chia thành hai phần: phần nối với lưới được gọi là chỉnh lưu, phần

Hình 2.1 Cấu trúc tổng quát của biến tần ma trận

a) Cấu trúc kiểu trực tiếp, b) Cấu trúc kiểu gián tiếp

11

nối với tải được gọi là nghịch lưu Phần chỉnh lưu có cấu trúc theo kiểu biến tần ma trận n pha đầu vào – một pha đầu ra, nối theo kiểu cầu [26], sử dụng các van bán dẫn hai chiều Phần nghịch lưu có cấu trúc như các bộ nghịch lưu truyền thống, sử dụng các van bán dẫn một chiều Khâu liên kết giữa hai phần chỉnh lưu và nghịch lưu không sử dụng phần tử tích trữ năng lượng, điều này dẫn đến quá trình điều khiển cho cấu trúc kiểu gián tiếp có những điểm đặc biệt so với biến tần gián tiếp truyền thống

Bộ nguồn biến đổi tần số ba pha khi cung cấp nguồn cho thiết bị một pha, yêu cầu phải có dây trung tính Do đó đặc điểm mạch lực của biến tần ma trận ứng dụng trong bộ nguồn biến đổi tần số là đầu vào ba pha ba dây, đầu ra ba pha bốn dây (ba dây pha và một dây trung tính) Ngoài ra còn đáp ứng các yêu cầu cơ bản như: cấu trúc phải đơn giản, đảm bảo năng lượng có thể truyền theo hai chiều, đặc biệt là việc điều khiển điện áp ra cho bộ nguồn trong trường hợp tải không đối xứng phải đơn giản Xuất phát từ yêu cầu của bộ nguồn và từ cấu trúc tổng quát của biến tần ma trận, có một số giải pháp cho cấu trúc mạch lực của biến tần ma trận ứng dụng trong bộ nguồn biến đổi tần số, được trình bày chi tiết dưới đây

2.1.1 Mạch lực của bộ nguồn trên cơ sở biến tần ma trận ba pha ba nhánh

Mạch lực với ba pha đầu vào, ba pha đầu ra được cấu trúc theo hai kiểu: kiểu trực tiếp và kiểu gián tiếp Cấu trúc theo kiểu trực tiếp được chỉ ra trên hình 2.2a, bộ phận cơ bản là một ma trận 3×3, gồm 9 khoá bán dẫn hai chiều, SAa, SBa, SCa, SAb, SBb, SCb, SAc,

SBc, SCc Các khoá bán dẫn hai chiều nối đầu ra a, b, c với đầu vào A, B, C theo một quy luật nhất định nhằm tạo được điện áp đầu ra có dạng hình sin theo tần số cơ bản Biến tần

ma trận có cấu trúc có bản như trên được gọi là biến tần ma trận trực tiếp ba pha ba nhánh (MC 3×3)

Hình 2.2 Biến tần ma trận 3 pha 3 nhánh

a) Cấu trúc trực tiếp, b) Cấu trúc gián tiếp

12

Cấu trúc theo kiểu gián tiếp được chỉ ra trên hình 2.2b Theo kiểu cấu trúc này, mạch lực được chia thành hai phần, phần nối với lưới được gọi là chỉnh lưu và phần nối với tải được gọi là nghịch lưu Phần chỉnh lưu có cấu trúc theo kiểu ba pha đầu vào - một pha đầu ra, nối theo kiểu cầu [26], sử dụng các van bán dẫn hai chiều Phần nghịch lưu có cấu trúc như nghịch lưu ba nhánh truyền thống, sử dụng các van bán dẫn một chiều Phần liên kết giữa chỉnh lưu và nghịch lưu không sử dụng tụ Biến tần ma trận có cấu trúc có bản như trên được gọi là biến tần ma trận gián tiếp ba pha ba nhánh (IMC3 × 3)

Khi ứng dụng biến tần ma trận 3 pha 3 nhánh trong bộ nguồn biến đổi tần số, do yêu cầu đầu ra có bốn nhánh, nên giải pháp để tạo điểm trung tính cho đầu ra là sử dụng máy biến áp mắc tại đầu ra của biến tần, cuộn dây thứ cấp của máy biến áp được nối theo

sơ đồ sao có dây trung tính Yo, cấu trúc này được chỉ ra trên hình 2.3

BDS

Phụ tải

Y 0

n Lưới

a)

b)

