Ngiên cứu bộ biến tần AC-AC Matrix Converter

phía lưới và phía động cơ. Mức quá áp phía lưới đã được phân tích kỹ ở trên, khi mà có sự ảnh hưởng của bộ lọc đầu vào LC. Ở đây ta phân tích quá áp phía tải và cách năng lượng được giải phóng Ta quan tâm tới việc tạo ra một mômen hãm lớn trong một thời gian ngắn khi ngắt nguồn. Bởi vì dòng chảy công suất là rất lớn, cần có một (braking chopper) bộ băm hãm (gồm 1 van bán dẫn và một điện trở hãm) nối thêm vào trong mạch clamp vì sẽ làm tăng tối đa tổn hao động cơ nhờ tăng các hài dòng điện động cơ.Mặc dù như vậy sẽ tăng độ phức tạp của ASD (truyền động có điều chỉnh tốc độ) nhưng có thể giảm đáng kể kích thước của tụ clamp khi sử dụng chopper cho trường hợp quá dòng xấu nhất. Điện trở hãm phải có khả năng tích luỹ dần năng lượng bởi vì sử dụng chopper chỉ được dùng trong thời gian ngắn (tình huống khẩn cấp). Như vậy năng lượng khi thoát ra sẽ được giảm nhờ tăng lớn nhất tổn hao trên động cơ. Đạt được điều này do tăng các hài dòng điện của động cơ khi mà từ thông động cơ không thể điều khiển được Trong quá trình ngắt nguồn toàn bộ chỉ có 2 khả năng của các trạng thái đóng cắt làm động cơ tách ra khỏi lưới. + Trạng thái zero-vectors (aaa, bbb, ccc) sẽ nối tất cả các đầu của động cơ tới 1 đầu của lưới (Hình1.16a). Bởi vì khi làm việc từ thông rôto và tốc độ động cơ không thể bằng 0 nên ngắn mạch động cơ sẽ làm dòng stator tăng lên. + Trạng thái không nối tất cả các khoá, vì vậy dòng động cơ sẽ chảy qua mạch clamp.(Hình 1.16b).Vì điện áp trong mạch clamp là cao hơn biên độ sức điện động (EMF) của động cơ, điều này làm dòng stator sẽ giảm xuống Bằng cách thay đổi 2 trạng thái đóng cắt trên sẽ tạo ra sự biến đổi năng lượng cơ thành năng lượng điện đồng thời cho phép từ thông rôto động cơ tắt dần. Trên hình 1-16 đưa ra đường dẫn dòng chảy năng lượng. Hình 1-17 Đường dẫn năng lượng khi hãm với mạch clamp Trong trạng thái zero-vector, dòng điện tăng và năng lượng cơ được biến đổi thành năng lượng điện từ mà được tích tụ trong điện kháng tản của động cơ. Khi tất cả các khoá đều mở ra, năng lượng điện từ được chuyển vào mạch clamp. Một phần nhỏ năng lượng này được sử dụng lại để nuôi mạch điều khiển (xem hình1-13). Muốn đạt được mômen hãm lớn nhất thì dòng năng lượng trong mạch clamp phải đạt gần bằng công suất định mức của động cơ. Phần lớn năng lượng tĩnh điện ở tụ clamp được chuyển thành năng lượng nhiệt nhờ nối một (braking chopper) bộ băm có điện trở hãm. Giải pháp này cho phép giảm được kích cỡ của tụ kẹp vì nó nhỏ hơn, rẻ hơn và gọn nhẹ hơn khi gắn vào Matrix Converter để chuyển năng lượng điện thành năng lượng nhiệt I.3.3 Mạch snubber Mạch LC có chức năng tương tự mạch snubber. Tuy nhiên trong thực tế 1 mạch snubber nhỏ vẫn được sử dụng để giảm nhẹ ảnh hưởng của điện cảm dây nối. Đặc điểm rõ nét của MC là dòng điện luôn chuyển mạch từ 1 khoá được điều khiển tới 1 khoá khác. Rất khác với biến tần nguồn áp thông thường là chuyển mạch từ một van được điều khiển đến các điốt hoàn năng lượng thêm vào hoặc ngược lại. Trong biến tần thông thường có 1 khoảng thời gian trễ giữa các tín hiệu điều khiển các van (tránh dẫn tức