BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
Đặng Hồng Hải
NGHIÊN CỨU BỘ NGUỒN BIẾN ĐỔI TẦN SỐ 50/60Hz
SỬ DỤNG BIẾN TẦN KIỂU MA TRẬN
LUẬN ÁN TIẾN SĨ TỰ ĐỘNG HÓA XÍ NGHIỆP CÔNG NGHIỆP
Hà Nội – Năm 2012
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
Đặng Hồng Hải
NGHIÊN CỨU BỘ NGUỒN BIẾN ĐỔI TẦN SỐ 50/60Hz
SỬ DỤNG BIẾN TẦN KIỂU MA TRẬN
Chuyên ngành: Mã số: Tự động hóa xí nghiệp công nghiệp 62.52.60.20
LUẬN ÁN TIẾN SĨ TỰ ĐỘNG HÓA XÍ NGHIỆP CÔNG NGHIỆP
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
PGS. TS. BÙI QUỐC KHÁNH
Hà Nội – Năm 2012
LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi.
Các số liệu, kết quả trong luận án là hoàn toàn trung thực và
chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào.
Tác giả luận án
Đặng Hồng Hải
LỜI CẢM ƠN
Tác giả xin chân thành cảm ơn Thầy hướng dẫn khoa học PGS.TS Bùi Quốc Khánh
đã tận tình hướng dẫn và động viên, khích lệ tác giả hoàn thành luận án.
Tác giả xin chân thành cảm ơn GS.TSKH Nguyễn Phùng Quang, PGS.TS Lê Tòng,
PGS.TS Nguyễn Văn Liễn, TS Trần Trọng Minh, TS Phạm Quang Đăng – Trường Đại học
Bách Khoa Hà nội đã đóng góp nhiều ý kiến quan trọng và sự giúp đỡ nhiệt tình nhất.
Tác giả xin chân thành cảm ơn PGS.TS Phạm Ngọc Tiệp, PGS.TS Lưu Kim Thành.
PGS.TS Hoàng Xuân Bình – Trường Đại học Hàng hải Việt nam đã đóng góp ý kiến và
động viên, khích lệ tác giả hoàn thành luận án.
Tác giả xin trân trọng cảm ơn Ban Giám Hiệu – Trường Đại học Hàng hải Việt nam
đã tạo điều kiện để tác giả hoàn thành luận án.
Tác giả xin trân trọng cảm ơn các cán bộ Viện đào tạo sau đại học – Trường Đại
học Bách khoa Hà nội đã tạo điều kiện và khích lệ tác giả hoàn thành luận án.
Tác giả bày tỏ lời cảm ơn tới các cán bộ Trung tâm Công nghệ cao - Trường Đại
học Bách khoa Hà nội, các đồng nghiệp trong Bộ môn Điện tự động công nghiệp - Trường
Đại học Hàng hải Việt nam đã tạo điều kiện về cơ sở vật chất, về thời gian và khích lệ tác
giả hoàn thành luận án.
Cuối cùng tác giả xin bày tỏ lời cảm ơn sâu sắc đến gia đình, những người đã luôn
giành những gì tốt nhất cho tác giả trong suốt thời gian thực hiện luận án.
i
MỤC LỤC Trang
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT .............................................. iv
DANH MỤC CÁC BẢNG..................................................................................... vi
DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH, ĐỒ THỊ ............................................................. vii
MỞ ĐẦU............................................................................................................... 1
Chương 1 TỔNG QUAN ....................................................................................... 5
1.1 Khái quát chung .......................................................................................... 5
1.2 Tình hình nghiên cứu về bộ nguồn biến đổi tần số ứng dụng biến tần ma 6 trận .......................................................................................................................
1.3 Tiêu chuẩn đối với bộ nguồn biến đổi tần số................................................ 9
9 1.4. Định hướng nghiên cứu ..............................................................................
Nhận xét chương 1 ................................................................................................ 10
Chương 2 CẤU TRÚC MẠCH LỰC VÀ CHUYỂN MẠCH ................................ 11
2.1 Cấu trúc mạch lực ....................................................................................... 11
2.1.1. Mạch lực của bộ nguồn trên cơ sở biến tần ma trận ba pha ba nhánh 12
2.1.2 Mạch lực của bộ nguồn trên cơ sở biến tần ma trận ba pha bốn nhánh 14
2.2 Khóa bán dẫn hai chiều BDS ...................................................................... 16
2.3 Chuyển mạch trong biến tần ma trận ........................................................... 18
2.3.1 Chuyển mạch bốn bước ...................................................................... 19
2.3.2 Chuyển mạch hai bước ....................................................................... 20
2.3.3 Chuyển mạch một bước ....................................................................... 21
2.3.4 Chuyển mạch trong quá trình quá độ.................................................... 21
2.4 Thiết kế chuyển mạch cho biến tần ma trận trực tiếp 3 pha 4 nhánh.............. 22
2.4.1 Logic chuyển mạch nặng ..................................................................... 23
2.4.2 Logic chuyển mạch mềm ..................................................................... 26
2.4.3 Mô phỏng chuyển mạch cho biến tần ma trận trực tiếp 3 pha 4 nhánh. 26
Nhận xét chương 2 ................................................................................................ 29
Chương 3 ĐIỀU BIẾN VECTƠ KHÔNG GIAN CHO BIẾN TẦN MA TRẬN
30 TRỰC TIẾP 3 PHA 4 NHÁNH TRONG BỘ NGUỒN BIẾN ĐỔI TẦN SỐ..........
3.1 Khái quát chung ......................................................................................... 30
3.2 Xác định vectơ chuẩn trong biến tần ma trận trực tiếp 3 pha 4 nhánh .......... 32
3.2.1 Các trạng thái van trong biến tần ma trận trực tiếp 3 pha 4 nhánh ........ 32
ii
3.2.2 Vectơ chuẩn trong biến tần ma trận trực tiếp 3 pha 4 nhánh ................. 35
3.2.3 Biểu diễn hình học của các vectơ chuẩn .............................................. 40
3.3 Tổng hợp vectơ điện áp ra và vectơ dòng điện vào ...................................... 43
3.3.1 Xác định vị trí vectơ cần tổng hợp trong không gian ........................... 44
3.3.2 Đồng bộ vectơ dòng điện vào với vectơ điện áp lưới đầu vào .............. 45
3.3.3 Xác định vectơ chuẩn để tổng hợp vectơ điện áp ra và vectơ dòng điện
vào......................................................................................................................... 46
3.4 Xác định tỉ số điều biến cho các vectơ chuẩn .............................................. 48
3.5 Xác định các vectơ thành phần trong tỉ số điều biến .................................... 53
3.6 Trật tự thực hiện các vectơ chuẩn ............................................................... 58
3.7 Mô phỏng điều biến vectơ không gian ........................................................ 60
3.7.1 Trường hợp không sử dụng bộ lọc với tải trên các pha là tuyến tính đối 61 xứng ……………………………………………………………………………….
3.7.2 Trường hợp sử dụng bộ lọc ………………………………………… 62
Nhận xét chương 3 ................................................................................................. 72
Chương 4 THIẾT KẾ ĐIỀU KHIỂN CHO BỘ NGUỒN BIẾN ĐỔI TẦN SỐ ...... 74
4.1 Khái quát chung .......................................................................................... 74
4.1.1 Phương pháp đánh giá mức độ không đối xứng của điện áp ................ 74
4.1.2 Chỉ tiêu chất lượng điện áp khi tải không đối xứng ............................. 76
4.2. Mô hình biến tần ma trận trực tiếp 3 pha 4 nhánh ....................................... 76
4.3. Hệ thống điều khiển một mạch vòng........................................................... 80
4.3.1 Điều khiển thành phần thứ tự thuận, thứ tự ngược, thứ tự không trong 80 hệ dq......................................................................................................................
4.3.2. Điều khiển lặp ..................................................................................... 81
4.3.3. Điều khiển cộng hưởng........................................................................ 81
4.4 Hệ thống điều khiển hai mạch vòng............................................................. 82
4.4.1. Bộ điều khiển dòng điện trên hệ tọa độ abc và hệ tọa độ αβγ............... 83
4.4.2. Bộ điều khiển dòng điện trên hệ tọa độ đồng bộ dq0 ........................... 83
4.5 Thiết kế hệ thống điều khiển điện áp cho bộ nguồn...................................... 84
4.5.1 Thiết kế bộ điều khiển dòng điện ......................................................... 85
4.5.2 Thiết kế bộ điều khiển điện áp ............................................................. 87
88 4.6 Mô phỏng....................................................................................................
Nhận xét chương 4 ................................................................................................ 92
iii
Chương 5 XÂY DỰNG BỘ NGUỒN BIẾN ĐỔI TẦN SỐ 50/60Hz ỨNG DỤNG
94 BIẾN TẦN MA TRẬN..........................................................................................
94 5.1 Khái quát chung .........................................................................................
5.2 Xây dựng mô hình biến tần ma trận trực tiếp 3 pha 4 nhánh ứng dụng trong
bộ nguồn ............................................................................................................... 95
5.2.1 Mạch lực và Gate driver ....................................................................... 95
5.2.2 Khối điều khiển logic và chuyển mạch.................................................. 97
5.2.3 Khối tính toán quy luật điều biến .......................................................... 99
5.3 Kết quả thực nghiệm .................................................................................. 100
Nhận xét chương 5 ................................................................................................. 105
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ............................................................................... 106
TÀI LIỆU THAM KHẢO ...................................................................................... 107
DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN .................... 111
PHỤ LỤC .............................................................................................................. 112
Phụ lục 1 Thông số và đặc tính kỹ thuật van bán dẫn hai chiều sử dụng trong 112 mô hình thực nghiệm ……………………………………………………………….
Phụ lục 2 Hàm logic đóng cắt của các van bán dẫn hai chiều phục vụ cho lập 117 trình CPLD ………………………………………………………………………….
Phụ lục 3 Một số sơ đồ mô phỏng ………………………………………………. 119
iv
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
Bảng 1 Danh mục các ký hiệu
I VI
Tên gọi Ký hiệu
Tỉ số điều biến Góc pha của dòng đầu vào Vectơ điện áp Vectơ dòng điện
' 0
Vectơ thành phần của điện áp
i δ , i ξ 0V 0I '' ''' V , V ,V 0 0 I ,I , I i1 i2 i3
Vectơ thành phần của dòng điện
p
u
i I VI
I
i V , 0 k , k p i k , k I i
u
Vectơ chuẩn
Hệ số khuếch đại của bộ điều khiển dòng điện và điện áp Hệ số khuếch đại của bộ cộng hưởng cho mạch vòng dòng điện và điện áp
v
Bảng 2 Danh mục các chữ viết tắt
Ký hiệu Viết tắt cho Nghĩa tiếng Việt
BDS Bidirectional switch Khóa bán dẫn hai chiều
CPLD Complex programmable logic Thiết bị logic khả trình có độ tích hợp
device cao
DSP Digital Signal Processor Vi xử lý tín hiệu số
FPGA Field programmable gate arrays Mảng logic lập trình được
IEEE of Electrical and Viện Các kỹ sư Điện và Điện tử
IMC 3×3 Institute Electronics Engineers Indirect three phase – three leg Biến tần ma trận gián tiếp 3 pha 3
matrix converter nhánh
IMC 3×4 Indirect three phase – four leg Biến tần ma trận gián tiếp 3 pha 4
matrix converter nhánh
MC Matrix converter Biến tần ma trận
MC 3×3 Three phase – three leg matrix Biến tần ma trận trực tiếp 3 pha 3
converter nhánh
MC 3×4 Three phase – four leg matrix Biến tần ma trận trực tiếp 3 pha 4
converter nhánh
PWM Pulse Width Modulation Điều biến độ rộng xung
Space Vector Modulation Điều biến vectơ không gian SVM
Total harmonic distortion Tổng độ méo sóng hài THD
vi
DANH MỤC CÁC BẢNG
Tên các bảng Trang
Bảng 1.1 Thông số của bộ nguồn theo tiêu chuẩn IEEE Std 446 – 1995 ……... 9
Bảng 2.1 So sánh số lượng van bán dẫn của các cấu trúc biến tần ma trận …… 16
Bảng 2.2 Các thông số kỹ thuật chính của van bán dẫn hai chiều 18
DIM200WBS12-A000 …………………………………………………………
Bảng 2.3 Logic chuyển mạch từ pha A sang pha B …………………………... 19
Bảng 2.4 Logic chuyển mạch của biến tần ma trận trực tiếp 3 pha 4 nhánh …... 24
Bảng 3.1 Vectơ điện áp ra và dòng điện vào của tổ hợp van của MC 3×4 ….. 35
Bảng 3.2 Vectơ điện áp ra và dòng điện vào của MC 3×4 trong hệ tọa độ 38
Bảng 3.3 Bố trí các vectơ chuẩn trong sectơ dòng điện vào ………………… 41
Bảng 3.4 Bố trí các vectơ chuẩn trong tứ diện của hình lăng trụ ……………… 42
Bảng 3.5 Xác định vị trí các vectơ trong không gian………………………....... 44
Bảng 3.6 Dấu điện áp ra của các tứ diện trong lăng trụ ………………………. 45
Bảng 3.7 Điện áp dây được sử dụng trong điều chế …………………………... 46
Bảng 3.8 Các vectơ chuẩn sử dụng trong tổng hợp dòng điện vào, điện áp ra 47
'
của MC 3×4 …………………………………………………………………….
i j kV
,
,
54 Bảng 3.9 Xác định các thành phần của vectơ …………………………..
,
,
V V V j k
i
56 Bảng 3.10 Các vectơ của 24 tứ diện ………………………………...
Bảng 3.11 Các ma trận M-1 của 24 tứ diện …………………………………….. 57
Bảng 3.12 Trật tự thực hiện các vectơ chuẩn ………………………………….. 58
Bảng 5.1 Thông số về điện của bộ nguồn ……………………………………... 94
Bảng 5.2 Logic lựa chọn các tổ hợp van ………………………………………. 97
Bảng PL1.1 Các thông số cực đại cho phép của van bán dẫn hai chiều ………. 112
Bảng PL 1.2 Các thông số về nhiệt độ và cơ học của van …………………….. 112
Bảng PL 1.3 Các thông số của van (mặc định trong điều kiện Tcase = 25°C) ... 113
Bảng PL 1.4 Các thông số của van (mặc định trong điều kiện Tcase = 125°C) . 114
Bảng PL2.1 Hàm logic của 12 van bán dẫn hai chiều …………………………. 117
vii
DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH, ĐỒ THỊ
Tên hình vẽ, đồ thị Trang
Hình 1.1 Bộ biến đổi truyền thống....................................................................... 5
Hình 1.2 Cấu trúc bộ nguồn biến đổi tần số 60/400Hz trong lĩnh vực hàng
không .................................................................................................................. 8
Hình 2.1 Cấu trúc tổng quát của biến tần ma trận................................................. 11
Hình 2.2 Biến tần ma trận 3 pha 3 nhánh ............................................................. 12
Hình 2.3 Cấu trúc bộ nguồn biến đổi tần số với máy biến áp mắc tại đầu ra MC.. 13
Hình 2.4 Biến tần ma trận ba pha bốn nhánh ....................................................... 14
Hình 2.5 Cấu trúc bộ nguồn biến đổi tần số với máy biến áp mắc tại đầu vào
MC ..................................................................................................................... 15
Hình 2.6 Khóa bán dẫn hai chiều ....................................................................... 16
Hình 2.7 Thông số kỹ thuật van bán dẫn hai chiều (BDS) DIM200WBS12-
17 A000 ...................................................................................................................
Hình 2.8 Chuyển mạch giữa hai pha ................................................................... 18
Hình 2.9 Chuyển mạch bốn bước theo chiều dòng điện ...................................... 19
20 Hình 2.10 Chuyển mạch hai bước từ pha A sang pha B khi IL > 0.......................
Hình 2.11 Trạng thái logic của van trong chế độ chuyển mạch hai bước, ............. 20
21 Hình 2.12 Chuyển mạch một bước với a) IL >0, b) IL <0.....................................
Hình 2.13. Cấu trúc của MC 3×4........................................................................ 22
Hình 2.14. Cấu trúc hệ thống điều khiển chuyển mạch của MC 3×4 .................... 22
Hình 2.15 Trạng thái logic chuyển mạch ba pha của MC 3×4 ............................. 24
Hình 2.16 Đồ thị thời gian chuyển mạch bốn bước của MC 3×4 ......................... 25
Hình 2.17 Đồ thị thời gian các bước chuyển mạch mềm của MC 3×4 ................ 26
Hình 2.18 Kết quả mô phỏng logic chuyển mạch bốn bước của MC 3×4 .. .......... 27
Hình 2.19 Mô phỏng chuyển mạch bốn bước cho MC 3×4 trên State Flow.......... 28
Hình 3.1 Sơ đồ điều biến vectơ không gian cho biến tần ma trận trực tiếp 3 pha
4 nhánh ............................................................................................................... 31
Hình 3.2 Biến tần ma trận trực tiếp 3 pha 4 nhánh ............................................... 32
Hình 3.3 Nhóm tổ hợp van thứ nhất của biến tần ma trận trực tiếp 3 pha 4 nhánh 33
Hình 3.4 Nhóm tổ hợp van thứ hai của biến tần ma trận trực tiếp 3 pha 4 nhánh .. 34
viii
Hình 3.5 Nhóm tổ hợp van thứ ba của biến tần ma trận trực tiếp 3 pha 4 nhánh ... 34
Hình 3.6 Mối quan hệ giữa hai hệ tọa độ ............................................................ 37
Hình 3.7 Biểu diễn hình học các vectơ chuẩn trong hệ tọa độ ...................... 41
Hình 3.8 Vị trí sáu hình lăng trụ trong hệ tọa độ .......................................... 43
Hình 3.9 Các tứ diện trong lăng trụ I ................................................................... 43
Hình 3.10 a) Hình chiếu của vectơ chuẩn trên mặt phẳng ;b) Biểu diễn các
vectơ chuẩn trong hệ tọa độ abc .......................................................................... 44
Hình 3.11 a) Vectơ không gian điện áp vào và vectơ không gian dòng điện vào;
b) Đồng bộ điện áp lưới với các sector dòng đầu vào........................................... 45
Hình 3.12 Vectơ không gian điện áp ra thuộc tứ diện 11 và vectơ không gian
dòng điện vào thuộc sectơ I ............................................................................... 46
Hình 3.13 Tổng hợp vectơ điện áp ra và vectơ dòng điện vào ............................. 49
Hình 3.14 Xác định tỉ số điều biến....................................................................... 51
Hình 3.15 Trật tự chuyển mạch .......................................................................... 60
Hình 3.16 Kết quả mô phỏng với tải tuyến tính đối xứng, không sử dụng bộ
lọc…………………….......................................................................................... 61
Hình 3.17 Phân tích phổ - FFT trong trường hợp tải tuyến tính đối xứng không
61 sử dụng bộ lọc …………………………………………………………………...
Hình 3.18 Kết quả mô phỏng với tải tuyến tính đối xứng ……………………… 62
Hình 3.19 Phân tích phổ - FFT trong trường hợp tải tuyến tính đối xứng có sử
dụng bộ lọc ……………………………………………………………………… 63
Hình 3.20 Quỹ đạo của các vectơ trong trường hợp tải tuyến tính đối xứng …… 63
Hình 3.21 Kết quả mô phỏng với tải tuyến tính không đối xứng ………………. 64
Hình 3.22 Phân tích phổ - FFT trong trường hợp tải tuyến tính không đối xứng . 65
Hình 3.23 Quỹ đạo của các vectơ trong trường hợp tải tuyến tính không đối
65 xứng ……………………………………………………………………………...
Hình 3.24 Kết quả mô phỏng với tải phi tuyến đối xứng ……………………….. 67
Hình 3.25 Phân tích phổ - FFT trong trường hợp tải phi tuyến đối xứng ………. 67
Hình 3.26 Quỹ đạo các vectơ trong trường hợp tải phi tuyến đối xứng ………… 67
Hình 3.27 Kết quả mô phỏng với tải phi tuyến không đối xứng ………………... 68
Hình 3.28 Quỹ đạo các vectơ trong trường hợp tải phi tuyến không đối xứng …. 69
Hình 3.29 Phân tích phổ - FFT trong trường hợp tải phi tuyến không đối xứng .. 69
Hình 3.30 Kết quả mô phỏng với tải tuyến tính, phi tuyến, không đối xứng …… 71
ix
Hình 3.31 Quỹ đạo các vectơ trong trường hợp tải tuyến tính, phi tuyến, không
71 đối xứng ………………………………………………………………………….
Hình 3.32 Phân tích phổ - FFT trong trường hợp tải tuyến tính, phi tuyến,
không đối xứng ………………………………………………………………….. 72
Hình 4.1 Phân tích các thành phần đối xứng ........................................................ 75
Hình 4.2 Biến tần ma trận trực tiếp 3 pha 4 nhánh ............................................... 75
Hình 4.3 Điều khiển thành phần PNZ trong hệ dq0............................................. 80
Hình 4.4 Cấu trúc điều khiển sử dụng bộ điều khiển lặp ...................................... 81
Hình 4.5 Cấu trúc điều khiển P + RC................................................................... 82
Hình 4.6 Cấu trúc điều khiển sử dụng bộ điều khiển cộng hưởng ........................ 82
Hình 4.7 Cấu trúc điều khiển hai mạch vòng ....................................................... 83
Hình 4.8 Cấu trúc hệ thống điều khiển điện áp ra của bộ nguồn biến đổi tần số .. 85
Hình 4.9 Cấu trúc điều khiển mạch vòng dòng điện sử dụng bộ điều khiển 85
P+RC …………………………………………………………………………….
Hình 4.10 Cấu trúc điều khiển mạch vòng điện áp trên một pha ……………….. 87
Hình 4.11 Kết quả mô phỏng với tải tuyến tính không đối xứng có bộ điều khiển 88
Hình 4.12 Phân tích phổ - FFT của điện áp ra trường hợp tải tuyến tính không 88
đối xứng có bộ điều khiển ………………………………………………………..
Hình 4.13 Điện áp và sai lệch điện áp trường hợp tải tuyến tính không đối xứng 89
có bộ điều khiển ………………………………………………………………….
Hình 4.14 Quỹ đạo của các vectơ trong trường hợp tải tuyến tính không đối 90
xứng có bộ điều khiển ……………………………………………………………
Hình 4.15 Kết quả mô phỏng với đóng cắt tải ba pha tuyến tính có bộ điều khiển 90
Hình 4.16 Phân tích phổ - FFT của điện áp ra trong trường hợp đóng cắt tải ba 91
pha tuyến tính có bộ điều khiển ………………………………………………….
Hình 4.17 Điện áp và sai lệch điện áp trường hợp đóng cắt tải ba pha tuyến tính 91
Hình 4.18 Quỹ đạo của các vectơ trong trường hợp đóng căt tải ba pha tuyến 92
tính ……………………………………………………………………………….
Hình 5.1 Sơ đồ cấu trúc bộ nguồn biến đổi tần số 50/60Hz.................................. 94
Hình 5.2 Cấu trúc của hệ thống điều khiển biến tần ma trận 3 pha 4 nhánh.......... 95
Hình 5.3 Sơ đồ mạch lực biến tần ma trận trực tiếp 3 pha 4 nhánh...................... 96
Hình 5.4 Mô hình mạch lực của biến tần ma trận trực tiếp 3 pha 4 nhánh ........... 96
Hình 5.5 Mạch Gate driver ................................................................................ 96
x
Hình 5.6 Khối điều khiển logic và chuyển mạch.................................................. 97
Hình 5.7 Biến tần ma trận trực tiếp 3 pha 4 nhánh ……………………………... 97
Hình 5.8 Cấu trúc card DS1103 ………………………………………………… 99
Hình 5.9 Sơ đồ cấu trúc cho khâu tính toán trong DSP ....................................... 100
Hình 5.10 Cấu trúc hệ thống thí nghiệm bộ nguồn biến đổi tần số 50/60Hz ứng 100
dụng biến tần ma trận trực tiếp 3 pha 4 nhánh …………………………………..
Hình 5.11 Mô hình thực nghiệm bộ nguồn biến đổi tần số 50/60Hz ứng dụng 101
biến tần ma trận trực tiếp 3 pha 4 nhánh ………………………………………...
Hình 5.12 Tín hiệu điều khiển chuyển mạch cho van bán dẫn hai chiều (BDS).... 102
Hình 5.13 Điện áp vào và dòng điện vào ............................................................ 103
Hình 5.14 Điện áp ra và dòng tải ........................................................................ 104
Hình 5.15 Kết quả thực nghiệm với tải không đối xứng ..................................... 104
Hình PL1.1 Sơ đồ chân của van bán dẫn hai chiều …………………………….. 112
Hình PL1.2 Tổn thất đóng cắt theo dòng tải ……………………………………. 115
Hình PL1.3 Tổn thất đóng cắt theo điện trở cực G …………….......................... 115
Hình PL1.4 Đặc tính thuận của diot …………………………………………….. 115
Hình PL1.5 Vùng làm việc an toàn của van bán dẫn …………………………... 115
Hình PL1.6 Giá trị dòng định mức theo nhiệt độ vỏ ……………………………. 116
Hình PL1.7 Giá trị dòng điện pha của MC 3×4 theo tần số chuyển mạch ……... 116
Hình PL1.8 Kích thước của van bán dẫn hai chiều DIM200WBS12-A000 …... 116
Hình PL3.1 Sơ đồ mô phỏng MC 3×4 ……………………….………………… 119
Hình PL3.2 Sơ đồ mô phỏng mạch lực MC 3×4 ……………………….……...... 120
Hình PL3.3 Sơ đồ mô phỏng chuyển mạch trong MC 3×4 ……………….…..... 120
Hình PL3.4 Sơ đồ mô phỏng khối điều biến vectơ không gian cho MC 3×4 ...... 121
Hình PL3.5 Sơ đồ mô phỏng khối chuyển hệ tọa độ ………………………… 122
Hình PL3.6 Sơ đồ mô phỏng khối xác định tứ diện ……………………………. 122
Hình PL3.7 Sơ đồ mô phỏng khối xác định sectơ ……………………….……... 122
Hình PL3.8 Sơ đồ mô phỏng khối đồng bộ …….……………………….……... 123
Hình PL3.9 Sơ đồ mô phỏng khối xác định tỉ số điều biến …………………… 123
Hình PL3.10 Sơ đồ mô phỏng khối PWM ……………………….…………….. 123
1
MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài
Trên thế giới hiện nay đang tồn tại hai lưới điện với tần số khác nhau là 50Hz và
60Hz, các nước Bắc Mỹ sử dụng lưới điện có tần số 60Hz, Việt Nam thuộc nhóm các nước
sử dụng lưới điện có tần số 50Hz. Ở Việt Nam, thường xuyên có các phụ tải sử dụng điện
áp với tần số 60Hz, ví dụ như trong một số ngành công nghiệp, khi các tàu thủy cập bến có
nhu cầu sử dụng điện trên bờ. Ngoài ra các thiết bị trên máy bay và trong quân sự, thường
sử dụng tần số 400Hz. Từ đó xuất hiện yêu cầu chuyển đổi tần số lưới sang tần số của phụ
tải sử dụng. Để giải quyết vấn đề nêu trên, có một số giải pháp đang được thực hiện trong
thực tế hiện nay, như:
Thứ nhất là sử dụng các bộ biến đổi công suất truyền thống như biến tần gián tiếp,
biến tần trực tiếp. Các bộ biến đổi kiểu này tuy có nhiều ưu điểm nhưng cũng có những
nhược điểm nhất định rất khó khắc phục triệt để, ví dụ như dòng điện đầu vào không sin,
hệ số công suất thấp, thành phần sóng hài của điện áp ra khá lớn...
Thứ hai là sử dụng bộ biến đổi kiểu ma trận (Matrix Converter - MC) còn được gọi
là biến tần ma trận, đây là giải pháp có nhiều ưu điểm. Biến tần ma trận có nhiều ưu điểm
mà các biến tần truyền thống không có được như cùng dải công suất nhưng kết cấu gọn
nhẹ, đáp ứng đầu ra - đầu vào nhanh, dòng điện đầu vào, điện áp đầu ra có dạng sin theo
tần số cơ bản, năng lượng có thể trao đổi theo hai chiều, hệ số công suất đầu vào có thể
điều chỉnh được đạt tới một [1]. Với nhiều ưu điểm như vậy nên biến tần ma trận ngày
càng nhận được sự quan tâm và nghiên cứu nhiều hơn trên thế giới.
Trên cơ sở các phân tích và đánh giá, luận án đặt vấn đề “Nghiên cứu bộ nguồn
biến đổi tần số 50/60Hz sử dụng biến tần kiểu ma trận”.
2. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
Là những kết quả đạt được trong lĩnh vực nghiên cứu về biến tần ma trận và những
ứng dụng của nó. Phát triển và hoàn thiện thêm phương pháp điều biến vectơ không gian
cho biến tần ma trận. Đây là nghiên cứu mới về bộ nguồn biến đổi tần số ứng dụng biến
tần ma trận ở Việt nam, đáp ứng được nhu cầu cấp thiết trong thực tế về bộ nguồn biến đổi
tần số.
Triển khai ứng dụng những tiến bộ mới nhất về chế tạo van bán dẫn hai chiều hiện
nay để xây dựng mạch lực biến tần ma trận. Các kết quả thực nghiệm đạt được là cơ sở
quan trọng khi triển khai công nghệ chế tạo bộ nguồn biến đổi tần số ứng dụng biến tần ma
trận.
2
3. Mục tiêu, đối tượng và phạm vi nghiên cứu
* Mục tiêu nghiên cứu
- Xác định cấu trúc mạch lực và phương pháp điều khiển hợp lý cho MC ứng dụng
trong bộ nguồn biến đổi tần số 50/60Hz;
- Khả năng ứng dụng của bộ nguồn biến đổi tần số 50/60Hz.
* Đối tượng nghiên cứu
Luận án tập trung nghiên cứu về biến tần ma trận ứng dụng trong bộ nguồn biến đổi
tần số 50/60Hz cho tàu thủy.
* Phạm vi nghiên cứu
- Về lý thuyết:
Nghiên cứu xây dựng cấu trúc mạch lực của biến tần ma trận sử dụng trong bộ
nguồn biến đổi tần số. Ứng dụng phương pháp chuyển mạch phù hợp cho các van bán dẫn
hai chiều trong biến tần ma trận sử dụng trong bộ nguồn. Nghiên cứu xây dựng được thuật
toán điều chế vectơ không gian. Ứng dụng thuật toán điều khiển để điều khiển điện áp đầu
ra của bộ nguồn trong trường hợp tải không đối xứng.
- Về thực nghiệm:
Xây dựng mô hình thực nghiệm bộ nguồn biến đổi tần số ứng dụng biến tần ma
trận. Triển khai các thuật toán điều khiển cho biến tần ma trận ứng dụng trong bộ nguồn
của mô hình thực nghiệm.
4. Phương pháp nghiên cứu
- Nghiên cứu nội dung chính và các vấn đề có liên quan trên mô hình lý thuyết;
- Thực hiện mô phỏng trên phần mềm Matlab/Simulink/Sim Power System/State
Flow để đánh giá kết quả nghiên cứu lý thuyết;
- Xây dựng mô hình thực nghiệm và tiến hành các thí nghiệm có liên quan trên mô
hình đã xây dựng được, trên cơ sở đó kiểm chứng các kết quả nghiên cứu lý thuyết và mô
phỏng.
5. Nội dung nghiên cứu
- Về lý thuyết:
+ Nghiên cứu về các cấu trúc mạch lực biến tần ma trận có thể ứng dụng trong bộ
nguồn biến đổi tần số.
+ Nghiên cứu về các phương pháp điều biến vectơ không gian cho biến tần ma trận
trong bộ nguồn biến đổi tần số.
+ Nghiên cứu về các phương pháp điều khiển điện áp ra của biến tần ma trận ứng
dụng trong bộ nguồn trong trường hợp tải không đối xứng.
3
- Về thực nghiệm:
+ Xây dựng biến tần ma trận ứng dụng trong bộ nguồn, trong đó ứng dụng tiến bộ
mới nhất về van bán dẫn hai chiều vào xây dựng mạch lực của biến tần.
+ Xây dựng mô hình thực nghiệm bộ nguồn biến đổi tần số trên cơ sở biến tần ma
trận đã xây dựng.
Nội dung của luận án bao gồm các chương sau:
Mở đầu: Trình bày mục tiêu, nhiệm vụ và nội dung nghiên cứu. Ý nghĩa khoa học
và thực tiễn của đề tài.
Chương 1: Tổng quan, trình bày tổng quan về bộ nguồn biến đổi tần số, tiêu chuẩn,
tình hình nghiên cứu ứng dụng biến tần ma trận trong bộ nguồn biến đổi tần số ở trong
nước và trên thế giới. Các vấn đề cần giải quyết khi nghiên cứu xây dựng bộ nguồn biến
đổi tần số ứng dụng biến tần ma trận. Định hướng nghiên cứu và các vấn đề luận án cần
giải quyết.
Chương 2: Cấu trúc mạch lực và chuyển mạch, trình bày về cấu trúc bộ nguồn biến
đổi tần số, biến tần ma trận ứng dụng trong bộ nguồn biến đổi tần số, bao gồm các phương
án mạch lực, modul khóa bán dẫn hai chiều thực sự sẽ được sử dụng để xây dựng mạch lực
của biến tần ma trận, thiết kế chuyển mạch cho biến tần ma trận ứng dụng trong bộ nguồn
biến đổi tần số.
Chương 3: Điều biến vectơ không gian cho biến tần ma trận trực tiếp 3 pha 4
nhánh, trình bày phương pháp điều biến cho biến tần ma trận trực tiếp 3 pha 4 nhánh. Đề
xuất phương pháp xác định các vectơ thành phần theo các vectơ chuẩn khi tổng hợp điện
áp ra và dòng điện vào của biến tần ma trận trực tiếp 3 pha 4 nhánh, thực hiện mô phỏng
với các loại tải khác nhau để đánh giá kết quả.
Chương 4: Thiết kế điều khiển cho bộ nguồn biến đổi tần số, trình bày về việc điều
khiển điện áp ra cho bộ nguồn trong trường hợp tải không đối xứng. Tổng hợp bộ điều
khiển điện áp, đảm bảo tính đáp ứng nhanh và độ ổn định điện áp ra của bộ nguồn trong
trường hợp tải không đối xứng.
Chương 5: Xây dựng bộ nguồn biến đổi tần số 50/60Hz ứng dụng biến tần ma trận,
trình bày về việc xây dựng mô hình thực nghiệm bộ nguồn biến đổi tần số 50/60Hz ứng
dụng biến tần ma trận trực tiếp 3 pha 4 nhánh. Thực thi phương pháp điều biến vectơ
không gian ba chiều cho biến tần trên DSP. Thực hiện chuyển mạch cho biến tần ma trận
trực tiếp 3 pha 4 nhánh trên thiết bị phần cứng CPLD.
Cuối cùng là phần kết luận của toàn bộ luận án, những tồn tại và hướng phát triển
tiếp theo của đề tài.
4
6. Các kết quả nghiên cứu mới của luận án
- Thiết kế chuyển mạch cho biến tần ma trận trực tiếp 3 pha 4 nhánh ứng dụng
trong bộ nguồn biến đổi tần số.
- Thực hiện phương pháp điều biến vectơ không gian và cài đặt được thuật toán
điều biến vectơ không gian cho biến tần ma trận trực tiếp 3 pha 4 nhánh ứng dụng trong bộ
nguồn biến đổi tần số;
- Xây dựng mô hình thực nghiệm bộ nguồn biến đổi tần số ứng dụng biến tần ma
trận trực tiếp 3 pha 4 nhánh.
5
Chương 1
TỔNG QUAN
1.1. Khái quát chung
Trên thế giới hiện nay đang tồn tại hai lưới điện với tần số khác nhau là 50Hz và
60Hz, Việt Nam thuộc nhóm các nước sử dụng lưới điện có tần số 50Hz. Trong công
nghiệp nhiều khi có các phụ tải sử dụng điện áp có tần số khác với tần số lưới cung cấp
(60Hz), trên tàu thủy có chuẩn tần số là 60Hz, khi cập cảng để sửa chữa, các máy phát trên
tàu ngừng hoạt động, cần phải nguồn điện trên bờ có tần số 60Hz để cung cấp cho các phụ
tải trên tàu. Trong lĩnh vực hàng không và quân sự, để giảm thiểu kích thước của thiết bị,
tần số sử dụng chủ yếu là 400Hz. Từ đó xuất hiện nhu cầu chuyển đổi tần số.
