Đồ Án Tốt Nghiệp: Biến Tần Trung Thế Cầu H Xếp Chồng và Các Vấn Đề Về Điều Khiển

• Đề tài: Biến Tần Trung Thế Cầu H Xếp Chồng: Giải Pháp Điều Khiển và Khởi Động Hiệu Quả

• 1. CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU CHUNG VỀ BIẾN TẦN TRUNG THẾ
• 1.1. Tổng quan về biến tấn trung thế
• 1.2. Ưu điểm và nhược điểm
• 1.3. Các cấu trúc của biến tần trung thế
• 1.4. Mục tiêu đề tài
• 2. CẤU TRÚC MẠCH LỰC CỦA BIẾN TẦN TRUNG THẾ CẦU H XẾP CHỒNG
• 2.1. Chỉnh lưu đa xung
• 2.2. Chỉnh lưu 6 xung
• 2.3. Nghịch lưu đa mức
• 3. PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHẾ CHO BIẾN TẦN TRUNG THẾ CẦU H XẾP CHỒNG
• 3.1. Điều chế cho nghịch lưu cầu H 1 pha
• 3.1.1. Điều chế lưỡng cực
• 3.1.2. Điều chế đơn cực
• 3.2. Điều chế cho nghịch lưu đa mức
• 3.2.1. Điều chế đơn cực dịch pha sóng mang
• 3.2.2. Điều chế đơn cực dịch mức sóng mang
• 3.2.3. Mô phỏng với CHB-MLI 13 mức
• 3.3. Kĩ thuật dịch điểm trung tính
• 4. KHỞI ĐỘNG THEO NGUYÊN LÝ HÒA ĐỒNG BỘ LƯỚI CHO ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ BA PHA
• 4.1. Giới thiệu chung về động cơ không đồng bộ ba pha
• 4.2. Nguyên lý làm việc
• 4.3. Các vấn đề khi khởi động động cơ công suất lớn
• 4.4. Khởi động động cơ công suất lớn dùng biến tần
• 4.4.1. Phương pháp điều khiển tần số vô hướng
• 4.4.2. Thiết kế vòng khóa pha PLL
• 4.4.3. Bộ lọc thông thấp
• 4.4.4. Thiết kế điều khiển khởi động bằng biến tần
• 4.5. Mô phỏng và đánh giá kết quả
• 4.6. Kết quả mô phỏng và đánh giá
• 5. THIẾT KẾ HỆ ĐIỀU KHIỂN FOC CHO ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ BA PHA
• 5.1. Mô hình hóa ĐCKĐB-3P trên hệ tọa độ quay dq
• 5.1.1. Phương trình điện áp stator trên hệ tọa độ dq
• 5.1.2. Phương trình điện áp rotor trên hệ tọa độ dq
• 5.1.3. Mô hình trạng thái liên tục của động cơ không đồng bộ ba pha trên hệ tọa độ dq
• 5.2. Phương pháp điều khiển tựa từ thông rotor
• 5.2.1. Khâu chuyển hệ tọa độ
• 5.2.2. Khâu khắc phục sự cố lỗi
• 5.2.3. Khâu giới hạn tốc độ đặt
• 5.2.4. Khâu tạo lượng đặt từ thông
• 5.2.5. Thiết kế mô hình từ thông
• 5.2.6. Thiết kế các bộ điều khiển
• 5.3. Mô phỏng và đánh giá kết quả
• 5.4. Kết quả mô phỏng
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

