Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh phát triển nhanh chóng của công nghệ điện tử công suất trên thế giới và tại Việt Nam, lĩnh vực nghịch lưu đa bậc ngày càng được chú trọng nghiên cứu và ứng dụng. Theo báo cáo của ngành, điện tử công suất được Chính phủ Việt Nam công nhận là lĩnh vực ưu tiên đầu tư từ năm 2010. Bộ nghịch lưu đa bậc, đặc biệt là bộ nghịch lưu cascade 3 pha 5 bậc, được sử dụng rộng rãi trong các hệ thống truyền động công nghiệp nhờ khả năng tạo ra điện áp đầu ra dạng bậc thang với chất lượng cao, tổng méo hài thấp và tổn hao chuyển mạch giảm. Tuy nhiên, quá trình đóng ngắt các khóa công suất trong bộ nghịch lưu sinh ra điện áp common mode (CMM), gây ảnh hưởng tiêu cực đến tuổi thọ động cơ, như làm bào mòn ổ bi.

Mục tiêu nghiên cứu của luận văn là phát triển giải thuật điều chế sóng mang cho bộ nghịch lưu cascade 3 pha 5 bậc nhằm triệt tiêu điện áp common mode, từ đó nâng cao hiệu suất và độ bền của hệ thống. Nghiên cứu tập trung vào giai đoạn từ năm 2016 đến 2019, thực hiện tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh, với phạm vi áp dụng cho bộ nghịch lưu cascade 3 pha 5 bậc sử dụng IGBT làm khóa công suất. Ý nghĩa của đề tài thể hiện qua việc giảm tới 99,9% điện áp common mode, góp phần kéo dài tuổi thọ động cơ và giảm thiểu tổn hao năng lượng, đồng thời cung cấp tài liệu tham khảo quý giá cho ngành điện tử công suất và kỹ thuật điều khiển.

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): Bộ nghịch lưu cascade 3 pha 5 bậc được cấu thành từ ba bộ nghịch lưu cầu 1 pha ghép nối tiếp, mỗi pha có 5 mức điện áp đầu ra tương ứng với các trạng thái đóng ngắt của IGBT. Điện áp đầu ra pha được tính dựa trên tổ hợp trạng thái khóa công suất, với 125 tổ hợp trạng thái chuyển mạch có thể xảy ra.

  • Phương pháp điều chế độ rộng xung sin (SPWM): Sử dụng sóng mang tam giác cùng pha với tần số 5 kHz và biên độ chuẩn, so sánh với sóng điều khiển dạng sin lệch pha 120° để tạo xung kích điều khiển IGBT. Chỉ số điều chế ma được điều chỉnh trong khoảng 0 đến 1 để đảm bảo tuyến tính và giảm méo hài.

  • Điện áp common mode (CMM): Được xác định là điện áp giữa điểm trung tính tải và trung tính nguồn DC, gây ra bởi các trạng thái chuyển mạch không cân bằng. Công thức tính điện áp common mode là trung bình cộng điện áp pha, ảnh hưởng trực tiếp đến tuổi thọ động cơ.

  • Giải thuật triệt tiêu điện áp common mode: Dựa trên nguyên tắc chọn tổ hợp khóa IGBT sao cho tổng trạng thái chuyển mạch ba pha bằng 6, đảm bảo điện áp common mode bằng 0. Giải thuật sử dụng phân tích phần nguyên và phần dư của điện áp điều khiển, kết hợp với sóng mang để điều chỉnh trạng thái đóng ngắt khóa công suất, giảm thiểu điện áp common mode hiệu quả.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng phương pháp kết hợp giữa lý thuyết, mô phỏng và thực nghiệm:

  • Nguồn dữ liệu: Tài liệu chuyên ngành về nghịch lưu đa bậc, điện áp common mode, và kỹ thuật điều chế SPWM; số liệu thực nghiệm từ mô hình vật lý.

  • Phương pháp phân tích: Tính toán lý thuyết trạng thái chuyển mạch và điện áp đầu ra; xây dựng giải thuật điều chế sóng mang triệt tiêu điện áp common mode; mô phỏng trên phần mềm PSIM để kiểm chứng lý thuyết.

  • Cỡ mẫu và thiết bị: Mô hình thực nghiệm sử dụng kit DSP TMS320F28355 điều khiển bộ nghịch lưu cascade 3 pha 5 bậc, tải RL với R = 40 Ω, L = 10 mH, nguồn DC 50 V.

  • Timeline nghiên cứu: Từ tháng 10/2016 đến tháng 4/2019, bao gồm giai đoạn nghiên cứu lý thuyết, phát triển giải thuật, mô phỏng và thực nghiệm.

