Đang tải... (xem toàn văn)
Công nghệ tính toán song song phân cụm là một trong những công nghệ hàng đầu đuợc sử dụng trong môi trường tính toán phân tán hiệu năng cao. Đặc biệt, trong thời đại bùng nổ của khoa học kỹ thuật với nhiều công nghệ tiên tiến liên tục ra đời, công nghệ tính toán song song phân cụm ngày càng chứng tỏ ưu thế so với các công nghệ tính toán cổ điển. Các bài toán khoa học kỹ thuật ngày nay, có quy mô ngày một lớn, đòi hỏi phải có sức mạnh tính toán cực lơn mới có thể đáp ứng được. Điều đó có thấy rõ khi điểm qua danh sách các siêu máy tính hàng đầu thế giới. Trong số 500 siêu máy tính thì phần lớn được xây dựng dựa trên công nghệ phân cụm . Trong đợt thực tập này em đã có điều kiện làm quen với môi trường tính toán song song phân cụm. Và báo cáo này chính là kết quả tổng hợp những kiến thức em đã thu nhận được sau đợt thực tập này. Yêu cầu của đợt thực tập là tìm hiểu về tính toán song phân cụm từ đó xây dựng chương trình debugger cho hệ thông tính toán song song phân cụm. Báo cáo được chia làm ba phần • Phần 1 Tông quan về tính toán song song. Đây là kết quả của tuân làm việc đầu tiên trên trung tâm. Phần này trình bày những khái niệm cơ bản về hệ thống tính toán song song phân cụm, đồng thời cũng giới thiệu về cách thức lập trình song song và các thư viện hỗ trợ • Phần 2 Hệ quản lý tài nguyên và phân tải. Nội dung của phần này trình bày về hệ thống quản lý tài nguyên và phân tải công việc PBS được dử dụng trong hệ thông tính toán song song phân cụm • Phần 3 Tìm hiểu về chương trình debugger. Trên cở sở những kiến thức đã thu được từ các phần trước, phần này em tiến hành tìm hiểu cách thức xây dựng một chương trình debugger cho hệ thống, đây cũng chính là mục đích chính của nhóm HPCK45.
Mở Đầu Điện tử công suất đợc ứng dụng rộng rãi trong hầu hết các ngành công nghiệp hiện đại. Nhờ vào các bộ biến đổi đợc xây dựng dựa trên các phần tử bán dẫn công suất (Điôt, Transito,Tiristo,IGBT ) có thể khống chế nguồn năng l ợng điện với các tham số có thể thay đổi đợc để cung cấp cho các phụ tải điện. Do sự phát triển nh vũ bão của công nghệ chế tạo các phần tử bán dẫn, đã cho ra đời các van bán dẫn với những u điểm nh chuyển mạch nhanh, tính năng dòng áp cao, chắc chắn, hiệu suất cao, độ tin cậy đảm bảo, dẫn đến khả năng chiếm u thế hoàn toàn của các bộ biến đổi điện tử công suất mà điển hình là bộ biến tần, là một bộ biến đổi dùng để biến đổi nguồn điện áp với các thông số điện áp và tần số không đổi, thành nguồn điện áp ra với các thông số điện áp và tần số thay đổi đợc. Sự ra đời của bộ biến tần Matrix Converter, (thực chất là một bộ biến tần làm việc trực tiếp với lới điện) là sự phát triển vợt bậc của điện tử công suất, có ý nghĩa rất lớn trong việc biến đổi điện năng. Cùng với sự hoàn thiện của kỹ thuật điện tử công suất là sự phát triển của kỹ thuật vi xử lý, kỹ thuật điều khiển số cộng với các hệ thống điều khiển tự động truyền động điện thông minh và hiện đại đã cho phép tạo nên hệ thống truyền động Matrix Converter /Động Cơ làm việc chắc chắn, tin cậy hiệu suất cao, dải điều khiển rộng, đảm