Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh phát triển nhanh chóng của công nghiệp hiện đại, việc điều khiển chính xác các hệ thống truyền động điện trở thành một yêu cầu thiết yếu. Bộ nghịch lưu một pha ba bậc NPC (Neutral Point Clamped) là một trong những thiết bị quan trọng trong lĩnh vực điện tử công suất, được ứng dụng rộng rãi trong biến tần, bộ lưu điện (UPS), và các hệ thống truyền động động cơ. Theo báo cáo của ngành, các bộ nghịch lưu đa bậc giúp giảm thiểu độ méo dạng sóng (THD), giảm tổn hao công suất và cải thiện hiệu suất hoạt động so với các bộ nghịch lưu hai bậc truyền thống.

Mục tiêu nghiên cứu của luận văn là thiết kế, xây dựng và thực nghiệm bộ nghịch lưu một pha ba bậc NPC không dùng biến áp, nhằm đạt được hiệu suất cao hơn, kích thước nhỏ gọn, dòng điện rò thấp và chi phí hợp lý. Nghiên cứu tập trung vào việc phát triển kỹ thuật điều chế độ rộng xung dùng sóng mang (Carrier PWM - CPWM) để điều khiển đóng ngắt các công tắc bán dẫn, từ đó tạo ra điện áp ngõ ra với chất lượng cao. Phạm vi nghiên cứu thực hiện trong giai đoạn 2011-2014 tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh, với mô hình thực nghiệm sử dụng linh kiện IGBT FGL60N100D và vi xử lý DSP TMS320F28335.

Ý nghĩa của nghiên cứu được thể hiện qua việc cải thiện các chỉ số kỹ thuật như giảm tổng méo dạng hài THD xuống mức thấp, giảm số lần chuyển mạch, giảm điện áp common-mode, đồng thời nâng cao độ tin cậy và hiệu quả sử dụng trong các ứng dụng công nghiệp. Kết quả nghiên cứu góp phần thúc đẩy ứng dụng bộ nghịch lưu NPC trong các hệ thống truyền động và nguồn điện công suất cao.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên hai lý thuyết chính: lý thuyết bộ nghịch lưu đa bậc và kỹ thuật điều chế độ rộng xung dùng sóng mang (CPWM). Bộ nghịch lưu đa bậc NPC được thiết kế với cấu trúc gồm các tụ điện mắc nối tiếp và diode kẹp, cho phép tạo ra nhiều mức điện áp đầu ra, giảm điện áp trên linh kiện và giảm sóng hài. Các khái niệm chính bao gồm:

  • Bộ nghịch lưu đa bậc (Multilevel Inverter): Thiết bị chuyển đổi điện áp DC thành AC với nhiều mức điện áp, giúp cải thiện chất lượng sóng điện áp và giảm tổn hao.
  • Điều chế độ rộng xung dùng sóng mang (Carrier PWM - CPWM): Phương pháp điều khiển đóng ngắt các công tắc bán dẫn bằng cách so sánh sóng điều khiển với sóng mang tam giác, nhằm tạo ra điện áp đầu ra mong muốn.
  • Điện áp common-mode: Điện áp giữa điểm trung tính stator động cơ và đất, ảnh hưởng đến độ bền của ổ đỡ và gây nhiễu điện từ.
  • Tổng méo dạng hài (THD): Thước đo chất lượng sóng điện áp hoặc dòng điện, phản ánh mức độ biến dạng sóng so với dạng sóng chuẩn.

Ngoài ra, luận văn còn áp dụng mô hình giải tích mạch nghịch lưu NPC ba bậc và phân tích ảnh hưởng của các yếu tố như deadtime, mất cân bằng điện áp tụ, và tần số đóng ngắt đến hiệu suất hoạt động.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng phương pháp kết hợp giữa mô phỏng và thực nghiệm. Nguồn dữ liệu chính bao gồm số liệu đo đạc từ mô hình thực nghiệm và kết quả mô phỏng trên phần mềm Matlab/Simulink. Cỡ mẫu thực nghiệm gồm bộ nghịch lưu một pha ba bậc NPC với linh kiện IGBT FGL60N100D và vi xử lý DSP TMS320F28335.

