Kỹ thuật điều chế vector không gian cho bộ biến đổi ma trận kiểu gián tiếp

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM
TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
----------------------------

NGUYỄN GIA HỒNG ANH

KỸ THUẬT ĐIỀU CHẾ VECTOR KHƠNG GIAN CHO BỘ
BIẾN ĐỔI MA TRẬN KIỂU GIÁN TIẾP
CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN
MÃ SỐ

: 60520202

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP.HỒ CHÍ MINH, tháng 06 năm 2016


CƠNG TRÌNH ĐƢỢC HỒN THÀNH TẠI
TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐHQG – HCM
Cán bộ hƣớng dẫn khoa học: .............................................................................
(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký)
Cán bộ chấm nhận xét 1: ....................................................................................
(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký)
Cán bộ chấm nhận xét 2: ....................................................................................
(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký)
Luận văn thạc sỹ đƣợc bảo vệ tại Trƣờng Đại Học Bách Khoa, ĐHQG Tp.
HCM ngày……..tháng………năm………
Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:
(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị của Hội đồng chấm bảo vệ luận văn thạc sĩ)
1. .......................................................

2. .......................................................
3. .......................................................
4. .......................................................
5. .......................................................
6. .......................................................
Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV và Trƣởng Khoa quản lý chuyên
ngành sau khi luận văn đã đƣợc sửa chữa (nếu có).
CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG

TRƢỞNG KHOA………………


ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ tên học viên: Nguyễn Gia Hoàng Anh

MSHV: 13181099

Ngày, tháng, năm sinh: 06/03/1988

Nơi sinh: Ninh Thuận

Chuyên nghành: Kỹ thuật điện

Mã số: 60520202

I. TÊN ĐỀ TÀI: KỸ THUẬT ĐIỀU CHẾ VECTOR KHÔNG GIAN CHO BỘ
BIẾN ĐỔI MA TRẬN KIỂU GIÁN TIẾP
II. NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:
1. Tìm hiểu cấu hình bộ biến đổi ma trận gián tiếp (Indirect Matrix Converter).
2. Giải thuật điều chế vector không gian cho bộ biến đổi ma trận gián tiếp.
3. Mô phỏng bộ biến đổi ma trận gián tiếp bằng phần mềm PSIM.
4. Thiết kế mơ hình thực nghiệm bộ biến đổi ma trận gián tiếp.
III. Ngày giao nhiệm vụ: 06/07/2015
IV. Ngày hoàn thành nhi ệm vụ: 17/07/2016
V. Cán bơ hƣớng dẫn: TS. Nguyễn Đình Tun
Tp. HCM ngày….., tháng….., năm 20..…
CÁN BỘ HƢỚNG DẪN

CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO

(Họ tên và chữ ký)

(Họ tên và chữ ký)

TRƢỞNG KHOA ………
(Họ tên và chữ ký)


LỜI CẢM ƠN

Tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành nhất đến quý Thầy, Cô trong Trường Đại
Học Bách Khoa Tp. Hồ Chí Minh đã nâng đỡ và dìu dắt, truyền đạt cho tôi những

kiến thức và kinh nghiệm quý báu nhất trong suốt q trình tơi học tập ở trường.
Tôi xin trân trọng gửi lời cảm ơn đến tất cả quý Thầy, Cô trong khoa Điện –
Điện Tử, Bộ Môn Cung Cấp Điện, PTN Nghiên cứu Điện Tử Công Suất và đặc biệt
là thầy Nguyễn Đình Tuyên đã tận tình hướng dẫn, giúp đỡ, tạo mọi điều kiện thuận
lợi cho tơi hồn thành tốt luận văn tốt nghiệp này.
Tơi xin cảm ơn gia đình, những người thân đã cho tôi những điều kiện tốt nhất
để học tập trong thời gian dài. Ngồi ra tơi xin gửi lời cảm ơn đến tất cả những
người bạn của tôi, những người đã cùng gắn bó, cùng học tập và giúp đỡ tơi trong
những năm qua cũng như trong suốt quá trình thực hiện luận văn tốt nghiệp.

TP. Hồ Chí Minh, tháng 06 năm 2016
Nguyễn Gia Hoàng Anh


TÓM TẮT LUẬN VĂN
Luận văn nghiên cứu về cấu trúc của bộ biến đổi ma trận gián tiếp, giải thuật
điều chế độ rộng xung PWM (Pulse Width Modulation). Đồng thời, trong phần thực
nghiệm, luận văn cũng đề xuất phƣơng pháp chỉ sử dụng các module epwm của
DSP TMS320F28335 để thực hiện việc xuất xung, tránh việc thêm vào mạch
FPGA/CPLD nhằm giảm giá thành và độ phức tạp trong bộ điều khiển.
Trên cơ sở nghiên cứu, phƣơng pháp điều chế vector khơng gian đƣợc phân
tích, tính tốn và áp dụng để thực hiện việc xuất xung điều khiển cho cả phần chỉnh
lƣu và nghịch lƣu của bộ biến đổi ma trận gián tiếp. Kết quả đƣợc kiển chứng thông
qua mô phỏng và thực nghiệm.
Luận văn gồm 4 chƣơng:
-

Chƣơng 1: Giới thiệu tổng quan về đề tài.

