Tổng quan những nghiên cứu và xu hướng phát triển của Điện tử công suất & truyền động điện

Tổng quan những nghiên cứu và xu hướng phát triển của Điện tử công suất & truyền động điện Tóm tắt Sự hoàn thiện của công nghệ vật liệu bán dẫn công suất và kỹ thuật điều khiển đã tạo điều kiện cho ngành Tự động hóa phát triển vượt bậc trong hơn ba thập kỷ qua. Bài báo sẽ điểm lại sự phát triển của Truyền động điện và Điện tử công suất, là các thành phần cơ bản trong một hệ thống tự động hóa. Việc khái quát này sẽ là cơ sở cho những nhận định về sự phát triển của lĩnh vực trong một tương lai gần, kỷ nguyên mà vấn đề năng lượng và môi trường trở nên quan trọng hơn bao giờ hết. I. Mở đầu Kỷ nguyên của Truyền động điện có thể coi như bắt đầu từ thế kỷ 19 khi Tesla phát minh ra động cơ không đồng bộ năm 1888. Từ đó, động cơ điện dần dần thay thế động cơ hơi nước, vốn được coi là động lực cho cách mạng công nghiệp lần thứ nhất (thế kỷ 18) và lần thứ hai (thế kỷ 19). Sự ra đời của các van bán dẫn công suất lớn như diode, BJT, thyristor, triac và tiếp đó là IGBT thực sự mang đến cho truyền động điện một sự biến đổi lớn về chất và lượng. Các van bán dẫn chịu điện áp ngày càng cao và khả năng dẫn dòng ngày càng lớn đã tạo nên các cấu hình bộ biến đổi ngày càng đa dạng: chỉnh lưu (AC/DC converter), nghịch lưu (DC/AC converter, inverter), bộ biến đổi một chiều (DC/DC converter) và bộ biến đổi xoay chiều (AC/AC converter) cho phép điều khiển dòng năng lượng cấp cho động cơ một cách hợp lý, phù hợp với yêu cầu công nghệ. Với công trình khoa học được trình bày trong các công bố của mình, Hasse (1969) và Blaschke (1972) [1] đã tạo nên một bước đột phá trong kỹ thuật điều khiển động cơ không đồng bộ. Bằng cách ứng dụng phương pháp chuyển vị tọa độ (transvector), động cơ không đồng bộ được điều khiển trong hệ tọa độ d-q, quay với tốc độ của từ trường quay, thay vì trong hệ tọa độ tĩnh truyền thống a-b-c. Hai phương pháp của Hasse và Blaschke đã nhận được sự quan tâm lớn của giới khoa học và công nghiệp, và sau đó được biết đến với tên gọi lần lượt là: phương pháp điều khiển vector gián tiếp (Hasse) và phương pháp điều khiển vector trực tiếp (Blaschke). Các tiến bộ vượt bậc trong công nghệ vi xử lý, vi điều khiển, và đặc biệt là DSP cho phép thực hiện các thuật toán phức tạp trong thời gian thực đã giúp cho các phương pháp điều khiển vector (hay còn được gọi là điều khiển tựa từ thông – Field Oriented Control FOC) trở thành các công nghệ điều khiển động cơ xoay chiều được chuẩn hóa trong công nghiệp từ những năm 90 của thế kỷ trước. Động cơ điện không đồng bộ, với phương pháp điều khiển vector, đã trở nên dễ điều khiển, đạt được các tính năng cao, do vậy đã dần dần thay thế động cơ một chiều trong những ứng dụng đòi hỏi phải điều khiển trơn tốc độ trong một phạm vi rộng. Phương pháp điều khiển trực tiếp mômen (DTC) do Takahashi đề xuất năm 1986 [2] và Depenbrock năm 1987 [3] cũng là một kỹ thuật đáng lưu ý. Trong phương pháp này, mômen của động cơ không được điều khiển một cách “gián tiếp” thông qua dòng