Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu
Lý do chọn đề tài và bối cảnh thực tiễn
Trong hệ thống truyền động điện và các thiết bị công nghiệp hiện đại, lĩnh vực điện tử công suất đóng vai trò then chốt trong việc biến đổi và kiểm soát năng lượng điện. Tại Việt Nam, từ năm 2010, điện tử công suất đã được Chính phủ phê duyệt là một trong những lĩnh vực ưu tiên đầu tư và phát triển. Sự phát triển này thúc đẩy nhu cầu ứng dụng các bộ biến đổi có độ chính xác cao và chất lượng điện áp ngõ ra tốt.
Các bộ nghịch lưu đa bậc (multilevel inverters) ngày càng được sử dụng rộng rãi nhằm khắc phục nhược điểm của nghịch lưu hai bậc truyền thống. Nhờ khả năng tạo ra dạng sóng điện áp ngõ ra có dạng bậc thang, nghịch lưu đa bậc mang lại nhiều ưu điểm kỹ thuật vượt trội:
- Nâng cao chất lượng điện áp và dòng điện ngõ ra.
- Giảm độ méo dạng tổng do sóng hài (Total Harmonic Distortion - THD).
- Giảm ứng suất điện áp tác động lên các linh kiện bán dẫn công suất ($dv/dt$ nhỏ).
- Giảm tổn hao chuyển mạch và thu nhỏ quy mô hoặc loại bỏ hoàn toàn bộ lọc thụ động ở ngõ ra.
Tuy nhiên, quá trình đóng ngắt chuyển mạch liên tục của các khóa bán dẫn trong bộ nghịch lưu dẫn đến sự xuất hiện của điện áp common mode ($U_{N0}$ - điện áp giữa điểm trung tính tải và điểm trung tính nguồn). Hiện tượng điện áp common mode biên độ lớn với tần số biến thiên cao tạo ra dòng điện rò chạy qua điện dung ký sinh của động cơ, gây bào mòn ổ bi cơ khí, phá hủy chất cách điện cuộn dây và làm giảm nghiêm trọng tuổi thọ của động cơ điện xoay chiều (đã được chứng minh trong các công trình nghiên cứu của Nguyen-Van Nho và Myung-Bok Kim).
Từ thực tiễn đó, đề tài tập trung vào nhiệm vụ: "Nghiên cứu giải thuật điều chế sóng mang 3 pha 5 bậc triệt tiêu điện áp common mode", ứng dụng trên cấu hình nghịch lưu chuỗi nối tầng (Cascade H-Bridge - CHB).
Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu
Mục tiêu xuyên suốt của đề tài là xây dựng giải thuật điều khiển dựa trên kỹ thuật sóng mang nhằm loại bỏ hoàn toàn điện áp common mode sinh ra trong quá trình chuyển mạch của bộ nghịch lưu 3 pha 5 bậc cấu hình cascade, đồng thời kiểm chứng tính đúng đắn thông qua mô phỏng và mô hình thực nghiệm phần cứng.
Các nhiệm vụ nghiên cứu cụ thể được xác định bao gồm:
- Tìm hiểu và phân tích cấu hình nghịch lưu cascade 3 pha 5 bậc cùng bản chất của điện áp common mode.
- Đề xuất giải thuật điều chế sóng mang triệt tiêu điện áp common mode dựa trên việc chọn lựa các tổ hợp trạng thái đóng ngắt không sinh ra điện áp common mode.
- Xây dựng mô hình mô phỏng hệ thống nghịch lưu cascade 5 bậc trên phần mềm PSIM để kiểm chứng giải thuật đề xuất.
- Triển khai thực nghiệm giải thuật trên mô hình phần cứng vật lý sử dụng kit vi xử lý tín hiệu số DSP TMS320F28335 điều khiển tải trở - cảm ($R - L$).
- Đánh giá, so sánh kết quả dạng sóng, phổ sóng hài FFT và biên độ điện áp common mode trước và sau khi áp dụng giải thuật.
Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
- Đối tượng nghiên cứu: Cấu trúc bộ nghịch lưu áp 3 pha 5 bậc dạng ghép tầng cascade (CHB), kỹ thuật điều chế độ rộng xung sin (SPWM) sóng mang tam giác cùng pha (In-Phase Disposition - PD), và cơ chế triệt tiêu điện áp common mode ($U_{N0}$).
- Phạm vi nghiên cứu:
- Về thuật toán: Giải thuật điều chế sóng mang với 4 sóng mang tam giác tần số $f_c = 5000\text{ Hz}$, điều khiển các khóa bán dẫn ở dải chỉ số điều chế $m$ từ $0{,}4$ đến $1{,}0$ (khảo sát chi tiết tại $m = 0{,}866$).
- Về thực nghiệm: Mô hình mạch công suất 3 pha sử dụng các khóa bán dẫn IGBT FGA25N120ANTD, điều khiển bởi DSP TMS320F28335 của Texas Instruments và kết nối với tải $R - L$ cân bằng.
Cơ sở lý thuyết và phương pháp
Khung lý thuyết và mô hình toán học
1. Cấu trúc bộ nghịch lưu cầu 1 pha và ghép tầng cascade 5 bậc
Bộ nghịch lưu cascade 3 pha 5 bậc được cấu thành từ 3 nhánh pha riêng biệt ($A, B, C$), mỗi nhánh pha gồm 2 bộ nghịch lưu cầu 1 pha (H-bridge) mắc nối tiếp với nhau, tương ứng với tổng cộng 6 bộ cầu 1 pha và 24 khóa công suất IGBT.
Đối với một bộ nghịch lưu cầu 1 pha thứ $j$ của pha $x$ ($x \in {A, B, C}; j \in {1, 2}$):
- Nhánh trái gồm 2 khóa $S_{xTj}$ (trên) và $S_{xTjN}$ (dưới), thỏa mãn điều kiện logic đóng ngắt nghịch đảo: $S_{xTj} + S_{xTjN} = 1$.
- Nhánh phải gồm 2 khóa $S_{xPj}$ (trên) và $S_{xPjN}$ (dưới), thỏa mãn điều kiện logic: $S_{xPj} + S_{xPjN} = 1$.
Điện áp tức thời ngõ ra của một bộ cầu $j$ trên pha $x$ được xác định theo:
$$U_{x0j} = V_{xTj} - V_{xPj} = (S_{xTj} - S_{xPj}) \cdot U_{xj}$$
Mối quan hệ giữa trạng thái đóng ngắt của các khóa công suất và điện áp ngõ ra của một bộ cầu 1 pha được tổng hợp trong bảng:
| $S_{xTj}$ |
$S_{xPj}$ |
$S_{xTjN}$ |
$S_{xPjN}$ |
$U_{x0j}$ |
Trạng thái $S_{1} = (S_{xTj} + S_{xPjN})$ |
| 0 |
1 |
1 |
0 |
$-U$ |
0 |
| 0 |
0 |
1 |
1 |
0 |
1 |
| 1 |
1 |
0 |
0 |
0 |
1 |
| 1 |
0 |
0 |
1 |
$+U$ |
2 |
Khi ghép nối tiếp 2 bộ cầu trên cùng một pha $x$, điện áp pha ngõ ra $U_{x0}$ là tổng đại số của 2 bộ cầu:
$$U_{x0} = \sum_{j=1}^2 U_{x0j} = U_{x01} + U_{x02}$$
Đặt $S_x$ là biến biểu diễn trạng thái tổ hợp các khóa của pha $x$:
$$S_x = S_{xP1} + S_{xT1N} + S_{xP2} + S_{xT2N}$$
Biến $S_x$ nhận các giá trị nguyên ${0, 1, 2, 3, 4}$, tương ứng với 5 mức điện áp ngõ ra của pha $x$ so với trung tính nguồn:
| Trạng thái $S_x$ |
Tổ hợp trạng thái $(S_{xP1}, S_{xT1N}, S_{xP2}, S_{xT2N})$ |
Điện áp pha ngõ ra $U_{x0}$ |
| 0 |
$(0, 0, 0, 0)$ |
$-2U$ |
| 1 |
$(0, 0, 0, 1); (0, 0, 1, 0); (0, 1, 0, 0); (1, 0, 0, 0)$ |
$-U$ |
| 2 |
$(1, 0, 0, 1); (0, 0, 1, 1); (0, 1, 1, 0); (1, 1, 0, 0); (0, 1, 0, 1); (1, 0, 1, 0)$ |
0 |
| 3 |
$(1, 1, 1, 0); (1, 1, 0, 1); (1, 0, 1, 1); (0, 1, 1, 1)$ |
$+U$ |
| 4 |
$(1, 1, 1, 1)$ |
$+2U$ |
Tổng hợp trên cả 3 pha $A, B, C$, hệ thống có tổng cộng $5^3 = 125$ tổ hợp trạng thái chuyển mạch $(S_A, S_B, S_C)$ tương ứng với 125 vector điện áp ngõ ra $(U_{A0}, U_{B0}, U_{C0})$.
