Nghiên Cứu Hệ Truyền Động Động Cơ Trung Thế Sử Dụng Bộ Biến Đổi Năm Mức Dùng Diode Kẹp

Nghiên cứu hệ truyền động động cơ trung thế với bộ biến đổi năm mức sử dụng diode kẹp, tối ưu hiệu suất và độ tin cậy trong ứng dụng công nghiệp.

• Tác giả: Hoàng Trung Hiếu
• Người hướng dẫn: TS. Phạm Việt Phương
• Trường học: Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội
• Chuyên ngành: Điều Khiển Và Tự Động Hóa
• Đề tài: Nghiên Cứu Hệ Truyền Động Động Cơ Trung Thế Sử Dụng Bộ Biến Đổi Năm Mức Dùng Diode Kẹp
• Loại tài liệu: Luận Văn Thạc Sĩ Kỹ Thuật
• Năm xuất bản: 2016
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI NÓI ĐẦU
• 0.1. Lý do chọn đề tài
• 0.2. Lịch sử nghiên cứu
• 0.3. Mục đích nghiên cứu
• 0.4. Nội dung nghiên cứu và những đóng góp của luận văn
• 0.5. Phương pháp nghiên cứu
• 1. CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU CHUNG
• 1.1. GIỚI THIỆU
• 1.2. CÁC YÊU CẦU KỸ THUẬT
• 1.2.1. Yêu cầu bên đường dây nguồn cấp
• 1.2.2. Các yêu cầu bên nguồn vào động cơ
• 1.2.3. Những hạn chế của thiết bị đóng cắt
• 1.2.4. Yêu cầu hệ truyền động
• 1.3. CÁC SẢN PHẨM HỆ TRUYỀN ĐỘNG TRUNG THẾ TRONG CÔNG NGHIỆP
• 2. CHƯƠNG 2: CẤU TRÚC HỆ TRUYỀN ĐỘNG TRUNG THẾ
• 2.1. CẤU HÌNH BỘ BIẾN ĐỔI
• 2.2. BỘ CHỈNH LƯU ĐA XUNG
• 2.2.1. Chỉnh lưu diode 6 xung
• 2.2.2. Chỉnh lưu diode 12 xung
• 2.2.3. Chỉnh lưu diode 18 xung
• 2.2.4. Chỉnh lưu diode 24 xung
• 2.3. BỘ NGHỊCH LƯU ĐA MỨC NGUỒN ÁP
• 2.3.1. Giới thiệu về bộ nghịch lưu đa mức nguồn áp
• 2.3.2. Nghịch lưu đa mức cầu H
• 2.3.3. Nghịch lưu đa mức dùng tụ điện thay đổi
• 2.3.4. Nghịch lưu đa mức dùng diode kẹp
• 3. CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN
• 3.1. TỔNG QUAN VỀ KỸ THUẬT ĐIỀU CHẾ ĐỘ RỘNG XUNG PWM
• 3.1.1. Một số chỉ tiêu đánh giá kỹ thuật PWM của bộ nghịch lưu
• 3.1.2. Các dạng sóng mang dùng trong kỹ thuật PWM
• 3.2. MÔ PHỎNG CHO BỘ NGHỊCH LƯU 5 MỨC DÙNG DIODE KẸP
• 3.2.1. Điều chế độ rộng xung PWM
• 3.2.2. Sơ đồ bộ nghịch lưu và kết quả trên phần mềm Matlab Simulink
• 3.3. ĐIỀU KHIỂN VECTOR TỰA THEO TỪ THÔNG ROTOR ĐIỀU KHIỂN NGHỊCH LƯU NGUỒN ÁP (FOC)
• 3.3.1. Nguyên lý điều khiển
• 3.3.2. Mô hình tính toán ước lượng các đại lượng phản hồi
• 3.3.3. Hiệu chỉnh tốc độ trượt
• 3.3.4. Thiết kế bộ điều khiển dòng điện trong hệ thống điều khiển vector rotor tựa theo từ thông rotor của động cơ không đồng bộ
• 3.3.5. Thiết kế điều khiển từ thông
• 3.3.6. Thiết kế mạch điều khiển tốc độ
• 4. CHƯƠNG 4: XÂY DỰNG MÔ HÌNH VÀ MÔ PHỎNG
• 4.1. XÂY DỰNG MÔ HÌNH CỦA BỘ NGHỊCH LƯU 5 MỨC DÙNG DIODE KẸP
• 4.1.1. Sơ đồ mạch lực của hệ thống
• 4.1.2. Sơ đồ khối biến áp zigzac
• 4.1.3. Khối chỉnh lưu 24 xung dùng diode
• 4.1.4. Khối nghịch lưu 5 mức dùng diode kẹp
• 4.1.5. Sơ đồ khối tải và khối đo điện áp, dòng điện
• 4.1.6. Sơ đồ khối phát xung điều khiển
• 4.1.7. Kết quả mô phỏng khi đấu với tải tĩnh RL
• 4.2. XÂY DỰNG MÔ HÌNH HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐỘNG CƠ ỨNG DỤNG NGHỊCH LƯU 5 MỨC DÙNG DIODE KẸP
• 4.2.1. Mô hình bộ điều khiển tốc độ
• 4.2.2. Mô hình bộ điều khiển FOC
• 4.2.3. Kết quả mô phỏng
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

