Kỹ thuật điều chế vector không gian cho bộ biến đổi ma trận gián tiếp với ngõ ra kép

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

NGUYỄN CHẤN VIỆT

Pulse width modulation strategy for indiret matrix
converter fed open-end winding load using zero
common-mode
CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN
MÃ SỐ HỌC VIÊN: 1670031

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP.HỒ CHÍ MINH, tháng 7 năm 2017



CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐHQG – HCM
Cán bộ hướng 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 được bảo vệ tại Trường 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 Trưởng Khoa quản lý chuyên
ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa (nếu có).
CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG

TRƯỞNG KHOA………………


ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ tên học viên: Nguyễn Chấ n Viế t

MSHV: 1670031

Ngày, tháng, năm sinh: 29/04/1993

Nơi sinh: TP. Hồ Chí Minh

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 GIÁN TIẾP VỚI NGÕ RA KÉP
II. NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:
1. Tìm hiểu cấu hình bộ biến đổi ma trận gián tiếp ngõ ra kép (Dual Indirect Matrix
Converter).
2. Giải thuật điều chế vector không gian zero common mode voltage cho bộ biến
đổi ma trận gián tiếp ngõ ra kép.
3. Mô phỏng bộ biến đổi ma trận gián tiếp ngõ ra kép bằng phần mềm PSIM.
4. Thiết kế mơ hình thực nghiệm bộ biến đổi ma trận gián tiếp.
III. Ngày giao nhiệm vụ: 16/01/2017
IV. Ngày hồn thành nhiệm vụ: 10/06/2017
V. Cán bơ hướng dẫn: PGS. TS Phan Quố c Dũng
Tp. HCM ngày….., tháng….., năm 20.…

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN
(Họ tên và chữ ký)

CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO
(Họ tên và chữ ký)

TRƯỞNG 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 Phan Quố c Dũng và thầ y 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.
Tôi xin cảm ơn gia đình, những người thân đã cho tơi những điều kiện tốt nhất
để học tập trong thời gian dài. Ngoài ra tôi xin gửi lời cảm ơn đến tất cả những người
bạn của tơi, những người đã cùng gắn bó, cùng học tập và giúp đỡ tôi trong những
năm qua cũng như trong suốt quá trình thực hiện luận văn tốt nghiệp.

TP. Hồ Chí Minh, tháng 6/2017

Nguyễn Chấ n Viê ̣t


TÓM TẮT LUẬN VĂN
Luận văn nghiên cứu về cấu trúc của bộ biến đổi ma trận gián tiếp ngõ ra kép,
giải thuật điều chế độ rộng xung PWM (Pulse Width Modulation). Đồng thời, trong
luận văn cũng đề xuất phương pháp Zero common mode voltage giúp triê ̣t tiêu điê ̣n
áp commonmode, giúp giảm thiể u tác đô ̣ng xấ u của dòng điê ̣n common mode lên
đô ̣ng cơ và các thiế t bi ̣
Trên cơ sở nghiên cứu, phương pháp điều chế vector khơng gian được phân tích,
tính tốn và áp dụng để thực hiện việc xuất xung điều khiển cho cả phần chỉnh lưu và
nghịch lưu của bộ biến đổi ma trận gián tiếp. Kết quả được kiển chứng thông qua mô
phỏng và thực nghiệm.
Luận văn gồm 4 chương:
-

Chương 1: Giới thiệu tổng quan về đề tài.

-

Chương 2: Trình bày cấu hình và kỹ thuật điều chế vector khơng gian cho bộ
Dual indirect matrix converter.

-

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

-

Chương 4: Thiết kế mơ hình thực nghiệm và trình bày phương 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 Dual 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. The common mode voltage is analysed and a Zero common mode voltage
method is proposed.
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 dưới bất kỳ hình thức nào. Việc tham khảo tài liệu đã
được thực hiện trích dẫn và ghi nguồn tài liệu tham khảo đúng theo yêu cầu.
Tác giả luận văn

Nguyễn Chấ n Viêṭ


Mục Lục
CHƯƠNG 1 ............................................................................................................1
TỒNG QUAN .........................................................................................................1
Sơ lươ ̣t về ngành điê ̣n tử công suấ t ..................................................................1
1. Lich
̣ sử phát triể n của khóa công suấ t..........................................................1

2. Ý nghiã của ngành điê ̣n tử công suấ t trong đời số ng...................................2
Đinh
̣ hướng nghiên cứu ..............................................................................2
Lý do chọn đề tài .........................................................................................2
3. Đối tượng và mục tiêu nghiên cứu ..............................................................5
4. Phạm vi và phương pháp nghiên cứu: .........................................................6
5. Ý nghĩa khoa học của đề tài .........................................................................6
6. Ý nghĩa thực tiễn của đề tài .........................................................................7
CHƯƠNG 2 ............................................................................................................8
CẤU HÌNH CỦA BỘ BIẾN ĐỔI MA TRẬN GIÁN TIẾP VỚI NGÕ RA KÉP..8
Cấu trúc của bộ biến đổi ma trận gián tiếp với ngõ ra kép ..............................8
1. Phương pháp điề u rô ̣ng xung sine .............................................................10
2. Ứng dụng phương pháp điều chế vector không gian cho IMC (SV-PWM)
11
Điều chế vector không gian cho tầ ng chin
̉ h lưu .......................................11
Đinh
̣ nghiã sector và phân tić h ma ̣ch cho tầ ng chin
̉ h lưu ..........................11
3. Thời gian đóng ngắt của các khóa tầng chỉnh lưu .....................................15
Điều chế vector không gian cho tầ ng nghịch lưu.....................................17
Định nghĩa sector của tầng nghịch lưu ......................................................17
4. Thời gian đóng ngắt của các khóa ở phía nghịch lưu ................................26
Sự kết hợp thứ tự đóng ngắt tầng chỉnh lưu và tầng nghịch lưu ..............28
phân tích điện áp common mode (CMV) .................................................32
CHƯƠNG 3 ..........................................................................................................37
THIẾT KẾ VÀ MÔ PHỎNG BỘ BIẾN ĐỔI MA TRẬN KIỂU GIÁN TIẾP VỚI
NGÕ RA KÉ P ...........................................................................................................37
Tiń h toán thiế t kế bô ̣ biế n đổ i ma trâ ̣n kiể u gián tiế p với ngõ ra kép ............37
Mô phỏng biế n đổ i ma trâ ̣n kiể u gián tiế p với ngõ ra kép sử du ̣ng phầ n

