Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh phát triển mạnh mẽ của khoa học kỹ thuật và công nghệ, lĩnh vực Điện - Điện tử ngày càng đóng vai trò quan trọng trong việc chuyển đổi và điều khiển nguồn điện. Bộ nghịch lưu 3 pha 5 bậc Cascade là một trong những cấu trúc nghịch lưu đa bậc được ứng dụng rộng rãi trong biến đổi nguồn điện một chiều thành xoay chiều, đặc biệt trong các hệ thống năng lượng tái tạo như năng lượng mặt trời và gió. Tuy nhiên, một trong những thách thức lớn là tổn hao công suất do chuyển mạch linh kiện công suất, ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu suất và tuổi thọ thiết bị.

Mục tiêu nghiên cứu của luận văn là xây dựng mô hình toán học và giải thuật điều chế sóng mang giảm số lần chuyển mạch cho bộ nghịch lưu 3 pha 5 bậc Cascade, từ đó giảm tổn hao chuyển mạch, cải thiện chất lượng sóng điện áp đầu ra và giảm tổng méo dạng hài (THD). Nghiên cứu được thực hiện trong vòng 12 tháng tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh, tập trung vào việc phát triển giải thuật điều khiển hiện đại, mô phỏng và thực nghiệm trên mô hình thực tế sử dụng card DSP TMS320F28335.

Ý nghĩa của nghiên cứu được thể hiện qua việc giảm tổn hao công suất trên linh kiện IGBT, giảm THD điện áp tải xuống dưới 5%, đồng thời cung cấp cơ sở lý thuyết và công cụ thực nghiệm cho giảng dạy và nghiên cứu trong lĩnh vực nghịch lưu đa bậc. Kết quả nghiên cứu góp phần nâng cao hiệu suất hệ thống điện, giảm chi phí bảo trì và tăng độ bền cho các thiết bị điện tử công suất trong các ứng dụng công nghiệp và năng lượng tái tạo.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình sau:

  • Mô hình toán học bộ nghịch lưu 3 pha 5 bậc Cascade: Mô hình này mô tả cấu trúc gồm nhiều modul nghịch lưu áp cầu một pha ghép nối tiếp, mỗi modul có nguồn DC riêng biệt, tạo ra các mức điện áp đầu ra đa bậc (-2u, -u, 0, u, 2u). Số khóa công suất trên một pha được xác định theo công thức ( k = 2 \times (n-1) ) với ( n ) là số bậc.

  • Phương pháp điều chế độ rộng xung sin (SPWM): Kỹ thuật điều chế này so sánh sóng điều khiển dạng sin với sóng mang tam giác để tạo xung kích điều khiển đóng ngắt linh kiện. SPWM có vùng điều khiển tuyến tính với chỉ số biên độ điều chế ( m_a \leq 1 ), tuy nhiên khi vượt quá giới hạn này, sóng hài bậc cao tăng và tổn hao chuyển mạch cũng tăng theo.

  • Phương pháp điều chế độ rộng xung cải biến (MSPWM): Đây là phương pháp mở rộng vùng điều khiển tuyến tính của SPWM bằng cách cộng thêm thành phần hài bội ba (offset) vào sóng điều khiển, giúp tăng chỉ số điều chế tối đa lên đến khoảng 0.907, giảm sóng hài và cải thiện chất lượng điện áp đầu ra.

  • Các dạng sóng mang trong kỹ thuật PWM: Bao gồm APOD (Alternative Phase Opposition Disposition), PD (Phase Disposition), và POD (Phase Opposition Disposition). Luận văn sử dụng dạng sóng mang PD do tính dễ điều khiển và hiệu quả trong giảm điện áp common mode.

Phương pháp nghiên cứu

  • Nguồn dữ liệu: Dữ liệu thu thập từ mô phỏng trên phần mềm PSIM và thực nghiệm trên mô hình nghịch lưu 3 pha 5 bậc Cascade sử dụng card DSP TMS320F28335, tải RL với R=40Ω và L=0.1H.

  • Phương pháp phân tích: Xây dựng mô hình toán học và phương trình điều khiển, phát triển giải thuật điều chế sóng mang giảm số lần chuyển mạch dựa trên nguyên lý giảm tổn hao chuyển mạch bằng cách dịch chuyển điện áp điều khiển về các ngưỡng sóng mang theo trị tuyệt đối dòng tải pha. Phân tích kết quả mô phỏng và thực nghiệm qua dạng sóng điện áp, dòng điện và phân tích phổ FFT để đánh giá THD.

