I. Tổng quan về biến tần đa bậc cascaded và điện áp Common mode
Bộ biến tần đa bậc cascaded đang ngày càng được ứng dụng rộng rãi nhờ khả năng đáp ứng yêu cầu về công suất và chất lượng điện năng. Cấu trúc này cho phép sử dụng các nguồn DC riêng biệt, phù hợp cho các ứng dụng năng lượng tái tạo và truyền động công nghiệp. Tuy nhiên, một vấn đề quan trọng cần giải quyết là sự xuất hiện của điện áp common-mode (CMV). Điện áp common-mode có thể gây ra dòng rò rỉ, nhiễu điện từ (EMI), và giảm tuổi thọ của động cơ. Việc nghiên cứu và phát triển các giải pháp điều khiển nhằm giảm điện áp common-mode là vô cùng cần thiết để nâng cao hiệu suất và độ tin cậy của hệ thống. Theo nghiên cứu của Nguyễn Lê Huy Bằng, "Bộ nghịch lưu cascaded đa bậc và đa bậc lai với kỹ thuật sóng mang LS CPWM được chọn để nghiên cứu vốn được nghiên cứu ứng dụng rất nhiều trong việc phát triển năng lượng tái tạo và hệ truyền động động cơ AC."
1.1. Cấu trúc và ưu điểm của biến tần đa bậc cascaded
Biến tần đa bậc cascaded (Cascaded H-bridge inverter) được xây dựng từ nhiều module cầu H nối tầng, mỗi module sử dụng một nguồn DC riêng biệt. Cấu trúc này có tính module cao, dễ dàng bảo trì và mở rộng. Điện áp đầu ra được tổng hợp từ các module, tạo ra dạng sóng gần sin hơn so với biến tần hai bậc. Ưu điểm vượt trội của biến tần đa bậc là khả năng giảm thiểu hài bậc cao, giảm điện áp đặt lên linh kiện, và phù hợp với các ứng dụng có nguồn DC phân tán như năng lượng mặt trời, năng lượng gió. Việc sử dụng nhiều nguồn DC riêng biệt giúp đơn giản hóa việc cân bằng điện áp DC so với các cấu trúc khác.
1.2. Ảnh hưởng của điện áp common mode trong biến tần
Điện áp common-mode (Điện áp chế độ chung) là thành phần điện áp có cùng pha và biên độ giữa các pha so với điểm trung tính của nguồn hoặc tải. Trong các hệ thống biến tần, điện áp common-mode có thể gây ra nhiều vấn đề như dòng rò, nhiễu điện từ, và mài mòn ổ trục động cơ. EMI (Electromagnetic Interference) phát sinh từ điện áp common-mode có thể ảnh hưởng đến các thiết bị điện tử khác trong hệ thống. Do đó, việc giảm thiểu điện áp common-mode là một yêu cầu quan trọng trong thiết kế và điều khiển biến tần, đặc biệt là trong các ứng dụng nhạy cảm với nhiễu và độ tin cậy cao.
II. Thách thức từ điện áp Common mode ở biến tần đa bậc
Mặc dù biến tần đa bậc cascaded mang lại nhiều ưu điểm, việc kiểm soát điện áp common-mode vẫn là một thách thức lớn. Các phương pháp điều chế truyền thống thường tạo ra điện áp common-mode với biên độ lớn và tần số cao. Điều này đòi hỏi các giải pháp điều khiển phức tạp hơn để giảm thiểu ảnh hưởng tiêu cực. Việc thiết kế bộ lọc common-mode cũng trở nên khó khăn hơn khi tần số của điện áp common-mode thay đổi theo điều kiện hoạt động. Các nghiên cứu gần đây tập trung vào việc phát triển các kỹ thuật điều chế và điều khiển bù common-mode mới để giải quyết vấn đề này một cách hiệu quả.
2.1. Các yếu tố ảnh hưởng đến điện áp common mode
Nhiều yếu tố có thể ảnh hưởng đến biên độ và tần số của điện áp common-mode trong biến tần đa bậc. Trong đó bao gồm topology của biến tần, phương pháp điều chế (điều chế PWM), đặc tính của tải, và sự không cân bằng trong mạch lực. Sự không đối xứng trong cấu trúc biến tần hoặc các sai số trong quá trình điều khiển có thể làm tăng điện áp common-mode. Hơn nữa, đặc tính phi tuyến của linh kiện bán dẫn cũng có thể tạo ra các thành phần hài bậc cao trong điện áp common-mode.
