Đồ án: Ứng dụng biến tần ma trận cho hệ truyền động động cơ không đồng bộ rotor lồng sóc”

Biến tần ma trận (Matrix Converter) là bộ biến tần trực tiếp sử dụng hoàn toàn các van bán dẫn hai chiều, có nhiều ưu điểm hơn so với các loại biến tần truyền thống có khâu trung gian một chiều như không có thành phần trung gian một chiều nên có thiết kế nhỏ gọn hơn, độ tin cậy cao hơn do không có thành phần tụ hóa. Có dòng điện đầu vào dạng sin, điện áp và dòng điện đầu ra có dạng sin, có thể điều chỉnh được hệ số công suất, hoạt động được trên bốn góc phần tư nên sẽ là xu thế của các bộ biến đổi ngày nay.Em được thầy giáo TS. Trần Trọng Minh giao đề tài tốt nghiệp “Ứng dụng biến tần ma trận trong hệ truyền động động cơ không đồng bộ rotor lồng sóc”, dưới sự hướng dẫn tận tình của TS. Trần Trọng Minh cùng sự giúp đỡ của TS. Vũ Hoàng Phương em đã hoàn thành đề tài tốt nghiệp của mình. Em xin gửi lời cảm ơn chân thành tới thầy giáo TS. Trần Trọng Minh và TS. Vũ Hoàng Phương đã giúp em hoàn thành đề tài.

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

HÀ NỘI, 6-2015 BCN Bộ môn

Sinh viên

(Ký, ghi rõ họ, tên)

LỜI CAM ĐOAN

Em xin cam đoan bản đồ án tốt nghiệp: “Ứng dụng biến tần ma trận cho hệ truyền động động cơ không đồng bộ rotor lồng sóc” do em tự thiết kế dưới sự hướng

dẫn của thầy giáo TS Trần Trọng Minh Các số liệu và kết quả là hoàn toàn đúng vớithực tế Để hoàn thành đồ án này em chỉ sử dụng những tài liệu được ghi trong danh mụctài liệu tham khảo và không sao chép hay sử dụng bất kỳ tài liệu nào khác Nếu phát hiện