thời) và dòng tải cảm kháng sẽ đi qua điốt hoàn năng lượng để tạo sự an toàn cho các van. Không có đường thoát năng lượng trong MC nhưng vẫn cần thiết có 1 khoảng thời gian trễ giữa các tín hiệu điều khiển để tránh ngắn mạch đầu vào. Trong thời gian trễ này, dòng tải cảm kháng sẽ được chảy qua một mạch bảo vệ (snubber). Mạch bảo vệ phải được tính toán để hạn chế điện áp các van tới một giá trị thích hợp Trong Matrix Converter, sử dụng một mạch RC snubber đơn giản được nối song song qua khoá 2 chiều(Hình 1.18). Để tránh tổn hao trong mạch bảo vệ lớn quá mức việc thiết kế mạch snubber phải đi liền với việc thiết lập thời 1 gian trễ rất cẩn thận. Hình 1-18 Mạch Snubber cho khoá 2 chiều Với một mạch R-C dùng bảo vệ Matrix Converter khi thực hiện chuyển mạch dòng điện đơn giản và dễ hiểu là chuyển mạch dòng điện với thời gian chết (dead time). Tuy chiến lược chuyển mạch là đơn giản nhưng việc chọn đúng tham số cho mạch snubber là rất khó khăn để điều khiển điện áp đỉnh qua các khoá, khi xảy ra hở mạch dây quấn động cơ trong khoảng thời gian chết. Các tham số của mạch RC được xác định nhờ giá trị định mức của van và chế độ hoạt động của mạch * Chọn giá trị điện trở dựa vào 2 tiêu chuẩn + Điện trở phải giải phóng năng lượng của tụ khi khoá dẫn dòng, chính vì thế giá trị điện trở được chọn sao cho thời gian phóng của tụ phải <= chu kỳ làm việc nhỏ nhất của bất kỳ 1 khoá nào trong Matrix Converter + Điện trở này sẽ xác định giá trị đỉnh của dòng điện phóng ra từ tụ, mà dòng này có tác động lên khoá.Do đó giá trị điện trở thích hợp được chọn phải hạn chế giá trị đỉnh của dòng xuống dưới giá trị định mức và đủ giải phóng năng lượng tụ khi khoá mở dẫn dòng. * Chọn giá trị cho tụ là vấn đề quan trọng đối với điện áp qua van. Trong thời gian chết, dòng tải đi qua mạch snubber, và giá trị của tụ xác định điện áp qua van khi khoá không dẫn. Lúc đó phải chọn giá trị tụ sao cho điện áp qua van nhỏ hơn điện áp định mức của van Dạng sóng dòng điện và điện áp qua van lúc đóng cắt chủ yếu phụ thuộc vào thời gian trễ giữa các khoá, giá trị điện áp đầu vào, dòng điện đầu ra và các tham số của mạch Snubber. Còn tổn hao đóng cắt phụ thuộc vào tụ điện, thời gian chết, và các tham số trong công thức tính tổng tổn hao công suất trong mạch RC (1.6) Với fs là tần số đóng cắt, t là thời gian chết, VL là RMS (Căn bậc hai trung bình) của điện áp dây vào và I0 là RMS của dòng đầu ra CHƯƠNG II: VẤN ĐỀ CHUYỂN MẠCH TRONG MATRIX CONVERTER Matrix Converter có nhiều thuận lợi hơn các biến tần truyền thống như khả năng tái sinh năng lượng trở lại lưới, dòng điện vào và ra hình sin, và có thể điều khiển được hệ số công suất đầu vào, kích thước cũng được giảm xuống đáng kể bởi vì không có phần tử phản kháng lớn tích năng lượng trung gian. Tuy nhiên cũng có một vài vấn đề thực tế quan trọng nảy sinh cần được quan tâm với Matrix Converter. Vì không có đường thoát năng lượng tự nhiên (freewheel paths), nên rất khó để thực hiện chuyển mạch dòng điện tin cậy từ một khoá này sang một khoá khác, quá trình chuyển mạch không tin cậy sẽ ảnh hưởng đến chế độ hoạt động an toàn và hiệu suất của Matrix Converter. II.1 