Tổng quan nghiên cứu

Biến tần đa bậc cascaded là một trong những công nghệ chủ đạo trong lĩnh vực truyền động điện và năng lượng tái tạo, với khả năng nâng cao chất lượng điện áp đầu ra và giảm tổn hao linh kiện. Theo ước tính, các bộ nghịch lưu đa bậc có thể giảm điện áp đặt lên linh kiện bán dẫn xuống đáng kể, từ đó kéo dài tuổi thọ thiết bị và giảm sóng hài bậc cao trong điện áp đầu ra. Tuy nhiên, điện áp common-mode (CMV) sinh ra trong quá trình chuyển mạch là nguyên nhân chính gây ra dòng rò rỉ, mòn ổ bi động cơ và giảm hiệu suất hệ thống.

Luận văn tập trung nghiên cứu kỹ thuật điều khiển giảm điện áp common-mode cho bộ biến tần đa bậc cascaded 5 bậc, đồng thời mở rộng sang các bộ nghịch lưu lai 7 bậc và 9 bậc. Mục tiêu chính là phát triển giải thuật điều chế độ rộng xung sóng mang (PWM) dựa trên kỹ thuật level shifted carrier PWM (LS CPWM) với hàm offset thích hợp, nhằm giới hạn điện áp common-mode trong phạm vi thấp nhất [-E/3, 0, E/3]. Nghiên cứu được thực hiện trong phạm vi thời gian từ 2012 đến 2013 tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG TP. Hồ Chí Minh, với mô hình mô phỏng Matlab/Simulink và mô hình thực nghiệm công suất 3kVA sử dụng vi điều khiển DSP TMS320F2812.

Ý nghĩa của nghiên cứu thể hiện rõ trong việc nâng cao độ tin cậy và tuổi thọ thiết bị truyền động, đồng thời góp phần phát triển các hệ thống năng lượng tái tạo tại Việt Nam, nơi có tiềm năng lớn nhưng còn hạn chế về công nghệ biến tần đa bậc. Kết quả nghiên cứu có thể ứng dụng trực tiếp trong các hệ thống truyền động động cơ AC và các thiết bị điện công suất lớn, góp phần giảm tổn hao năng lượng và cải thiện chất lượng điện năng.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên các lý thuyết và mô hình sau:

  • Cấu trúc bộ nghịch lưu đa bậc cascaded H-bridge: Bộ nghịch lưu được cấu thành từ nhiều module cầu H nối tầng, mỗi module có nguồn DC riêng biệt, tạo ra điện áp ngõ ra dạng bậc thang với số bậc là $2n+1$. Cấu trúc này giúp giảm điện áp đặt lên linh kiện, giảm tổn hao và tăng độ tin cậy hệ thống.

  • Điện áp common-mode (CMV): Được định nghĩa là điện áp chênh lệch giữa trung tính tải và trung tính nguồn, là nguyên nhân chính gây ra dòng rò rỉ và mòn ổ bi trong động cơ. CMV được tính theo công thức: $$ V_{ON} = \frac{v_{AN} + v_{BN} + v_{CN}}{3} $$ với các mức điện áp common-mode được giới hạn trong khoảng [-E/3, 0, E/3] nhằm giảm thiểu tác động tiêu cực.

  • Kỹ thuật điều chế độ rộng xung sóng mang (PWM): Bao gồm các phương pháp như Carrier PWM (CPWM), Space Vector PWM (SVPWM), và Selective Harmonic Elimination PWM (SHE-PWM). Luận văn tập trung vào kỹ thuật LS CPWM với hàm offset để điều khiển điện áp common-mode, đặc biệt là phương pháp Phase Disposition PWM (PD PWM).

  • Giải thuật giảm điện áp common-mode: Dựa trên việc lựa chọn các tổ hợp trạng thái chuyển mạch có điện áp common-mode thấp, giới hạn trong 3 giá trị nhỏ nhất, đồng thời xử lý cả vùng điều chế tuyến tính và vùng quá điều chế.

Phương pháp nghiên cứu

  • Nguồn dữ liệu: Nghiên cứu sử dụng dữ liệu mô phỏng từ phần mềm Matlab/Simulink phiên bản R2011b và dữ liệu thực nghiệm từ mô hình biến tần cascaded 3kVA tại phòng thí nghiệm Hệ Thống Năng Lượng, Trường Đại học Bách Khoa TP. Hồ Chí Minh.

  • Phương pháp phân tích: Phân tích lý thuyết cấu trúc bộ nghịch lưu cascaded 5 bậc, 7 bậc và 9 bậc lai; xây dựng giải thuật điều khiển giảm điện áp common-mode dựa trên kỹ thuật LS CPWM; mô phỏng trên Matlab/Simulink để kiểm tra độ chính xác; thực nghiệm trên mô hình thực tế để đánh giá tính khả thi.

  • Cỡ mẫu và chọn mẫu: Mô hình thực nghiệm gồm bộ nghịch lưu 3 pha với 2 module cầu H nối tầng mỗi pha, công suất 3kVA, sử dụng linh kiện IGBT STGW40N120K. Vi điều khiển DSP TMS320F2812 được chọn do khả năng xử lý nhanh và hỗ trợ PWM đa kênh.

  • Timeline nghiên cứu: Nghiên cứu được thực hiện trong khoảng thời gian từ tháng 7/2012 đến tháng 6/2013, bao gồm các giai đoạn: khảo sát lý thuyết, xây dựng mô hình mô phỏng, thiết kế và lắp đặt mô hình thực nghiệm, thu thập và phân tích kết quả.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Giảm điện áp common-mode hiệu quả trên bộ nghịch lưu 5 bậc: Giải thuật LS CPWM với hàm offset giới hạn điện áp common-mode trong khoảng [-E/3, 0, E/3], giảm đáng kể dòng rò rỉ và tổn hao thiết bị. Mô phỏng cho thấy điện áp common-mode được duy trì trong giới hạn này với chỉ số điều chế m ≤ 1.023, so với mức dao động ±2E/3 khi không áp dụng giải thuật.

  2. Mở rộng giải thuật cho bộ nghịch lưu lai 7 bậc và 9 bậc: Giải thuật được điều chỉnh phù hợp với cấu trúc lai, giới hạn điện áp common-mode trong phạm vi tương tự. Ở bộ nghịch lưu 7 bậc, giới hạn vùng điều chế là m = 0.9931, và ở 9 bậc là m = 0.9732, cho thấy hiệu quả giảm CMV vẫn được duy trì khi tăng số bậc.

  3. Mô hình mô phỏng và thực nghiệm khớp nhau: Mô hình Matlab/Simulink với các tham số tải R=160Ω, L=200mH, tần số sóng mang 5kHz, tần số ngõ ra 50Hz cho kết quả điện áp và dòng tải có độ méo dạng thấp, sóng hài bậc cao giảm rõ rệt. Mô hình thực nghiệm 3kVA sử dụng IGBT STGW40N120K và DSP TMS320F2812 xác nhận tính khả thi của giải thuật với điện áp common-mode được giới hạn trong khoảng [-E/3, E/3].

  4. Giới hạn vùng điều chế giảm điện áp common-mode: Vùng điều chế tuyến tính được chia thành hai vùng, vùng đầu tiên giữ quy luật 3 vector gần nhất, vùng thứ hai mở rộng đến giới hạn vùng giảm CMV. Vùng quá điều chế được xử lý bằng giải thuật hiệu chỉnh hàm trạng thái chuyển mạch, đảm bảo điện áp common-mode không vượt quá giới hạn.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của việc giảm điện áp common-mode là do giải thuật điều khiển lựa chọn các tổ hợp trạng thái chuyển mạch có điện áp common-mode thấp, đồng thời sử dụng hàm offset thích hợp trong kỹ thuật LS CPWM. So với các nghiên cứu trước đây, giải thuật này đơn giản hơn, không cần bảng tra phức tạp, giảm tải tính toán cho vi điều khiển, phù hợp với các bộ nghịch lưu đa bậc và lai.

Kết quả mô phỏng và thực nghiệm cho thấy sự phù hợp cao, minh chứng cho tính khả thi và hiệu quả của giải thuật trong thực tế. Việc giới hạn điện áp common-mode trong phạm vi nhỏ giúp giảm dòng rò rỉ, tăng tuổi thọ động cơ và giảm nhiễu điện từ, điều này rất quan trọng trong các ứng dụng truyền động và năng lượng tái tạo.

Biểu đồ điện áp common-mode theo thời gian và phân tích FFT dòng tải có thể được trình bày để minh họa sự giảm sóng hài và dao động điện áp, giúp người đọc dễ dàng hình dung hiệu quả của giải thuật.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Triển khai giải thuật điều khiển giảm điện áp common-mode trên các biến tần công suất lớn: Áp dụng giải thuật LS CPWM với hàm offset cho các biến tần cascaded đa bậc trong hệ thống truyền động công nghiệp, nhằm giảm tổn hao và tăng tuổi thọ thiết bị. Thời gian thực hiện: 12-18 tháng, chủ thể: các nhà sản xuất biến tần và trung tâm nghiên cứu.

  2. Phát triển phần mềm mô phỏng và công cụ hỗ trợ lập trình vi điều khiển: Tạo bộ công cụ tích hợp mô phỏng và lập trình giải thuật giảm CMV, giúp kỹ sư dễ dàng thiết kế và tối ưu hóa biến tần đa bậc. Thời gian: 6-12 tháng, chủ thể: các viện nghiên cứu và doanh nghiệp phần mềm.

  3. Nâng cao nghiên cứu mở rộng cho các cấu trúc nghịch lưu khác: Áp dụng và điều chỉnh giải thuật cho các bộ nghịch lưu NPC, FC inverter và hybrid, nhằm đa dạng hóa ứng dụng trong các hệ thống năng lượng tái tạo và truyền động. Thời gian: 12 tháng, chủ thể: các nhóm nghiên cứu và trường đại học.

  4. Tăng cường đào tạo và chuyển giao công nghệ: Tổ chức các khóa đào tạo chuyên sâu về kỹ thuật điều khiển biến tần đa bậc và giảm điện áp common-mode cho kỹ sư và sinh viên, góp phần nâng cao năng lực công nghiệp trong nước. Thời gian: liên tục, chủ thể: các trường đại học và trung tâm đào tạo.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Kỹ sư thiết kế biến tần và hệ thống truyền động: Nghiên cứu cung cấp giải thuật điều khiển giảm điện áp common-mode hiệu quả, giúp cải thiện chất lượng sản phẩm và tăng tuổi thọ thiết bị.

  2. Nhà nghiên cứu và giảng viên trong lĩnh vực điện công nghiệp và điều khiển tự động: Luận văn là tài liệu tham khảo quý giá về lý thuyết và thực nghiệm trong điều khiển biến tần đa bậc, hỗ trợ phát triển nghiên cứu chuyên sâu.

  3. Doanh nghiệp sản xuất thiết bị điện và năng lượng tái tạo: Áp dụng giải thuật để nâng cao hiệu suất và độ tin cậy của các sản phẩm biến tần, đáp ứng yêu cầu thị trường trong nước và quốc tế.

  4. Sinh viên cao học và nghiên cứu sinh chuyên ngành Thiết bị, Mạng và Nhà máy điện: Tài liệu giúp hiểu rõ các kỹ thuật điều khiển biến tần đa bậc, phương pháp giảm điện áp common-mode và cách xây dựng mô hình thực nghiệm.

Câu hỏi thường gặp

  1. Điện áp common-mode là gì và tại sao cần giảm?
    Điện áp common-mode là điện áp chênh lệch giữa trung tính tải và trung tính nguồn, gây ra dòng rò rỉ và mòn ổ bi trong động cơ. Giảm CMV giúp tăng tuổi thọ thiết bị và giảm nhiễu điện từ.

  2. Giải thuật LS CPWM có ưu điểm gì so với các phương pháp khác?
    LS CPWM đơn giản, dễ lập trình, giảm tải tính toán cho vi điều khiển, đồng thời hiệu quả trong việc giới hạn điện áp common-mode trong phạm vi nhỏ nhất.

  3. Giải thuật có áp dụng được cho các bộ nghịch lưu có số bậc cao hơn không?
    Có, giải thuật được mở rộng thành công cho bộ nghịch lưu lai 7 bậc và 9 bậc, với hiệu quả giảm CMV tương tự.

  4. Mô hình thực nghiệm sử dụng linh kiện nào và công suất bao nhiêu?
    Mô hình thực nghiệm sử dụng IGBT STGW40N120K, công suất 3kVA, điều khiển bằng vi điều khiển DSP TMS320F2812.

  5. Giải thuật có thể ứng dụng trong lĩnh vực nào ngoài truyền động?
    Ngoài truyền động, giải thuật phù hợp cho các hệ thống năng lượng tái tạo, bộ lọc tích cực, thiết bị FACTS và các ứng dụng công suất lớn khác.

Kết luận

  • Phát triển thành công giải thuật điều khiển giảm điện áp common-mode dựa trên kỹ thuật LS CPWM với hàm offset, giới hạn điện áp CMV trong khoảng [-E/3, 0, E/3].
  • Giải thuật áp dụng hiệu quả cho bộ nghịch lưu cascaded 5 bậc, mở rộng thành công cho bộ nghịch lưu lai 7 bậc và 9 bậc.
  • Mô hình mô phỏng Matlab/Simulink và mô hình thực nghiệm 3kVA chứng minh tính khả thi và hiệu quả của giải thuật.
  • Giải thuật đơn giản, tiết kiệm tài nguyên vi xử lý, phù hợp cho các ứng dụng công nghiệp và năng lượng tái tạo.
  • Đề xuất triển khai ứng dụng thực tế, phát triển công cụ hỗ trợ và đào tạo chuyên sâu để nâng cao năng lực công nghệ trong nước.

Hành động tiếp theo: Các nhà nghiên cứu và kỹ sư nên áp dụng giải thuật vào thiết kế biến tần thực tế, đồng thời phát triển thêm các nghiên cứu mở rộng cho các cấu trúc nghịch lưu khác nhằm nâng cao hiệu quả và tính ứng dụng.