Nghiên Cứu Kỹ Thuật Giảm Điện Áp Common Mode Cho Nghịch Lưu Ba Pha

• Tác giả: Nguyễn Ngọc Quỳnh
• Người hướng dẫn: Trần Tấn Tài
• Trường học: Đại học Công nghiệp TP.HCM
• Chuyên ngành: Công nghệ Điện
• Đề tài: Nghiên cứu, ứng dụng kĩ thuật điều chế vector không gian để giảm điện áp common mode cho bộ nghịch lưu ba pha ba bậc hình T
• Loại tài liệu: Báo cáo đề tài nghiên cứu khoa học
• Năm xuất bản: 2023-2024
• Địa điểm: TP.HCM

Mục lục chi tiết

• 1. CHƯƠNG 1: TÔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN cứu
• 2. CHƯƠNG 2: NỘI DUNG THỰC HIỆN, PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN cứu
• 3. CHƯƠNG 3: TỔNG QUAN VỀ GIẢI THUẬT VECTOR KHÔNG GIAN VÀ PHƯƠNG PHÁP ĐỀ XUẤT
• 4. CHƯƠNG 4: THIẾT KẾ MÔ HÌNH
• 5. CHƯƠNG 5: KẾT QUẢ MÔ PHỎNG VÀ THỰC NGHIỆM
• 6. CHƯƠNG 6: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI
• TÀI LIỆU THAM KHẢO
• PHỤ LỤC

Tóm tắt

I. Tổng Quan Nghiên Cứu Giảm Điện Áp Common Mode CMV Hiệu Quả

Trong bối cảnh các ứng dụng năng lượng tái tạo phát triển mạnh mẽ, nghiên cứu về bộ nghịch lưu ngày càng trở nên cấp thiết. Các bộ nghịch lưu truyền thống có ưu điểm như cấu trúc đơn giản, dễ điều khiển, chất lượng điện năng tốt và yêu cầu bộ lọc AC nhỏ gọn. Cấu trúc bộ nghịch lưu ba bậc hình T được ứng dụng rộng rãi cho công suất vừa và nhỏ. Tuy nhiên, nhược điểm chính là điện áp Common Mode (CMV) lớn, gây giảm chất lượng điện áp đầu ra, nhiễu EMI, hư hỏng ổ bi, và dòng rò. Nghiên cứu này đề xuất giải pháp "Ứng dụng kỹ thuật điều chế vector không gian để giảm điện áp common mode cho bộ nghịch lưu ba pha ba bậc hình T". Mục tiêu là tạo ra mô hình hoạt động với CMV thấp (nhỏ hơn 17% so với điện áp đầu vào), cung cấp dòng điện liên tục, điện áp ngõ ra sin (THD < 5%), tổn hao chuyển mạch thấp, hiệu suất cao (> 95%), hoạt động với nhiều loại tải và bộ lọc ngõ ra nhỏ. Mô hình được mô phỏng bằng Psim và thực nghiệm trên vi điều khiển DSP TMS320F28379D.

1.1. Tình Hình Nghiên Cứu Giảm CMV Trên Thế Giới Tổng Quan

Các bộ nghịch lưu truyền thống được dùng rộng rãi trong điều khiển động cơ, bộ lưu điện (UPS), xe điện và năng lượng tái tạo. Tuy nhiên, bộ nghịch lưu ba pha ba truyền thống với 6 khóa bán dẫn (S1x-S2x) có hạn chế: hai khóa cùng nhánh không được đóng cùng lúc để tránh ngắn mạch, điện áp common mode (CMV) cao gây dòng rò, hư hỏng ổ bi và nhiễu điện từ (EMI). Với nguồn năng lượng tái tạo như pin mặt trời (PV), điện áp ngõ ra một chiều không ổn định, phụ thuộc môi trường. Việc chuyển đổi thành 220/380Vac đòi hỏi điện áp một chiều lớn hơn 310Vdc. Giải pháp là mắc nối tiếp các tấm pin, tốn diện tích. Hoặc dùng máy biến áp tần số (50Hz) để nâng áp. Do đó, nghiên cứu này tập trung giảm CMV, nâng cao hiệu suất và chất lượng điện năng.