Một giải pháp tiên tiến hiện nay là sử dụng các bộ đổi tần. Bộ đổi tần là bộ biến đổi
tần số nhằm mục đích biến đổi từ giá trị tần số này sang giá trị tần số khác. Các bộ biến đổi
sử dụng trong bộ đổi tần là thành phần quan trọng nhất. Giải pháp về bộ biến đổi trong bộ
đổi tần đang sử dụng hiện nay là sử dụng bộ biến đổi truyền thống, được chỉ ra trên hình
1.1, Giải pháp thứ nhất được chỉ ra
trên hình 1.1a. Cấu trúc bộ biến đổi
bao gồm hai phần, phần đầu vào sử
dụng chỉnh lưu ba pha, có thể không
có điều khiển hoặc có điều khiển,
phần đầu ra sử dụng ba bộ nghịch
lưu áp một pha, đầu ra sử dụng máy
biến áp. Ưu điểm của phương án này
là điều khiển đơn giản vì ba pha độc
lập với nhau, tuy nhiên kích thước
lớn, năng lượng không trao đổi được
theo hai chiều.
Giải pháp thứ hai được chỉ ra
trên hình 1.1b, bộ nguồn ba pha biến
đổi tần số sử dụng nghịch lưu 3 pha,
4 dây với chỉnh lưu tích cực đầu vào.
Phía đầu vào của bộ biến đổi sử dụng
chỉnh lưu tích cực sẽ đảm bảo năng
Hình 1.1 Bộ biến đổi truyền thống a) BBĐ ba pha ghép từ ba BBĐ một pha b) BBĐ ba pha với chỉnh lưu tích cực phía đầu vào và nghịch lưu 3 pha 4 nhánh đầu ra.
6
lượng được trao đổi theo cả hai chiều, dòng điện đầu vào có dạng sin, có thể điều chỉnh
được hệ số công suất gần tới một. Phía đầu ra của bộ biến đổi sử dụng nghịch lưu 3 pha – 4
nhánh (ba nhánh cho ba pha, một nhánh cho dây trung tính). Do phía đầu ra dùng nghịch
lưu nguồn áp nên khâu trung gian một chiều vẫn phải sử dụng tụ lọc. Nhược điểm của sơ
đồ này là điểm trung tính của tải không thể nối đất an toàn được. Ngoài ra việc khâu trung
gian một chiều sử dụng tụ sẽ làm tăng kích thước của bộ biến đổi và độ tin cậy kém.
Một trong các xu hướng chính hiện nay trong lĩnh vực điện tử công suất là nghiên
cứu các bộ biến đổi không sử dụng tụ điện hoặc dung lượng tụ cực tiểu. Bộ biến đổi tần số
kiểu ma trận còn được gọi là biến tần ma trận, là một dạng biến tần trực tiếp, bao gồm một
ma trận khóa bán dẫn hai chiều. Mặc dù là cấu trúc mới, biến tần ma trận đã và đang được
quan tâm nghiên cứu do có nhiều ưu điểm nổi bật so với các bộ biến đổi truyền thống. Cấu
trúc của biến tần ma trận không sử dụng tụ điện hay cuộn cảm làm phần tử tích trữ năng
lượng nên kết cấu gọn nhẹ, hiệu suất cao, đáp ứng đầu ra, đầu vào nhanh, các van bán dẫn
trong biến tần ma trận là van bán dẫn hai chiều, cho phép dòng điện chảy được theo hai
chiều, năng lượng có thể trao đổi được theo hai chiều. Phương pháp điều khiển cho biến
tần ma trận đảm bảo cho điện áp đầu ra và dòng điện đầu vào của biến tần có dạng hình sin
theo tần số cơ bản, hệ số công suất đầu vào của biến tần không phụ thuộc vào hệ số công
suất của tải và có thể điều chỉnh được, đảm bảo cho điện áp đầu vào và dòng điện đầu vào
trùng pha với nhau. Biến tần ma trận ngày càng được ứng dụng vào nhiều lĩnh vực, điều
khiển động cơ không đồng bộ, động cơ đồng bộ, bộ nguồn trong lĩnh vực quân sự, hàng
không, tàu thủy, bộ nguồn di động trong lĩnh vực công nghiệp.
1.2. Tình hình nghiên cứu về biến tần ma trận và ứng dụng trong
bộ nguồn biến đổi tần số
Hiện nay trên thế giới có nhiều nhóm nghiên cứu về biến tần ma trận, trong đó các
nhóm nghiên cứu chủ yếu trên thế giới hiện nay có Nottingham University của Vương
quốc Anh, Aalborg University của Đan mạch và một số nhóm khác. Các nhóm nghiên cứu
trong nước có Trung tâm Nghiên cứu triển khai công nghệ cao, Đại học Bách khoa Hà nội.
Đại học Bách khoa Thành phố Hồ Chí Minh. Những vấn đề nghiên cứu chính hiện nay về
biến tần ma trận của các nhóm nghiên cứu trong nước và trên thế giới được thực hiện trên
hai lĩnh vực, lý thuyết và triển khai ứng dụng.
Các nghiên cứu về lý thuyết đề cập đến các vấn đề như cấu trúc mạch lực, các
phương pháp điều khiển, các phương pháp chuyển mạch. Về cấu trúc mạch lực, ngoài cấu
trúc cơ bản, một số cấu trúc khác được nghiên cứu, phát triển nhằm mục đích giảm bớt số
7
lượng van bán dẫn hai chiều phải sử dụng, đơn giản hóa vấn đề chuyển mạch và điều
khiển, phục vụ cho các đối tượng đặc biệt như máy điện sáu pha [2], làm việc trong hệ
thống ba pha bốn dây.
Về chuyển mạch, vấn đề chuyển mạch được đề cập đến khi sử dụng các van bán
dẫn hai chiều và phương pháp điều chế được sử dụng. Các phương pháp chuyển mạch tự
nhiên [3], chuyển mạch bốn bước, hai bước, một bước [1][4][5] vẫn là các phương pháp
chủ đạo đang được quan tâm nghiên cứu và triển khai trong các thí nghiệm.
Về phương pháp điều biến, các phương pháp khác nhau đã và đang được nghiên
cứu, ứng dụng như Venturini – Alesina, điều biến gián tiếp, điều biến trực tiếp, điều biến
đa mức, mỗi phương pháp đều có những ưu nhược điểm nhất định. Phương pháp điều biến
gián tiếp được chia thành hai bước, điều biến cho phía chỉnh lưu và điều biến cho phía
nghịch lưu. Với phía chỉnh lưu có thể áp dụng phương pháp SVM [1] hoặc phương pháp
PWM [6]. Ưu điểm nổi bật của phương pháp PWM là không cần áp dụng các phương pháp
chuyển mạch cho các khóa bán dẫn hai chiều của phía chỉnh lưu, do quá trình chuyển mạch
này được điều khiển để diễn ra vào thời điểm dòng điện chảy qua các van về không. Với
phía nghịch lưu, phụ thuộc vào số lượng nhánh đầu ra mà phương pháp SVM 2D hoặc
SVM 3D được áp dụng. Các phương pháp khác nhau có thể được áp dụng cho từng phía
nhưng đặc điểm chung của chúng là quá trình điều chế cho hai phía phải được phối hợp
đồng bộ và chặt chẽ với nhau do ở phần trung gian một chiều không sử dụng phần tử tích
trữ năng lượng. Phương pháp Venturini – Alesina được phát triển thêm cho biến tần ma
trận có nhiều nhánh ra [7]. Nhược điểm của phương pháp này là khối lượng tính toán lớn
với nhiều phép tính lượng giác, điều này sẽ làm giảm giá trị của tần số trích mẫu. Tuy
nhiên có thể khắc phục được phần nào nhược điểm nêu trên nếu các giá trị về lượng giác
được sắp xếp thành bảng tra. Phương pháp điều biến vectơ không gian cho biến tần ma trận
được chia thành hai nhánh, điều biến hai chiều trong hệ , áp dụng cho các biến tần ma
trận ba pha có ba nhánh ra, điều biến ba chiều trong hệ abc hoặc hệ , áp dụng cho biến
tần ma trận ba pha có bốn nhánh ra. Quá trình điều biến bao gồm các công việc: Xác định
bộ các vectơ chuẩn được sử dụng trong quá trình điều biến; Xác định các vectơ chuẩn ứng
với từng vị trí trong không gian của vectơ điện áp ra cần tổng hợp; Xác định tỉ số điều biến
và trật tự thích hợp để thực hiện các vectơ chuẩn, chuyển giá trị của các tỉ số điều biến
được trình bày trong [8][9]. Trong phương pháp này, mỗi vectơ điện áp ra hoặc vectơ
thành thời gian đóng cắt của các van bán dẫn. Phương pháp điều biến ba chiều trong hệ
dòng điện vào được tổng hợp từ ba vectơ thành phần trùng phương với ba vectơ chuẩn tạo
8
nên không gian chứa vectơ cần tổng hợp. Mỗi vectơ thành phần lại được tổng hợp từ hai
vectơ chuẩn có cùng phương với vectơ thành phần cần tổng hợp. Như vậy với ba vectơ
thành phần sẽ cần sáu vectơ tích cực và vectơ không được sử dụng để hoàn thiện một chu
kỳ điều biến. Tương ứng với số lượng vectơ tích cực sẽ có sáu tỉ số điều biến được xác
định. Việc xác định các tỉ số điều biến dựa trên nguyên tắc dòng điện và điện áp đầu vào
trùng pha với nhau.
Biến tần ma trận hoạt động trong các điều kiện không bình thường, điện áp đầu vào
bị méo và biến đổi [10][11][12], đầu ra của biến tần bị lỗi ngắn mạch [13], đầu ra của biến
tần được nối với tải không đối xứng hoặc tải phi tuyến. Việc điều khiển vòng kín trong các
hệ thống ứng dụng biến tần ma trận cũng được nghiên cứu, mạch vòng điều khiển dòng
điện [14], mạch vòng điều khiển điện áp [15].
Các nghiên cứu về triển khai ứng dụng trong công nghiệp. Về van bán dẫn hai
chiều, một số hãng sản xuất linh kiện bán dẫn đang triển khai sản xuất thử nghiệm van bán
dẫn hai chiều như Dynex [16], Semelab [17][18]. Các ứng dụng trong công nghiệp như
trong lĩnh vực truyền động điện của biến tần truyền thống [19][20][21], trong việc ổn định
tần số và điện áp ra cho hệ thống máy phát điện sức gió [22][23].
Ứng dụng biến tần ma trận
vào bộ nguồn biến đổi tần số là
một hướng đang trong quá trình
nghiên cứu và phát triển mạnh mẽ
trên thế giới. Đây là công trình
nghiên cứu đầu tiên trong nước về
bộ nguồn biến đổi tần số ứng
dụng biến tần ma trận. Trong [24]
nghiên cứu về bộ nguồn biến đổi
Hình 1.2 Cấu trúc bộ nguồn biến đổi tần số 60/400Hz trong lĩnh vực hàng không [24]
tần số 60/400 ứng dụng biến tần
ma trận, sử dụng trong lĩnh vực hàng không. Cấu trúc của bộ nguồn kiểu này được chỉ ra
trên hình 1.2, điện áp vào và điện áp ra đều là ba pha ba dây. Các van bán dẫn hai chiều sử
dụng trong mạch lực của biến tần ma trận sử dụng trong bộ nguồn kiểu này được cấu trúc
nên từ các phần tử độc lập, nghĩa là các phần tử không được chế tạo trên cùng một phiến
bán dẫn. Bộ nguồn kiểu này luôn làm việc với tải ba pha đối xứng. Khi giá trị tải biến đổi
từ không tải đến giá trị định mức, tuy nhiên giá trị phụ tải phân bố trên các pha vẫn cân
bằng, điện áp ra sẽ bị thay đổi, để đảm bảo ổn định điện áp ra, phương pháp điều khiển
bám và điều khiển lặp đã được sử dụng.
9
1.3. Tiêu chuẩn đối với bộ nguồn biến đổi tần số
Các bộ biến đổi dùng làm bộ nguồn có những yêu cầu khác biệt so với các biến tần
thông thường. Đó là bộ nguồn phải đảm bảo các chế độ hoạt động khi phụ tải mất đối xứng
mạnh, đến 100 %, nghĩa là có thể chỉ còn tải trên một pha hoặc hai pha. Tải có những dao
động đột biến, khi có những thiết bị khởi động hoặc đóng cắt một cụm phụ tải lớn. Ngoài
ra, bộ biến đổi phải đạt hiệu suất cao, kích thước nhỏ gọn, làm việc không gây ồn, đảm bảo
ổn định điện áp ra một cách tức thời.
Khi bộ nguồn làm việc với tải mất đối xứng sẽ dẫn đến điện áp pha đầu ra của nó bị
mất đối xứng, do đó việc điều khiển để đảm bảo được sự cân bằng của điện áp đầu ra trong
phạm vi cho phép là cần thiết. Điện áp ổn định là điện áp mà thiết bị tiêu thụ điện mong
muốn nhận được trong điều kiện hoạt động bình thường. Tiêu chuẩn IEEE Std 446 – 1995
[25] quy định cho các bộ biến đổi ba pha, các thông số phải nằm trong giới hạn cho phép,
được chỉ ra trong bảng 1.1 dưới đây.
Bảng 1.1 Thông số của bộ nguồn theo tiêu chuẩn IEEE Std 446 – 1995 [25]
Thông số Giá trị
Điện áp đầu ra
Độ ổn định điện áp ± 2% khi tải đối xứng
± 3% khi tải mất đối xứng 20 %
(100%, 80%, 80%; 100%, 100%, 80%)
Thời gian ổn định 100ms
THD
Độ dịch pha
4% 120o ± 1o khi tải đối xứng 120o ± 3o khi tải mất đối xứng 20%
1.4. Định hướng nghiên cứu
Trên cơ sở các vấn đề nghiên cứu. Để giải quyết yêu cầu đề ra của luận án, định
hướng nghiên cứu của luận án như sau:
Nghiên cứu về cấu trúc không đối xứng của mạch lực biến tần ma trận (3 dây vào 4
dây ra), phân tích, đánh giá, lựa chọn mạch lực phù hợp ứng dụng trong bộ nguồn biến đổi
tần số. Trên cơ sở cấu trúc mạch lực biến tần ma trận đã lựa chọn để ứng dụng trong bộ
nguồn, thiết kế cấu trúc của bộ nguồn biến đổi tần số.
Thiết kế logic chuyển mạch cho cấu trúc không đối xứng của biến tần ma trận ứng
dụng trong bộ nguồn;
10
Thực hiện phương pháp điều khiển phù hợp cho cấu trúc không đối xứng của biến
tần ma trận ứng dụng trong bộ nguồn, nhằm đảo bảo những tính ưu việt của biến tần ma
trận;
Điều khiển ổn định giá trị hiệu dụng của điện áp ra của bộ nguồn trong trường hợp
tải không đối xứng, đảm bảo tính đáp ứng nhanh với sự biến đổi của tải và độ cứng đặc
tính ngoài của bộ nguồn biến đổi tần số, đáp ứng theo tiêu chuẩn IEEE Std 446-1995.
Xây dựng mô hình mô phỏng và thực nghiệm của bộ nguồn biến đổi tần số ứng
dụng biến tần ma trận, triển khai các thuật toán điều khiển trên mô hình thực nghiệm đã
xây dựng, nhằm kiểm chứng các vấn đề nghiên cứu như cấu trúc mạch lực, phương pháp
chuyển mạch, phương pháp điều khiển.
Các nội dung nghiên cứu được trình bày trong các chương 2, 3, 4, 5 của luận án.
Nhận xét chương 1
Các vấn đề cơ bản về bộ nguồn biến đổi tần số được khái quát trong chương một,
bao gồm tình hình nghiên cứu, phát triển và các lĩnh vực ứng dụng của bộ nguồn, trên tàu
thủy, máy bay, trong các ngành công nghiệp…Các yêu cầu cơ bản của bộ nguồn cũng
được nêu ra.
Một số cấu trúc mạch lực của bộ biến đổi đang sử dụng hiện nay cho bộ nguồn
được đề cập, cấu trúc truyền thống như bộ biến đổi ba pha được xây dựng từ việc ghép ba
bộ biến đổi một pha, bộ biến đổi ba pha với chỉnh lưu tích cực phía đầu vào và nghịch lưu
ba pha bốn dây đầu ra. Hạn chế chủ yếu của các cấu trúc truyền thống là điện áp đầu ra và
dòng điện đầu vào không sin, không đảm bảo được việc truyền năng lượng theo hai chiều,
kích thước bộ biến đổi tương đối lớn. Bộ biến đổi kiểu ma trận với những ưu điểm nổi bật
như tạo được điện áp đầu ra và dòng điện đầu vào có dạng hình sin, hệ số công suất đầu
vào của biến tần có thể điều chỉnh được và đạt gần bằng một, năng lượng có thể trao đổi
theo hai chiều, được đề xuất để xây dựng bộ nguồn biến đổi tần số. Trên cơ sở đó đề xuất
định hướng nghiên cứu và các vấn đề cần giải quyết của luận án là: cấu trúc mạch lực, cấu
trúc bộ nguồn, điều khiển chuyển mạch, điều khiển biến tần, điều khiển ổn định điện áp ra
và xây dựng mô hình thực nghiệm để kiểm chứng các kết quả nghiên cứu.
11
Chương 2
CẤU TRÚC MẠCH LỰC VÀ CHUYỂN MẠCH
2.1. Cấu trúc mạch lực
Phần lực của bộ nguồn biến đổi tần số đóng vai trò quan trọng, quyết định kích
thước, chất lượng, các mạch phụ trợ khác và phương pháp điều khiển cho bộ
nguồn….Phần lực bao gồm mạch lực của bộ biến đổi, các mạch phụ trợ khác như: Máy
biến áp để cách ly và có thể biến đổi điện áp nhằm đảm bảo điện áp đầu ra đạt đúng giá trị
mong muốn, lọc đầu vào, lọc đầu ra nhằm mục đích nâng cao chất lượng điện áp và dòng
điện, mạch bảo vệ cho các van bán dẫn.
Dựa trên nguyên tắc điện áp đầu ra được tạo ra trực tiếp từ điện áp đầu vào, có
nghĩa là một pha đầu ra được nối với một pha đầu vào thông qua một khóa bán dẫn. Nếu
điện áp đầu vào là n pha thì một pha đầu ra sẽ được nối với cả n pha đầu vào thông qua n
khóa bán dẫn. Nếu điện áp đầu ra là m pha, theo nguyên tắc trên sẽ có một ma trận khóa
bán dẫn có kích thước m×n để nối giữa m pha đầu ra với n pha đầu vào, ma trận khóa bán
dẫn được chỉ ra trên hình 2.1a. Biến tần có cấu trúc cơ bản như hình 2.1a được gọi là biến
tần ma trận, cấu trúc kiểu trực tiếp. Để đảm bảo dòng điện có thể chảy theo hai chiều, các
khóa bán dẫn sử dụng trong biến tần ma trận là khóa hai chiều (BDS).
Hình 2.1 Cấu trúc tổng quát của biến tần ma trận. a) Cấu trúc kiểu trực tiếp, b) Cấu trúc kiểu gián tiếp
Phương pháp điều khiển cho biến tần ma trận trực tiếp có thể biến đổi cấu trúc trực
tiếp thành cấu trúc kiểu gián tiếp, được chỉ ra trên hình 2.1b. Theo cấu trúc kiểu gián tiếp
biến tần ma trận được chia thành hai phần: phần nối với lưới được gọi là chỉnh lưu, phần
12
nối với tải được gọi là nghịch lưu. Phần chỉnh lưu có cấu trúc theo kiểu biến tần ma trận n
pha đầu vào – một pha đầu ra, nối theo kiểu cầu [26], sử dụng các van bán dẫn hai chiều.
Phần nghịch lưu có cấu trúc như các bộ nghịch lưu truyền thống, sử dụng các van bán dẫn
một chiều. Khâu liên kết giữa hai phần chỉnh lưu và nghịch lưu không sử dụng phần tử tích
trữ năng lượng, điều này dẫn đến quá trình điều khiển cho cấu trúc kiểu gián tiếp có những
điểm đặc biệt so với biến tần gián tiếp truyền thống.
Bộ nguồn biến đổi tần số ba pha khi cung cấp nguồn cho thiết bị một pha, yêu cầu
phải có dây trung tính. Do đó đặc điểm mạch lực của biến tần ma trận ứng dụng trong bộ
nguồn biến đổi tần số là đầu vào ba pha ba dây, đầu ra ba pha bốn dây (ba dây pha và một
dây trung tính). Ngoài ra còn đáp ứng các yêu cầu cơ bản như: cấu trúc phải đơn giản, đảm
bảo năng lượng có thể truyền theo hai chiều, đặc biệt là việc điều khiển điện áp ra cho bộ
nguồn trong trường hợp tải không đối xứng phải đơn giản. Xuất phát từ yêu cầu của bộ
nguồn và từ cấu trúc tổng quát của biến tần ma trận, có một số giải pháp cho cấu trúc mạch
lực của biến tần ma trận ứng dụng trong bộ nguồn biến đổi tần số, được trình bày chi tiết
dưới đây.
2.1.1. Mạch lực của bộ nguồn trên cơ sở biến tần ma trận ba pha ba nhánh
Mạch lực với ba pha đầu vào, ba pha đầu ra được cấu trúc theo hai kiểu: kiểu trực
tiếp và kiểu gián tiếp. Cấu trúc theo kiểu trực tiếp được chỉ ra trên hình 2.2a, bộ phận cơ
bản là một ma trận 3×3, gồm 9 khoá bán dẫn hai chiều, SAa, SBa, SCa, SAb, SBb, SCb, SAc,
SBc, SCc. Các khoá bán dẫn hai chiều nối đầu ra a, b, c với đầu vào A, B, C theo một quy
luật nhất định nhằm tạo được điện áp đầu ra có dạng hình sin theo tần số cơ bản. Biến tần
ma trận có cấu trúc có bản như trên được gọi là biến tần ma trận trực tiếp ba pha ba nhánh
(MC 3×3).
Hình 2.2 Biến tần ma trận 3 pha 3 nhánh a) Cấu trúc trực tiếp, b) Cấu trúc gián tiếp
13
Cấu trúc theo kiểu gián tiếp được chỉ ra trên hình 2.2b. Theo kiểu cấu trúc này,
mạch lực được chia thành hai phần, phần nối với lưới được gọi là chỉnh lưu và phần nối
với tải được gọi là nghịch lưu. Phần chỉnh lưu có cấu trúc theo kiểu ba pha đầu vào - một
pha đầu ra, nối theo kiểu cầu [26], sử dụng các van bán dẫn hai chiều. Phần nghịch lưu có
cấu trúc như nghịch lưu ba nhánh truyền thống, sử dụng các van bán dẫn một chiều. Phần
liên kết giữa chỉnh lưu và nghịch lưu không sử dụng tụ. Biến tần ma trận có cấu trúc có
bản như trên được gọi là biến tần ma trận gián tiếp ba pha ba nhánh (IMC3 × 3).
Khi ứng dụng biến tần ma trận 3 pha 3 nhánh trong bộ nguồn biến đổi tần số, do
yêu cầu đầu ra có bốn nhánh, nên giải pháp để tạo điểm trung tính cho đầu ra là sử dụng
máy biến áp mắc tại đầu ra của biến tần, cuộn dây thứ cấp của máy biến áp được nối theo
Li
BDS
UA
SAa
SAb
SAc
UB
SBa
SBb
SBc
Ci
SCa
SCb
SCc
UC Lưới
Lọc đầu vào
Clamp
sơ đồ sao có dây trung tính Yo, cấu trúc này được chỉ ra trên hình 2.3
Y0
Lọc đầu ra
c
a
n
b Phụ tải
a)
Khóa bán dẫn hai chiều Khóa bán dẫn một chiều
S7
S9
S11
Li
S1
S3
S5
a
UA
b
Y0
C
UB
n
S8
Co
S10
S12
Ci
S2
S4
S6
UC Lưới
Lọc đầu vào
Lọc đầu ra
Phụ tải
b)
Hình 2.3 Cấu trúc bộ nguồn biến đổi tần số với máy biến áp mắc tại đầu ra MC
a) Sử dụng cấu trúc trực tiếp, b) Sử dụng cấu trúc gián tiếp
14
Trong cấu trúc của bộ nguồn biến đổi tần số được chỉ ra trên hình 2.3, máy biến áp
có các chức năng chủ yếu, tạo điểm trung tính cho tải, có thể biến đổi điện áp ra để đảm
bảo cho điện áp đầu ra đạt đúng giá trị yêu cầu của tải, đồng thời cách ly giữa tải và bộ
biến đổi. Trong trường hợp tải không đối xứng, dòng trung tính của tải sẽ có giá trị khác
không và chỉ chảy qua phía thứ cấp của máy biến áp nên hiệu suất của bộ biến đổi sẽ cao.
Ngoài ra khi làm việc ở tần số cao, kích thước của máy biến áp sẽ nhỏ hơn. Nhược điểm
của cấu trúc này là máy biến áp phải làm việc với tải không đối xứng, đặc biệt là sẽ có
những trường hợp tải chỉ có trên một pha của máy biến áp, mặt khác điện áp ra của biến
tần ma trận là các xung tần số cao do đó cũng ảnh hưởng tới chế độ làm việc của máy biến
áp. Một khó khăn nữa là việc điều khiển điện áp ra trong trường hợp tải không đối xứng rất
phức tạp, do tín hiệu điện áp phản hồi được đo phía sau máy biến áp, có nghĩa là mô hình
của đối tượng điều khiển sẽ bao gồm cả mô hình của máy biến áp.
2.1.2 Mạch lực của bộ nguồn trên cơ sở biến tần ma trận ba pha bốn nhánh
Xuất phát từ cấu trúc của biến tần ma trận 3 pha 3 nhánh được chỉ ra trên hình 2.2,
phát triển thêm nhánh thứ tư cho dây trung tính. Mạch lực với ba pha ba dây đầu vào và ba
pha bốn dây đầu ra (ba dây pha, một dây trung tính) được cấu trúc theo hai kiểu: kiểu trực
tiếp và kiểu gián tiếp.
Cấu trúc theo kiểu trực tiếp được chỉ ra trên hình 2.4a. Nhánh thứ tư cho dây trung
tính cũng được nối với cả ba pha đầu vào qua ba khóa bán dẫn hai chiều, như vậy cấu trúc
của biến tần sẽ là đầu vào ba pha ba nhánh, đầu ra là ba pha bốn nhánh. Trong cấu trúc này
sử dụng 12 khóa bán dẫn hai chiều. Biến tần ma trận có cấu trúc như trên được gọi là biến
tần ma trận trực tiếp ba pha bốn nhánh (MC 3×4)
Cấu trúc theo kiểu gián tiếp được chỉ ra trên hình 2.4b. Theo kiểu cấu trúc này,
mạch lực được chia thành hai phần: phần nối với lưới được gọi là chỉnh lưu và phần nối
với tải được gọi là nghịch lưu. Phần chỉnh lưu có cấu trúc theo kiểu ba pha đầu vào - một
Hình 2.4 Biến tần ma trận ba pha bốn nhánh a) Cấu trúc trực tiếp, b) Cấu trúc gián tiếp
15
pha đầu ra, nối theo kiểu cầu [26], sử dụng các van bán dẫn hai chiều BDS. Phần nghịch
lưu có cấu trúc như nghịch lưu bốn nhánh truyền thống, sử dụng các van bán dẫn một
chiều. Phần liên kết giữa chỉnh lưu và nghịch lưu không sử dụng tụ. Biến tần ma trận có
cấu trúc có bản như trên được gọi là biến tần ma trận gián tiếp ba pha bốn nhánh (IMC
3×4).
Cấu trúc của bộ nguồn biến đổi tần số ứng dụng biến tần ma trận ba pha bốn nhánh
được chỉ ra trên hình 2.5. Trong cấu trúc trên máy biến áp được đặt tại phía trước của biến
tần ma trận ba pha bốn nhánh. Máy biến áp đảm nhận chức năng cách ly giữa lưới và bộ
biến đổi, nên mọi biến động của điện áp lưới không ảnh hưởng trực tiếp tới đầu vào của
biến tần, điều này là rất có ý nghĩa do MC là bộ biến đổi trực tiếp nên mọi sự biến động
của điện áp lưới sẽ tác động rất lớn đến việc điều khiển biến tần. Ngoài ra máy biến áp có
thể tăng điện áp ra để đảm bảo cho điện áp đầu ra đạt đúng giá trị yêu cầu của tải.
Hình 2.5 Cấu trúc bộ nguồn biến đổi tần số với máy biến áp mắc tại đầu vào MC a) Sử dụng cấu trúc trực tiếp, b) Sử dụng cấu trúc gián tiếp
16
Trong cấu trúc này sơ đồ nối của cuộn dây sơ cấp và cuộn dây thứ cấp của máy
biến áp có thể là tam giác (Δ) hoặc sao (Y), do đó sẽ không có thành phần sóng hài bậc ba
đưa lên lưới khi tải mất đối xứng hoặc tải phi tuyến. Việc điều khiển điện áp ra của bộ
nguồn trong trường hợp tải không đối xứng đơn giản hơn so với cấu trúc trong hình 2.2.
Cấu trúc này vẫn còn có những hạn chế, do có thể tăng áp nên các van bán dẫn của bộ biến
đổi phải làm việc với điện áp cao hơn điện áp lưới, gây nhiều vấn đề như phát nhiệt, tổn
thất trên van. Số lượng khóa bán dẫn hai chiều là 12, nhiều hơn so với cấu trúc MC 3×3.
Tuy nhiên những hạn chế trên đây không gây nhiều khó khăn và ảnh hưởng đến việc thiết
kế bộ nguồn.
So sánh về số lượng van bán dẫn sử dụng trong bộ biến đổi được chỉ ra trong bảng
2.1 dưới đây, có thể nhận thấy các bộ biến đổi 3 pha 3 dây sử dụng số lượng van bán dẫn ít
hơn so với các bộ biến đổi 3 pha 4 dây.
Bộ biến đổi STT
Bảng 2.1 So sánh số lượng van bán dẫn của các cấu trúc biến tần ma trận Số lượng van bán dẫn hai chiều 09
Biến tần ma trận trực tiếp 3 pha 3 nhánh Số lượng van bán dẫn một chiều 0 1
Biến tần ma trận gián tiếp 3 pha 3 nhánh 06 06 2
Biến tần ma trận trực tiếp 3 pha 4 nhánh 12 0 3
Biến tần ma trận gián tiếp 3 pha 4 nhánh 06 08 4
Trên cơ sở các phân tích, kết hợp với các yêu cầu đặt ra của bộ nguồn, biến tần
ma trận trực tiếp 3 pha 4 nhánh được ứng dụng trong bộ nguồn biến đổi tần số và cấu trúc
bộ nguồn với máy biến áp đặt phía trước được sử dụng, hình 2.5a.
2.2. Khóa bán dẫn hai chiều (BDS)
Khóa bán dẫn hai chiều (BDS) sử dụng trong biến tần ma trận đảm bảo cho dòng
điện có thể chảy theo hai chiều. Khóa bán dẫn hai chiều được xây dựng trên cơ sở các van
bán dẫn điều khiển hoàn toàn (IGBT, MOFETS), sơ đồ phổ biến của các khóa được chỉ ra
trên hình 2.6 dưới đây.
Hình 2.6 Khóa bán dẫn hai chiều
17
Sơ đồ sử dụng cầu diot, gồm một IGBT và bốn diot, cấu trúc được chỉ ra trên hình
2.6a. Mỗi khi chảy qua khóa, dòng điện phải chảy qua ba phần tử bán dẫn là hai diot và
một IGBT (Mosfet), do đó tổn thất trên khóa là khá lớn. Tuy nhiên do chỉ sử dụng một van
bán dẫn điều khiển hoàn toàn nên khóa hai chiều này yêu cầu điều khiển quá trình chuyển
mạch tương đối đơn giản. Sơ đồ sử dụng hai van bán dẫn điều khiển hoàn toàn mắc nối
tiếp ngược chiều nhau được chỉ ra trên hình 2.6a, 2.6b, mỗi khóa hai chiều bao gồm hai
van bán dẫn điều khiển hoàn toàn và hai diot. Theo kiểu cấu trúc này, hai IGBT có thể
được mắc chung emittor, hình 2.6b hoặc chung collector, hình 2.6c. Các diot sử dụng trong
khóa hai chiều phải là các diot chịu được dòng điện và điện áp ngược tương đương với
IGBT, đồng thời phải có thời gian đóng cắt nhanh.
Nhằm đáp ứng nhu cầu về sử dụng van bán dẫn hai chiều trong nghiên cứu về biến
tần ma trận. Một số hãng chế tạo van bán dẫn như Dynex, SemiKron, đang trong quá trình
sản xuất thử nghiệm van dẫn hai chiều, việc sản xuất chỉ thực hiện theo đơn đặt hàng từ
các đơn vị có nhu cầu sử dụng.
Hình 2.7 Thông số kỹ thuật van bán dẫn hai chiều DIM200WBS12-A000 a) Hình ảnh ngoài và cấu trúc; b) Đặc tính của van [16]
18
Với mục đích triển khai mô hình thực nghiệm của bộ nguồn biến đổi tần số ứng
dụng biến tần ma trận, tác giả đã đặt hàng sản xuất thử nghiệm khóa bán dẫn hai chiều của
hãng Dynex. Van bán dẫn hai chiều đặt mua là loại DIM200WBS12-A000. Hình ảnh bên
ngoài, cấu trúc van và đặc tính được chỉ ra trên hình 2.7, thông số kỹ thuật cơ bản của van
được chỉ ra trong bảng 2.2, chi tiết các thông số được trình bày trong phụ lục 1.
Bảng 2.2 Các thông số kỹ thuật chính của van bán dẫn hai chiều DIM200WBS12-A000
Thông số
Ký hiệu Giá trị (max) Đơn vị
Ghi chú
Điện áp collector – emitter 1200 V VCES
Điện áp Gate – emitter ±20 V VGES
Dòng điện collector 200 A IC
Dòng điện đỉnh collector 400 A t = 1ms IC(PK)
Công suất 1,435 Kw Pmax
Điện áp cách li 2500 V t = 60s, f = 50Hz Visol
Thời gian mở 240 ns td(on)
Thời gian đóng 600 ns td(off)
2.3. Chuyển mạch trong biến tần ma trận [1]
Chuyển mạch là quá trình chuyển dòng điện từ một van đang dẫn bị khóa lại sang
một van khác vừa mở ra. Trong biến tần ma trận do sử dụng các van bán dẫn hai chiều nên
yêu cầu quá trình chuyển mạch tương đối phức tạp. Quá trình chuyển mạch phải tuân thủ
theo hai quy tắc, đó là không được ngắn mạch phía lưới và không được hở mạch phía tải.
Quy tắc thứ nhất đảm bảo không xảy ra ngắn mạch phía điện áp lưới gây ra xung
dòng điện lớn phá hủy van. Quy tắc thứ hai đảm bảo không gây ra hiện tượng hở mạch
phía tải gây ra quá điện áp, đánh thủng các van bán dẫn. Người ta phân biệt chuyển mạch
trong chế độ làm việc bình thường và
chuyển mạch trong chế độ quá độ.
Nhiều phương pháp chuyển mạch
trong chế độ bình thường đã được
nghiên cứu và áp dụng cho biến tần ma
trận, chuyển mạch bốn bước, chuyển
mạch hai bước, chuyển mạch một
bước, chuyển mạch thông minh,
Hình 2.8 Chuyển mạch giữa hai pha
chuyển mạch mềm.
19
Nguyên lý của chuyển mạch được làm rõ qua việc xét trường hợp chuyển mạch từ
pha A sang pha B, biểu diễn trên hình 2.8. Giả thiết pha A đang dẫn dòng, pha B khoá và
dòng tải có chiều theo hình 2.8. Hai khóa SA1 và SA2 đều mở để đảm bảo dòng điện có thể
chảy theo hai chiều, tuy nhiên tại thời điểm xét chỉ thực sự có khóa SA1 và DA2 đang dẫn
dòng. Khi có lệnh chuyển sang pha B, logic của quá trình chuyển mạch có thể diễn ra theo
bốn bước, hai bước hoặc một bước phụ thuộc vào chiều của dòng điện.