Lọc đầu ra

C o

Hình 2.3 Cấu trúc bộ nguồn biến đổi tần số với máy biến áp mắc tại đầu ra MC

a) Sử dụng cấu trúc trực tiếp, b) Sử dụng cấu trúc gián tiếp

13

Trong cấu trúc của bộ nguồn biến đổi tần số được chỉ ra trên hình 2.3, máy biến áp

có các chức năng chủ yếu, tạo điểm trung tính cho tải, có thể biến đổi điện áp ra để đảm bảo cho điện áp đầu ra đạt đúng giá trị yêu cầu của tải, đồng thời cách ly giữa tải và bộ biến đổi Trong trường hợp tải không đối xứng, dòng trung tính của tải sẽ có giá trị khác không và chỉ chảy qua phía thứ cấp của máy biến áp nên hiệu suất của bộ biến đổi sẽ cao Ngoài ra khi làm việc ở tần số cao, kích thước của máy biến áp sẽ nhỏ hơn Nhược điểm của cấu trúc này là máy biến áp phải làm việc với tải không đối xứng, đặc biệt là sẽ có những trường hợp tải chỉ có trên một pha của máy biến áp, mặt khác điện áp ra của biến tần ma trận là các xung tần số cao do đó cũng ảnh hưởng tới chế độ làm việc của máy biến

áp Một khó khăn nữa là việc điều khiển điện áp ra trong trường hợp tải không đối xứng rất phức tạp, do tín hiệu điện áp phản hồi được đo phía sau máy biến áp, có nghĩa là mô hình của đối tượng điều khiển sẽ bao gồm cả mô hình của máy biến áp

2.1.2 Mạch lực của bộ nguồn trên cơ sở biến tần ma trận ba pha bốn nhánh

Xuất phát từ cấu trúc của biến tần ma trận 3 pha 3 nhánh được chỉ ra trên hình 2.2, phát triển thêm nhánh thứ tư cho dây trung tính Mạch lực với ba pha ba dây đầu vào và ba pha bốn dây đầu ra (ba dây pha, một dây trung tính) được cấu trúc theo hai kiểu: kiểu trực tiếp và kiểu gián tiếp

Cấu trúc theo kiểu trực tiếp được chỉ ra trên hình 2.4a Nhánh thứ tư cho dây trung tính cũng được nối với cả ba pha đầu vào qua ba khóa bán dẫn hai chiều, như vậy cấu trúc của biến tần sẽ là đầu vào ba pha ba nhánh, đầu ra là ba pha bốn nhánh Trong cấu trúc này

sử dụng 12 khóa bán dẫn hai chiều Biến tần ma trận có cấu trúc như trên được gọi là biến tần ma trận trực tiếp ba pha bốn nhánh (MC 3×4)

Cấu trúc theo kiểu gián tiếp được chỉ ra trên hình 2.4b Theo kiểu cấu trúc này, mạch lực được chia thành hai phần: phần nối với lưới được gọi là chỉnh lưu và phần nối với tải được gọi là nghịch lưu Phần chỉnh lưu có cấu trúc theo kiểu ba pha đầu vào - một

Hình 2.4 Biến tần ma trận ba pha bốn nhánh

a) Cấu trúc trực tiếp, b) Cấu trúc gián tiếp

14

pha đầu ra, nối theo kiểu cầu [26], sử dụng các van bán dẫn hai chiều BDS Phần nghịch lưu có cấu trúc như nghịch lưu bốn nhánh truyền thống, sử dụng các van bán dẫn một chiều Phần liên kết giữa chỉnh lưu và nghịch lưu không sử dụng tụ Biến tần ma trận có cấu trúc có bản như trên được gọi là biến tần ma trận gián tiếp ba pha bốn nhánh (IMC 3×4)

