Tổng quan nghiên cứu

Trong xu hướng hiện đại hóa các hệ thống truyền động điện trung áp công nghiệp như máy nén khí, quạt thông gió công suất lớn và bơm cao áp, các bộ biến đổi nghịch lưu nhiều mức đang chiếm lĩnh vị trí chủ chốt nhờ khả năng chịu điện áp làm việc cao hơn giới hạn định mức của từng linh kiện bán dẫn đơn lẻ. Cấu trúc kẹp điểm trung tính truyền thống bộc lộ những nhược điểm cố hữu sau hơn bốn thập kỷ ứng dụng: sự mất cân bằng điện áp trên đường dẫn một chiều và ứng suất điện áp phân bố không đồng đều giữa các diode kẹp. Để khắc phục triệt để rào cản này, cấu trúc biến tần năm bậc tích cực kẹp điểm trung tính kết hợp tụ bay đã được phát triển nhằm tối ưu hóa độ linh hoạt điều khiển và độ bền vận hành công nghiệp.

Vấn đề kỹ thuật trọng tâm mà đề tài giải quyết là hiện tượng điện áp chế độ chung phát sinh trong quá trình đóng cắt các van bán dẫn công suất. Điện áp chế độ chung có biên độ biến thiên lớn trong khoảng từ âm 300 V đến dương 300 V khi làm việc với điện áp nguồn 600 V, là nguyên nhân trực tiếp gây ra dòng rò qua vòng bi động cơ, gây nhiễu điện từ trường và làm suy giảm nghiêm trọng tuổi thọ của thiết bị. Mục tiêu cụ thể của luận văn là thiết lập mô hình toán học giải tích, xây dựng thuật toán điều biến sóng mang và phát triển giải pháp điều chế vector không gian cải tiến nhằm triệt giảm biên độ điện áp chế độ chung xuống mức biên độ hẹp trong dải âm 50 V đến dương 50 V, đồng thời tự động cân bằng điện áp tụ bay ở mức chuẩn xác 150 V. Nghiên cứu được triển khai toàn diện tại Trường Đại học Bách Khoa - Đại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh trong giai đoạn từ tháng 9 năm 2022 đến tháng 2 năm 2023, mang lại giải pháp công nghệ có giá trị thực tiễn cao cho ngành truyền động điện công nghiệp.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Cơ sở lý thuyết của luận văn dựa trên sự tích hợp giữa lý thuyết mạch biến đổi đa bậc và đại số vector không gian trong xử lý tín hiệu công suất:

  • Cấu trúc tô pô biến tần năm bậc tích cực kẹp điểm trung tính: Mạch lực ba pha sử dụng cấu hình gồm 12 nhánh van bán dẫn với 24 khóa đóng cắt IGBT, trong đó mỗi pha bao gồm 4 cặp van đóng cắt bù nhau, 1 tụ bay độc lập và 2 tụ đường dẫn một chiều. Cấu trúc này cho phép tạo ra 5 mức điện áp đầu ra riêng biệt so với điểm trung tính gồm các giá trị cực đại, một phần hai, không, âm một phần hai và âm cực đại của điện áp nguồn cấp.
  • Lý thuyết biến đổi không gian Clarke: Phép biến đổi toán học chuyển đổi hệ thống điện áp ba pha xoay chiều tự nhiên sang hệ tọa độ trực giao hai trục phẳng alpha và beta. Từ 125 trạng thái đóng cắt khả dĩ của bộ nghịch lưu năm bậc, không gian vector được phân bố thành 61 vị trí vector điện áp với 9 mức biên độ khác nhau, bao phủ trọn vẹn 6 sector hình quạt với góc mở 60 độ mỗi sector.
  • Nguyên lý cân bằng điện áp tụ bay thông qua trạng thái chuyển mạch dư thừa: Tận dụng các cặp trạng thái dư thừa như trạng thái tạo mức điện áp âm một phần hai và dương một phần hai điện áp nguồn để điều khiển dòng điện nạp hoặc xả vào tụ bay dựa trên chiều của dòng điện pha tải, duy trì điện áp tụ bay bám sát giá trị tham chiếu một phần tư điện áp nguồn một chiều.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu áp dụng phương pháp mô phỏng số học kết hợp giải tích toán học định lượng thông qua môi trường tính toán chuyên dụng MATLAB/Simulink và phần mềm mô phỏng nhiệt mạch điện tử công suất PLECS:

  • Cỡ mẫu và thông số mô phỏng chuẩn hóa: Hệ thống mô phỏng được thiết lập với nguồn điện áp một chiều đầu vào 600 V, điện dung hai tụ đường dẫn DC là 2000 microfarad, điện dung tụ bay cho mỗi pha là 1000 microfarad, và tần số đóng cắt xung điều khiển được cố định ở mức 5000 Hz. Tải ba pha thử nghiệm là tải thuần trở và cảm kháng cân bằng.
  • Phương pháp chọn mẫu và khảo sát tham số: Quá trình khảo sát được phân tầng theo 4 kịch bản chỉ số điều chế biên độ gồm mức thấp 0.2, mức trung bình 0.4, mức cao 0.8 và mức quá điều chế lớn hơn 1.0 nhằm kiểm tra tính ổn định của giải thuật điều khiển trên toàn bộ dải làm việc.
  • Lý do lựa chọn phương pháp phân tích: Phương pháp phân tích chuỗi Fourier nhanh được sử dụng để định lượng hệ số méo sóng hài tổng của điện áp pha-pha, điện áp pha-trung tính và dòng điện tải. Đồng thời, mô hình tổn hao nhiệt của van bán dẫn thực tế mã hiệu RGW60TS65CHR được tích hợp nhằm đánh giá chính xác tổn hao đóng cắt và tổn hao dẫn điện.
  • Tiến độ nghiên cứu: Quá trình mô hình hóa toán học và lập trình giải thuật diễn ra từ ngày 5 tháng 9 năm 2022 đến ngày 18 tháng 12 năm 2022, hoàn thiện nghiệm thu và bảo vệ thành công trước hội đồng khoa học vào ngày 4 tháng 2 năm 2023.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Quá trình mô phỏng kiểm chứng đã đem lại những kết quả định lượng rõ ràng, chứng minh tính ưu việt của giải thuật đề xuất:

  • Triệt giảm vượt trội biên độ điện áp chế độ chung: Phương pháp điều chế vector không gian đề xuất đã giới hạn không gian làm việc về 60 vector điện áp tối ưu, loại bỏ hoàn toàn các vector gây đột biến điện áp lớn. Kết quả cho thấy biên độ điện áp chế độ chung giảm từ dải biên độ âm 300 V đến dương 300 V xuống chỉ còn trong phạm vi âm 50 V đến dương 50 V, tương đương mức suy giảm biên độ lên đến 83.3% so với phương pháp điều chế sóng mang truyền thống.
  • Duy trì ổn định điện áp tụ bay với độ chính xác cao: Thuật toán tự động lựa chọn trạng thái dư thừa dựa trên tích phân dấu giữa sai lệch điện áp tụ và chiều dòng điện pha đã giữ điện áp trên các tụ bay luôn dao động quanh mức chuẩn 150 V. Sai số điện áp tụ bay được khống chế dưới 2.5% trong tất cả các chế độ vận hành từ tải nhẹ đến đầy tải.
  • Tối ưu hóa dạng sóng điện áp và phân bố mức điện áp đầu ra: Khi chỉ số điều chế đạt 0.4, điện áp pha-trung tính đã xuất hiện đầy đủ 5 mức điện áp rõ rệt trong dải từ âm 300 V đến dương 300 V. Sóng dòng điện đầu ra đạt dạng hình sin chuẩn với độ méo sóng hài tổng của dòng điện giảm khoảng 35% khi làm việc ở vùng điều chế sâu so với cấu hình ba bậc cùng công suất.

Thảo luận kết quả

Các kết quả nghiên cứu có thể được trực quan hóa thông qua các biểu đồ dạng sóng điện áp pha-pha, điện áp pha-trung tính, phổ phân tích sóng hài Fourier và bảng thống kê tổn hao công suất linh kiện. Việc phân chia 6 sector lớn thành 16 tam giác phụ trong từng sector giúp xác định chính xác thời gian duy trì của 3 vector gần nhất theo ma trận thời gian đóng cắt ba nhân ba.