có sự sao chép em xin chịu hoàn toàn trách nhiệm

Hà Nội, ngày 17 tháng 06 năm 2015

Sinh viên thực hiện

Phan Văn Long

MỤC LỤC

DANH MỤC HÌNH VẼ iv

DANH MỤC BẢNG SỐ LIỆU vii

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT viii

LỜI MỞ ĐẦU 1

Chương 1 GIỚI THIỆU VỀ BIẾN TẦN MA TRẬN 2

1.1 Lịch sử hình thành và phát triển 2

1.2 Cấu hình cơ bản của MC 3

1.3 Phân tích các bộ phận cấu thành MC 3

1.3.1 Mạch lọc đầu vào 3

1.3.2 Mạch bảo vệ 4

1.3.3 Khóa bán dẫn hai chiều 7

1.3.4 So sánh MC với biến tần có khâu trung gian 10

1.4 Ứng dụng biến tần ma trận điều khiển động cơ 13

Chương 2 CHUYỂN MẠCH VÀ ĐIỀU CHẾ VECTOR KHÔNG GIAN CHO BIẾN TẦN MA TRẬN 14

2.1 Chuyển mạch cho MC 14

2.1.1 Quy tắc của quá trình chuyển mạch 14

2.1.2 Các phương pháp chuyển mạch đơn giản 15

2.1.3 Chuyển mạch bốn bước dựa trên dấu dòng điện tải 16

2.1.4 Chuyển mạch bốn bước dựa trên dấu điện áp đầu vào 17

2.2 Điều chế vector không gian trực tiếp cho MC 18

2.2.1 Vấn đề biến điệu độ rộng xung trong biến tần ma trận 18

2.2.2 Phương pháp vector không gian cho biến tần ma trận 19

2.2.3 Xác định vector không gian 20

2.2.4 Xác định vector điện áp đầu ra và vector dòng điện đầu vào 23

2.2.5 Xác định hệ số biến điệu 24

2.2.6 Trường hợp hệ số công suất gần lý tưởng 28

2.2.7 Thứ tự thực hiện các tổ hợp van 29

2.2.8 Tính toán thời gian đóng ngắt xuất ra các van 30

Chương 3 MÔ PHỎNG VÀ THỰC NGHIỆM 51

3.1 Mô phỏng mạch vòng hở biến tần ma trận 51

KẾT LUẬN 65

TÀI LIỆU THAM KHẢO 66

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1 Cấu hình cơ bản của MC 3

Hình 1.2 Mạch lọc đầu vào 4

Hình 1.3 Mạch bảo vệ khi khởi động 4

Hình 1.4 Mạch Clamp 5

Hình 1.5 Mạch bảo vệ sử dụng Varistors 6

Hình 1.6 Bảo vệ IGBT bằng cách thêm diode Zenner 7

Hình 1.7 Cấu trúc khóa bán dẫn hai chiều 8

Hình 1.8 Sơ đồ nguyên lý module 1200V – 100A 9

Hình 1.9 Sơ đồ nguyên lý module Standard Econo3 1200V – 30A 9

Hình 1.10 Module 600V – 300A 9

Hình 1.11 Module 1700V – 600A 10

Hình 1.12 Sơ đồ nguyên lý module 1200V – 100A sử dụng RB – IGBTs 10

Hình 1.13 Cấu trúc của biến tần có khâu trung gian một chiều AC – DC – AC 10

Hình 1.14 Biến tần ma trận 11

Hình 1.15 Biến tần nguồn áp 11

Hình 1.16 Biến tần B2B 12

Hình 2.1 Các trường hợp vi phạm: a) Ngắn mạch phía lưới b) Hở mạch phía tải 14

Hình 2.2 Chuyển mạch từ pha a sang pha b 15

Hình 2.3 Biểu đồ thời gian phương pháp chuyển mạch bốn bước 17

dựa trên dấu dòng điện tải 17

Hình 2.4 Biểu đồ logic trạng thái của phương pháp chuyển mạch bốn bước dựa trên dấu dòng điện ra tải cho một pha đầu ra 18

Hình 2.5 Sơ đồ cấu trúc biến tần ma trận 19

Hình 2.6 Các tổ hợp van của ma trận khóa hai chiều 22

Hình 2.7 a) Vector không gian điện áp đầu ra b) Vector không gian dòng điện đầu vào 23

Hình 2.8 Phân tích thời gian các khóa đóng cắt cho từng pha đầu ra 30

Hình 3.1 Mô hình mô phỏng điều chế vector không gian trực tiếp cho MC 51

Hình 3.2 Mô hình mô phỏng MC trên MATLAB & SIMULINK và SIMPOWER 52

Hình 3.3 Bên trong khối điều khiển của mô hình mô phỏng MC 52

Hình 3.4 Khối PWM thực hiện các tổ hợp van theo trình tự 53

Hình 3.5 Van bán dẫn hai chiều sử dụng cấu trúc E chung 53

Hình 3.6 Khối chuyển mạch 4 bước cho 9 van bán dẫn hai chiều 54

Hình 3.7 Xây dựng khối chuyển mạch 4 bước theo dấu dòng điện cho 1 pha đầu ra trên Stateflow 54

Hình 3.8 Điện áp đầu ra (trên), dòng điện đầu ra (dưới) với fout=25hz 55

Hình 3.9 Dòng điện và điện áp đầu vào (trên), dòng điện đầu vào (dưới), fout=25hz ( chưa có bộ lọc đầu vào) 55

Hình 3.10 Dòng điện và điện áp đầu vào(trên), dòng điện đầu vào (dưới), 56

fout=25hz, có bộ lọc đầu vào với L=1mH, C=7uF 56

Hình 3.11 Điện áp ra (trên), dòng điện đầu ra (dưới) với fout=50hz 56

Hình 3.12 Dòng điện và điện áp đầu vào (trên), dòng điện đầu vào (dưới), fout =50hz (chưa có bộ lọc đầu vào) 57

Hình 3.13 Dòng điện và điện áp đầu vào (trên), dòng điện đầu vào (dưới), 57

fout=50hz, có bộ lọc đầu vào với L=1mH, C=7uF 57

DANH MỤC BẢNG SỐ LIỆU

Bảng 1.1 So sánh các cấu trúc khóa bán dẫn hai chiều 8Bảng 2.1 Các tổ hợp van và giá trị các vector biên chuẩn tương ứng đối với điện áp ra vàdòng điện đầu vào 25Bảng 2.2 Thứ tự thực hiện các vector chuẩn, ứng với vị trí của các vector điện áp ra vàdòng điện đầu vào tại các góc phần sáu tương ứng 31Bảng 2.3 Thời gian xuất ra các van 32

