Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh phát triển nhanh chóng của khoa học kỹ thuật, việc sử dụng các bộ chuyển đổi DC-DC ngày càng phổ biến trong công nghiệp và đời sống. Bộ chuyển đổi DC-DC tăng áp (boost converter) có vai trò quan trọng trong việc nâng cao điện áp đầu ra so với điện áp đầu vào, đặc biệt trong các hệ thống sử dụng năng lượng tái tạo như điện mặt trời, điện gió. Nhu cầu thiết kế bộ chuyển đổi DC-DC công suất lớn, hiệu suất cao và ổn định là cấp thiết nhằm đáp ứng yêu cầu vận hành của các thiết bị công nghiệp và máy điện một chiều.

Luận văn tập trung xây dựng bộ chuyển đổi DC-DC công suất 1.6KW với điện áp đầu vào 320V và dòng điện 5A, thực hiện trong khoảng thời gian 12 tháng tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh. Mục tiêu nghiên cứu bao gồm xây dựng cơ sở lý thuyết, mô phỏng bằng phần mềm PSIM và nhúng chương trình điều khiển vào card Arduino để điều khiển bộ chuyển đổi.

Nghiên cứu có ý nghĩa khoa học trong việc phát triển mô hình toán học, giải thuật điều khiển hiện đại cho bộ chuyển đổi DC-DC, đồng thời có giá trị thực tiễn khi ứng dụng Arduino điều khiển, giúp nâng cao hiệu suất và độ ổn định của hệ thống. Kết quả nghiên cứu góp phần làm phong phú thêm phương pháp giảng dạy và chuyển giao công nghệ trong lĩnh vực điện tử công suất.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên hai lý thuyết chính: lý thuyết mạch điện tử công suất và lý thuyết điều khiển PID (Proportional Integral Derivative).

  • Lý thuyết mạch điện tử công suất: Nghiên cứu cấu hình mạch tăng áp DC-DC truyền thống và cấu hình ghép tầng tăng áp hiện đại nhằm giảm điện áp stress trên linh kiện, tăng hiệu suất chuyển đổi. Các khái niệm chính bao gồm: cuộn cảm, tụ điện, diode, khóa bán dẫn (MOSFET, IGBT), và nguyên lý hoạt động của mạch tăng áp với hai trạng thái đóng/ngắt khóa.

  • Lý thuyết điều khiển PID: Bộ điều khiển PID được sử dụng để giảm thiểu sai số giữa giá trị đo và giá trị đặt, bao gồm ba thành phần: tỉ lệ (P), tích phân (I), và vi phân (D). Mỗi thành phần có vai trò điều chỉnh khác nhau nhằm đảm bảo hệ thống hoạt động ổn định, nhanh chóng đạt giá trị mong muốn và giảm dao động.

Các khái niệm chuyên ngành như kỹ thuật điều chế độ rộng xung PWM (Pulse Width Modulation), mô hình toán học bộ chuyển đổi DC-DC, và thuật toán điều khiển nhúng trên Arduino cũng được áp dụng để thiết kế và vận hành bộ chuyển đổi.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính bao gồm số liệu thực nghiệm từ mô hình vật lý bộ chuyển đổi DC-DC 1.6KW và kết quả mô phỏng trên phần mềm PSIM. Cỡ mẫu nghiên cứu là một mô hình thực nghiệm hoàn chỉnh với các linh kiện điện tử công suất và mạch điều khiển được thiết kế, thi công và kiểm tra kỹ lưỡng.

Phương pháp phân tích gồm:

  • Mô hình hóa toán học và xây dựng phương trình trạng thái cho bộ chuyển đổi DC-DC.
  • Mô phỏng hệ thống trên PSIM để đánh giá hiệu suất và đặc tính hoạt động.
  • Thiết kế và lập trình bộ điều khiển PID nhúng trên card Arduino.
  • Thực nghiệm mô hình vật lý để so sánh và đánh giá kết quả mô phỏng.
  • Phân tích số liệu thực nghiệm và mô phỏng, sử dụng biểu đồ dòng điện, điện áp và tỷ số ngắn mạch để minh họa.