mề m psim ...............................................................................................................40
Giới thiê ̣u phầ n mề m mô phỏng ................................................................40
5. Giới thiệu chung về sơ đồ mô phỏng .........................................................41
6. Kết quả mô phỏng ......................................................................................44
CHƯƠNG 4 ..........................................................................................................55
THỰC NGHIỆM BỘ BIẾN ĐỔI MA TRẬN GIÁN TIẾP VỚI NGÕ RA KÉP 55
Mơ hình thực nghiệm .....................................................................................56
Lựa chọn linh kiện và thi công phần cứng.................................................56
7. Cho ̣n linh kiê ̣n cho ma ̣ch đô ̣ng lực ............................................................57
8. Ma ̣ch đê ̣m...................................................................................................65
9. Mạch lọc LC ..............................................................................................68
10. Mạch cảm biến áp .................................................................................68
11. Mạch lái ( Driver) .................................................................................71


Phương pháp thực nghiê ̣m cho bộ Indirect Matrix Converter .................77
1. Giới thiệu về module ePWM .....................................................................78
4.3.2 Lập trình tạo xung PWM cho bộ Indirect Matrix Converter ........81
2. Điều khiển tầng chỉnh lưu ..........................................................................83
3. Điều khiển tầng nghịch lưu ........................................................................84
Kết quả thực nghiệm ................................................................................86
1. So sánh kết quả thực nghiệm với kết quả mô phỏng .................................88
KẾT LUẬN ..........................................................................................................98
Những hạn chế ...........................................................................................98
2. Hướng phát triển của đề tài ........................................................................98


Mục Lục Hình
Hiǹ h 1. Bộ chỉnh lưu hồ quang thủy ngân ..............................................................1
Hiǹ h 2. Sơ đồ kết nối và tủ điện của một biến tần truyền thống với các thiết bị phụ

kiện ..............................................................................................................................3
Hình 3 Sơ đồ kết nối và tủ điện của bộ biến đổi ma trận cùng với các phụ kiện ...4
Hiǹ h 4. Sơ đồ Indirect Matrix Converter. ...............................................................8
Hiǹ h 5. Tầng Chỉnh lưu ........................................................................................11
Hình 6. Đinh
̣ Nghiã sector phầ n chỉnh lưu ...........................................................12
Hiǹ h 7. Tầ ng chin̉ h lưu ta ̣o điê ̣n áp Vac ...............................................................13
Hiǹ h 8 Tầ ng chin̉ h lưu ta ̣o điê ̣n áp Vab ................................................................13
Hiǹ h 9. Cách ta ̣o ra điê ̣n áp ở DC-Link cho sector 1 ...........................................14
Hình 10. Biểu đồ vector không gian của tầng chỉnh lưu. ....................................15
Hiǹ h 11 Định nghĩa sector phía nghịch lưu ..........................................................18
Hiǹ h 12. Tầ ng chỉnh lưu .......................................................................................18
Hình 13. giảng đồ vector ba bâ ̣c ...........................................................................22
Hình 14. Trường hơ ̣p possitive .............................................................................22
Hiǹ h 15. Trường hơ ̣p tầ ng nghich
̣ lưu ta ̣o ra 0V ..................................................23
Hiǹ h 16. Trường hơ ̣p tầ ng nghich
̣ lưu ta ̣o ra 0V ..................................................23
Hình 17. Trường hơ ̣p tầ ng nghich
̣ lưu ta ̣o ra điê ̣n áp negative .............................24
Hình 18. giảng đồ để thiế t kế chuyể n ma ̣ch .........................................................25
Hiǹ h 19. Nguyên tắ c chuyể n ma ̣ch .......................................................................26
Hiǹ h 20. Sub-sector ..............................................................................................28
Hình 21. Các trường hơ ̣p ngắ n ma ̣ch ....................................................................30
Hình 22. Sự phối hợp giữa trạng thái đóng ngắt tầng chỉnh lưu và nghịch lưu ...31
Hiǹ h 23. Đinh
̣ nghiã điê ̣n áp common-mode .......................................................32
Hiǹ h 24 Đinh
̣ nghiã CMV1 và CMV2 .................................................................33
Hình 25. Tính toán tầ ng chỉnh lưu ........................................................................37

