Tổng quan nghiên cứu

Bộ nghịch lưu đa bậc là một thành phần quan trọng trong ngành điện tử công suất, được ứng dụng rộng rãi trong các hệ thống truyền động điện, gia nhiệt cảm ứng, điện phân và nhiều thiết bị công nghiệp khác. Theo ước tính, các bộ nghịch lưu đa bậc giúp nâng cao chất lượng điện áp và dòng điện đầu ra, đồng thời giảm tổn hao công suất so với nghịch lưu hai bậc truyền thống. Tuy nhiên, một trong những thách thức lớn là điện áp common-mode (CMV) sinh ra trong quá trình đóng ngắt các linh kiện bán dẫn, gây ảnh hưởng tiêu cực đến tải và thiết bị, như làm giảm tuổi thọ động cơ do dòng rò và nhiễu điện từ.

Luận văn tập trung nghiên cứu giải pháp giảm điện áp common-mode cho bộ nghịch lưu cascade 5 bậc, sử dụng phương pháp điều chế độ rộng xung PWM dựa trên kỹ thuật vector không gian và sóng mang. Mục tiêu cụ thể là xây dựng giải thuật điều khiển đơn giản, hiệu quả, có khả năng giảm CMV trong cả vùng điều chế tuyến tính và quá điều chế, đồng thời phát triển mô hình mô phỏng và thực nghiệm trên phần cứng với tải RL. Nghiên cứu được thực hiện trong phạm vi bộ nghịch lưu 3 pha 5 bậc cascade, sử dụng vi xử lý DSP TMS320F28335 và linh kiện IGBT STGW40N120K, tại phòng thí nghiệm trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh.

Ý nghĩa của nghiên cứu thể hiện qua việc cải thiện chất lượng sóng điện áp đầu ra, giảm điện áp common-mode khoảng 50%, giảm sóng hài và nhiễu, từ đó nâng cao hiệu suất và độ bền của thiết bị điện. Kết quả nghiên cứu có giá trị ứng dụng thực tiễn trong công nghiệp và giáo dục, hỗ trợ sinh viên, nghiên cứu sinh trong lĩnh vực điện tử công suất và tự động hóa.

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 cascade: Cấu trúc gồm nhiều bộ nghịch lưu cầu H một pha nối tiếp, tạo ra điện áp ngõ ra đa bậc (2n+1 mức). Bộ nghịch lưu 5 bậc gồm 4 khóa bán dẫn mỗi pha, tạo ra 5 mức điện áp (-2Vd, -Vd, 0, Vd, 2Vd). Ưu điểm là giảm điện áp đặt lên linh kiện, giảm tần số đóng ngắt và dv/dt, nâng cao chất lượng điện áp đầu ra.

  • Điện áp common-mode (CMV): Là điện áp giữa điểm trung tính tải và trung tính nguồn, gây ra dòng rò và nhiễu điện từ. CMV được tính theo công thức:
    $$ U_{NO} = \frac{U_{AO} + U_{BO} + U_{CO}}{3} $$.
    Mục tiêu là giới hạn CMV trong khoảng thấp nhất, thường là -Vd/3, 0, Vd/3.

  • Kỹ thuật điều chế độ rộng xung PWM:

    • SPWM (Sinusoidal PWM): Sử dụng sóng mang tam giác và sóng điều khiển sin để tạo xung kích cho các khóa bán dẫn.
    • CPWM (Carrier-based PWM): Sử dụng nhiều sóng mang với biên độ khác nhau hoặc một sóng mang chuẩn kết hợp với các sóng điều khiển phân tách để điều khiển các cặp khóa.
    • Vector không gian (SVPWM): Biểu diễn điện áp ba pha dưới dạng vector không gian, xác định các trạng thái đóng ngắt linh kiện tương ứng với các vector điện áp, từ đó điều khiển chính xác điện áp đầu ra và giảm CMV.

  • Giải thuật giảm điện áp common-mode: Dựa trên việc lựa chọn các vector "cho phép" có điện áp CMV thấp trong vùng điều chế, sử dụng kỹ thuật sóng mang để điều chỉnh điện áp offset, giới hạn CMV trong phạm vi an toàn.

Phương pháp nghiên cứu

  • Nguồn dữ liệu:

    • Tài liệu chuyên ngành, các công trình nghiên cứu trong và ngoài nước về bộ nghịch lưu đa bậc và kỹ thuật giảm CMV.
    • Dữ liệu mô phỏng từ phần mềm MATLAB/Simulink.
    • Dữ liệu thực nghiệm thu thập từ mô hình thực tế sử dụng linh kiện IGBT STGW40N120K và vi xử lý DSP TMS320F28335.

  • Phương pháp phân tích:

    • Mô phỏng kỹ thuật điều chế PWM và giải thuật giảm CMV trên MATLAB/Simulink để đánh giá hiệu quả về dạng sóng điện áp, dòng tải và điện áp common-mode.
    • Lập trình nhúng trên DSP TMS320F28335 sử dụng công cụ Code Composer Studio V3.3, tự động biên dịch từ mô hình Simulink sang ngôn ngữ C, không cần lập trình lại thủ công.
    • Thực nghiệm trên mô hình phần cứng với tải RL 3 pha, đo đạc dạng sóng điện áp, dòng điện và CMV bằng thiết bị đo Tektronic.

