Xây dựng hệ truyền động biến tần ma trận động cơ không đồng bộ điều khiển trực tiếp momen

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
KHOA ĐIỆN
BỘ MÔN TỰ ĐỘNG HOÁ CÔNG NGHIỆP
====o0o====

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
ĐỀ TÀI:
XÂY DỰNG HỆ TRUYỀN ĐỘNG BIẾN TẦN MA TRẬN - ĐỘNG
CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ ĐIỀU KHIỂN TRỰC TIẾP MOMEN

Trưởng bộ môn

: Ts. Trần Trọng Minh

Giáo viên hướng dẫn

: Ths. Vũ Thụy Nguyên

Sinh viên thực hiện

: Nguyễn Trung Hiếu

Lớp

: TĐH3 - K55

MSSV

: 20102653

Hà Nội, 6 - 2015

Đại Học Bách Khoa
nghiệp

Bộ môn Tự động hóa công

LỜI CAM ĐOAN

Em xin cam đoan bản đồ án tốt nghiệp: Xây dựng hệ truyền động
biến tần ma trận - động cơ không đồng bộ điều khiển trực tiếp momen do
em tự thiết kế dưới sự hướng dẫn của thầy giáo ThS. Vũ Thụy Nguyên. Các số
liệu và kết quả là hoàn toàn đúng với thực tế.
Để hoàn thành đồ án này em chỉ sử dụng những tài liệu được ghi trong
danh mục tài liệu tham khảo và không sao chép hay sử dụng bất kỳ tài liệu nào
khác. Nếu phát hiện có sự sao chép em xin chịu hoàn toàn trách nhiệm.
Hà Nội, ngày tháng năm 2015
Sinh viên thực hiện

Nguyễn Trung Hiếu

2


Đại Học Bách Khoa
nghiệp

Bộ môn Tự động hóa công

MỤC LỤC

Chương 1.
1.1.

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

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

1.1.1

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

1.1.2

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

1.1.3

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

1.1.4

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

1.1.5

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

1.2.

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

1.2.1

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

1.2.2

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

Chương 2.

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

2.1.

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

2.2.

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

2.2.1

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

2.2.2

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

2.2.3

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

2.2.4

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

2.3.

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

Chương 3. HỆ TRUYỀN ĐỘNG BIẾN TẦN MA TRẬN – ĐỘNG CƠ
KHÔNG ĐỒNG BỘ SỬ ĐIỀU KHIỂN TRỰC TIẾP MOMEN ...................... 38
3.1.

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

3.2.

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

3


Đại Học Bách Khoa
nghiệp

Bộ môn Tự động hóa công

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

Hình 1.2 Điện áp đầu VSI (a) – Điện áp đầu ra MCs (b) ................................ 10
Hình 1.3 – Dòng điện đầu vào phân tích phổ Furier........................................ 10
Hình 1.4 Điện áp và dòng điện đầu vào ........................................................... 11
Hình 1.5 Cấu hình cơ bản của biến tần ma trận khi đóng lưới ........................ 12
Hình 1.6 – Sơ đồ IGBT lắp E chung (a) – C chung (b) ................................... 12
Hình 1.7 Sơ đồ mạch lưc sử dụng cấu hình E chung (a) – C chung (b) .......... 13
Hình 1.8 Mạch lọc LC...................................................................................... 14
Hình 1.9 Mạch clamp ....................................................................................... 15
Hình 1.10 Mạch điện tương đương pha a,b ..................................................... 16
Hình 1.11 Sơ đồ mô tả quá trình chuyển mạch ................................................ 17
Hình 1.12 Đồ thị tín hiệu điều khiển chuyển mạch ......................................... 18
Hình 2.1 Cấu hình cơ bản của biến tần ma trận ............................................... 21
Hình 2.2 Sơ đồ cấu trúc của MC ...................................................................... 23
Hình 2.3 Các tổ hợp van trong matrix converter ............................................. 25
Hình 2.4 Vector không gian điện áp đầu ra (a) và dòng điện đầu vào (b), ứng
với các tổ hợp van abb, bcc, caa. ..................................................................... 27
Hình 2.5 Vector không gian điện áp ra (a) và vector không gian dòng điện vào
(b) ..................................................................................................................... 29
Hình 2.6 Mô hình mô phỏng MCs theo phương pháp SVM ........................... 36
Hình 2.7 Mô hình thuật toán SVM trên MATLAB/SIMULINK .................... 36
Hình 2.10 Điện áp đầu vào và dòng điện đầu vào ........................................... 37
Hình 2.11 Điện áp đầu vào và dòng điện đầu vào khi sử dụng mạch lọc ........ 37
Hình 2.12 Điện áp đầu ra và dòng điện đầu ra................................................. 37
Hình 2.13 Điện áp đầu ra và dòng điện đầu ra khi sử dụng mạch lọc ............. 37
Hình 3.1 - Điều khiển mômen bằng cách quay từ thông stato ......................... 39
Hình 3.2 Phương pháp DTC truyền thống với biến tần nguồn áp ................... 40
Hình 3.3 Vector điện áp ra trong biến tần nguồn áp và biến thiên từ thông
stator tương ứng ............................................................................................... 41
Hình 3.4 Sơ đồ cấu trúc hệ MC - DTC ............................................................ 42
Hình 3.5 - Đồ thị vector từ thông stato ψS (a) và vector dòng điện đầu vào Ii

