Tổng quan nghiên cứu

Hệ truyền động điện đóng vai trò then chốt trong sản xuất công nghiệp, thực hiện chuyển đổi điện năng thành cơ năng quay và điều khiển dòng năng lượng theo yêu cầu công nghệ. Trong những năm gần đây, sự phát triển của công nghệ bán dẫn đã thúc đẩy sự hoàn thiện của các bộ biến đổi điện tử công suất, đặc biệt là biến tần, với khả năng tác động nhanh, độ chính xác cao, đồng thời giảm kích thước và chi phí hệ thống. Biến tần nguồn áp được ứng dụng rộng rãi trong nhiều ngành công nghiệp, góp phần nâng cao năng suất lao động và hiệu quả sản xuất.

Tuy nhiên, biến tần nguồn áp truyền thống sử dụng chỉnh lưu Thyristo và Điôt tồn tại nhiều hạn chế như không thể trao đổi công suất từ tải về lưới, dòng điện đầu vào chứa nhiều sóng hài bậc cao gây méo điện áp lưới và hệ số công suất thấp, cũng như cần điện trở hãm tiêu tán năng lượng dư thừa khi động cơ hãm, làm tăng kích thước và chi phí. Để khắc phục, biến tần Back–to–Back sử dụng bộ chỉnh lưu PWM với cấu trúc hai khối chỉnh lưu và nghịch lưu dựa lưng vào nhau, cho phép hoạt động trên bốn góc phần tư, trao đổi công suất hai chiều giữa tải và lưới, nâng cao hệ số công suất và giảm sóng hài.

Mục tiêu nghiên cứu là phân tích, mô hình hóa và mô phỏng hệ truyền động biến tần Back–to–Back điều khiển động cơ không đồng bộ, nhằm chứng minh hiệu quả của các lý thuyết điều khiển và cải thiện chất lượng nguồn điện. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào các thuật toán điều khiển bộ biến đổi, đảm bảo cosϕ gần bằng 1, sóng hài nằm trong giới hạn cho phép và khả năng trao đổi công suất hai chiều trong các trường hợp đặc trưng. Nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc nâng cao hiệu quả vận hành hệ truyền động công nghiệp, đặc biệt với các tải có tính chất thế năng như cơ cấu nâng hạ, thang máy, cầu trục.

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:

  • Mô hình động học của chỉnh lưu PWM (Pulse Width Modulation): Mô tả hoạt động và mô hình toán học của bộ chỉnh lưu PWM trong hệ tọa độ ba pha abc, tọa độ tĩnh α–β và tọa độ quay d–q, bao gồm giới hạn điện áp một chiều và điện cảm.

  • Phương pháp điều khiển chỉnh lưu PWM: Bao gồm điều khiển định hướng theo vectơ điện áp (VOC), điều khiển trực tiếp công suất (DPC), điều khiển theo vectơ từ thông ảo (VFOC) và phương pháp kết hợp VF–DPC. Các phương pháp này dựa trên ước lượng vectơ điện áp và vectơ từ thông ảo để điều khiển chính xác bộ biến đổi.

  • Phương pháp điều khiển động cơ không đồng bộ: Tập trung vào điều khiển vectơ tựa từ thông rôto (FOC) và điều khiển trực tiếp mômen (DTC), so sánh ưu nhược điểm nhằm lựa chọn thuật toán phù hợp cho hệ truyền động biến tần Back–to–Back.

Các khái niệm chính bao gồm: sóng hài bậc cao, cosϕ (hệ số công suất), vectơ điện áp, vectơ từ thông ảo, công suất tác dụng và phản kháng, góc phần tư hoạt động của biến tần, và các thuật toán điều khiển PWM.

Phương pháp nghiên cứu

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

  • Nguồn dữ liệu: Thu thập từ các tài liệu chuyên ngành, mô hình toán học và các kết quả mô phỏng trên phần mềm Matlab/Simulink/Plecs.

  • Phương pháp phân tích: Xây dựng mô hình toán học của hệ biến tần Back–to–Back và động cơ không đồng bộ, phát triển thuật toán điều khiển dựa trên các phương pháp VOC, VFOC, DPC và DTC. Tiến hành mô phỏng các trường hợp khởi động, giảm tốc độ, hãm tái sinh và tải thế năng để đánh giá hiệu quả điều khiển.

  • Cỡ mẫu và timeline: Mô hình mô phỏng được xây dựng chi tiết với các tham số thực tế của động cơ và biến tần, tiến hành trong suốt quá trình nghiên cứu từ đầu đến cuối luận văn, hoàn thành trong khoảng thời gian học tập tại trường Đại học Bách Khoa Hà Nội năm 2008.