  • Timeline nghiên cứu: Thực hiện trong 12 tháng, bao gồm các giai đoạn xây dựng mô hình toán học, phát triển giải thuật, mô phỏng trên phần mềm, thiết kế và xây dựng mô hình thực nghiệm, kiểm chứng và đánh giá kết quả.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Giảm số lần chuyển mạch linh kiện công suất: Giải thuật điều chế sóng mang cải biến đã giảm số lần chuyển mạch của các khóa công suất trong một chu kỳ điện áp điều khiển đến khoảng 30%, giúp giảm tổn hao chuyển mạch đáng kể.

  2. Chất lượng sóng điện áp đầu ra: Điện áp nghịch lưu 3 pha 5 bậc đạt các mức điện áp -200V, -100V, 0, 100V, 200V với góc lệch pha 120°, đảm bảo sóng điện áp tải có dạng sin chuẩn.

  3. Tổng méo dạng hài (THD): Phân tích FFT cho thấy THD điện áp tải pha a đạt 2.46%, thấp hơn nhiều so với giới hạn 5% theo tiêu chuẩn Việt Nam, đồng thời THD dòng điện tải pha a chỉ 0.46%, với dòng hiệu dụng 2.24A tại tần số 50Hz.

  4. Hiệu quả mô phỏng và thực nghiệm: Kết quả mô phỏng và thực nghiệm tương đồng, chứng minh tính khả thi và hiệu quả của giải thuật đề xuất trong việc giảm tổn hao và cải thiện chất lượng điện áp.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của việc giảm tổn hao chuyển mạch là do giải thuật điều chế sóng mang cải biến tập trung giảm số lần chuyển mạch ở các pha có dòng tải lớn nhất, nơi tích điện áp và dòng điện qua khóa công suất là cao nhất. Điều này làm giảm tổn thất năng lượng do chuyển mạch, đồng thời giảm nhiệt độ và tăng tuổi thọ linh kiện IGBT.

So sánh với các nghiên cứu trước đây, giải thuật đề xuất không chỉ giảm số lần chuyển mạch mà còn duy trì hoặc cải thiện chất lượng sóng điện áp đầu ra với THD thấp hơn 5%, phù hợp với các tiêu chuẩn kỹ thuật hiện hành. Việc sử dụng card DSP TMS320F28335 cho phép nhúng giải thuật điều khiển vòng kín, tăng độ chính xác và khả năng kiểm soát hệ thống.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ dạng sóng điện áp và dòng điện 3 pha, biểu đồ phân tích phổ FFT thể hiện THD, cũng như bảng so sánh số lần chuyển mạch và tổn hao giữa các giải thuật khác nhau, giúp minh họa rõ ràng hiệu quả của giải thuật đề xuất.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Triển khai giải thuật điều chế sóng mang cải biến trên các hệ thống nghịch lưu đa bậc khác: Mở rộng áp dụng giải thuật cho các cấu hình nghịch lưu 7 bậc hoặc cao hơn nhằm nâng cao hiệu suất và giảm tổn hao trong các ứng dụng công nghiệp.

  2. Tối ưu hóa phần cứng điều khiển DSP: Nâng cấp phần cứng DSP hoặc sử dụng các vi xử lý thế hệ mới để tăng tốc độ xử lý, giảm độ trễ và nâng cao khả năng điều khiển vòng kín cho các hệ thống nghịch lưu phức tạp.

  3. Phát triển phần mềm mô phỏng tích hợp: Xây dựng phần mềm mô phỏng tích hợp giải thuật điều chế và mô hình thực nghiệm để hỗ trợ giảng dạy và nghiên cứu, giúp sinh viên và kỹ sư dễ dàng tiếp cận và áp dụng.

  4. Chuyển giao công nghệ và đào tạo kỹ thuật viên: Tổ chức các khóa đào tạo kỹ thuật viên và kỹ sư vận hành, bảo trì hệ thống nghịch lưu sử dụng giải thuật mới, đảm bảo hiệu quả vận hành và bảo trì thiết bị.

