Nghiên cứu thực nghiệm giải thuậtđóng cắt các khóa bán dẫn cho bộ biến tần ma trận

1
1

MỤC LỤC

DANH MỤC HÌNH ẢNH
Hình 1.1: Bộ biến tần AC/DC/AC truyền thống.
Hình 1.2: Cấu hình cơ bản cùa MC.
Hình 1.3: Các cấu cho bộ biến tần.
Hình 1.4: Cấu trúc mạch Indirect Matrix Converter.
Hình 2.1: Cấu hình cơ bản của DMC dạng trực tiếp.
Hình 2.2: Cấu hình cơ bản của IMC dạng gián tiếp.
Hình 2.3: Tỉ số điều chế bằng 50% giá trị điện áp ngõ vào.
Hình 2.4: Tỉ số điều chế bằng 87% giá trị điện áp ngõ vào.
Hình 2.5: Vector không gian điện áp ngõ ra.
Hình 2.6: Mạch lọc LC.
Hình 2.7: Bộ biến đổi ma trận trực tiếp.
Hình 2.8: Bộ biến đổi ma trận gián tiếp.
Hình 2.9: Các khoá hai chiều.
Hình 2.10: Một số cấu trúc IMC.
Hình 2.11: Hệ truyền động nhiều động cơ dùng IMC.
Hình 2.12: vector không gian của dòng điện ngõ vào.
Hình 2.13: Phân chia vùng hoạt động ở tầng chỉnh lưu theo các giá trị điện áp.


2
2
Hình 2.14: Vector không gian trạng thái ở tầng nghịch lưu.
Hình 2.15: Các trạng thái đóng cắt và vector không gian tương ứng ở tầng nghịch
lưu.
Hình 2.16: Sắp xếp trạng thái đóng ngắt của các khóa trong bộ biến đổi ma trận

gián tiếp.
Hình 3.1: Biểu diễn một mạch điện trên PSIM.
Hình 3.2: Sơ đồ khối mạch điều khiển và mạch công suất.
Hình 3.3: Sơ đồ mô phỏng khối tổng quan của IMC.
Hình 3.4: Sơ đồ mô phỏng khối nguồn.
Hình 3.5: Sơ đồ mô phỏng khối công suất.
Hình 3.6: Sơ đồ mô phỏng khối công suất.
Hình 3.7: Sơ đồ mô phỏng khối điều khiển.
Hình 3.8: Dạng xung kích của các khóa khối chỉnh lưu.
Hình 3.9: Thời điểm chuyển mạch của khối chỉnh lưu và nghịch lưu.
Hình 3.10: Ðiện áp và dòng trên nhánh DC.
Hình 3.11: Ðiện áp pha tải và dòng tải.
Hình 3.12: Ðiện áp dây và dòng tải.
Hình 3.13: Dòng điện tải ba pha.
Hình 3.14: Phân tích FFT của dòng điện tải.
Hình 3.15: Dòng điện nguồn ba pha.
Hình 3.16: Phân tích FFT của dòng điện nguồn.
Hình 3.17: Áp nguồn – dòng nguồn khi chưa qua mạch lọc cùng pha với nhau.
Hình 3.18: Điện áp dây và dòng tải.
Hình 3.19: Điện áp pha và dòng tải.
Hình 3.20: Dòng điện tải ba pha.
Hình 3.21: Phân tích FFT của dòng điện tải.
Hình 3.22: Dòng điện nguồn.
Hình 3.23: Phân tích FFT của dòng điện nguồn.
Hình 3.24: Điện áp dây và dòng tải.


3
3
Hình 3.25: Điện áp pha và dòng tải.

Hình 3.26: Dòng điện tải ba pha.
Hình 3.27: Phân tích FFT của dòng điện tải.
Hình 3.28: Dòng điện nguồn.
Hình 3.29: Phân tích FFT của dòng điện nguồn.
Hình 4.1: DPS TMS320F28335.
Hình 4.2: Ứng dụng của DSP TMS320F28335.
Hình 4.3: Sơ đồ chân DSP TMS320F28335.
Hình 4.4: Sơ đồ các module ePWM.
Hình 4.5: Các module con và các đường tín hiệu trong 1 module ePWM.
Hình 4.6: Chi tiết bên trong module ePWM.
Hình 4.7: Sơ đồ module con counter-compare.
Hình 4.8: Chi tiết của module con counter-compare.
Hình 4.9: Tạo sóng ở chế độ đếm lên.
Hình 4.10: Tạo sóng ở chế độ đếm xuống.
Hình 4.11: Tạo sóng ở chế độ đếm lên - xuống.
Hình 4.12: Tạo sóng ở chế độ đếm lên – xuống.
Hình 4.13: Cấu trúc cơ bản của FPGA.
Hình 4.14: Khối Logic trong FPGA.
Hình 4.15: Sơ đồ giải thuật.
Hình 4.16: Mô hình thực nghiệm IMC.
Hình 4.17: Sơ đồ mạch lọc một pha.
Hình 4.18: Sơ đồ nguyên lý của IC A-3120.
Hình 4.19: DC-DC converter.
Hình 4.20: Sơ đồ mạch công suất IMC.