2. Mô hình toán học của điện áp Common Mode
Điện áp common mode $U_{N0}$ được định nghĩa là hiệu điện thế giữa điểm trung tính của tải ($N$) và điểm trung tính của bộ nghịch lưu ($O$). Khi tải 3 pha đối xứng và cân bằng ($U_{AN} + U_{BN} + U_{CN} = 0$), điện áp $U_{N0}$ được tính bằng trung bình cộng điện áp 3 pha ngõ ra:
$$U_{N0} = \frac{U_{A0} + U_{B0} + U_{C0}}{3}$$
Biểu diễn thông qua các biến trạng thái chuyển mạch $S_A, S_B, S_C$:
$$U_{N0} = \frac{(S_A - 2)U + (S_B - 2)U + (S_C - 2)U}{3} = \frac{(S_A + S_B + S_C - 6) \cdot U}{3}$$
Do đó, điều kiện cần và đủ để điện áp common mode bị triệt tiêu hoàn toàn ($U_{N0} = 0$) tại mọi thời điểm là tổng các trạng thái đóng ngắt của 3 pha phải luôn thỏa mãn:
$$S_A + S_B + S_C = 6$$
Phương pháp nghiên cứu
Đề tài áp dụng kết hợp ba phương pháp nghiên cứu chính:
- Phương pháp phân tích giải tích và toán học: Thiết lập thuật toán phân tách sóng điều khiển sin thành phần nguyên ($L_x$) và phần dư ($\varepsilon_x$), tính toán các ngưỡng chuyển mạch động $K_1$ và $K_3$ để điều biến tín hiệu đưa vào mạch so sánh sóng mang.
- Phương pháp mô phỏng số: Thiết lập toàn bộ sơ đồ nguyên lý mạch công suất, khối tạo 4 sóng mang tam giác cùng pha ($f_c = 5000\text{ Hz}, A_c = 1$), khối thuật toán điều khiển và tải $R - L$ trên phần mềm mô phỏng chuyên dụng PSIM.
- Phương pháp thực nghiệm vật lý: Chế tạo phần cứng hoàn chỉnh, lập trình nhúng thuật toán điều chế bằng ngôn ngữ C/C++ trên kit DSP TMS320F28335 của Texas Instruments; thu thập và phân tích dạng sóng điện áp, dòng điện và phổ sóng hài bằng máy hiện sóng chuyên dụng Tektronix.
Thiết kế và triển khai
Kiến trúc hệ thống phần cứng và phần mềm
Hệ thống nghịch lưu 3 pha 5 bậc triệt tiêu điện áp common mode được thiết kế với cấu trúc phân tầng bao gồm 5 khối chức năng chính:
[Khối tạo sóng điều khiển] ---> [Khối giải thuật điều chế (DSP)] ---> [Khối mạch đệm & Mạch kích]
|
[Khối tạo sóng mang (4 sóng)] ----------------+
|
v
[Khối nguồn DC độc lập] --------> [Khối công suất (24 IGBT)] --------> [Khối tải R - L]
Chi tiết các khối kỹ thuật triển khai
1. Khối điều khiển và tạo tín hiệu
- Bộ xử lý trung tâm: Kit vi điều khiển DSP TMS320F28335 (Texas Instruments), thực hiện đọc tín hiệu sóng điều khiển ba pha, tính toán phần nguyên, phần dư, xác định ngưỡng $K_1, K_3$ và phát xung PWM điều khiển các nhánh cầu.
- Khối sóng mang: Tạo 4 sóng mang tam giác cùng pha ($cr_1, cr_2, cr_3, cr_4$) có tần số $f_c = 5000\text{ Hz}$, biên độ đỉnh $A_c = 1$, phân bố liên tục từ mức $0\text{V}$ đến $4\text{V}$.
- Khối sóng điều khiển: Tạo 3 tín hiệu sin lệch pha $120^\circ$ quanh mức dịch chuyển trung tâm $+2$:
$$v_A = A_m \sin(\omega t) + 2$$
$$v_B = A_m \sin(\omega t - 120^\circ) + 2$$
$$v_C = A_m \sin(\omega t - 240^\circ) + 2$$
với $A_m = 2m$ ($m$ là chỉ số điều chế).