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.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Hệ truyền động động cơ trung thế ngày càng đóng vai trò quan trọng trong các ngành công nghiệp như dầu khí, khai mỏ, thép, vận tải và gia công kim loại. Theo báo cáo của ngành, dải công suất của hệ truyền động trung thế thường nằm trong khoảng từ 0,4 MW đến 40 MW, với điện áp định mức từ 2,3 kV đến 13,8 kV, phổ biến nhất là từ 1 đến 4 MW và điện áp 3,3 kV đến 6,6 kV. Ước tính khoảng 85% các hệ truyền động trung thế được sử dụng cho các ứng dụng bơm, quạt, máy nén và băng tải, trong khi chỉ 15% là các hệ truyền động không tiêu chuẩn.

Vấn đề nghiên cứu tập trung vào việc cải thiện chất lượng dạng sóng điện áp đầu ra và giảm tổn hao điện năng trong hệ truyền động trung thế, đặc biệt là qua việc ứng dụng bộ biến đổi năm mức dùng diode kẹp. Mục tiêu cụ thể của luận văn là nghiên cứu, thiết kế và mô phỏng bộ nghịch lưu 5 mức sử dụng diode kẹp nhằm giảm sóng hài, giảm shock điện áp trên linh kiện và nâng cao hiệu suất hệ truyền động. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào các hệ truyền động trung thế tại Việt Nam trong giai đoạn từ năm 2010 đến 2016, với ứng dụng chủ yếu trong các nhà máy công nghiệp lớn.

Ý nghĩa của nghiên cứu được thể hiện qua việc giảm thiểu tổn hao điện năng, tăng tuổi thọ thiết bị, nâng cao độ tin cậy và hiệu suất vận hành của hệ truyền động trung thế. Các chỉ số kỹ thuật như tổng méo dạng sóng (THD) dòng điện đầu vào được giảm đáng kể, đồng thời giảm được các hiện tượng cộng hưởng LC gây hư hỏng thiết bị. Qua đó, nghiên cứu góp phần thúc đẩy ứng dụng công nghệ biến tần đa mức trong công nghiệp, giúp tiết kiệm năng lượng và giảm chi phí vận hành.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên hai lý thuyết chính: lý thuyết biến đổi đa mức (Multilevel Inverter Theory) và kỹ thuật điều chế độ rộng xung PWM (Pulse Width Modulation).

• Lý thuyết biến đổi đa mức: Bộ nghịch lưu đa mức dùng diode kẹp (Diode Clamped Multilevel Inverter - NPC) là cấu trúc biến tần cho phép tạo ra điện áp đầu ra với nhiều mức khác nhau, giảm điện áp đặt lên linh kiện và giảm sóng hài bậc cao. Các cấu trúc phổ biến gồm bộ nghịch lưu cầu H đa mức, bộ nghịch lưu dùng tụ điện thay đổi và bộ nghịch lưu dạng cascade.

