Đồ án tốt nghiệp điện công nghiệp nghiên cứu sử dụng FPGA trong điều khiển biến tần ma trận

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
PHẦN 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.
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. 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.
Mục đích của đồ án này là nghiên cứu các khái niệm 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. Trình bày những khái niệm cơ bản về
chip khả trình FPGA, hãng Xilinx và những công cụ lập trình và phát triển hệ thống.
Dùng FPGA để phát xung theo yêu cầu.
Trong thời gian làm đồ án, với sự nỗ lực của bản thân và dưới sự chỉ bảo tận tình của

thầy giáo hướng dẫn Đoàn Quang Vinh 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.
SVTH :Trần Thị Tuyết Dung GVHD :PGS.TS.Đoàn Quang Vinh
Lớp 06CLC Trang 1
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
CHƯƠNG 1 MATRIX CONVERTER CÁC VẤN ĐỀ CƠ BẢN
1.1. KHÁI NIỆM VỀ MATRIX CONVERTER
1.1.1. 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 1980-1981). Hai người đã
đưa ra một thuật toán điều biến PWM mới có thể tạo dòng điện vào và điện áp ra hình
sin với tần số biến thiên đồng thời điều khiển được hệ số công suất đầu vào. Đến năm
1989 cũng chính 2 ông bằng cách điều chỉnh lại thuật toán ban đầu đã tạo ra được tỉ số
truyền giữa điện áp ra và điện áp vào tối đa (là 0,86) và điều khiển được trọn vẹn 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 một
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.
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.
SVTH :Trần Thị Tuyết Dung GVHD :PGS.TS.Đoàn Quang Vinh
Lớp 06CLC Trang 2
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Hình 1.1 Cấu trúc tổng quát của ma trận khoá 2 chiều
1.1.2. 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 (Hình1. 2).
Trong bộ 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 Σ C
n
i
(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.
Hình 1-2 Cấu trúc 3 pha của Ma trận khoá 2 chiều
SVTH :Trần Thị Tuyết Dung GVHD :PGS.TS.Đoàn Quang Vinh
Lớp 06CLC Trang 3
a
C
c
b
B
A
S11
S13
S12
a)
S21
S23
S22
S31
S33
S32
a
c
b
A B C
b)
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
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, 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.
1.1.3. 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 .
Điện áp vào xoay chiều U
1
và tần số f
1
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 f
2
khá khó khăn và phụ thuộc vào f
1
, vì vậy hiện nay chủ yếu chỉ có
biến tần loại này với phạm vi điều chỉnh f
2
≤ f

1
.
SVTH :Trần Thị Tuyết Dung GVHD :PGS.TS.Đoàn Quang Vinh
Lớp 06CLC Trang 4
MẠCH VAN
U
2
~
f2
U
1
~
f1
Hình 1-3 Cấu trúc biến tần trực tiếp
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
∗ 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
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 f
1
trong dải tần rộng cả trên lẫn dưới f
1
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.
.
SVTH :Trần Thị Tuyết Dung GVHD :PGS.TS.Đoàn Quang Vinh
Lớp 06CLC Trang 5
f
1~
U
1~
U
2~
f2
U
=
CHỈNH

LƯU
LỌC NGHỊCH LƯU
ĐỘC LẬP
U
=
Hình 1-4 Cấu trúc biến tần gián tiếp
f
2~
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
∗ 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:
+ 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 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.
SVTH :Trần Thị Tuyết Dung GVHD :PGS.TS.Đoàn Quang Vinh
Lớp 06CLC Trang 6
Bảng 1: So sánh số lượng van bán dẫn trong Matrix Converter với 2 loại VSI
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Công nghệ Khóa điều Diot cắt Diot chỉnh Tụ hoá lớn điện cảm
MC 18 18 0 0 0

Biến tần 12 12 0 1 3
Biến tần với 6 6 6 1 0 hoặc 1
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 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.
SVTH :Trần Thị Tuyết Dung GVHD :PGS.TS.Đoàn Quang Vinh
Lớp 06CLC Trang 7
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
1.1.4 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 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.
1.2 KHOÁ 2 CHIỀU TRONG MATRIX CONVERTER
1.2.1 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 trong cấu trúc của Matrix Converter để có
thể dẫn dòng theo cả 2 chiều lưới đến tải hoặc tải về lưới.
1.2.2 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
SVTH :Trần Thị Tuyết Dung GVHD :PGS.TS.Đoàn Quang Vinh
Lớp 06CLC Trang 8
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
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 sự 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. Như vậy có thể điều khiển trực tiếp IGBT bởi đầu ra của các vi mạch công
suất nhỏ.

