Tổng quan nghiên cứu

Điện tử công suất là lĩnh vực kỹ thuật điện tử chuyên nghiên cứu và ứng dụng các phần tử bán dẫn trong bộ biến đổi nguồn năng lượng điện. Theo ước tính, các bộ biến đổi điện tử công suất thế hệ mới ngày càng được ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp nhờ ưu điểm kích thước nhỏ gọn, thời gian xử lý nhanh và độ tin cậy cao. Trong các dây chuyền sản xuất hiện đại, khâu truyền động động cơ đóng vai trò quan trọng, đòi hỏi các giải pháp điều khiển chính xác về tốc độ, chiều quay và hãm. Biến tần 3 pha đa bậc dạng nối tầng (cascade multilevel inverter) là thành phần chủ yếu trong hệ thống điều khiển động cơ, giúp nâng cao chất lượng điện áp, giảm tổn hao và cải thiện hiệu suất hoạt động.

Mục tiêu nghiên cứu của luận văn là phân tích, mô phỏng và xây dựng mô hình thực nghiệm bộ biến tần 3 pha đa bậc dạng nối tầng, áp dụng phương pháp điều chế độ rộng xung sin (sin PWM) để điều khiển tải động cơ 3 pha không đồng bộ. Nghiên cứu tập trung vào cấu trúc nghịch lưu cascade 5 bậc, so sánh ưu nhược điểm với các dạng nghịch lưu khác, đồng thời kiểm chứng lý thuyết qua mô hình mô phỏng trên Matlab R2016a và mô hình vật lý công suất 1,5 kW. Phạm vi nghiên cứu thực hiện tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh trong giai đoạn 2015-2017.

Ý nghĩa nghiên cứu thể hiện qua việc cung cấp giải pháp điều khiển biến tần hiệu quả, giảm sóng hài tổng (THD) xuống còn 36,23% so với 43,11% của nghịch lưu 3 bậc, đồng thời giảm điện áp common-mode và tăng chất lượng điện áp tải. Kết quả này góp phần nâng cao hiệu suất truyền động, tiết kiệm năng lượng và ứng dụng thực tiễn trong công nghiệp sản xuất.

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:

  • Lý thuyết nghịch lưu áp đa bậc (Multilevel Inverter Theory): Bao gồm ba dạng cấu trúc chính là diode kẹp (NPC), tụ điện thay đổi (Flying Capacitor) và dạng nối tầng (Cascade). Mỗi dạng có ưu nhược điểm riêng, trong đó cascade inverter sử dụng ít linh kiện nhất và dễ dàng mở rộng số bậc.

  • Mô hình nghịch lưu cascade 5 bậc: Gồm hai bộ nghịch lưu cầu H ghép nối tiếp trên mỗi pha, tạo ra 5 mức điện áp (-2V, -V, 0, +V, +2V). Số khóa công suất trên mỗi pha là 4, giảm tần số đóng ngắt và điện áp đặt lên linh kiện, giúp tăng độ bền và giảm tổn hao.

  • Phương pháp điều chế độ rộng xung sin (Sin PWM): Sử dụng sóng mang dạng tam giác tần số cao so sánh với sóng điều khiển dạng sin để tạo xung kích điều khiển các khóa công suất. Các sóng mang được bố trí theo các dạng như APOD (Alternative Phase Opposition Disposition), PD (Phase Disposition), POD (Phase Opposition Disposition) nhằm giảm sóng hài và điện áp common-mode.

Các khái niệm chính bao gồm: điện áp common-mode (Un0), tổng méo dạng sóng hài (THD), tỉ số điều chế biên độ (ma), tỉ số điều chế tần số (mf), trạng thái đóng ngắt khóa công suất, và các dạng sóng mang.

Phương pháp nghiên cứu

  • Nguồn dữ liệu: Tài liệu chuyên ngành, các công trình nghiên cứu trong và ngoài nước, số liệu thực nghiệm từ mô hình vật lý và mô phỏng Matlab R2016a.

  • Phương pháp phân tích: Kết hợp nghiên cứu lý thuyết, mô phỏng trên Matlab R2016a, lập trình điều khiển trên card TMS320F28335 của Texas Instruments, và thực nghiệm đo đạc bằng máy đo sóng Tektronix TDS 2024C.