4
4
Hình 4.21: IGBT IRG4PF50WD thực tế và sơ đồ bên trong.
Hình 4.22: Sơ đồ điều khiển.

Hình 4.23: Mạch điều khiển DSP TMS320F28335.
Hình 4.24: Mạch lái.
Hình 4.25: Mạch công suất phía chỉnh lưu và nghịch lưu.
Hình 4.26: Tải 3-pha RL.
Hình 4.27: Xung kích khối chỉnh lưu Sap, Sbp, Scp.
Hình 4.28: Xung kích khối nghich lưu Sup, Svp, Swp.
Hình 4.29: Xác định sector của phía chỉnh lưu.
Hình 4.30: Điện áp 1 chiều Vdc.
Hình 4.31: Điện áp dây tải.
Hình 4.32: Điện áp pha tải.
Hình 4.33: Điện áp dây nguồn vào.
Hình 4.34: Dòng điện nguồn trước lọc.
Hình 4.35: Dòng điện nguồn sau lọc.
Hình 4.36: Dòng điện tải.


5
5

MỞ ĐẦU
Trong những năm gần đây, xu hướng nghiên cứu của điện tử công suất tập
trung vào các dạng biến tần, đặc biệt là thiết bị biến tần trực tiếp. Năm 1976, bộ
biến đổi ma trận (matrix converter) – là thiết bị biến tần trực tiếp với nhiều ưu
điểm nổi bật - ra đời. Từ khi xuất hiện, bộ biến đổi ma trận không ngừng nhận được
sự quan tâm nghiên cứu. Đến nay, bộ biến đổi ma trận đã có cấu tạo phần cứng và
các phương pháp điều khiển tương đối hoàn chỉnh. Việc thương mại hóa sản phẩm
này không còn là điều xa vời, và đã đến lúc chúng ta nghĩ đến việc ứng dụng chúng
vào thực tế. Các hướng ứng dụng đầy tiềm năng của bộ biến đổi này là điều khiển
truyền động động cơ không đồng bộ và ứng dụng trong các hệ biến đổi năng lượng
gió (Wind energy conversion system). Tuy nhiên việc điều khiển bộ biến tần ma

trận hiện nay gặp nhiều khó khăn do việc thực thi phần cứng khá phức tạp. Do đó,
đề tài “Nghiên cứu thực nghiệm giải thuật đóng cắt các khóa bán dẫn cho bộ
biến tần ma trận” để tập trung vào nghiên cứu và đưa ra phương pháp thực hiện
quá trình đóng cắt cho các khoá bán dẫn sử dụng card DSP và FPGA.


6
6

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN
1.1 Đặt vấn đề
Nhờ sự phát triển mạnh mẽ của lĩnh vực điện tử công suất, các bộ biến đổi
AC-AC ngày càng được ứng dụng rộng rãi trong các hệ truyền động động cơ AC
nói riêng và trong công nghiệp nói chung như: điều khiển các hệ truyền động sử
dụng động cơ AC, ứng dụng trong hệ thống năng lượng gió, hệ thống 400Hz cấp
nguồn cho máy bay. Bên cạnh đó, việc điều khiển các bộ biến đổi điện tử công suất
cũng trở nên dễ dàng và chính xác hơn nhờ sự phát triển của công nghệ xử lý tín
hiệu số, vi xử lý và công nghệ bán dẫn. Một trong những mục tiêu của các hướng
nghiên cứu trên thế giới hiện nay là không ngừng cải tiến các bộ biến đổi AC-AC
nhằm làm giảm tổn hao, nâng cao hiệu suất làm việc, cải thiện chất lượng điện
năng.