2. Khối mạch đệm, mạch kích và nguồn nuôi
- Mạch đệm (Buffer circuit): Cách ly và phối hợp mức tín hiệu logic ngõ ra từ DSP trước khi truyền đến mạch lái.
- Mạch kích (Gate driver circuit): Chuyển đổi mức điện áp điều khiển để kích đóng/ngắt dứt khoát cực Gate của các IGBT, tích hợp bộ nguồn cách ly riêng cho từng khóa bán dẫn để chống ngắn mạch nhánh.
- Nguồn cung cấp: Nguồn cách ly riêng biệt cho khối mạch kích và các bộ nguồn DC độc lập cấp cho từng bộ cầu H 1 pha.
3. Khối mạch công suất và tải
- Linh kiện công suất: Sử dụng 24 khóa bán dẫn IGBT loại FGA25N120ANTD (thông số định mức tại $25^\circ\text{C}$ và $100^\circ\text{C}$).
- Cấu hình mạch: Ghép 6 bộ cầu 1 pha tạo thành 3 pha $A, B, C$ kết nối với điểm trung tính chung.
- Tải thử nghiệm: Tải trở - cảm ($R - L$) 3 pha đối xứng.
Nội dung chính theo từng chương
Chương 1: Tổng quan
Chương 1 trình bày bối cảnh nghiên cứu của ngành điện tử công suất tại Việt Nam và trên thế giới. Nội dung tập trung làm rõ:
- Tầm quan trọng của bộ nghịch lưu đa bậc trong việc nâng cao chất lượng điện áp và giảm tổn hao chuyển mạch.
- Vấn đề phát sinh điện áp common mode ($U_{N0}$) tác động tiêu cực đến hệ thống cách điện và ổ bi động cơ điện xoay chiều.
- Tổng hợp các nghiên cứu trước đây về giảm điện áp common mode (như công trình của Haoran Zhang, Hee-Jung Kim, Poh Chiang Loh, Phạm Thị Kim Thê).
- Xác định mục tiêu, nhiệm vụ, phương pháp nghiên cứu, điểm mới và ý nghĩa thực tiễn của đề tài.
Chương 2: Cơ sở lý thuyết
Chương 2 cung cấp toàn bộ nền tảng lý thuyết phục vụ việc xây dựng giải thuật:
- Lý thuyết nghịch lưu áp: Phân loại nghịch lưu theo số pha, số cấp điện áp (2 bậc, đa bậc) và cấu hình mạch (NPC, FC, Cascade).
- Cấu trúc nghịch lưu cascade 5 bậc: Phân tích nguyên lý hoạt động của bộ cầu 1 pha, nguyên tắc điều khiển đóng ngắt các cặp khóa chéo $(S_{xTj}, S_{xPjN})$, và bảng 125 trạng thái chuyển mạch của hệ thống 3 pha 5 bậc.
- Phương pháp điều chế độ rộng xung sin (SPWM): Nguyên lý so sánh tín hiệu điều khiển với hệ thống sóng mang tam giác cùng pha (PD), các công thức xác định chỉ số điều chế biên độ $m_a$, chỉ số điều chế tần số $m_f$, hệ số méo hài THD, cùng giới hạn vùng điều chế tuyến tính.
- Bản chất điện áp common mode: Thiết lập phương trình quan hệ giữa $U_{N0}$ với điện áp pha ngõ ra và trạng thái đóng ngắt của các khóa bán dẫn.
Chương 3: Triệt tiêu điện áp common mode cho mạch nghịch lưu 3 pha 5 bậc cascade
Chương 3 là phần trọng tâm lý thuyết của đề tài, đi sâu vào xây dựng giải thuật điều chế sóng mang mới:
- Xác lập điều kiện triệt tiêu: Chứng minh toán học điều kiện để $U_{N0} = 0$ tương đương với $S_A + S_B + S_C = 6$.
