ĐỒ ÁN CHUYỂN MẠCH SỬ DỤNG FPGA

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

VIỆN ĐIỆN

BỘ MÔN TỰ ĐỘNG HOÁ CÔNG NGHIỆP

====o0o====

ĐỒ ÁN II

ĐỀ TÀI:

THIẾT KẾ THUẬT TOÁN CHUYỂN MẠCH BỐN

BƯỚC CHO BIẾN TẦN MA TRẬN

Giáo viên hướng dẫn : TS. Vũ Hoàng Phương

Sinh viên thực hiện : Lê Văn Công

Lớp : ĐK&TĐH 4

Khóa : K58

MSSV : 20130450

HÀ NỘI, 12-2016

Cán bộ hướng dẫn Sinh viên thực hiện

(Ký và ghi rõ họ tên) (Ký và ghi rõ họ tên

3

MỤC LỤC

LỜI MỞ ĐẦU .................................................................................................................... 4

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ BIẾN TẦN MA TRẬN .............................................. 5

1.1. Sự phát triển của biến tần ma trận .......................................................... 5

1.2. Cấu hình cơ bản của biến tần ma trận .................................................... 7

1.2.1. Cấu trúc van bán dẫn 2 chiều .................................................................... 8

1.2.2. Vấn đề bảo vệ mạch công suất cho biến tần ma trận .............................. 10

1.3. Ứng dụng của biến tần ma trận ............................................................ 12

CHƯƠNG 2. VẤN ĐỀ CHUYỂN MẠCH TRONG BIẾN TẦN MA TRẬN ............ 13

2.1. Vấn đề chuyển mạch ............................................................................ 13

2.2. Chuyển mạch bốn bước dựa trên dấu dòng điện tải ............................. 14

CHƯƠNG 3. MÔ PHỎNG HỆ THỐNG BIẾN TẦN MA TRẬN .............................. 17

3.1. Phần mạch lực ......................................................................................... 18

3.2. Phần mạch điều khiển và chuyển mạch .................................................. 18

3.3. Kết quả mô phỏng ................................................................................... 19

KẾT LUẬN ...................................................................................................................... 24

TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................................... 25

Lời mở đầu

4

LỜI MỞ ĐẦU

Matrix converter (MC) ưu thế hơn các biến tần truyền thống nhờ khả năng trao đổi

năng lượng với lưới một cách liên tục, hiệu suất rất cao do chỉ có một lần biến đổi điện

năng, không phải qua khâu trung gian tích luỹ năng lượng, cho phép thực hiện hãm tái

sinh năng lượng trả về lưới điện mà không cần có mạch điện phụ. Vượt qua được những

hạn chế của biến tần trực tiếp, là tần số điều chỉnh bị giới hạn trên bởi tần số nguồn cung

cấp. Ngoài ra còn có thể tích hợp cùng với động cơ vào một thiết bị đơn nhất để giảm

kích thước, giá thành, tăng hiệu suất và độ tin cậy thiết bị, làm việc ở cả 4 góc phần tư.

Matrix Converter còn cho phép điều chỉnh được hệ số công suất cos )( đầu vào, cho

dòng vào và áp ra có dạng hình sin.

Em được thầy giáo hướng dẫn TS. Vũ Hoàng Phương giao đề tài: “THIẾT KẾ

THUẬT TOÁN CHUYỂN MẠCH 4 BƯỚC CHO BIẾN TẦN MA TRẬN”. Nội dung đồ

án gồm những chương sau:

Chương 1: Tổng quan về biến tần ma trận

Chương 2: Vấn đề chuyển mạch trong biến tần ma trận

Chương 3: Mô phỏng hệ thống biến tần ma trận

Em xin chân thành cảm ơn sự hướng dẫn và giúp đỡ tận tình của thầy giáo TS. Vũ

Hoàng Phương cả về kiến thức và thiết bị thực nghiệm trong quá trình làm đồ án. Do thời

gian thực hiện đồ án ngắn và năng lực còn hạn chế, đồ án của em chắc chắc có nhiều

thiếu sót, mong nhận được sự góp ý của thầy cô và các bạn.