  • Cỡ mẫu và chọn mẫu: Mô hình thực nghiệm công suất 1,5 kW được thiết kế và thi công với các linh kiện IGBT, diode, tụ điện phù hợp, đảm bảo tính đại diện cho ứng dụng thực tế trong điều khiển động cơ 3 pha.

  • Timeline nghiên cứu: Từ tháng 5/2015 đến tháng 4/2017, bao gồm giai đoạn nghiên cứu lý thuyết, mô phỏng, thiết kế phần cứng, lập trình điều khiển và thực nghiệm kiểm chứng.

Phương pháp nghiên cứu đảm bảo tính khoa học, chính xác và khả năng ứng dụng thực tiễn cao.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Ưu điểm của nghịch lưu cascade 5 bậc: So với nghịch lưu 3 bậc, giá trị THD điện áp tải giảm từ 43,11% xuống còn 36,23%, điện áp common-mode giảm từ 28,9 V xuống 13,1 V, đồng thời dòng điện tải có THD giảm từ 5,01% xuống 0,52%. Điều này chứng tỏ chất lượng điện áp và dòng điện được cải thiện rõ rệt khi tăng số bậc nghịch lưu.

  2. Hiệu quả của phương pháp điều chế sin PWM: Việc sử dụng 4 sóng mang tam giác với biên độ đỉnh từ 0 đến 4 V cho nghịch lưu 5 bậc giúp tạo ra dạng sóng điện áp đầu ra gần với dạng sin chuẩn, giảm sóng hài bậc cao và điện áp common-mode. Tỉ số điều chế biên độ (ma) ≤ 1 đảm bảo tuyến tính giữa biên độ điện áp ra và tín hiệu điều khiển.

  3. Mô hình mô phỏng và thực nghiệm khớp nhau: Kết quả mô phỏng trên Matlab R2016a và đo đạc thực nghiệm trên mô hình vật lý cho thấy sự tương đồng cao về dạng sóng điện áp pha tải, điện áp common-mode và các thành phần sóng hài. Ví dụ, điện áp pha tải RMS trong mô phỏng và thực nghiệm có sai số nhỏ, chứng tỏ tính chính xác của mô hình và giải thuật điều khiển.

  4. Giảm tần số đóng ngắt và tổn hao linh kiện: Với cấu trúc cascade, tần số đóng ngắt trong mỗi module giảm đi n lần (n là số module), giúp giảm tổn hao công suất và tăng tuổi thọ linh kiện. Điện áp đặt lên mỗi linh kiện giảm còn khoảng 0,57 lần so với nghịch lưu 2 bậc truyền thống.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của việc giảm THD và điện áp common-mode là do nghịch lưu cascade 5 bậc tạo ra nhiều mức điện áp hơn, giúp sóng điện áp đầu ra gần với dạng sin chuẩn hơn. So với các nghiên cứu trước đây, kết quả này phù hợp với xu hướng phát triển nghịch lưu đa bậc nhằm nâng cao chất lượng điện năng và giảm tổn hao.

Việc áp dụng phương pháp điều chế sin PWM với các dạng sóng mang bố trí hợp lý (APOD, PD, POD) giúp tối ưu hóa sóng hài và điện áp common-mode, từ đó giảm nhiễu và tăng hiệu suất truyền động. Kết quả thực nghiệm khẳng định tính khả thi của giải pháp trong thực tế công nghiệp.

Dữ liệu có thể được trình bày qua các biểu đồ dạng sóng điện áp pha tải, phổ FFT phân tích sóng hài, bảng so sánh giá trị THD và điện áp common-mode giữa các phương pháp và số bậc nghịch lưu, giúp minh họa rõ ràng hiệu quả nghiên cứu.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Triển khai ứng dụng nghịch lưu cascade 5 bậc trong điều khiển động cơ công nghiệp: Tăng cường sử dụng biến tần đa bậc dạng nối tầng để giảm sóng hài, nâng cao hiệu suất và tuổi thọ thiết bị. Thời gian thực hiện: 1-2 năm; Chủ thể: các nhà máy, xí nghiệp sản xuất.

  2. Phát triển phần mềm điều khiển sin PWM tối ưu: Nâng cao thuật toán điều chế sóng mang, áp dụng các dạng sóng mang khác nhau để giảm tiếng ồn và tổn hao. Thời gian: 6-12 tháng; Chủ thể: các trung tâm nghiên cứu và phát triển công nghệ.

