Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong các hệ thống công nghiệp hiện đại, nhu cầu sử dụng các máy móc và thiết bị công suất lớn cỡ hàng megawatt (MW) hoạt động ở cấp điện áp trung thế ngày càng tăng cao, đặc biệt trong các ứng dụng truyền động tải nặng như bơm, quạt gió, máy nén, máy nghiền trong khai khoáng và xử lý vật liệu. Việc kết nối trực tiếp các phần tử bán dẫn công suất vào lưới điện trung thế gặp nhiều trở ngại lớn về giới hạn chịu áp, tốc độ biến thiên điện áp ($dv/dt$) cao gây phá hủy lớp cách điện cuộn dây và sinh ra sóng hài lớn ảnh hưởng đến lưới điện. Bộ biến tần đa mức, tiêu biểu là cấu trúc cầu H xếp chồng (Cascaded H-Bridge Multilevel Inverter - CHB-MLI), được phát triển nhằm giải quyết các thách thức trên bằng cách ghép nối nhiều module điện áp thấp để tạo ra điện áp đầu ra đa mức có chất lượng cao và độ méo sóng hài thấp.

Đối với các động cơ không đồng bộ ba pha (ĐCKĐB-3P) công suất lớn, vấn đề khởi động đóng vai trò sống còn đối với độ bền cơ khí và sự ổn định của lưới điện. Khởi động trực tiếp (Direct-On-Line) dẫn đến dòng xung kích tăng vọt từ 5 đến 8 lần dòng định mức, gây sụt áp nghiêm trọng trên đường dây và làm phát sinh mô men giật mạnh tác động tiêu cực lên hệ thống cơ cấu truyền động. Mặc dù các bộ khởi động mềm kiểu điều áp xoay chiều ba pha có thể hạn chế dòng khởi động, chúng lại không có khả năng điều chỉnh tốc độ động cơ linh hoạt trong quá trình vận hành liên tục. Việc sử dụng biến tần để khởi động và sau đó chuyển sang vận hành trực tiếp với lưới điện (quá trình nối lưới) thường gặp phải sự cố quá dòng và rung lắc mô men dữ dội nếu thực hiện theo nguyên tắc "không đồng bộ" (ngắt biến tần rồi mới đóng contactor lưới), do sức điện động cảm ứng từ từ dư và quán tính rotor lệch pha, biên độ và tần số so với lưới. Do đó, yêu cầu đặt ra là biến tần trung thế phải tích hợp thuật toán khởi động hòa đồng bộ với lưới điện trước khi chuyển giao. Đồng thời, khi một số module trong cấu trúc CHB-MLI gặp sự cố hư hỏng, hệ thống cần có giải pháp điều khiển thích nghi để duy trì sự vận hành liên tục mà không làm gián đoạn dây chuyền sản xuất.

Đề tài đặt ra các nhiệm vụ nghiên cứu cụ thể sau:

  1. Nghiên cứu cấu trúc mạch lực của biến tần trung thế cầu H xếp chồng 13 mức sử dụng bộ chỉnh lưu 36 xung và biến áp lệch pha chuyên dụng.
  2. Khảo sát các phương pháp điều chế độ rộng xung đa mức và thuật toán dịch điểm trung tính nhằm xử lý sự cố lỗi module cell.
  3. Thiết kế cấu trúc điều khiển khởi động mềm theo nguyên lý hòa đồng bộ lưới cho động cơ không đồng bộ ba pha dựa trên quy luật $V/F$, vòng khóa pha SRF-PLL và mạch vòng bám biên độ.
  4. Thiết kế hệ truyền động điều khiển vector tựa từ thông rotor (FOC) cho động cơ không đồng bộ ba pha trung thế kết hợp thuật toán dịch điểm trung tính khi có sự cố.
  5. Xây dựng mô hình mô phỏng hoàn chỉnh trên môi trường MATLAB & Simulink để kiểm chứng các giải pháp điều khiển đề xuất.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

  • Đối tượng nghiên cứu: Biến tần trung thế cầu H xếp chồng 13 mức (CHB-MLI) và hệ truyền động động cơ không đồng bộ ba pha trung thế công suất $2850\text{ kW}$, điện áp định mức $6000\text{ V}$ kéo tải bơm/quạt.
  • Phạm vi không gian và thời gian: Đồ án được thực hiện tại Lab Rockwell Automation, Khoa Tự động hóa, Trường Điện – Điện tử, Đại học Bách khoa Hà Nội trong thời gian từ tháng 4/2023 đến tháng 8/2023.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Đồ án ứng dụng tổng hợp các cơ sở lý thuyết chuyên sâu về điện tử công suất, lý thuyết điều khiển tự động và truyền động điện xoay chiều:

