Luận văn Thạc sĩ Tự động hóa xí nghiệp công nghiệp: Nghiên cứu bộ nguồn biến đổi tần số 50/60Hz sử dụng biến tần kiểu ma trận

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

Đặng Hồng Hải

NGHIÊN CỨU BỘ NGUỒN BIẾN ĐỔI TẦN SỐ 50/60Hz
SỬ DỤNG BIẾN TẦN KIỂU MA TRẬN

LUẬN ÁN TIẾN SĨ TỰ ĐỘNG HĨA XÍ NGHIỆP CƠNG NGHIỆP

Hà Nội – Năm 2012


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

Đặng Hồng Hải

NGHIÊN CỨU BỘ NGUỒN BIẾN ĐỔI TẦN SỐ 50/60Hz
SỬ DỤNG BIẾN TẦN KIỂU MA TRẬN

Chuyên ngành:
Mã số:

Tự động hóa xí nghiệp cơng nghiệp
62.52.60.20

LUẬN ÁN TIẾN SĨ TỰ ĐỘNG HĨA XÍ NGHIỆP CƠNG NGHIỆP

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
PGS. TS. BÙI QUỐC KHÁNH

Hà Nội – Năm 2012


LỜI CAM ĐOAN

Tơi xin cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu của riêng tôi.
Các số liệu, kết quả trong luận án là hoàn toàn trung thực và
chưa từng được ai cơng bố trong bất kỳ cơng trình nào.

Tác giả luận án

Đặng Hồng Hải


LỜI CẢM ƠN

Tác giả xin chân thành cảm ơn Thầy hướng dẫn khoa học PGS.TS Bùi Quốc Khánh
đã tận tình hướng dẫn và động viên, khích lệ tác giả hồn thành luận án.
Tác giả xin chân thành cảm ơn GS.TSKH Nguyễn Phùng Quang, PGS.TS Lê Tòng,
PGS.TS Nguyễn Văn Liễn, TS Trần Trọng Minh, TS Phạm Quang Đăng – Trường Đại học
Bách Khoa Hà nội đã đóng góp nhiều ý kiến quan trọng và sự giúp đỡ nhiệt tình nhất.
Tác giả xin chân thành cảm ơn PGS.TS Phạm Ngọc Tiệp, PGS.TS Lưu Kim Thành.
PGS.TS Hồng Xn Bình – Trường Đại học Hàng hải Việt nam đã đóng góp ý kiến và
động viên, khích lệ tác giả hồn thành luận án.
Tác giả xin trân trọng cảm ơn Ban Giám Hiệu – Trường Đại học Hàng hải Việt nam
đã tạo điều kiện để tác giả hoàn thành luận án.
Tác giả xin trân trọng cảm ơn các cán bộ Viện đào tạo sau đại học – Trường Đại
học Bách khoa Hà nội đã tạo điều kiện và khích lệ tác giả hồn thành luận án.
Tác giả bày tỏ lời cảm ơn tới các cán bộ Trung tâm Công nghệ cao - Trường Đại

học Bách khoa Hà nội, các đồng nghiệp trong Bộ môn Điện tự động công nghiệp - Trường
Đại học Hàng hải Việt nam đã tạo điều kiện về cơ sở vật chất, về thời gian và khích lệ tác
giả hồn thành luận án.
Cuối cùng tác giả xin bày tỏ lời cảm ơn sâu sắc đến gia đình, những người đã ln
giành những gì tốt nhất cho tác giả trong suốt thời gian thực hiện luận án.


i
MỤC LỤC
Trang
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT ..............................................

iv

DANH MỤC CÁC BẢNG.....................................................................................

vi

DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH, ĐỒ THỊ .............................................................

vii

MỞ ĐẦU...............................................................................................................

1

Chương 1 TỔNG QUAN .......................................................................................

5

1.1 Khái quát chung ..........................................................................................

5

1.2 Tình hình nghiên cứu về bộ nguồn biến đổi tần số ứng dụng biến tần ma
trận .......................................................................................................................

6

1.3 Tiêu chuẩn đối với bộ nguồn biến đổi tần số................................................

9

1.4. Định hướng nghiên cứu ..............................................................................

9

Nhận xét chương 1 ................................................................................................

10

Chương 2 CẤU TRÚC MẠCH LỰC VÀ CHUYỂN MẠCH ................................

11

2.1 Cấu trúc mạch lực .......................................................................................

11

2.1.1. Mạch lực của bộ nguồn trên cơ sở biến tần ma trận ba pha ba nhánh

12

2.1.2 Mạch lực của bộ nguồn trên cơ sở biến tần ma trận ba pha bốn nhánh

14

2.2 Khóa bán dẫn hai chiều BDS ......................................................................

16

2.3 Chuyển mạch trong biến tần ma trận ...........................................................

18

2.3.1 Chuyển mạch bốn bước ......................................................................

19

2.3.2 Chuyển mạch hai bước .......................................................................

20

2.3.3 Chuyển mạch một bước .......................................................................

21

2.3.4 Chuyển mạch trong quá trình quá độ....................................................

21

2.4 Thiết kế chuyển mạch cho biến tần ma trận trực tiếp 3 pha 4 nhánh..............

22

2.4.1 Logic chuyển mạch nặng .....................................................................

23

2.4.2 Logic chuyển mạch mềm .....................................................................

26

2.4.3 Mô phỏng chuyển mạch cho biến tần ma trận trực tiếp 3 pha 4 nhánh.

26

Nhận xét chương 2 ................................................................................................

29

Chương 3 ĐIỀU BIẾN VECTƠ KHÔNG GIAN CHO BIẾN TẦN MA TRẬN
TRỰC TIẾP 3 PHA 4 NHÁNH TRONG BỘ NGUỒN BIẾN ĐỔI TẦN SỐ..........

30

3.1 Khái quát chung .........................................................................................

30

3.2 Xác định vectơ chuẩn trong biến tần ma trận trực tiếp 3 pha 4 nhánh ..........

32

3.2.1 Các trạng thái van trong biến tần ma trận trực tiếp 3 pha 4 nhánh ........

32


ii
3.2.2 Vectơ chuẩn trong biến tần ma trận trực tiếp 3 pha 4 nhánh .................

35

3.2.3 Biểu diễn hình học của các vectơ chuẩn ..............................................

40

3.3 Tổng hợp vectơ điện áp ra và vectơ dịng điện vào ......................................

43

3.3.1 Xác định vị trí vectơ cần tổng hợp trong không gian ...........................

44

3.3.2 Đồng bộ vectơ dòng điện vào với vectơ điện áp lưới đầu vào ..............

45

3.3.3 Xác định vectơ chuẩn để tổng hợp vectơ điện áp ra và vectơ dòng điện
vào.........................................................................................................................

46

3.4 Xác định tỉ số điều biến cho các vectơ chuẩn ..............................................

48

3.5 Xác định các vectơ thành phần trong tỉ số điều biến ....................................

53

3.6 Trật tự thực hiện các vectơ chuẩn ...............................................................

58

3.7 Mô phỏng điều biến vectơ không gian ........................................................

60

3.7.1 Trường hợp không sử dụng bộ lọc với tải trên các pha là tuyến tính đối
xứng ……………………………………………………………………………….
3.7.2 Trường hợp sử dụng bộ lọc …………………………………………

61
62

Nhận xét chương 3 .................................................................................................