Danh mục các từ viết tắt

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

D-SVM Direct - Space Vector Modulation Điều chế vector không gian trực tiếp

Lời mở đầu

LỜI MỞ ĐẦU

Biến tần ma trận (Matrix Converter) là bộ biến tần trực tiếp sử dụng hoàn toàn cácvan bán dẫn hai chiều, có nhiều ưu điểm hơn so với các loại biến tần truyền thống cókhâu trung gian một chiều như không có thành phần trung gian một chiều nên có thiết kếnhỏ gọn hơn, độ tin cậy cao hơn do không có thành phần tụ hóa Có dòng điện đầu vàodạng sin, điện áp và dòng điện đầu ra có dạng sin, có thể điều chỉnh được hệ số công suất,hoạt động được trên bốn góc phần tư nên sẽ là xu thế của các bộ biến đổi ngày nay

Em được thầy giáo TS Trần Trọng Minh giao đề tài tốt nghiệp “Ứng dụng biến tần ma trận trong hệ truyền động động cơ không đồng bộ rotor lồng sóc”, dưới sự

hướng dẫn tận tình của TS Trần Trọng Minh cùng sự giúp đỡ của TS Vũ Hoàng Phương

em đã hoàn thành đề tài tốt nghiệp của mình Em xin gửi lời cảm ơn chân thành tới thầygiáo TS Trần Trọng Minh và TS Vũ Hoàng Phương đã giúp em hoàn thành đề tài

Nội dung của đồ án này bao gồm 4 chương:

Chương 1: Giới thiệu về biến tần ma trận

Chương 2: Chuyển mạch và điều chế vector không gian cho biến tần ma trận Chương 3: Mô phỏng và thực nghiệm

Do kiến thức của em còn hạn chế, thời gian làm đồ án không dài nên trong đồ ánnày chắc không tránh khỏi các sai sót, kính mong các thầy, cô cùng các bạn chỉ bảo Cuốicùng em xin chân thành cảm ơn tất cả các thầy cô trong Viện Điện đã nhiệt tình giảngdạy, truyền đạt các kiến thức chuyên môn cho em trong thời gian còn ngồi trên ghế nhàtrường

Chương 1 GIỚI THIỆU VỀ BIẾN TẦN MA TRẬN

1.1 Lịch sử hình thành và phát triển

Biến tần ma trận (Matrix Converter – MC) được đưa ra lần đầu tiên bởi Gyugi vàPelly năm 1976 và cũng trong một tạp chí xuất bản bởi Daniels and Slattery năm 1978,trong lần xuất bản này nó được gọi là Cycloconverter chuyển mạch cưỡng bức, sử dụngcác khóa bán dẫn hai chiều điều khiển hoàn toàn Nhược điểm của mô hình này là tạo ramột lượng lớn sóng hài không mong muốn của dòng đầu vào và áp ra, các sóng hài nàykhông dễ dang lọc bỏ bởi các bộ lọc

Vấn đề này được giải quyết bởi Venturini và Alesina năm 1980, bằng cách đưa rathuật toán PWM mới Thuật toán này cho phép đạt được dòng đầu vào và điện áp đầu ra

có dạng gần sin, góc lệch pha giữa dòng điện và điện áp đầu vào có thể điều khiển để đạtđược hệ số công suất cos() bằng 1 Đến năm 1989 Venturini và Alesina đã cải tiến thuậttoán nâng tỷ số truyền áp lên tới 0.866

Năm 1991, Ishiguro, In Roy và April đã đưa ra lớp thuật toán vô hướng Dựa trên việc

so sánh vô hướng giữa các giá trị tức thời của điện áp vào, dòng điện vào ở mỗi pha, theonguyên tắc tỷ lệ của hai đại lượng đó không đổi trong một chu kỳ lấy mẫu Thuật toánđiều khiển yêu cầu so sánh nhiều lần ở mỗi chu kỳ lấy mẫu Do đó để giải quyết vấn đềthời gian thực, thuật toán này đòi hỏi phải sử dụng bộ vi xử lý có tốc độ tính toán cao.Tiếp theo, phương pháp điều biến vector không gian (Space Vector Modulation -SVM) được áp dụng cho Matrix Converter Phương pháp này được nhiều người chú ý vì

có thể đưa ra thuật toán điều khiển đơn giản hơn, ít tính toán hơn Nhờ vậy có thể dễ dàngthực hiện bằng các bộ vi xử lý

