Tốt nghiệp

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

KHOA ĐIỆN

BỘ MÔN TỰ ĐỘNG HOÁ CÔNG NGHIỆP

====o0o====

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

ĐỀ TÀI:

XÂY DỰNG HỆ TRUYỀN ĐỘNG BIẾN TẦN MA TRẬN - ĐỘNG

CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ ĐIỀU KHIỂN TRỰC TIẾP MOMEN

Trưởng bộ môn : Ts. Trần Trọng Minh

Giáo viên hướng dẫn : Ths. Vũ Thụy Nguyên

Sinh viên thực hiện : Nguyễn Trung Hiếu

Lớp : TĐH3 - K55

MSSV : 20102653

Hà Nội, 6 - 2015

Đại Học Bách Khoa Bộ môn Tự động hóa công

nghiệp

2

LỜI CAM ĐOAN

Em xin cam đoan bản đồ án tốt nghiệp: Xây dựng hệ truyền động

biến tần ma trận - động cơ không đồng bộ điều khiển trực tiếp momen do

em tự thiết kế dưới sự hướng dẫn của thầy giáo ThS. Vũ Thụy Nguyên. Các số

liệu và kết quả là hoàn toàn đúng với thực tế.

Để hoàn thành đồ án này em chỉ sử dụng những tài liệu được ghi trong

danh mục tài 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 tháng năm 2015

Sinh viên thực hiện

Nguyễn Trung Hiếu


nghiệp

3

MỤC LỤC

Chương 1. tổng quan về biến tần ma trận ........................................................ 6

1.1. Giới thiệu biến tần kiểu ma trận ........................................................... 7

1.1.1 Tổng quan về biến tần ................................................................... 7

1.1.2 Giới thiệu biến tần kiểu ma trận .................................................... 7

1.1.3 Mô hình biến tần kiểu ma trận ....................................................... 8

1.1.4 Hoạt động của biến tần ma trận ..................................................... 9

1.1.5 Các phần tử cơ bản của MCs ....................................................... 11

1.2. Quá trình chuyển mạch trong MC ...................................................... 15

1.2.1 Quy tắc thực hiện quá trình chuyển mạch ................................... 15

1.2.2 Phương pháp chuyển mạch bốn bước (Four steps comutation) .. 17

Chương 2. Vấn đề điều khiển biến tần ma trận ............................................. 19

2.1. Mô hình toán học của biến tần ma trận .............................................. 21

2.2. Phương pháp vector không gian trong biến tần ma trận .................... 22

2.2.1 Xác định vector không gian ......................................................... 23

2.2.2 Tổng hợp vector điện áp ra và vector dòng điện vào .................. 29

2.2.3 Xác định các hệ số biến điệu ....................................................... 30

2.2.4 Xác định vị trí vector không gian ................................................ 35

2.3. Kết luận .............................................................................................. 37

Chương 3. HỆ TRUYỀN ĐỘNG BIẾN TẦN MA TRẬN – ĐỘNG CƠ

KHÔNG ĐỒNG BỘ SỬ ĐIỀU KHIỂN TRỰC TIẾP MOMEN ...................... 38

3.1. Phương pháp điều khiển trực tiếp momen DTC truyền thống ........... 39

3.2. Hệ truyền động MC – DTC ................................................................ 41


nghiệp

4

Hình 1.1 Mô hình MC cơ bản ............................................................................ 9

Hình 1.2 Điện áp đầu VSI (a) – Điện áp đầu ra MCs (b) ................................ 10

Hình 1.3 – Dòng điện đầu vào phân tích phổ Furier ........................................ 10

Hình 1.4 Điện áp và dòng điện đầu vào ........................................................... 11

Hình 1.5 Cấu hình cơ bản của biến tần ma trận khi đóng lưới ........................ 12

Hình 1.6 – Sơ đồ IGBT lắp E chung (a) – C chung (b) ................................... 12

Hình 1.7 Sơ đồ mạch lưc sử dụng cấu hình E chung (a) – C chung (b) .......... 13

Hình 1.8 Mạch lọc LC...................................................................................... 14

Hình 1.9 Mạch clamp ....................................................................................... 15

Hình 1.10 Mạch điện tương đương pha a,b ..................................................... 16

Hình 1.11 Sơ đồ mô tả quá trình chuyển mạch ................................................ 17

Hình 1.12 Đồ thị tín hiệu điều khiển chuyển mạch ......................................... 18

Hình 2.1 Cấu hình cơ bản của biến tần ma trận ............................................... 21

Hình 2.2 Sơ đồ cấu trúc của MC ...................................................................... 23

Hình 2.3 Các tổ hợp van trong matrix converter ............................................. 25

Hình 2.4 Vector không gian điện áp đầu ra (a) và dòng điện đầu vào (b), ứng

với các tổ hợp van abb, bcc, caa. ..................................................................... 27

Hình 2.5 Vector không gian điện áp ra (a) và vector không gian dòng điện vào

(b) ..................................................................................................................... 29

Hình 2.6 Mô hình mô phỏng MCs theo phương pháp SVM ........................... 36

Hình 2.7 Mô hình thuật toán SVM trên MATLAB/SIMULINK .................... 36

Hình 2.10 Điện áp đầu vào và dòng điện đầu vào ........................................... 37

Hình 2.11 Điện áp đầu vào và dòng điện đầu vào khi sử dụng mạch lọc ........ 37

Hình 2.12 Điện áp đầu ra và dòng điện đầu ra................................................. 37

Hình 2.13 Điện áp đầu ra và dòng điện đầu ra khi sử dụng mạch lọc ............. 37

Hình 3.1 - Điều khiển mômen bằng cách quay từ thông stato ......................... 39

Hình 3.2 Phương pháp DTC truyền thống với biến tần nguồn áp ................... 40

Hình 3.3 Vector điện áp ra trong biến tần nguồn áp và biến thiên từ thông

stator tương ứng ............................................................................................... 41

Hình 3.4 Sơ đồ cấu trúc hệ MC - DTC ............................................................ 42

Hình 3.5 - Đồ thị vector từ thông stato ψS (a) và vector dòng điện đầu vào Ii

(b) ..................................................................................................................... 43

Hình 3.6 - Đồng bộ điện áp .............................................................................. 45


nghiệp

5


nghiệp

6

Chương 1. TỔNG QUAN VỀ BIẾN TẦN MA

TRẬN


nghiệp

7

1.1. Giới thiệu biến tần kiểu ma trận

1.1.1 Tổng quan về biến tần

Biến tần là một tập hợp các bộ biến đổi bán dẫn công suất có nhiệm vụ biến

đổi nguồn điện từ lưới điện, với tần số và điện áp không đổi thành nguồn điện

có tần số và điện áp thay đổi được, cung cấp cho các phụ tải xoay chiều.

Các bộ biến tần công nghiệp hiện nay chủ yếu gồm hai loại: biến tần gián

tiếp và biến tần trực tiếp. Biến tần gián tiếp được xây dựng cơ bản dựa trên

cấu trúc biến tần có khâu trung gian một chiều, nghịch lưu, trong đó điện áp

xoay chiều từ lưới điện được chỉnh lưu, trở thành nguồn áp nhờ khâu trung

gian một chiều dùng tụ điện, sau đó được nghịch lưu biến đổi thành nguồn

điện áp xoay chiều cung cấp cho phụ tải. Cấu trúc này có ưu điểm cơ bản là

làm cho chỉnh lưu và nghịch lưu hoạt động tương đối độc lập với nhau, do đó

các phương pháp biến điệu có thể được áp dụng rất đơn giản. Tuy nhiên nhược

điểm của cấu trúc này là tổn hao công suất lớn, kích thước bộ biến đổi lớn, độ

tin cậy không cao.