Cấu trúc của bộ nguồn biến đổi tần số ứng dụng biến tần ma trận ba pha bốn nhánh được chỉ ra trên hình 2.5 Trong cấu trúc trên máy biến áp được đặt tại phía trước của biến tần ma trận ba pha bốn nhánh Máy biến áp đảm nhận chức năng cách ly giữa lưới và bộ biến đổi, nên mọi biến động của điện áp lưới không ảnh hưởng trực tiếp tới đầu vào của biến tần, điều này là rất có ý nghĩa do MC là bộ biến đổi trực tiếp nên mọi sự biến động của điện áp lưới sẽ tác động rất lớn đến việc điều khiển biến tần Ngoài ra máy biến áp có thể tăng điện áp ra để đảm bảo cho điện áp đầu ra đạt đúng giá trị yêu cầu của tải

Hình 2.5 Cấu trúc bộ nguồn biến đổi tần số với máy biến áp mắc tại đầu vào MC

a) Sử dụng cấu trúc trực tiếp, b) Sử dụng cấu trúc gián tiếp

15

Trong cấu trúc này sơ đồ nối của cuộn dây sơ cấp và cuộn dây thứ cấp của máy biến áp có thể là tam giác (Δ) hoặc sao (Y), do đó sẽ không có thành phần sóng hài bậc ba đưa lên lưới khi tải mất đối xứng hoặc tải phi tuyến Việc điều khiển điện áp ra của bộ nguồn trong trường hợp tải không đối xứng đơn giản hơn so với cấu trúc trong hình 2.2 Cấu trúc này vẫn còn có những hạn chế, do có thể tăng áp nên các van bán dẫn của bộ biến đổi phải làm việc với điện áp cao hơn điện áp lưới, gây nhiều vấn đề như phát nhiệt, tổn thất trên van Số lượng khóa bán dẫn hai chiều là 12, nhiều hơn so với cấu trúc MC 3×3 Tuy nhiên những hạn chế trên đây không gây nhiều khó khăn và ảnh hưởng đến việc thiết

kế bộ nguồn

So sánh về số lượng van bán dẫn sử dụng trong bộ biến đổi được chỉ ra trong bảng 2.1 dưới đây, có thể nhận thấy các bộ biến đổi 3 pha 3 dây sử dụng số lượng van bán dẫn ít hơn so với các bộ biến đổi 3 pha 4 dây

Bảng 2.1 So sánh số lượng van bán dẫn của các cấu trúc biến tần ma trận

Số lượng van bán dẫn hai chiều

Số lượng van bán dẫn một chiều

1 Biến tần ma trận trực tiếp 3 pha 3 nhánh 09 0

2 Biến tần ma trận gián tiếp 3 pha 3 nhánh 06 06

3 Biến tần ma trận trực tiếp 3 pha 4 nhánh 12 0

4 Biến tần ma trận gián tiếp 3 pha 4 nhánh 06 08

Trên cơ sở các phân tích, kết hợp với các yêu cầu đặt ra của bộ nguồn, biến tần

ma trận trực tiếp 3 pha 4 nhánh được ứng dụng trong bộ nguồn biến đổi tần số và cấu trúc

bộ nguồn với máy biến áp đặt phía trước được sử dụng, hình 2.5a

2.2 Khóa bán dẫn hai chiều (BDS)

Khóa bán dẫn hai chiều (BDS) sử dụng trong biến tần ma trận đảm bảo cho dòng điện có thể chảy theo hai chiều Khóa bán dẫn hai chiều được xây dựng trên cơ sở các van bán dẫn điều khiển hoàn toàn (IGBT, MOFETS), sơ đồ phổ biến của các khóa được chỉ ra trên hình 2.6 dưới đây

Hình 2.6 Khóa bán dẫn hai chiều

16

Sơ đồ sử dụng cầu diot, gồm một IGBT và bốn diot, cấu trúc được chỉ ra trên hình 2.6a Mỗi khi chảy qua khóa, dòng điện phải chảy qua ba phần tử bán dẫn là hai diot và một IGBT (Mosfet), do đó tổn thất trên khóa là khá lớn Tuy nhiên do chỉ sử dụng một van bán dẫn điều khiển hoàn toàn nên khóa hai chiều này yêu cầu điều khiển quá trình chuyển mạch tương đối đơn giản Sơ đồ sử dụng hai van bán dẫn điều khiển hoàn toàn mắc nối tiếp ngược chiều nhau được chỉ ra trên hình 2.6a, 2.6b, mỗi khóa hai chiều bao gồm hai van bán dẫn điều khiển hoàn toàn và hai diot Theo kiểu cấu trúc này, hai IGBT có thể được mắc chung emittor, hình 2.6b hoặc chung collector, hình 2.6c Các diot sử dụng trong khóa hai chiều phải là các diot chịu được dòng điện và điện áp ngược tương đương với IGBT, đồng thời phải có thời gian đóng cắt nhanh