Phương pháp phân tích bao gồm:

  • Xây dựng mô hình toán học và mô phỏng kỹ thuật điều chế CPWM trên Matlab/Simulink để đánh giá các chỉ tiêu kỹ thuật như THD, điện áp tải, và dòng điện tải.
  • Thiết kế phần cứng bộ nghịch lưu với mạch công suất, mạch lái IGBT, và mạch điều khiển tín hiệu.
  • Lập trình nhúng DSP bằng phương pháp tự động biên dịch từ mô hình Simulink sang ngôn ngữ C, sử dụng phần mềm Code Composer Studio V3.3.
  • Thực hiện đo đạc và đánh giá kết quả thực nghiệm, so sánh với kết quả mô phỏng để xác nhận tính chính xác của giải thuật điều khiển.

Timeline nghiên cứu kéo dài từ tháng 8/2011 đến tháng 8/2014, bao gồm các giai đoạn thiết kế, mô phỏng, thi công mô hình thực nghiệm, lập trình và đánh giá kết quả.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Giảm tổng méo dạng hài (THD): Kết quả mô phỏng và thực nghiệm cho thấy bộ nghịch lưu một pha ba bậc NPC với kỹ thuật CPWM đạt được THD điện áp tải dưới 10%, giảm đáng kể so với bộ nghịch lưu hai bậc truyền thống có THD trên 20%. Độ méo dạng dòng điện tải cũng được cải thiện tương ứng, giúp nâng cao chất lượng nguồn điện.

  2. Giảm số lần chuyển mạch: Nhờ cấu trúc ba bậc và thuật toán điều khiển tối ưu, số lần đóng ngắt công tắc bán dẫn giảm khoảng 30% so với các phương pháp điều khiển PWM thông thường, từ đó giảm tổn hao công suất và tăng tuổi thọ linh kiện.

  3. Điện áp common-mode thấp: Mô hình thực nghiệm đo được điện áp common-mode giảm xuống dưới 5 V, giúp hạn chế dòng rò và giảm thiểu ảnh hưởng đến ổ đỡ động cơ cũng như nhiễu điện từ.

  4. Điện áp trên linh kiện giảm: Nhờ cấu trúc diode kẹp và tụ điện phân chia điện áp, điện áp chịu đựng trên mỗi linh kiện IGBT giảm một nửa so với bộ nghịch lưu hai bậc, giúp sử dụng linh kiện có định mức thấp hơn, tiết kiệm chi phí.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của các cải tiến trên là do cấu trúc NPC ba bậc cho phép tạo ra nhiều mức điện áp đầu ra, từ đó giảm độ dốc điện áp (dv/dt) và sóng hài. Kỹ thuật CPWM với sóng mang tam giác và sóng điều khiển được thiết kế phù hợp giúp điều khiển chính xác các công tắc bán dẫn, giảm hiện tượng mất cân bằng điện áp tụ và sai số do deadtime.

So sánh với các nghiên cứu trong và ngoài nước, kết quả đạt được tương đương hoặc vượt trội về mặt THD và hiệu suất, đồng thời mô hình thực nghiệm sử dụng linh kiện phổ biến và chi phí hợp lý hơn. Việc sử dụng vi xử lý DSP TMS320F28335 với lập trình nhúng từ Matlab/Simulink giúp rút ngắn thời gian phát triển và nâng cao độ chính xác của thuật toán điều khiển.

Dữ liệu có thể được trình bày qua các biểu đồ quan hệ giữa chỉ số điều chế m và THD, điện áp tải, cũng như đồ thị dạng sóng điện áp và dòng điện tải thực tế, minh họa rõ ràng hiệu quả của giải thuật điều khiển.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Tối ưu hóa thuật toán điều khiển CPWM: Nâng cao phạm vi điều chế tuyến tính và giảm thiểu ảnh hưởng của deadtime để tiếp tục giảm THD và cải thiện chất lượng điện áp đầu ra. Thời gian thực hiện: 6-12 tháng, chủ thể: nhóm nghiên cứu và kỹ sư phát triển phần mềm.

  2. Phát triển mô hình đa bậc cao hơn: Nghiên cứu mở rộng cấu trúc NPC sang các bậc cao hơn (5 bậc, 7 bậc) để giảm sóng hài và tổn hao công suất hơn nữa. Thời gian thực hiện: 1-2 năm, chủ thể: viện nghiên cứu và doanh nghiệp công nghệ điện tử.

  3. Ứng dụng trong hệ thống truyền động công nghiệp: Triển khai bộ nghịch lưu NPC trong các dây chuyền sản xuất, robot công nghiệp để nâng cao hiệu suất và độ bền thiết bị. Thời gian thực hiện: 1 năm, chủ thể: các nhà máy, doanh nghiệp sản xuất.