Biến tần trực tiếp là bộ biến đổi AC-AC, với sơ đồ van nối trực tiếp phụ tải

luân phiên vào các pha của điện áp xoay chiều đầu vào, do đó giảm được tổn

hao công suất trên các van. Mỗi pha của biến tần trực tiếp cấu tạo từ một sơ đồ

chỉnh lưu có đảo chiều, vì vậy có khả năng trao đổi công suất với lưới theo cả

hai chiều. Tuy nhiên biến tần trực tiếp thửa hưởng các nhược điểm của sơ đồ

chỉnh lưu như dòng đầu vào không sin, hệ số công suất thấp.

Các nhược điểm của các biến tần trên dẫn đến nhu cầu nghiên cứu các bộ

biến đổi mới với yêu cầu: điện áp ra và dòng đầu vào hình sin, hiệu suất biến

đổi cao, hệ số công suất cao, có khả năng trao đổi năng lượng với lưới theo hai

chiều, nhỏ gọn tin cậy. Biến tần ma trận có thể đáp ứng được các yêu cầu này.

1.1.2 Giới thiệu biến tần kiểu ma trận

Biến tần ma trận là bộ biến đổi tần số trực tiếp AC/AC sử dụng các van bán

dẫn hai chiều. Tên gọi ma trận xuất phát từ kết cấu mạch lực có dạng ma trận

3x3 van bán dẫn hai chiều, đồng thời mỗi điện áp đầu ra được tổng hợp từ ba

điện áp đầu vào.


nghiệp

8

1.1.2.1 Ưu điểm

Biến tần ma trận có một số đặc tính ưu việt so với các biến tần phổ biến

hiện nay như có thể tạo ra điện áp ra hình sin với biên độ và tần số thay đổi

được, dòng đầu vào hình sin, hệ số công suất bằng 1, có khả năng áp dụng cho

mọi dải công suất, từ nhỏ đến lớn. So với biến tần gián tiếp, biến tần ma trận

có ưu thế về tỷ số công suất trên khối lượng cũng như công suất trên thể tích

cao hơn. Trong biến tần ma trận phần công suất hoàn toàn dùng các phần tử

bán dẫn, nhiệt độ chịu đựng cao hơn, có thể lên đến 60o, độ tin cậy cao, tuổi

thọ cao, kích thước giảm nhỏ hơn một cách đáng kể. Khả năng làm việc được

ở cả bốn góc phần tư mà không cần thêm vào phần tử phụ nào cùng với kích

thước nhỏ gọn đưa đến khả năng tích hợp bộ biến tần với động cơ, tạo nên một

hệ thống truyền động thống nhất.

1.1.2.2 Khả năng ứng dụng

Biến tần ma trận có thể ứng dụng trong một số lĩnh vực như sau:

- Trong lĩnh vực truyền động, biến tần ma trận sẽ phát huy được các ưu

điểm là gọn nhẹ, làm việc được cả 4 góc phần tư.

- Biến tần ma trận có tiềm năng ứng dụng trong lĩnh vực truyền tải điện như

một bộ biến đổi giữa hai lưới điện có tần số tiêu chuẩn khác nhau.

- Biến tần ma trận có thể ứng dụng trong các bộ lọc tích cực nối trực tiếp

với lưới điện. Với dòng đầu vào và đầu 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.

- Biến tần ma trận có thể là bộ biến đổi đầu ra, có nhiệm vụ ổn định điện áp

và tần số cho các hệ máy phát phân tán turbine khí hoặc turbine gió. Khi đó

máy phát có thể phát điện áp tần số cao và thay đổi, nhờ đó kích thước máy

phát được giảm nhỏ và yêu cầu về điều tốc không còn khắt khe nữa.

1.1.3 Mô hình biến tần kiểu ma trận

Biến tần ma trận gồm có chín khóa hai chiều cho phép pha đầu ra nào

cũng có thể nối trực tiếp với pha đầu vào. Hình 1.1 là mô hình cơ bản của

MCs:


nghiệp

9

Hình 1.1 Mô hình MC cơ bản

Sử dụng chín khóa hai chiều, theo lý thuyết biến tần ma trận có thể tạo

ra 29 = 512 tổ hợp các trạng thái của các khóa, tuy nhiên không phải tất cả các

trạng thái đo đều được sử dụng. Tùy theo phương pháp điều khiển được sử

dụng, tổ hợp trạng thái các khóa được lựa chọn tương ứng dựa trên hai nguyên

tắc cơ bản: không ngắn mạch pha và không hở mạch tải. Đứng trên góc độ

thực tiễn, thường chỉ sử dụng 27 trạng thái tổ hợp van (sẽ được trình bày kỹ

hơn ở phần sau).

1.1.4 Hoạt động của biến tần ma trận

1.1.4.1 Điện áp đầu ra

Biến tần ma trận không sử dụng khâu dự trữ năng lượng trung gian,

điện áp đầu ra được tạo ra trực tiếp từ điện áp đầu vào. Điện áp đầu ra được

tổng hợp từ chuỗi các lần trích mẫu điện áp đầu vào. Tần số trích mẫu để tổng

hợp cần phải lớn hơn rất nhiều tần số của cả đầu vào và đầu ra.

Hình 1.2 so sánh dạng điện áp đầu ra giữa biến tần VSI truyền thống và

biến tần ma trận. Điện áp đầu ra của VSI là sự lựa chọn giữa hai giá trị cố định

là +Udc hoặc –Udc, trong khi đó đầu ra của biến tần ma trận có thể chọn giữa

các điện áp đầu vào a, b, c và giá trị đầu vào đó thay đổi theo thời gian, chính

đặc điểm này làm giảm sóng hài chuyển mạch.


nghiệp

10

(a) (b)

Hình 1.2 Điện áp đầu VSI (a) – Điện áp đầu ra MCs (b)

1.1.4.2 Dòng điện đầu vào

Tương tự như điện áp đầu ra, dòng điện đầu vào cũng được tạo trực tiếp

từ dòng điện đầu ra bằng cách tổng hợp chuỗi các lần trích mẫu dòng điện đầu

ra. Dòng điện đầu vào của biến tần ma trận có dạng sin. Phân tích phổ sóng

hài cho thấy chỉ tồn tại thành phần sóng hài cơ bản mong muốn và thành phần

sóng hài ở tần số chuyển mạch.

Hình 1.3 dòng điện đầu vào của biến tần ma trận với tần số chuyển

mạch là 2kHz. Ta thấy biên độ của thành phần sóng hài chuyển mạch lớn hơn

so với thành phần cơ bản, chính vì thế cần thiết sử dụng lọc đầu vào.

Hình 1.3 – Dòng điện đầu vào phân tích phổ Furier


nghiệp

11

1.1.4.3 Hệ số công suất đầu vào

Hệ số công suất đầu vào có thể điều khiển được là một đặc điểm rất nổi

bật của biến tần ma trận, việc điều khiển hệ số công suất đầu vào hoàn toàn

riêng biệt không phụ thuộc vào tải.

Hình 1.4 biểu diễn điện áp

đầu vào, dòng điện tức thời

và giá trị trung bình ở tần

số chuyển mạch 2kHz. Góc

lệch pha giữa dòng điện đầu

vào và điện áp đầu vào gần

như bằng không, hệ số công

suất cos xấp xỉ bằng 1.

Hình 1.4 Điện áp và dòng điện đầu vào

1.1.5 Các phần tử cơ bản của MCs

Cấu hình cơ bản của biến tần ma trận gồm có 9 khóa hai chiều (bi-

direction switch BDS) nối các pha đầu ra A, B, C với các pha điện áp đầu vào

a, b, c theo quy tắc nhất định để tạo ra điện áp đầu ra. Bộ lọc LC làm cho dòng

đầu vào trở nên liên tục và gần với dạng sin. Mach Clamp có tác dụng bảo vệ

quá điện áp, MCs không sử dụng các phần tử phản kháng như tụ điện, điện

cảm nào để làm các khâu trung gian dự trữ năng lượng.


nghiệp

12

Hình 1.5 Cấu hình cơ bản của biến tần ma trận khi đóng lưới

1.1.5.1 Khóa đóng cắt dẫn hai chiều (BDS)

MCs sử dụng các khóa đóng cắt dẫn hai chiều có khả năng dẫn dòng

điện theo cả hai chiều tùy theo tín hiệu điều khiển, Hiện nay các nhà sản xuất

chưa đưa ra thị trường các khóa bán dẫn dẫn dòng hai chiều nên các phần tử

này phải được tạo ra từ các khóa bán dẫn thông thường. Có hai cấu hình phổ

biến cho khóa đóng cắt dẫn hai chiều, đó là: sử dụng IGBT mắc Emitter chung

nối song ngược (hình) và IGBT mắc Colector chung nối song ngược (hình).