Sau nhiều thập kỷ nghiên cứu phát triển, quá trình phát triển của bộ biến đổi đã đạtđược các ứng dụng trong công nghiệp, ít nhất đã có một nhà sản xuất bộ biến đổi(Yaskawa) đã sản xuất ra dòng biến tần ma trận với dải công suất 9 – 114 kVA (điện áp

200 và 400V) cho MC điện áp thấp và 200 – 600 kVA (điện áp 3.3 và 6.6 kV) cho MCđiện áp trung thế, như vậy sau nhiều năm liên tục nỗ lực nghiên cứu các thuật toán điềubiến và điều khiển nay đã được ứng dụng trong MC

1.2 Cấu hình cơ bản của MC

Ua Ma trận khóa hai chiều

Hình 1.1 Cấu hình cơ bản của MCBiến tần ma trận là bộ biến đổi cấu trúc trực tiếp AC/AC sử dụng hoàn toàn cáckhóa bán dẫn hai chiều với số lượng các linh kiện thụ động giảm thiểu, bao gồm 9 khóabán dẫn hai chiều được sắp xếp sao cho bất cứ pha đầu ra nào của tải cũng có thể nối vớibất cứ pha đầu vào nào, các khóa bán dẫn hai chiều được điều khiển đóng cắt để tạo rađiện áp và tần số mong muốn

Các thành phần cơ bản của MC bao gồm: 9 khóa bán dẫn hai chiều (SAa, SAb,SAc,…, SCc ), mạch lọc đầu vào LC dùng để lọc các sóng hài bậc cao gây ảnh hưởng tớilưới điện, mạch bảo vệ (Mạch Clamp) dùng để bảo vệ quá áp cho MC

1.3 Phân tích các bộ phận cấu thành MC

1.3.1 Mạch lọc đầu vào

Mạch lọc đầu vào nhằm giảm thành phần sóng hài gây ảnh hưởng tới lưới điện, vàtránh các dao động trên lưới tác động tới MC Mạch lọc đầu vào cho MC cần đáp ứng cácyêu cầu sau:

 Có kích thước và khối lượng bé

 Có tần số cut-off thấp hơn tần số đóng cắt van

 Có sụt áp thấp

 Nhược điểm của bộ lọc đầu vào :

Sử dụng mạch lọc LC sẽ gây nên hiện tượng quá áp ở phía đầu vào của bộ biến đổilúc khởi động làm phá huỷ các van bán dẫn Nguyên nhân của hiện tượng quá áp đầu vào

là do sự cộng hưởng của 2 thành phần LC gây ra dao động tắt dần, dao động này có thểđạt đến biên độ bằng 2 lần biên độ điện áp lưới Do vậy khi sử dụng bộ lọc đầu vào thìkèm theo đó là mạch bảo vệ quá trình khởi động

1.3.2 Mạch bảo vệ

a) Mạch bảo vệ khi khởi động

Để bảo vệ bộ biến đổi trước hiện tượng quá áp xảy ra trong quá trình khởi động,người ta đưa thêm vào các điện trở R có trị số lớn hơn trị số điện trở tới hạn Rth Khi đó,

ở đầu ra của mạch lọc sẽ không xuất hiện hiện tượng dao động, quá áp Trong điều kiệnhoạt động bình thường, điện trở R sẽ bị ngắn mạch

Để giải quyết vấn đề này người ta thường chọn giải pháp tăng dung lượng tụ

mạch LC, hạn chế được hiện tượng quá áp

Với cầu chỉnh lưu CL1 mắc ở phía đầu vào và cầu chỉnh lưu CL2 mắc ở phía tải, mạch clamp có thể thực hiện hai chức năng bảo vệ sau :

- Bảo vệ Matrix Converter khỏi hiện tượng quá áp gây ra do nhiễu điện áp lưới

- Bảo vệ Matrix Converter khỏi hiện tượng quá áp gây ra do cắt tải đột ngột trongtrường hợp xảy ra sự cố

Ở trạng thái bình thường, mạch clamp có thể sử dụng để cung cấp một phần năng lượng cho mạch điều khiển (sử dụng một phần năng lượng tích luỹ trên tải)