-

Chƣơng 2: Trình bày cấu hình và kỹ thuật điều chế vector không gian cho bộ
indirect matrix converter.

-

Chƣơng 3: Mơ hình hóa và mơ phỏng bộ indirect matrix converter bằng phần
mềm PSIM.

-

Chƣơng 4: Thiết kế mô hình thực nghiệm và trình bày phƣơng pháp sử dụng
các module epwm của DSP để xuất xung điều khiển bộ indirect matrix
converter.


ABSTRACT
This paper presents a modulation scheme for the Indirect Matrix Converter
(IMC) topology. The proposed method uses the space vector modulation (SVPWM)
technique to control the converter’s rectifier stage and inverter stage. This method
achieved the maximum modulation ratio of 0.866 with sinusoidal input/output current
waveforms.
On the other hand, a simple real-time implementation method avoiding
additional CPLD or FPGA devices is introduced. This technique is verified through
simulation results using PSIM software and experimental results a 32-bit fixed-point
DSP (TMS 320F28335).
The thesis includes four chapters:
-

Chapter 1: Introduce the thesis overview.

-

Chapter 2: Present the structure and Space Vector Pulse Width Modulation
method of the Indirect Matrix Converter.

-

Chapter 3: Perform simulations by PSIM software.

-

Chapter 4: Design experimental model to estimate and verify the theory and
present an implementation method that uses only the epwm modules of the
DSP.


LỜI CAM ĐOAN
Tác giả xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của bản thân tác giả. Các
kết quả nghiên cứu và các kết luận nêu trong luận văn là trung thực và không sao
chép từ bất kỳ một nguồn nào và dƣới bất kỳ hình thức nào. Việc tham khảo tài liệu
đã đƣợc thực hiện trích dẫn và ghi nguồn tài liệu tham khảo đúng theo yêu cầu.

Tác giả luận văn
Nguyễn Gia Hoàng Anh


MỤC LỤC
CHƢƠNG 1: TỒNG QUAN ..................................................................................................... 1
1.1 Lý do chọn đề tài: ......................................................................................................... 1

1.2 Đối tƣợng và mục tiêu nghiên cứu:................................................................................. 1
1.3 Phạm vi và phƣơng pháp nghiên cứu: ............................................................................. 2
1.4 Hƣớng phát triển đề tài: ................................................................................................. 2
1.5 Ý nghĩa khoa học của đề tài: .......................................................................................... 2
1.6 Ý nghĩa thực tiễn của đề tài: .......................................................................................... 2
1.7 Tổng quan các bài báo có liên quan đến đề tài:................................................................ 2
CHƢƠNG 2: CẤU HÌNH CỦA BỘ INDIRECT MATRIX CONVERTER .................................. 4
2.1 Giới thiệu tổng quan về bộ biến đổi AC/AC:................................................................... 4
2.1.1 Sơ lƣợc về sự phát triển của Matrix Coverter: ............................................................ 6
2.1.2 Những khó khăn và phân loại:................................................................................... 7
2.2 Cấu trúc của bộ Indirect Matrix Converter ...................................................................... 8
2.3 Phân tích bộ Indirect Matrix Converter......................................................................... 10
2.3.1 Phƣơng pháp điều biến độ rộng xung hình sin (SPWM): ........................................... 11
2.3.2 Ứng dụng phƣơng pháp điều chế vector không gian cho IMC (SV-PWM): ................ 12
2.3.3 Thực hiện kỹ thuật số điều khiển vector ................................................................... 26
CHƢƠNG 3: MÔ HÌNH HĨA VÀ MƠ PHỎNG BỘ INDIRECT MATRIX CONVERTER ....... 28
3.1 Phân tích lựa chọn thuật tốn mơ phỏng: ...................................................................... 28
3.2 Mơ phỏng luật điều khiển đóng ngắt các khóa công suất................................................ 28
3.2.1 Giới thiệu chung về mạch điều khiển và cơng suất.................................................... 28
3.2.2 Xây dựng mơ hình IMC bằng PSIM ........................................................................ 29
3.3 Kết quả mô phỏng....................................................................................................... 32
3.4 Kết luận chƣơng 3....................................................................................................... 37
CHƢƠNG 4: THỰC NGHIỆM BỘ INDIRECT MATRIX CONVERTER................................. 38
4.1. Phƣơng pháp thực nghiệm: .......................................................................................... 38
4.2. Mơ hình thực nghiệm .................................................................................................. 38
4.2.1. Sơ đồ khối cấu trúc phần cứng ................................................................................ 38
4.2.2 Mạch nguồn........................................................................................................... 39
4.2.3 Mạch điều khiển .................................................................................................... 40
4.2.4 Mạch lái ................................................................................................................ 42

