Tài liệu Nghiên cứu bộ biến tần ac-ac matrix converter

Nghiên cứu bộ biến tần AC-AC Matrix Converter Mở Đầu Điện tử công suất được ứng dụng rộng rãi trong hầu hết các ngành công nghiệp hiện đại. Nhờ vào các bộ biến đổi được xây dựng dựa 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 bão của công nghệ chế tạo các phần tử bán dẫn, đã cho ra đời các van bán dẫn với những ưu điểm như chuyển mạch nhanh, tính năng dòng 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 hình 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 ý 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 lý, kỹ thuật điều khiển số cộng với các hệ thống điều khiển tự động truyền động điện thông minh và hiện đại đã 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 trình chuyển mạch vốn đòi 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 hãm tái sinh năng lượng trả về lưới điện mà không cần có mạch điện phụ. Vượt qua được những hạn chế của biến tần trực tiếp, là tần số điều chỉnh bị giới hạn trên bởi tần số nguồn cung cấp. Ngoài ra còn có 1 thể tích hợp cùng với động cơ vào một thiết bị đơn nhất để giảm kích thước, giá thành, tăng hiệu suất và độ tin cậy thiết bị, làm việc ở cả 4 góc phần tư. Matrix Converter còn cho phép điều chỉnh được hệ số công suất cos (ϕ) đầu vào, cho dòng vào và áp ra có dạng hình 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 rãi cho Matrix Converter trong các ứng dụng công nghiệp mà cho đến nay vẫn còn bị bỏ ngỏ Thực hiện công việc thiết kế một bộ điều khiển truyền động điện động cơ dựa trên mô hình 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 trình 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 lý thuyết và thực hiện mô phỏng bằng phần mềm Matlab/simulink dựa 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 tình của thầy giáo hướng dẫn Trần Trọng Minh em đã hoàn thành bản đồ án này đúng hạn định. Mặc dù đã cố gắng hết sức nhưng do thời gian hạn chế, bản thân trình độ còn có hạn nên bản đồ án chắc chắn không tránh khỏi thiếu sót, rất mong nhận được sự chỉ bảo, đóng góp ý kiến của các thầy cô cũng như các bạn sinh viên quan tâm. 2 Chương I: Matrix Converter các vấn đề cơ bản I.1 khái niệm về Matrix Converter I.1.1 Sự phát triển của Matrix Converter Thời gian gần đây đã có nhiều người quan tâm đến bộ biến tần ma trận trực tiếp AC-AC dùng trong truyền động thay đổi tốc độ động cơ cảm ứng. Một trong những người đề xuất đầu tiên là Gyugyi và Pelly (năm 1976) đã chỉ ra nguyên tắc hoạt động của bộ biến tần trực tiếp sử dụng khoá có thể điều khiển được 2 chiều để nhận được tần số đầu ra không bị hạn chế. Nhược điểm chính của mạch là xuất hiện nhiều các hài bậc cao không mong muốn của dòng vào và áp ra không thể dùng bộ lọc dễ dàng loại bỏ. Vấn đề này đã được vượt qua nhờ Venturini và Alesina (năm 19801981), Hai người đã đưa ra một thuật toán điều biến PWM mới có thể tạo dòng điện vào và điện áp ra hình sin với tần số biến thiên đồng thời điều khiển được hệ số công suất đầu vào. Đến năm 1989 cũng chính 2 ông bằng cách điều chỉnh lại thuật toán ban đầu đã tạo ra được tỉ số truyền giữa điện áp ra và điện áp vào tối đa (là 0,86) và điều khiển được trọn vẹn cosϕ đầu vào trong giới hạn của điện áp và cosϕ đầu