Khi có sự cố xảy ra, mạch clamp sẽ thực hiện chức năng bảo vệ bằng cách nạpnăng lượng dư thừa cho tụ Cclamp Quá trình diễn ra như sau:

- Với trường hợp quá áp đầu vào, điện áp đầu vào lớn hơn điện áp ở tụ, khi đó tụ

- Còn trường hợp cắt tải đột ngột ra khỏi lưới, nếu tải có tính cảm kháng lớn thì sứcđiện động trên các van rất lớn có thể phá huỷ biến tần Nhờ có mạch clamp, năng lượngtích luỹ trên tải được giải phóng.

Nhược điểm của mạch Clamp là mạch không tham gia vào quá trình làm việc bìnhthường, làm tăng kích thước và giá thành của MC Ngoài ra, để đảm bảo an toàn thì đòihỏi kích thước của tụ lớn và đó là điều không mong muốn bởi ta muốn xây dựng một giảipháp hoàn toàn bán dẫn

c) Mạch bảo vệ sử dụng Varistors

Phương pháp thứ hai là sử dụng mạch Varistor sử dụng cho các ứng dụng có côngsuất thấp, mạch varistor có cấu trúc tam giác nối ở đầu vào và đầu ra của MC, varistor ởđầu vào nhằm bảo vệ xung áp xuất hiện ở trên lưới, các varistor ở đầu ra bảo vệ quá ápkhi bộ biến đổi dừng khẩn cấp, các varistor tạo đường dẫn cho dòng điện trong các cuộncảm của động cơ Khi năng lượng tích lũy là nhỏ varistor có thể là thiết bị bảo vệ tạođường dẫn cho dòng điện khi ngắt dòng tải và vừa hấp thu năng lượng Trong khi hoạtđộng bình thường năng lượng tồn thất bởi varistor là không đáng kể

Hình 1.5 Mạch bảo vệ sử dụng VaristorsNhưng chỉ với varistor là chưa đủ đảm bảo, trong quá trình bộ biến đổi ngừng hoạtđộng, cần có phương pháp tin cậy để bảo vệ các van bán dẫn IGBT: vấn đề xuất hiện khi

ngắt khóa bán dẫn hai chiều đạt tới mức điện áp khóa trong một khoảng thời gian trễ, trong trường hợp này khóa bán dẫn hai chiều đã khóa sẽ bị quá áp và bị phá hủy Để bảo

vệ các van IGBT các diode zenner được thêm vào các van IGBT

Hình 1.6 Bảo vệ IGBT bằng cách thêm diode Zenner

1.3.3 Khóa bán dẫn hai chiều

Khóa bán dẫn hai chiều (Bi-directional Switch - BS) là một khóa bán dẫn có thể dẫndòng theo cả hai chiều và có thể khóa điện áp theo cả hai chiều

a) Khóa bán dẫn hai chiều

Khối chính để xây dựng biến tần ma trận là khóa bán dẫn hai chiều (Bi-directionalswitch -BS) Một thiết bị có thể dẫn dòng theo cả hai chiều và khóa điện áp theo cả haichiều chưa sẵn có, mà hiện nay các khóa bán dẫn hai chiều được xây dựng từ các vanIGBT một chiều và các diode Sau đây là các cấu trúc khóa bán dẫn hai chiều được xâydựng

 Cấu trúc mạch cầu diode (a) sử dụng 1 van IGBT và 4 diode, cấu trúc này chỉ sửdụng một phần tử tích cực nhưng có tổn thất cao do khi dẫn có 3 van dẫn bao gồm

1 IGBT và 2 diode

 Cấu trúc E – chung (b) sử dụng 2 van IGBT mắc theo kiểu E chung, có thể điềukhiển được dòng điện theo cả hai chiều, khi dẫn có 1 IGBT và 1 diode dẫn nên tổnthất bé hơn so với cầu diode, với cấu trúc này cần 9 nguồn cách ly để điều khiểncác khóa bán dẫn hai chiều cho biến tần ma trận, cấu trúc này thích hợp với biếntần công suất lớn

 Cấu trúc C – chung (c) sử dụng 2 van IGBT mắc theo kiểu C chung, cấu trúc nàygiống với kiểu E chung nhưng chỉ cần 6 nguồn cách ly điều khiển các khóa bándẫn hai chiều cho biến tần ma trận.