Hiǹ h 26. ma ̣ch lo ̣c LC ...........................................................................................39
Hiǹ h 27. Ma ̣ch đô ̣ng lực mô phỏng ......................................................................41
Hiǹ h 28. ma ̣ch chỉnh lưu mô phỏng .....................................................................42
Hình 29. ma ̣ch nghich
̣ lưu kép mô phỏng.............................................................42
Hiǹ h 30. ma ̣ch điề u kiể n mô phỏng ......................................................................43
Hiǹ h 31. Xung kić h của các khóa hai chiề u ở tầ n chin
̉ h lưu ................................44
Hình 32. Xung kích của khóa SAp (trên) Xung kích của khóa SAn (giữa) và sector
(dưới) .........................................................................................................................45
Hiǹ h 33. Xung kić h của khóa SBp (trên) Xung kić h của khóa SBn (giữa) và sector
(dưới) .........................................................................................................................46
Hình 34. Xung kích của khóa SCp (trên) Xung kích của khóa SCn (giữa) và sector
(dưới) .........................................................................................................................46
Hiǹ h 35. Sơ đồ chuyển mạch an toàn ...................................................................47
Hiǹ h 36. Điê ̣n áp ngõ vào (trên) Dòng điê ̣n ngõ vào trước lo ̣c (giữa) Và dòng điê ̣n
ngõ vào sau lo ̣c (dưới) ...............................................................................................48
Hình 37. Điê ̣n áp trên DC-Link (trên) dòng điện DC-Link (giữa) và sector (dưới)
...................................................................................................................................49


Hình 38. dòng điê ̣n ngõ ra pha u (trên) điê ̣n áp dây pha u (giữa) và điê ̣n áp dây uv
(dưới) .........................................................................................................................49
Hiǹ h 39. Điê ̣n áp dây trừ nhau (trên) dòng điê ̣n pha v (dưới) ..............................50
Hình 40. Điê ̣n áp common-mode (trên), điê ̣n áp CMV1 (giữa) và điê ̣n áp CMV2
(dưới) .........................................................................................................................51
Hiǹ h 41. Phân tích FFT của dịng điện ngõ vào (trên) dịng điện ngõ ra (dưới) ..52
Hiǹ h 42. đă ̣c tuyế n điê ̣n áp, dòng ngõ ra theo tỷ số điề u chế m ...........................53
Hình 43. đă ̣c tuyế n THDi, THDv theo tham số điề u biên m ................................53
Hình 44. đă ̣c tuyế n điê ̣n áp, dòng điê ̣n ngõ vào theo tỷ số điề u chế m ................54

Hiǹ h 45. Phầ n cứng của indirect maxtrix converter fed open-end winding load .55
Hiǹ h 46 Sơ đồ khối thực nghiệm bộ IMC ............................................................56
Hình 47. Cho ̣n sơ đồ tính toán ..............................................................................57
Hình 48. Khai báo thông số tính toán ...................................................................59
Hiǹ h 49. Khai báo thông số tản nhiê ̣t ...................................................................60
Hiǹ h 50. kế t quả tính toán của phầ n mề m ............................................................62
Hình 51 Cấ u ta ̣o và hình dáng của các loa ̣i khóa công suấ t đươ ̣c sử du ̣ng ..........63
Hình 52. DSP TMS320F28377D ..........................................................................64
Hiǹ h 53. Kit DSP TMS320F28377D ...................................................................64
Hiǹ h 54. IC ULN2803. .........................................................................................65
Hình 55. Sơ đồ mỗi cặp darlington. ....................................................................66
Hình 56. Sơ đồ nguyên lý mạch đệm. ..................................................................66
Hiǹ h 57. Sơ đồ layout mặt trên của mạch đệm.....................................................67
Hiǹ h 58. Sơ đồ layout mặt dưới của mạch đệm ...................................................67
Hình 59. Mạch thực tế của mạch đệm ..................................................................68
Hiǹ h 60. Mạch lọc LC ..........................................................................................68
Hiǹ h 61. LEM LV-25V ........................................................................................69
Hiǹ h 62. ma ̣ch nguồ n và offset .............................................................................69
Hình 63. Sơ đồ layout mặt trên mạch sensor ........................................................70
Hiǹ h 64. Sơ đồ layout mặt dưới mạch Sensor ......................................................70
Hiǹ h 65. Mơ hình thực tế mạch sensor .................................................................71
Hình 66. Deadtime giữa các xung đóng ngắt. ......................................................72
Hình 67. thiế t lâ ̣p bảo vê ̣ ngắ ng ma ̣ch ..................................................................74
Hiǹ h 68. Driver skyper pro 32 pro........................................................................75
Hiǹ h 69. Mạch lái thực tế .....................................................................................76
Hình 70. Mạch nghịch lưu của bộ IMC ................................................................76
Hình 71. Mạch IMC hoàn thành ...........................................................................77
Hiǹ h 72. Sơ đồ khối của module epwm. ..............................................................78
Hiǹ h 73. Sơ đồ giải thuật. .....................................................................................82
Hình 74. Dạng xung kích của tầng chỉnh lưu thuộc sector 1................................83

Hình 75. Dạng xung kích của hai khóa đối nghịch tầng nghịch lưu ....................85
Hiǹ h 76. Dạng xung kích của các khóa phía chỉnh lưu ........................................87
Hiǹ h 77. Điê ̣n áp DC-Link (trên) và sector (dưới) ...............................................88
Hình 78. Điê ̣n áp nguồ n vào (trên) dòng điê ̣n vào trước lo ̣c (giữa) dòng điê ̣n vào
sau lo ̣c( dưới).............................................................................................................89


Hiǹ h 79. Dòng điê ̣n ngõ ra (trên), điê ̣n áp pha (giữa), điê ̣n áp dây (dưới) ...........90
Hiǹ h 80. Điê ̣n áp CMV (trên), Điê ̣n áp CMV của inverter 1 (giữa), điê ̣n áp CMV
của inverter 2 (dưới) ..................................................................................................91
Hình 81. Điê ̣n áp DC-Link (trên) và sector (dưới) ...............................................93
Hình 82. Điê ̣n áp nguồ n vào (trên) dòng điê ̣n vào trước lo ̣c (giữa) dòng điê ̣n vào
sau lo ̣c( dưới).............................................................................................................94
Hiǹ h 83. Dòng điê ̣n ngõ ra (trên), điê ̣n áp pha (giữa), điê ̣n áp dây (dưới) ...........95
Hình 84. Điê ̣n áp CMV (trên), Điê ̣n áp CMV của inverter 1 (giữa), điê ̣n áp CMV
của inverter 2 (dưới) ..................................................................................................96