bảo các chức năng bảo vệ cũng nh điều khiển chính xác quá trình chuyển mạch vốn đòi hỏi rất nghiêm ngặt. Matrix converter (MC) u thế hơn các biến tần truyền thống nhờ khả năng trao đổi năng lợng với lới một cách liên tục, hiệu suất rất cao do chỉ có một lần biến đổi điện năng, không phải qua khâu trung gian tích luỹ năng lợng, cho phép thực hiện hãm tái sinh năng lợng trả về lới điện mà không cần có mạch điện phụ. Vợt qua đợc những hạn chế của biến tần trực tiếp, là tần số điều chỉnh bị giới hạn trên bởi tần số nguồn cung cấp. Ngoài ra còn có thể tích hợp cùng với động cơ vào một thiết bị đơn nhất để giảm kích thớc, giá thành, tăng hiệu suất và độ tin cậy thiết bị, làm việc ở cả 4 góc phần t. Matrix Converter còn cho phép điều chỉnh đợc hệ số công suất cos )( đầu vào, cho dòng vào và áp ra có dạng hình sin. 1 Cùng với việc khắc phục những nhợc điểm cố hữu nh tỷ số truyền áp tối đa thấp, số lợng van bán dẫn ở mạch lực nhiều gây khó khăn trong vấn đề điều khiển, không có đuờng thoát năng lợng tự nhiên (free-wheeling) và tụ nối một chiều nên mạch bảo vệ phức tạp sẽ tạo ra xu hớng phát triển rộng rãi cho Matrix Converter trong các ứng dụng công nghiệp mà cho đến nay vẫn còn bị bỏ ngỏ Thực hiện công việc thiết kế một bộ điều khiển truyền động điện động cơ dựa trên mô hình Matrix Converter sẽ liên quan đến những vấn đề sau: - Điện tử công suất: khoá hai chiều, tổn hao, bảo vệ, chuyển mạch - Truyền động điện: thuật toán điều khiển động cơ, PWM, không gian vector - Lập trình DSP, VXL, thiết kế mạch in . Với những vấn đề rộng và phức tạp nh vậy, trong khuôn khổ thời gian có hạn, bản đồ án này chỉ đề cập đến những vấn đề cơ bản của Matrix Converter và nghiên cứu lý thuyết và thực hiện mô phỏng bằng phần mềm Matlab/simulink dựa trên thuật toán điều biến của tác giả Venturini . Bản đồ án này đóng góp vào một trong những bớc đi đầu tiên của sinh viên ngành TĐH trờng ĐHBKHN về đề tài mới - phơng pháp biến tần Matrận - Bổ xung thêm 1 đề tài có nhiều hứa hẹn phát triển và ứng dụng thực tế trong tong lai gần. Trong thời gian làm đồ án ,với sự nỗ lực của bản thân và các bạn cùng nhóm dới sự chỉ bảo tận tình của thầy giáo hớng dẫn Trần Trọng Minh em đã hoàn thành bản đồ án này đúng hạn định. Mặc dù đã cố gắng hết sức nhng do thời gian hạn chế, bản thân trình độ còn có hạn nên bản đồ án chắc chắn không tránh khỏi thiếu sót, rất mong nhận đợc sự chỉ bảo, đóng góp ý kiến của các thầy cô cũng nh các bạn sinh viên quan tâm. 2 Chơng I: Matrix Converter các vấn đề cơ bản I.1 khái niệm về Matrix Converter I.1.1 Sự phát triển của Matrix Converter Thời gian gần đây đã có nhiều ngời quan tâm đến bộ biến tần ma trận trực tiếp AC-AC dùng trong truyền động thay đổi tốc độ động cơ cảm ứng. Một trong những ngời đề xuất đầu tiên là Gyugyi và Pelly (năm 1976) đã chỉ ra nguyên tắc hoạt động của bộ biến tần trực tiếp sử dụng khoá có thể điều khiển đợc 2 chiều để nhận đợc tần số đầu ra không bị hạn chế. Nhợc điểm chính của mạch là xuất hiện nhiều các hài bậc cao không mong muốn của dòng vào và áp ra không thể dùng bộ lọc dễ dàng loại bỏ. Vấn đề này đã