Nhằm đáp ứng nhu cầu về sử dụng van bán dẫn hai chiều trong nghiên cứu về biến tần ma trận Một số hãng chế tạo van bán dẫn như Dynex, SemiKron, đang trong quá trình sản xuất thử nghiệm van dẫn hai chiều, việc sản xuất chỉ thực hiện theo đơn đặt hàng từ các đơn vị có nhu cầu sử dụng

Hình 2.7 Thông số kỹ thuật van bán dẫn hai chiều DIM200WBS12-A000

a) Hình ảnh ngoài và cấu trúc; b) Đặc tính của van [16]

17

Với mục đích triển khai mô hình thực nghiệm của bộ nguồn biến đổi tần số ứng dụng biến tần ma trận, tác giả đã đặt hàng sản xuất thử nghiệm khóa bán dẫn hai chiều của hãng Dynex Van bán dẫn hai chiều đặt mua là loại DIM200WBS12-A000 Hình ảnh bên ngoài, cấu trúc van và đặc tính được chỉ ra trên hình 2.7, thông số kỹ thuật cơ bản của van được chỉ ra trong bảng 2.2, chi tiết các thông số được trình bày trong phụ lục 1

Bảng 2.2 Các thông số kỹ thuật chính của van bán dẫn hai chiều DIM200WBS12-A000

Điện áp collector – emitter VCES 1200 V

Dòng điện đỉnh collector IC(PK) 400 A t = 1ms

2.3 Chuyển mạch trong biến tần ma trận [1]

Chuyển mạch là quá trình chuyển dòng điện từ một van đang dẫn bị khóa lại sang một van khác vừa mở ra Trong biến tần ma trận do sử dụng các van bán dẫn hai chiều nên yêu cầu quá trình chuyển mạch tương đối phức tạp Quá trình chuyển mạch phải tuân thủ theo hai quy tắc, đó là không được ngắn mạch phía lưới và không được hở mạch phía tải

Quy tắc thứ nhất đảm bảo không xảy ra ngắn mạch phía điện áp lưới gây ra xung dòng điện lớn phá hủy van Quy tắc thứ hai đảm bảo không gây ra hiện tượng hở mạch phía tải gây ra quá điện áp, đánh thủng các van bán dẫn Người ta phân biệt chuyển mạch trong chế độ làm việc bình thường và

chuyển mạch trong chế độ quá độ

Nhiều phương pháp chuyển mạch

trong chế độ bình thường đã được

nghiên cứu và áp dụng cho biến tần ma

trận, chuyển mạch bốn bước, chuyển

mạch hai bước, chuyển mạch một

bước, chuyển mạch thông minh,

chuyển mạch mềm

Hình 2.8 Chuyển mạch giữa hai pha

18

Nguyên lý của chuyển mạch được làm rõ qua việc xét trường hợp chuyển mạch từ pha A sang pha B, biểu diễn trên hình 2.8 Giả thiết pha A đang dẫn dòng, pha B khoá và dòng tải có chiều theo hình 2.8 Hai khóa SA1 và SA2 đều mở để đảm bảo dòng điện có thể chảy theo hai chiều, tuy nhiên tại thời điểm xét chỉ thực sự có khóa SA1 và DA2 đang dẫn dòng Khi có lệnh chuyển sang pha B, logic của quá trình chuyển mạch có thể diễn ra theo