(b) ..................................................................................................................... 43
Hình 3.6 - Đồng bộ điện áp .............................................................................. 45

4


Đại Học Bách Khoa
nghiệp

Bộ môn Tự động hóa công

5


Đại Học Bách Khoa
nghiệp

Chương 1.

Bộ môn Tự động hóa công

TỔNG QUAN VỀ BIẾN TẦN MA

TRẬN

6


Đại Học Bách Khoa
nghiệp

Bộ môn Tự động hóa công

1.1. Giới thiệu biến tần kiểu ma trận
1.1.1 Tổng quan về biến tần
Biến tần là một tập hợp các bộ biến đổi bán dẫn công suất có nhiệm vụ biến
đổi nguồn điện từ lưới điện, với tần số và điện áp không đổi thành nguồn điện
có tần số và điện áp thay đổi được, cung cấp cho các phụ tải xoay chiều.
Các bộ biến tần công nghiệp hiện nay chủ yếu gồm hai loại: biến tần gián
tiếp và biến tần trực tiếp. Biến tần gián tiếp được xây dựng cơ bản dựa trên
cấu trúc biến tần có khâu trung gian một chiều, nghịch lưu, trong đó điện áp
xoay chiều từ lưới điện được chỉnh lưu, trở thành nguồn áp nhờ khâu trung
gian một chiều dùng tụ điện, sau đó được nghịch lưu biến đổi thành nguồn
điện áp xoay chiều cung cấp cho phụ tải. Cấu trúc này có ưu điểm cơ bản là
làm cho chỉnh lưu và nghịch lưu hoạt động tương đối độc lập với nhau, do đó
các phương pháp biến điệu có thể được áp dụng rất đơn giản. Tuy nhiên nhược
điểm của cấu trúc này là tổn hao công suất lớn, kích thước bộ biến đổi lớn, độ
tin cậy không cao.
Biến tần trực tiếp là bộ biến đổi AC-AC, với sơ đồ van nối trực tiếp phụ tải
luân phiên vào các pha của điện áp xoay chiều đầu vào, do đó giảm được tổn
hao công suất trên các van. Mỗi pha của biến tần trực tiếp cấu tạo từ một sơ đồ
chỉnh lưu có đảo chiều, vì vậy có khả năng trao đổi công suất với lưới theo cả
hai chiều. Tuy nhiên biến tần trực tiếp thửa hưởng các nhược điểm của sơ đồ
chỉnh lưu như dòng đầu vào không sin, hệ số công suất thấp.
Các nhược điểm của các biến tần trên dẫn đến nhu cầu nghiên cứu các bộ
biến đổi mới với yêu cầu: điện áp ra và dòng đầu vào hình sin, hiệu suất biến
đổi cao, hệ số công suất cao, có khả năng trao đổi năng lượng với lưới theo hai
chiều, nhỏ gọn tin cậy. Biến tần ma trận có thể đáp ứng được các yêu cầu này.
1.1.2 Giới thiệu biến tần kiểu ma trận
Biến tần ma trận là bộ biến đổi tần số trực tiếp AC/AC sử dụng các van bán

dẫn hai chiều. Tên gọi ma trận xuất phát từ kết cấu mạch lực có dạng ma trận
3x3 van bán dẫn hai chiều, đồng thời mỗi điện áp đầu ra được tổng hợp từ ba
điện áp đầu vào.
7