  • Timeline nghiên cứu:

    • Giai đoạn 1: Tổng hợp tài liệu, xây dựng khung lý thuyết và mô hình mô phỏng (3 tháng).
    • Giai đoạn 2: Phát triển giải thuật giảm CMV, mô phỏng và tối ưu trên MATLAB (4 tháng).
    • Giai đoạn 3: Thiết kế mô hình thực nghiệm, lập trình nhúng DSP và thực hiện thí nghiệm (4 tháng).
    • Giai đoạn 4: Phân tích kết quả, so sánh mô phỏng và thực nghiệm, hoàn thiện luận văn (3 tháng).

  • Cỡ mẫu và chọn mẫu:

    • Mô hình thực nghiệm sử dụng bộ nghịch lưu cascade 5 bậc 3 pha với tải RL có điện trở 40Ω và điện cảm 90mH mỗi pha, phù hợp với điều kiện phòng thí nghiệm và mục tiêu nghiên cứu.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Giảm điện áp common-mode hiệu quả:

    • Mô phỏng và thực nghiệm cho thấy điện áp CMV giảm khoảng 50% khi áp dụng giải thuật điều khiển dựa trên kỹ thuật sóng mang và vector không gian so với trường hợp không sử dụng giải thuật.
    • Điện áp CMV được giới hạn trong khoảng -Vd/3 đến Vd/3, giảm đáng kể các mức điện áp cao gây hại.

  2. Chất lượng sóng điện áp và dòng tải cải thiện:

    • Dạng sóng điện áp đầu ra gần giống với mô phỏng MATLAB-Simulink, có độ mịn cao, giảm sóng hài tổng (THD) đáng kể.
    • Dòng tải ổn định, giảm dao động và nhiễu, phù hợp với tải RL 3 pha.

  3. Hiệu quả của kỹ thuật lập trình nhúng DSP:

    • Việc lập trình nhúng từ mô hình Simulink sang DSP TMS320F28335 qua Code Composer Studio V3.3 giúp tự động hóa quá trình phát triển, giảm thời gian và công sức lập trình thủ công.
    • Mô hình thực nghiệm vận hành ổn định, đáp ứng nhanh với các thay đổi của tải và điều kiện vận hành.

  4. So sánh mô phỏng và thực nghiệm:

    • Kết quả thực nghiệm khớp với mô phỏng trong phạm vi sai số nhỏ, chứng minh tính khả thi và độ tin cậy của giải thuật.
    • Biểu đồ dạng sóng và bảng số liệu thực nghiệm thể hiện rõ sự giảm CMV và cải thiện chất lượng điện áp.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của việc giảm điện áp common-mode là do giải thuật điều khiển lựa chọn các trạng thái chuyển mạch có điện áp CMV thấp, đồng thời sử dụng điện áp offset thích hợp để giới hạn CMV trong phạm vi an toàn. Kỹ thuật sóng mang kết hợp vector không gian giúp điều khiển chính xác điện áp đầu ra, giảm các thành phần hài bậc cao và nhiễu.

So với các nghiên cứu trước đây chỉ tập trung vào mô phỏng hoặc điều khiển các bộ nghịch lưu 2-3 bậc, luận văn đã mở rộng nghiên cứu lên bộ nghịch lưu 5 bậc với mô hình thực nghiệm đầy đủ, sử dụng vi xử lý DSP hiện đại, tạo ra bước tiến trong ứng dụng thực tế.

Ý nghĩa của kết quả không chỉ nằm ở việc giảm CMV mà còn nâng cao chất lượng điện áp, giảm tổn hao và tăng tuổi thọ thiết bị, phù hợp với yêu cầu công nghiệp hiện đại. Việc kết hợp mô phỏng và thực nghiệm cũng giúp kiểm chứng độ chính xác của giải thuật, tạo điều kiện thuận lợi cho việc ứng dụng trong đào tạo và nghiên cứu.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Triển khai giải thuật giảm CMV trên các bộ nghịch lưu đa bậc cao hơn

    • Mở rộng nghiên cứu và áp dụng giải thuật cho bộ nghịch lưu 7 bậc hoặc cao hơn để nâng cao hiệu suất và chất lượng điện áp.
    • Thời gian thực hiện: 12-18 tháng.
    • Chủ thể thực hiện: Các nhóm nghiên cứu và phòng thí nghiệm điện tử công suất.

  2. Phát triển phần mềm lập trình nhúng tích hợp cho DSP

    • Xây dựng thư viện phần mềm hỗ trợ tự động chuyển đổi mô hình Simulink sang mã nguồn C cho DSP, giảm thiểu lỗi và tăng tốc độ phát triển.
    • Thời gian thực hiện: 6-9 tháng.
    • Chủ thể thực hiện: Các đơn vị phát triển phần mềm và trung tâm nghiên cứu.