- Phân tích toán tử giải thuật:
Tín hiệu điều khiển $v_x$ được tách thành phần nguyên $L_x = \text{int}(v_x)$ và phần dư $\varepsilon_x = v_x - L_x$. Tổng các phần dư được ký hiệu là $F_\varepsilon = \varepsilon_A + \varepsilon_B + \varepsilon_C = \varepsilon_{max} + \varepsilon_{mid} + \varepsilon_{min}$. Vì $\varepsilon_x$ là phần dư của hàm sin nên $F_\varepsilon$ chỉ nhận một trong hai giá trị nguyên: $F_\varepsilon = 1$ hoặc $F_\varepsilon = 2$.
- Xác định các ngưỡng $K_1, K_3$:
Trường hợp 1: Khi $F_\varepsilon = 2$ ($L_A + L_B + L_C = 4$)
Giải thuật xác định 2 ngưỡng so sánh: $K_1 = 1 - \varepsilon_{min}$ và $K_3 = \varepsilon_{max}$. Quy luật xác định cụ thể theo 6 trường hợp thứ tự biên độ phần dư:
| Điều kiện quan hệ phần dư |
Giá trị $K_1$ |
Giá trị $K_3$ |
| $\varepsilon_A > \varepsilon_B > \varepsilon_C$ |
$\varepsilon_A$ |
$1 - \varepsilon_C$ |
| $\varepsilon_A > \varepsilon_C > \varepsilon_B$ |
$1 - \varepsilon_B$ |
$\varepsilon_A$ |
| $\varepsilon_B > \varepsilon_A > \varepsilon_C$ |
$\varepsilon_B$ |
$1 - \varepsilon_C$ |
| $\varepsilon_B > \varepsilon_C > \varepsilon_A$ |
$1 - \varepsilon_A$ |
$\varepsilon_B$ |
| $\varepsilon_C > \varepsilon_B > \varepsilon_A$ |
$1 - \varepsilon_A$ |
$\varepsilon_C$ |
| $\varepsilon_C > \varepsilon_A > \varepsilon_B$ |
$1 - \varepsilon_B$ |
$\varepsilon_C$ |
Tín hiệu điều chế $v_{rx}$ được tạo ra bằng cách so sánh sóng mang $v_{cr}$ với $K_1, K_3$:
- Khi $v_{cr} \ge K_3$: Nếu $K_3 = \varepsilon_x = \varepsilon_{max}$ thì $v_{rx} = L_x$; trường hợp còn lại $v_{rx} = L_x + 1$.
- Khi $K_3 \ge v_{cr} \ge K_1$: Nếu $K_1 = 1 - \varepsilon_x = 1 - \varepsilon_{min}$ hoặc $K_3 = \varepsilon_x = \varepsilon_{max}$ thì $v_{rx} = L_x$; trường hợp còn lại $v_{rx} = L_x + 1$.
- Khi $v_{cr} \le K_1$: Nếu $K_1 = 1 - \varepsilon_x = 1 - \varepsilon_{min}$ thì $v_{rx} = L_x$; trường hợp còn lại $v_{rx} = L_x + 1$.
Trường hợp 2: Khi $F_\varepsilon = 1$ ($L_A + L_B + L_C = 5$)
Giải thuật xác định 2 ngưỡng so sánh: $K_1 = \varepsilon_{max}$ và $K_3 = 1 - \varepsilon_{min}$. Quy luật xác định cụ thể theo 6 trường hợp:
| Điều kiện quan hệ phần dư |
Giá trị $K_1$ |
Giá trị $K_3$ |
| $\varepsilon_A > \varepsilon_B > \varepsilon_C$ |
$\varepsilon_A$ |
$1 - \varepsilon_C$ |
| $\varepsilon_A > \varepsilon_C > \varepsilon_B$ |
$\varepsilon_A$ |
$1 - \varepsilon_B$ |
| $\varepsilon_B > \varepsilon_A > \varepsilon_C$ |
$\varepsilon_B$ |
$1 - \varepsilon_C$ |
| $\varepsilon_B > \varepsilon_C > \varepsilon_A$ |
$\varepsilon_B$ |
$1 - \varepsilon_A$ |
| $\varepsilon_C > \varepsilon_B > \varepsilon_A$ |
$\varepsilon_C$ |
$1 - \varepsilon_A$ |
| $\varepsilon_C > \varepsilon_A > \varepsilon_B$ |
$\varepsilon_C$ |
$1 - \varepsilon_B$ |
Tín hiệu điều chế $v_{rx}$ được xác định:
-
Khi $v_{cr} \ge K_3$: Nếu $K_3 = 1 - \varepsilon_x = 1 - \varepsilon_{min}$ thì $v_{rx} = L_x + 1$; trường hợp còn lại $v_{rx} = L_x$.