Hà Nội, ngày 17 tháng 12 năm 2016

Sinh viên thực hiện

Lê Văn Công

Chương 1. Tổng quan về biến tần ma trận

5

CHƯƠNG 1

TỔNG QUAN VỀ BIẾN TẦN MA TRẬN

1.1. Sự phát triển của biến tần ma trận

Thời gian gần đây đã có nhiều người quan tâm đến bộ biến tần ma trận trực tiếp

AC-AC dùng trong truyền động thay đổi tốc độ động cơ cảm ứng. Một trong những

người đề xuất đầu tiên là Gyugyi và Pelly (năm 1976) đã chỉ ra nguyên tắc hoạt động của

bộ biến tần trực tiếp sử dụng khoá có thể điều khiển được 2 chiều để nhận được tần số

đầu ra không bị hạn chế. Nhược điểm chính của mạch là xuất hiện nhiều các hài bậc cao

không mong muốn của dòng vào và áp ra không thể dùng bộ lọc dễ dàng loại bỏ.

Vấn đề này đã được vượt qua nhờ Venturini và Alesina (năm 1980-1981), Hai

người đã đưa ra một thuật toán điều biến PWM mới có thể tạo dòng điện vào và điện áp

ra hình sin với tần số biến thiên đồng thời điều khiển được hệ số công suất đầu vào. Đến

năm 1989 cũng chính 2 ông bằng cách điều chỉnh lại thuật toán ban đầu đã tạo ra được tỉ

số truyền giữa điện áp ra và điện áp vào tối đa (là 0,86) và điều khiển được trọn vẹn cos

đầu vào trong giới hạn của điện áp và cos đầu ra.

Tiếp theo là phương pháp điều khiển tạo điện áp đầu ra sử dụng điều biến vector

không gian vector (Space Vector Modulation-SVM), thuật toán điều khiển này sử dụng

phương pháp điều biến độ rộng xung(Pulse Width Modulation-PWM) cải thiện đáng kể

dạng sóng điện áp ra tuy nhiên khi đó chất lượng dạng sóng của dòng điện vào bị suy

giảm.

Năm 1993 Wheeler và Grant đưa ra phương pháp chuyển mạch dòng điện semi-

soft giảm đáng kể tổn hao đóng cắt đồng thời chuyển mạch tin cậy chắc chắn.Hiện nay

các nghiên cứu chủ yếu về thuật toán điều biên tối ưu hoặc với khía cạnh thiết kế mạch

công suất gọn nhẹ trong một môđun tích hợp trên động cơ, bù ảnh hưởng của điện áp vào

không cân bằng, vấn đề bảo vệ Matrix Converter …

So sánh biến tần ma trận với biến tần gián tiếp

Biến tần hiện nay có thể chia làm 2 loại lớn.

Biến tần gián tiếp


6

CHỈNH LƯU LỌC NGHỊCH LƯU

U~ U~

Hình 1.1. Cấu trúc tổng quát biến tần gián tiếp

Điện áp xoay chiều đầu tiên được chuyển thành một chiều nhờ mạch chỉnh lưu,

sau đó qua bộ lọc rồi mới biến trở về điện áp xoay chiều với tần số f2 . Việc biến đổi năng

lượng 2 lần làm giảm hiệu suất biến tần, bù lại loại biến tần này cho phép dễ dàng thay

đổi tần số f2 không phụ thuộc f1 trong dải tần rộng cả trên lẫn dưới f1 vì tần số ra chỉ phụ

thuộc vào mạch điều khiển.

a. Matrix Converter và biến tần gián tiếp

- Một số ưu điểm của biến tần gián tiếp cũng được ứng dụng trong công nghệ Matrix

Converter.

Vì Matrix Converter được phân tích như một bộ biến đổi gồm 2 tầng biến đổi,

tầng chỉnh lưu và tầng nghịch lưu, nên có thể sử dụng phương pháp điều biến độ

rộng xung (PWM) hay được dùng với biến tần nguồn áp, cho tầng nghịch lưu để

đạt được chất lượng điện áp tốt nhất cho động cơ, do đó tần số và điện áp có thể

được điều chỉnh trơn và không bị giới hạn bởi tần số vào

Thực hiện nối trực tiếp tầng chỉnh lưu nguồn dòng PWM với tầng nghịch lưu, mục

đích để tạo ra khả năng trao đổi công suất phản kháng giữa lưới và tải.