Phương pháp nghiên cứu đảm bảo kiểm chứng lý thuyết bằng mô phỏng, đánh giá ảnh hưởng của các tham số như điện trở phía lưới, và so sánh hiệu quả các thuật toán điều khiển.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Khả năng trao đổi công suất hai chiều của biến tần Back–to–Back: Mô phỏng cho thấy biến tần Back–to–Back có thể hoạt động hiệu quả trên cả bốn góc phần tư, cho phép công suất tác dụng từ tải trả về lưới trong các trường hợp hãm tái sinh và tải thế năng. Ví dụ, trong quá trình giảm tốc độ đủ lớn để xảy ra hãm tái sinh, công suất tác dụng có thể âm, chứng tỏ năng lượng được trả lại lưới.

  2. Giảm sóng hài và nâng cao hệ số công suất: So sánh với biến tần nguồn áp truyền thống dùng chỉnh lưu điôt hoặc thyristo, biến tần Back–to–Back sử dụng CLPWM giảm đáng kể sóng hài bậc cao, giúp điện áp lưới gần dạng hình sin và nâng hệ số cosϕ lên gần 1, cải thiện chất lượng nguồn điện.

  3. Hiệu quả điều khiển theo các phương pháp VOC–DTC và VFOC–DTC: Mô phỏng cho thấy phương pháp VOC–DTC cho đáp ứng mômen và dòng điện ổn định trong các giai đoạn khởi động không tải, khởi động với tải định mức và giảm tốc độ. Phương pháp VFOC–DTC cũng thể hiện khả năng điều khiển chính xác, tuy nhiên VOC–DTC có ưu thế trong việc giảm dao động dòng điện.

  4. Ảnh hưởng của điện trở phía lưới: Nghiên cứu chỉ ra rằng điện trở phía lưới R ảnh hưởng đến các thành phần vectơ từ thông ảo ψLα, ψLβ và góc pha γψ. Khi tính đến điện trở R, các đại lượng này biến đổi, ảnh hưởng đến chất lượng điều khiển CLPWM. Việc bù điện trở bằng bộ điều chỉnh PI giúp ổn định hệ thống.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của khả năng trao đổi công suất hai chiều là cấu trúc biến tần Back–to–Back với hai bộ chỉnh lưu và nghịch lưu có chung mạch một chiều, cho phép dòng điện chỉnh lưu Id thay đổi dấu, từ đó công suất có thể chuyển hướng giữa lưới và tải. Điều này khắc phục nhược điểm của biến tần nguồn áp truyền thống chỉ cho phép công suất một chiều.

Việc giảm sóng hài và nâng cao cosϕ là nhờ sử dụng phương pháp điều chế độ rộng xung PWM kết hợp biến điệu vectơ không gian (SVPWM), giúp dòng điện đầu vào gần dạng hình sin, giảm méo điện áp lưới và tổn thất phụ.

So sánh với các nghiên cứu trong ngành, kết quả mô phỏng phù hợp với báo cáo của ngành về hiệu quả của biến tần Back–to–Back trong các hệ truyền động công nghiệp có tải thế năng và quán tính lớn. Việc mô phỏng chi tiết các trường hợp vận hành giúp minh chứng tính ứng dụng thực tiễn của các thuật toán điều khiển.

Dữ liệu có thể được trình bày qua các biểu đồ vectơ điện áp-dòng điện trong hệ tọa độ abc, α–β và d–q, cũng như bảng so sánh các chỉ tiêu sóng hài và cosϕ giữa các phương pháp điều khiển và cấu trúc biến tần.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Ứng dụng biến tần Back–to–Back trong các hệ truyền động có tải thế năng: Khuyến nghị các nhà máy sử dụng biến tần Back–to–Back cho các cơ cấu nâng hạ, thang máy, cầu trục nhằm tận dụng khả năng trao đổi công suất hai chiều, tiết kiệm năng lượng và giảm chi phí vận hành.

  2. Triển khai các thuật toán điều khiển VOC–DTC và VFOC–DTC: Đề xuất áp dụng các phương pháp điều khiển này để nâng cao độ ổn định và chính xác của hệ truyền động, giảm dao động dòng điện và cải thiện chất lượng nguồn điện. Thời gian triển khai trong vòng 6-12 tháng, do các đơn vị kỹ thuật thực hiện.

  3. Bù điện trở phía lưới bằng bộ điều chỉnh PI: Để giảm ảnh hưởng tiêu cực của điện trở lưới đến hiệu quả điều khiển, cần thiết kế và tích hợp bộ điều chỉnh PI trong hệ thống điều khiển biến tần, đảm bảo vận hành ổn định trong mọi điều kiện tải.

  4. Nâng cao công tác lọc sóng hài và kiểm soát cosϕ: Đề xuất nghiên cứu và phát triển thêm các bộ lọc LC cộng hưởng hoặc bộ lọc giải rộng để giảm sóng hài bậc cao, đồng thời duy trì hệ số công suất gần 1, góp phần bảo vệ lưới điện và thiết bị.