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 như đối với MOSFET. Thời gian trễ khi khoá là 1µs, giống
như với transistor thường. Dạng tín hiệu điều khiển thường là 15v khi mở
và -15v khi khoá (hình 1.6)
SVTH :Trần Thị Tuyết Dung GVHD :PGS.TS.Đoàn Quang Vinh

Lớp 06CLC Trang 9
G
C
E
Hình 1-6 Mạch và tín hiệu điều khiển
off onon
0
-15v
+15v
E
C
G
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
b. Các cấu trúc của khóa 2 chiều

Khoá hai chiều sẽ gồm: một IGBT là khoá một chiều ở tâm của cầu diode một pha như (
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
Sự cấu trúc khoá hai chiều là gồm 2 diot và 2 IGBT mắc song song ngược như ( hình
1-8) Các điôt thêm vào để tạo ra khả năng ngăn điện áp ngược.
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.
SVTH :Trần Thị Tuyết Dung GVHD :PGS.TS.Đoàn Quang Vinh
Lớp 06CLC Trang 10
Hình 1-8 : cấu trúc 2 IGBT song song ngược E chung
Hình 1-7 : cấu trúc cầu điốt
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
* Cặp IGBT và Diode đấu song song ngược C chung
Sự sắp xếp bố trí các van giống như mạch E chung, nhưng IGBT được nối C chung như
(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 mô đun 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.
+ 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. Như 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 như
SVTH :Trần Thị Tuyết Dung GVHD :PGS.TS.Đoàn Quang Vinh
Lớp 06CLC Trang 11
Hình 1-9 : Cấu trúc 2 IGBT song song ngược C chung
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
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.
+ 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 V
CE
, nên có thể sử dụng
công nghệ CE trong mạch điều khiển cổng thông minh với khả năng phát hiện sự cố
ngắn mạch, và phát tín hiệu kích thích rất chính xác là những yêu cầu trong bộ 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.
Một 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 biến áp xung là cần có sự cân bằng thế khiến nó khó 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 dùng khả năng nạp của tụ điện đầu vào
SVTH :Trần Thị Tuyết Dung GVHD :PGS.TS.Đoàn Quang Vinh
Lớp 06CLC Trang 12
Hình 1-10 Mạch điện môđun công suất 3pha/1pha khi sử dụng
a) CE-IGBT’s b)CC-IGBT’s
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
của van. Công nghệ MC sử dụng ưu thế này để xây dựng mạch điều khiển cho van,
mạch điều khiển cơ bản (Hình 1-10). Mạch này có số lượng thiết bị ít, không yêu cầu
nguồn cách ly và làm việc tốt với phạm vi của chu kỳ xung đủ lớn.
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 tụ 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.
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.
SVTH :Trần Thị Tuyết Dung GVHD :PGS.TS.Đoàn Quang Vinh
Lớp 06CLC Trang 13
Hình 1-11 mạch điều khiển cho một khoá 2 chiều
+15v
-15v
C
1:1
* *
Q2
Q1
S1
S2
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
1.3. 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 có trong Matrix Converter. Tuy nhiên bộ
lọc đầu vào LC và mạch clamping là những mạch không thể thiếu được trong cấu hình
chung của một Matrix Converter.

1.3.1 Bộ lọc đầu vào LC

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
SVTH :Trần Thị Tuyết Dung GVHD :PGS.TS.Đoàn Quang Vinh
Lớp 06CLC Trang 14
Hình 1-13 Cấu hình bộ lọc đầu vào
Thực hiện lệch
Điện áp thứ cấp BAX
Điện áp điều khiển van
0,6 ms
+15v
+18v
+18v
-18v
Hình 1-12 nguyên tắc hoạt động của mạch điều khiển
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
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.
+ 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 1.13)
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 (E
i
). Điện áp E’
i
tạo ra
dòng điện phản kháng (I
0
) chảy trong các tụ điện của bộ lọc C
F
. 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 I
0
được tính như sau:
F
C
ii
jE
F
C
i
F
L
i
j
i
E
X

i
E
I
ω
ω
ω
≈








−
==
1
50
0
(1.1)
Với I
0
là dòng không tải, X
50
là điện trở tổng của bộ lọc, ω
i
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.

I
50
=P
0
/3*E
i
(1.2)
Dòng điện đầu vào tổng cộng của Matrix Converter và bộ lọc bằng tổng của dòng điện
không tải (I
0
) với dòng điện chủ đạo từ Matrix Converter (I
50
).
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 I
50
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 C
F
phụ thuộc vào công suất định mức của biến tần và yêu cầu thực

hiện (ví dụ như cosϕ
i
> 0,9 thì công suất đầu ra P
0
> 10% công suất định mức)
Công thức tính góc lệch pha của dòng điện vào so với điện áp vào.