- Những điểm khác nhau có ý nghĩa rất lớn giữa Matrix Converter và biến tần gián tiếp

là:

Không còn thành phần tích năng lượng phản kháng trung gian là cuộn cảm lớn hay

tụ một chiều có tuổi thọ hạn chế, do đó giảm được kích thước của bộ biến tần, tạo

ra khả năng tích hợp Matrix Converter trong một môđun gắn trên động cơ, giúp hệ

truyền động gọn nhẹ và linh hoạt.

Không cần bộ chỉnh lưu trong mạch lực để tạo ra điện áp một chiều, do đó dòng

vào bộ Matrix Converter có dạng sin (vì khâu chỉnh lưu sẽ làm dòng vào không

sin, hệ số công suất thấp).

b. Lý do xây dựng Matrix Converters


7

MC gồm các khoá 2 chiều nên tạo ra dòng chảy công suất theo 2 hướng lưới đến

tải và tải về lưới, dẫn đến khả năng tái sinh năng lượng trả về lưới, đồng thời có thể hoạt

động ở 4 góc phần tư mà không cần điều chỉnh phía đầu vào bộ biến đổi, do đó động cơ

có thể dễ dàng chuyển đổi chế độ làm việc từ chế độ động cơ sang chế độ hãm tái sinh và

ngược lại.

1.2. Cấu hình cơ bản của biến tần ma trận

Trong MC phần công suất hoàn toàn dùng các phần tử bán dẫn, nhiệt độ chịu đựng

cao, có thể lên đến 60 C, độ tin cậy cao, tuổi thọ dài, kích thước giảm nhỏ hơn một cách

đáng kể,có khả năng tích hợp bộ biến tần với động cơ, tạo nên một hệ thống truyền động

thống nhất. Đây là đặc tính ưu việt nhất của MC só với các biến tần phổ biến hiện nay

trong công nghiệp.

Hình 1.2. Cấu hình của MC

Cấu hình cơ bản của một MC được thể hiện trên hình 1.2. Bộ phận cơ bản của MC

là ma trận 3x3, gồm 9 khóa 2 chiều S11,S12,…,S33. Bộ lọc f fL C làm cho dòng đầu vào

trở nên liên tục và gần với dạng sin. Mạch Clamp có tác dụng bảo vệ quá điện áp.

Yêu cầu đặt ra đối với qui luật điều khiển ma trận khóa 2 chiều là:


8

1. Tổng hợp điện áp đầu ra có dạng sin từ các điện áp đầu vào với tần số theo

yêu cầu, dưới và trên tần số điện áp lưới. Dòng tải sẽ do phụ tải quyết định.

2. Dòng điện đầu vào được tổng hợp từ dòng điện ra và cũng có dạng sin.

3. Năng lượng có thể trao đổi giữa tải với lưới theo cả 2 chiều.

4. Hệ số công suất đầu vào có thể điều chỉnh được , không phụ thuộc tải và

tính chất của tải.

1.2.1. Cấu trúc van bán dẫn 2 chiều

Khóa bán dẫn hai chiều (Bi-directional Switch - BS) là một khóa bán dẫn có thể

dẫn dòng theo cả hai chiều và có thể khóa điện áp theo cả hai chiều.

a. Khóa bán dẫn hai chiều

Hiện nay các khóa bán dẫn hai chiều được xây dựng từ các van IGBT một chiều và

các diode. Sau đây là các cấu trúc khóa bán dẫn hai chiều được xây dựng.

Cấu trúc mạch cầu diode (a) sử dụng 1 van IGBT và 4 diode, cấu trúc này chỉ

sử dụng một phần tử tích cực nhưng có tổn thất cao do khi dẫn có 3 van dẫn bao

gồm 1 IGBT và 2 diode.

Cấu trúc E – chung (b) sử dụng 2 van IGBT mắc theo kiểu E chung, có thể

điều khiển được dòng điện theo cả hai chiều, khi dẫn có 1 IGBT và 1 diode dẫn

nên tổn thất bé hơn so với cầu diode, với cấu trúc này cần 9 nguồn cách ly.

Cấu trúc C chung (c) sử dụng 2 van IGBT mắc theo kiểu C chung, cấu trúc này

giống kiểu E chung nhưng chỉ cần 6 nguồn cách ly điều khiển các khóa bán dẫn

2 chiều ma trận.

Cấu trúc RB-IGBT sử dụng phẩn tử có thể khóa điện áp theo cả 2 chiều , cần 6

nguồn cách ly.