Đại Học Bách Khoa
nghiệp

Bộ môn Tự động hóa công

1.1.2.1 Ưu điểm
Biến tần ma trận có một số đặc tính ưu việt so với các biến tần phổ biến
hiện nay như có thể tạo ra điện áp ra hình sin với biên độ và tần số thay đổi
được, dòng đầu vào hình sin, hệ số công suất bằng 1, có khả năng áp dụng cho
mọi dải công suất, từ nhỏ đến lớn. So với biến tần gián tiếp, biến tần ma trận
có ưu thế về tỷ số công suất trên khối lượng cũng như công suất trên thể tích
cao hơn. Trong biến tần ma trận phần công suất hoàn toàn dùng các phần tử
bán dẫn, nhiệt độ chịu đựng cao hơn, có thể lên đến 60o, độ tin cậy cao, tuổi
thọ cao, kích thước giảm nhỏ hơn một cách đáng kể. Khả năng làm việc được
ở cả bốn góc phần tư mà không cần thêm vào phần tử phụ nào cùng với kích
thước nhỏ gọn đưa đến khả năng tích hợp bộ biến tần với động cơ, tạo nên một
hệ thống truyền động thống nhất.
1.1.2.2 Khả năng ứng dụng
Biến tần ma trận có thể ứng dụng trong một số lĩnh vực như sau:
- Trong lĩnh vực truyền động, biến tần ma trận sẽ phát huy được các ưu
điểm là gọn nhẹ, làm việc được cả 4 góc phần tư.
- Biến tần ma trận có tiềm năng ứng dụng trong lĩnh vực truyền tải điện như
một bộ biến đổi giữa hai lưới điện có tần số tiêu chuẩn khác nhau.
- Biến tần ma trận có thể ứng dụng trong các bộ lọc tích cực nối trực tiếp

với lưới điện. Với dòng đầu vào và đầu ra đều hình sin và hệ số công suất thay
đổi được, các bộ tụ lọc tĩnh sẽ được điều khiển trong một chế độ tối ưu nhất.
- Biến tần ma trận có thể là bộ biến đổi đầu ra, có nhiệm vụ ổn định điện áp
và tần số cho các hệ máy phát phân tán turbine khí hoặc turbine gió. Khi đó
máy phát có thể phát điện áp tần số cao và thay đổi, nhờ đó kích thước máy
phát được giảm nhỏ và yêu cầu về điều tốc không còn khắt khe nữa.
1.1.3 Mô hình biến tần kiểu ma trận
Biến tần ma trận gồm có chín khóa hai chiều cho phép pha đầu ra nào
cũng có thể nối trực tiếp với pha đầu vào. Hình 1.1 là mô hình cơ bản của
MCs:

8


Đại Học Bách Khoa
nghiệp

Bộ môn Tự động hóa công

Hình 1.1 Mô hình MC cơ bản
Sử dụng chín khóa hai chiều, theo lý thuyết biến tần ma trận có thể tạo
ra 29 = 512 tổ hợp các trạng thái của các khóa, tuy nhiên không phải tất cả các
trạng thái đo đều được sử dụng. Tùy theo phương pháp điều khiển được sử
dụng, tổ hợp trạng thái các khóa được lựa chọn tương ứng dựa trên hai nguyên
tắc cơ bản: không ngắn mạch pha và không hở mạch tải. Đứng trên góc độ
thực tiễn, thường chỉ sử dụng 27 trạng thái tổ hợp van (sẽ được trình bày kỹ
hơn ở phần sau).
1.1.4 Hoạt động của biến tần ma trận
1.1.4.1 Điện áp đầu ra
Biến tần ma trận không sử dụng khâu dự trữ năng lượng trung gian,

điện áp đầu ra được tạo ra trực tiếp từ điện áp đầu vào. Điện áp đầu ra được
tổng hợp từ chuỗi các lần trích mẫu điện áp đầu vào. Tần số trích mẫu để tổng
hợp cần phải lớn hơn rất nhiều tần số của cả đầu vào và đầu ra.
Hình 1.2 so sánh dạng điện áp đầu ra giữa biến tần VSI truyền thống và
biến tần ma trận. Điện áp đầu ra của VSI là sự lựa chọn giữa hai giá trị cố định
là +Udc hoặc –Udc, trong khi đó đầu ra của biến tần ma trận có thể chọn giữa
các điện áp đầu vào a, b, c và giá trị đầu vào đó thay đổi theo thời gian, chính
đặc điểm này làm giảm sóng hài chuyển mạch.
9


Đại Học Bách Khoa
nghiệp

(a)

Bộ môn Tự động hóa công

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

1.1.4.2 Dòng điện đầu vào
Tương tự như điện áp đầu ra, dòng điện đầu vào cũng được tạo trực tiếp
từ dòng điện đầu ra bằng cách tổng hợp chuỗi các lần trích mẫu dòng điện đầu
ra. Dòng điện đầu vào của biến tần ma trận có dạng sin. Phân tích phổ sóng
hài cho thấy chỉ tồn tại thành phần sóng hài cơ bản mong muốn và thành phần
sóng hài ở tần số chuyển mạch.
Hình 1.3 dòng điện đầu vào của biến tần ma trận với tần số chuyển
mạch là 2kHz. Ta thấy biên độ của thành phần sóng hài chuyển mạch lớn hơn
so với thành phần cơ bản, chính vì thế cần thiết sử dụng lọc đầu vào.

Hình 1.3 – Dòng điện đầu vào phân tích phổ Furier

10


Đại Học Bách Khoa
nghiệp

Bộ môn Tự động hóa công

1.1.4.3 Hệ số công suất đầu vào
Hệ số công suất đầu vào có thể điều khiển được là một đặc điểm rất nổi
bật của biến tần ma trận, việc điều khiển hệ số công suất đầu vào hoàn toàn
riêng biệt không phụ thuộc vào tải.
Hình 1.4 biểu diễn điện áp
đầu vào, dòng điện tức thời
và giá trị trung bình ở tần
số chuyển mạch 2kHz. Góc
lệch pha giữa dòng điện đầu
vào và điện áp đầu vào gần
như bằng không, hệ số công
suất cos  xấp xỉ bằng 1.

Hình 1.4 Điện áp và dòng điện đầu vào
1.1.5 Các phần tử cơ bản của MCs
Cấu hình cơ bản của biến tần ma trận gồm có 9 khóa hai chiều (bidirection switch BDS) nối các pha đầu ra A, B, C với các pha điện áp đầu vào
a, b, c theo quy tắc nhất định để tạo ra điện áp đầu ra. Bộ lọc LC làm cho dòng
đầu vào trở nên liên tục và gần với dạng sin. Mach Clamp có tác dụng bảo vệ
quá điện áp, MCs không sử dụng các phần tử phản kháng như tụ điện, điện

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

11


Đại Học Bách Khoa
nghiệp

Bộ môn Tự động hóa công

Hình 1.5 Cấu hình cơ bản của biến tần ma trận khi đóng lưới
1.1.5.1 Khóa đóng cắt dẫn hai chiều (BDS)
MCs sử dụng các khóa đóng cắt dẫn hai chiều có khả năng dẫn dòng
điện theo cả hai chiều tùy theo tín hiệu điều khiển, Hiện nay các nhà sản xuất
chưa đưa ra thị trường các khóa bán dẫn dẫn dòng hai chiều nên các phần tử
này phải được tạo ra từ các khóa bán dẫn thông thường. Có hai cấu hình phổ
biến cho khóa đóng cắt dẫn hai chiều, đó là: sử dụng IGBT mắc Emitter chung
nối song ngược (hình) và IGBT mắc Colector chung nối song ngược (hình).
Hai IGBT được nối cùng hai diode mắc song ngược để tăng khả năng chịu
điện áp ngược đặt lên van. Các diode này cũng phải là các diode nhanh để phù
hợp với khả năng đóng cắt nhanh của IGBT.

(a)

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

12

Đại Học Bách Khoa
nghiệp

Bộ môn Tự động hóa công

Trong các sơ đồ 3 pha vào, 3 pha ra, sơ đồ E chung cần sử dụng 9
nguồn cách ly, mỗi nguồn dùng để điều khiển hai IGBT có chung Emitter
(hình 1.7a). Sơ đồ C chung có ưu điểm hơn vì chỉ cần 6 nguồn cung cấp cách
ly để điều chỉnh 9 khóa, mỗi nguồn dùng để điều khiển 3 IGBT có Colector
chung (hình 1.7b). Sơ đồ lắp C chung có nhược điểm là điện áp điều khiển
khác nhau với từng IGBT trên một khóa hai chiều và các van có sự ảnh hưởng
lẫn nhau nên ít dùng với các thiết bị có công suất lớn.

(a)

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

1.1.5.2 Bộ lọc LC đầu vào
Dòng đầu vào bao gồm những xung dòng được tổng hợp từ dòng điện
đầu ra, chính sự tổng hợp những đoạn của ba dòng đầu ra gồm thành phần
sóng hài cơ bản ở tần số lưới và các thành phần sống hài bậc cao, là bội số của
tần số lấy mẫu. Bộ lọc đầu vào cần thiết để làm dòng điện đầu vào liên tục và
gần với hình dạng sin.
Nói chung khi thiết kế bộ lọc LC đầu vào cần đảm bảo các yêu cầu sau:
13


Đại Học Bách Khoa
nghiệp

Bộ môn Tự động hóa công

 Tạo ra mạch lọc thông thấp với tần số nhỏ hơn tần số đóng cắt.
 Tăng tối đa hệ số công suất đầu vào.
 Tối thiểu hoá kích thước, trọng lượng của các phần tử L, C với công
suất phản kháng yêu cầu.
 Đảm bảo tính bền vững của cả hệ thống.
Một số cấu hình mạch lọc LC đầu vào đề xuất sử dụng cho biến tần ma trận:

Hình 1.8 Mạch lọc LC
Điện trở R được đưa vào lúc khởi động có giá trị lớn hơn điện trở tới hạn
RTH  2

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

mạch lọc gây ra. Các tham số LC được chọn theo sự thỏa hiệp giữa kích thước
của bộ lọc, hệ số công suất cos tối đa đầu vào, sụt áp trên điện cảm L để
đảm bảo hệ số truyền áp và độ bền vững của hệ thống.
1.1.5.3 Mạch Clamp
Để bảo vệ Matrix Converter khỏi các sự cố quá áp, ta có thể sử dụng mạch
clamp để tạo ra đường giải phóng năng lượng (free wheeling) cho tải và hạn
chế áp đầu vào. Mạch clamp gồm hai cầu chỉnh lưu diode nối với một tụ một
chiều Cclamp như hình 1.9.