 Cấu trúc IGBT sử dụng phần tử có thể khóa điện áp theo cả hai chiều IGBT, cần 6 nguồn cách ly

RB-a) b) c) d)

Hình 1.7 Cấu trúc khóa bán dẫn hai chiều

Bảng 1.1 So sánh các cấu trúc khóa bán dẫn hai chiều

b) Các module công suất

Một số module đặt trước dành cho các dự án đặc biệt hay dành cho thử nghiệm nghiên cứu, được đưa ra Một số module đã có sẵn trên thị thường

 Module 1200V, 100A bao gồm 3 khóa bán dẫn hai chiều cấu trúc C – chung, nốivới nhau tạo ra một nhánh đầu ra của biến tần ma trận 3x3, module này được thiết kế vàsản xuất bởi EUPEC

c2 b2 a2Hình 1.8 Sơ đồ nguyên lý module 1200V – 100A

 Module Standard Econo3 1200V – 30A, cấu trúc C – chung tạo thành một biến tần

ma trận hoàn chỉnh

a b c

A B C

Hình 1.9 Sơ đồ nguyên lý module Standard Econo3 1200V – 30A

 Module 600V – 300A cấu trúc E – chung bao gồm các IGBT và đi ốt tạo nên mộtnhánh đầu ra của MC, ngoài ra cấu trúc này còn có 2 Schotky đi ốt mắc ngượcsong song nối ở đầu ra dùng để phát hiện chiều dòng điện để chuyển mạch

a b c

Hình 1.10 Module 600V – 300A

Chỉnh lưu

Khâu trung gian một chiều

Hình 1.12 Sơ đồ nguyên lý module 1200V – 100A sử dụng RB – IGBTs

1.3.4 So sánh MC với biến tần có khâu trung gian

tụ hóa thì có kích thước lớn, tuổi thọ thấp, nếu sử dụng cuộn cảm thì có kích thước lớn,đắt tiền, dòng điện đầu vào không có dạng sin do có khâu chỉnh lưu, chỉ hoạt động được

ở 2 góc phần tư nếu chỉnh lưu không có điều khiển

Biến tần ma trận là cấu trúc biến tần trực tiếp không có các thành phần kho điệnnhư tụ điện hay cuộn cảm nên có kích thước nhỏ gọn, tin cậy hơn, hoạt động được trên 4góc phần tư, có thể trao đổi công suất với lưới, điều chỉnh hệ số công suất được

Sau đây là một vài so sánh với biến tần nguồn áp (Voltage Source Inverter – VSI )

và biến tần cấu trúc B2B (Back to Back Converter – B2B)

Hướng năng lượng

Lọc đầu vào Dòng điện đầu vào,

Hướng năng lượng Hướng năng lượng

Cuộn kháng M

Dòng điện đầu vào,

- Hoạt động được trên bốn góc phần tư, trao đổi công suất được với lưới

- Dòng điện đầu vào, điện áp đầu ra có dạng sin, điều chỉnh được hệ số công suất

- Lọc đầu vào có kích thước bé do tần số đóng cắt van cao

Biến tần nguồn áp (VSI):

- Có dải công suất từ vài trăm watt tới hàng MW trong công nghiệp

- Không trao đổi được công suất với lưới

- Hoạt động trên hai góc phần tư, khi dòng điện trên tải đổi chiều cần phải có bộ băm xung áp để xả năng lượng trên khâu trung gian một chiều trên điện trở hãm

- Thành phần tụ DC chiếm từ 30% tới 50% không gian

- Dòng điện đầu vào không sin, có hệ số sóng hài cao nên phải sử dụng cuộn cảm lọc có kích thước lớn

Biến tần B2B (Back to Back Converter):

- Trao đổi công suất được với lưới

- Hoạt động được trên bốn góc phần tư

- Có khâu trung gian một chiều là tụ hóa, cuộn cảm lọc đầu vào lớn

- Dòng đầu vào có dạng sin, hệ số công suất bằng 1

1.4 Ứng dụng biến tần ma trận điều khiển động cơ

Biến tần ma trận có nhiều ưu điểm hơn so với các biến tần có khâu trung gian nhưkhông có khâu trung gian một chiều, nên có thiết kế nhỏ gọn, tin cậy hơn, trong tương lai

có thể tích hợp với động cơ tạo thành một hệ truyền động, nên khả năng ứng dụng biếntần ma trận để điều khiển động cơ cho các ứng dụng là rất cao Trong nội dung đồ án này

sẽ đi vào chi tiết ứng dụng biến tần trong hệ truyền động động cơ không đồng bộ ba pha