• Kỹ thuật điều chế PWM: Phương pháp điều chế độ rộng xung được sử dụng để điều khiển điện áp đầu ra của bộ nghịch lưu, trong đó tín hiệu điều khiển dạng sóng sin được so sánh với sóng mang tam giác để tạo ra tín hiệu đóng ngắt các khóa bán dẫn. Các dạng sóng mang phổ biến gồm APOD (Alternative Phase Opposition Disposition), PD (In Phase Disposition) và POD (Phase Opposition Disposition), trong đó PD cho độ méo dạng áp dây thấp nhất.

Các khái niệm chính bao gồm: tổng méo dạng sóng (THD), tần số đóng ngắt linh kiện, điện áp đầu ra đa mức, và cân bằng điện áp các tụ điện trong bộ nghịch lưu.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính được thu thập từ các tài liệu chuyên ngành, tiêu chuẩn kỹ thuật IEEE 519-1992, và các báo cáo thực tế về hệ truyền động trung thế. Phương pháp nghiên cứu bao gồm:

• Phân tích cấu trúc hệ thống: Nghiên cứu các loại bộ chỉnh lưu đa xung (6, 12, 18, 24 xung) và các cấu hình bộ nghịch lưu đa mức (cầu H, tụ điện thay đổi, diode kẹp).

• Thiết kế và tính toán bộ điều khiển: Xây dựng thuật toán điều chế PWM cho bộ nghịch lưu 5 mức dùng diode kẹp, tính toán các tham số kỹ thuật như chỉ số điều chế, THD, tần số đóng ngắt.

• Mô phỏng trên phần mềm Matlab Simulink: Triển khai mô hình bộ nghịch lưu 5 mức dùng diode kẹp và hệ truyền động động cơ trung thế, tiến hành mô phỏng các dạng sóng điện áp, dòng điện và đánh giá hiệu quả giảm sóng hài.

• Timeline nghiên cứu: Quá trình nghiên cứu kéo dài trong khoảng 12 tháng, bao gồm 3 tháng thu thập tài liệu, 4 tháng thiết kế và tính toán, 4 tháng mô phỏng và phân tích kết quả, 1 tháng hoàn thiện luận văn.

Cỡ mẫu nghiên cứu là các mô hình mô phỏng với các thông số động cơ trung thế điển hình, lựa chọn phương pháp phân tích dựa trên mô phỏng số nhằm đánh giá chính xác hiệu quả của bộ nghịch lưu đa mức.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Giảm sóng hài đầu vào với bộ chỉnh lưu đa xung 24 xung: Kết quả mô phỏng cho thấy bộ chỉnh lưu diode 24 xung giảm đáng kể các sóng hài bậc thấp (5,7,11,13,17,19), giúp giảm tổng méo dạng sóng (THD) dòng điện đầu vào xuống dưới 5%, thấp hơn khoảng 30% so với bộ chỉnh lưu 6 xung.

2. Hiệu quả của bộ nghịch lưu 5 mức dùng diode kẹp: Bộ nghịch lưu 5 mức cải thiện dạng sóng điện áp đầu ra gần với dạng sin chuẩn, giảm dv/dt trên linh kiện xuống còn khoảng một nửa so với biến tần 2 mức truyền thống, giúp tăng tuổi thọ thiết bị và giảm tổn hao công suất.

3. Tần số đóng ngắt linh kiện và tổn hao công suất: Tần số đóng ngắt được giới hạn ở khoảng 500 Hz đối với IGBT, phù hợp với yêu cầu giảm tổn hao công suất và hạn chế nhiễu điện từ. Mô phỏng cho thấy tổn hao công suất động giảm khoảng 20% so với các bộ biến tần 2 mức.

4. Cân bằng điện áp các tụ điện trong bộ nghịch lưu: Việc sử dụng diode kẹp giúp cân bằng điện áp giữa các cấp nguồn DC, tuy nhiên với số bậc lớn hơn 3, việc cân bằng trở nên phức tạp và cần thiết kế thuật toán điều khiển phù hợp để duy trì ổn định điện áp.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của việc giảm sóng hài và tổn hao là do cấu trúc đa mức của bộ nghịch lưu diode kẹp, cho phép điện áp đầu ra được tạo thành từ nhiều mức nhỏ hơn, giảm áp đặt lên từng linh kiện và giảm các thành phần sóng hài bậc cao. So sánh với các nghiên cứu gần đây cho thấy kết quả tương đồng, khẳng định tính hiệu quả của phương pháp này trong hệ truyền động trung thế.

Việc giới hạn tần số đóng ngắt linh kiện phù hợp với đặc tính kỹ thuật của IGBT và GCT, đồng thời tuân thủ các tiêu chuẩn tương thích điện từ (EMC), giúp hệ thống vận hành ổn định và giảm thiểu ảnh hưởng đến các thiết bị xung quanh.

Kết quả mô phỏng dạng sóng điện áp và dòng điện có thể được trình bày qua biểu đồ dạng sóng 3 pha, biểu đồ THD và bảng so sánh tổn hao công suất, giúp minh họa rõ ràng hiệu quả của bộ nghịch lưu 5 mức dùng diode kẹp.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Ứng dụng rộng rãi bộ nghịch lưu 5 mức dùng diode kẹp trong hệ truyền động trung thế: Khuyến nghị các nhà máy công nghiệp có công suất từ 1 MW trở lên áp dụng công nghệ này để giảm tổn hao và nâng cao hiệu suất vận hành trong vòng 2-3 năm tới.

2. Phát triển thuật toán điều khiển cân bằng điện áp tụ điện: Đề xuất nghiên cứu thêm các thuật toán điều khiển thông minh nhằm duy trì cân bằng điện áp ổn định cho bộ nghịch lưu đa mức, đặc biệt với số bậc lớn hơn 3, trong vòng 1 năm.

3. Tối ưu hóa tần số đóng ngắt linh kiện: Khuyến nghị điều chỉnh tần số đóng ngắt phù hợp với đặc tính kỹ thuật của linh kiện IGBT và GCT, nhằm giảm tổn hao công suất và hạn chế nhiễu điện từ, áp dụng ngay trong các hệ thống hiện có.

4. 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 đa mức và kỹ thuật điều khiển PWM cho kỹ sư vận hành, giúp nâng cao hiệu quả bảo trì và vận hành hệ truyền động trung thế trong vòng 6 tháng.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Kỹ sư thiết kế hệ truyền động công nghiệp: Nắm bắt kiến thức về cấu trúc bộ nghịch lưu đa mức và kỹ thuật điều khiển PWM để thiết kế các hệ truyền động trung thế hiệu quả, giảm tổn hao và tăng tuổi thọ thiết bị.

2. Nhà quản lý dự án công nghiệp: Hiểu rõ các lợi ích kinh tế và kỹ thuật khi áp dụng bộ biến tần đa mức dùng diode kẹp, từ đó đưa ra quyết định đầu tư hợp lý cho các dự án truyền động công suất lớn.

3. Giảng viên và nghiên cứu sinh ngành điều khiển và tự động hóa: Sử dụng luận văn làm tài liệu tham khảo để nghiên cứu sâu về công nghệ biến tần đa mức và ứng dụng trong hệ truyền động trung thế.

4. Nhà sản xuất và cung cấp thiết bị truyền động: Cập nhật công nghệ mới, cải tiến sản phẩm biến tần và bộ điều khiển phù hợp với yêu cầu kỹ thuật và tiêu chuẩn quốc tế, nâng cao sức cạnh tranh trên thị trường.

Câu hỏi thường gặp

1. Bộ nghịch lưu 5 mức dùng diode kẹp có ưu điểm gì so với biến tần 2 mức?
   Bộ nghịch lưu 5 mức giảm điện áp đặt lên linh kiện, giảm sóng hài bậc cao và tổn hao công suất, nâng cao chất lượng điện áp đầu ra và tuổi thọ thiết bị. Ví dụ, dv/dt giảm một nửa so với biến tần 2 mức.

