Mở đầu Hiện nay khoa học công nghệ phát triển mạnh mẽ, các nhà máy xí nghiệp đã đưa các dây chuyền tự động vào sản xuất. Do vậy vấn đề điều khiển các cơ cấu truyền động trong dây chuyền sản xuất, nhất là điều khiển tốc độ động cơ được nghiên cứu và phát triển mạnh. Và Inverter ra đời cũng nhằm đáp ứng các yêu cầu đó, các dòng Inverter trước đây chủ yếu là chuyển đổi từ điện áp một chiều DC sang điện áp xoay chiều có tần số thay đổi được. Nhưng nhược điểm thấy rõ là để có điện áp một chiều DC thì Inverter phải có thêm bộ phận chỉnh lưu từ nguồn xoay chiều AC sang nguồn một chiều DC.
Vậy, vấn đề về giá thành và hiệu suất được đặt ra. Ngoài ra, do vấn đề về nguồn tài nguyên thiên nhiên ngày càng cạn kiệt, năng lượng thiếu hụt nên vấn đề tiết kiệm năng lượng được quan tâm. Với sự phát triển của khoa học và công nghệ bán dẫn mà một loại Inverter mới ra đời có tiềm năng thay thế các dòng Inverter cũ trước đây đó là Matrix converter. Matrix converter là một lại Inverter trực tiếp, nhờ trực tiếp chuyển đổi từ áp xoay chiều có tần số cố định sang áp xoay chiều có tần số thay đổi được bỏ qua khâu trung gian chuyển đổi thành áp một chiều DC mà đã giảm được đáng kể tổn hao làm tăng hiệu suất của Inverter.
Đồng thời giảm được kích thước Inverter cũng như giá thành sẽ gảm. Cũng chính vì vấn đề đó mà em đã chọn Matrix converter làm đề tài tốt nghiệp cho mình. Một đề tài mới và có nhiều triển vọng trong tương lai. Em rất mong nội dung của đề tài sẽ góp phần vào sự phát triển của dòng Matrix converter trong tương lai.
Ý nghĩa thực tiễn của đề tài Matrix converter là một loại biến tần mới có khả năng tiết kiệm năng lượng cao hơn các dòng Inverter trước đây, đồng thời kích thước và giá thành giảm. Do vậy việc nghiên cứu và tìm hiểu Matrix converter có ý nghĩa rất quan trọng trong thực tiễn. Việc nghiên cứu và tìm hiểu không những giúp cho sự phát triển các dòng Matrix converter sau này mà nó còn giúp loại Inverter này có thể dễ dàng đi vào thị trường Việt Nam. SVTH: NGUYỄN QUỐC ĐẠT 1 do an MATRIX CONVERTER GVHD: NGUYỄN VINH QUAN Do ý tưởng về Matrix converter được đưa ra từ năm 1976 nhưng do có nhiều vấn đề mà đến nay loại Inverter này vẫn là loại Inverter mới, cũng do vậy mà nhiều công trình nghiên cứu khác nhau của nhiều tác giả về Matrix converter.
Do vậy đề tài được xây dựng không chỉ trên cơ sở khoa học của các công trình nghiên cứu của một tác giả mà là nhiều công trình nghiên cứu của các tác giả khác nhau về Matrix converter. Nội dung tìm hiểu Nội dung chủ yếu của đề tài là tìm hiều về thuật toán điều khiển của Matrix converter, một phần quan trọng trong việc chế tạo Matrix converter cũng như vấn đề mô phỏng Matrix converter trong chương trình Matlab/Simulink. Nội dung chính trong đồ án này là: - Giới thiệu Matrix converter - Cấu trúc Matrix converter - Thuật toán điều khiển Venturini cho Matrix converter - Mô phỏng sử dụng thuật toán của Venturini 1. Các công trình nghiên cứu trước đây Các công trình nghiên cứu quan trọng trước đây: Năm 1976 Gyugyi và Pelly đã chỉ ra nguyên tắc hoạt động của bộ biến tần trực tiếp sử dụng khoá hai chiều để có thể tạo được tần số ngõ ra không bị hạn chế nhưng do có nhiều sóng hài bậc cao ngõ ra.
