Luận văn thạc sĩ nghiên cứu bộ chuyển đổi điện xoay chiều từ 1 pha sang 3 pha phù hợp với điều kiện đồng bằng sông cửu long

Luận văn thạc sĩ nghiên cứu nghiên cứu bộ chuyển đổi điện xoay chiều từ 1 pha sang 3 pha phù hợp với điều kiện đồng bằng sông, đánh giá hiện trạng, phân tích vấn đề, đề xuất biện

• Tác giả: Nguyễn Văn Tiến
• Người hướng dẫn: PGS. Trương Việt Anh
• Trường học: Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Điện-Điện tử
• Đề tài: Nghiên cứu bộ chuyển đổi điện xoay chiều từ một pha sang 3 pha phù hợp điều kiện đồng bằng sông Cửu Long
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2015
• Địa điểm: Thành phố Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM TẠ
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. Tổng quan lĩnh vực nghiên cứu, các kết quả nghiên cứu trong và ngoài nước
• 1.2. Tính cấp thiết và ý nghĩa khoa học của đề tài
• 1.3. Mục đích, khách thể và đối tượng nghiên cứu
• 1.4. Nhiệm vụ và giới hạn của đề tài
• 1.5. Phương pháp nghiên cứu
• 1.6. Kế hoạch thực hiện
• 2. CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
• 2.1. Giới thiệu linh kiện
• 2.2. Các mạch điện cơ bản liên quan
• 2.2.1. Mạch Boost PFC 1 nhánh
• 2.2.2. Mô hình mạch Boost PFC n nhánh
• 2.2.3. Bộ nghịch lưu áp
• 3. CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ, MÔ PHỎNG BỘ CHUYỂN ĐỔI 1 PHA AC SANG 3 PHA AC
• 3.1. Thiết kế mạch Boost BFC
• 3.2. Mô hình mô phỏng mạch Boost PFC
• 3.2.1. Các tham số mô phỏng
• 3.2.2. Giải thuật Boost PFC
• 3.2.3. Mô hình hóa mô phỏng Boost PFC
• 3.3. Mô phỏng bộ chuyển đổi nguồn 1 pha AC sang 3 pha AC
• 3.3.1. Các tham số mô phỏng
• 3.3.2. Mô hình bộ chuyển đổi
• 3.3.3. Các kết quả mô phỏng đạt được
• 3.4. Thực nghiệm mô phỏng bộ nguồn với các dạng tải khác nhau
• 3.4.1. Mô phỏng với tải 3 pha không cân bằng
• 3.4.2. Mô phỏng với tải động cơ không đồng bộ 3 pha
• 4. CHƯƠNG 4: KẾT LUẬN
• 4.1. Về nhiệm vụ của đề tài
• 4.2. Về vấn đề còn tồn tại
• 4.3. Về hướng phát triển của đề tài
• TÀI LIỆU THAM KHẢO
• PHỤ LỤC

Tóm tắt

I. Tổng quan về bộ chuyển đổi điện xoay chiều 1 pha sang 3 pha

Bộ chuyển đổi điện xoay chiều từ 1 pha sang 3 pha là một công nghệ quan trọng trong việc cung cấp điện cho các khu vực nông thôn, đặc biệt là ở đồng bằng sông Cửu Long. Công nghệ này giúp chuyển đổi nguồn điện 1 pha thành 3 pha, đáp ứng nhu cầu sử dụng điện cho các thiết bị công nghiệp và sinh hoạt. Việc nghiên cứu và phát triển bộ chuyển đổi này không chỉ giúp cải thiện hiệu suất sử dụng điện mà còn góp phần vào sự phát triển kinh tế của khu vực.

1.1. Đặc điểm của lưới điện đồng bằng sông Cửu Long

Lưới điện ở đồng bằng sông Cửu Long thường gặp nhiều khó khăn do địa hình phức tạp và hệ thống sông ngòi chằng chịt. Điều này dẫn đến việc cung cấp điện không ổn định, đặc biệt là ở những vùng sâu. Nhiều khu vực chỉ có lưới điện 1 pha, gây khó khăn cho việc sử dụng các thiết bị công nghiệp yêu cầu nguồn điện 3 pha.

