Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh phát triển nhanh chóng của kỹ thuật điện tử công suất, đặc biệt là các linh kiện bán dẫn như SCR, MOSFET, IGBT, bộ nghịch lưu đa bậc đã trở thành thành phần quan trọng trong việc chuyển đổi nguồn điện một chiều sang xoay chiều. Bộ nghịch lưu 5 bậc H-bridge Neutral Point Clamped (H-NPC) được ứng dụng rộng rãi nhờ khả năng cải thiện chất lượng điện áp và dòng điện đầu ra, đồng thời giảm kích thước mạch lọc. Tuy nhiên, tổn hao công suất do chuyển mạch của các khóa công suất vẫn là thách thức lớn, ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu suất và độ bền của hệ thống.

Mục tiêu nghiên cứu là phát triển giải thuật điều chế sóng mang nhằm giảm tổn hao do chuyển mạch trong cấu hình nghịch lưu 5 bậc H-NPC cầu H. Nghiên cứu tập trung vào việc sử dụng hàm offset bậc 3 để điều chỉnh điện áp điều khiển, giảm số lần chuyển mạch ở vùng tổn hao cao. Phạm vi nghiên cứu bao gồm mô phỏng trên phần mềm PSIM và thực nghiệm trên mô hình nghịch lưu 3 pha 5 bậc với tải điện trở và cuộn cảm, điện áp nguồn 200V, tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh.

Ý nghĩa của nghiên cứu thể hiện qua việc giảm tổn hao chuyển mạch, nâng cao hiệu suất bộ nghịch lưu, đồng thời đảm bảo chất lượng điện áp đầu ra với chỉ số méo dạng hài tổng (THD) phù hợp tiêu chuẩn Việt Nam. Kết quả nghiên cứu góp phần thúc đẩy ứng dụng bộ nghịch lưu đa bậc trong các hệ thống năng lượng tái tạo như năng lượng mặt trời, năng lượng gió và trong điều khiển động cơ điện xoay chiều.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên các lý thuyết và mô hình sau:

  • Bộ nghịch lưu đa bậc NPC (Neutral Point Clamped): Cấu trúc sử dụng các diode kẹp để tạo ra nhiều mức điện áp đầu ra, giảm dv/dt và tần số chuyển mạch trên linh kiện, nâng cao chất lượng sóng điện áp. Bộ nghịch lưu 5 bậc sử dụng ba nguồn DC độc lập và sáu tụ lọc, tạo ra 5 mức điện áp pha khác nhau.

  • Phương pháp điều chế độ rộng xung (PWM): Bao gồm các dạng sóng mang như APOD, PD, POD và các kỹ thuật điều chế như Sin PWM, MSPWM (Modified Sin PWM) và SVPWM (Space Vector PWM). SVPWM được sử dụng để tối ưu hóa biên độ điện áp và giảm sóng hài.

  • Giải thuật điều chế sóng mang với hàm offset bậc 3: Hàm offset được thêm vào điện áp điều khiển nhằm dịch chuyển sóng điều khiển về ngưỡng cực đại hoặc cực tiểu của sóng mang, giảm số lần chuyển mạch ở vùng tổn hao cao. Hàm offset này không làm ảnh hưởng đến thành phần hài bậc 3 trên tải, đảm bảo chất lượng điện áp.

  • Tổn hao do chuyển mạch: Tổn hao trên khóa công suất gồm tổn hao dẫn điện và tổn hao chuyển mạch, trong đó tổn hao chuyển mạch phụ thuộc vào số lần chuyển mạch và tích điện áp - dòng điện tại thời điểm chuyển mạch. Giảm số lần chuyển mạch ở pha có dòng tải lớn nhất giúp giảm tổn hao hiệu quả.

Phương pháp nghiên cứu

  • Nguồn dữ liệu: Dữ liệu thu thập từ mô phỏng trên phần mềm PSIM và thực nghiệm trên mô hình nghịch lưu 3 pha 5 bậc H-NPC với tải điện trở R=40Ω và cuộn cảm L=100mH, điện áp nguồn DC 200V.

  • Phương pháp phân tích: Sử dụng mô phỏng để đánh giá sóng điện áp, dòng điện, số lần chuyển mạch và THD. Thực nghiệm được thực hiện trên card điều khiển DSP TMS320F28335, lập trình bằng ngôn ngữ C với phần mềm CCS 6. Kết quả mô phỏng và thực nghiệm được so sánh để xác nhận hiệu quả giải thuật.

