Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh phát triển mạnh mẽ của công nghiệp điện tử công suất, bộ nghịch lưu đa bậc đã trở thành thành phần quan trọng trong các hệ thống truyền động điện và biến tần công suất lớn. Bộ nghịch lưu ba bậc dạng diode kẹp (NPC) được ứng dụng rộng rãi nhờ khả năng tạo ra điện áp ngõ ra với nhiều mức, giúp giảm méo hài tổng (THD) và giảm tổn hao chuyển mạch so với bộ nghịch lưu hai bậc truyền thống. Tuy nhiên, các vấn đề như tổn hao do chuyển mạch, điện áp common-mode (CMV) gây nhiễu điện từ và ảnh hưởng đến tuổi thọ thiết bị, cũng như khả năng chịu lỗi khi có sự cố linh kiện vẫn là thách thức lớn trong thiết kế và điều khiển bộ nghịch lưu.

Luận văn tập trung nghiên cứu kỹ thuật điều chế vector không gian (SVPWM) nhằm điều khiển bộ nghịch lưu ba bậc NPC, đồng thời giảm và triệt tiêu điện áp common-mode, từ đó giảm tổn hao và nhiễu điện từ. Ngoài ra, đề tài còn đề xuất phương pháp điều chế sóng mang cho bộ nghịch lưu ba pha tám khóa nhằm duy trì hoạt động liên tục khi xảy ra sự cố hở mạch một nhánh. Phạm vi nghiên cứu bao gồm mô phỏng trên phần mềm MATLAB/Simulink và PSIM, cùng thực nghiệm trên mô hình sử dụng DSP TMS320F28335 với tải ba pha RL, hoàn thành trong khoảng thời gian từ tháng 7/2015 đến tháng 6/2016 tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG TP. Hồ Chí Minh.

Nghiên cứu có ý nghĩa khoa học trong việc phát triển giải thuật điều chế tối ưu cho bộ nghịch lưu đa bậc, đồng thời có giá trị thực tiễn cao trong ứng dụng chế tạo biến tần, nâng cao hiệu suất và độ tin cậy của hệ thống 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 sau:

  • Bộ nghịch lưu ba bậc NPC: Cấu trúc gồm nguồn DC phân chia thành hai tụ điện mắc nối tiếp, với các khóa công suất và diode kẹp tạo ra ba mức điện áp pha (+Vdc/2, 0, -Vdc/2). Bộ nghịch lưu này giúp giảm THD và dv/dt so với bộ nghịch lưu hai bậc, nhưng đòi hỏi cân bằng điện áp tụ và kiểm soát phức tạp.

  • Phép biến hình vector không gian: Biến đổi đại lượng điện áp ba pha cân bằng thành vector không gian trong mặt phẳng phức, giúp mô tả và điều khiển điện áp ngõ ra một cách hiệu quả.

  • Phương pháp điều chế vector không gian (SVPWM): Kỹ thuật điều chế hiện đại, tạo ra điện áp ngõ ra gần dạng sin với biên độ tuyến tính, giảm sóng hài bậc cao và tổn hao chuyển mạch. SVPWM phân chia không gian vector thành các tam giác đều, xác định thời gian tác dụng của các vector đỉnh để tái tạo vector tham chiếu.

  • Điện áp common-mode (CMV): Điện áp giữa trung tính tải và tâm nguồn DC, là nguyên nhân gây nhiễu EMI và hư hại cơ cấu chấp hành. Giảm và triệt tiêu CMV là mục tiêu quan trọng trong điều khiển bộ nghịch lưu.

Phương pháp nghiên cứu

  • Nguồn dữ liệu: Dữ liệu thu thập từ mô phỏng trên MATLAB/Simulink và PSIM, cùng kết quả thực nghiệm trên mô hình bộ nghịch lưu ba bậc NPC sử dụng DSP TMS320F28335 điều khiển tải ba pha RL.

  • Phương pháp phân tích: Phân tích trạng thái đóng ngắt của các khóa công suất, xác định vector không gian và thời gian tác dụng theo SVPWM. Tính toán và đánh giá điện áp common-mode dựa trên trạng thái đóng ngắt. Mô phỏng các trường hợp điện áp tụ cân bằng và không cân bằng, cùng với sự cố hở mạch một nhánh.

  • Timeline nghiên cứu: Nghiên cứu bắt đầu từ tháng 7/2015, hoàn thành tháng 6/2016, bao gồm giai đoạn thiết kế lý thuyết, mô phỏng, xây dựng mô hình thực nghiệm và kiểm chứng kết quả.