  5. Đào tạo và nâng cao năng lực kỹ thuật cho đội ngũ vận hành: Tổ chức các khóa đào tạo chuyên sâu về công nghệ biến tần Back–to–Back và các thuật toán điều khiển hiện đại nhằm đảm bảo vận hành và bảo trì hiệu quả, giảm thiểu sự cố.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Kỹ sư và chuyên gia tự động hóa công nghiệp: Nghiên cứu giúp hiểu sâu về cấu trúc và thuật toán điều khiển biến tần Back–to–Back, áp dụng trong thiết kế và vận hành hệ truyền động động cơ không đồng bộ.

  2. Nhà quản lý và kỹ thuật viên vận hành nhà máy: Hiểu rõ ưu nhược điểm của các loại biến tần, lựa chọn giải pháp phù hợp cho từng loại tải, đặc biệt là các hệ truyền động có tải thế năng và quán tính lớn.

  3. Giảng viên và sinh viên ngành điện – điện tử: Tài liệu tham khảo quý giá cho việc giảng dạy và nghiên cứu về biến tần, điều khiển động cơ không đồng bộ, cũng như các phương pháp điều khiển hiện đại như VOC, DPC, FOC, DTC.

  4. Các nhà nghiên cứu và phát triển công nghệ điện tử công suất: Cung cấp cơ sở lý thuyết và mô hình mô phỏng chi tiết để phát triển các thuật toán điều khiển mới, cải tiến hiệu suất biến tần và giảm thiểu sóng hài.

Câu hỏi thường gặp

  1. Biến tần Back–to–Back khác gì so với biến tần nguồn áp truyền thống?
    Biến tần Back–to–Back có cấu trúc gồm hai bộ chỉnh lưu và nghịch lưu chung mạch một chiều, cho phép trao đổi công suất hai chiều giữa tải và lưới, trong khi biến tần truyền thống chỉ cho phép công suất một chiều, không thể trả năng lượng về lưới.

  2. Tại sao sóng hài bậc cao lại gây ảnh hưởng xấu đến lưới điện?
    Sóng hài bậc cao làm méo dạng sóng điện áp, gây tổn thất phụ, nhiễu điện và có thể tạo cộng hưởng với các phần tử trong lưới, làm giảm tuổi thọ thiết bị và hiệu suất vận hành.

  3. Phương pháp điều khiển VOC và DPC có ưu điểm gì?
    VOC điều khiển dựa trên vectơ điện áp giúp dòng điện đầu vào gần dạng hình sin, giảm sóng hài; DPC điều khiển trực tiếp công suất tác dụng và phản kháng, cho phép đáp ứng nhanh và chính xác, phù hợp với các hệ thống biến tần hiện đại.

  4. Điện trở phía lưới ảnh hưởng thế nào đến hệ thống?
    Điện trở phía lưới làm thay đổi các thành phần vectơ từ thông ảo và góc pha, ảnh hưởng đến chất lượng điều khiển và hiệu suất biến tần. Việc bù điện trở giúp ổn định hệ thống và nâng cao hiệu quả điều khiển.

  5. Biến tần Back–to–Back phù hợp với loại tải nào?
    Biến tần này đặc biệt thích hợp với các tải có tính chất thế năng như cơ cấu nâng hạ, thang máy, cầu trục, cũng như các tải quán tính lớn như quạt gió, máy bơm ly tâm, giúp tiết kiệm điện năng và nâng cao hiệu quả vận hành.

Kết luận

  • Biến tần Back–to–Back sử dụng chỉnh lưu PWM cho phép trao đổi công suất hai chiều, khắc phục nhược điểm của biến tần nguồn áp truyền thống.
  • Các phương pháp điều khiển VOC–DTC và VFOC–DTC được mô phỏng và chứng minh hiệu quả trong việc điều khiển động cơ không đồng bộ, nâng cao chất lượng dòng điện và mômen.
  • Việc bù điện trở phía lưới và kiểm soát sóng hài bậc cao là yếu tố quan trọng để đảm bảo vận hành ổn định và hiệu quả của hệ truyền động.
  • Nghiên cứu có ý nghĩa thực tiễn cao, đặc biệt trong các ứng dụng công nghiệp có tải thế năng và quán tính lớn.
  • Đề xuất triển khai ứng dụng và đào tạo kỹ thuật nhằm nâng cao hiệu quả sử dụng biến tần Back–to–Back trong công nghiệp.

Tiếp theo, cần tiến hành thử nghiệm thực tế và tối ưu thuật toán điều khiển trên các hệ thống thực tế để hoàn thiện giải pháp. Các đơn vị nghiên cứu và doanh nghiệp được khuyến khích hợp tác phát triển công nghệ này nhằm nâng cao hiệu quả sản xuất và tiết kiệm năng lượng.