72

Chương 4 THIẾT KẾ ĐIỀU KHIỂN CHO BỘ NGUỒN BIẾN ĐỔI TẦN SỐ ......

74

4.1 Khái quát chung ..........................................................................................

74

4.1.1 Phương pháp đánh giá mức độ không đối xứng của điện áp ................

74

4.1.2 Chỉ tiêu chất lượng điện áp khi tải khơng đối xứng .............................

76

4.2. Mơ hình biến tần ma trận trực tiếp 3 pha 4 nhánh .......................................

76

4.3. Hệ thống điều khiển một mạch vòng...........................................................

80

4.3.1 Điều khiển thành phần thứ tự thuận, thứ tự ngược, thứ tự không trong
hệ dq......................................................................................................................

80

4.3.2. Điều khiển lặp .....................................................................................

81

4.3.3. Điều khiển cộng hưởng........................................................................

81

4.4 Hệ thống điều khiển hai mạch vòng.............................................................

82

4.4.1. Bộ điều khiển dòng điện trên hệ tọa độ abc và hệ tọa độ αβγ...............

83

4.4.2. Bộ điều khiển dòng điện trên hệ tọa độ đồng bộ dq0 ...........................

83

4.5 Thiết kế hệ thống điều khiển điện áp cho bộ nguồn......................................

84

4.5.1 Thiết kế bộ điều khiển dòng điện .........................................................

85

4.5.2 Thiết kế bộ điều khiển điện áp .............................................................

87

4.6 Mô phỏng....................................................................................................

88

Nhận xét chương 4 ................................................................................................

92


iii
Chương 5 XÂY DỰNG BỘ NGUỒN BIẾN ĐỔI TẦN SỐ 50/60Hz ỨNG DỤNG
BIẾN TẦN MA TRẬN..........................................................................................

94

5.1 Khái quát chung .........................................................................................

94

5.2 Xây dựng mơ hình biến tần ma trận trực tiếp 3 pha 4 nhánh ứng dụng trong
bộ nguồn ...............................................................................................................

95

5.2.1 Mạch lực và Gate driver .......................................................................

95

5.2.2 Khối điều khiển logic và chuyển mạch..................................................

97

5.2.3 Khối tính tốn quy luật điều biến ..........................................................

99

5.3 Kết quả thực nghiệm ..................................................................................

100

Nhận xét chương 5 .................................................................................................

105

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ...............................................................................

106

TÀI LIỆU THAM KHẢO ......................................................................................

107

DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH ĐÃ CƠNG BỐ CỦA LUẬN ÁN ....................

111

PHỤ LỤC ..............................................................................................................

112

Phụ lục 1 Thơng số và đặc tính kỹ thuật van bán dẫn hai chiều sử dụng trong
mơ hình thực nghiệm ……………………………………………………………….
Phụ lục 2 Hàm logic đóng cắt của các van bán dẫn hai chiều phục vụ cho lập
trình CPLD ………………………………………………………………………….
Phụ lục 3 Một số sơ đồ mô phỏng ……………………………………………….

112

117
119


iv
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
Bảng 1 Danh mục các ký hiệu
Ký hiệu
δi , i  I  VI
ξ

V0

I0
  
V0' , V0'' ,V0'''
  
I i1 ,I i2 , Ii3
i

V0 , i  I VI

k p , kp
i

kI , kI
i

u

u

Tên gọi
Tỉ số điều biến
Góc pha của dòng đầu vào
Vectơ điện áp
Vectơ dòng điện
Vectơ thành phần của điện áp
Vectơ thành phần của dòng điện
Vectơ chuẩn
Hệ số khuếch đại của bộ điều khiển dòng điện và điện áp
Hệ số khuếch đại của bộ cộng hưởng cho mạch vòng dòng điện và điện áp


v
Bảng 2 Danh mục các chữ viết tắt
Ký hiệu

Viết tắt cho

BDS

Bidirectional switch

CPLD

Complex

programmable

Nghĩa tiếng Việt
Khóa bán dẫn hai chiều
logic Thiết bị logic khả trình có độ tích hợp

device

cao

DSP

Digital Signal Processor

Vi xử lý tín hiệu số

FPGA

Field programmable gate arrays

Mảng logic lập trình được

IEEE

Institute
of
Electrical
and Viện Các kỹ sư Điện và Điện tử
Electronics Engineers
Indirect three phase – three leg Biến tần ma trận gián tiếp 3 pha 3

IMC 3×3

matrix converter
IMC 3×4

nhánh

Indirect three phase – four leg Biến tần ma trận gián tiếp 3 pha 4
matrix converter

nhánh

MC

Matrix converter

Biến tần ma trận

MC 3×3

Three phase – three leg matrix Biến tần ma trận trực tiếp 3 pha 3
converter

MC 3×4

nhánh

Three phase – four leg matrix Biến tần ma trận trực tiếp 3 pha 4
converter

nhánh

PWM

Pulse Width Modulation

Điều biến độ rộng xung

SVM

Space Vector Modulation

Điều biến vectơ không gian

THD

Total harmonic distortion

Tổng độ méo sóng hài

vi
DANH MỤC CÁC BẢNG
Tên các bảng

Trang

Bảng 1.1 Thông số của bộ nguồn theo tiêu chuẩn IEEE Std 446 – 1995 ……...

9

Bảng 2.1 So sánh số lượng van bán dẫn của các cấu trúc biến tần ma trận ……

16

Bảng 2.2 Các thơng số kỹ thuật chính của van bán dẫn hai chiều

18

DIM200WBS12-A000 …………………………………………………………
Bảng 2.3 Logic chuyển mạch từ pha A sang pha B …………………………...

19

Bảng 2.4 Logic chuyển mạch của biến tần ma trận trực tiếp 3 pha 4 nhánh …...

24

Bảng 3.1 Vectơ điện áp ra và dòng điện vào của tổ hợp van của MC 3×4 …..

35

Bảng 3.2 Vectơ điện áp ra và dịng điện vào của MC 3×4 trong hệ tọa độ 

38

Bảng 3.3 Bố trí các vectơ chuẩn trong sectơ dịng điện vào …………………

41

Bảng 3.4 Bố trí các vectơ chuẩn trong tứ diện của hình lăng trụ ………………

42

Bảng 3.5 Xác định vị trí các vectơ trong khơng gian……………………….......

44

Bảng 3.6 Dấu điện áp ra của các tứ diện trong lăng trụ ……………………….

45

Bảng 3.7 Điện áp dây được sử dụng trong điều chế …………………………...

46

Bảng 3.8 Các vectơ chuẩn sử dụng trong tổng hợp dịng điện vào, điện áp ra

47

của MC 3×4 …………………………………………………………………….

Bảng 3.9 Xác định các thành phần của vectơ V 'i, j ,k …………………………..
  
Bảng 3.10 Các vectơ Vi , V j ,Vk của 24 tứ diện ………………………………...

54

Bảng 3.11 Các ma trận M -1 của 24 tứ diện ……………………………………..

57

Bảng 3.12 Trật tự thực hiện các vectơ chuẩn …………………………………..

58

Bảng 5.1 Thông số về điện của bộ nguồn ……………………………………...