  3. Ứng dụng giải thuật trong các hệ thống truyền động công nghiệp

    • Áp dụng giải thuật giảm CMV trong các bộ biến tần điều khiển động cơ công suất lớn, nâng cao độ bền và hiệu suất.
    • Thời gian thực hiện: 9-12 tháng.
    • Chủ thể thực hiện: Doanh nghiệp sản xuất thiết bị điện và các nhà máy công nghiệp.

  4. Đào tạo và chuyển giao công nghệ

    • Tổ chức các khóa đào tạo về kỹ thuật điều khiển bộ nghịch lưu đa bậc và lập trình nhúng DSP cho sinh viên và kỹ sư.
    • Thời gian thực hiện: liên tục theo năm học.
    • Chủ thể thực hiện: Các trường đại học, cao đẳng 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, Điện tử công suất

    • Học tập và nghiên cứu về bộ nghịch lưu đa bậc, kỹ thuật điều chế PWM và lập trình nhúng DSP.
    • Use case: Thực hành mô phỏng và thực nghiệm, phát triển đề tài luận văn.

  2. Kỹ sư thiết kế và phát triển thiết bị điện tử công suất

    • Áp dụng giải thuật giảm điện áp common-mode để nâng cao chất lượng sản phẩm và độ bền thiết bị.
    • Use case: Thiết kế bộ biến tần, bộ nghịch lưu cho hệ thống truyền động.

  3. Giảng viên và nhà nghiên cứu trong lĩnh vực tự động hóa và điều khiển

    • Tham khảo phương pháp nghiên cứu kết hợp mô phỏng và thực nghiệm, kỹ thuật lập trình nhúng DSP.
    • Use case: Phát triển chương trình đào tạo, nghiên cứu ứng dụng.

  4. Doanh nghiệp sản xuất và vận hành hệ thống điện công nghiệp

    • Nâng cao hiệu quả vận hành, giảm thiểu sự cố do điện áp common-mode gây ra.
    • Use case: Bảo trì, nâng cấp hệ thống biến tần và truyền động.

Câu hỏi thường gặp

  1. Điện áp common-mode là gì và tại sao cần giảm?
    Điện áp common-mode là điện áp giữa điểm trung tính tải và trung tính nguồn, gây ra dòng rò và nhiễu điện từ. Giảm CMV giúp bảo vệ thiết bị, giảm bào mòn ổ bi động cơ và nâng cao tuổi thọ thiết bị.

  2. Tại sao chọn bộ nghịch lưu cascade 5 bậc để nghiên cứu?
    Bộ nghịch lưu 5 bậc cân bằng giữa độ phức tạp và hiệu suất, cho chất lượng điện áp tốt hơn nghịch lưu 2-3 bậc, đồng thời dễ dàng mở rộng và ứng dụng trong thực tế.

  3. Lập trình nhúng DSP có ưu điểm gì trong nghiên cứu này?
    DSP TMS320F28335 có khả năng xử lý nhanh, hỗ trợ lập trình C/C++, tích hợp nhiều ngoại vi, giúp thực hiện điều khiển chính xác và tự động hóa quá trình phát triển phần mềm từ mô hình Simulink.

  4. Giải thuật giảm CMV dựa trên nguyên lý nào?
    Giải thuật lựa chọn các trạng thái chuyển mạch có điện áp CMV thấp, kết hợp điều chỉnh điện áp offset để giới hạn CMV trong phạm vi an toàn, sử dụng kỹ thuật sóng mang và vector không gian.

  5. Kết quả thực nghiệm có khác biệt nhiều so với mô phỏng không?
    Kết quả thực nghiệm và mô phỏng tương đồng cao, sai số nhỏ, chứng minh tính khả thi và hiệu quả của giải thuật trong điều kiện thực tế.

Kết luận

  • Luận văn đã phát triển thành công giải thuật giảm điện áp common-mode cho bộ nghịch lưu cascade 5 bậc, giảm CMV khoảng 50% so với phương pháp truyền thống.
  • Kỹ thuật lập trình nhúng DSP TMS320F28335 từ mô hình Simulink giúp tự động hóa và nâng cao hiệu quả phát triển phần mềm điều khiển.
  • Mô hình thực nghiệm với tải RL 3 pha chứng minh tính khả thi và độ chính xác của giải thuật, phù hợp với ứng dụng công nghiệp và đào tạo.
  • Giải thuật góp phần nâng cao chất lượng điện áp đầu ra, giảm sóng hài và nhiễu, bảo vệ thiết bị và tăng tuổi thọ động cơ.
  • Đề xuất mở rộng nghiên cứu cho các bộ nghịch lưu đa bậc cao hơn, phát triển phần mềm hỗ trợ lập trình nhúng và ứng dụng trong các hệ thống truyền động công nghiệp.

Hành động tiếp theo: Các nhà nghiên cứu và kỹ sư nên áp dụng và thử nghiệm giải thuật trong các hệ thống thực tế, đồng thời phát triển thêm các công cụ hỗ trợ lập trình nhúng để nâng cao hiệu quả ứng dụng.