2. Tại sao cần sử dụng bộ chỉnh lưu đa xung 24 xung trong hệ truyền động trung thế?
   Chỉnh lưu 24 xung giúp giảm sóng hài bậc thấp (5,7,11,13,17,19), giảm THD dòng điện đầu vào xuống dưới 5%, bảo vệ thiết bị và nâng cao hiệu suất hệ thống.

3. Phương pháp điều chế PWM nào phù hợp nhất cho bộ nghịch lưu đa mức?
   Phương pháp PD (In Phase Disposition) được đánh giá cho độ méo dạng áp dây thấp nhất, giúp tạo ra dạng sóng điện áp đầu ra gần với sin chuẩn.

4. Làm thế nào để cân bằng điện áp các tụ điện trong bộ nghịch lưu diode kẹp?
   Cần thiết kế thuật toán điều khiển phù hợp để điều chỉnh trạng thái đóng ngắt các khóa, đảm bảo điện áp trên các tụ điện được phân phối đều, tránh quá áp hoặc thiếu áp.

5. Tần số đóng ngắt linh kiện ảnh hưởng thế nào đến hiệu suất hệ truyền động?
   Tần số đóng ngắt cao làm tăng tổn hao công suất động và phát sinh nhiễu điện từ, do đó cần giới hạn tần số phù hợp (khoảng 500 Hz với IGBT) để cân bằng giữa hiệu suất và độ bền thiết bị.

Kết luận

• Bộ nghịch lưu 5 mức dùng diode kẹp hiệu quả trong việc giảm sóng hài và tổn hao điện năng trong hệ truyền động động cơ trung thế.
• Bộ chỉnh lưu diode 24 xung giúp giảm đáng kể THD dòng điện đầu vào, nâng cao chất lượng nguồn cấp.
• Kỹ thuật điều chế PWM với sóng mang PD cho dạng sóng điện áp đầu ra gần sin chuẩn, giảm méo dạng.
• Việc cân bằng điện áp các tụ điện và giới hạn tần số đóng ngắt linh kiện là yếu tố then chốt đảm bảo vận hành ổn định.
• Nghiên cứu mở ra hướng phát triển công nghệ biến tần đa mức trong công nghiệp, góp phần tiết kiệm năng lượng và nâng cao hiệu suất sản xuất.

Next steps: Triển khai thử nghiệm thực tế bộ nghịch lưu 5 mức dùng diode kẹp trong các nhà máy công nghiệp, đồng thời phát triển thuật toán điều khiển cân bằng điện áp nâng cao.

Call-to-action: Các kỹ sư và nhà quản lý công nghiệp nên cân nhắc áp dụng công nghệ biến tần đa mức để tối ưu hóa hệ truyền động trung thế, góp phần nâng cao hiệu quả sản xuất và tiết kiệm năng lượng.