  • Lý thuyết nghịch lưu đa mức: Đánh giá các topo biến tần trung thế kinh điển gồm nghịch lưu diode kẹp (NPC), nghịch lưu tụ bay (FC) và nghịch lưu cầu H xếp chồng (CHB). Cấu trúc CHB được lựa chọn nhờ ưu điểm tiết kiệm linh kiện kẹp/tụ cân bằng, dễ mở rộng số mức và dễ cấu hình lại khi xảy ra lỗi.
  • Lý thuyết chỉnh lưu đa xung và máy biến áp lệch pha: Sử dụng hệ thống chỉnh lưu 36 xung kết hợp các máy biến áp lệch pha cấu hình Y/Z (gồm Y/Z-1 tạo góc sớm pha và Y/Z-2 tạo góc trễ pha) với góc lệch pha giữa các cuộn thứ cấp tính theo công thức $\alpha = 60^\circ / m$ ($m$ là số module mỗi pha) nhằm triệt tiêu các thành phần sóng hài bậc thấp phía sơ cấp mà không cần bộ lọc thụ động cồng kềnh.
  • Lý thuyết điều chế độ rộng xung (PWM): Kỹ thuật điều chế SinPWM đơn cực dịch pha sóng mang (Carrier Phase-Shifted PWM - CPS-PWM) và dịch mức sóng mang (Carrier Level-Shifted PWM: IPD, APOD, POD) cho cấu trúc đa mức 13 mức.
  • Lý thuyết đồng bộ pha lưới điện: Cấu trúc vòng khóa pha trên hệ tọa độ quay đồng bộ (Synchronous Reference Frame Phase Locked Loop - SRF-PLL) ứng dụng phép biến đổi Park để bám sát góc pha $\theta_g$ và biên độ vector điện áp lưới.
  • Mô hình hóa động cơ xoay chiều ba pha trên hệ tọa độ quay $dq$: Xây dựng hệ phương trình vi phân trạng thái mô tả động cơ không đồng bộ trên hệ trục $dq$ tựa theo vector từ thông rotor, cho phép tách kênh điều khiển độc lập giữa từ thông rotor $\psi_{rd}$ (thông qua dòng $i_{sd}$) và mô men điện từ $m_M$ (thông qua dòng $i_{sq}$).

Phương pháp nghiên cứu thực tế:

  • Phương pháp mô hình hóa và thiết kế giải tích: Thiết lập mô hình toán học giải tích cho mạch lực, thuật toán dịch điểm trung tính, và các hàm truyền vòng hở/vòng kín của các mạch vòng điều khiển (vòng dòng điện, vòng từ thông, vòng tốc độ, vòng PLL).
  • Phương pháp nhận dạng tham số động cơ: Ứng dụng các công thức tính toán gần đúng từ số liệu nhãn máy ($P_{\text{đm}}, U_{\text{đm}}, I_{\text{đm}}, \cos\varphi, n_{\text{đm}}, J$) để suy ra các thông số nội tại của động cơ ($R_s, R_r, L_s, L_r, L_m, \sigma, T_s, T_r$).
  • Phương pháp mô phỏng số kiểm chứng: Xây dựng toàn bộ hệ thống trên phần mềm MATLAB & Simulink, thiết lập kịch bản mô phỏng kiểm tra quá trình khởi động bám lưới và kịch bản chuyển đổi trạng thái khi bypass module bị lỗi ở thời điểm xác định.

