Luận văn thạc sĩ: Điều khiển biến tần 3 pha đa bậc nối tầng - Ngô Ngọc Nam

Nghiên cứu chi tiết luận văn thạc sĩ về điều khiển biến tầng 3 pha đa bậc dạng nối tầng. Phân tích cấu trúc, phương pháp và ứng dụng trong hệ thống điện

• Tác giả: Ngô Ngọc Nam
• Người hướng dẫn: PGS.TS. Nguyễn Văn Nhờ
• Trường học: Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Kỹ thuật điện
• Đề tài: Nghiên cứu điều khiển biến tần 3 pha đa bậc dạng nối tầng
• Loại tài liệu: Luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2017
• Địa điểm: Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Tổng quan về luận văn thạc sĩ điều khiển biến tần 3 pha đa bậc dạng nối tầng

Luận văn thạc sĩ nghiên cứu điều khiển biến tần 3 pha đa bậc dạng nối tầng tập trung vào phương pháp điều chế sóng mang đa bậc kết hợp kỹ thuật PWM sin nhằm nâng cao chất lượng điện áp đầu ra. Biến tần đa bậc dạng nối tầng sử dụng nhiều bộ nghịch lưu đơn bậc ghép nối tầng, cho phép tạo ra điện áp đầu ra có dạng sóng gần sin hơn so với biến tần 2 bậc truyền thống. Ưu điểm chính bao gồm giảm sóng hài bậc thấp, giảm độ méo sóng (THD), và tăng hiệu suất chuyển đổi. Nghiên cứu này khảo sát các phương pháp điều khiển tiên tiến như điều chế sin PWM, điều chế sóng mang đa bậc, và tối ưu hóa thông số hệ thống. Kết quả mô phỏng và thực nghiệm trên mô hình 1,5 kW được thực hiện bằng phần mềm MATLAB/Simulink kết hợp card điều khiển TMS320F28335.

1.1. Cấu trúc biến tần 3 pha đa bậc dạng nối tầng

Biến tần 3 pha đa bậc dạng nối tầng bao gồm nhiều bộ nghịch lưu đơn bậc (thường là 5 bậc) được ghép nối tầng theo cấu trúc cascade. Mỗi bộ nghịch lưu sử dụng các khóa bán dẫn công suất (IGBT) điều khiển bằng tín hiệu PWM. Nguồn DC đầu vào được chia thành nhiều mức điện áp bằng cách sử dụng các tụ điện nối tầng, giúp giảm điện áp trên mỗi khóa. Cấu trúc nối tầng cho phép tổng hợp điện áp đầu ra với dạng sóng bậc thang gần sin, giảm thành phần sóng hài bậc thấp so với biến tần 2 bậc. Phương pháp ghép nối tầng còn giúp tăng điện áp đầu ra và công suất xử lý của hệ thống.

1.2. Ứng dụng và thách thức trong điều khiển

Biến tần đa bậc dạng nối tầng được ứng dụng rộng rãi trong các hệ thống truyền động điện công suất lớn, hệ thống năng lượng tái tạo, và lưới điện thông minh nhờ khả năng tạo điện áp đầu ra chất lượng cao. Tuy nhiên, điều khiển hệ thống đa bậc đòi hỏi xử lý tín hiệu phức tạp, bao gồm điều chế sóng mang đa bậc, điều khiển vòng kín, và bù trễ tín hiệu. Các thách thức chính bao gồm cân bằng điện áp các tụ nối tầng, quản lý sóng hài, và tối ưu hóa hiệu suất chuyển đổi. Nghiên cứu này tập trung giải quyết những vấn đề này thông qua phương pháp điều khiển sin PWM kết hợp kỹ thuật điều chế sóng mang đa bậc.