đợc vợt qua nhờ Venturini và Alesina (năm 1980-1981), Hai ngời đã đa ra một thuật toán điều biến PWM mới có thể tạo dòng điện vào và điện áp ra hình sin với tần số biến thiên đồng thời điều khiển đợc hệ số công suất đầu vào. Đến năm 1989 cũng chính 2 ông bằng cách điều chỉnh lại thuật toán ban đầu đã tạo ra đợc tỉ số truyền giữa điện áp ra và điện áp vào tối đa (là 0,86) và điều khiển đợc trọn vẹn cos đầu vào trong giới hạn của điện áp và cos đầu ra. Năm 1991 In Roy và April, Ishiguro đa ra một lớp các thuật toán vô hớng nhờ dựa trên việc so sánh vô hớng các giá trị điện áp vào tức thời và tạo dòng điện ra hình sin theo nguyên tắc dòng điện vào mỗi pha tỉ lệ với điện áp vào trên pha đó trong một chu kỳ lấy mẫu. Vấn đề thời gian thực của thuật toán điều khiển yêu cầu nhiều lần so sánh ở mỗi lần lấy mẫu sẽ yêu cầu thời gian tính toán của các bộ vi xử lý cao. Tiếp theo là phơng pháp điều khiển tạo điện áp đầu ra sử dụng điều biến vector không gian vector (Space Vector Modulation-SVM), thuật toán điều khiển này sử dụng phơng pháp điều biến độ rộng xung(Pulse Width Modulation-PWM) cải thiện đáng kể dạng sóng điện áp ra tuy nhiên khi đó chất lợng dạng sóng của dòng điện vào bị suy giảm. Những nghiên cứu khác gần đây(1992-1998) nhất chủ yếu tập trung vào việc tăng hiệu suất của Matrix Converter bằng cách giảm tối đa tổn hao đóng cắt 3 nhờ thực hiện dòng zero khi đóng và áp zero khi mở nhng đòi hỏi các phần tử phụ thêm vào cấu trúc khoá 2 chiều. Năm 1993 Wheeler và Grant đa ra phơng pháp chuyển mạch dòng điện semi-soft giảm đáng kể tổn hao đóng cắt đồng thời chuyển mạch tin cậy chắc chắn.Hiện nay các nghiên cứu chủ yếu về thuật toán điều biên tối u hoặc với khía cạnh thiết kế mạch công suất gọn nhẹ trong một môđun tích hợp trên động cơ, bù ảnh hởng của điện áp vào không cân bằng, vấn đề bảo vệ Matrix Converter Hình 1.1 Cấu trúc tổng quát của ma trận khoá 2 chiều I.1.2 Khái niệm về Matrix Converter Matrix Converter là một bộ biến tần trực tiếp chuyển mạch cỡng bức tốt, có thể nối giữa n pha vào có tần số và điện áp cố định U1, f1 với m pha đầu ra có tần số và điện áp biến thiên U2, f2. Với những ứng dụng trong công nghiệp chủ yếu n=m=3 và đây là cấu hình thờng gặp nhất (Hình 2). Trong bộ Matrix Converter 3ì3 gồm có một ma trận 9 khoá 2 chiều (Bi- Directional Switch-BDS) đợc sắp xếp thành 3 nhóm, mỗi nhóm tơng ứng với một pha đầu ra. Với cách bố trí nh vậy, Matrix Converter sẽ nối bất kỳ đầu vào a, b, c với bất kỳ các đầu ra A, B, C, tại bất kỳ thời điểm. 4 Ma trận các khoá 2 chiều đa ra C n i (i=0 9)= 512 khả năng kết hợp, để tạo ra các trạng thái đóng cắt của các khoá, nhng chỉ có 27 trạng thái thích hợp, bởi vì, đầu vào của Matrix Converter nh một nguồn áp 3 pha, trong khi đầu ra nh một nguồn dòng 3 pha, do đó thực hiện đóng cắt các khoá phải tuân theo 2 luật sau, để đảm bảo không ngắn mạch nguồn áp, và hở mạch nguồn dòng + Không đợc nối 2 đầu vào khác nhau tới cùng một đầu ra vì sẽ gây ngắn mạch ở đầu vào dẫn tới hiện tợng quá dòng điện + Không đợc hở mạch ở đầu ra của Matrix Converter vì khi đó với tải cảm sẽ gây hiện