Timeline nghiên cứu kéo dài 12 tháng, từ tháng 3 đến tháng 12 năm 2018, bao gồm các giai đoạn: xây dựng lý thuyết, mô phỏng, thi công mô hình thực nghiệm, lập trình điều khiển và đánh giá kết quả.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Mô hình toán học và phương trình điều khiển: Đã xây dựng thành công mô hình toán học cho bộ chuyển đổi DC-DC 1.6KW với điện áp đầu vào 290V và điện áp đầu ra mong muốn 350V. Chu kỳ ngắn mạch (duty cycle) được xác định là 0.15, giúp giảm điện áp stress trên các linh kiện.

  2. Kết quả mô phỏng: Dòng điện trên cuộn dây L1 và L2 lần lượt đạt 8.5A và 5A, dòng điện ngõ ra đạt 4.2A, điện áp ngõ ra ổn định ở 350V với tần số sóng mang 20kHz. Điện áp trên các tụ điện C1 và C2 lần lượt là 50V và 10V, điện áp đặt trên khóa S1 và S2 là 341V và 60V.

  3. Kết quả thực nghiệm: Dòng điện cuộn dây L1 và L2 đo được lần lượt là 8A và 5A, điện áp ngõ ra đạt 350V khi điện áp ngõ vào là 305V, dòng điện ngõ ra là 5A. Tỷ số ngắn mạch D thực tế đạt gần bằng mô phỏng, chứng tỏ tính chính xác của mô hình.

  4. So sánh mô phỏng và thực nghiệm: Kết quả thực nghiệm và mô phỏng có sự tương đồng cao, chỉ có sự chênh lệch nhỏ ở dòng điện cuộn dây L2 do tổn hao trên linh kiện thực tế. Điều này khẳng định tính khả thi và độ tin cậy của mô hình và thuật toán điều khiển.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân kết quả thực nghiệm gần với mô phỏng là do việc thiết kế mạch và lựa chọn linh kiện phù hợp, cùng với thuật toán điều khiển PID hiệu quả giúp duy trì ổn định điện áp và dòng điện. Việc sử dụng cấu hình ghép tầng tăng áp giúp giảm điện áp stress trên các linh kiện, kéo dài tuổi thọ và nâng cao hiệu suất chuyển đổi.

So với các nghiên cứu trước đây, đề tài đã cải tiến cấu hình mạch và áp dụng điều khiển nhúng Arduino, tạo ra sản phẩm có tính ứng dụng cao trong thực tế. Kết quả có thể được trình bày qua biểu đồ dòng điện và điện áp theo thời gian, bảng so sánh các thông số mô phỏng và thực nghiệm để minh họa sự phù hợp và hiệu quả của giải pháp.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Triển khai ứng dụng thực tế: Đề xuất các doanh nghiệp và cơ sở nghiên cứu ứng dụng bộ chuyển đổi DC-DC 1.6KW trong các hệ thống điện công nghiệp và năng lượng tái tạo nhằm nâng cao hiệu suất sử dụng năng lượng. Thời gian thực hiện trong vòng 6-12 tháng.

  2. Nâng cao công suất và hiệu suất: Tiếp tục nghiên cứu mở rộng công suất bộ chuyển đổi và tối ưu hóa thuật toán điều khiển PID để giảm tổn hao năng lượng, hướng tới công suất lớn hơn 2KW trong vòng 1-2 năm.

  3. Phát triển mô hình đào tạo: Áp dụng mô hình và phần mềm mô phỏng vào giảng dạy tại các trường đại học kỹ thuật, giúp sinh viên tiếp cận công nghệ hiện đại và thực hành trực quan. Thời gian triển khai trong 1 năm.

