Nghiên cứu kỹ thuật điều chế sóng mang cho biến tần trực tiếp kiểu ma trận

Nghiên cứu kỹ thuật điều chế sóng mang cho biến tần trực tiếp kiểu ma trận Nghiên cứu kỹ thuật điều chế sóng mang cho biến tần trực tiếp kiểu ma trận Nghiên cứu kỹ thuật điều chế sóng mang cho biến tần trực tiếp kiểu ma trận Nghiên cứu kỹ thuật điều chế sóng mang cho biến tần trực tiếp kiểu ma trận

LỜI CẢM ƠN

Công trình nghiên cứu này được hoàn thành là nhờ sự giúp đỡ tận tình của quý Thầy Cô, gia đình, đồng nghiệp và bạn bè Tác giả xin được bày tỏ lời cảm ơn chân thành tới gia đình, tất cả các tổ chức và cá nhân đã giúp đỡ và tạo điều kiện cho tác giả hoàn thành công trình nghiên cứu của mình

Xin chân thành gửi lời cám ơn đến PGS.Ts.Trần Thu Hà và Ts.Quách Thanh Hải đã tận tình hướng dẫn để tác giả hoàn thành luận văn

Cám ơn quý Thầy Cô Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh, Khoa Điện – Điện tử, bộ môn Kỹ thuật điện tử đã hỗ trợ phòng thí nghiệm thiết bị nghiên cứu trong quá trình thực hiện luận văn

Xin chân thành cám ơn Ba Mẹ, Anh Chị luôn giúp đỡ tạo mọi điều kiện thuận lợi và động viên tác giả trong suốt thời gian nghiên cứu Cám ơn các bạn đã giúp đỡ tác giả

Kính chúc sức khỏe và chân thành cảm ơn

Tác giả

Nguyễn Phương Thức

MỤC LỤC

Trang tựa TRANG

2.3 Cấu trúc thiết bị chuyển mạch hai chiều sử dụng IGBT 7

3.3 Điều chế sóng mang trong biến tần trực tiếp kiểu ma trận 24

4.3 Khối điều khiển 37

DANH SÁCH TỪ VIẾT TẮT

DMC Direct matrix converter Biến tần ma trận trực tiếp

IMC Indirect matrix converter Biến tần ma trận gián tiếp

AC Alternating Current Tín hiệu xoay chiều

THD Total harmonic distortion Tổng méo hài

PWM Pulse with modulation Điều chế độ rộng xung

SinPWM Sin pulse with modulation Điều chế độ rộng xung bằng sóng

sin IGBT Insulated gate bipolar transistor Linh kiện bán dẫn

FFT Fast Fourier transform Phân tích phổ

DANH SÁCH BẢNG

BẢNG TRANG

Bảng 4.2: Thông số kỹ thuật của IGBT FGA25N120ANTD tại 250C và 1000C 36

DANH SÁCH HÌNH

HÌNH TRANG

Hình 2.11: Cấu trúc hai IGBT mắc song song đảo cực 11

Hình 3.7: Cấu trúc khóa của biến tần DMC chuyển từ IMC 25

Hình 3.10: Mô hình mô phỏng biến tần trực tiếp kiểu ma trận 29Hình 3.11: Dạng sóng xung kích và sóng mang tam giác 29

Hình 3.13: Dạng sóng điện áp và dòng điện nguồn m = 0.866 30

Hình 3.15: Dạng sóng điện áp và dòng điện trên tải m = 0.866 31

Hình 3.19: Phân tích THDu và đặc tuyến điều khiển 33

Hình 4.11: Xung kích cho 3 pha chỉnh lưu IMC nhánh p 42

Hình 4.13: Dạng sóng xung kích trên pha ngõ ra biến tần DMC 43

Biến tần là một dạng cấu trúc của điện tử công suất Bằng cách nghiên cứu phát triển thay đổi cấu trúc và các phương pháp điều khiển mạch chúng ta có thể tạo

ra nhiều dạng cấu trúc khác nhau phù hợp với từng dạng ứng dụng Hiện nay, bộ biến tần trực tiếp kiểu ma trận (Matrix converter) đang được nghiên cứu rộng rãi vì

có nhiều ưu điểm vượt trội để phát triển khắc phục nhiều hạn chế của các loại biến tần khác như biến tần gián tiếp hay biến tần trực tiếp truyền thống

