Tổng quan nghiên cứu

Ngành điện và điện tử công suất ngày càng phát triển mạnh mẽ, trở thành nền tảng quan trọng cho nhiều lĩnh vực công nghiệp và đời sống. Bộ nghịch lưu đa bậc, đặc biệt là bộ nghịch lưu 3 pha 5 bậc kiểu NPC cầu H, được ứng dụng rộng rãi trong truyền động điện, nguồn điện xoay chiều công suất lớn và các thiết bị điện tử công suất. Tuy nhiên, một trong những thách thức lớn là tổn hao công suất do số lần chuyển mạch của các khóa công suất gây ra, ảnh hưởng đến hiệu suất và tuổi thọ thiết bị. Theo ước tính, số lần chuyển mạch có thể chiếm phần lớn tổn hao trong hệ thống, đặc biệt khi tần số sóng mang lên đến 3000 Hz.

Luận văn tập trung nghiên cứu và phát triển giải thuật điều chế độ rộng xung (PWM) cải tiến cho bộ nghịch lưu 3 pha 5 bậc NPC cầu H nhằm giảm số lần chuyển mạch, từ đó giảm tổn hao công suất. Mục tiêu cụ thể là thiết kế hàm offset bậc 3 để điều chỉnh điện áp điều khiển, tận dụng tất cả các ngưỡng so sánh của sóng mang nhằm giảm số lần chuyển mạch tối đa có thể đạt 33% trên lý thuyết và thực nghiệm đạt khoảng 15.25% ở tần số sóng mang 3000 Hz. Nghiên cứu được thực hiện trong phạm vi mô phỏng trên phần mềm MATLAB/SIMULINK và thực nghiệm trên phần cứng sử dụng IGBT STGW25N120K, với vi xử lý DSP TMS320F28335 làm bộ điều khiển.

Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc nâng cao hiệu suất hoạt động của bộ nghịch lưu đa bậc, giảm tổn hao điện năng, đồng thời cung cấp giải pháp kỹ thuật khả thi cho các ứng dụng công nghiệp và giảng dạy chuyên ngành điện tử công suất.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

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

  • Bộ nghịch lưu đa bậc (Multilevel Inverter): Bao gồm các cấu trúc NPC (Neutral Point Clamped), kẹp tụ (Flying Capacitor), và dạng cascade. Bộ nghịch lưu 3 pha 5 bậc NPC cầu H được lựa chọn do ưu điểm về công suất cao, chất lượng điện áp và dòng điện ngõ ra tốt hơn so với bộ nghịch lưu 3 bậc truyền thống.

  • Kỹ thuật điều chế độ rộng xung (PWM): Phương pháp điều chế sóng mang (Carrier Based PWM) và điều chế vector không gian (Space Vector PWM - SVPWM) được nghiên cứu để tối ưu hóa tín hiệu điều khiển. Đặc biệt, phương pháp điều chế độ rộng xung cải biến (Modified SPWM) được áp dụng để mở rộng phạm vi điều khiển tuyến tính và giảm sóng hài.

  • Khái niệm vector không gian: Sử dụng phép biến đổi vector không gian để biểu diễn điện áp ba pha, từ đó thiết kế giải thuật điều khiển nhằm giảm số lần chuyển mạch và tổn hao.

  • Hàm offset bậc 3: Được xây dựng để điều chỉnh điện áp điều khiển, dịch chuyển vị trí điện áp điều khiển về các ngưỡng so sánh sóng mang gần nhất, giảm số lần chuyển mạch khóa công suất.

Các khái niệm chính bao gồm: chỉ số điều chế (m), tổng méo dạng sóng hài (THD), số lần chuyển mạch (K), điện áp điều khiển pha (Vx), và các ngưỡng so sánh sóng mang (Lx, Hx).

Phương pháp nghiên cứu

  • Nguồn dữ liệu: Dữ liệu thu thập từ mô phỏng trên phần mềm MATLAB/SIMULINK và thực nghiệm trên mô hình phần cứng sử dụng IGBT STGW25N120K, vi xử lý DSP TMS320F28335.

  • Phương pháp phân tích: Phân tích tín hiệu điện áp và dòng điện tải qua phổ FFT để đánh giá tổng méo dạng sóng hài (THD), đồng thời đo đếm số lần chuyển mạch trên mỗi pha trong một chu kỳ. So sánh kết quả mô phỏng và thực nghiệm với các phương pháp điều chế truyền thống.

  • Timeline nghiên cứu: Nghiên cứu được thực hiện trong khoảng thời gian từ năm 2016 đến tháng 4 năm 2017, bao gồm các giai đoạn: khảo sát lý thuyết, xây dựng giải thuật, mô phỏng, lập trình nhúng và thực nghiệm.