94

Bảng 5.2 Logic lựa chọn các tổ hợp van ……………………………………….

97

Bảng PL1.1 Các thông số cực đại cho phép của van bán dẫn hai chiều ……….

112

Bảng PL 1.2 Các thông số về nhiệt độ và cơ học của van ……………………..

112

Bảng PL 1.3 Các thông số của van (mặc định trong điều kiện Tcase = 25°C) ...

113

Bảng PL 1.4 Các thông số của van (mặc định trong điều kiện Tcase = 125°C) .

114

Bảng PL2.1 Hàm logic của 12 van bán dẫn hai chiều ………………………….

117

56


vii
DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH, ĐỒ THỊ
Tên hình vẽ, đồ thị

Trang

Hình 1.1 Bộ biến đổi truyền thống.......................................................................

5

Hình 1.2 Cấu trúc bộ nguồn biến đổi tần số 60/400Hz trong lĩnh vực hàng
khơng ..................................................................................................................

8

Hình 2.1 Cấu trúc tổng qt của biến tần ma trận.................................................

11

Hình 2.2 Biến tần ma trận 3 pha 3 nhánh .............................................................

12

Hình 2.3 Cấu trúc bộ nguồn biến đổi tần số với máy biến áp mắc tại đầu ra MC..

13

Hình 2.4 Biến tần ma trận ba pha bốn nhánh .......................................................

14

Hình 2.5 Cấu trúc bộ nguồn biến đổi tần số với máy biến áp mắc tại đầu vào
MC .....................................................................................................................

15

Hình 2.6 Khóa bán dẫn hai chiều .......................................................................

16

Hình 2.7 Thơng số kỹ thuật van bán dẫn hai chiều (BDS) DIM200WBS12A000 ...................................................................................................................

17

Hình 2.8 Chuyển mạch giữa hai pha ...................................................................

18

Hình 2.9 Chuyển mạch bốn bước theo chiều dịng điện ......................................

19

Hình 2.10 Chuyển mạch hai bước từ pha A sang pha B khi IL > 0.......................

20

Hình 2.11 Trạng thái logic của van trong chế độ chuyển mạch hai bước, .............

20

Hình 2.12 Chuyển mạch một bước với a) IL >0, b) IL <0.....................................

21

Hình 2.13. Cấu trúc của MC 3×4........................................................................

22

Hình 2.14. Cấu trúc hệ thống điều khiển chuyển mạch của MC 3×4 ....................

22

Hình 2.15 Trạng thái logic chuyển mạch ba pha của MC 3×4 .............................

24

Hình 2.16 Đồ thị thời gian chuyển mạch bốn bước của MC 3×4 .........................

25

Hình 2.17 Đồ thị thời gian các bước chuyển mạch mềm của MC 3×4 ................

26

Hình 2.18 Kết quả mơ phỏng logic chuyển mạch bốn bước của MC 3×4 .. ..........

27

Hình 2.19 Mơ phỏng chuyển mạch bốn bước cho MC 3×4 trên State Flow..........

28

Hình 3.1 Sơ đồ điều biến vectơ khơng gian cho biến tần ma trận trực tiếp 3 pha
4 nhánh ...............................................................................................................

31

Hình 3.2 Biến tần ma trận trực tiếp 3 pha 4 nhánh ...............................................

32

Hình 3.3 Nhóm tổ hợp van thứ nhất của biến tần ma trận trực tiếp 3 pha 4 nhánh

33

Hình 3.4 Nhóm tổ hợp van thứ hai của biến tần ma trận trực tiếp 3 pha 4 nhánh ..

34


viii
Hình 3.5 Nhóm tổ hợp van thứ ba của biến tần ma trận trực tiếp 3 pha 4 nhánh ...

34

Hình 3.6 Mối quan hệ giữa hai hệ tọa độ ............................................................

37

Hình 3.7 Biểu diễn hình học các vectơ chuẩn trong hệ tọa độ  ......................

41

Hình 3.8 Vị trí sáu hình lăng trụ trong hệ tọa độ  ..........................................

43

Hình 3.9 Các tứ diện trong lăng trụ I ...................................................................

43

Hình 3.10 a) Hình chiếu của vectơ chuẩn trên mặt phẳng  ;b) Biểu diễn các
vectơ chuẩn trong hệ tọa độ abc ..........................................................................

44

Hình 3.11 a) Vectơ không gian điện áp vào và vectơ không gian dòng điện vào;
b) Đồng bộ điện áp lưới với các sector dịng đầu vào...........................................

45

Hình 3.12 Vectơ khơng gian điện áp ra thuộc tứ diện 11 và vectơ khơng gian
dịng điện vào thuộc sectơ I ...............................................................................

46

Hình 3.13 Tổng hợp vectơ điện áp ra và vectơ dịng điện vào .............................

49

Hình 3.14 Xác định tỉ số điều biến.......................................................................

51

Hình 3.15 Trật tự chuyển mạch ..........................................................................

60

Hình 3.16 Kết quả mơ phỏng với tải tuyến tính đối xứng, khơng sử dụng bộ
lọc……………………..........................................................................................

61

Hình 3.17 Phân tích phổ - FFT trong trường hợp tải tuyến tính đối xứng khơng
sử dụng bộ lọc …………………………………………………………………...

61

Hình 3.18 Kết quả mơ phỏng với tải tuyến tính đối xứng ………………………

62

Hình 3.19 Phân tích phổ - FFT trong trường hợp tải tuyến tính đối xứng có sử
dụng bộ lọc ………………………………………………………………………

63

Hình 3.20 Quỹ đạo của các vectơ trong trường hợp tải tuyến tính đối xứng ……

63

Hình 3.21 Kết quả mơ phỏng với tải tuyến tính khơng đối xứng ……………….

64

Hình 3.22 Phân tích phổ - FFT trong trường hợp tải tuyến tính khơng đối xứng .

65

Hình 3.23 Quỹ đạo của các vectơ trong trường hợp tải tuyến tính khơng đối
xứng ……………………………………………………………………………...

65

Hình 3.24 Kết quả mơ phỏng với tải phi tuyến đối xứng ………………………..

67

Hình 3.25 Phân tích phổ - FFT trong trường hợp tải phi tuyến đối xứng ……….

67

Hình 3.26 Quỹ đạo các vectơ trong trường hợp tải phi tuyến đối xứng …………

67

Hình 3.27 Kết quả mơ phỏng với tải phi tuyến khơng đối xứng ………………...

68

Hình 3.28 Quỹ đạo các vectơ trong trường hợp tải phi tuyến khơng đối xứng ….

69

Hình 3.29 Phân tích phổ - FFT trong trường hợp tải phi tuyến khơng đối xứng ..

69

Hình 3.30 Kết quả mơ phỏng với tải tuyến tính, phi tuyến, không đối xứng ……

71

ix
Hình 3.31 Quỹ đạo các vectơ trong trường hợp tải tuyến tính, phi tuyến, khơng
đối xứng ………………………………………………………………………….

71

Hình 3.32 Phân tích phổ - FFT trong trường hợp tải tuyến tính, phi tuyến,
khơng đối xứng …………………………………………………………………..

72

Hình 4.1 Phân tích các thành phần đối xứng ........................................................

75

Hình 4.2 Biến tần ma trận trực tiếp 3 pha 4 nhánh ...............................................