14

Đại Học Bách Khoa
nghiệp

Bộ môn Tự động hóa công

Với cầu chỉnh
lưu CL1 mắc ở phía
đầu vào và cầu
chỉnh lưu CL2 mắc
ở phía tải, mạch
clamp có thể thực
hiện hai chức năng
bảo vệ sau :

Hình 1.9 Mạch clamp

Bảo vệ Matrix Converter khỏi hiện tượng quá áp gây ra do nhiễu điện áp
lưới.
Bảo vệ Matrix Converter khỏi hiện tượng quá áp gây ra do cắt tải đột ngột
trong trường hợp xảy ra sự cố
Ở trạng thái bình thường, mạch clamp có thể sử dụng để cung cấp một
phần năng lượng cho mạch điều khiển (sử dụng một phần năng lượng tích luỹ
trên tải).
Khi có sự cố xảy ra, mạch clamp sẽ thực hiện chức năng bảo vệ bằng cách
nạp năng lượng dư thừa cho tụ Cclamp. Cụ thể là :
Với trường hợp quá áp đầu vào, tụ Cclamp sẽ được nạp thông qua cầu diode
CL1. Nhờ vậy, điện áp đầu vào không bị tăng vọt.
Còn trường hợp cắt tải đột ngột ra khỏi lưới, nếu tải có tính cảm kháng lớn
thì sức điện động trên các van rất lớn có thể phá huỷ biến tần. Nhờ có mạch
clamp, năng lượng tích luỹ trên tải được giải phóng.

1.2. Quá trình chuyển mạch trong MC
1.2.1 Quy tắc thực hiện quá trình chuyển mạch
Để minh họa vấn đề khi chuyển mạch ta xét mạch điện thay thế sau:

15


Đại Học Bách Khoa
nghiệp

Bộ môn Tự động hóa công

Hình 1.10 Mạch điện tương đương pha a,b
Ban đầu khóa S11 đang ở trạng thái đóng và dẫn dòng iA. Khi chuyển mạch
tức là S11 mở ra, S21 khóa lại, nếu S11 mở ra truớc tác dụng của điện cảm LL
sẽ tạo ra một quá điện áp cả ứng:
U L

dI
dt

(1.1)

do dt rất nhỏ nên U rất lớn, điện áp ngược này có thể sẽ đánh thủng các van
bán dẫn. Nếu S21 đóng vào trước sẽ tạo ra một dòng ngắn mạch nguồn theo
đường N1 -L N1 -S11-S21-L N2 -N 2 , dòng ngắn mạch chỉ được giới hạn bởi trở
kháng của L N1 và L N2 .
Theo lý thuyết để quá trình chuyển mạch diễn ra mà không xảy ra hiện
tượng gián đoạn dòng tải hay ngắn mạch cần thiết phải chuyển mạch một cách
đồng thời nhưng không bao giờ đạt được như vậy vì luôn có thời gian trễ của

mạch driver và các van bán dẫn.
Trong sơ đồ mạch MC không có hệ thống diode ngược như biến tần VSI
nên chuyển mạch giữa các van phức tạp và khó khăn hơn. Quá trình chuyển
mạch trong MC phải tuân thủ hai nguyên tắc sau:
 Không được ngắn mạch phía lưới, nhằm đảm bảo không xảy ra hiện
tượng dòng điện lớn phá hủy van.
 Không được hở mạch phía tải, nhằm đảm bảo không xảy ra hiện
tượng quá điện áp đánh thủng các van bán dẫn.

16


Đại Học Bách Khoa
nghiệp

Bộ môn Tự động hóa công

1.2.2 Phương pháp chuyển mạch bốn bước (Four steps comutation)
Rất nhiều phương pháp chuyển mạch đã được nghiên cứu, trong số đó
phương pháp phổ biến nhất là “chuyển mạch bốn bước”, yêu cầu biết thông
tin về chiều dòng điện đầu ra. Các bước chuyển mạch được phân tích dưới sơ
đồ sau khi thực hiện tác vụ chuyển mạch từ khóa dẫn pha a sang khóa dẫn pha
b.