Hai IGBT được nối cùng hai diode mắc song ngược để tăng khả năng chịu

điện áp ngược đặt lên van. Các diode này cũng phải là các diode nhanh để phù

hợp với khả năng đóng cắt nhanh của IGBT.

(a) (b)

Hình 1.6 – Sơ đồ IGBT lắp E chung (a) – C chung (b)


nghiệp

13

Trong các sơ đồ 3 pha vào, 3 pha ra, sơ đồ E chung cần sử dụng 9

nguồn cách ly, mỗi nguồn dùng để điều khiển hai IGBT có chung Emitter

(hình 1.7a). Sơ đồ C chung có ưu điểm hơn vì chỉ cần 6 nguồn cung cấp cách

ly để điều chỉnh 9 khóa, mỗi nguồn dùng để điều khiển 3 IGBT có Colector

chung (hình 1.7b). Sơ đồ lắp C chung có nhược điểm là điện áp điều khiển

khác nhau với từng IGBT trên một khóa hai chiều và các van có sự ảnh hưởng

lẫn nhau nên ít dùng với các thiết bị có công suất lớn.

(a)

(b)

Hình 1.7 Sơ đồ mạch lưc sử dụng cấu hình E chung (a) – C chung (b)

1.1.5.2 Bộ lọc LC đầu vào

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

đầu ra, chính sự tổng hợp những đoạn của ba dòng đầu ra gồm thành phần

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

tần số lấy mẫu. Bộ lọc đầu vào cần thiết để làm dòng điện đầu vào liên tục và

gần với hình dạng sin.

Nói chung khi thiết kế bộ lọc LC đầu vào cần đảm bảo các yêu cầu sau:


nghiệp

14

Tạo ra mạch lọc thông thấp với tần số nhỏ hơn tần số đóng cắt.

Tăng tối đa hệ số công suất đầu vào.

Tối thiểu hoá kích thước, trọng lượng của các phần tử L, C với công

suất phản kháng yêu cầu.

Đảm bảo tính bền vững của cả hệ thống.

Một số cấu hình mạch lọc LC đầu vào đề xuất sử dụng cho biến tần ma trận:

Hình 1.8 Mạch lọc LC

Điện trở R được đưa vào lúc khởi động có giá trị lớn hơn điện trở tới hạn

2TH

LR

C , làm giảm quá áp do cộng hưởng của hai thành phần LC trong

mạch lọc gây ra. Các tham số LC được chọn theo sự thỏa hiệp giữa kích thước

của bộ lọc, hệ số công suất cos tối đa đầu vào, sụt áp trên điện cảm L để

đảm bảo hệ số truyền áp và độ bền vững của hệ thống.

1.1.5.3 Mạch Clamp

Để bảo vệ Matrix Converter khỏi các sự cố quá áp, ta có thể sử dụng mạch

clamp để tạo ra đường giải phóng năng lượng (free wheeling) cho tải và hạn

chế áp đầu vào. Mạch clamp gồm hai cầu chỉnh lưu diode nối với một tụ một

chiều Cclamp như hình 1.9.


nghiệp

15

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

trong trường 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

nạp năng lượng dư thừa cho tụ Cclamp. Cụ thể là :

Với trường hợp quá áp đầu vào, tụ Cclamp sẽ được nạp thông qua cầu diode

CL1. Nhờ vậy, điện áp đầu vào không bị tăng vọt.

Còn trường hợp cắt tải đột ngột ra khỏi lưới, nếu tải có tính cảm kháng lớn

thì sức điện động trên các van rất lớn có thể phá huỷ biến tần. Nhờ có mạch

clamp, năng lượng tích luỹ trên tải được giải phóng.

1.2. Quá trình chuyển mạch trong MC

1.2.1 Quy tắc thực hiện quá trình chuyển mạch

Để minh họa vấn đề khi chuyển mạch ta xét mạch điện thay thế sau:

Hình 1.9 Mạch clamp


nghiệp

16

Hình 1.10 Mạch điện tương đương pha a,b

Ban đầu khóa S11 đang ở trạng thái đóng và dẫn dòng iA. Khi chuyển mạch

tức là S11 mở ra, S21 khóa lại, nếu S11 mở ra truớc tác dụng của điện cảm LL

sẽ tạo ra một quá điện áp cả ứng:

dI

U Ldt

(1.1)

do dt rất nhỏ nên U rất lớn, điện áp ngược này có thể sẽ đánh thủng các van

bán dẫn. Nếu S21 đóng vào trước sẽ tạo ra một dòng ngắn mạch nguồn theo

đường 1 N1 N2 2N -L -S11-S21-L -N , dòng ngắn mạch chỉ được giới hạn bởi trở

kháng của N1L và N2L .

Theo lý thuyết để quá trình chuyển mạch diễn ra mà không xảy ra hiện

tượng gián đoạn dòng tải hay ngắn mạch cần thiết phải chuyển mạch một cách

đồng thời nhưng không bao giờ đạt được như vậy vì luôn có thời gian trễ của

mạch driver và các van bán dẫn.

Trong sơ đồ mạch MC không có hệ thống diode ngược như biến tần VSI

nên chuyển mạch giữa các van phức tạp và khó khăn hơn. Quá trình chuyển

mạch trong MC phải tuân thủ hai nguyên tắc sau:

Không được ngắn mạch phía lưới, nhằm đảm bảo không xảy ra hiện

tượng dòng điện lớn phá hủy van.

Không được hở mạch phía tải, nhằm đảm bảo không xảy ra hiện

tượng quá điện áp đánh thủng các van bán dẫn.


nghiệp

17

1.2.2 Phương pháp chuyển mạch bốn bước (Four steps comutation)

Rất nhiều phương pháp chuyển mạch đã được nghiên cứu, trong số đó

phương pháp phổ biến nhất là “chuyển mạch bốn bước”, yêu cầu biết thông

tin về chiều dòng điện đầu ra. Các bước chuyển mạch được phân tích dưới sơ

đồ sau khi thực hiện tác vụ chuyển mạch từ khóa dẫn pha a sang khóa dẫn pha

b.

Hình 1.11 Sơ đồ mô tả quá trình chuyển mạch

Giả sử pha A đang dẫn, cả 2 van SA1 và SA2 đều đang thông để đảm bảo

khả năng dẫn theo cả hai chiều. Giả sử dòng điện đang có chiều như hình vẽ.

Quá trình chuyển mạch sang pha B sẽ diễn ra theo 4 bước như sau:

- Bước 1: Khóa van SA2 để tránh đường ngắn mạch từ pha B sang pha A

- Bước 2: Mở van SB1. Do các điôt DA1 và DB1 nên đầu vào không bị

ngắn mạch.

- Bước 3: Khóa van SA1, lúc này SB1 đã mở, do đó tránh được hiện tượng

hở mạch tải.

Dòng tải sẽ chuyển từ pha A sang pha B (van SA1 sang SB1) tại bước 2 nếu

uB>uA hoặc ở bước 3 nếu uB<uA.

- Bước 4: Mở van SB2 để đảm bảo tính chất dẫn 2 chiều của pha B.

