Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh phát triển nhanh chóng của công nghiệp điện tử công suất, bộ nghịch lưu đa bậc đóng vai trò quan trọng trong việc chuyển đổi năng lượng điện một chiều sang xoay chiều với chất lượng cao và hiệu suất tốt. Theo ước tính, bộ nghịch lưu ba pha đa bậc được ứng dụng rộng rãi trong các hệ thống truyền động công nghiệp, đặc biệt là biến tần điều khiển động cơ. Tuy nhiên, các cấu hình nghịch lưu ba bậc truyền thống còn tồn tại nhược điểm như độ méo hài tổng (THD) cao và điện áp common mode lớn, gây ảnh hưởng đến hiệu suất và tuổi thọ thiết bị. Do đó, nghiên cứu bộ nghịch lưu ba pha năm bậc H-NPC (Neutral Point Clamped) nhằm cải thiện chất lượng điện áp đầu ra, giảm số lần chuyển mạch và giảm méo hài là cấp thiết.

Mục tiêu nghiên cứu là phát triển kỹ thuật điều chế sóng mang sử dụng hàm offset bậc ba để giảm số lần chuyển mạch của các khóa công suất trong bộ nghịch lưu ba pha năm bậc H-NPC, đồng thời thực hiện mô phỏng và thực nghiệm trên phần cứng với IGBT STGW25N120K và vi xử lý DSP TMS320F28335. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào bộ nghịch lưu ba pha năm bậc H-NPC với tải R-L, trong điều kiện tần số sóng mang 3 kHz và tần số tải 50 Hz. Ý nghĩa nghiên cứu thể hiện qua việc giảm đến 30% số lần chuyển mạch, giảm THD điện áp tải xuống còn khoảng 3.74%, đáp ứng tiêu chuẩn Việt Nam, góp phần nâng cao hiệu quả và độ bền của hệ thống biến tần trong công nghiệp.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên các lý thuyết và mô hình sau:

  • Bộ nghịch lưu đa bậc H-NPC: Cấu trúc gồm hai nhánh NPC trên mỗi pha, sử dụng nguồn DC độc lập, tạo ra năm mức điện áp khác nhau (-Vd, -Vd/2, 0, Vd/2, Vd). Ưu điểm là giảm điện áp đặt lên linh kiện, giảm tổn hao chuyển mạch và cải thiện chất lượng điện áp đầu ra.

  • Kỹ thuật điều chế độ rộng xung (PWM) dùng sóng mang (Carrier Based PWM - CPWM): So sánh điện áp điều khiển với nhiều sóng mang tam giác để tạo xung kích cho các khóa công suất. Phương pháp này giúp điều khiển tuyến tính điện áp tải trong phạm vi chỉ số điều chế m ≤ 1.

  • Hàm offset bậc ba trong điều chế sóng mang: Sử dụng hàm offset để dịch chuyển điện áp điều khiển về ngưỡng cực đại hoặc cực tiểu của sóng mang, nhằm giảm số lần chuyển mạch của các khóa công suất. Hàm offset được xác định dựa trên giá trị chênh lệch điện áp điều khiển với ngưỡng trên và dưới của sóng mang.

  • Phân tích phổ Fourier (FFT): Đánh giá chất lượng sóng điện áp và dòng điện tải qua chỉ số méo hài tổng (THD), giúp so sánh hiệu quả các phương pháp điều chế.

Phương pháp nghiên cứu

  • Nguồn dữ liệu: Sử dụng mô hình mô phỏng trên phần mềm MATLAB/Simulink với các thông số: điện áp DC nguồn Vd = 150 V, tần số sóng mang 3 kHz, tải R-L với R = 82 Ω, L = 50 mH, tần số tải 50 Hz.

  • Phương pháp phân tích: Mô phỏng kỹ thuật điều chế sóng mang với hàm offset bậc ba, phân tích số lần chuyển mạch, sóng điện áp và dòng điện tải, đánh giá THD qua phân tích FFT. Thực nghiệm trên phần cứng với IGBT STGW25N120K và vi xử lý DSP TMS320F28335, lập trình nhúng từ mô hình MATLAB/Simulink bằng Code Composer Studio V3.3.

  • Timeline nghiên cứu: Từ tháng 10/2014 đến tháng 10/2015, bao gồm giai đoạn xây dựng mô hình, mô phỏng, lập trình nhúng và thực nghiệm.

