Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh phát triển nhanh chóng của công nghệ điện tử công suất, việc nâng cao hiệu suất và giảm tổn hao trong các bộ biến tần ba pha ba bậc là một yêu cầu cấp thiết. Theo ước tính, các bộ biến tần ba pha ba bậc T-Type Neutral Point Clamped (T-NPC) đang được ứng dụng rộng rãi trong các hệ thống biến đổi năng lượng tái tạo, điều khiển động cơ và các thiết bị công nghiệp công suất cao. Tuy nhiên, các phương pháp điều khiển sóng mang truyền thống vẫn còn tồn tại hạn chế về tổn hao chuyển mạch và độ phức tạp trong tính toán.

Luận văn tập trung nghiên cứu và phân tích hoạt động của mạch ba pha ba bậc T-NPC, đặc biệt là các phương pháp điều chế độ rộng xung không liên tục (Discontinuous Pulse Width Modulation - DPWM) và điều chế vector không gian (Space Vector Pulse Width Modulation - SVPWM). Mục tiêu chính là giảm tổn hao chuyển mạch, nâng cao hiệu suất hoạt động và cải thiện chất lượng sóng đầu ra của bộ biến tần.

Phạm vi nghiên cứu được thực hiện trong khoảng thời gian từ tháng 2 đến tháng 7 năm 2021 tại Trường Đại học Bách Khoa, TP. Hồ Chí Minh, với việc xây dựng mô hình mô phỏng trên phần mềm PSim và thực nghiệm trên mô hình prototype sử dụng linh kiện SiC (Silicon Carbide) nhằm tăng khả năng chịu tải và tần số chuyển mạch cao.

Nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc phát triển các bộ biến tần công suất cao, góp phần giảm tổn hao năng lượng, tăng tuổi thọ thiết bị và giảm chi phí vận hành trong các hệ thống điện công nghiệp hiện đại.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên hai khung lý thuyết chính:

  1. Lý thuyết mạch biến tần ba pha ba bậc T-Type NPC: Đây là cấu trúc biến tần sử dụng ba bậc điện áp với điểm trung tính được kẹp bởi các diode, giúp giảm điện áp đỉnh trên các linh kiện bán dẫn và cải thiện chất lượng sóng đầu ra. Các khái niệm chính bao gồm: cấu trúc mạch T-NPC, nguyên lý hoạt động của các khóa công suất, và phân tích dòng điện qua các pha.

  2. Phương pháp điều chế sóng mang:

    • Space Vector Pulse Width Modulation (SVPWM): Phương pháp điều chế vector không gian giúp tối ưu hóa việc sử dụng điện áp DC-link, giảm sóng hài tổng thể (THD) và cải thiện hiệu suất biến tần.
    • Discontinuous Pulse Width Modulation (DPWM): Phương pháp điều chế xung không liên tục, trong đó mỗi pha được kết nối với điểm dương, âm hoặc trung tính trong một phần ba chu kỳ, giúp giảm tổn hao chuyển mạch khoảng 1/3 so với SVPWM.

Các khái niệm chuyên ngành được sử dụng bao gồm: vector không gian, các trạng thái khóa công suất, sóng mang, tổn hao chuyển mạch, và linh kiện bán dẫn SiC.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính bao gồm mô hình mô phỏng trên phần mềm PSim 9 và kết quả thực nghiệm từ prototype bộ biến tần ba pha ba bậc T-NPC sử dụng linh kiện SiC, được thiết kế và lập trình trên DSP TMS320F28377.

Phương pháp phân tích gồm:

  • Xây dựng mô hình toán học và mô phỏng hoạt động mạch T-NPC với các thuật toán SVPWM và DPWM.
  • Thiết kế mạch điều khiển và phần cứng prototype dựa trên linh kiện SiC nhằm kiểm chứng hiệu quả thực tế.
  • Thu thập dữ liệu tổn hao, sóng hài, và hiệu suất hoạt động từ mô hình mô phỏng và thực nghiệm.
  • So sánh hiệu quả giữa các phương pháp điều chế và đánh giá ưu nhược điểm.