Hình 1.11 Sơ đồ mô tả quá trình chuyển mạch
Giả sử pha A đang dẫn, cả 2 van SA1 và SA2 đều đang thông để đảm bảo
khả năng dẫn theo cả hai chiều. Giả sử dòng điện đang có chiều như hình vẽ.
Quá trình chuyển mạch sang pha B sẽ diễn ra theo 4 bước như sau:
- Bước 1: Khóa van SA2 để tránh đường ngắn mạch từ pha B sang pha A
- Bước 2: Mở van SB1. Do các điôt DA1 và DB1 nên đầu vào không bị

ngắn mạch.
- Bước 3: Khóa van SA1, lúc này SB1 đã mở, do đó tránh được hiện tượng
hở mạch tải.
Dòng tải sẽ chuyển từ pha A sang pha B (van SA1 sang SB1) tại bước 2 nếu
uB>uA hoặc ở bước 3 nếu uB- Bước 4: Mở van SB2 để đảm bảo tính chất dẫn 2 chiều của pha B.
Quá trình chuyển mạch bốn bước kết thúc.

17


Đại Học Bách Khoa
nghiệp

Bộ môn Tự động hóa công

Đồ thị quá trình chuyển mạch như sau:

Hình 1.12 Đồ thị tín hiệu điều khiển chuyển mạch
Thời gian td tương đương với thời gian khóa của một IGBT cỡ 1÷2 µs.

18


Đại Học Bách Khoa
nghiệp

Chương 2.

Bộ môn Tự động hóa công

VẤN ĐỀ ĐIỀU KHIỂN BIẾN TẦN

MA TRẬN

19


Đại Học Bách Khoa
nghiệp

Bộ môn Tự động hóa công

Về thực chất MC là một dạng biến tần trực tiếp nhưng sử dụng các van
bán dẫn hai chiều, do đó với quy luật biến điệu thích hợp có thể tạo ra điện áp
ra và dòng đầu vào đều có dạng sin với hệ số công suất có thể điều chỉnh
được. Trong sơ đồ, MC sử dụng 3x3 khóa bán dẫn hai chiều để nối luân phiên
tải vào các pha của điện áp đầu vào. Do bản chất không có khâu trung gian
một chiều nên quy luật điều khiển, quy luật biến điệu cho MC rất phức tạp. Về
quy luật biến điệu có hai phương pháp chính:
 Phương pháp trực tiếp, lần đầu tiên được đưa ra bởi Alesin A. và
Venturini M.G (1980), giải mô hình toán học ma trận chuyển cho
quá trình biến điệu, từ đó tìm ra được ma trận hệ số biến điệu.
Phương pháp này đòi hỏi tính toán phức tạp, chiếm nhiều thời gian
của bộ sử lý tín hiệu.
 Phương pháp thứ hai áp dụng kỹ thuật biến điệu vector không gian
mà nội dung cơ bản là trong các vector chuẩn, ứng với các các tổ
hợp van được nối mạch nhất định, chọn các vector phù hợp thỏa
mãn các quy luật biến điệu cho cả điện áp đầu ra lẫn dòng điện đầu
vào. Kỹ thuật biến điệu vector không gian (Space Vector

Modulation-SVM) cho phép giải thích về lý thuyết hệ số biến điệu
(xác định tỷ số giữa điện áp đầu ra với điện áp đầu vào), tạo ra dạng
sóng hình sin của dòng đầu vào với hệ số công suất (cosφ) điều
chỉnh được.
Kỹ thuật biến điệu vector không gian có hai hướng thực hiện chính. Thứ
nhất, người ta có thể sử dụng phương pháp đã áp dụng rộng rãi cho biến tần có
khâu trung gian một chiều, trong đó quá trình biến điệu tiến hành độc lập cho
khâu chỉnh lưu, rồi cho khâu nghịch lưu, sau đó kết hợp cả hai quá trình đó lại
để ra kết quả chung cho MC. Phương pháp này gọi là biến điệu vector không
gian gián tiếp (Indirect Space Vector Modulation-ISVM). Tuy nhiên kỹ thuật
biến điệu cho MC có thể được tiến hành trực tiếp trên cơ sở phân tích các tổ
hợp đóng cắt của 9 van hai chiều (SVM). Phương pháp này cho phép đưa ra
20


Đại Học Bách Khoa
nghiệp

Bộ môn Tự động hóa công

được các quy luật biến điệu khác nhau và tính tới các yếu tố ảnh hưởng từ lưới
điện như nhiễu trên đường dây do có thành phần thứ tự không hoặc thứ tự
ngược trong hệ thống điện áp ba pha.
2.1. Mô hình toán học của biến tần ma trận
Cấu hình cơ bản của biến tần ma trận ba pha đầu vào – ba pha đầu ra như
sau:

Hình 2.1 Cấu hình cơ bản của biến tần ma trận
Mô hình biến tần ma trận gồm có 9 khóa SAa …SCc là 9 khóa hai
chiều BDS. Mỗi khóa có thể nối hoặc không nối với pha i phía nguồn và

pha j phía tải, lựa chọn các trạng thái khóa đóng mở sẽ thay đổi tùy ý điện
áp đầu ra của biến tần. Trạng thái đóng, mở của các khóa được định nghĩa
như sau:

0
Sij (t )  

1

Sij mo 


Sij dong 


Như đã phân tích, để không xảy ra hiện tượng quá dòng và quá áp, các
tổ hợp khóa cần thỏa mãn điều kiện:
-

Không ngắn mạch phía lưới.