Quá trình chuyển mạch bốn bước kết thúc.


nghiệp

18

Đồ thị quá trình chuyển mạch như sau:

Hình 1.12 Đồ thị tín hiệu điều khiển chuyển mạch

Thời gian td tương đương với thời gian khóa của một IGBT cỡ 1÷2 µs.


nghiệp

19

Chương 2. VẤN ĐỀ ĐIỀU KHIỂN BIẾN TẦN

MA TRẬN


nghiệp

20

Về thực chất MC là một dạng biến tần trực tiếp nhưng sử dụng các van

bán dẫn hai chiều, do đó với quy luật biến điệu thích hợp có thể tạo ra điện áp

ra và dòng đầu vào đều có dạng sin với hệ số công suất có thể điều chỉnh

được. Trong sơ đồ, MC sử dụng 3x3 khóa bán dẫn hai chiều để nối luân phiên

tải vào các pha của điện áp đầu vào. Do bản chất không có khâu trung gian

một chiều nên quy luật điều khiển, quy luật biến điệu cho MC rất phức tạp. Về

quy luật biến điệu có hai phương pháp chính:

Phương pháp trực tiếp, lần đầu tiên được đưa ra bởi Alesin A. và

Venturini M.G (1980), giải mô hình toán học ma trận chuyển cho

quá trình biến điệu, từ đó tìm ra được ma trận hệ số biến điệu.

Phương pháp này đòi hỏi tính toán phức tạp, chiếm nhiều thời gian

của bộ sử lý tín hiệu.

Phương pháp thứ hai áp dụng kỹ thuật biến điệu vector không gian

mà nội dung cơ bản là trong các vector chuẩn, ứng với các các tổ

hợp van được nối mạch nhất định, chọn các vector phù hợp thỏa

mãn các quy luật biến điệu cho cả điện áp đầu ra lẫn dòng điện đầu

vào. Kỹ thuật biến điệu vector không gian (Space Vector

Modulation-SVM) cho phép giải thích về lý thuyết hệ số biến điệu

(xác định tỷ số giữa điện áp đầu ra với điện áp đầu vào), tạo ra dạng

sóng hình sin của dòng đầu vào với hệ số công suất (cosφ) điều

chỉnh được.

Kỹ thuật biến điệu vector không gian có hai hướng thực hiện chính. Thứ

nhất, người ta có thể sử dụng phương pháp đã áp dụng rộng rãi cho biến tần có

khâu trung gian một chiều, trong đó quá trình biến điệu tiến hành độc lập cho

khâu chỉnh lưu, rồi cho khâu nghịch lưu, sau đó kết hợp cả hai quá trình đó lại

để ra kết quả chung cho MC. Phương pháp này gọi là biến điệu vector không

gian gián tiếp (Indirect Space Vector Modulation-ISVM). Tuy nhiên kỹ thuật

biến điệu cho MC có thể được tiến hành trực tiếp trên cơ sở phân tích các tổ

hợp đóng cắt của 9 van hai chiều (SVM). Phương pháp này cho phép đưa ra


nghiệp

21

được các quy luật biến điệu khác nhau và tính tới các yếu tố ảnh hưởng từ lưới

điện như nhiễu trên đường dây do có thành phần thứ tự không hoặc thứ tự

ngược trong hệ thống điện áp ba pha.

2.1. Mô hình toán học của biến tần ma trận

Cấu hình cơ bản của biến tần ma trận ba pha đầu vào – ba pha đầu ra như

sau:

Hình 2.1 Cấu hình cơ bản của biến tần ma trận

Mô hình biến tần ma trận gồm có 9 khóa SAa …SCc là 9 khóa hai

chiều BDS. Mỗi khóa có thể nối hoặc không nối với pha i phía nguồn và

pha j phía tải, lựa chọn các trạng thái khóa đóng mở sẽ thay đổi tùy ý điện

áp đầu ra của biến tần. Trạng thái đóng, mở của các khóa được định nghĩa

như sau:

ij

ij

0 S mo( )

1 S dongijS t

Như đã phân tích, để không xảy ra hiện tượng quá dòng và quá áp, các

tổ hợp khóa cần thỏa mãn điều kiện:

- Không ngắn mạch phía lưới.

- Không hở mạch phía tải.


nghiệp

22

Như vậy ít nhất một khóa trên một cột phải đóng, đồng thời một và chỉ một

khóa trên một cột đóng tại một thời điểm. Các điều kiện đó tương đương

với:

, ,

( ) 1; , ,iji A B CS t j a b c t

- Vector điện áp vào và điện áp ra:

( )

( )

( )

A

o B

C

U t

U U t

U t

;

( )

( )

( )

a

i b

c

U t

U U t

U t

Mỗi điện áp ra là tổng hợp của ba điện áp vào

( )( ) ( ) ( ) ( )

( ) ( ) ( ) ( ) ( )

( ) ( ) ( )( ) ( )

aA aA bA cA

B aB bB cB b

aC bC cCC c

U tU t S t S t S t

U t S t S t S t U t

S t S t S tU t U t

Hay Uo = S.Ui

Trong đó S là ma trận truyền tức thời.

- Vector dòng điện vào và dòng điện ra

( )

( )

( )

a

i b

c

I t

I I t

I t

;

( )

( )

( )

A

o B

C

I t

I I t

I t

Mỗi dòng điện vào là tổng hợp của ba dòng điện ra

( ) ( )( ) ( ) ( )

( ) ( ) ( ) ( ) ( )

( ) ( ) ( ) ( )( )

a AaA aB aC

b bA bB bC B

cA cB cC Cc

I t I tS t S t S t

I t S t S t S t I t

S t S t S t I tI t

Hay Ii = ST.Io

Với ST là ma trận chuyển vị của S.

Từ các biểu thức , ta thấy có thể thay đổi biên độ và tần số của điện áp ra

bằng cách thay đổi trạng thái đóng cắt của các van.

2.2. Phương pháp vector không gian trong biến tần ma trận

Sơ đồ cấu trúc của một MC được thể hiện trên hình 2.2. Theo sơ đồ này

điện áp đầu ra được tổng hợp từ các điện áp pha đầu vào, dòng tải sẽ do tải

quyết định. Có thể thấy rằng khi đó dòng điện đầu vào lại được tổng hợp từ


nghiệp

23

dòng điện đầu ra và giá trị sẽ nhỏ nhất nếu góc lệch pha so với điện áp được

hiệu chỉnh bằng không. Mục đích của phương pháp biến điệu là tạo ra hệ

thống điện áp ba pha ở đầu ra có dạng hình sin, dòng tiêu thụ ở đầu vào cũng

có dạng sin với góc pha so với điện áp đầu vào có thể điều chỉnh được. Như

vậy lượng đặt cho sơ đồ biến điệu là điện áp đầu ra và góc pha của dòng điện

đầu vào.

2.2.1 Xác định vector

không gian

Như đã biết trong lý

thuyết phép biến đổi vector

không gian, một hệ thống

điện áp ba pha đầu ra có thể

được biểu diễn qua một

vector quay quanh gốc hệ

tọa độ trong hệ tọa độ vuông

góc 0αβ như sau:

2 /3 4 /32( )

3

j j

o AB BC CAu u e u e u (2.1)

Nếu hệ thống điện áp ra mong muốn là ba pha đối xứng thì có thể biểu diễn

chúng như sau:

cos( )6

2cos( )

6 3

2cos( )

6 3

AB o o

BC o o

CA o o

u U t

u U t

u U t

(2.2)

Uo, ωo: giá trị biên độ và tần số góc của điện áp ra mong muốn. Giá trị 6

thể hiện độ lệch pha giữa điện áp dây và điện áp pha.

Vector quay cũng có thể biểu diễn như sau:

S1

S2

S3

S4

S5

S6

S7

S8

S9

iA

iB

iC

A

B

C

ua

ub

uc

ia

ib

ic

L

L

L

C C

C

Hình 2.2 Sơ đồ cấu trúc của MC


nghiệp

24

0 0( ) ( )6u ( )j

j t j t

o ou t e U e e

(2.3)

Vậy vector ou là một vector có độ dài không đổi bằng Uo, quay quanh

gốc tọa độ với tốc độ góc bằng ωo.