Biến tần trực tiếp kiểu ma trận được kết nối trực tiếp với nguồn cung cấp và được điều khiển bằng cách đóng ngắt khóa linh kiện bán dẫn công suất tần số cao, gây ra nhiều vấn đề như xuất hiện nhiều sóng hài bậc cao không mong muốn, tỉ số truyền điện áp ngõ ra và điện áp ngõ vào thấp hoặc là chất lượng dạng sóng dòng điện ngõ vào và điện áp ngõ ra bị suy giảm Để giải quyết vấn đề này, nhiều công trình nghiên cứu kỹ thuật điều khiển như [1],[2] được áp dụng điều khiển biến tần Trong tài liệu tham khảo [3,4,5],[5,6] tác giả đưa ra giải thuật không gian vetor để điều khiển biến tần trực tiếp ma trận, nhưng phương pháp này cực kỳ phức

sự đóng ngắt khóa bán dẫn Phương pháp điều khiển biến tần trực tiếp trong[8] còn nhiều hạn chế như THDi còn khá cao 8% và biên độ phổ tần số THDu trong[9] còn khá cao ở thành phần hài bậc cao Vì vậy, việc nghiên cứu giải thuật để điều khiển biến tần trực tiếp kiểu ma trận là mục tiêu cần thiết

Hiện nay trên phương diện điều khiển thì IMC phát triển hơn nhiều so với DMC do ở cấu hình IMC việc kiểm soát điều khiển thực hiện riêng biệt ở hai khối nghịch lưu và chỉnh lưu Phương pháp điều chế sóng mang cho IMC trên cơ sở vector không gian đạt hiệu quả cao như nghiên cứu [2] Quá trình điều khiển cho DMC còn khá khó khăn tuy nhiên về phương diện cấu hình IMC và DMC là tương đương Vì vậy, luận văn này trình bày một giải pháp tiếp cận điều chế độ rộng xung bằng sóng mang tam giác đối xứng sẽ được áp dụng cho DMC nhờ sự chuyển đổi điều khiển chỉnh lưu và nghịch lưu từ kỹ thuật tương tự trên cấu hình IMC

1.2 Mục tiêu và phạm vi nghiên cứu

1.2.1 Mục tiêu

Trong đề tài này sẽ tiến hành nghiên cứu những vấn đề sau:

 Xây dựng mô hình và nghiên cứu cấu trúc biến tần trực tiếp kiểu ma trận DMC trên phần mền Psim và trên cấu trúc vật lý

 Điều khiển được biến tần DMC từ chuyển đổi điều khiển của biến tần IMC

 Điều khiển được biến tần DMC bằng áp dụng giải thuật điều chế sóng mang với một sóng mang tam giác cân để điều khiển cho biến tần trực tiếp kiểu ma trận DMC

Đề tài xây dựng mô hình thí nghiệm là mạch biến tần ma trận trực tiếp DMC, dùng làm cơ sở để thử nghiệm thuật toán điều khiển bằng sóng mang cũng như để kiểm chứng đặc tính tổng méo hài điện áp ngõ ra THDu và phân tích FFT ở điện áp thấp để kiểm chứng giải thuật

1.3 Phương pháp nghiên cứu

- Sử dụng phương pháp nghiên cứu tham khảo tài liệu, tính toán lý thuyết, kết hợp mô phỏng

- Xử lý thống kê với sự hỗ trợ của phần mềm Microsoft Excel

- Mô phỏng bằng phần mềm chuyên dụng PSIM

- Lập trình điều khiển trên phần mềm chuyên dụng PSIM với lập trình với vi mạch TMS320F28335 của tập đoàn Texas Instruments ngô ngữ C/C++ và được kiểm chứng bằng thực tế

- Các thực nghiệm được thực hiện trên mô hình vật lý với các thiết bị đo hiện đại