ra. Năm 1991 In Roy và April, Ishiguro đưa ra một lớp các thuật toán vô hướng nhờ dựa trên việc so sánh vô hướng các giá trị điện áp vào tức thời và tạo dòng điện ra hình sin theo nguyên tắc dòng 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 lý 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 dòng điện vào bị suy giảm. 3 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 dòng zero khi đóng và áp zero khi mở nhưng đòi hỏi các phần tử phụ thêm vào cấu trúc khoá 2 chiều. Năm 1993 Wheeler và Grant đưa ra phương pháp chuyển mạch dòng điện semi-soft giảm đáng kể tổn hao đóng cắt đồng thời chuyển mạch tin cậy chắc chắn.Hiện nay các nghiên cứu chủ yếu về thuật toán điều biên tối ưu hoặc với khía cạnh thiết kế mạch công suất gọn nhẹ trong một môđun tích hợp trên động cơ, bù ảnh hưởng của điện áp vào không cân bằng, vấn đề bảo vệ Matrix Converter … Hình 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 hình thường gặp nhất (Hình 2). Trong bé Matrix Converter 3×3 gồm có một ma trận 9 khoá 2 chiều (BiDirectional Switch-BDS) được sắp xếp thành 3 nhóm, mỗi nhóm tương ứng 4 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 Σ Cni (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 vì, đầu vào của Matrix Converter như một nguồn áp 3 pha, trong khi đầu ra như một nguồn dòng 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 dòng + Không được nối 2 đầu vào khác nhau tới cùng một đầu ra vì sẽ gây ngắn mạch ở đầu vào dẫn tới hiện tượng quá dòng điện + Không được hở mạch ở đầu ra của Matrix Converter vì khi đó với tải cảm sẽ gây hiện tượng quá áp S11 S12 A S13 a S21 a b b S22 B S23 c c A S31 S32 C B C b) S33 a) Hình 1-2 Cấu trúc 3 pha của Ma trận khoá 2 chiều a) Mạch điện b) ký 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 bình” 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, 5 dòng điện vào được tạo bởi những đoạn của 3 dòng điện ra và những đoạn bằng không, mà trong những đoạn bằng không đó dòng điện ra không trở về nguồn mà tuần hoàn chạy quẩn trong ma trận khoá. Phổ dòng 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 thì bị loại trừ để mong muốn tạo dòng điện vào hình sin. Matrix Converter chính vì 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 có Biến tần hiện nay có thể chia làm 2 loại lớn. ∗ Biến tần trực tiếp . M¹ch van U~ U~ f f1 2 H×nh 1-3 CÊu tróc biÕn tÇn trùc tiÕp Điện áp vào xoay chiều U1 và tần số f1 chỉ cần qua một mạch van là chuyển ngay ra tải với tần số khác, vì 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 phụ. Tuy nhiên sơ đồ mạch này khá phức tạp, vì có số lượng van lớn, nhất là với mạch 3 pha. Việc thay đổi tần số f2 khá khó khăn và phụ thuộc vào f1, vì vậy hiện nay chủ yếu chỉ có biến tần loại này với phạm vi điều chỉnh f2 ≤ f1. ∗ Biến tần gián tiếp . U= U1~ f1~ ChØnh l­u U= Läc NGHÞCH L¦U U2~ ®éc LËP 2 6 H×nh 1-4 CÊu tróc biÕn tÇn gi¸n tiÕp f2~ f 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 2 . 