I. Tổng Quan Về Truyền Động Động Cơ Trung Thế Khái Niệm Ứng Dụng
Sự phát triển của các bộ biến đổi cao áp và hệ truyền động trung áp (MV) bắt đầu từ giữa thập niên 1980. Các bộ GTO là tiêu chuẩn đến khi IGBT và GCT xuất hiện vào cuối thập niên 1990. Các hệ truyền động trung áp có dải công suất từ 0,4MW đến 40 MW và điện áp từ 2,3 kV đến 13,8 kV. Ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp bơm dầu, hệ thống quạt, máy bơm nước, vận tải, gia công kim loại. Đầu thế kỷ 21, hàng ngàn hệ thống đã được sử dụng. Theo nghiên cứu, khoảng 85% tổng số lắp đặt là cho bơm, quạt, máy nén và băng tải, nơi không yêu cầu cao về động lực. Việc lắp đặt truyền động động cơ trung thế giúp tăng hiệu suất, tiết kiệm năng lượng, giảm chi phí điện. "Việc sử dụng hệ truyền động trung thế ngoài ra có thể gia tăng năng suất trong một vài ứng dụng" (Trích dẫn từ tài liệu gốc).
1.1. Lợi Ích của Truyền Động Trung Thế Tiết Kiệm Năng Suất
Khi quạt hoặc bơm hoạt động bởi động cơ cố định tốc độ, việc điều khiển không khí hoặc lưu lượng nước thường đạt được bằng các nguyên lý cơ học, gây thất thoát năng lượng. Hệ truyền động trung thế có thể giúp tăng hiệu suất, tiết kiệm năng lượng, giảm chi phí điện. Việc sử dụng điều khiển động cơ có tốc độ điều chỉnh được dẫn đến thời gian hoàn vốn đầu tư nhanh hơn.
1.2. Cấu Trúc Cơ Bản của Hệ Truyền Động Động Cơ Trung Thế
Bộ truyền động trung thế bao gồm bộ chỉnh lưu, bộ lọc một chiều và bộ chuyển đổi (VSI hoặc CSI). Bộ chỉnh lưu chuyển đổi nguồn cấp thành điện áp một chiều. Bộ lọc một chiều làm mịn dòng điện. Bộ chuyển đổi VSI chuyển đổi điện áp một chiều thành nguồn xoay chiều ba pha, còn bộ chuyển đổi CSI chuyển đổi dòng một chiều thành nguồn dòng ba pha. Phụ thuộc vào yêu cầu hệ thống và loại thiết bị chuyển đổi, bộ lọc pha là tùy chọn.
II. Thách Thức Yêu Cầu Kỹ Thuật Của Truyền Động Trung Thế
Yêu cầu và đòi hỏi kỹ thuật cho bộ truyền động động cơ trung thế khác biệt so với các bộ truyền động xoay chiều điện áp thấp. Những yêu cầu này có thể chia làm 4 nhóm: chất lượng công suất của bộ chuyển đổi, thiết kế bộ converter motor, sự rằng buộc của bộ đóng cắt, và yêu cầu hệ thống truyền động. Các bộ chỉnh lưu phải tuân thủ theo nguyên tắc điều tiết sóng hài, như tiêu chuẩn IEEE 519-1992. Hệ số công suất đầu vào cao là yêu cầu chung, thường từ 0,9 trở lên. Hàm dv/dt cao trong điện áp đầu ra biến tần có thể gây khó thoát nhiệt của cuộn dây động cơ, gây rò điện áp. "Hàm dv/dt cao ngoài ra có thể gây ra phát thải điện trong cáp kết nối motor và biến tần" (trích dẫn tài liệu gốc).
2.1. Yêu Cầu Về Chất Lượng Công Suất Nguồn Cấp cho Truyền Động Trung Thế
Bộ chỉnh lưu thường kéo méo dạng sóng dòng và áp, gây ra các vấn đề như nguy hại hệ thống điều khiển máy tính, quá nhiệt biến áp, hỏng thiết bị, mất dữ liệu. Tiêu chuẩn IEEE 519-1992 được tuân thủ để điều tiết sóng hài. Các công ty điện lực yêu cầu hệ số công suất từ 0,9 trở lên.