−
=
50
0
1
I
I
tg
i
ϕ
(1.3)
SVTH :Trần Thị Tuyết Dung GVHD :PGS.TS.Đoàn Quang Vinh
Lớp 06CLC Trang 15
(1.4))
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Thay I

50
=P
0
/3*E
i
vào công thức (1.3) ta tính được giá trị điện dung lớn nhất của bộ lọc
để tạo ra hệ số công suất yêu cầu :
ii
E
i
tg
F
C
i
E
F
C
ii
E
i
tg
ω
ϕ
ω
ϕ
2
3
max),(
0
P

*/3
0
P
max),(
<⇒<








Với P
0
là công suất đầu ra của biến tần, ϕ
i,max
là góc lệch pha vào lớn nhất chấp nhận
được. Điện cảm được chọn phụ thuộc vào tần số cắt mong muốn của bộ lọc là f
0
:
F
C
F
L
f
π
2
1
0

=
(1.5)
Khi thiết kế bộ lọc cũng cần tính đến điện điện áp rơi qua điện cảm để thoả mãn kích cỡ
của cuộn cảm và tụ điện. Một tụ nhỏ đảm bảo cosϕ
i
đủ cao, nhưng lại yêu cầu cuộn cảm
lớn để thoả mãn tần số cắt của bộ lọc, thì sẽ là không thích hợp. Kích thước của cuộn
cảm được giới hạn nhờ điện áp rơi cơ bản do dòng cơ bản của Matrix Converter tạo ra.
Như vậy bộ lọc đầu vào được xem là làm san bằng dòng điện để tạo ra thành phần cơ
bản của dòng điện, dạng sóng dòng vào gồm thành phần cơ bản 50Hz cộng với một số
hài nhỏ xung quanh tần số đóng cắt.
b) Phân tích sự ảnh hưởng của bộ lọc đầu vào LC gây hiện tượng quá áp khi
nguồn bị nhiễu
Khi ngắt các khoá của Matrix Converter có thể xảy ra quá dòng. Trong trường
hợp không có mạch clamp bảo vệ, hoặc có clamp nhưng tụ clamp đang phóng điện thì
quá áp lớn bằng 2 lần điện áp vào sẽ xảy ra, và khi có điện áp ban đầu ở tụ trong bộ lọc
đầu vào, thì mức độ quá áp có thể sẽ lớn hơn nữa điều này phụ thuộc vào dấu của điện
áp ban đầu.
Khi nối mạch clamp có tụ phóng điện, với đầu vào của Matrix Converter thì năng
lượng được tích trong cuộn cảm của bộ lọc sẽ cao hơn trường hợp không có clamp tuy
mức quá áp có thể lớn hơn 2 lần nhưng chế độ quá độ là lâu hơn so với khi không nối,
bởi vì sự dao động năng lượng trong mạch LC đầu vào là cao hơn.
Với trường hợp tụ clamp đang nạp điện thì sẽ không xảy ra sự tăng năng lượng được
tích trong bộ lọc đầu vào, vì vậy sẽ mất đi một phần dao động năng lượng từ mạch lọc
LC và do đó mức quá áp có thể được giảm xuống rất nhiều (50%).
SVTH :Trần Thị Tuyết Dung GVHD :PGS.TS.Đoàn Quang Vinh
Lớp 06CLC Trang 16
Hình 1-15 Bộ lọc đầu vào với điệ n trở hạnchế (damping)
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Hình 1.14 Bộ lọc đầu vào với điện trở

Có thể tăng điện trở trong bộ lọc đầu vào (R>R
K
) bằng cách tăng hệ số tắt dần
(damping) thì sẽ giảm tối đa mức quá áp vì dao động quá độ khi nhiễu nguồn điện áp sẽ
bị mất đi. Như vậy cần thêm 1 điện trở hãm ở mỗi pha vào trong chu kỳ nạp của tụ
clamp (Hình 1.14).
Giá trị của điện trở hãm phải đảm bảo tác động không chu kỳ (tức là ngăn cản dao
động tự do) của mạch R-L-C (mạch gồm bộ lọc đầu vào và các điện trở hạn chế). Điều
này là không thể thực hiện được khi Matrix Converter đang hoạt động vì sẽ xảy ra điện
áp rơi trên các điện trở hạn chế, nhưng có thể sử dụng để loại trừ quá áp khi khởi động
cấp nguồn cho Matrix Converter.
Khi có tụ clamp tham gia vào sự quá độ khi khởi động (thậm chí ngay cả khi tụ này
phóng ), nếu thoả mãn điều kiện của R thì quá trình quá độ cũng bị tắt dần.
1.3.2 Mạch kẹp (clamp diode)
SVTH :Trần Thị Tuyết Dung GVHD :PGS.TS.Đoàn Quang Vinh
Lớp 06CLC Trang 17
A
B
C
a
b
c
Líi
R
Lf
Cf
K
§Çu