Năm 1980 Venturini và Alesina đã đưa ra phương pháp điều chế khắc phục được nhược điểm đó nhưng hệ số truyền áp tối đa lúc này chỉ là 0,5. Sau đó được cải tiến bằng cách thêm thành phần hài bậc 3 vào thành phần hài cơ bản để nâng tỉ số điều chế điện áp lớn nhất bằng 0.866 Tiếp đến là phương pháp điều chế vector không gian cho dạng sóng ngõ ra tốt hơn nhưng lại làm ảnh hưởng đến dạng sóng ngõ vào. Các nghiên cứu sau này chủ yếu là làm tăng hiệu suất của Matrix converter, chế tạo nên các Modular chuyên dụng. Tại Việt Nam nghiên cứu ứng dụng FPGA điều khiển vector không gian cho AC-AC Matrix converter ba phase của Dương Hữu Trí, Nguyễn Văn Nhờ tại phòng thí nghiệm Hệ Thống Năng Lượng, Khoa Điện- Điện Tử, ĐH Bách Khoa TP.
Nghiên cứu trình bài một giải thuật điều khiển PWM cho bộ chuyển đổi nguồn 3 pha AC-AC matrix converter với dòng đầu vào, áp đầu ra có dạng sin. Giải thuật được phát SVTH: NGUYỄN QUỐC ĐẠT 2 do an MATRIX CONVERTER GVHD: NGUYỄN VINH QUAN triển dựa trên kỹ thuật điều chế vec tơ không gian(SVPWM). Giải thuật đạt được tỉ số điều chế cực đại 0.866 và hệ số công suất đầu vào bằng 1. Kỹ thuật này được kiểm chứng thông qua kết quả mô phỏng trên phần mềm Matlab/Simulink và thực nghiệm trên Card FPGA Spartan 3E với chuyển mạch bốn bước.
SVTH: NGUYỄN QUỐC ĐẠT 3 do an MATRIX CONVERTER GVHD: NGUYỄN VINH QUAN CHƯƠNG II: TỔNG QUAN VỀ CÁC DÒNG INVERTER 2. Tổng quan Biến tần được phân chia thành hai loại cơ bản là biến tần trực tiếp và biến tần gián tiếp. Trong biến tần trực tiếp chia làm hai loại cơ bản, một loại có chỉ có khả năng thay đổi tần số ngõ ra thấp hơn hay bằng tần số ngõ vào. Loại này người ta quen gọi là biến tần trực tiếp.
Loại thứ hai có khả năng cao hơn là có thêm khả năng thay đổi tần số ngõ ra cao hơn ngõ vào. Loại này người ta gọi là biến tần ma trận (Matrix Converter). Biến tần ma trận được chia làm hai loại nữa, một loại có hệ số truyền áp ≤0,866 đối với các module công suất thường và một loại có hệ số truyền áp theo lý thuyết là <∞ với module công suất loại mới. Trong luận văn tốt nghiệp này, ta sẽ đi sâu và họ Matrix converter thông thường có hệ số truyền ≤0,866.
Inverter gián tiếp Như đã nêu trên, inverter gián tiếp là một trong các dòng inverter thông dụng hiện nay. Loại Inverter này được sử dụng khá rộng rãi từ trước đến nay trong công nghiệp. Người ta gọi là inverter gián tiếp bởi vì điện áp AC ngõ vào sẽ được chuyển đổi sang áp DC, sau đó từ áp DC mới được nghịch lưu thành áp AC có khả năng thay đổi tần số. Vậy loại inverter này phải qua hai tầng biến đổi.
Sơ đồ cấu trúc một inverter gián tiếp cơ bản: Hình 2.1: Cấu trúc Inverter gián tiếp 3∅ − 3∅ do an MATRIX CONVERTER GVHD: NGUYỄN VINH QUAN 2. Inverter trực tiếp Inverter trực tiếp có đặt điểm khác với inverter gián tiếp là không qua khâu trung gian tạo áp DC mà trực tiếp biến đổi áp AC có tần số cố định sang áp AC có tần số có khả năng thay đổi. Biến tần trực tiếp loại có fout ≤ fin thì các modular công suất là các SCR hay IGBT như những van một chiều. Loại inverter này có hiệu suất cao hơn inverter gián tiếp do không qua khâu chuyển đổi thành áp DC.