2.3.1. Chuyển mạch bốn bước
Khi chuyển mạch từ pha A sang pha B theo trình tự bốn bước, logic của quá trình
chuyển mạch được mô tả trên hình 2.9a. Bước 1: Ngắt tín hiệu điều khiển tới van không
dẫn SA2; Bước 2: Điều khiển mở van SB1; Bước 3: Ngắt tín hiệu điều khiển van SA1;
Bước 4: Cho tín hiệu điều khiển mở van SB2. Trong trường hợp dòng điện có chiều ngược
lại thì trình tự chuyển mạch sẽ được thực hiện ngược lại. Đồ thị tín hiệu điều khiển các van
bán dẫn theo thời gian được thể hiện trên hình 2.9b. Thời gian để hoàn tất một quá trình
chuyển mạch bốn bước phụ thuộc vào thời gian khóa của IGBT được sử dụng (tđ).
a) b)
Hình 2.9 Chuyển mạch bốn bước theo chiều dòng điện a) Trạng thái logic các van; b)Đồ thị tín hiệu điều khiển
Bảng 2.3 Logic chuyển mạch từ pha A sang pha B
SA1.SA2-SB1.SB2
IL > 0
B
11-00 SA1 1 1 0 0 SA2 0 0 0 0 SB1 0 1 1 1 SB2 0 0 0 1 Bước 1 2 3 4
A
00-11 IL < 0
1 1 0 0 0 0 0 0 0 1 1 1 0 0 0 1 1 2 3 4
20
2.3.2 Chuyển mạch hai bước
Như đã biết trong quá trình chuyển mạch bốn bước phải dựa vào việc phát hiện
chiều dòng điện IL hoặc điện áp chuyển mạch. Tuy nhiên hạn chế của phương pháp này là
phải qua bốn bước mới chuyển mạch xong, sự chính xác của điện áp chuyển mạch hay
chiều dòng điện, sự thay đổi chiều dòng điện trong suốt quá trình chuyển mạch là không
được xảy ra. Có thể nhận thấy rằng khi đã biết chính xác trước chiều dòng điện không cần
phát tín hiệu cho van không dẫn dòng trong khóa hai chiều, do đó bốn bước chuyển mạch
chỉ còn lại hai bước. Như vậy theo phương pháp chuyển mạch hai bước chỉ có van thực sự
đang dẫn dòng được kích hoạt, hình 2.10 chỉ ra quá trình chuyển mạch hai bước giữa hai
pha A và B.
c) Bước 2 a) Trạng thái đầu b) Bước 1
Hình 2.10. Chuyển mạch hai bước từ pha A sang pha B khi IL > 0
Đồ hình trạng thái cho các van chuyển mạch được chỉ ra trên hình 2.11a. Theo
phương pháp chuyển mạch hai bước, khi chiều dòng điện đã được xác định rõ (IL > 0 hoặc
IL <0) thì chỉ điều khiển cho một van dẫn. Khi chiều dòng điện chưa được xác định rõ,
đang trong quá trình đổi chiều, lúc này nó đang nằm trong ngưỡng quanh giá trị không, để
tránh trường hợp hở mạch dòng tải phải điều khiển mở cả hai IGBT trong khóa hai chiều
đang dẫn dòng, hình 2.11b.
b) a)
Hình 2.11. Trạng thái logic của van trong chế độ chuyển mạch hai bước, a) Đồ hình trạng thái; b) Tín hiệu điều khiển van khi dòng đổi chiều.
21
2.3.3 Chuyển mạch một bước
Theo sơ đồ trên hình 2.8, khi cần chuyển mạch giữa hai pha đầu vào A và B, nếu
biết được chính xác dấu của điện áp UAB và chiều dòng điện IL thì quá trình chuyển mạch
chỉ cần một bước. Tín hiệu điều khiển sẽ chuyển từ một IGBT đang dẫn dòng sang một
IGBT ở pha khác có cùng chiều dẫn dòng, hình 2.12. Thời gian cần thiết cho chuyển mạch
một bước là rất ngắn, tuy nhiên phương pháp này lại đòi hỏi phải xác định chính xác dấu
của điện áp, chiều của dòng điện và chịu ảnh hưởng mạnh từ các nhiễu loạn của điện áp
lưới.
b) a)
Hình 2.12. Chuyển mạch một bước với a) IL >0, b) IL <0
2.3.4 Chuyển mạch trong quá trình quá độ.
Như đã biết trong sơ đồ biến tần ma trận không có hệ thống điốt ngược và kho tích
trữ năng lượng tạm thời, không có các mạch trợ giúp đóng mở RC, mạch Clamp cũng có
thể loại bỏ để giảm nhỏ kích thước của bộ biến đổi. Giả sử khi có lệnh dừng biến tần, nếu
cắt ngay xung điều khiển ở các khoá bán dẫn sẽ gây nên hiện tượng hở mạch tải, năng
lượng tích tụ trong mạch sẽ gây ra quá áp trên các van bán dẫn. Các thuật toán chuyển
mạch ở phần trên chưa giải quyết được vấn đề này. Trong [1] đưa ra giải pháp là phải mở
một số IGBT kết hợp với một số diôt tạo nên mạch diôt ngược như ở trong biến tần thông
thường để giải phóng dòng tải. Thuật toán chuyển mạch trong quá trình quá độ sẽ được
khởi tạo khi có lệnh dừng biến tần.
22
2.4 Thiết kế chuyển mạch cho biến
tần ma trận trực tiếp 3 pha 4 nhánh
Với những ưu điểm như thông tin cần đo là
ít nhất, logic chuyển mạch rõ ràng, dễ thực hiện
trên thiết bị phần cứng, phương pháp chuyển mạch
bốn bước được áp dụng cho MC 3×4. Dưới đây là
chi tiết của logic chuyển mạch bốn bước cho MC
3×4.
Mạch lực của biến tần ma trận trực tiếp 3
pha 4 nhánh được chỉ ra trên hình 2.13, bao gồm 12
van bán dẫn hai chiều. Van bán dẫn có cấu trúc bao
gồm hai IGBT mắc nối tiếp với nhau theo kiểu
emiter chung. Các van bán dẫn hai chiều trong
Hình 2.13 Cấu trúc của MC 3×4
mạch lực của MC 3×4 được chia thành bốn nhóm,
mỗi nhóm gồm ba van bán dẫn hai chiều, nối ba pha đầu vào tới một pha đầu ra. Với cấu
trúc như trên, sơ đồ khối hệ thống điều khiển chuyển mạch của biến tần ma trận trực tiếp 3
pha 4 nhánh được chỉ ra trên hình 2.14.
Hình 2.14. Cấu trúc hệ thống điều khiển chuyển mạch của MC 3×4
23
Trên hình 2.14, khối điều khiển chuyển mạch nhận 12 tín hiệu điều khiển cho 12
van bán dẫn hai chiều từ DSP, 12 tín hiệu này đã chỉ rõ trạng thái đóng cắt của 12 van bán
dẫn hai chiều. Phụ thuộc vào các yếu tố bao gồm: trạng thái trước đó của 12 van bán dẫn
hai chiều, chiều của dòng điện tải và logic chuyển mạch được áp dụng, khối điều khiển
chuyển mạch sẽ xuất 24 tín hiệu, các tín hiệu này chỉ rõ trạng thái đóng cắt của từng van
bán dẫn trong các khóa hai chiều.
Tùy theo đặc điểm tải của bộ nguồn như: tải trên ba pha là đối xứng, tải trên ba pha
là không đối xứng, chỉ có tải trên một pha, hai pha, dẫn đến trên nhánh đầu ra của biến tần
có thể có hoặc không có dòng điện. Trường hợp tải trên ba pha là đối xứng, lúc này chỉ có
dòng trên các nhánh pha, nhánh trung tính dòng bằng không. Trường hợp tải trên ba pha là
không đối xứng, lúc này trên cả bốn nhánh đầu ra đều có dòng điện. Trường hợp chỉ có tải
trên một pha hoặc hai pha, lúc này chỉ những nhánh nào có tải và nhánh trung tính có dòng
điện, những nhánh không có tải dòng sẽ bằng không.
Từ đặc điểm trên đây, phân biệt hai quá trình chuyển mạch cho các van bán dẫn
trong biến tần ma trận trực tiếp 3 pha 4 nhánh: Chuyển mạch xảy ra khi dòng qua các van
có giá trị khác không, quá trình này thuộc nhóm chuyển mạch nặng. Chuyển mạch xảy ra
khi dòng qua các van có giá trị bằng không, quá trình này thuộc nhóm chuyển mạch mềm
Logic chuyển mạch của hai quá trình này là khác nhau. Thông tin về giá trị của dòng điện
chảy trên các nhánh đầu ra (khác không hay bằng không) sẽ quyết định logic của quá trình
chuyển mạch, khi dòng điện có giá trị khác không, chuyển mạch tuân theo quy trình bốn
bước, khi dòng điện có giá trị bằng không, chuyển mạch tuân theo quy trình hai bước, chi
tiết của hai chế độ chuyển mạch được trình bày dưới đây.
2.4.1 Logic chuyển mạch nặng
Trong cấu trúc của MC 3×4 trên hình 2.13, mỗi nhánh đầu ra nối với cả ba pha đầu
vào, như vậy với mỗi nhánh ra cần điều khiển quá trình chuyển mạch giữa ba pha đầu vào
với nhau, cụ thể là A B, B C, C A. Biểu đồ trạng thái logic chuyển mạch giữa hai
pha bất kỳ tương tự như trên hình 2.9a, như vậy để đảm bảo chuyển mạch giữa ba pha đầu
vào cho một nhánh đầu ra của biến tần, có tất cả ba biểu đồ trạng thái logic chuyển mạch
cho mỗi nhánh đầu ra. Trong MC 3×4 có bốn nhánh ra, như vậy có tất cả 12 biểu đồ trạng
thái logic chuyển mạch giữa các pha, được biểu diễn trên hình 2.15. Logic chuyển mạch
bốn bước của MC 3×4 được chỉ ra trong bảng 2.4.
24
Hình 2.15 Trạng thái logic chuyển mạch ba pha của MC 3×4
Bảng 2.4 Logic chuyển mạch bốn bước của biến tần ma trận trực tiếp 3 pha 4 nhánh
SA1SA2-SB1SB2-SC1SC2
IL > 0
B A
11-00-00 00-11-00
IL < 0
IL > 0
A B
11-00-00 00-11-00
IL < 0
IL > 0
C
B
00-11-00 00-00-11
IL < 0
B
IL > 0
C
00-11-00
SA1 1 1 0 0 0 0 0 0 0 1 1 1 0 0 0 1
SA2 0 0 0 0 1 1 0 0 0 0 0 1 0 1 1 1
SB1 0 1 1 1 0 0 0 1 1 1 0 1 0 0 0 0 1 1 0 0 0 0 0 0 0 1 1 1
SB2 0 0 0 1 0 1 1 1 0 0 0 1 1 1 0 0 0 0 0 0 1 1 0 0 0 0 0 1
SC1 0 1 1 1 0 0 0 1 1 1 0 1
SC2 0 0 0 1 0 1 1 1 0 0 0 1
00-00-11
IL < 0
IL > 0
A C
00-00-11 11-00-00
IL < 0
IL > 0
C A
00-00-11 11-00-00
IL < 0
1 1 0 0 0 0 0 0 0 1 1 1 0 0 0 1
0 0 0 0 1 1 0 0 0 0 0 1 0 1 1 1
0 0 0 1
0 1 1 1
0 0 0 0 0 1 1 1 0 0 0 1 1 1 0 1 0 0 0 0
1 1 0 0 0 0 0 1 0 1 1 1 0 0 0 1 1 1 0 0
25
Trên hình 2.16 biểu diễn đồ thị thời gian của quá trình chuyển mạch bốn bước, pha
A pha B, pha B pha C, pha C pha A cho một nhánh ra của biến tần ma trận trực
tiếp 3 pha 4 nhánh, đồ thị thời gian cho các nhánh còn lại được biểu diễn tương tự. Độ trễ
giữa hai bước chuyển mạch liên tiếp bằng khoảng thời gian xử lý của hệ thống điều khiển
chuyển mạch và thời gian đóng mở của IGBT khoảng 10 (td)
µs.
Hình 2.16 Đồ thị thời gian chuyển mạch bốn bước của MC 3×4
26
2.4.2 Logic chuyển mạch mềm
Chuyển mạch mềm là chuyển mạch khi dòng điện qua van có giá trị bằng không,
trong MC 3×4 chuyển mạch mềm xảy ra trên nhánh trung tính khi tải là ba pha đối xứng,
trên các nhánh không có tải. Khi không có dòng qua van, logic chuyển mạch đơn giản hơn,
chỉ gồm hai bước, trước tiên đồng thời ngắt tín hiệu điều khiển hai van chuẩn bị chuyển,
sau đó điều khiển mở đồng thời hai van chuẩn bị dẫn, độ trễ giữa hai tín hiệu điều khiển
chuyển mạch bằng khoảng thời gian xử lý của hệ thống điều khiển chuyển mạch và thời
gian đóng mở của IGBT (td), khoảng 10 µs. Trên hình 2.17 biểu diễn đồ thị thời gian của
quá trình chuyển mạch mềm, pha A pha B, pha B pha C, pha C pha A cho một
nhánh ra của biến tần ma trận trực tiếp 3 pha 4 nhánh, đồ thị thời gian cho các nhánh còn
lại được biểu diễn tương tự.
Hình 2.17 Đồ thị thời gian các bước chuyển mạch mềm của MC 3×4
2.4.3 Mô phỏng chuyển mạch cho biến tần ma trận trực tiếp 3 pha 4 nhánh
Khi mô phỏng MC 3×4 trên Matlab, logic chuyển mạch bốn bước được thực hiện
trên công cụ State Flow. Kết quả mô phỏng logic chuyển mạch của MC 3×4 được chỉ ra
trên hình 2.18 (a - d)
Do quá trình chuyển mạch phức tạp và thời gian chuyển mạch diễn ra rất nhanh,
khoảng bằng thời gian đóng cắt của van bán dẫn được sử dụng, nên logic chuyển mạch
phải được thực hiện bằng các mạch cứng. Do đó các thiết bị phần cứng lập trình được như
CPLD, FPGA thường được lựa chọn để thực hiện logic chuyển mạch. Trước khi triển khai
thực hiện logic chuyển mạch của MC 3×4 bằng thiết bị phần cứng, để đảm bảo tính chính
xác của quá trình chuyển mạch, logic chuyển mạch được kiểm chứng trên ngôn ngữ mô
phỏng cho thiết bị phần cứng VHDL, kết quả mô phỏng được chỉ ra trên hình 2.18e
b)
a)
c)
d)
e)
27
Hình 2.18 Kết quả mô phỏng logic chuyển mạch của MC 3×4 a) Chuyển mạch của tín hiệu điều khiển; b) Tín hiệu điều khiển cho các van IGBT của pha a đầu ra; c) điện áp dây đầu ra, d) điện áp rơi trên khóa bán dẫn hai chiều; e) kết quả mô phỏng logic chuyển mạch bốn bước trên ngôn ngữ VHDL
28
Nhận xét: Các kết quả nhận được từ việc mô phỏng quá trình chuyển mạch trên StateFlow
cho thấy logic chuyển trạng thái của các van bán dẫn đúng trình tự và rõ ràng, không có
sự quá điện áp trên các van bán dẫn và điện áp đầu ra. Việc thực hiện logic chuyển mạch
trên CPLD đảm bảo được tích chất đóng cắt nhanh của các van bán dẫn trong quá trình
chuyển mạch. Kết quả mô phỏng trên ngôn ngữ VHDL là cơ sở để triển khai phần chuyển
mạch của MC 3×4 trên thiết bị phần cứng.
Hình 2.19 Mô phỏng chuyển mạch cho MC 3×4 trên State Flow
29
Nhận xét chương 2
Chương 2 trình bày về phần lực của bộ nguồn, bao gồm cấu trúc bộ biến đổi có thể
sử dụng trong bộ nguồn, van bán dẫn hai chiều, điều khiển chuyển mạch.
Tiến hành phân tích một số phương án mạch lực của biến tần ma trận ứng dụng
trong bộ nguồn biến đổi tần số, bao gồm cấu trúc trực tiếp AC/AC và cấu trúc gián tiếp
AC/DC/AC, đầu ra của biến tần có ba nhánh và bốn nhánh. Liên hệ chặt chẽ với số lượng
nhánh ra của bộ biến đổi, hai cấu trúc cơ bản của bộ nguồn biến đổi tần số ứng dụng biến
tần ma trận được đề xuất, trong cấu trúc thứ nhất máy biến áp có vị trí ở phía sau bộ biến
đổi, trong cấu trúc thứ hai máy biến áp có vị trí ở phía trước bộ biến đổi. Tiến hành phân
tích, so sánh và đánh giá những ưu điểm và hạn chế của từng cấu trúc, MC 3×4 được lựa
chọn để ứng dụng trong bộ nguồn biến đổi tần số. Van bán dẫn hai chiều chế tạo trên một
phiến bán dẫn của hãng Dynex sẽ được sử dụng để xây dựng mạch lực cho biến tần ma
trận ứng dụng trong bộ nguồn biến đổi tần số. Thiết kế chuyển mạch cho các van bán dẫn
hai chiều của MC 3×4, với số lượng van lên tới 12 chiếc. Phân biệt hai chế độ chuyển
mạch cho biến tần ma trận trực tiếp 3 pha 4 nhánh, bao gồm chuyển mạch nặng và chuyển
mạch mềm. Các kết quả mô phỏng về chuyển mạch cho thấy việc phương pháp chuyển
mạch áp dụng cho biến tần sử dụng trong bộ nguồn là phù hợp. Vấn đề cần giải quyết tiếp
theo là thực hiện điều biến cho MC 3×4 ứng dụng trong bộ nguồn, chi tiết của quá trình
điều biến được trình bày trong phần tiếp theo.
30
Chương 3
ĐIỀU BIẾN VECTƠ KHÔNG GIAN
CHO BIẾN TẦN MA TRẬN TRỰC TIẾP 3 PHA 4 NHÁNH
3.1. Khái quát chung
Điều khiển MC 3×4 là điều khiển ma trận khóa bán dẫn đóng cắt theo một quy luật
nhất định nhằm mục đích tạo ra hệ thống điện áp ba pha ở đầu ra và dòng tiêu thụ ở đầu
vào của biến tần có dạng hình sin theo tần số cơ bản. Điện áp trên mỗi pha đầu ra của MC
được tạo ra bởi các đoạn của điện áp ba pha đầu vào [1]. Tương tự như MC 3×3, các
phương pháp chủ yếu để điều khiển cho MC 3×4 bao gồm: phương pháp Venturini –
Alesina phát triển cho nhánh thứ tư, điều biến vectơ không gian gián tiếp, điều biến vectơ
không gian trực tiếp.
Phương pháp Venturini – Alesina tìm lời giải cho biến điện áp đầu ra và dòng điện
đầu vào trong hệ phương trình quan hệ giữa điện áp và dòng điện thông qua ma trận tỉ số
điều biến [1]. Phương pháp Venturini – Alesina phát triển cho nhánh thứ tư bằng cách tăng
kích thước của ma trận tỉ số điều biến từ 3 × 3 thành 3 × 4. Ma trận tỉ số điều biến cho MC
3×4 được chỉ ra trong biểu thức (3.1) [27]. Phương pháp Venturini – Alesina có nhược
4.q
j
m
điểm là khối lượng tính toán lớn với nhiều phép tính lượng giác và cho tỉ số điều biến thấp.
.sin 3.ω .t
Kj
sin ω .t β i
K
i
1 3
3. 3
2.v .v K 2 V im
. 1
K A, B, C;
a, b, c, n;
0,
j
(3.1)
K
2 4 , 3 3 Trong phương pháp điều biến vectơ không gian, mỗi chu kỳ điều biến, điện áp ra
trong đó: tương ứng với K A, B, C
được tổng hợp từ các điện áp đầu vào, dòng điện ra sẽ do tải quyết định, đồng thời dòng
điện đầu vào được tổng hợp từ dòng điện đầu ra. Phương pháp điều biến vectơ không gian
được chia thành phương pháp điều biến vectơ không gian gián tiếp và điều biến vectơ
không gian trực tiếp.
Phương pháp điều biến vectơ không gian gián tiếp tạo ra mô hình điều biến gián
tiếp, theo mô hình này, biến tần ma trận được chia thành hai phần, phần gắn với lưới được
gọi là chỉnh lưu và phần gắn với tải được gọi là nghịch lưu, liên kết giữa hai phần được gọi
là khâu trung gian một chiều ảo. Quá trình điều biến được thực hiện đồng thời ở hai phần,
chỉnh lưu và nghịch lưu. Trong mỗi chu kỳ điều biến, chỉnh lưu đưa ra một giá trị điện áp
31
dây đầu vào tạo nên điện áp một chiều ảo, nghịch lưu tạo nên điện áp ba pha đầu ra với tần
số và biên độ mong muốn. Phương pháp SVM hoặc PWM được áp dụng cho chỉnh lưu,
phương pháp SVM 3D được áp dụng cho nghịch lưu. Khi kết hợp đồng bộ hai phần, xác
định được trạng thái đóng cắt của các tổ hợp van và tỉ số điều biến áp dụng cho cấu trúc
trực tiếp của MC 3×4.
Phương pháp điều biến vectơ không gian trực tiếp cho phép xác định trực tiếp trạng
thái đóng cắt của các tổ hợp van và tỉ số điều biến của biến tần ma trận. Với những ưu
điểm, thuật toán điều khiển đơn giản, ít các tính toán, dễ áp dụng trong các bộ xử lý tín
hiệu số, thông tin đo là ít nhất, phương pháp điều biến vectơ không gian trực tiếp được lựa
chọn để áp dụng cho MC 3×4.
Sơ đồ khối của hệ thống điều khiển cho MC 3×4 được chỉ ra trên hình 3.1, bao gồm
khối điều biến vectơ không gian, khối điều khiển chuyển mạch, gate driver. Đầu vào của
khâu điều biến có hai tín hiệu, tín hiệu điện áp đặt, trong đó bao gồm thông tin về biên độ
và tần số để xác định biên độ và tần số điện áp ra, tín hiệu điện áp lưới, trong đó bao gồm
thông tin về độ lớn và dấu để xác định vị trí của vectơ điện áp đặt trong không gian. Khâu
chuyển mạch nhận thông tin bao gồm 12 tín hiệu điều khiển van bán dẫn hai chiều từ khâu
điều chế vectơ không gian và tín hiệu dòng điện, các thông tin này được sử dụng để thực
hiện quá trình chuyển mạch. Khâu Gate driver nhận 24 tín hiệu điều khiển van bán dẫn từ
khâu điều khiển chuyển mạch, tín hiệu từ đây được gửi đi điều khiển van bán dẫn trong
Lưới
Tín hiệu điện áp lưới Uabc
GATE DRIVER
MC 3 × 4
ĐIỀU KHIỂN CHUYỀN MẠCH
ĐIỀU BIẾN VECTƠ KHÔNG GIAN
Tín hiệu điện áp đặt u*ref
Tín hiệu dòng điện
Tải
MC 3×4.
Hình 3.1 Sơ đồ điều biến vectơ không gian cho biến tần ma trận trực tiếp 3 pha 4 nhánh
Quá trình điều biến cho biến tần ma trận có thể thực hiện trong hệ tọa độ tự nhiên abc, mỗi trục cách nhau một góc 1200 hoặc hệ tọa độ decac . Với các biến tần ma trận
3 pha 3 nhánh, đặc điểm của đầu ra là ba pha không có dây trung tính, nên khi chuyển các
32
đại lượng từ hệ tọa độ abc sang hệ tọa độ , thành phần sẽ bằng không, do đó quá
trình điều biến được thực hiện trong mặt phẳng , phương pháp điều biến vectơ này được
gọi là 2D SVM. Với biến tần ma trận 3 pha 4 nhánh, do có thêm nhánh thứ tư cho dây
sẽ khác không, do đó quá trình điều biến sẽ được thực hiện trong không gian, phương
trung tính, nên khi chuyển các đại lượng từ hệ tọa độ abc sang hệ tọa độ , thành phần
pháp điều biến vectơ này được gọi là 3D SVM. Với ưu điểm là quá trình tính toán đơn
giản, biểu diễn hình học dễ dàng, trong luận án này quá trình điều biến cho MC 3×4 được
thực hiện trong hệ tọa độ . Các vấn đề mà quá trình điều biến vectơ không gian cho
MC 3×4 phải thực hiện bao gồm:
- Xác định các vectơ chuẩn của MC 3×4;
- Tổng hợp vectơ điện áp ra và vectơ dòng điện vào của MC 3×4;
- Xác định tỉ số điều biến của MC 3×4;
- Xác định trật tự thực hiện các vectơ trong một chu kỳ điều biến.
Các vấn đề mà quá trình điều biến vectơ không gian cho MC 3×4 phải giải quyết
được trình bày tuần tự trong các phần tiếp theo.
3.2 Xác định vectơ chuẩn trong biến tần ma trận trực tiếp 3 pha 4
nhánh
Các vectơ chuẩn được sử dụng để tổng hợp nên điện áp đầu ra và dòng điện đầu
vào của biến tần ma trận, nhằm đảm bảo điện áp đầu ra và dòng điện đầu vào có dạng sin
theo tần số cơ bản. Các vectơ chuẩn được thiết lập nên từ các trạng thái van có thể có của
ma trận khóa bán dẫn hai chiều.
3.2.1 Các trạng thái van trong biến tần ma trận 3 pha 4 nhánh
Trong sơ đồ biến tần ma trận
trực tiếp 3 pha 4 nhánh trên hình 3.2, ở
một thời điểm bất kỳ các van hai chiều
phải đóng cắt tuân theo hai quy luật:
+ Không nối ngắn mạch các pha
đầu vào.
+ Không hở mạch bất cứ pha nào
ở đầu ra.
Đảm bảo hai quy luật này, MC
3×4 có tất cả 81 tổ hợp van, ứng với các
Hình 3.2 Biến tần ma trận trực tiếp 3 pha 4 nhánh
33
trạng thái đóng cắt có thể có của các van. Mỗi tổ hợp van được biểu diễn bằng một tổ hợp
gồm bốn chữ cái, ví dụ tổ hợp van ABBB, có nghĩa là pha a đầu ra được nối với pha A đầu
vào, pha b, c, n đầu ra được nối với pha B đầu vào, giải thích tương tự cho các tổ hợp van
còn lại. Phụ thuộc vào số pha đầu vào được nối tới các pha đầu ra, các tổ hợp van của MC
3×4 được chia thành ba nhóm, được chỉ ra trên hình 3.2, 3.3, 3.4 dưới đây.
Hình 3.3 Nhóm tổ hợp van thứ nhất của biến tần ma trận trực tiếp 3 pha 4 nhánh
iA
iA
iA
iA
iA
iA
BABC
ABAC
BAAC
ABBC
AABC
BBAC
A
A
A
A
A
A
iB
iB
iB
iB
iB
iB
B
B
B
B
B
B
iC
iC
iC
iC
iC
iC
C
C
C
C
C
C
ia a
ib b
ic c
in n
ia a
ib b
ic c
in n
ia a
ib b
ic c
in n
ia a
ib b
ic c
in n
ia a
ib b
ic c
in n
ia a
ib b
ic c
in n
iA=ib+ic;iB=ia;iC=-ia-ib-ic
iA=ib;iB=ia+ic;iC=-ia-ib-ic
iA=ia;iB=ib+ic;iC=-ia-ib-ic
iA
iA
iA
iA
iA
iA
iA=ia+ib;iB=ic;iC=-ia-ib-ic AACB
iA=ia+ic;iB=ib;iC=-ia-ib-ic ACAB
iA=ic;iB=ia+ib;iC=-ia-ib-ic CCAB
CACB
CAAB
ACCB
A
A
A
A
A
A
iB
iB
iB
iB
iB
iB
B
B
B
B
B
B
iC
iC
iC
iC
iC
iC
C
C
C
C
C
C
ia a
ib b
ic c
in n
ia a
ib b
ic c
in n
ia a
ib b
ic c
in n
ia a
ib b
ic c
in n
ia a
ib b
ic c
in n
ia a
ib b
ic c
in n
iA=ia+ib;iB=-ia-ib-ic;iC=ic
iA=ia+ic;iB=-ia-ib-ic;iC=ib
iA=ib+ic;iB=-ia-ib-ic;iC=ia
iA=ic;iB=-ia-ib-ic;iC=ia+ib
iA=ib;iB=-ia-ib-ic;iC=ia+ic
iA=ia;iB=-ia-ib-ic;iC=ib+ic
iA
iA
iA
iA
iA
iA
BBCA
CBBA
BCBA
CCBA
CBCA
BCCA
A
A
A
A
A
A
iB
iB
iB
iB
iB
iB
B
B
B
B
B
B
iC
iC
iC
iC
iC
iC
C
C
C
C
C
C
ia a
ib b
ic c
in n
ia a
ib b
ic c
in n
ia a
ib b
ic c
in n
ia a
ib b
ic c
in n
ia a
ib b
ic c
in n
ia a
ib b
ic c
in n
iA=-ia-ib-ic;iB=ia+ib;iC=ic
iA=-ia-ib-ic;iB=ia+ic;iC=ib
iA=-ia-ib-ic;iB=ib+ic;iC=ia
iA=-ia-ib-ic;iB=ic;iC=ia+ib
iA=-ia-ib-ic;iB=ib;iC=ia+ic
iA=-ia-ib-ic;iB=ia;iC=ib+ic
iA
iA
iA
iA
iA
iA
ABCA
BCAA
BACA
CBAA
CABA
ACBA
A
A
A
A
A
A
iB
iB
iB
iB
iB
iB
B
B
B
B
B
B
iC
iC
iC
iC
iC
iC
C
C
C
C
C
C
ia a
ib b
ic c
in n
ia a
ib b
ic c
in n
ia a
ib b
ic c
in n
ia a
ib b
ic c
in n
ia a
ib b
ic c
in n
ia a
ib b
ic c
in n
iA=-ib-ic;iB=ib;iC=ic
iA=-ia-ic;iB=ia;iC=ic
iA=-ia-ib;iB=ia;iC=ib
iA=-ia-ib;iB=ib;iC=ia
iA=-ia-ic;iB=ic;iC=ia
iA=-ib-ic;iB=ic;iC=ib
iA
iA
iA
iA
iA
iA
ABCB
BCAB
BACB
CBAB
CABB
ACBB
A
A
A
A
A
A
iB
iB
iB
iB
iB
iB
B
B
B
B
B
B
iC
iC
iC
iC
iC
iC
C
C
C
C
C
C
ia a
ib b
ic c
in n
ia a
ib b
ic c
in n
ia a
ib b
ic c
in n
ia a
ib b
ic c
in n
ia a
ib b
ic c
in n
ia a
ib b
ic c
in n
iA=ic;iB=-ia-ic;iC=ia
iA=ib;iB=-ia-ib;iC=ia
iA=ia;iB=-ia-ib;iC=ib
iA
iA
iA
iA
iA
iA
iA=ia;iB=-ia-ic;iC=ic ABCC
iA=ic;iB=-ib-ic;iC=ib CBAC
iA=ib;iB=-ib-ic;iC=ic BACC
CABC
BCAC
ACBC
A
A
A
A
A
A
iB
iB
iB
iB
iB
iB
B
B
B
B
B
B
iC
iC
iC
iC
iC
iC
C
C
C
C
C
C
ia a
ib b
ic c
in n
ia a
ib b
ic c
in n
ia a
ib b
ic c
in n
ia a
ib b
ic c
in n
ia a
ib b
ic c
in n
ia a
ib b
ic c
in n
iA=ia;iB=ib;iC=-ia-ib
iA=ib;iB=ia;iC=-ia-ib
iA=ic;iB=ia;iC=-ia-ic
iA=ic;iB=ib;iC=-ib-ic
iA=ib;iB=ic;iC=-ib-ic
iA=ia;iB=ic;iC=-ia-ic
34
Hình 3.4 Nhóm tổ hợp van thứ hai của biến tần ma trận trực tiếp 3 pha 4 nhánh
Hình 3.5 Nhóm tổ hợp van thứ ba của biến tần ma trận trực tiếp 3 pha 4 nhánh
35
3.2.2 Vectơ chuẩn trong biến tần ma trận trực tiếp 3 pha 4 nhánh
Tương ứng với mỗi trạng thái van có thể, sẽ có một vectơ điện áp ra và vectơ dòng
điện vào. Như vậy với 81 trạng thái van có thể sẽ tạo ra có 81 vectơ, các vectơ này được
biểu diễn trong bảng 3.1 dưới đây.
Bảng 3.1 Vectơ điện áp ra và dòng điện vào của tổ hợp van của MC 3×4
a b c n Van Vbn Vcn iB iC iA
A A A A 0 0 0 0 0 0
Vectơ không B B B B 0 0 0 0 0 0
→ 0 0 0 0 0 0 Trạng thái chuyển mạch C C C C
0 0 0 +1 Vectơ -ia ia A B B B +VAB
cố định 0 0 0 B A A A -1 ia -ia -VAB
0 0 0 +2 ia -ia B C C C +VBC
0 0 0 C B B B -2 -ia ia -VBC
0 0 0 +3 ia -ia C A A A +VCA
0 0 0 A C C C -3 -ia ia -VCA
0 0 B A B B 0 +4 -ib +VAB ib
0 0 A B A A 0 -4 ib -VAB -ib
0 0 C B C C 0 +5 ib -ib +VBC
0 0 B C B B 0 -5 -ib ib -VBC
0 0 A C A A 0 +6 ib +VCA -ib
0 0 C A C C 0 -6 -ib -VCA ib
0 0 B B A B 0 +7 -ic +VAB ic
0 0 A A B A 0 -7 ic -VAB -ic
0 0 C C B C 0 +8 ic -ic +VBC
0 0 B B C B 0 -8 -ic Ic -VBC
0 0 A A C A 0 +9 ic +VCA -ic
0 0 C C A C 0 -9 -ic -VCA ic
0 0 +10 A A B B +VAB +VAB ia+ib -ia-ib
0 0 -10 B B A A -VAB -VAB -ia-ib ia+ib
0 0 +11 B B C C +VBC +VBC ia+ib -ia-ib
0 0 -11 C C B B -VBC -VBC -ia-ib ia+ib
0 +12 C C A A 0 +VCA +VCA -ia-ib ia+ib
36
-12 A A C C 0 0 -VCA -VCA -ia-ib ia+ib
+13 0 0 A B A B +VAB +VAB ia+ic -ia-ic
-13 B A B A 0 0 -VAB -VAB -ia-ic ia+ic
+14 0 0 B C B C +VBC +VBC ia+ic -ia-ic
-14 C B C B 0 0 -VBC -VBC -ia-ic ia+ic
+15 0 0 C A C A +VCA +VCA -ia-ic ia+ic
-15 A C A C 0 0 -VCA -VCA ia+ic -ia-ic
+16 B A A B 0 0 0 +VAB ib+ic -ib-ic
-16 A B B A 0 0 0 -VAB -ib-ic ib+ic
+17 C B B C 0 0 0 +VBC ib+ic -ib-ic
-17 B C C B 0 0 0 -VBC -ib-ic ib+ic
+18 A C C A 0 0 0 +VCA -ib-ic ib+ic
-18 C A A C 0 0 0 -VCA ib_ic -ib-ic
+19 0 A A A B +VAB +VAB +VAB ia+ib+ic -ia-ib-ic
-19 0 B B B A -VAB -VAB -VAB -ia-ib-ic ia+ib+ic
+20 0 B B B C +VBC +VBC +VBC ia+ib+ic -ia-ib-ic
-20 C C C B 0 -VBC -VBC -VBC -ia-ib-ic ia+ib+ic
+21 0 C C C A +VCA +VCA +VCA -ia-ib-ic ia+ib+ic
-21 A A A C 0 -VCA -VCA -VCA ia+ib+ic -ia-ib-ic
A A B C -VCA -VCA +VBC ia+ib ic -ia-ib-ic
A B A C -VCA +VBC -VCA ia+ic ib -ia-ib-ic
B A A C +VBC -VCA -VCA ib+ic ia -ia-ib-ic
B B A C +VBC +VBC -VCA ic ia+ib -ia-ib-ic
Vectơ B A B C +VBC -VCA +VBC ib ia+ic -ia-ib-ic
quay A B B C -VCA +VBC +VBC ia ib+ic -ia-ib-ic
A A C B +VAB +VAB -VBC ia+ib -ia-ib-ic ic
A C A B +VAB -VBC +VAB ia+ic -ia-ib-ic ib
C A A B -VBC +VAB +VAB ib+ic -ia-ib-ic ia
C C A B -VBC -VBC +VAB ic -ia-ib-ic ia+ib
C A C B -VBC +VAB -VBC ib -ia-ib-ic ia+ic
A C C B +VAB -VBC -VBC ia -ia-ib-ic ib+ic
B B C A ic -VAB -VAB +VCA -ia-ib-ic ia+ib
B C B A ib -VAB +VCA -VAB -ia-ib-ic ia+ic
37
C B B A +VCA -VAB -VAB -ia-ib-ic ib+ic ia
C C B A +VCA +VCA -VAB -ia-ib-ic ic ia+ib
C B C A +VCA -VAB +VCA -ia-ib-ic ib ia+ic
B C C A -VAB +VCA +VCA -ia-ib-ic ia ib+ic
A B C A 0 -VAB VCA -ib-ic ib ic
B A C A 0 -VAB VCA -ia-ic ia ic
B C A A 0 -VAB VCA -ia-ib ia ib
0 C B A A +VCA -VAB -ia-ib ib ia
0 C A B A +VCA -VAB -ia-ic ic ia
A C B A 0 VCA -VAB -ib-ic ic ib
0 A B C B +VAB -VBC ia -ia-ic ic
B A C B 0 VAB -VBC ib -ib-ic ic
B C A B 0 -VBC VAB ic -ib-ic ib
C B A B 0 -VBC VAB ic -ia-ic ia
C A B B 0 -VBC VAB ib -ia-ib ia
0 A C B B +VAB -VBC ia -ia-ib ib
A B C C 0 -VCA VBC ia ib -ia-ib
0 B A C C +VBC -VCA ib ia -ia-ib
C B A C 0 VBC -VCA ic ia -ia-ic
C A B C 0 -VCA VBC ic ib -ib-ic
0 B C A C +VBC -VCA ib ic -ib-ic
A C B C 0 -VCA VBC ia ic -ia-ic
Các vectơ điện áp ra và dòng điện vào được chia làm ba loại, vectơ không, vectơ cố
định và vectơ quay. Các vectơ trong ba hàng đầu tiên của bảng 3.1 là các vectơ không,
tương ứng với trạng thái các pha đầu ra
được nối với một pha bất kỳ của đầu vào,
các vectơ này có độ dài bằng không. Các
vectơ trong 42 hàng tiếp theo của bảng 3.1
là các vectơ cố định, các vectơ này có
phương cố định trong không gian và có độ
dài khác không. Các vectơ cố định được
chia thành từng cặp, mỗi cặp bao gồm hai
tổ hợp van có trạng thái đóng cắt ngược
Hình 3.6 Mối quan hệ giữa hai hệ tọa độ [28]
38
nhau, được biểu biễn từng cặp là ±v, trong đó v là thứ tự của vectơ, như vậy với 42 vectơ
cố định tạo thành 21 cặp. Các vectơ trong 36 hàng cuối của bảng 3.1 là các vectơ quay, các
vectơ này có phương không cố định và có độ dài khác không. Cho đến hiện nay chưa có
phương pháp nào sử dụng vectơ quay cho quá trình điều biến, cho nên chỉ có các vectơ cố
định và vectơ không được sử dụng cho quá trình điều biến. Như đã phân tích ở trên, quá
trình điều biến cho MC 3×4 được thực hiện trong hệ tọa độ , nên các vectơ cố định và
vectơ không được chuyển sang hệ tọa độ .