I. Khám Phá Biến Tần Trung Thế Cầu H Xếp Chồng CHB là gì

Trong bối cảnh công nghiệp hóa hiện đại, các ứng dụng công suất lớn yêu cầu giải pháp truyền động hiệu quả và đáng tin cậy. Biến tần trung thế (MV Drive) nổi lên như một công nghệ cốt lõi, đặc biệt là cấu trúc Biến tần đa mức Cầu H Xếp Chồng (Cascaded H-Bridge - CHB). Đây là một loại multilevel inverter được cấu thành từ nhiều module cell công suất cầu H mắc nối tiếp. Mỗi cell hoạt động như một biến tần một pha độc lập, được cấp nguồn bởi cuộn thứ cấp riêng của một biến áp đầu vào đa xung. Bằng cách tổng hợp điện áp từ các cell này, biến tần CHB tạo ra một dạng sóng điện áp đầu ra gần sin với rất nhiều bậc. Điều này giúp giảm đáng kể sóng hài thấp (THD), cải thiện chất lượng điện năng và loại bỏ sự cần thiết của các bộ lọc đầu ra cồng kềnh. Chính nhờ kiến trúc module độc đáo mà giải pháp này mang lại hiệu suất cao và độ tin cậy vượt trội, trở thành lựa chọn hàng đầu cho việc điều khiển động cơ trung thế trong các ngành công nghiệp nặng.

1.1. Tổng quan về các loại biến tần đa mức multilevel inverter

Khái niệm biến tần đa mức ra đời nhằm giải quyết những hạn chế của biến tần hai mức truyền thống khi hoạt động ở cấp điện áp trung thế. Có ba cấu trúc phổ biến: Diode Kẹp (Diode Clamped), Tụ Điện Bay (Flying Capacitor), và Cầu H Xếp Chồng (Cascaded H-Bridge). Cấu trúc Diode Kẹp sử dụng các diode để kẹp điện áp DC-link thành nhiều mức, nhưng gặp khó khăn trong việc cân bằng điện áp tụ khi số mức tăng lên. Cấu trúc Tụ Điện Bay sử dụng các tụ điện để tạo ra các mức điện áp khác nhau, mang lại sự linh hoạt trong điều khiển nhưng đòi hỏi hệ thống điều khiển phức tạp để sạc/xả và cân bằng các tụ. Mỗi cấu trúc có những ưu và nhược điểm riêng về số lượng linh kiện, độ phức tạp điều khiển và khả năng ứng dụng.

1.2. Lý do cấu trúc Cầu H Xếp Chồng CHB chiếm ưu thế

So với các cấu trúc khác, Cascaded H-Bridge (CHB) nổi bật với nhiều ưu điểm vượt trội. Thứ nhất, kiến trúc module hóa giúp dễ dàng mở rộng số mức điện áp bằng cách thêm các cell công suất, đáp ứng linh hoạt các yêu cầu về điện áp và công suất. Thứ hai, mỗi cell được cấp nguồn độc lập từ biến áp lệch pha, loại bỏ hoàn toàn vấn đề cân bằng điện áp trên các tụ DC-link vốn là thách thức lớn của hai cấu trúc còn lại. Theo Bảng 1.1 trong nghiên cứu của Hồ Đình Hùng (2023), cấu trúc CHB yêu cầu số lượng linh kiện phụ trợ (diode kẹp, tụ cân bằng) ít hơn đáng kể. Đặc biệt, cấu trúc này có khả năng chịu lỗi cao; khi một cell bị lỗi, hệ thống có thể bypass cell đó (sử dụng hệ thống bypass) và tiếp tục hoạt động ở công suất giảm, đảm bảo độ tin cậy cho các quy trình sản xuất liên tục.

II. Thách Thức Khi Khởi Động Động Cơ Trung Thế Công Suất Lớn

Việc khởi động động cơ không đồng bộ ba pha công suất lớn (hàng megawatt) đặt ra những thách thức đáng kể cho cả hệ thống cơ khí và lưới điện. Các phương pháp khởi động trực tiếp hoặc sao-tam giác truyền thống không còn phù hợp do gây ra những cú sốc lớn. Dòng khởi động đột ngột có thể làm sụt áp lưới, ảnh hưởng đến các thiết bị khác, trong khi mô-men giật mạnh gây hao mòn cơ khí, giảm tuổi thọ của động cơ và các bộ phận truyền động. Vì vậy, một giải pháp khởi động mềm động cơ trung thế là yêu cầu bắt buộc để đảm bảo vận hành an toàn và ổn định. Mục tiêu chính là kiểm soát được dòng điện và gia tốc mô-men một cách mượt mà, đồng thời bảo vệ động cơ khỏi các nguy cơ quá nhiệt và hư hỏng lớp cách điện. Đây chính là bài toán mà hệ thống truyền động điện sử dụng biến tần cần giải quyết triệt để.