Trích đoạn nội dung tài liệu

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI --------------------------------------- HOÀNG TRUNG HIẾU NGHIÊN CỨU HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐỘNG CƠ TRUNG THẾ SỬ DỤNG BỘ BIẾN ĐỔI NĂM MỨC DÙNG DIODE KẸP Chuyên ngành : Điều khiển và tự động hóa LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT …. Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa NGƢỜI HƢỚNG DẪN : T. PHẠM VIỆT PHƢƠNG Hà Nội – Năm 2016 i 17051113912891000000 LỜI CAM ĐOAN Em xin cam đoan luận văn: “Nghiên cứu hệ truyền động động cơ trung thế sử dụng bộ biến đổi năm mức dùng diode kẹp” là do chính em thực hiện dựa trên sự hƣớng dẫn của giảng viên TS. Phạm Việt Phƣơng và tham khảo các tài liệu liên quan. Nội dung trong luận văn hoàn toàn thực tế, khách quan và chƣa đƣợc sử dụng để bảo vệ ở một học vị nào. Tác giả luận văn Hoàng Trung Hiếu ii Mục lục MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN . ii DANH MỤC BẢNG SỐ LIỆU . viii LỜI NÓI ĐẦU . Lý do chọn đề tài. Lịch sử nghiên cứu. Mục đích nghiên cứu. Nội dung nghiên cứu và những đóng góp của luận văn. Phƣơng pháp nghiên cứu. x CHƢƠNG 1 :GIỚI THIỆU CHUNG . CÁC YÊU CẦU KỸ THUẬT . Yêu cầu bên đƣờng dây nguồn cấp . Các yêu cầu bên nguồn vào động cơ. Những hạn chế của thiết bị đóng cắt . Yêu cầu hệ truyền động . CÁC SẢN PHẨM HỆ TRUYỀN ĐỘNG TRUNG THẾ TRONG CÔNG NGHIỆP . 10 CHƢƠNG 2 CẤU TRÚC HỆ TRUYỀN ĐỘNG TRUNG THẾ . CẤU HÌNH BỘ BIẾN ĐỔI. BỘ CHỈNH LƢU ĐA XUNG . Chỉnh lƣu diode 6 xung . Chỉnh lƣu diode 12 xung . Chỉnh lƣu diode 18 xung . Chỉnh lƣu diode 24 xung . BỘ NGHỊCH LƢU ĐA MỨC NGUỒN ÁP . Giới thiệu về bộ nghịch lƣu đa mức nguồn áp . 23 ii Mục lục 2. Nghịch lƣu đa mức cầu H . Nghịch lƣu đa mức dùng tụ điện thay đổi . Nghịch lƣu đa mức dùng diode kẹp . 34 CHƢƠNG 3 TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN. TỔNG QUAN VỀ KỸ THUẬT ĐIỀU CHẾ ĐỘ RỘNG XUNG PWM.1 Một số chỉ tiêu đánh giá kỹ thuật PWM của bộ nghịch lƣu . Các dạng sóng mang dùng trong kỹ thuật PWM . MÔ PHỎNG CHO BỘ NGHỊCH LƢU 5 MỨC DÙNG DIODE KẸP . Điều chế độ rộng xung PWM . Sơ đồ bộ nghịch lƣu và kết quả trên phần mềm Matlab Simulink . ĐIỀU KHIỂN VECTOR TỰA THEO TỪ THÔNG ROTOR ĐIỀU KHIỂN NGHỊCH LƢU NGUỒN ÁP (FOC). Nguyên lý điều khiển . Mô hình tính toán ƣớc lƣợng các đại lƣợng phản hồi .3 Hiệu chỉnh tốc độ trƣợt. Thiết kế bộ điều khiển dòng điện trong hệ thống điều khiển vector rotor tựa theo từ thông rotor của động cơ không đồng bộ . Thiết kế điều khiển từ thông . Thiết kế mạch điều khiển tốc độ . 58 CHƢƠNG 4 XÂY DỰNG MÔ HÌNH VÀ MÔ PHỎNG .1 XÂY DỰNG MÔ HÌNH CỦA BỘ NGHỊCH LƢU 5 MỨC DÙNG DIODE KẸP . Sơ đồ mạch lực của hệ thống . Sơ đồ khối biến áp zigzac . Khối chỉnh lƣu 24 xung dùng diode . Khối nghịch lƣu 5 mức dùng diode kẹp . Sơ đồ khối tải và khối đo điện áp, dòng điện . Sơ đồ khối phát xung điều khiển . Kết quả mô phỏng khi đấu với tải tĩnh RL . 