  4. Chuyển giao công nghệ: Hỗ trợ các doanh nghiệp trong việc chuyển giao công nghệ thiết kế và điều khiển bộ chuyển đổi DC-DC, đồng thời cung cấp tài liệu hướng dẫn và đào tạo kỹ thuật viên. Thời gian thực hiện 6 tháng.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Sinh viên và giảng viên ngành điện – điện tử: Nghiên cứu và giảng dạy về mạch điện tử công suất, điều khiển tự động và ứng dụng Arduino trong hệ thống điện.

  2. Kỹ sư thiết kế mạch điện tử công suất: Áp dụng mô hình và thuật toán điều khiển để thiết kế bộ chuyển đổi DC-DC công suất cao, nâng cao hiệu suất và độ ổn định.

  3. Doanh nghiệp sản xuất thiết bị điện công nghiệp: Nâng cao chất lượng sản phẩm, giảm chi phí bảo trì và tăng tuổi thọ linh kiện thông qua ứng dụng bộ chuyển đổi DC-DC cải tiến.

  4. Nhà nghiên cứu năng lượng tái tạo: Ứng dụng bộ chuyển đổi DC-DC trong các hệ thống điện mặt trời, điện gió để tối ưu hóa hiệu suất chuyển đổi và lưu trữ năng lượng.

Câu hỏi thường gặp

  1. Bộ chuyển đổi DC-DC 1.6KW có thể ứng dụng trong những lĩnh vực nào?
    Bộ chuyển đổi phù hợp với các hệ thống điện công nghiệp, năng lượng tái tạo như điện mặt trời, điện gió, và các thiết bị điện một chiều công suất lớn. Ví dụ, trong các dây chuyền sản xuất hoặc xe điện.

  2. Lý do chọn Arduino làm bộ điều khiển là gì?
    Arduino có ưu điểm dễ lập trình, chi phí thấp và khả năng nhúng thuật toán điều khiển PID hiệu quả, giúp điều chỉnh chính xác điện áp và dòng điện đầu ra.

  3. Hiệu suất của bộ chuyển đổi đạt được là bao nhiêu?
    Theo kết quả mô phỏng và thực nghiệm, bộ chuyển đổi hoạt động ổn định với điện áp đầu ra 350V từ điện áp đầu vào 290-305V, dòng điện ngõ ra đạt 4.2-5A, cho thấy hiệu suất cao và ổn định.

  4. Có thể mở rộng công suất bộ chuyển đổi không?
    Có thể, bằng cách tối ưu hóa thiết kế mạch và thuật toán điều khiển, công suất có thể nâng lên trên 2KW để đáp ứng nhu cầu công nghiệp lớn hơn.

  5. Làm thế nào để giảm điện áp stress trên linh kiện?
    Sử dụng cấu hình ghép tầng tăng áp giúp phân phối điện áp đều trên các linh kiện, giảm điện áp đặt trên từng phần tử, từ đó tăng tuổi thọ và độ tin cậy của bộ chuyển đổi.

Kết luận

  • Đã xây dựng thành công mô hình toán học và phương trình điều khiển cho bộ chuyển đổi DC-DC công suất 1.6KW.
  • Mô phỏng trên PSIM và thực nghiệm mô hình vật lý cho kết quả tương đồng, chứng minh tính khả thi của giải pháp.
  • Ứng dụng điều khiển PID nhúng trên Arduino giúp duy trì điện áp và dòng điện ổn định, giảm sai số và tăng hiệu suất.
  • Bộ chuyển đổi có ưu điểm giảm điện áp stress trên linh kiện, nâng cao tuổi thọ và độ tin cậy.
  • Đề xuất tiếp tục phát triển công suất, ứng dụng thực tế và chuyển giao công nghệ trong các lĩnh vực điện công nghiệp và năng lượng tái tạo.

Hành động tiếp theo: Khuyến khích các đơn vị nghiên cứu và doanh nghiệp triển khai ứng dụng bộ chuyển đổi DC-DC 1.6KW, đồng thời mở rộng nghiên cứu nâng cao công suất và hiệu suất trong tương lai gần.