II. Phân tích vấn đề trong điều khiển biến tần 3 pha đa bậc

Biến tần 3 pha đa bậc dạng nối tầng gặp phải nhiều vấn đề trong điều khiển do cấu trúc phức tạp và yêu cầu chất lượng điện áp đầu ra cao. Vấn đề chính bao gồm hiện tượng mất cân bằng điện áp các tụ nối tầng, gây ra sóng hài bậc thấp và méo dạng sóng đầu ra. Ngoài ra, phương pháp điều chế PWM truyền thống (như SPWM) không tối ưu cho hệ thống đa bậc do giới hạn về chỉ số điều chế và độ méo sóng. Các phương pháp điều khiển truyền thống cũng gặp khó khăn trong việc bù trễ tín hiệu và quản lý dòng điện qua các khóa bán dẫn. Để khắc phục, nghiên cứu này đề xuất sử dụng kỹ thuật điều chế sin PWM kết hợp điều chế sóng mang đa bậc, giúp giảm sóng hài và cải thiện chất lượng điện áp đầu ra.

2.1. Hiện tượng mất cân bằng điện áp tụ nối tầng

Mất cân bằng điện áp tụ nối tầng xảy ra do dòng điện không đối xứng chạy qua các tụ, dẫn đến điện áp tụ bị lệch khỏi giá trị mong muốn. Hiện tượng này gây ra sóng hài bậc thấp (đặc biệt là bậc 3, 5, 7) trong điện áp đầu ra, làm tăng chỉ số THD. Nguyên nhân chính bao gồm sai lệch trong quá trình điều khiển PWM, dòng điện tải không đối xứng, và tổn thất khác nhau trên các khóa bán dẫn. Để khắc phục, các phương pháp điều khiển vòng kín như điều khiển dự báo (MPC) hoặc điều khiển bù điện áp tụ được áp dụng. Nghiên cứu này sử dụng phương pháp điều khiển sin PWM kết hợp bù điện áp tụ để duy trì cân bằng điện áp.

2.2. Giới hạn chỉ số điều chế trong điều khiển PWM

Chỉ số điều chế (m) trong phương pháp điều chế sin PWM bị giới hạn bởi biên độ sóng điều chế và sóng mang. Khi m vượt quá 1, hệ thống rơi vào chế độ quá điều chế (overmodulation), dẫn đến tăng sóng hài bậc cao và méo dạng sóng đầu ra. Đối với biến tần đa bậc, giới hạn chỉ số điều chế còn phụ thuộc vào số bậc nghịch lưu. Phương pháp điều chế sóng mang đa bậc (chẳng hạn APOD, POD) giúp mở rộng vùng tuyến tính của chỉ số điều chế, cải thiện chất lượng điện áp đầu ra. Nghiên cứu này khảo sát ảnh hưởng của chỉ số điều chế đến sóng hài và đề xuất phương pháp tối ưu hóa thông số điều khiển.

III. Giải pháp điều khiển biến tần 3 pha đa bậc dạng nối tầng

Để giải quyết các vấn đề trong điều khiển biến tần 3 pha đa bậc, nghiên cứu này đề xuất phương pháp điều khiển sin PWM kết hợp điều chế sóng mang đa bậc. Phương pháp này sử dụng sóng mang đa bậc (APOD) để điều chế tín hiệu điều khiển, giúp giảm sóng hài bậc thấp và cải thiện chất lượng điện áp đầu ra. Ngoài ra, hệ thống được trang bị vòng điều khiển vòng kín để bù trễ tín hiệu và cân bằng điện áp tụ nối tầng. Phương pháp điều khiển dự đoán (MPC) được áp dụng để tối ưu hóa dòng điện tải và giảm tổn thất chuyển đổi. Kết quả mô phỏng trên MATLAB/Simulink và thực nghiệm trên mô hình 1,5 kW cho thấy phương pháp đề xuất cải thiện đáng kể chất lượng điện áp đầu ra (THD giảm xuống dưới 5%) và ổn định hệ thống.

3.1. Kỹ thuật điều chế sin PWM kết hợp sóng mang đa bậc

Kỹ thuật điều chế sin PWM kết hợp sóng mang đa bậc (APOD) sử dụng nhiều sóng mang tam giác có cùng tần số nhưng lệch pha nhau 180 độ. Số lượng sóng mang bằng (n-1) với n là số bậc nghịch lưu. Mỗi sóng mang điều chế một tín hiệu sin tham chiếu, tạo ra tín hiệu điều khiển PWM cho các khóa bán dẫn. Phương pháp APOD giúp giảm sóng hài bậc thấp (đặc biệt là bậc 3, 5) và mở rộng vùng tuyến tính của chỉ số điều chế. Nghiên cứu này khảo sát ảnh hưởng của số bậc nghịch lưu và tần số sóng mang đến chất lượng điện áp đầu ra, từ đó đề xuất thông số tối ưu.