Thiết kế và triển khai

Hệ thống điều khiển và cấu trúc mạch lực được thiết kế đồng bộ với các tham số kỹ thuật cụ thể:

1. Cấu trúc mạch lực biến tần 13 mức (CHB-MLI 13 mức)

Mạch lực mỗi pha bao gồm 6 module công suất cầu H nối tiếp nhau (tổng cộng 18 module cho 3 pha), tạo ra 13 mức điện áp pha từ $-6V_{dc}$ đến $+6V_{dc}$. Mỗi module cell gồm có:

  • Một bộ chỉnh lưu cầu diode 3 pha 6 xung được cấp nguồn từ một cuộn dây thứ cấp của máy biến áp lệch pha Y/Z. Với 6 module mỗi pha, hệ thống tạo thành cấu trúc chỉnh lưu 36 xung với góc lệch giữa các cuộn dây là $\alpha = 60^\circ / 6 = 10^\circ$.
  • Tụ điện một chiều DC-link dùng để san phẳng điện áp đầu ra bộ chỉnh lưu.
  • Một mạch nghịch lưu cầu H 1 pha gồm 4 van IGBT có diode mắc đối song.
Thông số mạch lực Giá trị thiết kế
Số mức điện áp đầu ra mỗi pha 13 mức ($2n + 1$ với $n = 6$)
Số lượng module cầu H toàn biến tần 18 module (6 module/pha)
Cấu hình biến áp đầu vào 1 cuộn sơ cấp đấu Y, 6 cuộn thứ cấp đấu Zigzag
Góc lệch pha giữa các cuộn thứ cấp $10^\circ$
Tần số chuyển mạch van ($f_{sw}$) $3000\text{ Hz}$

2. Thiết kế hệ thống khởi động mềm hòa đồng bộ lưới

Cấu trúc khởi động gồm ba khối chức năng phối hợp:

  • Giai đoạn tăng tốc (ACC): Sử dụng phương pháp điều khiển tần số vô hướng $V/F = \text{const}$ qua khâu ramp, nâng dần biên độ điện áp và tần số đến giá trị định mức ($50\text{ Hz}, 6000\text{ V}$).
  • Giai đoạn đồng bộ góc pha (PHASE_SYNC): Sử dụng bộ SRF-PLL để trích xuất góc pha lưới $\theta_g$. Bộ điều khiển PI điều chỉnh tốc độ quay của vector điện áp biến tần sao cho thành phần vuông góc $v_{qinv_GO} = 0$, đưa vector điện áp đầu ra biến tần $v_{inv}$ trùng pha hoàn toàn với vector điện áp lưới $v_g$. Bộ điều khiển PI của PLL được chuẩn hóa bậc 2 với hệ số tắt dần $\xi = 0.71$ và tần số cắt $\omega_c = 100\pi\text{ rad/s}$.
  • Giai đoạn đồng bộ biên độ (AMP_SYNC): Tín hiệu điện áp biến tần được đưa qua bộ lọc thông thấp (LPF) với hàm truyền $W(s) = \omega_c / (s + \omega_c)$ để triệt tiêu sóng hài bậc cao, sau đó chuyển sang hệ tọa độ $dq$. Mạch vòng điều chỉnh bám biên độ dùng bộ điều khiển tỷ lệ P với hệ số bù $\Delta v_d = 5% \Delta v$ để triệt tiêu sai lệch giữa $v_{dinv}$ và $v_{dg}$.

3. Thiết kế hệ thống điều khiển tựa từ thông rotor (FOC) và xử lý sự cố

  • Cấu trúc FOC: Hệ tọa độ $dq$ được đồng bộ tựa theo vector từ thông rotor ($\psi_{rq} = 0$). Các mạch vòng điều khiển được thiết kế phân tầng:
    • Mạch vòng điều khiển dòng điện $i_{sd}, i_{sq}$: Hai bộ điều khiển PI độc lập khử tác động xen kênh, được thiết kế theo phương pháp bù điểm cực với hằng số thời gian $T_{ii} = T_{\sigma s}$ và hằng số thời gian vòng dòng $T_{wi} = 5T_c$ ($T_c$ là chu kỳ phát xung).
    • Mạch vòng điều khiển từ thông rotor $\psi_{rd}$: Bộ PI được thiết kế bù hằng số thời gian rotor $T_{i\psi} = T_r$, đáp ứng thời gian $T_{w\psi} = 5T_{wi}$.
    • Mạch vòng điều khiển tốc độ $\omega$: Bộ PI điều chỉnh với cấu trúc tối ưu khâu dao động bậc 2 ($\xi = 0.707$, thời gian quá độ $t_s = 1\text{ s}$ cho sai lệch tĩnh $2%$).
  • Kỹ thuật dịch điểm trung tính (Neutral Point Shift): Khi xảy ra hư hỏng cell (ví dụ hỏng 2 module ở pha A), contactor đầu ra của module lỗi sẽ đóng để bypass module đó. Thay vì phải bypass đối xứng 2 module ở cả pha B và pha C gây suy giảm công suất nghiêm trọng, kỹ thuật dịch điểm trung tính sẽ điều chỉnh điện áp pha điều chế nhằm bảo toàn biên độ điện áp dây cân bằng lớn nhất có thể cung cấp cho động cơ.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1. Giới thiệu chung về biến tần trung thế