vµo
MC
Hình 1-15 Mạch clamp diode bảo vệ Matrix Converter
a) Trạng thái zero-vectors b) Trạng thái không nối tất cả các khoá
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Không có đường thoát năng lượng cũng gây khó khăn cho MC trong việc bảo vệ
mạch công suất chống lại các sự cố Ví dụ, nếu các khoá ngắt khi có quá dòng, sẽ xảy ra
quá áp nghiêm trọng do hở mạch tải, và kết quả là phá huỷ toàn bộ mạch công suất, vì
đặc tính cảm vốn có của tải động cơ. Bảo vệ quá áp thực hiện bằng 1 mạch kẹp (clamp)
nối với đầu ra của MC. Mạch clamp gồm cầu điốt nuôi 1 tụ điện một chiều. Tụ này sẽ
hấp thụ năng lượng tải lớn khi tất cả các khoá của biến tần mở ra, như vậy sẽ bảo vệ
Matrix Converter trong trường hợp ngắt khẩn cấp do gặp sự cố, khi đó mức quá áp sẽ
được hạn chế cả phía lưới và phía động cơ. Mức quá áp phía lưới đã được phân tích kỹ
ở trên, khi mà có sự ảnh hưởng của bộ lọc đầu vào LC. Ở đây ta phân tích quá áp phía
tải và cách năng lượng được giải phóng.
Ta quan tâm tới việc tạo ra một mômen hãm lớn trong một thời gian ngắn khi ngắt
nguồn. Bởi vì dòng chảy công suất là rất lớn, cần có một (braking chopper) bộ băm hãm
(gồm 1 van bán dẫn và một điện trở hãm) nối thêm vào trong mạch clamp vì sẽ làm
tăng tối đa tổn hao động cơ nhờ tăng các hài dòng điện động cơ.Mặc dù như vậy sẽ tăng
độ phức tạp của ASD (truyền động có điều chỉnh tốc độ) nhưng có thể giảm đáng kể
kích thước của tụ clamp khi sử dụng chopper cho trường hợp quá dòng xấu nhất. Điện
trở hãm phải có khả năng tích luỹ dần năng lượng bởi vì sử dụng chopper chỉ được
dùng trong thời gian ngắn (tình huống khẩn cấp). Như vậy năng lượng khi thoát ra sẽ
được giảm nhờ tăng lớn nhất tổn hao trên động cơ. Đạt được điều này do tăng các hài
dòng điện của động cơ khi mà từ thông động cơ không thể điều khiển được.
Trong quá trình ngắt nguồn toàn bộ chỉ có 2 khả năng của các trạng thái đóng cắt làm
động cơ tách ra khỏi lưới.
+ Trạng thái zero-vectors (aaa, bbb, ccc) sẽ nối tất cả các đầu của động cơ tới 1 đầu của
lưới (Hình1.15a). Bởi vì khi làm việc từ thông rôto và tốc độ động cơ không thể bằng 0
nên ngắn mạch động cơ sẽ làm dòng stator tăng lên.

+ Trạng thái không nối tất cả các khoá, vì vậy dòng động cơ sẽ chảy qua mạch clamp.
(Hình 1.15b).Vì điện áp trong mạch clamp là cao hơn biên độ sức điện động (EMF) của
động cơ, điều này làm dòng stator sẽ giảm xuống.
Bằng cách thay đổi 2 trạng thái đóng cắt trên sẽ tạo ra sự biến đổi năng lượng cơ thành
năng lượng điện đồng thời cho phép từ thông rôto động cơ tắt dần. Trên hình 1-16 đưa
ra đường dẫn dòng chảy năng lượng.
Trong trạng thái zero-vector, dòng điện tăng và năng lượng cơ được biến đổi thành
năng lượng điện từ mà được tích tụ trong điện kháng tản của động cơ. Khi tất cả các
khoá đều mở ra, năng lượng điện từ được chuyển vào mạch clamp. Một phần nhỏ năng
lượng này được sử dụng lại để nuôi mạch điều khiển Muốn đạt được mômen hãm lớn
nhất thì dòng năng lượng trong mạch clamp phải đạt gần bằng công suất định mức của
động cơ. Phần lớn năng lượng tĩnh điện ở tụ clamp được chuyển thành năng lượng nhiệt
nhờ nối một (braking chopper) bộ băm có điện trở hãm. Giải pháp này cho phép giảm
được kích cỡ của tụ kẹp vì nó nhỏ hơn, rẻ hơn và gọn nhẹ hơn khi gắn vào Matrix
Converter để chuyển năng lượng điện thành năng lượng nhiệt.
SVTH :Trần Thị Tuyết Dung GVHD :PGS.TS.Đoàn Quang Vinh
Lớp 06CLC Trang 18
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
I.3.3. Mạch snubber
Mạch LC có chức năng tương tự mạch snubber. Tuy nhiên trong thực tế 1 mạch
snubber nhỏ vẫn được sử dụng để giảm nhẹ ảnh hưởng của điện cảm dây nối.
Đặc điểm rõ nét của MC là dòng điện luôn chuyển mạch từ 1 khoá được điều khiển tới
1 khoá khác. Rất khác với biến tần nguồn áp thông thường là chuyển mạch từ một van
được điều khiển đến các điốt hoàn năng lượng thêm vào hoặc ngược lại. Trong biến tần
thông thường có 1 khoảng thời gian trễ giữa các tín hiệu điều khiển các van (tránh dẫn
tức thời) và dòng tải cảm kháng sẽ đi qua điốt hoàn năng lượng để tạo sự an toàn cho
các van. Không có đường thoát năng lượng trong MC nhưng vẫn cần thiết có 1 khoảng
thời gian trễ giữa các tín hiệu điều khiển để tránh ngắn mạch đầu vào. Trong thời gian
trễ này, dòng tải cảm kháng sẽ được chảy qua một mạch bảo vệ (snubber). Mạch bảo
vệ phải được tính toán để hạn chế điện áp các van tới một giá trị thích hợp.

