Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh phát triển mạnh mẽ của công nghệ điện tử công suất, việc nâng cao hiệu suất và giảm tổn hao trong các bộ biến tần ba pha ba bậc là một yêu cầu cấp thiết. Theo ước tính, các bộ biến tần sử dụng linh kiện bán dẫn SiC (Silicon Carbide) có thể giảm tổn hao chuyển mạch đến 30% so với linh kiện Si truyền thống, đồng thời tăng khả năng chịu tải và tần số chuyển mạch. Luận văn tập trung nghiên cứu mạch ba pha ba bậc dạng T-Type Neutral Point Clamped (T-NPC) với hai phương pháp điều chế độ rộng xung là Space Vector Pulse Width Modulation (SVPWM) và Discontinuous Pulse Width Modulation (DPWM). Mục tiêu chính là phân tích hoạt động, xây dựng mô hình mô phỏng và thực nghiệm để đánh giá hiệu quả của các phương pháp điều chế này trên mạch T-NPC sử dụng linh kiện SiC, nhằm giảm tổn hao công suất và cải thiện hiệu suất hoạt động. Nghiên cứu được thực hiện trong giai đoạn từ tháng 2 đến tháng 7 năm 2021 tại Trường Đại học Bách Khoa TP. Hồ Chí Minh, với phạm vi tập trung vào mạch biến tần ba pha ba bậc T-NPC và các thuật toán điều chế xung. Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc ứng dụng linh kiện SiC và các thuật toán điều chế tiên tiến vào hệ thống biến tần công suất cao, góp phần nâng cao hiệu quả sử dụng năng lượng và giảm chi phí vận hành trong các hệ thống điện công nghiệp.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên hai lý thuyết và mô hình nghiên cứu chính:

  1. Mạch biến tần ba pha ba bậc T-Type NPC (T-NPC): Đây là cấu trúc biến tần sử dụng ba bậc bán dẫn kết hợp với điểm trung tính, giúp giảm điện áp trên mỗi linh kiện và cải thiện chất lượng sóng ra. Mạch T-NPC có khả năng giảm tổn hao chuyển mạch và giảm sóng hài so với biến tần hai bậc truyền thống.

  2. Phương pháp điều chế độ rộng xung (PWM):

    • Space Vector PWM (SVPWM): Phương pháp điều chế dựa trên vector không gian, tối ưu hóa việc sử dụng điện áp DC-link và giảm sóng hài tổng thể (THD). SVPWM phân chia không gian vector thành 6 sector và 12 tam giác, tính toán thời gian tác động của các vector cơ sở để tạo ra sóng điện áp đầu ra gần với sóng sin chuẩn.
    • Discontinuous PWM (DPWM): Phương pháp điều chế gián đoạn, trong đó mỗi pha được kết nối với điểm dương, điểm âm hoặc điểm trung tính trong 1/3 chu kỳ, giúp giảm tổn hao chuyển mạch khoảng 33% so với SVPWM. DPWM có các biến thể như DPWM1, DPWM2, DPWM3, DPWM4 tùy theo cách sắp xếp các pha kết nối.

Các khái niệm chính bao gồm: vector không gian, sector và tam giác trong SVPWM, trạng thái khóa công suất trong mạch T-NPC, sóng mang tam giác, và các vector dư thừa (redundancy vector) trong điều chế.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính bao gồm:

  • Tài liệu tham khảo từ các bài báo khoa học, tiêu chuẩn IEEE về điều chế PWM và mạch biến tần.
  • Dữ liệu thực nghiệm từ mô hình prototype mạch T-NPC sử dụng linh kiện SiC.
  • Mô phỏng trên phần mềm PSim 9 để phân tích hoạt động của SVPWM và DPWM.

Phương pháp phân tích:

  • Xây dựng mô hình toán học và mô phỏng vector không gian cho mạch T-NPC.
  • Tính toán thời gian tác động của các vector cơ sở trong từng sector và tam giác.
  • So sánh hiệu suất và tổn hao chuyển mạch giữa SVPWM và các biến thể DPWM.
  • Thiết kế và lập trình thuật toán điều khiển trên DSP TMS320F28377.
  • Thực nghiệm trên prototype với linh kiện SiC để kiểm chứng mô hình và thuật toán.

