Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh phát triển mạnh mẽ của công nghiệp và công nghệ năng lượng mới, bộ nghịch lưu đóng vai trò quan trọng trong việc điều khiển động cơ điện xoay chiều, xe điện và các hệ thống phân phối điện hiện đại. Theo ước tính, các bộ nghịch lưu được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực như sản xuất công nghiệp, hệ thống năng lượng mặt trời, pin nhiên liệu và xe ô tô điện. Tuy nhiên, các bộ nghịch lưu truyền thống vẫn tồn tại nhiều hạn chế như kích thước mạch lớn, hiệu suất thấp do tổn hao công suất và số lượng linh kiện nhiều. Đặc biệt, phương pháp điều chế độ rộng xung (PWM) truyền thống không tối ưu trong việc giảm số lần chuyển mạch của các khóa bán dẫn, dẫn đến tổn thất công suất cao và sóng hài lớn.

Mục tiêu nghiên cứu của luận văn là phát triển và ứng dụng giải thuật điều chế vector không gian (SVM2) cho bộ nghịch lưu tăng áp ba pha cấu hình quasi switched boost inverter (qSBI). Nghiên cứu tập trung vào việc phân tích cấu hình mạch, phương pháp điều khiển, mô phỏng trên phần mềm PSIM và thực nghiệm trên mô hình điều khiển bằng card DSP TMS320F28355. Phạm vi nghiên cứu được thực hiện trong giai đoạn 2016-2018 tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh, với mục đích nâng cao hiệu suất, giảm tổn hao và cải thiện chất lượng điện áp, dòng điện ngõ ra của bộ nghịch lưu.

Ý nghĩa của nghiên cứu được thể hiện qua việc tối ưu hóa cấu hình nghịch lưu qSBI kết hợp với giải thuật SVM2, giúp tăng điện áp ngõ ra trực tiếp chỉ qua một quá trình chuyển đổi, giảm số lần chuyển mạch, từ đó nâng cao tuổi thọ linh kiện và hiệu suất hệ thống. Kết quả nghiên cứu có thể ứng dụng trong các hệ thống điều khiển động cơ, xe điện và các nguồn năng lượng tái tạo, góp phần phát triển công nghệ điện tử công suất tại Việt Nam.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình nghiên cứu sau:

  • Bộ nghịch lưu (Inverter): Thiết bị chuyển đổi năng lượng điện một chiều (DC) sang điện xoay chiều (AC), với các loại phổ biến như nghịch lưu áp truyền thống, nghịch lưu nguồn Z (ZSI) và nghịch lưu tăng áp quasi switched boost inverter (qSBI). Bộ nghịch lưu qSBI có cấu hình đơn giản hơn ZSI với một cuộn dây, một tụ điện, hai diode và một khóa bán dẫn, giúp giảm kích thước mạch và tổn hao.

  • Phương pháp điều chế độ rộng xung (PWM): Bao gồm các kỹ thuật Sin PWM, Modified SPWM và điều chế vector không gian (SVM). PWM truyền thống dễ thực hiện nhưng không tối ưu hóa số lần chuyển mạch, gây tổn hao cao và sóng hài lớn.

  • Phương pháp điều chế vector không gian (SVM): Tạo ra vector điện áp quay liên tục trên mặt phẳng tọa độ αβ, giúp giảm sóng hài và số lần chuyển mạch. Các biến thể SVM1, SVM2, SVM4, SVM6 có ưu nhược điểm khác nhau; trong đó SVM2 được lựa chọn do có hệ số tăng áp cao, giảm số lần đóng cắt khóa bán dẫn, nâng cao tuổi thọ linh kiện.

  • Cấu hình nghịch lưu tăng áp qSBI: Kết hợp bộ nghịch lưu truyền thống với mạch tăng áp gồm cuộn dây, tụ điện, diode và khóa bán dẫn, cho phép hoạt động ở trạng thái ngắn mạch và không ngắn mạch, giúp tăng điện áp ngõ ra hiệu quả.

Các khái niệm chính bao gồm: chỉ số điều chế (M), tỷ số ngắn mạch (D), độ lợi điện áp (G), vector điện áp không gian, trạng thái đóng ngắt các khóa bán dẫn, và các trạng thái hoạt động của bộ nghịch lưu (ngắn mạch và không ngắn mạch).

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính được thu thập từ các tài liệu khoa học, bài báo chuyên ngành, hội nghị quốc tế về kỹ thuật điện tử công suất và điều khiển, cùng với các phần mềm mô phỏng và thiết bị thực nghiệm.

Phương pháp nghiên cứu bao gồm:

  • Phân tích lý thuyết: Nghiên cứu cấu hình bộ nghịch lưu truyền thống, ZSI và qSBI; phân tích hoạt động mạch tăng áp và các trạng thái đóng ngắt khóa bán dẫn.