4.2.5 Mạch công suất...................................................................................................... 44
4.3 Phƣơng pháp thực hiện thời gian thực cho bộ Indirect Matrix Converter......................... 47
4.3.1 Giới thiệu về module ePWM................................................................................... 48
4.3.2 Lập trình tạo xung PWM cho bộ Indirect Matrix Converter........................................ 52
4.4 Kết quả thực nghiệm...................................................................................................... 59
4.5 Kết luận chƣơng 4 ......................................................................................................... 70
KẾT LUẬN ........................................................................................................................... 71
TÀI LIỆU THAM KHẢO ....................................................................................................... 73


DANH MỤC HÌNH ẢNH
Hình 2.1: Bộ biến đổi AC/AC với: a) DC-link nguồn áp (U-BBC) và b) DC-link
nguồn dịng (I-BBC).
Hình 2.2: Bộ biến đổi matrix cơ bản: a) Conventional (direct) Matrix Converter
(CMC) b) Conventional Indirect Matrix Converter (IMC).
Hình 2.3: Phân loại bộ biến đổi AC/AC.
Hình 2.4: Sơ đồ Indirect Matrix Converter.
Hình 2.5: Định nghĩa sector của tầng chỉnh lƣu.
Hình 2.6: Sơ đồ mạch tƣơng đƣơng của IMC trong phần 1, sector 2.
Hình 2.7: Sơ đồ mạch tƣơng đƣơng của IMC trong phần 2, sector 2.
Hình 2.8: Sơ đồ mạch tƣơng đƣơng của IMC trong phần 1, sector 5.
Hình 2.9: Sơ đồ mạch tƣơng đƣơng của IMC trong phần 2, sector 5.
Hình 2.10: Biểu đồ vector khơng gian của tầng chỉnh lƣu.
Hình 2.11: Định nghĩa sector của tầng nghịch lƣu.
Hình 2.12: Biểu đồ vector khơng gian tầng nghịch lƣu.
Hình 2.13 : Biểu đồ vector khơng gian của tầng nghịch lƣu.
Hình 2.14: Sự phối hợp giữa trạng thái đóng ngắt tầng chỉnh lƣu và nghịch lƣu.
Hình 2.15: Thực hiện kỹ thuật số của hệ thống điều khiển vector.
Hình 3.1: Sơ đồ khối mạch điều khiển và mạch cơng suất.

Hình 3.2: Sơ đồ mơ phỏng khối tổng quan của IMC.
Hình 3.3: Sơ đồ mơ phỏng khối nguồn.
Hình 3.4: Sơ đồ mơ phỏng khối cơng suất.
Hình 3.5: Sơ đồ mơ phỏng khối cơng suất.
Hình 3.6: Sơ đồ mơ phỏng khối điều khiển.
Hình 3.7: Dạng xung kích của các khóa tầng chỉnh lƣu.
Hình 3.8: Thời điểm chuyển mạch của các khóa tầng chỉnh lƣu và nghịch lƣu.
Hình 3.9: Kết quả mơ phỏng của điệp áp và dịng điện một chiều.
Hình 3.10: Kết quả mơ phỏng của điện áp pha, dòng điện pha ngõ vào và dòng vào
bộ IMC.


Hình 3.11: Kết quả mơ phỏng của dịng điện pha và điện áp dây ngõ ra.
Hình 3.12: Kết quả mơ phỏng lệch pha giữa điện áp pha và dòng điện pha ngõ vào.
Hình 3.13: Phân tích FFT của dịng điện nguồn sau lọc.
Hình 3.14: Phân tích FFT của dịng điện tải.
Hình 4.1: Sơ đồ khối thực nghiệm bộ IMC.
Hình 4.2: Sơ đồ ghép nối thực tế.
Hình 4.3: Hình ảnh thực tế nguồn DC và AC.
Hình 4.4: DSP TMS320F28335.
Hình 4.5: Sơ đồ khối mạch điều khiển.
Hình 4.6: Mạch điều khiển thực tế.
Hình 4.7: Sơ đồ khối mạch lái.
Hình 4.8: Mạch lái thực tế.
Hình 4.9: Sơ đồ nguyên lý của FIO 50-12BD.
Hình 4.10: Sơ đồ nguyên lý của IGBT STGW40N12KD.
Hình 4.11: Sơ đồ layout mạch cơng suất.
Hình 4.12: Mạch cơng suất thực tế.
Hình 4.13: Sơ đồ khối của module ePWM.
Hình 4.14: Sơ đồ giải thuật.

Hình 4.15: Dạng xung kích của tầng chỉnh lƣu thuộc sector 1.
Hình 4.16: Dạng xung kích của hai khóa đối nghịch tầng nghịch lƣu.
Hình 4.17: Tải RL thực tế.
Hình 4.18: Dạng xung kích của các khóa phía chỉnh lƣu.
Hình 4.19: Điện áp 1 chiều Vdc.
Hình 4.20: Điện áp dây tải.
Hình 4.21: Điện áp pha tải.
Hình 4.22: Dịng điện tải.
Hình 4.23: Dịng điện nguồn trƣớc lọc.
Hình 4.24: Dịng điện nguồn sau lọc.
Hình 4.25: Điện áp 1 chiều Vdc.
Hình 4.26: Dòng điện tải.


