Tài liệu Nghiên cứu bộ biến tần AC-AC Matrix Converter

ĐỀ TÀI: Nghiên cứu bộ biến tần AC-AC Matrix Converter

Mở ĐầuĐiện tử công suất được ứng dụng rộng răi trong hầu hết các ngành công nghiệp hiện đại. Nhờ vào các bộ biến đổi được xây dựng dùa trên các phần tử bán dẫn công suất (Điôt, Transito,Tiristo,IGBT ) có thể khống chế nguồn năng lượng điện với các tham số có thể thay đổi được để cung cấp cho các phụ tải điện.
Do sự phát triển như vũ băo của công nghệ chế tạo các phần tử bán dẫn, đă cho ra đời các van bán dẫn với những ưu điểm như chuyển mạch nhanh, tính năng ḍng áp cao, chắc chắn, hiệu suất cao, độ tin cậy đảm bảo, dẫn đến khả năng chiếm ưu thế hoàn toàn của các bộ biến đổi điện tử công suất mà điển h́nh là bộ biến tần, là một bộ biến đổi dùng để biến đổi nguồn điện áp với các thông số điện áp và tần số không đổi, thành nguồn điện áp ra với các thông số điện áp và tần số thay đổi được. Sự ra đời của bộ biến tần Matrix Converter, (thực chất là một bộ biến tần làm việc trực tiếp với lưới điện) là sự phát triển vượt bậc của điện tử công suất, có ư nghĩa rất lớn trong việc biến đổi điện năng.
Cùng với sự hoàn thiện của kỹ thuật điện tử công suất là sự phát triển của kỹ thuật vi xử lư, kỹ thuật điều khiển số cộng với các hệ thống điều khiển tự động truyền động điện thông minh và hiện đại đă cho phép tạo nên hệ thống truyền động “Matrix Converter /Động Cơ” làm việc chắc chắn, tin cậy hiệu suất cao, dải điều khiển rộng, đảm bảo các chức năng bảo vệ cũng như điều khiển chính xác quá tŕnh chuyển mạch vốn đ̣i hỏi rất nghiêm ngặt.
Matrix converter (MC) ưu thế hơn các biến tần truyền thống nhờ khả năng trao đổi năng lượng với lưới một cách liên tục, hiệu suất rất cao do chỉ có một lần biến đổi điện năng, không phải qua khâu trung gian tích luỹ năng lượng, cho phép thực hiện hăm tái sinh năng lượng trả về lưới điện mà không cần có mạch điện phụ. Vượt qua được những hạn chế của biến tần trực tiếp, là tần số điều chỉnh bị giới hạn trên bởi tần số nguồn cung cấp. Ngoài ra c̣n có thể tích hợp cùng với động cơ vào một thiết bị đơn nhất để giảm kích thước, giá thành, tăng hiệu suất và độ tin cậy thiết bị, làm việc ở cả 4 góc phần tư. Matrix Converter c̣n cho phép điều chỉnh được hệ số công suất cosđầu vào, cho ḍng vào và áp ra có dạng h́nh sin.
Cùng với việc khắc phục những nhược điểm cố hữu như tỷ số truyền áp tối đa thấp, số lượng van bán dẫn ở mạch lực nhiều gây khó khăn trong vấn đề điều khiển, không có đuờng thoát năng lượng tự nhiên (free-wheeling) và tụ nối một chiều nên mạch bảo vệ phức tạp sẽ tạo ra xu hướng phát triển rộng răi cho Matrix Converter trong các ứng dụng công nghiệp mà cho đến nay vẫn c̣n bị bỏ ngỏ
Thực hiện công việc thiết kế một bộ điều khiển truyền động điện động cơ dùa trên mô h́nh Matrix Converter sẽ liên quan đến những vấn đề sau:
- Điện tử công suất: khoá hai chiều, tổn hao, bảo vệ, chuyển mạch
- Truyền động điện: thuật toán điều khiển động cơ, PWM, không gian vector
- Lập tŕnh DSP, VXL, thiết kế mạch in .
Với những vấn đề rộng và phức tạp như vậy, trong khuôn khổ thời gian có hạn, bản đồ án này chỉ đề cập đến những vấn đề cơ bản của Matrix Converter và nghiên cứu lư thuyết và thực hiện mô phỏng bằng phần mềm Matlab/simulink dùa trên thuật toán điều biến của tác giả Venturini .
Bản đồ án này đóng góp vào một trong những bước đi đầu tiên của sinh viên ngành TĐH trường ĐHBKHN về đề tài mới - phương pháp biến tần Matrận - Bổ xung thêm 1 đề tài có nhiều hứa hẹn phát triển và ứng dụng thực tế trong tưong lai gần.
Trong thời gian làm đồ án ,với sự nỗ lực của bản thân và các bạn cùng nhóm dưới sự chỉ bảo tận t́nh của thầy giáo hướng dẫnTrần Trọng Minh em đă hoàn thành bản đồ án này đúng hạn định. Mặc dù đă cố gắng hết sức nhưng do thời gian hạn chế, bản thân tŕnh độ c̣n có hạn nên bản đồ án chắc chắn không tránh khỏi thiếu sót, rất mong nhận được sự chỉ bảo, đóng góp ư kiến của các thầy cô cũng như các bạn sinh viên quan tâm.