Cỡ mẫu nghiên cứu là một prototype mạch ba pha ba bậc, với các phép đo được thực hiện trong phòng thí nghiệm tại Trường Đại học Bách Khoa TP. Hồ Chí Minh trong khoảng thời gian 5 tháng.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Giảm tổn hao chuyển mạch với DPWM: Kết quả thực nghiệm cho thấy phương pháp DPWM giảm tổn hao chuyển mạch khoảng 33% so với SVPWM, nhờ việc mỗi pha được kết nối với điểm dương, âm hoặc trung tính trong 1/3 chu kỳ, giảm số lần chuyển mạch liên tục.

  2. Chất lượng sóng đầu ra cải thiện: Mô phỏng và thực nghiệm cho thấy THD của sóng điện áp đầu ra giảm từ khoảng 15% (SVPWM) xuống còn khoảng 12% khi sử dụng DPWM, giúp nâng cao hiệu suất và giảm nhiễu điện từ.

  3. Hiệu suất hoạt động của linh kiện SiC: Việc thay thế linh kiện bán dẫn Si truyền thống bằng SiC giúp tăng khả năng chịu tải và tần số chuyển mạch lên đến 30 kHz, đồng thời giảm tổn hao dẫn và tổn hao chuyển mạch, nâng cao hiệu suất tổng thể của bộ biến tần.

  4. Mô hình mô phỏng phù hợp với thực nghiệm: Mô hình PSim xây dựng cho phép dự đoán chính xác các đặc tính hoạt động của mạch T-NPC với các thuật toán điều chế, sai số giữa mô phỏng và thực nghiệm dưới 5%, đảm bảo tính khả thi của phương pháp nghiên cứu.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của việc giảm tổn hao chuyển mạch khi sử dụng DPWM là do giảm số lần chuyển đổi trạng thái của các khóa công suất trong mỗi chu kỳ, từ đó giảm tổn hao năng lượng phát sinh do chuyển mạch. Kết quả này phù hợp với các báo cáo ngành và nghiên cứu gần đây về điều chế xung không liên tục.

Việc sử dụng linh kiện SiC góp phần nâng cao hiệu suất do đặc tính điện tử ưu việt như điện trở dẫn thấp, khả năng chịu nhiệt cao và tần số chuyển mạch lớn hơn so với Si truyền thống. Điều này mở ra hướng phát triển cho các bộ biến tần công suất cao trong tương lai.

Các biểu đồ so sánh tổn hao chuyển mạch và THD giữa SVPWM và DPWM được trình bày rõ ràng trong luận văn, giúp minh họa trực quan hiệu quả của phương pháp DPWM.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Ứng dụng rộng rãi DPWM trong các bộ biến tần công suất cao: Khuyến nghị các nhà sản xuất và kỹ sư thiết kế áp dụng phương pháp DPWM để giảm tổn hao chuyển mạch, nâng cao hiệu suất thiết bị trong vòng 1-2 năm tới.

  2. Tăng cường sử dụng linh kiện SiC: Đề xuất đầu tư nghiên cứu và phát triển linh kiện SiC cho các ứng dụng biến tần tần số cao, nhằm tận dụng ưu điểm về hiệu suất và độ bền, với kế hoạch triển khai trong 3 năm.

  3. Phát triển phần mềm mô phỏng chuyên sâu: Khuyến khích phát triển các công cụ mô phỏng tích hợp thuật toán điều chế DPWM và SVPWM để hỗ trợ thiết kế và tối ưu hóa mạch biến tần, giúp rút ngắn thời gian nghiên cứu và phát triển.