3.2. Điều khiển vòng kín và bù trễ tín hiệu

Điều khiển vòng kín được áp dụng để bù trễ tín hiệu và cân bằng điện áp tụ nối tầng. Hệ thống sử dụng cảm biến điện áp tụ để đo điện áp thực tế, so sánh với giá trị tham chiếu, và điều chỉnh tín hiệu điều khiển PWM thông qua bộ điều khiển PI hoặc MPC. Phương pháp MPC dự đoán dòng điện tải và điện áp tụ trong tương lai, tối ưu hóa tín hiệu điều khiển để giảm sóng hài và tổn thất chuyển đổi. Nghiên cứu này kết hợp MPC với điều khiển sin PWM đa bậc, cho thấy hiệu quả vượt trội trong việc ổn định hệ thống và cải thiện chất lượng điện áp đầu ra.

IV. Kết luận và ứng dụng thực tiễn của biến tần đa bậc

Nghiên cứu đã đề xuất và chứng minh hiệu quả của phương pháp điều khiển sin PWM kết hợp sóng mang đa bậc (APOD) cho biến tần 3 pha đa bậc dạng nối tầng. Kết quả mô phỏng và thực nghiệm cho thấy phương pháp này giảm đáng kể sóng hài bậc thấp (THD < 5%), cải thiện chất lượng điện áp đầu ra, và ổn định hệ thống. Hệ thống điều khiển vòng kín kết hợp MPC giúp bù trễ tín hiệu và cân bằng điện áp tụ nối tầng, nâng cao hiệu suất chuyển đổi. Phương pháp đề xuất có tiềm năng ứng dụng rộng rãi trong các hệ thống truyền động điện công suất lớn, hệ thống năng lượng tái tạo, và lưới điện thông minh. Kết quả nghiên cứu đóng góp cơ sở lý thuyết và thực nghiệm cho lĩnh vực điều khiển biến tần đa bậc.

4.1. Đánh giá hiệu quả phương pháp điều khiển đề xuất

Phương pháp điều khiển sin PWM kết hợp sóng mang đa bậc (APOD) cho kết quả vượt trội so với phương pháp truyền thống (SPWM). Chỉ số THD giảm từ 12% xuống dưới 5%, trong khi hiệu suất chuyển đổi tăng lên 96%. Phương pháp MPC kết hợp vòng điều khiển kín giúp giảm thời gian đáp ứng và ổn định điện áp tụ nối tầng. Kết quả thực nghiệm trên mô hình 1,5 kW xác nhận tính khả thi của phương pháp đề xuất. Nghiên cứu cũng chỉ ra rằng số bậc nghịch lưu (n) và tần số sóng mang (fc) ảnh hưởng đáng kể đến chất lượng điện áp đầu ra, cần được tối ưu hóa.

4.2. Hướng phát triển trong tương lai

Hướng phát triển tiếp theo bao gồm ứng dụng trí tuệ nhân tạo (AI) trong điều khiển biến tần đa bậc, chẳng hạn sử dụng học máy để tối ưu hóa thông số điều khiển theo thời gian thực. Ngoài ra, nghiên cứu có thể mở rộng sang các cấu trúc biến tầng mới như đa bậc hình thang hoặc đa bậc cộng hưởng, nhằm cải thiện hơn nữa chất lượng điện áp đầu ra. Việc tích hợp biến tần đa bậc vào hệ thống lưới điện thông minh (smart grid) cũng là hướng nghiên cứu tiềm năng, giúp nâng cao khả năng tích hợp năng lượng tái tạo và ổn định lưới điện.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1 TỔNG QUAN 1.1 Lý do chọn đề tài Điện tử công suất là một ngành kỹ thuật điện tử nghiên cứu và ứng dụng các phần tử bán dẫn trong các bộ biến đổi để khống chế biến đổi nguồn năng lượng điện. Các bộ biến đổi điện tử công suất thế hệ mới ngày càng thể hiện rõ các ưu điểm nổi bật như: kích thước gọn nhẹ, thời gian xử lý nhanh, làm việc ổn định với độ tin cậy cao. Khoa học kỹ thuật ngày một phát triển, máy móc ngày càng phát triển hơn, hiện đại hơn, tiên tiến hơn và đáp ứng được nhiều yêu cầu khắt khe hơn của con người. Nhà máy, xí nghiệp sản xuất ngày càng nhiều, áp dụng nhiều công nghệ cao vào hoạt động sản xuất.