Mục Lục bảng
Bảng 1. Các khóa đóng cũng như điê ̣n áp ta ̣o ra trên hai phầ n ............................14
Bảng 2. Tỉ lệ thời gian đóng của 6 vector chuẩn ở phía chỉnh lưu .......................16
Bảng 3. Các vector chuẩn của tầng chỉnh lưu ......................................................17
Bảng 4. Các vector của tầ ng nghich
̣ lưu ...............................................................19
Bảng 5. Các vector của mỗi inverter nhỏ .............................................................21
Bảng 6. giới ha ̣n của các sector ............................................................................27
Bảng 7. Công thức tính toán cho sub-sector .........................................................28
Bảng 8. Điê ̣n áp CMV của các trường hơ ̣p đóng cắ t ............................................34
Bảng 9. tổ ng kế t tính toán cho mô hin
̀ h ................................................................40

Bảng 10. Thông số mô phỏng ...............................................................................44
Bảng 11. Tổ ng kế t các kế t quả mô phỏng ............................................................52
Bảng 12 Thông số IC ULN2803 ...........................................................................65
Bảng 13. Những sự kiện ngõ vào của submodul action-qualifier ........................80
Bảng 14. Mô tả các bit của thanh ghi AQCSFRC. ...............................................80
Bảng 15. Giá trị thanh ghi so sánh trong 6 sector.................................................86
Bảng 16. Thông số thực nghiê ̣m ...........................................................................86


Luận Văn Thạc sĩ

CHƯƠNG 1
TỒNG QUAN
Sơ lươ ̣t về ngành điêṇ tử công suấ t
1. Lich
̣ sử phát triể n của khóa công suấ t

Hình 1. Bộ chỉnh lưu hồ quang thủy ngân

Điê ̣n tử công suấ t bắ t đầ u từ viê ̣c Peter Cooper Hewitt phát minh ra bộ chỉnh lưu
hồ quang thủy ngân vào năm 1902. Nó đươ ̣c sử du ̣ng để biế n đổ i dòng điê ̣n xoay
chiề u (AC) thành dòng mô ̣t chiề u (DC). Từ thâ ̣p niên những năm 1920s, những
nghiên cứu về những thiế t bi đo
̣ ́ ng cắ t có thể điề u khiể n đươ ̣c như thyratrons và Khóa
hồ quang thủy ngân rấ t đươ ̣c quan tâm. Vào thời gian đó Uno Lamm đã phát minh ra
một khóa thủy ngân với các điện cực biế n đở i thích hợp cho truyền tải điện áp trực
tiếp điện áp cao. Năm 1933 bô ̣ chỉnh lưu bằ ng selenium ra đời.
Năm 1947, Bóng bán dẫn điểm lưỡng cực đươ ̣c phát minh bởi Walter H. Brattain
và John Bardeen ta ̣i Bell Labs. Năm 1948 Shockley's phát minh ra BJT đã tăng cương
tin

̣ hiể u suấ t và giảm giá thàng transistors. Những năm 1950s, những con
́ h ổ n đinh,
diode bán dẫn công suấ t lớn bắ t đầ u phổ biế n ra thi ̣ trường và thay thế các loa ̣i đèn
chân không. Năm 1956 SCR đươ ̣c giới thiê ̣u bởi General Electric đã tăng mức công
suấ t của các thiế t bi ̣biế n đổ i lên rấ t nhiề u lầ n.

HVTH: Nguyễn Chấn Việt

1
GVHD: PGS.TS Phan Quốc Dũng


Luận Văn Thạc sĩ

Những năm 1960s là giai đoa ̣n cải thiê ̣n về tố c đô ̣ của BJT nhờ đó cho phép ta ̣o ra
những bô ̣ DC/DC tầ ng số cao. Kế đế n là những năm 1976 MOSFETs ra đời và 1982
khi IGBT và đươ ̣c thương ma ̣i hóa đã ta ̣o nền tảng cho ngành điê ̣n tử công suấ t hiê ̣n
đa ̣i ngày nay.
2. Ý nghiã của ngành điêṇ tử công suấ t trong đời số ng
Hiện nay, điê ̣n tử công suấ t đang có mă ̣t trên hầ u hế t các thiế t bi ̣sử du ̣ng điê ̣n của
chúng ta. Điê ̣n tử công suấ t đã giúp cho việc sử dụng điện năng một cách hiệu quả,
an toàn và thuâ ̣n tiê ̣n hơn. Điê ̣n tử cơng ś t đóng vai trị quan trọng trong các mơ
hình cơng nghệ và được thiết kế để điều khiển năng lượng. Dịng điện, điện áp và đặc
tính đóng ngắt của các linh kiện bán dẫn liên tục được hoàn thiện, phạm vi ứng dụng
ngày càng được mở rộng như trong chiếu sáng, bộ nguồn, điều khiển động cơ, tự
động hóa cơng nghiệp, giao thơng, lưu trữ năng lượng, truyền tải điện đi xa với hiệu
suất cao với đặc điểm điều khiển chặt chẽ đã giúp cho điê ̣n tử cơng ś t có lợi thế
hơn nhiều trong điều khiển động cơ so với các hệ thống điều khiển cơ điện trước đây.
Ngồi ra ĐTCS cịn được ứng dụng trong truyền tải điện DC (VHDC), trạm biến đổi
công suất, hệ thống truyền tải AC mềm dẻo flexible ac transmission system (FACTS)