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 2 không phụ thuộc f1 trong dải tần rộng cả trên lẫn dưới f1 vì 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 lý và dùng van lực là các loại tranzitor đã cho phát huy tối đa các ưu điểm của loại biến tần này vì vậy đa số biến tần hiện nay là biến tần có khâu trung gian một chiều. Tuy nhiên khi dùng van tiristo vẫn còn 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 trình biến dòng điện xoay chiều thành một chiều. - Khâu lọc + Đóng vai trò một kho tích trữ năng lượng dưới dạng nguồn áp, khi dùng tụ điện hoặc dưới dạng nguồn dòng 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 trình biến đổi năng lượng điện một chiều thành năng lượng điện dòng xoay chiều với tần số, giá trị điện áp, số pha, thứ tự pha và quá trình chuyển mạch dòng điện giữa các pha do bản thân bộ nghịch lưu quyết định, không phụ thuộc vào nguồn điện xoay chiều khác ∗ Sự giống và khác nhau giữa Matrix Converter và các loại biến tần a) 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: 7 + 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. + Số 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 cosϕ i, độ lệch pha giữa dòng và áp vào ( ϕ i ) 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 - Một số ưu điểm của biến tần gián tiếp cũng được ứng dụng trong công nghệ Matrix Converter. + Vì Matrix Converter được phân tích như một bộ biến đổi gồm 2 tầng biến đổi, tầng chỉnh lưu và tầng nghịch lưu, nên có thể sử dụng phương pháp điều biến độ rộng xung (PWM) hay được dùng với biến tần nguồn áp, cho tầng nghịch lưu để đạt được chất lượng điện áp tốt nhất cho động cơ, do đó tần số và điện áp có thể được điều chỉnh trơn và không bị giới hạn bởi tần số vào + Thực hiện nối trực tiếp tầng chỉnh lưu nguồn dòng PWM với tầng nghịch lưu, mục đích để tạo ra khả năng trao đổi công suất phản kháng giữa lưới và tải. - Những điểm khác nhau có ý nghĩa rất lớn giữa Matrix Converter và biến tần gián tiếp là: + Không còn thành phần tích năng lượng phản kháng trung gian là cuộn cảm lớn hay tụ một chiều có tuổi thọ hạn chế, do đó giảm được kích thước của 8 bộ biến tần, tạo ra khả năng tích hợp Matrix Converter trong một môđun gắn trên động cơ, giúp hệ truyền động gọn nhẹ và linh hoạt. + Không cần bộ chỉnh lưu trong mạch lực để tạo ra điện áp một chiều, do đó dòng vào bộ Matrix Converter có dạng sin (vì khâu chỉnh lưu sẽ làm dòng vào không sin, hệ số công suất thấp) 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 dòng công suất chảy theo 2 hướng và tạo dòng vào hình 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 Công nghệ MC Biến tần back to back Biến tần với chỉnh lưu không điều khiển Khóa điều khiển hoàn toàn 18 12 Diot cắt nhanh Diot chỉnh lưu Tụ hoá lớn điện cảm lớn 18 12 0 0 0 1 0 3 6 6 6 1 0 hoặc 1 B¶ng 1: So s¸nh sè lîng van b¸n dÉn trong Matrix Converter víi 2 lo¹i VSI Nếu các van đóng cắt được sử dụng trong khoá hai chiều của Matrix Converter có khả năng chặn điện áp ngược ví dụ MTO thì có thể tạo ra khoá 2 chiều bằng cách mắc song song ngược hai van đó mà không cần thêm điốt phục hồi nhanh. Điều này dẫn tới một bộ biến tần nhỏ gọn hơn nữa có tiềm năng cải thiện hiệu suất thực tế cao. c. Lý do xây dựng Matrix Converter Matrix Converter được coi là có nhiều ưu thế hơn so với các loại biến tần truyền thống. Vì có thể thực hiện được việc biến đổi tần số và điện áp, mà 9 không cần có thêm các phần tử tích năng lượng trung gian, như tụ điện có tuổi thọ hạn chế