Chương 1 tổng quan về nhu cầu phát triển của các bộ biến tần trung thế đa mức trong công nghiệp nặng và năng lượng tái tạo. Tác giả phân tích ưu điểm nổi bật của biến tần đa mức như: giảm sóng hài, giảm tốc độ biến thiên điện áp $dv/dt$, hạ thấp điện áp common-mode (CM) và giảm tổn hao chuyển mạch. Đồng thời, tác giả thực hiện phân tích và so sánh số lượng linh kiện giữa ba cấu trúc nghịch lưu đa mức phổ biến:

Tiêu chí linh kiện (cho 1 pha $n$ mức) Diode kẹp (NPC) Tụ thay đổi (FC) Cầu H xếp chồng (CHB)
Van bán dẫn IGBT $2(n-1)$ $2(n-1)$ $2(n-1)$
Diode đối song $2(n-1)$ $2(n-1)$ $2(n-1)$
Diode kẹp $2(n-2)$ $0$ $0$
Tụ điện nguồn DC $n-1$ $n-1$ $(n-1)/2$
Tụ điện cân bằng $0$ $(n-1)(n-2)/2$ $0$

Kết quả so sánh khẳng định cấu trúc CHB chiếm ưu thế vượt trội về tính tối giản linh kiện thụ động, khả năng module hóa và tính linh hoạt trong mở rộng công suất.

Chương 2. Cấu trúc mạch lực của biến tần trung thế cầu H xếp chồng

Chương này tập trung chi tiết hóa phần cứng mạch lực của CHB-MLI 13 mức. Trọng tâm là cấu trúc chỉnh lưu 36 xung sử dụng máy biến áp lệch pha nhiều cuộn dây thứ cấp đấu kiểu Zigzag (cấu hình Y/Z-1 tạo góc lệch pha dương và Y/Z-2 tạo góc lệch pha âm). Tác giả thiết lập công thức tính toán tỷ số vòng dây $N_2, N_3$ của các cuộn thứ cấp phụ thuộc vào góc lệch $\alpha$. Chương 2 cũng trình bày nguyên lý hoạt động của các cầu chỉnh lưu 6 xung và bảng tổ hợp trạng thái đóng cắt của 12 van bán dẫn trên 6 cell cầu H trong một pha để tổng hợp 13 mức điện áp từ $-6V_{dc}$ đến $+6V_{dc}$.

Chương 3. Phương pháp điều chế cho biến tần trung thế cầu H xếp chồng

Tác giả trình bày các phương pháp điều chế độ rộng xung từ cơ bản đến nâng cao cho nghịch lưu CHB:

  • Điều chế PWM lưỡng cực và đơn cực cho module cầu H đơn lẻ.
  • Kỹ thuật điều chế đa mức gồm: điều chế dịch pha sóng mang (CPS-PWM) và điều chế dịch mức sóng mang (LS-PWM với các biến thể IPD, APOD, POD).
  • Phân tích và mô phỏng phổ sóng hài (THD) điện áp và dòng điện đầu ra, dòng điện đầu vào phía lưới của hệ thống CHB 13 mức.
  • Thiết lập cơ sở toán học cho kỹ thuật dịch điểm trung tính (Neutral Point Shift) nhằm bù trừ góc lệch pha và biên độ khi có sự cố hỏng module cầu H.

Chương 4. Khởi động theo nguyên lý hòa đồng bộ lưới cho động cơ không đồng bộ ba pha

Nội dung chương 4 giải quyết bài toán khởi động mềm và hòa lưới êm thuận cho ĐCKĐB-3P trung thế công suất $2850\text{ kW}$:

  • Phân tích nguyên lý làm việc của động cơ và các hiểm họa khi khởi động trực tiếp hoặc đóng lưới không đồng bộ.
  • Thiết kế chi tiết sơ đồ điều khiển 3 giai đoạn (Tăng tốc $V/F \to$ Đồng bộ góc pha qua SRF-PLL $\to$ Đồng bộ biên độ qua LPF và bộ điều khiển tỷ lệ).
  • Xây dựng sơ đồ mô phỏng quá trình khởi động hòa lưới trong thời gian $8\text{ s}$. Kết quả mô phỏng đối chứng giữa hai phương án hòa đồng bộ và đóng lưới không đồng bộ được đánh giá qua các đồ thị đáp ứng dòng điện, điện áp, mô men và tốc độ.