điện mà được điều khiển “trực tiếp” thông qua việc đóng mở các van công suất theo quy luật dựa vào trạng thái tức thì của mômen và từ thông. Phương pháp này đã cho phép đáp ứng mômen của hệ truyền động nhanh hơn gấp hàng chục lần so với phương pháp điều khiển vector. Tuy nhiên, nhấp nhô mômen (torque ripple) là một tồn tại làm hạn chế ứng dụng của phương pháp trong nhiều trường hợp. Các nhà khoa học đã công bố hàng ngàn công trình nghiên cứu trên các tập san hội nghị và tạp chí quốc tế trong thập kỷ cuối cùng của thế kỷ 20. Tuy nhiên, nhược điểm cố hữu của phương pháp chỉ được cải thiện chứ không được giải quyết triệt để. Do vậy, cho đến nay người ta đã coi DTC là một phương pháp bổ trợ cho phương pháp điều khiển vector cho các ứng dụng đòi hỏi điều khiển mômen nhanh nhưng không quá khắt khe về nhấp nhô mômen, ví dụ như truyền động trong ô tô điện. Phương pháp điều khiển vector và DTC ban đầu được đề xuất cho động cơ không đồng bộ. Tuy nhiên, chúng đã được mở rộng cho tất cả các loại động cơ xoay chiều cần phải điều khiển tốc độ, như các ứng dụng servo, điều khiển chuyển động (motion control) cho robot, cơ cấu kéo, hay trong hàng không vũ trụ. Các chủng loại động cơ xoay chiều có thể kể đến là: động cơ không chổi than sức điện động hình thang (BLDCM), động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu (PMSM), động cơ đồng bộ nam châm chìm (IPM), động cơ từ trở thay đổi (SRM), và động cơ tuyến tính (linear motor). Với yêu cầu ngày càng khắt khe về chất lượng và hiệu suất, các cấu hình mới của bộ biến đổi đã được đưa ra. Biến tần đa mức với các cấu hình diode kẹp, tụ bay hay cầu H, với các phương pháp chuyển mạch mềm ở dòng điện không và điện áp không (zero-current, zero-voltage switching) đã được đề xuất. Đặc biệt, biến tần ma trận (matrix converters) được bắt đầu nghiên cứu từ những năm cuối của thế kỷ 20 và trở thành một đề tài nóng hổi trong hơn hai thập kỷ qua với kỳ vọng trở thành “biến tần của thế kỷ 21”. Cấu hình này cho phép xử lý trực tiếp nguồn điện xoay chiều thay cho biến tần gián tiếp truyền thống với bộ chỉnh lưu trung gian. Nhờ vậy, kích thước của thiết bị giảm đi đáng kể và còn cho phép điều chỉnh hệ số công suất của hệ thống. Vấn đề còn lại hiện nay là nâng cao độ tin cậy trước khi có thể trở thành sản phẩm thương mại. Hành tinh của chúng ta đang đối mặt với vấn đề ấm dần lên (global warming) do hiệu ứng nhà kính, có nguồn gốc từ khí thải công nghiệp và sinh hoạt. Nguồn nguyên liệu và đặc biệt là nhiên liệu tự nhiên đang dần bị cạn kiệt. Chất lượng của cuộc sống, thậm chí sự tồn tại của nhân loại đang bị đe dọa. Hơn bao giờ hết, khoa học và công nghệ là phương tiện hữu hiệu để con người khai thác và gìn giữ thiên nhiên. Các nghiên cứu bùng nổ về năng lượng tái tạo (renewable energy) như năng lượng gió, năng lượng mặt trời, địa nhiệt và năng lượng sóng biển không chỉ là một trào lưu trong vòng gần hai thập kỷ qua, mà còn là một xu hướng không thể tránh khỏi để tạo ra lưới điện thông minh và linh hoạt (smart grid). Các bộ biến đổi công suất DC/DC đã trở