Cỡ mẫu nghiên cứu là một prototype mạch T-NPC ba pha ba bậc, được thử nghiệm trong phòng thí nghiệm tại Trường Đại học Bách Khoa TP. Hồ Chí Minh. Phương pháp chọn mẫu là lựa chọn thiết bị và thuật toán đại diện cho công nghệ hiện đại trong biến tần công suất cao. Timeline nghiên cứu kéo dài từ tháng 2 đến tháng 7 năm 2021, bao gồm giai đoạn phân tích lý thuyết, mô phỏng, thiết kế phần cứng và thực nghiệm.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Hiệu quả giảm tổn hao chuyển mạch của DPWM: Thí nghiệm cho thấy DPWM giảm tổn hao chuyển mạch khoảng 33% so với SVPWM, nhờ việc mỗi pha được kết nối với điểm dương, âm hoặc trung tính trong 1/3 chu kỳ, giảm số lần chuyển mạch liên tục.

  2. Chất lượng sóng điện áp đầu ra: SVPWM tạo ra sóng điện áp đầu ra có tổng méo hài (THD) thấp hơn khoảng 5-7% so với DPWM, do việc điều chế liên tục và tối ưu hóa vector không gian. Tuy nhiên, DPWM vẫn đảm bảo sóng điện áp đầu ra đạt yêu cầu trong nhiều ứng dụng công nghiệp.

  3. Ứng dụng linh kiện SiC: Việc sử dụng linh kiện SiC trong mạch T-NPC giúp tăng tần số chuyển mạch lên đến 30 kHz, giảm tổn hao công suất và tăng hiệu suất hoạt động. So với linh kiện Si truyền thống, SiC giảm tổn hao chuyển mạch khoảng 25-30% và chịu được điện áp cao hơn.

  4. Mô hình mô phỏng và thực nghiệm khớp nhau: Kết quả mô phỏng trên PSim và thực nghiệm prototype cho thấy sự phù hợp cao, với sai số dưới 5% trong các thông số điện áp và dòng điện đầu ra, chứng minh tính chính xác của mô hình và thuật toán điều khiển.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của việc DPWM giảm tổn hao chuyển mạch là do giảm số lần chuyển đổi trạng thái của các khóa công suất trong mạch T-NPC, nhờ việc kết nối pha với điểm trung tính trong 1/3 chu kỳ. Điều này làm giảm tổn hao năng lượng do chuyển mạch và tăng tuổi thọ linh kiện. Tuy nhiên, DPWM có nhược điểm là sóng điện áp đầu ra có thể có méo hài cao hơn SVPWM, do tính gián đoạn trong điều chế.

So sánh với các nghiên cứu trước đây, kết quả này phù hợp với báo cáo của ngành về hiệu quả của DPWM trong biến tần ba pha ba bậc. Việc ứng dụng linh kiện SiC cũng được xác nhận là xu hướng phát triển công nghệ biến tần hiện đại, giúp nâng cao hiệu suất và giảm kích thước thiết bị.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ so sánh tổn hao chuyển mạch giữa SVPWM và DPWM, biểu đồ THD sóng điện áp đầu ra, và bảng số liệu hiệu suất của linh kiện SiC so với Si truyền thống. Các biểu đồ này giúp minh họa rõ ràng sự khác biệt và ưu điểm của từng phương pháp.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Áp dụng DPWM trong các hệ thống biến tần công suất cao: Khuyến nghị sử dụng DPWM để giảm tổn hao chuyển mạch, đặc biệt trong các ứng dụng yêu cầu hiệu suất cao và tuổi thọ linh kiện dài hạn. Thời gian triển khai dự kiến trong 6-12 tháng, chủ thể thực hiện là các nhà sản xuất biến tần và kỹ sư thiết kế hệ thống.

  2. Tăng cường sử dụng linh kiện SiC: Đề xuất thay thế linh kiện Si truyền thống bằng SiC trong mạch T-NPC để nâng cao hiệu suất và khả năng chịu tải. Việc này cần phối hợp với nhà cung cấp linh kiện và đội ngũ kỹ thuật trong vòng 12 tháng.

  3. Phát triển thuật toán điều khiển tích hợp SVPWM và DPWM: Đề xuất nghiên cứu và phát triển thuật toán điều khiển kết hợp ưu điểm của SVPWM và DPWM nhằm tối ưu hóa chất lượng sóng và giảm tổn hao. Thời gian nghiên cứu và phát triển khoảng 18 tháng, do các viện nghiên cứu và trung tâm công nghệ thực hiện.

  4. Đào tạo và nâng cao năng lực kỹ thuật cho đội ngũ vận hành: Tổ chức các khóa đào tạo về công nghệ biến tần ba pha ba bậc, phương pháp điều chế PWM và ứng dụng linh kiện SiC cho kỹ sư vận hành và bảo trì. Thời gian thực hiện trong 3-6 tháng, do các trường đại học và trung tâm đào tạo chuyên ngành đảm nhiệm.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Kỹ sư thiết kế biến tần và hệ thống điện công nghiệp: Nghiên cứu cung cấp kiến thức chuyên sâu về mạch T-NPC và các thuật toán điều chế PWM, giúp cải tiến thiết kế và nâng cao hiệu suất sản phẩm.

  2. Nhà nghiên cứu và giảng viên trong lĩnh vực điện tử công suất: Luận văn là tài liệu tham khảo quý giá về lý thuyết vector không gian, mô hình mô phỏng và thực nghiệm mạch biến tần ba pha ba bậc.

  3. Doanh nghiệp sản xuất linh kiện bán dẫn và thiết bị điện: Thông tin về ứng dụng linh kiện SiC và hiệu quả của các phương pháp điều chế giúp định hướng phát triển sản phẩm mới, đáp ứng nhu cầu thị trường.

  4. Sinh viên và học viên cao học chuyên ngành kỹ thuật điện: Luận văn cung cấp kiến thức thực tiễn và lý thuyết cập nhật, hỗ trợ học tập và nghiên cứu chuyên sâu về biến tần và điều khiển điện.

Câu hỏi thường gặp

  1. SVPWM và DPWM khác nhau như thế nào về hiệu suất?
    SVPWM tạo sóng điện áp đầu ra mượt mà hơn với THD thấp hơn khoảng 5-7%, trong khi DPWM giảm tổn hao chuyển mạch khoảng 33% nhờ giảm số lần chuyển đổi trạng thái. Ví dụ, trong thực nghiệm, DPWM giúp giảm nhiệt độ linh kiện và tăng tuổi thọ thiết bị.

  2. Linh kiện SiC có ưu điểm gì so với Si truyền thống?
    SiC có khả năng chịu điện áp cao hơn, tần số chuyển mạch lớn hơn và tổn hao chuyển mạch thấp hơn khoảng 25-30%. Điều này giúp biến tần hoạt động hiệu quả hơn và nhỏ gọn hơn, phù hợp cho các ứng dụng công suất cao.

  3. Mô hình mô phỏng PSim có chính xác không?
    Mô hình mô phỏng trên PSim khớp với kết quả thực nghiệm prototype với sai số dưới 5%, chứng tỏ tính chính xác và khả năng dự báo hiệu suất của các thuật toán điều chế trên mạch T-NPC.

  4. DPWM có nhược điểm gì?
    DPWM có thể tạo ra sóng điện áp đầu ra có méo hài cao hơn SVPWM do tính gián đoạn trong điều chế, có thể ảnh hưởng đến chất lượng nguồn điện trong một số ứng dụng nhạy cảm.

  5. Làm thế nào để lựa chọn phương pháp điều chế phù hợp?
    Lựa chọn phụ thuộc vào yêu cầu về hiệu suất, tổn hao, và chất lượng sóng điện áp đầu ra. Nếu ưu tiên giảm tổn hao và tăng tuổi thọ linh kiện, DPWM là lựa chọn tốt; nếu ưu tiên chất lượng sóng và giảm méo hài, SVPWM phù hợp hơn.

Kết luận

  • Luận văn đã phân tích và đánh giá hiệu quả của hai phương pháp điều chế SVPWM và DPWM trên mạch biến tần ba pha ba bậc T-NPC sử dụng linh kiện SiC.
  • DPWM giảm tổn hao chuyển mạch khoảng 33%, trong khi SVPWM tạo sóng điện áp đầu ra có THD thấp hơn 5-7%.
  • Việc ứng dụng linh kiện SiC giúp nâng cao hiệu suất và khả năng chịu tải của biến tần, phù hợp cho các ứng dụng công suất cao và tần số chuyển mạch lớn.
  • Mô hình mô phỏng và thực nghiệm cho kết quả khớp nhau, chứng minh tính khả thi của các thuật toán điều khiển và thiết kế mạch.
  • Đề xuất tiếp tục phát triển thuật toán kết hợp ưu điểm của SVPWM và DPWM, đồng thời mở rộng ứng dụng linh kiện SiC trong công nghiệp.

Để tiếp tục nghiên cứu và ứng dụng, các nhà nghiên cứu và kỹ sư được khuyến khích triển khai thử nghiệm thực tế trên các hệ thống công nghiệp, đồng thời đào tạo nâng cao năng lực kỹ thuật cho đội ngũ vận hành. Hành động ngay hôm nay để nâng cao hiệu quả và bền vững cho hệ thống điện công suất cao!