Sơ đồ cấu trúc một inverter trực tiếp với fout≤ fin cơ bản. Một phase – một phase: Biến tần trực tiếp 1 phase – 1 phase sẽ sử dụng 8 SCR tạo thành hai cầu chỉnh lưu có điều khiển có tác dụng tạo nên hai giá trị điện áp ngược dấu ở ngõ ra. Vậy tùy thuộc vào giá trị tần số ngõ ra mong muốn và giá trị điện áp ngõ ra mong muốn tại mỗi thời điểm sẽ có một cầu chỉnh lưu dẫn.2a: Cấu trúc Inverter trực tiếp 1∅ − 1∅ do an MATRIX CONVERTER GVHD: NGUYỄN VINH QUAN Hình 2.2b: Giản đồ dạng sóng điện áp của Inverter trực tiếp 1∅ − 1∅ 2. Ba phase – một phase: Ba phase – một phase loại bán kỳ sẽ sử dụng 6 SCR chia làm hai phần, một phần là 3 SCR dẫn dòng dương từ ba phase nguồn về N, và phần còn lại dẫn dòng âm từ N qua tải về ba phase nguồn.3: Cấu trúc Inverter trực tiếp 3∅ − 1∅ bán kỳ do an MATRIX CONVERTER GVHD: NGUYỄN VINH QUAN Ba phase – một phase loại toàn bán kỳ sẽ sử dụng 12 SCR chia làm hai phần, nguyên lý giống như loại Inverter trực tiếp 1∅ − 1∅ Hình 2.4: Cấu trúc Inverter trực tiếp 3∅ − 1∅ toàn kỳ 2.
Ba phase – ba phase: Cũng dựa trên nguyên lý đó mà Inverter trực tiếp 3∅ − 3∅ có loại bán kỳ và toàn kỳ. Cấu trúc Inverter trực tiếp 3∅ − 3∅ bán kỳ dùng 18 SCR và cấu trúc Inverter trực tiếp 3∅ − 3∅ toàn kỳ dùng 36 SCR Hình 2.5: Cấu trúc Inverter trực tiếp 3∅ − 3∅ bán kỳ do an MATRIX CONVERTER GVHD: NGUYỄN VINH QUAN Hình 2.6: Cấu trúc Inverter trực tiếp 3∅ − 3∅ toàn kỳ 2. Matrix converter Matrix converter cũng là một loại biến inverter trực tiếp nhưng có khả năng thay đổi tấn số ngõ ra cao hơn tần số ngõ vào. Các modular công suất lúc này là các khóa hai chiều (Bidirectinonal AC Switch).
Loại inverter này thường là loại chuyển đổi ba phase sang ba phase như hình vẽ.7: Cấu trúc Matrix converter 3∅ − 3∅ do an MATRIX CONVERTER GVHD: NGUYỄN VINH QUAN Đối với biến tần gián tiếp thì phần nghịch lưu là chuyển đổi từ áp DC sang AC nên vấn đề về ngõ vào là ba phase hay một phase sẽ không ảnh hưởng đến ngõ ra nếu áp trên bus DC được đảm bảo. Nhưng với biến tần trực tiếp thì lại là một vấn đề khác, điện áp ngõ vào chuyển đổi lại là áp AC nên vấn đề số phase ngõ vào sẽ rất quan trọng. Nếu số phase càng lớn việc chuyển đổi sẽ càng dễ dàng, nhưng nếu chỉ có một phase ngõ vào thì vấn đề sẽ trở nên phức tạp. Khi áp vào là một pha thì điện áp đó phải có tần số cao.
Cũng chính vì lẽ đó mà loại Matrix converter 1phase-3phase vẫn còn đang nghiên cứu do vấn đề về kinh tế không cao ở loại inverter này.8: Cấu trúc Matrix converter 1∅ − 3∅ Hiện nay có một loại mới ra đời có đặc tính điều khển không gian vector giống như Matrix Converter. Đây là hình ảnh cấu trúc của của Inverter công nghệ mới một phase sang ba phase có hiệu suất cao.9: Cấu trúc Direct Linked Inverter 1∅ − 3∅ do an MATRIX CONVERTER GVHD: NGUYỄN VINH QUAN 2. So sánh Inverter gián tiếp Inverter trực tiếp Matrix converter Nối giữa lưới và tải phải qua hai tầng Nối trực tiếp giữa lưới và tải không qua một chỉnh lưu và nghịch lưa nên hiệu suất khâu trung gian nào nên hiệu suất truyền không cao. Do gián tiếp nên năng lượng tái sinh Trao đổi năng lượng với lưới một cách liên không thể trả về lưới.