Tổng quan nghiên cứu

Bộ nghịch lưu đa bậc, đặc biệt là bộ nghịch lưu 3 pha 3 bậc NPC (Neutral Point Clamped), đóng vai trò quan trọng trong việc biến đổi điện năng từ nguồn một chiều sang điện xoay chiều phục vụ nhiều ứng dụng công nghiệp và năng lượng tái tạo. Theo ước tính, các bộ nghịch lưu đa bậc đã được ứng dụng rộng rãi trong các hệ thống điều khiển động cơ điện, quản lý chất lượng điện năng và hòa lưới năng lượng mặt trời, gió. Tuy nhiên, một trong những thách thức lớn là kỹ thuật điều khiển cân bằng điện áp tụ điện trong bộ nghịch lưu, nhằm đảm bảo hiệu suất và độ bền thiết bị.

Luận văn tập trung nghiên cứu kỹ thuật offset để điều khiển cân bằng điện áp tụ điện trong bộ nghịch lưu áp 3 pha 3 bậc NPC. Mục tiêu chính là xây dựng mô hình mô phỏng và thực nghiệm, phát triển giải thuật điều khiển sử dụng hàm offset nhằm cân bằng điện áp trên các tụ điện, giảm tổn hao chuyển mạch và cải thiện chất lượng điện áp đầu ra. Nghiên cứu được thực hiện trong phạm vi thời gian từ tháng 1 đến tháng 6 năm 2015 tại Trường Đại học Bách Khoa, Đại học Quốc gia TP. Hồ Chí Minh.

Ý nghĩa của nghiên cứu thể hiện qua việc nâng cao hiệu quả điều khiển bộ nghịch lưu đa bậc, góp phần giảm thiểu méo dạng sóng, tổn hao năng lượng và tăng tuổi thọ thiết bị. Các chỉ số đánh giá như độ lệch điện áp giữa các tụ điện, dòng điện qua điểm nối trung tính và tần số chuyển mạch được phân tích chi tiết, giúp định lượng hiệu quả giải thuật đề xuất.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên hai khung lý thuyết chính:

  1. Kỹ thuật điều chế sóng mang (Carrier Based Pulse Width Modulation - CPWM): Đây là phương pháp điều khiển phổ biến trong bộ nghịch lưu, sử dụng sóng mang tam giác để tạo xung điều khiển các khóa bán dẫn. Kỹ thuật CPWM giúp điều chỉnh điện áp đầu ra tuyến tính theo tín hiệu điều khiển, đồng thời có thể kết hợp với hàm offset để cân bằng điện áp tụ điện.

  2. Kỹ thuật điều chế vector không gian (Space Vector PWM - SVPWM): Phương pháp này mô hình hóa điện áp ba pha dưới dạng vector trong mặt phẳng tọa độ, cho phép điều khiển chính xác hơn các trạng thái đóng ngắt của bộ nghịch lưu. SVPWM được sử dụng để xác định vị trí vector tham chiếu trong các tam giác của giản đồ vector không gian lục giác, từ đó tính toán hàm offset phù hợp.

Các khái niệm chuyên ngành quan trọng bao gồm: điện áp common mode, dòng điện qua điểm nối trung tính (dòng NP), hàm offset DPWM (Discontinuous PWM offset), và các trạng thái chuyển mạch của khóa bán dẫn trong bộ nghịch lưu 3 pha 3 bậc NPC.

Phương pháp nghiên cứu

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

  • Nguồn dữ liệu: Dữ liệu thu thập từ mô hình mô phỏng trên phần mềm MATLAB Simulink 7 và mô hình thực nghiệm sử dụng vi xử lý TMS320F28335 của Texas Instruments.

  • Phương pháp phân tích: Phân tích điện áp và dòng điện qua các tụ điện, đánh giá sự cân bằng điện áp dựa trên các hàm offset DPWM được thiết kế theo các bảng lựa chọn hàm offset tương ứng với dòng điện qua điểm nối trung tính trong từng tam giác vector không gian.

  • Cỡ mẫu và chọn mẫu: Mô hình thực nghiệm được xây dựng với bộ nghịch lưu 3 pha 3 bậc NPC, sử dụng tải 3 pha R-L nối sao. Việc chọn mẫu dựa trên các trạng thái chuyển mạch và dòng điện tải thực tế để đánh giá hiệu quả giải thuật.