  4. Đào tạo và chuyển giao công nghệ: Tổ chức các khóa đào tạo kỹ thuật cho kỹ sư và sinh viên ngành điện tử công suất về thiết kế và lập trình bộ nghịch lưu NPC sử dụng DSP. Thời gian thực hiện: 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: Giúp hiểu sâu về cấu trúc bộ nghịch lưu NPC, kỹ thuật điều chế CPWM và ứng dụng thực tế trong điều khiển điện tử công suất.

  2. Kỹ sư thiết kế biến tần và bộ nghịch lưu: Cung cấp kiến thức về thiết kế phần cứng, lập trình nhúng DSP và tối ưu thuật toán điều khiển để phát triển sản phẩm hiệu quả.

  3. Doanh nghiệp sản xuất thiết bị điện công nghiệp: Hỗ trợ trong việc lựa chọn cấu hình bộ nghịch lưu phù hợp, giảm chi phí và nâng cao hiệu suất thiết bị truyền động.

  4. Giảng viên và nhà nghiên cứu: Là tài liệu tham khảo để phát triển các đề tài nghiên cứu tiếp theo về bộ nghịch lưu đa bậc và kỹ thuật điều khiển điện tử công suất.

Câu hỏi thường gặp

  1. Bộ nghịch lưu một pha ba bậc NPC có ưu điểm gì so với bộ nghịch lưu hai bậc?
    Bộ nghịch lưu ba bậc NPC tạo ra nhiều mức điện áp đầu ra hơn, giúp giảm sóng hài (THD), giảm điện áp trên linh kiện và giảm tổn hao công suất, từ đó nâng cao hiệu suất và độ bền thiết bị.

  2. Kỹ thuật CPWM hoạt động như thế nào trong điều khiển bộ nghịch lưu?
    CPWM so sánh sóng điều khiển với sóng mang tam giác để tạo ra các xung điều khiển đóng ngắt công tắc bán dẫn, giúp điều chỉnh điện áp đầu ra theo yêu cầu với độ chính xác cao.

  3. Tại sao cần sử dụng vi xử lý DSP trong điều khiển bộ nghịch lưu?
    DSP có khả năng xử lý tín hiệu số nhanh, hỗ trợ lập trình nhúng và thực hiện các thuật toán điều khiển phức tạp, giúp tối ưu hóa hiệu suất và giảm thời gian phát triển hệ thống.

  4. Điện áp common-mode ảnh hưởng như thế nào đến hệ thống?
    Điện áp common-mode gây ra dòng rò qua đất, làm mòn ổ đỡ động cơ, gây nhiễu điện từ và ảnh hưởng đến độ tin cậy của thiết bị. Giảm điện áp này giúp tăng tuổi thọ và ổn định hệ thống.

  5. Làm thế nào để giảm hiện tượng mất cân bằng điện áp tụ trong bộ nghịch lưu NPC?
    Có thể áp dụng các thuật toán điều khiển cân bằng điện áp tụ, thiết kế mạch bảo vệ và lựa chọn linh kiện phù hợp để hạn chế hiện tượng này, từ đó cải thiện chất lượng điện áp đầu ra.

Kết luận

  • Bộ nghịch lưu một pha ba bậc NPC được thiết kế và thực nghiệm thành công với hiệu suất cao, giảm THD và điện áp common-mode.
  • Kỹ thuật điều chế CPWM phát triển giúp điều khiển chính xác các công tắc bán dẫn, giảm tổn hao và tăng độ bền thiết bị.
  • Mô hình thực nghiệm sử dụng linh kiện IGBT FGL60N100D và vi xử lý DSP TMS320F28335 cho kết quả phù hợp với mô phỏng trên Matlab/Simulink.
  • Nghiên cứu góp phần nâng cao hiệu quả ứng dụng bộ nghịch lưu trong truyền động công nghiệp và các hệ thống điện tử công suất.
  • Đề xuất các hướng phát triển tiếp theo bao gồm mở rộng số bậc nghịch lưu, tối ưu thuật toán điều khiển và ứng dụng thực tế trong công nghiệp.

Tiếp theo, việc triển khai các giải pháp tối ưu thuật toán và mở rộng mô hình sẽ giúp nâng cao hơn nữa hiệu quả và tính ứng dụng của bộ nghịch lưu NPC. Độc giả và các nhà nghiên cứu được khuyến khích áp dụng và phát triển thêm dựa trên kết quả này để đáp ứng nhu cầu công nghiệp ngày càng cao.