hay cuộn cảm có kích thước lớn để nối một chiều, như vậy sẽ không yêu cầu nhiều tầng biến đổi công suất và hiệu suất được tăng lên rõ rệt khi hoạt động ở tần số đóng cắt cao. Vì gồm các khoá 2 chiều nên tạo ra dòng chảy công suất theo 2 hướng lưới đến tải và tải về lưới, dẫn đến khả năng tái sinh năng lượng trả về lưới, đồng thời có thể hoạt động ở 4 góc phần tư mà không cần điều chỉnh phía đầu vào bộ biến đổi, do đó động cơ có thể dễ dàng chuyển đổi chế độ làm việc từ chế độ động cơ sang chế độ hãm tái sinh và ngược lại. Nhờ sử dụng các kỹ thuật điều biến (PWM) nên tạo ra dạng sóng áp ra và dòng vào hình sin, có khả năng điều chỉnh hệ số công suất đầu vào, tức điều chỉnh được góc lệch pha giữa dòng và áp vào là dẫn trước, chậm sau hay không đổi bất chấp các loại tải khác nhau. Matrix Converter còn được coi là giải pháp toàn bộ silíc “ all silicon” cho bộ biến đổi công suất trực tiếp AC-AC, nhờ khả năng tích hợp cao, chịu được ở điều kiện nhiệt độ cao, độ tin cậy được đảm bảo của các chất bán dẫn được chế tạo từ nguyên tố Si. Vì thế Matrix Converter sẽ là công nghệ lý tưởng trong tương lai cho những ứng dụng có nhiệt độ cao và kích thước nhỏ gọn, khi đó sẽ không cần tụ điện sẽ là một thuận lợi rất có ý nghĩa bởi vì tụ chịu được ở nhiệt độ cao thường rất hiếm và đắt I.1.4 Khó khăn và xu hướng nghiên cứu a) Những khó khăn Bên cạnh những ưu thế kể trên, một bất lợi lớn nhất khiến Matrix Converter đã không có khả năng cạnh tranh trên thị trường là tỉ số truyền điện áp bị hạn chế (tối đa là 0,86). Thêm vào đó là số lượng các van bán dẫn nhiều (18 IGBT và 18điôt FRD) cần để xây dựng một bộ Matrix Converter, do đó dẫn đến vấn đề điều khiển sẽ rất phức tạp, đồng thời môđun công suất vẫn chưa được sản xuất một cách tối ưu. Những bất lợi khác là khả năng chống lại dao động điện áp phía nguồn kém, và như vậy cần có mạch phụ gồm những phần tử phản kháng để cải thiện dạng sóng dòng vào, và đồng thời để bảo vệ Matrix 10 Converter chống lại các sự cố khi xảy ra quá dòng hoặc quá áp. Tuy năng lượng tổn hao trong các phần tử phản kháng này sẽ nhỏ hơn nhiều so với các bộ biến tần có phần tử nối một chiều, nhưng sẽ làm tăng kích thước và giá thành của bộ Matrix Converter, làm giảm ưu thế của Matrix Converter so với các bộ biến tần truyền thống. Vì vốn dĩ không có đường thoát năng lượng (free wheeling) thông với tải, nên khi xảy ra sự cố ngắt nguồn đột ngột do mất nguồn hoặc do lỗi chuyển mạch, nếu tải có tính cảm kháng, năng lượng được tích luỹ trong điện cảm ba pha của động cơ không được giải phóng sẽ gây ra quá áp ở đầu ra, nếu không có mạch bảo vệ (clamp hoặc snubber) sẽ làm phá huỷ các van công suất. Vì vậy thời gian để phát các tín hiệu điều khiển quá trình đóng cắt phải yêu cầu rất khắt khe và chính xác, đồng thời vấn đề bảo vệ mạch công suất trong điều kiện gặp sự cố cũng rất cần được quan tâm xem xét cẩn thận. b) Xu hướng nghiên cứu hiện nay Các xu hướng nghiên cứu hiện nay + Nhằm cải thiện những ảnh hưởng do sự tác động từ lưới, + Tăng cường hiệu suất của truyền động khi hoạt động ở tần số đóng cắt cao. + Giảm kích thước hệ truyền động Matrix Converter bằng cách tích hợp tất cả các cấu trúc silicon phức tạp (khoá 2 chiều) trong một môđun công