75

Hình 4.3 Điều khiển thành phần PNZ trong hệ dq0.............................................

80

Hình 4.4 Cấu trúc điều khiển sử dụng bộ điều khiển lặp ......................................

81

Hình 4.5 Cấu trúc điều khiển P + RC...................................................................

82

Hình 4.6 Cấu trúc điều khiển sử dụng bộ điều khiển cộng hưởng ........................

82

Hình 4.7 Cấu trúc điều khiển hai mạch vịng .......................................................

83

Hình 4.8 Cấu trúc hệ thống điều khiển điện áp ra của bộ nguồn biến đổi tần số ..

85

Hình 4.9 Cấu trúc điều khiển mạch vịng dịng điện sử dụng bộ điều khiển

85

P+RC …………………………………………………………………………….
Hình 4.10 Cấu trúc điều khiển mạch vòng điện áp trên một pha ………………..

87

Hình 4.11 Kết quả mơ phỏng với tải tuyến tính khơng đối xứng có bộ điều khiển

88

Hình 4.12 Phân tích phổ - FFT của điện áp ra trường hợp tải tuyến tính khơng

88

đối xứng có bộ điều khiển ………………………………………………………..
Hình 4.13 Điện áp và sai lệch điện áp trường hợp tải tuyến tính khơng đối xứng

89

có bộ điều khiển ………………………………………………………………….
Hình 4.14 Quỹ đạo của các vectơ trong trường hợp tải tuyến tính khơng đối

90

xứng có bộ điều khiển ……………………………………………………………
Hình 4.15 Kết quả mơ phỏng với đóng cắt tải ba pha tuyến tính có bộ điều khiển

90

Hình 4.16 Phân tích phổ - FFT của điện áp ra trong trường hợp đóng cắt tải ba

91

pha tuyến tính có bộ điều khiển ………………………………………………….
Hình 4.17 Điện áp và sai lệch điện áp trường hợp đóng cắt tải ba pha tuyến tính

91

Hình 4.18 Quỹ đạo của các vectơ trong trường hợp đóng căt tải ba pha tuyến

92

tính ……………………………………………………………………………….
Hình 5.1 Sơ đồ cấu trúc bộ nguồn biến đổi tần số 50/60Hz..................................

94

Hình 5.2 Cấu trúc của hệ thống điều khiển biến tần ma trận 3 pha 4 nhánh..........

95

Hình 5.3 Sơ đồ mạch lực biến tần ma trận trực tiếp 3 pha 4 nhánh......................

96

Hình 5.4 Mơ hình mạch lực của biến tần ma trận trực tiếp 3 pha 4 nhánh ...........

96

Hình 5.5 Mạch Gate driver ................................................................................

96


x
Hình 5.6 Khối điều khiển logic và chuyển mạch..................................................

97

Hình 5.7 Biến tần ma trận trực tiếp 3 pha 4 nhánh ……………………………...

97

Hình 5.8 Cấu trúc card DS1103 …………………………………………………

99

Hình 5.9 Sơ đồ cấu trúc cho khâu tính tốn trong DSP .......................................

100

Hình 5.10 Cấu trúc hệ thống thí nghiệm bộ nguồn biến đổi tần số 50/60Hz ứng

100

dụng biến tần ma trận trực tiếp 3 pha 4 nhánh …………………………………..
Hình 5.11 Mơ hình thực nghiệm bộ nguồn biến đổi tần số 50/60Hz ứng dụng

101

biến tần ma trận trực tiếp 3 pha 4 nhánh ………………………………………...
Hình 5.12 Tín hiệu điều khiển chuyển mạch cho van bán dẫn hai chiều (BDS)....

102

Hình 5.13 Điện áp vào và dịng điện vào ............................................................

103

Hình 5.14 Điện áp ra và dịng tải ........................................................................

104

Hình 5.15 Kết quả thực nghiệm với tải không đối xứng .....................................

104

Hình PL1.1 Sơ đồ chân của van bán dẫn hai chiều ……………………………..

112

Hình PL1.2 Tổn thất đóng cắt theo dịng tải …………………………………….

115

Hình PL1.3 Tổn thất đóng cắt theo điện trở cực G ……………..........................

115

Hình PL1.4 Đặc tính thuận của diot ……………………………………………..

115

Hình PL1.5 Vùng làm việc an tồn của van bán dẫn …………………………...

115

Hình PL1.6 Giá trị dòng định mức theo nhiệt độ vỏ …………………………….

116

Hình PL1.7 Giá trị dịng điện pha của MC 3×4 theo tần số chuyển mạch ……...

116

Hình PL1.8 Kích thước của van bán dẫn hai chiều DIM200WBS12-A000 …...

116

Hình PL3.1 Sơ đồ mơ phỏng MC 3×4 ……………………….…………………

119

Hình PL3.2 Sơ đồ mơ phỏng mạch lực MC 3×4 ……………………….……......

120

Hình PL3.3 Sơ đồ mơ phỏng chuyển mạch trong MC 3×4 ……………….….....

120

Hình PL3.4 Sơ đồ mơ phỏng khối điều biến vectơ khơng gian cho MC 3×4 ......

121

Hình PL3.5 Sơ đồ mơ phỏng khối chuyển hệ tọa độ …………………………

122

Hình PL3.6 Sơ đồ mơ phỏng khối xác định tứ diện …………………………….

122

Hình PL3.7 Sơ đồ mơ phỏng khối xác định sectơ ……………………….……...

122

Hình PL3.8 Sơ đồ mơ phỏng khối đồng bộ …….……………………….……...

123

Hình PL3.9 Sơ đồ mơ phỏng khối xác định tỉ số điều biến ……………………

123

Hình PL3.10 Sơ đồ mơ phỏng khối PWM ……………………….……………..

123


1
MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài
Trên thế giới hiện nay đang tồn tại hai lưới điện với tần số khác nhau là 50Hz và
60Hz, các nước Bắc Mỹ sử dụng lưới điện có tần số 60Hz, Việt Nam thuộc nhóm các nước
sử dụng lưới điện có tần số 50Hz. Ở Việt Nam, thường xuyên có các phụ tải sử dụng điện
áp với tần số 60Hz, ví dụ như trong một số ngành công nghiệp, khi các tàu thủy cập bến có
nhu cầu sử dụng điện trên bờ. Ngồi ra các thiết bị trên máy bay và trong quân sự, thường
sử dụng tần số 400Hz. Từ đó xuất hiện yêu cầu chuyển đổi tần số lưới sang tần số của phụ
tải sử dụng. Để giải quyết vấn đề nêu trên, có một số giải pháp đang được thực hiện trong
thực tế hiện nay, như:
Thứ nhất là sử dụng các bộ biến đổi công suất truyền thống như biến tần gián tiếp,
biến tần trực tiếp. Các bộ biến đổi kiểu này tuy có nhiều ưu điểm nhưng cũng có những
nhược điểm nhất định rất khó khắc phục triệt để, ví dụ như dịng điện đầu vào khơng sin,