  • Timeline nghiên cứu: Nghiên cứu bắt đầu từ tháng 1/2015 với việc xây dựng mô hình mô phỏng, tiếp tục phát triển giải thuật và lập trình vi xử lý trong các tháng tiếp theo, hoàn thành mô hình thực nghiệm và đánh giá kết quả vào tháng 6/2015.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Hiệu quả cân bằng điện áp tụ điện: Giải thuật điều khiển sử dụng hàm offset DPWM giúp giảm độ lệch điện áp giữa hai tụ điện trong bộ nghịch lưu 3 pha 3 bậc NPC xuống dưới 5% so với mức ban đầu, cải thiện đáng kể so với phương pháp không sử dụng offset.

  2. Giảm tổn hao chuyển mạch: Kỹ thuật điều khiển gián đoạn (Discontinuous PWM) kết hợp hàm offset làm giảm tần số chuyển mạch ở một số pha, từ đó giảm tổn hao nhiệt phát sinh trong các khóa bán dẫn khoảng 15-20% so với kỹ thuật sóng mang chuẩn.

  3. Ổn định dòng điện qua điểm nối trung tính: Dòng điện NP được điều khiển ổn định trong phạm vi ±10% giá trị danh định, giúp hạn chế hiện tượng nhấp nhô điện áp tụ điện và giảm méo dạng sóng đầu ra.

  4. So sánh mô phỏng và thực nghiệm: Kết quả mô phỏng trên MATLAB tương đồng với kết quả thực nghiệm, sai số giữa hai phương pháp dưới 7%, chứng tỏ tính khả thi và độ chính xác của giải thuật điều khiển đề xuất.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của hiệu quả cân bằng điện áp là do việc sử dụng hàm offset DPWM được lựa chọn dựa trên dòng điện qua điểm nối trung tính trong từng tam giác vector không gian, giúp điều chỉnh chính xác trạng thái chuyển mạch của các pha. So với các nghiên cứu trước đây, giải thuật này khắc phục được nhược điểm không cân bằng điện áp khi tải có hệ số công suất thấp hoặc chỉ số điều chế cao.

Việc giảm tổn hao chuyển mạch nhờ kỹ thuật điều khiển gián đoạn cũng góp phần nâng cao hiệu suất hoạt động của bộ nghịch lưu, đồng thời giảm nhiệt độ làm việc của linh kiện bán dẫn, kéo dài tuổi thọ thiết bị. Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ dạng sóng điện áp trên các tụ điện và biểu đồ dòng điện NP, minh họa sự ổn định và cân bằng điện áp đạt được.

Kết quả thực nghiệm khẳng định tính ứng dụng thực tế của giải thuật, phù hợp với các hệ thống biến tần đa bậc trong công nghiệp và năng lượng tái tạo. Tuy nhiên, một số hạn chế như độ phức tạp của thuật toán và yêu cầu tính toán nhanh vẫn cần được cải tiến trong các nghiên cứu tiếp theo.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Triển khai giải thuật điều khiển hàm offset DPWM trong các bộ nghịch lưu công nghiệp: Động từ hành động là "ứng dụng", mục tiêu giảm độ lệch điện áp tụ điện dưới 5%, thời gian thực hiện trong vòng 12 tháng, chủ thể thực hiện là các nhà sản xuất biến tần và đơn vị vận hành hệ thống điện.

  2. Phát triển phần mềm điều khiển tích hợp trên vi xử lý DSP: Động từ "phát triển", nhằm tối ưu hóa thuật toán, giảm độ trễ xử lý xuống dưới 1 ms, thời gian 6-9 tháng, chủ thể là các nhóm nghiên cứu và kỹ sư phần mềm.

  3. Nâng cao đào tạo kỹ thuật viên vận hành bộ nghịch lưu đa bậc: Động từ "đào tạo", mục tiêu nâng cao năng lực vận hành và bảo trì, thời gian 3-6 tháng, chủ thể là các trung tâm đào tạo kỹ thuật và trường đại học.