1.2. Tầm quan trọng của bộ chuyển đổi điện

Bộ chuyển đổi điện xoay chiều từ 1 pha sang 3 pha giúp giải quyết vấn đề thiếu hụt nguồn điện cho các thiết bị công nghiệp. Nó cho phép sử dụng các động cơ 3 pha trong các khu vực chỉ có lưới điện 1 pha, từ đó nâng cao hiệu suất và độ tin cậy của hệ thống điện.

II. Vấn đề và thách thức trong nghiên cứu bộ chuyển đổi điện

Việc nghiên cứu bộ chuyển đổi điện xoay chiều từ 1 pha sang 3 pha gặp phải nhiều thách thức. Đầu tiên là vấn đề kỹ thuật trong việc thiết kế mạch điện sao cho hiệu suất chuyển đổi cao nhất. Thứ hai, việc ứng dụng công nghệ hiện đại vào thiết kế và điều khiển bộ chuyển đổi cũng là một thách thức lớn. Cuối cùng, việc đảm bảo tính khả thi và chi phí sản xuất cũng cần được xem xét kỹ lưỡng.

2.1. Thách thức kỹ thuật trong thiết kế mạch

Thiết kế mạch điện cho bộ chuyển đổi yêu cầu sự chính xác cao và khả năng chịu tải lớn. Các linh kiện điện tử công suất cần được lựa chọn cẩn thận để đảm bảo hiệu suất và độ bền của hệ thống.

2.2. Chi phí và khả năng sản xuất

Chi phí sản xuất bộ chuyển đổi điện là một yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến khả năng ứng dụng của nó. Cần có các giải pháp tối ưu hóa chi phí mà vẫn đảm bảo chất lượng và hiệu suất của sản phẩm.

III. Phương pháp nghiên cứu bộ chuyển đổi điện xoay chiều

Nghiên cứu bộ chuyển đổi điện xoay chiều từ 1 pha sang 3 pha được thực hiện thông qua nhiều phương pháp khác nhau. Các phương pháp này bao gồm khảo sát thực địa, tính toán thiết kế mạch điện, và mô phỏng bằng phần mềm chuyên dụng. Mỗi phương pháp đều có những ưu điểm và hạn chế riêng, nhưng đều hướng đến mục tiêu cuối cùng là phát triển một bộ chuyển đổi hiệu quả và tiết kiệm chi phí.

3.1. Khảo sát thực địa và thu thập dữ liệu

Khảo sát thực địa giúp thu thập thông tin về đặc điểm lưới điện và nhu cầu sử dụng điện của người dân. Dữ liệu này là cơ sở để thiết kế bộ chuyển đổi phù hợp với điều kiện thực tế.

3.2. Tính toán và thiết kế mạch điện

Tính toán thiết kế mạch điện là bước quan trọng trong việc phát triển bộ chuyển đổi. Các thông số như điện áp, dòng điện và tần số cần được xác định chính xác để đảm bảo hiệu suất hoạt động của bộ chuyển đổi.

3.3. Mô phỏng bằng phần mềm Matlab

Mô phỏng bằng phần mềm Matlab giúp kiểm tra và tối ưu hóa thiết kế trước khi thực hiện thực tế. Phương pháp này cho phép điều chỉnh các thông số và đánh giá hiệu suất của bộ chuyển đổi trong các điều kiện khác nhau.

IV. Ứng dụng thực tiễn của bộ chuyển đổi điện xoay chiều

Bộ chuyển đổi điện xoay chiều từ 1 pha sang 3 pha có nhiều ứng dụng thực tiễn trong đời sống và sản xuất. Nó không chỉ giúp cải thiện hiệu suất sử dụng điện mà còn góp phần vào việc phát triển kinh tế xã hội ở các khu vực nông thôn. Các ứng dụng này bao gồm cung cấp điện cho các nhà máy, xí nghiệp, và các thiết bị công nghiệp khác.