65 iii Mục lục 4. XÂY DỰNG MÔ HÌNH HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐỘNG CƠ ỨNG DỤNG NGHỊCH LƢU 5 MỨC DÙNG DIODE KẸP .1 Mô hình bộ điều khiển tốc độ .2 Mô hình bộ điều khiển FOC . Kết quả mô phỏng . 75 TÀI LIỆU THAM KHẢO . 76 iv Danh mục hình vẽ DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1: Dải công suất và điện áp của hệ truyền động trung thế (nguồn: Rockwell Automation) . Biểu đồ tổng quát của thị trƣờng cho hệ truyền động trung thế ( Nguồn: ABB ) .3: Sơ đồ tổng quát của bộ tryền động trung thế . Hệ truyền động trung thế dùng bộ biến tần NPC 3 mức GCT-based ( ACS1000) . Hệ truyền động trung thế IGBT-based three-level NPC inverter. Hệ truyền động trung thế dùng IGBT cascaded H-bridge inverter-fed. Hệ truyền động trung thế CSI-fed MV drive sử dụng GCTs đối xứng. Các bộ chỉnh lƣu diode/SCR đa xung . Sơ đồ giản lƣợc VSI mỗi pha . Sơ đồ giản lƣợc CSI mỗi pha .4 Cấu trúc chỉnh lƣu diode 6 xung với tải điện trở . Dạng sóng của chỉnh lƣu 6 xung dùng diode . Phân tích fourier của dòng điện đầu vào . Sơ đồ chỉnh lƣu diode dạng 12 xung nối tiếp . Dạng sóng dòng trong chỉnh lƣu loại 12 xung nối tiếp . Giá trị THD của dòng điện đầu vào. Cấu trúc bộ chỉnh lƣu diode 18 xung . Dạng sóng dòng trong chỉnh lƣu loại 18 xung nối tiếp .Giá trị THD của dòng điện đầu vào. Cấu trúc bộ chỉnh lƣu 24 xung . Dạng sóng dòng trong chỉnh lƣu loại 24 xung nối tiếp . Phân tích fourier của dòng điện đầu vào . 23 v Danh mục hình vẽ Hình 2. Bộ nghịch lƣu cầu H 3 pha 5 mức . Bộ nghịch lƣu 5 mức dung tụ điện thay đổi . Sơ đồ bộ nghịch lƣu 3 mức dùng diode kẹp .19: Sơ đồ 1 pha của bộ nghịch lƣu 4 và 5 mức sử dụng diode kẹp .1: Hình dạng sóng mang APOD.2: Hình dạng sóng mang PD.3: Hình dạng sóng mang POD . Đồ thị điều chế 1PWM cho 1 pha nghịch lƣu 5L-NPC.5: Sơ đồ nghịch lƣu 5 mức dùng diode kẹp . D ạng sóng đi ện áp ra  . Dạng sóng điện áp ra 3 pha của nghịch lƣu. Đồ thị vector cho trƣờng hợp tựa hệ trục dq và vector từ thong rotor . Sự tƣơng đồng giữa điều khiển trong hệ tọa độ tựa theo từ thông rotor của động cơ không đồng bộ và động cơ điện 1 chiều kích từ độc lập . Sơ đồ khối hệ thống điều khiển vector tựa theo từ thông rotor. Mô hình dòng điện ƣớc lƣợng tín hiệu . Ảnh hƣởng của sự thay đổi điện trở rotor đến độ chính xác của mô hình điều khiển . Sơ đồ thay thế gần đúng của động cơ không đồng bộ. Mô hình gần đúng của động cơ không đồng bộ trên hệ tọa độ d,q tựa theo từ thông rotor. Cấu trúc điều khiển tách kênh . Cấu trúc hai bộ điều khiển dòng riêng rẽ và tách kênh bằng dòng điện. Điều khiển dòng điện riêng rẽ có bù sức điện động esd và esq. Mô hình mạch vòng điều khiển từ thông.Mô hình mạch vòng tốc độ . Sơ đồ mạch lực với tải RL . Khối biến áp zigzac . Khối chỉnh lƣu 24 xung dùng diode . Sơ đồ khối nghịch lƣu 5 mức dùng diode kẹp . 62 vi Danh mục hình vẽ Hình 4. Sơ đồ khối tải RL và khối đo điện áp, dòng điện . Khối phát xung điều khiển các pha của bộ nghịch lƣu . Đồ thị điện áp ba pha ABC . Đồ thị điện áp Pha A . Đồ thị dòng điện ba pha ABC . Đồ thị dòng điện Pha A . Mô hình mô phỏng FOC – inverter 7 levels H bridge – động cơ. Mô hình bộ điều khiển tốc độ . Mô hình bộ điều khiển FOC . Điện áp dây Uab . Dòng 3 pha abc . Dòng điện pha A . Dòng điện pha B . Dòng điện pha C . Dòng điện stator . 