2.2. Hậu quả của điện áp common mode không được kiểm soát
Nếu điện áp common-mode không được kiểm soát, nó có thể dẫn đến nhiều hậu quả nghiêm trọng. Dòng rò qua đất có thể gây nguy hiểm cho người sử dụng và làm giảm hiệu suất của hệ thống. EMI có thể làm gián đoạn hoạt động của các thiết bị điện tử khác. Trong các ứng dụng truyền động động cơ, điện áp common-mode có thể gây ra dòng điện qua ổ trục, dẫn đến mài mòn và hỏng hóc sớm. Do đó, việc phát triển các giải pháp giảm điện áp common-mode là rất quan trọng để đảm bảo an toàn, hiệu suất, và độ tin cậy của hệ thống.
III. Cách điều chế PWM giảm điện áp Common mode cho biến tần
Một trong những giải pháp phần mềm phổ biến nhất để giảm điện áp common-mode là sử dụng các kỹ thuật điều chế PWM đặc biệt. Các kỹ thuật này được thiết kế để chọn các vector điện áp sao cho điện áp common-mode được giữ ở mức thấp nhất hoặc bằng không. Điều khiển vector cũng được sử dụng để tối ưu hóa quá trình chuyển mạch và giảm thiểu điện áp common-mode. Ưu điểm của các giải pháp phần mềm là không cần thay đổi cấu trúc phần cứng của biến tần, giúp giảm chi phí và độ phức tạp.
3.1. Điều chế PWM sóng mang dịch mức Level Shifted PWM
Kỹ thuật điều chế PWM sóng mang dịch mức (Level Shifted Carrier PWM ) là một phương pháp hiệu quả để tạo ra điện áp nhiều mức trong biến tần đa bậc. Bằng cách sử dụng nhiều sóng mang tam giác dịch mức, kỹ thuật này cho phép tạo ra các xung điều khiển với độ rộng thay đổi, từ đó điều khiển điện áp đầu ra. Ưu điểm của LS-PWM là đơn giản, dễ thực hiện, và có thể giảm thiểu hài bậc thấp. Theo luận văn, "Kỹ thuật điều chế độ rộng xung PWM là kỹ thuật chủ yếu để điều khiển các bộ nghịch lưu. Các nghiên cứu về thuật toán điều khiển các bộ nghịch lưu chủ yếu xoay quanh kỹ thuật điều rộng xung sóng mang (CPWM) và kỹ thuật điều rộng xung vector không gian (SVPWM)."
3.2. Điều chế Vector không gian với điện áp Common mode tối thiểu
Kỹ thuật điều chế vector không gian (điều khiển vector) (SVPWM) là một phương pháp điều khiển cao cấp hơn, cho phép tối ưu hóa quá trình chuyển mạch và giảm thiểu điện áp common-mode. SVPWM sử dụng giản đồ vector không gian để chọn các vector điện áp phù hợp, đảm bảo điện áp đầu ra có dạng sóng tốt nhất và điện áp common-mode thấp nhất. Tuy nhiên, việc tính toán thời gian chuyển mạch trong SVPWM có thể phức tạp hơn so với LS-PWM, đặc biệt là trong các biến tần đa bậc lai.
IV. Giải pháp phần cứng để loại bỏ điện áp Common mode hiệu quả
Ngoài các giải pháp phần mềm, các giải pháp phần cứng cũng đóng vai trò quan trọng trong việc giảm điện áp common-mode. Sử dụng bộ lọc common-mode là một phương pháp hiệu quả để loại bỏ các thành phần tần số cao của điện áp common-mode. Thiết kế tối ưu biến áp cách ly và sử dụng các linh kiện có đặc tính EMC (Electromagnetic Compatibility) tốt cũng góp phần giảm thiểu EMI và cải thiện khả năng tương thích điện từ của hệ thống. Tuy nhiên, các giải pháp phần cứng có thể làm tăng chi phí và kích thước của hệ thống.
4.1. Sử dụng bộ lọc Common mode để loại bỏ nhiễu điện từ EMI
Bộ lọc common-mode là một thành phần quan trọng trong việc giảm điện áp common-mode và EMI. Bộ lọc này được thiết kế để chặn các dòng điện common-mode trong khi cho phép các dòng điện vi sai đi qua. Bộ lọc common-mode thường bao gồm các cuộn cảm và tụ điện được cấu hình đặc biệt để tạo ra trở kháng cao đối với các tín hiệu common-mode. Việc lựa chọn và thiết kế bộ lọc common-mode phù hợp là rất quan trọng để đảm bảo hiệu quả giảm nhiễu và không ảnh hưởng đến hiệu suất của hệ thống.
4.2. Thiết kế biến áp cách ly để cải thiện độ an toàn và EMC
Biến áp cách ly là một giải pháp phần cứng hiệu quả để ngăn chặn điện áp common-mode lan truyền từ nguồn đến tải. Biến áp cách ly cung cấp một hàng rào điện giữa hai mạch, ngăn chặn dòng điện trực tiếp và chỉ cho phép năng lượng truyền qua từ trường. Thiết kế tối ưu biến áp cách ly có thể cải thiện đáng kể độ an toàn của hệ thống và giảm thiểu EMI. Tuy nhiên, việc sử dụng biến áp cách ly có thể làm tăng kích thước, trọng lượng, và chi phí của hệ thống.