Chương I: Matrix Converter các vấn đề cơ bảnI.1 khái niệm về Matrix ConverterI.1.1 Sự phát triển của Matrix ConverterThời gian gần đây đă có nhiều người quan tâm đến bộ biến tần ma trận trực tiếp AC-AC dùng trong truyền động thay đổi tốc độ động cơ cảm ứng. Một trong những người đề xuất đầu tiên là Gyugyi và Pelly (năm 1976) đă chỉ ra nguyên tắc hoạt động của bộ biến tần trực tiếp sử dụng khoá có thể điều khiển được 2 chiều để nhận được tần số đầu ra không bị hạn chế. Nhược điểm chính của mạch là xuất hiện nhiều các hài bậc cao không mong muốn của ḍng vào và áp ra không thể dùng bộ lọc dễ dàng loại bỏ.
Vấn đề này đă được vượt qua nhờ Venturini và Alesina (năm 1980-1981), Hai người đă đưa ra một thuật toán điều biến PWM mới có thể tạo ḍng điện vào và điện áp ra h́nh sin với tần số biến thiên đồng thời điều khiển được hệ số công suất đầu vào. Đến năm 1989 cũng chính 2 ông bằng cách điều chỉnh lại thuật toán ban đầu đă tạo ra được tỉ số truyền giữa điện áp ra và điện áp vào tối đa (là 0,86) và điều khiển được trọn vẹn cosj đầu vào trong giới hạn của điện áp và cosj đầu ra.
Năm 1991 In Roy và April, Ishiguro đưa ra một líp các thuật toán vô hướng nhờ dùa trên việc so sánh vô hướng các giá trị điện áp vào tức thời và tạo ḍng điện ra h́nh sin theo nguyên tắc ḍng điện vào mỗi pha tỉ lệ với điện áp vào trên pha đó trong mét chu kỳ lấy mẫu. Vấn đề thời gian thực của thuật toán điều khiển yêu cầu nhiều lần so sánh ở mỗi lần lấy mẫu sẽ yêu cầu thời gian tính toán của các bộ vi xử lư cao.
Tiếp theo là phương pháp điều khiển tạo điện áp đầu ra sử dụng điều biến vector không gian vector (Space Vector Modulation-SVM), thuật toán điều khiển này sử dụng phương pháp điều biến độ rộng xung(Pulse Width Modulation-PWM) cải thiện đáng kể dạng sóng điện áp ra tuy nhiên khi đó chất lượng dạng sóng của ḍng điện vào bị suy giảm.
Những nghiên cứu khác gần đây(1992-1998) nhất chủ yếu tập trung vào việc tăng hiệu suất của Matrix Converter bằng cách giảm tối đa tổn hao đóng cắt nhờ thực hiện ḍng zero khi đóng và áp zero khi mở nhưng đ̣i hỏi các phần tử phụ thêm vào cấu trúc khoá 2 chiều.