4.1. Cung cấp điện cho các nhà máy

Bộ chuyển đổi giúp cung cấp nguồn điện ổn định cho các nhà máy sản xuất, từ đó nâng cao năng suất và hiệu quả sản xuất. Điều này đặc biệt quan trọng trong bối cảnh phát triển công nghiệp ở đồng bằng sông Cửu Long.

4.2. Ứng dụng trong nông nghiệp

Trong nông nghiệp, bộ chuyển đổi điện giúp cung cấp điện cho các thiết bị tưới tiêu, máy móc nông nghiệp, từ đó nâng cao hiệu quả sản xuất nông nghiệp và cải thiện đời sống người dân.

V. Kết luận và tương lai của bộ chuyển đổi điện

Nghiên cứu bộ chuyển đổi điện xoay chiều từ 1 pha sang 3 pha là một bước tiến quan trọng trong việc cải thiện hệ thống điện ở đồng bằng sông Cửu Long. Với những kết quả đạt được, bộ chuyển đổi này hứa hẹn sẽ mang lại nhiều lợi ích cho người dân và nền kinh tế khu vực. Tương lai của bộ chuyển đổi điện sẽ phụ thuộc vào việc tiếp tục nghiên cứu và phát triển công nghệ mới, nhằm nâng cao hiệu suất và giảm chi phí sản xuất.

5.1. Tiềm năng phát triển công nghệ

Công nghệ bộ chuyển đổi điện đang có tiềm năng phát triển mạnh mẽ nhờ vào sự tiến bộ của các linh kiện điện tử và công nghệ điều khiển. Việc áp dụng các công nghệ mới sẽ giúp nâng cao hiệu suất và độ tin cậy của bộ chuyển đổi.

5.2. Hướng đi trong nghiên cứu và ứng dụng

Nghiên cứu và ứng dụng bộ chuyển đổi điện cần được tiếp tục mở rộng, không chỉ trong lĩnh vực công nghiệp mà còn trong các lĩnh vực khác như nông nghiệp và dịch vụ. Điều này sẽ góp phần thúc đẩy sự phát triển bền vững cho khu vực đồng bằng sông Cửu Long.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Điện năng là nguồn năng lượng thiết yếu và phổ biến nhất hiện nay, phục vụ đa dạng nhu cầu sinh hoạt và sản xuất. Tại Đồng bằng Sông Cửu Long, hệ thống lưới điện còn nhiều hạn chế, đặc biệt là sự thiếu hụt nguồn điện ba pha ở các vùng sâu, vùng xa, gây khó khăn cho việc vận hành các thiết bị công nghiệp ba pha. Theo khảo sát tại một số địa phương như Bến Tre, Trà Vinh và Vĩnh Long, lưới điện một pha phổ biến nhưng thường xuyên gặp hiện tượng chập chờn, dao động điện áp vượt mức cho phép, ảnh hưởng đến hiệu suất và tuổi thọ thiết bị. Mục tiêu nghiên cứu là thiết kế và mô phỏng bộ chuyển đổi điện xoay chiều từ một pha sang ba pha phù hợp với điều kiện đặc thù của Đồng bằng Sông Cửu Long, nhằm giải quyết khó khăn về nguồn điện ba pha, giảm chi phí đầu tư lưới điện và thúc đẩy phát triển kinh tế - xã hội khu vực.

Nghiên cứu được thực hiện trong khoảng thời gian từ tháng 2 đến tháng 8 năm 2015, tập trung khảo sát đặc điểm lưới điện tại các vùng nông thôn Đồng bằng Sông Cửu Long, thiết kế bộ biến đổi sử dụng chỉnh lưu boost PFC và điều khiển bằng vi xử lý DSP TMS320F28335, đồng thời xây dựng chương trình mô phỏng trên phần mềm Matlab để thu thập và phân tích dữ liệu. Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc phát triển các thiết bị biến đổi điện năng nội địa, góp phần nâng cao độ tin cậy và hiệu quả sử dụng điện tại các vùng khó khăn, đồng thời hỗ trợ công nghiệp hóa, hiện đại hóa khu vực Đồng bằng Sông Cửu Long.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình điện tử công suất hiện đại, trong đó có:

• Lý thuyết mạch Boost PFC (Power Factor Correction): Mạch boost PFC được sử dụng để tăng áp và cải thiện hệ số công suất, giúp điện áp đầu ra ổn định ở mức 400 V DC từ nguồn điện xoay chiều 220 V, 50 Hz. Mạch này hoạt động ở chế độ dòng liên tục, giảm tổn hao và tăng hiệu suất chuyển đổi lên đến 97%.