  • Timeline nghiên cứu: Nghiên cứu được thực hiện trong khoảng thời gian từ 2008 đến 2017, bao gồm giai đoạn phát triển giải thuật, mô phỏng, xây dựng mô hình thực nghiệm và đánh giá kết quả.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Giảm số lần chuyển mạch: Giải thuật đề xuất giảm số lần chuyển mạch của các khóa công suất trên mỗi pha trong một chu kỳ lên đến khoảng 30% so với phương pháp điều chế truyền thống. Ví dụ, với chỉ số điều chế m=0.1, số lần chuyển mạch giảm rõ rệt, giúp giảm tổn hao chuyển mạch.

  2. Giảm tổn hao chuyển mạch: Nhờ giảm số lần chuyển mạch tại các thời điểm có tích điện áp và dòng tải lớn nhất, tổng tổn hao do chuyển mạch giảm đáng kể, làm giảm nhu cầu làm mát và tăng tuổi thọ linh kiện.

  3. Chất lượng điện áp đầu ra: THD của điện áp pha tải được duy trì dưới 5%, phù hợp với tiêu chuẩn Việt Nam và các tiêu chuẩn quốc tế, đảm bảo hiệu quả vận hành và giảm méo dạng sóng.

  4. Tính ổn định và khả năng ứng dụng: Giải thuật sử dụng các phép toán cộng, trừ, nhân, so sánh đơn giản, phù hợp cho điều khiển vòng kín và triển khai trên các bộ vi xử lý DSP với thời gian tính toán nhanh.

Thảo luận kết quả

Giải thuật điều chế sóng mang với hàm offset bậc 3 tập trung dịch chuyển điện áp điều khiển pha có dòng tải lớn nhất về ngưỡng cực đại hoặc cực tiểu của sóng mang, giảm giao cắt giữa sóng điều khiển và sóng mang. Điều này làm giảm số lần chuyển mạch ở vùng tổn hao cao, từ đó giảm tổn hao chuyển mạch tổng thể.

So với các nghiên cứu trước đây sử dụng SVPWM hoặc MSPWM, giải thuật này không chỉ giảm số lần chuyển mạch mà còn giữ được chất lượng điện áp đầu ra tốt. Kết quả mô phỏng và thực nghiệm cho thấy sự phù hợp cao, với THD và số lần chuyển mạch thấp hơn đáng kể so với giải thuật Min Common Mode đã được công bố trong nước.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ số lần chuyển mạch theo chỉ số điều chế m, biểu đồ THD% và dạng sóng điện áp pha tải, giúp minh họa rõ ràng hiệu quả của giải thuật. Bảng so sánh tổn hao và THD giữa các giải thuật cũng làm nổi bật ưu điểm của phương pháp đề xuất.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Triển khai giải thuật trên hệ thống thực tế: Áp dụng giải thuật điều chế sóng mang với hàm offset bậc 3 trên các bộ nghịch lưu 5 bậc trong hệ thống năng lượng tái tạo như điện mặt trời, điện gió để giảm tổn hao và nâng cao hiệu suất. Thời gian thực hiện trong vòng 12 tháng, chủ thể là các đơn vị nghiên cứu và doanh nghiệp sản xuất thiết bị điện tử công suất.

  2. Phát triển phần mềm điều khiển tích hợp DSP: Xây dựng phần mềm điều khiển tích hợp giải thuật trên các bộ vi xử lý DSP phổ biến, tối ưu hóa thời gian tính toán và khả năng mở rộng cho các cấu hình nghịch lưu đa bậc khác. Thời gian phát triển dự kiến 6-9 tháng, do các nhóm kỹ sư phần mềm và kỹ thuật điện thực hiện.

  3. Nâng cao đào tạo và chuyển giao công nghệ: Tổ chức các khóa đào tạo chuyên sâu về kỹ thuật điều chế sóng mang và ứng dụng giải thuật giảm tổn hao cho sinh viên và kỹ sư ngành điện tử công suất. Chủ thể là các trường đại học và trung tâm đào tạo kỹ thuật, thời gian triển khai liên tục hàng năm.