V. Ứng dụng thực tiễn Giảm Common mode ở biến tần trung và cao áp
Các kỹ thuật giảm điện áp common-mode có nhiều ứng dụng quan trọng trong thực tế, đặc biệt là trong các hệ thống biến tần trung áp và biến tần cao áp. Trong các ứng dụng này, điện áp common-mode có thể gây ra những vấn đề nghiêm trọng do điện áp cao và công suất lớn. Việc áp dụng các giải pháp phần mềm và phần cứng để giảm điện áp common-mode giúp cải thiện độ tin cậy, hiệu suất, và tuổi thọ của hệ thống. Đặc biệt quan trọng trong các ứng dụng điều khiển động cơ công suất lớn và năng lượng tái tạo.
5.1. Giảm điện áp Common mode trong hệ thống truyền động điện công nghiệp
Trong các hệ thống truyền động điện công nghiệp, điện áp common-mode có thể gây ra dòng điện qua ổ trục động cơ, dẫn đến mài mòn và hỏng hóc sớm. Việc áp dụng các kỹ thuật giảm điện áp common-mode giúp bảo vệ động cơ và kéo dài tuổi thọ. Các kỹ thuật này cũng giúp giảm thiểu EMI, đảm bảo hoạt động ổn định của các thiết bị điện tử khác trong nhà máy. Sử dụng giải pháp phần mềm kết hợp với giải pháp phần cứng là một lựa chọn tối ưu để giải quyết vấn đề này.
5.2. Tối ưu EMC trong hệ thống năng lượng tái tạo hòa lưới
Trong các hệ thống năng lượng tái tạo hòa lưới, điện áp common-mode có thể gây ra các vấn đề về EMC và ảnh hưởng đến chất lượng điện năng. Việc áp dụng các kỹ thuật giảm điện áp common-mode giúp đảm bảo hệ thống đáp ứng các tiêu chuẩn về EMC và cung cấp điện năng sạch cho lưới điện. Việc sử dụng bộ lọc common-mode và thiết kế tối ưu biến áp cách ly là các biện pháp quan trọng để đạt được mục tiêu này.
VI. Kết luận và hướng nghiên cứu tương lai về giảm điện áp CMV
Bài toán điều khiển giảm điện áp common-mode cho biến tần đa bậc cascaded là một lĩnh vực nghiên cứu quan trọng và đầy thách thức. Các kỹ thuật điều chế PWM, điều khiển vector, và các giải pháp phần cứng như bộ lọc common-mode và biến áp cách ly đã được phát triển để giải quyết vấn đề này. Trong tương lai, các nghiên cứu sẽ tập trung vào việc phát triển các kỹ thuật điều khiển thông minh và linh hoạt hơn, có khả năng thích ứng với các điều kiện hoạt động khác nhau và giảm thiểu điện áp common-mode một cách hiệu quả. Nghiên cứu của Nguyễn Lê Huy Bằng cũng chỉ ra hướng nghiên cứu tương lai liên quan đến kỹ thuật điều khiển bộ biến tần trong các ứng dụng năng lượng tái tạo và các hệ truyền động.
6.1. Tóm tắt các phương pháp hiệu quả hiện nay
Hiện nay, các phương pháp hiệu quả để giảm điện áp common-mode bao gồm sử dụng các kỹ thuật điều chế PWM đặc biệt, điều khiển vector với điện áp common-mode tối thiểu, sử dụng bộ lọc common-mode, và thiết kế tối ưu biến áp cách ly. Mỗi phương pháp có những ưu điểm và nhược điểm riêng, và việc lựa chọn phương pháp phù hợp phụ thuộc vào yêu cầu cụ thể của ứng dụng.
6.2. Hướng phát triển giải pháp giảm điện áp Common mode
Trong tương lai, hướng phát triển của các giải pháp giảm điện áp common-mode sẽ tập trung vào việc phát triển các kỹ thuật điều khiển thông minh và linh hoạt hơn, có khả năng thích ứng với các điều kiện hoạt động khác nhau. Các kỹ thuật này sẽ sử dụng các thuật toán tối ưu hóa và học máy để điều chỉnh các tham số điều khiển và giảm thiểu điện áp common-mode một cách hiệu quả. Ngoài ra, việc nghiên cứu các vật liệu mới và thiết kế linh kiện tiên tiến cũng sẽ góp phần cải thiện hiệu quả của các giải pháp phần cứng.