1.2. Nghiên Cứu Giảm Điện Áp Common Mode CMV Trong Nước

Sự phát triển mạnh mẽ của năng lượng tái tạo làm cho bộ nghịch lưu ba pha rất quan trọng trong hệ thống phân bố công suất, chuyển đổi DC sang AC để kết nối lên lưới. Bộ nghịch lưu đa bậc có ưu điểm như chất lượng điện năng tốt, bộ lọc ngõ ra nhỏ, tổn hao chuyển mạch thấp, điện áp và công suất ngõ ra cao, nhiễu EMI nhỏ. Chúng được dùng rộng rãi trong công nghiệp như hệ thống phân bố công suất, động cơ AC, nguồn chuyển đổi trong xe điện, hệ thống năng lượng tái tạo (PV), và bộ lưu điện (UPS). Tuy nhiên, bộ nghịch lưu truyền thống thường chỉ cung cấp chuyển đổi giảm áp, điện áp đỉnh AC không thể cao hơn điện áp nguồn DC, gây khó khăn cho ứng dụng năng lượng tái tạo, nơi điện áp ngõ vào thấp cần được chuyển đổi thành điện áp AC mong muốn.

II. Vấn Đề Thách Thức Điện Áp Common Mode CMV ở Nghịch Lưu

Trong quá trình hoạt động, các bộ nghịch lưu ba pha thường tạo ra điện áp Common Mode (CMV) đáng kể. Điện áp CMV là điện áp giữa điểm trung tính của tải và điểm trung tính của nguồn DC. Điện áp này gây ra nhiều vấn đề nghiêm trọng, bao gồm tăng dòng rò qua đất, gây nguy hiểm cho con người và thiết bị. Ngoài ra, CMV còn gây ra nhiễu điện từ (EMI), ảnh hưởng đến hoạt động của các thiết bị điện tử khác trong hệ thống. Việc giảm thiểu điện áp CMV là một thách thức lớn trong thiết kế và điều khiển bộ nghịch lưu, đặc biệt trong các ứng dụng nhạy cảm như năng lượng tái tạo và hệ thống điện y tế. Các phương pháp truyền thống thường không hiệu quả hoặc làm giảm hiệu suất của bộ nghịch lưu.

2.1. Tác Hại Của Điện Áp Common Mode CMV Trong Hệ Thống Điện

Điện áp Common Mode (CMV) gây ra nhiều tác hại trong hệ thống điện. Dòng rò qua đất tăng lên do CMV gây nguy hiểm cho con người và thiết bị. Nhiễu điện từ (EMI) do CMV gây ảnh hưởng đến hoạt động của các thiết bị điện tử khác trong hệ thống. CMV còn gây ra hiện tượng ăn mòn điện phân trong động cơ điện, làm giảm tuổi thọ của động cơ. Hư hỏng ổ bi cũng là một hệ quả khác của CMV, đặc biệt trong các ứng dụng công nghiệp. Do đó, việc giảm thiểu CMV là rất quan trọng để đảm bảo an toàn và hiệu quả hoạt động của hệ thống điện.

2.2. Các Ứng Dụng Nhạy Cảm Với Điện Áp Common Mode CMV

Điện áp Common Mode (CMV) đặc biệt gây ảnh hưởng đến các ứng dụng nhạy cảm như năng lượng tái tạo (hệ thống pin mặt trời, hệ thống điện gió) và hệ thống điện y tế. Trong năng lượng tái tạo, CMV làm giảm hiệu suất của hệ thống và gây ra dòng rò, ảnh hưởng đến tuổi thọ của các thiết bị. Trong hệ thống điện y tế, CMV gây ra nhiễu trong các thiết bị đo lường và chẩn đoán, ảnh hưởng đến độ chính xác của kết quả. Ngoài ra, CMV còn có thể gây nguy hiểm cho bệnh nhân nếu có dòng rò qua các thiết bị y tế. Vì vậy, các giải pháp giảm CMV là rất cần thiết trong các ứng dụng này.

III. Phương Pháp Điều Chế Vector Không Gian SVPWM Giảm CMV

Để giảm điện áp Common Mode (CMV) trong bộ nghịch lưu ba pha ba bậc hình T, nghiên cứu này đề xuất phương pháp điều chế vector không gian (SVPWM) cải tiến. Phương pháp này tập trung vào việc lựa chọn các vector điện áp không gian phù hợp để giảm thiểu sự thay đổi điện áp CMV trong quá trình chuyển mạch. Bằng cách tối ưu hóa trình tự chuyển mạch, SVPWM cải tiến có thể giảm đáng kể CMV so với các phương pháp điều chế truyền thống. Nghiên cứu sử dụng phần mềm mô phỏng Psim để kiểm chứng hiệu quả của phương pháp đề xuất và so sánh với các phương pháp khác. Kết quả cho thấy SVPWM cải tiến có thể giảm CMV xuống dưới 17% điện áp đầu vào, đáp ứng yêu cầu của nhiều ứng dụng.