  • Cỡ mẫu và chọn mẫu: Mô hình thực nghiệm sử dụng bộ nghịch lưu ba bậc NPC với tải RL ba pha, phù hợp để đánh giá hiệu quả điều khiển và giảm CMV trong điều kiện thực tế.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Hiệu quả điều khiển bằng SVPWM: Phương pháp điều chế vector không gian cho bộ nghịch lưu ba bậc NPC tạo ra điện áp dây và dòng điện tải gần dạng sin với THD giảm đáng kể so với phương pháp sáu bước truyền thống. Kết quả mô phỏng cho thấy điện áp dây có năm mức, giúp giảm THD và dv/dt, đồng thời giảm tổn hao chuyển mạch.

  2. Giảm và triệt tiêu điện áp common-mode: Phân tích và tính toán điện áp CMV cho từng trạng thái đóng ngắt cho thấy SVPWM có thể giảm điện áp CMV xuống mức thấp hơn nhiều so với phương pháp điều chế truyền thống. Thực nghiệm xác nhận điện áp CMV giảm khoảng 30-40%, góp phần giảm nhiễu EMI và tăng tuổi thọ thiết bị.

  3. Khả năng chịu lỗi khi sự cố hở mạch: Phương pháp điều chế sóng mang cho bộ nghịch lưu ba pha tám khóa cho phép bộ nghịch lưu tiếp tục hoạt động khi một nhánh bị hở mạch. Mô phỏng và thực nghiệm cho thấy dòng điện ngõ ra vẫn cân bằng trong điều kiện điện áp tụ không cân bằng, đảm bảo vận hành liên tục và an toàn.

  4. Tính đơn giản và hiệu quả của phương pháp điều chế sóng mang: Phương pháp dựa trên so sánh tín hiệu điều chế với sóng mang tần số cao, không cần tính toán phức tạp, giúp giảm tải xử lý cho bộ vi xử lý, phù hợp với các ứng dụng thực tế.

Thảo luận kết quả

Kết quả nghiên cứu cho thấy SVPWM là giải pháp tối ưu cho bộ nghịch lưu ba bậc NPC, vừa đảm bảo chất lượng điện áp ngõ ra, vừa giảm tổn hao và điện áp common-mode. Việc giảm CMV không chỉ làm giảm nhiễu điện từ mà còn hạn chế dòng điện vòng trong động cơ, kéo dài tuổi thọ ổ bi và các thiết bị cơ khí liên quan.

So sánh với các nghiên cứu trong ngành, phương pháp điều chế sóng mang cho bộ nghịch lưu tám khóa khi có sự cố hở mạch là bước tiến quan trọng, nâng cao độ tin cậy hệ thống. Dữ liệu mô phỏng và thực nghiệm được trình bày qua các biểu đồ điện áp dây, dòng điện tải và điện áp CMV minh họa rõ ràng hiệu quả của các giải pháp đề xuất.

Tuy nhiên, phương pháp SVPWM đòi hỏi bộ vi xử lý có khả năng tính toán cao và bộ nhớ lớn, điều này có thể là hạn chế trong một số ứng dụng công nghiệp. Việc cân bằng điện áp tụ vẫn là thách thức cần tiếp tục nghiên cứu để nâng cao hiệu quả điều khiển.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Triển khai ứng dụng SVPWM trong biến tần công nghiệp: Áp dụng kỹ thuật điều chế vector không gian cho các bộ nghịch lưu ba bậc NPC trong các biến tần công suất trung bình và lớn nhằm giảm tổn hao và cải thiện chất lượng điện áp ngõ ra. Thời gian thực hiện: 1-2 năm, chủ thể: các doanh nghiệp sản xuất biến tần.

  2. Phát triển giải pháp điều khiển chịu lỗi cho bộ nghịch lưu đa bậc: Nghiên cứu và hoàn thiện phương pháp điều chế sóng mang cho bộ nghịch lưu tám khóa nhằm duy trì hoạt động liên tục khi có sự cố hở mạch, nâng cao độ tin cậy hệ thống. Thời gian: 1 năm, chủ thể: các trung tâm nghiên cứu và phát triển thiết bị điện tử công suất.

  3. Tối ưu hóa thuật toán điều khiển cho bộ vi xử lý công suất thấp: Đơn giản hóa thuật toán SVPWM và điều chế sóng mang để phù hợp với các bộ vi xử lý có hiệu năng hạn chế, giảm chi phí thiết bị. Thời gian: 1-1.5 năm, chủ thể: các nhóm nghiên cứu và nhà sản xuất vi điều khiển.

  4. Nghiên cứu cân bằng điện áp tụ trong bộ nghịch lưu NPC: Phát triển các thuật toán điều khiển tự động cân bằng điện áp trên các tụ điện nhằm đảm bảo hiệu suất và độ bền của bộ nghịch lưu. Thời gian: 1-2 năm, chủ thể: các viện nghiên cứu và trường đại học.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Sinh viên và nghiên cứu sinh ngành Kỹ thuật điện, Điện tử công suất: Tài liệu cung cấp kiến thức chuyên sâu về bộ nghịch lưu đa bậc, kỹ thuật điều chế vector không gian và giải pháp giảm điện áp common-mode, hỗ trợ nghiên cứu và học tập.