Một vectơ X bất kỳ trong hệ tọa độ decac được phân tích thành ba thành phần
[28]
X iX
jX
kX
(3.1)
Mối quan hệ và công thức chuyển đổi giữa hai hệ tọa độ abc & được chỉ ra
T
X X X
T. X X X
trên hình 3.6 và trong các biểu thức (3.2a) và (3.2b) [28].
α
β
γ
b
a
c
T
T
T
X X X
T . X X X
(3.2a)
b
a
c
α
β
γ
1
(3.2b)
1
trong đó T là ma trận chuyển đổi giữa hai hệ tọa độ, có giá trị như biểu thức (3.3) [28].
T
0
2 3
1 2
1 2 3 2 1 2
1 2 3 2 1 2
(3.3)
Các vectơ cố định và vectơ không của MC 3×4 trong không gian được biểu
diễn trong bảng 3.2 dưới đây.
Bảng 3.2 Vectơ điện áp ra và dòng điện vào của MC 3×4 trong hệ tọa độ
a b
c n Vα
Vβ
Vγ
Iα
Iβ
Iγ
A A A A
0
0
0
0
0
0
Vectơ không
B B B B
0
0
0
0
0
0
→
Trạng thái chuyển mạch
C C C C
0
0
0
0
0
0
1
i
V
V
0
+1
A B B B
0
a
AB
AB
ai
1 3
2 3
3
i
V
V
0
-1
B A A A
0
a
AB
AB
ai
1 3
2 3
1 3
i
V
V
0
+2
B C C C
0
0
a
BC
BC
1 3
2 3
2 3
2
V
i
V
BC
-2
C B B B
0
0
0
a
BC
2 3
1 3
3
i
V
V
+3
C A A A
0
0
a
CA
CA
ai
1 3
2 3
1 3
39
Vectơ
i
V
V
-3
A C C C
0
0
a
CA
CA
ai
1 3
1 3
2 3
cố định
i
V
V
V
+4
B A B B
0
AB
b
AB
AB
bi
1 3
1 3
1 3
1 3
i
V
V
V
-4
A B A A
0
AB
b
AB
AB
bi
1 3
1 3
1 3
1 3
2
1
i
V
V
V
+5
C B C C
0
0
BC
b
BC
BC
1 3
1 3
3
3
2
1
i
V
V
V
-5
B C B B
0
0
BC
b
BC
BC
1 3
1 3
3
3
1
1
i
V
V
V
+6
A C A A
0
CA
bi
b
CA
CA
1 3
1 3
3
3
1
1
i
V
V
V
-6
C A C C
0
CA
b
CA
CA
bi
1 3
1 3
3
3
i
V
V
V
AB
+7
B B A B
0
c
AB
AB
ci
1 3
1 3
1 3
1 3
i
V
V
V
-7
A A B A
0
AB
c
AB
AB
ci
1 3
1 3
1 3
1 3
i
V
V
V
+8
C C B C
0
0
BC
c
BC
BC
1 3
1 3
2 3
1 3
i
V
V
V
-8
B B C B
0
0
BC
c
BC
BC
1 3
1 3
2 3
1 3
1
1
i
V
V
V
+9
A A C A
0
CA
c
CA
CA
ci
1 3
1 3
3
3
1
1
i
V
V
V
-9
C C A C
0
CA
c
CA
CA
ci
1 3
1 3
3
3
1
1
V
i
V
V
i
+10 A A B B
0
AB
a
i b
AB
AB
a
i b
1 3
2 3
3
3
1
1
V
i
V
V
i
i
-10
B B A A
0
AB
a
i b
AB
AB
b
a
1 3
2 3
3
3
V
V
V
i
BC
0
+11 B B C C
0
a
i b
BC
BC
1 3
2 3
1 3
2 3
V
V
V
i
0
-11
C C B B
0
BC
a
i b
BC
BC
1 3
2 3
1 3
2 3
V
V
V
i
i
i
+12 C C A A
0
CA
a
i b
CA
CA
b
a
1 3
2 3
1 3
1 3
V
i
V
V
i
-12 A A C C
0
CA
a
i b
CA
CA
a
i b
1 3
2 3
1 3
1 3
1
1
V
V
i
V
i
AB
+13 A B A B
0
AB
a
i c
AB
a
i c
1 3
2 3
3
3
V
i
V
V
i
i
AB
-13
B A B A
0
a
i c
AB
AB
a
c
1 3
1 3
1 3
2 3
V
V
V
i
+14 B C B C
0
0
BC
a
i c
BC
BC
1 3
2 3
1 3
2 3
V
V
V
i
-14
C B C B
0
0
BC
a
i c
BC
BC
1 3
2 3
1 3
2 3
V
V
V
i
i
i
+15 C A C A
0
CA
a
i c
CA
CA
a
c
1 3
2 3
1 3
1 3
1
1
V
i
V
V
i
-15 A C A C
0
CA
a
i c
CA
CA
a
i c
1 3
2 3
3
3
1
i
V
V
i
+16 B A A B
0
0
b
i c
AB
AB
b
i c
2 3
2 3
3
1
i
V
V
i
i
-16 A B B A
0
0
b
i c
AB
AB
b
c
2 3
2 3
3
2
V
V
i
+17 C B B C
0
0
0
b
i c
BC
BC
2 3
2 3
3
V
V
i
-17
B C C B
0
0
0
b
i c
BC
BC
2 3
2 3
2 3
V
V
i
i
i
0
+18 A C C A
0
b
i c
CA
CA
b
c
2 3
2 3
1 3
V
V
i
i
0
-18
C A A C
0
b
i c
CA
CA
b
i c
2 3
2 3
1 3
i
i
a
c
i
i
i
0
+19 A A A B
0
0
a
b
c
+VAB
i b 3
i
i
a
c
i
i
i
0
-19
B B B A
0
0
b
a
c
-VAB
i b 3
i
2 i
a
c
0
+20 B B B C
0
0
0
+VBC
i b 3
i
2 i
a
c
0
-20
C C C B
0
0
0
-VBC
i b 3
i
i
a
c
i
i
i
0
+21 C C C A
0
0
b
a
c
+VCA
i b 3
i
i
a
c
i
i
i
0
-21 A A A C
0
0
a
b
c
-VCA
i b 3
40
3.2.3 Biểu diễn hình học các vectơ chuẩn
Các vectơ chuẩn được sử dụng để tổng hợp vectơ điện áp ra và vectơ dòng điện vào
của MC 3×4 bao gồm 45 vectơ, trong đó có 21 cặp vectơ cố định và ba vectơ không, ứng
với mỗi vectơ chuẩn sẽ xác định được vectơ điện áp ra, vectơ này có độ dài và vị trí xác
41
định. Phía đầu vào của MC 3×4 có ba nhánh nên khi chuyển vectơ dòng điện vào sang hệ
tọa độ αβγ , thành phần γ có giá trị bằng không, nên quỹ đạo của vectơ dòng điện vào nằm
trên mặt phẳng αβ . Giả thiết rằng, điện áp lưới là ba pha đối xứng và tần số trích mẫu lớn
hơn nhiều lần tần số lưới, nên có thể coi điện áp dây của lưới là không đổi trong mỗi chu
kỳ trích mẫu. Biểu diễn hình học các vectơ dòng điện vào trên mặt phẳng αβ được chỉ ra
trên hình 3.7a. Các vectơ chuẩn chia mặt phẳng αβ thành sáu phần bằng nhau, được đánh
số từ I VI, gọi là các sectơ. Mỗi sectơ có sự tham gia của 14 cặp vectơ cố định, được chỉ
0 2 ± ; 7 1 ± ; 4 1 ± ; 1 1 ± ; 8 ± ; 5 ± ; 2 ±
0 2 ± ; 7 1 ± ; 4 1 ± ; 1 1 ± ; 8 ± ; 5 ± ; 2 ±
ra trong bảng 3.3. Nối đỉnh của các vectơ chuẩn nhận được một hình lục lăng.
Hình 3.7 Biểu diễn hình học các vectơ chuẩn trong hệ tọa độ a) Vectơ không gian dòng điện vào; b) vectơ không gian điện áp ra
Bảng 3.3 Bố trí các vectơ chuẩn trong sectơ dòng điện vào.
Sectơ
I
II
III
IV ±3 ±1 ±2 ±3 ±1 ±2 ±3 ±1 Vectơ không gian dòng điện vào ±12 ±10 ±11 ±12 ±10 ±11 ±12 ±10 ±15 ±13 ±14 ±15 ±13 ±14 ±15 ±13 ±9 ±7 ±8 ±9 ±7 ±8 ±9 ±7 ±18 ±16 ±17 ±18 ±16 ±17 ±18 ±16 ±6 ±4 ±5 ±6 ±4 ±5 ±6 ±4 ±21 ±19 ±20 ±21 ±19 ±20 ±21 ±19
42
V
VI ±2 ±3 ±1 ±2 ±5 ±6 ±4 ±5 ±8 ±9 ±7 ±8 ±11 ±12 ±10 ±11 ±14 ±15 ±13 ±14 ±17 ±18 ±16 ±17 ±20 ±21 ±19 ±20
Phía đầu ra của MC 3×4 có bốn nhánh nên khi chuyển vectơ điện áp ra sang hệ tọa
độ αβγ , thành phần γ có thể có giá trị khác không, khi đó quỹ đạo vectơ điện áp ra nằm
trong không gian. Biểu diễn hình học các vectơ chuẩn điện áp ra sẽ được một hình lục lăng
trong không gian, được chỉ ra trên hình 3.7b. Các vectơ chuẩn chia hình lục lăng thành sáu
hình lăng trụ, được đánh số từ I VI, trong mỗi hình lăng trụ có sự tham gia của 33 vectơ,
trong đó có 15 cặp vectơ cố định và ba vectơ không, các lăng trụ được biểu diễn trên hình
3.8. Trong mỗi hình lăng trụ, các vectơ chuẩn chia hình lăng trụ thành bốn tứ diện, trong
mỗi tứ diện có sự tham gia của 21 vectơ chuẩn, trong đó có 18 cặp vectơ cố định và ba
vectơ không. Hình 3.9 minh họa việc chia lăng trụ I thành bốn tứ diện, việc chia các lăng
trụ còn lại thành các tứ diện được thực hiện tương tự. Như vậy trong toàn bộ không gian
hình lục lăng sẽ có tất cả 24 tứ diện, được bố trí theo bảng 3.4.
Bảng 3.4 Bố trí các vectơ chuẩn trong tứ diện của hình lăng trụ.
1 2 3 4 Lăng trụ
Tứ diện 2 V1 ±1;±2;±3 Tứ diện 14 V1 ±1;±2;±3 I
Tứ diện 16 V1 ±4;±5;±6 V3 ±7;±8;±9 Tứ diện 4 V1 ±4;±5;±6 II
Tứ diện 18 V1 ±4;±5;±6 V3 ±7;±8;±9 Tứ diện 6 V1 ±4;±5;±6 III
V3 ±1;±2;±3 Tứ diện 8 V1 ±7;±8;±9 Tứ diện 20 V1 ±7;±8;±9 IV
V3 ±1;±2;±3 Tứ diện 10 V1 ±7;±8;±9 Tứ diện 22 V1 ±7;±8;±9 V
V3 ±4;±5;±6 Tứ diện 12 V1 ±1;±2;±3 Tứ diện 24 V1 ±1;±2;±3 VI
Tứ diện 13 Tứ diện 1 V1 ±1;±2;±3 V1 ±19;±20;±21 V2 ±16;±17;±18 V2 ±10;±11;±12 V2 ±10;±11;±12 V2 ±16;±17;±18 V3 ±19;±20;±21 V3 ±7;±8;±9 V3 ±7;±8;±9 Tứ diện 15 Tứ diện 3 V1 ±4;±5;±6 V1 ±19;±20;±21 V2 ±10;±11;±12 V2 ±13;±14;±15 V2 ±10;±11;±12 V2 ±13;±14;±15 V3 ±19;±20;±21 V3 ±7;±8;±9 V3 ±7;±8;±9 Tứ diện 17 Tứ diện 5 V1 ±4;±5;±6 V1 ±19;±20;±21 V2 ±13;±14;±15 V2 ±16;±17;±18 V2 ±16;±17;±18 V2 ±13;±14;±15 V3 ±19;±20;±21 V3 ±1;±2;±3 V3 ±1;±2;±3 Tứ diện 19 Tứ diện 7 V1 ±7;±8;±9 V1 ±19;±20;±21 V2 ±16;±17;±18 V2 ±10;±11;±12 V2 ±16;±17;±18 V2 ±10;±11;±12 V3 ±19;±20;±21 V3 ±1;±2;±3 V3 ±1;±2;±3 Tứ diện 21 Tứ diện 9 V1 ±19;±20;±21 V1 ±7;±8;±9 V2 ±10;±11;±12 V2 ±13;±14;±15 V2 ±13;±14;±15 V2 ±10;±11;±12 V3 ±19;±20;±21 V3 ±4;±5;±6 V3 ±4;±5;±6 Tứ diện 23 Tứ diện 11 V1 ±19;±20;±21 V1 ±1;±2;±3 V2 ±13;±14;±15 V2 ±16;±17;±18 V2 ±13;±14;±15 V2 ±16;±17;±18 V3 ±4;±5;±6 V3 ±19;±20;±21 V3 ±4;±5;±6 V3 ±4;±5;±6
43
Hình 3.8 Vị trí sáu hình lăng trụ trong hệ tọa độ
Hình 3.9 Các tứ diện trong lăng trụ I
3.3 Tổng hợp vectơ điện áp ra và vectơ dòng điện vào
Trong một chu kỳ điều biến, biến tần ma trận sẽ thực hiện tổng hợp đồng thời vectơ
điện áp ra và vectơ dòng điện vào. Phụ thuộc vào vị trí trong không gian của vectơ điện áp
44
ra và vectơ dòng điện vào mà các vectơ chuẩn khác nhau được sử dụng để tổng hợp vectơ
điện áp ra và dòng điện vào. Do đó để tổng hợp vectơ điện áp ra và vectơ dòng điện vào
phải xác định được các vectơ chuẩn sẽ được sử dụng để tổng hợp trong từng trường hợp.
Việc xác định được vectơ chuẩn trong từng trường hợp bao gồm: Xác định vị trí vectơ cần
tổng hợp trong không gian; Đồng bộ vectơ dòng điện đầu vào với vectơ điện áp lưới đầu
vào; Xác định vectơ chuẩn cần thiết để tổng hợp vectơ điện áp ra và vectơ dòng điện vào.
3.3.1 Xác định vị trí vectơ cần tổng hợp trong không gian
Dựa vào hình chiếu của vectơ chuẩn trên mặt phẳng αβ trên hình 3.11, có thể xác
refV được biểu diễn thông qua thành phần
định được lăng trụ có chứa vectơ điện áp đặt
αV và
V V V β γ
α
βV , được biểu diễn
nhờ việc xét dấu và so sánh giá trị giữa
vectơ
trong bảng 3.5.
Bảng 3.5 Xác định vị trí vectơ trong không gian
V
V
3 V
α
3 V β
Lăng trụ
V V
V
Góc phần tư
+ x I
+ x II
+ - x x III IV
- x V
1 1 2 2 3 3 4 4 + + - - + + - - - x VI
Phụ thuộc vào vị trí không gian của các vectơ chuẩn trong hệ tọa độ abc, được biểu
diễn trên hình 3.10, sẽ nhận được dấu của các điện áp pha đầu ra, được thể hiện trong bảng
3.6. Dựa vào dấu của các điện áp pha đầu ra có thể xác định được tứ diện có chứa vectơ
a)
b)
điện áp đặt [7].
Hình 3.10 a) Hình chiếu của vectơ chuẩn trên mặt phẳng ; b) Biểu diễn các vectơ chuẩn trong hệ tọa độ abc [27]
45
Bảng 3.6 Dấu điện áp ra của các tứ diện trong lăng trụ
Tứ diện Vectơ chuẩn Lăng trụ
I
II
III
IV
V
VI
±7;±8;±9, ±16;±17;±18, ±1;±2;±3 ±1;±2;±3, ±10;±11;±12, ±7;±8;±9 ±19;±20;±21, ±16;±17;±18, ±7;±8;±9 ±19;±20;±21, ±10;±11;±12 , ±1;±2;±3 ±4;±5;±6, ±10;±11;±12, ±7;±8;±9 ±7;±8;±9, ±13;±14;±15, ±4;±5;±6 ±19;±20;±21, ±13;±14;±15, ±7;±8;±9 ±19;±20;±21, ±10;±11;±12, ±4;±5;±6 ±1;±2;±3, ±13;±14;±15, ±4;±5;±6 ±4;±5;±6 , ±16;±17;±18, ±1;±2;±3 ±19;±20;±21, ±13;±14;±15 , ±1;±2;±3 ±19;±20;±21, ±4;±5;±6 , ±16;±17;±18 ±7;±8;±9 , ±16;±17;±18, ±1;±2;±3 ±1;±2;±3 , ±10;±11;±12 , ±7;±8;±9 ±19;±20;±21, ±10;±11;±12 , ±1;±2;±3 ±19;±20;±21, ±16;±17;±18, ±7;±8;±9 ±4;±5;±6 , ±10;±11;±12 , ±7;±8;±9 ±7;±8;±9 , ±13;±14;±15 , ±4;±5;±6 ±19;±20;±21, ±4;±5;±6 , ±10;±11;±12 ±10;±11;±12 , ±7;±8;±9 , ±13;±14;±15 ±1;±2;±3 , ±13;±14;±15 , ±4;±5;±6 ±4;±5;±6 , ±16;±17;±18, ±1;±2;±3 ±19;±20;±21, ±16;±17;±18, ±4;±5;±6 ±7;±8;±9 , ±1;±2;±3 , ±13;±14;±15 1 2 13 14 3 4 15 16 5 6 17 18 7 8 19 20 9 10 21 22 11 12 23 24 Dấu của điện áp pha Van > 0 >Vbn > Vcn Van >Vbn > 0 >Vcn 0 > Van >Vbn > Vcn Vcn >Vbn > Vcn > 0 Vbn >Van > 0 > Vcn Vbn > 0 > Van > Vcn 0 > Vbn > Van > Vcn Vbn >Van > Vcn > 0 Vbn > 0 >Vcn > Van Vbn >Vcn > 0 > Van 0 > Vbn > Vcn > Van Vbn >Vcn > Van > 0 Vcn >Vbn > 0 > Van Vcn > 0 >Vbn > Van 0 > Vcn > Vbn > Van Vcn >Vbn > Van > 0 Vcn > 0 > Van > Vbn Vcn >Van > 0 > Vbn 0 > Vcn > Van > Vbn Vcn >Van > Vbn > 0 Van >Vcn > 0 > Vbn Van > 0 > Vcn > Vbn 0 > Van > Vcn > Vbn Van >Vcn > Vbn > 0 3.3.2 Đồng bộ vectơ dòng điện vào với vectơ điện áp lưới
Biểu diễn hình học của vectơ không gian điện áp vào và vectơ không gian dòng
điện vào được chỉ ra trên hình 3.11a. Tương tự như trong biến tần ma trận 3 pha 3 nhánh,
các phương pháp đồng bộ khác nhau sẽ cho ra các sơ đồ điều biến khác nhau, có các hiệu
quả khác nhau đối với hệ số truyền áp, độ méo phi tuyến của dòng điện và tổn thất trên van
trong quá trình chuyển mạch [1]. Sơ đồ đồng bộ cho MC 3×4 được sử dụng theo hình
1
2
8 ; ±
1
5 ; ±
1
2 ; ±
1
9 ; ±
6 ; ±
3 ; ±
±
±1;±4;±7;±10;±13;±16;±19
1
2
8 ; ±
1
5 ; ±
1
2 ; ±
1
±1;±4;±7;±10;±13;±16;±19
9 ; ±
6 ; ±
3 ; ±
±
a)
b)
3.11b, trong trường hợp này sử dụng hai điện áp dây có giá trị lớn nhất trong mỗi sector.
Hình 3.11 a) Vectơ không gian điện áp vào và vectơ không gian dòng điện vào; b) Đồng bộ điện áp lưới với các sector dòng đầu vào.
46
3.3.3. Xác định vectơ chuẩn để tổng hợp vectơ điện áp ra và vectơ dòng
điện vào
1
2
Giả sử vectơ không gian
8 ; ±
1
5 ; ±
1
2 ; ±
1
9 ; ±
dòng điện vào đang thuộc sectơ I
6 ; ±
3 ; ±
±
và vectơ không gian điện áp ra
đang thuộc tứ diện 11, được biểu
±1;±4;±7;±10;±13;±16;±19
diễn trên hình vẽ 3.12. Ở tứ diện
này, vectơ điện áp ra có thể được
tổng hợp từ các vectơ chuẩn sau:
1; 2; 3; 4; 5; 6; 13; 14;
15 [8]. Tương tự như vậy, khi ở Hình 3.12 Vectơ không gian điện áp ra thuộc tứ diện 11 và vectơ không gian dòng điện vào thuộc sectơ I
trong sectơ I, vectơ dòng điện có thể được tổng hợp từ các vectơ chuẩn sau: 1; 3; 4;
6; 7; 9; 10; 12; 13; 15; 16; 18; 19; 21 [8].
Trong mỗi chu kỳ điều biến, biến tần có nhiệm vụ tổng hợp đồng thời cả dòng điện
vào và điện áp ra, do đó chỉ có các cặp vectơ chuẩn đồng thời xuất hiện ở cả hai trường
hợp sẽ được sử dụng. Từ đó loại bớt được các cặp vectơ không sử dụng và còn lại các cặp
vectơ chuẩn như sau: 1; 3; 4; 6; 13; 15 [8].
Như vậy còn 12 vectơ chuẩn có thể được sử dụng để tổng hợp nên vectơ dòng điện
vào và điện áp ra, có thể giảm thiểu hơn nữa nhờ điều kiện điện áp đầu vào. Dựa vào bảng
các vectơ chuẩn xác định được các điện áp dây đầu vào sẽ sử dụng để điều chế trong từng
sectơ, được chỉ ra trong bảng 3.7 dưới đây.
Bảng 3.7 Điện áp dây được sử dụng trong điều chế
Sectơ Điện áp sử dụng trong điều chế Sectơ Điện áp sử dụng trong điều chế
I IV UAB UCA UAB UCA
II V UCA UBC UCA UBC
III VI UBC UAB UBC UAB
Trong sectơ I hai điện áp dây là UAB và UCA được sử dụng cho quá trình điều chế,
dựa vào sơ đồ đồng bộ trên hình 3.8a có thể nhận thấy trong sectơ I điện áp dây đầu vào
UAB luôn dương và UCA luôn âm. Trong tứ diện 11, điện áp dây đầu ra Uab luôn dương và
Uca luôn âm (từ bảng xét dấu của điện áp pha đầu ra). Từ đó dễ dàng lựa chọn được các
vectơ chuẩn trong các cặp vectơ còn lại để sử dụng cho quá trình điều chế như sau: +1; -3;
47
-4; +6; +13; -15 [8]. Kết hợp sáu sectơ dòng điện vào với 24 tứ diện điện áp ra sẽ nhận
được 144 trường hợp.
Tương tự như trên sẽ lựa chọn được các vectơ chuẩn cần thiết để tổng hợp dòng
vào và điện áp ra cho mỗi trường hợp. Do tính chất đối xứng của các sectơ và tứ diện sẽ có
từng cặp sectơ và tứ diện giống nhau, như vậy sẽ còn 72 trường hợp, được biểu diễn trong
bảng 3.8 dưới đây.
Bảng 3.8 Các vectơ chuẩn sử dụng trong tổng hợp dòng điện vào, điện áp ra của MC 3×4
STT Vectơ chuẩn
Ui – Ij (i = 1÷24, j=1÷6) U7-I4 U1-I1 U7-I5 U1-I2 U7-I6 U1-I3 U7-I1 U1-I4 U7-I2 U1-I5 U7-I3 U1-I6 U8-I4 U2-I1 U8-I5 U2-I2 U8-I6 U2-I3 U8-I1 U2-I4 U8-I2 U2-I5 U8-I3 U2-I6 U9-I4 U3-I1 U9-I5 U3-I2 U9-I6 U3-I3 U9-I1 U3-I4 U9-I2 U3-I5 U9-I3 U3-I6 U10-I4 U4-I1 U10-I5 U4-I2 U10-I6 U4-I3 U10-I1 U4-I4 U10-I2 U4-I5 U10-I3 U4-I6 U11-I4 U5-I1 U11-I5 U5-I2 U11-I6 U5-I3 U11-I1 U5-I4 U11-I2 U5-I5 U11-I3 U5-I6 U12-I4 U6-I1 U12-I5 U6-I2 U12-I6 U6-I3 U12-I1 U6-I4 U12-I2 U6-I5 U12-I3 U6-I6 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 -3 -8 -1 -9 -2 -7 -3 -8 -1 -9 -2 -7 -6 -8 -4 -9 -5 -7 -6 -8 -4 -9 -5 -7 -6 -2 -4 -3 -5 -1 -6 -2 -4 -3 -5 -1 +9 +2 +7 +3 +8 +1 +9 +2 +7 +3 +8 +1 +9 +5 +7 +6 +8 +4 +9 +5 +7 +6 +8 +4 +3 +5 +1 +6 +2 +4 +3 +5 +1 +6 +2 +4 -7 -3 -8 -1 -9 -2 -7 -3 -8 -1 -9 -2 -7 -6 -8 -4 -9 -5 -7 -6 -8 -4 -9 -5 -1 -6 -2 -4 -3 -5 -1 -6 -2 -4 -3 -5 -16 +18 -17 +16 -18 +17 +10 -12 +11 -10 +12 -11 +10 -12 +11 -10 +12 -11 -13 +15 -14 +13 -15 +14 -13 +15 -14 +13 -15 +14 +16 -18 +17 -16 +18 -17 +1 +9 +2 +7 +3 +8 +1 +9 +2 +7 +3 +8 +4 +9 +5 +7 +6 +8 +4 +9 +5 +7 +6 +8 +4 +3 +5 +1 +6 +2 +4 +3 +5 +1 +6 +2 +18 -17 +16 -18 +17 -16 -12 +11 -10 +12 -11 +10 -12 +11 -10 +12 -11 +10 +15 -14 +13 -15 +14 -13 +15 -14 +13 -15 +14 -13 -18 +17 -16 +18 -17 +16
48
+21 -8 +19 -9 +20 -7 -3 +20 -1 +21 -2 +19 +21 -8 +19 -9 +20 -7 -6 +20 -4 +21 -5 +19 +21 -2 +19 -3 +20 -1 -6 +20 -4 +21 -5 +19 +18 -17 +16 -18 +17 -16 -12 +11 -10 +12 -11 +10 +15 -14 +13 -15 +14 -13 -12 +11 -10 +12 -11 +10 +15 -14 +13 -15 +14 -13 -18 +17 -16 +18 -17 +16 +9 -20 +7 -21 +8 -19 -21 +2 -19 +3 -20 +1 +9 -20 +7 -21 +8 -19 -21 +5 -19 +6 -20 +4 +3 -20 +1 -21 +2 -19 -21 +5 -19 +6 -20 +4 -7 +21 -8 +19 -9 +20 +19 -3 +20 -1 +21 -2 -7 +21 -8 +19 -9 +20 +19 -6 +20 -4 +21 -5 -1 +21 -2 +19 -3 +20 +19 -6 +20 -4 +21 -5 -16 +18 -17 +16 -18 +17 +10 -12 +11 -10 +12 -11 -13 +15 -14 +13 -15 +14 +10 -12 +11 -10 +12 -11 -13 +15 -14 +13 -15 +14 +16 -18 +17 -16 +18 -17 -19 +9 -20 +7 -21 +8 +1 -21 +2 -19 +3 -20 -19 +9 -20 +7 -21 +8 +4 -21 +5 -19 +6 -20 -19 +3 -20 +1 -21 +2 +4 -21 +5 -19 +6 -20 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 U13-I1 U20-I4 U13-I2 U20-I5 U13-I3 U20-I6 U13-I4 U20-I1 U13-I5 U20-I2 U13-I6 U20-I3 U14-I1 U19-I4 U14-I2 U19-I5 U14-I3 U19-I6 U14-I4 U19-I1 U14-I5 U19-I2 U14-I6 U19-I3 U15-I1 U22-I4 U15-I2 U22-I5 U15-I3 U22-I6 U15-I4 U22-I1 U15-I5 U22-I2 U15-I6 U22-I3 U16-I1 U21-I4 U16-I2 U21-I5 U16-I3 U21-I6 U16-I4 U21-I1 U16-I5 U21-I2 U16-I6 U21-I3 U17-I1 U24-I4 U17-I2 U24-I5 U17-I3 U24-I6 U17-I4 U24-I1 U17-I5 U24-I2 U17-I6 U24-I3 U18-I1 U23-I4 U18-I2 U23-I5 U18-I3 U23-I6 U18-I4 U23-I1 U18-I5 U23-I2 U18-I6 U23-I3
3.4 Xác định tỉ số điều biến cho các vectơ chuẩn
Việc xác định thời gian thực hiện các vectơ để tạo nên vectơ dòng điện vào và
vectơ điện áp ra mong muốn được thực hiện theo phương pháp vectơ. Xét trường hợp
vectơ không gian dòng điện đang ở trong sectơ I và vectơ không gian điện áp ra đang ở
trong tứ diện 11. Vectơ điện áp được tổng hợp từ ba vectơ thành phần có phương trùng với
'' ''' V , V , V 0 0
' 0
ba cạnh của tứ diện là , mỗi vectơ này lại được tổng hợp từ các cặp vectơ chuẩn
có cùng phương tương ứng là -4, +6; +13, -15; +1, -3, được biểu diễn trên hình 3.13 [8].
v1
v2
I1
1 , - 3
+
5
vi
i
6 , - 1
- 3 , +
i
i3
v0 v’’0
i2
i1
v3
v’0
v’’’0 -4, +6
+1, -4, +13
I2
49
Hình 3.13 Tổng hợp vectơ điện áp ra và vectơ dòng điện vào
Như vậy sẽ nhận được các phương trình biểu diễn vectơ điện áp cần tổng hợp và
các vectơ thành phần như các biểu thức (3.1), (3.2a), (3.2b), (3.2c).
V 0
' V 0
'' V 0
''' V 0
I
II
(3.1)
' V 0
V 6
V 4
III
IV
(3.2a)
'' V 0
V
15
V
13
V
VI
(3.2b)
''' V 0
V
3
V
1
I
III
V
II
VI 1 IV
(3.2c)
trong đó: I, II, III, IV, V, VI là các tỉ số điều biến tương ứng cho sáu vectơ
chuẩn được sử dụng để tổng hợp vectơ điện áp ra +6, -4; -15, +13; -3, +1.
Vectơ dòng điện sẽ được tổng hợp từ ba vectơ có cùng phương với nó Ii1, Ii2, Ii3. Ba
vectơ này cũng được tổng hợp từ ba cặp vectơ thành phần có phương nằm trên hai cạnh
của mỗi sectơ, đó là -4, +6; +13, -15; +1, -3, được biểu diễn trên hình 3.13. Như vậy sẽ
nhận được các phương trình biểu diễn vectơ dòng điện cần tổng hợp và các vectơ thành
phần như các biểu thức (3.3), (3.4a), (3.4b), (3.4c).
I
I
I
I
i
i1
i2
i3
I
II
I
I
I
(3.3)
i1
6
4
(3.4a)
III
IV
50
I
I
I
i2
15
13
V
VI
(3.4b)
I
I
I
i3
3
1
(3.4c)
Như vậy từ các biểu thức (3.2a), (3.2b), (3.2c) sẽ tổng hợp được các vectơ thành
' 0
và từ các biểu thức (3.4a), (3.4b), (3.4c) sẽ tổng hợp được các vectơ thành phần
'' ''' V , V , V 0 0 I , I , I i1 i2
i3
, điều này có nghĩa là sẽ tổng hợp được vectơ điện áp ra và vectơ dòng điện phần
vào.
Các trường hợp còn lại được thực hiện tương tự như trên. Các biểu thức (3.5),
(3.6a), (3.6b), (3.6c) là biểu diễn cho tổng quát cho việc tổng hợp vectơ điện áp ra, các biểu
thức (3.7), (3.8a), (3.8b), (3.8c) là biểu diễn cho tổng quát cho việc tổng hợp vectơ dòng
điện vào.
Vectơ điện áp thành phần
V 0
' V 0
'' V 0
''' V 0
I
II
(3.5)
I V 0
II V 0
' V 0
III
IV
(3.6a)
III V 0
IV V 0
'' V 0
V
VI
(3.6b)
V V 0
VI V 0
''' V 0
(3.6c)
Vectơ dòng điện thành phần
I
I
I
I
i
i1
i2
i3
I
II
(3.7)
I
II I i
I I i
i1
III
IV IV I
I
(3.8a)
III I i
i
i2
(3.8b)
VI VI I
I
V V I i
i
i3
(3.8c)
trong đó: I, II, III, IV, V, VI là các tỉ số điều biến tương ứng cho 6 vectơ chuẩn.
