Tổng quan nghiên cứu

Trong lĩnh vực truyền động điện công nghiệp, động cơ không đồng bộ ba pha được sử dụng phổ biến nhờ tính ổn định và chi phí thấp. Tuy nhiên, việc điều khiển chính xác tốc độ và moment của động cơ này vẫn là thách thức lớn. Bộ biến tần đa bậc, đặc biệt là bộ nghịch lưu kiểu đi-ốt kẹp (NPC) đa bậc, được ứng dụng rộng rãi nhằm nâng cao chất lượng điện áp đầu ra và giảm nhiễu điện từ. Theo ước tính, các bộ nghịch lưu đa bậc có thể tạo ra điện áp ra với số bậc lên đến 11, giúp giảm đáng kể méo dạng sóng và tăng hiệu suất truyền động.

Một vấn đề kỹ thuật quan trọng khi sử dụng biến tần đa bậc là điện áp common mode (CM) xuất hiện giữa điểm trung tính tải và trung tính nguồn, gây ra dòng rò trên trục động cơ, làm nóng ổ bi, giảm tuổi thọ thiết bị và phát sinh nhiễu điện từ EMI. Do đó, việc triệt tiêu điện áp CM là cần thiết để nâng cao độ bền và hiệu quả hoạt động của hệ thống.

Mục tiêu nghiên cứu của luận văn là phát triển và đánh giá phương pháp điều khiển định hướng trường (Field Oriented Control - FOC) cho động cơ không đồng bộ ba pha cấp nguồn bằng bộ biến tần đa bậc 11 bậc NPC, kết hợp kỹ thuật điều chế độ rộng xung (PWM) một trạng thái nhằm triệt tiêu điện áp CM. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào mô phỏng trên phần mềm Matlab/Simulink, so sánh hiệu quả giữa kỹ thuật PWM một trạng thái và kỹ thuật sóng mang cổ điển trong việc triệt tiêu điện áp CM và cải thiện đáp ứng động cơ.

Nghiên cứu có ý nghĩa khoa học và thực tiễn lớn, góp phần nâng cao chất lượng điều khiển động cơ không đồng bộ, giảm thiểu hư hỏng cơ khí do điện áp CM, đồng thời mở rộng ứng dụng biến tần đa bậc trong công nghiệp và năng lượng tái tạo.

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:

  • Bộ nghịch lưu đa bậc NPC (Neutral Point Clamped Multilevel Inverter): Cấu trúc đi-ốt kẹp cho phép tạo ra nhiều mức điện áp đầu ra, giảm điện áp đặt trên linh kiện và giảm méo dạng sóng. Bộ nghịch lưu 11 bậc được nghiên cứu với khả năng tạo ra 11 mức điện áp pha-tâm nguồn DC.

  • Điều khiển định hướng trường (Field Oriented Control - FOC): Phương pháp điều khiển dòng stator dựa trên hệ tọa độ d-q bất biến, cho phép điều khiển độc lập từ thông và moment động cơ, nâng cao độ chính xác và đáp ứng nhanh.

  • Kỹ thuật điều chế độ rộng xung PWM một trạng thái: Sử dụng trạng thái đóng ngắt của bộ nghịch lưu để triệt tiêu điện áp CM bằng cách chọn các trạng thái mà điện áp CM bằng không, giúp giảm dòng rò và nhiễu điện từ.

  • Kỹ thuật sóng mang cổ điển (Carrier Based PWM - CPWM): Phương pháp điều chế truyền thống sử dụng sóng tam giác làm sóng mang so sánh với sóng điều khiển dạng sin, được dùng để so sánh và đánh giá hiệu quả triệt tiêu điện áp CM.

Các khái niệm chuyên ngành quan trọng bao gồm điện áp common mode (CM), tổng méo dạng sóng hài (THD), véc-tơ không gian điện áp, và các thuật toán điều khiển PID trong hệ thống FOC.

Phương pháp nghiên cứu

  • Nguồn dữ liệu: Dữ liệu thu thập từ mô phỏng trên phần mềm Matlab/Simulink, dựa trên mô hình động cơ không đồng bộ ba pha và bộ biến tần 11 bậc NPC.

  • Phương pháp phân tích: Sử dụng mô phỏng để đánh giá điện áp CM, đáp ứng tốc độ và moment động cơ, phân tích phổ FFT để xác định THD của điện áp đầu ra. So sánh kết quả giữa kỹ thuật PWM một trạng thái và kỹ thuật sóng mang cổ điển.

  • Cỡ mẫu và chọn mẫu: Mô hình mô phỏng được xây dựng với các tham số động cơ và bộ biến tần tiêu chuẩn, đảm bảo tính đại diện cho các ứng dụng công nghiệp thực tế.

  • Timeline nghiên cứu: Nghiên cứu được thực hiện trong khoảng thời gian từ 2009 đến 2012, bao gồm khảo sát tài liệu, xây dựng mô hình, thực hiện mô phỏng và phân tích kết quả.

Phương pháp nghiên cứu kết hợp giữa lý thuyết điều khiển, mô hình hóa động cơ và bộ biến tần, cùng với kỹ thuật mô phỏng số nhằm đánh giá hiệu quả các thuật toán điều khiển.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Triệt tiêu điện áp common mode hiệu quả: Kỹ thuật PWM một trạng thái đã loại bỏ hoàn toàn điện áp CM trong bộ biến tần 11 bậc NPC, thể hiện qua dạng sóng điện áp CM bằng không trong mô phỏng. So với kỹ thuật sóng mang cổ điển, điện áp CM giảm đáng kể, giúp giảm dòng rò và hư hỏng cơ khí.

  2. Đáp ứng tốc độ và moment nhanh: Đáp ứng tốc độ động cơ với kỹ thuật PWM một trạng thái nhanh hơn khoảng 15% so với kỹ thuật sóng mang cổ điển, đồng thời moment động cơ ổn định và ít dao động hơn, thể hiện qua các đồ thị mô phỏng.

  3. Giảm méo dạng sóng điện áp: Phân tích FFT cho thấy tổng méo dạng sóng hài (THD) của điện áp đầu ra giảm khoảng 10% khi sử dụng kỹ thuật PWM một trạng thái so với kỹ thuật sóng mang cổ điển, nâng cao chất lượng điện áp cung cấp cho động cơ.

  4. Giảm nhiễu điện từ EMI: Việc triệt tiêu điện áp CM giúp giảm nhiễu điện từ phát sinh, từ đó kéo dài tuổi thọ ổ bi và giảm tiếng ồn khi động cơ hoạt động.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của hiệu quả triệt tiêu điện áp CM là do kỹ thuật PWM một trạng thái tận dụng các trạng thái đóng ngắt của bộ nghịch lưu để đảm bảo điện áp CM bằng không, không cần bổ sung phần cứng phức tạp. Điều này phù hợp với các nghiên cứu trước đây về điều khiển biến tần đa bậc, đồng thời khắc phục nhược điểm của các phương pháp dùng mạch lọc thụ động hoặc tăng số nhánh bộ nghịch lưu.

So sánh với kỹ thuật sóng mang cổ điển, kỹ thuật PWM một trạng thái không chỉ giảm điện áp CM mà còn cải thiện đáp ứng động cơ nhờ giảm thời gian chuyển mạch và tối ưu hóa tín hiệu điều khiển. Các biểu đồ dạng sóng điện áp, dòng điện và moment trong luận văn minh họa rõ sự khác biệt này.

Ý nghĩa của kết quả là mở ra hướng phát triển các bộ biến tần đa bậc với thuật toán điều khiển đơn giản, hiệu quả cao, phù hợp cho các ứng dụng công nghiệp đòi hỏi độ bền và chất lượng truyền động cao.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Ứng dụng kỹ thuật PWM một trạng thái trong biến tần đa bậc: Khuyến nghị các nhà sản xuất biến tần tích hợp thuật toán PWM một trạng thái để triệt tiêu điện áp CM, giảm dòng rò và tăng tuổi thọ động cơ. Thời gian triển khai dự kiến trong vòng 1-2 năm.

  2. Phát triển phần mềm điều khiển FOC tích hợp triệt tiêu CM: Đề xuất xây dựng phần mềm điều khiển FOC chuyên dụng cho bộ biến tần 11 bậc, tối ưu hóa thuật toán PWM một trạng thái nhằm nâng cao hiệu suất và độ ổn định. Chủ thể thực hiện là các nhóm nghiên cứu và doanh nghiệp công nghệ.

  3. Nâng cao đào tạo và nghiên cứu chuyên sâu: Khuyến khích các trường đại học và viện nghiên cứu tập trung đào tạo kỹ thuật điều khiển biến tần đa bậc và PWM một trạng thái, phục vụ phát triển nguồn nhân lực chất lượng cao trong lĩnh vực truyền động điện.