và bù công suất static-var compensators (SVC). Trong truyền tải sử dụng biến đổi
DC/AC, bộ lọc tích cực, biến đổi tần số.
Đinh
̣ hướng nghiên cứu
Lý do chọn đề tài
Ngày nay, biế n tầ n ngày càng đươ ̣c sử du ̣ng phổ biế n không chỉ giới ha ̣n trong
pha ̣m vi công nghiê ̣p mà còn mở rô ̣ng sang các liñ h vực dân du ̣ng, hàng không vũ
tru ̣. Biế n tầ ng kế t hơ ̣p với đô ̣ng cơ không đồ ng bô ̣ ta ̣o thành mô ̣t khố i truyề n đô ̣ng
điê ̣n cơ linh hoa ̣t và bề n bi.̉ Chin
́ h nhờ những ưu điể m đó, biế n tầ ng có rấ t nhiề u ứng
du ̣ng như điề u khiể n các đô ̣ng cơ trong công nghiê ̣p, dân du ̣ng. Giúp thay đổ i tố c đô ̣,
giảm dòng khởi đô ̣ng, giảm hao phí khi đô ̣ng cơ cha ̣y non tải. Các loa ̣i biế n tầ n nhiều
pha cũng đươ ̣c sử du ̣ng cho các liñ h vực đòi hỏi đô ̣ tin câ ̣y cao như điề u khiể n đô ̣ng
cơ nhiề u pha công suấ t lớn trên các máy bay, tàu thủy và gầ n đây đươ ̣c ứng du ̣ng vào
HVTH: Nguyễn Chấn Việt

2
GVHD: PGS.TS Phan Quốc Dũng


Luận Văn Thạc sĩ

xe điê ̣n. Biế n tầ n còn đươ ̣c sử du ̣ng trong các lò cảm ứng điê ̣n từ, trong các turbine
để khai thác năng lươ ̣ng gió và rấ t nhiề u ứng du ̣ng khác.
Bên ca ̣nh những ưu điể m thì biế n tầ n truyề n thố ng (biế n tầ n ba pha hai bâ ̣c) còn
tồ n tai mô ̣t số khuyế t điể m cầ n phải cải thiê ̣n như điê ̣n áp và công suấ t chưa cao bằ ng
các loại biế n tầ n đa bâ ̣c, ta ̣o ra sóng hài bâ ̣c cao ở nguồ n vào, ta ̣o ra điê ̣n áp Common
mode (CMV) làm giảm tuổ i tho ̣ của đô ̣ng cơ. Mô ̣t yế u điể m khác của biế n tầ n truyề n
thố ng đó là phầ n tử tích trữ năng lươ ̣ng giữa tầ ng chỉnh lưu và nghich
̣ lưu thường là

tu ̣ điê ̣n, đây là thành phầ n nhanh bi ̣ laõ hóa theo thời gian làm giảm đô ̣ tin câ ̣y của
biế n tầ n. Hiǹ h 2. và Hiǹ h 3. cho ta sự so sánh về kić h thước và số thiế t bi ̣ cầ n phải
lắ p thêm của biế n tầ n truyề n thố ng và bô ̣ biế n đổ i ma trâ ̣n để sóng hài đầ u vào thấ p.
Trong đó, với biế n tầ n truyề n thố ng thì ta phải lắ p thêm các thiế t bi ̣như

Hình 2. Sơ đồ kết nối và tủ điện của một biến tần truyền thống với các thiết bị phụ kiện

HVTH: Nguyễn Chấn Việt

3
GVHD: PGS.TS Phan Quốc Dũng


Luận Văn Thạc sĩ

Hình 3 Sơ đồ kết nối và tủ điện của bộ biến đổi ma trận cùng với các phụ kiện

Bô ̣ lo ̣c sóng hài chủ đô ̣ng, cuộn lọc đầu vào, bô ̣ chuyể n đổ i PWM. Khi so sánh với
biế n tầ n ma trâ ̣n thì kích thước và tro ̣ng lươ ̣ng lớn hơn rấ t nhiề u.
Biế n tầ n ma trâ ̣n (Matrix converters (MCs)) lầ n đầ u đươ ̣c giới thiê ̣u vào đầ u những
năm 1980’s bởi Alesia and Venturini. Dựa vào cấ u ta ̣o, ta có thể chia làm hai loa ̣i là
bô ̣ biế n đổ i ma trâ ̣n trực tiế p (direct matrix converter (DMC)) và bô ̣ biế n đổ i ma trâ ̣n
gián tiế p (indirect matrix converter (DMC)). Bô ̣ biế n đổ i này ngày càng nhâ ̣n đươ ̣c
nhiề u sự quan tâm phát triể n mô ̣t phầ n vì sự tiến bộ vươ ̣t bâ ̣c của các linh kiê ̣n bán
dẫn cũng như các bô ̣ vi xử lý tố c đô ̣ cao trong nhửng năm gầ n đây. Mă ̣t khác ở bô ̣
biế n đổ i này, ta thấ y đươ ̣c những ưu điể m vươ ̣t trô ̣i như ta ̣o ra sóng hài thấ p ở ngõ
vào, có thể điề u khiể n đươ ̣c hê ̣ số công suất ở ngõ vào/ra, bô ̣ chuyể n đổ i có thể hoa ̣t
đô ̣ng ở cả bố n cung phầ n tư của đă ̣c tuyế n momen-tố c đô ̣ nên có thể tái sinh năng
lươ ̣ng khi hãm. Mô ̣t lơ ̣i điể m to lớn khác của bô ̣ biế n đổ i là viê ̣c các thành phầ n lưu
điê ̣n trung gian đươ ̣c loa ̣i bỏ giúp thiế t bi ̣giảm về tro ̣ng lươ ̣ng, kić h thước cũng như

tăng đô ̣ tin câ ̣y.