suất. Tích hợp các mạch bảo vệ, khối logic điều khiển chuyển mạch, nguồn cách ly mạch điều khiển, gate driver trong một bảng mạch điện tử gọi là PEBB I.2 khoá 2 chiều trong matrix converter I.2.1 Quá trình năng lượng trong Matrix Converter Ta biết rằng Matrix Converter có khả năng trao đổi năng lượng với lưới một cách liên tục, đồng thời có thể phát công suất phản kháng trở lại lưới hoặc tiêu thụ Q. Điều này rất có ý nghĩa đối với truyền động dùng Matrix Converter với công suất lớn, vì sự ảnh hưởng đến lưới là rất đáng kể, hơn nữa tổn hao hạn chế được sẽ là rất lớn. Để thực hiện được điều này cần có các khoá 2 chiều 11 trong cấu trúc của Matrix Converter để có thể dẫn dòng theo cả 2 chiều lưới đến tải hoặc tải về lưới I.2.2 Cấu trúc khoá 2 chiều Matrix Converter yêu cầu các khoá hai chiều để có thể trao đổi năng lượng với lưới. Khoá hai chiều phải có khả năng điều khiển hoàn toàn được chiều dòng điện cả hai hướng và chặn điện áp cả dương và âm. Tuy nhiên vì không có van bán dẫn nào có thể đáp ứng được yêu cầu đó, vì vậy các van điều khiển hoàn toàn theo một chiều riêng rẽ sẽ được kết hợp lại để tạo ra các khoá . Các van thường được sử dụng để tạo ra khoá 2 chiều là IGBT, các van MOSFET, MCT, IGCT cũng được sử dụng. a) Đặc điểm của van IGBT ( Isulated Gate Bipolar Transistor ) Thực chất là transistor công suất có cực điều khiển cách ly. IGBT là sự kết hợp các ưu điểm của van MOSFET là đóng cắt nhanh, nên tạo ra sù thay đổi công suất nhanh và ưu điểm của transistor thường là chịu được tải có dòng và áp lớn nên có tổn hao dẫn dòng thấp. Là phần tử được điều khiển bằng điện áp, do đó công suất điều khiển là rất nhỏ không đáng kể. Nh vậy có thể điều khiển trực tiếp IGBT bởi đầu ra của các vi mạch công suất nhỏ. C G E Hình 1-5 Ký hiệu một IGBT IGBT có thời gian đóng cắt nhanh hơn transistor thường, thời gian trễ khi mở cỡ 0.15µs , giống nh đối với MOSFET. Thời gian trễ khi khoá là 1µs, giống nh với transistor thường. Dạng tín hiệu điều khiển thường là 15v khi mở +15v C và -15v khi khoá (hình 1.6) G 0 E on off on -15v 12 H×nh 1-6 M¹ch vµ tÝn hiÖu ®iÒu khiÓn b. Các cấu trúc của khóa 2 chiều * Cấu trúc cầu diode H×nh 1-7 : cÊu tróc cÇu ®ièt Khoá hai chiều sẽ gồm: một IGBT là khoá một chiều ở tâm của cầu diode mét pha nh ( hình 1-7) Thuận lợi chính là cả hai chiều đều qua 1 van IGBT, cho nên chỉ yêu cầu một (gate drive) cổng điều khiển cho mỗi lần chuyển mạch. Nhược điểm lớn nhất là tổn hao dẫn dòng lớn vì có 3 van (1 IGBT và 2 FRD) trên một đường dẫn. Hướng của dòng qua van đóng cắt là không điều khiển được. Đây là một bất lợi dẫn đến không được sử dụng với nhiều phương pháp chuyển mạch tin cậy. Hơn nữa tổn hao đóng cắt cũng lớn vì sự đóng cắt là cứng. * Cặp IGBT và Diode mắc song song ngược E chung H×nhtrúc 1-8 khoá : cÊu tróc 2 IGBT ng­îc chungmắc song song Sự cấu hai chiều là song gồmsong 2 diot và 2EIGBT ngược nh ( hình 1-8) Các điôt thêm vào để tạo ra khả năng ngăn điện áp ngược. 