Hình 4.27: Điện áp dây tải.
Hình 4.28: Điện áp pha tải.
Hình 4.29: Dịng điện nguồn trƣớc lọc.
Hình 4.30: Dịng điện nguồn sau lọc.
Hình 4.31: Điện áp 1 chiều Vdc.
Hình 4.32: Dịng điện tải.
Hình 4.33: Điện áp dây tải.
Hình 4.34: Điện áp pha tải.
Hình 4.35: Dịng điện nguồn trƣớc lọc.
Hình 4.36: Dòng điện nguồn sau lọc.


DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 2.1: Trạng thái đóng ngắt các khóa và điện áp DC của mỗi sector.
Bảng 2.2: Tỉ lệ thời gian đóng của 6 vector chuẩn ở phía chỉnh lƣu.
Bảng 2.3: Các vector chuẩn của tầng chỉnh lƣu.

Bảng 2.4: Trạng thái của IMC và vector ngõ ra (Vsa>Vsb>Vsc).
Bảng 4.1: Thông số kỹ thuật của IGBT FIO 50-12BD.
Bảng 4.2: Thông số kỹ thuật của IGBT STGW40N12KD.
Bảng 4.3: Những sự kiện ngõ vào của submodul action-qualifier.
Bảng 4.4: Mô tả các bit của thanh ghi AQCSFRC.
Bảng 4.5: Thứ tự ƣu tiên các sự kiện ngõ vào của submodule action-qualifier ở chế
độ Up-count.
Bảng 4.6: Giá trị thanh ghi so sánh và hai bit CSFA/CSFB trong 6 sector.
Bảng 4.7: Giá trị thanh ghi so sánh trong 6 sector.


1

CHƢƠNG 1: TỒNG QUAN
1.1 Lý do chọn đề tài:
Ngày nay, khoa học kỹ thuật tiến bộ và không ngừng phát triển. Những thiết bị
đƣợc chế tạo ra nhằm mục đích phục vụ lợi ích con ngƣời đƣợc cải thiện rất nhiều
về mặt chất lƣợng, đặc biệt là trong lĩnh vực điện tử công suất, đƣợc ứng dụng rộng
rãi trong hầu hết các ngành công nghiệp hiện đại. Dựa vào các bộ biến đổi đƣợc xây
dựng dựa trên các phần tử bán dẫn cơng suất (Diode, Transistor, Thysistor,
IGBT…) có thể điều khiển đƣợc các nguồn năng lƣợng thay đổi các tham số cung
cấp cho phụ tải điện.
Công nghệ chế tạo phần tử bán dẫn, đã cho ra đời rất nhiều loại van bán dẫn với
những ƣu điểm hơn so với trƣớc kia nhƣ là tần số chuyển mạch nhanh, khả năng
chịu dòng và áp lớn, chắc chắn, hiệu suất cao, độ tin cậy đảm bảo. Vì vậy, chúng
đóng một vai trị rất quan trọng trong các bộ biến đổi điện tử cơng suất điển hình là
bộ biến tần, đƣợc dùng để biến đổi nguồn áp với các thông số điện áp và tần số
không đổi, thành nguồn điện áp với điện áp và tần số thay đổi đƣợc. Sự ra đời của
bộ biến đổi Matrix Converter là một bƣớc tiến vƣợt bậc của cơng nghiệp điện tử
cơng suất, có ý nghĩa rất quang trọng trong việc biến đổi điện năng.

Sự phát triển mạnh mẽ của kỹ thuật vi xử lý, kỹ thuật điều khiển số cùng với
các hệ thống điều khiển tự động thông minh và hiện đại đã làm cho bộ Matrix
Converter làm việc tin cậy, dãi điều khiển rộng, chắc chắn và hiệu suất cao hơn.
Matrix Converter (MC) có nhiều ƣu thế hơn các biến tần truyền thống nhờ khả
năng trao đổi năng lƣợng với lƣới một cách liên tục, hiệu suất cao do chỉ có một lần
biến đổi năng lƣợng, khơng phải qua khâu trung gian tích lũy năng lƣợng. MC
khơng có phần tử trung gian cồng kềnh, tuổi thọ làm việc thấp, làm giảm đáng kể
kích thƣớc, giảm giá thành, tăng độ tin cậy làm việc. MC cịn cho phép điều chỉnh
đƣợc hệ số cơng suất cos(  ) đầu vào, cho dịng vào áp ra có dạng hình sin.
1.2 Đối tƣợng và mục tiêu nghiên cứu:
Đối tƣợng nghiên cứu của đề tài là bộ biến đổi Indirect Matrix Converter
(IMC). Phân tích q trình chuyển mạch của các van đóng ngắt trong IMC, xây