-

Không hở mạch phía tải.
21


Đại Học Bách Khoa
nghiệp

Bộ môn Tự động hóa công

Như vậy ít nhất một khóa trên một cột phải đóng, đồng thời một và chỉ một
khóa trên một cột đóng tại một thời điểm. Các điều kiện đó tương đương
với:



i  A, B ,C

Sij (t )  1; j  a, b, c t

- Vector điện áp vào và điện áp ra:

U A (t ) 
U o  U B (t ) 
U C (t ) 

;

U a (t ) 
U i  U b (t ) 
U c (t ) 

Mỗi điện áp ra là tổng hợp của ba điện áp vào
U A (t )   SaA (t ) SbA (t ) ScA (t )  U a (t ) 
U (t )    S (t ) S (t ) S (t )  U (t ) 
bB
cB
 B   aB

 b 
U C (t )   SaC (t ) SbC (t ) ScC (t )  U c (t ) 

Hay

Uo = S.Ui
Trong đó S là ma trận truyền tức thời.
- Vector dòng điện vào và dòng điện ra

 I a (t ) 
 I A (t ) 


I o   I B (t ) 
I i   I b (t ) 
;
 I c (t ) 
 I C (t ) 
Mỗi dòng điện vào là tổng hợp của ba dòng điện ra
 I a (t )   S aA (t ) S aB (t ) SaC (t )   I A (t ) 
 I (t )    S (t ) S (t ) S (t )   I (t ) 
bB
bC
 b   bA
 B 
 I c (t )   ScA (t ) ScB (t ) S cC (t )   I C (t ) 
Hay

Ii = ST.Io

Với ST là ma trận chuyển vị của S.
Từ các biểu thức , ta thấy có thể thay đổi biên độ và tần số của điện áp ra
bằng cách thay đổi trạng thái đóng cắt của các van.
2.2. Phương pháp vector không gian trong biến tần ma trận
Sơ đồ cấu trúc của một MC được thể hiện trên hình 2.2. Theo sơ đồ này
điện áp đầu ra được tổng hợp từ các điện áp pha đầu vào, dòng tải sẽ do tải
quyết định. Có thể thấy rằng khi đó dòng điện đầu vào lại được tổng hợp từ
22


Đại Học Bách Khoa
nghiệp

Bộ môn Tự động hóa công

dòng điện đầu ra và giá trị sẽ nhỏ nhất nếu góc lệch pha so với điện áp được
hiệu chỉnh bằng không. Mục đích của phương pháp biến điệu là tạo ra hệ
thống điện áp ba pha ở đầu ra có dạng hình sin, dòng tiêu thụ ở đầu vào cũng
có dạng sin với góc pha so với điện áp đầu vào có thể điều chỉnh được. Như
vậy lượng đặt cho sơ đồ biến điệu là điện áp đầu ra và góc pha của dòng điện
đầu vào.

S1

2.2.1 Xác định vector

S2

không gian

A

i

B

i

C

i

A

S3

Như đã biết trong lý

ua

L

ia

S4

thuyết phép biến đổi vector

ub

L

ib

S5

không gian, một hệ thống

uc

L

ic

S6

điện áp ba pha đầu ra có thể

C

được biểu diễn qua một

C
C

vector quay quanh gốc hệ

B

S7

S8

C

S9

tọa độ trong hệ tọa độ vuông

Hình 2.2 Sơ đồ cấu trúc của MC

góc 0αβ như sau:

2
uo  (u AB  e 2 j /3uBC  e 4 j /3uCA ) (2.1)
3

Nếu hệ thống điện áp ra mong muốn là ba pha đối xứng thì có thể biểu diễn
chúng như sau:


u AB  U o cos( ot  )
6
2
)
6 3
 2
 U o cos( ot  
)
6 3

uBC  U o cos( ot 
uCA





(2.2)

Uo, ωo: giá trị biên độ và tần số góc của điện áp ra mong muốn. Giá trị
thể hiện độ lệch pha giữa điện áp dây và điện áp pha.
Vector quay cũng có thể biểu diễn như sau:
23


6


Đại Học Bách Khoa
nghiệp
j ( 0t )

u o  u(t )e

Bộ môn Tự động hóa công

j



 U oe 6 e j ( 0t )

(2.3)

Vậy vector u o là một vector có độ dài không đổi bằng Uo, quay quanh
gốc tọa độ với tốc độ góc bằng ωo.
Tương tự điện áp, dòng điện đầu vào có thể được biểu diễn như sau:
io 