Chương 5. Thiết kế hệ điều khiển FOC cho động cơ không đồng bộ ba pha

Chương 5 xây dựng hoàn chỉnh cấu trúc điều khiển vector tựa từ thông rotor cho động cơ trung thế kết hợp xử lý sự cố biến tần:

  • Xây dựng mô hình toán học ĐCKĐB-3P trên hệ tọa độ $dq$, dẫn xuất hệ phương trình trạng thái liên tục và mô hình từ thông rotor.
  • Thiết kế chi tiết các khâu: chuyển đổi hệ tọa độ Clarke/Park, khâu tạo lượng đặt từ thông, khâu ước lượng góc pha $\theta_s$, khâu giới hạn tốc độ đặt khi có sự cố tải quạt gió ($M \sim \omega^2$).
  • Thiết kế và chuẩn hóa thông số các bộ điều khiển PI cho mạch vòng dòng điện ($i_{sd}, i_{sq}$), mạch vòng từ thông ($\psi_{rd}$) và mạch vòng tốc độ ($\omega$).
  • Mô phỏng đánh giá hệ truyền động FOC trong điều kiện bình thường và khi xảy ra sự cố hỏng 2 module pha A tại thời điểm $t = 4\text{ s}$, so sánh hiệu quả giữa kỹ thuật dịch điểm trung tính và phương pháp bypass đối xứng truyền thống.

Chương 6. Kết luận

Tổng kết toàn bộ các kết quả đạt được của đồ án tốt nghiệp, khẳng định việc hoàn thành đầy đủ các mục tiêu thiết kế mạch lực, thuật toán điều khiển hòa đồng bộ và hệ truyền động FOC có khả năng chịu lỗi. Tác giả nêu bật những kiến thức, kỹ năng thu nhận được và giới thiệu bài báo khoa học được phát triển từ kết quả nghiên cứu của đồ án.

Kết quả và đóng góp

1. Kết quả kỹ thuật và số liệu mô phỏng

Hệ thống được mô phỏng kiểm chứng trên đối tượng động cơ không đồng bộ ba pha trung thế có các thông số kỹ thuật thực tế:

Thông số Ký hiệu Giá trị danh định
Công suất định mức $P_{\text{đm}}$ $2850\text{ kW}$
Điện áp định mức $U_{\text{đm}}$ $6000\text{ V}$
Tần số định mức $f_{\text{đm}}$ $50\text{ Hz}$
Dòng điện định mức $I_{\text{đm}}$ $335.841\text{ A}$
Mô men định mức $M_{\text{đm}}$ $27442\text{ Nm}$
Tốc độ định mức $n_{\text{đm}}$ $992.263\text{ vòng/phút}$
Số đôi cực $p_c$ $3$
Hệ số công suất $\cos\varphi$ $0.845$
Mô men quán tính $J$ $275\text{ kgm}^2$

Kết quả quá trình khởi động hòa đồng bộ:

  • Dòng điện phía lưới có dạng sóng gần sin hoàn hảo, độ méo sóng hài bậc thấp $\text{THD} < 2%$ nhờ bộ chỉnh lưu 36 xung.
  • Trong giai đoạn tăng tốc, dòng điện khởi động được khống chế êm thuận, không vượt quá giá trị định mức ($335.84\text{ A}$).
  • Tại thời điểm chuyển đổi đóng vào lưới điện, góc pha, tần số và biên độ điện áp biến tần bám sát điện áp lưới; triệt tiêu hoàn toàn hiện tượng vọt lố dòng điện và dao động mô men so với phương pháp đóng lưới không đồng bộ (vốn gây sụt áp và sốc dòng gấp nhiều lần).