HVTH: Nguyễn Chấn Việt

4
GVHD: PGS.TS Phan Quốc Dũng


Luận Văn Thạc sĩ

Mă ̣c dù còn ít tuy nhiên các bô ̣ biế n ma trâ ̣n trực tiế p đã đươ ̣c nghiên cứu và bán
ra thi ̣trường. Khi so sánh với cấ u hin
̀ h trực tiế p , cấ u hin
̀ h gián tiế p của bô ̣ biế n đổ i
ma trâ ̣n cho ta hiê ̣u quả tương tự như dòng điê ̣n đầ u vào hình sine, có thể điề u chỉnh
đươ ̣c hê ̣ số công suấ t và đặc biệt có khâu DC-Link thực nhưng vẫn go ̣n nhe ̣ nhờ vào
viê ̣c loa ̣i bỏ thành phầ n lưu trữ năng lươ ̣ng trung giang. [2] – [3].
Điê ̣n áp Common-mode gọi tắt là CMV đươ ̣c ta ̣o ra bởi các xung đóng cắ t cao tầ n
của các khóa bán dẩ n, nó ta ̣o ra nhiề u vấ n đề cho hê ̣ thố ng tuyề n đô ̣ng điê ̣n cơ như
làm hao mòn cách điê ̣n, gây ra ăn mòn điê ̣n hóa ổ tru ̣c và nhiễu điện [4] – [5]. mô ̣t
vài phương pháp giúp giảm điê ̣n áp CMV đươ ̣c đề câ ̣p trong [6] – [7] tuy nhiên các
phương pháp này vẫn dựa trên các bô ̣ biế n tầ n truyề n thố ng với phía DC đươ ̣c ta ̣o ra
từ cầ u chin̉ h lưu diode. Điề u này vẫn tồ n ta ̣i mô ̣t số ha ̣n chế như không tái sinh đươ ̣c
năng lươ ̣ng cũng như ta ̣o ra sóng hài bâ ̣c cao ở ngõ vào. Gầ n đây nhấ t, nhiề u nhóm
nghiên cứu đã tâ ̣p trung vào cấ u hin
̀ h bô ̣ biến đổi mới, đó là sự kế t hơ ̣p giữa tầ ng
chin
̣ lưu kép. Tuy nhiên các kỹ thuâ ̣t
̉ h lưu của bô ̣ biế n đổ i ma trâ ̣n và tầ ng nghich
điề u khiể n đươ ̣c đề xuấ t chỉ giảm mô ̣t phầ n điện áp CMV.

Với những phân tích trên, luâ ̣n văn sẽ tâ ̣p trung vào viê ̣c nghiên cứu phương pháp
điề u khiể n cho bô ̣ Indirect matrix converter fed open-end winding gọi tắt là IMC
nhằ m triê ̣t tiêu hoàn toàn điện áp CMV cũng như vẫn phải đảm bảo đươ ̣c những đă ̣c
tính ưu viêt của bô ̣ biế n đổ i ma trâ ̣n.
3. Đối tượng và mục tiêu nghiên cứu
Đối tượng nghiên cứu của đề tài là bộ Indirect matrix converter fed open-end
winding (IMC) .Phân tích q trình chuyển mạch của các khóa đóng ngắt trong IMC,
phân tić h nguyên nhân hiǹ h thành điê ̣n áp CMV để đi đế n xây dựng thuật tốn điều
chế vector khơng gian Space Vector Modulation gọi tắt là SVPWM điều khiển 2 tầng
chỉnh lưu Rectifier và nghịch lưu Inverter.
Mu ̣c tiêu của đề tài là chứng minh đươ ̣c tin
́ h khả thi của bộ biến đổi IMC trong
viê ̣c triê ̣t tiêu điê ̣n áp CMV cũng như những đă ̣c điể m vươ ̣t trô ̣i so với biế n tầ n tuyề n
thố ng.
HVTH: Nguyễn Chấn Việt

5
GVHD: PGS.TS Phan Quốc Dũng


Luận Văn Thạc sĩ

4. Phạm vi và phương pháp nghiên cứu:
Pha ̣m vi của đề tài giới hạn trong việc xây dựng phần cứng và kiể m chứng lý thuyế t
đề xuất bằ ng mô phỏng và thực nghiê ̣m trên phần cứng.
Để thực hiện đề tài này cần kết hợp 3 phương pháp sau:
 Nghiên cứu lý thuyết: Dựa trên những bài báo đã được công bố trên các tập
chí uy tín và những kiến thức nền tảng để xây dựng và đưa ra phương pháp
điề u khiể n cho cấ u hin
̀ h IMC.

 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 24 khóa IGBT) với thuật tốn
điều chế vector khơng gian zero common mode.
 Thực nghiệm: xây dựng phầ n cứng từ các linh kiê ̣n cơ bản như IGBT, ma ̣ch
lái, thiế t kế board đê ̣m cho ma ̣ch lái, board cảm biế n áp. Lâ ̣p trình điề u kiể n
hoa ̣t đô ̣ng của toàn bô ̣ hê ̣ thố ng dựa vào vi điều khiển DSP
TMS320F28377D thế hê ̣ mới của Texas Instruments.
Hướng phát triển đề tài:
 Do chỉ mới thử nghiê ̣m ở điê ̣n áp thấ p nên bước tiế p theo của đề tài sẽ tâ ̣p
trung vào viê ̣c tăng điê ̣n áp đầ u vào lên giới ha ̣n định mức để đa ̣t đươ ̣c công
suấ t như thiế t kế . Bên ca ̣nh đó, cầ n tăng cường thêm các cảm biế n dòng để
bảo vê ̣ hê ̣ thố ng trong quá trin
̀ h thử nghiê ̣m.
 Trong đề tài, bô ̣ IMC chỉ mới đóng vai trò như biế n tầ n tức là biế n đổ i điê ̣n
áp từ lưới cho tải mà chưa làm đươ ̣c viê ̣c ngươ ̣c la ̣i. Đó cũng chính là mô ̣t
hướng để phát triể n tiế p tu ̣c của đề tài.
5. Ý nghĩa khoa học của đề tài
 Phân tích, diễn giải để đưa ra phương pháp điề u chế không gian vector sao
cho làm triê ̣t tiêu điện áp CMV cho cấ u hình IMC.