Hình 1.3. Cấu trúc khóa bán dẫn 2 chiều


9

Bảng 1.1. So sánh cấu trúc khóa bán dẫn 2 chiều

b. Các module công suất

Một số module đặt trước dành cho các dự án đặc biệt hay dành cho thử nghiệm

nghiên cứu, được đưa ra. Một số module đã có sẵn trên thị trường.

Module 600V-300A cấu trúc E chung bao gồm các IGBT và diode tạo nên một

nhánh đầu ra của MC, ngoài ra cấu trúc này có 2 Schotky mắc ngược song song nối ở đầu

ra dùng để phát hiện chiều dòng điện để chuyển mạch

Hình 1.4. Module 600V-300A

Module 1700V-600A, bao gồm 3 khóa bán dẫn hai chiều theo cấu trúc E chung,

sản xuất bởi DYNEX SEMICONDUCTOR.

Hình 1.5. Module 1700V-600A


10

Module 1200V-100A sử dụng RB-IGBTs phát triển bởi Powerex Coporation,

USA và Mishubishi Electric Power Semiconductor Works.

Hình 1.6. Sơ đồ nguyên lý module 1200V-10A sử dụng RB-IGBTs

1.2.2. Vấn đề bảo vệ mạch công suất cho biến tần ma trận

a. Mạch Clamp

Mạch Clamp bao gồm hai cầu chỉnh lưu 3 pha với mạch xoay chiều là phía nguồn

và phía đầu ra trên tải, có chung mạch một chiều là tụ C. Bình thường, tụ C được nạp

điện đến giá trị biên độ của điện áp vào hoặc điện áp ra, tùy theo giá trị nào cao hơn. Khi

có các xung điện áp ở phía lưới hoặc ở phía tải cao hơn điện áp trên tụ các điôt sẽ mở

thông để tụ hấp thụ năng lượng của các xung áp này. Nếu điện dung của tụ đủ lớn điện áp

trên tụ sẽ thay đổi không đáng kể, đảm bảo điện áp trên ma trận khóa được giữ trong

phạm vi cho phép. Về phía lưới, quá áp có thể xảy ra khi có các phần tử đóng cắt tác

động hoặc bởi sóng sét truyền trên đường dây. Về phía tải, quá áp nguy hiểm có thể xảy

ra khi ngắt nguồn MC gây nên dòng tải bị ngắt tức thì. Mạch Clamp giống như một mạch

hạn chế điện áp song song với mỗi phần tử khóa hai chiều trong sơ đồ MC. Các điôt

trong mạch Clamp phải là các điôt nhanh để có tác dụng cắt ngay các xung điện áp có độ

rộng rất ngắn.

b. Bộ lọc đầu vào.

Dòng đầu vào bao gồm những xung dòng được tổng hợp từ dòng đầu ra, bao gồm

những thành phần sóng hài cơ bản ở tần số lưới và các thành phần sóng hài bậc cao, là bội

số của tần số lấy mẫu. Do tần số lấy mẫu rất lớn so với tần số điện áp lưới nên kích thước

bộ lọc nhỏ không ảnh hưởng đáng kể tới kích thước của mạch lực. Bộ lọc đầu vào cần

được thiết kế để dòng đầu vào liên tục và gần với dạng sin nhất.


11

ai

bi

ci

LC

Hình 1.7. Mô hình lọc LC

Khi tính toán bộ lọc LC cho đầu vào cần dựa trên các nguyên tắc sau:

Tại tần số cơ bản =50Hz thì <<

Để chất lượng đầu ra không bị ảnh hưởng bởi sụt áp . 10 |L L L SU I X U

Tại sóng hài bậc cao h h

C LX X

Để giảm quá độ do cộng hưởng củamạch LC, ta đưa thêm điện trở

2L

RC

Tần số cắt của bộ lọc 1

f

f fL C được chọn sao cho

5

sf

với

2s sf là tần số cắt mẫu,

c. Các phương pháp điều chế

Các phương pháp điều chế xác định quy luật điều khiển các khóa bán dẫn hai

chiều để tạo nên điện áp đầu ra từ các pha điện áp đầu vào và tổng hợp nên dòng đầu

vào từ các dòng đầu ra. Về cơ bản cho đến nay có bốn phương pháp điều chế chính sau

đây:

Phương pháp Venturini-Alesina.