Trong Matrix Converter, sử dụng một mạch RC snubber đơn giản được nối song
song qua khoá 2 chiều(Hình 1.18). Để tránh tổn hao trong mạch bảo vệ lớn quá mức
việc thiết kế mạch snubber phải đi liền với việc thiết lập thời 1 gian trễ rất cẩn thận.
Với một mạch R-C dùng bảo vệ Matrix Converter khi thực hiện chuyển mạch dòng điện
đơn giản và dễ hiểu là chuyển mạch dòng điện với thời gian chết (dead time). Tuy chiến
SVTH :Trần Thị Tuyết Dung GVHD :PGS.TS.Đoàn Quang Vinh
Lớp 06CLC Trang 19
Hình 1-16 Mạch Snubber cho khoá 2 chiều
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
lược chuyển mạch là đơn giản nhưng việc chọn đúng tham số cho mạch snubber là rất
khó khăn để điều khiển điện áp đỉnh qua các khoá, khi xảy ra hở mạch dây quấn động
cơ trong khoảng thời gian chết.
Các tham số của mạch RC được xác định nhờ giá trị định mức của van và chế độ hoạt
động của mạch.
* Chọn giá trị điện trở dựa vào 2 tiêu chuẩn
- Điện trở phải giải phóng năng lượng của tụ khi khoá dẫn dòng, chính vì thế giá trị
điện trở được chọn sao cho thời gian phóng của tụ phải <= chu kỳ làm việc nhỏ nhất
của bất kỳ 1 khoá nào trong Matrix Converter.
- Điện trở này sẽ xác định giá trị đỉnh của dòng điện phóng ra từ tụ, mà dòng này có
tác động lên khoá.Do đó giá trị điện trở thích hợp được chọn phải hạn chế giá trị đỉnh
của dòng xuống dưới giá trị định mức và đủ giải phóng năng lượng tụ khi khoá mở dẫn
dòng.
* Chọn giá trị cho tụ là vấn đề quan trọng đối với điện áp qua van.
Trong thời gian chết, dòng tải đi qua mạch snubber, và giá trị của tụ xác định điện
áp qua van khi khoá không dẫn. Lúc đó phải chọn giá trị tụ sao cho điện áp qua van nhỏ
hơn điện áp định mức của van.
Dạng sóng dòng điện và điện áp qua van lúc đóng cắt chủ yếu phụ thuộc vào thời gian
trễ giữa các khoá, giá trị điện áp đầu vào, dòng điện đầu ra và các tham số của mạch
Snubber. Còn tổn hao đóng cắt phụ thuộc vào tụ điện, thời gian chết, và các tham số
trong công thức tính tổng tổn hao công suất trong mạch RC.







+






+=
2
27
2
3
2
2
2
0
L
sSnub
CV
C
RIfP
τ
τ
(1.6)