HVTH: Nguyễn Chấn Việt

6
GVHD: PGS.TS Phan Quốc Dũng


Luận Văn Thạc sĩ

 Thực nghiê ̣m để chứng minh phương pháp điề u chế không gian vector đươ ̣c
đưa ra là khả thi trong khi vẫn giữ la ̣i đươ ̣c những điể m ma ̣nh của cấ u hình

IMC,
 Chỉ ra những điể m mạnh cũng như sự ha ̣n chế của cấ u hin
̀ h IMC và nêu ra
mô ̣t số hướng khắ c phu ̣c
6. Ý nghĩa thực tiễn của đề tài
Kết quả của đề tài cung cấp một cái nhìn tổng quang về cấu hình IMC cũng như
thấy được các đặc tính của bộ biến đổi. Dựa vào kết quả trên, ta có thể thúc đẩy việc
phát triển và ứng dụng bộ IMC vào thực tế.

HVTH: Nguyễn Chấn Việt

7
GVHD: PGS.TS Phan Quốc Dũng


Luận Văn Thạc Sĩ

CHƯƠNG 2
CẤU HÌNH CỦA BỘ BIẾN ĐỔI MA TRẬN GIÁN TIẾP
VỚI NGÕ RA KÉP
Cấu trúc của bộ biến đổi ma trận gián tiếp với ngõ ra kép
Bidirect Switch

Sap

Sbp

Unbidirect Switch

Scp

Sup1 Svp1 Swp1

Sup2 Svp2 Swp2

Sun1 Svn1 Swn1

Sun2 Svn2 Swn2

Va
DC-Link

Vb
Vc
San

Input filter

Sbn

Scn

Rectifier stage

Inverter 1

Inverter 2

Hình 4. Sơ đồ Indirect Matrix Converter.

Bộ biến đổi kiểu ma trận gián tiếp ngõ ra kép gồm hai phầ n:
 Tầng chỉnh lưu cấu tạo từ 6 khoá hai chiều, mỗi khoá được cấu tạo từ hai
bộ IGBT-Diode mắc đối đầu nhau như vùng chú thić h nhỏ trên Hình 4. Cấu
tạo như vậy cho phép cơng suất có thể truyền theo hai hướng từ lưới vào
phần DC-Link, hoặc ngược lại.
 Tầng nghich
̣ lưu cấu tạo từ 12 khóa mơ ̣t chiề u có chức năng chuyển đổi
điện áp một chiều từ DC_Link thành điện áp xoay chiều cho tải .
Với cấu hình này thì số khoá bán dẩ n sẽ tăng lên từ 6 IGBT-12 Diode của bộ biế n
tầ n 2 bậc truyền thống hoặc 12 IGBT-18 Diode của biế n tầ n 3 bậc NPC thành 24
IGBT-24 Diode. Đây là một rào cản hiện tại của bộ IMC. Tuy nhiên những ưu điểm
của cấu hình này đó chính là viê ̣c loa ̣i bỏ được thành phần lưu trữ năng lươ ̣ng ở phần
DC-Link (trên tụ điện). Do đó, cơng suất có thể truyền theo hai hướng đồ ng thời tăng
cường chất lượng điện áp ở ngõ ra cũng như giảm sóng hài ở ngõ vào.
HVTH: Nguyễn Chấn Việt

8
GVHD: PGS.TS Phan Quốc Dũng


Luận Văn Thạc Sĩ

Điện áp xoay chiều từ lưới điện với tần số f1 đầu tiên được chuyển thành điện áp
một chiều (Udc) có giá trị khơng đổi trong một chu kì đóng cắ t nhờ tần chỉnh lưu điề u
rơ ̣ng xung, sau đó tần nghịch lưu sẽ biến trở lại điện áp xoay chiều với tần số f2.
Hai tầng chỉnh lưu và nghịch lưu được nối với nhau qua khâu trung gian một chiều
(DC-Link), tương đương với bộ biến đổi nguồn áp VSI có chỉnh lưu điều khiển ở đầu
vào nhưng khơng có các phần tử tích trữ năng lượng nối một chiều.
Trong Hình 4, IMC được xem như một bộ chỉnh lưu và một bộ nghịch lưu. Các
cơng thức điều biến được hình thành từ cả chỉnh lưu và nghịch lưu. Đặc điểm của bộ

biến đổi này là các tham số điện ở đầu này có thể được tạo thành từ các tham số ở
đầu kia bằng cách nhân với một ma trận hàm truyền T. Như vậy các giá trị tức thời
của dòng điện và điện áp sẽ tính được nhờ ma trận hàm truyền T như sau:

Vout1  T1 *Vin

VA1   SaA1
  
Hay VB1    SaB1
VC1   SaC1

SbA1
SbB1
SbC1

ScA1  Va 
ScB1  * Vb 
ScC1  Vc 

(1)

Vout 2  T2 *Vin

VA2   SaA2
Hay VB 2    SaB 2
  
VC 2   SaC 2

SbA2
SbB 2

SbC 2

ScA2  Va 
ScB 2  * Vb 
ScC 2  Vc 

(2)

Mà

VLoad  Vout1  Vout 2  (T1  T2 )*Vin  T *Vin

Vâ ̣y ta có VLoad

VA1  VA2   SaA2  SaA2
 VB1  VB 2    SaB 2  SaB 2
VC1  VC 2   SaC 2  SaC 2

SbA2  SbA2
SbB 2  SbB 2
SbC 2  SbC 2

(3)
ScA2  ScA2  Va 
ScB 2  ScB 2  * Vb  (4)
ScC 2  ScC 2  Vc 

Trong đó, ma trận T  T1  T2 là ma trận hàm truyền của bơ ̣ IMC, có các thành phần
(Tij) thể hiện các hàm truyền biến đổi các điện áp vào tức thời thành các điện áp ra
tức thời.