tợng quá áp Hình 1-2 Cấu trúc 3 pha của Ma trận khoá 2 chiều a) Mạch điện b) ký hiệu Việc điều khiển điện áp ra, nhờ cách thực hiện đóng cắt các khoá (với các trạng thái cho phép), theo một thứ tự đợc xác định trớc. Nh vậy giá trị trung bình của điện áp ra phụ thuộc vào dạng sóng điện áp mong muốn tạo ra từ các điện áp vào. ở dạng sóng điện áp ra, gồm chủ yếu những thành phần có tần số mong muốn cùng với các thành phần tần số cao do dóng cắt sinh ra, mà có thể loại bỏ đợc nhờ bộ lọc LC ở đầu ra, hoặc điện cảm của tải. Phía nguồn, dòng điện vào đợc tạo bởi những đoạn của 3 dòng điện ra và những đoạn bằng không, mà trong những đoạn bằng không đó dòng điện ra không trở về nguồn mà tuần hoàn chạy quẩn trong ma trận khoá. Phổ dòng vào chủ yếu gồm thành phần tần số 5 a C c b B A S11 S13 S12 a) S21 S23 S22 S31 S33 S32 a c b A B C b) nguồn cung cấp và các thành phần tần số cao, mà khi có bộ lọc đầu vào thì bị loại trừ để mong muốn tạo dòng điện vào hình sin. Matrix Converter chính vì thế có thể thực hiện đợc việc biến đổi tần số và điện áp trực tiếp AC-AC mà không cần thành phần tích trữ năng lợng trung gian I.1.3 So sánh Matrix Converter và các loại biến tần hiện có Biến tần hiện nay có thể chia làm 2 loại lớn. Biến tần trực tiếp . Điện áp vào xoay chiều U 1 và tần số f 1 chỉ cần qua một mạch van là chuyển ngay ra tải với tần số khác, vì vậy biến tần này có hiệu suất biến đổi năng lợng cao, thêm vào đó là khả năng thực hiện tái sinh năng lợng trở về lới mà không cần có mạch điện phụ. Tuy nhiên sơ đồ mạch này khá phức tạp, vì có số lợng van lớn, nhất là với mạch 3 pha. Việc thay đổi tần số f 2 khá khó khăn và phụ thuộc vào f 1 , vì vậy hiện nay chủ yếu chỉ có biến tần loại này với phạm vi điều chỉnh f 2 f 1 . Biến tần gián tiếp . Điện áp xoay chiều đầu tiên đợc chuyển thành một chiều nhờ mạch chỉnh lu, sau đó qua bộ lọc rồi mới biến trở về điện áp xoay chiều với tần số f 2 . Việc 6 Mạch van U~ f 2 U~ f1 Hình 1-3 Cấu trúc biến tần trực tiếp f 1 ~ U 1~ U 2~ f 2 U = Chỉnh lưu Lọc NGHịCH LƯU độc LậP U = Hình 1-4 Cấu trúc biến tần gián tiếp f 2~ biến đổi năng lợng 2 lần làm giảm hiệu suất biến tần, bù lại loại biến tần này cho phép dễ dàng thay đổi tần số f 2 không phụ thuộc f 1 trong dải tần rộng cả trên lẫn dới f 1 vì tần số ra chỉ phụ thuộc vào mạch điều khiển. Hơn nữa với sự ứng dụng hệ điều khiển nhờ kỹ thuật số vi xử lý và dùng van lực là các loại tranzitor đã cho phát huy tối đa các u điểm của loại biến tần này vì vậy đa số biến tần hiện nay là biến tần có khâu trung gian một chiều. Tuy nhiên khi dùng van tiristo vẫn còn một số khó khăn nhất định khi giải quyết vấn đề khoá van. Chức năng các khâu trong bộ biến tần gián tiếp : - Khâu chỉnh lu Chỉnh lu là quá trình biến dòng điện xoay chiều thành một chiều. - Khâu lọc + Đóng vai trò một kho tích trữ năng lợng dới dạng nguồn áp, khi dùng tụ điện hoặc dới dạng nguồn dòng khi dùng cuộn cảm. + Nhờ có khâu trung gian một chiều, phía nghịch lu sẽ làm việc tơng đối độc lập với phía chỉnh lu - Khâu nghịch lu độc lập Nghịch lu độc lập là quá trình biến đổi năng lợng điện một chiều