74 vii Danh mục bảng số liệu DANH MỤC BẢNG SỐ LIỆU Bảng 1. Tổng quan về các sản phẩm truyền động trung thế của các hãng sản xuất lớn trên thế giới . Điện áp và trạng thái đóng cắt các van của bộ nghịch lƣu 5 mức cầu H . Điện áp và trạng thái đóng cắt các van của bộ nghịch lƣu 5 mức dùng tụ điện thay đổi .3: Trạng thái đóng cắt của các van trong bộ nghịch lƣu 3 mức dùng diode kẹp, và điện áp trên một pha đầu ra . Trạng thái đóng cắt của các van, tính trên một pha của bộ nghịch lƣu, và điện áp trên một pha nghịch lƣu 5 mức dùng diode kẹp . Trạng thái đóng cắt của các van, tính trên một pha của bộ nghịch lƣu, và điện áp trên một pha . Thống số động cơ dùng mô phỏng. 68 viii Lời nói đầu LỜI NÓI ĐẦU 1. Lý do chọn đề tài. Với sự phát triển của ngành thiết bị bán dẫn nhƣ là các tranzito có cực điều khiển (IGBT) và các thyristor có cực chuyển mạch (GCTs), các hệ truyền động trung thế hiện đại (modern high-power medium voltage) ngày càng đƣợc sử dụng nhiều trong các ngành công nghiệp nhƣ dầu khí, khai mỏ, thép và khoáng sản, vận tải và các ngành công nghiệp khác giúp bảo toàn năng lƣợng điện, tăng hiệu suất và gia tăng chất lƣợng sản phẩm Ngày nay các bộ điều khiển tốc độ động cơ đã đƣợc áp dụng rộng rãi trong các ứng dụng với hiệu suất cao nhƣ máy nghiền, bơm, quạt vv. Rất nhiều các ứng dụng cần sử dụng các động cơ trung áp bởi dòng định mức thấp, đặc biệt là các ứng dụng công suất trung bình và lớn. Với bộ biến tần 2 bậc cổ điển tuy có rất nhiều sự phát triển và có nhiều ƣu điểm nhờ điều khiển đơn giản, kích cỡ nhỏ gọn nhƣng chỉ phù hợp với các ứng dụng công suất thấp. Hơn nữa, dạng sóng điện áp đầu ra bộ nghịch lƣu 2 bậc có các thành phần hài bậc cao khá lớn. Để cải thiện chất lƣợng dạng sóng đầu ra hơn nữa, các bộ biến tần 5 bậc đƣợc áp dụng. Với các ƣu 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 đƣợc 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. Lịch sử nghiên cứu. Trong những năm gần đây, bộ biến tần đa mức đã đƣợc nghiên cứu và xem nhƣ là sự lựa chọn tốt nhất cho các ứng dụng truyền động trung áp. Ƣu điểm chính của bộ biến tần đa mức là điện áp đặt lên các linh kiện giảm xuống nên công suất của bộ nghịch lƣu tăng lên, đồng thời công suất tổn hao do quá trình đóng cắt linh kiện cũng giảm theo. Với cùng tần số đóng cắt, các thành phần sóng hài bậc cao của điện áp ra nhỏ hơn so với trƣờng hợp biến tần hai mức nên chất lƣợng điện áp ra tốt hơn. ix Lời nói đầu 3. Mục đích nghiên cứu. Bộ nghịch lƣu 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 lƣu đa bậc, dv/dt trên linh kiện và tần số đóng cắt giảm đi một nửa. Do đó em chọn đề tài nghiên cứu này để có cơ hội nghiên cứu sâu hơn về bộ nghịch lƣu 5 mức dùng diode kẹp trong hệ truyền động trung thế.