3.1. Nguyên Lý Hoạt Động Của Phương Pháp SVPWM Giảm CMV

Phương pháp điều chế vector không gian (SVPWM) giảm CMV hoạt động dựa trên nguyên lý lựa chọn các vector điện áp không gian sao cho điện áp Common Mode (CMV) được duy trì ở mức thấp nhất. Các vector điện áp không gian được phân loại dựa trên giá trị CMV tương ứng. SVPWM cải tiến sử dụng một bảng tra cứu để xác định trình tự chuyển mạch tối ưu, đảm bảo rằng các vector điện áp được chọn có CMV thấp và tạo ra điện áp đầu ra mong muốn. Quá trình chuyển mạch được thực hiện một cách liên tục và trơn tru, giảm thiểu sự thay đổi đột ngột của CMV. Kết quả là CMV được giảm đáng kể so với các phương pháp điều chế truyền thống.

3.2. Ưu Điểm Của Phương Pháp SVPWM So Với Các Phương Pháp Khác

Phương pháp điều chế vector không gian (SVPWM) có nhiều ưu điểm so với các phương pháp điều chế khác trong việc giảm CMV. SVPWM cải tiến có khả năng giảm Common Mode (CMV) hiệu quả hơn các phương pháp điều chế độ rộng xung (PWM) truyền thống. SVPWM cải tiến cũng có thể cải thiện chất lượng điện áp đầu ra, giảm độ méo hài (THD). Ngoài ra, SVPWM cải tiến có thể được dễ dàng triển khai trên các bộ vi điều khiển, giúp giảm chi phí và độ phức tạp của hệ thống. Các ưu điểm này làm cho SVPWM cải tiến trở thành một lựa chọn hấp dẫn cho các ứng dụng yêu cầu giảm CMV và cải thiện hiệu suất.

IV. Mô Phỏng Thực Nghiệm Kết Quả Giảm CMV Với SVPWM Cải Tiến

Để kiểm chứng hiệu quả của phương pháp điều chế vector không gian (SVPWM) cải tiến trong việc giảm điện áp Common Mode (CMV), nghiên cứu này đã thực hiện mô phỏng trên phần mềm Psim và xây dựng mô hình thực nghiệm. Mô hình mô phỏng bao gồm bộ nghịch lưu ba pha ba bậc hình T, mạch điều khiển SVPWM cải tiến và tải. Kết quả mô phỏng cho thấy SVPWM cải tiến có thể giảm CMV xuống dưới 17% điện áp đầu vào, đồng thời duy trì chất lượng điện áp đầu ra tốt. Mô hình thực nghiệm được xây dựng dựa trên vi điều khiển DSP TMS320F28379D, cho kết quả tương tự với mô phỏng, chứng minh tính khả thi và hiệu quả của phương pháp.

4.1. Kết Quả Mô Phỏng Giảm Điện Áp Common Mode CMV Trên Psim

Mô phỏng trên Psim cho thấy phương pháp điều chế vector không gian (SVPWM) cải tiến giảm Common Mode (CMV) đáng kể so với phương pháp PWM truyền thống. CMV giảm xuống dưới 17% điện áp đầu vào trong hầu hết các điều kiện hoạt động. Chất lượng điện áp đầu ra được cải thiện, độ méo hài (THD) giảm xuống dưới 5%. Hiệu suất của bộ nghịch lưu được duy trì ở mức cao (> 95%). Các kết quả này chứng minh rằng SVPWM cải tiến là một giải pháp hiệu quả để giảm CMV và cải thiện hiệu suất của bộ nghịch lưu ba pha ba bậc hình T.

4.2. Thực Nghiệm So Sánh Kết Quả Với Mô Phỏng Đánh Giá Tính Khả Thi

Mô hình thực nghiệm sử dụng vi điều khiển DSP TMS320F28379D để triển khai thuật toán điều chế vector không gian (SVPWM) cải tiến. Kết quả thực nghiệm phù hợp với kết quả mô phỏng, cho thấy tính khả thi của phương pháp. Điện áp Common Mode (CMV) giảm đáng kể, chất lượng điện áp đầu ra được cải thiện, và hiệu suất của bộ nghịch lưu được duy trì ở mức cao. So sánh kết quả mô phỏng và thực nghiệm cho thấy sự tương đồng, chứng minh tính chính xác của mô hình mô phỏng và tính khả thi của phương pháp SVPWM cải tiến trong thực tế.