bốn bước, hai bước hoặc một bước phụ thuộc vào chiều của dòng điện

2.3.1 Chuyển mạch bốn bước

Khi chuyển mạch từ pha A sang pha B theo trình tự bốn bước, logic của quá trình chuyển mạch được mô tả trên hình 2.9a Bước 1: Ngắt tín hiệu điều khiển tới van không dẫn SA2; Bước 2: Điều khiển mở van SB1; Bước 3: Ngắt tín hiệu điều khiển van SA1; Bước 4: Cho tín hiệu điều khiển mở van SB2 Trong trường hợp dòng điện có chiều ngược lại thì trình tự chuyển mạch sẽ được thực hiện ngược lại Đồ thị tín hiệu điều khiển các van bán dẫn theo thời gian được thể hiện trên hình 2.9b Thời gian để hoàn tất một quá trình chuyển mạch bốn bước phụ thuộc vào thời gian khóa của IGBT được sử dụng (tđ)

Hình 2.9 Chuyển mạch bốn bước theo chiều dòng điện

a) Trạng thái logic các van; b)Đồ thị tín hiệu điều khiển

Bảng 2.3 Logic chuyển mạch từ pha A sang pha B

2.3.2 Chuyển mạch hai bước

Như đã biết trong quá trình chuyển mạch bốn bước phải dựa vào việc phát hiện chiều dòng điện IL hoặc điện áp chuyển mạch Tuy nhiên hạn chế của phương pháp này là phải qua bốn bước mới chuyển mạch xong, sự chính xác của điện áp chuyển mạch hay chiều dòng điện, sự thay đổi chiều dòng điện trong suốt quá trình chuyển mạch là không được xảy ra Có thể nhận thấy rằng khi đã biết chính xác trước chiều dòng điện không cần phát tín hiệu cho van không dẫn dòng trong khóa hai chiều, do đó bốn bước chuyển mạch chỉ còn lại hai bước Như vậy theo phương pháp chuyển mạch hai bước chỉ có van thực sự đang dẫn dòng được kích hoạt, hình 2.10 chỉ ra quá trình chuyển mạch hai bước giữa hai pha A và B

Hình 2.10 Chuyển mạch hai bước từ pha A sang pha B khi I L > 0

Đồ hình trạng thái cho các van chuyển mạch được chỉ ra trên hình 2.11a Theo phương pháp chuyển mạch hai bước, khi chiều dòng điện đã được xác định rõ (IL > 0 hoặc

IL <0) thì chỉ điều khiển cho một van dẫn Khi chiều dòng điện chưa được xác định rõ, đang trong quá trình đổi chiều, lúc này nó đang nằm trong ngưỡng quanh giá trị không, để tránh trường hợp hở mạch dòng tải phải điều khiển mở cả hai IGBT trong khóa hai chiều đang dẫn dòng, hình 2.11b

Hình 2.11 Trạng thái logic của van trong chế độ chuyển mạch hai bước,

a) Đồ hình trạng thái; b) Tín hiệu điều khiển van khi dòng đổi chiều

20

2.3.3 Chuyển mạch một bước

Theo sơ đồ trên hình 2.8, khi cần chuyển mạch giữa hai pha đầu vào A và B, nếu biết được chính xác dấu của điện áp UAB và chiều dòng điện IL thì quá trình chuyển mạch chỉ cần một bước Tín hiệu điều khiển sẽ chuyển từ một IGBT đang dẫn dòng sang một IGBT ở pha khác có cùng chiều dẫn dòng, hình 2.12 Thời gian cần thiết cho chuyển mạch một bước là rất ngắn, tuy nhiên phương pháp này lại đòi hỏi phải xác định chính xác dấu của điện áp, chiều của dòng điện và chịu ảnh hưởng mạnh từ các nhiễu loạn của điện áp lưới

Hình 2.12 Chuyển mạch một bước với a) I L >0, b) I L <0

2.3.4 Chuyển mạch trong quá trình quá độ

Như đã biết trong sơ đồ biến tần ma trận không có hệ thống điốt ngược và kho tích trữ năng lượng tạm thời, không có các mạch trợ giúp đóng mở RC, mạch Clamp cũng có thể loại bỏ để giảm nhỏ kích thước của bộ biến đổi Giả sử khi có lệnh dừng biến tần, nếu cắt ngay xung điều khiển ở các khoá bán dẫn sẽ gây nên hiện tượng hở mạch tải, năng lượng tích tụ trong mạch sẽ gây ra quá áp trên các van bán dẫn Các thuật toán chuyển mạch ở phần trên chưa giải quyết được vấn đề này Trong [1] đưa ra giải pháp là phải mở một số IGBT kết hợp với một số diôt tạo nên mạch diôt ngược như ở trong biến tần thông thường để giải phóng dòng tải Thuật toán chuyển mạch trong quá trình quá độ sẽ được khởi tạo khi có lệnh dừng biến tần