Với f
s
là tần số đóng cắt, τ là thời gian chết, V
L
là RMS (Căn bậc hai trung bình) của
điện áp dây vào và I
0
là RMS của dòng đầu ra.
SVTH :Trần Thị Tuyết Dung GVHD :PGS.TS.Đoàn Quang Vinh
Lớp 06CLC Trang 20
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
CHƯƠNG 2 VẤN ĐỀ CHUYỂN MẠCH TRONG MATRIX
CONVERTER
Matrix Converter có nhiều thuận lợi hơn các biến tần truyền thống như khả năng
tái sinh năng lượng trở lại lưới, dòng điện vào và ra hình sin, và có thể điều khiển được
hệ số công suất đầu vào, kích thước cũng được giảm xuống đáng kể bởi vì không có
phần tử phản kháng lớn tích năng lượng trung gian. Tuy nhiên cũng có một vài vấn đề
thực tế quan trọng nảy sinh cần được quan tâm với Matrix Converter. Vì không có
đường thoát năng lượng tự nhiên (freewheel paths), nên rất khó để thực hiện chuyển
mạch dòng điện tin cậy từ một khoá này sang một khoá khác, quá trình chuyển mạch
không tin cậy sẽ ảnh hưởng đến chế độ hoạt động an toàn và hiệu suất của Matrix
Converter.
2.1. TỔNG QUÁT VỀ QUÁ TRÌNH CHUYỂN MẠCH
2.1.1. Chuyển mạch tự nhiên và chuyển mạch cưỡng bức
Chuyển mạch là quá trình dòng điện chuyển từ van đang dẫn (nhưng sắp ngắt) này
sang van chưa dẫn (nhưng sắp dẫn) khác.
a) Chuyển mạch tự nhiên.
Điểm chuyển mạch tự nhiên là thời điểm ở đó có sự tự chuyển van dẫn từ van này
sang van khác, một van mới mở ra sẽ tạo điều kiện khóa một van đang dẫn lại.
Ví dụ: Sự chuyển mạch của các van dưới tác dụng của điện áp lưới xoay chiều như

trong các bộ biến đổi phụ thuộc (chỉnh lưu, biến tần trực tiếp…).
b) Chuyển mạch cưỡng bức
Các van nếu cùng nằm dưới điện áp một chiều sẽ không thể chuyển mạch tự nhiên.
Khi đó để khóa một van đang dẫn lại sẽ phải dùng van điều khiển hoàn toàn hoặc nếu là
van thyristor sẽ cần một mạch đặc biệt chuyên dụng (mạch khoá cưỡng bức) để thực
hiện quá trình chuyển mạch.
Ví dụ : Sự chuyển mạch trong các bộ biến tần gián tiếp…
2.1.2. Chuyển mạch cứng và chuyển mạch mềm
a) Chuyển mạch cứng
Khi khoá một van bán dẫn dòng điện do tụ trong mạch khoá cưỡng bức phóng ra
rất lớn, gần như là dòng ngắn mạch. Do đó dòng qua van cần khoá gần như bị triệt tiêu
tức thời chuyển mạch như vậy gọi là chuyển mạch cứng.
b) Chuyển mạch mềm
Khi chuyển mạch mà dòng qua van cần khoá bị triệt tiêu dần theo quá trình dao
động của dòng điện phóng tụ C trong mạch cưỡng bức thì gọi là chuyển mạch mềm
( êm ).
Sự đóng cắt mềm là sự đóng cắt trong điều kiện dòng điện hoặc điện áp bằng không,
như vậy sẽ không có tổn hao công suất xảy ra như ở đóng cắt cứng, sẽ cho phép tần số
SVTH :Trần Thị Tuyết Dung GVHD :PGS.TS.Đoàn Quang Vinh
Lớp 06CLC Trang 21
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
đóng cắt cao hơn, đồng thời (EMC) sự tương hợp điện từ phát sinh cũng được giảm
xuống.
Hình 2.1 Mạch đóng cắt mềm E chung
Xét mạch có một phần tử (cell) gồm 1 cặp IGBT với E chung đấu song song ngược với
1 cặp điốt, 1 IGBT phụ, 2 điốt , cuộn cảm, tụ điện, một nguồn áp E.(Hình 2.1).
* Nguyên lý hoạt động
Giả sử cell 1 và cell 2 là 2 khoá sẽ dẫn và sẽ ngắt tương ứng. Khi chuyển mạch xảy
ra, tất cả các tín hiệu điều khiển là được phát ra cùng một lúc. Tại thời điểm này, dòng
điện chảy từ nguồn cung cấp của cell 1 qua C

R
và đồng thời qua D3, L
R
, E, Q
A
và D2,
dòng cũng chảy qua C
R
của cell 2. Điện áp trên tụ C
R
nạp tuyến tính đến giá trị E, mạch
cộng hưởng được hình thành giữa L
R
, C
R
và C
R
của cell 2. Khi VC
R
=0, D1 bắt đầu dẫn.
L
R
phóng tuyến tính qua D1 và D3. D1 sẽ dẫn dòng điện có trị số là I
LR
–I
load
. Khi I
LR
=
I

