Điều khiển giảm điện áp common-mode cho biến tần đa bậc cascaded

Luận văn thạc sĩ nghiên cứu thiết bị mạng và nhà máy điện điều khiển giảm điện áp common mode cho biến tần đa bậc cascaded, đánh giá hiện trạng, phân tích vấn đề, đề xuất biện

• Tác giả: Nguyễn Lê Huy Bằng
• Người hướng dẫn: PGS.TS Nguyễn Văn Nhờ
• Trường học: Đại học Bách Khoa - ĐHQG TP. HCM
• Chuyên ngành: Thiết bị, Mạng và Nhà máy điện
• Đề tài: Điều khiển giảm điện áp common-mode cho biến tần đa bậc cascaded
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2013
• Địa điểm: TP. Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI CẢM ƠN
• TÓM TẮT LUẬN VĂN
• LỜI CAM ĐOAN
• 1. CHƯƠNG 1: MỞ ĐẦU
• 1.1. Giới thiệu tổng quan
• 1.2. Ý nghĩa và tính cấp thiết của đề tài
• 1.3. Đối tượng và mục tiêu của đề tài
• 1.4. Phác thảo nội dung luận văn
• 2. CHƯƠNG 2: CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHẾ ĐỘ RỘNG XUNG SÓNG MANG VÀ BÀI TOÁN ĐIỆN ÁP COMMON-MODE
• 2.1. Cấu trúc bộ nghịch lưu đa bậc cầu H nối tầng
• 2.2. Phương pháp điều khiển Carrier PWM
• 2.3. Giải tích bộ nghịch lưu H-bridge cascaded 5 bậc
• 2.3.1. Điện áp Common-mode và kỹ thuật giảm điện áp common-mode
• 2.3.2. Các công trình liên quan
• 3. CHƯƠNG 3: KỸ THUẬT GIẢM ĐIỆN ÁP COMMON-MODE CHO BỘ NGHỊCH LƯU CẦU H NỐI TẦNG 5 BẬC
• 3.1. Điện áp common-mode trên bộ nghịch lưu cầu H nối tầng 5 bậc
• 3.2. Giải thuật giảm điện áp common-mode và các phạm vi
• 3.3. Xây dựng giải thuật giảm điện áp common-mode trên cơ sở kỹ thuật điều chế độ rộng xung sóng mang cùng pha dịch mức (PD PWM)
• 4. CHƯƠNG 4: BỘ NGHỊCH LƯU LAI CẦU H NỐI TẦNG 7 BẬC VÀ 9 BẬC
• 4.1. Bộ nghịch lưu cầu H nối tầng 7 bậc lai
• 4.2. Bộ nghịch lưu cầu H nối tầng 9 bậc lai
• 5. CHƯƠNG 5: MÔ HÌNH MÔ PHỎNG, THỰC NGHIỆM VÀ CÁC KẾT QUẢ
• 5.1. Mô hình mô phỏng
• 5.2. Các tham số của mô hình mô phỏng
• 5.3. Mô hình thực nghiệm
• 5.3.1. Sơ đồ chung của hệ thống
• 5.3.2. Mạch nghịch lưu 2 module cầu H nối tầng
• 5.3.3. Mạch tạo deadtime và kích lái
• 5.3.4. Mạch điều khiển và đệm, đảo
• 5.4. Kết quả đạt được của bộ nghịch lưu 5 bậc
• 5.5. Kết quả đạt được của bộ nghịch lưu lai 7 bậc
• 5.6. Kết quả đạt được của bộ nghịch lưu lai 9 bậc
• 6. CHƯƠNG 6: THẢO LUẬN VÀ HƯỚNG NGHIÊN CỨU TƯƠNG LAI
• 6.1. Hướng nghiên cứu tương lai
• TÀI LIỆU THAM KHẢO
• LÝ LỊCH KHOA HỌC

Tóm tắt

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.

Nội dung chính

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.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1: "Tổng quan" : Giới thiệu tổng quan về đề tài, ý nghĩa và tính cấp thiết của đề tài. Đưa ra đối tượng nghiên cứu và mục tiêu của đề tài. Phác thảo toàn bộ nội dung luận văn. Chương 2: "Các phương pháp điều chế độ rộng xung và điện áp common-mode." Nghiên cứu, khảo sát các phương pháp điều chế độ rộng xung sóng mang cho bộ nghịch lưu đa bậc dạng nối tầng.

Phân tích bài toán giảm điện áp common-mode. Các công bố liên quan và những kết quả đã đạt được. Chương 3:"Kỹ thuật giảm điện áp common-mode cho bộ nghịch lưu cầu H nối tầng 5 bậc": Giải tích bộ nghịch lưu nối tầng 5 bậc, đưa ra giải thuật giảm điện áp common-mode trên cơ sở kỹ thuật điều chế độ rộng xung sóng mang. Phân tích giải thuật ở các vùng điều chế, đưa ra phương pháp giải quyết ở vùng quá điều chế.

Chương 4: "Bộ nghịch lưu lai nối tầng 7 và 9 bậc": Đưa ra cấu trúc bộ nghịch lưu lai nối tầng 7 và 9 bậc, giải tích cấu hình và phương pháp điều chế độ rộng xung lai. Mở rộng giải thuật giảm điện áp common-mode vào hai bộ nghịch lưu lai này. Phân tích các phạm vi điều chế và kết luận về hướng mở rộng của giải thuật giảm điện áp common-mode cho các bộ nghịch lưu có số bậc cao hơn. Chương 5: "Mô hình mô phỏng và thực nghiệm và các kết quả": Đưa ra mô hình mô phỏng từ đó xây dựng mô hình thực nghiệm và trình bày các kết quả đạt được.

Chương 6: "Thảo luận và hướng nghiên cứu tương lai" SVTH: Nguyễn Lê Huy Bằng Trang 4 Chương 2 GVHD: PGS.TS Nguyễn Văn Nhờ Chương 2: CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHẾ ĐỘ RỘNG XUNG SÓNG MANG VÀ BÀI TOÁN ĐIỆN ÁP COMMON-MODE.1 Cấu trúc bộ nghịch lưu đa bậc cầu H nối tầng. Bộ nghịch lưu đa bậc cầu H nối tầng được xây dựng trên cơ sở các cầu H một pha với các nguồn DC riêng biệt được minh họa ở Hình 2. Điện áp ngõ ra được tổng hợp từ các nguồn DC thông qua việc điều khiển các cầu H. Một bộ nghịch lưu cầu H nối tầng có n module cầu H trên mỗi pha và điện áp DC trên tụ của mỗi cầu H có cùng điện áp E thì điện áp pha ngõ ra sẽ có giá trị từ -nE đến nE.như vậy bộ nghịch lưu đó sẽ có 2n+1 bậc.1: Cấu trúc của bộ nghịch lưu cầu H nối tầng 5 bậc.

Số module cầu H tăng, số bậc của bộ nghịch lưu sẽ tăng, điện áp pha ngõ ra sẽ càng gần dạng sin, độ méo dạng càng thấp. Nhưng càng tăng số module thì chi phí cho linh kiện, chi phí các bộ nguồn DC riêng biệt càng lớn nên tùy theo những ứng dụng cụ thể, cũng như cân đối các yếu tố mà người thiết kế bộ nghịch lưu có số bậc phù hợp. Cấu trúc nghịch lưu đa bậc cầu H nối tầng là cấu trúc hiệu dụng nhất cho các ứng dụng công suât vừa và lớn với nhiều ưu điểm. Đầu tiên là tính module, giúp cho cấu trúc này dễ dàng lắp đặt, thay thế và bảo trì.