[TABLE]
[TR]
[TD][/TD]
[/TR]
[TR]
[TD][/TD]
[TD][/TD]
[/TR]
[/TABLE]

Năm 1993 Wheeler và Grant đưa ra phương pháp chuyển mạch ḍng điện semi-soft giảm đáng kể tổn hao đóng cắt đồng thời chuyển mạch tin cậy chắc chắn.Hiện nay các nghiên cứu chủ yếu về thuật toán điều biên tối ưu hoặc với khía cạnh thiết kế mạch công suất gọn nhẹ trong một môđun tích hợp trên động cơ, bù ảnh hưởng của điện áp vào không cân bằng, vấn đề bảo vệ Matrix Converter
H́nh 1.1 Cấu trúc tổng quát của ma trận khoá 2 chiều
I.1.2 Khái niệm về Matrix Converter
Matrix Converter là một bộ biến tần trực tiếp chuyển mạch cưỡng bức tốt, có thể nối giữa n pha vào có tần số và điện áp cố định U1, f1 với m pha đầu ra có tần số và điện áp biến thiên U2, f2. Với những ứng dụng trong công nghiệp chủ yếu n=m=3 và đây là cấu h́nh thường gặp nhất (H́nh 2).
Trong bé Matrix Converter 3´3 gồm có một ma trận 9 khoá 2 chiều (Bi-Directional Switch-BDS) được sắp xếp thành 3 nhóm, mỗi nhóm tương ứng với một pha đầu ra. Với cách bố trí như vậy, Matrix Converter sẽ nối bất kỳ đầu vào a, b, c với bất kỳ các đầu ra A, B, C, tại bất kỳ thời điểm.
Ma trận các khoá 2 chiều đưa ra S C[SUB]n[/SUB][SUP]i [/SUP](i=0 9)= 512 khả năng kết hợp, để tạo ra các trạng thái đóng cắt của các khoá, nhưng chỉ có 27 trạng thái thích hợp, bởi v́, đầu vào của Matrix Converter như một nguồn áp 3 pha, trong khi đầu ra như một nguồn ḍng 3 pha, do đó thực hiện đóng cắt các khoá phải tuân theo 2 luật sau, để đảm bảo không ngắn mạch nguồn áp, và hở mạch nguồn ḍng
+ Không được nối 2 đầu vào khác nhau tới cùng một đầu ra v́ sẽ gây ngắn mạch ở đầu vào dẫn tới hiện tượng quá ḍng điện
+ Không được hở mạch ở đầu ra của Matrix Converter v́ khi đó với tải cảm sẽ gây hiện tượng quá áp







H́nh 1-2 Cấu trúc 3 pha của Ma trận khoá 2 chiều
a) Mạch điện b) kư hiệu

Việc điều khiển điện áp ra, nhờ cách thực hiện đóng cắt các khoá (với các trạng thái cho phép), theo một thứ tự được xác định trước. Như vậy “giá trị trung b́nh” của điện áp ra phụ thuộc vào dạng sóng điện áp mong muốn tạo ra từ các điện áp vào. Ở dạng sóng điện áp ra, gồm chủ yếu những thành phần có tần số mong muốn cùng với các thành phần tần số cao do dóng cắt sinh ra, mà có thể loại bỏ được nhờ bộ lọc LC ở đầu ra, hoặc điện cảm của tải. Phía nguồn, ḍng điện vào được tạo bởi những đoạn của 3 ḍng điện ra và những đoạn bằng không, mà trong những đoạn bằng không đó ḍng điện ra không trở về nguồn mà tuần hoàn chạy quẩn trong ma trận khoá. Phổ ḍng vào chủ yếu gồm thành phần tần số nguồn cung cấp và các thành phần tần số cao, mà khi có bộ lọc đầu vào th́ bị loại trừ để mong muốn tạo ḍng điện vào h́nh sin.
Matrix Converter chính v́ thế có thể thực hiện được việc biến đổi tần số và điện áp trực tiếp AC-AC mà không cần thành phần tích trữ năng lượng trung gian
I.1.3 So sánh Matrix Converter và các loại biến tần hiện cóBiến tần hiện nay có thể chia làm 2 loại lớn.
* Biến tần trực tiếp .