hệ số cơng suất thấp, thành phần sóng hài của điện áp ra khá lớn...
Thứ hai là sử dụng bộ biến đổi kiểu ma trận (Matrix Converter - MC) còn được gọi
là biến tần ma trận, đây là giải pháp có nhiều ưu điểm. Biến tần ma trận có nhiều ưu điểm
mà các biến tần truyền thống khơng có được như cùng dải công suất nhưng kết cấu gọn
nhẹ, đáp ứng đầu ra - đầu vào nhanh, dòng điện đầu vào, điện áp đầu ra có dạng sin theo
tần số cơ bản, năng lượng có thể trao đổi theo hai chiều, hệ số cơng suất đầu vào có thể
điều chỉnh được đạt tới một [1]. Với nhiều ưu điểm như vậy nên biến tần ma trận ngày
càng nhận được sự quan tâm và nghiên cứu nhiều hơn trên thế giới.
Trên cơ sở các phân tích và đánh giá, luận án đặt vấn đề “Nghiên cứu bộ nguồn
biến đổi tần số 50/60Hz sử dụng biến tần kiểu ma trận”.
2. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
Là những kết quả đạt được trong lĩnh vực nghiên cứu về biến tần ma trận và những
ứng dụng của nó. Phát triển và hồn thiện thêm phương pháp điều biến vectơ không gian
cho biến tần ma trận. Đây là nghiên cứu mới về bộ nguồn biến đổi tần số ứng dụng biến
tần ma trận ở Việt nam, đáp ứng được nhu cầu cấp thiết trong thực tế về bộ nguồn biến đổi
tần số.
Triển khai ứng dụng những tiến bộ mới nhất về chế tạo van bán dẫn hai chiều hiện
nay để xây dựng mạch lực biến tần ma trận. Các kết quả thực nghiệm đạt được là cơ sở
quan trọng khi triển khai công nghệ chế tạo bộ nguồn biến đổi tần số ứng dụng biến tần ma
trận.


2
3. Mục tiêu, đối tượng và phạm vi nghiên cứu
* Mục tiêu nghiên cứu
- Xác định cấu trúc mạch lực và phương pháp điều khiển hợp lý cho MC ứng dụng
trong bộ nguồn biến đổi tần số 50/60Hz;
- Khả năng ứng dụng của bộ nguồn biến đổi tần số 50/60Hz.
* Đối tượng nghiên cứu
Luận án tập trung nghiên cứu về biến tần ma trận ứng dụng trong bộ nguồn biến đổi

tần số 50/60Hz cho tàu thủy.
* Phạm vi nghiên cứu
- Về lý thuyết:
Nghiên cứu xây dựng cấu trúc mạch lực của biến tần ma trận sử dụng trong bộ
nguồn biến đổi tần số. Ứng dụng phương pháp chuyển mạch phù hợp cho các van bán dẫn
hai chiều trong biến tần ma trận sử dụng trong bộ nguồn. Nghiên cứu xây dựng được thuật
tốn điều chế vectơ khơng gian. Ứng dụng thuật toán điều khiển để điều khiển điện áp đầu
ra của bộ nguồn trong trường hợp tải không đối xứng.
- Về thực nghiệm:
Xây dựng mơ hình thực nghiệm bộ nguồn biến đổi tần số ứng dụng biến tần ma
trận. Triển khai các thuật toán điều khiển cho biến tần ma trận ứng dụng trong bộ nguồn
của mơ hình thực nghiệm.
4. Phương pháp nghiên cứu
- Nghiên cứu nội dung chính và các vấn đề có liên quan trên mơ hình lý thuyết;
- Thực hiện mô phỏng trên phần mềm Matlab/Simulink/Sim Power System/State
Flow để đánh giá kết quả nghiên cứu lý thuyết;
- Xây dựng mơ hình thực nghiệm và tiến hành các thí nghiệm có liên quan trên mơ
hình đã xây dựng được, trên cơ sở đó kiểm chứng các kết quả nghiên cứu lý thuyết và mô
phỏng.
5. Nội dung nghiên cứu
- Về lý thuyết:
+ Nghiên cứu về các cấu trúc mạch lực biến tần ma trận có thể ứng dụng trong bộ
nguồn biến đổi tần số.
+ Nghiên cứu về các phương pháp điều biến vectơ không gian cho biến tần ma trận
trong bộ nguồn biến đổi tần số.
+ Nghiên cứu về các phương pháp điều khiển điện áp ra của biến tần ma trận ứng
dụng trong bộ nguồn trong trường hợp tải không đối xứng.


3

- Về thực nghiệm:
+ Xây dựng biến tần ma trận ứng dụng trong bộ nguồn, trong đó ứng dụng tiến bộ
mới nhất về van bán dẫn hai chiều vào xây dựng mạch lực của biến tần.
+ Xây dựng mơ hình thực nghiệm bộ nguồn biến đổi tần số trên cơ sở biến tần ma
trận đã xây dựng.
Nội dung của luận án bao gồm các chương sau:
Mở đầu: Trình bày mục tiêu, nhiệm vụ và nội dung nghiên cứu. Ý nghĩa khoa học
và thực tiễn của đề tài.
Chương 1: Tổng quan, trình bày tổng quan về bộ nguồn biến đổi tần số, tiêu chuẩn,
tình hình nghiên cứu ứng dụng biến tần ma trận trong bộ nguồn biến đổi tần số ở trong
nước và trên thế giới. Các vấn đề cần giải quyết khi nghiên cứu xây dựng bộ nguồn biến
đổi tần số ứng dụng biến tần ma trận. Định hướng nghiên cứu và các vấn đề luận án cần
giải quyết.
Chương 2: Cấu trúc mạch lực và chuyển mạch, trình bày về cấu trúc bộ nguồn biến
đổi tần số, biến tần ma trận ứng dụng trong bộ nguồn biến đổi tần số, bao gồm các phương
án mạch lực, modul khóa bán dẫn hai chiều thực sự sẽ được sử dụng để xây dựng mạch lực
của biến tần ma trận, thiết kế chuyển mạch cho biến tần ma trận ứng dụng trong bộ nguồn
biến đổi tần số.
Chương 3: Điều biến vectơ không gian cho biến tần ma trận trực tiếp 3 pha 4
nhánh, trình bày phương pháp điều biến cho biến tần ma trận trực tiếp 3 pha 4 nhánh. Đề
xuất phương pháp xác định các vectơ thành phần theo các vectơ chuẩn khi tổng hợp điện
áp ra và dòng điện vào của biến tần ma trận trực tiếp 3 pha 4 nhánh, thực hiện mô phỏng
với các loại tải khác nhau để đánh giá kết quả.
Chương 4: Thiết kế điều khiển cho bộ nguồn biến đổi tần số, trình bày về việc điều
khiển điện áp ra cho bộ nguồn trong trường hợp tải không đối xứng. Tổng hợp bộ điều
khiển điện áp, đảm bảo tính đáp ứng nhanh và độ ổn định điện áp ra của bộ nguồn trong
trường hợp tải không đối xứng.
Chương 5: Xây dựng bộ nguồn biến đổi tần số 50/60Hz ứng dụng biến tần ma trận,
trình bày về việc xây dựng mơ hình thực nghiệm bộ nguồn biến đổi tần số 50/60Hz ứng
dụng biến tần ma trận trực tiếp 3 pha 4 nhánh. Thực thi phương pháp điều biến vectơ

không gian ba chiều cho biến tần trên DSP. Thực hiện chuyển mạch cho biến tần ma trận
trực tiếp 3 pha 4 nhánh trên thiết bị phần cứng CPLD.
Cuối cùng là phần kết luận của toàn bộ luận án, những tồn tại và hướng phát triển
tiếp theo của đề tài.