CHƯƠNG 2

BIẾN TẦN TRỰC TIẾP KIỂU MA TRẬN

2.1 Giới thiệu biến tần

Bộ biến tần AC-AC là bộ biến đổi một tần số fs từ nguồn điện AC cho trước sang nguồn điện AC có tần số khác là fL Ngoài ra, trong một hệ thống với giá trị điện áp nguồn Us, điện áp tải UL và góc lệch pha 𝜑𝑥 thể hiện trong Hình 2.1 thì bộ biến tần này cũng có khả năng điều khiển biên độ điện áp tải, điều khiển được góc lệch của điện áp tải so với điện áp nguồn, góc lệch dòng điện tải so với dòng điện nguồn (hệ số công suất ngõ vào) và khả năng điều khiển dòng hai chiều (hoặc chỉ có một chiều)

Hình 2.1: Sơ đồ biến tần Dựa vào sự xắp xếp của khóa chuyển mạch và thành phần tích trữ năng lượng trong mạch thì bộ biến tần chia thành ba loại chính là: Biến tần có thành phần năng lượng DC, biến tần không có thành phần năng lượng DC biến tần lai và biến tần ma

trận được phân loại cụ thể trong hình 2.2 Nhìn chung, các biến tần không chỉ điều

khiển máy điện dựa vào sự biến đổi tần số giữa ngõ vào và ngõ ra mà biến tần còn điều khiển bằng sự thay đổi biên độ điện áp, dòng điện Dựa vào đặc điểm cấu hình của các bộ biến tần mà chúng ta có có thể sử dụng bộ biến tần vào nhiều ứng dụng khác nhau

Bộ biến tần có thành phần năng lượng DC với cấu hình này cần phải có thành phần một chiều lớn trong mạch như tụ điện lớn, nguồn một chiều dẫn đến việc cấu

trúc cồng kềnh điều khiển khó khăn khi cần phải xem xét yếu tố DC tác động lên mạch, nguồn và tải Biến tần có thành phần năng lượng DC không thích hợp dùng

để điều khiển máy điện, động cơ điện, nhưng lại thích hợp trong việc dùng để lưu

trữ, kiểm soát và điều khiển nguồn năng lượng

Hình 2.2: Phân loại biến tần

Bộ biến tần không có thành phần năng lượng DC với cấu trúc mạch đơn giản

do chỉ có những liên kết linh kiện bán dẫn công suất tạo thành nên sẽ dễ dàng hơn trong việc sửa chữa, tạo ra các mạch bảo vệ và các giải thuật mới để điều khiển Vì vậy, với cấu trúc mạch nhỏ gọn dễ điều khiển bộ biến tần này thích hợp dùng để điều khiển máy điện, động cơ điện và ứng dụng rộng rãi

Bộ biến tần ma trận lai với cấu trúc xắp xếp linh kiện bán dẫn công suất phức tạp lai lai giữa biến tần không có thành phần năng lượng DC với mạch cầu linh kiện bán dẫn công suất Chính vì vậy, bộ biến tần này rất phức tạp về giải thuật điều khiển nhưng lại đa dạng trong việc biến đổi điện năng

2.2 Biến tần trực tiếp kiểu ma trận

Biến tần trực tiếp kiểu ma trận (Matrix Converter) là một dạng của biến tần không có thành phần năng lượng một chiều Biến tần trực tiếp kiểu ma trận được xây dựng bởi n pha ngõ vào và p pha ngõ ra ký hiệu nXp Pha ngõ vào và pha ngõ ra được kết nối trực tiếp với nhau qua khóa chuyển mạch hai chiều để cung cấp công

Biến tần ma trực tiếp kiểu ma trận ngoài việc biến đổi tần số, điện áp và dòng điện thì nó nhiều ưu điểm tối ưu hơn các biến tần khác nhờ cấu trúc tạo nên nó nên

có nhiều ưu điểm sau:

- Biến tần được biến đổi trực tiếp AC-AC không cần thêm một khâu biến đổi trung gian DC như biến tần IMC nên giảm được biến đổi điện năng hiệu suất truyền động cao

- Phân tích trên cơ sở điều khiển hoạt động thì biến tần trực tiếp kiểu ma trận được xem xém như biến tần IMC gồm hai phần chỉnh lưu và nghịch lưu nên có thể áp dụng phương pháp điều chế sóng mang để điều khiển

- Biến tần có khả năng tạo ra điện áp ngõ ra với tần số cao, điều chỉnh được hệ số công suất, và có khả năng tái sinh năng lượng về nguồn