  3. Thiết kế và chế tạo mô hình thực nghiệm công suất lớn hơn: Mở rộng công suất mô hình từ 1,5 kW lên các mức công suất công nghiệp để kiểm chứng tính ổn định và hiệu quả. Thời gian: 1 năm; Chủ thể: các viện nghiên cứu, trường đại học kỹ thuật.

  4. Đào tạo và chuyển giao công nghệ: Tổ chức các khóa đào tạo về thiết kế và điều khiển biến tần đa bậc cho kỹ sư và sinh viên, thúc đẩy ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp. Thời gian: liên tục; Chủ thể: các trường đại học, trung tâm đào tạo kỹ thuật.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Sinh viên và nghiên cứu sinh ngành Kỹ thuật Điện: Nắm vững kiến thức về nghịch lưu đa bậc, phương pháp điều khiển sin PWM và ứng dụng thực tế trong điều khiển động cơ.

  2. Kỹ sư thiết kế biến tần và hệ thống truyền động: Áp dụng các giải pháp điều khiển biến tần cascade 5 bậc để nâng cao hiệu suất và giảm tổn hao thiết bị.

  3. Giảng viên và nhà nghiên cứu trong lĩnh vực điện tử công suất: Tham khảo mô hình mô phỏng, phương pháp điều khiển và kết quả thực nghiệm để phát triển nghiên cứu sâu hơn.

  4. Doanh nghiệp sản xuất và bảo trì thiết bị điện công nghiệp: Ứng dụng công nghệ biến tần đa bậc để cải thiện chất lượng sản phẩm và giảm chi phí vận hành.

Câu hỏi thường gặp

  1. Biến tần 3 pha đa bậc dạng nối tầng là gì?
    Là bộ nghịch lưu điện tử công suất gồm nhiều bộ nghịch lưu cầu H nối tiếp, tạo ra nhiều mức điện áp đầu ra, giúp cải thiện chất lượng điện áp và giảm sóng hài trong điều khiển động cơ.

  2. Ưu điểm của nghịch lưu cascade so với các dạng khác?
    Sử dụng ít linh kiện nhất, dễ dàng mở rộng số bậc, giảm tần số đóng ngắt và điện áp đặt lên linh kiện, từ đó giảm tổn hao và tăng độ bền thiết bị.

  3. Phương pháp điều chế sin PWM hoạt động như thế nào?
    So sánh sóng điều khiển dạng sin với sóng mang tam giác tần số cao để tạo xung điều khiển khóa công suất, điều chỉnh biên độ và tần số điện áp đầu ra.

  4. Làm thế nào để giảm sóng hài trong biến tần?
    Tăng số bậc nghịch lưu, sử dụng các dạng sóng mang bố trí hợp lý (APOD, PD, POD), và áp dụng phương pháp điều chế sin PWM giúp giảm sóng hài bậc cao.

  5. Kết quả thực nghiệm có phù hợp với mô phỏng không?
    Kết quả thực nghiệm trên mô hình công suất 1,5 kW tương đồng cao với mô phỏng Matlab, chứng tỏ tính chính xác và khả năng ứng dụng thực tế của giải pháp.

Kết luận

  • Luận văn đã nghiên cứu thành công cấu trúc và phương pháp điều khiển biến tần 3 pha đa bậc dạng nối tầng, tập trung vào nghịch lưu cascade 5 bậc.
  • Phương pháp điều chế sin PWM được áp dụng hiệu quả, giảm đáng kể sóng hài tổng và điện áp common-mode so với nghịch lưu 3 bậc.
  • Mô hình mô phỏng Matlab R2016a và mô hình thực nghiệm công suất 1,5 kW cho kết quả khớp nhau, xác nhận tính khả thi của giải pháp.
  • Nghiên cứu góp phần nâng cao hiệu suất truyền động động cơ, giảm tổn hao và tăng độ bền thiết bị trong công nghiệp.
  • Đề xuất mở rộng nghiên cứu công suất lớn hơn, phát triển thuật toán điều khiển và đào tạo chuyển giao công nghệ trong thời gian tới.

Để tiếp tục phát triển, các nhà nghiên cứu và kỹ sư được khuyến khích áp dụng và cải tiến giải pháp này trong các hệ thống truyền động công nghiệp hiện đại.