• Lý thuyết điều khiển vi xử lý DSP TMS320F28335: Vi xử lý DSP được sử dụng để điều khiển các khóa bán dẫn (IGBT) trong bộ biến đổi, thực hiện giải thuật điều khiển PI tích phân lặp lại (repetitive PI controller) nhằm duy trì điện áp đầu ra ổn định và điều chỉnh dòng điện theo yêu cầu.

• Phương pháp điều chế độ rộng xung (PWM): Sử dụng phương pháp điều chế sin PWM (SPWM) để tạo ra điện áp xoay chiều ba pha từ nguồn điện một chiều, với tần số sóng mang cao nhằm giảm sóng hài và tăng chất lượng điện áp đầu ra.

Các khái niệm chính bao gồm: diode bán dẫn, MOSFET, IGBT, mạch chỉnh lưu boost, bộ nghịch lưu áp ba pha, và các thuật toán điều khiển số.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính được thu thập từ khảo sát thực tế tại các vùng Đồng bằng Sông Cửu Long (Bến Tre, Trà Vinh, Vĩnh Long), kết hợp với tài liệu chuyên ngành về điện tử công suất và điều khiển vi xử lý. Phương pháp nghiên cứu bao gồm:

• Khảo sát đặc điểm lưới điện: Thu thập dữ liệu về điện áp, dòng điện, và các hiện tượng dao động tại các vùng nghiên cứu.

• Tính toán và thiết kế mạch: Dựa trên các công thức mạch boost PFC, lựa chọn linh kiện phù hợp với công suất 1000 W, điện áp đầu vào 220 V và đầu ra 400 V DC.

• Lập trình và mô phỏng: Xây dựng chương trình điều khiển trên DSP TMS320F28335 và mô phỏng toàn bộ hệ thống trên Matlab, điều chỉnh các tham số để đạt hiệu suất tối ưu.

• Thời gian nghiên cứu: Từ 23/02/2015 đến 23/08/2015, với các buổi làm việc định kỳ cùng giáo viên hướng dẫn để đánh giá tiến độ và hiệu chỉnh phương pháp.

Cỡ mẫu nghiên cứu là các vùng lưới điện đại diện cho Đồng bằng Sông Cửu Long, phương pháp chọn mẫu theo tiêu chí đặc điểm lưới điện một pha phổ biến và nhu cầu sử dụng điện ba pha. Phân tích dữ liệu sử dụng mô phỏng số và so sánh kết quả thực nghiệm với mô hình lý thuyết.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Thiết kế thành công bộ chuyển đổi 1 pha sang 3 pha: Bộ biến đổi được thiết kế với công suất đầu ra 1000 W, điện áp đầu vào 220 V, đầu ra DC 400 V, tần số đóng cắt 100 kHz, đạt hiệu suất chuyển đổi khoảng 97%. Mạch boost PFC hoạt động ổn định ở chế độ dòng liên tục, giảm gợn sóng dòng điện xuống còn khoảng 10% giá trị đỉnh.

2. Ứng dụng vi xử lý DSP TMS320F28335 trong điều khiển: Vi xử lý này giúp tăng độ tin cậy thiết bị, đơn giản hóa quá trình lắp đặt và sửa chữa. Giải thuật điều khiển PI tích phân lặp lại được lập trình thành công, đảm bảo điện áp đầu ra ổn định và đáp ứng nhanh với các biến đổi tải.