TỔNG QUÁT VỀ QUÁ TRÌNH CHUYỂN MẠCH II.1.1 Chuyển mạch tự nhiên và chuyển mạch cưỡng bức Chuyển mạch là quá trình dòng điện chuyển từ van đang dẫn (nhưng sắp ngắt) này sang van chưa dẫn (nhưng sắp dẫn) khác a) Chuyển mạch tự nhiên. Điểm chuyển mạch tự nhiên là thời điểm ở đó có sự tự chuyển van dẫn từ van này sang van khác, một van mới mở ra sẽ tạo điều kiện khóa một van đang dẫn lại. Ví dụ: Sự chuyển mạch của các van dưới tác dụng của điện áp lưới xoay chiều như trong các bộ biến đổi phụ thuộc (chỉnh lưu, biến tần trực tiếp…) b) Chuyển mạch cưỡng bức Các van nếu cùng nằm dưới điện áp một chiều sẽ không thể chuyển mạch tự nhiên. Khi đó để khóa một van đang dẫn lại sẽ phải dùng van điều khiển hoàn toàn hoặc nếu là van thyristor sẽ cần một mạch đặc biệt chuyên dụng (mạch khoá cưỡng bức) để thực hiện quá trình chuyển mạch Ví dụ : Sự chuyển mạch trong các bộ biến tần gián tiếp… II.1.2 Chuyển mạch cứng và chuyển mạch mềm a) Chuyển mạch cứng Khi khoá một van bán dẫn dòng điện do tụ trong mạch khoá cưỡng bức phóng ra rất lớn, gần như là dòng ngắn mạch. Do đó dòng qua van cần khoá gần như bị triệt tiêu tức thời chuyển mạch như vậy gọi là chuyển mạch cứng b) Chuyển mạch mềm Khi chuyển mạch mà dòng qua van cần khoá bị triệt tiêu dần theo quá trình dao động của dòng điện phóng tụ C trong mạch cưỡng bức thì gọi là chuyển mạch mềm ( êm ) Hình 2.1 Mạch đóng cắt mềm E chung Sự đóng cắt mềm là sự đóng cắt trong điều kiện dòng điện hoặc điện áp bằng không, như vậy sẽ không có tổn hao công suất xảy ra như ở đóng cắt cứng, sẽ cho phép tần số đóng cắt cao hơn, đồng thời (EMC) sự tương hợp điện từ phát sinh cũng được giảm xuống. Xét mạch có một phần tử (cell) gồm 1 cặp IGBT với E chung đấu song song ngược với 1 cặp điốt, 1 IGBT phụ, 2 điốt , cuộn cảm, tụ điện, một nguồn áp E.(Hình 2.1) * Nguyên lý hoạt động Giả sử cell 1 và cell 2 là 2 khoá sẽ dẫn và sẽ ngắt tương ứng. Khi chuyển mạch xảy ra, tất cả các tín hiệu điều khiển là được phát ra cùng một lúc. Tại thời điểm này, dòng điện chảy từ nguồn cung cấp của cell 1 qua CR và đồng thời qua D3, LR, E, QA và D2, dòng cũng chảy qua CR của cell 2. Điện áp trên tụ CR nạp tuyến tính đến giá trị E, mạch cộng hưởng được hình thành giữa LR, CR và CR của cell 2. Khi VCR =0, D1 bắt đầu dẫn. LR phóng tuyến tính qua D1 và D3. D1 sẽ dẫn dòng điện có trị số là ILR –Iload . Khi ILR = Iload van QP1 bắt đầu dẫn và dòng điện qua van là Iload –ILR . Dòng trong cuộn cảm vẫn phóng tuyến tính, khi LLR =0 thì van QP1 mang dòng tải đầy đủ. Điều này đảm bảo rằng các van chính đóng cắt dưới điều kiện điện áp bằng không, và van phụ đóng cắt dưới điều kiện dòng điện bằng không Một vấn đề với mạch này là nguồn điện áp E khó thực hiện được trong các hệ thống thực tế. Một giải pháp đưa ra với vấn đề này là thay thế nguồn E bằng cách mắc một tụ song song với QA tuy nhiên điều kiện đóng cắt khi dòng về không của QA sẽ bị mất đi. Tổn hao đóng cắt không bị loại trừ hoàn toàn, nhưng được giảm đi rõ rệt. Tổn hao dẫn cũng giảm so với mạch cầu vì chỉ có 2 van dẫn dòng tải. Một bất lợi chính là số lượng các van bán dẫn tăng cho nên ít dùng để xây dựng Matrix