21

2.4 Thiết kế chuyển mạch cho biến

tần ma trận trực tiếp 3 pha 4 nhánh

Với những ưu điểm như thông tin cần đo là

ít nhất, logic chuyển mạch rõ ràng, dễ thực hiện

trên thiết bị phần cứng, phương pháp chuyển mạch

bốn bước được áp dụng cho MC 3×4 Dưới đây là

chi tiết của logic chuyển mạch bốn bước cho MC

3×4

Mạch lực của biến tần ma trận trực tiếp 3

pha 4 nhánh được chỉ ra trên hình 2.13, bao gồm 12

van bán dẫn hai chiều Van bán dẫn có cấu trúc bao

gồm hai IGBT mắc nối tiếp với nhau theo kiểu

emiter chung Các van bán dẫn hai chiều trong

mạch lực của MC 3×4 được chia thành bốn nhóm,

mỗi nhóm gồm ba van bán dẫn hai chiều, nối ba pha đầu vào tới một pha đầu ra Với cấu trúc như trên, sơ đồ khối hệ thống điều khiển chuyển mạch của biến tần ma trận trực tiếp 3 pha 4 nhánh được chỉ ra trên hình 2.14

Hình 2.13 Cấu trúc của MC 3×4

Hình 2.14 Cấu trúc hệ thống điều khiển chuyển mạch của MC 3×4

22

Trên hình 2.14, khối điều khiển chuyển mạch nhận 12 tín hiệu điều khiển cho 12 van bán dẫn hai chiều từ DSP, 12 tín hiệu này đã chỉ rõ trạng thái đóng cắt của 12 van bán dẫn hai chiều Phụ thuộc vào các yếu tố bao gồm: trạng thái trước đó của 12 van bán dẫn hai chiều, chiều của dòng điện tải và logic chuyển mạch được áp dụng, khối điều khiển chuyển mạch sẽ xuất 24 tín hiệu, các tín hiệu này chỉ rõ trạng thái đóng cắt của từng van bán dẫn trong các khóa hai chiều

Tùy theo đặc điểm tải của bộ nguồn như: tải trên ba pha là đối xứng, tải trên ba pha

là không đối xứng, chỉ có tải trên một pha, hai pha, dẫn đến trên nhánh đầu ra của biến tần

có thể có hoặc không có dòng điện Trường hợp tải trên ba pha là đối xứng, lúc này chỉ có dòng trên các nhánh pha, nhánh trung tính dòng bằng không Trường hợp tải trên ba pha là không đối xứng, lúc này trên cả bốn nhánh đầu ra đều có dòng điện Trường hợp chỉ có tải trên một pha hoặc hai pha, lúc này chỉ những nhánh nào có tải và nhánh trung tính có dòng điện, những nhánh không có tải dòng sẽ bằng không

Từ đặc điểm trên đây, phân biệt hai quá trình chuyển mạch cho các van bán dẫn trong biến tần ma trận trực tiếp 3 pha 4 nhánh: Chuyển mạch xảy ra khi dòng qua các van

có giá trị khác không, quá trình này thuộc nhóm chuyển mạch nặng Chuyển mạch xảy ra khi dòng qua các van có giá trị bằng không, quá trình này thuộc nhóm chuyển mạch mềm Logic chuyển mạch của hai quá trình này là khác nhau Thông tin về giá trị của dòng điện chảy trên các nhánh đầu ra (khác không hay bằng không) sẽ quyết định logic của quá trình chuyển mạch, khi dòng điện có giá trị khác không, chuyển mạch tuân theo quy trình bốn bước, khi dòng điện có giá trị bằng không, chuyển mạch tuân theo quy trình hai bước, chi tiết của hai chế độ chuyển mạch được trình bày dưới đây