  • Cỡ mẫu và chọn mẫu: Mô hình thực nghiệm sử dụng bộ nghịch lưu ba pha năm bậc H-NPC với tải R-L tiêu chuẩn, phù hợp để đánh giá hiệu quả điều chế trong điều kiện thực tế.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Giảm số lần chuyển mạch: Kỹ thuật điều chế sóng mang sử dụng hàm offset bậc ba giúp giảm số lần chuyển mạch của các khóa công suất/pha trong một chu kỳ đến khoảng 30% so với các phương pháp đã công bố trong nước.

  2. Chất lượng sóng điện áp tải: Mô phỏng và thực nghiệm cho thấy điện áp tải pha a có dạng sóng gần sin với biên độ đỉnh - đỉnh khoảng 175 V, tần số 50 Hz, và THD điện áp tải đạt 3.74% tại chỉ số điều chế m = 1, thấp hơn đáng kể so với các phương pháp MSPWM và các nghiên cứu trước đó (THD dao động từ 27% đến 50%).

  3. Dòng điện tải ổn định: Dòng điện tải pha a đạt giá trị hiệu dụng 2.267 A với THD dòng điện chỉ khoảng 0.23%, đảm bảo vận hành ổn định và giảm tổn hao trong tải.

  4. So sánh với các phương pháp khác: Phương pháp đề xuất có THD điện áp tải thấp hơn so với các phương pháp Voffset medium và các nghiên cứu trong nước, đồng thời giảm số lần chuyển mạch hiệu quả hơn, góp phần giảm tổn hao chuyển mạch và tăng tuổi thọ linh kiện.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của việc giảm số lần chuyển mạch là do hàm offset bậc ba dịch chuyển điện áp điều khiển về gần ngưỡng cực đại hoặc cực tiểu của sóng mang, tạo giao cắt giả giữa sóng điều khiển và sóng mang, từ đó giảm tần suất kích đóng ngắt các khóa công suất. Kết quả này phù hợp với lý thuyết về giảm tổn hao chuyển mạch và cải thiện hiệu suất bộ nghịch lưu.

So sánh với các nghiên cứu trong nước và quốc tế, phương pháp đề xuất không chỉ giảm THD mà còn giảm số lần chuyển mạch, điều này có ý nghĩa quan trọng trong việc nâng cao độ tin cậy và hiệu quả của biến tần đa bậc. Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ THD theo chỉ số điều chế m, bảng phân tích FFT điện áp và dòng điện tải, cũng như biểu đồ so sánh số lần chuyển mạch giữa các phương pháp.

Kết quả thực nghiệm trên phần cứng với DSP TMS320F28335 và IGBT STGW25N120K đã xác nhận tính khả thi và hiệu quả của giải thuật, đồng thời cho thấy sự phù hợp của kỹ thuật lập trình nhúng từ mô hình MATLAB/Simulink trong ứng dụng thực tế.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Triển khai ứng dụng kỹ thuật điều chế sóng mang với hàm offset bậc ba trong các hệ thống biến tần công nghiệp nhằm giảm tổn hao chuyển mạch và nâng cao chất lượng điện áp đầu ra. Thời gian thực hiện: 6-12 tháng; chủ thể: các nhà sản xuất biến tần và đơn vị nghiên cứu.

  2. Phát triển phần mềm lập trình nhúng tích hợp mô hình MATLAB/Simulink cho vi xử lý DSP TMS320F28335 để đơn giản hóa quá trình thiết kế và thử nghiệm thuật toán điều khiển. Thời gian: 3-6 tháng; chủ thể: các trung tâm nghiên cứu và đào tạo kỹ thuật.

  3. Mở rộng nghiên cứu áp dụng cho các cấu hình nghịch lưu đa bậc khác như cascade hoặc flying capacitor để đánh giá hiệu quả điều chế sóng mang với hàm offset trong các hệ thống phức tạp hơn. Thời gian: 12-18 tháng; chủ thể: viện nghiên cứu và trường đại học.

  4. Đào tạo và cập nhật kiến thức cho sinh viên và kỹ sư ngành điện tử công suất về kỹ thuật điều chế sóng mang cải tiến và lập trình nhúng DSP, nhằm nâng cao năng lực thực hành và nghiên cứu. Thời gian: liên tục; chủ thể: các trường đại học và trung tâm đào tạo.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Sinh viên và nghiên cứu sinh ngành Kỹ thuật Điện tử công suất: Nắm vững kiến thức về bộ nghịch lưu đa bậc, kỹ thuật điều chế sóng mang và lập trình nhúng DSP, phục vụ học tập và nghiên cứu chuyên sâu.