  4. Mở rộng nghiên cứu áp dụng cho các hệ thống biến tần đa bậc phức tạp hơn: Động từ "mở rộng", nhằm áp dụng cho bộ nghịch lưu 5 bậc hoặc cao hơn, thời gian nghiên cứu 1-2 năm, chủ thể là các viện nghiên cứu và trường đại học.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Kỹ sư thiết kế biến tần và bộ nghịch lưu: Nghiên cứu cung cấp giải thuật điều khiển cân bằng điện áp tụ điện, giúp cải thiện hiệu suất và độ bền thiết bị trong thiết kế sản phẩm.

  2. Nhà quản lý vận hành hệ thống điện công nghiệp: Tham khảo để áp dụng các kỹ thuật điều khiển nâng cao, giảm tổn hao năng lượng và tăng tính ổn định của hệ thống.

  3. Giảng viên và sinh viên ngành Kỹ thuật Điện: Tài liệu tham khảo chuyên sâu về kỹ thuật điều khiển bộ nghịch lưu đa bậc, hỗ trợ nghiên cứu và giảng dạy.

  4. Các nhà nghiên cứu trong lĩnh vực năng lượng tái tạo: Áp dụng giải thuật điều khiển để nâng cao hiệu quả hòa lưới các nguồn năng lượng mặt trời, gió sử dụng bộ nghịch lưu đa bậc.

Câu hỏi thường gặp

  1. Tại sao cần cân bằng điện áp tụ điện trong bộ nghịch lưu 3 pha 3 bậc NPC?
    Cân bằng điện áp giúp đảm bảo điện áp trên các tụ điện không bị lệch quá mức, tránh gây hư hỏng linh kiện và giảm méo dạng sóng đầu ra, từ đó nâng cao hiệu suất và tuổi thọ thiết bị.

  2. Hàm offset DPWM là gì và vai trò của nó trong điều khiển?
    Hàm offset DPWM là hàm cộng thêm vào tín hiệu điều khiển sóng mang để tạo ra chế độ điều khiển gián đoạn, giúp giảm tần số chuyển mạch và cân bằng dòng điện qua điểm nối trung tính, từ đó cân bằng điện áp tụ điện.

  3. Giải thuật điều khiển này có áp dụng được cho tải có hệ số công suất thấp không?
    Có, giải thuật được thiết kế để khắc phục nhược điểm của các phương pháp trước đó, vẫn duy trì cân bằng điện áp hiệu quả ngay cả khi tải có hệ số công suất thấp hoặc chỉ số điều chế cao.

  4. Phần mềm mô phỏng nào được sử dụng trong nghiên cứu?
    Phần mềm MATLAB Simulink 7 được sử dụng để xây dựng mô hình mô phỏng bộ nghịch lưu và đánh giá các giải thuật điều khiển trước khi thực nghiệm.

  5. Vi xử lý nào được sử dụng để thực hiện giải thuật điều khiển trong mô hình thực nghiệm?
    Vi xử lý TMS320F28335 của Texas Instruments được sử dụng để lập trình và điều khiển bộ nghịch lưu trong mô hình thực nghiệm, đảm bảo tính chính xác và khả năng thực thi cao.

Kết luận

  • Luận văn đã phát triển thành công giải thuật điều khiển sử dụng hàm offset DPWM để cân bằng điện áp tụ điện trong bộ nghịch lưu áp 3 pha 3 bậc NPC.
  • Kết quả mô phỏng và thực nghiệm cho thấy độ lệch điện áp tụ điện giảm dưới 5%, đồng thời giảm tổn hao chuyển mạch khoảng 15-20%.
  • Giải thuật khắc phục được nhược điểm của các phương pháp trước, đặc biệt với tải có hệ số công suất thấp và chỉ số điều chế cao.
  • Nghiên cứu mở ra hướng phát triển ứng dụng cho các bộ nghịch lưu đa bậc phức tạp hơn và các hệ thống năng lượng tái tạo.
  • Đề xuất các bước tiếp theo bao gồm triển khai thực tế, phát triển phần mềm điều khiển tích hợp và đào tạo kỹ thuật viên vận hành.

Hãy áp dụng các giải pháp điều khiển tiên tiến này để nâng cao hiệu quả và độ bền của hệ thống biến tần trong các ứng dụng công nghiệp và năng lượng tái tạo.