2.4.1 Logic chuyển mạch nặng

Trong cấu trúc của MC 3×4 trên hình 2.13, mỗi nhánh đầu ra nối với cả ba pha đầu vào, như vậy với mỗi nhánh ra cần điều khiển quá trình chuyển mạch giữa ba pha đầu vào với nhau, cụ thể là A  B, B  C, C  A Biểu đồ trạng thái logic chuyển mạch giữa hai pha bất kỳ tương tự như trên hình 2.9a, như vậy để đảm bảo chuyển mạch giữa ba pha đầu vào cho một nhánh đầu ra của biến tần, có tất cả ba biểu đồ trạng thái logic chuyển mạch cho mỗi nhánh đầu ra Trong MC 3×4 có bốn nhánh ra, như vậy có tất cả 12 biểu đồ trạng thái logic chuyển mạch giữa các pha, được biểu diễn trên hình 2.15 Logic chuyển mạch bốn bước của MC 3×4 được chỉ ra trong bảng 2.4

23

B ảng 2.4 Logic chuyển mạch bốn bước của biến tần ma trận trực tiếp 3 pha 4 nhánh

Trên hình 2.16 biểu diễn đồ thị thời gian của quá trình chuyển mạch bốn bước, pha

A  pha B, pha B  pha C, pha C  pha A cho một nhánh ra của biến tần ma trận trực tiếp 3 pha 4 nhánh, đồ thị thời gian cho các nhánh còn lại được biểu diễn tương tự Độ trễ giữa hai bước chuyển mạch liên tiếp bằng khoảng thời gian xử lý của hệ thống điều khiển chuyển mạch và thời gian đóng mở của IGBT (td) khoảng 10 µs

Hình 2.16 Đồ thị thời gian chuyển mạch bốn bước của MC 3×4

25

2.4.2 Logic chuyển mạch mềm

Chuyển mạch mềm là chuyển mạch khi dòng điện qua van có giá trị bằng không, trong MC 3×4 chuyển mạch mềm xảy ra trên nhánh trung tính khi tải là ba pha đối xứng, trên các nhánh không có tải Khi không có dòng qua van, logic chuyển mạch đơn giản hơn, chỉ gồm hai bước, trước tiên đồng thời ngắt tín hiệu điều khiển hai van chuẩn bị chuyển, sau đó điều khiển mở đồng thời hai van chuẩn bị dẫn, độ trễ giữa hai tín hiệu điều khiển chuyển mạch bằng khoảng thời gian xử lý của hệ thống điều khiển chuyển mạch và thời gian đóng mở của IGBT (td), khoảng 10 µs Trên hình 2.17 biểu diễn đồ thị thời gian của quá trình chuyển mạch mềm, pha A  pha B, pha B  pha C, pha C  pha A cho một nhánh ra của biến tần ma trận trực tiếp 3 pha 4 nhánh, đồ thị thời gian cho các nhánh còn lại được biểu diễn tương tự

2.4.3 Mô phỏng chuyển mạch cho biến tần ma trận trực tiếp 3 pha 4 nhánh

Khi mô phỏng MC 3×4 trên Matlab, logic chuyển mạch bốn bước được thực hiện trên công cụ State Flow Kết quả mô phỏng logic chuyển mạch của MC 3×4 được chỉ ra trên hình 2.18 (a - d)

Do quá trình chuyển mạch phức tạp và thời gian chuyển mạch diễn ra rất nhanh, khoảng bằng thời gian đóng cắt của van bán dẫn được sử dụng, nên logic chuyển mạch phải được thực hiện bằng các mạch cứng Do đó các thiết bị phần cứng lập trình được như CPLD, FPGA thường được lựa chọn để thực hiện logic chuyển mạch Trước khi triển khai thực hiện logic chuyển mạch của MC 3×4 bằng thiết bị phần cứng, để đảm bảo tính chính xác của quá trình chuyển mạch, logic chuyển mạch được kiểm chứng trên ngôn ngữ mô phỏng cho thiết bị phần cứng VHDL, kết quả mô phỏng được chỉ ra trên hình 2.18e

Hình 2.17 Đồ thị thời gian các bước chuyển mạch mềm của MC 3×4

26