2
 iA  e j 2 / 3iB  e j 4 / 3iC   io (t )e j ( ot )  I oe j ( ot )
3

(2.4)

ei 

2
ua  e j 2 / 3ub  e j 4 / 3uc   ei (t )e j ( i t )  Ei e j ( it )

3

(2.5)

ii 

2
 ia  e j 2 / 3ib  e j 4 / 3ic   ii (t )e j (it )  I ie j ( it )
3

(2.6)

Các quy luật điều biến sẽ thuận tiện hơn nếu sử dụng vector điện áp dây
đầu vào:
ui 



j ( i t  )
j ( i t  )
2
j 2 / 3
j 4 / 3
6
6
u

e
u

e
u

u
(
t
)
e

U

e

ab
bc
ca 
i
i
3

(2.7)

Rõ ràng là:
u i  3ei e

a
b
c

ia

abb

(2.8)

6

b
c

ia

b

ic

c

ia

a
b
c

ia

bba
a
b

ic

c
iA iB iC
A B C

ia=iC; ib=-ia; ic=0

ia

a

b
c

ia

a
b

ic

c
iA iB iC
A B C

ia=0; ib=iC; ic=-ib

c

ia

ia

b
c
iA iB iC
A B C

ia=-ic; ib=0; ic=iC

ia

b
c

b
c
iA iB iC
A B C

ia=-iC; ib=-ia; ic=0

24

ic

c

ia

iA iB iC
A B C

ia=-ic; ib=0; ic=-iA

bcb
a

ib

b

ic

c

ia=0; ib=-iB; ic=-ib
a

ic

b

ic

ia

ia
ic

ia=-ic; ib=0; ic=-iB
a
b

ic

c
iA iB iC
A B C

ia=0; ib=-iC; ic=-ib

cac

ib

iA iB iC
A B C

bbc

ib

acc

ib

iA iB iC
A B C

aab

ib

ia

a

ia=0; ib=-iA; ic=-ib
a

ic

cbb

ib

iA iB iC
A B C

aba

ib

ia=-iB; ib=-ia; ic=0
a

ic

c

ia

iA iB iC
A B C

aac

ib

b

ic

iA iB iC
A B C

ccb

ib

b

ia=-ic; ib=0; ic=iB

a

ia=-iA; ib=-ia; ic=0
a

ic

baa

ib

iA iB iC
A B C

aca

ib

iA iB iC
A B C

ib

c

ia=-ic; ib=0; ic=iA

ic

ia=0; ib=iB; ic=-ib

b

ia

iA iB iC
A B C

ib

iA iB iC
A B C

ia=iB; ib=-ia; ic=0

cbc

a

ic

ia=0; ib=iA; ic=-ib
a

ib

b

iA iB iC
A B C

bab

caa

ib

c

iA iB iC
A B C

a

ia

a

ic

c

ia=iA; ib=-ia; ic=0

bcc

ib

b

ic



ia

a

ib

j

ia

cca

ib
ic
iA iB iC
A B C

ia=-ic; ib=0; ic=-iC


Đại Học Bách Khoa
nghiệp

Bộ môn Tự động hóa công

Các vector cố định

a
b
c

ia

aaa

ia

a

ib

b

ic

b
c

ia

abc

b

ic

ia

ib

bca
a

b

b

ic

c

c

iA iB iC
A B C

iA iB iC
A B C

Các vector không

ic

c

ib

ccc

ib

iA iB iC
A B C

iA iB iC
A B C

a

ic

ia

a

c
iA iB iC
A B C

a

bbb

ib

cab

ia

a

ib

b

ic

c
iA iB iC
A B C

ia

acb

ib

a
b

ic

ia

bac
a

ib

b

ic

c

c
iA iB iC
A B C

iA iB iC
A B C

ia

cab

ib
ic
iA iB iC
A B C

Các vector quay
Hình 2.3 Các tổ hợp van trong matrix converter

Từ sơ đồ MC trên hình 2.2 ta hãy xem xét các tổ hợp trạng thái đóng
cắt của các van hai chiều. Ở một thời điểm bất kỳ các van hai chiều phải đóng
cắt tuân theo hai quy luật sau đây:
 Không nối ngắn mạch hai pha đầu vào.
 Không hở mạch bất cứ pha nào ở đầu ra. Quy định này là để tránh
hiện tượng quá điện áp sinh ra do dòng điện bị ngắt đột ngột.
Theo hai quy luật trên đây các tổ hợp van khác nhau được mô tả trên
hình 2.3. Việc hình thành các vector ứng với các trạng thái van được mô tả sau
đây qua ví dụ đối với các tổ hợp van abb, bcc, caa.
Với trạng thái van abb, bcc, caa các vector dòng điện đầu vào có thể tính
được như sau:
ii ,abb


j
2
2
2
2

  ia  aib  a ic   iA 1  a  
i Ae 6
3
3
3

25

(2.9)