2.1. Vấn đề dòng khởi động lớn và sụt áp trên lưới điện

Khi khởi động trực tiếp một động cơ không đồng bộ công suất lớn, dòng điện có thể tăng vọt từ 5 đến 8 lần so với dòng định mức. Dòng điện khổng lồ này gây ra hiện tượng sụt áp nghiêm trọng trên lưới điện cung cấp. Như được phân tích trong luận văn của Hồ Đình Hùng (2023), việc sụt áp không chỉ ảnh hưởng đến hoạt động của các thiết bị khác trong nhà máy mà còn làm giảm mô-men khởi động của chính động cơ. Điều này khiến quá trình tăng tốc bị kéo dài, thời gian duy trì dòng điện lớn lâu hơn, dẫn đến nguy cơ quá nhiệt và làm hỏng lớp cách điện của cuộn dây stator. Vấn đề này đặc biệt nghiêm trọng ở những nơi có lưới điện yếu, ảnh hưởng đến chất lượng điện năng chung.

2.2. Rủi ro về sốc cơ khí và giảm tuổi thọ thiết bị truyền động

Song song với sốc điện, việc khởi động trực tiếp còn tạo ra một cú sốc cơ khí cực lớn. Mô-men điện từ tăng đột ngột và dao động mạnh gây ra độ giật lớn trên trục động cơ và toàn bộ hệ thống truyền động điện. Tình trạng này có thể gây hư hỏng các khớp nối, hộp số, và các kết cấu cơ khí liên quan. Sự mài mòn và ứng suất lặp đi lặp lại qua mỗi lần khởi động sẽ làm giảm đáng kể tuổi thọ của thiết bị, tăng chi phí bảo trì biến tần trung thế và hệ thống liên quan, đồng thời tiềm ẩn nguy cơ dừng máy đột xuất, gây thiệt hại lớn cho sản xuất.

III. Giải Pháp Khởi Động Bằng Biến Tần Theo Nguyên Lý Hòa Lưới

Để giải quyết các thách thức trên, phương pháp khởi động bằng biến tần trung thế theo nguyên lý hòa đồng bộ lưới được xem là giải pháp tối ưu. Quy trình này cho phép khởi động mềm động cơ trung thế một cách hoàn hảo trước khi kết nối trực tiếp vào lưới điện. Biến tần sẽ từ từ tăng tần số và điện áp cấp cho động cơ theo đặc tính V/F, giúp động cơ tăng tốc êm ái từ 0 đến tốc độ định mức mà không gây ra sốc dòng hay sốc cơ khí. Giai đoạn quan trọng nhất là hòa đồng bộ. Trước khi đóng contactor nối lưới, hệ thống điều khiển sử dụng Vòng khóa pha (PLL) để điều chỉnh điện áp đầu ra của biến tần (về biên độ, tần số và góc pha) trùng khớp tuyệt đối với điện áp lưới. Quá trình chuyển đổi liền mạch này đảm bảo không có bất kỳ sự đột biến nào về dòng điện hay mô-men, mang lại một giải pháp truyền động an toàn, hiệu quả và bảo vệ toàn diện cho thiết bị.

3.1. Kỹ thuật điều khiển V F và quá trình tăng tốc động cơ êm ái

Trong giai đoạn đầu của quá trình khởi động, biến tần CHB sử dụng phương pháp điều khiển tần số vô hướng (V/F). Nguyên tắc cơ bản là duy trì tỷ số Điện áp/Tần số (V/f) không đổi để giữ cho từ thông trong động cơ ổn định. Biến tần sẽ cấp điện cho động cơ không đồng bộ ba pha với tần số và điện áp bắt đầu từ 0 và tăng dần theo một đường dốc (ramp) được lập trình sẵn. Quá trình này giúp mô-men động cơ được tạo ra một cách từ từ, đủ để thắng mô-men cản của tải và tăng tốc một cách mượt mà. Nhờ đó, dòng điện khởi động được giới hạn ở mức an toàn (thường dưới 1.5 lần dòng định mức), loại bỏ hoàn toàn hiện tượng sụt áp lưới và sốc cơ khí, đảm bảo tiết kiệm năng lượng ngay từ giai đoạn khởi động.