load
van Q
P1
bắt đầu dẫn và dòng điện qua van là I
load
–I
LR
. Dòng trong cuộn cảm vẫn
phóng tuyến tính, khi L
LR
=0 thì van Q
P1
mang dòng tải đầy đủ. Điều này đảm bảo rằng
các van chính đóng cắt dưới điều kiện điện áp bằng không, và van phụ đóng cắt dưới
điều kiện dòng điện bằng không.
Một vấn đề với mạch này là nguồn điện áp E khó thực hiện được trong các hệ
thống thực tế. Một giải pháp đưa ra với vấn đề này là thay thế nguồn E bằng cách mắc
một tụ song song với Q
A
tuy nhiên điều kiện đóng cắt khi dòng về không của Q
A
sẽ bị
mất đi.
Tổn hao đóng cắt không bị loại trừ hoàn toàn, nhưng được giảm đi rõ rệt. Tổn hao dẫn
cũng giảm so với mạch cầu vì chỉ có 2 van dẫn dòng tải. Một bất lợi chính là số lượng
các van bán dẫn tăng cho nên ít dùng để xây dựng Matrix Converter.
Nhìn chung công nghệ đóng cắt mềm chưa được sử dụng để xây dựng Matrix Converter
bởi vì sẽ làm tăng số lượng các van bán dẫn. Matrix Converter với đóng cắt cứng đã sử
dụng nhiều van hơn các bộ biến tần thông thường, và sự tăng như vậy trong đóng cắt
mềm là không mong muốn trong việc xây dựng cấu trúc Matrix Converter.

SVTH :Trần Thị Tuyết Dung GVHD :PGS.TS.Đoàn Quang Vinh
Lớp 06CLC Trang 22
Hình 2.1 Mạch đóng cắt mềm E chung
Hình 2.3 a) Chuyển mạch cơ bản một pha x tới một pha y
b) Chuyển mạch lý tưởng c) Chuyển mạch có thời gian chết d) Chuyển mạch có trùng
dẫn
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
2.2. CHUYỂN MẠCH DÒNG ĐIỆN TRONG MATRIX CONVERTER
2.2.1. Yêu cầu của quá trình chuyển mạch
Việc chuyển mạch trong Matrix Converter phải được điều khiển chính xác ở mọi
thời điểm với hai luật cơ bản. Ta có thể hình dung ra 2 khoá trên một đầu ra của Matrix
Converter (hình 2.2). Một điều quan trọng là quá trình chuyển mạch phải đảm bảo
không có 2 khoá 2 chiều cùng được đóng ở cùng một thời điểm (hình2.2a), bởi vì điều
này sẽ dẫn đến ngắn mạch hai dây vào của Matrix Converter, sinh ra dòng điện lớn phá
huỷ biến tần. Thêm vào đó phải đảm bảo các khoá hai chiều cho mỗi pha đầu ra không
được mở cùng một lúc (hình 2.2b) bởi vì điều này sẽ làm mất đường dẫn của dòng tải
cảm kháng và sẽ gây ra quá áp rất lớn, dẫn đến sự phá hỏng các van. Hai điều này đã
gây ra những khó khăn, bởi vì các van bán dẫn không thể đóng mở ngay tức thời do sự
trễ khi truyền tín hiệu và thời gian đóng cắt hạn chế. Vấn đề này đã đươc dẫn ra, như là
một vấn đề kìm hãm khả năng phát triển thương mại của Matrix Converter.
2.2.1. Các phương pháp chuyển mạch dòng điện cơ bản
Trên (hình vẽ 2.3) là sơ đồ nguyên lý chuyển mạch của một pha đầu ra từ pha vào
x tới pha vào y
x
y
Sx
Sy
t¶i
Iout
Vx

Vy
Sx
Sy
1 0
a)
b) c) d)
dead time
overlap time
Sx(p)
Sx
Sx(n )

SVTH :Trần Thị Tuyết Dung GVHD :PGS.TS.Đoàn Quang Vinh
Lớp 06CLC Trang 23
Hình 2.2 Hai khoá trên một đầu ra Matrix Converter
a)Tránh ngắn mạch đầu vào b)Tránh hở mạch đầu ra
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Có hai phương pháp chuyển mạch đơn giản nhất, không tuân theo 2 luật trên nhưng cần
có mạch phụ bổ xung để tránh phá hỏng bộ biến tần.
a. Chuyển mạch dòng điện có thời gian chết (dead time)
Thực hiện ngắt khoá sẽ ngắt, trong khi khoá sẽ dẫn chưa được đóng lại (hình 2.3c),
nhằm tránh xảy ra ngắn mạch đầu vào. Như vậy có thể gây quá áp ở đầu ra, bởi vì
không có van nào dẫn trong thời gian chết nên sẽ xảy ra hở mạch tạm thời của tải. Vì
vậy phải có một mạch clamp hoặc mạch snubber bảo vệ đấu song song với một cell
chuyển mạch hoặc đấu với đầu ra để đảm bảo sự liên tục của dòng tải. Phương pháp này
không tốt vì năng lượng thất thoát trong mỗi lần chuyển mạch lớn, việc thiết kế thêm
mạch snubber trở lên phức tạp, mạch clamp cũng cần một tụ lớn đồng thời làm tăng số
lượng các van bán dẫn có trong cấu trúc Matrix Converter như vậy sẽ làm giảm ưu thế
của Matrix Converter, khi được coi như là một giải pháp “all silicon” cho các bộ biến
tần.