V. Ứng Dụng Thực Tế Nghịch Lưu Ba Pha Cho Năng Lượng Tái Tạo

Nghiên cứu về giảm điện áp Common Mode (CMV) trong bộ nghịch lưu ba pha ba bậc hình T có ứng dụng thực tế quan trọng trong các hệ thống năng lượng tái tạo, đặc biệt là hệ thống pin mặt trời và hệ thống điện gió. Việc giảm CMV giúp cải thiện hiệu suất của hệ thống, giảm dòng rò và nhiễu điện từ, đồng thời tăng tuổi thọ của các thiết bị. Bộ nghịch lưu được điều khiển bằng phương pháp SVPWM cải tiến có thể được sử dụng để kết nối các nguồn năng lượng tái tạo vào lưới điện một cách hiệu quả và an toàn. Nghiên cứu này cung cấp một giải pháp tiềm năng cho việc phát triển các hệ thống năng lượng tái tạo bền vững.

5.1. Ứng Dụng Trong Hệ Thống Pin Mặt Trời Giảm Dòng Rò Nhiễu EMI

Trong hệ thống pin mặt trời, bộ nghịch lưu chuyển đổi điện áp DC từ các tấm pin thành điện áp AC để cung cấp cho tải hoặc kết nối vào lưới điện. Điện áp Common Mode (CMV) gây ra dòng rò và nhiễu điện từ (EMI), làm giảm hiệu suất và tuổi thọ của hệ thống. Việc sử dụng bộ nghịch lưu với SVPWM cải tiến giúp giảm CMV, cải thiện hiệu suất, giảm dòng rò, và giảm nhiễu EMI. Điều này giúp tăng độ tin cậy và an toàn của hệ thống pin mặt trời.

5.2. Ứng Dụng Trong Hệ Thống Điện Gió Kết Nối Lưới An Toàn Hiệu Quả

Trong hệ thống điện gió, bộ nghịch lưu được sử dụng để chuyển đổi điện áp DC từ máy phát điện gió thành điện áp AC để kết nối vào lưới điện. Điện áp Common Mode (CMV) gây ra các vấn đề tương tự như trong hệ thống pin mặt trời. Việc sử dụng bộ nghịch lưu với SVPWM cải tiến giúp giảm CMV, đảm bảo kết nối lưới an toàn và hiệu quả. Điều này giúp tăng khả năng tích hợp năng lượng gió vào lưới điện và giảm sự phụ thuộc vào các nguồn năng lượng truyền thống.

VI. Kết Luận Hướng Phát Triển Tương Lai Của Công Nghệ Nghịch Lưu

Nghiên cứu đã thành công trong việc phát triển và kiểm chứng phương pháp điều chế vector không gian (SVPWM) cải tiến để giảm điện áp Common Mode (CMV) trong bộ nghịch lưu ba pha ba bậc hình T. Kết quả mô phỏng và thực nghiệm cho thấy phương pháp này có hiệu quả trong việc giảm CMV, cải thiện chất lượng điện áp đầu ra, và duy trì hiệu suất cao. Nghiên cứu này mở ra hướng đi mới cho việc phát triển các bộ nghịch lưu hiệu quả, tin cậy, và an toàn cho các ứng dụng năng lượng tái tạo và công nghiệp. Hướng phát triển tiếp theo của nghiên cứu là tối ưu hóa SVPWM cải tiến để đạt được hiệu suất cao hơn và giảm chi phí sản xuất.

6.1. Tối Ưu Hóa SVPWM Nâng Cao Hiệu Suất Giảm Chi Phí Sản Xuất

Để nâng cao tính cạnh tranh của công nghệ nghịch lưu, cần tối ưu hóa thuật toán điều chế vector không gian (SVPWM) cải tiến. Việc tối ưu hóa có thể tập trung vào việc giảm tổn hao chuyển mạch, giảm độ phức tạp của thuật toán, và sử dụng các linh kiện giá rẻ hơn. Điều này sẽ giúp giảm chi phí sản xuất và tăng tính khả thi của việc ứng dụng công nghệ này trong thực tế.

6.2. Nghiên Cứu Vật Liệu Mới Cải Thiện Hiệu Năng Linh Kiện Bán Dẫn

Việc sử dụng vật liệu bán dẫn mới như SiC (Silicon Carbide) và GaN (Gallium Nitride) có thể cải thiện đáng kể hiệu năng của linh kiện bán dẫn trong bộ nghịch lưu. Các linh kiện bán dẫn SiC và GaN có điện áp đánh thủng cao hơn, tần số chuyển mạch cao hơn, và tổn hao thấp hơn so với linh kiện bán dẫn Silicon truyền thống. Việc nghiên cứu và ứng dụng các vật liệu mới này có thể giúp tăng hiệu suất, giảm kích thước, và tăng độ tin cậy của bộ nghịch lưu.