HVTH: Nguyễn Chấn Việt

9
GVHD: PGS.TS Phan Quốc Dũng


Luận Văn Thạc Sĩ

 SaA
T   SaB
 SaC

SbA
SbB
SbC

ScA   Sup1  Sup 2

ScB    Svp1  Svp 2
ScC   S wp1  S wp 2

Sun1  Sun 2 
 S
Svn1  Svn 2  *  ap
S
S wn1  S wn 2   an

Sbp
Sbn

Scp 
Scn 

(5)

Trong đó:
Skj1 , Skj 2  {0,1}: là trạng thái đóng cắt của tầng nghịch lưu inverter1 và inverter 2

(k = u,v,w; j = p,n).
Sij  {1, 0,1}: là trạng thái đóng mở tầng chỉnh lưu (i = a,b,c; j = p,n).

1. Phương pháp điề u rô ̣ng xung sine
Phương pháp điều chế độ rộng xung sine dựa vào nguyên tắc cơ bản là so sánh
sóng tham chiếu hình sine và sóng mang cao tần. Phương pháp sẽ cho ra một chuỗi
xung đóng cắt có tần số cố định nhưng Duty-cycle thay đổi liên tục. Giá trị trung bình
của ch̃i xung tạo ra sẽ có dạng sine khi cho qua mạch lọc thơng thấp.
 Sóng tham chiếu: Ur thường có dạng hình sine, có tần số fr.
 Sóng mang: Uc thường có dạng răng cưa hay tam giác có tần số fc>> fr.
Tần số sóng mang càng cao, chất lượng điện áp và dòng điện ngõ ra sẽ
càng tốt. Tuy nhiên, tần số đóng cắ t cao làm cho tổn hao phát sinh do quá
trình đóng ngắt các khóa tăng theo.
Vì tần số sóng hài cơ bản ngõ ra bằng tần số sóng tham chiếu, bằng cách thay đổi
tần số sóng tham chiếu, ta có thể điều khiển được tần số sóng hài cơ bản ngõ ra.
Để thay đổi điện áp ngõ ra, ta thay đổi tỷ lệ biên độ giữ sóng tham chiếu và sóng
mang. Ta có định nghĩa m là tỷ số điều biên m 

Ur
.
Uc

Trong nhiều ứng dụng công nghiệp, phương pháp SPWM thường được sử dụng
điều khiển điện áp đầu ra của nghịch lưu nguồn áp (VSI). Ưu thế của phương pháp
này là đơn giản, chất lượng điện áp ngõ ra tốt, tuy nhiên phương pháp SPWM đạt
được chỉ số điều chế lớn nhất trong vùng tuyến tính khi biên độ sóng điều chế bằng
HVTH: Nguyễn Chấn Việt

10
GVHD: PGS.TS Phan Quốc Dũng


Luận Văn Thạc Sĩ

với biên độ sóng mang, và phạm vi điều chế tuyến tính tối đa là 0.78. Nếu chỉ số điều
chế vượt quá giá trị này, mối quan hệ tuyến tính giữa chỉ số điều biến và điện áp ra
sẽ khơng được đảm bảo, lúc đó phải u cầu phương pháp quá điều chế.
2. Ứng dụng phương pháp điều chế vector không gian cho IMC (SVPWM)
Luận văn này chọn phương pháp điều chế vector không gian cho cả hai tầng
chỉnh lưu và nghịch lưu của bộ IMC để thực hiện. Phương pháp điều chế độ rộng
xung vector không gian (SVPWM) được sử dụng phổ biến nhờ các ưu điểm
Như có đáp ứng đầu ra với sóng hài thấp, tầm điều khiển tuyến tính được mở
rộng hơn phương pháp SPWM, dễ dàng thực hiện bởi các hệ thống số.
IMC gồm có hai tầng biến đổi cơng suất là tầng chỉnh lưu và tầng nghịch lưu. Cả
hai tầng đều sử dụng phương pháp SVPWM để điều chế, tạo ra tín hiệu đóng cắt cho
các khóa cơng suất. Tuy nhiên, cách điều chế của hai tần là khác nhau nên phải có sự
liên kết giữa hai tần chỉnh lưu và nghịch lưu. Những vấn đề nêu trên sẽ được tuần tự
đề cập ở các mục bên dưới.
Điều chế vector không gian cho tầ ng chin
̉ h lưu
Đinh

̣ nghiã sector và phân tích ma ̣ch cho tầ ng chin
̉ h lưu
Để đơn giản cho q trình phân tích, giả sử hệ số công suất của lưới điện vào bằng
1. Hệ quả là dòng điện và điện áp ngõ vào sẽ cùng pha với nhau

Sap

Sbp

Scp

San

Sbn

Scn

Va
Vb
Vc

Hình 5. Tầng Chỉnh lưu

HVTH: Nguyễn Chấn Việt

11
GVHD: PGS.TS Phan Quốc Dũng