13 Có vài ưu thế khi sử dụng nếu so sánh với cầu điôt. Đầu tiên là khả năng điều khiển độc lập chiều dòng điện. Tổn hao dẫn dòng cũng giảm bởi vì chỉ có 2 van dẫn dòng ở một thời điểm, tổn hao đóng cắt cũng giảm vì quá trình đóng cắt là bán mềm(semi-soft). Một bất lợi là mỗi một khoá 2 chiều yêu cầu một nguồn cách ly riêng cho mỗi mạch điều khiển.Tuy nhiên cả hai van IGBT có thể điều khiển với cùng một điện áp * Cặp IGBT và Diode đấu song song ngược C chung H×nh : CÊu 2 IGBT songEsong ng­îc C chung Sự sắp xếp bố 1-9 trí các vantróc giống nh mạch chung, nhưng IGBT được nối C chung nh (hình 1.9). Tổn hao là tương đương với kiểu E chung, Thuận lợi của phương pháp này so với mạch E chung là chỉ cần 6 nguồn cung cấp được cách ly để cung cấp cho các tín hiệu điều khiển cổng. Tuy nhiên kiểu sắp xếp này là không tiện lợi trong thực tế bởi vì cảm ứng giữa các khoá chuyển mạch gây ra vấn đề. Đồng thời mỗi van cũng phải được điều khiển với các điện áp khác nhau dẫn đến việc điều khiển biến tần sẽ càng phức tạp. Chính vì thế cấu hình E chung thường được dùng để tạo ra các phần tử khoá 2 chiều cho Matrix Converter c) Xây dựng khoá 2 chiều tích hợp trong một môđun công suất Mục đích của việc tích hợp các khoá 2 chiều trong một môđun công suất là: + Giảm thể tích chiếm chỗ của các van bán dẫn silicon + Giảm các đầu nối môđun công suất đồng thời giảm điện cảm móc vòng phía đầu vào, và giảm giá thành sản xuất 14 + Cho phép tích hợp cả mạch bảo vệ và logic điều khiển chuyển mạch trong bảng mạch điều khiển để tiến tới xây dựng một khối điện tử công suất độc lập cho Matrix Converter Để chọn cách xây dựng môđun một cách tối ưu, phạm vi giới hạn công suất của biến tần là một tiêu chuẩn rất quan trọng. Với công suất lớn, hiệu quả và độ tin cậy là vấn đề quan trọng hơn giá thành, mạch điều khiển IGBT phải đảm bảo các chức năng : đóng cắt ưu việt để giảm tổn hao chuyển mạch, đồng thời bảo vệ quá dòng điện. Nh vậy, môđun công suất và mạch điều khiển phải được gắn với nhau sao cho kích cỡ, tổn hao, và số đầu nối là nhỏ nhất, cho phép người sử dụng không phải quan tâm đến vấn đề bảo vệ và hoạt động của các khoá công suất. Ta phân tích hai công nghệ CC và CE để đưa ra cấu hình tối ưu cho môđun công suất chứa các khoá 2 chiều. Sự phân tích bao gồm các vấn đề về mạch điều khiển nh giảm số nguồn cách ly, vấn đề bảo vệ môđun công suất, và khả năng tích hợp chúng vào một môđun thông minh cho Matrix Converter Phụ thuộc vào công suất định mức, có 2 công nghệ tích hợp các van H×nh 1-10 M¹ch ®iÖn m«®un c«ng suÊt 3pha/1pha khi sö dông a) CE-IGBT’s b)CC-IGBT’s + Công nghệ CE để xây dựng môđun công suất 3pha/ 1pha, dùng cho Matrix Converter có công suất lớn. Một ưu thế là có thể theo dõi được điện áp VCE , nên có thể sử dụng công nghệ CE trong mạch điều khiển cổng thông 15 minh với khả năng phát hiện sự cố ngắn mạch, và phát tín hiệu kích thích rất chính xác là những yêu cầu trong bé Matrix Converter có công suất lớn. Số đầu điều khiển trên một môđun cũng được giảm xuống còn là 9 + Công nghệ CC để xây dựng môđun công suất 3pha/3pha và dùng cho Matrix Converter có công suất nhỏ. Ưu điểm là giảm được số nguồn công suất cách ly cấp cho mạch điều khiển cổng (6), và tạo ra giải pháp one-chip cho kích thước nhỏ gọn, số đầu điều khiển trên một môđun giảm xuống còn là 24, và có khả năng nuôi các bộ chuyển đổi điện áp vào và dòng điện ra từ nguồn công suất của mạch điều khiển. Mét xu hướng trong việc chế tạo hệ truyền động điều chỉnh tốc độ (VSD) là