Điện áp vào xoay chiều U[SUB]1[/SUB] và tần số f[SUB]1[/SUB] chỉ cần qua một mạch van là chuyển ngay ra tải với tần số khác, v́ vậy biến tần này có hiệu suất biến đổi năng lượng cao, thêm vào đó là khả năng thực hiện tái sinh năng lượng trở về lưới mà không cần có mạch điện phô.
Tuy nhiên sơ đồ mạch này khá phức tạp, v́ có số lượng van lớn, nhất là với mạch 3 pha. Việc thay đổi tần số f[SUB]2[/SUB] khá khó khăn và phụ thuộc vào f[SUB]1[/SUB], v́ vậy hiện nay chủ yếu chỉ có biến tần loại này với phạm vi điều chỉnh f[SUB]2[/SUB] £ f[SUB]1[/SUB].
* Biến tần gián tiếp .





Điện áp xoay chiều đầu tiên được chuyển thành một chiều nhờ mạch chỉnh lưu, sau đó qua bộ lọc rồi mới biến trở về điện áp xoay chiều với tần số f[SUB]2[/SUB] . Việc biến đổi năng lượng 2 lần làm giảm hiệu suất biến tần, bù lại loại biến tần này cho phép dễ dàng thay đổi tần số f[SUB]2[/SUB] không phụ thuộc f[SUB]1[/SUB] trong dải tần rộng cả trên lẫn dưới f[SUB]1[/SUB] v́ tần số ra chỉ phụ thuộc vào mạch điều khiển.
Hơn nữa với sự ứng dụng hệ điều khiển nhờ kỹ thuật số vi xử lư và dùng van lực là các loại tranzitor đă cho phát huy tối đa các ưu điểm của loại biến tần này v́ vậy đa số biến tần hiện nay là biến tần có khâu trung gian một chiều. Tuy nhiên khi dùng van tiristo vẫn c̣n một số khó khăn nhất định khi giải quyết vấn đề khoá van.
Chức năng các khâu trong bộ biến tần gián tiếp :
- Khâu chỉnh lưu
Chỉnh lưu là quá tŕnh biến ḍng điện xoay chiều thành một chiều.
- Khâu lọc
+ Đóng vai tṛ một kho tích trữ năng lượng dưới dạng nguồn áp, khi dùng tụ điện hoặc dưới dạng nguồn ḍng khi dùng cuộn cảm.
+ Nhờ có khâu trung gian một chiều, phía nghịch lưu sẽ làm việc tương đối độc lập với phía chỉnh lưu
- Khâu nghịch lưu độc lập
Nghịch lưu độc lập là quá tŕnh biến đổi năng lượng điện mét chiều thành năng lượng điện ḍng xoay chiều với tần số, giá trị điện áp, số pha, thứ tự pha và quá tŕnh chuyển mạch ḍng điện giữa các pha do bản thân bộ nghịch lưu quyết định, không phụ thuộc vào nguồn điện xoay chiều khác
* Sù giống và khác nhau giữa Matrix Converter và các loại biến tầna) Matrix Converter và biến tần trực tiếp- Matrix Converter thực chất là một bộ biến tần trực tiếp nên sẽ có những ưu, nhược điểm của biến tần trực tiếp như sau:
+ Nối trực tiếp giữa lưới và tải không qua một khâu trung gian nào nên hiệu suất truyền động cao.
+ Trao đổi năng lượng với lưới một cách liên tục, có khả năng tái sinh năng lượng không cần mạch phụ.
+ Sè lượng van bán dẫn nhiều, do đó sơ đồ van và luật điều khiển cũng rất phức tạp.
- Tuy nhiên Matrix Converter vượt trội hơn so với biến tần trực tiếp ở :