'' ''' V , V , V 0 0
' 0
là các vectơ điện áp thành phần;
I , I , I i1 i2
i3
là các vectơ dòng điện thành phần;
51
III VI V , V , V , V , V , V 0 0
IV 0
V 0
II 0
I 0
là các vectơ điện áp chuẩn;
I II VI , I I , I I i i i
IV V I , I i i
III i
là các vectơ dòng điện chuẩn.
Khi vectơ dòng điện đầu vào trùng pha với điện áp vào thì vectơ dòng điện đầu vào
và vectơ pháp tuyến của vectơ điện áp vào vuông góc với nhau. Do đó tích vô hướng của
vectơ dòng điện vào với vectơ pháp tuyến của vectơ điện áp vào phải có giá trị bằng
không, từ đó thiết lập được các mối quan hệ giữa các đại lượng, được biểu diễn trong các
j n 1
I
II
3
j je e
0
biểu thức (3.9), (3.10), (3.11) [8].
I I i
II I i
(3.9)
j n 1
3
III
j je e
0
III I i
IV IV I i
(3.10)
j n 1
3
j je e
0
V V I i
IV IV I i
(3.11)
trong đó “ ” là phép nhân vô hướng, V0 là vectơ điện áp đầu ra, Ii là vectơ dòng
điện đầu vào, ξ là góc pha của dòng đầu vào, được tính từ đường ở giữa của mỗi sectơ và n
là chỉ số sectơ của vectơ dòng điện (n = 1÷6).
Từ các biểu thức (3.9), (3.10), (3.11) và các phép tính hình học được chỉ ra trên
hình 3.12 nhận được các biểu thức (3.12), (3.13), (3.14).
Hình 3.14 Xác định tỉ số điều biến
cos
I
52
II
cos
3 3
cos
III
(3.12)
IV
cos
3 3
cos
V
(3.13)
VI
cos
3 3
(3.14)
cos
I
III
V
So sánh các biểu thức (3.12), (3.13), (3.14) nhận được biểu thức (3.15).
II
IV
VI
cos
3 3
(3.15)
Thay (3.15) vào các biểu thức (3.6a), (3.6b), (3.6c) và biến đổi, xác định được tỉ số
điều biến để tổng hợp vectơ điện áp ra và vectơ dòng điện vào, được biểu diễn bằng các
biểu thức (3.16), (3.17), (3.18), (3.19), (3.20), (3.21).
' V cos 0
I
II V cos 0
I V cos 0
' V cos 0
3
3 (3.16) 3 3
II
II V cos 0
I V cos 0
3
3
(3.17)
'' V cos 0
III
III V cos 0
'' V cos 0
(3.18) 3 IV V cos 0 3 3
IV
3 IV V cos 0
III V cos 0
3
3
(3.19)
53
''' V cos 0
V
V V cos 0
(3.20) 3 VI V cos 0 3 3
''' V cos 0
VI
V V cos 0
(3.21) 3 VI V cos 0 3 3
Từ các biểu thức xác định tỉ số điều biến (3.16), (3.17), (3.18), (3.19), (3.20), (3.21)
V , V , V . Các vectơ thành phần
' 0
'' 0
''' 0
nhận thấy còn có các vectơ thành phần chưa biết đó là
này có thể được xác định theo phương pháp hình học [8]. Nhược điểm của phương pháp
hình học là khối lượng tính toán lớn, với các phép cộng vectơ, điều này dẫn đến khó khăn
trong việc triển khai thuật toán điều chế vectơ không gian trên các thiết bị số trong thực tế.
Trong luận án này đề xuất phương pháp xác định các vectơ thành phần dựa vào các vectơ
chuẩn, từ đó chuyển các phép tính vectơ thành các phép tính đại số dưới dạng các ma trận,
điều này dẫn đến giảm khối lượng tính toán và đặc biệt thuận tiện, dễ dàng trong việc triển
khai thuận toán điều chế vectơ không gian vào trên các thiết bị số trong thực tế, chi tiết
của phương pháp này được trình bày trong phần tiếp theo.
3.5 Xác định các vectơ thành phần trong tỉ số điều biến
Do mỗi vectơ thành phần có phương trùng với phương của một vectơ chuẩn tạo nên
tứ diện, nên vectơ thành phần này sẽ tỷ lệ với vectơ chuẩn đó, cho nên vectơ thành phần có
thể được biểu diễn thông qua các vectơ chuẩn. Việc biểu diễn vectơ thành phần thông qua
vectơ chuẩn được chỉ ra trong biểu thức (3.22) dưới đây.
' V l.V 0 i " V m.V 0 j ''' V n.V k 0
(3.22)
trong đó: l, m, n là các số thực dương;
i
là các vectơ chuẩn tạo nên mỗi tứ diện, được biểu diễn V , V ,V j k
theo biểu thức (3.23).
i
' i
DV i
54
DV
j
j
V V V ' V V V j V V V
k
' k
DV k
,
,
V
V
V
(3.23)
DV
DV
DV
i
j
k
V ,V ,V ứng với mỗi vectơ chuẩn;
AB
BC
CA
trong đó: sẽ nhận một trong các giá trị điện áp dây
V
' i, j,k
' V
i, j,k
' V
i, j,k
' V
i, j,k
Các vectơ được xác định trong bảng
'
3.9 dưới đây.
Bảng 3.9 Xác định các thành phần của vectơ
i j kV
,
,
'
'
'
i,j,k a b n c VDV(ijk)
i,j,kV
i,j,kV
i, j,kV
2 / 3
0
1/ 3
ABV
A +1 B B B
2 / 3
0
1/ 3
ABV
2 / 3
0
1/ 3
Vectơ B -1 A A A
BCV
2 / 3
1/ 3
0
B +2 C C C cố định
BCV
2 / 3
0
1/ 3
C -2 B B B
CAV
2 / 3
1/ 3
0
C +3 A A A
CAV
1/ 3
1/ 3
A -3 C C C
1/ 3
ABV
1/ 3
1/ 3
B +4 A B B
1/ 3
ABV
1/ 3
1/ 3
A -4 B A A
1/ 3
BCV
1/ 3
1/ 3
C +5 B C C
1/ 3
BCV
1/ 3
1/ 3
B -5 C B B
1/ 3
CAV
1/ 3
1/ 3
A +6 C A A
1/ 3
CAV
1/ 3
1/ 3
C -6 A C C
1/ 3
ABV
1/ 3
1/ 3
B +7 B B A
1/ 3
ABV
1/ 3
1/ 3
A -7 A A B
1/ 3
BCV
1/ 3
1/ 3
C +8 C C B
1/ 3
BCV
1/ 3
1/ 3
B -8 B B C
1/ 3
CAV
A +9 A A C
55
1/ 3
1/ 3
1/ 3
CAV
1/ 3
2 / 3
C -9 C C A
1/ 3
ABV
1/ 3
2 / 3
B +10 A A B
1/ 3
ABV
1/ 3
2 / 3
A -10 B B A
1/ 3
BCV
1/ 3
2 / 3
C +11 B B C
1/ 3
BCV
1/ 3
2 / 3
B -11 C C B
1/ 3
CAV
1/ 3
2 / 3
A +12 C C A
1/ 3
CAV
1/ 3
2 / 3
C -12 A A C
1/ 3
ABV
1/ 3
2 / 3
B +13 A B A
1/ 3
ABV
1/ 3
2 / 3
A -13 B A B
1/ 3
BCV
1/ 3
2 / 3
C +14 B C B
1/ 3
BCV
1/ 3
2 / 3
B -14 C B C
1/ 3
CAV
1/ 3
2 / 3
A +15 C A C
1/ 3
CAV
2 / 3
0
2 / 3
C -15 A C A
ABV
2 / 3
0
2 / 3
B +16 B A A
ABV
2 / 3
0
2 / 3
A -16 A B B
BCV
2 / 3
2 / 3
0
C +17 C B B
BCV
2 / 3
0
2 / 3
B -17 B C C
CAV
2 / 3
2 / 3
0
A +18 A C C
CAV
0
0
C -18 C A A
1
ABV
0
0
B +19 A A A
1
ABV
0
0
A -19 B B B
1
BCV
0
0
C +20 B B B
1
BCV
0
0
B -20 C C C
1
CAV
0
0
A +21 C C C
1
CAV
C -21 A A A
Thay biểu thức (3.23) vào (3.22) nhận được (3.24)
1
56
1
' j
' ' V l .V 0 i " V m .V 0 ''' V n .V 0
1
' k
(3.24)
n.V
l 1
l.V ; m m.V ; n 1
DV
1
DV i
j
DV k
trong đó:
V l .V m .V n .V
0
1
' j
' i
1
1
' k
Thay biểu thức (3.24) vào (3.5) nhận được biểu thức (3.25). (3.25)
'
'
V
j
'
k '
Biểu diễn các vectơ trong hệ tọa độ , biểu thức (3.25) trở thành (3.26).
' i ' i
j
k
'
'
V
V
V
V 0 V 0 V 0
' i
j
k
V l V 1
V n . V 1
m V 1
1
'
'
V
V
V
' i
j
k
'
'
(3.26)
V
V
V
' i
j
k
'
'
l 1 m 1 n 1
V
V
V
V 0 V 0 V 0
' i
j
k
(3.27)
1
Biểu thức (3.27) được viết gọn lại thành (3.28).
p M .V 0
T
(3.28)
p
l m n 1 1 1
T
V 0
V 0
V 0
V 0
'
'
'
j
k
1
i '
'
'
M
V V
V V
V V
j
k
i '
'
'
V
V
V
i
j
k
trong đó:
Các vectơ chuẩn tạo nên các tứ diện để thiết lập nên ma trận M được trình bày
trong bảng 3.10 và ma trận M được trình bày trong bảng 3.11.
Bảng 3.10 Các vectơ
của 24 tứ diện.
,
,
V V V k i j
Lăng trụ 1 2 3 4
ACCC ACCC ACCC CCCA Tứ diện Vi, Vj, Vk Vi
I ACCA AACC AACC ACCA Vj
AACA AACA AAAC AACA Vk
57
CACC CACC CACC CCCA Vi
II AACC CACA AACC CACA Vj
AACA AACA AAAC AACA Vk
CACC CACC CACC CCCA Vi
III CACA CAAC CAAC CACA Vj
CAAA CAAA AAAC CAAA Vk
ACCC ACCC CCCA ACCC Vi
IV ACCA AACC ACCA AACC Vj
AACA AACA AACA AAAC Vk
CACC CACC CCCA CACC Vi
V AACC CACA CACA AACC Vj
AACA AACA AACA AAAC Vk
CACC CACC CCCA CACC Vi
VI CACA CAAC CACA CAAC Vj
CAAA CAAA CAAA AAAC Vk
Bảng 3.11 Các ma trận M-1 của 24 tứ diện
Tứ diện 1 2 3 4
0
1
1
3 / 2
3 / 2
0
1
0
3 / 2
3 / 2 0
0
3
0
1/ 2
3 / 2
1
3 / 2
3 / 2
0
3 / 2
Lăng trụ
1/ 2
3 / 2 1
1/ 2
3 / 2
0
3
0
3
0
0
1
1/ 2
1
1
3 / 2
3 / 2
1/ 2
3 / 2
0
3 / 2
3 / 2
1/ 2
3 / 2
0
1
0
1
1
1
0
3 / 2
3 / 2
3 / 2
3 / 2
0
0
I
1/ 2
3 / 2
3/ 2
3 / 2
0
1/ 2
3 / 2 1
3 / 2
3 / 2
0
1
1
1/ 2
3 / 2
1
0
3
0
0
3
1/ 2
3 / 2
0
1/ 2
3 / 2
0
3
0
II
1/ 2 1
3 / 2 0
3 / 2 1
3 / 2 0 1 0
3 / 2
3 / 2
0
3 / 2
3 / 2
0
1
1 1
0
1
1
1
0
3 / 2
3 / 2
0
3 / 2
3 / 2 0
3 / 2
3 / 2
0
0
3
0
1/ 2
3 / 2
1
3 / 2
III
1/ 2
3 / 2 1
1/ 2
3 / 2
0
3
0
3
0
0
1
1/ 2
1
1 1 1
1/ 2
3 / 2
3 / 2
3 / 2
0
0
1
3 / 2
3 / 2
1/ 2
3 / 2
0
1
1
1
0
3 / 2
3 / 2
3 / 2
3 / 2
0
0
IV
1/ 2
3 / 2
3/ 2
3 / 2
0
3 / 2
3 / 2
1/ 2
3 / 2 1
0
1
1
1/ 2
3 / 2
1
0
3
0
1/ 2
3 / 2
0
3
0
1/ 2
3 / 2
0
0
3
V
1/ 2 1
3 / 2 0
3 / 2 1
3 / 2 0 1 0
3 / 2
3 / 2
0
0
3 / 2
3 / 2
1
1 1
1 1
VI
58
3.6 Trật tự thực hiện các vectơ chuẩn
Trật tự thực hiện các vectơ chuẩn trong một chù kỳ điều biến có một ý nghĩa hết
sức quan trọng. Trật tự thực hiện này ảnh hưởng tới các vấn đề như số lần chuyển mạch
của các van trong một chu kỳ điều biến, hệ số méo phi tuyến của dòng đầu ra.
Số lần chuyển mạch sẽ quyết 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 mỗi lần yêu cầu
chuyển mạch chỉ có một cặp khóa hai chiều BDS phải đóng cắt. Để dòng điện đầu ra có
dạng gần sin nhất, quy luật điều biến biến PWM đối xứng áp dụng. Trong mỗi chu kỳ điều
biến cả ba vectơ không đều được sử dụng. Trật tự thực hiện các vectơ chuẩn trong mỗi chu
kỳ điều biến của MC 3×4 được chỉ ra trong bảng 3.12.
Bảng 3.12 Trật tự thực hiện các vectơ chuẩn.
Trật tự thực hiện các vectơ
Ui -Ii
TT
(i = 1÷24, j=1÷6)
1
2
3
4
5
6
7
8
9
U1-I1 U7-I4 CCCC ACCC ACCA AACA AAAA AABA ABBA ABBB BBBB 1 U1-I2 U7-I5 BBBB BBCB BCCB BCCC CCCC ACCC ACCA AACA AAAA 2 U1-I3 U7-I6 AAAA BAAA BAAB BBAB BBBB BBCB BCCB BCCC CCCC 3 U1-I4 U7-I1 CCCC CCAC CAAC CAAA AAAA BAAA BAAB BBAB BBBB 4 CBBB CBBC CCBC CCCC CCAC CAAC CAAA AAAA U1-I5 U7-I2 BBBB 5 U1-I6 U7-I3 AAAA AABA ABBA ABBB BBBB CBBB CBBC CCBC CCCC 6 U2-I1 U8-I4 CCCC ACCC AACC AACA AAAA AABA AABB ABBB BBBB 7 U2-I2 U8-I5 BBBB BBCB BBCC BCCC CCCC ACCC AACC AACA AAAA 8 9 U2-I3 U8-I6 AAAA BAAA BBAA BBAB BBBB BBCB BBCC BCCC CCCC 10 U2-I4 U8-I1 CCCC CCAC CCAA CAAA AAAA BAAA BBAA BBAB BBBB 11 U2-I5 U8-I2 BBBB CBBB CCBB CCBC CCCC CCAC CCAA CAAA AAAA 12 U2-I6 U8-I3 AAAA AABA AABB ABBB BBBB CBBB CCBB CCBC CCCC 13 U3-I1 U9-I4 CCCC CACC AACC AACA AAAA AABA AABB BABB BBBB 14 U3-I2 U9-I5 BBBB BBCB BBCC CBCC CCCC CACC AACC AACA AAAA 15 U3-I3 U9-I6 AAAA ABAA BBAA BBAB BBBB BBCB BBCC CBCC CCCC 16 U3-I4 U9-I1 CCCC CCAC CCAA ACAA AAAA ABAA BBAA BBAB BBBB 17 U3-I5 U9-I2 BBBB BCBB CCBB CCBC CCCC CCAC CCAA ACAA AAAA 18 U3-I6 U9-I3 AAAA AABA AABB BABB BBBB BCBB CCBB CCBC CCCC 19 U4-I1 U10-I4 CCCC CACC CACA AACA AAAA AABA BABA BABB BBBB BBCB CBCB CBCC CCCC CACC CACA AACA AAAA 20 U4-I2 U10-I5 BBBB 21 U4-I3 U10-I6 AAAA ABAA ABAB BBAB BBBB BBCB CBCB CBCC CCCC 22 U4-I4 U10-I1 CCCC CCAC ACAC ACAA AAAA ABAA ABAB BBAB BBBB 23 U4-I5 U10-I2 BBBB BCBB BCBC CCBC CCCC CCAC ACAC ACAA AAAA 24 U4-I6 U10-I3 AAAA AABA BABA BABB BBBB BCBB BCBC CCBC CCCC 25 U5-I1 U11-I4 CCCC CACC CACA CAAA AAAA BAAA BABA BABB BBBB 26 U5-I2 U11-I5 BBBB CBBB CBCB CBCC CCCC CACC CACA CAAA AAAA 27 U5-I3 U11-I6 AAAA ABAA ABAB ABBB BBBB CBBB CBCB CBCC CCCC 28 U5-I4 U11-I1 CCCC ACCC ACAC ACAA AAAA ABAA ABAB ABBB BBBB 29 U5-I5 U11-I2 BBBB BCBB BCBC BCCC CCCC ACCC ACAC ACAA AAAA 30 U5-I6 U11-I3 AAAA BAAA BABA BABB BBBB BCBB BCBC BCCC CCCC 31 U6-I1 U12-I4 CCCC CACC CAAC CAAA AAAA BAAA BAAB BABB BBBB 32 U6-I2 U12-I5 BBBB CBBB CBBC CBCC CCCC CACC CAAC CAAA AAAA 33 U6-I3 U12-I6 AAAA ABAA ABBA ABBB BBBB CBBB CBBC CBCC CCCC 34 U6-I4 U12-I1 CCCC ACCC ACCA ACAA AAAA ABAA ABBA ABBB BBBB BCBB BCCB BCCC CCCC ACCC ACCA ACAA AAAA 35 U6-I5 U12-I2 BBBB 36 U6-I6 U12-I3 AAAA BAAA BAAB BABB BBBB BCBB BCCB BCCC CCCC 37 U13-I1 U20-I4 CCCC CCCA ACCA AACA AAAA AABA ABBA BBBA BBBB BBCB BCCB CCCB CCCC CCCA ACCA AACA AAAA 38 U13-I2 U20-I5 BBBB
39 U13-I3 U20-I6 AAAA AAAB BAAB BBAB BBBB BBCB BCCB CCCB CCCC 40 U13-I4 U20-I1 CCCC CCAC CAAC AAAC AAAA AAAB BAAB BBAB BBBB 41 U13-I5 U20-I2 BBBB BBBC CBBC CCBC CCCC CCAC CAAC AAAC AAAA 42 U13-I6 U20-I3 AAAA AABA ABBA BBBA BBBB BBBC CBBC CCBC CCCC 43 U14-I1 U19-I4 CCCC ACCC AACC AAAC AAAA AAAB AABB ABBB BBBB 44 U14-I2 U19-I5 BBBB BBBC BBCC BCCC CCCC ACCC AACC AAAC AAAA 45 U14-I3 U19-I6 AAAA BAAA BBAA BBBA BBBB BBBC BBCC BCCC CCCC 46 U14-I4 U19-I1 CCCC CCCA CCAA CAAA AAAA BAAA BBAA BBBA BBBB 47 U14-I5 U19-I2 BBBB CBBB CCBB CCCB CCCC CCCA CCAA CAAA AAAA 48 U14-I6 U19-I3 AAAA AAAB AABB ABBB BBBB CBBB CCBB CCCB CCCC 49 U15-I1 U22-I4 CCCC CCCA CACA AACA AAAA AABA BABA BBBA BBBB BBCB CBCB CCCB CCCC CCCA CACA AACA AAAA 50 U15-I2 U22-I5 BBBB 51 U15-I3 U22-I6 AAAA AAAB ABAB BBAB BBBB BBCB CBCB CCCB CCCC 52 U15-I4 U22-I1 CCCC CCAC ACAC AAAC AAAA AAAB ABAB BBAB BBBB 53 U15-I5 U22-I2 BBBB BBBC BCBC CCBC CCCC CCAC ACAC AAAC AAAA 54 U15-I6 U22-I3 AAAA AABA BABA BBBA BBBB BBBC BCBC CCBC CCCC 55 U16-I1 U21-I4 CCCC CACC AACC AAAC AAAA AAAB AABB BABB BBBB 56 U16-I2 U21-I5 BBBB BBBC BBCC CBCC CCCC CACC AACC AAAC AAAA 57 U16-I3 U21-I6 AAAA ABAA BBAA BBBA BBBB BBBC BBCC CBCC CCCC 58 U16-I4 U21-I1 CCCC CCCA CCAA ACAA AAAA ABAA BBAA BBBA BBBB 59 U16-I5 U21-I2 BBBB BCBB CCBB CCCB CCCC CCCA CCAA ACAA AAAA 60 U16-I6 U21-I3 AAAA AAAB AABB BABB BBBB BCBB CCBB CCCB CCCC 61 U17-I1 U24-I4 CCCC CCCA CACA CAAA AAAA BAAA BABA BBBA BBBB 62 U17-I2 U24-I5 BBBB CBBB CBCB CCCB CCCC CCCA CACA CAAA AAAA 63 U17-I3 U24-I6 AAAA AAAB ABAB ABBB BBBB CBBB CBCB CCCB CCCC 64 U17-I4 U24-I1 CCCC ACCC ACAC AAAC AAAA AAAB ABAB ABBB BBBB BBBC BCBC BCCC CCCC ACCC ACAC AAAC AAAA 65 U17-I5 U24-I2 BBBB 66 U17-I6 U24-I3 AAAA BAAA BABA BBBA BBBB BBBC BCBC BCCC CCCC 67 U18-I1 U23-I4 CCCC CACC CAAC AAAC AAAA AAAB BAAB BABB BBBB 68 U18-I2 U23-I5 BBBB BBBC CBBC CBCC CCCC CACC CAAC AAAC AAAA 69 U18-I3 U23-I6 AAAA ABAA ABBA BBBA BBBB BBBC CBBC CBCC CCCC 70 U18-I4 U23-I1 CCCC CCCA ACCA ACAA AAAA ABAA ABBA BBBA BBBB 71 U18-I5 U23-I2 BBBB BCBB BCCB CCCB CCCC CCCA ACCA ACAA AAAA 72 U18-I6 U23-I3 AAAA AAAB BAAB BABB BBBB BCBB BCCB CCCB CCCC
59
Thỏa mãn các yêu cầu về trật tự thực hiện các vectơ chuẩn, đồng thời phân tích các
tổ hợp van được lựa chọn ứng với vị trí của các tứ diện chứa vectơ điện áp chuẩn và vectơ
dòng điện vào, trật tự thực hiện các tỉ số điều biến ứng với các vectơ chuẩn được chia
thành hai trường hợp, trường hợp dòng có số thứ tự lẻ (1, 3, 5…, 71) và trường hợp dòng
có số thứ tự chẵn (2, 4, 6…,72).
Trật tự của nửa chu kỳ điều biến chuyển mạch cho các dòng có số thứ tự lẻ được
/ 4
/ 4
/ 4
/ 4
/ 4
/ 4
/ 6
/ 6
/ 6
thực hiện theo biểu thức (3.29).
0 0
6
5
3
1
2
4
0
(3.29)
Trật tự của nửa chu kỳ điều biến chuyển mạch cho các dòng có số thứ tự chẵn được
thực hiện theo biểu thức (3.30).
/ 4
/ 4
/ 4
/ 6
/ 4
/ 4
/ 6
/ 4
/ 6
0 0
2
1
3
5
6
4
0
(3.30)
Trật tự chuyển mạch cho trường hợp dòng lẻ 27 (U11-I6) và dòng chẵn 28 (U11-I1)
được chỉ ra trên hình 3.15 dưới đây.
/ 2V
/ 2VI
/ 2I
IV
/ 2
III
/ 2
/ 2II
0 / 6
0 / 6
0 / 6
/ 2V
/ 2VI
/ 2I
IV
/ 2
III
/ 2
/ 2II
0 / 6
0 / 6
0 / 6
60
Hình 3.15 Trật tự chuyển mạch: a) Dòng có số thứ tự lẻ 27 (U11-I6); b) Dòng có số thứ tự chẵn 28 (U11-I1)
3.7 Mô phỏng điều biến vectơ không gian
Mô hình mô phỏng quá trình điều biến vectơ không gian cho MC 3×4 được thực
hiện trên toolbox Simulink và Sim Power System của phần mềm Matlab, quá trình chuyển
mạch được thực hiện bằng công cụ State Flow. Thông số của mô hình mô phỏng: Ui =
380V, fi = 50Hz, fo = 60Hz, R = 10, L = 0,02H, Co = 220µF, Lo = 0,15mH, Ci = 20µF, Li
= 0,2mH, tần số PWM có giá trị là 5KHz. Mô phỏng biến tần ma trận trực tiếp 3 pha 4
nhánh trong các trường hợp:
- Không sử dụng bộ lọc với tải trên các pha là tuyến tính và đối xứng;
- Có sử dụng bộ lọc bậc hai mắc ở đầu vào và đầu ra của biến tần ma trận, với các trường
hợp:
+ Tải trên các pha là đối xứng và tuyến tính
+ Tải trên các pha là không đối xứng và tuyến tính
+ Tải trên các pha là đối xứng và phi tuyến
+ Tải trên các pha là không đối xứng và phi tuyến
Các kết quả nhận được từ mô hình mô phỏng được chỉ ra trong các mục dưới đây.
61
a)
b)
c)
d)
3.7.1 Trường hợp không sử dụng bộ lọc với tải trên các pha là tuyến tính đối xứng
Hình 3.16 Kết quả mô phỏng vói tải tuyến tính đối xứng, không sử dụng bộ lọc. a) Dòng điện vào trên ba pha. b) Điện áp vào và dòng điện vào. c) Điện áp ra. d) Dòng điện tải. e) Điện áp ra và dòng điện tải
e)
Hình 3.17 Phân tích phổ - FFT trong trường hợp tải tuyến tính đối xứng không sử dụng bộ lọc: a) FFT của điện áp ra; b) FFT của dòng điện vào
62
Nhận xét: Các kết quả mô phỏng trên hình (3.16), (3.17) cho thấy điện áp ra ba pha đối
xứng, ổn định, tổng độ méo sóng hài của điện áp ra THDv = 2,27%. Dòng điện tải có dạng
hình sin, ba pha đối xứng. Dòng điện trên các pha đầu vào của biến tần có dạng là các
xung dòng, ba pha đối xứng, tổng độ méo sóng hài của dòng đầu vào THDi = 5,26%,
thành phần cơ bản của dòng điện đầu vào trùng pha với điện áp đầu vào. Tần số của điện
áp đầu ra đạt đúng giá trị mong muốn.
3.7.2 Trường hợp sử dụng bộ lọc
b)
a)
d)
c)
3.6.2.1. Tải trên các pha là tuyến tính đối xứng
Hình 3.18 Kết quả mô phỏng với tải tuyến tính đối xứng. a) Dòng điện vào trên ba pha; b) Điện áp vào và dòng điện vào. c) Điện áp ra; d) Dòng điện tải; e) Điện áp ra và dòng điện tải
e)
b)
63
a)
Hình 3.19 Phân tích phổ - FFT trong trường hợp tải tuyến tính đối xứng có sử dụng bộ lọc: a) FFT của điện áp ra; b) FFT của dòng điện vào
a)
b)
Hình 3.20 Quỹ đạo của các vectơ trong trường hợp tải tuyến tính đối xứng: a) Quỹ đạo của điện áp đặt và điện áp ra mặt phẳng αβ và trong không gian αβ; b) Quỹ đạo dòng điện vào mặt phẳng αβ và trong không gian αβ.
64
Nhận xét: Các kết quả mô phỏng trên hình (3.18) (3.20) cho thấy điện áp ra ba pha đối
xứng, ổn định, tần số của điện áp đầu ra đạt đúng giá trị mong muốn. Tổng độ méo sóng
hài của điện áp ra THDv = 2,15%. Dòng điện tải có dạng hình sin, ba pha đối xứng, dòng
trên dây trung tính có giá trị bằng không. Dòng điện trên các pha đầu vào của biến tần sau
lọc có dạng hình sin theo tần số cơ bản, ba pha đối xứng, tổng độ méo sóng hài của dòng
đầu vào THDi = 4,65%, thành phần cơ bản của dòng điện đầu vào trùng pha với điện áp
đầu vào. Quỹ đạo của vectơ điện áp ra nằm trên mặt phẳng αβ và bám theo quỹ đạo của
vectơ điện áp đặt. Quỹ đạo vectơ dòng điện vào nằm trên mặt phẳng αβ có dạng hình tròn.
b)
a)
d)
c)
3.7.2.2 Tải trên các pha là tuyến tính không đối xứng
e)
Hình 3.21 Kết quả mô phỏng với tải tuyến tính không đối xứng. a) Dòng điện vào trên ba pha; b) Điện áp vào và dòng điện vào; c) Điện áp ra; d) Dòng điện tải; e) Điện áp ra và dòng điện tải
a)
65
b) Hình 3.22 Phân tích phổ - FFT trong trường hợp tải tuyến tính không đối xứng: a) Điện áp ra ba pha; b) Dòng điện vào ba pha
a)
b) Hình 3.23 Quỹ đạo của các vectơ trong trường hợp tải tuyến tính không đối xứng: a) Điện áp ra và điện áp đặt trong không gian và hình chiếu trên mặt phẳng ; b) Dòng điện vào trong không gian và hình chiếu trên mặt phẳng .
66
Nhận xét: Các kết quả mô phỏng trên hình (3.21) (3.23) cho thấy với tải tuyến tính không
đối xứng (chỉ có tải trên pha a), điện áp ra trên ba pha vẫn có dạng hình sin theo tần số cơ
bản, tần số của điện áp đầu ra đạt đúng giá trị mong muốn, tuy nhiên giá trị hiệu dụng của
điện áp pha trên ba pha a, b, c không cân bằng nhau. Độ mất đối xứng của điện áp ra
khoảng 6%. Tổng độ méo sóng hài THDv của điện áp ra trên ba pha a, b, c có giá trị lần
lượt là: 2,39%; 2,98%; 3,21%. Dòng điện tải có dạng hình sin, dòng trên dây trung tính
có giá trị bằng dòng trên pha a. Dòng điện trên các pha đầu vào của biến tần sau lọc có
dạng hình sin theo tần số cơ bản, tuy nhiên độ méo phi tuyến lớn, THDi của dòng ba pha
đầu vào có giá trị tương ứng: 19,28%; 27,12%; 26,47%. Tuy vậy thành phần cơ bản của
dòng điện đầu vào vẫn trùng pha với điện áp đầu vào. Độ mất đối xứng của dòng điện vào
có giá trị khoảng 9%. Quỹ đạo của vectơ điện áp ra không nằm trên mặt phẳng αβ, trong
không gian có dạng hình trụ, hình chiếu trên mặt phẳng αβ có dạng hình tròn, bám
theo quỹ đạo của vectơ điện áp đặt. Quỹ đạo vectơ dòng điện vào không nằm trên mặt
phẳng αβ, có độ méo rất lớn.
a)
b)
c)
d)
3.7.2.3 Tải trên các pha là phi tuyến đối xứng
67
Hình 3.24 Kết quả mô phỏng với tải phi tuyến đối xứng. a) Dòng điện vào trên ba pha; b) Điện áp vào và dòng điện vào; c) Điện áp ra; d) Dòng điện tải; e) Điện áp ra và dòng điện tải.
e)
a)
b)
Hình 3.25 Phân tích phổ-FFT trong trường hợp tải phi tuyến đối xứng:a)Điện áp ra; b)Dòng vào.
a)
b) Hình 3.26 Quỹ đạo các vectơ trong trường hợp tải phi tuyến đối xứng: a) Điện áp ra và điện áp đặt trong không gian và hình chiếu trên mặt phẳng ; b) Dòng điện vào trong không gian và hình chiếu trên mặt phẳng .
68
Nhận xét: Các kết quả mô phỏng trên hình (3.24) (3.26) cho thấy với tải phi tuyến đối
xứng, điện áp ra trên ba pha sau lọc có dạng hình sin theo tần số cơ bản và có giá trị bằng
nhau, tần số của điện áp đầu ra đạt đúng giá trị mong muốn. Tổng độ méo sóng hài THDv
của điện áp ra có giá trị 6,43%. Dòng điện tải có dạng hình chữ nhật, tổng độ méo sóng
hài THDiout của dòng điện tải là 19,68%, dòng trên dây trung tính có giá trị bằng không.
Dòng điện trên các pha đầu vào của biến tần sau lọc có dạng hình sin theo tần số cơ bản,
tuy nhiên độ méo phi tuyến lớn, THDiin của dòng đầu vào có giá trị 9,05%. Tuy vậy thành
phần cơ bản của dòng điện đầu vào vẫn trùng pha với điện áp đầu vào. Quỹ đạo của vectơ
điện áp ra không nằm trên mặt phẳng αβ, trong không gian có dạng hình trụ, hình
chiếu trên mặt phẳng αβ có dạng gần tròn, bám theo quỹ đạo của vectơ điện áp đặt. Quỹ
đạo của vectơ dòng điện vào nằm trên mặt phẳng αβ, có dạng hình tròn.
a)
b)
c)
d)
3.7.2.4 Tải trên các pha là phi tuyến không đối xứng
Hình 3.27 Kết quả mô phỏng với tải phi tuyến không đối xứng. a) Dòng điện vào trên ba pha; b) Điện áp vào và dòng điện vào; c) Điện áp ra; d) Dòng điện tải; e) Điện áp ra và dòng điện tải.
e)
a)
69
b) Hình 3.28 Quỹ đạo các vectơ trong trường hợp tải phi tuyến không đối xứng: a) Điện áp ra và điện áp đặt trong không gian và hình chiếu trên mặt phẳng ; b) Dòng điện vào trong không gian và hình chiếu trên mặt phẳng .
a)
b) Hình 3.29 Phân tích phổ - FFT trong trường hợp tải phi tuyến không đối xứng: a) Điện áp ra ba pha; b) Dòng điện vào ba pha
70
Nhận xét: Các kết quả mô phỏng trên hình (3.27) (3.29) cho thấy với tải phi tuyến không
đối xứng (chỉ có tải trên pha a), điện áp ra trên ba pha vẫn có dạng hình sin theo tần số cơ
bản, tần số của điện áp đầu ra đạt đúng giá trị mong muốn, tuy nhiên giá trị hiệu dụng của
điện áp pha trên ba pha a, b, c không cân bằng nhau. Độ mất đối xứng của điện áp ra
khoảng 4%. Tổng độ méo sóng hài THDv của điện áp ra trên ba pha a, b, c có giá trị lần
lượt là: 9,76%; 6,29%; 6,09%. Dòng điện tải có dạng hình sin nhọn đầu, dòng trên dây
trung tính có giá trị bằng dòng trên pha a. Dòng điện trên các pha đầu vào của biến tần
sau lọc có độ méo phi tuyến lớn, THDi của dòng ba pha đầu vào có giá trị tương ứng:
19%; 20,62%; 26,06%. Tuy vậy thành phần cơ bản của dòng điện đầu vào vẫn trùng pha
với và điện áp đầu vào. Độ mất đối xứng của dòng điện vào có giá trị khoảng 7%. Quỹ đạo
của vectơ điện áp ra trong không gian có dạng hình trụ, hình chiếu trên mặt phẳng αβ
có dạng hình tròn, bám theo quỹ đạo của vectơ điện áp đặt. Quỹ đạo vectơ dòng điện vào
không nằm trên mặt phẳng αβ, có độ méo rất lớn.
a)
b)
c)
d)
3.7.2.5 Tải trên các pha là tuyến tính, phi tuyến và không đối xứng
71
Hình 3.30 Kết quả mô phỏng với tải tuyến tính, phi tuyến, không đối xứng. a) Dòng điện vào trên ba pha; b) Điện áp vào và dòng điện vào; c) Điện áp ra; d) Dòng điện tải; e) Điện áp ra và dòng điện tải.
e)
a)
b) Hình 3.31 Quỹ đạo các vectơ trong trường hợp tải tuyến tính, phi tuyến, không đối xứng: a) Điện áp ra và điện áp đặt trong không gian và hình chiếu trên mặt phẳng ; b) Dòng điện vào trong không gian và hình chiếu trên mặt phẳng .
a)
72
b) Hình 3.32 Phân tích phổ - FFT trong trường hợp tải tuyến tính, phi tuyến, không đối xứng: a) Điện áp ra ba pha; b) Dòng điện vào ba pha
Nhận xét: Các kết quả mô phỏng trên hình (3.30) (3.32) cho thấy với tải tuyến tính, phi
tuyến không đối xứng (chỉ có tải trên pha a và b), điện áp ra trên ba pha vẫn có dạng hình
sin theo tần số cơ bản, tần số của điện áp đầu ra đạt đúng giá trị mong muốn, tuy nhiên
giá trị hiệu dụng của điện áp pha trên ba pha a, b, c không cân bằng nhau. Độ mất đối
xứng của điện áp ra khoảng 4%. Tổng độ méo sóng hài THDv của điện áp ra trên ba pha
a, b, c có giá trị lần lượt là: 5,63%; 3,41%; 2,94%. Dòng điện tải có dạng hình sin với
pha mắc tải tuyến tính, có dạng hình sin nhọn đầu với pha mắc tải phi tuyến, dòng trên dây
trung tính có giá trị khác không và dạng hình tam giác. Dòng điện trên các pha đầu vào
của biến tần sau lọc có dạng tam giác và độ méo phi tuyến lớn, THDi của dòng ba pha đầu
vào có giá trị tương ứng: 20,72%; 22,09%; 32%. Tuy vậy thành phần cơ bản của dòng
điện đầu vào vẫn trùng pha với điện áp đầu vào. Độ mất đối xứng của dòng điện vào có
giá trị khoảng 7%. Quỹ đạo của vectơ điện áp ra trong không gian có dạng hình trụ,
hình chiếu trên mặt phẳng αβ có dạng hình tròn, bám theo quỹ đạo của vectơ điện áp đặt.