3. Mô phỏng và thực nghiệm với tải không cân bằng và động cơ 3 pha: Kết quả mô phỏng trên Matlab cho thấy bộ chuyển đổi hoạt động hiệu quả với các dạng tải khác nhau, bao gồm tải 3 pha không đối xứng và tải động cơ không đồng bộ 3 pha, đảm bảo khả năng ứng dụng thực tế trong lưới điện Đồng bằng Sông Cửu Long.

4. Giảm chi phí và tăng tính khả thi sản xuất trong nước: Việc thiết kế và mô phỏng thành công bộ chuyển đổi giúp giảm sự phụ thuộc vào thiết bị nhập khẩu, mở ra cơ hội sản xuất hàng loạt các thiết bị biến đổi điện năng trong nước, góp phần phát triển kinh tế khu vực.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân thành công của bộ chuyển đổi đến từ việc áp dụng linh kiện điện tử công suất hiện đại như IGBT và MOSFET, kết hợp với giải thuật điều khiển số tiên tiến trên DSP. So với các nghiên cứu trước đây, việc tích hợp vi xử lý DSP TMS320F28335 giúp tăng độ chính xác và khả năng điều chỉnh linh hoạt, phù hợp với điều kiện lưới điện không ổn định tại Đồng bằng Sông Cửu Long.

Kết quả mô phỏng có thể được trình bày qua các biểu đồ dạng sóng điện áp và dòng điện đầu ra, thể hiện sự ổn định và giảm thiểu sóng hài. Bảng so sánh hiệu suất và các thông số kỹ thuật giữa mạch boost PFC một nhánh và mạch boost xen kẽ nhiều nhánh cũng minh họa rõ ưu điểm của thiết kế.

So với các sản phẩm thương mại như Inverter của ABB, Siemens, bộ chuyển đổi nghiên cứu có kích thước nhỏ gọn, chi phí thấp hơn và dễ dàng bảo trì, phù hợp với điều kiện kinh tế và kỹ thuật của vùng nghiên cứu. Tuy nhiên, vẫn còn tồn tại một số hạn chế như khả năng chịu tải tối đa và độ bền linh kiện cần được cải thiện trong các nghiên cứu tiếp theo.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Phát triển sản xuất thử nghiệm bộ chuyển đổi tại các cơ sở công nghiệp trong nước: Tập trung vào việc hoàn thiện thiết kế, nâng cao độ bền linh kiện và tối ưu hóa chi phí sản xuất trong vòng 12 tháng tới, do các viện nghiên cứu và doanh nghiệp điện tử công suất thực hiện.

2. Mở rộng khảo sát và thử nghiệm thực tế tại các vùng khác của Đồng bằng Sông Cửu Long: Đánh giá hiệu quả hoạt động của bộ chuyển đổi trong điều kiện tải và lưới điện đa dạng, nhằm hoàn thiện giải pháp kỹ thuật trong 18 tháng, do các trường đại học và cơ quan quản lý điện lực phối hợp thực hiện.

3. Đào tạo kỹ thuật viên và cán bộ vận hành về công nghệ biến đổi điện năng mới: Tổ chức các khóa đào tạo chuyên sâu về lập trình DSP và bảo trì bộ chuyển đổi, nâng cao năng lực vận hành trong 6 tháng, do các trung tâm đào tạo kỹ thuật và trường đại học đảm nhiệm.

4. Nghiên cứu cải tiến giải thuật điều khiển và tích hợp công nghệ IoT: Áp dụng các thuật toán điều khiển thông minh và giám sát từ xa để tăng tính

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1 TỔNG QUAN 1. Tổng quan về lĩnh vực nghiên cứu, các kết quả nghiên cứu trong và ngoài nước.Tổng quan về lĩnh vực nghiên cứu. Điện là một loại năng lượng mạnh và thông dụng nhất hiện nay. Năng lượng điện có được từ quá trình chuyển đổi các dạng năng lượng khác như: năng lượng nhiệt từ dầu hỏa, năng lượng nước từ các nhà máy thủy điện, năng lượng địa nhiệt hay gần đây là năng lượng mặt trời, năng lượng sóng biển, năng lượng hạt nhân … Nhu cầu về năng lượng điện cho cuộc sống rất đa dạng, trang thiết bị dùng điện liên tục phát triển, đòi hỏi nguồn điện cung cấp cũng phải phong phú và biến đổi không ngừng.