  4. Đào tạo và nâng cao năng lực kỹ thuật: Tổ chức các khóa đào tạo chuyên sâu về kỹ thuật điều khiển biến tần và ứng dụng linh kiện SiC cho kỹ sư và sinh viên trong ngành điện tử công suất, nhằm nâng cao chất lượng nguồn nhân lực.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Kỹ sư thiết kế biến tần và điều khiển công suất: Nghiên cứu cung cấp kiến thức chuyên sâu về cấu trúc mạch T-NPC và các thuật toán điều chế hiện đại, giúp cải tiến thiết kế và nâng cao hiệu suất sản phẩm.

  2. Nhà nghiên cứu và giảng viên trong lĩnh vực điện tử công suất: Luận văn là tài liệu tham khảo quý giá cho các đề tài nghiên cứu tiếp theo về điều chế xung và ứng dụng linh kiện SiC.

  3. Sinh viên ngành kỹ thuật điện, điện tử: Giúp hiểu rõ các khái niệm lý thuyết và thực tiễn về biến tần ba pha ba bậc, đồng thời tiếp cận công nghệ điều khiển hiện đại.

  4. Doanh nghiệp sản xuất thiết bị điện công nghiệp: Hỗ trợ trong việc áp dụng công nghệ mới nhằm giảm chi phí sản xuất, nâng cao chất lượng sản phẩm và tăng sức cạnh tranh trên thị trường.

Câu hỏi thường gặp

  1. DPWM khác gì so với SVPWM?
    DPWM là phương pháp điều chế xung không liên tục, trong đó mỗi pha được kết nối với điểm dương, âm hoặc trung tính trong 1/3 chu kỳ, giúp giảm tổn hao chuyển mạch khoảng 33% so với SVPWM, vốn điều chế liên tục.

  2. Linh kiện SiC có ưu điểm gì so với Si truyền thống?
    SiC có điện trở dẫn thấp hơn, khả năng chịu nhiệt cao hơn và cho phép chuyển mạch ở tần số cao hơn (khoảng 30 kHz), giúp giảm tổn hao và tăng hiệu suất biến tần.

  3. Mô hình mô phỏng PSim có chính xác không?
    Mô hình PSim được xây dựng dựa trên các công thức toán học và lý thuyết vector không gian, kết quả mô phỏng sai số dưới 5% so với thực nghiệm, đảm bảo độ tin cậy cao.

  4. Ứng dụng thực tế của biến tần T-NPC là gì?
    Biến tần T-NPC được sử dụng trong các hệ thống năng lượng tái tạo, điều khiển động cơ công nghiệp, và các thiết bị công suất cao cần hiệu suất và chất lượng sóng điện áp tốt.

  5. Làm thế nào để giảm tổn hao chuyển mạch trong biến tần?
    Ngoài việc sử dụng DPWM, có thể áp dụng linh kiện SiC, tối ưu thuật toán điều khiển, và thiết kế mạch điều khiển phù hợp để giảm tổn hao chuyển mạch hiệu quả.

Kết luận

  • Luận văn đã phân tích và chứng minh hiệu quả của phương pháp DPWM trong giảm tổn hao chuyển mạch khoảng 33% so với SVPWM.
  • Việc sử dụng linh kiện SiC giúp nâng cao khả năng chịu tải và tần số chuyển mạch, cải thiện hiệu suất tổng thể của bộ biến tần.
  • Mô hình mô phỏng PSim phù hợp với kết quả thực nghiệm, hỗ trợ đắc lực cho quá trình nghiên cứu và thiết kế.
  • Các đề xuất về ứng dụng DPWM và linh kiện SiC có thể triển khai trong vòng 1-3 năm tới nhằm nâng cao hiệu quả sản xuất và vận hành.
  • Khuyến khích các nhà nghiên cứu, kỹ sư và doanh nghiệp tiếp tục phát triển và ứng dụng các công nghệ điều khiển biến tần hiện đại để đáp ứng nhu cầu công nghiệp ngày càng cao.

Hãy bắt đầu áp dụng các giải pháp này để nâng cao hiệu suất và giảm chi phí trong hệ thống biến tần của bạn ngay hôm nay!