Converter Nhìn chung công nghệ đóng cắt mềm chưa được sử dụng để xây dựng Matrix Converter bởi vì sẽ làm tăng số lượng các van bán dẫn. Matrix Converter với đóng cắt cứng đã sử dụng nhiều van hơn các bộ biến tần thông thường, và sự tăng như vậy trong đóng cắt mềm là không mong muốn trong việc xây dựng cấu trúc Matrix Converter II.2 CHUYỂN MẠCH DÒNG ĐIỆN TRONG MATRIX CONVERTER II.2.1 Yêu cầu của quá trình chuyển mạch Hình 2.2 Hai khoá trên một đầu ra Matrix Converter a)Tránh ngắn mạch đầu vào b)Tránh hở mạch đầu ra Việc chuyển mạch trong Matrix Converter phải được điều khiển chính xác ở mọi thời điểm với hai luật cơ bản. Ta có thể hình dung ra 2 khoá trên một đầu ra của Matrix Converter (hình 2.2). Một điều quan trọng là quá trình chuyển mạch phải đảm bảo không có 2 khoá 2 chiều cùng được đóng ở cùng một thời điểm (hình2.2a), bởi vì điều này sẽ dẫn đến ngắn mạch hai dây vào của Matrix Converter, sinh ra dòng điện lớn phá huỷ biến tần. Thêm vào đó phải đảm bảo các khoá hai chiều cho mỗi pha đầu ra không được mở cùng một lúc (hình 2.2b) bởi vì điều này sẽ làm mất đường dẫn của dòng tải cảm kháng và sẽ gây ra quá áp rất lớn, dẫn đến sự phá hỏng các van. Hai điều này đã gây ra những khó khăn, bởi vì các van bán dẫn không thể đóng mở ngay tức thời do sự trễ khi truyền tín hiệu và thời gian đóng cắt hạn chế. Vấn đề này đã đươc dẫn ra, như là một vấn đề kìm hãm khả năng phát triển thương mại của Matrix Converter II.2.1 Các phương pháp chuyển mạch dòng điện cơ bản Trên (hình vẽ 2.3) là sơ đồ nguyên lý chuyển mạch của một pha đầu ra từ pha vào x tới pha vào y Hình 2.3 a) Chuyển mạch cơ bản một pha x tới một pha y b) Chuyển mạch lý tưởng c) Chuyển mạch có thời gian chết d) Chuyển mạch có trùng dẫn Có hai phương pháp chuyển mạch đơn giản nhất, không tuân theo 2 luật trên nhưng cần có mạch phụ bổ xung để tránh phá hỏng bộ biến tần. a. Chuyển mạch dòng điện có thời gian chết (dead time) Thực hiện ngắt khoá sẽ ngắt, trong khi khoá sẽ dẫn chưa được đóng lại (hình 2.3c), nhằm tránh xảy ra ngắn mạch đầu vào. Như vậy có thể gây quá áp ở đầu ra, bởi vì không có van nào dẫn trong thời gian chết nên sẽ xảy ra hở mạch tạm thời của tải. Vì vậy phải có một mạch clamp hoặc mạch snubber bảo vệ đấu song song với một cell chuyển mạch hoặc đấu với đầu ra để đảm bảo sự liên tục của dòng tải. Phương pháp này không tốt vì năng lượng thất thoát trong mỗi lần chuyển mạch lớn, việc thiết kế thêm mạch snubber trở lên phức tạp, mạch clamp cũng cần một tụ lớn đồng thời làm tăng số lượng các van bán dẫn có trong cấu trúc Matrix Converter như vậy sẽ làm giảm ưu thế của Matrix Converter, khi được coi như là một giải pháp “all silicon” cho các bộ biến tần. b. Chuyển mạch dòng điện có trùng dẫn (over lap) Thực hiện đóng khoá sẽ dẫn trong khi khoá sẽ ngắt còn đang dẫn (hình 2.3d). Điều này sẽ đảm bảo sự liên tục đối với mạch đầu ra, loại trừ khả năng quá áp xảy ra, nhưng sẽ gây ngắn mạch tạm thời làm phát sinh dòng điện vòng ngắn mạch tuần hoàn giữa các pha vào tham gia quá trình chuyển mạch, dòng điện này có thể rất lớn dẫn đến phá huỷ các van. Hạn chế dòng điện này bằng cách thêm một cuộn cảm phụ phía