Phương pháp 3M.

Phương pháp vectơ không gian gián tiếp (Indirect Space Vector

Modulation-ISVM).

Phương pháp vectơ không gian trực tiếp (Space Vector Modulation-

SVM).


12

Trong khuôn khổ đồ án này, ta thiết kê điều khiển bằng phương pháp SVM. Ưu

điểm của SVM là trong mỗi chu kỳ cắt mẫu có thể chỉ cần xác định góc pha của điện áp

đầu vào, tương đối so với các thời điểm điện áp nguồn qua không mà không cần quan

tâm đến giá trị tức thời của điện áp. Điện áp đầu ra được xác định theo tần số yêu cầu

và hệ số biến điệu mong muốn.

1.3. Ứng dụng của biến tần ma trận

MC có ứng dụng trong lĩnh vực truyền động giống như các biến tần thông

thường với các ưu điểm cơ bản là kết cấu gọn nhẹ và làm việc được ở cả bốn góc

phần tư.

MC có tiềm năng ứng dụng trong lĩnh vực truyền tải điện như một bộ biến đổi

nối giữa hai lưới điện có tần số tiêu chuẩn khác nhau ( 50/60 Hz).

MC có thể ứng dụng trong các bộ lọc tích cực nối tiếp với lưới điện. Với dòng

đầu vào và ra đều hình sin và hệ số công suất thay đổi được, các bộ tụ lọc tĩnh sẽ

được điều khiển trong một chế độ tối ưu nhất.


13

CHƯƠNG 2

VẤN ĐỀ CHUYỂN MẠCH TRONG BIẾN TẦN MA

TRẬN

2.1. Vấn đề chuyển mạch

Chuyển mạch là quá trình chuyển dòng điện từ một van đang dẫn sang một

van vừa mới được điều khiển mở ra. Chuyển mạch có thể xảy ra tự nhiên, nghĩa là một

van mới mở sẽ tạo điều kiện để khóa van đang dẫn lại, hoặc xảy ra theo một trình tự

cưỡng bức, nghĩa là phải có giải pháp để khóa van đang dẫn lại thì dòng tải mới

chuyển sang van vừa mới điều khiển mở ra. Chuyển mạch là một quá trình phức tạp

trong sơ đồ các bộ biến đổi nói chung và trong MC nói riêng. Trong sơ đồ các bộ biến

đổi có hai phương pháp chuyển mạch, đó là chuyển mạch theo dòng và chuyển mạch

theo áp. Do dòng điện là yếu tố quyết định phản ánh tính dẫn mở van, cũng như phản

ánh quá trình năng lượng nên phương pháp chuyển mạch theo dòng được quan tâm

hơn, trong nội dung chương này sẽ trình bày phương pháp chuyển mạch bốn bước dựa

trên dấu dòng điện tải và chuyển mạch bốn bước dựa trên dấu điện áp.

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

Không được ngắn mạch phía lưới: đảm bảo không xảy ra hiện tượng ngắn mạch

điện áp lưới gây ra xung dòng điện lớn phá hủy các van bán dẫn

Không được hở mạch phía tải: đảm bảo không gây ra hiện tượng hở mạch phía tải

vì nếu tải có tính cảm thì sự hở mạch đột ngột sẽ gây ra biến thiên dòng tải quá

lớn, tạo ra xung áp đánh thủng các van bán dẫn.

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

chuyển mạch trùng dẫn, hai phương pháp này đều vi phạm một trong hai quy tắc vừa nêu

trên, để đảm bảo bộ biến đổi khỏi quá áp hay quá dòng thì cần thêm các mạch phụ trợ

như cuộn cảm, mạch snubber, hay mạch Clamp.

Ví dụ hình 2.1 giả sử khi có yêu cầu chuyển mạch từ pha a sang pha b, trong

trường hợp lý tưởng thì khi khóa S1 ngắt thì khóa S2 đóng lại đồng thời nên sẽ không có

hiện tượng hở mạch đầu ra hay ngắn mạch đầu vào.

Tuy nhiên do các van bán dẫn thực tế có thời gian đóng, ngắt hữu hạn nên các ban

bán dẫn không thể đóng ngắt đồng thời được, do đó để có thể điều khiển được quá trình


14

chuyển mạch, buộc phải vi phạm một trong hai quy tắc trên. Các mạch phụ trợ phải thêm

vào để bảo vệ các van bán dẫn khỏi quá áp, quá dòng.