+ Khả năng tạo được điện áp ra có tần số không hạn chế, có thể lớn hơn tần số nguồn cung cấp f1.
+ Có thể điều chỉnh được hệ số công suất đầu vào cosj[SUB] i[/SUB], độ lệch pha giữa ḍng và áp vào ( j[SUB] i[/SUB] ) có thể > 0, = 0, hoặc < 0.
+ Do dùng van 2 chiều nên có thể hoạt động ở 4 góc phần tư mà không cần tác động vào phía đầu vào.
b) Matrix Converter và biến tần gián tiếp- Mét số ưu điểm của biến tần gián tiếp cũng được ứng dụng trong công nghệ Matrix Converter.
+ V́ Matrix Converter được phân tích như một bộ biến đổi gồm 2 tầng biến đổi, tầng chỉnh lưu và tầng nghịch lưu, nên có thể sử dụng phương pháp điều biến độ rộng xung (PWM) hay được dùng với biến tần nguồn áp, cho tầng nghịch lưu để đạt được chất lượng điện áp tốt nhất cho động cơ, do đó tần số và điện áp có thể được điều chỉnh trơn và không bị giới hạn bởi tần số vào
+ Thực hiện nối trực tiếp tầng chỉnh lưu nguồn ḍng PWM với tầng nghịch lưu, mục đích để tạo ra khả năng trao đổi công suất phản kháng giữa lưới và tải.
- Những điểm khác nhau có ư nghĩa rất lớn giữa Matrix Converter và biến tần gián tiếp là:
+ Không c̣n thành phần tích năng lượng phản kháng trung gian là cuộn cảm lớn hay tụ một chiều có tuổi thọ hạn chế, do đó giảm được kích thước của bộ biến tần, tạo ra khả năng tích hợp Matrix Converter trong một môđun gắn trên động cơ, giúp hệ truyền động gọn nhẹ và linh hoạt.
+ Không cần bộ chỉnh lưu trong mạch lực để tạo ra điện áp một chiều, do đó ḍng vào bộ Matrix Converter có dạng sin (v́ khâu chỉnh lưu sẽ làm ḍng vào không sin, hệ số công suất thấp)
Bảng I thể hiện sự so sánh về số lượng van bán dẫn giữa MC và bộ biến tần nguồn áp có chỉnh lưu cầu điot, và với bộ biến tần nguồn áp (back to back) có chỉnh lưu điều khiển là bộ biến tần, có cùng chúc năng dẫn ḍng công suất chảy theo 2 hướng và tạo ḍng vào h́nh sin Có thể thấy tụ nối một chiều và điện cảm đầu vào sử dụng trong bộ biến tần (back to back) là được thay thế bằng 6 van bán dẫn thêm vào trong giải pháp Matrix Converter
[TABLE]
[TR]
[TD]Công nghệ
[/TD]
[TD]Khóa điều khiển hoàn toàn
[/TD]
[TD]Diot cắt nhanh
[/TD]
[TD]Diot chỉnh lưu
[/TD]
[TD]Tụ hoá lớn
[/TD]
[TD]điện cảm lớn
[/TD]
[/TR]
[TR]
[TD]MC
[/TD]
[TD]18
[/TD]
[TD]18
[/TD]
[TD]0
[/TD]
[TD]0
[/TD]
[TD]0
[/TD]
[/TR]
[TR]
[TD]Biến tần back to back
[/TD]
[TD]12
[/TD]
[TD]12
[/TD]
[TD]0
[/TD]
[TD]1
[/TD]
[TD]3
[/TD]
[/TR]
[TR]
[TD]Biến tần với chỉnh lưu không điều khiển
[/TD]
[TD]6
[/TD]
[TD]6
[/TD]
[TD]6
[/TD]
[TD]1
[/TD]
[TD]0 hoặc 1
[/TD]
[/TR]
[/TABLE]

[TABLE]
[TR]
[TD][TABLE=width: 100%]
[TR]
[TD]B¶ng 1: So s¸nh sè l­îng van b¸n dÉn trong Matrix Converter víi 2 lo¹i VSI



[/TD]
[/TR]
[/TABLE]
[/TD]
[/TR]
[/TABLE]