đầu vào, với mục đích làm chậm sự tăng nhanh của dòng điện này dưới mức có thể phá huỷ van, để quá trình chuyển mạch được an toàn. Tuy nhiên phương pháp này cũng không tối ưu vì cuộn kháng L ở đầu vào có kích thước rất lớn và đắt. II.2.2 Phương pháp chuyển mạch semi-soft Cả hai phương pháp chuyển mạch cơ bản trên đều cần có các thành phần phản kháng thêm vào để bảo vệ Matrix Converter, như vậy sẽ dẫn đến tổn hao lớn. Do tính chất của khoá 2 chiều sử dụng 2 van một chiều mắc song song ngược có thể điều khiển độc lập chiều dòng điện, do đó một chiến lược chuyển mạch mới gồm 2 bước hoặc 4 bước đã được đề xuất. Dựa vào việc xác định dấu của dòng điện ra, hoặc dấu của điện áp dây vào có các pha tham gia quá trình chuyển mạch. Đầu tiên là ngắt khoá đang dẫn (mà sẽ không dẫn) sẽ làm mất đường dòng điện vòng tuần hoàn như vậy tránh ngắn mạch đầu vào, sau đó thực hiện chuyển mạch có trùng dẫn. Như vậy sẽ không cần thêm vào bộ lọc đầu vào và đạt được chuyển mạch bán mềm (semi-soft). Phương pháp này cũng thể hiện lại đặc điểm của khoá 4 góc phần tư là dòng tải có thể đi theo các hướng. a. Chiến lược 4 bước chuyển mạch (hình 2.3): Bước 1 : Ngắt van không dẫn trong khoá sẽ ngắt. Lúc này chiều dòng điện không thể đổi dấu nên có thể xác định được van này Bước 2: Mở van dẫn (theo chiều dòng tải) trong khoá sẽ dẫn. Bây giờ có nối giữa các pha vào nhưng không gây ngắn mạch đầu vào vì không có dòng điện vòng đồng thời tạo ra đường dẫn cho dòng điện tải Bước 3 : Ngắt van dẫn của khoá sẽ ngắt.Dòng tải bây giờ cưỡng bức phải chảy qua van dẫn của khoá sẽ dẫn. Bước 4 : Mở van không dẫn của khoá sẽ dẫn để thiết lập lại đặc điểm 4 góc phần tư của khoá 2 chiều, vì vậy dòng tải có thể đổi dấu. Trong khi bước 1 và 4 là phụ thì bước 2 và 3 là chính. Chính vì thế khoảng thời gian trong các bước 2 và 3 phải phù hợp với đặc điểm mở (thời gian mở) của các van IGBT trong khoá 2 chiều. Hình 2.4 Biểu đồ trạng thái của chiến lược chuyển mạch 4 bước Hình 2.5 Đồ thị thời gian của chuyển mạch 4 bước Quá trình chuyển mạch này có đồ thị thời gian trong( hình 2.5), trễ giữa mỗi lần đóng cắt td là phụ thuộc vào đặc điểm của van IGBT * Các trường hợp của 4 bước chuyển mạch Hình 2.6 Chuyển mạch từ pha R sang pha S Như vậy 4 khoá 2 chiều phải được đóng mở theo một thứ tự ứng với mỗi chiều của dòng điện ra và điện áp vào cũng như là phải xác định được dòng đang dẫn theo chiều nào trước và sau khi xảy ra quá trình chuyển mạch Với hình vẽ như trên, xảy ra 8 trường hợp chuyển mạch khác nhau phụ thuộc vào dấu dòng điện ra (I) và điện áp dây (U). Hình 2.7 Tám trường hợp chuyển mạch khác nhau + Các trường hợp C1, C4, C6, C7 chuyển mạch xảy ra nhờ ngắt một khoá nên gọi là chuyển mạch cưỡng bức + Các trường hợp khác chuyển mạch xảy ra nhờ đóng một khoá nên gọi là chuyển mạch tự nhiên. Với C1 (Hình 2.8): Trước khi chuyển mạch cả 2 IGBT trong khoá 2 chiều của pha R đều đóng để dẫn dòng chạy qua. Dòng sẽ chảy từ pha R tới đầu ra. Bước đầu tiên S1 được ngắt, S4 được đóng để dẫn dòng, bởi vì có điện áp dương giữa 2 pha vào, dòng điện vẫn chưa chảy trong pha S. Ngay sau khi S2 ngắt, dòng điện cưỡng bức phải đảo sang