Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh phát triển nhanh chóng của công nghiệp và công nghệ điện tử công suất, việc nghiên cứu và ứng dụng các bộ chỉnh lưu 3 pha có điều khiển ngày càng trở nên cấp thiết. Theo ước tính, các hệ thống truyền động điện trong công nghiệp như máy cán, cần cẩu điện, xe nâng hàng đều yêu cầu nguồn điện một chiều ổn định với biên độ điện áp ít nhấp nhô và hệ số công suất cao. Bộ chỉnh lưu 3 pha theo nguyên lý điều chế độ rộng xung sóng mang (CPWM) được đề xuất nhằm khắc phục các hạn chế của các loại chỉnh lưu truyền thống như méo hài tổng (THD) cao, hệ số công suất thấp và điện áp đầu ra có nhiều gợn sóng.

Mục tiêu nghiên cứu của luận văn là phát triển và đánh giá một giải thuật điều khiển CPWM cho bộ chỉnh lưu 3 pha, đảm bảo các chỉ tiêu kỹ thuật: THD ≤ 5%, hệ số công suất xấp xỉ 1, và điện áp đầu ra có độ nhấp nhô thấp. Nghiên cứu được thực hiện trong phạm vi từ năm 2015 đến 2017 tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh, với mô hình thực nghiệm sử dụng linh kiện IGBT FGA25N120 và vi xử lý DSP TMS320F28335.

Ý nghĩa của nghiên cứu thể hiện qua việc cung cấp một giải pháp kỹ thuật mới, giúp nâng cao chất lượng nguồn điện một chiều trong các hệ thống công nghiệp, đồng thời giảm thiểu ảnh hưởng tiêu cực lên lưới điện phân phối, góp phần nâng cao hiệu quả và độ tin cậy của các thiết bị 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:

  • Kỹ thuật chỉnh lưu 3 pha: Bao gồm các dạng chỉnh lưu không điều khiển (tia, cầu) và có điều khiển (tia, cầu toàn phần), với các đặc điểm về điện áp đầu ra, dòng điện và méo hài tổng (THD). Ví dụ, chỉnh lưu cầu 3 pha không điều khiển có THD khoảng 28%, chưa đáp ứng tiêu chuẩn ≤ 5%.

  • Nguyên lý điều chế độ rộng xung (PWM): Là kỹ thuật điều khiển thời gian dẫn/ngắt của các khóa công suất (IGBT, MOSFET) để điều chỉnh điện áp và dòng điện đầu ra, giảm méo hài và tăng hệ số công suất. Các phương pháp PWM phổ biến gồm:

    • Điều chế dựa vào băng trễ (HB-PWM)
    • Điều chế vector không gian (SV-PWM)
    • Điều chế dựa vào sóng mang (CB-SPWM)

  • Khái niệm và ứng dụng CPWM: CPWM là phương pháp điều chế độ rộng xung sóng mang cải biên, bổ sung hàm offset để mở rộng phạm vi điều chế tuyến tính, giúp giảm số lần chuyển mạch và méo hài dòng điện, nâng cao hiệu suất hoạt động của bộ chỉnh lưu.

Các khái niệm chính bao gồm: THD (Tổng méo hài), hệ số công suất (PF), điện áp nhấp nhô (ripple voltage), tần số sóng mang (fs), và chỉ số điều chế (m).

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng kết hợp các phương pháp sau:

  • Thu thập và phân tích tài liệu: Tổng hợp các nghiên cứu trong và ngoài nước về kỹ thuật chỉnh lưu PWM và các phương pháp điều khiển.

  • Mô hình hóa và mô phỏng: Xây dựng mô hình bộ chỉnh lưu 3 pha CPWM trên phần mềm PSIM 9.1, sử dụng các thông số kỹ thuật của linh kiện IGBT FGA25N120 và các cảm biến điện áp, dòng điện. Mô phỏng nhằm đánh giá các chỉ tiêu kỹ thuật như THD, PF, điện áp đầu ra.

  • Thực nghiệm trên phần cứng: Thiết kế mạch chỉnh lưu 3 pha với vi xử lý DSP TMS320F28335, lập trình nhúng bằng Code Composer Studio V3.3, thực hiện điều khiển CPWM và đo đạc các thông số thực tế.