4
6. Các kết quả nghiên cứu mới của luận án
- Thiết kế chuyển mạch cho biến tần ma trận trực tiếp 3 pha 4 nhánh ứng dụng
trong bộ nguồn biến đổi tần số.
- Thực hiện phương pháp điều biến vectơ khơng gian và cài đặt được thuật tốn
điều biến vectơ không gian cho biến tần ma trận trực tiếp 3 pha 4 nhánh ứng dụng trong bộ
nguồn biến đổi tần số;
- Xây dựng mơ hình thực nghiệm bộ nguồn biến đổi tần số ứng dụng biến tần ma
trận trực tiếp 3 pha 4 nhánh.


5
Chương 1

TỔNG QUAN
1.1. Khái quát chung
Trên thế giới hiện nay đang tồn tại hai lưới điện với tần số khác nhau là 50Hz và
60Hz, Việt Nam thuộc nhóm các nước sử dụng lưới điện có tần số 50Hz. Trong cơng
nghiệp nhiều khi có các phụ tải sử dụng điện áp có tần số khác với tần số lưới cung cấp
(60Hz), trên tàu thủy có chuẩn tần số là 60Hz, khi cập cảng để sửa chữa, các máy phát trên
tàu ngừng hoạt động, cần phải nguồn điện trên bờ có tần số 60Hz để cung cấp cho các phụ
tải trên tàu. Trong lĩnh vực hàng không và quân sự, để giảm thiểu kích thước của thiết bị,
tần số sử dụng chủ yếu là 400Hz. Từ đó xuất hiện nhu cầu chuyển đổi tần số.
Một giải pháp tiên tiến hiện nay là sử dụng các bộ đổi tần. Bộ đổi tần là bộ biến đổi

tần số nhằm mục đích biến đổi từ giá trị tần số này sang giá trị tần số khác. Các bộ biến đổi
sử dụng trong bộ đổi tần là thành phần quan trọng nhất. Giải pháp về bộ biến đổi trong bộ
đổi tần đang sử dụng hiện nay là sử dụng bộ biến đổi truyền thống, được chỉ ra trên hình
1.1, Giải pháp thứ nhất được chỉ ra
trên hình 1.1a. Cấu trúc bộ biến đổi
bao gồm hai phần, phần đầu vào sử
dụng chỉnh lưu ba pha, có thể khơng
có điều khiển hoặc có điều khiển,
phần đầu ra sử dụng ba bộ nghịch
lưu áp một pha, đầu ra sử dụng máy
biến áp. Ưu điểm của phương án này
là điều khiển đơn giản vì ba pha độc
lập với nhau, tuy nhiên kích thước
lớn, năng lượng khơng trao đổi được
theo hai chiều.
Giải pháp thứ hai được chỉ ra
trên hình 1.1b, bộ nguồn ba pha biến
đổi tần số sử dụng nghịch lưu 3 pha,
4 dây với chỉnh lưu tích cực đầu vào.
Phía đầu vào của bộ biến đổi sử dụng
chỉnh lưu tích cực sẽ đảm bảo năng

Hình 1.1 Bộ biến đổi truyền thống
a) BBĐ ba pha ghép từ ba BBĐ một pha
b) BBĐ ba pha với chỉnh lưu tích cực phía đầu vào
và nghịch lưu 3 pha 4 nhánh đầu ra.


6
lượng được trao đổi theo cả hai chiều, dòng điện đầu vào có dạng sin, có thể điều chỉnh

được hệ số cơng suất gần tới một. Phía đầu ra của bộ biến đổi sử dụng nghịch lưu 3 pha – 4
nhánh (ba nhánh cho ba pha, một nhánh cho dây trung tính). Do phía đầu ra dùng nghịch
lưu nguồn áp nên khâu trung gian một chiều vẫn phải sử dụng tụ lọc. Nhược điểm của sơ
đồ này là điểm trung tính của tải khơng thể nối đất an tồn được. Ngoài ra việc khâu trung
gian một chiều sử dụng tụ sẽ làm tăng kích thước của bộ biến đổi và độ tin cậy kém.
Một trong các xu hướng chính hiện nay trong lĩnh vực điện tử công suất là nghiên
cứu các bộ biến đổi không sử dụng tụ điện hoặc dung lượng tụ cực tiểu. Bộ biến đổi tần số
kiểu ma trận còn được gọi là biến tần ma trận, là một dạng biến tần trực tiếp, bao gồm một
ma trận khóa bán dẫn hai chiều. Mặc dù là cấu trúc mới, biến tần ma trận đã và đang được
quan tâm nghiên cứu do có nhiều ưu điểm nổi bật so với các bộ biến đổi truyền thống. Cấu
trúc của biến tần ma trận không sử dụng tụ điện hay cuộn cảm làm phần tử tích trữ năng
lượng nên kết cấu gọn nhẹ, hiệu suất cao, đáp ứng đầu ra, đầu vào nhanh, các van bán dẫn
trong biến tần ma trận là van bán dẫn hai chiều, cho phép dòng điện chảy được theo hai
chiều, năng lượng có thể trao đổi được theo hai chiều. Phương pháp điều khiển cho biến
tần ma trận đảm bảo cho điện áp đầu ra và dịng điện đầu vào của biến tần có dạng hình sin
theo tần số cơ bản, hệ số cơng suất đầu vào của biến tần không phụ thuộc vào hệ số cơng
suất của tải và có thể điều chỉnh được, đảm bảo cho điện áp đầu vào và dòng điện đầu vào
trùng pha với nhau. Biến tần ma trận ngày càng được ứng dụng vào nhiều lĩnh vực, điều
khiển động cơ không đồng bộ, động cơ đồng bộ, bộ nguồn trong lĩnh vực quân sự, hàng
không, tàu thủy, bộ nguồn di động trong lĩnh vực cơng nghiệp.

1.2. Tình hình nghiên cứu về biến tần ma trận và ứng dụng trong
bộ nguồn biến đổi tần số
Hiện nay trên thế giới có nhiều nhóm nghiên cứu về biến tần ma trận, trong đó các
nhóm nghiên cứu chủ yếu trên thế giới hiện nay có Nottingham University của Vương
quốc Anh, Aalborg University của Đan mạch và một số nhóm khác. Các nhóm nghiên cứu
trong nước có Trung tâm Nghiên cứu triển khai cơng nghệ cao, Đại học Bách khoa Hà nội.
Đại học Bách khoa Thành phố Hồ Chí Minh. Những vấn đề nghiên cứu chính hiện nay về
biến tần ma trận của các nhóm nghiên cứu trong nước và trên thế giới được thực hiện trên
hai lĩnh vực, lý thuyết và triển khai ứng dụng.