-
Khi $K_3 \ge v_{cr} \ge K_1$: Nếu $K_1 = \varepsilon_x = \varepsilon_{max}$ hoặc $K_3 = 1 - \varepsilon_x = 1 - \varepsilon_{min}$ thì $v_{rx} = L_x$; trường hợp còn lại $v_{rx} = L_x + 1$.
-
Khi $v_{cr} \le K_1$: Nếu $K_1 = \varepsilon_x = \varepsilon_{max}$ thì $v_{rx} = L_x + 1$; trường hợp còn lại $v_{rx} = L_x$.
-
Lưu đồ giải thuật: Tổng hợp toàn bộ các bước tính toán trên thành lưu đồ logic khép kín, làm cơ sở trực tiếp cho việc lập trình nhúng.
Chương 4: Mạch mô phỏng – Kết quả mô phỏng
Chương 4 thực hiện kiểm chứng thuật toán trên môi trường mô phỏng số:
- Cấu hình hệ thống: Xây dựng sơ đồ khối mô phỏng bao gồm: khối tạo 4 sóng mang tam giác ($f_c = 5000\text{ Hz}$), khối tạo sóng điều khiển, khối tạo xung kích cho 3 pha sử dụng mạch so sánh hoặc khối chức năng DSP F28335, khối mạch công suất 3 pha và tải $R - L$.
- Kết quả khảo sát dạng sóng: Đo kiểm dạng sóng điều khiển trước và sau điều chế, điện áp pha nguồn, điện áp dây tải, dòng điện pha tải, điện áp $U_{AN}$, điện áp common mode $U_{N0}$ và phân tích phổ FFT điện áp $U_{AN}$ tại $m = 0{,}866$.
- Số liệu mô phỏng tổng hợp: Bảng kết quả so sánh trước và sau khi áp dụng giải thuật triệt tiêu $U_{N0}$ ở các dải chỉ số điều chế $m$ từ $0{,}4$ đến $0{,}7$ và từ $0{,}8$ đến $1{,}0$.
Chương 5: Kết quả thực nghiệm
Chương 5 hiện thực hóa giải thuật trên phần cứng vật lý:
- Xây dựng mô hình thực tế: Tích hợp kit DSP TMS320F28335, mạch đệm tín hiệu, mạch kích cách ly, khối nguồn mạch kích, khối nguồn mạch công suất, bộ nghịch lưu công suất 3 pha sử dụng IGBT FGA25N120ANTD và tải $R - L$.
- Kết quả đo kiểm: Thu thập các dạng sóng thực tế trên máy hiện sóng Tektronix gồm điện áp pha nguồn, điện áp pha tải, điện áp dây tải, dòng điện pha tải, điện áp $U_{AN}$, điện áp common mode $U_{N0}$ và phổ FFT của $U_{AN}$ tại điểm làm việc $m = 0{,}866$.
- Đánh giá thực nghiệm: Tổng kết số liệu đo kiểm thực tế khi áp dụng và không áp dụng giải thuật đề xuất ở các dải chỉ số điều chế $m$ từ $0{,}4$ đến $0{,}7$ và từ $0{,}8$ đến $1{,}0$.
Kết quả và đóng góp
Kết quả nghiên cứu chính
- Thiết lập thành công giải thuật điều chế sóng mang triệt tiêu CMV: Đã xây dựng trọn vẹn quy luật tính toán giải tích $K_1, K_3$ dựa trên các thành phần $\varepsilon_{max}, \varepsilon_{mid}, \varepsilon_{min}$ để điều chế tín hiệu $v_{rx}$, đảm bảo hệ thống luôn hoạt động ở các tổ hợp trạng thái thỏa mãn $S_A + S_B + S_C = 6$.
- Kiểm chứng mô phỏng trên PSIM: Các kết quả mô phỏng dạng sóng và phổ FFT tại $m = 0{,}866$ cùng các dải $m \in [0{,}4; 0{,}7]$ và $m \in [0{,}8; 1{,}0]$ chứng minh điện áp common mode $U_{N0}$ được triệt tiêu hoàn toàn về mức $0\text{V}$, đồng thời duy trì dạng sóng điện áp và dòng điện ngõ ra sin chuẩn trên tải $R - L$.