  • Phân tích số liệu: Sử dụng Microsoft Excel để xử lý và thống kê kết quả mô phỏng và thực nghiệm, so sánh với các tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 7909-2.2-2008 và quốc tế EN 61000-2.2.

Cỡ mẫu nghiên cứu bao gồm các mô hình mô phỏng và mô hình thực nghiệm với các linh kiện và thiết bị đo lường tiêu chuẩn, đảm bảo tính đại diện và độ tin cậy của kết quả.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Giảm méo hài tổng (THD): Kết quả mô phỏng và thực nghiệm cho thấy bộ chỉnh lưu 3 pha CPWM đạt THD dòng điện đầu vào khoảng 0.034% đến 0.035%, thấp hơn nhiều so với chỉnh lưu cầu 3 pha không điều khiển (28%) và phù hợp với tiêu chuẩn ≤ 5%.

  2. Hệ số công suất (PF) cao: Dòng điện và điện áp đầu vào gần như cùng pha, hệ số công suất đạt xấp xỉ 1, cải thiện đáng kể so với các loại chỉnh lưu truyền thống.

  3. Giảm điện áp nhấp nhô (ripple voltage): Điện áp đầu ra DC có độ nhấp nhô thấp, đảm bảo nguồn điện một chiều ổn định cho các ứng dụng truyền động.

  4. Giảm số lần chuyển mạch: Giải thuật CPWM với bổ sung hàm offset giúp giảm số lần chuyển mạch của các khóa IGBT, từ đó giảm tổn hao chuyển mạch và tăng tuổi thọ thiết bị.

Các kết quả được minh họa qua các biểu đồ dạng sóng điện áp và dòng điện pha, bảng so sánh các chỉ số THD, PF giữa các phương pháp chỉnh lưu, cũng như các dạng sóng xung kích của khóa chuyển mạch với và không có giảm chuyển mạch.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của việc giảm THD và tăng PF là do giải thuật CPWM điều khiển chính xác thời gian đóng/ngắt của các khóa công suất, đồng thời bổ sung hàm offset giúp mở rộng phạm vi điều chế tuyến tính, nâng cao hiệu quả điều khiển. So với các nghiên cứu trước đây chỉ đạt THD khoảng 2-5% trong mô phỏng, nghiên cứu này đã thực nghiệm thành công trên phần cứng với THD dưới 0.04%, cho thấy tính khả thi và ưu việt của giải thuật.

Kết quả cũng phù hợp với các tiêu chuẩn kỹ thuật quốc tế, đồng thời khắc phục nhược điểm của các bộ chỉnh lưu truyền thống như méo hài cao, hệ số công suất thấp và điện áp đầu ra không ổn định. Việc giảm số lần chuyển mạch còn giúp giảm tổn hao năng lượng và tăng độ bền thiết bị, phù hợp với yêu cầu công nghiệp hiện đại.

Dữ liệu có thể được trình bày qua các biểu đồ dạng sóng điện áp và dòng điện, bảng so sánh chỉ số THD và PF giữa các phương pháp, cũng như biểu đồ tần số chuyển mạch và tổn hao năng lượng.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Triển khai ứng dụng CPWM trong các hệ thống truyền động công nghiệp: Áp dụng giải thuật CPWM cho các bộ chỉnh lưu 3 pha trong máy cán, cần cẩu điện, xe nâng để nâng cao hiệu suất và độ ổn định nguồn điện một chiều. Thời gian thực hiện: 1-2 năm; chủ thể: các doanh nghiệp sản xuất thiết bị điện và nhà máy công nghiệp.

  2. Phát triển phần mềm điều khiển nhúng tích hợp CPWM: Tối ưu hóa chương trình điều khiển trên vi xử lý DSP, nâng cao khả năng tự động hóa và giám sát hệ thống. Thời gian: 6-12 tháng; chủ thể: các trung tâm nghiên cứu và phát triển công nghệ.

  3. Nâng cấp thiết bị đo lường và giám sát chất lượng điện năng: Trang bị các cảm biến và thiết bị đo hiện đại để theo dõi THD, PF và điện áp nhấp nhô trong thời gian thực, đảm bảo vận hành ổn định. Thời gian: 1 năm; chủ thể: các nhà máy điện và trung tâm điều khiển.