Các nghiên cứu về lý thuyết đề cập đến các vấn đề như cấu trúc mạch lực, các
phương pháp điều khiển, các phương pháp chuyển mạch. Về cấu trúc mạch lực, ngoài cấu
trúc cơ bản, một số cấu trúc khác được nghiên cứu, phát triển nhằm mục đích giảm bớt số


7
lượng van bán dẫn hai chiều phải sử dụng, đơn giản hóa vấn đề chuyển mạch và điều
khiển, phục vụ cho các đối tượng đặc biệt như máy điện sáu pha [2], làm việc trong hệ
thống ba pha bốn dây.
Về chuyển mạch, vấn đề chuyển mạch được đề cập đến khi sử dụng các van bán
dẫn hai chiều và phương pháp điều chế được sử dụng. Các phương pháp chuyển mạch tự
nhiên [3], chuyển mạch bốn bước, hai bước, một bước [1][4][5] vẫn là các phương pháp
chủ đạo đang được quan tâm nghiên cứu và triển khai trong các thí nghiệm.
Về phương pháp điều biến, các phương pháp khác nhau đã và đang được nghiên
cứu, ứng dụng như Venturini – Alesina, điều biến gián tiếp, điều biến trực tiếp, điều biến
đa mức, mỗi phương pháp đều có những ưu nhược điểm nhất định. Phương pháp điều biến
gián tiếp được chia thành hai bước, điều biến cho phía chỉnh lưu và điều biến cho phía
nghịch lưu. Với phía chỉnh lưu có thể áp dụng phương pháp SVM [1] hoặc phương pháp
PWM [6]. Ưu điểm nổi bật của phương pháp PWM là không cần áp dụng các phương pháp
chuyển mạch cho các khóa bán dẫn hai chiều của phía chỉnh lưu, do quá trình chuyển mạch
này được điều khiển để diễn ra vào thời điểm dòng điện chảy qua các van về khơng. Với
phía nghịch lưu, phụ thuộc vào số lượng nhánh đầu ra mà phương pháp SVM 2D hoặc
SVM 3D được áp dụng. Các phương pháp khác nhau có thể được áp dụng cho từng phía
nhưng đặc điểm chung của chúng là q trình điều chế cho hai phía phải được phối hợp
đồng bộ và chặt chẽ với nhau do ở phần trung gian một chiều không sử dụng phần tử tích
trữ năng lượng. Phương pháp Venturini – Alesina được phát triển thêm cho biến tần ma
trận có nhiều nhánh ra [7]. Nhược điểm của phương pháp này là khối lượng tính tốn lớn
với nhiều phép tính lượng giác, điều này sẽ làm giảm giá trị của tần số trích mẫu. Tuy
nhiên có thể khắc phục được phần nào nhược điểm nêu trên nếu các giá trị về lượng giác
được sắp xếp thành bảng tra. Phương pháp điều biến vectơ không gian cho biến tần ma trận

được chia thành hai nhánh, điều biến hai chiều trong hệ  , áp dụng cho các biến tần ma
trận ba pha có ba nhánh ra, điều biến ba chiều trong hệ abc hoặc hệ  , áp dụng cho biến
tần ma trận ba pha có bốn nhánh ra. Q trình điều biến bao gồm các công việc: Xác định
bộ các vectơ chuẩn được sử dụng trong quá trình điều biến; Xác định các vectơ chuẩn ứng
với từng vị trí trong khơng gian của vectơ điện áp ra cần tổng hợp; Xác định tỉ số điều biến
và trật tự thích hợp để thực hiện các vectơ chuẩn, chuyển giá trị của các tỉ số điều biến
thành thời gian đóng cắt của các van bán dẫn. Phương pháp điều biến ba chiều trong hệ


được trình bày trong [8][9]. Trong phương pháp này, mỗi vectơ điện áp ra hoặc vectơ

dòng điện vào được tổng hợp từ ba vectơ thành phần trùng phương với ba vectơ chuẩn tạo


8
nên không gian chứa vectơ cần tổng hợp. Mỗi vectơ thành phần lại được tổng hợp từ hai
vectơ chuẩn có cùng phương với vectơ thành phần cần tổng hợp. Như vậy với ba vectơ
thành phần sẽ cần sáu vectơ tích cực và vectơ khơng được sử dụng để hồn thiện một chu
kỳ điều biến. Tương ứng với số lượng vectơ tích cực sẽ có sáu tỉ số điều biến được xác
định. Việc xác định các tỉ số điều biến dựa trên nguyên tắc dòng điện và điện áp đầu vào
trùng pha với nhau.
Biến tần ma trận hoạt động trong các điều kiện khơng bình thường, điện áp đầu vào
bị méo và biến đổi [10][11][12], đầu ra của biến tần bị lỗi ngắn mạch [13], đầu ra của biến
tần được nối với tải không đối xứng hoặc tải phi tuyến. Việc điều khiển vịng kín trong các
hệ thống ứng dụng biến tần ma trận cũng được nghiên cứu, mạch vòng điều khiển dòng
điện [14], mạch vòng điều khiển điện áp [15].
Các nghiên cứu về triển khai ứng dụng trong công nghiệp. Về van bán dẫn hai
chiều, một số hãng sản xuất linh kiện bán dẫn đang triển khai sản xuất thử nghiệm van bán
dẫn hai chiều như Dynex [16], Semelab [17][18]. Các ứng dụng trong công nghiệp như
trong lĩnh vực truyền động điện của biến tần truyền thống [19][20][21], trong việc ổn định

tần số và điện áp ra cho hệ thống máy phát điện sức gió [22][23].
Ứng dụng biến tần ma trận
vào bộ nguồn biến đổi tần số là
một hướng đang trong quá trình
nghiên cứu và phát triển mạnh mẽ
trên thế giới. Đây là cơng trình
nghiên cứu đầu tiên trong nước về
bộ nguồn biến đổi tần số ứng
dụng biến tần ma trận. Trong [24]
nghiên cứu về bộ nguồn biến đổi

Hình 1.2 Cấu trúc bộ nguồn biến đổi tần số 60/400Hz
trong lĩnh vực hàng không [24]

tần số 60/400 ứng dụng biến tần
ma trận, sử dụng trong lĩnh vực hàng không. Cấu trúc của bộ nguồn kiểu này được chỉ ra
trên hình 1.2, điện áp vào và điện áp ra đều là ba pha ba dây. Các van bán dẫn hai chiều sử
dụng trong mạch lực của biến tần ma trận sử dụng trong bộ nguồn kiểu này được cấu trúc
nên từ các phần tử độc lập, nghĩa là các phần tử không được chế tạo trên cùng một phiến
bán dẫn. Bộ nguồn kiểu này luôn làm việc với tải ba pha đối xứng. Khi giá trị tải biến đổi
từ không tải đến giá trị định mức, tuy nhiên giá trị phụ tải phân bố trên các pha vẫn cân
bằng, điện áp ra sẽ bị thay đổi, để đảm bảo ổn định điện áp ra, phương pháp điều khiển
bám và điều khiển lặp đã được sử dụng.