  • Phương pháp chọn mẫu: Lựa chọn bộ nghịch lưu cascade 3 pha 5 bậc do tính phổ biến và ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp, đồng thời phù hợp với khả năng thực nghiệm tại phòng thí nghiệm.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Hiệu quả triệt tiêu điện áp common mode: Kết quả mô phỏng và thực nghiệm cho thấy điện áp common mode (UNO) giảm từ 18,5 V xuống còn khoảng 5,6 × 10⁻⁶ V, tương đương giảm 99,9% so với trước khi áp dụng giải thuật. Đây là mức giảm đáng kể, giúp hạn chế tối đa ảnh hưởng tiêu cực đến động cơ.

  2. Dạng sóng điện áp và dòng điện: Điện áp pha nguồn và điện áp dây tải giữ nguyên dạng sóng 5 bậc với giá trị hiệu dụng ổn định (điện áp pha khoảng 64 V, điện áp dây tải khoảng 107 V). Dòng điện pha tải duy trì dạng sin với giá trị hiệu dụng khoảng 1,5 A, tuy nhiên có sự tăng nhẹ nhiễu do tổng méo hài THDu tăng từ 0,85% lên 2,73%, vẫn nằm trong tiêu chuẩn TCVN 2008-2-2.

  3. Chỉ số điều chế và hiệu suất: Ở các giá trị chỉ số điều chế m từ 0,4 đến 0,7, điện áp common mode đều được triệt tiêu hiệu quả với tỷ lệ giảm 99,9%. Giá trị hiệu dụng điện áp pha và dòng điện tải ổn định, chứng tỏ giải thuật có tính ổn định và khả năng ứng dụng thực tế cao.

  4. So sánh trước và sau triệt tiêu: Phân tích FFT điện áp pha tải cho thấy biên độ hài bậc 1 không đổi, nhưng các thành phần hài bậc cao tăng nhẹ sau khi áp dụng giải thuật, dẫn đến tăng THDu. Tuy nhiên, mức tăng này không ảnh hưởng đáng kể đến chất lượng điện áp và dòng điện.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của việc giảm điện áp common mode là do giải thuật điều chế sóng mang đã chọn tổ hợp khóa IGBT với trạng thái đóng ngắt cân bằng, đảm bảo tổng trạng thái chuyển mạch ba pha bằng 6, từ đó triệt tiêu điện áp common mode hiệu quả. Kết quả mô phỏng trên PSIM và thực nghiệm với kit DSP TMS320F28355 đồng nhất, chứng minh tính khả thi và độ tin cậy của giải thuật.

So với các nghiên cứu trước đây tập trung vào kỹ thuật điều chế độ rộng xung và vector không gian, giải thuật này đơn giản hơn, dễ dàng triển khai trên các bộ điều khiển số hiện đại. Mặc dù có sự tăng nhẹ THDu, nhưng vẫn đảm bảo tiêu chuẩn kỹ thuật, đồng thời giảm thiểu tổn hao và kéo dài tuổi thọ động cơ.

Dữ liệu có thể được trình bày qua các biểu đồ dạng sóng điện áp pha, điện áp dây tải, dòng điện pha trước và sau khi áp dụng giải thuật, cùng bảng tổng hợp các chỉ số hiệu suất như điện áp hiệu dụng, dòng điện hiệu dụng, điện áp common mode và THDu để minh họa rõ ràng hiệu quả của giải thuật.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Triển khai giải thuật trên các hệ thống công nghiệp: Áp dụng giải thuật điều chế sóng mang triệt tiêu điện áp common mode cho bộ nghịch lưu cascade 3 pha 5 bậc trong các hệ thống truyền động công nghiệp nhằm giảm thiểu hư hỏng động cơ, nâng cao độ bền và hiệu suất vận hành. Thời gian thực hiện: 6-12 tháng; chủ thể: các doanh nghiệp sản xuất và bảo trì thiết bị điện.

  2. Phát triển phần mềm điều khiển tích hợp: Xây dựng phần mềm điều khiển tích hợp giải thuật trên các bộ vi xử lý DSP hoặc FPGA để dễ dàng tùy chỉnh và mở rộng cho các cấu hình nghịch lưu đa bậc khác. Mục tiêu giảm thời gian thiết kế và tăng tính linh hoạt. Thời gian: 12 tháng; chủ thể: các trung tâm nghiên cứu và phát triển công nghệ.

  3. Nâng cao chất lượng điện áp đầu ra: Kết hợp giải thuật triệt tiêu điện áp common mode với các kỹ thuật lọc sóng hài nâng cao để giảm THDu, đảm bảo chất lượng điện áp và dòng điện phù hợp với các tiêu chuẩn quốc tế. Thời gian: 6 tháng; chủ thể: các viện nghiên cứu và nhà sản xuất thiết bị điện.