2.2. Ảnh Hưởng của dv dt Lên Động Cơ Giải Pháp Giảm Thiểu
Hàm dv/dt cao có thể gây khó thoát nhiệt của cuộn dây động cơ, gây rò điện áp. Điện áp gây ra dòng điện chảy trong trục, dẫn tới nhanh hỏng động cơ. Hàm dv/dt cao có thể gây phát thải điện trong cáp. Hiệu ứng điện áp tăng gấp đôi có thể xảy ra do sóng dội lại trong cáp dài.
2.3. Hạn Chế Tần Số Đóng Cắt và Ảnh Hưởng đến Sóng Hài
Tần số đóng cắt bị giới hạn bởi tổn thất đóng cắt và khả năng làm mát của thiết bị bán dẫn. Việc giảm tần số đóng cắt gây ra sự gia tăng méo sóng hài của dòng và dạng sóng của motor-side của hệ truyền động. Cần tối ưu hóa méo dạng song với giới hạn tần số đóng cắt.
III. Bộ Biến Đổi Năm Mức Diode Kẹp Giải Pháp Ưu Việt Cho MT
Để cải thiện chất lượng dạng sóng đầu ra, các bộ biến tần 5 bậc được áp dụng trong truyền động động cơ trung thế. Với các ưu điểm nổi bật nhờ giảm định mức dv/dt trên từng linh kiện làm tăng công suất của bộ biến tần, dạng sóng đầu ra được cải thiện rất nhiều. Hiện nay đây là mô hình phổ biến cho các bộ biến tần công suất lớn điều khiển động cơ điện không đồng bộ với mức điện áp trung thế. "Với bộ nghịch lƣu đa bậc, dv/dt trên linh kiện và tần số đóng cắt giảm đi một nửa" (Trích dẫn tài liệu gốc).
3.1. Nguyên Lý Hoạt Động Cơ Bản của Bộ Biến Đổi Năm Mức Diode Kẹp
Bộ nghịch lưu áp đa bậc dùng diode kẹp cải tiến dạng sóng điện áp tải và giảm shock điện áp trên linh kiện n lần. Với bộ nghịch lưu đa bậc, dv/dt trên linh kiện và tần số đóng cắt giảm đi một nửa. Điều này giúp tăng hiệu suất và tuổi thọ của hệ thống.
3.2. Ưu Điểm Vượt Trội Của Diode Kẹp Trong Ứng Dụng Trung Thế
Bộ nghịch lưu áp đa bậc dùng diode kẹp cải tiến dạng sóng điện áp tải và giảm shock điện áp trên linh kiện n lần. Giảm định mức dv/dt trên từng linh kiện làm tăng công suất của bộ biến tần, dạng sóng đầu ra được cải thiện rất nhiều. Hiện nay đây là mô hình phổ biến cho các bộ biến tần công suất lớn điều khiển động cơ điện không đồng bộ với mức điện áp trung thế.
3.3. Các Cấu Trúc Bộ Chỉnh Lưu Đa Xung 6 12 18 24 Xung
Các bộ chỉnh lưu đa xung được sử dụng để giảm sóng hài. Các cấu trúc bao gồm 6 xung, 12 xung, 18 xung và 24 xung. Các bộ chỉnh lưu này giúp cải thiện chất lượng công suất và giảm ảnh hưởng đến lưới điện.
IV. Tính Toán Thiết Kế Điều Khiển Cho Bộ Nghịch Lưu Năm Mức
Chương này tập trung vào tính toán và thiết kế bộ điều khiển cho bộ nghịch lưu 5 mức dùng diode kẹp. Kỹ thuật điều chế độ rộng xung PWM (Pulse Width Modulation) đóng vai trò quan trọng. Các chỉ tiêu đánh giá kỹ thuật PWM bao gồm dạng sóng mang sử dụng. Điều khiển vector tựa theo từ thông rotor là một phương pháp điều khiển hiệu quả. Nguyên lý điều khiển, mô hình tính toán ước lượng các đại lượng phản hồi và hiệu chỉnh tốc độ trượt được xem xét.