phát triển các hệ thống điện tử công suất được tích hợp hoàn toàn dẫn tới giảm giá thành sản phẩm và thời gian thiết kế. Để tạo ra một khối điện tử công suất tích hợp (PEBB) cho Matrix Converter thì các khối logic điều khiển chuyển mạch, bảo vệ quá dòng, nguồn cách ly nuôi mạch điều khiển, và khối bảo vệ lỗi chuyển mạch phải được tích hợp trên cùng một bảng mạch. d) Mạch điều khiển cổng điển hình cho 1 van IGBT Mỗi khoá trong MC yêu cầu 1 tín hiệu điều khiển được cách ly. Sự cách ly có thể là biến áp xung hoặc cách ly về quang. Cách ly quang có thể tạo chu kỳ xung làm việc không hạn chế, nhưng nguồn cấp phải được cách ly riêng rẽ đối với mỗi van làm số lượng thiết bị và giá thành mạch điều khiển cao. Cách ly về quang có thể chống nhiễu, nhưng nguồn cung cấp cách ly phải được thiết kế cẩn thận tránh vấn đề gây “ hợp” điện dung sẽ xảy ra dv/dt lớn. Vấn đề chính với biện áp xung là cần có sự cân bằng thế khiến nó khó +15v hoạt động để tạo ra độ rộng xung điều khiển yêu cầu đủ lớn. Tuy nhiên với van cần cách ly như IGBTs hoặc MOSFETs thì khó khăn có thể loại trừ nếu Q2 van. Công nghệ MC sử dụng ưu dùng khả năng nạp của tụC điện đầu vào của 1:1 * S1 (Hình thế này để xây dựng mạch điều *khiển cho van, mạch điều khiển cơ bản 1-10). Mạch này có số lượng thiết bị Ýt, không yêu cầu nguồn cách ly và làm việc tốt với phạm vi của chu kỳ xung đủ lớn. S2 -15v 16 Q1 Trên hình vẽ: Q1, Q2 là 2 van MOSFET công suất thấp loại IRFD110 Hình 1-11 thể hiện nguyên tắc hoạt động.Tín hiệu điều khiển mong muốn được tạo bởi logíc điều khiển cho 1 khoá gồm 2 van S1 và S2. Tín hiệu này được gửi tới sơ cấp BAX việc thay đổi giá trị điện áp khởi tạo nhờ thay đổi từ thông sắt từ. BAX có tỉ số 1:1 dẫn tới giá trị khởi tạo này cũng là giá trị phía thứ cấp BAX. Khi bão hoà lõi sắt thì điện áp này giảm = 0 và khi sang phần (-) của tín hiệu điều khiển thì lõi hết bão hoà, giá trị điện áp được khởi tạo về phần âm sau đó bão hoà lõi sắt lại xảy ra và điện áp phần âm về 0. Nhờ vậy dạng xung áp qua sơ (thứ) BAX là chuỗi những xung ngắn có cực tính thay đổi theo lệch từ logíc điều khiển. Trong phần + của dạng sóng điện áp thứ cấp, tụ kết hợp của 2 cổng S1 và S2 sẽ nạp qua Q2 và điốt trong của Q1 .Khi sóng điện áp nàygiảm về giá trị không, điốt trong Q1 phân cực ngược, tụ sẽ giữ giá trị nạp cho S1, S2 trong một khoảng thời gian phụ thuộc vào dòng điện dò, nếu thời gian là không thích hợp (quá ngắn) cần thêm 1 tô song song với cổng điều khiển. Cần chú ý là thời gian mở lớn nhất cho mỗi khoá 2 chiều phải được tính cụ thể rõ ràng trong chiến lược điều biến MC. 17 S1, S2 đóng lại khi điện áp thứ cấp BAX âm. Tụ kết hợp nạp giá trị âm qua Q1 và điốt trong Q2. Điốt trong Q2 dẫn khi điện áp âm trở về 0 và tụ sẽ phóng áp âm được nạp cho tới khi nhận được xung áp dương thứ cấp BAX. Quá trình nạp áp âm trong chu kỳ ngắt tạo khả năng chống nhiễu tuyệt vời và đảm bảo rằng thời gian mở giả định là không thể xảy ra. +15v Thùc hiÖn lÖch +18v §iÖn ¸p thø cÊp BAX -18v +18v §iÖn ¸p ®iÒu khiÓn van 0,6 ms H×nh 1-12 nguyªn t¾c ho¹t ®éng cña m¹ch ®iÒu khiÓn I.3 Vấn đề bảo vệ mạch công suất cho Matrix Converter Ta biết rằng để Matrix Converter làm việc đạt hiệu quả tốt nhất thì cần thêm vào những mạch