  2. Kỹ sư thiết kế biến tần và hệ thống truyền động điện: Áp dụng giải thuật điều chế sóng mang với hàm offset để cải thiện hiệu suất và độ bền thiết bị trong các ứng dụng công nghiệp.

  3. Giảng viên và nhà nghiên cứu trong lĩnh vực điện tử công suất: Sử dụng luận văn làm tài liệu tham khảo, phát triển các đề tài nghiên cứu mới liên quan đến bộ nghịch lưu đa bậc và kỹ thuật điều khiển.

  4. Các đơn vị sản xuất và bảo trì thiết bị điện công nghiệp: Hiểu rõ nguyên lý và ứng dụng kỹ thuật điều chế để nâng cao chất lượng sản phẩm và dịch vụ bảo trì, sửa chữa.

Câu hỏi thường gặp

  1. Kỹ thuật điều chế sóng mang với hàm offset bậc ba là gì?
    Là phương pháp điều chế PWM sử dụng hàm offset bậc ba để dịch chuyển điện áp điều khiển về ngưỡng cực đại hoặc cực tiểu của sóng mang, giúp giảm số lần chuyển mạch của các khóa công suất. Ví dụ, giảm đến 30% số lần chuyển mạch so với phương pháp truyền thống.

  2. Phương pháp này có ưu điểm gì so với các kỹ thuật điều chế khác?
    Ưu điểm chính là giảm tổn hao chuyển mạch, giảm THD điện áp tải (đạt khoảng 3.74%), và cải thiện độ bền linh kiện. So với MSPWM, phương pháp này cho chất lượng sóng tốt hơn và hiệu quả năng lượng cao hơn.

  3. Vi xử lý DSP TMS320F28335 được sử dụng như thế nào trong nghiên cứu?
    DSP TMS320F28335 được lập trình nhúng từ mô hình MATLAB/Simulink bằng Code Composer Studio, tự động biên dịch sang ngôn ngữ C và nạp vào vi xử lý, giúp thực hiện thuật toán điều khiển PWM trên phần cứng mà không cần lập trình lại thủ công.

  4. Kết quả thực nghiệm có phù hợp với mô phỏng không?
    Kết quả thực nghiệm trên phần cứng với IGBT STGW25N120K và tải R-L cho thấy dạng sóng điện áp và dòng điện tải gần giống mô phỏng, THD điện áp tải đạt 3.74%, khẳng định tính khả thi và hiệu quả của giải thuật.

  5. Phương pháp này có thể áp dụng cho các cấu hình nghịch lưu khác không?
    Có thể mở rộng áp dụng cho các cấu hình nghịch lưu đa bậc khác như cascade hoặc flying capacitor, tuy nhiên cần nghiên cứu thêm để điều chỉnh thuật toán phù hợp với đặc điểm cấu trúc và điều kiện vận hành của từng loại.

Kết luận

  • Đề tài đã phát triển thành công kỹ thuật điều chế sóng mang sử dụng hàm offset bậc ba cho bộ nghịch lưu ba pha năm bậc H-NPC, giảm số lần chuyển mạch đến 30%.
  • Mô phỏng và thực nghiệm cho thấy THD điện áp tải đạt 3.74%, đáp ứng tiêu chuẩn Việt Nam về chất lượng điện áp.
  • Giải thuật được triển khai hiệu quả trên vi xử lý DSP TMS320F28335 với lập trình nhúng từ mô hình MATLAB/Simulink.
  • Kết quả nghiên cứu góp phần nâng cao hiệu suất và độ bền của biến tần đa bậc trong ứng dụng công nghiệp.
  • Hướng phát triển tiếp theo là mở rộng ứng dụng cho các cấu hình nghịch lưu đa bậc khác và phát triển phần mềm lập trình nhúng tích hợp.

Khuyến nghị các nhà nghiên cứu và kỹ sư trong lĩnh vực điện tử công suất tiếp tục ứng dụng và phát triển kỹ thuật điều chế này để nâng cao hiệu quả hệ thống truyền động điện.