Tương tự điện áp, dòng điện đầu vào có thể được biểu diễn như sau:

( ) ( )2 /3 4 /32i ( )

3o oj t j tj j

o A B C o oi e i e i i t e I e (2.4)

( ) ( )2 /3 4 /32e ( )

3i ij t j tj j

i a b c i iu e u e u e t e E e (2.5)

( ) ( )2 /3 4 /32i ( )

3i ij t j tj j

i a b c i ii e i e i i t e I e (2.6)

Các quy luật điều biến sẽ thuận tiện hơn nếu sử dụng vector điện áp dây

đầu vào:

( ) ( )

2 /3 4 /3 6 62

u ( )3

i ij t j tj j

i ab bc ca i iu e u e u u t e U e

(2.7)

Rõ ràng là:

6u 3ej

i ie

(2.8)

ia=i

A; i

b=-i

a; i

c=0 i

a=0; i

b=i

A; i

c=-i

b ia=-i

c; i

b=0; i

c=i

A

abb bcc caa

ia=-i

A; i

b=-i

a; i

c=0 i

a=0; i

b=-i

A; i

c=-i

bia=-i

c; i

b=0; i

c=-i

A

baa cbb acc

ia=i

B; i

b=-i

a; i

c=0 i

a=0; i

b=i

B; i

c=-i

bia=-i

c; i

b=0; i

c=i

B ia=-i

B; i

b=-i

a; i

c=0 i

a=0; i

b=-i

B; i

c=-i

bia=-i

c; i

b=0; i

c=-i

B

ia=i

C; i

b=-i

a; i

c=0 i

a=0; i

b=i

C; i

c=-i

b ia=-i

c; i

b=0; i

c=i

Cia=-i

C; i

b=-i

a; i

c=0 i

a=0; i

b=-i

C; i

c=-i

bia=-i

c; i

b=0; i

c=-i

C

ia

A CB

ic

ib

iA

iC

iB

a

c

bic

ib

iA

iC

iB

a

c

b

A CB

ic

ib

iA

iC

iB

a

c

b

ia i

a

A CB

ia

A CB

ic

ib

iA

iC

iB

a

c

bic

ib

iA

iC

iB

a

c

b

A CB

ic

ib

iA

iC

iB

a

c

b

ia i

a

A CB

ia

A CB

ic

ib

iA

iC

iB

a

c

bic

ib

iA

iC

iB

a

c

b

A CB

ic

ib

iA

iC

iB

a

c

b

ia i

a

A CB

ababab aca ia

A CB

ic

ib

iA

iC

iB

a

c

bic

ib

iA

iC

iB

a

c

b

A CB

ic

ib

iA

iC

iB

a

c

b

ia i

a

A CB

cacbcb

ia

A CB

ic

ib

iA

iC

iB

a

c

bic

ib

iA

iC

iB

a

c

b

A CB

ic

ib

iA

iC

iB

a

c

b

ia i

a

A CB

ia

A CB

ic

ib

iA

iC

iB

a

c

bic

ib

iA

iC

iB

a

c

b

A CB

ic

ib

iA

iC

iB

a

c

b

ia i

a

A CB

ccb

cbc

bba aac bbcaab cca


nghiệp

25

Các vector cố định

ia

A CB

ic

ib

iA

iC

iB

a

c

bic

ib

iA

iC

iB

a

c

b

A CB

ic

ib

iA

iC

iB

a

c

b

ia i

a

A CB

aaa cccbbb

Các vector không

ia

A CB

ic

ib

iA

iC

iB

a

c

bic

ib

iA

iC

iB

a

c

b

A CB

ic

ib

iA

iC

iB

a

c

b

ia i

a

A CB

abc cabbca ia

A CB

ic

ib

iA

iC

iB

a

c

bic

ib

iA

iC

iB

a

c

b

A CB

ic

ib

iA

iC

iB

a

c

b

ia i

a

A CB

acb cabbac

Các vector quay

Hình 2.3 Các tổ hợp van trong matrix converter

Từ sơ đồ MC trên hình 2.2 ta hãy xem xét các tổ hợp trạng thái đóng

cắt của các van hai chiều. Ở một thời điểm bất kỳ các van hai chiều phải đóng

cắt tuân theo hai quy luật sau đây:

Không nối ngắn mạch hai pha đầu vào.

Không hở mạch bất cứ pha nào ở đầu ra. Quy định này là để tránh

hiện tượng quá điện áp sinh ra do dòng điện bị ngắt đột ngột.

Theo hai quy luật trên đây các tổ hợp van khác nhau được mô tả trên

hình 2.3. Việc hình thành các vector ứng với các trạng thái van được mô tả sau

đây qua ví dụ đối với các tổ hợp van abb, bcc, caa.

Với trạng thái van abb, bcc, caa các vector dòng điện đầu vào có thể tính

được như sau:

2 6,

2 2 2i 1

3 3 3

j

i abb a b c A Ai ai a i i a i e

(2.9)


nghiệp

26

2 2 2,

2 2 2i

3 3 3

j

i bcc a b c A Ai ai a i i a a i e

(2.10)

5

2 2 6,

2 2 2i 1

3 3 3

j

i caa a b c A Ai ai a i i a i e

(2.11)

Với cả 3 trạng thái abb, bcc, caa ta đều có uBC = 0, uCA = -uAB, nên vector

điện áp đầu ra tương ứng là:

2 2 6, , ,

2 2 2u 1

3 3 3

j

o abb bcc caa AB BC CA AB ABu au a u u a u e

(2.12)

Về độ dài của vector, ta thấy rằng:

Trạng thái van Abb Bcc caa

uAB = uab ubc uca

Điều này nghĩa là vector uo,abb,bcc,caa có hướng không đổi nhưng có biên

độ đập mạch theo các điện áp dây đầu vào. Các vector này được biểu diễn trên

mặt phẳng toạ độ như trên hình 2.4. Có thể thấy rằng các vector dòng điện đầu

vào có biên độ thay đổi theo giá trị dòng đầu ra iA nhưng góc pha không thay

đổi, tương ứng bằng 6

,

2

,

5

6

, và cả 3 trạng thái này của các van đều ứng

với một vector điện áp ra có góc pha cố định bằng 6

.


nghiệp

27

, , ,uo abb bcc caa/6

,ii bcc

(a)(b)

,ii caa ,ii abb

Hình 2.4 Vector không gian điện áp đầu ra (a) và dòng điện đầu vào (b), ứng

với các tổ hợp van abb, bcc, caa.

Giá trị độ dài các vector và các góc pha được liệt kê tương ứng trong

bảng 2.1.

Trong 27 trạng thái chỉ ra trong bảng 2.1, các trạng thái ở 6 hàng cuối

cùng tương ứng khi các pha đầu ra được nối với các pha đầu vào khác nhau.

Trong các trạng thái này vector điện áp đầu ra cũng sẽ là vector điện áp đầu

vào và là các vector quay. Các vector này không được sử dụng trong kỹ thuật

biến điệu vector không gian vì không có cách nào sử dụng chúng cho quá trình

biến điệu. Các vector trong 18 hàng đầu tiên là các vector đáng quan tâm. Đây

là các vector có hướng cố định, hay còn gọi là các vector chuẩn. Các vector

trong ba hàng tiếp sau 18 hàng trên là các vector không, khi đó các pha đầu ra

đều được nối vào cùng một pha đầu vào.

Các vector cố định hay các vector chuẩn sẽ xác định thời gian dẫn của

các van trong các nhánh của sơ đồ MC, từ đó xác định góc dịnh chuyển của

vector quay trong quá trình tổng hợp điện áp ra, kết hợp với vector không xác

định biên độ của vector này. Điều này hoàn toàn giống với nguyên lý của kỹ

thuật biến điệu bề rộng xung thông thường (Pulse Width Modulation-PWM).

Tuy nhiên khác với PWM thông thường, ở đó các vector chuẩn có biên độ

không đổi, trong SVM cho MC các vector chuẩn có biên độ thay đổi theo thời


nghiệp

28

gian. Chính vì vậy mà kỹ thuật áp dụng cho MC sẽ phức tạp, đòi hỏi tính toán

nhiều hơn.