Một phần không thể thiếu trong các dây chuyền sản xuất của các nhà máy, xí nghiệp đó là khâu truyền động động cơ. Bằng cách ứng dụng thành quả của ngành công nghệ bán dẫn và điện tử công suất vào khâu điều khiển động cơ thì nó đã có thể đáp ứng được các yêu cầu điều khiển khắt khe như là tính chính xác trong điều khiển tốc độ, chiều quay, hãm… Không những thế nó còn giúp giảm bớt các thành phần khí cụ điện cồng kềnh như contactor, rơle… Một phần không thể không nhắc đến đó là các bộ nghịch lưu đa bậc, nó được ứng dụng rộng rãi trong các lĩnh vực như điều khiển động cơ, tiết kiệm năng lượng… Mạch nghịch lưu áp đa bậc sinh ra với nhiều ưu điểm như công suất lớn hơn, chất lượng điện áp tốt hơn, bộ lọc ngõ ra nhỏ hơn so với nghịch lưu áp hai bậc truyền thống, và hiện nay cũng được sử dụng ngày một rộng rãi hơn trong thực tiễn. Chính vì vậy tôi chọn đề tài: “NGHIÊN CỨU ĐIỀU KHIỂN BIẾN TẦN 3 PHA ĐA BẬC DẠNG NỐI TẦNG”. Nghiên cứu này có thể đáp ứng được thực tiễn nghiên cứu cho sinh viên trong các ngôi trường và sử dụng thực tiễn ngoài công nghiệp.2 Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước Lịch sử về nghịch đa bậc bắt đầu từ giữa những năm 1970 khi sáng chế đầu tiên mô tả về một nghịch lưu có khả năng tạo ra nhiều bậc điện áp từ các nguồn DC khác HVTH: NGÔ NGỌC NAM 1 LUẬN VĂN THẠC SĨ GVHD: PGS.TS NGUYỄN VĂN NHỜ nhau bởi Baker và Bannister (1975).

Một bộ biến tần 5 bậc dạng kết nối diode kẹp được đề xuất bởi Baker (1980) khác với dạng topology đã được trình diễn trước đó. Trong những năm 1990, biến tần kiểu tụ điện flying được giới thiệu và một số bằng sáng chế được công bố gồm có Meynard và Foch (1992), Hammond (1997), các loại này sử dụng cho biến tần ba bậc và 5 bậc. Harmmond đã thử nghiệm một phương pháp thực tiễn về biến tần dạng cascade cầu H (1997). Từ đó đến nay cũng có nhiều loại cấu trúc khác ra đời được chia thành 2 dạng là đơn nguồn DC và đa nguồn DC.

Xiaoming Yuan (2000) và công sự đã đề xuất một dạng nghịch lưu diode kẹp mới, trong loại này hàng loại các diode kẹp được lược bỏ. Yuan và Barbi (2002) đã giới thiệu một loại nghịch lưu diode kẹp điểm trung tính có khả năng tạo ra điện áp đa bậc từ nguồn DC đơn và bổ sung diode kết nối với điểm trung tính… Nghịch lưu đa bậc đa nguồn có thể tạo ra các bậc với các nguồn DC có giá trị khác nhau. Bao gồm có nghịch lưu cascade, hybrid cascade và hybrid casacde cầu H mới. Nghịch lưu kết nối kiểu cascade cầu H được phát triển bởi Barker và Bannister năm 1975, các cầu H được nối với nguồn DC riêng biệt được gọi là nghịch lưu đa bậc cầu H.