Bước phát triển quan trọng nhất của kỹ thuật cung cấp điện là từ 1975 đến 1990 và có tính cách mạng được đánh dấu bởi sự xuất hiện của các transistors cao áp BJT (Bipolar Junction Transistor ) và thyristor điều khiển hoàn toàn GTO (Gate Turn Off Thyristor), tiếp đến là IGBT được phát minh bởi Hans W. Beck và Carl F. IGBT là sản phẩm được hình thành bởi sự kết hợp khả năng đóng cắt nhanh của MOSFET và khả năng chịu tải lớn của transistor thường. Mặt khác IGBT cũng là phần tử điều khiển bằng điện áp, do đó công suất điều khiển yêu cầu sẽ cực nhỏ.

Từ đây người ta dễ dàng chuyển đổi qua lại các dạng năng lượng điện phục vụ nhu cầu đa dạng của cuộc sống nhờ các linh kiện Điện tử công suất này có tần số đóng cắt lớn, làm việc ổn định ở vùng điện áp cao, khả năng chịu quá dòng, quá nhiệt lớn, dễ dàng kết nối điều khiển với các bộ Vi xử lý, máy tính hay mạng truyền thông internet. Kỹ thuật biến đổi năng lượng điện đã gặt hái được khá nhiều thành tựu đáng kể trong những năm vừa qua. Nhiều sản phẩm ứng dụng đã từng bước khẳng định được vai trò hữu ích của của nó trong việc phục vụ cuộc sống. Tuy nhiên phải HVTH: Nguyễn Văn Tiến 1 Luận văn Thạc sĩ GVHD: PGS.

Trương Việt Anh thừa nhận rằng nó vẫn là còn là một ngành công nghiệp non trẻ, cần phải mất nhiều thời gian để tiếp tục nghiên cứu, hoàn thiện. Hiện nay trên thế giới phổ biến một số dạng biến đổi năng lượng điện như sau: - Bộ biến đổi AC/DC (Rectifiers): Tức là biến đổi điện áp và dòng điện xoay chiều thành điện áp và dòng điện một chiều. Phương pháp này đơn giản, có thể chỉ cần dùng một bộ diode chỉnh lưu điện xoay chiều, sau đó dùng các bộ lọc để có được điện áp và dòng điện một chiều theo yêu cầu. - Bộ biến đổi AC-AC Convertor: Biến đổi điện áp xoay chiều có trị hiệu dụng không đổi thành điện áp xoay chiều có trị hiệu dụng thay đổi được.

-Biến đổi điện áp một chiều – Chopper DC-DC: Biến đổi điện áp một chiều có giá trị trung bình không thay đổi thành điện áp một chiều có giá trị trung bình thay đổi được. HVTH: Nguyễn Văn Tiến 2 Luận văn Thạc sĩ GVHD: PGS. Trương Việt Anh - Bộ nghịch lưu - DC/AC converters: Biến đổi năng lượng điện từ nguồn điện một chiều không biến thiên sang dạng năng lượng xoay chiều biến thiên theo thời gian. Bộ biến đổi này hiện nay rất thông dụng bởi việc phát triển các dạng năng lương sạch như năng lượng mặt trời, năng lượng gió… - Bộ biến tần trực tiếp - AC-AC Converter (Cycloconverter or Frequency Changer): Biến đổi điện áp xoay chiều có trị hiệu dụng và tần số không đổi thành điện áp xoay chiều với trị hiệu dụng và tần số thay đổi được.

-Bộ biến tần gián tiếp AC-DC-AC: Nguồn điện xoay chiều ban đầu được chỉnh lưu thành một chiều. Sau đó chuyển đổi điện áp một chiều đó thành điện áp xoay chiều có trị hiệu dụng điện áp và tần số có thể thay đổi được. Thông thường khi muốn biến đổi điện áp Ac từ cấp điện áp này sang cấp điện áp khác người ta thường sử dụng kiểu biến đổi này nhằm dễ dàng điều chỉnh các thông số biến đổi theo mong muốn. HVTH: Nguyễn Văn Tiến 3 Luận văn Thạc sĩ GVHD: PGS.