Bảng 2.1 - Các tổ hợp van và giá trị của các vector chuẩn

tương ứng đối với điện áp ra và dòng điện đầu vào

No A B C uAB uBC uCA Uo θo ia ib ic Ii αi

1+ A b B uab 0 -uab 3/2 uab π/6 iA -iA 0 3/2 iA -π/6

1- b a a -uab 0 uab 3/2 uab -5π/6 -iA iA 0 3/2 iA 5π/6

2+ b c c ubc 0 -ubc 3/2 ubc π/6 0 iA -iA 3/2 iA π/2

2- c b b -ubc 0 ubc 3/2 ubc -5π/6 0 -iA iA 3/2 iA -π/2

3+ c a a uca 0 -uca 3/2 uca π/6 -iA 0 iA 3/2 iA -5π/6

3- a c c -uca 0 uca 3/2 uca -5π/6 iA 0 -iA 3/2 iA π/6

4+ b a b -uab uab 0 3/2 uab 5π/6 iB -iB 0 3/2 iB -π/6

4- a b a uab -uab 0 3/2 uab -π/6 -iB iB 0 3/2 iB 5π/6

5+ c b c -ubc ubc 0 3/2 ubc 5π/6 0 iB -iB 3/2 iB π/2

5- b c b ubc -ubc 0 3/2 ubc -π/6 0 -iB iB 3/2 iB -π/2

6+ a c a -uca uca 0 3/2 uca 5π/6 -iB 0 iB 3/2 iB -5π/6

6- c a c uca -uca 0 3/2 uca -π/6 iB 0 -iB 3/2 iB π/6

7+ b b a 0 -uab uab 3/2 uab -π/2 iC -iC 0 3/2 iC -π/6

7- a a b 0 uab -uab 3/2 uab π/2 -iC iC 0 3/2 iC 5π/6

8+ c c b 0 -ubc ubc 3/2 ubc -π/2 0 iC -iC 3/2 iC π/2

8- b b c 0 ubc -ubc 3/2 ubc π/2 0 -iC iC 3/2 iC -π/2

9+ a a c 0 -uca uca 3/2 uca -π/2 -iC 0 iC 3/2 iC -5π/6

9- c c a 0 uca -uca 3/2 uca π/2 iC 0 -iC 3/2 iC π/6

0a a a a 0 0 0 - -

0b b b b 0 0 0 - -

0c c c c 0 0 0 - -

a b c

b c a

c a b

a c b

b a c

c b a


nghiệp

29

Các vector cố định hay các vector chuẩn sẽ xác định thời gian dẫn của

các van trong các nhánh của sơ đồ MC, từ đó xác định góc dịnh chuyển của

vector quay trong quá trình tổng hợp điện áp ra, kết hợp với vector không xác

định biên độ của vector này. Điều này hoàn toàn giống với nguyên lý của kỹ

thuật biến điệu bề rộng xung thông thường (Pulse Width Modulation-PWM).

Tuy nhiên khác với PWM thông thường, ở đó các vector chuẩn có biên độ

không đổi, trong SVM cho MC các vector chuẩn có biên độ thay đổi theo thời

gian. Chính vì vậy mà kỹ thuật áp dụng cho MC sẽ phức tạp, đòi hỏi tính toán

nhiều hơn.

Dựa vào các kết qủa tính toán trong bảng 2.1, các vector không gian

được biểu diễn hình học như trên hình 2.5, trên đó cũng chỉ ra các tổ hợp van

tương ứng. Các vector chuẩn chia mặt phẳng thành 6 góc bằng nhau, mỗi góc

phần sáu này gọi là một sector. Các sector được đánh số từ I đến VI.

(aba)(bcb)(cac)

(bab)(cbc)(aca)

(abb)(bcc)(caa)

(aab)(bbc)(cca)

(baa)(cbb)(acc)

(bba)(ccb)(aac)

(abb)(bab)(bba)

(cbb)(bcb)(bbc)

(acc)(cac)(cca)

(bcc)(cbc)(ccb)

(baa)(aba)(aab)

(caa)(aca)(aac)

I

IIIII

IV

V VI VI

I

IIIII

IV

V

uo1uo

2uo

oiii

2ii

1ii

i

i

4-,5-,6-

1+,2+,3+

7-,8-,9-

7+,8+.9+

1-,2-,3-

4+,5+,6+

1+,4+,7+

2+,5+,8+

3+,6+,9+

1-,4-,7-3-,6-,9-

2-,5-,8-

ei

(a) (b)

Hình 2.5 Vector không gian điện áp ra (a) và vector không gian dòng điện

vào (b)

2.2.2 Tổng hợp vector điện áp ra và vector dòng điện vào

Với một vector điện áp đầu ra có vị trí bất kỳ trên mặt phẳng, đang ở

trong một góc phần sáu nào đó, ta có thể tổng hợp vector này từ hai vector


nghiệp

30

thành phần có hướng theo hai vector biên chuẩn của góc phần sáu đó. Ví dụ,

trên hình 2.5, vector uo đang ở trong góc phần sáu thứ I, ta có uo = uo1 + uo2.

Dễ dàng tính được độ dài các vector thành phần như sau:

01

02

2sin sin

3sin

3

2sin sin

3 3 3sin

3

oo o o

oo o o

UU U

UU U

(2.13)

o là góc xác định vị trí tương đối của vector uo trong góc phần sáu. Mỗi

vector thành phần này có thể được xác định nhờ hai vector trên cùng hướng

vector biên chuẩn. Ví dụ, uo1 có thể được xác định nhờ hai trong sáu tổ hợp

abb, bcc, caa, và baa, cbb, acc. uo2 có thể được xác định nhờ hai trong sáu tổ

hợp aba, bcb, cac, và bab, cbc, aca. Việc lựa chọn sử dụng vector điện áp

chuẩn đầu vào nào sẽ phụ thuộc vào vị trí của vector dòng điện đầu vào so với

các vector chuẩn dòng đầu vào.

Với một vector dòng điện đầu vào có vị trí bất kỳ, đang trong một góc

phần sáu nào đó, có thể tổng hợp ii = ii1 + ii2, trong đó ii1, ii2 là hai vector tựa

trên hai vector dòng điện biên chuẩn của góc phần sáu tương ứng. Mỗi vector

thành phần này lại cũng có thể được điều chế nhờ hai vector dòng điện cùng

hướng nhưng ngược chiều nhau. Ví dụ trên hình 2.5, vector dòng đang ở góc

phần sáu thứ I, kết hợp với yêu cầu cần điều chỉnh hai vector điện áp uo1, uo2

với hai vector dòng điện ii1, ii2 ta cần dùng 4 vector ứng với các tổ hợp van

acc, caa, abb và baa. Như vậy uo1 được điều chế nhờ 1+, 3-, uo2 nhờ 4-, 6+, ii1

nhờ 3-, 6+, ii2 nhờ 1+, 4-.

2.2.3 Xác định các hệ số biến điệu

Bằng những tính toán lý thuyết dựa vào sơ đồ biểu diễn các vector không

gian ta rút ra công thức tính các hệ số điều biến d1, d3, d4, d6 như sau:

1

sin sin2 3

cos3

o i

o

i i

Ud

U

(2.14)


nghiệp

31

3

sin sin2

cos3

o o i

i i

Ud

U

(2.15)

4

sin sin2 3 3

cos3

o i

o

i i

Ud

U

(2.16)

6

sin sin2 3

cos3

o i

o

i i

Ud

U

(2.17)

Giá trị tuyệt đối của các hệ số điều biến d1, d3, d4, d6 thể hiện thời gian

đóng điện tương đối của các vector được sử dụng trong mỗi khoảng thời gian

của chu kỳ lấy mẫu Ts. Các vector không được sử dụng để hoàn tất một chu kỳ

lấy mẫu.