2

dựng thuật tốn điều chế vector khơng gian (Space Vector Modulation) để điều
khiển 2 tầng chỉnh lƣu (Rectifier) và nghịch lƣu (Inverter). Sự kết hợp trạng thái
đóng ngắt của tầng chỉnh lƣu và nghịch lƣu để thu đƣợc sự cân bằng của dòng điện
ngõ vào và điện áp ngõ ra. Ngoài ra, phƣơng pháp thực nghiệm chỉ sử dụng DSP
tránh việc thêm vào những thiết bị nhƣ CPLD hoặc FPGA.
1.3 Phạm vi và phƣơng pháp nghiên cứu:
Để thực hiện đề tài này cần kết hợp 3 phƣơng pháp sau:
- Nghiên cứu lý thuyết: Dựa trên những bài báo đã đƣợc cơng bố trên các tập chí
uy tín và những kiến thức nền tảng học từ các Thầy, Cô.
- Mô phỏng: sử dụng phần mềm PSIM 9.1 kết hợp với ngôn ngữ lập trình C để
thiết kế, mơ phỏng bộ biến đổi IMC (gồm 12 khóa IGBT) với thuật tốn điều chế
vector không gian.
- Thực nghiệm: qua mạch điều khiển thực tế DSP TMS320F28335 để kiểm chứng
kết quả mô phỏng.

1.4 Hƣớng phát triển đề tài:
Do ảnh hƣởng bộ lọc LC của lƣới điện đầu vào IMC, nên làm cho góc pha của
dòng và áp bị lệch nhau, dẫn đến hệ số công suất giảm, điều này làm giảm hiệu suất
làm việc của hệ thống. Việc bù hệ số công suất ngõ vào của IMC nhằm cải thiện
chất lƣợng điện năng.
1.5 Ý nghĩa khoa học của đề tài:
Đề xuất cấu hình của bộ Indirect Matrix Converter cũng nhƣ giải thuật điều chế
độ rộng xung PWM. Mạch thực nghiệm chỉ sử dụng DSP tránh việc thêm vào
những thiết bị nhƣ CPLD hoặc FPGA, điều này làm cho mạch điều khiển trở nên
gọn nhẹ, dễ dàng thực hiện, giảm giá thành.
1.6 Ý nghĩa thực tiễn của đề tài:
Kết quả của đề tài tạo cơ sở cho việc phát triển và ứng của bộ Indirect Matrix
Converter vào trong chế tạo và điều khiển của bộ biến tần trong thực tế.
1.7 Tổng quan các bài báo có liên quan đến đề tài:


3

1.7.1 A Carrier-Based Pulse Width Modulation Method for Indirect Matrix
Converters (tác giả: Tuyen D. Nguyen, Hong-Hee Lee, Tae-Won Chun)
Bài báo giới thiệu cấu hình cơ bản của bộ Indirect Matrix Converter, trình bày
mối quan hệ giữa hai phƣơng pháp điều chế vector khơng gian và phƣơng pháp
sóng mang. Từ đó tác giả chọn phƣơng pháp sóng mang để thực hiện nghiên cứu, vì
ƣu điểm của phƣơng pháp này là dễ thực hiện, cơng thức tính tốn ít. Ngồi ra, tác
giả cịn thực hiện việc bù điện áp offset vào tín hiệu điều chế, để giá trị điện áp ngõ
ra đạt đƣợc 0.866 của điện áp ngõ vào. Thực nghiệm, tác giả sử dụng DSP kết hợp
với FPGA để kiểm chứng lý thuyết.
1.7.2 Modulation Strategies to Reduce Common-Mode Voltage for Indirect
Matrix Converters (tác gi ả: Tuyen D. Nguyen and Hong-Hee Lee)
Bài báo trình bày các phƣơng pháp giảm điện áp common mode khi ứng dụng

bộ indirect matrix converter vào điều khiển động cơ. Tác giả đã đƣa ra hai giải pháp
để thực hiện, giải pháp thứ nhất là sử dụng cặp đôi vector không gian khác không
một cách phù hợp thay vì sử dụng vector khơng ở tầng nghịch lƣu, giải pháp thứ hai
chọn điện áp dây ngõ vào là trung bình và thấp nhất ở tầng chỉnh lƣu để phát ra điện
áp DC-link đồng thời phía nghịch lƣu chọn vector khơng thích hợp.Tác giả đã sử
dụng giải thuật vector khơng gian để thực hiện hai giải pháp trên. Sử dụng DSP và
FPGA để thực nghiệm.
1.7.3 An Efficient DSP-FPGA-Based Real-TimeImplementation Method of
SVM Algorithms for an Indirect Matrix Converter (tác gi ả: Mahmoud
Hamouda, Handy Fortin Blanchette)
Bài báo đã đề xuất phƣơng pháp thực hiện thời gian thực sử dụng DSP kết hợp
FPGA với giải thuật điều chế vector không gian cho bộ indirect matrix converter.


4

CHƢƠNG 2: CẤU HÌNH CỦA BỘ INDIRECT MATRIX CONVERTER
Chương 2 trình bày cụ thể cấu hình và cách tạo xung kích đóng ngắt các khóa của
bộ IMC theo phương pháp điều chế vector không gian.
2.1 Giới thiệu tổng quan về bộ biến đổi AC/AC:
Bộ biến đổi AC/AC là bộ chuyển đổi từ một nguồn 3 pha có biên độ và tần số
cố định để cấp cho tải 3 pha với tần số và biên độ thay đổi. Hai cấu trúc của bộ biến
đổi AC/AC với DC-link nguồn áp và DC-link nguồn dòng đƣợc sử dụng chủ yếu
ngày nay đƣợc thể hiện hình 2.1. Trong trƣờng hợp DC-link nguồn áp, phía chỉnh
lƣu, cầu diode đƣợc sử dụng để tạo điện áp DC. Trong khi đó cầu thysistor đối song
song đƣợc gắn phía nguồn để điều khiển dịng cơng suất từ tải trả về nguồn. Những
khó khăn ở đây là sự méo dạng của nguồn điện khá cao, cuộn cảm lọc phía nguồn
rất lớn và cồng kềnh so với tụ điện.

Hình 2.1: Bộ biến đổi AC/AC với: a) DC-link nguồn áp (U-BBC) và b) DC-link

nguồn dòng (I-BBC).


5

Từ những khó khăn trên, một họ của bộ biến đổi AC/AC với dịng chảy cơng
suất hai chiều có thể đƣợc thực hiện bằng cách kết hợp hai tầng, một tầng chỉnh lƣu
(PWM rectifier) và một tầng nghịch lƣu (PWM inverter) thơng qua DC-link. DClink đóng vai trị một kho tích trữ năng lƣợng chung cho cả hai tầng, nhƣ là tụ C
dùng cho DC-link nguồn áp (U-BBC) hoặc cuộn cảm L dùng cho DC-link nguồn
dòng (I-BBC).
Phần tử lƣu trữ năng lƣợng của DC-link, có lợi thế là cả hai tầng biến đổi đƣợc
tách biệt ra dễ dàng điều khiển. Hơn nữa, nhờ có khâu trung gian một chiều, phía
nghịch lƣu sẽ làm việc tƣơng đối độc lập với phía chỉnh lƣu. Mặc khác, việc có mặt
của phần tử tích năng lƣợng làm cho bộ biến đổi trở nên cồng kềnh, tuổi thọ bị hạn
chế.
Với mục tiêu đòi hỏi hiệu suất làm việc và độ tin cậy cao, ngƣời ta đã đƣa ra
một bộ biến đổi AC/AC gọi là Matrix Converter, đƣợc coi là nhiều ƣu thế hơn so
với những bộ biến đổi truyền thống. Vì có thể thực hiện việc biến đổi tần số và điện
áp, mà không cần có thêm các phần tử tích trữ năng lƣợng trung gian, nhƣ tụ điện
có tuổi thọ hạn chế hay cuộn cảm có kích thƣớc lớn, nhƣ vậy sẽ khơng u cầu
nhiều tầng biến đổi công suất và hiệu suất đƣợc tăng lên rõ rệt khi hoạt động ở tần
số đóng ngắt cao.
Vì gồm các khóa 2 chiều nên tạo ra dịng chảy cơng suất theo 2 hƣớng lƣới
đến tải và tải về lƣới, dẫn đến khả năng tái sinh năng lƣợng trả về lƣới, đồng thời có
thể hoạt động ở 4 góc phần tƣ mà khơng cần điều chỉnh phía đầu vào bộ biến đổi,
do đó nếu tải là động cơ thì có thể dễ dàng chuyển đổi chế độ làm việc từ chế độ
động cơ sang chế độ hãm tái sinh và ngƣợc lại.
Hình 2.2a biểu diễn bộ biến đổi ma trận trực tiếp ( Conventional direct Matrix
Converter – CMC), sự biến đổi điện áp và dòng điện đƣợc thực hiện một cách trực
tiếp trong một tầng. Ngoài ra, trong hình 2.2b thể hiện bộ biến đổi đƣợc chia làm 2

tầng, đƣợc thực hiện gián tiếp thông qua khâu trung gian ảo (Indirect Matrix
Converter – IMC). Giống nhƣ bộ biến đổi U-BBC và I-BBC, hai tầng riêng biệt tạo
ra nguồn áp và nguồn dịng, nhƣng khâu trung gian khơng chứa phần tử tích trữ
năng lƣợng (tụ điện hoặc cuộn cảm).


6

Hình 2.2: Bộ biến đổi matrix cơ bản: a) Conventional (direct) Matrix Converter
(CMC) b) Conventional Indirect Matrix Converter (IMC).
2.1.1 Sơ lƣợc về sự phát triển của Matrix Coverter:
Một trong những đề xuất đầu tiên Gyugyi và Pelly (năm 1976) đã đƣa ra
nguyên lý của bộ biến tần trực tiếp sử dụng khóa 2 chiều để nhận đƣợc tần số đầu ra
không bị hạn chế. Nhƣợc điểm là xuất hiện nhiều hài bậc cao khơng mong muốn
của dịng vào và áp ra.
Venturini và Alesina (1980 – 1981) đã giải quyết đƣợc vấn đề này, họ đã đƣa ra
một thuật toán điều biến PWM mới có thể tạo dịng điện vào và điện áp ra hình sin
với tần số thay đổi đồng thời điều khiển đƣợc hệ số công suất đầu vào. Đến năm
1989 hai ơng đã điều chỉnh lại thuật tốn ban đầu đã tạo ra đƣợc tỉ số truyền giữ
điện áp ra và điện áp vào tối đa là 0.866.
Năm 1991 In Roy và April, Ishiguro đã đƣa ra một lớp các thuật tốn vơ hƣớng
dựa trên việc so sánh vô hƣớng các giá trị điện áp vào tức thời và tạo dịng điện ra
hình sin theo ngun tắt dịng điện vào mỗi pha tỉ lệ với điện áp vào trên pha đó
trong chu kì lấy mẫu. Vấn đề thời gian thực của thuật toán điều khiển yêu cầu nhiều
lần so sánh ở mỗi lần lấy mẫu sẽ yêu cầu thời gian tính tốn của các bộ vi xử lý cao.