3.2. Nguyên lý hòa đồng bộ lưới sử dụng Vòng khóa pha PLL

Sau khi động cơ đạt tốc độ gần định mức, giai đoạn hòa đồng bộ bắt đầu. Đây là bước then chốt để chuyển nguồn cấp từ biến tần sang lưới điện một cách an toàn. Hệ thống điều khiển sử dụng một Vòng khóa pha (Phase Locked Loop - PLL) để liên tục đo lường và so sánh ba thông số của điện áp lưới: biên độ, tần số và góc pha. Dựa trên sai lệch, bộ điều khiển PI sẽ tinh chỉnh đầu ra của biến tần cho đến khi điện áp của nó hoàn toàn trùng khớp với điện áp lưới. Nghiên cứu của Hồ Đình Hùng (2023) đã mô phỏng thành công quá trình này, cho thấy sai lệch góc pha và biên độ tiến về 0 trước thời điểm đóng lưới. Việc đồng bộ hoàn hảo này đảm bảo một quá trình chuyển đổi "không cú sốc", giữ cho hệ thống vận hành liên tục và ổn định.

IV. Phương Pháp Điều Khiển Vector FOC Tối Ưu Hiệu Suất Động Cơ

Sau khi khởi động thành công, việc điều khiển động cơ trung thế sao cho chính xác và hiệu quả là mục tiêu tiếp theo. Phương pháp Điều khiển tựa từ thông (Field Oriented Control - FOC) là một kỹ thuật điều khiển tiên tiến, biến một động cơ không đồng bộ phức tạp thành một hệ thống dễ điều khiển như động cơ một chiều. Bằng cách sử dụng các phép biến đổi toán học (Park và Clarke), FOC tách vector dòng điện stator thành hai thành phần vuông góc: thành phần sinh từ thông (isd) và thành phần sinh mô-men (isq). Việc điều khiển độc lập hai thành phần này cho phép hệ thống đáp ứng nhanh và chính xác với các thay đổi của tải và tốc độ đặt. Điều này không chỉ cải thiện hiệu suất vận hành mà còn giúp tiết kiệm năng lượng đáng kể, đặc biệt trong các ứng dụng công nghiệp nặng như máy nghiền, quạt và máy bơm.

4.1. Nguyên lý tách kênh từ thông và mô men trong điều khiển FOC

Bản chất của FOC là chuyển đổi các đại lượng xoay chiều ba pha (dòng điện, điện áp) sang một hệ quy chiếu hai chiều (dq) quay đồng bộ với từ thông rotor. Trong hệ quy chiếu này, dòng điện stator được phân tách thành hai thành phần: isd (trục d) và isq (trục q). Dòng isd có nhiệm vụ tạo và duy trì từ thông rotor ở mức tối ưu, trong khi dòng isq trực tiếp điều khiển mô-men điện từ của động cơ. Luận văn của Hồ Đình Hùng (2023) đã xây dựng thành công mô hình toán học và thiết kế các bộ điều khiển PI cho hai mạch vòng dòng điện này. Sự tách kênh này cho phép điều khiển chính xác mô-men mà không ảnh hưởng đến từ thông, mang lại khả năng đáp ứng động học cao và ổn định, tương tự như một động cơ DC kích từ độc lập.