  4. Mở rộng nghiên cứu cho các cấu hình nghịch lưu khác: Nghiên cứu áp dụng giải thuật cho các bộ nghịch lưu dạng cascade, flying capacitor và các cấu hình đa bậc cao hơn nhằm tối ưu hóa hiệu suất và giảm tổn hao trong các ứng dụng công nghiệp. Thời gian nghiên cứu 1-2 năm, do các viện nghiên cứu và trường đại học thực hiện.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Sinh viên và nghiên cứu sinh ngành Kỹ thuật Điện - Điện tử: Luận văn cung cấp kiến thức chuyên sâu về bộ nghịch lưu đa bậc, kỹ thuật điều chế PWM và giải thuật giảm tổn hao, hỗ trợ học tập và nghiên cứu nâng cao.

  2. Kỹ sư thiết kế và phát triển thiết bị điện tử công suất: Tham khảo để áp dụng giải thuật điều chế mới vào thiết kế bộ nghịch lưu, nâng cao hiệu suất và độ bền sản phẩm.

  3. Doanh nghiệp sản xuất biến tần và hệ thống năng lượng tái tạo: Áp dụng giải thuật để cải thiện hiệu suất hệ thống, giảm chi phí vận hành và bảo trì.

  4. Giảng viên và nhà nghiên cứu trong lĩnh vực điện tử công suất: Sử dụng luận văn làm tài liệu tham khảo, phát triển các đề tài nghiên cứu tiếp theo và giảng dạy chuyên ngành.

Câu hỏi thường gặp

  1. Giải thuật điều chế sóng mang với hàm offset bậc 3 là gì?
    Giải thuật này thêm một thành phần điện áp offset bậc 3 vào điện áp điều khiển để dịch chuyển sóng điều khiển về ngưỡng cực đại hoặc cực tiểu của sóng mang, giảm số lần chuyển mạch ở vùng tổn hao cao. Ví dụ, pha có dòng tải lớn nhất sẽ được ưu tiên giảm chuyển mạch nhằm giảm tổn hao.

  2. Tại sao giảm số lần chuyển mạch lại quan trọng?
    Số lần chuyển mạch nhiều làm tăng tổn hao chuyển mạch trên các khóa công suất, gây nóng và giảm tuổi thọ linh kiện. Giảm số lần chuyển mạch giúp tiết kiệm năng lượng, giảm chi phí làm mát và tăng độ tin cậy hệ thống.

  3. Giải thuật này có ảnh hưởng đến chất lượng điện áp đầu ra không?
    Không. Giải thuật giữ THD của điện áp pha tải dưới 5%, phù hợp tiêu chuẩn Việt Nam, đảm bảo chất lượng điện áp và hiệu suất vận hành.

  4. Phương pháp nghiên cứu được thực hiện như thế nào?
    Nghiên cứu kết hợp mô phỏng trên phần mềm PSIM và thực nghiệm trên mô hình nghịch lưu 3 pha 5 bậc H-NPC với tải điện trở và cuộn cảm, sử dụng card điều khiển DSP TMS320F28335 để kiểm chứng hiệu quả giải thuật.

  5. Giải thuật có thể áp dụng cho các cấu hình nghịch lưu khác không?
    Có thể. Mặc dù nghiên cứu tập trung vào nghịch lưu 5 bậc H-NPC, nguyên lý điều chỉnh điện áp điều khiển dựa trên dòng tải lớn nhất có thể mở rộng cho các cấu hình nghịch lưu đa bậc khác như cascade hoặc flying capacitor.

Kết luận

  • Đã phát triển thành công giải thuật điều chế sóng mang sử dụng hàm offset bậc 3 nhằm giảm tổn hao do chuyển mạch cho bộ nghịch lưu 5 bậc H-NPC.
  • Giải thuật giảm số lần chuyển mạch lên đến khoảng 30%, đồng thời duy trì THD điện áp đầu ra dưới 5%.
  • Kết quả mô phỏng và thực nghiệm trên mô hình thực tế cho thấy tính khả thi và hiệu quả của giải thuật.
  • Giải thuật có tính toán đơn giản, phù hợp triển khai trên các bộ vi xử lý DSP trong điều khiển vòng kín.
  • Đề xuất mở rộng nghiên cứu và ứng dụng giải thuật trong các hệ thống năng lượng tái tạo và điều khiển động cơ xoay chiều.

Hành động tiếp theo: Các đơn vị nghiên cứu và doanh nghiệp nên triển khai thử nghiệm giải thuật trên hệ thống thực tế, đồng thời phát triển phần mềm điều khiển tích hợp để ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp.