Xây dựng hệ thống điều khiển cho biến tần gián tiếp kiểu ma trận cho thiết bị cấp nguồn liên tục UPS

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
---------------------------------------

NGUYỄN KIÊN TRUNG

XÂY DỰNG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN CHO BIẾN TẦN GIÁN TIẾP KIỂU MA
TRẬN CHO THIẾT BỊ CẤP NGUỒN LIÊN TỤC UPS

Chuyên ngành :

Điều khiển và Tự động hóa

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC
TS. Trần Trọng Minh

Hà Nội –2011

1


LỜI CẢM ƠN
Để có thể hoàn thành được luận văn này, trước tiên tôi xin chân thành cảm ơn
thầy giáo hướng dẫn TS.Trần Trọng Minh. Thầy đã giúp tôi xác định hướng nghiên
cứu và hướng dẫn tôi rất nhiều trong quá trình nghiên cứu, thực hiện luận văn.
Những góp ý của thầy giúp tôi có được cái nhìn tổng quan và chính xác hơn về các
vấn đề nghiên cứu khoa học. Nhờ sự hướng dẫn của thầy, sau khi hoàn thành luận
văn này đã giúp tôi học hỏi được nhiều kiến thức và nâng cao khả năng tự nghiên

cứu của bản thân.
Tiếp theo tôi cũng xin chân thành cảm ơn gia đình tôi và các đồng nghiệp của
tôi tại bộ môn tự động hóa XNCN đã tạo điều kiện và giúp đỡ tôi rất nhiều, nhờ đó
tôi mới có thể hoàn thành được bản luận văn này.
Hà Nội ngày 28 tháng 03 năm 2011
Học Viên
Nguyễn Kiên Trung

2


LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan bản luận văn cao học với đề tài ”Xây dựng hệ thống điều khiển
cho biến tần gián tiếp kiểu ma trận cho thiết bị cấp nguồn liên tục UPS”. Do tôi
hoàn toàn tự thực hiện nhờ sự hướng dẫn của thầy TS. Trần Trọng Minh. Để thực
hiện luận văn này tôi chỉ sử dụng các tài liệu tham khảo đã ghi ở trong mục tài liệu
tham khảo mà không sử dụng bất cứ một tài liệu nào khác. Nếu phát hiện có sự sao
chép, tôi hoàn toàn chịu trách nhiệm.
Học Viên
Nguyễn Kiên Trung

3


MUC LỤC
Nội dung

Trang

Trang phụ bìa

Lời cảm ơn
Lời cam đoan
Mục lục
Danh mục các hình vẽ, đồ thị
Danh mục các bảng
DANH MỤC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ ................................................................................. 6
DANH MỤC CÁC BẢNG ............................................................................................. 8
MỞ ĐẦU ......................................................................................................................... 9
Chƣơng 1. TỔNG QUAN ............................................................................................ 11
1.1.

Tổng quan về biến tần ma trận ................................................................ 11

1.1.1.

Giới thiệu về biến tần ma trận .............................................................. 11

1.1.3.

Phương pháp điều chế cho biến tần ma trận [10] ............................... 13

Hình 1.3. (a). Biến tần ma trận điều chế trực tiếp .............................................. 14
1.2. Ảnh hưởng của tải 3 pha không cân bằng và tải phi tuyến tới chất
lượng của nguồn cấp ............................................................................................ 14
1.2.1.

Tải 3 pha không cân bằng.............................................................. …..14

1.2.2.

Tải phi tuyến ......................................................................................... 15

1.2.3.

Ảnh hưởng của sự mất cân bằng điện áp và các sóng hài ................. 15

1.2.4.

Giải pháp với tải không cân bằng và tải phi tuyến ............................. 16

1.3.

Ứng dụng của biến tần ma trận 3 pha – 4 dây. ....................................... 18

Chƣơng 2. NGHIÊN CỨU KĨ THUẬT ĐIỀU CHẾ CHO BIẾN TẦN MA
TRẬN ĐIỀU CHẾ GIÁN TIẾP 3 PHA – 4 DÂY ...................................................... 21
2.1.

Sơ đồ biến tần ma trận gián tiếp 3 pha – 4 dây ....................................... 21

2.2.

Phương pháp điều chế cho phía lưới ....................................................... 22

2.3.

Điều chế vectơ không gian ba chiều ( SVM- 3D) cho phía tải: .............. 26

2.3.1.

Xác định các vecto chuẩn..................................................................... 26

2.3.2.

Xác định vị trí vectơ điện áp đặt ......................................................... 33

2.3.3.

Tính toán hệ số điều chế ...................................................................... 34

2.3.4.

Xác định thứ tự chuyển mạch của các van ......................................... 36

2.4.
2.4.1.

Kết hợp giữa phía lưới và phía tải: .......................................................... 36
Xác định hệ số điều chế khi kết hợp phía lưới và phía tải ................. 36

4


2.4.2. Trật tự thực hiện các vector khi kết hợp phía lưới với phía tải .................. 39
2.5.

Tổng hợp dòng điện vào của biến tần ma trận gián tiếp 3 pha – 4 dây . 43

2.5.1. Tổng hợp dòng điện một chiều từ dòng điện đầu ra của biến tần .............. 43
2.5.2. Tổng hợp dòng điện đầu vào của biến tần từ dòng điện một chiều............ 48

2.7.

Mô phỏng biến tần ma trận điều chế gián tiếp 3 pha – 4 dây................. 50

Chƣơng 3. THIẾT KẾ BỘ LỌC CHO BIẾN TẦN MA TRẬN ĐIỀU CHẾ
GIÁN TIẾP 3 PHA – 4 DÂY ....................................................................................... 56
3.2. Thiết kế bộ lọc đầu ra .................................................................................... 58
3.3. Mô phỏng ....................................................................................................... 60
Chƣơng 4. THIẾT KẾ ĐIỀU KHIỂN CHO BIẾN TẦN MA TRẬN ĐIỀU CHẾ
GIÁN TIẾP 3 PHA – 4 DÂY ....................................................................................... 62
4.1.Xây dựng mô hình trung bình của của bộ biến đổi ...................................... 62
4.1.1. Mô hình trung bình trên hệ tọa độ abc ....................................................... 63
4.1.2. Mô hình trung bình trên hệ tọa độ quay động bộ dq0 ................................ 65
4.2. Phân tích cấu trúc điều khiển ....................................................................... 69
4.2.1. Cấu trúc điều khiển hai mạch vòng ............................................................ 69
4.2.2. Điều khiển trên hệ tọa độ tĩnh .................................................................... 71
4.2.3.Điều khiển trên hệ tọa độ quay đồng bộ dq0 ............................................... 72
4.2.4. Điều khiển trên hệ tọa độ tĩnh với bộ điều khiển cộng hưởng ................... 74
4.3. Thiết kế điều khiển cho tải thuần trở ........................................................... 75
4.3.1. Xác định hàm truyền của đối tượng ........................................................... 75
4.3.2.Thiết kế các mạch vòng điều khiển ............................................................. 82
4.4. Thiết kế điều khiển với tải 3 pha không đối xứng ....................................... 84
4.5. Thiết kế điều khiển với tải phi tuyến ............................................................ 85
4.6. Mô phỏng kiểm chứng kết quả ..................................................................... 86
4.5. Tổng kết........................................................................................................ 102
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ................................................................................... 104

5

DANH MỤC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
Hình 1.1. Cấu trúc cơ bản của bộ nguồn ứng dụng biến tần ma trận .........................4
Hình 1.2. Các khóa bán dẫn hai chiều sử dụng trong MC .........................................5
Hình 1.3. (a). Biến tần ma trận điều chế trực tiếp ......................................................6
(b). Biến tần ma trận điều chế gián tiếp .....................................................6
Hình 1.4.(a) Biến tần ma trận 3 pha – 4 dây điều chế trực tiếp................................10
Hình 1.4.(b). Biến tần ma trận 3 pha – 4 dây điều chế gián tiếp ..............................11
Hình 1.5. Cấu trúc UPS online ứng dụng biến tần ma trận 3 pha 4 dây. .................12
Hình 2.1. Biến tần ma trận gián tiếp 3 pha- 4 dây....................................................13
Hình 2.2. a) mạch lục phía lưới; b) Sơ đồ thay thế của mạch lực phía lưới ............14
Hình 2.3. Các sectơ điện áp vào ...............................................................................15
Hình 2.4. a) Mạch lực phía tải; b) sơ đồ thay thế của mạch lực phía tải. ...............19
Hình 2.5. biểu diễn 16 vectơ chuẩn trong hệ tọa độ αβ ..........................................22
Hình 2.6.hình chiếu của 6 lăng trụ trên mặt phẳng αβ
Hình 2.7.Các vector trong lăng trụ một ........................................................................
Hình 2.8a. PWM với xung răng cưa đối xứng .........................................................34
Hình 2.8b. PWM với xung răng cưa chéo ................................................................34
Hình 2.9. Dòng điện một chiều ứng với tổ hợp van pppn ........................................35
Hình 2.10. Mô hình mô phỏng biến tần ma trận điều chế gián tiếp .............................
Hình 2.11. Mô hình mạch lực .......................................................................................
Hình 2.12.Kết quả mô phỏng dạng xung điều chế phía lưới ........................................
Hình 2.13. Kết quả mô phỏng dạng điện áp một chiều ảo ...........................................
Hình 2.14. Kết quả mô phỏng dạng điện áp một chiều ảo trong một chu kì lưới ........
Hình 2.15. Dạng điện áp và dòng điện đầu vào biến tần khi chưa có lọc ....................
Hình 2.16.Kết quả mô phỏng các sector của nghịch lưu khi điện áp đối xứng ...........
Hình 2.17. Kết quả mô phỏng thời gian dẫn của các nhánh van nghịch lưu............46
Hình 2.18. Kết quả mô phỏng dạng điện áp đầu ra pha a của nghịch lưu chưa lọc .46
Hình 2.19. Dòng điện ba pha đầu ra của nghịch lưu với tải RL ...............................47
Hình 3.1. Mạch lọc đầu vào......................................................................................48
Hình 3.2. Sơ đồ tương đương 1 pha của biến tần ma trận ........................................49

Hình 3.3. Sơ đồ mạch lọc đầu ra của biến tần ma trận .................................................
Hình 3.4. Kết quả mô phỏng dòng điện đầu vào của biến tần .....................................
Hình 3.5. Kết quả mô phỏng điện áp đầu ra sau lọc.....................................................
Hình 4.1. Sơ đồ tương đương của nghịch lưu 3 pha 4 nhánh .......................................
Hình 4.2. Mô hình trung bình của nghịch lưu 3 pha 4 nhánh van ............................56
Hình 4.3. Sơ đồ khối thể hiện mô hình toán học của nghịch lưu 3 pha 4 nhánh .....56
Hình 4.4. Mô hình trung bình của nghịch lưu 3 pha 4 nhánh trên hệ tọa độ dq0 ....59
Hình 4.5. Mô hình trung bình tuyến tính hóa xung quanh điểm làm việc của nghịch
lưu 3 pha 4 nhánh ......................................................................................................59
Hình 4.6. Sơ đồ khối mô hình nghịch lưu 3 pha 4 nhánh trên hệ tọa độ dq0...............
Hình 4.7.Cấu trúc điều khiển hai mạch vòng ...............................................................
Hình 4.8. Cấu trúc điều khiển trên hệ tọa độ abc .........................................................
Hình 4.9. Cấu trúc điều khiển trên hệ tọa độ αβγ .........................................................
6


Hình 4.9. Cấu trúc khâu bù tách kênh trên hệ tọa độ dq0
Hình 4.10. Mô hình tương đương của hệ thống sau khi bù tách kênh .........................
Hình 4.11. Cấu trúc điều khiển trên hệ tọa độ dq0 ...................................................66
Hình 4.11. Mô hình đối tượng khi có thêm các điện trở ..............................................
Hình 4.12.khảo sát đặc tính bode của hàm truyền dòng điện
Hình 4.13. Khảo sát đặc tính bode của hàm truyền điện áp .........................................
Hình 4.14. Cấu trúc mạch vòng dòng điện ...................................................................
Hình 4.15. Cấu trúc mạch vòng điều khiển điện áp .....................................................
Hình 4.16. Cấu trúc điều khiển với tải không đối xứng trên hệ tọa độ dq0 .............77
Hình 4.17. Cấu trúc điều khiển với tải phi tuyến trên hệ tọa độ dq0 .......................78
Hình 4.18. Kết quả mô phỏng với tải tuyến tính ......................................................79
Hình 4.19. Kết quả mô phỏng biên độ và sai lệch pha của các sóng hài cơ bản điện
áp 3 pha với tải tuyến tính điều khiển trên hệ tọa độ dq0 .........................................80
Hình 4.20. Kết quả mô phỏng với tải phi tuyến ...........................................................

Hình 4.21.Kết quả mô phỏng biên độ và sai lệch pha của các sóng hài cơ bản điện
áp 3 pha với tải phi tuyến điều khiển trên hệ tọa độ dq0 ..............................................
Hình 4.22. Kết quả mô phỏng biên độ và sai lệch pha của các sóng hài cơ bản điện
áp 3 pha với tải tuyến tính điều khiển trên hệ tọa độ αβγ với bộ điều khiển PI thông
thường ...........................................................................................................................
Hình 4.23. Kết quả mô phỏng biên độ và sai lệch pha của các sóng hài cơ bản điện
áp 3 pha với tải phi tuyến điều khiển trên hệ tọa độ αβγ với bộ điều khiển PI thông
thường ...........................................................................................................................
Hình 4.24. Kết quả mô phỏng biên độ và sai lệch pha của các sóng hài cơ bản điện
áp 3 pha với tải tuyến tính điều khiển trên hệ tọa độ αβγ với bộ điều khiển PI cộng
hưởng.............................................................................................................................
Hình 4.25. Kết quả mô phỏng biên độ và sai lệch pha của các sóng hài cơ bản điện
áp 3 pha với tải phi tuyến điều khiển trên hệ tọa độ αβγ với bộ điều khiển PI cộng
hưởng.........................................................................................................................86
Hình 4.26. Kết quả mô phỏng với tải đối xứng, có sự thay đổi ...............................88
Hình 4.27. Kết quả mô phỏng với tải lệch một pha .................................................89
Hình 4.28. Kết quả mô phỏng với tải mất một pha ......................................................
Hình 4.29. Kết quả mô phỏng khi lệch cả ba pha tải ...................................................
Hình 4.30. Kết quả mô phỏng với tải phi tuyến ...........................................................
Hình 4.31. Kết quả mô phỏng với tải phi tuyến không đối xứng .................................

7


DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 1.1. Ảnh hưởng của điện áp không cân bằng tới động cơ ở chế độ định mức
[4] ................................................................................................................................8
Bảng 2.1. Trạng thái đóng cắt và tỉ số điều chế tương ứng của các van phía chỉnh
lưu..............................................................................................................................18
Bảng 2.2. Tổ hợp van của nghịch lưu .......................................................................19

Bảng 2.3. Điện áp ra của nghịch lưu tương ứng với các tổ hợp van ........................20
Bảng 2.4. Giá trị điện áp ra của nghịch lưu trong hệ tọa độ αβ ..............................21
Bảng 2.5. Bố trí các tứ diện trong hình lăng trụ. ......................................................24
Bảng2.6. Xác định lăng trụ chứa vectơ ....................................................................25
Bảng 2.7. Đặc điểm phân loại các Sectơ trong lăng trụ ..........................................25
Bảng 2.8. Ma trận M(3x3) phục vụ cho việc tính toán các tỉ số điều chế d1, d2, d3. ...28
Bảng 2.9. Ma trận A cho các tứ diện ............................................................................
Bảng 2.10. Hệ số điều chế của biến tần ma trận 3 pha – 4 dây ....................................
Bảng 2.11. Trật tự thực hiện vector chuẩn phía tải ......................................................
Bảng 2.12. Giá trị dòng điện một chiều tương ứng với các tổ hợp van ...................36
Bảng 2.13. Giá trị dòng một chiều trung bình trong từng tứ diện ............................37
Bảng 2.14. Giá trị tức thời của dòng điện đầu vào ứng với từng secto ........................
Bảng 4.1. Bảng tổng kết hệ số THD trong các trường hợp mô phỏng .....................94

8


MỞ ĐẦU
Biến tần ma trận với những ưu điểm vượt trội của nó so với các loại biến tần
khác đã và đang được nhiều nhà nghiên cứu trong và ngoài nước quan tâm. Trên thế
giới việc nghiên cứu về biến tần ma trận đã có những bước phát triển vượt bậc, và
đã xuất hiện nhiều loại biến tần kiểu này trong thương phẩm ứng dụng rộng rãi
trong công nghiệp. Với những ưu điểm vượt trội của nó, ngày nay các nghiên cứu
về loại biến tần này đang được mở rộng ra trong nhiều lĩnh vực ứng dụng khác nhau
của điện tử công suất.
Các phương pháp điều chế cho loại biến tần này đang được phát triển không
ngừng. Phương pháp điều chế gián tiếp cho biến tần ma trận với ý tưởng tạo ra khâu
trung gian một chiều nhằm tạo ra một sự độc lập tương đối giữa việc nghiên cứu
điều chế cho phía tải và điều chế cho phía lưới đã mở ra một bước phát triển mới
của biến tần ma trận, cho phép tạo ra một loại biến tần ma trận mới vừa có đầy đủ

các ưu điểm của biến tần ma trận, vừa được thừa hưởng tất cả các thành tựu vượt
bậc cả về phần cứng và kĩ thuật điều chế của nghịch lưu độc lập nguồn áp đã được
nghiên cứu khá kĩ lưỡng.
Khi nghiên cứu ứng dụng của biến tần ma trận với vai trò là bộ nguồn thì việc
thiết kế điều khiển có nhiều sự khác biệt so với ứng dụng điều khiển động cơ đã
được nghiên cứu nhiều. Khi là bộ nguồn thì phụ tải của bộ nguồn không phải là tải
3 pha cân bằng như điều khiển động cơ điện mà thường xuyên phải làm việc với các
loại tải 3 pha không cân bằng và tải phi tuyến, vì vậy để đảm bảo được chất lượng
của bộ nguồn cần phải có những giải pháp.
Cấu trúc biến tần ma trận điều chế gián tiếp 3 pha – 4 dây được đưa ra chính là
giải pháp cho các loại tải 3 pha không cân bằng và tải phi tuyến, cấu trúc này là sự
ứng dụng cấu trúc của biến tần ma trận điều chế gián tiếp nhưng phần điều chế phía
tải được thay thế bằng cấu trúc nghịch lưu 3 pha 4 nhánh van để giải quyết vấn đề
tải 3 pha không cân bằng và tải phi tuyến. Và với cấu trúc này nhờ có khâu trung
gian một chiều ảo cũng cho phép tích hợp thêm phần tích lũy năng lượng để thiết kế
UPS online.

9


Kĩ thuật điều chế cho biến tần ma trận điều chế gián tiếp và cho nghịch lưu 3
pha 4 nhánh van đã được nghiên cứu nhiều và khá kĩ lưỡng, tuy nhiên việc ghép hai
cấu trúc này với nhau thì lại là vấn đề mới. Vấn đề đặt ra là khi ghép lại như thế thì
kĩ thuật điều chế kết hợp hai phần với nhau phải thực hiện như thế nào, và khi kết
hợp liệu cấu trúc mới này có còn đảm bảo được các chỉ tiêu kĩ thuật của biến tần ma
trận như dòng đầu vào hình sine, hệ số công suất gần bằng một nữa hay không?
Như đã phân tích ở trên, thiết kế điều khiển cho biến tần ma trận khi làm việc
như một bộ nguồn có nhiều khác biệt so với việc thiết kế điều khiển cho biến tần ma
trận làm việc với tải động cơ mà nhiều nghiên cứu đã quan tâm. Để có thể làm việc
được với tải không cân bằng và tải phi tuyến ngoài cấu trúc hợp lý thì cũng cần phải

có một cấu trúc điều khiển thích hợp để có thể đảm bảo chất lượng điện áp đầu ra
của bộ nguồn khi làm việc với các loại tải này vẫn nằm trong phạm vi cho phép.
Chính vì các lý do trên mà đề tài nghiên cứu đặt ra là :”Xây dựng hệ thống điều
khiển cho biến tần gián tiếp kiểu ma trận cho thiết bị cấp nguồn liên tục UPS”.
Trong bản luận văn này sẽ tập chung vào hai vấn đề chính đã phân tích ở trên là:
Nghiên cứu vấn đề điều chế cho biến tần ma trận điều chế gián tiếp 3 pha – 4 dây và
thiết kế hệ thống điều khiển cho biến tần này khi làm việc như một bộ nguồn (Cụ
thể là bộ nguồn UPS). Các thiết kế đều được kiểm chứng và đánh giá dựa trên phần
mềm mô phỏng Matlab – Simulink.

10


Chƣơng 1. TỔNG QUAN

1.1.

Tổng quan về biến tần ma trận

1.1.1. Giới thiệu về biến tần ma trận
Biến tần là một tập hợp các bộ biến đổi bán dẫn công suất có nhiệm vụ biến đổi
nguồn điện từ tần số và điện áp này (thường là cố định hoặc ít thay đổi và không
điều khiển được) thành nguồn điện có tần số và điện áp khác (thay đổi được và điều
khiển được), cung cấp cho các phụ tải xoay chiều [1]-[3].
Biến tần được phân chia làm hai loại: biến tần gián tiếp và biến tần trực tiếp.
Biến tần gián tiếp được xây dựng cơ bản dựa trên cấu trúc dùng bộ chỉnh lưu để
biến nguồn điện áp xoay chiều thành nguồn điện áp một chiều, tích trữ trong các
kho từ, dùng cuộn cảm, hoặc trong các kho điện dùng tụ điện, sau đó lại dùng một
bộ nghịch lưu để biến nguồn một chiều thành nguồn xoay chiều. Khâu trung gian
một chiều tạo ra một khâu độc lấp nhất định, biến đổi chậm, tách phần phụ tải ra

khỏi lưới điện.. 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 cần có thêm các
phần tử để tạo ra khâu trung gian một chiều như cuộn cảm hoặc tụ điện, đây là các
phần tử có kích thước lớn, nhanh bị lão hóa, độ tin cậy không cao làm giảm tuổi
thọ, giảm độ tin cậy, tăng kích thước, tăng tổn hao của bộ biến tần [1] – [3].
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. 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 một cách linh hoạt,
đây là đặc tính ưu việt nhất của biến tần trực tiếp so với biến tần gián tiếp, nhất là ở
dải công suất lớn và rất lớn. 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, đồng
thời tần số của điện áp ra bị giới hạn bởi tần số của nguồn xoay chiều đầu vào [1].

11


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.
Biến tần ma trận cũng là loại biến tần trực tiếp nên thừa hưởng đầy đủ các ưu
điểm của biến tần trực tiếp như đã nói ở trên tuy nhiên loại biến tần này có một số
đặc tính ưu việt so với các biến tần trực tiếp đã biết như có thể tạo ra điện áp ra hình
sin với biên độ và tần số thay đổi được không bị giới hạn bởi tần số của nguồn xoay
chiều đầu vào, 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, có thể

thiết kế thành dạng module đóng kín nên 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 trong rất nhiều các ứng dụng thay thế các biến tần truyền thống trước
đây.Chính vì những ưu điểm đó mà biến tần ma trận được coi là biến tần của thế kỉ
21 [9] – [10].
1.1.2. Cấu trúc biến tần ma trận [10]
Về cấu trúc cơ bản, biến tần ma trận được mô tả như trên hình 1.1
Matrix
converter

AC
input

AC
output

Input filter

Output filter

Clamp circuit

Hình 1.1. Cấu trúc cơ bản của bộ nguồn ứng dụng biến tần ma trận

12


Trong đó:
a. Input filter, Output filter: Là các bộ lọc đầu vào và đầu ra của biến tần để lọc

bỏ sóng hài bậc cao do quá trình chuyển mạch tần số cao cảu các van gay ra
để tránh ảnh hưởng tới nguồn điện cũng như tới tải.
b. Clamp circuit: Mạch clamp có nhiệm vụ bảo vệ các khóa bán dẫn khỏi hiện
tượng quá áp do nhiễu điện áp từ lưới hoặc do tải có tính cảm tạo ra khi bị cắt
đột ngột vì một sự cố nào đó.
c. Matrix converter: Ma trận các khóa bán dẫn bao gồm các khóa hai chiều điều
khiển hoàn toàn được tạo ra từ các khóa một chiều như IGBT, MOSFET như
trên hình 1.2. Và chúng được nối với nhau theo một ma trận van tùy theo
phương pháp điều chế mà sẽ có cách nối khác nhau, điều này sẽ được trình
bày trong mục 1.1.3.

Hình 1.2. Các khóa bán dẫn hai chiều sử dụng trong MC
(a. Sử dụng IGBT và diode,b. Hai IGBT mắc C chung,
c. Hai IGBT mắc E chung)
1.1.3. Phương pháp điều chế cho biến tần ma trận [10]
Về phương pháp điều chế cho biến tần ma trận có hai phương pháp chính là
phương pháp điều chế trực tiếp và phương pháp điều chế gián tiếp, từ đó biến tần
ma trận cũng chia làm hai loại chính là biến tần ma trận điều chế trực tiếp (DMC)
và biến tần ma trận điều chế gián tiếp (IMC), được thể hiện trên hình 1.3. Với
phương pháp điều chế trực tiếp, điện áp 3 pha đầu ra được điều chế trực tiếp từ điện
áp 3 pha đầu vào thông qua 9 van bán dẫn hai chiều được xắp xếp theo ma trận 3x3.
Còn ý tưởng của phương pháp điều chế gián tiếp là tạo ra khâu trung gian một chiều

13


ảo để tách biệt biến tần ma trận làm hai phần: Một phần điều chế phía lưới, đóng vai
trò như chỉnh lưu tạo ra một điện áp một chiều giữa hai điểm p và n. Sau đó một
khâu điều chế phía tải là một nghịch lưu nguồn áp thông thường biến điện áp một
chiều đó thành điện áp xoay chiều ở đầu ra. Với phương pháp điều chế này thì chỉ

có khâu điều chế phía lưới là cần sử dụng các khóa hai chiều, còn khâu điều chế
phía tải là một khâu nghịch lưu độc lập nguồn áp thông thường, nhờ đó có thể thừa
hưởng toàn bộ về cả phần cứng lẫn các kỹ thuật điều chế của nghịch lưu độc lập
nguồn áp đã được phát triển từ lâu.
P
A

A
a

a
B

b

Vdc

b
c

B
C

c

n

C

(a)

(b)

Hình 1.3. (a). Biến tần ma trận điều chế trực tiếp
(b). Biến tần ma trận điều chế gián tiếp
1.2.

Ảnh hƣởng của tải 3 pha không cân bằng và tải phi tuyến tới chất lƣợng
của nguồn cấp

1.2.1. Tải 3 pha không cân bằng
Tải 3 pha không cân bằng, nguyên nhân chủ yếu là do các tải 1 pha gây nên. Sự
không cân bằng giữa 3 pha tải có thể là sự không cân bằng về công suất hoặc sự
không cân bằng về hệ số công suất.
Khi tải 3 pha không cân bằng, do bộ biến đổi có nội trở và do tác dụng của bộ
lọc đầu ra, do điện trở của đường dây, nên điện áp 3 pha cũng bị mất cân bằng. Khi
đó điện áp của 3 pha sẽ bao gồm thành phần thứ tự thuận, thành phần thứ tự nghịch
và thành phần thứ tự không.

14


1.2.2. Tải phi tuyến
Tải phi tuyến thường gặp là các bộ biến đổi bán dẫn công suất, ví dụ bộ chỉnh
lưu diode. Khi đó dạng dòng điện không sin, bị méo dạng và cũng do nội trở của bộ
biến đổi cùng với tác dụng của mạch lọc dầu ra dẫn đến điện áp cũng bị méo dạng.
Khi điện áp bị méo không còn dạng sine chuẩn thì theo phân tích fourie, điện áp có
thể phân tích được thành: thành phần một chiều (thứ tự 0), thành phần sóng hài cơ
bản và các sóng hài bậc cao.
1.2.3. Ảnh hưởng của sự mất cân bằng điện áp và các sóng hài

Hệ thống điện áp 3 pha mất cân bằng hoặc chứa các thành phần sóng hài có thể
là nguyên nhân phá hỏng các thiết bị phụ tải điện.
Khi điện áp không cân bằng, trong thành phần của điện áp sẽ bao gồm cả thành
phần thứ tự nghịch và thành phần thứ tự không, hai thành phần này sẽ tạo ra các
thành phần dòng điện tương ứng chạy trong cuộn dây của các thiết bị cảm ứng điện
từ ( như động cơ điện, máy biến áp,…) làm tăng tổn thất và gây phát nhiệt trên các
thiết bị này. Nếu các thiết bị này đang làm việc ở gần chế độ định mức thì điều này
sẽ là nguyên nhân gây quá nhiệt và có thể phá hỏng thiết bị [4].
Để đánh giá sự mất cân bằng của điện áp, tỉ lệ phần trăm mất cân bằng được
đánh giá như sau [4]:

Trong đó:
và

: Là giá trị hiệu dụng của điện áp pha lớn nhất trong 3 pha,

: Là giá trị hiệu dụng của điện áp pha nhỏ nhất trong 3 pha
Va,Vb,Vc : Lần lượt là giá trị hiệu dụng của điện áp 3 pha a,b và c.
Bảng 1.1. là bảng thống kê thể hiện ảnh hưởng của sự mất cân bằng điện áp tới

các động cơ ở lớp cách điện A và B, khi các động cơ này chạy ở chế độ định mức.

15


Bảng 1.1. Ảnh hưởng của điện áp không cân bằng tới động cơ ở chế độ định mức [4]
%unbal

0

2

3.5

5

Thành phần dòng điện thứ tự ngược(%)

0

15

27

38

Tăng tổn thất (%)

0

9

25

50

Nhiệt độ của động cơ lớp A

60

65

75

90

Nhiệt độ của động cơ lớp B

80

85

100

120

Như vậy theo bảng 1.1. ta thấy rằng chỉ với độ mất cân bằng điện áp nhỏ cũng
đã gây ảnh hưởng lớn tới tổn thất và nhiệt độ của động cơ.
Sóng hài điện áp có thể là nguyên nhân gây quá áp lặp lại trên các hệ thống tụ
bù, tạo ra các sóng hài dòng điện chạy trong các thiết bị điện từ (như máy biến áp,
động cơ,…) làm tăng tổn thất và phát nhiệt trên thiết bị, gây ra các các sự cố quá
dòng trên một số thiết bị (ví dụ như cuộn hút rơle, cuộn hút công tắc tơ, cầu chì,…)
do hiệu ứng mặt ngoài,…
Để đánh giá mức độ sóng hài chứa trong thành phần điện áp, hệ số THD (Total
hamonic Distortion) được xác định như sau [6]:

Trong đó V1 : Là biên độ sóng hài cơ bản của điện áp
Vh: Là biên độ sóng hài bậc h của điện áp
Các thành phần sóng hài không những gây tăng tổn hao, gây phát nhiệt, mà
trong tải động cơ còn sinh ra các xung mô men có thể phá hủy trục động cơ.Trong

hệ thống điều khiển và truyền thông các sóng hài dòng điện là tác nhân gây nhiễu
bởi trường điện từ mà chúng sinh ra [6].
1.2.4. Giải pháp với tải không cân bằng và tải phi tuyến
Để các phụ tải không cân bằng và phụ tải phi tuyến không ảnh hưởng tới các
thiết bị khác sử dụng cùng nguồn điện thì cần phải có biện pháp để triệt tiêu thành
phần thứ tự ngược, thành phần thứ tự không và các thành phần sóng hài ở điện áp
của đầu ra bộ nguồn đó.

16


Cấu trúc biến tần ma trận 3 pha – 4 dây được đưa ra với mục đích như vậy, việc
có thêm dây thứ 4 ở phía tải cho phép điều khiển được điện áp điểm trung tính của
tải, nhờ đó ta có thể điều chỉnh điểm không của điện áp tải về đúng vị trí cân bằng
của nó.
Cũng tương tự cấu trúc biến tần ma trận 3 pha – 4 dây cũng có hai loại là điều
chế trực tiếp và điều chế gián tiếp. Cấu trúc biến tần ma trận 3 pha – 4 dây điều chế
trực tiếp được mô tả trên hình 1.4(a).
SAa

SAb

SAc

SAN

SBa

SBb

SBc

SBN

SCa

SCb

SCc

SCN

C

a

b

c

N

Hình 1.4.(a) Biến tần ma trận 3 pha – 4 dây điều chế trực tiếp
Theo tài liệu tham khảo số [25], tác giả đã đưa ra phương pháp điều chế vector
không gian và thiết kế bộ điều khiển cho biến tần ma trận 3 pha – 4 dây điều chế
trực tiếp trên hình 1.4(a), có khả năng làm việc với tải không cân bằng và tải phi
tuyến rất tốt, giữ nguyên được các ưu điểm của biến tần ma trận.
Tuy nhiên như đã phân tích, cấu trúc biến tần ma trận điều chế gián tiếp cho
phép kế thừa các thành tựu cả về phần cứng lẫn kĩ thuật điều khiển của nghịch lưu
nguồn áp. Hơn nữa nhờ có khâu trung gian một chiều, cho phép ta tích hợp thêm

phần tử tích trữ năng lượng để ứng dụng trong thiết bị cấp nguồn liên tục UPS. Vì
vậy trong luận văn này sẽ nghiên cứu loại biến tần ma trận điều 3 pha – 4 dây điều
chế gián tiếp như trên hình 1.4(b).

17


V1

V3

V5

V7

V9

V11

V13

A
a

B

Vdc

b
c

C
N

V2

V4

V6

V8

V10

V12

V14

Hình 1.4(b). Biến tần ma trận 3 pha – 4 dây điều chế gián tiếp
1.3.

Ứng dụng của biến tần ma trận 3 pha – 4 dây.
Với các ưu điểm của biến tần ma trận 3 pha – 4 dây đã phân tích ở trên, loại

biến tần này có thể ứng dụng vào nhiều lĩnh vực khác nhau, sau đây là một vài ứng
dụng cụ thể:
Là giao diện công suất giữa phụ tải 3 pha mất cân bằng, phụ tải phi tuyến, các
phụ tải 1 pha với nguồn điện cấp 3 pha để tránh ảnh hưởng tới chất lượng của
nguồn cấp. Giữa nguồn cung cấp với phụ tải có các thông số tiêu chuẩn khác
nhau(ví dụ cấp nguồn cho thiết bị dùng nguồn 60Hz,400Hz,..) hoặc yêu cầu cao về

chất lượng của nguồn cấp mà nguồn hiện có không đáp ứng được.
Ứng dụng làm giao diện công suất để phối hợp giữa hai hệ thống điện có các
thông số tiêu chuẩn khác nhau.
Tích hợp cùng các hệ thống máy phát phân tán như: máy phát sức gió, máy phát
dự phòng,… để làm giao diện giữa máy phát và phụ tải hoặc giữa máy phát và lưới
vì bản thân các nguồn này khó ổn định, giảm yêu cầu với hệ thống điều tốc.
Đặc biệt với cấu trúc của IMC, có khâu trung gian một chiều ảo cho phép tích
hợp thêm hệ thống tích trữ năng lượng để ứng dụng IMC vào thiết kế UPS online.
Cấu trúc UPS online được mô tả trên hình 1.5.

18


Mạch
Clamb

V1

V3

V5

V7

V9

V11

V13

A
a
b
c

Mạch
lọc đầu
vào

Mạch
lọc đầu
ra

D1

V2

Nạp
Acquy

V4

B
C
N

V6

V8

V10

V12

V14

Acquy

Hình 1.5. Cấu trúc UPS online ứng dụng biến tần ma trận 3 pha 4 dây.
1.4.

Mục tiêu nghiên cứu
Việc kết hợp giữa biến tần ma trận và nghịch lưu 3 pha 4 nhánh đã tạo ra một

bộ biến tần mới mang đầy đủ các ưu điểm của biến tần ma trận đồng thời lại có
thêm các ưu điểm của nghịch lưu 3 pha 4 nhánh van.
Vấn đề điều chế cho phía lưới của biến tần ma trận đã được nghiên cứu nhiều,
đồng thời vấn đề điều chế cho nghịch lưu 3 pha 4 nhánh van cũng đã được tìm hiểu
kĩ lưỡng. Tuy nhiên việc kết hợp điều chế giữa phía tải và phía lưới trong trường
hợp này thì lại là một vấn đề mới, liệu việc kết hợp điều chế giữa phía tải và phía
lưới với cấu trúc mới như hình 1.4 thì có đảm bảo được các tính chất như hệ số
công suất đầu vào bằng một nữa hay không?
Vấn đề thứ hai là khi biến tần ma trận làm việc như một bộ nguồn thì việc thiết
kế điều khiển cũng sẽ có nhiều khác biệt so với khi thiết kế điều khiển cho hệ tuyền
động động cơ.
Chính vì vậy mục tiêu nghiên cứu của luận văn đề ra gồm hai nội dung chính:
1. Nghiên cứu kỹ lưỡng phương pháp điều chế cho biến tần ma trận điều
chế gián tiếp 3 pha – 4 dây.

19

2. Thiết kế điều khiển cho biến tần ma trận điều chế gián tiếp 3 pha – 4
dây, khi làm việc như một bộ nguồn, có khả năng làm việc với tải 3 pha
không cân bằng và tải phi tuyến.
Như đã nói ở trên, UPS 3 pha – 4 dây chỉ là một trong các ứng dụng rất tốt của
biến tần ma trận điều chế gián tiếp 3 pha 4 dây. Theo cấu trúc UPS được đề xuất
trên hình 1.5, trong luận văn này chỉ tập trung thiết kế điều khiển cho phần quan
trọng nhất trong cấu trúc đó là biến tần ma trận điều chế gián tiếp 3 pha – 4 dây.

20


Chƣơng 2. NGHIÊN CỨU KĨ THUẬT ĐIỀU CHẾ CHO BIẾN TẦN MA
TRẬN ĐIỀU CHẾ GIÁN TIẾP 3 PHA – 4 DÂY
Sơ đồ biến tần ma trận gián tiếp 3 pha – 4 dây

2.1.

Sơ đồ biến tần ma trận điều chế gián tiếp 3 pha- 4 dây được chỉ ra trên hình 2.1.
Theo sơ đồ này cấu trúc biến tần ma trận được chia thành hai phần: Phần chỉnh lưu
với các van bán dẫn hai chiều BSD, phần nghịch lưu với các van bán dẫn một chiều,
dùng cấu trúc bốn nhánh van, ba nhánh cho ba pha và một nhánh cho dây trung tính,
cấu trúc này thích hợp cho tải không đối xứng và tải phi tuyến. Khâu một chiều ở
đây không dùng tụ, được gọi là khâu một chiều ảo.
V1

V3

V5

V7

V9

V11

V13

A
a

B

Vdc

b
c

C
N

V2

V4

V6

V8

V10

V12

V14

Hình 2.1. Biến tần ma trận gián tiếp 3 pha- 4 dây
Điều chế vectơ không gian cho biến tần ma trận gián tiếp 3 pha- 4 dây là điều
khiển các khóa bán dẫn đóng cắt theo một quy luật nhất định, nhằm đạt mục đích
điện áp đầu ra hình sin, dòng điện và điện áp đầu vào của biến tần trùng pha với
nhau.
Quá trình điều chế cho biến tần ma trận gián tiếp 3 pha- 4 dây đươc thực hiện
đồng thời ở hai phía: Phía lưới và phía tải. Trong mỗi chu kì trích mẫu, phía lưới
đưa ra một giá trị điện áp dây đầu vào tạo nên điện áp một chiều ảo, phía tải tạo nên
điện áp ba pha đầu ra với tần số và biên độ mong muốn.
21


Đối với phía lưới có thể thực hiện theo một trong hai kiểu sau: Phương pháp
điều chế vectơ không gian( SVM), phương pháp PWM. Đối với phía tải thực hiện
theo điều chế vectơ không gian 3D.
2.2.

Phƣơng pháp điều chế cho phía lƣới
Mạch lực phía lưới của biến tần ma trận gián tiếp 3 pha- 4 dây được chỉ ra trên

hình 2.2a. Giả thiết các van bán dẫn là lý tưởng, nghĩa là van chỉ hoạt động ở hai
trạng thái, khi ở trạng thái dẫn coi điện trở bằng không và khi khóa coi điện trở
bằng vô cùng(1- on, 0-off) lúc này mạch lực trên hình 2.2a có cấu trúc tương đương
như hình 2.2b.

V1

V3

V5

Sap

Sbp

Scp

a

a

Vdc

b
c

Vdc

b
c

San

V2

V4

Sbn

Scn

V6

Hình 2.2. a) mạch lục phía lưới; b) Sơ đồ thay thế của mạch lực phía lưới
Với mục đích nghiên cứu về mặt nguyên lý, ta giả thiết rằng tần số cắt mẫu lớn
hơn rất nhiều so với tần số cơ bản của nguồn áp vào và nguồn dòng phía đầu ra.
Như vậy trong suốt mỗi chu kì cắt mẫu, cả điện áp vào và dòng điện ra được coi là
không đổi. Giả thiết rằng nguồn áp đầu vào là nguồn cứng, khi đó điện áp phía một
chiều được quyết định bởi luật chuyển mạch của phía lưới và điện áp lưới, còn dòng
một chiều được xác định bởi quy luật điều chế phía tải và dòng đầu ra của biến tần.
Giả thiết hệ thống điện áp 3 pha đầu vào đối xứng và có dạng như (2.1):

22


(2.1)

Nhằm đơn giản hóa việc phân tích phía lưới, ta coi như không có bộ lọc ở phía
đầu vào. Do đó:
Lf = 0 ; R = 0 ; Cf = 0
Vx = Vsx ; isx = ix ; x = a, b, c

Hình 2.3. Các sectơ điện áp vào
Mục đích của việc điều chế phía lưới là nhằm duy trì điện áp một chiều dương
và duy trì hệ số công suất đầu vào gần bằng 1. Khi điện áp đầu vào là đối xứng, sẽ

có hai trường hợp xảy ra của điện áp lưới: Hai điện áp pha dương và một điện áp
pha âm ở các sectơ chẵn, hai điện áp pha âm và một điện áp pha dương ở các sectơ
lẻ, cả hai trường hợp này được thể hiện trên hình 2.3. Sau đây sẽ phân tích từng
trường hợp cụ thể.
a.

Trường hợp thứ nhất: Hai điện áp pha có giá trị dương và một điện áp pha có

giá trị âm.
Giả sử rằng điện áp pha A và pha B mang giá trị dương, pha C có giá trị âm. Có
thể thấy rằng:

|Vsc| = |Vsa| + |Vsb|
23

(2.2)


Trong trường hợp này khóa bán dẫn Scn phải được duy trì ở trạng thái dẫn
trong khi Sap, Sbp sẽ được điều chế.
Khi Sap dẫn, điện áp một chiều bằng Vac và mang giá trị dương. Tỉ số điều chế
của khóa bán dẫn Sap được tính như sau:
dac =

- cosθa
cosθc

(2.3)

Khi Sbp dẫn, điện áp một chiều bằng Vbc và cũng mang giá trị dương. Tỉ số điều

chế của khóa bán dẫn Sbp được tính như sau:
dbc =

- cosθb
cosθc

(2.4)

Giá trị trung bình của điện áp một chiều được tính như sau:
Vdc = dac.(Vsa - Vsc) + dbc.(Vsb - Vsc)

(2.5)

Thay (2.1), (2.3), và (2.4) vào (2.5) ta được:
Vdc= - cosθa ( Vmcosθc - Vmcosθa ) - cosθb( Vmcosθc - Vmcosθb )
cosθc
cosθc



2Л 
 - cosθb. sin(θa+Л) 
Vdc= - 3 Vm  cosθa. sin θa 3 
cosθc 



Vdc=
b.

3.Vm
2.|cosθc|

(2.6)

Trường hợp thứ hai: Hai điện áp pha có giá trị âm và một điện áp pha có giá

trị dương.
Giả thiết rằng điện áp pha A và pha B mang giá trị âm, pha C mang giá trị
dương. Khi đó:

|Vsc| = |Vsa| + |Vsb|

(2.7)

Trong trường hợp này khóa bán dẫn Scp phải được duy trì ở trạng thái dẫn trong
khi San, Sbn sẽ được điều chế.
Khi San dẫn, điện áp một chiều bằng Vca và mang giá trị dương. Tỉ số điều chế
của khóa bán dẫn San được tính như sau:

24


dac =

- cosθa
cosθc

(2.8)

Khi Sbn dẫn, điện áp một chiều bằng Vcb và mang giá trị dương. Tỉ số điều chế
của khóa bán dẫn Sbn được tính như sau:
dbc =

- cosθb
cosθc

(2.9)

Giá trị trung bình của điện áp một chiều trong một chu kì trích mẫu được tính
như sau:
Vdc = dac.(Vsa - Vsc) + dbc.(Vsb - Vsc )

(2.10)

Thay (2.1), (2.8) và (2.9) vào (2.10) ta được:
Vdc=

3.Vm
2.|cosθc|

(2.11)

Tương tự ta có thể xác định được trạng thái đóng cắt của các van và tỉ số điều
chế tương ứng cho tất cả các trương hợp cụ thể ( từng Sector) như

được thể hiện

trong bảng 2.1. Giá trị trung bình của điện áp một chiều trong mỗi một chu kì trích
mẫu được tính như sau:

Vdc =

3.Vm
2.cosθin

Trong đó : cos(θin) = max( |cos(θa)| , |cos(θb)| , |cos(θc)|)

25

(2.12)
(2.13)