- Hiện thực hóa trên phần cứng DSP: Triển khai thành công mã nguồn điều khiển C/C++ trên kit DSP TMS320F28335 kết hợp mạch công suất IGBT FGA25N120ANTD, đo kiểm thực tế trên máy hiện sóng Tektronix xác nhận điện áp $U_{N0}$ được loại bỏ tại các dải điều chế khác nhau.
Đóng góp của đề tài
- Về mặt giải thuật: Đề xuất một giải thuật điều chế trực tiếp trên sóng mang đơn giản, khối lượng tính toán thấp hơn so với phương pháp điều chế vector không gian (SVPWM) phức tạp, giúp dễ dàng thực thi trên các vi xử lý thời gian thực mà không đòi hỏi tài nguyên tính toán quá lớn.
- Về mặt ứng dụng thực tiễn: Cung cấp giải pháp kỹ thuật triệt tiêu nguyên nhân gây dòng rò qua ổ bi và suy giảm cách điện động cơ, nâng cao độ tin cậy và tuổi thọ cho các hệ thống truyền động xoay chiều sử dụng nghịch lưu cascade 5 bậc.
Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp
Hạn chế của đề tài
- Nghiên cứu tập trung vào cấu hình nghịch lưu cascade 3 pha 5 bậc đối xứng với các nguồn DC có biên độ bằng nhau ($U_{Aj} = U_{Bj} = U_{Cj} = U$), chưa mở rộng cho các cấu hình nghịch lưu đa bậc bất đối xứng hoặc cấu trúc lai.
- Việc giới hạn tổ hợp khóa thỏa mãn $S_A + S_B + S_C = 6$ làm giảm số lượng vector trạng thái khả dụng so với 125 vector gốc, điều này có thể ảnh hưởng đến giới hạn vùng điều chế tuyến tính cực đại của bộ nghịch lưu.
- Thực nghiệm mới chỉ kiểm chứng trên tải tĩnh trở - cảm ($R - L$), chưa đánh giá trực tiếp trên tải động cơ không đồng bộ 3 pha đang vận hành ở các chế độ quá độ và thay đổi tốc độ liên tục.
Hướng phát triển tiếp theo
- Mở rộng giải thuật điều chế triệt tiêu điện áp common mode cho các bộ nghịch lưu cascade có số bậc cao hơn (7 bậc, 9 bậc, 11 bậc) hoặc các cấu hình nghịch lưu đa bậc khác (NPC, FC).
- Nghiên cứu kết hợp thuật toán cân bằng điện áp trên các tụ điện DC trong trường hợp sử dụng nguồn cấp không hoàn toàn độc lập.
- Thử nghiệm giải thuật trực tiếp trên hệ truyền động động cơ xoay chiều thực tế để đo đạc định lượng dòng điện trục động cơ (shaft current) và dòng điện rò qua ổ bi.
Giá trị tham khảo
Tài liệu này có giá trị tham khảo hữu ích cho:
- Sinh viên, học viên cao học ngành Kỹ thuật Điện, Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa, Điện tử công suất: Tham khảo phương pháp xây dựng giải thuật điều chế đa bậc, kỹ thuật phân tích toán học các trạng thái chuyển mạch, và quy trình mô phỏng trên phần mềm PSIM.
- Kỹ sư nghiên cứu và phát triển phần cứng nhúng - truyền động điện: Tham khảo thiết kế mạch nguyên lý phần cứng, sơ đồ khối mạch kích IGBT, mạch đệm và phương pháp lập trình điều khiển PWM thời gian thực trên dòng vi xử lý DSP TMS320F28335 của Texas Instruments.
- Các nhà nghiên cứu về chất lượng điện năng: Cung cấp dữ liệu về phân tích phổ sóng hài FFT, đánh giá méo hài THD và giải pháp xử lý sóng hài/điện áp common mode trong các bộ biến đổi công suất lớn.
Câu hỏi thường gặp
1. Điện áp common mode ($U_{N0}$) trong bộ nghịch lưu là gì và tại sao cần phải triệt tiêu?
Điện áp common mode ($U_{N0}$) là hiệu điện thế giữa điểm trung tính của tải ($N$) và điểm trung tính của nguồn nghịch lưu ($O$), được tính bằng trung bình cộng điện áp 3 pha: $U_{N0} = (U_{A0} + U_{B0} + U_{C0})/3$. Trong các hệ truyền động xoay chiều, $U_{N0}$ biên độ lớn và tần số cao sẽ sinh ra dòng điện cảm ứng chạy qua các ổ bi và lớp cách điện của cuộn dây động cơ, dẫn đến hiện tượng bào mòn cơ khí ổ bi và làm giảm tuổi thọ động cơ.