b. Chuyển mạch dòng điện có trùng dẫn (over lap)
Thực hiện đóng khoá sẽ dẫn trong khi khoá sẽ ngắt còn đang dẫn (hình 2.3d). Điều
này sẽ đảm bảo sự liên tục đối với mạch đầu ra, loại trừ khả năng quá áp xảy ra, nhưng
sẽ gây ngắn mạch tạm thời làm phát sinh dòng điện vòng ngắn mạch tuần hoàn giữa các
pha vào tham gia quá trình chuyển mạch, dòng điện này có thể rất lớn dẫn đến phá huỷ
các van. Hạn chế dòng điện này bằng cách thêm một cuộn cảm phụ phía đầu vào, với
mục đích làm chậm sự tăng nhanh của dòng điện này dưới mức có thể phá huỷ van, để
quá trình chuyển mạch được an toàn. Tuy nhiên phương pháp này cũng không tối ưu vì
cuộn kháng L ở đầu vào có kích thước rất lớn và đắt.
2.2.2. Phương pháp chuyển mạch semi-soft
Cả hai phương pháp chuyển mạch cơ bản trên đều cần có các thành phần phản
kháng thêm vào để bảo vệ Matrix Converter, như vậy sẽ dẫn đến tổn hao lớn. Do tính
chất của khoá 2 chiều sử dụng 2 van một chiều mắc song song ngược có thể điều khiển
độc lập chiều dòng điện, do đó một chiến lược chuyển mạch mới gồm 2 bước hoặc 4
bước đã được đề xuất. Dựa vào việc xác định dấu của dòng điện ra, hoặc dấu của điện
áp dây vào có các pha tham gia quá trình chuyển mạch. Đầu tiên là ngắt khoá đang dẫn
(mà sẽ không dẫn) sẽ làm mất đường dòng điện vòng tuần hoàn như vậy tránh ngắn
mạch đầu vào, sau đó thực hiện chuyển mạch có trùng dẫn. Như vậy sẽ không cần thêm
vào bộ lọc đầu vào và đạt được chuyển mạch bán mềm (semi-soft). Phương pháp này
cũng thể hiện lại đặc điểm của khoá 4 góc phần tư là dòng tải có thể đi theo các hướng.
a. Chiến lược 4 bước chuyển mạch (hình 2.3):
Bước 1 : Ngắt van không dẫn trong khoá sẽ ngắt. Lúc này chiều dòng điện không thể
đổi dấu nên có thể xác định được van này.
Bước 2: Mở van dẫn (theo chiều dòng tải) trong khoá sẽ dẫn. Bây giờ có nối giữa các
pha vào nhưng không gây ngắn mạch đầu vào vì không có dòng điện vòng đồng thời
tạo ra đường dẫn cho dòng điện tải.
Bước 3 : Ngắt van dẫn của khoá sẽ ngắt.Dòng tải bây giờ cưỡng bức phải chảy qua van
dẫn của khoá sẽ dẫn.
SVTH :Trần Thị Tuyết Dung GVHD :PGS.TS.Đoàn Quang Vinh
Lớp 06CLC Trang 24

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Bước 4 : Mở van không dẫn của khoá sẽ dẫn để thiết lập lại đặc điểm 4 góc phần tư của
khoá 2 chiều, vì vậy dòng tải có thể đổi dấu.
Trong khi bước 1 và 4 là phụ thì bước 2 và 3 là chính. Chính vì thế khoảng thời gian
trong các bước 2 và 3 phải phù hợp với đặc điểm mở (thời gian mở) của các van IGBT
trong khoá 2 chiều.
Hình 2.4 Biểu đồ trạng thái của chiến lược chuyển mạch 4 bước
Quá trình chuyển mạch này có đồ thị thời gian trong( hình 2.5), trễ giữa mỗi lần đóng
cắt t
d
là phụ thuộc vào đặc điểm của van IGBT.
SVTH :Trần Thị Tuyết Dung GVHD :PGS.TS.Đoàn Quang Vinh
Lớp 06CLC Trang 25
11 - 00
10 - 00
10 - 10
00 - 10
00 - 11
01 - 00
01 - 01
00 - 01
I
out > 0
Sx -Sy
Sx(p)Sx(n) - Sy(p)Sy(n)
1 = on
0 = 0ff
I
out < 0
Hình 2.5 Đồ thị thời gian của chuyển mạch 4 bước