Kết quả điều khiển FOC và khắc phục lỗi cell:

  • Mạch vòng dòng điện và tốc độ đáp ứng chính xác giá trị đặt, dòng $i_{sq}$ bám sát đặc tính mô men tải.
Kịch bản vận hành khi hỏng 2 cell pha A Điện áp dây cực đại ($U_{max}$) Tốc độ động cơ đạt được Hiệu quả vận hành
Trạng thái định mức ban đầu $8409\text{ V}$ (biên độ) $992\text{ vòng/phút}$ $100%$ công suất định mức
Kỹ thuật dịch điểm trung tính (Neutral Point Shift) $7761\text{ V}$ $930\text{ vòng/phút}$ Duy trì tối đa điện áp, giảm thiểu suy hao tốc độ
Phương pháp bypass đối xứng (loại bỏ 2 cell pha B và 2 cell pha C) $6010\text{ V}$ $805\text{ vòng/phút}$ Suy giảm mạnh điện áp và công suất truyền động

2. Đóng góp học thuật và thực tiễn

  • Đề xuất hoàn chỉnh cấu trúc khởi động mềm hòa đồng bộ không cảm biến kết hợp vòng khóa pha SRF-PLL và mạch vòng bù biên độ cho biến tần trung thế CHB-MLI.
  • Tích hợp thành công thuật toán dịch điểm trung tính vào hệ thống điều khiển vector FOC, chứng minh bằng số liệu mô phỏng việc tối ưu hóa điện áp dây đầu ra và nâng cao độ tin cậy vận hành của hệ thống truyền động trung thế khi xảy ra sự cố phần cứng.
  • Kết quả nghiên cứu của đồ án đã đóng góp nội dung chính cho công trình khoa học: "Khởi động mềm động cơ KĐB-3P công suất lớn: cơ sở lý thuyết và ứng dụng" gửi đăng trên tạp chí chuyên ngành Đo lường, Điều khiển và Tự động hóa (MCA).

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

  • Hạn chế: Toàn bộ các kết quả và đánh giá trong đồ án mới dừng lại ở mức độ mô hình hóa toán học và mô phỏng trên phần mềm MATLAB & Simulink, chưa có điều kiện thực nghiệm trên phần cứng biến tần trung thế thực tế do hạn chế về chi phí thiết bị và an toàn công suất lớn. Hệ thống điều khiển FOC mới tập trung khảo sát ở vùng dưới tốc độ cơ bản (từ thông không đổi).
  • Hướng nghiên cứu tiếp:
    • Triển khai thuật toán điều khiển trên các bộ xử lý DSP/FPGA và thử nghiệm kiểm chứng trên mô hình phần cứng thu nhỏ (Scale-down testbench) hoặc hệ thống mô phỏng thời gian thực HIL (Hardware-in-the-Loop).
    • Nghiên cứu mở rộng thuật toán FOC cho vùng điều khiển suy giảm từ thông (Field Weakening) khi vận hành ở dải tốc độ trên tốc độ cơ bản.
    • Nghiên cứu các giải pháp cân bằng điện áp DC-link động và mở rộng thuật toán dịch điểm trung tính cho các trường hợp đa sự cố phức tạp hơn trên nhiều pha cùng lúc.

Giá trị tham khảo

Đồ án là tài liệu kỹ thuật có giá trị tham khảo cao đối với sinh viên, học viên cao học và kỹ sư nghiên cứu thuộc các chuyên ngành Kỹ thuật Điều khiển & Tự động hóa, Kỹ thuật Điện, Điện tử công suất và Hệ thống truyền động điện:

  • Phương pháp nhận dạng tham số động cơ: Cung cấp quy trình toán học rõ ràng và bộ mã nguồn MATLAB (m-file) để tính toán toàn bộ tham số mạch tương đương của động cơ trung thế từ số liệu nhãn máy.
  • Cấu trúc điều khiển hòa đồng bộ: Cung cấp giải pháp mẫu mực về việc thiết kế vòng khóa pha SRF-PLL và mạch vòng điều khiển bám biên độ ứng dụng trong các bài toán nối lưới êm thuận.
  • Kỹ thuật điều khiển chịu lỗi: Tài liệu tham khảo hữu ích cho việc triển khai thuật toán dịch điểm trung tính kết hợp điều khiển vector FOC cho biến tần đa mức.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao cấu trúc biến tần cầu H xếp chồng (CHB-MLI) lại được ưu tiên lựa chọn cho cấp điện áp trung thế so với cấu trúc Diode kẹp (NPC) và Tụ bay (FC)?