Nguyên nhân căn bản giúp điện áp chế độ chung giảm mạnh là do giải thuật đã triệt tiêu hoàn toàn các trạng thái đóng cắt có tổng đại số trạng thái ba pha lệch lớn khỏi điểm trung hòa. Khi so sánh với một số nghiên cứu tiền nhiệm sử dụng phương pháp điều chế sóng mang dời pha, phương pháp vector không gian trong luận văn này vượt trội hơn về khả năng linh hoạt tái cấu trúc chuỗi xung đối xứng trong từng chu kỳ điều khiển 200 microgiây. Tuy nhiên, việc loại bỏ một số vector trung gian làm số lần chuyển mạch trong một chu kỳ tăng lên, dẫn đến tổn hao đóng cắt trên module bán dẫn RGW60TS65CHR tăng nhẹ khoảng 8.5% ở dải điều chế thấp. Đây là sự đánh đổi kỹ thuật hoàn toàn chấp nhận được để bảo vệ hệ thống cơ khí và triệt tiêu dòng rò ổ bi trong các động cơ công nghiệp.

Đề xuất và khuyến nghị

Dựa trên các kết quả đạt được, luận văn đưa ra bốn giải pháp kỹ thuật có tính ứng dụng cao cho ngành công nghiệp chế tạo biến tần:

  • Nhúng giải thuật điều chế vector không gian vào vi xử lý tín hiệu số chuyên dụng: Nhóm kỹ sư nghiên cứu và phát triển phần mềm nhúng tại các doanh nghiệp điện tử cần tích hợp giải thuật tính toán thời gian đóng cắt vào các dòng chip xử lý tín hiệu số 32-bit tốc độ cao hoặc chip mảng phần tử logic lập trình được. Mục tiêu là khống chế thời gian thực thi thuật toán dưới 15 microgiây cho mỗi chu kỳ lấy mẫu, hoàn thành thử nghiệm trong vòng 6 đến 12 tháng.
  • Áp dụng linh kiện bán dẫn công nghệ vật liệu mới dải khe rộng: Các đơn vị thiết kế phần cứng biến tần nên chuyển dịch sử dụng linh kiện bán dẫn Silicon Carbide hoặc Gallium Nitride thay thế cho các khóa Silicon IGBT truyền thống. Giải pháp này giúp cắt giảm tổn hao chuyển mạch từ 30% đến 40% khi bộ nghịch lưu vận hành ở dải tần số đóng cắt cao từ 10 kHz đến 20 kHz, thực hiện theo lộ trình 1 đến 2 năm.
  • Hoàn thiện thuật toán cân bằng tụ bay thích nghi theo góc lệch pha tải: Các nhóm nghiên cứu học thuật nên phát triển thuật toán cân bằng tụ bay có khả năng tự động bù trễ pha thời gian thực dựa trên ước lượng hệ số công suất của tải động học. Mục tiêu kỹ thuật là giảm thiểu độ nhấp nhô điện áp tụ bay xuống dưới ngưỡng 1.0%, triển khai nghiên cứu trong thời gian 6 tháng.
  • Tích hợp bộ lọc thụ động kích thước nhỏ đồng bộ với phần mềm giảm điện áp chế độ chung: Doanh nghiệp sản xuất hệ truyền động cần kết hợp giải thuật điều khiển phần mềm với bộ lọc lọc nhiễu chế độ chung dung lượng nhỏ ở đầu ra để triệt tiêu hoàn toàn dòng rò xuống dưới 5 mA, bảo vệ an toàn tuyệt đối cho hệ thống cách điện động cơ.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Tài liệu mang lại giá trị học thuật và ứng dụng thực tiễn chuyên sâu cho nhiều nhóm đối tượng:

  • Học viên cao học và nghiên cứu sinh chuyên ngành Kỹ thuật Điện: Nắm vững phương pháp mô hình hóa toán học giải tích cho các cấu trúc nghịch lưu nhiều mức phức tạp, khai thác chi tiết các công thức biến đổi vector không gian và kỹ thuật tính toán thời gian chu kỳ đóng cắt van.
  • Kỹ sư nghiên cứu và phát triển hệ thống điện tử công suất: Vận dụng bảng trạng thái chuyển mạch 8 mức đơn pha và thuật toán cân bằng tụ bay để lập trình điều khiển trực tiếp trên các bộ biến tần thương mại trung áp.
  • Giảng viên và nhà nghiên cứu tại các viện, trường đại học kỹ thuật: Sử dụng tài liệu làm giáo trình tham khảo chuyên sâu cho các môn học Biến đổi điện năng nâng cao, Điều khiển truyền động điện xoay chiều và Mô phỏng hệ thống điện tử công suất trên môi trường MATLAB/PLECS.
  • Kỹ sư vận hành hệ thống truyền động công nghiệp tại nhà máy: Hiểu rõ cơ chế phát sinh điện áp chế độ chung và phương thức bảo vệ vòng bi động cơ trung áp trong các dây chuyền sản xuất quy mô lớn.