  4. Đào tạo và chuyển giao công nghệ: Tổ chức các khóa đào tạo chuyên sâu về kỹ thuật điều chế sóng mang và triệt tiêu điện áp common mode cho sinh viên và kỹ sư ngành điện tử công suất, nhằm nâng cao năng lực nghiên cứu và ứng dụng thực tế. Thời gian: liên tục; chủ thể: các trường đại học và trung tâm đào tạo kỹ thuật.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Sinh viên và nghiên cứu sinh ngành Kỹ thuật Điện tử công suất: Luận văn cung cấp kiến thức chuyên sâu về nghịch lưu đa bậc, kỹ thuật điều chế SPWM và giải thuật triệt tiêu điện áp common mode, hỗ trợ nghiên cứu và phát triển đề tài liên quan.

  2. Kỹ sư thiết kế và vận hành hệ thống truyền động điện: Giúp hiểu rõ nguyên lý hoạt động và cách giảm thiểu điện áp common mode, từ đó nâng cao hiệu suất và tuổi thọ thiết bị trong các ứng dụng công nghiệp.

  3. Các nhà nghiên cứu và phát triển công nghệ điện tử công suất: Cung cấp cơ sở lý thuyết và phương pháp thực nghiệm để phát triển các giải thuật điều khiển mới, cải tiến hiệu quả và độ tin cậy của bộ nghịch lưu đa bậc.

  4. Doanh nghiệp sản xuất và bảo trì thiết bị điện: Tham khảo để áp dụng giải thuật vào thực tế nhằm giảm thiểu sự cố, tăng tuổi thọ động cơ và tiết kiệm chi phí bảo trì, nâng cao năng lực cạnh tranh trên thị trường.

Câu hỏi thường gặp

  1. Giải thuật triệt tiêu điện áp common mode hoạt động như thế nào?
    Giải thuật dựa trên việc chọn tổ hợp trạng thái đóng ngắt của các khóa IGBT sao cho tổng trạng thái chuyển mạch ba pha bằng 6, đảm bảo điện áp common mode bằng 0. Sóng điều khiển được điều chỉnh dựa trên phần nguyên và phần dư của điện áp điều khiển, so sánh với sóng mang để tạo xung kích phù hợp.

  2. Giải thuật có ảnh hưởng đến chất lượng điện áp và dòng điện không?
    Sau khi áp dụng giải thuật, điện áp pha và dòng điện pha vẫn giữ dạng sóng 5 bậc và sin chuẩn, giá trị hiệu dụng ổn định. Tuy nhiên, tổng méo hài THDu tăng nhẹ từ 0,85% lên 2,73%, vẫn nằm trong tiêu chuẩn kỹ thuật cho phép.

  3. Phần mềm và thiết bị nào được sử dụng để kiểm chứng giải thuật?
    Phần mềm mô phỏng PSIM được sử dụng để kiểm tra lý thuyết, trong khi mô hình thực nghiệm sử dụng kit DSP TMS320F28355 điều khiển bộ nghịch lưu cascade 3 pha 5 bậc với tải RL thực tế.

  4. Giải thuật có thể áp dụng cho các bộ nghịch lưu đa bậc khác không?
    Giải thuật được thiết kế cho bộ nghịch lưu cascade 3 pha 5 bậc, tuy nhiên nguyên lý chọn tổ hợp khóa triệt tiêu điện áp common mode có thể được điều chỉnh và mở rộng cho các cấu hình đa bậc khác với nghiên cứu thêm.

  5. Lợi ích thực tiễn của việc triệt tiêu điện áp common mode là gì?
    Giảm điện áp common mode giúp hạn chế bào mòn ổ bi động cơ, kéo dài tuổi thọ thiết bị, giảm tổn hao năng lượng và sự cố kỹ thuật, từ đó nâng cao hiệu suất và độ tin cậy của hệ thống truyền động điện.

Kết luận

  • Đã phát triển thành công giải thuật điều chế sóng mang triệt tiêu điện áp common mode cho bộ nghịch lưu cascade 3 pha 5 bậc, giảm điện áp common mode tới 99,9%.
  • Kết quả mô phỏng và thực nghiệm đồng nhất, chứng minh tính khả thi và hiệu quả của giải thuật trong thực tế.
  • Dạng sóng điện áp và dòng điện giữ nguyên chất lượng, chỉ số méo hài tăng nhẹ nhưng vẫn đảm bảo tiêu chuẩn kỹ thuật.
  • Giải thuật đơn giản, dễ triển khai trên các bộ điều khiển số hiện đại như DSP TMS320F28355.
  • Đề xuất mở rộng ứng dụng giải thuật trong công nghiệp, phát triển phần mềm điều khiển tích hợp và đào tạo chuyên sâu cho kỹ sư ngành điện tử công suất.

Hành động tiếp theo: Các doanh nghiệp và trung tâm nghiên cứu nên triển khai thử nghiệm giải thuật trên hệ thống thực tế, đồng thời phát triển các phiên bản nâng cao để giảm méo hài và mở rộng ứng dụng cho các cấu hình nghịch lưu đa bậc khác.