Quỹ đạo vectơ dòng điện vào không nằm trên mặt phẳng αβ, có độ méo rất lớn.
Nhận xét chương 3
Phương pháp điều biến vectơ không gian áp dụng cho MC 3×4 được trình bày
trong chương ba. Phương pháp này cho phép xác định trực tiếp các tổ hợp van của biến tần
ma trận, mỗi tổ hợp van tạo nên một vectơ chuẩn. Vectơ điện áp ra và vectơ dòng điện vào
được tổng hợp từ ba vectơ thành phần. Trong nghiên cứu này đề xuất phương pháp xác
định các vectơ thành phần dựa trên các vectơ chuẩn, bao gồm các vectơ có phương cố
định. Vectơ không được sử dụng để hoàn thiện một chu kỳ trích mẫu. Tỉ số điều biến được
xác định trên cơ sở điện áp và dòng điện đầu vào của biến tần trùng pha với nhau. Việc
chuyển đổi giữa hai vectơ lân cận và vectơ không tuân theo quy luật tối ưu về số lần đóng
73
cắt và mỗi lần chuyển đổi chỉ có một van bán dẫn chuyển trạng thái. Phương pháp chuyển
mạch theo chiều dòng điện được áp dụng cho quá trình chuyển mạch. Phương pháp điều
biến vectơ không gian cho MC 3×4 được mô phỏng trên phần mềm Matlab/Simulink. Biến
tần ma trận trực tiếp 3 pha 4 nhánh được khảo sát với các tải có tính chất và đặc điểm khác
nhau, tải tuyến tính, phi tuyến, tải đối xứng, không đối xứng. Các kết quả nhận được từ mô
phỏng đã chứng minh phương pháp được đề xuất để xác định các vectơ thành phần trong
quá trình tổng hợp vectơ điện áp ra và vectơ dòng điện vào là hoàn toàn chính xác. Trong
trường hợp tải không đối xứng giá trị hiệu dụng của điện áp trên các pha không cân bằng
nhau, điều này dẫn đến cần phải thực hiện điều khiển ổn định điện áp ra của bộ nguồn, vấn
đề này sẽ được trình bày trong phần tiếp theo.
74
Chương 4
THIẾT KẾ ĐIỀU KHIỂN
CHO BỘ NGUỒN BIẾN ĐỔI TẦN SỐ
4.1. Khái quát chung
Khi các biến tần ma trận làm việc với động cơ thì đặc điểm của tải là đối xứng, khi
ứng dụng trong bộ nguồn thì đặc điểm và tính chất của tải rất đa dạng, có thể đối xứng
hoặc không đối xứng, có thể là tuyến tính hoặc phi tuyến. Tính chất và đặc điểm của tải
ảnh hưởng trực tiếp tới việc thiết kế và chế độ hoạt động của biến tần ma trận. Trong phạm
vi của bản luận án này chỉ đề cập đến trường hợp tải không đối xứng.
Trên thực tế bộ nguồn biến đổi tần số ba pha thường xuyên hoạt động ở chế độ tải
không đối xứng, có thể nguyên nhân là do sự phân bổ không đồng đều tải ở các pha hoặc
tải đối xứng ba pha hoạt động trong điều kiện bị lỗi. Khi tải mất đối xứng, dòng điện chảy
trên các pha sẽ mất đối xứng. Khi chảy qua trở kháng nguồn, dòng điện không đối xứng sẽ
lần lượt làm điện áp ra không đối xứng, có nghĩa là điện áp trên các pha của đầu ra sẽ trở
nên không cân bằng, lúc này giá trị hiệu dụng của điện áp trên các pha sẽ không bằng
nhau. Nếu các tải ba pha hoạt động với điện áp không đối xứng hoặc các tải một pha hoạt
động với điện áp khác giá trị định mức sẽ gây ra nhiều vấn đề như tăng tổn hao trong thiết
bị, dẫn đến nhiệt độ thiết bị tăng lên, hiệu suất làm việc giảm, các thông số kỹ thuật của
thiết bị không được đảm bảo…Trên cơ sở những phân tích trên đây, việc điều khiển điện
áp đầu ra của bộ nguồn trong trường hợp tải mất đối xứng nhằm đảm bảo giá trị hiệu dụng
của điện áp trên các pha của đầu ra cân bằng là vấn đề cần thiết.
4.1.1 Phương pháp đánh giá mức độ không đối xứng của điện áp
Tải không đối xứng biểu hiện ở sự khác nhau về giá trị hiệu dụng của dòng tải giữa
các pha hoặc chúng có cùng giá trị nhưng khác nhau về độ lệch pha, hoặc cả hai biểu hiện
trên [28]. Mức độ mất đối xứng được định nghĩa dựa trên sự khác nhau về công suất hoặc
dựa trên các thành phần đối xứng.
Trong MIL-STD-704E [29] phần trăm mất đối xứng được đánh giá dựa trên độ
chênh lệch giữa tải lớn nhất và tải nhỏ nhất của các pha. Trong [30] phần trăm mất đối
xứng được biểu diễn như biểu thức 4.1. Tuy nhiên trong các định nghĩa trên không phân
biệt được sự khác nhau gây ra bởi biên độ và góc lệch pha.
-Gi¸ trÞ MIN
(dßng d©y)
(dßng d©y)
75
UnBal=
Tæng gi¸ trÞ dßng ba pha
Gi¸ trÞ MAX
(4.1)
3.(V
-V
)
a,b,c min
Trong [31] sự mất đối xứng được đánh giá qua biểu thức 4.2 dưới đây.
%
.100
unbal
a,b,c max V +V +V b c
a
(4.2)
V
V
a,b,c max
a,b,c min
trong đó: là giá trị hiệu dụng lớn nhất của điện áp pha, là giá trị
hiệu dụng nhỏ nhất của điện áp pha.
Một phương pháp được sử dụng
phổ biến để xem xét các trường hợp mất
đối xứng là các đại lượng không đối xứng
được phân tích thành các thành phần đối
xứng, được đề xuất bởi C. L. Fortescue.
Theo phương pháp này một đại lượng
không đối xứng sẽ được phân tích thành
ba thành phần đối xứng là thành phần thứ
tự thuận, thành phần thứ tự nghịch và
thành phần thứ tự không, hình 4.1.
Phương pháp này không chỉ thuận tiện
cho việc phân tích mà nó còn có ý nghĩa
vật lý đặc trưng và cung cấp phương pháp
Hình 4.1 Phân tích các thành phần đối xứng
để thiết kế biến tần công suất [28].
Dựa trên việc phân tích đại lượng không đối xứng ra các thành phần đối xứng, IEC
đưa ra định nghĩa về “Độ mất đối xứng trong hệ thống 3 pha” [31] với “Tỉ lệ giữa giá trị
RMS của thành phần thứ tự nghịch hoặc thành phần thứ tự không và giá trị RMS của thành
phần thứ tự thuận”. Theo định nghĩa này một đại lượng mất đối xứng được mô tả bằng hai
hệ số mất đối xứng là hệ số mất đối xứng thành phần thứ tự ngược Unbal_N% và hệ số mất
đối xứng thành phần thứ tự không Unbal_0%, được biểu diễn trong các biểu thức 4.3 và
4.4 [28].
1
UnBal_N%=
00
Thµnh phÇn thø tù ngîc Thµnh phÇn thø tù thuËn
(4.3)
UnBal_0%=
100
Thµnh phÇn thø tù kh«ng Thµnh phÇn thø tù thuËn
(4.4)
76
Phụ thuộc vào sơ đồ nối dây giữa nguồn và tải mà gây ra những ảnh hưởng nhất
định cho hệ thống ba pha. Trường hợp nối dây kiểu tam giác (∆) và kiểu sao không có dây
trung tính (Y) thành phần thứ tự không sẽ không tồn tại.
4.1.2 Chỉ tiêu chất lượng điện áp khi tải không đối xứng
Khi bộ nguồn làm việc với tải đối xứng, phải thỏa mãn các yêu cầu đặt ra của tiêu
chuẩn IEEE Std 446 – 1995 [25], về tải đối xứng. Đảm bảo sai lệch tĩnh của điện áp ra, bao gồm về giá trị biên độ là: ± 2% và độ lệch góc pha là: 120o ± 1o.
Khi bộ nguồn làm việc với tải không đối xứng, trường hợp nặng nề nhất là chỉ có
tải trên một pha. Điện áp đầu ra của bộ nguồn phải thỏa mãn các yêu cầu đặt ra của tiêu
chuẩn IEEE Std 446 – 1995. Đảm bảo sai lệch tĩnh của điện áp ra, bao gồm về giá trị biên độ là: ± 3% và độ lệch góc 120o ± 3o (100%, 80%, 80%; 100%, 100%, 80%). Tổng độ
méo sóng hài điện áp THDV ≤ 4%. Đảm bảo tính đáp ứng nhanh của điện áp ra với sự
biến thiên của tải, thời gian ổn định là 100ms, khoảng 6 chu kỳ điện áp ra.
4.2. Mô hình toán bộ biến tần ma trận trực tiếp 3 pha 4 nhánh
Giả thiết rằng tần số lấy mẫu lớn hơn rất nhiều so với tần số cơ bản và cấu trúc bộ
biến đổi như hình 4.2a, sơ đồ tương đương một pha được biểu diễn trên hình 4.2b. Các
phương trình vi phân mô tả đối tượng trong hệ abc được chỉ ra trong biểu thức (4.5) và
(4.6).
Hình 4.2 Biến tần ma trận trực tiếp 3 pha 4 nhánh
77
L
Các phương trình về dòng điện
La
Ca
a
L
i u u 1 L di L a dt R L 1 L
Lb
Cb
b
o 1 L
o R L
o 1 L
L
(4.5) i u u di Lb dt
Lc
Cc
c
o 1 L
o R L
o 1 L
o
o
o
i u u di Lc dt
Các phương trình về điện áp
La
oa
i i du Ca dt 1 C 1 C
Lb
ob
o 1 C
o 1 C
o
o
Cc
i i (4.6) du Cb dt
Lc
oc
o
o
i i du dt 1 C 1 C
, i
, i
i
La
Lb
Lc
trong đó: là dòng điện trên cuộn cảm;
i
, i
, i
oa
ob
oc
u , u , u là điện áp tại đầu ra của bộ lọc;
a
b
c
u , u , u là điện áp tại đầu vào của bộ lọc
Ca
Cb
Cc
là dòng điện tải;
Viết các hệ phương trình (4.5) và (4.6) dưới dạng ma trận, nhận được phương trình
trạng thái của đối tượng như biểu thức (4.7).
x(t) A.x(t) B.u(t) F.w(t)
T
T
T
x
i
i
i
u
u
u
; u
u
u
u
i
i
(4.7)
; w i
La
Lb
Lc
a
b
c
Ca
Cb
Cc
oa
ob
oc
L
0
0
0
0
R L
1 L
o
o
L
0
0
0
0
o
R L
1 L
o
L
0
0
0
0
R L
1 L
o
o
A
0
0
0
0
0
1 C
o
0
0
0
0
0
1 C
o
0
0
0
0
0
1 C
o
6 6
trong đó:
0
0
1 L
0 0
0 0
0 0
o
0
0
0
0
1 L
o
0
0
B
F
o
0
0
1 L
o
0
0
0
0
0
1 C
o
0
0
1 C
0 0
0 0
0 0
o
6 3
6 3
0 1 C
78
T
X X X
0
T X X X 1
b
a
d
q
c
T
Mối quan hệ giữa hai hệ tọa độ abc và dq0 được chỉ ra trong biểu thức (4.8).
T
T
X X X
1 T X X X 1
d
q
0
a
b
c
(4.8)
trong đó T1 là ma trận chuyển đổi từ hệ abc sang hệ dqo, có dạng như biểu thức
cos(ωt)
cos(ωt
cos(ωt
)
)
1
T
sin(ωt)
sin(ωt
sin(ωt
)
)
(4.9)
2 3
2π 3 2π 3
2π 3 2π 3
1 2
1 2
1 2
(4.9)
Chuyển mô hình đối tượng sang hệ tọa độ dq0, thu được mô hình không gian trạng
X
thái của đối tượng trong hệ dq0 như biểu thức (4.10)
A .X 1
dq 0
B .U 1
dq 0
F .W 1
dqo
dq0
T
T
T
(4.10)
d
q
0
d
q
D
Q
0
0
od
oq
oo
L
ω
0
0
0
R L
1 L
o
o
L
ω
0
0
0
o
R L
1 L
o
L
0
0
0
0
R L
1 L
o
o
A
1
0
0
0
ω
0
1 C
o
0
0
ω 0
0
1 C
o
0
0
0
0
0
1 C
o
6 6
trong đó: X I I I U U U ; U U U I I U ; W I
0
0
1 L
0 0
0 0
0 0
o
0
0
0
0
1 L
o
0
0
B
F
1
1
o
0
0
1 L
o
0
0
0
0
0
1 C
o
0
0
1 C
0 0
0 0
0 0
o
6 3
6 3
0 1 C
79
Biểu diễn mô hình đối tượng theo từng kênh d, q, 0, được như biểu thức (4.11).
X
A .X 2
2dq0
B .U 2
dq0
F .W 2
dqo
2dq0
T
T
T
(4.11)
2
d
0
0
q
D
Q
0
od
oq
oo
L
0
ω
0
0
R L
1 L
o
o
0
0
0
ω
0
1 C
o
L
0
ω
0
0
R L
1 L
o
o
A
2
0
0
ω 0
0
1 C
o
L
0
0
0
0
R L
1 C
o
o
0
0
0
0
0
1 C
o
6 6
0
0
0
0
1 L
o
0
0
0 1 C
0
0
0
o
0
0
0
0
1 L
B
F
o
2
2
0
0
0 1 C
0
0
0
o
0
0
0
0
1 L
o
0
0
0 1 C
0
0
0
o
6 3
6 3
trong đó: X U U I I I U I U I U ; U d q U ; W I
Có thể nhận thấy trong mô hình đối tượng có hai thành phần xuyên kênh giữa kênh
d và q, thành phần xuyên kênh thứ nhất là do thành phần cơ bản của điện áp rơi trên cuộn
cảm, thành phần xuyên kênh thứ hai là do thành phần cơ bản của dòng điện chảy qua tụ
80
lọc. Các thành phần xuyên kênh là không đáng kể trong trường hợp tải định mức, tuy nhiên
trong điều kiện tải nhẹ hoặc không tải, thành phần xuyên kênh không thể bỏ qua được, khi
đó hệ thống giống như hệ MIMO bậc bốn. Trên quan điểm điều khiển mong muốn tiếp cận
mỗi kênh như là một hệ thống độc lập để thiết kế bộ điều khiển, từ đó dẫn đến yêu cầu phải
loại bỏ các thành phần xuyên kênh.
Một số giải pháp có thể được áp dụng để điều khiển ổn định điện áp ra cho bộ
nguồn biến đổi tần số ứng dụng biến tần ma trận. Trong trường hợp hệ thống yêu cầu băng
thông lớn và đáp ứng nhanh, có thể sử dụng cấu trúc điều khiển một mạch vòng. Tuy nhiên
khi xảy ra quá dòng hoặc ngắn mạch đầu ra bộ biến đổi cần phải có hệ thống bảo vệ dòng
bên ngoài cho bộ biến đổi. Trong trường hợp yêu cầu băng thông không quá lớn, yêu cầu
đáp ứng của hệ thống không quá nhanh và yêu cầu bảo vệ quá dòng cho bộ biến đổi, hệ
thống điều khiển hai mạch vòng được sử dụng, bao gồm mạch vòng dòng điện bên trong
và mạch vòng điện áp bên ngoài.
4.3. Hệ thống điều khiển một mạch vòng
4.3.1 Điều khiển thành phần thứ tự thuận, thứ tự ngược, thứ tự không trong
hệ dq.
*
Khi tải ba pha mất đối xứng
du
*
sẽ sinh ra dòng điện gồm các thành
qu
u , u , u b c
a
ωt
phần thứ tự thuận, ngược, không,
Pdu
u a u b u c
để điều khiển điện áp pha đầu ra,
Pqu
các bộ điều khiển dq thông thường
ωt
u a u b u c
có thể được sử dụng bằng phương
pháp điều khiển ba thành phần
ωt
riêng rẽ, thành phần thứ tự thuận,
thành phần thứ tự ngược và thành
phần thứ tự không [32], cấu trúc
Hình 4.3 Điều khiển thành phần PNZ trong hệ dq0
điều khiển được chỉ ra trên hình
4.3. Hệ thống điều khiển vectơ dựa trên các khung tọa độ đồng bộ quay thuận và ngược
chiều kim đồng hồ có thể được sử dụng để điều khiển thành phần thứ tự thuận và thành
phần thứ tự ngược của điện áp trên tải. Phương pháp này sẽ khó khăn trong việc loại bỏ
thành phần thứ tự không do thành phần thứ tự không khi chuyển sang dq là thành phần
xoay chiều, đồng thời khi cần phải bỏ các sóng hài sinh ra bởi tải phi tuyến, do các sóng
hài có nhiều tần số khác nhau.
81
4.3.2. Điều khiển lặp
Khi tần số đầu ra tương đối
lớn (400Hz), khó sử dụng bộ điều
de
khiển dòng điện ở mạch vòng bên
trong, do giới hạn về băng thông và
yêu cầu điều khiển áp nhanh, ngoài
ra trong các bộ biến đổi kiểu này
Hình 4.4 Cấu trúc điều khiển sử dụng bộ điều khiển lặp [33]
luôn tồn tại các sai lệch có chu kỳ
và méo do sóng hài. Khi đó bộ điều khiển lặp được sử dụng như là một giải pháp để tối
thiểu hoặc loại bỏ các sai lệch có chu kỳ. Cấu trúc điều khiển sử dụng bộ điều khiển lặp
được chỉ ra trên hình 4.4, bao gồm một bộ điều khiển bậc hai C(s) và một bộ điều khiển
lặp, bộ điều khiển bậc hai được thiết kế theo phương pháp quỹ đạo nghiệm số, nhằm mục
đích loại bỏ các điểm cực tạo nên đặc tính dao động của bộ lọc bậc hai LC ở đầu ra. Bộ
điều khiển lặp được sử dụng nhằm loại bỏ sai lệch tĩnh của hệ thống. Cấu trúc của bộ điều
khiển lặp được dựa trên nguyên tắc điều khiển theo mô hình nội, theo nguyên tắc này, đầu
ra của đối tượng có thể bám theo tín hiệu đặt nêu trong mạch vòng kín ổn định có chứa mô
hình tạo ra tín hiệu đặt [33].
4.3.3. Điều khiển cộng hưởng
Trong các ứng dụng điều khiển, nếu tín hiệu đặt là tín hiệu một chiều và yêu cầu tín
hiệu ra bám tín hiệu đặt với sai lệch tĩnh bằng không thì bộ điều khiển PI được sử dụng.
Trong bộ điều khiển PI, thành phần tích phân tạo ra hệ số khuếch đại bằng vô cùng đối với
tín hiệu một chiều, làm cho sai lệch tĩnh bằng không. Bộ điều khiển cộng hưởng (RC) áp
dụng nguyên tắc tương tự đối với tín hiệu xoay chiều, do đó bộ điều khiển cộng hưởng
được xây dựng trên hệ tọa độ tĩnh, không cần các phép biến đổi hệ trục tọa độ. Bộ điều
khiển cộng hưởng gồm một hàm truyền đạt có hệ số khuếch đại rất lớn và độ trễ pha bằng
không tại một tần số nào đó, tần số đó gọi là tần số cộng hưởng, tại các tần số khác hệ số
khuếch đại rất nhỏ, có thể bỏ qua, khi đó mối quan hệ về pha trở nên không quan trọng.
Với hệ số khuếch đại rất lớn ở tần số cộng hưởng, tần số này được lựa chọn bằng tần số
của tín hiệu đặt, bộ điều khiển cộng hưởng hoạt động giống như một bộ tích phân ở tần số
cộng hưởng và tạo ra hệ số khuếch đại bằng vô cùng, do đó sai lệch tĩnh bằng không tại tần
số đó. Hàm truyền của bộ điều khiển cộng hưởng được chỉ ra trong biểu thức (4.12). Hệ số
i
khuếch được lựa chọn phụ thuộc vào đặc tính động học mong muốn của hệ thống.
G (s)
RC
2
K .s s ω
2 0
(4.12)
82
trong đó Ki là hệ số khuếch đại của bộ điều khiển, ω0 là tần số cộng hưởng
Một biến thể khác về cấu trúc
của bộ điều khiển cộng hưởng là một bộ
điều khiển khuếch đại P được mắc song
song với bộ điều khiển cộng hưởng
(P+RC), cấu trúc đó được chỉ ra trên
hình 4.5, hàm truyền của cấu trúc được
chỉ ra trong biểu thức (4.13).
Hình 4.5 Cấu trúc điều khiển P+RC
i
G (s) K
RC
p
2
K .s s ω
2 0
(4.13)
Trong cấu trúc này do bộ điều khiển P mắc song song với bộ điều khiển cộng
hưởng nên sai lệch điện áp được nhân với hệ số khuếch đại Kp, được cộng với tín hiệu đầu
ra của bộ điều khiển cộng hưởng. Khi sử dụng cấu trúc này băng thông của mạch vòng
điều khiển điện áp và đặc tính động của hệ thống được cải thiện một cách đáng kể nhất là
khi tải có những biến động [34].
Khi áp dụng bộ điều khiển cộng hưởng trong việc điều khiển điện áp cho bộ biến
đổi ba pha, các bộ điều khiển cộng hưởng được sử dụng để điều khiển điện áp đầu ra trên
mỗi pha, cấu trúc điều khiển được chỉ ra trên hình 4.6.
Hình 4.6 Cấu trúc điều khiển sử dụng bộ điều khiển cộng hưởng
4.4 Hệ thống điều khiển hai mạch vòng
Như đã phân tích ở trên, trong trường hợp yêu cầu băng thông không quá lớn, yêu
cầu đáp ứng của hệ thống không quá nhanh và yêu cầu bảo vệ quá dòng cho bộ biến đổi, hệ
thống điều khiển hai mạch vòng được sử dụng, bao gồm mạch vòng dòng điện bên trong
và mạch vòng điện áp bên ngoài, cấu trúc điều khiển hai mạch vòng được chỉ ra trên hình
83
4.7. Hệ thống điều khiển hai mạch vòng có thể thực hiện trên hệ tọa độ tự nhiên abc hoặc
hệ tọa độ tĩnh hoặc hệ tọa độ đồng bộ dq0.
Hình 4.7 Cấu trúc điều khiển hai mạch vòng
4.4.1. Bộ điều khiển dòng điện trên hệ tọa độ abc và hệ tọa độ αβγ
Trong hệ tọa độ abc sử dụng ba bộ điều khiển PI để tạo ra điện áp điều khiển.
Nhược điểm chính của phương pháp này là bộ điều khiển phải làm việc với tín hiệu xoay
chiều. Đối với hệ ba pha có trung tính cách ly, do tổng ba dòng luôn bằng không, nên khi
điều khiển trên hệ tọa độ tĩnh chỉ cần sử dụng hai bộ PI, do thành phần bằng không.
Đối với hệ ba pha có trung tính không cách ly, khi điều khiển trên hệ tọa độ tĩnh cần
sử dụng ba bộ điều khiển PI cho ba thành phần. Nhược điểm chính của phương pháp điều
khiển trên hệ tọa độ tĩnh là các bộ điều khiển hoạt động với tín hiệu xoay chiều, do đó hệ
tồn tại sai lệch tĩnh .
4.4.2 Bộ điều khiển dòng điện trên hệ tọa độ đồng bộ dq0
Nhờ việc chuyển hệ tọa độ từ sang dq0, các bộ điều khiển làm việc với thành
phần một chiều. Sai lệch tĩnh của thành phần cơ bản có thể giảm được tới không. Nhược
điểm của phương pháp này là phải sử dụng hai khối chuyển hệ tọa độ, trong đó yêu cầu
phải biết rõ tốc độ đồng bộ. Ngoài ra khi thực hiện bộ điều khiển dòng điện trên hệ tọa độ
dq0, cần phải quan tâm tới thành phần xuyên kênh trong mô hình đối tượng như đã phân
tích ở trên. Để loại bỏ các thành phần xuyên kênh trong mô hình đối tượng có thể sử dụng
cấu trúc điều khiển feedforward dòng điện.
Trong phương pháp điều khiển feedforward, các thành phần xuyên kênh được xem
như là các đầu vào không điều khiển đối với mỗi kênh. Thành phần xuyên kênh trên kênh
d được loại bỏ bằng cách thêm vào tín hiệu điều khiển feedforward tại đầu vào điều khiển
kênh d, thành phần xuyên kênh trên kênh q được loại bỏ bằng cách tương tự nhưng với dấu
84
ngược lại. Tín hiệu feedforward để loại bỏ thành phần xuyên kênh xác định được từ mô
hình trạng thái. Trong phương pháp này các tín hiệu feedforward là các biến trạng thái do
đó việc tách kênh như trên sẽ hình thành nên mạch vòng phản hồi và tính ổn định của hệ
thống có thể bị ảnh hưởng. Ngoài ra phương pháp này chỉ tách được thành phần xuyên
kênh do cuộn cảm (do trở kháng của cuộn cảm có giá trị nhỏ), không tách được thành phần
xuyên kênh do tụ điện gây nên, nên hiệu quả của phương pháp tách kênh này không cao.
Ngoài ra để loại bỏ thành phần xuyên kênh có thể sử dụng bộ điều khiển dòng điện
với tín hiệu phản hồi là dòng trên cuộn cảm. Tuy nhiên phương pháp này không loại bỏ
được hoàn toàn các thành phần xuyên kênh, mà chỉ đảm bảo cho đáp ứng của mỗi kênh
giống như hệ SISO bậc 2.
C
i
C
Điều khiển dòng qua tụ cũng có thể được sử dụng trong mạch vòng điều khiển bên
c
du dt
trong. Dòng qua tụ lọc tỉ lệ với đạo hàm của điện áp trên tụ do đó việc điều
chỉnh dòng tụ có dạng hình sin dẫn tới điện áp đầu ra hình sin và trễ pha hơn dòng một góc 900 , đồng thời có thể thực hiện việc loại bỏ thành phần xuyên kênh do tụ gây nên, do trong
thành phần xuyên kênh này có thành phần đạo hàm của điện áp trên tụ. Việc loại bỏ được
thực hiện bằng cách thêm vào thành phần xuyên kênh trong tín hiệu điều khiển đầu vào
mỗi kênh. Tuy nhiên việc loại bỏ thành phần xuyên kênh do tụ gây nên theo phương pháp
này bị hạn chế bởi độ chính xác của mô hình đối tượng, ngoài ra các đặc tính vật lý của đối
tượng có thể biến đổi theo thời gian, khi đó hiệu quả sẽ không cao.
Kết hợp phương pháp này với phương pháp tách kênh điện áp trên cuộn cảm sẽ tạo
ra được hệ thống tách kênh tốt hơn. Tuy nhiên hạn chế của cấu trúc này là các thành phần
tách kênh dựa trên biến trạng thái do đó có thể ảnh hưởng đến độ ổn định của hệ thống
[35].
4.5 Thiết kế hệ thống điều khiển cho bộ nguồn
Phân tích trường hợp bộ nguồn biến đổi tần số 50/60Hz, áp dụng theo tiêu chuẩn
IEEE 446-1995, với tần số đầu ra là 377 rad/s, yêu cầu băng thông của hệ thống điều khiển
lớn hơn 3800 rad/s, đáp ứng của hệ thống trong khoảng thời gian là 100ms, giá trị của sai
lệch tĩnh cho phép là 3%. Như vậy là yêu cầu băng thông không quá lớn và yêu cầu đáp
ứng của hệ thống không quá nhanh, kết hợp với yêu cầu bảo vệ quá dòng cho bộ biến đổi,
hệ thống điều khiển hai mạch vòng được sử dụng, bao gồm mạch vòng dòng điện bên
trong và mạch vòng điện áp bên ngoài, cấu trúc điều khiển hai mạch vòng cho bộ nguồn
biến đổi tần số 50/60Hz được chỉ ra trên hình 4.8.
85
Hình 4.8 Cấu trúc hệ thống điều khiển điện áp ra của bộ nguồn biến đổi tần số
4.5.1 Thiết kế bộ điều khiển dòng điện
Xét trong trường hợp bộ nguồn trong nghiên cứu áp dụng cho tải đối xứng và
không đối xứng, do đó cấu trúc mạch vòng dòng điện bên trong phải đảm bảo tạo ra nguồn
dòng có tần số đúng bằng tần số cơ bản, ngoài ra với những ưu điểm nổi trội như điều
khiển trong hệ abc nên không phải sử dụng các phép biến đổi hệ, do đó không phải giải
quyết bài toán tách kênh, đồng thời có thể giảm sai lệch tĩnh về tới không, bộ điều khiển
P+RC được sử dụng trong mạch vòng dòng điện. Cấu trúc điều khiển được chỉ ra trên hình
I* aL
VaN
ILa
+
RCia(s)
Gia(s)
-
VbN
I* bL
ILb
+
Gib(s)
RCib(s)
SVM
-
I*
cL
ILc
VcN
+
RCic(s)
Gic(s)
-
4.9 dưới đây.
Hình 4.9 Cấu trúc điều khiển mạch vòng dòng điện sử dụng bộ điều khiển P+RC
2
k s p
2 0
p
i
i
i
Bộ điều khiển P+RC cho mạch vòng dòng điện được chỉ ra trong biểu thức (4.14).
R (s) i
s
I
ω
k s k ω 2 2 0
(4.14)
ipk là hệ số khuếch đại của bộ điều khiển dòng điện;
iIk là hệ số khuếch đại của bộ cộng hưởng cho mạch vòng dòng điện;
0ω là tần số cộng hưởng.
trong đó :
86
Các thông số của bộ điều khiển được xác định theo phương pháp Naslin [36]. Theo
phương pháp này, đa thức đặc tính của hàm truyền hệ kín được biểu diễn dưới dạng như
n
n 1
a
a
biểu thức (4.15)
P s
a s n
s n 1
... a s 1
0
(4.15)
Trong phương pháp này hằng số thời gian của hệ thống có mối liên hệ chặt chẽ với
tốc độ đáp ứng của hệ thống, được gọi là hằng số thời gian tổng quát và định nghĩa như
τ 1/ β
a / a 1
0
0
2 i
α
0 i n 1
sau: .
. Các hệ số
iα được lựa chọn phụ
i
a a a
i 1 i 1
Các hệ số đặc tính
2
thuộc vào được tính động học yêu cầu của hệ thống. Với đa thức đặc tính bậc hai, mối
α 4ξ
quan hệ giữa hệ số đặc tính với hệ số cản như sau: . Từ các yêu cầu này các thông
số của bộ điều khiển được xác định.
Từ mô hình không gian trạng thái của đối tượng, biểu thức (4.7) , viết lại mô hình
đối tượng dưới dạng hàm truyền của dòng điện trên cuộn cảm như biểu thức (4.16).
G (s) i
2
C s o 1 C R s L C s L o
o
o
(4.16)
2
p
o
2 0
p
I
i
i
i
Hàm truyền đạt hệ kín của mạch vòng dòng điện có dạng như biểu thức (4.17).
G (s) ki
2
2
2
s
k s k ω
2 0
o
L
o
p
o
p
I
2 0
ω L C s o
i
i
(4.17)
k s k ω C s k s C R s 1 C s k s
4
3
2
R
k
R
Đa thức đặc tính của hệ kín được chỉ ra trong biểu thức (4.18) dưới đây.
A s i
L C s o o
L
p
L ω o
2 0
I
L
k C ω s ω o
p
2 0
2 0
(4.18)
k C s o
1 C s o
i
i
i
Các thông số của bộ điều khiển P+RC cho mạch vòng dòng điện được xác định trên
cơ sở phương pháp Naslin, đa thức Naslin bậc bốn được biểu diễn như biểu thức (4.19)
[37]. Các thông số của bộ điều khiển P+RC cho mạch vòng dòng điện được xác định theo
a 1 sτ
biểu thức (4.20).
N (s) 4
0
2 2 s τ α
3 3 s τ 3 α
4 4 s τ 6 α
L
o
k
p
i
τ R C C
o
2 2 ω τ o
o
2 L C ω 1 α o
k
(4.19)
I
i
o C
o
3
τ
α ω
0
(4.20)
87
4.5.2 Thiết kế bộ điều khiển điện áp
Cấu trúc điều khiển của mạch vòng điều chỉnh điện áp được chỉ ra trên hình 4.10.
Bộ điều khiển điện áp RU là bộ điều khiển P+RC, hàm truyền được chỉ ra trong biểu thức
(4.21).
Hình 4.10 Cấu trúc điều khiển mạch vòng điện áp trên một pha
2
k s p
2 0
p
u
u
u
R (s) u
I
ω
s
k s k ω 2 2 0
(4.21)
upk là hệ số khuếch đại của bộ điều khiển điện áp;
uIk là hệ số khuếch đại của bộ cộng hưởng cho mạch vòng điện áp;
trong đó :
Hàm truyền đạt hệ kín của mạch vòng điện áp có dạng như biểu thức (4.22) dưới
3
4
2
2
b ω 2
4 0
đây.
G (s) ku
5
4
6
a
s
2 0
a
4 a s 5
2 0
4
2 (2b ω b )s 4 0 1 2 3 2a ω s 5 0
a ω 6
2 0
4
4 4 a ω s ω 0
5
4 0
a s 6
b s + b +b s 3 2a ω 6
2 b ω s b ω 3 0 2 2 1 ω s 0
(4.22)
b 1
I
2
I
3
p
k .k p
p
4
i
u
i
u
i
u
u
i
a
k
R
a
k
a
4
I
L
5
p
.C ; o
6
L .C o
o
i
i
k .k ; b I
trong đó:
1 .C ; o
k .k ; b p
k .k ; b I
6
5
4
a
s
a
Đa thức đặc tính của hệ kín được chỉ ra trong biểu thức (4.23) dưới đây.
A s u
a s 6
a s 5
2a ω 6
2 0
4
2 3 2a ω s 5 0
a ω 6
2 0
4
4 a ω s ω 0 5
4 0
2 2 1 ω s 0
(4.23)
Các thông số của bộ điều khiển P+RC cho mạch vòng điện áp được xác định bằng
phương pháp tương tự như mạch vòng dòng điện, với đa thức Naslin bậc sáu. Các thông số
9
a
τ
k
2 2a ω 6 0
4
p
u
1 k
a .α 6 τ
p
i
9
12
a .α 6
2 0
I
a k 4
i
k
của bộ điều khiển P+RC cho mạch vòng điện áp được xác định theo biểu thức (4.24).