2. Điều kiện cốt lõi để triệt tiêu hoàn toàn điện áp common mode trong nghịch lưu cascade 3 pha 5 bậc là gì?
Điều kiện để $U_{N0} = 0$ là tổng trạng thái chuyển mạch của 3 pha tại mọi thời điểm phải luôn bằng 6:
$$S_A + S_B + S_C = 6$$
với $S_x \in {0, 1, 2, 3, 4}$ là biến biểu diễn mức điện áp ngõ ra của pha $x$ (tương ứng các mức điện áp $-2U, -U, 0, U, 2U$).
3. Giải thuật đề xuất tính toán các ngưỡng chuyển mạch $K_1$ và $K_3$ như thế nào?
Giải thuật tách sóng điều khiển sin $v_x$ thành phần nguyên $L_x$ và phần dư $\varepsilon_x = v_x - L_x$. Tổng các phần dư $F_\varepsilon = \varepsilon_A + \varepsilon_B + \varepsilon_C$ chỉ xảy ra hai trường hợp:
- Khi $F_\varepsilon = 2$ ($L_A + L_B + L_C = 4$): Ngưỡng chuyển mạch được xác định là $K_1 = 1 - \varepsilon_{min}$ và $K_3 = \varepsilon_{max}$.
- Khi $F_\varepsilon = 1$ ($L_A + L_B + L_C = 5$): Ngưỡng chuyển mạch được xác định là $K_1 = \varepsilon_{max}$ và $K_3 = 1 - \varepsilon_{min}$.
Các ngưỡng này được so sánh trực tiếp với sóng mang tam giác để xác định tín hiệu điều chế $v_{rx}$.
4. Hệ thống thực nghiệm trong đề tài sử dụng những phần cứng chính nào?
Hệ thống thực nghiệm gồm:
- Khối xử lý điều khiển: Kit DSP TMS320F28335 của Texas Instruments lập trình bằng ngôn ngữ C/C++.
- Khối công suất: 24 khóa bán dẫn IGBT loại FGA25N120ANTD được bố trí thành 6 bộ cầu H 1 pha.
- Khối mạch phụ trợ: Mạch đệm tín hiệu, mạch kích IGBT có nguồn cách ly riêng biệt.
- Khối tải và đo lường: Tải trở - cảm ($R - L$) 3 pha và máy hiện sóng Tektronix để đo kiểm dạng sóng và phân tích phổ FFT.
5. Khối tạo sóng mang của bộ nghịch lưu 5 bậc sử dụng bao nhiêu sóng mang và thông số ra sao?
Bộ nghịch lưu áp 5 bậc sử dụng $n - 1 = 4$ sóng mang tam giác ($cr_1, cr_2, cr_3, cr_4$). Các sóng mang này được bố trí cùng pha (phương pháp PD), có cùng tần số $f_c = 5000\text{ Hz}$, cùng biên độ đỉnh $A_c = 1$, phân bố liên tục với các ngưỡng chuyển mạch từ $0\text{V}$ đến $4\text{V}$.
Kết luận
Đề tài đã giải quyết thành công bài toán triệt tiêu điện áp common mode cho bộ nghịch lưu áp cascade 3 pha 5 bậc thông qua giải thuật điều chế sóng mang mới dựa trên quy luật lựa chọn tổ hợp trạng thái khóa thỏa mãn $S_A + S_B + S_C = 6$. Thuật toán đề xuất có cấu trúc tính toán đơn giản, dễ dàng cài đặt trên hệ vi xử lý thời gian thực mà không đòi hỏi tài nguyên tính toán phức tạp như điều chế vector không gian. Các kết quả mô phỏng trên phần mềm PSIM và thực nghiệm trên kit DSP TMS320F28335 kết hợp linh kiện IGBT FGA25N120ANTD đã chứng minh tính chính xác của giải thuật khi triệt tiêu hoàn toàn điện áp $U_{N0}$ tại các dải chỉ số điều chế khác nhau, mang lại giải pháp kỹ thuật tin cậy để nâng cao tuổi thọ và hiệu suất cho các hệ thống truyền động điện xoay chiều công nghiệp.