1

3

4

6

;

;

;

.

abb s

acc

aba

aca

t d T

t d T

t d T

t d T

(2.18)

Để quy luật biến điệu có thể thực hiện được tổng các giá trị tuyệt đối của

các thời gian tương đối phải nhỏ hơn một:

1 3 4 6 1d d d d (2.19)

Bằng cách xét tương tự ta có thể suy ra cách thức dung các vector điện

áp chuẩn để điều chế đồng thời các vector điện áp đầu ra và các vector dòng

điện đầu vào ở vị trí bất kỳ.

Áp dụng (2.19) cho các công thức (2.14), (2.15), (2.16), (2.17), có thể

suy ra:

3| cos |

2o i iU U (2.20)

Công thức 2.20 chứng tỏ biên độ lớn nhất điện áp ra có thể đạt được là

3

2, gọi là hệ số truyền áp, 0 1m :


nghiệp

32

3

2

o

i

U

Um (2.21)

Trong điều kiện lý tưởng để đạt hệ số công suất bằng một, (2.21) chứng

tỏ giới hạn của tỷ số truyền áp trong Matric Converter là √3 / 2 xấp xỉ 0.866

2.2.3.1 Trường hợp hệ số công suất gần lý tưởng

Quy luật điều khiển trong trường hợp gần lý tưởng, với hệ số công suất đầu

vào xấp xỉ bằng một được thực hiện sử dụng các biểu thức (2.14),…, (2.17),

trong đó coi i = 0. Vectơ không gian trên hình 2.4, o , i sẽ là sự thay đổi

của góc pha điện áp ra và dòng điện vào trong mỗi góc phần sáu trên mặt

phẳng tọa độ. Trong bảng 2.2 liệt kê các tổ hợp van đóng cắt được lựa chọn

theo vị trí của vectơ điện áp ra và vectơ dòng điện vào trong các góc phần sáu

tương ứng.

Giới hạn (2.21) trở thành 3

2o iU U .Coi

3

2iU là biên độ lớn nhất

mà điện áp ra có thể đạt được, gọi tỷ số (2.22) là hệ số truyền áp, 0<m<1.

3

2

o

i

U

U

(2.22)


nghiệp

33

Bảng 2.2: Thứ tự thực hiện các vector chuẩn

Đánh số lại các hệ số biến điệu liên tục, có thể tính toán d1, …, d4 chỉ

phụ thuộc m mong muốn mà không cần tính toán các giá trị biên độ oU , iU

như (2.23).

1

2

3

4

0 1 2 3 4

sin sin3

sin sin

sin sin3 3

in sin3

1

o i

o i

o i

o i

d m

d m

d m

d m

d d d d d

(2.23)

a. Thứ tự thực hiện các vectơ


nghiệp

34

Mặc dù thứ tự thực hiện các vectơ trong một chu kỳ biến điệu Ts có thể

là tùy ý, tuy nhiên trật tự thực hiện các vectơ có một ý nghĩa hết sức quan

trọng. Trật tự thực hiện này ảnh hưởng đến:

- Số lần chuyển mạch của các van trong một chu kỳ biến điệu,

- Hệ số méo phi tuyến của dòng đầu ra.

Số lần chuyển mạch xác định tổn thất trên van trong quá trình chuyển

mạch, cần phải giảm thiểu. Để quá trình chuyển mạch diễn ra ổn định, tốt nhất

là mỗi lần có yêu cầu chuyển mạch chỉ có một cặp khóa hai chiều BDS phải

đóng cắt. Để dòng đầu ra có dạng gần sin nhất phải áp dụng quy luật biến điệu

PWM đối xứng.

Từ các yêu cầu trên đây và phân tích các tổ hợp van được lựa chọn

trong các sector, trật tự thực hiện các vectơ phải tuân theo quy luật sau:

- Cho hai góc phần sáu có tổng là một số chẵn, nửa chu kỳ biến điệu

chuyển mạch theo trật tự:

d1 -> d3 -> d4 -> d2 -> d0 ...

(2.24)

- Cho hai góc phần sáu có tổng là một số lẻ, nửa chu kỳ biến điệu

chuyển mạch theo trật tự:

d3 -> d1 -> d2 -> d4 -> d0 ...

(2.25)

Thứ tự chuyển mạch này được chỉ ra trong cột cuối cùng của bảng 2.3.

2.2.3.2 Thực hiện quy luật biến điệu

Quy luật biến điệu cho MC bao gồm các bước:

1. Xác định vị trí của vectơ điện áp đầu ra mong muốn và vectơ dòng

điện đầu vào trên mặt phẳng tọa độ trong các góc phần sáu.

2. Tính toán thời gian đóng điện tương đối của các vectơ được sử dụng

d1, d2, d3, d4 , d0, theo công thức (2.23).

3. Lựa chọn các tổ hợp van và thứ tự các vectơ chuẩn được sử dụng

theo một trật tự lôgic như trong bảng 2.3.


nghiệp

35

4. Xuất các tín hiệu điểu khiển ra mạch ngoài

2.2.4 Xác định vị trí vector không gian

Việc xác định vị trí của vectơ không gian trên mặt phẳng tọa độ có vai

trò quan trọng vì nó xác định tính chính xác của thuật toán điều khiển.

Vị trí của vectơ cũng xác định vị trí tức thời của các góc i , o .

Vectơ không gian điện áp ra thường được cho dưới dạng hai tọa độ trên

mặt phẳng 0αβ (Uα, Uβ). Khi đó góc pha được xác định theo (2.26).

o

Uarctg

U

(2.26)

Việc tính toán theo arctg đòi hỏi rất nhiều thời gian từ CPU, vì vậy cần

tránh tính toán thực tiếp góc o theo (2.26). Vị trí của vectơ không gian

có thể được xác định theo tọa độ bằng cách sử dụng thuật toán vòng

khóa pha PLL.

Kết quả mô phỏng phương pháp điều biến vector không gian trực tiếp

SVM

Sơ đồ mô phỏng thực hiện với điện áp vào 220V, 50Hz, tải R = 2Ω, L =

1mH, hệ số truyền áp bằng 3

2, tần số điện áp ra of = 100Hz. Tần số cắt mẫu

PWM f = 5kHz.

Các kết quả cho thấy dòng điện ngay đầu vào biến tần có dạng là các

xung dòng với các sóng cơ bản hầu như trùng pha với điện áp đầu vào. Dạng

điện áp đầu ra là các xung áp lặp lại các giá trị của điện áp dây đầu và, hầu

như không có quá áp chính tỏ tính đúng đắn của logic điều khiển chuyển

mạch.


nghiệp

36

Hình 2.6 Mô hình mô phỏng MCs theo phương pháp SVM

Hình 2.7 Mô hình thuật toán SVM trên MATLAB/SIMULINK


nghiệp

37

Mạch điều khiển bao gồm khối đồng bộ điện áp vào, đầu ra là các góc i và

chỉ số góc phần sáu của vector dòng điện vào. Khối phase O có lượng đặt là

tần số of , đầu ra là góc pha o . Qua các phép tính ra thời gian đóng cắt 0d ,

1d , 2d , 3d , 4d . Các giá trị tính được sẽ đưa đến khối biến điệu PWM – bản chất

là khối xung tam giác để tạo ra các xung có độ mở tương ứng. Kết hợp với các

tín hiệu chỉ số góc phần sáu để tạo ra tín hiệu điều khiển đưa đến khối mô

phỏng mạch lực.

Hình 2.10 Điện áp đầu vào và dòng

điện đầu vào

Hình 2.11 Điện áp đầu vào và dòng

điện đầu vào khi sử dụng mạch lọc

Hình 2.12 Điện áp đầu ra và dòng điện

đầu ra

Hình 2.13 Điện áp đầu ra và dòng

điện đầu ra khi sử dụng mạch lọc

2.3. Kết luận

Qua phân tích lý thuyết và các kết quả thu được từ mô phỏng cho thấy

Matrix Converter là một loại bộ biến đổi có các tính năng ưu việt, tuy nhiên


nghiệp

38

vấn đề điều khiển chúng lại phức tạp hơn rất nhiều so với các biến tần PWM

thông thường. Tuy vậy khả năng thực hiện MC là hoàn toàn có thể với việc

ứng dụng vi điều khiển và các mạch logic lớn lập trình được. Mô hình mô

phỏng ở đây được xây dựng bám sát khả năng thực hiện chúng bằng các

phương tiện mới nhất hiện hành, từ mạch lực đến mạch điều khiển. Điều này

sẽ giúp ích rất nhiều cho bước nghiên cứu tiếp theo là xây dựng mô hình thực

tế.