- Biến tần không cần thành phần tích trữ năng lượng trung gian như tụ điện, nguồn điện có kích thước lớn hạn chế về tuổi thọ gây ra cồng kềnh

về kích thước mạch

Hình 2.3: Cấu trúc tổng quát của biến tần ma trận Biến tần ma trận trực tiếp là một ma trận gồm 9 khóa hai chiều chia thành ba nhóm tương đương với ba ngõ ra với một ngõ ra được kết nối với ba ngõ vào thông qua ba khóa hai chiều được thể hiện trong hình 2.4 Biến tần này được sử dụng để điều khiển máy điện hoặc động cơ ba pha từ nguồn lưới ba pha

Hình 2.4: Cấu trúc biến tần ma trận DMC Quá trình hoạt động của biến tần dựa vào sự vào sự đóng ngắt hợp lý các khóa chuyển mạch nối trực tiếp giữa ngõ vào với ngõ ra Trong quá trình chuyển mạch yêu cầu không được sảy ra trường hợp ngắn mạch và hở mạch trên ba pha tại cùng một thời điểm để tránh trường hợp phá hủy nguồn và tải

Hình 2.5: Nguyên tắc lỗi chuyển mạch

2.3 Cấu trúc thiết bị chuyển mạch hai chiều sử dụng IGBT

Cấu trúc liên kết kiểu ma trận ba pha được xây dựng bằng cách sử dụng chín công tắc chuyển mạch hai hướng được sắp xếp trong một ma trận, có khả năng dẫn dòng và chặn điện áp của cả hai cực Có bốn dạng cấu hình chính cho thiết bị chuyển mạch hai chiều

Hình 2.6: Các dạng khóa chuyển mạch hai chiều Bảng 2.1 trình bày thông số về số linh kiện bán dẫn transistor, diode, nguồn cách cách ly và số cổng điều khiển cho mạch biến tần tương ứng với bốn dạng cấu trúc khóa chuyển mạch công suất

Bảng 2.1: Thông tin linh kiện

Kiểu Transistors Diode Nguồn cung cấp Mạch điều khiển

2.3.1 Đặc điểm của khóa IGBT

IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) là linh kiện bán dẫn công suất lớn có cực điều khiển cách ly IGBT là tập hợp ưu điểm của Mosfet là đóng cắt nhanh, thay đổi công suất nhanh và ưu điểm của Transistor là có khả năng chịu tải công suất lớn chịu được dòng lớn, điện áp lớn và có tổn hao công suất thấp IGBT có thời gian đóng cắt nhanh với tần số đóng cắt cao lên đến hàng chục kHz Vì vậy, IBGT thường được sử dụng trong các mạch nghịch lưu hoặc các bộ biến đổi xung áp một chiều, trong biến tần

IGBT là linh kiện có ba cực G, C, E, được điều khiển trực tiếp bằng điện áp và công suất điều khiển rất nhỏ nên thuận lợi trong việc thiết kế các mô đun điều khiển Điều khiển IGBT cần kích vào chân G (Gate) một tín hiệu điện áp một chiều

VDC hợp lý khoảng +VDC để IGBT dẫn thì dòng điện sẽ chạy từ chân C (Collector)

đến chân E (Emitter) và - VDC IGBT không dẫn, khi ngắt theo chiều ngược lại từ E

về C bằng diode mắc song song dùng để chống sốc, bảo vệ cho IGBT được an toàn

Hình 2.7: Cấu tạo và xung kích IGBT

2.3.2 Cấu trúc cầu diode với một IGBT

Thiết bị chuyển mạch hai chiều gồm một IGBT nằm ở trung tâm một cầu

diode

Hình 2.8: Cấu trúc IGBT mắc với cầu diode Với cấu trúc xắp xếp này thì ở cả hai chiều điện áp và dòng điện đều đi qua một thiết bị chuyển mạch IGBT làm giảm các cổng điều khiển trong một cell và chỉ cần có một cổng điều khiển, một nguồn cung cấp Cách tiếp cận này giảm chi phí về mạch điện nhưng phức tạp đến việc điều khiển Nhược điểm là sự tổn hao dòng lớn

vì trong một đường dẫn thì có tới ba thiết bị dẫn, không thể điều khiển được hướng dòng điện qua thiết bị chuyển mạch