thành năng lợng điện dòng xoay chiều với tần số, giá trị điện áp, số pha, thứ tự pha và quá trình chuyển mạch dòng điện giữa các pha do bản thân bộ nghịch lu quyết định, không phụ thuộc vào nguồn điện xoay chiều khác Sự giống và khác nhau giữa Matrix Converter và các loại biến tần a) Matrix Converter và biến tần trực tiếp - Matrix Converter thực chất là một bộ biến tần trực tiếp nên sẽ có những u, nh- ợc điểm của biến tần trực tiếp nh sau: + Nối trực tiếp giữa lới và tải không qua một khâu trung gian nào nên hiệu suất truyền động cao. + Trao đổi năng lợng với lới một cách liên tục, có khả năng tái sinh năng l- ợng không cần mạch phụ. 7 + Số lợng van bán dẫn nhiều, do đó sơ đồ van và luật điều khiển cũng rất phức tạp. - Tuy nhiên Matrix Converter vợt trội hơn so với biến tần trực tiếp ở : + Khả năng tạo đợc điện áp ra có tần số không hạn chế, có thể lớn hơn tần số nguồn cung cấp f1. + Có thể điều chỉnh đợc hệ số công suất đầu vào cos i , độ lệch pha giữa dòng và áp vào ( i ) có thể > 0, = 0, hoặc < 0. + Do dùng van 2 chiều nên có thể hoạt động ở 4 góc phần t mà không cần tác động vào phía đầu vào. b) Matrix Converter và biến tần gián tiếp - Một số u điểm của biến tần gián tiếp cũng đợc ứng dụng trong công nghệ Matrix Converter. + Vì Matrix Converter đợc phân tích nh một bộ biến đổi gồm 2 tầng biến đổi, tầng chỉnh lu và tầng nghịch lu, nên có thể sử dụng phơng pháp điều biến độ rộng xung (PWM) hay đợc dùng với biến tần nguồn áp, cho tầng nghịch lu để đạt đợc chất lợng điện áp tốt nhất cho động cơ, do đó tần số và điện áp có thể đợc điều chỉnh trơn và không bị giới hạn bởi tần số vào + Thực hiện nối trực tiếp tầng chỉnh lu nguồn dòng PWM với tầng nghịch lu, mục đích để tạo ra khả năng trao đổi công suất phản kháng giữa lới và tải. - Những điểm khác nhau có ý nghĩa rất lớn giữa Matrix Converter và biến tần gián tiếp là: + Không còn thành phần tích năng lợng phản kháng trung gian là cuộn cảm lớn hay tụ một chiều có tuổi thọ hạn chế, do đó giảm đợc kích thớc của bộ biến tần, tạo ra khả năng tích hợp Matrix Converter trong một môđun gắn trên động cơ, giúp hệ truyền động gọn nhẹ và linh hoạt. + Không cần bộ chỉnh lu trong mạch lực để tạo ra điện áp một chiều, do đó dòng vào bộ Matrix Converter có dạng sin (vì khâu chỉnh lu sẽ làm dòng vào không sin, hệ số công suất thấp) 8 Bảng 1: So sánh số lợng van bán dẫn trong Matrix Converter với 2 loại VSI Bảng i thể hiện sự so sánh về số lợng van bán dẫn giữa MC và bộ biến tần nguồn áp có chỉnh lu cầu điot, và với bộ biến tần nguồn áp (back to back) có chỉnh lu điều khiển là bộ biến tần, có cùng chúc năng dẫn dòng công suất chảy theo 2 hớng và tạo dòng vào hình sin Có thể thấy tụ nối một chiều và điện cảm đầu vào sử dụng trong bộ biến tần (back to back) là đợc thay thế bằng 6 van bán dẫn thêm vào trong giải pháp Matrix Converter Công nghệ Khóa điều khiển hoàn toàn Diot cắt nhanh Diot chỉnh lu Tụ hoá lớn điện cảm lớn MC 18 18 0 0 0 Biến tần back to back 12 12 0 1 3 Biến tần với chỉnh lu không điều khiển 6 6 6 1 0 hoặc 1 Nếu các van đóng cắt đợc sử dụng trong khoá hai chiều của Matrix