2 o
I
u
2a ω 6 τ.k
1 k
a .α 6 3 τ
p
p
i
i
2a ω . 5
5
6
τ
α
a a
5
(4.24)
88
4.6 Mô phỏng
Mô phỏng bộ nguồn biến đổi tần số ứng dụng MC 3×4 được thực hiện trên toolbox
Simulink và Sim Power System của phần mềm Matlab. Thông số của mô hình mô phỏng:
Ui = 380V, fi = 50Hz, fo = 60Hz, R = 10, L = 0,02H, Co = 220µF, Lo = 0,15mH, Ci =
20µF, Li = 0,2mH, tần số PWM có giá trị là 5KHz.
+ Đóng lần lượt tải tuyến tính trên pha a tại thời điểm 0,03s, đóng tải tuyến tính trên pha b
tại thời điểm 0,05s, cắt tải trên pha a tại thời điểm 0,08s.
+ Đóng đồng thời tải tuyến tính đối xứng trên ba pha tại thời điểm 0,03s, cắt tải trên các
pha tại các thời điểm 0,075s; 0,077s; 0,08s.
a)
b)
Các kết quả nhận được từ mô hình mô phỏng được chỉ ra trong các hình dưới đây.
Hình 4.11 Kết quả mô phỏng với tải tuyến tính không đối xứng có bộ điều khiển. a) Điện áp ra trên ba pha; b) Dòng điện tải; c) Điện áp vào và dòng điện vào.
Hình 4.12 Phân tích phổ - FFT của điện áp ra trường hợp tải tuyến tính không đối xứng có bộ điều khiển
a)
b)
89
c) Hình 4.13 Điện áp và sai lệch điện áp trường hợp tải tuyến tính không đối xứng có bộ điều khiển: a) pha a; b) pha b; c) pha c
a)
90
b) Hình 4.14 Quỹ đạo của các vectơ trong trường hợp tải tuyến tính không đối xứng có bộ điều khiển: a) Quỹ đạo của điện áp đặt và điện áp ra trong không gian αβ và hình chiếu trên mặt phẳng αβ; b) Quỹ đạo dòng điện vào trong không gian αβ và trên mặt phẳng αβ.
Nhận xét: Các kết quả mô phỏng trên hình (4.11) (4.14) cho thấy điện áp ra ba pha đối
xứng, ổn định, tần số của điện áp đầu ra đạt đúng giá trị mong muốn. Điện áp ra bám theo
điện áp đặt, với sai lệch nằm trong phạm vi cho phép, khoảng 3%, thời gian đáp ứng
khoảng 15ms. Độ mất đối xứng của điện áp trên các pha là 2%. Tổng độ méo sóng hài của
điện áp ra lần lượt trên các pha là 2,13%, 2,9%, 2,78%. Dòng điện tải có dạng hình sin,
dòng trên dây trung tính có giá trị khác không. Thành phần cơ bản của dòng điện đầu vào
trùng pha với điện áp đầu vào. Quỹ đạo của vectơ điện áp ra nằm trên mặt phẳng αβ và
αβ có độ méo tương đối lớn.
b)
a)
bám theo quỹ đạo của vectơ điện áp đặt. Quỹ đạo vectơ dòng điện vào nằm trên mặt phẳng
Hình 4.15 Kết quả mô phỏng với đóng cắt tải ba pha tuyến tính có bộ điều khiển: a) Điện áp ra trên ba pha ; b) Dòng điện tải; c) Điện áp vào và dòng điện vào.
c)
91
Hình 4.16 Phân tích phổ - FFT của điện áp ra trong trường hợp đóng cắt tải ba pha tuyến tính có bộ điều khiển
Hình 4.17 Điện áp và sai lệch điện áp trường hợp đóng cắt tải ba pha tuyến tính: a) pha a; b) pha b; c) pha c
a)
92
b) Hình 4.18 Quỹ đạo của các vectơ trong trường hợp đóng cắt tải ba pha tuyến tính: a) Quỹ đạo của điện áp đặt và điện áp ra trong không gian αβ và hình chiếu trên mặt phẳng αβ; b) Quỹ đạo dòng điện vào trong không gian αβ và trên mặt phẳng αβ.
Nhận xét: Các kết quả mô phỏng trên hình (4.15) (4.18) cho thấy điện áp ra ba pha đối
xứng, ổn định, tần số của điện áp đầu ra đạt đúng giá trị mong muốn. Điện áp ra bám theo
điện áp đặt, với sai lệch nằm trong phạm vi cho phép, khoảng 2,5%, thời gian đáp ứng
khoảng 17ms. Độ mất đối xứng của điện áp trên các pha là 2,5%. Tổng độ méo sóng hài
của điện áp ra lần lượt của các pha đầu ra là 2,17%; 3,05%; 2,71%. Dòng điện tải có
dạng hình sin, ba pha đối xứng, dòng trên dây trung tính có giá trị bằng không. Thành
phần cơ bản của dòng điện đầu vào trùng pha với điện áp đầu vào. Quỹ đạo của vectơ
điện áp ra nằm trên mặt phẳng αβ và bám theo quỹ đạo của vectơ điện áp đặt. Quỹ đạo
vectơ dòng điện vào nằm trên mặt phẳng αβ có dạng hình tròn.
Nhận xét chương 4
Thiết kế điều khiển cho bộ nguồn biến đổi tần số ứng dụng MC 3×4 trong trường
hợp tải không đối xứng được trình bày trong chương 4. Ảnh hưởng của tải không đối xứng
được phân tích. Hai cấu trúc điều khiển có thể áp dụng cho điều khiển điện áp ra của bộ
nguồn được phân tích, phụ thuộc vào yêu cầu về băng thông và thời gian đáp ứng của hệ
93
thống, hai cấu trúc điều khiển có thể được sử dụng. Cấu trúc điều khiển một mạch vòng
điện áp được sử dụng trong trường hợp yêu cầu về băng thông lớn và đáp ứng nhanh, cấu
trúc điều khiển hai mạch vòng, mạch vòng dòng điện bên trong và mạch vòng điện áp bên
ngoài được sử dụng trong trường hợp yêu cầu về băng thông không quá lớn và yêu cầu về
đáp ứng của hệ thống không quá nhanh. Trong trường hợp bộ nguồn, với yêu cầu về băng
thông, thời gian đáp ứng và yêu cầu bảo vệ quá dòng, phương án hai mạch vòng được sử
dụng để điều khiển điện áp ra cho bộ nguồn. Với yêu cầu không có tải phi tuyến tại đầu ra,
bộ điều khiển P+RC được sử dụng cho hai mạch vòng, phương pháp Naslin được sử dụng
để xác định các thông số của bộ điều khiển. Các tiêu chuẩn đánh giá độ mất đối xứng về
điện áp được sử dụng để đánh giá sự mất đối xứng của điện áp ra của biến tần trên cơ sở
các kết quả nhận được từ mô hình mô phỏng, các kết quả đánh giá nằm trong giới hạn cho
phép.
94
Chương 5
XÂY DỰNG BỘ NGUỒN BIẾN ĐỔI TẦN SỐ 50/60Hz
ỨNG DỤNG BIẾN TẦN MA TRẬN
5.1. Khái quát chung
Thông số kỹ thuật của bộ nguồn biến đổi tần số 50/60Hz ứng dụng biến tần ma trận
trực tiếp 3 pha 4 nhánh được chỉ ra trong bảng 5.1.
Bảng 5.1 Thông số về điện của bộ nguồn
TT Thông số Ký hiệu Đơn vị Giá trị Ghi chú
1 Công suất S [KVA] 9 Ba pha
2 Điện áp dây đầu vào [V] 380 RMS U1d
3 Tần số điện áp vào [Hz] 50 f1
4 Điện áp dây đầu ra [V] 400 RMS U2d
5 Tần số điện áp ra [Hz] 60 f2
Cấu trúc cơ bản của bộ nguồn biến đổi tần số 50/60Hz ứng dụng biến tần ma trận
trực tiếp 3 pha 4 nhánh được chỉ ra trên hình 5.1, bao gồm các khối cơ bản: Khối công
suất, khối đo lường, khối điều khiển. Khối công suất bao gồm các phần tử: máy biến áp,
lọc đầu vào, biến tần ma trận trực tiếp 3 pha 4 nhánh, lọc đầu ra. Khối đo lường bao gồm
thiết bị đo lường điện áp, dòng điện đầu vào và đầu ra. Khối điều khiển đảm nhận hai chức
năng điều khiển biến tần và điều khiển ổn định điện áp ra bộ nguồn.
Hình 5.1 Sơ đồ cấu trúc bộ nguồn biến đổi tần số 50/60Hz
95
5.2. Xây dựng mô hình MC 3×4 ứng dụng trong bộ nguồn
Thành phần quan trọng nhất của bộ nguồn biến đổi tần số 50/60Hz là MC 3×4.
Trong phần này sẽ tiến hành xây dựng MC 3×4 ứng dụng trong bộ nguồn biến đổi tần số.
Cấu trúc cơ bản của mô hình thực nghiệm MC 3×4 được chỉ ra trên hình 5.2, bao
gồm các khối: Khối mạch lực, khối lọc đầu vào, khối lọc đầu ra, khối đo và đồng bộ với
điện áp lưới, khối đo điện áp và dòng điện ra, khối Gate driver, khối điều khiển chuyển
mạch, khối điều khiển biến tần sử dụng card DS1103.
Hình 5.2 Cấu trúc của hệ thống điều khiển biến tần ma trận trực tiếp 3 pha 4 nhánh
5.2.1. Mạch lực và Gate driver
Sơ đồ mạch lực của biến tần ma trận trực tiếp 3 pha 4 nhánh được chỉ ra trên hình
5.3 dưới đây, bao gồm 12 van bán dẫn hai chiều. Van bán dẫn hai chiều bao gồm hai IGBT
nối theo kiểu emitor chung. Với công suất bộ biến đổi 9 KVA, điện áp dây của đầu ra bộ
biến đổi 400V, dòng điện chảy qua van có giá trị 13A. Lựa chọn van bán dẫn hai chiều sử
dụng trong mô hình là loại DIM200WBS12-A000 của hãng Dynex, dòng điện IC = 200A,
điện áp VCES = 1200V. Đây là loại van hai chiều thực sự, cấu trúc bên trong của van bao
gồm hai IGBT mắc emitor chung và các diot có thời gian đóng cắt nhanh, tất cả được chế
tạo trên cùng một phiến bán dẫn, chi tiết các thông số kỹ thuật của van được trình bày
trong phụ lục 1 của luận án.
96
Hình 5.3 Sơ đồ mạch lực biến tần ma trận trực tiếp 3 pha 4 nhánh
Hình ảnh chi tiết mạch lực của biến tần ma trận trực tiếp 3 pha 4 nhánh, bao gồm
các van bán dẫn hai chiều gắn trên tấm tản nhiệt được chỉ ra trên hình 5.4. Các thanh dẫn
màu đỏ là pha A đầu vào và pha a đầu ra, các thanh dẫn màu xanh là pha B đầu vào và pha
b đầu ra, các thanh dẫn màu vàng là pha C đầu vào và pha c đầu ra. Tản nhiệt được làm từ
nhôm.
Hình 5.4 Mô hình mạch lực của biến tần ma trận trực tiếp 3 pha 4 nhánh
Khối Gate Driver đảm nhận các chức năng: tiếp nhận tín hiệu điều khiển từ khối
logic chuyển mạch và chuyển thành dạng tín hiệu phù hợp để đóng cắt các IGBT trong
mạch lực, đồng thời đảm bảo cách ly giữa mạch lực và mạch điều khiển. Mỗi van bán dẫn
hai chiều sử dụng hai IC driver loại HCPL316J của hãng Avalon, ngoài ra trên mạch driver
còn có LED chỉ thị lỗi cho mỗi kênh, hình ảnh cụ thể của khối driver được chỉ ra trên hình
5.5.
Hình 5.5 Mạch Gate driver
97
5.2.2. Khối điều khiển logic và
chuyển mạch
Khối điều khiển logic và chuyển
mạch sử dụng hai mảng logic lập trình
CPLD loại ATF1508AS của hãng
Atmel, có 84 chân, CPLD thứ nhất đảm
nhận việc thực hiện logic của quá trình Hình 5.6 Khối điều khiển logic và chuyển mạch chuyển mạch, CPLD thứ hai đảm nhận
chức năng mã hóa bảng vectơ chuẩn
phục vụ cho quá trình điều biến. Tín
hiệu vào của khối này bao gồm các tỉ số
điều biến di từ DSP gửi tới phục vụ cho
việc điều chế, tín hiệu chiều dòng điện
từ ADC gửi tới phục vụ cho việc điều
khiển chuyển mạch. Có 24 tín hiệu ra
Hình 5.7 Biến tần ma trận trực tiếp 3 pha 4 nhánh
cho 12 van bán dẫn hai chiều, các tín hiệu này được gửi tới mạch Gate Drive để điều khiển
các IGBT. Khối điều khiển logic và chuyển mạch được chỉ ra trên hình 5.6, mô hình vật lý
biến tần ma trận trực tiếp 3 pha 4 nhánh được chỉ ra trên hình 5.7.
Bảng 5.2 Logic lựa chọn các tổ hợp van
t5
t6
t2
t0
t1
Thời gian Các sectơ U7-I4 U7-I5 U7-I6 U7-I1 U7-I2 U7-I3 U8-I4 U8-I5 U8-I6 U8-I1 U8-I2 U8-I3 U9-I4 U9-I5 U9-I6 U9-I1 U9-I2 U9-I3
Thời gian tính toán t4 t3 ABBB ACCC ABBA ACCA AABA AACA BBBB U1-I1 ACCC BCCC ACCA BCCB AACA BBCB AAAA U1-I2 CCCC BCCC BAAA BCCB BAAB BBCB BBAB U1-I3 BAAA CAAA BAAB CAAC BBAB CCAC BBBB U1-I4 CAAA CBBB CAAC CBBC CCAC CCBC AAAA U1-I5 CBBB ABBB CBBC ABBA CCBC AABA CCCC U1-I6 ABBB ACCC AABB AACC AABA AACA BBBB U2-I1 ACCC BCCC AACC BBCC AACA BBCB AAAA U2-I2 CCCC BCCC BAAA BBCC BBAA BBCB BBAB U2-I3 BAAA CAAA BBAA CCAA BBAB CCAC BBBB U2-I4 CAAA CBBB CCAA CCBB CCAC CCBC AAAA U2-I5 CBBB ABBB CCBB AABB CCBC AABA CCCC U2-I6 BABB CACC AABB AACC AABA AACA BBBB U3-I1 CACC CBCC AACC BBCC AACA BBCB AAAA U3-I2 CBCC ABAA BBCC BBAA BBCB BBAB CCCC U3-I3 BBBB ABAA ACAA BBAA CCAA BBAB CCAC U3-I4 ACAA BCBB CCAA CCBB CCAC CCBC AAAA U3-I5 U3-I6 BCBB BABB CCBB AABB CCBC AABA CCCC U4-I1 U10-I4 BABB CACC BABA CACA AABA AACA BBBB U4-I2 U10-I5 CACC CBCC CACA CBCB AACA BBCB AAAA CCCC U4-I3 U10-I6 CBCC ABAA CBCB ABAB BBCB BBAB U4-I4 U10-I1 ABAA ACAA ABAB ACAC BBAB CCAC BBBB U4-I5 U10-I2 ACAA BCBB ACAC BCBC CCAC CCBC AAAA U4-I6 U10-I3 BCBB BABB BCBC BABA CCBC AABA CCCC
Trật tự chuyển mạch δII-δIV-δVI-δV-δIII-δI-δ0 δVI-δIV-δII-δI-δIII-δV-δ0 δII-δIV-δVI-δV-δIII-δI-δ0 δVI-δIV-δII-δI-δIII-δV-δ0 δII-δIV-δVI-δV-δIII-δI-δ0 δVI-δIV-δII-δI-δIII-δV-δ0 δII-δIV-δVI-δV-δIII-δI-δ0 δVI-δIV-δII-δI-δIII-δV-δ0 δII-δIV-δVI-δV-δIII-δI-δ0 δVI-δIV-δII-δI-δIII-δV-δ0 δII-δIV-δVI-δV-δIII-δI-δ0 δVI-δIV-δII-δI-δIII-δV-δ0 δII-δIV-δVI-δV-δIII-δI-δ0 δVI-δIV-δII-δI-δIII-δV-δ0 δII-δIV-δVI-δV-δIII-δI-δ0 δVI-δIV-δII-δI-δIII-δV-δ0 δII-δIV-δVI-δV-δIII-δI-δ0 δVI-δIV-δII-δI-δIII-δV-δ0 δII-δIV-δVI-δV-δIII-δI-δ0 δVI-δIV-δII-δI-δIII-δV-δ0 δII-δIV-δVI-δV-δIII-δI-δ0 δVI-δIV-δII-δI-δIII-δV-δ0 δII-δIV-δVI-δV-δIII-δI-δ0 δVI-δIV-δII-δI-δIII-δV-δ0
U5-I1 U11-I4 BABB CACC BABA CACA BAAA CAAA BBBB U5-I2 U11-I5 CACC CBCC CACA CBCB CAAA CBBB AAAA CCCC U5-I3 U11-I6 CBCC ABAA CBCB ABAB CBBB ABBB U5-I4 U11-I1 ABAA ACAA ABAB ACAC ABBB ACCC BBBB U5-I5 U11-I2 ACAA BCBB ACAC BCBC ACCC BCCC AAAA U5-I6 U11-I3 BCBB BABB BCBC BABA BCCC BAAA CCCC U6-I1 U12-I4 BABB CACC BAAB CAAC BAAA CAAA BBBB U6-I2 U12-I5 CACC CBCC CAAC CBBC CAAA CBBB AAAA CCCC U6-I3 U12-I6 CBCC ABAA CBBC ABBA CBBB ABBB U6-I4 U12-I1 ABAA ACAA ABBA ACCA ABBB ACCC BBBB U6-I5 U12-I2 ACAA BCBB ACCA BCCB ACCC BCCC AAAA U6-I6 U12-I3 BCBB BABB BCCB BAAB BCCC BAAA CCCC U13-I1 U20-I4 BBBA CCCA ABBA ACCA AABA AACA BBBB U13-I2 U20-I5 CCCA CCCB ACCA BCCB AACA BBCB AAAA CCCC U13-I3 U20-I6 CCCB AAAB BCCB BAAB BBCB BBAB U13-I4 U20-I1 AAAB AAAC BAAB CAAC BBAB CCAC BBBB U13-I5 U20-I2 AAAC BBBC CAAC CBBC CCAC CCBC AAAA U13-I6 U20-I3 BBBC BBBA CBBC ABBA CCBC AABA CCCC U14-I1 U19-I4 ABBB ACCC AABB AACC AAAB AAAC BBBB U14-I2 U19-I5 ACCC BCCC AACC BBCC AAAC BBBC AAAA U14-I3 U19-I6 BCCC BAAA BBCC BBAA BBBC BBBA CCCC BBBB U14-I4 U19-I1 BAAA CAAA BBAA CCAA BBBA CCCA U14-I5 U19-I2 CAAA CBBB CCAA CCBB CCCA CCCB AAAA U14-I6 U19-I3 CBBB ABBB CCBB AABB CCCB AAAB CCCC U15-I1 U22-I4 BBBA CCCA BABA CACA AABA AACA BBBB U15-I2 U22-I5 CCCA CCCB CACA CBCB AACA BBCB AAAA CCCC U15-I3 U22-I6 CCCB AAAB CBCB ABAB BBCB BBAB U15-I4 U22-I1 AAAB AAAC ABAB ACAC BBAB CCAC BBBB U15-I5 U22-I2 AAAC BBBC ACAC BCBC CCAC CCBC AAAA U15-I6 U22-I3 BBBC BBBA BCBC BABA CCBC AABA CCCC U16-I1 U21-I4 BABB CACC AABB AACC AAAB AAAC BBBB U16-I2 U21-I5 CACC CBCC AACC BBCC AAAC BBBC AAAA CCCC U16-I3 U21-I6 CBCC ABAA BBCC BBAA BBBC BBBA U16-I4 U21-I1 ABAA ACAA BBAA CCAA BBBA CCCA BBBB U16-I5 U21-I2 ACAA BCBB CCAA CCBB CCCA CCCB AAAA U16-I6 U21-I3 BCBB BABB CCBB AABB CCCB AAAB CCCC U17-I1 U24-I4 BBBA CCCA BABA CACA BAAA CAAA BBBB U17-I2 U24-I5 CCCA CCCB CACA CBCB CAAA CBBB AAAA CCCC U17-I3 U24-I6 CCCB AAAB CBCB ABAB CBBB ABBB U17-I4 U24-I1 AAAB AAAC ABAB ACAC ABBB ACCC BBBB U17-I5 U24-I2 AAAC BBBC ACAC BCBC ACCC BCCC AAAA U17-I6 U24-I3 BBBC BBBA BCBC BABA BCCC BAAA CCCC U18-I1 U23-I4 BABB CACC BAAB CAAC AAAB AAAC BBBB U18-I2 U23-I5 CACC CBCC CAAC CBBC AAAC BBBC AAAA CCCC U18-I3 U23-I6 CBCC ABAA CBBC ABBA BBBC BBBA BBBB U18-I4 U23-I1 ABAA ACAA ABBA ACCA BBBA CCCA U18-I5 U23-I2 ACAA BCBB ACCA BCCB CCCA CCCB AAAA U18-I6 U23-I3 BCBB BABB BCCB BAAB CCCB AAAB CCCC
δII-δIV-δVI-δV-δIII-δI-δ0 δVI-δIV-δII-δI-δIII-δV-δ0 δII-δIV-δVI-δV-δIII-δI-δ0 δVI-δIV-δII-δI-δIII-δV-δ0 δII-δIV-δVI-δV-δIII-δI-δ0 δVI-δIV-δII-δI-δIII-δV-δ0 δII-δIV-δVI-δV-δIII-δI-δ0 δVI-δIV-δII-δI-δIII-δV-δ0 δII-δIV-δVI-δV-δIII-δI-δ0 δVI-δIV-δII-δI-δIII-δV-δ0 δII-δIV-δVI-δV-δIII-δI-δ0 δVI-δIV-δII-δI-δIII-δV-δ0 δII-δIV-δVI-δV-δIII-δI-δ0 δVI-δIV-δII-δI-δIII-δV-δ0 δII-δIV-δVI-δV-δIII-δI-δ0 δVI-δIV-δII-δI-δIII-δV-δ0 δII-δIV-δVI-δV-δIII-δI-δ0 δVI-δIV-δII-δI-δIII-δV-δ0 δII-δIV-δVI-δV-δIII-δI-δ0 δVI-δIV-δII-δI-δIII-δV-δ0 δII-δIV-δVI-δV-δIII-δI-δ0 δVI-δIV-δII-δI-δIII-δV-δ0 δII-δIV-δVI-δV-δIII-δI-δ0 δVI-δIV-δII-δI-δIII-δV-δ0 δII-δIV-δVI-δV-δIII-δI-δ0 δVI-δIV-δII-δI-δIII-δV-δ0 δII-δIV-δVI-δV-δIII-δI-δ0 δVI-δIV-δII-δI-δIII-δV-δ0 δII-δIV-δVI-δV-δIII-δI-δ0 δVI-δIV-δII-δI-δIII-δV-δ0 δII-δIV-δVI-δV-δIII-δI-δ0 δVI-δIV-δII-δI-δIII-δV-δ0 δII-δIV-δVI-δV-δIII-δI-δ0 δVI-δIV-δII-δI-δIII-δV-δ0 δII-δIV-δVI-δV-δIII-δI-δ0 δVI-δIV-δII-δI-δIII-δV-δ0 δII-δIV-δVI-δV-δIII-δI-δ0 δVI-δIV-δII-δI-δIII-δV-δ0 δII-δIV-δVI-δV-δIII-δI-δ0 δVI-δIV-δII-δI-δIII-δV-δ0 δII-δIV-δVI-δV-δIII-δI-δ0 δVI-δIV-δII-δI-δIII-δV-δ0 δII-δIV-δVI-δV-δIII-δI-δ0 δVI-δIV-δII-δI-δIII-δV-δ0 δII-δIV-δVI-δV-δIII-δI-δ0 δVI-δIV-δII-δI-δIII-δV-δ0 δII-δIV-δVI-δV-δIII-δI-δ0 δVI-δIV-δII-δI-δIII-δV-δ0
98
Việc lựa chọn các tổ hợp van ứng với các sectơ dòng điện vào trên mặt phẳng và
các tứ diện điện áp ra trong không gian tuân theo bảng 5.2. Ví dụ tổ hợp van ABBB nghĩa
là đầu ra pha a được nối với đầu vào pha A, đầu ra pha b, c, n đều được nối với đầu vào
pha B, như vậy các van bán dẫn hai chiều SAa, SBb, SBc, SBn được điều khiển mở. Các dòng
của bảng 5.2 tương ứng với các tứ diện – sectơ Ui – Ij (i = 124, j = 1 6) trong không
gian và mặt phẳng . Các cột thời gian tương ứng với thời gian ti (i = 0 6)mà các
tổ hợp van này được sử dụng do phần tính toán đưa ra. Trật tự chuyển mạch xác định thứ
tự sử dụng các tổ hợp van. Tín hiệu điều khiển các van bán dẫn hai chiều sẽ là hàm logic
99
của các đầu vào trên các cột và các hàng, ví dụ tín hiệu điều khiển van bán dẫn hai chiều
SAa xác định được như dưới đây, trong đó ri là các thứ tự dòng, các hàm logic cho các van
SAa= δI*(r1+r2+r7+r8+r16+r17+r22+r23+r34+r35+r40+r41+r43+r44+r52+r53+r58+r59+r64+r65+r70+r71)+ δII*(r1+r6+r7+r12+r15+r16+r21+r22+r27+r28+r33+r34+r39+r40+r43+r48+r51+r52+r57+r58+r63+r64+r69+r70)+ δIII*(r1+r2+r7+r8+r13+r14+r22+r23+r28+r29+r34+r35+r37+r38+r43+r44+r52+r53+r55+r56+r64+r65+r70+r71)+ δIV*(r1+r6+r7+r12+r13+r18+r21+r22+r27+r28+r33+r37+r42+r43+r48+r51+r52+r55+r60+r63+r64+r69+r70) δV*(r1+r2+r7+r8+r13+r14+r19+r20+r28+r29+r34+r35+r37+r38+r43+r44+r49+r50+r55+r56+r64+r65+r67+r68) δVI*(r1+r6+r7+r12+r13+r18+r19+r24+r27+r28+r33+r34+r37+r42+r43+r48+r49+r54+r55+r60+r63+r64+r67+r72)
δ0*(r2+r5+r8+r11+r14+r17+r20+r23+r26+r29+r32+r35+r38+r41+r44+r47+r50+r53+r56+r59+r62+r65+r68+r71)
bán dẫn hai chiều còn lại được xác định bằng cách tương tự, được trình bày trong phụ lục.
5.2.3. Khối tính toán quy luật điều
biến
Khối điều khiển sử dụng Card
DS1103 của hãng Dspace, card sẽ đảm
nhận toàn bộ chức năng điều khiển cho
hệ thống. Cấu trúc của card được chỉ ra
trên hình 5.8. Thông số kỹ thuật chủ yếu
bao gồm: Card giao tiếp với máy chủ
thông qua khe cắm ISA 16 bit dạng
Hình 5.8 Cấu trúc card DS1103
chuẩn. Vi xử lý chính của card là loại
PowerPCPPC 750GX, xung nhịp CPU là 1 GHz. Bộ nhớ cache có dung lượng 64 KB, tần
số bus 133 MHz. Bộ nhớ đệm chương trình có dung lượng 128 MB SDRAM. Có 04 bộ
thời gian với độ phân giải 30 ns. Có 13 bộ điều khiển ngắt các loại. Bộ chuyển đổi A/D 20
kênh, độ phân giải 16 bit, dải điện áp đầu vào 10 V. Bộ chuyển đổi D/A 8 kênh, độ phân
giải 16 bit, dải điện áp đầu ra 10 V. Đầu I/O số 32 kênh, mức đầu I/O là TTL, dòng ra cực
đại cho phép Iout max = 10 mA. Có 7 đầu kết nối encoder, tần số xung vào lớn nhất 1,65
MHz, điện áp nguồn 5 V/1,5 V. Truyền thông theo chuẩn CAN tốc độ cao và chuẩn nối
tiếp. DSP tớ loại Texas Instruments TMS320F240, tần số clock là 20 MHz.
Sơ đồ cấu trúc cho việc thực hiện các chức năng trên trong DSP được chỉ ra trên
hình 5.9. Khâu ADC có chức năng chuyển đổi tương tự số cho các giá trị điện áp vào, phục
vụ cho việc đồng bộ với điện áp lưới, cung cấp tín hiệu cho khâu tính toán 1, ở đây sẽ tính
toán và xuất ra các giá trị Ui và ∆φ. Khâu tính toán 2 nhận giá trị điện áp đặt, bao gồm biên
độ và tần số, ở đây sẽ tính toán và xuất ra giá trị U0 , vị trí của vectơ điện áp đặt. Khâu tính
di nhận các tín hiệu từ hai khâu tính toán và tính toán ra giá trị các tỉ số điều biến và chuyển
100
các giá trị này thành tín hiệu điều khiển van theo thời gian thông qua các bộ PWM là tài
nguyên của Card, các tín hiệu điều khiển sẽ được gửi tới mạch gate driver.
Hình 5.9 Sơ đồ cấu trúc cho khâu tính toán trong DSP
5.3. Kết quả thực nghiệm
Sơ đồ cấu trúc hệ thống thực nghiệm bộ nguồn biến đổi tần số 50/60Hz ứng dụng
biến tần ma trận trực tiếp 3 pha 4 nhánh được chỉ ra trên hình 5.10. Hệ thống thực nghiệm
bao gồm: Máy tính với card DS 1103 của hãng Dspace, thiết bị giao tiếp ngoại vi của card,
máy biến áp, biến tần ma trận trực tiếp 3 pha 4 nhánh, tải. Máy biến áp phía đầu vào của bộ
nguồn là máy biến áp tự ngẫu ba pha. Hệ thống tải bao gồm động cơ không đồng bộ ba pha
và tải điện trở một pha. Tần số trích mẫu 2,5Khz, động cơ không đồng bộ ba pha có công
suất P = 2,2 Kw.
Hình ảnh hệ thống thí nghiệm bộ nguồn biến đổi tần số 50/60Hz ứng dụng biến tần
ma trận trực tiếp 3 pha 4 nhánh được chỉ ra trên hình 5.11
P HA n
P HA c
P
PH A b
H
PH A a
A
A
P
H
A
B
P
H
A
A
TẢ N N HIỆ T
V AN BÁ N D ẪN H AI C HIỀ U (B idirectio nal)
Hình 5.10 Cấu trúc hệ thống thí nghiệm bộ nguồn biến đổi tần số 50/60Hz ứng dụng biến tần ma trận trực tiếp 3 pha 4 nhánh
101
Hình 5.11 Mô hình thực nghiệm bộ nguồn biến đổi tần số 50/60Hz ứng dụng biến tần ma trận trực tiếp 3 pha 4 nhánh
102
Các kết quả nhận được từ quá trình thực nghiệm được chỉ ra trên hình từ (5.12) đến
(5.14) dưới đây.
Hình 5.12 Tín hiệu điều khiển chuyển mạch cho các van ban dẫn hai chiều (BDS)
a)
b)
103
Hình 5.13 a) Điện áp vào và dòng điện vào; b) Phân tích phổ của điện áp vào và dòng điện vào
a)
b)
c)
104
Hình 5.14 Điện áp ra và dòng tải a) Điện áp ra; b) Dòng tải; c) Phân tích phổ FFT dòng tải; d) Điện áp ra và dòng tải.
d)
Nhận xét: Các kết quả nhận được từ quá trình thực nghiệm (hình 5.12 5.14) cho thấy tín
hiệu chuyển mạch của các van bán dẫn hai chiều rõ ràng, đúng logic, bước chuyển mạch
khoảng 10µs. Dòng điện đầu vào của biến tần có dạng hình sin theo tần số cơ bản, thành
phần hài bậc 3 và bậc 5 tương ứng là 2% và 1,7%. Điện áp vào và thành phần cơ bản của
dòng điện đầu vào trùng pha với nhau chứng tỏ hệ số công suất đầu vào của biến tần đạt
gần bằng một. Điện áp ra đạt đúng giá trị và tần số mong muốn. Dòng điện tải có dạng
hình sin, thành phần hài bậc 3 và bậc 5 tương ứng là 2% và 1 %. Các giá trị nhận được
đều nằm trong phạm vi cho phép.
Kết quả thực nghiệm với tải không đối xứng nhận được trên phần mềm
ControlDesk.
Hình 5.15 Kết quả thực nghiệm với tải không đối xứng
105
Nhận xét: Các kết quả thực nghiệm với tải không đối xứng (hình 2.15) cho thấy điện áp ba
pha đầu ra đối xứng, có dạng hình sin theo tần số cơ bản, giá trị điện áp trên ba pha là
cân bằng, như vậy hệ thống điều khiển đã hoạt động ổn định.
Nhận xét chương 5
Việc xây dựng mô hình thực nghiệm bộ nguồn biến đổi tần số 50/60Hz trên cơ sở
biến tần ma trận trực tiếp 3 pha 4 nhánh được trình bày trong chương 5. Kết cấu mô hình
thực nghiệm bao gồm: máy biến áp, biến tần ma trận trực tiếp 3 pha 4 nhánh, bộ lọc đầu
vào, đầu ra, hệ thống đo lường điện áp, dòng điện, hệ thống điều khiển bộ nguồn.
Các van bán dẫn hai chiều thực sự sử dụng để xây dựng mạch lực của MC 3×4
trong mô hình mang nhiều ưu điểm như kết cấu mạch đơn giản hơn khi sử dụng 24 van bán
dẫn một chiều ghép lại, kích thước của bộ biến đổi giảm đáng kể.
Các kết quả thực nghiệm nhận được từ mô hình chứng tỏ mô hình đã hoạt động tốt.
Các nghiên cứu lý thuyết thuật toán điều biến vectơ không gian ba chiều áp dụng cho biến
tần áp dụng là đúng đắn. Phương pháp xác định vectơ thành phần trong quá trình tổng hợp
vectơ điện áp ra và dòng điện vào là hoàn toàn chính xác. Phương pháp điều khiển điện áp
ra đảm bảo cho điện áp ba pha đầu ra của bộ nguồn ổn định, cân bằng trong trường hợp tải
không đối xứng.
106
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
Luận án “Nghiên cứu bộ nguồn biến đổi tần số 50/60Hz sử dụng biến tần kiểu ma
trận” là công trình về nghiên cứu, thiết kế bộ nguồn biến đổi tần số 50/60Hz trên cơ sở
biến tần ma trận trực tiếp 3 pha 4 nhánh. Luận án đã có những đóng góp mới trong lĩnh vực
nghiên cứu và ứng dụng biến tần ma trận, cụ thể như sau:
- Thiết kế chuyển mạch cho biến tần ma trận trực tiếp 3 pha 4 nhánh cho bộ nguồn
50/60Hz: với cấu trúc mạch lực là ma trận 34, có 12 van bán dẫn hai chiều (24 IGBT),
đảm bảo được chuyển mạch an toàn, logic điều khiển chuyển mạch được thiết kế, cài đặt trên vi mạch CPLD và vận hành đáp ứng được yêu cầu.
- Thiết kế phương pháp điều biến vectơ không gian, với yêu cầu điện áp ra và dòng đầu vào có dạng hình sin theo tần số cơ bản và cài đặt vào vi điều khiển DSP. Thiết kế phương pháp xác định vectơ thành phần dựa vào vectơ chuẩn, từ đó chuyển các phép tính
vectơ thành các phép tính đại số dưới dạng các ma trận, điều này dẫn đến giảm khối lượng tính toán và đặc biệt thuận tiện, dễ dàng trong việc triển khai thuận toán điều chế vectơ không gian trên các vi điều khiển DSP. Kết quả nghiên cứu đã được kiểm chứng qua mô phỏng và thực nghiệm.
- Xây dựng được mô hình thực nghiệm bộ nguồn ma trận biến đổi tần số 50/60Hz, trong đó cài đặt các thuật chuyển mạch, điều biến vectơ không gian và các mạch vòng điều
chỉnh, mô hình bộ nguồn sử dụng 12 van bán dẫn hai chiều DIM200WBS12-A000 (hãng Dynex, điện áp định mức là 1200V, dòng điện định mức là 200A, xuất xứ tại Hoa kỳ và là sản phẩm đang trong giai đoạn sản xuất thử nghiệm, chế tạo theo đơn đặt hàng của các nhà nghiên cứu). Mô hình thử nghiệm đã được vận hành đạt các yêu cầu đề ra về an toàn, sóng
hài dòng đầu vào và chất lượng điện áp ra với các loại tải.