2.3.3 Cấu trúc hai IGBT mắc E chung

Loại cấu trúc xắp xếp chuyển mạch hai chiều này bao gồm hai IGBT và hai diode kết nối ở dạng chống song song như thể hiện trong Hình 2.9 Sự bố trí có khả năng ngăn chặn điện áp ngược và dẫn dòng điện theo cả hai hướng

Hình 2.9: Cấu trúc hai IGBT mắc E chung

Ưu điểm của sự sắp xếp này so với sự sắp xếp cầu diode trước đây là:

Tổn hao do dòng điện giảm xuống vì chỉ có hai thiết bị mang dòng điện tại cùng một thời điểm Có sự kiểm soát độc lập về hướng dòng điện thông qua mỗi thiết bị chuyển mạch

Bất lợi của nó là yêu cầu hai mạch điều khiển cho mỗi IGBT nhưng chỉ cần một nguồn điện cung cung cấp cho một cell

Cấu hình CE này được sử dụng phổ biến nhất của tế bào chuyển mạch trong biến tần trực tiếp kiểu ma trận có công suất cao

2.3.4 Cấu trúc hai IGBT mắc C chung

Loại cấu trúc xắp xếp chuyển mạch hai chiều này giống như cấu trúc mắc E chung bao gồm hai IGBT và hai diode kết nối ở dạng chống song song như thể hiện trong Hình 2.10

Hình 2.10: Cấu trúc hai IGBT mắc C chung

Ưu điểm của mắc C chung hơn mắc E chung là số nguồn cung cấp cần thiết cho mạch điều khiển đươc giảm xuống còn 6 nguồn

Nhược điểm của mắc C chung so với mắc E chung là khó kiểm soát được điện

áp VCE nên sẽ gây ra hiện tượng hỏng IGBT

2.3.5 Cấu trúc hai IGBT mắc song song đảo cực

Cấu trúc xắp xếp chuyển mạch hai chiều gồm hai IGBT mắc song song và ngược cực với nhau như hình sau:

Hình 2.11: Cấu trúc hai IGBT mắc song song đảo cực Tính năng chính của RB - IGBT là khả năng ngăn chặn điện áp ngược, loại bỏ việc sử dụng diode

Ưu điểm của cấu trúc này có thể kiểm soát độc lập về hướng dòng điện thông qua mỗi thiết bị chuyển mạch Tổn hao do dòng điện giảm xuống vì chỉ có một thiết

bị mang dòng điện tại cùng một thời điểm Với của cấu trúc này thì IGBT sẽ đóng ngắt nhiều và dễ bị đánh hỏng khi gặp hiện tượng dòng điện rất lớn dẫn đến tốc độ tăng dòng quá lớn, gây quá áp trên collector, emiter, lập tức đánh thủng Trong cấu hình này sử dụng 18 mạch điều khiển và sáu nguồn điện cách ly được yêu cầu

2.3.6 Mạch điện khóa hai chiều ba pha

Mạch điện khóa ba pha hai chiều công suất phải được thiết kế gắn với nhau sao cho số đầu nối là nhỏ nhất, giảm tổn hao chuyển mạch, bảo vệ quá dòng để cho phép người dùng giảm bớt sự quan tâm đến vấn đề hoạt động và bảo vệ các khóa hai chiều trong mạch điện ba pha Có hai công nghệ khóa hai chiều được sử dụng phổ biến là CE và CC

Công nghệ CE dùng cho biến tần có công suất lớn, sử dụng trong mạch điều khiển thông minh với khả năng phát hiện sự cố ngắn mạch, phát tín hiệu kích thích rất chính xác Công nghệ này trên một nhánh pha gồm có hai linh kiện bán dẫn được mắc nối tiếp với nhau và nối chung chân E như trong hình 2.12a

Công nghệ mắc CC trên một nhánh pha gồm có hai linh kiện bán dẫn được mắc nối tiếp với nhau và nối chung chân C như trong hình 2.12b Công nghệ này thường dùng cho mạch biến tần có công suất nhỏ và giảm được số nguồn công suất

cách ly trong mạch Vì vậy, mạch biến tần sẽ có kích thước nhỏ gọn hơn và giảm số điều khiển cho mạch