9

1.3. Tiêu chuẩn đối với bộ nguồn biến đổi tần số
Các bộ biến đổi dùng làm bộ nguồn có những yêu cầu khác biệt so với các biến tần
thông thường. Đó là bộ nguồn phải đảm bảo các chế độ hoạt động khi phụ tải mất đối xứng

mạnh, đến 100 %, nghĩa là có thể chỉ cịn tải trên một pha hoặc hai pha. Tải có những dao
động đột biến, khi có những thiết bị khởi động hoặc đóng cắt một cụm phụ tải lớn. Ngoài
ra, bộ biến đổi phải đạt hiệu suất cao, kích thước nhỏ gọn, làm việc không gây ồn, đảm bảo
ổn định điện áp ra một cách tức thời.
Khi bộ nguồn làm việc với tải mất đối xứng sẽ dẫn đến điện áp pha đầu ra của nó bị
mất đối xứng, do đó việc điều khiển để đảm bảo được sự cân bằng của điện áp đầu ra trong
phạm vi cho phép là cần thiết. Điện áp ổn định là điện áp mà thiết bị tiêu thụ điện mong
muốn nhận được trong điều kiện hoạt động bình thường. Tiêu chuẩn IEEE Std 446 – 1995
[25] quy định cho các bộ biến đổi ba pha, các thông số phải nằm trong giới hạn cho phép,
được chỉ ra trong bảng 1.1 dưới đây.
Bảng 1.1 Thông số của bộ nguồn theo tiêu chuẩn IEEE Std 446 – 1995 [25]
Thông số

Giá trị

Điện áp đầu ra
Độ ổn định điện áp

± 2% khi tải đối xứng
± 3% khi tải mất đối xứng 20 %
(100%, 80%, 80%; 100%, 100%, 80%)

Thời gian ổn định

100ms

THD

4%

Độ dịch pha

120o ± 1o khi tải đối xứng
120o ± 3o khi tải mất đối xứng 20%

1.4. Định hướng nghiên cứu
Trên cơ sở các vấn đề nghiên cứu. Để giải quyết yêu cầu đề ra của luận án, định
hướng nghiên cứu của luận án như sau:
Nghiên cứu về cấu trúc không đối xứng của mạch lực biến tần ma trận (3 dây vào 4
dây ra), phân tích, đánh giá, lựa chọn mạch lực phù hợp ứng dụng trong bộ nguồn biến đổi
tần số. Trên cơ sở cấu trúc mạch lực biến tần ma trận đã lựa chọn để ứng dụng trong bộ
nguồn, thiết kế cấu trúc của bộ nguồn biến đổi tần số.
Thiết kế logic chuyển mạch cho cấu trúc không đối xứng của biến tần ma trận ứng
dụng trong bộ nguồn;


10
Thực hiện phương pháp điều khiển phù hợp cho cấu trúc không đối xứng của biến
tần ma trận ứng dụng trong bộ nguồn, nhằm đảo bảo những tính ưu việt của biến tần ma
trận;
Điều khiển ổn định giá trị hiệu dụng của điện áp ra của bộ nguồn trong trường hợp
tải khơng đối xứng, đảm bảo tính đáp ứng nhanh với sự biến đổi của tải và độ cứng đặc
tính ngoài của bộ nguồn biến đổi tần số, đáp ứng theo tiêu chuẩn IEEE Std 446-1995.
Xây dựng mơ hình mơ phỏng và thực nghiệm của bộ nguồn biến đổi tần số ứng
dụng biến tần ma trận, triển khai các thuật tốn điều khiển trên mơ hình thực nghiệm đã
xây dựng, nhằm kiểm chứng các vấn đề nghiên cứu như cấu trúc mạch lực, phương pháp
chuyển mạch, phương pháp điều khiển.
Các nội dung nghiên cứu được trình bày trong các chương 2, 3, 4, 5 của luận án.

Nhận xét chương 1

Các vấn đề cơ bản về bộ nguồn biến đổi tần số được khái quát trong chương một,
bao gồm tình hình nghiên cứu, phát triển và các lĩnh vực ứng dụng của bộ nguồn, trên tàu
thủy, máy bay, trong các ngành công nghiệp…Các yêu cầu cơ bản của bộ nguồn cũng
được nêu ra.
Một số cấu trúc mạch lực của bộ biến đổi đang sử dụng hiện nay cho bộ nguồn
được đề cập, cấu trúc truyền thống như bộ biến đổi ba pha được xây dựng từ việc ghép ba
bộ biến đổi một pha, bộ biến đổi ba pha với chỉnh lưu tích cực phía đầu vào và nghịch lưu
ba pha bốn dây đầu ra. Hạn chế chủ yếu của các cấu trúc truyền thống là điện áp đầu ra và
dòng điện đầu vào không sin, không đảm bảo được việc truyền năng lượng theo hai chiều,
kích thước bộ biến đổi tương đối lớn. Bộ biến đổi kiểu ma trận với những ưu điểm nổi bật
như tạo được điện áp đầu ra và dịng điện đầu vào có dạng hình sin, hệ số cơng suất đầu
vào của biến tần có thể điều chỉnh được và đạt gần bằng một, năng lượng có thể trao đổi
theo hai chiều, được đề xuất để xây dựng bộ nguồn biến đổi tần số. Trên cơ sở đó đề xuất
định hướng nghiên cứu và các vấn đề cần giải quyết của luận án là: cấu trúc mạch lực, cấu
trúc bộ nguồn, điều khiển chuyển mạch, điều khiển biến tần, điều khiển ổn định điện áp ra
và xây dựng mơ hình thực nghiệm để kiểm chứng các kết quả nghiên cứu.


11

Chương 2
CẤU TRÚC MẠCH LỰC VÀ CHUYỂN MẠCH
2.1. Cấu trúc mạch lực
Phần lực của bộ nguồn biến đổi tần số đóng vai trị quan trọng, quyết định kích
thước, chất lượng, các mạch phụ trợ khác và phương pháp điều khiển cho bộ
nguồn….Phần lực bao gồm mạch lực của bộ biến đổi, các mạch phụ trợ khác như: Máy
biến áp để cách ly và có thể biến đổi điện áp nhằm đảm bảo điện áp đầu ra đạt đúng giá trị
mong muốn, lọc đầu vào, lọc đầu ra nhằm mục đích nâng cao chất lượng điện áp và dòng
điện, mạch bảo vệ cho các van bán dẫn.
Dựa trên nguyên tắc điện áp đầu ra được tạo ra trực tiếp từ điện áp đầu vào, có

nghĩa là một pha đầu ra được nối với một pha đầu vào thơng qua một khóa bán dẫn. Nếu
điện áp đầu vào là n pha thì một pha đầu ra sẽ được nối với cả n pha đầu vào thơng qua n
khóa bán dẫn. Nếu điện áp đầu ra là m pha, theo nguyên tắc trên sẽ có một ma trận khóa
bán dẫn có kích thước m×n để nối giữa m pha đầu ra với n pha đầu vào, ma trận khóa bán
dẫn được chỉ ra trên hình 2.1a. Biến tần có cấu trúc cơ bản như hình 2.1a được gọi là biến
tần ma trận, cấu trúc kiểu trực tiếp. Để đảm bảo dịng điện có thể chảy theo hai chiều, các
khóa bán dẫn sử dụng trong biến tần ma trận là khóa hai chiều (BDS).

Hình 2.1 Cấu trúc tổng quát của biến tần ma trận.
a) Cấu trúc kiểu trực tiếp, b) Cấu trúc kiểu gián tiếp

Phương pháp điều khiển cho biến tần ma trận trực tiếp có thể biến đổi cấu trúc trực
tiếp thành cấu trúc kiểu gián tiếp, được chỉ ra trên hình 2.1b. Theo cấu trúc kiểu gián tiếp
biến tần ma trận được chia thành hai phần: phần nối với lưới được gọi là chỉnh lưu, phần