Cấu trúc CHB-MLI có tính module hóa cao, không yêu cầu các diode kẹp điện áp cồng kềnh như NPC (với 13 mức, NPC cần tới $2(n-2) = 22$ diode kẹp mỗi pha) và không cần số lượng tụ điện cân bằng cực lớn như FC ($(n-1)(n-2)/2 = 55$ tụ cân bằng mỗi pha). CHB dễ dàng mở rộng số mức điện áp bằng cách ghép nối thêm module cầu H tiêu chuẩn và có khả năng tiếp tục vận hành khi xảy ra sự cố hỏng module thông qua các thuật toán chịu lỗi.

2. Nguyên lý của bộ chỉnh lưu 36 xung trong đồ án là gì và mang lại lợi ích gì cho phía lưới?

Bộ chỉnh lưu 36 xung được tạo thành từ 6 bộ chỉnh lưu cầu diode 6 xung riêng biệt cấp nguồn cho 6 module cầu H trên mỗi pha. Các bộ chỉnh lưu này nhận nguồn từ máy biến áp lệch pha có 1 cuộn sơ cấp và 6 cuộn thứ cấp đấu Zigzag lệch pha nhau một góc $\alpha = 60^\circ / 6 = 10^\circ$. Cấu trúc này triệt tiêu hầu hết các sóng hài bậc thấp (bậc 5, 7, 11, 13, 17, 19, 23, 25, 29, 31) trong cuộn sơ cấp máy biến áp, giúp dòng điện phía lưới có dạng sóng gần như sin hoàn chỉnh với độ méo sóng hài $\text{THD} < 2%$ mà không cần bộ lọc thụ động.

3. Tại sao khi chuyển từ biến tần sang lưới điện trực tiếp bắt buộc phải sử dụng quy trình hòa đồng bộ?

Nếu ngắt biến tần rồi đóng contactor lưới trực tiếp (nối lưới không đồng bộ), rotor động cơ vẫn quay theo quán tính và mang từ dư, tạo ra một sức điện động cảm ứng trên stator có biên độ, tần số và góc pha lệch so với điện áp lưới. Sự chênh lệch điện áp tức thời lớn tại thời điểm đóng tiếp điểm sẽ gây ra dòng điện quá độ tăng vọt gấp nhiều lần và phát sinh xung mô men giật dữ dội, có thể làm sập nguồn bảo vệ và gây hư hại nghiêm trọng cơ cấu truyền động cơ khí.

4. Kỹ thuật dịch điểm trung tính (Neutral Point Shift) hoạt động như thế nào khi biến tần bị lỗi module?

Khi một số module cầu H trên một pha bị hỏng (ví dụ hỏng 2 module ở pha A), biến tần không thể tạo ra điện áp pha định mức đối xứng ban đầu. Kỹ thuật dịch điểm trung tính sẽ điều chỉnh góc pha và độ lớn của vector điện áp pha đặt vào các module còn lại của ba pha sao cho vector điện áp dây đặt lên stator động cơ vẫn duy trì được độ lớn cân bằng và cực đại nhất. Nhờ đó, động cơ chỉ phải giảm tốc độ nhẹ (từ $992$ xuống $930\text{ vòng/phút}$) thay vì phải bypass đối xứng trên cả 3 pha khiến tốc độ sụt giảm sâu xuống $805\text{ vòng/phút}$.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp của tác giả Hồ Đình Hùng đã giải quyết thành công bài toán tích hợp giữa mạch lực biến tần trung thế cầu H xếp chồng 13 mức và hệ thống điều khiển truyền động động cơ không đồng bộ công suất lớn $2850\text{ kW}$. Các giải pháp đề xuất bao gồm thuật toán khởi động mềm hòa đồng bộ lưới dựa trên SRF-PLL và hệ điều khiển vector tựa từ thông rotor (FOC) tích hợp kỹ thuật dịch điểm trung tính chịu lỗi đã được kiểm chứng tính đúng đắn thông qua mô phỏng trên MATLAB & Simulink. Kết quả nghiên cứu không chỉ đáp ứng yêu cầu kỹ thuật vận hành êm thuận, giảm sóng hài và nâng cao độ tin cậy của hệ thống truyền động trung thế mà còn tạo tiền đề cho công trình khoa học được công bố trên tạp chí chuyên ngành.