Chương 2 CHUYỂN MẠCH VÀ ĐIỀU CHẾ VECTOR KHÔNG

GIAN CHO BIẾN TẦN MA TRẬN

2.1 Chuyển mạch cho MC

Chuyển mạch là quá trình chuyển dòng điện từ một van đang dẫn sang một vanvừa mới được điều khiển mở ra Chuyển mạch có thể xảy ra tự nhiên, nghĩa là một vanmới mở sẽ tạo điều kiện để khóa van đang dẫn lại, hoặc xảy ra theo một trình tự cưỡngbức, nghĩa là phải có giải pháp để khóa van đang dẫn lại thì dòng tải mới chuyển sangvan vừa mới điều khiển mở ra Chuyển mạch là một quá trình phức tạp trong sơ đồ các

bộ biến đổi nói chung và trong MC nói riêng Trong sơ đồ các bộ biến đổi có hai phươngpháp chuyển mạch, đó là chuyển mạch theo dòng và chuyển mạch theo áp Do dòng điện

là yếu tố quyết định phản ánh tính dẫn mở van, cũng như phản ánh quá trình năng lượngnên phương pháp chuyển mạch theo dòng được quan tâm hơn, trong nội dung chươngnày sẽ trình bày phương pháp chuyển mạch bốn bước dựa trên dấu dòng điện tải vàchuyển mạch bốn bước dựa trên dấu điện áp

2.1.1 Quy tắc của quá trình chuyển mạch

Quá trình chuyển mạch trong MC cần phải đảm bảo hai quy tắc sau:

 Không được ngắn mạch phía lưới

 Không được hở mạch phía tải

Tải Tải a) b)

Hình 2.1 Các trường hợp vi phạm: a) Ngắn mạch phía lưới b) Hở mạch phía tải

Quy tắc thứ nhất đảm bảo không xảy ra hiện tượng ngắn mạch điện áp lưới gây raxung dòng điện lớn phá hủy các van bán dẫn Quy tắc thứ hai đảm bảo không gây ra hiệntượng hở mạch phía tải vì nếu tải có tính cảm thì sự hở mạch đột ngột sẽ gây ra biến thiêndòng tải quá lớn, tạo ra xung áp đánh thủng các van bán dẫn.

2.1.2 Các phương pháp chuyển mạch đơn giản

Có hai phương pháp chuyển mạch đơn giản đó là: chuyển mạch có thời gian chết

và chuyển mạch trùng dẫn, hai phương pháp này đều vi phạm một trong hai quy tắc vừanêu trên, để đảm bảo bộ biến đổi khỏi quá áp hay quá dòng thì cần thêm các mạch phụtrợ như cuộn cảm, mạch snubber, hay mạch Clamp

Ví dụ hình 2.2 giả sử khi có yêu cầu chuyển mạch từ pha a sang pha b, trongtrường hợp lý tưởng thì khi khóa S1 ngắt thì khóa S2 đóng lại đồng thời nên sẽ không cóhiện tượng hở mạch đầu ra hay ngắn mạch đầu vào

Tuy nhiên do các van bán dẫn thực tế có thời gian đóng, ngắt hữu hạn nên các banbán dẫn không thể đóng ngắt đồng thời được, do đó để có thể điều khiển được quá trìnhchuyển mạch, buộc phải vi phạm một trong hai quy tắc trên Các mạch phụ trợ phải thêmvào để bảo vệ các van bán dẫn khỏi quá áp, quá dòng

Hình 2.2 Chuyển mạch từ pha a sang pha b

Chuyển mạch có thời gian chết

Trong trường hợp chuyển mạch có thời gian chết thì khóa S1 ngắt thì phải sau mộtthời gian chết đủ lớn để khóa S1 ngắt hoàn toàn thì khóa S2 mới được đóng Cách chuyểnmạch này gây ra hiện tượng hở mạch phía tải Để khắc phục quá áp gây ra do hở mạchphía tải cần thêm các mạch Snubber RC nối song song với khóa để bảo vệ các van bándẫn Các mạch Snubber nối tắt dòng điện trong trường hợp hở mạch để dòng điện tải quy

trì liên tục Dòng tải này cũng có thể được duy trì bởi mạch Clamp có tụ điện ở giữa haimạch cầu diode Tụ điện sẽ nạp trong thời gian chết này Phương pháp này không tiếtkiệm năng lượng do tổn hao trong thời gian chết và chi phí mạch bảo vệ.