Hình 2.12: Mạch điện khóa hai chiều ba pha

2.4 Biến tần ma trận DMC

Bộ chuyển đổi ma trận từ ba pha đến ba pha bao gồm chín công tắc chuyển mạch hai chiều kết nối các pha đầu vào a, b, c với các pha đầu ra A, B, C Chức năng chuyển mạch của các thiết bị chuyển mạch được biểu bởi 𝑆𝑗𝑘 là trạng thái đóng mở như trong hình 2.13 và được định nghĩa là '0' khi khóa mở và '1' khi khóa đóng lại theo phương trình:

𝑆𝑗𝑘 = {1, 𝑆𝑗𝑘 đó𝑛𝑔

0, 𝑆𝑗𝑘 𝑚ở

(2.1)

Trong đó j ∈ {a, b, c} là tên pha đầu vào, k ∈ {A, B, C} là tên của pha đầu ra

Có tính đến các giai đoạn đầu vào không bao giờ được ngắn mạch và dòng đầu ra không bao giờ được gián đoạn

Trong bộ chuyển đổi ma trận ma trận ba pha có nguồn cung cấp đầu vào là nguồn điện áp, nên không cho phép ngắn mạch của các pha đầu vào và không thể

hở mạch đầu ra là mạch tải vì một tải quy nạp tạo ra một điện áp quá tải Do đó, chính những hạn chế này đòi hỏi các thiết bị chuyển mạch hoạt động đóng ngắt hợp

lý được thể hiện bằng phương trình sau:

Hình 2.13: Sơ đồ khóa ma trận Biểu thức điện áp pha ngõ ra có mối quan hệ với điện áp ngõ vào thông qua các swith chuyển mạch hai hướng được mô tả trong phương trình ma trận sau:

[

UA(t)

UB(t)

UC(t)] = [

Công suất nguồn nguồn cung cấp cho mạch biến tần (2.3) (2.4):

Trong đó n ∈ {a, b, c} là tín hiệu ba pha ngõ vào, φ là góc lệch giữa dòng điện

và điện áp

2.5 Biến tần ma trận IMC

Mạch biến tần IMC được xây dựng trên cơ sở gồm hai phần nghịch lưu và chỉnh lưu như hình 2.14, được điều khiển bởi sự đóng ngắt các khóa linh khiện công suất Sxsp, Sxsn cho quá trình chỉnh lưu, Sxp, Sxn cho quá trình nghịch lưu với giá trị bằng '0' các khóa này sẽ mở (hở mạch), bằng '1' khóa đóng lại (ngắn mạch)

Hình 2.14: Cấu trúc khóa của biến tần IMC Mạch chỉnh lưu ma trận IMC là mạch chỉnh lưu ba pha chứa sáu khóa công suất điều kiện hoạt động trên nhánh P và nhánh N:

Sasn+ Sbsn+ Scsn = 1 Điều kiện hoạt động để điện áp DC-link luôn khác 0 thì :

Sasp+ Sasn ≤ 1

Scsp+ Scsn ≤ 1 Phương trình điện áp trên nhánh P và nhánh N:

VP = ua × Sasp + ub × Sbsp + uc × Scsp (2.9)

VN = ua × Sasn + ub × Sbsn + uc × ScsnPhương trình điện áp sau chỉnh lưu DC theo công thức (2.9):

Từ phương trình (2.9), (2.10) biểu thức điện áp VPN được viết lại như sau:

Sap+ San = 1, Sbp+ Sbn = 1, Scp+ Scn = 1 (2.12) Với giả thiết tải ba pha đối xứng với điểm '0' là tâm tải thì:

UAO + UBO + UCO = 0 Viết lại thành: UA + UB + UC = 0

UA =2Sap− Sbp− Scp

(2.17) Điện áp ra trên 3 pha ngõ ra biến tần:

Phương trình điện áp ba pha ngõ ra được viết lại từ công thức (2.11) và (2.18) như sau:

[UA; UB; UC] = T [

Sap

Sbp

Scp] [

CHƯƠNG 3

KỸ THUẬT ĐIỀU CHẾ SÓNG MANG

3.1 Phương pháp điều chế sóng mang

3.1.1 Điều chế độ rộng xung

Phương pháp điều chế sóng mang hay điều chế độ rộng xung sinPWM còn có tên Subharmonic PWM (SH-PWM) hoặc Multilevel Carrier based PWM Để tạo ra giản đồ xung kích đóng ngắt các linh kiện trong một pha tải, một số sóng mang dạng tam giác được sử dụng để so sánh với một điện áp điều khiển dưới dạng sin (vì vậy tổng quát người ta còn gọi đây là phương pháp điều chế sóng mang)

Trong biến tần trực tiếp kiểu ma trận số sóng mang được sử dụng là một sóng mang dạng tam giác Sóng mang có tần số là fc (được gọi là tần số sóng mang) và biên độ đỉnh – đỉnh là Ac

Hình 3.1: Sóng mang tam giác

Vì vậy nếu chọn sóng mang có điện áp đỉnh thấp nhất là 0V thì giá trị đỉnh cao nhất sẽ bằng với điện áp đỉnh điều khiển dạng sin

Để tạo ra xung kích điện áp điều khiển dạng sin sẽ được so sánh với điện áp sóng mang dạng tam giác và kết quả so sánh sẽ được đưa đến mạch kích để kích các

điện áp điều khiển lớn hơn sóng mang thì khóa chuyển mạch tương ứng sẽ được kích đóng, trong trường hợp điện áp điều khiển nhỏ hơn sóng mang khóa chuyển mạch trên sẽ bị kích khóa Điện áp điều khiển có dạng tổng quát là Vx có biên độ là

Tỉ số điều chế biên độ 𝑚𝑎 là tỉ số giữa biên biên độ sóng điều khiển so với biên độ sóng mang được biểu như sau:

Bên cạnh ưu điểm cũng có những hạn chế trong việc không lựa chọn chuyển mạch vì thế dẫn đến tổn hao chuyển mạch lớn

3.1.2 Phương pháp điều chế PWM cải biến

Phương pháp PWM cải biến là phương pháp sử dụng sóng mang tam giác so sánh với sóng điều khiển để tạo ra xung kích như phương pháp điều chế độ rộng

xung, nhưng sự khác biệt của phương pháp này là điện áp điều khiển được bổ sung thêm một thành phần điện áp gọi là điện áp offset hay Voffset

3.2 Điều chế sóng mang trong biến tần ma trận IMC

Kỹ thuật điều chế sóng mang cho biến tần IMC là quá trình biến đổi sóng điều khiển kết hợp so sánh với sóng mang tạo ra xung kích điều khiển các khóa chuyển mạch Phương pháp điều khiển này chỉ sử dụng một sóng mang tam giác cân cho hai quá trình nghịch lưu và chỉnh lưu

3.2.1 Điều chế sóng mang cho mạch chỉnh lưu

Phương pháp điều chế sóng mang trong mạch chỉnh lưu được điều chế dựa vào sự so sánh giữa một sóng mang tam giác với sóng điều khiển Vx Kết quả của việc điều chế là tạo ra chuỗi xung có hai giá trị được đưa tới kích cho các linh kiện bán dẫn Trong mạch chỉnh lưu ba pha cần phải có ba tín hiệu điện áp tương ứng cho ba pha, sóng điều khiển cho ba pha mạch chỉnh lưu là Vx sau khi được điều chế Gọi ua, ub, uc là điện áp ba pha ngõ vào chỉnh lưu:

ua+ ub + uc = 0 (3.7) Nguyên lý để điều chế sóng điều khiển Vx sẽ dựa vào giá trị biên độ điện áp ba pha tại cùng một thời điểm Điều kiện đóng ngắt của khóa bán dẫn phụ thuộc trên

cơ sở so sánh biên độ sóng điều khiển ba pha Biên độ điện áp lớn nhất thì quá trình quá trình đóng sẽ là lớn nhất, biên độ điện áp trung bình thì thời gian đóng sẽ ở mức trung bình còn lại là sẽ là thời gian đóng của biên độ điện áp nhỏ nhất Biên độ điện

áp sóng điều khiển tồn tại ở hai giá trị âm và giá trị dương vì vậy biên độ điện áp dương thì sẽ đóng khóa phía nhánh p, mở khóa phía nhánh n và ngược lại