  • Cỡ mẫu và chọn mẫu: Mô hình thực nghiệm sử dụng tải R-L với điện trở R = 40 Ω và điện cảm L = 100 mH, tần số sóng mang 3000 Hz, tần số tải 50 Hz. Việc lựa chọn tải R-L nhằm mô phỏng điều kiện thực tế trong các ứng dụng công nghiệp.

  • Lý do lựa chọn phương pháp phân tích: Phương pháp điều chế PWM cải biến kết hợp với hàm offset bậc 3 cho phép giảm số lần chuyển mạch mà không cần cảm biến dòng điện hay điện áp tải, giảm chi phí phần cứng và tăng độ tin cậy hệ thống.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Giảm số lần chuyển mạch: Giải thuật đề xuất giảm số lần chuyển mạch trên mỗi pha trong một chu kỳ lên đến 33% trên lý thuyết và đạt khoảng 15.25% trong thực nghiệm ở tần số sóng mang 3000 Hz. Ví dụ, khi chỉ số điều chế m = 0.5, số lần chuyển mạch giảm rõ rệt so với phương pháp SPWM truyền thống.

  2. Chất lượng sóng điện áp và dòng điện tải: Phân tích FFT cho thấy tổng méo dạng sóng hài (THD) điện áp tải giảm xuống còn khoảng 3.57% khi m = 0.5 và duy trì dưới 6% ở các mức điều chế khác, đáp ứng tiêu chuẩn kỹ thuật Việt Nam về chất lượng điện năng.

  3. Hiệu quả mô phỏng và thực nghiệm: Kết quả mô phỏng và thực nghiệm tương đồng, với điện áp tải đạt biên độ tối đa 154 V và dòng điện tải đạt 1.23 A ở m = 0.86, THD điện áp và dòng điện đều ở mức thấp, chứng minh tính khả thi của giải thuật.

  4. Không cần cảm biến dòng điện: Giải thuật hoạt động dựa trên điện áp điều khiển và sóng mang, không yêu cầu cảm biến dòng điện hay điện áp tải, giúp giảm chi phí và độ phức tạp phần cứng.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của việc giảm số lần chuyển mạch là do hàm offset bậc 3 dịch chuyển điện áp điều khiển về gần các ngưỡng so sánh sóng mang, tận dụng tối đa các ngưỡng này để giảm số lần chuyển mạch không cần thiết. So với các nghiên cứu trước đây sử dụng phương pháp SVPWM hoặc MSPWM, giải thuật này có ưu điểm đơn giản về tính toán, dễ dàng triển khai trên vi xử lý DSP với thời gian xử lý nhanh.

Biểu đồ dạng sóng điện áp và dòng điện tải, cùng với phân tích FFT, minh họa rõ ràng sự cải thiện về chất lượng tín hiệu và giảm sóng hài. Bảng so sánh số lần chuyển mạch và THD giữa giải thuật đề xuất và các phương pháp truyền thống cho thấy sự vượt trội về hiệu quả.

Ý nghĩa của kết quả là giảm tổn hao công suất do chuyển mạch, tăng tuổi thọ thiết bị công suất, giảm nhiệt độ hoạt động và cải thiện hiệu suất tổng thể của hệ thống nghịch lưu đa bậc. Điều này đặc biệt quan trọng trong các ứng dụng công nghiệp yêu cầu độ tin cậy và hiệu suất cao.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Triển khai giải thuật trên các hệ thống công nghiệp: Áp dụng giải thuật điều chế PWM cải biến với hàm offset bậc 3 trên các bộ nghịch lưu 3 pha 5 bậc NPC cầu H trong các nhà máy điện, truyền động công nghiệp để giảm tổn hao và tăng hiệu suất. Thời gian thực hiện trong vòng 6-12 tháng, do các đơn vị kỹ thuật điện công nghiệp đảm nhận.

  2. Phát triển phần mềm lập trình nhúng tích hợp: Cải tiến phần mềm điều khiển trên DSP TMS320F28335 hoặc các vi xử lý tương đương, tích hợp tự động hóa quá trình biên dịch từ MATLAB/Simulink sang ngôn ngữ C, giảm thời gian phát triển và nâng cao độ chính xác. Thời gian thực hiện 3-6 tháng, do nhóm phát triển phần mềm đảm nhiệm.

  3. Nâng cao nghiên cứu về cân bằng điện áp trung tính: Tiếp tục nghiên cứu và phát triển các thuật toán cân bằng điện áp điểm trung tính trong bộ nghịch lưu NPC đa bậc nhằm đảm bảo ổn định điện áp và giảm tổn hao thêm. Thời gian nghiên cứu 12 tháng, do các viện nghiên cứu và trường đại học chuyên ngành điện thực hiện.