Converter có khả năng chặn điện áp ngợc ví dụ MTO thì có thể tạo ra khoá 2 chiều bằng cách mắc song song ngợc hai van đó mà không cần thêm điốt phục hồi nhanh. Điều này dẫn tới một bộ biến tần nhỏ gọn hơn nữa có tiềm năng cải thiện hiệu suất thực tế cao. c. Lý do xây dựng Matrix Converter Matrix Converter đợc coi là có nhiều u thế hơn so với các loại biến tần truyền thống. Vì có thể thực hiện đợc việc biến đổi tần số và điện áp, mà không cần có thêm các phần tử tích năng lợng trung gian, nh tụ điện có tuổi thọ hạn chế hay cuộn cảm có kích thớc lớn để nối một chiều, nh vậy sẽ không yêu cầu nhiều tầng biến đổi công suất và hiệu suất đợc tăng lên rõ rệt khi hoạt động ở tần số đóng cắt cao. 9 Vì gồm các khoá 2 chiều nên tạo ra dòng chảy công suất theo 2 hớng lới đến tải và tải về lới, dẫn đến khả năng tái sinh năng lợng trả về lới, đồng thời có thể hoạt động ở 4 góc phần t mà không cần điều chỉnh phía đầu vào bộ biến đổi, do đó động cơ có thể dễ dàng chuyển đổi chế độ làm việc từ chế độ động cơ sang chế độ hãm tái sinh và ngợc lại. Nhờ sử dụng các kỹ thuật điều biến (PWM) nên tạo ra dạng sóng áp ra và dòng vào hình sin, có khả năng điều chỉnh hệ số công suất đầu vào, tức điều chỉnh đợc góc lệch pha giữa dòng và áp vào là dẫn trớc, chậm sau hay không đổi bất chấp các loại tải khác nhau. Matrix Converter còn đợc coi là giải pháp toàn bộ silíc all silicon cho bộ biến đổi công suất trực tiếp AC-AC, nhờ khả năng tích hợp cao, chịu đợc ở điều kiện nhiệt độ cao, độ tin cậy đợc đảm bảo của các chất bán dẫn đợc chế tạo từ nguyên tố Si. Vì thế Matrix Converter sẽ là công nghệ lý tởng trong tơng lai cho những ứng dụng có nhiệt độ cao và kích thớc nhỏ gọn, khi đó sẽ không cần tụ điện sẽ là một thuận lợi rất có ý nghĩa bởi vì tụ chịu đợc ở nhiệt độ cao thờng rất hiếm và đắt I.1.4 Khó khăn và xu h ớng nghiên cứu a) Những khó khăn Bên cạnh những u thế kể trên, một bất lợi lớn nhất khiến Matrix Converter đã không có khả năng cạnh tranh trên thị trờng là tỉ số truyền điện áp bị hạn chế (tối đa là 0,86). Thêm vào đó là số lợng các van bán dẫn nhiều (18 IGBT và 18điôt FRD) cần để xây dựng một bộ Matrix Converter, do đó dẫn đến vấn đề điều khiển sẽ rất phức tạp, đồng thời môđun công suất vẫn cha đợc sản xuất một cách tối u. Những bất lợi khác là khả năng chống lại dao động điện áp phía nguồn kém, và nh vậy cần có mạch phụ gồm những phần tử phản kháng để cải thiện dạng sóng dòng vào, và đồng thời để bảo vệ Matrix Converter chống lại các sự cố khi xảy ra quá dòng hoặc quá áp. Tuy năng lợng tổn hao trong các phần tử phản kháng này sẽ nhỏ hơn nhiều so với các bộ biến tần có phần tử nối một chiều, nhng sẽ làm tăng kích thớc và giá thành của bộ Matrix Converter, làm giảm u thế của Matrix Converter so với các bộ biến tần truyền thống. 10 . vệ và hoạt động của các khoá công suất. 14 Ta phân tích hai công nghệ CC và CE để đa ra cấu hình tối u cho môđun công suất chứa các khoá 2 chiều. Sự phân. bảo vệ môđun công suất, và khả năng tích hợp chúng vào một môđun thông minh cho Matrix Converter Phụ thuộc vào công suất định mức, có 2 công nghệ tích hợp