Hình 1.1: Bộ biến tần sử dụng cấu hình AC-DC-AC truyền thống.
Các bộ biến tần trong công nghiệp hiện nay chủ yếu có cấu trúc AC-DC-AC,
có khâu trung gian một chiều với tụ điện lớn làm kho tích trữ năng lượng, sử dụng
các transistor có cực điều khiển cách ly (IGBT) như hình 1.1. Cấu trúc AC-DC-AC
bao gồm mọi dải công suất, từ vài trăm watt đến hàng nghìn kW. Các biến tần này
đều có nhược điểm cơ bản là dòng đầu vào không sin, không điều chỉnh được hệ số
công suất, do đó công suất lắp đặt sẽ bị hạn chế tối đa đến 60% công suất của trạm

7
7
nguồn cung cấp. Ngoài ra cấu trúc biến tần phổ biến nhất AC-DC-AC lại không có
khả năng trao đổi công suất với lưới theo cả hai chiều, điều này gây khó khăn cho
những ứng dụng thực tế khi tải có tính thế năng hoặc có quán tính lớn.
Bộ biến tần ma trận (Matrix Converter) là một trong những hướng nghiên cứu
có khả năng đáp ứng được những yêu cầu đó: dòng điện ở nguồn vào dạng sin và
công suất có thể đi theo hai chiều từ nguồn đến tải hoặc tải về nguồn. Nhiều dạng
cấu trúc mạch khác nhau đã được ứng dụng để tạo ra các bộ biến đổi xoay chiều
AC-AC có thể biến đổi năng lượng xoay chiều từ biên độ, tần số này sang biên độ,
tần số khác. Tuy nhiên, so với các cấu trúc AC-DC-AC thông thường thì bộ biến
đổi ma trận có thể tạo ra dạng sóng đầu vào, đầu ra có dạng sin, có thể điều khiển
hệ số công suất đầu vào và đặc biệt là không cần đến thành phần dự trữ công suất,
tất cả đều là khóa bán dẫn.
Với những ưu điểm trên, bộ biến đổi ma trận đã thu hút được sự nghiên cứu
rất rộng rãi. Bộ biến đổi ma trận được giới thiện lần đầu tiên vào năm 1980 bởi
Venturini và Alesina với chín khóa bán dẫn hai chiều (bi-directional switches) được
sắp đặt theo dạng ma trận để bất kỳ một điện áp pha đầu vào nào cũng có thể nối
với bất kỳ điện áp pha đầu ra như hình 1.2.


8
8

Hình 1.2: Cấu hình cơ bản của MC.
Phương pháp điều khiển bộ biến đổi ma trận đưa ra bởi Venturini và Alesina
được biết đến như phương pháp “trực tiếp” với điện áp đầu ra mong muốn nhận
được bằng cách nhân ma trận đóng ngắt với điện áp đầu vào. Một phương pháp điều
khiển khác dựa trên ý tưởng “điện áp DC giả tưởng” được đưa ra bởi Rodriguez vào

năm 1983. Phương pháp này cũng được biết đến như phương pháp điều khiển “gián
tiếp” cho bộ biến đổi ma trận. Tuy nhiên, việc đóng ngắt các khóa bán dẫn kép
trong bộ biến đổi ma trận rất dễ gây quá áp hoặc quá dòng dẫn đến hư hỏng linh
kiện, do đó cần phải có một mạch bảo vệ phức tạp đi kèm. Vì vậy, bộ biến đổi ma
trận thông thường vẫn chưa được ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp.
Với sự phát triển của nhiều kỹ thuật điều chế gần đây, một kỹ thuật điều chế
khác đã được đưa ra dẫn đến sự ra đời của bộ biến đổi trực tiếp xoay chiều AC hai
tầng. Như vậy, dựa vào cấu trúc của bộ biến đổi ma trận, có thể phân thành hai
dạng: bộ biến đổi ma trận trực tiếp (Direct Matrix Converter), bộ biến đổi ma trận
gián tiếp (IndirectMatrix Converter).


9
9

Hình 1.3: Các cấu cho bộ biến tần AC-AC.
Bộ biến đổi ma trận gián tiếp (Indirect matrix converter - IMC) là một dạng
của bộ biến đổi ma trận, trong đó cấu trúc mạch xem như gồm hai khâu biến đổi là
chỉnh lưu – nghịch lưu ghép với nhau. Khâu chỉnh lưu gồm sáu khóa bán dẫn hai
chiều, khâu nghịch lưu gồm sáu khóa bán dẫn một chiều. Bộ biến đổi ma trận gián
tiếp biến đổi từ ba pha sang ba pha với dòng công suất có khả năng chạy theo hai
chiều, điện áp và dòng điện mong muốn đều có dạng sin, không cần thiết bị lưu trữ
năng lượng DC, có khả năng điều khiển hệ số công suất ngõ vào độc lập với dòng
điện tải ngõ ra.

Hình 1.4: Cấu trúc mạch biến tần ma trận gián tiếp (Indirect Matrix
Converter)
1.2 Tính cần thiết của đề tài

10
10
Vấn đề chất lượng điện năng hiện nay đang là mối quan tâm của xã hội, nhà
máy và xí nghiệp. Đặc biệt trong bối cảnh hiện nay, quá trình công nghiệp hóa và
hiện đại hóa phát triển theo chiều hướng tốt. Khi chất lượng điện năng không được
đảm bảo sẽ ảnh hưởng đến tuổi thọ thiết bị, gây nhiễu thiết bị xung quanh và tạo ra
tác động không mong muốn của Relay. Bộ biến tần 3 pha cổ điển sử dụng chỉnh lưu
không điều khiển có 2 khuyết điểm chính là: gây ra dòng điền ngõ vào không sin,
chứa nhiều sóng hài và sự xuất hiện của tụ điện làm tăng kích thước, chiếm chổ
không gian và giảm tuổi thọ. Do đó, đề tài này đề xuất bộ biến tần 3 pha kiểu ma
trận để thay thế bộ biến tần cổ điển.
1.3 Mục tiêu, nhiệm vụ và giới hạn của đề tài
1.3.1 Mục tiêu chung:

a. Hướng tới làm chủ công nghệ để triển khai biến tần ma trận vào thực
tế.
b. Tìm hiểu giải thuật điều chế vector không gian ứng dụng cho bộ biến
tần ma trận.
c. Triển khai mô phỏng trên phần mềm chuyên dụng cho giải thuật trên.
d. Triển khai thực nghiệm giải thuật đóng cắt các khóa công suất dựa
trên công nghệ FPGA và vi điều khiển DSP TMS320F28335 của
hãng Texas Instruments. Board công suất dựa trên linh kiện của hãng
Semikron, Fairchid nhằm nâng cao chất lượng đầu ra của biến tần ma
trận.
1.3.2 Nhiệm vụ và giới hạn đề tài:
Do giới hạn về thời gian và điều kiện nghiên cứu nên đề tài chỉ giới hạn trong
các vấn đề sau:
- Nghiên cứu phương pháp điều chế độ rộng xung PWM cho IMC. Xây dựng
mô hình mô phỏng cho IMC trong Psim sử dụng với tải RL.
- Thiết kế và thi công mô hình thực nghiệm cho IMC sử dụng khóa đóng ngắt

bằng IGBT, phối hợp với card DSP TMS320F28335 và FPGA EPM7128SLC8415W BEJ240107A để xử lý tín hiệu điều khiển. Đánh giá và so sánh kết quả giữa
mô phỏng và thực nghiệm.
1.4 Bố cục của luận văn


11
11
Chương I: Giới thiệu chung về đề tài, đưa ra mục tiêu, tính cần thiết và phạm
vi giới hạn của đề tài.
Chương II: Cơ sở lý thuyết.
Chương III: Trình bày giải thuật điều chế độ rộng xung PWM cho bộ biến
đổi ma trận gián tiếp, xây dựng sơ đồ mô phỏng bằng PSim, kết quả mô phỏng.
Chương IV: Trình bày quá trình thiết kế và thi công mô hình thực nghiệm
cho bộ biến đổi ma trận gián tiếp, đánh giá kết quả thực nghiệm thu được.
Chương V: Kết luận và hướng phát triển của đề tài.


12
12

CHƯƠNG II: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Trong chương này, trước hết sẽ trình bày về cấu trúc mạch, nguyên lý hoạt
động và các giải thuật điều chế được ứng dụng cho bộ biến đổi ma trận thông
thường. Tiếp theo là các vấn đề liên quan đến mô hình thực nghiệm, như khóa hai
chiều (bi-directional switches), mạch lọc, mạch kẹp. Phần cuối sẽ tập trung phân
tích về giải thuật điều chế vector không gian cho bộ biến đổi ma trận gián tiếp, đây
cũng là phương pháp được sử dụng trong luận văn.
2.1 Biến tần kiểu ma trận (Matrix Converter – MC)
Biến tần kiểu ma trận là một dạng biến tần trực tiếp, hay là bộ biến đổi
AC/AC. MC là bước phát triển tiếp theo của các biến tần trực tiếp cycloconverter

dựa trên những tiến bộ vượt bậc của công nghệ chế tạo các phần tử bán dẫn công
suất và các thiết bị xử lý số cực mạnh. MC sử dụng các khóa bán dẫn hai chiều nên
có thể tạo ra dòng đầu vào hình sin, hệ số công suất điều chỉnh được, điện áp ra
hình sin với tần số cao và thấp hơn tần số điện áp lưới, có khả năng áp dụng cho
mọi dải công suất, từ nhỏ đến lớn. Trong MC phần công suất hoàn toàn dùng các
phần tử bán dẫn, nhiệt độ chịu đựng cao hơn, có thể lên đến 60°C, độ tin cậy cao,
tuổi thọ dài, 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. Đây là đặc tính ưu việt nhất
của MC so với các biến tần phổ biến hiện nay trong công nghiệp.
2.2 Cấu hình cơ bản của MC
Trong những năm gần đây, biến tần ma trận đã có những phát triển đáng kể và
được ứng dụng nhiều trong dân dụng, công nghiệp, quân sự, hàng không…. Hai cấu
trúc cơ bản của biến tần ma trận: kiểu trực tiếp (DMC – Direct matrix converter)
trình bày ở hình 2.1 và kiểu gián tiếp (IMC – Indirect matrix converter) trình bày ở
hình 2.2. Tuy nhiên, gần đây, bộ biến tần ma trận kiểu gián tiếp nhận được nhiều sự
quan tâm của các nhà nghiên cứu nhằm thay thế bộ biến tần truyền thống (sử dụng
cấu hình AC/DC/AC) và biến tần ma trận kiểu trực tiếp.


13
13
Bộ biến tần ma trận kiểu gián tiếp có những ưu điểm và bộ biến tần ma trận
kiểu trực tiếp không có được như là: sự đơn giản trong quá trình chuyển mạch giữa
các van công suất, khả năng giảm số lượng van bán dẫn do tận dụng khả năng
chuyển mạch mềm giữa các van hai chiều, khả năng chuyển đổi năng lượng trực
tiếp từ một nguồn xoay chiều ba pha cho nhiều ngõ ra ba pha.
Bộ phận cơ bản của MC là ma trận 3x3, gồm 9 khóa hai chiều S aA, SbB, …, ScC.
Các khóa hai chiều này nối các pha đầu ra A, B, C với các pha điện áp đầu vào a, b,

c theo một quy luật nhất định để tạo ra điện áp đầu ra. Bộ lọc L f Cf làm cho dòng
đầu vào trở nên liên tục và gần với dạng sin. Mạch Clamp có tác dụng bảo vệ quá
điện áp. MC không sử dụng các phần tử phản kháng như tụ điện, điện cảm nào để
làm các khâu trung gian dự trữ năng lượng.

Hình 2.1: Cấu hình cơ bản của DMC dạng trực tiếp.
Bộ biến đổi ma trận gián tiếp (Indirect matrix converter - IMC) là một dạng
của bộ biến đổi ma trận, trong đó cấu trúc mạch xem như gồm hai khâu biến đổi là
chỉnh lưu – nghịch lưu ghép với nhau. Khâu chỉnh lưu gồm sáu khóa bán dẫn hai
chiều, khâu nghịch lưu gồm sáu khóa bán dẫn một chiều. Bộ biến đổi ma trận gián
tiếp biến đổi từ ba pha sang ba pha với dòng công suất có khả năng chạy theo hai
chiều, điện áp và dòng điện mong muốn đều có dạng sin, không cần thiết bị lưu trữ
năng lượng DC, có khả năng điều khiển hệ số công suất ngõ vào độc lập với dòng
điện tải ngõ ra.


14
14

Hình 2.2: Cấu hình cơ bản của IMC dạng gián tiếp
Yêu cầu đặt ra đối với quy luật điều khiển ma trận khóa hai chiều là:
1. Tổng hợp điện áp đầu ra có dạng sin từ các điện áp đầu vào với tần số theo
yêu cầu, dưới và trên tần số điện áp lưới. Dòng tải sẽ do phụ tải quyết định.
2. Dòng điện đầu vào được tổng hợp từ dòng điện ra và cũng có dạng sin.
3. Năng lượng có thể trao đổi giữa tải với lưới theo cả hai chiều.
4. Hệ số công suất đầu vào có thể điều chỉnh được, không phụ thuộc tải và
tính chất của tải. Các yêu cầu 2, 3, 4 nhằm tạo ra các đặc tính ưu việt của MC mà
các biến tần truyền thống không thể có được.
2.3 Các phương pháp điều chế
2.3.1 Phương pháp điều chế Venturini

Phương pháp này được xem là phương pháp điều chế hoàn chỉnh đầu tiên cho
bộ biến đổi ma trận.
Giả sử ta đã biết trước điện áp ngõ vào và dòng điện ngõ ra:
;

(2.1)

Tìm ma trận điều chế M(t) sao cho:
;

Với q là độ lợi điện áp (gain) giữa ngõ vào và ngõ ra
Ma trận điều chế được xác định

1/3

(2.2)


15
15

(2.3)
Với
hoặc:

1/3

Với

(2.4)

Với phương pháp điều chế như công thức (2.3), (2.4) thì tỷ số điều chế tối
đa chỉ là 50%.

Hình 2.3: Tỉ số điều chế bằng 50% giá trị điện áp
ngõ vào
Phương pháp Venturini cải tiến sẽ tăng tỉ số điều chế lên 0.866 nhờ việc thêm
vào một thành phần hài bậc 3.

(2.5)


16
16

Hình 2.4: Tỉ số điều chế bằng 87% giá trị điện áp ngõ vào
2.3.2 Phương pháp điều chế vô hướng (Roy)
Phương pháp này dựa vào việc đo giá trị tức thời của điện áp ngõ vào và so
sánh biên độ tương đối của chúng theo thuật toán sau:
- Đặt M là ngõ vào khác cực tính với 2 ngõ còn lại.
- Đặt L là ngõ vào có giá trị tuyệt đối nhỏ nhất trong 2 ngõ vào còn lại đó.
- Đặt K là ngõ vào còn lại.
Tỷ số đóng được xác định bởi:
;

;

(2.6)

Tương tự như phương pháp của Venturini, để đạt được tỉ số điều chế 87%, cần

phải thêm vào ở điện áp ngõ ra một thành phần sóng hài bậc ba, khi đó
sẽ có dạng như sau:
(2.7)
2.3.3 Phương pháp điều chế vector không gian
Vector điện áp ngõ ra được thể hiện dưới dạng:
(2.8)
với:
Vector

có biên độ là

và quay với vận tốc góc

. Vector này


17
17
được tổng hợp từ thời gian tác động trung bình của các vector liền kề với
vector điện áp ngõ ra trong một chu kỳ mẫu.
Bộ biến đổi ma trận 3 pha, vector điện áp ngõ ra có 27 khả năng có thể xảy ra
và được chia ra thành 3 nhóm như sau:
Nhóm 1: Mỗi ngõ ra bộ biến đổi ma trận nối với một ngõ vào khác nhau. Các
vector không gian có biên độ không đổi và quay với vận tốc góc ứng với tần số
nguồn.
Nhóm 2: Hai ngõ ra bộ biến đổi ma trận nối với cùng một ngõ vào, ngõ ra còn
lại nối với 1 trong 2 ngõ vào còn lại. Khi đó vector không gian có biên độ thay đổi,
0
có phương thuộc 1 trong 6 góc phần sáu (góc 60 ). Giá trị tối đa vector không
gian

là:

(như hình 2.5).
Nhóm 3: Tất cả ngõ ra nối chung với 1 ngõ vào, vector điện áp chính là vector

không (nằm tại gốc tọa độ).
Giả sử vector điện áp ngõ ra nằm trong góc phần sáu thứ nhất (hình 2.5):

Hình 2.5: Vector không gian điện áp ngõ ra
2.3.4 Phương pháp điều chế gián tiếp
Phương pháp này nhằm mục đích tăng tỉ số điều chế lên trên mức 87%. Điện
áp ngõ ra bộ biến đổi được diễn đạt như sau:
(2.9)


18
18

Ma trận A có thể xem như ma trận “điều chế của khối chỉnh lưu”, ma trận B là
ma trận “điều chế của khối nghịch lưu” tương tự như trong các hệ thống chuyển đổi
AC-DC-AC thông thường.
Ma trận A có dạng như sau:

(2.10)
Do đó:
(2.11)

Ma trận B được tính như sau:
(2.12)

Do đó:
(2.13)

Tỷ số điều chế:
Với hệ số

và

suy ra:

lớn hơn so

với tỉ số điều chế của các phương pháp khác.
2.4 Bộ lọc đầu vào (input filter)
Sơ đồ mạch lọc đầu vào tiêu biểu cho trên hình 2.6. Dòng đầu vào bao gồm
những xung dòng, chính là sự tổng hợp những đoạn của 3 dòng đầu ra, gồm thành
phần sóng hài cơ bản ở tần số lưới và các thành phần sóng hài bậc cao, là bội số của
tần số lấy mẫu. Do tần số lấy mẫu rất lớn so với tần số điện áp lưới nên kích thước
bộ lọc nhỏ, không ảnh hưởng đáng kể đối với kích thước của mạch động lực.


19
19

Hình 2.6: Mạch lọc LC.
2.5 Mạch Clamp
Mạch Clamp, xem hình 2.7, bao gồm hai cầu chỉnh lưu 3 pha với mạch xoay
chiều là phía nguồn và phía đầu ra trên tải, có chung mạch một chiều là tụ C. Bình
thường, tụ C được nạp điện đến giá trị biên độ của điện áp vào hoặc điện áp ra, tùy
theo giá trị nào cao hơn. Khi có các xung điện áp ở phía lưới hoặc ở phía tải cao

hơn điện áp trên tụ các điôt sẽ mở thông để tụ hấp thụ năng lượng của các xung áp
này. Nếu điện dung của tụ đủ lớn điện áp trên tụ sẽ thay đổi không đáng kể, đảm
bảo điện áp trên ma trận khoá được giữ trong phạm vi cho phép.
Về phía lưới, quá áp có thể xảy ra khi có các phần tử đóng cắt tác động hoặc
bởi sóng sét truyền trên đường dây.
Về phía tải, quá áp nguy hiểm có thể xẩy ra khi ngắt nguồn MC gây nên dòng
tải bị ngắt tức thì.
Mạch Clamp giống như một mạch hạn chế điện áp song song với mỗi phần tử
khóa hai chiều trong sơ đồ MC. Các điôt trong mạch Clamp phải là các điôt nhanh
để có tác dụng cắt ngay các xung điện áp có độ rộng rất ngắn. Điện áp trên tụ điện
trong mạch Clamp có thể là nguồn cung cấp cho mạch điều khiển. Mức điện áp trên
tụ trong mạch cũng thể hiện những thông tin cần thiết để thực hiện nhanh quá trình
khởi động lại.
Nhược điểm của mạch Clamp là mạch không tham gia vào hoạt động trong
chế độ làm việc bình thường, làm tăng kích thước, giá thành của MC. Bằng các kỹ
thuật chuyển mạch phù hợp có thể không cần dùng đến mạch Clamp


20
20

Hình 2.7: Bộ biến đổi ma trận trực tiếp.

Hình 2.8: Bộ biến đổi ma trận gián tiếp.
2.6 Ma trận khoá đóng cắt hai chiều (Bidirectional Switch - BDS)
Ma trận khóa, là thành phần chính, quan trọng nhất của MC, gồm chín khoá
hai chiều BDS, S11, S12,..., S33. Hiện nay, các nhà sản xuất chưa đưa ra các khoá
bán dẫn hai chiều nên các phần tử này phải được tạo ra từ các khoá bán dẫn thông
thường. Các phần tử bán dẫn thông thường có được khả năng chịu điện áp ngược
nếu được mắc song song với một điôt ngược. Các IGBT là các khóa bán dẫn được

sử dụng rộng rãi hiện nay vì các đặc tính tốt như điều khiển bằng điện áp, đóng cắt
nhanh, khả năng chịu điện áp cao, dòng điện lớn. Các khóa hai chiều được xây dựng
chủ yếu trên cơ sở IGBT với các sơ đồ như được thể hiện trên hình 2.9, (a), (b) và
(c). Sơ đồ dùng cầu điôt (hình 2.9, (c)), gồm 1 IGBT và 4 điôt. Các điôt này cũng


21
21
phải là các điôt nhanh để phù hợp với khả năng đóng cắt nhanh của IGBT. Ưu điểm
của sơ đồ này là chỉ cần dùng một IGBT. Nhược điểm của khóa hai chiều này là
dòng chảy qua 3 phần tử nên tổn thất trên sơ đồ khá lớn. Khoá hai chiều hiện nay
chủ yếu xây dựng trên sơ đồ sử dụng 2 IGBT mắc song song ngược theo kiểu chung
emittor hoặc chung collector và 2 điôt nhanh, trong đó mỗi chiều dòng điện đi qua
một cặp IGBT và điôt như được biểu diễn trên hình 2.9, (a), (b). (c), (d). (e), (f).

Hình 2.9: Các khoá hai chiều.

2.7 Các ưu điểm của biến tần ma trận kiểu gián tiếp
Biến tần ma trận kiểu gián tiếp thừa hưởng những ưu điểm của các bộ biến tần
ma trận trực tiếp: dòng điện ngõ vào sin, dòng điện ngõ ra sin, hệ số công suất điều
khiển được. Trong một số ứng dụng biến tần ma trận kiểu gián tiếp tỏ ra thích
hợp hơn so với biến tần ma trận trực tiếp với những ưu điểm như sau.
2.7.1 Chuyển mạch an toàn


22
22
Tại thời điểm xảy ra chuyển mạch trong khối chỉnh lưu, điện áp trong khối
nghịch lưu tương ứng là vector không (vector V0 hoặc V7), tương ứng dòng điện
trên nhánh DC cũng bằng không. Do đó, các linh kiện bán dẫn trong khối chỉnh lưu

chuyển mạch tại thời điểm dòng điện bằng không, điều này giúp cho quá trình
chuyển mạch diễn ra an toàn hơn và tổn hao do chuyển mạch cũng giảm đi.
2.7.2 Giảm số linh kiện bán dẫn

(a) Ultra Sparse Matrix Converter

(b) Very Sparse Matrix Converter

(c) Inverting Link Matrix Converter

(d) Sparse Matrix Converter

Hình 2.10: Một số cấu trúc IMC.
Cấu trúc mạch của IMC có thể được cải tiến nhằm làm giảm số linh kiện bán
dẫn mà vẫn giữ được các đặc điểm như các bộ biến tần ma trận thông thường, như
kiểm soát được hệ số công suất đầu vào, vẫn giữ được dạng dòng điện nguồn và
điện áp tải là dạng sin. Ngoài ra, với việc giảm số lượng linh kiện làm cho công việc
thiết kế cũng trở nên đơn giản hơn, giá thành cũng giảm đi.
Bảng 2.1: So sánh số lượng linh kiện giữa các loại IMC
Loại

Transistor

Diode


23
23
Direct Matrix

18

18

Indirect Matrix

18

18

Sparse Matrix

15

18

Very Sparse Matrix

12

30

Ultra Sparse Matrix

9

18

Inverting Link Matrix

14

14

Việc giảm số lượng linh kiện thường thực hiện trong khối chỉnh lưu và phải
đảm bảo cho IMC vẫn có khả năng hoạt động trong cả bốn góc phần tư. Tuy nhiên,
tổn hao trong quá trình hoạt động có thể sẽ cao hơn vì quá trình chuyển mạch diễn
ra trong nhiều linh kiện hơn.
2.7.3 Hiệu quả hơn trong các hệ truyền động nhiều động cơ
Hiện nay, bộ IMC thường được lựa chọn để thay thế cho các bộ biến đổi ACDC-AC truyền thống dùng trong hệ truyền động nhiều động cơ (multi-motor drive
systems) cần thành phần dự trự năng lượng DC lớn. Vì khi sử dụng bộ IMC thì
không cần đến các thành phần dự trữ năng lượng DC.


24
24
Vi

Mạch lọc

p
Bộ biến đổi 3 pha – 2 pha
n

PWM – VSI INV1
M1

PWM – VSI INV2
M2

PWM – VSI INV3
M3

(a)

Hình 2.11: Hệ truyền động nhiều động cơ dùng IMC
2.8 Mối quan hệ giữ dòng điện và điện áp của biến tần ma trận gián
tiếp.
Sơ đồ mạch điện của IMC được hiển thị trong hình. 2.2. Khái niệm của Biến
tần ma trận gián tiếp là tách bộ chuyển đổi AC/AC thành hai tầng, cụ thể là, tầng
chỉnh lưu (rectifier stage) và tầng nghịch lưu chỉnh, mà không cần tụ điện cồng


25
25
kềnh. Tầng chỉnh lưu bao gồm sáu khoá hai chiều, trong khi đó tầng nghịch lưu
gồm sáu khoá một chiều. Mô hình toán học thể hiện mối liên hệ giữa dòng điện và
điện áp của biến tần ma trận của gián tiếp có thể được dẫn giải từ hình 2.2 như sau:
Điện áp DC-link được tạo ra bởi tầng chỉnh lưu thông qua trạng thái đóng cắt
của các khoá công suất và điện áp đầu vào va, vb, vc như sau:

vdc =  S ap − S an

Sbp − Sbn

va 
 
Scp − Scn  vb 
vc 

(2.14)
Các dòng điện ngõ vào ia, ib, ic được tính thông qua trạng thái đóng cắt của các
khoá cộng suất và dòng điện DC link như sau:

ia   S ap − San 

  
i
=
S
−
S
bn  [ idc ]
 b   bp
ic   S − S 
cn 
 cp
(2.15)
Dòng điện ngõ ra iA, iB, iC được tính thông qua trạng thái khoá đóng cắt ở tầng
chỉnh lưu và dòng dòng điện DC link như sau:

[ idc ] = [ S A

SB

i A 
SC ] iB 
iC 

(2.16)

Cuối cùng, các điện áp đầu ra được tổng hợp thông qua các trạng thái đóng cắt
của khoá công suất ở tầng chỉnh lưu và điện áp DC link như sau:
v A 
 2 −1 −1  S A − S A 
1
v  =  −1 2 −1  S − S  v
B  [ dc ]
 B 3
 B

vC 
 −1 −1 2  SC − SC 


(2.17)
Sap, San, Sbp , Sbn, Scp, Scn được định nghĩa là trạng thái đóng cắt của 6 khoá hai
chiều trong tầng chỉnh lưu công tắc hai chiều trong biến tầng chỉnh lưu.