phụ, mà bao gồm các phần tử phản kháng, để bảo vệ khỏi các sự cố và cải thiện chất lượng điện áp ra cũng như dòng điện vào. Các mạch đó gồm mạch snubber, mạnh clamping, và bộ lọc đầu vào LC. Trong một số nghiên cứu về quá trình chuyển mạch, đã đưa ra phương pháp chuyển mạch thông minh mà không cần mạch snubber, nhằm giảm tối đa số lượng các van bán dẫn có3 trong Matrix Converter. Tuy nhiên bộ lọc đầu vào LC và mạch ®Çu clamping(a,b,c) là những Läc mạch vµo không thể thiếu được trong cấu hình chung của một Matrix Converter matrix convetrr 3 3 (A,B,C) 3 M¹ch clamp M 3~ 18 Khèi cÊp nguån cho c¸c m¹ch ®iÖn tö (Gate driver, Bé chuyÓn ®æi, §iÒu khiÓn) §éng c¬ c¶m øng H×nh 1-13 CÊu h×nh d¹ng khèi tæng qu¸t cña Matrix Converter víi ®éng c¬ c¶m øng I.3.1 Bộ lọc đầu vào LC H×nh 1-14 CÊu h×nh bé läc ®Çu vµo Bộ lọc đầu vào, là bộ lọc thông thấp, gồm một mạch LC nối tiếp, có tác dụng cải thiện dạng sóng của dòng điện vào bằng cách loại bỏ những thành phần sóng hài bậc cao. Như vậy cần phải tính toán bộ lọc sao cho nó có điện kháng nhỏ nhất (cộng hưởng) với sóng hài cơ bản và có điện kháng lớn đối với các sóng hài bậc cao đồng thời giảm nhỏ tổn thất cũng như kích thước của bộ lọc. Việc thiết kế một bộ lọc đầu vào cần có: + Tạo ra tần số phóng nạp (cut-off) thấp hơn tần số đóng cắt + Tăng tối đa hệ số công suất cosϕ đầu vào với một công suất đầu ra đã cho nhỏ nhất + Giảm nhỏ thể tích và trọng lượng của bộ lọc với một công suất phản kháng đã cho. 19 + Giảm nhỏ điện áp rơi trên điện cảm của bộ lọc khi dòng định mức để tăng tối đa tỉ số truyền điện áp q a) Phân tích tác dụng lọc sóng hài của mạch lọc LC (Hình 1.14) Ta biết rằng dòng điện vào là được điều biến nên dòng vào sẽ có thể cùng pha (in phase) với điện áp vào. Với tần số lưới là 50Hz, thì điện áp rơi qua bộ lọc là bé và điện áp ở đầu vào Matrix Converter (E’ i) sẽ xấp xỉ với điện áp vào (Ei). Điện áp E’i tạo ra dòng điện phản kháng (I0) chảy trong các tụ điện của bộ lọc CF . Chính dòng điện này gây ra sự lệch pha giữa tổng dòng điện vào và điện áp vào, và dẫn tới giảm hệ số công suất đầu vào. Các tụ của bộ lọc gây ra dòng không tải cảm kháng I0 được tính như sau: I 0 = Ei Ei = X  1 50 j ωi L − F ωC  i F      ≈ jEiωi C F (1.1) Với I0 là dòng không tải, X50 là điện trở tổng của bộ lọc, ωi là tần số góc của điện áp vào. Công thức xấp xỉ này đã bỏ qua điện áp rơi trong điện cảm bộ lọc, bởi vì dòng điện không tải chỉ đi qua các tụ điện. Thành phần cơ bản của dòng điện do Matrix Converter tạo ra (I 50) tính được nhờ công suất đầu ra của biến tần và giá trị điện áp vào. I50 =P0/3*Ei (1.2) Dòng điện đầu vào tổng cộng của Matrix Converter và bộ lọc bằng tổng của dòng điện không tải (I0) với dòng điện chủ đạo từ Matrix Converter (I50). Khi thành phần phản kháng của dòng vào là không đổi ( I 0 =const), thì góc pha dòng vào phụ thuộc vào công suất của tải. Khi tải có công suất lớn thì I50 chiếm ưu thế hoàn toàn và như vậy tạo ra được hệ số công suất đầu vào cao. Như vậy khi thiết kế bộ lọc cần quan tâm đến giá trị công suất định mức, việc chọn giá trị của điện dung CF phụ thuộc vào công suất định mức của biến tần và yêu cầu thực hiện (ví dụ như cosϕi > 0,9 thì công suất đầu ra P 0 > 10% công suất định mức) 20