  4. Thử nghiệm thực tế và mở rộng ứng dụng: Đề xuất thực hiện các thử nghiệm thực tế tại các nhà máy, khu công nghiệp để đánh giá hiệu quả của phương pháp trong điều kiện vận hành thực tế, từ đó mở rộng ứng dụng trong các hệ thống truyền động công suất lớn.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Kỹ sư thiết kế biến tần và truyền động điện: Nắm bắt kiến thức về cấu trúc bộ nghịch lưu đa bậc và kỹ thuật điều khiển PWM một trạng thái để phát triển sản phẩm biến tần chất lượng cao.

  2. Nhà nghiên cứu và giảng viên trong lĩnh vực kỹ thuật điện tử và điều khiển: Sử dụng luận văn làm tài liệu tham khảo cho các đề tài nghiên cứu, bài giảng về điều khiển động cơ và biến tần đa bậc.

  3. Sinh viên cao học ngành kỹ thuật điện tử, điện công nghiệp: Học tập và áp dụng các phương pháp điều khiển hiện đại, nâng cao kỹ năng mô phỏng và phân tích hệ thống truyền động.

  4. Doanh nghiệp sản xuất và vận hành thiết bị truyền động: Áp dụng các giải pháp điều khiển tiên tiến để nâng cao hiệu suất, giảm chi phí bảo trì và tăng tuổi thọ thiết bị.

Câu hỏi thường gặp

  1. Điện áp common mode là gì và tại sao cần triệt tiêu?
    Điện áp common mode là điện áp xuất hiện giữa điểm trung tính tải và trung tính nguồn trong bộ biến tần, gây ra dòng rò trên trục động cơ, làm nóng ổ bi và phát sinh nhiễu điện từ. Triệt tiêu điện áp này giúp tăng tuổi thọ động cơ và giảm tiếng ồn.

  2. Phương pháp PWM một trạng thái khác gì so với sóng mang cổ điển?
    PWM một trạng thái sử dụng trạng thái đóng ngắt của bộ nghịch lưu để đảm bảo điện áp CM bằng không, trong khi sóng mang cổ điển dùng sóng tam giác so sánh với sóng điều khiển. PWM một trạng thái giúp giảm điện áp CM hiệu quả hơn và cải thiện đáp ứng động cơ.

  3. Làm thế nào để đánh giá chất lượng điện áp đầu ra của biến tần?
    Chất lượng điện áp được đánh giá qua chỉ số méo dạng tổng hài (THD) và phân tích phổ FFT. THD thấp đồng nghĩa với điện áp đầu ra gần dạng sin chuẩn, giảm tổn hao và nhiễu.

  4. Phần mềm nào được sử dụng để mô phỏng trong nghiên cứu?
    Phần mềm Matlab/Simulink được sử dụng để xây dựng mô hình động cơ, bộ biến tần và thực hiện mô phỏng các thuật toán điều khiển, đánh giá hiệu quả triệt tiêu điện áp CM.

  5. Phương pháp điều khiển FOC có ưu điểm gì so với các phương pháp khác?
    FOC cho phép điều khiển độc lập từ thông và moment động cơ, đáp ứng nhanh và chính xác, phù hợp với các ứng dụng yêu cầu hiệu suất cao và điều khiển tốc độ chính xác.

Kết luận

  • Phương pháp điều khiển định hướng trường (FOC) kết hợp kỹ thuật PWM một trạng thái hiệu quả trong việc triệt tiêu điện áp common mode của biến tần 11 bậc NPC.
  • Kỹ thuật PWM một trạng thái giúp giảm dòng rò, tăng tuổi thọ ổ bi và giảm nhiễu điện từ so với kỹ thuật sóng mang cổ điển.
  • Đáp ứng tốc độ và moment động cơ được cải thiện, đồng thời giảm méo dạng sóng điện áp đầu ra, nâng cao chất lượng truyền động.
  • Nghiên cứu mở ra hướng phát triển các bộ biến tần đa bậc với thuật toán điều khiển đơn giản, hiệu quả, phù hợp ứng dụng công nghiệp và năng lượng tái tạo.
  • Đề xuất triển khai ứng dụng thực tế, phát triển phần mềm điều khiển và đào tạo chuyên sâu để nâng cao hiệu quả và mở rộng ứng dụng trong tương lai.

Quý độc giả và các nhà nghiên cứu được khuyến khích áp dụng và phát triển tiếp các giải pháp điều khiển biến tần đa bậc nhằm nâng cao hiệu suất và độ bền của hệ thống truyền động điện.