Ua

Ub

SaA1

SaA2

SbA1

SbA2

IL

Hình 2.1. Chuyển mạch từ pha a sang pha b

2.2 . Chuyển mạch bốn bước dựa trên dấu dòng điện tải

Phương pháp để đảm bảo hai quy tắc trên là chuyển mạch bốn bước dựa trên dấu

dòng điện tải. Để giải thích phương pháp này chúng ta sử dụng hình 2.2.

SaA

SbA

SaA1

SaA2

SbA1

SbA2

td

Hình 2.2. Biểu đồ thời gian phương pháp chuyển mạch bốn bước dựa trên dấu dòng điện tải

Logic chuyển mạch 4 bước như sau:

Bước 1: SaA2 không tham gia dẫn dòng nên SaA2 sẽ mất tín hiệu ngay.

Bước 2: Van ở pha b chuẩn bị vào dẫn dòng, SbA1 được điều khiển mở.

Dòng sẽ chạy qua SbA1 tại thời điểm đó hoặc tại thời điểm tiếp theo, trong

bước thứ ba.


15

Bước 3: SaA1 mất tín hiệu điều khiển.

Bước 4: Tín hiệu điều khiển đưa đến SbA2 để đảm bảo dòng pha b có thể

chạy theo cả hai chiều.

Đồ thị thời gian của quá trình được thể hiện trên hình 2.7. Theo hình 2.7 mỗi bước

thực hiện cách nhau một khoảng thời gian td, là thời gian khóa, mở của IGBT, cỡ 1,5 –

2,5 µS. Quá trình xảy ra đối với dòng iL<0 có thể đượcsuy luận tương tự. Như vậy trong

chuyển mạch 4 bước thời gian để hoàn tất một quá trình chuyển mạch là vào khoảng

4,5÷7,5 µS.

Quá trình trình toán các hệ số biến điệu cho MC sẽ tạo ra tín hiệu điều khiển mở

các khóa hai chiều sao cho tại một thời điểm bất kỳ không có hai pha đầu vào nào được

nối với cùng một pha đầu ra. Do đó quá trình chuyển mạch là độc lập đối với mỗi pha

đầu ra. Với mỗi pha đầu ra sẽ diễn ra quá trình chuyển mạch giữa 3 pha đầu vào với

nhau, trong đó quá trình là như nhau giữa a-b, b-c và c-a.

Như vậy ta có thể biểu diễn logic chuyển mạch 4 bước của chuyển mạch ba pha

như sau qua hình

SaA1

SbA1

ScA1

00-11-00

00-00-11

01-00-00

01-00-01

00-00-01

10-00-00

10-00-10

00-00-10

10-00-00

10-10-00

00-00-00

01-00-00

01-01-00

00-01-00

00-01-00

00-01-01

00-00-01

00-10-00

00-10-10

00-00-10

IL>0 IL<0

11-00-00

SaA1SaA2-SbA1SbA2-ScA1ScA2

SaA2

SbA2

ScA2

Hình 2.3. Biểu đồ logic trạng thái của phương pháp chuyển mạch bốn bước dựa trên dấu dòng

điện ra tải cho một pha đầu ra


16

Hình 2.4. Trạng thái logic trong chuyển mạch 3 pha.

Trong trường hợp dòng điện tải bé rất khó có thể xác định chiều dòng điện, để

tránh vấn đề này, có thể sử dụng điện áp trên khóa bán dẫn hai chiều để xác định dấu

dòng điện. Giả sử V1 là điện áp thuận rơi trên van bán dẫn S1a và V2 là điện áp thuận rơi

trên van bán dẫn S1b . V1 và V2 tương ứng sẽ là dương và âm khi S1 dẫn dòng tải dương,

tương tự khi dòng tải âm thì V1 và V2 tương ứng sẽ là âm và dương. Do đó đo điện áp

trên một nửa của khóa bán dẫn hai chiều có thể xác định được chiều dòng điện.