Một giải pháp để tăng độ tin cậy của hệ thống dựa vào tính module này là sử dụng số module nhiều hơn cần thiết từ đó khi xảy ra sự cố hệ vẫn hoạt động bình thường trên số module còn lại. Do các linh kiện chỉ làm việc với một điện áp DC riêng biệt nên điện áp chịu trên mỗi linh kiện nhỏ hơn so với cấu trúc diode kẹp hoặc tụ kẹp. Hơn nữa do sử dụng các điện áp DC riêng biệt nên vấn đề cân bằng điện áp DC trên tụ gần như được bỏ qua. Cấu trúc nghịch lưu đa bậc cầu H nối tầng đặc biệt thích hợp cho những ứng dụng có sẵn các nguồn DC riêng biệt như kết nối pin năng lượng mặt trời, fuel cell.

hoặc những ứng dụng không sử dụng nguồn DC như các thiết bị FACTS, DSTATCOM và bộ lọc tích cực. SVTH: Nguyễn Lê Huy Bằng Trang 5 Chương 2 GVHD: PGS.TS Nguyễn Văn Nhờ 2.2 Phương pháp điều khiển Carrier PWM. Những mô hình cơ bản của kỹ thuật PWM cho bộ nghịch lưu đa bậc được xoay quanh 3 kỹ thuật cơ bản: kỹ thuật sóng mang CPWM, kỹ thuật vector không gian SVPWM và kỹ thuật triệt tiêu sóng hài lựa chọn SHE_PWM. Kỹ thuật SVPWM được sử dụng nhiều nhất trong các bộ nghịch lưu.

Nhưng khi mở rộng ra mô hình đa bậc và đa bậc lai việc xác định trạng thái chuyển mạch, tính toán thời gian chuyển mạch trở nên rờm rà và phức tạp. Kỹ thuật CPWM được thực hiện dễ dàng hơn nhờ việc giải tích điện nhánh tải thành tổng của điện áp nghịch lưu và điện áp common-mode. Các phương pháp phổ biến cho việc điều khiển biến tần đa bậc hiện nay: Hình 2.2: Các phương pháp điều khiển biến tần đa bậc. Với kỹ thuật CPWM và hàm offset sẽ tận dụng khả năng tạo ra áp tối đa của nguồn DC, trong đó có cả vấn đề quá điều chế.

Nhờ tính linh hoạt của hàm offset ta có thể cải tiến phẩm chất điện áp ngõ ra hoặc điều khiển tối ưu thiết bị. a) Sử dụng nhiều sóng mang.3: Lưu đồ giải thuật của phương pháp sóng mang. Các bước giải thuật: Bước 1: Tín hiệu điều khiển vrefa , vrefb , vrefc có dạng sin sẽ được so sánh với các sóng mang để tạo ra các xung kích đóng ngắt khóa. SVTH: Nguyễn Lê Huy Bằng Trang 6 Chương 2 GVHD: PGS.TS Nguyễn Văn Nhờ Hình 2.4: Xung đóng ngắt theo kỹ thuật nhiều sóng mang.

Số lượng sóng mang = số bậc của bộ nghịch lưu -1.  Highm(vref > Ci ) Xung đóng ngắt được tạo ra theo quy luật Si =   Lowm(vref < Ci ) n −1 và vrefj = Vdc ∑ Si. i =1 Bước 2: Bộ điều khiển sẽ tạo ra xung đóng ngắt theo giải thuật trên sau đó đưa vào mạch công suất thông qua mạch lái và mạch tạo xung đối nghịch để kích cho các khóa Si và S i'. b) Sử dụng 1 sóng mang chuẩn.5: Lưu đồ giải thuật của phương pháp sóng mang chuẩn.

Dựa vào cơ sở nhiều sóng mang, ta tách tín hiệu điều khiển thành 2 phần: Phần nguyên, phần lẻ. Phần nguyên để chọn trạng thái chuyển mạch từ mức nào sang mức nào. Còn phần lẻ để so sánh sóng mang tạo xung đóng ngắt cho trạng thái chuyển mạch. SVTH: Nguyễn Lê Huy Bằng Trang 7 Chương 2 GVHD: PGS.TS Nguyễn Văn Nhờ Hình 2.6: Xung đóng ngắt theo giải thuật sóng mang chuẩn.

Mục đích của phương pháp: Phương pháp này cho kết quả tương đương như phương pháp nhiều sóng mang. Nhờ việc tách rời 2 thành phần: phần nguyên và phần lẻ ta có thể xử lý linh hoạt sóng điều khiển, lập trình trên vi điều khiển cũng đơn giản hơn. c) Phương pháp điều chế tối ưu tần số chuyển mạch (SFO PWM) Phương pháp này sử dụng một điện áp offset trung bình để cộng vào điện áp nghịch lưu tham chiếu với lưu đồ giải thuật của phương pháp như sau: Hình 2.7: Lưu đồ giải thuật của phương pháp SFO PWM. Các bước thực hiện: Bước 1: Tìm giá trị max, min của Uti (với i = A, B, C và Uti là các điện áp điều khiển khi chưa cộng offset ).