Chương 3. HỆ TRUYỀN ĐỘNG BIẾN TẦN MA

TRẬN – ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ SỬ

ĐIỀU KHIỂN TRỰC TIẾP MOMEN


nghiệp

39

3.1. Phương pháp điều khiển trực tiếp momen DTC truyền thống

Phương pháp DTC cho phép điều khiển trực tiếp mômen điện từ bởi một

nguyên lý đơn giản

3. .sin

2

p

s s m r s

pM i K

Hình 3.1 - Điều khiển mômen bằng cách quay từ thông stato

Vector từ thông rôto thường biến thiên chậm hơn vector từ thông stato, do

đó có thể đạt được giá trị mômen yêu cầu bằng cách quay vector từ thông stato

càng nhanh càng tốt theo hướng nào đó, làm thay đổi nhanh góc δ, gọi là góc

mômen. Để điều khiển vị trí của vector từ thông stato ψS, ta điều khiển vector

điện áp stato Us bằng cách thay đổi trạng thái đóng cắt các van.

Hình 3.2 là sơ đồ phương pháp DTC truyền thống. Các giá trị đặt của biên

độ từ thông stato và của mômen được so sánh với các giá trị thực của chúng.

Các giá trị sai lệch được đưa vào các bộ điều khiển hai vị trí và ba vị trí. Dựa

vào đầu ra của 2 bộ điều khiển này kết hợp với vị trí sector từ thông stator,

người ta chọn ra vector điện áp theo bảng 2.1.


nghiệp

40

Hình 3.2 Phương pháp DTC truyền thống với biến tần nguồn áp

Bảng 3.1 - Bảng chọn vector điện áp DTC cơ bản


nghiệp

41

Hình 3.3 Vector điện áp ra trong biến tần nguồn áp và biến thiên từ thông

stator tương ứng

Dựa vào vector điện áp đã chọn ta sẽ thu được trạng thái đóng mở tương

ứng của các van bán dẫn.

Phương pháp DTC có ưu điểm là cấu trúc đơn giản, khối lượng tính toán ít,

đáp ứng mômen nhanh.

3.2. Hệ truyền động MC – DTC

Hình 2.4 là sơ đồ cấu trúc của hệ truyền động biến tần ma trận điều khiển

trực tiếp mômen MC-DTC.

Ngoài các yêu cầu với như với hệ DTC truyền thống, hệ MC-DTC còn cần

thêm yêu cầu đảm bảo dòng vào sin, bám điện áp lưới để hệ số công suất cosφ

tiến tới 1. Do đó hệ MC DTC còn có thêm bộ điều khiển hai vị trí sinφ để điều

khiển dòng vào.

Như vậy để điều khiển bảng chọn trạng thái đóng cắt các van cần có các

thông tin sau:

- Hai tín hiệu điều khiển như phương pháp DTC truyền thống :

o CT là đầu ra của bộ điều khiển mômen ba vị trí

-1 : giảm mômen

0 : giữ nguyên mômen

1 : tăng mômen

o Cψ là đầu ra của bộ điều khiển từ thông hai vị trí

-1 : giảm từ thông

1 : tăng từ thông


nghiệp

42

Hình 3.4 Sơ đồ cấu trúc hệ MC - DTC

- Tín hiệu điều khiển thứ ba Cφ là đầu ra của bộ điều khiển sinφ để đảm

bảo dòng điện đầu vào bám lấy điện áp lưới

-1 : dịch pha sang phải ( ứng với φ < 0)

1 : dịch pha sang trái ( ứng với φ > 0)

- Vị trí của vector từ thông stator ψS và vector điện áp đầu vào Ui.

Từ các thông tin trên ta xác định được trạng thái đóng cắt van thông qua

bảng chọn MC-DTC. Bảng chọn các vector trong MC-DTC là sự kết hợp giữa

bảng chọn các vector trong sơ đồ DTC cơ bản với bảng chọn của MC-DTC.

Các ký hiệu ±1, ±2, ±3… là các tổ hợp trạng thái van có thể có trong MC.


nghiệp

43

(a) (b)

Hình 3.5 - Đồ thị vector từ thông stato ψS (a) và vector dòng điện đầu vào Ii

(b)

Bảng 3.2 - Bảng chọn DTC cơ bản và bảng chọn MC-DTC


nghiệp

44

Giả sử ta chọn được vector điện áp ra là V1, như vậy ta chỉ xem xét các

trạng thái van ±1, ±2, ±3. Vì biên độ và hướng của vector điện áp ra phụ thuộc

vào vector điện áp vào nên chúng ta sẽ chọn những vector có cùng hướng với

V1 và có biên độ lớn nhất. Nếu vector điện áp vào đang nằm trong sector ,

ta sẽ sử dụng các trạng thái -3 và +1.

Nếu sinφ dương nghĩa là vector Ii chậm pha hơn Ei, như vậy cần dùng trạng

thái -3. Nếu sinφ âm nghĩa là vector Ii nhanh pha hơn Ei, cần dùng trạng thái

+1. Tương tự đối với các trường hợp khác.

Khi vector điện áp ra chọn là V0 hoặc V7 thì chọn các tổ hợp vector 0 của

MC sao cho số van chuyển mạch là ít nhất để giảm tổn hao trong quá trình

chuyển mạch.

Như vậy để thực hiện thuật toán MC-DTC ta cần thực hiện các nhiệm vụ

sau:

+ Tính momen

+ Tính từ thông

+ Xác định vị trí từ thông

+ Điều khiển dòng vào

Để thực hiện được các nhiệm vụ này cần phải

+ Đo dòng đầu ra

+ Đo điện áp đầu vào

+ Đồng bộ điện áp lưới

Các phương pháp đồng bộ khác nhau có hiệu quả khác nhau đối với hệ

số truyền điện áp, độ méo phi tuyến của dòng điện và tổn thất trên van

trong quá trình chuyển mạch. Có hai khả năng đồng bộ là đồng bộ theo

điện áp dây lớn và đồng bộ theo điện áp dây nhỏ. Để có tỉ số truyền áp

cao nhất ta sử dụng phương pháp đồng bộ theo điện áp dây lớn (hình

2.6a).


nghiệp

45

(a) (b)

Hình 3.6 - Đồng bộ điện áp

(a) Đồng bộ theo điện áp dây lớn

(b) Đồng bộ theo điện áp dây nhỏ

+ Ước lượng vector điện áp ra từ điện áp đầu vào và trạng thái các van

( )( ) ( ) ( ) ( )

( ) ( ) ( ) ( ) ( )

( ) ( ) ( )( ) ( )

aA aA bA cA

B aB bB cB b

aC bC cCC c

U tU t S t S t S t

U t S t S t S t U t

S t S t S tU t U t

Hay Uo = S.Ui

+ Tổng hợp dòng điện đầu vào từ dòng điện đầu ra và trạng thái các van

( ) ( )( ) ( ) ( )

( ) ( ) ( ) ( ) ( )

( ) ( ) ( ) ( )( )

a AaA aB aC

b bA bB bC B

cA cB cC Cc

I t I tS t S t S t

I t S t S t S t I t

S t S t S t I tI t

Hay Ii = ST.Io

+ Tính vector từ thông stato và vị trí của nó

. .s s s sU I R dt

+ Tính toán mômen

a) 3

. . .2

P S S S SM P I I


nghiệp

46

Việc kết hợp MC-DTC mang lại hiệu quả cao vì những yêu cầu về tính toán

là tối thiểu nhưng vẫn đảm bảo các đặc tính của hệ truyền động. Điều này hứa

hẹn những ứng dụng thực tế của hệ thống này.

Engineering

Tốt nghiệp