Hình 2.5. Stateflow chuyển mạch 4 bước 1 pha đầu ra

Chương 3. Mô phỏng hệ thống biến tần ma trận

17

CHƯƠNG 3

MÔ PHỎNG HỆ THỐNG BIẾN TẦN MA TRẬN

Trong chương này ta tiến hành đi xây dựng mô hình và mô phỏng hệ thống biến

tần ma trận.

Hình 3.1. Sơ đồ cấu trúc mô phỏng biến tần ma trận

Mô hình biến tần ma trận bao gồm 2 phần chính:

Phần mạch lực ( Power block), phần mạch điều khiển ( Controller ).

Sử dụng phần mềm Matlab để mô phỏng theo cấu trúc như sau

Hình 3.2. Mô hình mô phỏng MC trong Matlab/Simulink


18

3.1. Phần mạch lực

Hình 3.3. Tổng quan về mạch lực của MC

Phần mạch lực : Mô phỏng hệ thống điện áp 3 pha đầu vào ua, ub, uc, mạch lọc

LC đầu vào, bộ biến đổi kiểu ma trận với các khóa hai chiều dùng IGBT, mạch phụ tải 3

pha

a. Hệ thống điện áp 3 pha ua, ub, uc được xây dựng bằng 3 khối AC Voltage

Source với các thông số : Biên độ 220*sqrt(2) (V), tần số 50 (Hz), góc pha đầu

lệch nhau 2π/3.

b. Mạch lọc LC đầu vào được xây dựng bằng các phần tử cuộn cảm L và tụ điện

C.

c. Khối van IGBT

Hình 3.4. Xây dựng BDS 2 chiều trong Matlab- Simulink

3.2. Phần mạch điều khiển và chuyển mạch


19

Hình 3.5. Cấu trúc phần điều khiển SVM của MC

Mạch điều khiển ( Controller ):

Mô phỏng các khâu đồng bộ điện áp, đặt tần số, tính toán thời gian đóng cắt,

PWM, mã hóa và lựa chọn tổ hợp van theo phương pháp SVM.

Khối chuyển mạch 4 bước

Nhiệm vụ của khối là từ 9 tín hiệu mở van BDS đưa ra được 18 tín hiệu mở van

cho 18 van IGBT được mắc E chung trong các van 2 chiều và được mô phỏng bằng khối

StateFlow trong Matlab/Simulink.

Hình 3.6. Bên trong khối 4-step switching

3.3. Kết quả mô phỏng

Ta tiến hành mô phỏng với các thông số :


20

Tần số lưới fin=50hz, Tải RL với R=10 Ohm, L=10mH, hệ số điều chế

m=0.866, tần số phát xung fc=5Khz

Mô phỏng cho tần số fout=50 Hz trong hai trường hợp không có lọc và có

bộ lọc LC đầu vào

Tính toán thông số cho bộ lọc:

Với tần số lưới 50Hz, điện áp rơi trên bộ lọc nhỏ nên có thể coi điện áp đầu vào biến

tần ma trận xấp xỉ điện áp lưới (Ul). Điện áp đầu vào này tạo ra dòng phản kháng (I0)

chảy trong các tụ điện của bộ lọc. Dòng I0 làm lệch pha dòng và áp đầu vào dẫn tới giảm

hệ số công suất đầu vào.

Trong đó :

I0 : Dòng không tải

X50 : Tổng trở của bộ lọc

Ul : Điện áp lưới

i : Tần số góc điện áp lưới

Thành phần cơ bản của dòng điện chảy qua Matrix Converter được tính theo công

thức:

050

3 i

PI

U

Trong đó :

50I : Thành phần dòng điện cơ bản của biến tần

0P : Công suất đầu ra của biến tần

Công thức tính góc lệch của dòng và áp đầu vào:

1 0

50

tani

I

I

Ta có thể tìm được giá trị điện dung lớn nhất của bộ lọc để đạt được hệ số công suất

theo yêu cầu :

0 maxmax 2

0

tan( )tan( )

/ 3 3

i i F ii F

i i i

U C PC

P U U

6

2

2, 2.1000.0,15.10 (F) 5( F)

3.220 .100.πFC


21

Giá trị của các phần tử điện cảm LF được xác định nhờ biểu thức sau:

22

0 2

11.

ofCL

Trong đó fo là tần số cắt của mạch lọc LC ( 0,1fs < fo < 0.5fs), thường chọn bằng 1/5 tần

số đóng cắt. Chọn tần số đóng cắt của van là 5 kHz ta được fo = 1 kHz. Vậy giá trị điện

cảm L được tính bằng 2 6

15( )

(2 .1000) .5.10mH

.