Trương Việt Anh -AC Switches: Matrix Converter (biến tần ma trận) Nhìn chung cấu trúc mạch điện của bộ biến đổi thường không quá phức tạp nhưng vấn đề đặt ra luôn nằm ở các giải thuật điều khiển bởi vì để đạt được hiệu suất biến đổi cao và đảm bảo độ ổn định trong mọi tình huống luôn là trở ngại lớn cho việc đạt mục tiêu của các công trình nghiên cứu. Ngoài ra do mô hình của bộ biến đổi có tính phi tuyến nên việc điều khiển nó tương đối phức tạp. Về nguyên lý cơ bản, khi muốn chuyển đổi qua lại các dạng năng lượng điện từ AC/DC; AC/AC; hay từ DC/DC ta có thể chuyển đổi theo cách dùng linh kiện điện tử công suất kết hợp với biến áp có hai cuộn dây độc lập cách ly về điện giữa hai ngõ vào và ra hoặc dùng các linh kiện điện tử công suất để chuyển đổi trực tiếp thông qua cuộn cảm - tụ điện (không cách ly). Kết hợp biến áp xung là cách truyền thống nhưng quá cồng kềnh do lõi sắt từ của biến áp quá lớn, khi cần biến đổi một công suất lớn sẽ rất tốn kém, hiệu quả kinh tế không cao.

Vì vậy người ta chỉ sử dụng nó khi cần nguồn biến đổi công suất không lớn lắm, chất lượng nguồn cách ly thật tốt (chống giật, chống dòng rò) còn hầu hết nguồn công suất lớn, sử dụng trong công nghiệp, điều khiển… đều dùng kiểu biến đổi trực tiếp sẽ có kích thước nhỏ gọn, công suất lớn, hiệu quả kinh tế cao. Với những đặc tính ưu việt như các phân tích vừa nêu, cho nên đề tài này chỉ khảo sát, nghiên cứu, phân tích các kiểu mạch biến đổi nguồn trực tiếp bằng linh kiện điện tử công suất hiện đại (nguồn không cách ly). Các van bán dẫn sẽ được bộ HVTH: Nguyễn Văn Tiến 4 Luận văn Thạc sĩ GVHD: PGS. Trương Việt Anh Vi xử lý điều khiển để tạo các mức điện áp và dòng điện theo yêu cầu.2) lần lượt là hai mạch cơ bản dùng minh họa chế độ Boost tăng áp và Buck hạ áp: a) b) c) Hình 1.

Mạch hoạt động ở chế độ Boost tăng áp a) Hình 1. Mạch hoạt động ở chế độ Buck hạ áp HVTH: Nguyễn Văn Tiến 5 Luận văn Thạc sĩ GVHD: PGS. Trương Việt Anh b) c) Hình 1.2c Mạch hoạt động ở chế độ Buck hạ áp Trong cả hai mạch cơ bản nêu trên ta đều có thể chuyển đổi năng lượng điện một cách dễ dàng. Tuy nhiên, các van bán dẫn và cuộn cảm kháng sẽ luôn phải làm việc ở trạng thái kém an toàn bởi dòng qua chúng gần như đạt mức cực đại.

Toàn bộ năng lượng trao đổi đều được truyền qua cuộn kháng, các van bán dẫn sẽ phải dẫn toàn bộ dòng và điện áp cao của mạch. Do bản thân các van công suất có sự giới hạn về khả năng dẫn dòng, chịu áp nên ta rất khó đạt được công suất cao ở các cấu hình cơ bản này. Ngoài ra, chính vì dòng điện đập mạch lớn nên ta phải dùng các tụ có dung lượng, kích thước lớn. khiến cho bộ biến đổi năng lượng điện trở nên cồng kềnh, kém hiệu quả kinh tế.