Maxu = (ua, ub, uc) Midu = (ua, ub, uc) Minu = (ua, ub, uc)

(3.8)

Giá trị điện áp Vx được xác định từ (3.8):

𝑉𝑥 = {

− (𝑀𝑎𝑥𝑢𝑀𝑖𝑛𝑢) , 𝑛ế𝑢 𝑀𝑖𝑑𝑢 ≥ 0

− (𝑀𝑖𝑛𝑢𝑀𝑎𝑥𝑢) , 𝑛ế𝑢 𝑀𝑖𝑑𝑢 < 0

(3.9)

Giá trị trung bình Midu có ba giá trị là lớn hơn không, bằng không và nhỏ hơn không Dựa vào Midu ta xác định được giá trị 𝑉𝑥 theo hai trường hợp ứng với ba pha tín hiệu điều khiển ta có điều kiện sau:

Hình 3.2: Dạng xung điều chế nghịch lưu Tại giá trị điện áp lớn nhất umax có giá trị dương thì các khóa linh kiện công suất nhánh p tương ứng sẽ được đóng, mở khóa nhánh n và ngược lại Điện áp trung

bình nếu umid có giá trị dương thì các khóa linh kiện công suất nhánh p tương ứng

sẽ được đóng theo độ rộng xung PWM, mở khóa nhánh n và ngược lại

Điện áp nhỏ nhất umin có giá trị dương thì các khóa linh kiện công suất nhánh

p tương ứng sẽ được đóng theo độ rộng xung 1- PWM, mở khóa nhánh n và ngược lại

Gọi umax, umid, umin là tín hiệu ngõ vào có giá trị lớn nhất, trung bình và nhỏ nhất Xét trường hợp nếu umax = ua > umid = ub > umin = uc và 𝑢𝑚𝑖𝑑 ≥ 0 theo công thức (3.9) và (3.10) ta có trường hợp điều chế xung như hình 3.3

Hình 3.3: Điều chế xung cho chỉnh lưu Điện áp ngõ ra của mạch nghịch lưu được xác định bởi sóng tam giác và sóng điều khiển 𝑉𝑥 được xác định:

độ điện áp sóng điều khiển ba pha được thể hiện cụ thể trong bảng 3.1:

Bảng 3.1: Xung kích PWM cho mạch nghich lưu

max med min F 1 0 0 PWM 0 PWM (-min/max) 0 max min med F 1 0 0 PWM 0 PWM (-min/max) 1 med max min F 0 PWM 1 0 0 PWM (-min/max) 2

med min max F 0 PWM 0 PWM 1 0 (-min/max) 4 min med max F 0 PWM 0 PWM 1 0 (-min/max) 5 max med min T PWM 0 PWM 0 0 1 (-max/min) 0 max min med T PWM 0 0 1 PWM 0 (-max/min) 1 med max min T PWM 0 PWM 0 0 1 (-max/min) 2 min max med T 0 1 PWM 0 PWM 0 (-max/min) 3 med min max T PWM 0 0 1 PWM 0 (-max/min) 4 min med max T 0 1 PWM 0 PWM 0 (-max/min) 5

3.2.2 Điều chế sóng mang cho nghịch lưu

Quá trình điều khiển đóng ngắt trong nghịch lưu xuất hiện điện áp common mode gây hư hại thiết bị nên phương pháp điều chế PWM cải biến được áp dụng trong giai đoạn này để giảm điện áp common mode đồng thời tăng hệ số điều chế Nguồn năng lượng cung cấp cho mạch nghịch lưu được cung cấp bởi giai đoạn trước đó là chỉnh lưu Trong giai đoạn nghịch lưu ba pha cần có ba tín hiệu điều khiển, gọi Vai, Vbi, Vci là ba tín hiệu điều khiển tương ứng ba pha nghịch lưu

áp nghịch lưu mong muốn Phương pháp điều chế PWM cải biến áp dụng để giảm điện áp common mode[1]

Điện áp chỉnh lưu từ quá trình chỉnh lưu có 2 giá rị như công thức (3.10) Vì

vậy, điện áp điều khiển bộ PWM của mạch nghịch lưu 𝑉𝑟𝑥 cũng cần 2 giá trị Vx1, Vx2

(cho một pha) như công thức (3.14)