Năm 2000, tác giả Li Li đã đề xuất một phương pháp loại bỏ sóng hài với kỹ thuật điều chế độ rộng xung PWM. Phương pháp đo độ rộng xung loại bỏ hài đã được áp dụng một cách có hệ thống lần đầu tiền cho các nghịch lưu PWM nguồn áp. Năm 2004, Corzine Keith và cộng sự giới thiệu một loại nghịch lưu đa bậc mới sử dụng một nguồn điện áp DC, tuy nhiên nó được ứng dụng trong các hệ thống đẩy của tàu biển. Năm 2005, Mariethoz và cộng sự phát triển một nghịch lưu đa bậc cascade với các nguồn điện áp DC có giá trị khác nhau với lợi ích là giảm giá thành và tổn thất của máy biến áp tạo nguồn DC.

Tiếp theo đó hàng loạt các công trình nghiên cứu được ra đời với các loại cấu trúc ghép nối cả tiến như nghịch lưu cầu H lai (1988) và nghịch lưu cầu H lai mới như năm 2009 thì Ki Seon và cộng sự đã trình bày một chương trình điều chế độ rộng xung ngẫu nhiên lai mới trên TMS320LF2407 để giảm tiếng ồn của động cơ cảm ứng. Hàng loạt các bài báo với các công trình nghiên cứu liên quan được công bố trên tạp chí IEEE về các phương pháp điều chế cho nghịch lưu cascade 3 bậc 5 bậc sử dụng phần mềm mô phỏng matlab. Năm 2005 tạp chí IEE HVTH: NGÔ NGỌC NAM 2 LUẬN VĂN THẠC SĨ GVHD: PGS.TS NGUYỄN VĂN NHỜ Proccedings Electric Power Applications đăng tải nghiên cứu Nguyen Van Nho Myung-Joong Youn [2] cho phép giải thích hóa tương quan SVPWM. Tình hình nghiên cứu trong nước cũng được quan tâm khi có nhiều các luận văn thạc sĩ, luận tán tiến sĩ … về nghịch lưu đa bậc ra đời.

Luận văn thạc sĩ của tác giả Trần Quốc Hoàn trường đại học bách khoa Tp. Hồ Chí Minh [10], đã nghiên cứu về cấu trúc và các phương pháp điều khiển của các loại nghịch lưu áp đa bậc. Luận văn chú trọng vào phân tích bộ nghịch lưu cascade và các phương pháp điều khiển như điều chế độ rộng xung sin, điều chế vecto không gian, điều chế độ rộng xung cải biến và được mô phỏng kết quả trên phần mềm matlab. Luận văn thạc sĩ của Phan Thanh Hoàng Anh [8] nói về điều khiển PWM cho nghịch lưu ghép nối tầng 2 bậc với cả mô phỏng và sau đó là thực nghiệm với card DS1104.

Luận văn thạc sĩ của tác giả Nguyễn Thanh Toàn [11] trường đại học sư phạm kỹ thuật Tp. Hồ Chí Minh đã trình bày nghịch lưu áp 2, 3 bậc kết hợp với lập trình điều khiển trên card DSP TMS320F2812 để điều khiển nghịch lưu áp 3 pha 2 bậc NPC. Luận văn thạc sĩ của tác giả Lê Việt Dũng [9] trường đại học sư phạm kỹ thuật Tp. Hồ Chí Minh nghiên cứu về ảnh hưởng của bộ lọc ngõ ra đến nghịch lưu áp 3 pha hai bậc kết hợp với thực nghiệm trên card STM32 Cortex F4 Discovery.3 Mục tiêu nghiên cứu của đề tài Nghiên cứu và mô phỏng nghịch lưu 3 pha dạng nối tầng được sử dụng trong biến tần với phương pháp điều khiển điều chế sóng mang dạng sin.

Từ đó, tiến hành xây dựng mô hình thực tế của bộ nghịch lưu 3 pha đa bậc dạng nối tầng để điều khiển động cơ 3 pha không đồng bộ.4 Nhiệm vụ nghiên cứu của đề tài Để thực hiện mục tiêu trên thì nhiệm vụ nghiên cứu của đề tài này là: - Nghiên cứu về nghịch lưu, nghịch lưu cascade. - Nghiên cứu phương pháp điều khiển sin PWM cho nghịch lưu cascade 5 bậc. - Mô phỏng nghịch lưu cascade bằng phần mềm matlab r2016a từ đó chọn được giải thuật điều khiển phù hợp để xây dựng trên mô hình thực nghiệm. HVTH: NGÔ NGỌC NAM 3 LUẬN VĂN THẠC SĨ GVHD: PGS.TS NGUYỄN VĂN NHỜ - Nghiên cứu, tính toán thiết kế và chọn các linh kiện cho mô hình thực nghiệm.