  • Mô phỏng trên phần mềm PSIM: Thực hiện mô phỏng với các tải R và RL, sử dụng các thông số như điện áp ngõ vào 40 V, tần số sóng mang 10 kHz, tần số sóng điều khiển 50 Hz, chỉ số điều chế 0.7, tỷ số ngắn mạch 0.4, cuộn dây 1 mH, tụ điện 450 µF, tải điện trở 50 Ω và cuộn cảm 50 mH. Mục đích là đánh giá hiệu suất, sóng hài và đặc tính điện áp, dòng điện ngõ ra.

  • Thực nghiệm: Lập trình điều khiển trên card DSP TMS320F28355 bằng phần mềm Code Composer Studio (CCS), xây dựng mô hình thực nghiệm nghịch lưu qSBI, đo đạc và phân tích dạng sóng điện áp, dòng điện, chỉ số THD.

  • Timeline nghiên cứu: Từ tháng 5/2016 đến tháng 10/2018, bao gồm giai đoạn nghiên cứu lý thuyết, mô phỏng, thực nghiệm và tổng hợp kết quả.

Cỡ mẫu thực nghiệm được thiết kế phù hợp với mô hình nghịch lưu qSBI, lựa chọn phương pháp phân tích dựa trên so sánh kết quả mô phỏng và thực nghiệm nhằm đảm bảo tính chính xác và khả năng ứng dụng thực tế.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Hiệu suất tăng áp của nghịch lưu qSBI với giải thuật SVM2: Kết quả mô phỏng và thực nghiệm cho thấy điện áp ngõ ra có thể tăng lên đáng kể so với điện áp ngõ vào, với độ lợi điện áp (G) đạt khoảng 1.5 đến 2 lần tùy theo tỷ số ngắn mạch D. Ví dụ, khi D = 0.4, điện áp đỉnh ngõ ra đạt khoảng 60 V so với điện áp ngõ vào 40 V.

  2. Giảm số lần chuyển mạch và tổn hao công suất: Phương pháp điều chế vector không gian SVM2 giảm số lần đóng cắt khóa bán dẫn xuống còn 4 lần mỗi chu kỳ điều chế, thấp hơn đáng kể so với các phương pháp PWM truyền thống (có thể lên đến hàng chục lần). Điều này giúp giảm tổn hao công suất và tăng tuổi thọ linh kiện.

  3. Cải thiện chất lượng sóng điện áp và dòng điện: Chỉ số méo dạng sóng hài tổng (THD) của điện áp và dòng điện ngõ ra giảm xuống dưới 10%, thấp hơn so với phương pháp Sin PWM (khoảng 15-20%). Dạng sóng điện áp ba pha trên tải RL và R được cải thiện rõ rệt, giúp tăng hiệu quả hoạt động của động cơ và thiết bị tải.

  4. Tính ổn định và khả năng hoạt động ở trạng thái ngắn mạch: Bộ nghịch lưu qSBI với giải thuật SVM2 cho phép hoạt động an toàn ở trạng thái ngắn mạch, giúp tích trữ năng lượng hiệu quả trong cuộn dây và tụ điện, đồng thời bảo vệ linh kiện khỏi hư hỏng do ngắn mạch.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của các kết quả tích cực trên là do cấu hình qSBI đơn giản hơn ZSI, giảm số lượng linh kiện như cuộn dây và tụ điện, từ đó giảm tổn hao và kích thước mạch. Giải thuật SVM2 tối ưu hóa việc đóng mở các khóa bán dẫn, giảm số lần chuyển mạch và sóng hài, điều mà các phương pháp PWM truyền thống không làm được.

So sánh với các nghiên cứu trước đây về nghịch lưu ZSI và các phương pháp điều chế khác, nghiên cứu này chứng minh rằng sự kết hợp qSBI và SVM2 mang lại hiệu suất cao hơn, đặc biệt trong các ứng dụng yêu cầu tăng áp trực tiếp và giảm tổn hao công suất. Kết quả mô phỏng trên PSIM và thực nghiệm trên card DSP TMS320F28355 tương đối khớp nhau, chứng tỏ tính khả thi và độ tin cậy của giải thuật.

Dữ liệu có thể được trình bày qua các biểu đồ dạng sóng điện áp, dòng điện, đồ thị chỉ số THD và biểu đồ điện áp đỉnh theo tỷ số ngắn mạch D, giúp minh họa rõ ràng hiệu quả của giải thuật điều chế vector không gian SVM2 trên bộ nghịch lưu qSBI.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Triển khai ứng dụng giải thuật SVM2 trong các hệ thống điều khiển động cơ điện xoay chiều: Động từ hành động: áp dụng; Target metric: giảm tổn hao công suất và tăng tuổi thọ linh kiện; Timeline: 6-12 tháng; Chủ thể thực hiện: các nhà sản xuất thiết bị điện tử công suất và các trung tâm nghiên cứu công nghệ.