Mô hình mạch boost PFC có 2 pha xếp chồng HVTH: Nguyễn Văn Tiến 6 Luận văn Thạc sĩ GVHD: PGS. Trương Việt Anh Để khắc phục các nhược điểm trên, cấu hình bộ boost có pha xếp chồng (Interleaved Boost PFC AC/DC converter) đã được đề xuất đưa vào nghiên cứu.3) ở trên là mạch boost có 2 pha xếp chồng. Một cách đơn giản, có thể xem đây là sự xếp chồng của các cấu hình cơ bản. Trong đó công suất của cả hệ thống sẽ được chia đều cho các pha.

Tuy nhiên cần phải ứng dụng kỹ thuật chuyển mạch mềm mới có thể đạt được kết quả như mong muốn, đặc biệt là đối với những bộ chuyển đổi năng lượng điện có công suất lớn. Nghiên cứu, chế tạo các bộ nghịch lưu không còn là vấn đề gì mới mẻ. Tuy nhiên, do tính hữu dụng gần như không thể thiếu trong sự tồn tại và phát triển của tất cả các ngành công nghiệp nên việc tiếp tục nghiên cứu hoàn thiện, cải tiến là một việc làm tất yếu.Các kết quả nghiên cứu trong và ngoài nước. Trên thế giới đã có rất nhiều đề tài nghiên cứu và các thành quả to lớn được công nhận bản quyền sở hữu trí tuệ.

Trong đó có Đề tài khảo sát và ứng dụng bộ chuyển đổi tăng áp xen kẽ của Chuanyun wang ngày 21 tháng 7 năm 2009 (Investigation on Interleaved Boost Converters and Applications, Chuanyun Wang, July 21st, 2009, Blacksburg, Virginia)… Nhiều công trình nghiên cứu và thực nghiệm trên thế giới đã mang lại kết quả rất khả quan trong lĩnh vực này. Nhờ sự ra đời của các bộ vi xử lý, các linh kiện tích hợp với tần số tác động cao, công suất lớn, đã làm cho các thiết bị biến đổi ngày nay có kích thước nhỏ gọn nhưng tính năng đa dạng và chất lượng nguồn đạt chuẩn quốc tế. Các thành quả nghiên cứu đã được thương mại hóa bằng rất nhiều sản phẩm biến đổi có độ tin cậy cao trên thị trường hiện nay như các thương hiệu Inverter: ABB; Siemens; Omron; Rockwell; Schneider; Toshiba; Fuji; Yaskawa … Mặc dù thế, việc nghiên cứu để hoàn thiện hơn nữa các bộ biến đổi vẫn luôn là công việc không ngừng nghỉ của các nhà khoa học trên thế giới. HVTH: Nguyễn Văn Tiến 7 Luận văn Thạc sĩ GVHD: PGS.

Trương Việt Anh Ở nước ta, nền công nghiệp sản xuất hàng hóa trong những năm gần đây vô cùng phát triển. Các nhà máy, xí nghiệp công nghiệp thi nhau mọc lên, đồng nghĩa với việc vô số các máy móc thiết bị được vận hành bởi các bộ biến tần, biến đổi điện áp. Nhu cầu ở hiện tại và lâu dài là rất lớn, tuy nhiên năng lực sản xuất chế tạo trong nước chưa đáp ứng được, hầu hết nhiều đề tài, dự án còn nằm trong dạng nghiên cứu, thử nghiệm. Gần như tất cả các thiết bị biến đổi năng lượng điện (biến tần) đều nhập khẩu từ nước ngoài với giá thành tương đối cao, ảnh hưởng không nhỏ đến tốc độ phát triển của nền kinh tế.

Vì vậy, đẩy mạnh công tác nghiên cứu ứng dụng, nhanh chóng thử nghiệm để tiến tới sản xuất hàng loạt các thiết bị biến đổi năng lượng điện cung cấp cho thị trường trong nước là một trong những vấn đề cấp bách hiện nay. Tính cấp thiết và ý nghĩa khoa học của đề tài.