- Kết quả mô phỏng:

Hình 3.7. Điện áp ra (trên), dòng điện đầu ra (dưới) với fout=50hz khi chưa có bộ lọc đầu vào


22

Hình 3.8. Điện áp đầu vào (trên), dòng điện đầu vào (dưới) fout =50hz (chưa có bộ lọc đầu vào)

Hình 3.9. Dòng điện và điện áp đầu vào (trên), dòng điện đầu vào (dưới), fout=50hz, có bộ lọc

đầu vào

Từ các kết quả mô phỏng nhận được cho thấy, điện áp đầu ra có dạng là các xung

áp lặp lại các giá trị của các điện áp dây đầu vào, hầu như không có quá áp, điều này

chứng tỏ tính đúng đắn của các bước lô gic chuyển mạch, dòng điện đầu vào sau khi lọc

có dạng sin và trùng pha với điện áp đầu vào (mô phỏng với cos 1 ), dòng diện đầu ra

có dạng sin, tần số đầu ra đúng với tần số đặt.


23

Hình 3.10. Đồ thị điện áp và dòng điện đầu ra khi có chuyển mạch 4 bước

Hinh 3.11. Đồ thị trong iSaA1, iSaA2

Kết quả khi lắp thêm bộ chuyển mạch 4 bước cho thấy, dạng điện áp dây

trên tải uAB cho thấy hầu như các van chuyển mạch mà không gây ra quá điện

áp. Dòng điện ra Iabc có dạng sin cho thấy tính chính xác của việc thực hiện quy

luật biến điệu. Các đồ thị dòng iSaA1, iSaA2 cho thấy IGBT của khóa hai chiều

của pha đầu vào a tham gia vào việc tạo nên dòng tải.


24

KẾT LUẬN

Qua thời gian thực thiện đồ án 2, với đề tài “Thiết kế hệ điều khiển cho biến tần

ma trận Matrix Converter” đã giúp em hiểu rõ hơn những vấn đề lý thuyết và thực tế

liên quan đến đề tài nhằm củng cố thêm các kiến thức đã học trong trường.

Được sự hướng dẫn, giúp đỡ nhiệt tình của thầy giáo ThS. Vũ Hoàng Phương đã

có nhiều hướng dẫn giúp em hoàn thiện tốt hơn đồ án này.

Trong bản đồ án đã đề cập đến các vấn đề về điện tử công suất đối với bộ biến tần

Matrix Converter - Một bộ biến tần trực tiếp AC/AC, có rất nhiều ưu thế so với các bộ

biến tần kinh điển. Theo yêu cầu của đồ án 2, đề tài chỉ dừng lại ở việc tìm hiểu sơ đồ

mạch lực và mô phỏng dùng Matlab/Simulink.

Tuy nhiên trong báo cáo này vẫn còn nhiều thiếu sót, em rất mong được sự góp ý

xây dựng và sửa đổi của các thầy cô giáo và các bạn có quan tâm.

Em xin trân trọng cảm ơn.!

Hà Nội, ngày 17 tháng 12 năm 2016

Sinh viên thực hiện

Lê Văn Công

Phụ lục

25

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1] Trần Trọng Minh, “Xây dựng biến tần kiểu ma trận”, Luận án tiến sĩ chuyên

ngành tự động hóa công nghiệp ĐHBKHN, 2007.

[3] Jose Rodriguez, Marco Rivera, Johan W. Kolar, Patrick W. Wheeler, “A

Review of Control and Modulation Methods for Matrix Converters”, IEEE Transactions

On Industrial Electronics, Vol. 59, No. 1, January 2012.

[4] Lee Empringham, Johann W. Kolar, Jose Rodriguez, Pat W. Wheeler, Jon C.

Clare, “Technological Issues and Industrial Application of Matrix Converters: A

Review”, IEEE Transactions On Industrial Electronics, Vol.60, No.10, October 2013.

[5] Marco Matteini, “Control techniques for matrix converter adjustable speed

drives”, PhD thesis, Department of Electrical Engineering, Univesity of Bologna.

Education

ĐỒ ÁN CHUYỂN MẠCH SỬ DỤNG FPGA