  2. Phát triển các bộ nghịch lưu qSBI tích hợp sẵn giải thuật điều chế vector không gian: Động từ hành động: thiết kế và sản xuất; Target metric: giảm kích thước mạch và chi phí sản xuất; Timeline: 12-18 tháng; Chủ thể thực hiện: doanh nghiệp công nghệ điện tử và các viện nghiên cứu.

  3. Nâng cao đào tạo và nghiên cứu chuyên sâu về kỹ thuật điều khiển vector không gian trong các trường đại học kỹ thuật: Động từ hành động: đào tạo và nghiên cứu; Target metric: tăng số lượng chuyên gia và công trình nghiên cứu; Timeline: liên tục; Chủ thể thực hiện: các trường đại học và viện nghiên cứu.

  4. Mở rộng nghiên cứu ứng dụng giải thuật SVM2 cho các cấu hình nghịch lưu đa bậc và các hệ thống năng lượng tái tạo: Động từ hành động: nghiên cứu và thử nghiệm; Target metric: nâng cao hiệu suất và độ ổn định hệ thống; Timeline: 2-3 năm; Chủ thể thực hiện: các nhóm nghiên cứu và doanh nghiệp công nghệ.

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 hình nghịch lưu qSBI và các phương pháp điều chế hiện đại, phục vụ cho các đề tài nghiên cứu và luận văn.

  2. Kỹ sư thiết kế và phát triển thiết bị điện tử công suất: Áp dụng kiến thức về giải thuật SVM2 để tối ưu hóa thiết kế bộ nghịch lưu, nâng cao hiệu suất và độ bền sản phẩm.

  3. Các nhà quản lý và chuyên gia trong lĩnh vực năng lượng tái tạo và điều khiển động cơ: Nắm bắt công nghệ mới để lựa chọn giải pháp điều khiển phù hợp, giảm tổn hao và chi phí vận hành.

  4. Giảng viên và nhà nghiên cứu trong các trường đại học kỹ thuật: Là tài liệu tham khảo để cập nhật kiến thức, phát triển chương trình đào tạo và nghiên cứu ứng dụng.

Câu hỏi thường gặp

  1. Giải thuật điều chế vector không gian (SVM) là gì?
    SVM là phương pháp điều khiển tạo ra vector điện áp quay liên tục trên mặt phẳng tọa độ αβ, giúp giảm sóng hài và số lần chuyển mạch khóa bán dẫn, từ đó nâng cao hiệu suất và chất lượng điện áp ngõ ra.

  2. Tại sao chọn cấu hình nghịch lưu qSBI thay vì ZSI?
    qSBI có cấu hình đơn giản hơn với ít linh kiện hơn (một cuộn dây, một tụ điện), giúp giảm kích thước mạch, tổn hao công suất và chi phí sản xuất, đồng thời cải thiện hiệu suất hoạt động.

  3. Phương pháp SVM2 có ưu điểm gì so với các phương pháp PWM truyền thống?
    SVM2 giảm số lần đóng cắt khóa bán dẫn xuống còn 4 lần mỗi chu kỳ, giảm tổn hao công suất, tăng tuổi thọ linh kiện và giảm sóng hài điện áp, trong khi PWM truyền thống không tối ưu được các yếu tố này.

  4. Kết quả mô phỏng và thực nghiệm có tương đồng không?
    Kết quả mô phỏng trên phần mềm PSIM và thực nghiệm trên card DSP TMS320F28355 cho thấy sự tương đồng cao về điện áp ngõ ra, dòng điện và chỉ số THD, chứng tỏ tính khả thi của giải thuật.

  5. Ứng dụng thực tế của nghiên cứu này là gì?
    Nghiên cứu có thể ứng dụng trong điều khiển động cơ điện xoay chiều, xe điện, hệ thống năng lượng mặt trời và pin nhiên liệu, giúp tăng hiệu suất, giảm tổn hao và nâng cao độ bền của thiết bị.

Kết luận

  • Luận văn đã nghiên cứu và phát triển giải thuật điều chế vector không gian SVM2 cho bộ nghịch lưu tăng áp ba pha cấu hình qSBI, kết hợp ưu điểm của cấu hình mạch và phương pháp điều khiển hiện đại.
  • Kết quả mô phỏng và thực nghiệm chứng minh khả năng tăng điện áp ngõ ra, giảm số lần chuyển mạch, giảm sóng hài và tổn hao công suất so với các phương pháp truyền thống.
  • Giải thuật SVM2 giúp nâng cao hiệu suất và tuổi thọ linh kiện, đồng thời giảm kích thước và chi phí thiết kế bộ nghịch lưu.
  • Nghiên cứu mở ra hướng phát triển ứng dụng trong các hệ thống điều khiển động cơ, xe điện và năng lượng tái tạo tại Việt Nam.
  • Các bước tiếp theo bao gồm mở rộng nghiên cứu cho các cấu hình nghịch lưu đa bậc và phát triển sản phẩm thực tế, kêu gọi các tổ chức, doanh nghiệp hợp tác ứng dụng công nghệ.