Chuyển mạch có thời gian trùng dẫn

Trong trường hợp chuyển mạch theo dòng có thời gian trùng dẫn thì khi khóa S1chưa ngắt hẳn thì khóa S2 đã đóng dẫn tới hiện tượng ngắn mạch đầu vào trong thời gianngắn Để dòng điện đầu vào không tăng quá lớn do ngắn mạch, phía lưới phải có thêmcuộn cảm để hạn chế sự tăng vọt của dòng điện Phương pháp này hiếm khi được sử dụng

do cuộn cảm có kích thước lớn và đắt tiền

2.1.3 Chuyển mạch bốn bước dựa trên dấu dòng điện tải

Phương pháp để đảm bảo hai quy tắc trên là chuyển mạch bốn bước dựa trên dấudòng điện tải

Để giải thích phương pháp này chúng ta sử dụng hình 2.2, cần phải chú ý là đểđảm bảo hai quy tắc trên các điều kiện dưới đây cần phải tránh:

 S1a và S2b cùng dẫn khi Ua >Ub

 S2a và S1b cùng dẫn khi Ub> Ua

Phương pháp chuyển mạch bốn bước dựa trên dấu dòng điện tải bao gồm các bướcsau đây:

a) Giả sử ban đầu S1 dẫn, S2 khóa và IL>0 nghĩa là S1a, S1b đóng và S2a, S2b

ngắt, bây giờ cần ngắt S1 và đóng S2 Đầu tiên S1b ngắt nhằm tránh ngắnmạch, do không có dòng tải qua S1b nên dòng tải không bị ngắt

b) S2a đóng, nó có thể dẫn dòng nếu Ua<Ub

c) S1a ngắt, nếu S2a chưa thực sự dẫn thì có thể xảy ra quá áp do dòng tải bịngắt, S1a ngắt dẫn tới S2a bắt đầu dẫn dòng Cần chú ý là quá trình chuyểnmạch hoàn thành ở bước này, bây giờ S1 ngắt, S2 dẫn

d) Đóng S2b làm cho khóa S2 có thể dẫn dòng theo cả hai chiều

Các bước trên được biểu diễn bởi sơ đồ thời gian như hình 2.3 Thời gian trễ đượcthêm vào giữa các bước và thời gian này phụ thuộc vào đặc tính của van bán dẫn.Phươngpháp chuyển mạch dựa trên dấu dòng điện đầu ra dựa vào tín hiệu của dấu dòng điện đầu

ra tải

Trong trường hợp dòng điện tải bé rất khó có thể xác định chiều dòng điện, đểtránh vấn đề này, có thể sử dụng điện áp trên khóa bán dẫn hai chiều để xác định dấudòng điện.

Giả sử V1 là điện áp thuận rơi trên van bán dẫn S1a và V2 là điện áp thuận rơi trênvan bán dẫn S1b V1 và V2 tương ứng sẽ là dương và âm khi S1 dẫn dòng tải dương,tương tự khi dòng tải âm thì V1 và V2 tương ứng sẽ là âm và dương Do đó đo điện áptrên một nửa của khóa bán dẫn hai chiều có thể xác định được chiều dòng điện

Hình 2.3 Biểu đồ thời gian phương pháp chuyển mạch bốn bước

dựa trên dấu dòng điện tải

2.1.4 Chuyển mạch bốn bước dựa trên dấu điện áp đầu vào

Phương pháp thay thế cho chuyển mạch dựa trên dấu dòng điện là chuyển mạch dựa trên thông tin điện áp chênh lệch giữa các pha đầu vào thay thế cho dấu dòng điện ratải

Giả sử dòng điện tải có chiều như hình vẽ 2.2 và S1 đang dẫn, S2 khóa, khi cóyêu cầu chuyển mạch từ S1 sang S2, điện áp tương đối giữa Ua và Ub so sánh với nhau sẽxác định trình tự chuyển mạch