pha S. Bước cuối cùng cho S3 đóng lại để dẫn dòng ngược. Bây giờ khoá 2 chiều trong pha S dẫn dòng, còn khoá 2 chiều trong pha R sẽ bị ngắt lại. Với C2(Hình 2.8): Thời điểm bắt đầu là thời điểm kết thúc của trường hợp C1. Bước đầu tiên S3 ngắt, sau đó S2 sẽ được đóng lại để dẫn dòng và dòng điện sẽ đảo từ pha S sang pha R. Ngay sau khi dòng điện được chuyển mạch, S4 sẽ tự ngắt. Thứ tự cuối cùng kết thúc là cho mở S1 để dẫn dòng ngược Thuận lợi của chuyển mạch 4 bước là trong quá trình chuyển mạch không xảy ra dòng điện lớn do ngắn mạch đầu vào cũng không xảy ra quá áp do không nối dòng tải. Hình 2.8 Thứ tự đóng cắt cho 8 trường hợp (IGBT1¸IGBT4 tương ứng S1¸S4) * Phân tích tổn hao đóng cắt trên cơ sở chuyển mạch 4 bước Hình 2.9 Sơ đồ chuyển mạch 4 bước gồm cả điện cảm ký sinh Hình 2.10 đồ thị thời gian cho một trật tự đóng cắt điển hình Trên (hình vẽ 2.9) có Lp và Lb là điện cảm ký sinh của các môđun IGBT và điện cảm tản của đường nối giữa 2 van Với hình vẽ đồ thị thời gian như trên (hình 2.10), ta sẽ phân tích tổn hao đóng cắt khi chuyển mạch trong Matrix Converter Cốt lõi của mọi quá trình chuyển mạch là phụ thuộc vào chiều của dòng tải IL, và sự tương quan về thế giữa VA và VB . Khi chuyển mạch từ SA tới SB với chiều dòng tải như hình vẽ. Nếu VA là dương hơn VB thì chuyển mạch sẽ xảy ra ở thời điểm t3, kết quả là sẽ ngắt cứng Q1 trong SA và đóng mềm Q3 trong SB . Ngược lại nếu VB là dương hơn VA ,chuyển mạch sẽ diễn ra ở thời điểm t2, kết quả là đóng cứng Q3 trong SB và ngắt mềm Q1 trong SA .Chú ý rằng là sẽ không có tổn hao đóng cắt ở các trường hợp với Q2 và Q4 bởi vì lúc đó 2 van này không dẫn dòng khi dòng tải là dương như trên hình vẽ. Như vậy, sẽ có một nửa quá trình chuyển mạch là đóng cắt mềm, do đó tổn hao đóng cắt trong các van bán dẫn sẽ được giảm xuống là 50%. Chính vì thế phương pháp này thường được gọi là chuyển mạch dòng điện bán mềm (semi-soft) Chuyển mạch mềm không phải là hoàn toàn không có tổn hao, nhưng năng lượng tiêu hao là ít nhất, và là ít hơn so với chuyển mạch cứng.Trong các bộ biến đổi công suất, thường sử dụng công nghệ đóng cắt cộng hưởng (Công nghệ đóng cắt mềm) để giảm tổn hao đóng cắt. Trong Matrix Converter công nghệ cộng hưởng tạo ra lợi thế cho vấn đề chuyển mạch. Tuy nhiên các mạch này đều làm tăng đáng kể số lượng các thành phần có trong Matrix Converter , tăng tổn hao dẫn dòng, và hầu hết yêu cầu chỉnh sửa tới thuật toán điều khiển để hoạt động được dưới tất cả các điều kiện. Hình 2.11 Đảo chiều dòng điện sử dụng mức ngưỡng (threshold level) b) Chiến lược 2 bước chuyển mạch(Hình 2.14) Hình 2.13 Biểu đồ trạng thái của chiến lược 2 bước chuyển mạch Trong chiến lược chuyển mạch này, chỉ có một van được điều khiển trong khoá(cell) đang dẫn. Điều này có nghĩa là trong khi chuyển mạch dòng điện, van dẫn ngược là không cần phải điều khiển, vì thế chuyển mạch xảy ra chỉ qua 2 bước.Dòng điện ngược lại nhận được bằng cách điều khiển van dẫn ngược trong một cell khi dòng điện giảm xuống dưới một giá trị ngưỡng. Khi dòng này đã tăng đầy đủ theo chiều đối diện, van ban đầu sẽ được khoá lại. Một vấn đề với phương pháp này là do