4.1. Kỹ Thuật Điều Chế Độ Rộng Xung PWM Tổng Quan Đánh Giá
Kỹ thuật PWM là quan trọng trong điều khiển nghịch lưu. Các chỉ tiêu đánh giá PWM bao gồm dạng sóng mang sử dụng. Các dạng sóng mang khác nhau ảnh hưởng đến hiệu suất và chất lượng của hệ thống.
4.2. Điều Khiển Vector Tựa Theo Từ Thông Rotor FOC Nguyên Lý
Điều khiển vector tựa theo từ thông rotor là một phương pháp điều khiển hiệu quả cho động cơ không đồng bộ. Phương pháp này giúp điều khiển mô-men xoắn và tốc độ một cách độc lập.
4.3. Mô Hình Tính Toán Hiệu Chỉnh Tốc Độ Trượt Trong FOC
Mô hình tính toán ước lượng các đại lượng phản hồi là cần thiết để điều khiển FOC. Hiệu chỉnh tốc độ trượt giúp cải thiện độ chính xác của hệ thống điều khiển.
V. Xây Dựng Mô Hình Mô Phỏng Hệ Thống Truyền Động Trung Thế
Chương này trình bày việc xây dựng mô hình và mô phỏng hệ thống truyền động động cơ trung thế sử dụng bộ nghịch lưu 5 mức dùng diode kẹp trên phần mềm Matlab Simulink. Mô hình bao gồm sơ đồ mạch lực, sơ đồ khối biến áp zigzac, khối chỉnh lưu 24 xung dùng diode, khối nghịch lưu 5 mức, khối tải và khối đo điện áp, dòng điện, và khối phát xung điều khiển. Kết quả mô phỏng được trình bày khi đấu với tải tĩnh RL.
5.1. Mô Hình Hóa Bộ Nghịch Lưu 5 Mức Diode Kẹp Trong Simulink
Sơ đồ mạch lực của hệ thống được xây dựng trong Simulink. Các khối chức năng bao gồm biến áp zigzac, chỉnh lưu 24 xung, nghịch lưu 5 mức và tải RL.
5.2. Mô Phỏng Hệ Thống Với Tải Tĩnh RL Phân Tích Kết Quả
Kết quả mô phỏng cho thấy dạng sóng điện áp và dòng điện khi hệ thống hoạt động với tải RL. Các thông số điện áp và dòng điện được đo và phân tích.
5.3. Ứng Dụng Nghịch Lưu 5 Mức Trong Mô Hình Hệ Truyền Động Động Cơ
Mô hình hệ truyền động động cơ ứng dụng nghịch lưu 5 mức được xây dựng. Mô hình bao gồm bộ điều khiển tốc độ và bộ điều khiển FOC.
VI. Kết Luận Hướng Phát Triển Nghiên Cứu Truyền Động Trung Thế
Luận văn đã nghiên cứu hệ truyền động động cơ trung thế sử dụng bộ biến đổi năm mức dùng diode kẹp. Nghiên cứu tập trung vào cấu trúc hệ thống, các chức năng, lựa chọn cấu hình phần cứng và xây dựng thuật toán. Mô phỏng trên phần mềm Matlab Simulink được thực hiện. Hướng phát triển trong tương lai có thể tập trung vào các phương pháp điều khiển tiên tiến hơn, tối ưu hóa hiệu suất và độ tin cậy của hệ thống, và ứng dụng các thiết bị bán dẫn mới như SiC MOSFET và GaN HEMT.
6.1. Tóm Tắt Kết Quả Nghiên Cứu Về Truyền Động Trung Thế
Luận văn đã nghiên cứu hệ truyền động động cơ trung thế sử dụng bộ biến đổi năm mức dùng diode kẹp. Nghiên cứu tập trung vào cấu trúc hệ thống, các chức năng, lựa chọn cấu hình phần cứng và xây dựng thuật toán.
6.2. Các Hướng Nghiên Cứu Tiềm Năng Trong Tương Lai
Hướng phát triển trong tương lai có thể tập trung vào các phương pháp điều khiển tiên tiến hơn, tối ưu hóa hiệu suất và độ tin cậy của hệ thống, và ứng dụng các thiết bị bán dẫn mới như SiC MOSFET và GaN HEMT.