Bước 2: Tìm điện áp offset Vo : vo max + vo min vo = 2 n −1 n −1 Trong đó vo = − max và vo = − − min với n là số bậc của bộ 2 2 nghịch lưu max=max(Uti, i = A,B,C); min=min(Uti, i = A,B,C) Bước 3: cộng giá trị offset vo vào điện áp điều khiển ban đầu Uti để tạo ra điện áp điều khiển mới Udki (như Hình 2. Sau khi tạo Udki mới ta có thể sử dụng SVTH: Nguyễn Lê Huy Bằng Trang 8 Chương 2 GVHD: PGS.TS Nguyễn Văn Nhờ phương pháp sóng mang thông thường hay sóng mang chuẩn để tạo xung đóng ngắt khóa.8: Điện áp điều khiển và xung đóng ngắt ở phương pháp SFO PWM. Trong phương pháp sóng mang cho biến tần đa bậc, ta có thể thấy biên độ tối đa
೏ điện áp ngõ ra với tín hiệu điều khiển có dạng Sin có giá trị là , trong khi đó cấu 
hình biến tần đa bậc cho phép ta điều khiển tuyến tính điệp áp ngõ ra Sin tối đa là ೏ , √ do vậy ta sử dụng phương pháp common mode trung bình để nâng biên độ điện áp qua cộng hàm offset vào các tín hiệu điều khiển. Phương pháp này sẽ cho kết quả điện áp ngõ ra tương đương phương pháp Space vector PWM [8].

d) Các biến đổi của điều chế nhiều sóng mang dịch mức. Trong phương pháp điều chế nhiều sóng mang dịch mức tùy theo vị trí của các sóng mang mà ta sẽ có những phương pháp điều chế biến đổi khác nhau. Tất cả sóng mang cùng pha ta sẽ có phương pháp Phase Disposition PWM (PD PWM) minh họa ở Hình 2.10, các sóng mang đối xứng nhau qua trục thời gian ta sẽ có phương pháp Phase Opposition Disposition PWM (POD PWM) minh họa ở Hình 2.11 , các sóng mang có pha đối xứng xen kẽ ta sẽ có phương pháp Alternate Phase Opposition Disposition PWM (APOD PWM) minh họa ở Hình 2.9: Giản đồ phương pháp APOD SVTH: Nguyễn Lê Huy Bằng Trang 9 Chương 2 GVHD: PGS.TS Nguyễn Văn Nhờ ` .10: Giản đồ phương pháp PD Hình 2.11: Giản đồ phương pháp POD Trong luận văn này ta xây dựng giải thuật giảm điện áp common-mode trên cơ sở phương pháp PD PWM.3 Giải tích bộ nghịch lưu H-bridge cascaded 5 bậc. Xét một pha bộ biến tần 5 bậc H-bridge cascaded inverter như Hình 2.1, các điện áp ngõ ra của các module cầu H và điện áp pha ngõ ra phụ thuộc vào trạng thái đóng ngắt của các khóa được phân tích theo bảng ở dưới.

vAN vH 1 vH 2 S11 S 21 S12 S 22 Note 2E E E 1 1 1 1 x1 E 0 1 1 1 0 E 0 1 1 0 1 E x4 0 E 1 0 1 1 0 E 0 1 1 1 E -E 1 1 0 0 0 0 1 0 1 0 0 0 1 0 0 1 0 x6 0 0 0 1 1 0 0 0 0 1 0 1 -E E 0 0 1 1 0 -E 1 0 0 0 0 -E 0 1 0 0 -E x4 -E 0 0 0 1 0 -E 0 0 0 0 1 -2E -E -E 0 0 0 0 x1 SVTH: Nguyễn Lê Huy Bằng Trang 10 Chương 2 GVHD: PGS.