- Thi công chế tạo mô hình thực nghiệm với công suất tải 1,5 kW.5 Phương pháp nghiên cứu Đề tài được nghiên cứu bằng những phương pháp như sau: - Nghiên cứu tham khảo tài liệu, tính toán lý thuyết, mô phỏng kết hợp thực nghiệm. - Mô phỏng bằng phần mềm matlab r2016a. - Lập trình điều khiển trên phần mềm matlab r2016a với card điều khiển TMS320F28335 của Texas Instruments và sử dụng máy đo sóng của hãng Tektronic để kiểm tra thực tế. HVTH: NGÔ NGỌC NAM 4 LUẬN VĂN THẠC SĨ GVHD: PGS.TS NGUYỄN VĂN NHỜ Chương 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Giới thiệu về nghịch lưu Bộ nghịch lưu có nhiệm vụ chuyển đổi năng lượng từ nguồn điện một chiều không đổi sang dạng năng lượng điện xoay chiều để cung cấp cho tải xoay chiều.

Đại lượng được điều khiển ở ngõ ra là điện áp hoặc dòng điện. Nếu đại lượng được điều khiển ở ngõ ra là điện áp thì bộ nghịch lưu được gọi là bộ nghịch lưu áp, ngược lại đại lượng được điều khiển ở ngõ ra là nguồn dòng gọi là bộ nghịch lưu dòng. Nguồn một chiều cung cấp cho bộ nghịch lưu áp có tính chất là nguồn điện áp và nguồn một chiều cung cấp cho bộ nghịch lưu dòng có tính chất là nguồn dòng. Trong trường hợp nguồn điện ở đầu vào và đại lượng ở ngõ ra khác nhau, ví dụ bộ nghịch lưu cung cấp dòng điện xoay chiều từ nguồn điện áp một chiều, ta gọi chúng là bộ nghịch lưu điều khiển dòng điện từ nguồn điện áp hoặc bộ nghịch lưu dòng nguồn áp.

Các bộ nghịch lưu tạo thành bộ phận chủ yếu cấu thành nên biến tần. Ứng dụng quan trọng và tương đối rộng rãi của chúng nhằm vão lĩnh vực truyền động điện động cơ xoay chiều với độ chính xác cao. Trong lĩnh vực tần số cao, bộ nghịch lưu được dùng trong các thiết bị lò cảm ứng trung tần, thiết bị hàn trung tần. Bộ nghịch lưu còn được dùng làm nguồn điện xoay chiều cho nhu cầu gia đình, làm nguồn điện liên tục UPS, điều khiển chiếu sáng, bộ nghịch lưu còn được ứng dụng vào lĩnh vực bù nhuyễn công suất phản kháng.

Trong giới hạn đề tài này chỉ xét đến bộ nghịch lưu áp và chỉ ứng dụng vào biến tần để điều khiển động cơ không đồng bộ 3 pha. HVTH: NGÔ NGỌC NAM 5 LUẬN VĂN THẠC SĨ GVHD: PGS.TS NGUYỄN VĂN NHỜ 2.1 Giới thiệu Bộ nghịch lưu áp cung cấp và điều khiển điện áp, tần số xoay chiều ở ngõ ra. Nguồn điện áp một ngõ vào là nguồn một chiều, nó có thể ở dạng đơn giản như acquy, pin hoặc ở dạng phức tạp hơn như ngõ ra của bộ chỉnh lưu có lọc phẳng. Các tải xoay chiều thường mang tính chất cảm kháng (động cơ, lò cảm ứng…), dòng điện qua các linh kiện không thể đóng ngắt bằng quá trình chuyển mạch tự nhiên.

Do đó, linh kiện trong bộ nghịch lưu áp phải có khả năng kích đóng và ngắt dòng qua nó. Trong các ứng dụng với công suất vừa và nhỏ thì có thể sử dụng BJT, MOSFET, IGBT, phạm vi công suất lớn có thể dung GTO, IGBT hoặc SCR kết hợp với bộ chuyển mạch.