Câu hỏi thường gặp

  • Cấu trúc biến tần năm bậc tích cực kẹp điểm trung tính có ưu điểm gì vượt trội so với cấu trúc kẹp điểm trung tính truyền thống? Cấu trúc năm bậc tích cực bổ sung các khóa van điều khiển chủ động kết hợp với tụ bay độc lập cho từng pha. Cấu hình này loại bỏ hoàn toàn các diode kẹp thụ động, giải quyết triệt để sự mất cân bằng điện áp trên đường dẫn một chiều 600 V và phân bố đều ứng suất điện áp trên tất cả các van bán dẫn.

  • Tại sao điện áp chế độ chung lại gây hại nghiêm trọng cho hệ thống truyền động điện? Điện áp chế độ chung tạo ra sự chênh lệch điện thế tần số cao giữa điểm trung tính động cơ và đất. Sự biến thiên điện áp nhanh với tốc độ lớn sinh ra dòng điện dung ký sinh chạy qua lớp dầu bôi trơn vòng bi, gây hiện tượng phóng điện vi mô làm rỗ bề mặt cơ khí và phá hỏng cách điện của động cơ.

  • Thuật toán đề xuất cân bằng điện áp tụ bay 150 V dựa trên nguyên tắc nào? Giải thuật liên tục giám sát sai lệch giữa điện áp đo được của tụ bay với mức tham chiếu 150 V, kết hợp kiểm tra chiều dương hoặc âm của dòng điện pha. Hệ thống sẽ tự động kích hoạt trạng thái đóng cắt dư thừa tương ứng để nạp thêm năng lượng hoặc giải phóng điện tích từ tụ bay.

  • Việc giảm biên độ điện áp chế độ chung về dải âm 50 V đến dương 50 V có đòi hỏi tăng chi phí linh kiện phần cứng không? Giải pháp hoàn toàn dựa trên việc tái cấu trúc thuật toán điều chế vector không gian và tối ưu hóa thứ tự phát xung kích mở van trên phần mềm điều khiển. Do đó, hệ thống không đòi hỏi lắp đặt thêm bất kỳ linh kiện phần cứng công suất đắt tiền nào.

  • Hệ thống mô phỏng trong nghiên cứu sử dụng các tham số kỹ thuật đầu vào nào? Mô hình mô phỏng chuẩn hóa sử dụng nguồn điện áp một chiều 600 V, hai tụ điện đường dẫn một chiều 2000 microfarad, ba tụ bay 1000 microfarad, tần số đóng cắt xung kích 5000 Hz, và tích hợp các đặc tính đóng cắt thực tế của linh kiện bán dẫn RGW60TS65CHR.

Kết luận

  • Luận văn đã xây dựng thành công mô hình toán học giải tích hoàn chỉnh và cấu trúc điều khiển cho bộ biến tần năm bậc tích cực kẹp điểm trung tính kết hợp tụ bay.
  • Đề xuất thành công thuật toán điều chế vector không gian cải tiến giúp triệt giảm biên độ điện áp chế độ chung tới 83.3%, duy trì ổn định trong phạm vi hẹp âm 50 V đến dương 50 V.
  • Phát triển cơ chế tự động cân bằng điện áp tụ bay chính xác ở mức 150 V với độ nhấp nhô điện áp được kiểm soát nghiêm ngặt dưới 2.5% trên toàn bộ các dải điều chế.
  • Định lượng chi tiết đặc tính sóng hài điện áp, dòng điện ngõ ra và xác lập bảng đánh giá tổn hao công suất trên linh kiện bán dẫn IGBT RGW60TS65CHR ở tần số 5000 Hz.
  • Lộ trình phát triển tiếp theo tập trung vào việc thực thi phần cứng trên vi xử lý tín hiệu số thời gian thực và thử nghiệm trên mô hình thực nghiệm công suất thực tế; các kỹ sư và nhà nghiên cứu có thể khai thác trực tiếp mô hình này để nâng cao hiệu suất hệ thống truyền động công nghiệp.