chiều dòng điện không biết được trong chu kỳ ngược lại, do đó chuyển mạch không thể xảy ra.Sự trễ này có thể rất lớn đặc biệt là trong những bộ biến tần Matrix Converter công suất lớn, ở đây độ phân giải dòng điện nhỏ nhất là rất lớn. Điều này có thể dẫn đến làm méo dạng sóng của dòng điện ra. Phương pháp này sẽ không thích hợp, nếu dòng điện đầu ra cần được điều khiển là nằm trong khoảng các giá trị ngưỡng. II.2.3 Phương pháp chuyển mạch cải tiến Để một chiến lược chuyển mạch phải đủ tin cậy trong các ứng dụng thực tế, thì thông tin về chiều dòng điện phải thật chính xác.Nếu không chính xác, các sự cố có thể xảy ra. Một phương pháp chuyển mạch và công nghệ phát hiện chiều dòng điện mới cho phép chuyển mạch tin cậy ở bất kỳ thời điểm nào mà không cần sử dụng thêm các mạch snubber hay clamp đấu song song với các cell chuyển mạch Hình 2.12 Sơ đồ khối một gate driver thông minh Phương pháp này về cơ bản là giống với phương pháp semi-soft, nhưng chỉ có một van dẫn được điều khiển ở bất kỳ một thời điểm. Sự hoạt động chính xác phụ thuộc vào mạch điều khiển cổng thông minh (gate driver) cho mỗi cell, được dùng để xác định chiều dòng điện, đồng thời phối hợp với các mạch điều khiển của các cell khác. Sơ đồ khối của một gate driver thông minh như sau: Phát hiện chiều dòng điện Hình 2.13 Phát hiện chiều dòng điện dựa vào thế VA và VB Phương pháp sử dụng điện áp qua mỗi van trong một cell chuyển mạch để xác định chiều dòng điện chảy qua van. Các điện áp VA và VB có thể đo được. Giả sử dòng điện IL có chiều như hình vẽ, SA1 sẽ dẫn và SA2 sẽ được phân cực ngược. Kết quả là điện áp VA là cỡ 1,2V (điều này phụ thuộc vào đặc điểm loại van được sử dụng) và điện áp VB là khoảng – 0,7V. Khi dòng đi theo chiều ngược lại, thì sẽ xảy ra các tình huống ngược lại của trường hợp trên. Giả sử là đúng van cần điều khiển được điều khiển, chiều dòng điện ở trong cell từ đó có thể được suy ra. Mạch phát hiện chiều dòng điện này và logic điều khiển kết hợp là được tích hợp trong một gate driver cho mỗi cell. Để đảm bảo thông tin về chiều dòng điện được tin cậy thì chỉ một van trong một cell được điều khiển ở bất kỳ một thời điểm. Điều này có nghĩa là dòng điện hoặc bằng không hoặc chảy theo một hướng được định rõ. Hình 2.14 Nguyên lý biến đổi 2 pha sang 1 pha của Matrix Converter b. Phương pháp chuyển mạch dòng điện Hình 2.15 Biểu đồ trạng thái 2 bước chuyển mạch cải tiến A B C (Hình vẽ 2.14) thể hiện chuyển mạch của 2 pha vào thành một pha ra của Matrix Converter Ban đầu cell A dẫn và dòng tải có chiều như hình vẽ. Dưới những điều kiện này SA1 sẽ được điều khiển đóng lại để dẫn dòng tải. Trạng thái này là trạng thái A trên biểu đồ trạng thái (hình2.15). Trong biểu đồ trạng thái, mỗi một vòng tròn thể hiện các trạng thái khác nhau của các van trong hình 2.16. “ 1 ” chỉ rằng van được điều khiển để dẫn dòng, “ 0 ” chỉ rằng van sẽ được ngắt. Chữ cái đầu tiên trong mỗi vòng tròn chỉ van SA1, tiếp theo là SA2 rồi SB1 và cuối cùng là SB2. Thông tin về chiều dòng điện từ mạch điều khiển cell A liên tục được gửi đến mạch điều khiển của cell B. Quá trình đảo chiều dòng điện xảy ra khi cell B là