  4. Đào tạo và nâng cao năng lực kỹ sư vận hành: Tổ chức các khóa đào tạo về kỹ thuật CPWM và vận hành bộ chỉnh lưu 3 pha cho đội ngũ kỹ thuật viên và kỹ sư. Thời gian: liên tục; chủ thể: các trường đại học, viện nghiên cứu và doanh nghiệp.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Kỹ sư và chuyên gia điện tử công suất: Nghiên cứu và ứng dụng các giải thuật điều khiển bộ chỉnh lưu 3 pha CPWM để nâng cao hiệu suất và chất lượng nguồn điện.

  2. Giảng viên và sinh viên ngành kỹ thuật điện – điện tử: Tài liệu tham khảo chuyên sâu về lý thuyết và thực nghiệm chỉnh lưu 3 pha, kỹ thuật điều chế PWM và ứng dụng DSP trong điều khiển.

  3. Doanh nghiệp sản xuất thiết bị điện công nghiệp: Áp dụng giải pháp CPWM để cải tiến sản phẩm bộ chỉnh lưu, nâng cao tính cạnh tranh và đáp ứng tiêu chuẩn kỹ thuật quốc tế.

  4. Các trung tâm nghiên cứu và phát triển công nghệ: Nghiên cứu mở rộng và phát triển các giải thuật điều khiển mới dựa trên CPWM, ứng dụng trong các hệ thống điện năng lượng tái tạo và truyền động điện.

Câu hỏi thường gặp

  1. CPWM là gì và khác gì so với PWM truyền thống?
    CPWM là phương pháp điều chế độ rộng xung sóng mang cải biên, bổ sung hàm offset để mở rộng phạm vi điều chế tuyến tính, giúp giảm số lần chuyển mạch và méo hài dòng điện so với PWM truyền thống. Ví dụ, CPWM đạt THD dưới 0.04% trong khi PWM truyền thống thường trên 2%.

  2. Lợi ích chính của bộ chỉnh lưu 3 pha CPWM là gì?
    CPWM giúp giảm méo hài tổng, nâng cao hệ số công suất gần bằng 1, giảm điện áp nhấp nhô đầu ra và giảm tổn hao chuyển mạch, từ đó tăng hiệu suất và độ bền thiết bị trong các hệ thống truyền động điện.

  3. Phần mềm và phần cứng nào được sử dụng để thực nghiệm CPWM?
    Phần mềm PSIM 9.1 dùng để mô phỏng, vi xử lý DSP TMS320F28335 kết hợp Code Composer Studio V3.3 dùng để lập trình nhúng điều khiển thực nghiệm trên phần cứng với linh kiện IGBT FGA25N120.

  4. CPWM có thể ứng dụng trong những lĩnh vực nào?
    CPWM phù hợp cho các hệ thống truyền động công nghiệp như máy cán, cần cẩu điện, xe nâng hàng, cũng như các bộ nguồn điện một chiều trong công nghiệp điện tử công suất và năng lượng tái tạo.

  5. Tiêu chuẩn kỹ thuật nào được áp dụng để đánh giá CPWM?
    Luận văn áp dụng tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 7909-2.2-2008 và tiêu chuẩn quốc tế EN 61000-2.2 để đánh giá các chỉ số THD, hệ số công suất và chất lượng điện áp đầu ra của bộ chỉnh lưu CPWM.

Kết luận

  • Bộ chỉnh lưu 3 pha CPWM được nghiên cứu và phát triển thành công, đạt các chỉ tiêu kỹ thuật về THD ≤ 0.035%, hệ số công suất gần 1 và điện áp đầu ra ổn định.
  • Giải thuật CPWM với bổ sung hàm offset giúp giảm số lần chuyển mạch, giảm tổn hao và tăng tuổi thọ thiết bị.
  • Mô hình mô phỏng trên PSIM và thực nghiệm trên phần cứng DSP TMS320F28335 cho kết quả tương đồng, chứng minh tính khả thi của giải pháp.
  • Nghiên cứu mở ra hướng phát triển mới cho kỹ thuật chỉnh lưu có điều khiển trong công nghiệp điện tử công suất.
  • Đề xuất triển khai ứng dụng CPWM trong các hệ thống truyền động công nghiệp và phát triển phần mềm điều khiển nhúng để nâng cao hiệu quả vận hành.

Hành động tiếp theo: Các doanh nghiệp và trung tâm nghiên cứu nên phối hợp triển khai ứng dụng CPWM trong thực tế, đồng thời đào tạo kỹ thuật viên để khai thác tối đa lợi ích của công nghệ này.