7

Tiếp theo là phƣơng pháp tạo điện áp đầu ra sử dụng điều biến vector không

gian (Space Vector Modulation), thuật toán này sử dụng phƣơng pháp điều biến độ
rộng xung (Pulse Width Modulation) cải thiện đáng kể điện áp ngõ ra tuy nhiên
chất lƣợng dạng sóng của dịng điện vào bị suy giảm.
Những nghiên cứu khác gần đây (1992 – 1998) chủ yếu tập trung vào việc
tăng hiệu suất của Matrix Converter bằng cách giảm tối đa tổn hao đóng cắt nhờ
thực hiện dịng zero khi đóng và áp zero khi mở nhƣng đòi hỏi các phần tử phụ
thêm vào cấu trúc khóa 2 chiều.
2.1.2 Những khó khăn và phân loại:
Matrix Converter sẽ là một công nghệ lý tƣởng trong tƣơng lai cho những ứng
dụng có nhiệt độ cao và kích thƣớc nhỏ gọn, khi đó sẽ khơng cần tụ điện sẽ là một
thuận lợi rất có ý nghĩa vì tụ chịu đƣợc ở nhiệt độ cao thƣờng rất hiếm và đắt. Mặc
dù trong những thập kỷ qua đã có nhiều nghiên cứu sâu nhƣng cho đến nay chỉ đạt
đƣợc sự thâm nhập vào công nghiệp thấp. Một bất lợi lớn nhất khiến Matrix
Converter đã khơng có khả năng cạnh tranh trên thị trƣờng là tỉ số truyền điện áp bị
hạn chế. Thêm vào đó số lƣợng van bán dẫn nhiều (18 IGBT và 18 Diode), do đó
dẫn đến vấn đề điều khiển sẽ phức tạp, đồng thời modun công suất vẫn chƣa đƣợc
sản xuất một cách tối ƣu. Những bất lợi khác là khả năng chống lại dao động điện
áp phía nguồn kém, và nhƣ vậy cần có mạch phụ gồm những phần tử phản kháng để
cải thiện dạng sóng dịng vào và đồng thời để bảo vệ Matrix Converter chống lại các
sự cố khi xảy ra quá dòng hoặc quá áp. Tuy năng lƣợng tổn hao trong các phần tử
phản kháng này sẽ nhỏ hơn nhiều so với các bộ biến đổi có phần tử tích trữ năng
lƣợng, nhƣng sẽ làm tăng kích thƣớc và giá thành, điều nay sẽ làm giảm ƣu thế hơn
so với bộ biến đổi truyền thống.
Đặc biệt sự ra đời của nhóm Sparse Matrix Converter (SMC) và Hybrid Matrix
Converter (HMC) là một hỗn hợp giữa ma trận và bộ biến đổi một chiều (DC-link
converter). Hình 2.3 là sơ đồ biểu diễn sự phân loại các bộ biến đổi AC/AC.


8

AC/AC Converter

Converter with
DC-link

AC/DCDC/AC
Converter
With
Voltage
DC-link
(U-BBC)

Hybrid
Matrix Converter

AC/DCDC/AC
Converter
with
Current
DC-link
(I-BBC)

Hybrid
Direct
Matrix
Converter
(HCMC)

Conventional
Matrix

Converter
(CMC)

Full Bridge
Matrix
Converter
(Open
Motorwindings)

Hybrid
Indirect
Matrix
Converter
(HIMC)

AC/DCDC/AC
Converter
without
DC-link
Capacitor

Matrix Converter

Direct
Matrix
Converter

Indirect
Matrix
Converter

Indirect
Matrix
Converter

Sparse
Matrix
Converter
(SMC)
(VSMC)
(USMC)

Three-level
Maì dạng xung của khóa Sun đƣợc tạo ra bằng cách lấy đảo tin hiệu
xung của khóa Sup. Trong trƣờng hợp này, giá trị thích hợp cho hai thanh ghi so
sánh là CMPA = [d 0x/2]TBPRD và CMPB = [1- d 0y/2]TBPRD. Trong đó TBPRD
là giá trị đếm lớn nhất của bộ đếm time-base (TBCTR) đƣợc cấu hình ở chế độ upcounting (hình 4.16a).
Tại mỗi chu kỳ đóng ngắt mới, giá trị tức thời của bộ đếm time-base TBCTR sẽ
đƣợc so sánh liên tục với giá trị của hai thanh ghi CMPA và CMPB. Khi đó,
submodule counter-compare sẽ phát ra hai sự kiện (khi TBCTR = CMPA và
TBCRT = CMPB) (hình 4.16b).
Dựa trên hai sự kiện nhận đƣợc submodule action-qualifier phát ra tín hiệu cho
ngõ ra epwm4A lên mức cao khi TBCTR = CMPA; ngƣợc lại, khi sự kiện TBCRT
= CMPB thì ngõ ra epwm4A đƣợc đƣa xuống mức thấp (hình 4.16c).
Vì thực tế linh kiện không chuyển mạch tức thời nên sẽ dẫn đến hai khóa trên
cùng pha tải kích đóng đồng thời gây nên hiện tƣợng ngắn mạch nguồn. Để đảm
bảo an toàn khi chuyển mạch cần thêm vào một khoảng thời gian dead time, điều
này đƣợc thực hiện bởi submodul dead-time (hình.16d).
Bằng cách phân tích tƣơng tự cho những module epwm cịn lại trong cả 6
sector, ta tổng hợp đƣợc những giá trị của thanh ghi so sánh trong bảng 4.7.

58

CMPA  [d 0 x 2]TBPRD

CMPB  [1  d 0 y 2]TBPRD

a

b
Dead time

c

AQ-x

epwm4 A

Sup

epwm4 B

Sun

d
Switching period

Hình 4.16: Dạng xung kích của hai khóa đối nghịch tầng nghịch lƣu.
Bảng 4.7: Giá trị thanh ghi so sánh trong 6 sector.

Sector Thanh ghi Sup

Svp

Swp

so sánh
1

2

3

4

5

6

CMPA

[d0x /2]*K

[d0x /2+d1x]*K

[d0x/2+d1x+d2x]*K

CMPB

[1-d0y/2]*K

[1-d0y/2-d1y ]*K

[1-d0y/2-d1y-d2y]*K

CMPA

[d0x /2+d2x ]*K

[d0x /2]*K

[d0x/2+d1x+d2x]*K

CMPB

[1-d0y/2-d2y]*K

[1-d0y/2]*K

[1-d0y/2-d1y-d2y]*K

CMPA

[d0x /2+d1x +d2x ]*K

[d0x /2]*K

[d0x/2+d1x]*K

CMPB

[1-d0y/2-d1y-d2y ]*K

[1-d0y/2]*K

[1-d0y/2-d1y]*K

CMPA

[d0x /2+d1x +d2x ]*K

[d0x /2+d2x]*K

[d0x/2]*K

CMPB

[1-d0y/2-d1y-d2y ]*K

[1-d0y/2-d2y ]*K

[1-d0y/2]*K

CMPA

[d0x /2+d1x ]*K

[d0x /2+d1x+d2x]*K

[d0x/2]*K

CMPB

[1-d0y/2-d1y]*K

[1-d0y/2-d1y -d2y ]*K

[1-d0y/2]*K

CMPA

[d0x /2]*K

[d0x /2+d1x+d2x]*K

[d0x/2+d2x]*K

CMPB

[1-d0y/2]*K

[1-d0y/2-d1y -d2y ]*K

[1-d0y/2-d2y]*K

*Ghi chú: K = TBPRD.


59

4.4 Kết quả thực nghiệm
Để kiểm chứng kết quả thực nghiệm so với kết quả mô phỏng ta sử dụng bộ
thông số thực nghiệm và mô phỏng nhƣ nhau. Tải ba pha đƣợc sử dụng là tải RL
nhƣ hình 4.17.

Hình 4.17: Tải RL thực tế.
 Thông số thực nghiệm
Điện áp nguồn: Urms = 40V (áp dây).
Tần số ngõ vào: f in = 50Hz.
Tần số đóng ngắt: fs = 10kHz (Ts = 100µs).
Mạch lọc ngõ vào: cuộn cảm Lf = 1mH, tụ điện Cf = 25µF.
Tần số ngõ ra: fout = 50Hz.
Tỉ số điều chế: m = 0.75.
Tải RL: R = 10Ω, L = 25mH.
 Kết quả thực nghiệm


60

6

6
1

6
1

6

6

1

1

Thời gian 1 sector

Hình 4.18: Dạng xung kích của các khóa phía chỉnh lƣu.
Từ hình trên ta thấy, trong cùng một sector chỉ có 1 khóa ln ln đóng, hai
khóa cịn lại đƣợc điều chế đóng ngắt.
 So sánh kết quả thực nghiệm với kết quả mô phỏng


61

Vdc
60
55
50
45
40
35
30
25
0.77

0.775

0.78

0.785

Time (s)

0.79

0.795

0.8

Hình 4.19: Điện áp 1 chiều Vdc.
Uuv
60
40
20
0
-20
-40
-60
0.75

0.76

0.77

0.78
Time (s)

Hình 4.20: Điện áp dây tải.

0.79

0.8