  2. Kỹ sư thiết kế biến tần và hệ thống truyền động điện: Tham khảo các phương pháp điều khiển tối ưu giúp cải thiện hiệu suất, giảm tổn hao và tăng độ tin cậy cho sản phẩm biến tần.

  3. Nhà nghiên cứu và phát triển trong lĩnh vực điện tử công suất: Cung cấp cơ sở lý thuyết và thực nghiệm để phát triển các giải pháp điều khiển mới, đặc biệt trong điều kiện sự cố và cân bằng điện áp tụ.

  4. Doanh nghiệp sản xuất thiết bị điện công nghiệp: Áp dụng kết quả nghiên cứu để nâng cao chất lượng sản phẩm, giảm chi phí bảo trì và tăng tuổi thọ thiết bị trong các ứng dụng công nghiệp.

Câu hỏi thường gặp

  1. Phương pháp điều chế vector không gian (SVPWM) là gì?
    SVPWM là kỹ thuật điều chế điện áp ngõ ra của bộ nghịch lưu bằng cách biểu diễn điện áp ba pha dưới dạng vector không gian trong mặt phẳng phức, từ đó xác định thời gian tác dụng của các trạng thái đóng ngắt để tạo ra điện áp gần dạng sin với THD thấp. Ví dụ, SVPWM giúp giảm sóng hài bậc cao so với phương pháp sáu bước truyền thống.

  2. Điện áp common-mode (CMV) ảnh hưởng như thế nào đến hệ thống?
    CMV là điện áp giữa trung tính tải và tâm nguồn DC, gây ra dòng điện vòng trong động cơ, làm hư hại ổ bi và phát sinh nhiễu điện từ (EMI). Giảm CMV giúp tăng tuổi thọ thiết bị và giảm nhiễu cho các thiết bị xung quanh.

  3. Làm thế nào để bộ nghịch lưu hoạt động khi có sự cố hở mạch một nhánh?
    Phương pháp điều chế sóng mang cho bộ nghịch lưu ba pha tám khóa cho phép điều khiển linh hoạt, duy trì dòng điện ngõ ra cân bằng ngay cả khi một nhánh bị hở mạch, đảm bảo hoạt động liên tục và an toàn cho hệ thống.

  4. Ưu điểm của bộ nghịch lưu ba bậc NPC so với bộ nghịch lưu hai bậc là gì?
    Bộ nghịch lưu ba bậc NPC tạo ra điện áp ngõ ra với nhiều mức hơn (năm mức điện áp dây), giúp giảm THD, giảm dv/dt và tổn hao chuyển mạch, từ đó nâng cao hiệu suất và chất lượng điện áp so với bộ nghịch lưu hai bậc.

  5. Phương pháp điều chế sóng mang được thực hiện như thế nào?
    Phương pháp dựa trên so sánh tín hiệu điều chế với sóng mang tam giác tần số cao để xác định chuỗi đóng ngắt các khóa công suất. Cách làm này đơn giản, không cần tính toán phức tạp, phù hợp cho các bộ vi xử lý công suất thực tế.

Kết luận

  • Luận văn đã thiết kế và nghiên cứu thành công kỹ thuật điều chế vector không gian cho bộ nghịch lưu ba bậc NPC, đồng thời giảm và triệt tiêu hiệu quả điện áp common-mode.
  • Phương pháp điều chế sóng mang cho bộ nghịch lưu ba pha tám khóa giúp duy trì hoạt động liên tục khi có sự cố hở mạch một nhánh, nâng cao độ tin cậy hệ thống.
  • Kết quả mô phỏng và thực nghiệm chứng minh tính khả thi và hiệu quả của các giải pháp đề xuất, với giảm THD, giảm tổn hao chuyển mạch và giảm CMV khoảng 30-40%.
  • Nghiên cứu mở ra hướng phát triển các giải thuật điều khiển tối ưu cho bộ nghịch lưu đa bậc trong các ứng dụng công nghiệp và truyền động điện.
  • Các bước tiếp theo bao gồm tối ưu thuật toán cho bộ vi xử lý công suất thấp, nghiên cứu cân bằng điện áp tụ và ứng dụng thực tế trong biến tần công nghiệp.

Hành động đề xuất: Các nhà nghiên cứu và kỹ sư trong lĩnh vực điện tử công suất nên áp dụng và phát triển tiếp các giải pháp điều khiển này để nâng cao hiệu suất và độ tin cậy của hệ thống điện công nghiệp.