  4. Đào tạo và chuyển giao công nghệ: Tổ chức các khóa đào tạo chuyên sâu về kỹ thuật điều chế PWM cải biến và lập trình nhúng cho sinh viên và kỹ sư ngành điện tử công suất, nhằm nâng cao năng lực ứng dụng thực tế. Thời gian triển khai 6 tháng, do các trường đại học và trung tâm đào tạo kỹ thuật đảm nhận.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Sinh viên và nghiên cứu sinh ngành kỹ thuật điện, điện tử công suất: Luận văn cung cấp kiến thức chuyên sâu về bộ nghịch lưu đa bậc, kỹ thuật điều chế PWM và lập trình nhúng, hỗ trợ học tập và nghiên cứu nâng cao.

  2. Kỹ sư thiết kế và vận hành hệ thống điện công nghiệp: Giải thuật và kết quả thực nghiệm giúp cải thiện hiệu suất thiết bị, giảm tổn hao và chi phí bảo trì trong các hệ thống biến tần và truyền động điện.

  3. Giảng viên và nhà nghiên cứu trong lĩnh vực điện tử công suất: Tài liệu tham khảo quý giá cho việc giảng dạy, phát triển các đề tài nghiên cứu mới về điều khiển bộ nghịch lưu đa bậc và kỹ thuật điều chế.

  4. Các doanh nghiệp sản xuất thiết bị điện tử công suất: Áp dụng giải thuật để nâng cao chất lượng sản phẩm, giảm tổn hao điện năng và tăng tính cạnh tranh trên thị trường.

Câu hỏi thường gặp

  1. Giải thuật điều chế PWM cải biến có ưu điểm gì so với phương pháp truyền thống?
    Giải thuật sử dụng hàm offset bậc 3 để dịch chuyển điện áp điều khiển về gần các ngưỡng sóng mang, giảm số lần chuyển mạch lên đến 33% trên lý thuyết và 15.25% thực nghiệm, giúp giảm tổn hao công suất và tăng tuổi thọ thiết bị.

  2. Phương pháp này có cần sử dụng cảm biến dòng điện hay điện áp tải không?
    Không. Giải thuật hoạt động dựa trên điện áp điều khiển và sóng mang, không yêu cầu cảm biến dòng hay điện áp tải, giảm chi phí phần cứng và độ phức tạp hệ thống.

  3. Kết quả thực nghiệm có tương đồng với mô phỏng không?
    Có. Kết quả thực nghiệm trên phần cứng IGBT STGW25N120K và vi xử lý DSP TMS320F28335 cho thấy điện áp và dòng điện tải có dạng sóng gần giống mô phỏng, THD điện áp đạt khoảng 3.57% ở m = 0.5, chứng minh tính khả thi của giải thuật.

  4. Giải thuật có thể áp dụng cho các bộ nghịch lưu đa bậc khác không?
    Giải thuật được thiết kế cho bộ nghịch lưu 3 pha 5 bậc NPC cầu H, tuy nhiên nguyên lý điều chỉnh điện áp điều khiển bằng hàm offset có thể được điều chỉnh để áp dụng cho các cấu trúc nghịch lưu đa bậc khác với một số hiệu chỉnh phù hợp.

  5. Làm thế nào để triển khai giải thuật trên hệ thống thực tế?
    Giải thuật được lập trình nhúng trên DSP TMS320F28335 sử dụng MATLAB/Simulink kết hợp Code Composer Studio V6, tự động biên dịch sang ngôn ngữ C và nạp vào vi xử lý, giúp triển khai nhanh chóng mà không cần lập trình lại thủ công.

Kết luận

  • Đã phát triển thành công giải thuật điều chế PWM cải biến sử dụng hàm offset bậc 3 cho bộ nghịch lưu 3 pha 5 bậc NPC cầu H, giảm số lần chuyển mạch tối đa 33% trên lý thuyết và 15.25% thực nghiệm.
  • Kết quả mô phỏng và thực nghiệm cho thấy chất lượng điện áp và dòng điện tải được cải thiện với THD điện áp dưới 6%, đáp ứng tiêu chuẩn kỹ thuật.
  • Giải thuật không yêu cầu cảm biến dòng điện hay điện áp tải, giảm chi phí phần cứng và tăng độ tin cậy hệ thống.
  • Phương pháp lập trình nhúng trên DSP TMS320F28335 giúp triển khai nhanh chóng và hiệu quả giải thuật trên phần cứng thực tế.
  • Đề xuất tiếp tục nghiên cứu cân bằng điện áp trung tính và mở rộng ứng dụng giải thuật cho các cấu trúc nghịch lưu đa bậc khác.

Hành động tiếp theo: Khuyến khích các đơn vị nghiên cứu và doanh nghiệp ứng dụng giải thuật vào thực tế, đồng thời phát triển các khóa đào tạo chuyên sâu để nâng cao năng lực kỹ thuật trong lĩnh vực điện tử công suất.