cell tích cực, điều này để cell sắp dẫn có thể mở đúng van cần dẫn. Hình 2.16 Đồ thị thời gian chuyển mạch 2 bước Khi chiến lược điều biến yêu cầu chuyển mạch tới cell B, SB1 sẽ được điều khiển mở để dẫn dòng trên cơ sở thông tin về chiều dòng điện từ cell A gửi tới. Mạch lúc này sẽ ở trạng thái cả hai van SA1 và SB1 là cùng mở dẫn dòng. Điều này được thể hiện bằng sự quá độ từ trạng thái A tới trạng thái B, sau đó SA1 được ngắt. Sau một khoảng thời gian ngắn (5ms) thông tin về chiều dòng điện sẽ được lấy từ cell B. Quá trình chuyển mạch hoàn thành (trạng thái C) mà không xảy ra ngắn mạch đầu vào cũng như đảm bảo được đường dẫn liên tục cho dòng điện tải. Để tạo ra chiều dòng điện tải theo cả 2 hướng trong khoảng giữa những lần chuyển mạch, mạch điều khiển cell tích cực truyền tự động tín hiệu điều khiển giữa các van trong cell. Sự đảo chiều dòng điện được thực hiện bằng cách đảo ngược các tín hiệu điều khiển khi mạch phát hiện dòng điện tải đã giảm về không. Giả sử cell B là cell tích cực và dòng điện có chiều như trên hình 2.16 .Quá trình đảo chiều dòng điện được thể hiện bằng sự quá độ từ trạng thái C sang trạng thái E như trên biểu đồ trạng thái. Mạch điện sẽ đi qua trạng thái D mà không có van nào được điều khiển .Sự điều khiển này của các van trong mỗi cell đảm bảo có thể biết được chiều dòng điện. Một trường hợp đặc biệt xảy ra khi Matrix Converter được đóng lần đầu tiên, cell đầu tiên được mở mà không biết được van nào trong cell sẽ mở, bởi vì cell được mở trước đó không có, và do đó không xác định được chiều dòng điện.Vấn đề này được vượt qua bằng cách điều khiển cả 2 van của cell đầu tiên. Nếu đúng van có chiều dẫn cùng chiều dòng điện tải, dòng sẽ chảy qua và mạch làm việc bình thường như trường hợp trên. Nếu phát hiện không có dòng điện tín hiệu điều khiển được đảo lại và truyền tự động đến đúng van cần dẫn trong cell. Hình 2.17 Chuyển mạch khi đảo chiều dòng điện dòng c. Những khó khăn tiềm ẩn Khó khăn xảy ra bởi vì có sự trễ khi truyền thông tin về chiều dòng điện tới mạch điều khiển của cell tiếp theo. Khó khăn này chỉ là vấn đề quan trọng khi chuyển mạch xảy ra cùng thời điểm với đảo chiều dòng điện. Ban đầu dòng tải là theo chiều dương với cell A là cell đang dẫn, do đó SA1 là van đang dẫn (trạng thái A). Đường gạch chéo trên hình 2.17 chỉ ra khoảng trễ đường truyền khi gửi thông tin mới về dòng điện đến cell B. Khi dòng điện giảm về không, mạch sẽ chuyển tới trạng thái F là trạng thái không có van nào dẫn. Nếu không có trạng thái này SA2 sẽ mở dẫn dòng ngược ngay lập tức. Điều này có thể gây ra các sự cố, bởi vì khi chuyển mạch yêu cầu trong vùng gạch chéo thì SB1 sẽ bị điều khiển sai. Chính vì thế mạch cần tồn tại ở trạng thái F trong một khoảng thời gian, để nhận được thông tin về dòng điện một cách chính xác. Khoảng thời gian trễ này là không lớn lắm nên không gây méo dạng sóng dòng điện, phụ thuộc vào phương pháp truyền dữ liệu(khoảng 150ms), sau đó chuyển mạch được bắt đầu. Nếu thông tin về chiều dòng điện là chính xác SB2 sẽ được điều khiển mở dẫn dòng ngược, mạch sẽ ở trạng thái E, dòng chảy theo chiều ngược lại trong cell B và chuy