Một số kiến nghị cho hướng nghiên cứu tiếp theo
- Nghiên cứu các phương pháp điều chế đặc biệt cho biến tần ma trận trực tiếp 3
pha 4 nhánh như: điều chế ít nhánh van, quá điều chế, chế độ điều chế thích nghi (mặt
phẳng và không gian);
- Nghiên cứu về giới hạn của vùng có ích, vùng cấm và phạm vi quá điều chế của
không gian điều chế. Nghiên cứu về ảnh hưởng thời gian trễ, ton/off của van bán dẫn hai
chiều. Nghiên cứu hệ thống trong miền gián đoạn, ảnh hưởng của phương pháp gián đoạn,
tần số trích mẫu.
- Nghiên cứu biến tần ma trận trực tiếp 3 pha 4 nhánh trong các điều kiện làm việc
không bình thường, điện áp đầu vào bị méo, không đối xứng, trường hợp tải bị lỗi, bị ngắn
mạch thoảng qua và chế độ tải phi tuyến.
107
Tài liệu tham khảo
Tiếng việt
[1] Trần Trọng Minh (2007) Nghiên cứu xây dựng mô hình biến tần kiểu ma trận. Luận án
tiến sĩ kỹ thuật, Đại học Bách khoa Hà nội
Tiếng Anh
[2] Noureddine Mansour, Abdelkader Djahbar, Benyounes Mazari (2008) Matrix
converter for six phase induction machine drive system. Acta Electrotechnica et
Informatica Vol. 8, No. 2, 2008, Page(s): 64–69
[3] Turri, S.; Lacaze, A.; Kauffmann, J.M (2002) Matrix converter with natural
commutation. Power Electronics, Machines and Drives, 2002. International Conference on
(Conf. Publ. No. 487) , 4-7 June 2002, Page(s): 183 –188
[4] Ziegler, M.; Hofmann, W. (2001) New one-step commutation strategies in matrix
converters. Power Electronics and Drive Systems, 2001. Proceedings., 2001 4th IEEE
International Conference on , Volume: 2 , 22-5 Oct. 2001, Page(s): 560 -564
[5] Ziegler, M.; Hofmann, W. (1998) Semi natural two steps commutation strategy for
matrix converters. Power Electronics Specialists Conference, 1998. PESC 98 Record. 29th
Annual IEEE, Volume: 1, 17-22 May 1998. Page(s): 727 -731
[6] Wei, L.; Lipo, T.A. (2001) A novel matrix converter topology with simple
commutation. Industry Applications Conference, 2001. Thirty-Sixth IAS Annual Meeting.
Conference Record of the 2001 IEEE , Volume: 3 , 30 Sept.-4 Oct. 2001, Page(s): 1749 -
1754
[7] Fan Yue, Patrick W. Wheeler, Nick Mason, Lee Empringham and Jon C. Clare (2007)
Indirect Space Vector Modulation for a 4-Leg Matrix Converter. Power Electronics
Specialists Conference, 2007. PESC 2007. IEEE; Issue Date: 17-21 June 2007 Page(s):
639 – 645
[8] N. J. Mason, P. W. Wheeler, and J. C. Clare (2005) Space vector modulation for a 4-
leg matrix converter. 36th IEEE Power Electronics Specialists Conference, September
2005, Page(s): 31 - 38
[9] Cárdenas, R.; Peña, R.; Clare, J.; Wheeler, P. (2010) A space vector modulation
algorithm for 4-leg matrix converters. Industrial Technology (ICIT), 2010 IEEE
International Conference on Issue Date: 14-17, March 2010, Page(s): 878 – 883
[10] Jun-Koo Kang; Hara, H.; Hava, A.M.; Yamamoto, E.; Watanabe, E.; Kume, T.
(2002) The matrix converter drive performance under abnormal input voltage conditions.
108
Power Electronics, IEEE Transactions on , Volume: 17 Issue: 5 , Sept. 2002, Page(s): 721
–730
[11] Zhang, L.; Watthanasarn, C.; Shepherd, W. (2001) Control of AC-AC matrix
converters for unbalanced and/or distorted supply voltage. Power Electronics Specialists
Conference, 2001. PESC. 2001 IEEE 32nd Annual , Volume: 2 , 17-21 June 2001, Page(s):
1108 -1113
[12] Hulusi Karaca, Ramazan Akkaya (2009) Control of Venturini Method Based Matrix
Converter in Input Voltage Variations. Proceedings of the International Multi Conference
of Engineers and Computer Scientists 2009 Vol II, IMECS 2009, Hong Kong March 18 -
20, 2009, Page(s): 978 -988
[13] Sangshin Kwak, and Hamid A. Toliyat (2007) An Approach to Fault-Tolerant Three-
Phase Matrix Converter Drives. IEEE Transactions on enenrgy conversion, vol.22, no 4,
December 2007, Page(s): 855 – 863
[14] S. Ferreira Pinto J. Fernando Silva, P. Gamboa (2006) Current Control of a Venturini
Based Matrix Converter. IEEE ISIE 2006, July 9-12, 2006, Montreal, Quebec, Canada,
Page(s): 3214 – 3219
[15] Zanchetta, J.C. Clare, P.W. Wheeler, M. Bland, L. Empringham, D. Katsis (2005)
Control Design of a Three-Phase Matrix Converter Mobile AC Power Supply Using
Genetic Algorithms. Power Electronics Specialists Conference, 2005. PESC '05. IEEE 36th
Issue Date: 16-16 June 2005, On page(s): 2370 - 2375
[16] Dynex Semiconductor (2006) DIM200 WBS12-A000 Single Switch IGBT Module.
Device Data Sheet, www.dynexsemi.com, March, 2006
[17] Seme Lab (2002) SML300MAT06. Device Data Sheet, www.semelab.com, 2002, June
2002
[18] Seme Lab (2002) SML300MAT12. Device Data Sheet, www.semelab.com, 2002, June
2002
[19] Klumpner, C.; Nielsen, P.; Boldea, I.; Blaabjerg, F. (2002) A new matrix converter
motor (MCM) for industry applications. Industrial Electronics, IEEE Transactions on,
Volume: 49 Issue: 2 , April 2002, Page(s): 325 –335
[20] Bernet, S.; Ponnaluri, S.; Teichmann, R. (2002) Design and loss comparison of
matrix converters, and voltage-source converters for modern AC drives.
Industrial Electronics, IEEE Transactions on , Volume: 49 Issue: 2 , April 2002, Page(s):
304 -314
109
[21] Casadei, D.; Serra, G.; Tani, A. (2001) The use of matrix converters in direct torque
control of induction machines. Industrial Electronics, IEEE Transactions on , Volume: 48
Issue: 6 , Dec. 2001, Page(s): 1057 –1064
[22] Zhang, L.; Watthanasarn, C.; Shepherd, W. (1997) Application of a matrix converter
for the power control of a variable-speed wind-turbine driving a doubly-fed induction
generator. Industrial Electronics, Control and Instrumentation, 1997. IECON 97. 23rd
International Conference on, Volume: 2, 9-14 Nov.1997, Page(s): 906 -911
[23] R. Erickson, S. Angkititrakul, and K. Almazeedi (2006) A New Family of Multilevel
Matrix Converters for Wind Power Applications: Final Report. December 2006
[24] Saúl López Arévalo, MSc, (2008) Matrix Converter for Frequency Changing Power
Supply Applications. Submitted to the University of Nottingham for the degree of Doctor
of Philosophy, January 2008
[25] IEEE Std 446-1995 (1995) IEEE Recommended Practice for Emergency and Standby
Power Systems for Industrial and Commercial Applications. 1995
[26] Ryszard Strzelecki, Adam Noculak, Henryk Tunia, Krzysztof P. Sozański, Zbigniew
Fedyczak (2001) UPFC with Matrix Converter. EPE 2001 – Graz
[27] Wheeler, P. W., P. Zanchetta, Clare, J. C., Empringham, L., Bland , M., Katsis, D
(2008) A utility power supply based on a four-output leg matrix converter. IEEE
Transactions on Industry Applications, vol. 44, No. 1, January/Februry 2008, Page(s): 174
- 186
[28] Richard Zhang (1998) High performance power converter systems for nonlinear and
unbalanced load/source; Doctor of Philosophy; Blacksburg, Virginia, November 17, 1998
[29] Military Standard MIL-STD-704E
[30] NEMA standard (1980) MG1-14.34
[31] International Electrotechnical Commission (IEC) Publication 50 (05), (1954)
International Electrotechnical Vocabulary, Group 05, Fundamental Definitions
[32] Kyung-Hwan Kim, Nam-Joo Park, Dong-Seok Hyun (2005) Advanced Synchronous
Reference Frame Controller for three-Phase UPS Powering Unbalanced and Nonlinear Loads. Power Electronics Speciaists Conference, 2005. PESC’ 05. IEEE 36th, Issue Date:
16-16 June 2005. Page(s): 1699-1704
[33] Wesam M. Rohouma, Saul Lopez Arevalo, Pericle Zanchetta, PatrickW Wheeler
(2010) Repetitive control for a four leg martix converter. Power Electronics, Machines and Drives (PEMD 2010), 5th IET International Conference on, Date 19 – 21 April 2010,
Brighton, UK, Page(s) 1- 6
110
[34] Eyyup Demirkutlu (2006) Output voltage control of a four-leg inverter based three-
phase ups by means of stationary frame resonant fiter banks. In partial fulfillment of the
requirements for the degree of master of science in the department of electrical and
electronics engineering, December 2006
[35] Robert A. Gannett (2001) Control strategies for high power four-lef voltage source
invertersMaster of science in Electrical Engineering , July 30, 2001, Blacksburg, Virginia .
[36] Dae-Kwan Kim, Han-Si1 Kim (2003) Advanced pole placement methodogy for non
overshooting condition. Proceedings ofthe 7th Korea-Russia Internafional Symposium,
KORUS 2003, Page(s): 462 – 467
[37] Y.C. Kim, L.H. Keel, S.P. Bhattacharyya (2002) Transient Response Control via
Characteristic Ratio Assignment. Proceedings of the American Control Conference
Anchorage, AK May 8-10,2002, Page(s): 1639 – 1646
111
DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN
[1]. Bùi Quốc Khánh, Trần Trọng Minh, Đặng Hồng Hải (2007) Xây dựng cấu trúc bộ
nguồn biến đổi tần số 50/60Hz kiểu ma trận. Tuyển tập công trình khoa học Hội nghị Cơ
học toàn quốc lần thứ 8, 12.2007, trang 439-448
[2] Bùi Quốc Khánh, Đặng Hồng Hải, Đoàn Văn Tuân (2010) “Điều biến vectơ không gian
cho biến tần ma trận gián tiếp 3 pha – 4 dây. Tạp chí Khoa học và công nghệ Hàng hải,
4.2010, số 22, trang 27-33
[3] Bùi Quốc Khánh, Đặng Hồng Hải, Đoàn Văn Tuân (2010) Tổng hợp dòng điện vào và
điện áp ra cho biến tần ma trận gián tiếp 3 pha 4 dây. Tuyển tập hội nghị toàn quốc lần
thứ 5 về cơ điện tử, 10.2010, trang 123-128
[4] Bùi Quốc Khánh, Đặng Hồng Hải, Đoàn Văn Tuân (2010) Thiết kế chuyển mạch cho
biến tần ma trận trực tiếp 3 pha 4 dây. Tạp chí Khoa học và công nghệ Hàng hải, 11.2010,
số 24, trang 83-88
[5] Đặng Hồng Hải, Bùi Quốc Khánh, Đoàn Văn Tuân (2011) Điều biến vectơ không gian
trực tiếp cho biến tần ma trận trực tiếp 3 pha 4 dây. Tạp chí Khoa học & Công nghệ các
trường Đại học kỹ thuật, 2011, số 81, trang 91-95
[6] Đặng Hồng Hải, Bùi Quốc Khánh (2011) “Thiết kế bộ nguồn biến đổi tần số 50/60Hz
ứng dụng biến tần ma trận”, Tuyển tập hội nghị toàn quốc lần thứ nhất về điều khiển và tự
động hóa, VCCA 2011, Hà Nội 2011, trang 678-683
[7] Đặng Hồng Hải, Bùi Quốc Khánh (2012) “Điều biến vectơ không gian gián tiếp trong
hệ tọa độ cho biến tần ma trận trực tiếp 3 pha 4 nhánh”. Đang chờ đăng trên Tạp chí
Khoa học & Công nghệ các trường Đại học kỹ thuật
112
PHỤ LỤC 1
THÔNG SỐ VÀ ĐẶC TÍNH KỸ THUẬT VAN BÁN DẪN HAI CHIỀU
SỬ DỤNG TRONG MÔ HÌNH THỰC NGHIỆM
- Tên van bán dẫn: DIM200WBS12-
A000 Single Switch IGBT Module.
- Cấu trúc và sơ đồ chân của van bán
dẫn hai chiều DIM200WBS12-A000.
- Các thông số kỹ thuật của van bán dẫn
hai chiều DIM200WBS12-A000.
Hình PL1.1 Sơ đồ chân của van bán dẫn hai chiều
Bảng PL1.1 Các thông số cực đại cho phép của van bán dẫn hai chiều
Ký hiệu
Thông số
Điều kiện thử
Max
VGE = 0V Tcase = 80°C 1ms, Tcase =115°C
VCES VGES IC IC(PK) Pmax I2t 1200 ±20 200 400 1.435 6.25
Đơn vị V V A A kW kA2S
Điện áp collector-emitter Điện áp gate-emitter Dòng collector Dòng đỉnh collector Tổn thất công suất cho phép Tcase = 25°C, Tj = 50°C Giá trị I2t của điốt (1 nhánh VR = 0, tP = 10ms, Tvj = 125°C IGBT) Điện áp cách ly của môđun Điện áp xoay chiều đo với 2500 V Visol đế của van, 1 phút, 50Hz
Bảng PL 1.2 Các thông số về nhiệt độ và cơ học của van
Copper 24mm 13mm
Internal insulation material: Al2O3 Base plate material: Creepage distance: Clearance: CTI (Critical Tracking Index): 175 Ký hiệu
Thông số
Min TB Max. Đơn vị
- - 87 °C/kW Rth(j-c) Trở kháng nhiệt của transistor
- - 194 °C/kW Rth(j-c) Trở kháng nhiệt của diode
- - 15 °C/kW Rth(c-h) Trở kháng nhiệt của vỏ với tản nhiệt
Điều kiện thử Công suất tổn thất liên tục từ tiếp giáp tới vỏ Công suất tổn thất liên tục từ tiếp giáp tới vỏ Momen gắn 5Nm (với keo tản nhiệt)
113
(per module)
Nhiệt độ tiếp giáp Tj
Nhiệt độ lưu trữ Tstg - - -40 - - - - - 150 125 125 5 °C °C °C Nm
- Momen xoắn - - 5 Nm
Transistor Diode - Mounting – M6 Electrical connections – M6
Bảng PL 1.3 Các thông số của van (mặc định trong điều kiện Tcase = 25°C)
Ký hiệu
Thông số
Điều kiện thử
Min
TB Max.
Đơn vị 0.25 mA
- -
6 mA - - VGE = 0V, VCE = VCES Dòng khóa collector VGE = 0V, VCE = Ices
1 µA - - Dòng rò cực G VCES, Tcase = 125°C VGE = ±20V, V = 0V Ices
V 4.5 5.5 6.5 VGE(TH) Điện áp ngưỡng tại IC = 10mA, VGE = VCE
V 2.2 2.6 - VGE = 15V, IC = 200A
V 2.6 3.0 - IC = VCE(sat) ♦
cực G áp Collector- Sụt emitter khi dẫn bão hòa
VT♦ Sụt áp thuận (Đo trên các đầu 1&3) V V 4.3 4.7 5.0 5.4 - -
- 200 A - VGE = 15V, 200A, Tcase = 125°C VGE = 15V, IC = 200A VGE = 15V, IC = 200A, Tcase = 125°C DC của thuận IF
- 400 A - tp = 1ms IFM Dòng Diode Dòng thuận cực đại của Diode
2.1 2.4 V - IF = 200A
VF♦ 2.1 2.4 V - Điện áp thuận của diode
23 - nF - Điện dung đầu vào Cies
30 - nH - IF = 200A, Tcase = 125°C VCE = 25V, VGE = 0V, f = 1MHz LM
0.27 - mΩ - Điện cảm của môđun (mỗi nhánh) Nội trở mỗi nhánh RINT
1375 - A - Tj = 125°C, I1 SCData Dòng ngắn mạch. Isc
114
V cc = 900V, tp ≤ 10µs, VCE(max)= VCES – L*.di/dt IEC 60747-9 - 1125 - A I2
- 600 - ns td(off)
- 50 - ns tf
- 20 - mJ EOFF
Thời gian trễ khi khóa Thời gian giảm dòng Tổn thất công suất khi khóa Thời gian trễ khi mở - 240 - ns
- 95 - ns td(on) tr IC = 200A VGE = ±15V VCE = 600V RG(ON) = RG(OFF) = 4.7 Ω L ~ 100nH - 25 - mJ EON
- 2 - µC Qg
- 30 - µC Qrr
- 125 - A Irr IF = 200A, VR = 600V, dlF/dt = 2100A/µs - 13 - mJ EREC Thời gian tăng dòng Tổn thất công suất khi mở Điện tích nạp cực G Điện tích phục hồi của điốt Dòng phục hồi của điốt Năng lượng phục hồi của điốt
Ghi chú: ♦ Đo ở các cầu đấu động lực. * L là điện cảm của mạch điện + LM.
Bảng PL 1.4 Các thông số của van (mặc định trong điều kiện Tcase = 125°C)
Thông số
Điều kiện thử
Min
TB Max.
- - 800 70 - -
Đơn vị ns ns
Ký hiệu td(off) tf
- 27 - mJ EOFF
IC = 200A VGE = ±15V VCE = 600V RG(ON) = RG(OFF) = 4.7 Ω L ~ 100nH
- - 385 110 - - ns ns td(on) tr
- 40 - mJ EON
- 50 - µC Qrr IF = 200A, VR = 600V, dlF/dt = 1900A/µs
- 140 - A Irr
- 20 - mJ EREC Thời gian trễ khi khóa Thời gian giảm dòng Tổn thất công suất khi khóa Thời gian trễ khi mở Thời gian tăng dòng Tổn thất công suất khi mở Điện tích phục hồi của điốt Dòng phục hồi của điốt Năng lượng phục hồi của điốt
115
- Các đặc tính kỹ thuật của van bán dẫn hai chiều DIM200WBS12-A000
Hình PL1.2 Tổn thất đóng cắt theo dòng tải Hình PL1.3 Tổn thất đóng cắt theo điện trở cực G
Hình PL1.4 Đặc tính thuận của diot
Hình PL1.5 Vùng làm việc an toàn của van bán dẫn
116
Hình PL1.6 Giá trị dòng định mức theo nhiệt độ vỏ
Hình PL1.7 Giá trị dòng điện pha của MC theo tần số chuyển mạch
5 1 , 0
± 0 0 , 4 2
0 0 , 6
0 5 , 7
6
7
0 1 1 1
3 , 0
0 0 , 2 6
0 0 , 5 1
9
5
± 0 0 , 8 4
8
4
1
2
3
0 0 , 1 3
0 0 , 6
8 1 , 7
0 0 , 0 3
0 0 , 5
0 0 , 3 2
113 113
Hình PL1.8 Kích thước của van bán dẫn hai chiều DIM200WBS12-A000
117
PHỤ LỤC 2
HÀM LOGIC ĐÓNG CẮT CỦA CÁC VAN BÁN DẪN HAI CHIỀU
PHỤC VỤ CHO LẬP TRÌNH CPLD
Bảng PL2.1 Hàm logic của 12 van bán dẫn hai chiều
Hàm
Hàm logic
Van
t1*(r1+r2+r7+r8+r16+r17+r22+r23+r34+r35+r40+r41+r43+r44+r52+r53+r58+r59+r64+r65+r70+r71)+
SAa
t2*(r1+r6+r7+r12+r15+r16+r21+r22+r27+r28+r33+r34+r39+r40+r43+r48+r51+r52+r57+r58+r63+r64+r69+r70)+
t3*(r1+r2+r7+r8+r13+r14+r22+r23+r28+r29+r34+r35+r37+r38+r43+r44+r52+r53+r55+r56+r64+r65+r70+r71)+
t4*(r1+r6+r7+r12+r13+r18+r21+r22+r27+r28+r33+r37+r42+r43+r48+r51+r52+r55+r60+r63+r64+r69+r70)
t5*(r1+r2+r7+r8+r13+r14+r19+r20+r28+r29+r34+r35+r37+r38+r43+r44+r49+r50+r55+r56+r64+r65+r67+r68)
t6*(r1+r6+r7+r12+r13+r18+r19+r24+r27+r28+r33+r34+r37+r42+r43+r48+r49+r54+r55+r60+r63+r64+r67+r72)
t0*(r2+r5+r8+r11+r14+r17+r20+r23+r26+r29+r32+r35+r38+r41+r44+r47+r50+r53+r56+r59+r62+r65+r68+r71)
t1*(r4+r5+r10+r11+r13+r14+r19+r20+r25+r26+r31+r32+r40+r41+r46+r47+r52+r53+r55+r56+r64+r65+r67+r68)+
SA b
t2*(r3+r4+r9+r10+r13+r18+r19+r24+r25+r30+r31+r36+r39+r40+r45+r46+r51+r52+r55+r60+r63+r64+r67+r72)+
t3*(r4+r5+r7+r8+r13+r14+r19+r20+r25+r26+r31+r32+r40+r41+r43+r44+r49+r50+r55+r56+r61+r62+r67+r68)+
t4*(r3+r4+r7+r12+r13+r18+r19+r24+r25+r30+r31+r36+r39+r40+r43+r48+r49+r54+r55+r60+r61+r66+r67+r72)+
t5*(r1+r2+r7+r8+r13+r14+r19+r20+r25+r26+r31+r32+r37+r38+r43+r44+r49+r50+r55+r56+r61+r62+r67+r68)+
t6*(r1+r6+r7+r12+r13+r18+r19+r24+r25+r30+r31+r36+r37+r42+r43+r48+r49+r54+r55+r60+r61+r66+r67+r72)+
t0*(r2+r5+r8+r11+r14+r17+r20+r23+r26+r29+r32+r35+r38+r41+r44+r47+r50+r53+r56+r59+r62+r65+r68+r71);
t1*(r4+r5+r10+r11+r16+r17+r22+r23+r28+r29+r34+r35+r40+r41+r46+r47+r52+r53+r58+r59+r64+r65+r70+r71)+
SAc
t2*(r3+r4+r9+r10+r15+r16+r21+r22+r27+r28+r33+r34+r39+r40+r45+r46+r51+r52+r57+r58 r63+r64+r69+r70)+
t3*(r4+r5+r10+r11+r16+r17+r22+r23+r28+r29+r31+r32+r40+r41+r46+r47+r52+r53+r58+r59+r64+r65+r67+r68)+
t4*(r3+r4+r9+r10+r15+r16+r21+r22+r27+r28+r31+r36+r39+r40+r45+r46+r51+r52+r57+r58+r63+r64+r67+r72)+
t5*(r4+r5+r10+r11+r16+r17+r22+r23+r25+r26+r31+r32+r40+r41+r43+r44+r51+r52+r55+r56+r61+r62+r67+r68)+
t6*(r3+r4+r9+r10+r15+r16+r21+r22+r25+r30+r31+r36+r39+r40+r43+r48+r51+r52+r55+r60+r61+r66+r67+r72)+
t0*(r2+r5+r8+r11+r14+r17+r20+r23+r26+r29+r32+r35+r38+r41+r44+r47+r50+r53+r56+r59 +r62+r65+r68+r71);
t1*(r4+r5+r10+r11+r16+r17+r22+r23+r28+r29+r34+r35+r38+r46+r47+r49+r50+r58+r59+r61+r62+r70+r71)+
SAn
t2*(r3+r4+r9+r10+r15+r16+r21+r22+r27+r28+r33+r34+r37+r42+r45+r46+r49+r54+r57+r58+r61+r66+r69+r70)+
t3*(r1+r2+r10+r11+r16+r17+r19+r20+r25+r26+r34+r35+r37+r38+r46+r47+r49+r50+r58+r59+r61+r62+r70+r71)+
t4*(r1+r6+r9+r10+r15+r16+r19+r24+r25+ 30+r33+r34+r37+r42+r45+r46+r49+r54+r57+r58+r61+r66+r69+r70)+
t5*(r1+r2+r7+r8+r13+r14+r19+r20+r25+r26+r31+r32+r37+r38+r46+r47+r49+r50+r58+r59+r61+r62+r70+r71)+
t6*(r1+r6+r7+r12+r13+r18+r19+r24+r25+r30+r31+r36+r37+r42+r45+r46+r49+r54+r57+r58+r61+r66+r69+r70)+
t0*(r2+r5+r8+r11+r14+r17+r20+r23+r26+r29+r32+r35+r38+r41+r44+r47+r50+r53+r56+r59+r62+r65+r68+r71);
t1*(r3+r4+r9+r10+r13+r18+r19+r24+r25+r30+r31+r36+r37+r42+r45+r46+r49+r54+r55+r60+r61+r66+r67+r72)+
SBa
t2*(r2+r3+r8+r9+r17+r18+r23+r24+r29+r30+r35+r36+r41+r42+r44+r45+r53+r54+r56+r57+r65+r66+r71+r72)+
t3*(r3+r4+r9+r10+r15+r16+r19+r24+r25+r30+r31+r36+r39+r40+r45+r46+r49+r54+r57+r58+r61+r66+r67+r72)+
t4*(r2+r3+r8+r9+r14+r15+r23+r24+r29+r30+r35+r36+r38+r39+r44+r45+r53+r54+r57+r58+r63+r64+r67+r72)+
t5*(r4+r5+r10+r11+r16+r17+r22+r23+r25+r26+r31+r32+r40+r41+r43+r44+r51+r52+r55+r56+r61+r62+r67+r68)+
t6*(r3+r4+r9+r10+r15+r16+r21+r22+r25+r30+r31+r36+r39+r40+r43+r48+r51+r52+r55+r60+r61+r66+r67+r72)+
t0*(r2+r5+r8+r11+r14+r17+r20+r23+r26+r29+r32+r35+r38+r41+r44+r47+r50+r53+r56+r59+r62+r65+r68+r71);
t1*(r1+r6+r7+r12+r15+r16+r21+r22+r27+r28+r33+r34+r37+r42+r43+r47+r48+r49+r54+r57+r58+r61+r66+r69)+
SBb
t2*(r5+r6+r11+r12+r15+r20+r21+r26+r27+r32+r33+r41+r42+r47+r48+r53+r54+r56+r57+r65+r66+r68+r69)+
t3*(r1+r6+r7+r9+r10+r15+r16+r21+r22+r27+r28+r33+r34+r37+r42+r45+r46+r51+r52+r57+r58+r63+r64+r69)+
t4*(r5+r6+r8+r9+r14+r15+r20+r21+r26+r27+r32+r33+r41+r42+r44+r45+r50+r51+r56+r57+r62+r63+r68+r69)+
t5*(r3+r4+r9+r10+r15+r16+r21+r22+r27+r28+r33+r34+r39+r40+r45+r46+r51+r52+r57+r58+r63+r64+r69+r70)+
t6*(r2+r3+r8+r9+r14+r15+r21+r22+r26+r27+r32+r33+r38+r39+r44+r45+r50+r51+r56+r57+r62+r63+r68+r69)+
t0*(r1+r4+r7+r10+r13+r16+r19+r22+r25+r28+r31+r34+r37+r40+r43+r46+r49+r52+r55+r58+r61+r64+r67+r70);
t1*(r1+r6+r7+r12+r13+r18+r19+r24+r25+r30+r31+r36+r37+r42+r43+r48+r49+r54+r55+r60+r61+r66+r67+r72)+
118
SBc
t2*(r5+r6+r11+r12+r16+r17+r23+r24+r29+r30+r35+r36+r41+r42+r47+r48+r53+r54+r59+r60+r65+r66+r71+r72)+
t3*(r1+r6+r7+r11+r12+r18+r19+r24+r25+r30+r33+r34+r37+r42+r43+r48+r49+r54+r55+r60+r61+r66+r69+r70)+
t4*(r5+r6+r11+r12+r17+r18+r23+r24+r29+r30+r32+r33+r41+r42+r47+r48+r53+r54+r59+r60+r65+r66+r69)+
t5*(r1+r6+r7+r12+r13+r18+r19+r24+r27+r28+r33+r34+r37+r42+r45+r46+r49+r54+r57+r58+r63+r64+r69+r70)+
t6*(r5+r6+r11+r12+r17+r18+r23+r24+r26+r27+r32+r33+r41+r42+r44+r45+r53+r54+r56+r57+r62+r63+r68+r69)+
t0*(r1+r4+r7+r10+r13+r16+r19+r22+r25+r28+r31+r34+r37+r40+r43+r46+r49+r52+r55+r58+r61+r64+r67+r70);
t1*(r1+r6+r7+r12+r13+r18+r19+r24+r25+r30+r31+r36+r39+r40+r43+r48+r51+r52+r55+r60+r63+r64+r67+r72)+
SBn
t2*(r5+r6+r11+r12+r17+r18+r23+r24+r29+r30+r35+r36+r38+r39+r47+r48+r50+r51+r59+r60+r62+r63+r71+r72)+
t3*(r3+r4+r7+r12+r13+r18+r21+r22+r27+r28+r31+r36+r39+r40+r43+r48+r51+r52+r55+r60+r63+r64+r67+r72)+
t4*(r2+r3+r11+r12+r17+r18+r20+r21+r26+r27+r35+r36+r38+r39+r47+r48+r50+r51+r59+r60+r62+r62+r71+r72)+
t5*(r3+r4+r9+r10+r15+r16+r21+r22+r27+r28+r33+r34+r39+r40+r43+r48+r51+r52+r55+r60+r63+r64+r67+r72)+
t6*(r2+r3+r8+r9+r14+r15+r20+r21+r26+r27+r32+r33+r38+r39+r47+r48+r50+r51+r59+r60+r62+r63+r71+r72)+
t0*(r1+r4+r7+r10+r13+r16+r19+r22+r25+r28+r31+r34+r37+r40+r43+r46+r49+r52+r55+r58+r61+r64+r67+r70);
t1*(r5+r6+r11+r12+r14+r15+r20+r21+r26+r27+r32+r33+r38+r39+r47+r48+r50+r51+r56+r57+r62+r63+r68+r69)+
SCa
t2*(r4+r5+r10+r11+r13+r14+r19+r20+r25+r26+r31+r32+r37+r38+r46+r47+r49+r50+r55+r56+r61+r62+r67+r68)+
t3*(r5+r6+r11+r12+r17+r18+r20+r21+r26+r27+r32+r33+r41+r42+r47+r48+r50+r51+r59+r60+r62+r63+r68+r69)+
t4*(r4+r5+r10+r11+r16+r17+r19+r20+r25+r26+r31+r32+r40+r41+r46+r47+r49+r50+r58+r59+r61+r62+r67+r68)+
t5*(r5+r6+r11+r12+r17+r18+r23+r24+r26+r27+r32+r33+r41+r42+r47+r48+r53+r54+r59+r60+r62+r63+r71+r72)+
t6*(r4+r5+r10+r11+r16+r17+r22+r23+r25+r26+r31+r32+r40+r41+r46+r47+r52+r53+r58+r59+r61+r62+r70+r71)+
t0*(r3+r6+r9+r12+r15+r18+r21+r24+r27+r30+r33+r36+r39+r42+r45+r48+r51+r54+r57+r60+r63+r66+r69+r72);
t1*(r2+r3+r8+r9+r17+r18+r23+r24+r29+r30+r35+r36+r38+r39+r44+r45+r50+r51+r50+r60+r62+r63+r71+r72)+
SCb
t2*(r1+r2+r7+r8+r16+r17+r22+r23+r28+r29+r34+r35+r37+r38+r43+r44+r49+r50+r58+r59+r61+r62+r70+r71) +
t3*(r2+r3+r11+r12+r17+r18+r23+r24+r29+r30+r35+r36+r38+r39+r47+r48+r53+r54+r59+r60+r65+r66+r71+r72)+
t4*(r1+r2+r10+r11+r16+r17+r22+r23+r28+r29+r34+r35+r37+r38+r46+r47+r52+r53+r58+r59+r64+r65+r70+r71)+
t5*(r5+r6+r11+r12+r17+r18+r23+r24+r29+r30+r35+r36+r41+r42+r47+r48+r53+r54+r59+r60+r65+r66+r71+r72)+
t6*(r4+r5+r10+r11+r16+r17+r22+r23+r28+r29+r34+r35+r40+r41+r46+r47+r52+r53+r58+r59+r64+r65+r70+r71)+
t0*(r3+r6+r9+r12+r15+r18+r21+r24+r27+r30+r33+r36+r39+r42+r45+r48+r51+r54+r57+r60+r63+r66+r69+r72);
t1*(r2+r3+r8+r9+r14+r15+r20+r21+r26+r27+r32+r33+r38+r39+r44+r45+r50+r51+r56+r57+r62+r63+r68+r69)+
SCc
t2*(r1+r2+r7+r8+r13+r14+r19+r20+r25+r26+r31+r32+r37+r38+r43+r44+r49+r50+r55+r56+r61+r62+r67+r68)+
t3*(r2+r3+r8+r9+r14+r15+r20+r21+r26+r27+r35+r36+r38+r39+r44+r45+r50+r51+r56+r57+r62+r63+r71+r72)+
t4*(r1+r2+r7+r8+r13+r14+r19+r20+r25+r26+r34+r35+r37+r38+r43+r44+r49+r50+r55+r56+r61+r62+r70+r71)+
t5*(r2+r3+r8+r9+r14+r15+r20+r21+r29+r30+r35+r36+r38+r39+r47+r48+r50+r51+r59+r60+r65+r66+r71+r72)+
t6*(r1+r2+r7+r8+r13+r14+r19+r20+r28+r29+r34+r35+r37+r38+r46+r47+r49+r50+r58+r59+r64+r65+r70+r71)+
t0*(r3+r6+r9+r12+r15+r18+r21+r24+r27+r30+r33+r36+r39+r42+r45+r48+r51+r54+r57+r60+r63+r66+r69+r72);
t1*(r2+r3+r8+r9+r14+r15+r20+r21+r26+r27+r32+r33+r41+r42+r44+r45+r53+r54+r56+r57+r65+r66+r68+r69)+
SCn
t2*(r1+r2+r7+r8+r13+r14+r19+r20+r25+r26+r31+r32+r40+r41+r43+r44+r52+r53+r55+r56+r64+r65+r67+r68)+
t3*(r5+r6+r8+r9+r14+r15+r23+r24+r29+r30+r32+r33+r41+r42+r44+r45+r53+r54+r56+r57+r65+r66+r68+r69)+
t4*(r4+r5+r7+r8+r13+r14+r22+r23+r28+r29+r31+r32+r40+r41+r43+r44+r52+r53+r55+r56+r64+r65+r67+r68)+
t5*(r5+r6+r11+r12+r17+r18+r23+r24+r29+r30+r35+r36+r41+r42+r44+r45+r53+r54+r56+r57+r65+r66+r68+r69)+
t6*(r4+r5+r10+r11+r16+r17+r22+r23+r28+r29+r34+r35+r40+r41+r43+r44+r52+r53+r55+r56+r64+r65+r67r)68+
t0*(r3+r6+r9+r12+r15+r18+r21+r24+r27+r30+r33+r36+r39+r42+r45+r48+r51+r54+r57+r60+r63+r66+r69+r72);
1 1 9
P H Ụ L Ụ C 3
M Ộ T S Ố S Ơ Đ Ồ M Ô P H Ỏ N G
Hình PL3.1 Sơ đồ mô phỏng MC 3×4
120
Hình PL3.2 Sơ đồ mô phỏng mạch lực MC 3×4
Hình PL3.3 Sơ đồ mô phỏng chuyển mạch trong MC 3×4
1 2 1
Hình PL3.4 Sơ đồ mô phỏng khối điều biến vectơ không gian cho MC 3×4
122
Hình PL3.5 Sơ đồ mô phỏng khối chuyển hệ tọa độ
Hình PL3.6 Sơ đồ mô phỏng khối xác định tứ diện
Hình PL3.7 Sơ đồ mô phỏng khối xác định sectơ
123