Các giải pháp trên nên được thực hiện trong vòng 1-2 năm, với sự phối hợp giữa các viện nghiên cứu, trường đại học và doanh nghiệp trong lĩnh vực điện tử công suất.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Giảng viên và sinh viên ngành Điện - Điện tử: Luận văn cung cấp cơ sở lý thuyết và mô hình thực nghiệm chi tiết, hỗ trợ giảng dạy và nghiên cứu chuyên sâu về nghịch lưu đa bậc và kỹ thuật điều chế sóng mang.

  2. Kỹ sư thiết kế và phát triển hệ thống điện tử công suất: Các kỹ sư có thể áp dụng giải thuật điều chế sóng mang cải biến để tối ưu hóa thiết kế nghịch lưu, giảm tổn hao và nâng cao hiệu suất hệ thống.

  3. Doanh nghiệp sản xuất thiết bị điện tử công suất: Tham khảo để cải tiến sản phẩm, giảm chi phí sản xuất và tăng độ bền cho linh kiện IGBT thông qua giải thuật điều khiển hiện đại.

  4. Nhà nghiên cứu và phát triển công nghệ năng lượng tái tạo: Áp dụng kết quả nghiên cứu vào các hệ thống biến đổi nguồn năng lượng mặt trời, gió, thủy điện nhằm nâng cao hiệu quả hòa lưới và giảm tổn hao năng lượng.

Câu hỏi thường gặp

  1. Giải thuật điều chế sóng mang cải biến là gì?
    Giải thuật này bổ sung thành phần bậc 3 (offset) vào sóng điều khiển để giảm số lần chuyển mạch của các khóa công suất, đặc biệt ở các pha có dòng tải lớn nhất, từ đó giảm tổn hao chuyển mạch và cải thiện hiệu suất hệ thống.

  2. Tại sao giảm số lần chuyển mạch lại quan trọng?
    Số lần chuyển mạch nhiều dẫn đến tổn hao năng lượng lớn trên linh kiện công suất, tăng nhiệt độ và giảm tuổi thọ thiết bị. Giảm số lần chuyển mạch giúp tiết kiệm năng lượng và tăng độ bền cho linh kiện.

  3. Phương pháp MSPWM khác gì so với SPWM truyền thống?
    MSPWM mở rộng vùng điều khiển tuyến tính của SPWM bằng cách cộng thêm tín hiệu hài bội ba vào sóng điều khiển, giúp tăng chỉ số điều chế tối đa và giảm sóng hài bậc cao, cải thiện chất lượng điện áp đầu ra.

  4. Kết quả THD đạt được trong nghiên cứu là bao nhiêu?
    THD điện áp tải pha a đạt 2.46%, thấp hơn nhiều so với giới hạn 5% theo tiêu chuẩn Việt Nam, đảm bảo chất lượng điện áp đầu ra phù hợp cho các ứng dụng công nghiệp.

  5. Giải thuật có thể áp dụng cho các loại nghịch lưu khác không?
    Có, giải thuật có thể được điều chỉnh và áp dụng cho các cấu hình nghịch lưu đa bậc khác như 7 bậc hoặc cao hơn, giúp nâng cao hiệu suất và giảm tổn hao trong nhiều ứng dụng khác nhau.

Kết luận

  • Đã xây dựng thành công mô hình toán học và giải thuật điều chế sóng mang giảm số lần chuyển mạch cho bộ nghịch lưu 3 pha 5 bậc Cascade.
  • Giải thuật đề xuất giảm số lần chuyển mạch khoảng 30%, giảm tổn hao chuyển mạch và cải thiện hiệu suất hệ thống.
  • Kết quả mô phỏng và thực nghiệm cho thấy THD điện áp tải đạt 2.46%, đáp ứng tiêu chuẩn kỹ thuật hiện hành.
  • Giải thuật sử dụng card DSP TMS320F28335 cho phép điều khiển vòng kín chính xác và dễ dàng kiểm soát.
  • Đề xuất mở rộng nghiên cứu và ứng dụng giải thuật cho các hệ thống nghịch lưu đa bậc khác, đồng thời phát triển phần cứng và phần mềm hỗ trợ.

Hành động tiếp theo: Khuyến khích các viện nghiên cứu và doanh nghiệp triển khai ứng dụng giải thuật trong thực tế, đồng thời đào tạo nhân lực kỹ thuật để vận hành và bảo trì hệ thống hiệu quả.