4.2. Lợi ích về hiệu suất và khả năng đáp ứng động học cao

Nhờ khả năng điều khiển độc lập từ thông và mô-men, hệ thống truyền động điện sử dụng FOC mang lại nhiều lợi ích vượt trội. Hệ thống có thể duy trì mô-men tối đa ở mọi dải tốc độ, kể cả ở tốc độ rất thấp hoặc bằng không (zero speed). Khả năng đáp ứng với sự thay đổi của tải là gần như tức thời, giúp ổn định tốc độ một cách chính xác. Điều này cực kỳ quan trọng trong các ứng dụng đòi hỏi độ chính xác cao như máy cán thép hay máy giấy. Hơn nữa, bằng cách tối ưu hóa từ thông, FOC giúp giảm tổn hao trong động cơ, dẫn đến hiệu suất cao hơn và tiết kiệm năng lượng trong suốt quá trình vận hành, góp phần giảm chi phí sản xuất.

V. Ưu Điểm Vượt Trội của Biến Tần CHB Trong Công Nghiệp Nặng

Cấu trúc Biến tần trung thế Cầu H Xếp Chồng không chỉ là một giải pháp truyền động hiệu quả mà còn mang lại những lợi ích thiết thực cho các ứng dụng công nghiệp nặng. Một trong những ưu điểm lớn nhất là chất lượng điện năng đầu ra và đầu vào. Nhờ cấu trúc đa mức, điện áp ra gần như hình sin hoàn hảo, giảm thiểu sóng hài thấp, bảo vệ lớp cách điện của động cơ và kéo dài tuổi thọ. Phía đầu vào, biến áp lệch pha giúp loại bỏ các sóng hài bậc thấp, đảm bảo THD dòng điện đầu vào rất thấp (thường dưới 3%), tuân thủ các tiêu chuẩn quốc tế nghiêm ngặt nhất. Thêm vào đó, tính module hóa còn mang lại khả năng chịu lỗi độc đáo. Khi một cell công suất gặp sự cố, hệ thống có thể tự động cô lập và bypass cell đó, cho phép hệ thống tiếp tục hoạt động mà không bị gián đoạn, đảm bảo độ tin cậy tối đa.

5.1. Cải thiện chất lượng điện năng với sóng hài cực thấp THD

Một trong những lợi thế cạnh tranh nhất của công nghệ CHB là khả năng tạo ra dạng sóng điện áp đầu ra với độ méo hài tổng (THD) cực thấp. Với cấu trúc 13 mức hoặc cao hơn, dạng sóng gần như hình sin, giúp dòng điện động cơ cũng có dạng sin. Điều này làm giảm tổn thất do sóng hài trong động cơ, giảm tiếng ồn và rung động cơ khí. Phía lưới điện, việc sử dụng biến áp lệch pha và chỉnh lưu đa xung (ví dụ 36 xung) giúp triệt tiêu hiệu quả các sóng hài bậc 5, 7, 11, 13... Phân tích mô phỏng trong tài liệu gốc cho thấy THD dòng điện đầu vào chỉ khoảng 2.65%, một con số ấn tượng giúp cải thiện chất lượng điện năng và giảm thiểu ảnh hưởng tới các thiết bị khác trong cùng hệ thống.

5.2. Tăng độ tin cậy với khả năng chịu lỗi và hệ thống bypass cell

Độ tin cậy là yếu tố sống còn trong công nghiệp nặng. Kiến trúc module độc lập của biến tần CHB mang lại khả năng chịu lỗi vượt trội. Mỗi cell công suất hoạt động riêng rẽ. Nếu một cell gặp sự cố, hệ thống điều khiển có thể nhanh chóng phát hiện, cô lập và kích hoạt hệ thống bypass để loại bỏ cell lỗi ra khỏi chuỗi. Hệ thống vẫn tiếp tục vận hành với số cell còn lại, mặc dù công suất tối đa có thể giảm đi. Kỹ thuật "dịch điểm trung tính" được đề cập trong nghiên cứu của Hồ Đình Hùng (2023) còn giúp tối ưu hóa điện áp dây đầu ra ngay cả khi có cell lỗi, duy trì hiệu suất truyền động ở mức cao nhất có thể. Điều này giúp tránh dừng máy đột ngột, giảm thiểu thiệt hại sản xuất và đơn giản hóa công tác bảo trì biến tần trung thế.