lại thành đề tài nghiên cứu nóng hổi. Chúng có chức năng nâng hoặc hạ áp (boost/buck), kết nối các thiết bị sơ cấp (tuốc bin sức gió hoặc các tấm pin năng lượng mặt trời) với các bộ biến đổi khác (như nghịch lưu DC/AC) để cung cấp năng lượng cho lưới điện quốc gia hoặc các hộ tiêu thụ. Trong việc khai thác các nguồn năng lượng mới, các bộ lưu điện công suất lớn (energy storages) đóng vai trò vô cùng quan trọng, giúp điều hòa và ổn định lưới điện, khắc phục bản chất thay đổi của các nguồn năng lượng thiên nhiên (cường độ ánh sáng mặt trời do thời tiết, ngày-đêm, cường độ và hướng gió). Ô tô điện được dự báo là phương tiện di chuyển trong tương lai để giải quyết vấn đề cạn kiệt nguồn xăng dầu và ô nhiễm môi trường do ô tô chạy xăng gây ra. Không chỉ đơn thuần là phương tiện di chuyển, ô tô còn là một trong những đối tượng mà những công nghệ mới nhất phục vụ con người được tích hợp để tăng tính tiện nghi và an toàn. Ô tô điện cũng là một trong những ứng dụng mà các thành tựu của truyền động điện và điện tử công suất được góp mặt: từ các công nghệ điều khiển động cơ, điều khiển chuyển động tối ưu, cho đến chất lượng của các bộ biến đổi công suất, hay khả năng lưu trữ điện của các loại nguồn. Khái quát toàn bộ sự phát triển của Truyền động điện và Điện tử công suất trong khuôn khổ một bài báo là điều không thể. Các tác giả muốn điểm qua lịch sử và thành tựu của ngành Truyền động điện và Điện tử công suất, từ đó nhấn mạnh một số xu hướng phát triển hiện tại và tương lai. Bố cục của bài báo như sau: sau phần khái quát mở đầu, các cấu hình (topologies) biến tần ma trận và các bộ biến đổi DC/DC sẽ được đề cập. Các phương pháp điều khiển để phát huy ưu điểm của động cơ BLDCM, IPM và SRM sẽ được trình bày trong phần III. Phần IV tập trung vào các thiết bị lưu điện, vấn đề quan trọng hàng đầu của các nhà nghiên cứu hàn lâm và giới công nghệ để có thể đưa ô tô điện trở thành một phương tiện giao thông hiện thực. Một số lĩnh vực ứng dụng mới nhất của truyền động điện và điện tử công suất được trình bầy ở phần V, nhấn mạnh vào ô tô điện và năng lượng mới. Một số nhận định mang tính dự báo sẽ được đưa ra trong phần kết luận. II. Một số cấu hình bộ biến đổi điện tử công suất hiện đại A. Biến tần ma trận Trong lĩnh vực điện tử công suất, các bộ biến đổi từ nguồn xoay chiều sang xoay chiều hay viết tắt AC/AC, là một lĩnh vực nghiên cứu quan trọng cùng với các bộ chuyển đổi DC/DC, nghịch lưu và chỉnh lưu. Các bộ biến đổi AC/AC có thể được phân loại ra hai loại chính là trực tiếp và gián tiếp dựa vào cách chuyển đổi là trực tiếp hay gián tiếp. Một ví dụ Hình 1. Cấu hình cơ bản của một biến tần ma trận. của bộ biến đổi AC/AC gián tiếp là việc sử dụng cấu hình hai bộ biến đổi nối tiếp nhau: một bộ chỉnh lưu và một bộ nghịch lưu nối với nhau bởi một tụ hóa một chiều. Trong cấu hình đó, bộ chỉnh lưu có thể được thực hiện bởi hai cấu hình cơ bản: cấu hình chỉnh lưu cầu ba pha diode hoặc cấu hình chỉnh lưu điều khiển PWM với các khóa là van điều khiển được. Tuy nhiên, cả hai cấu hình trên đều mang một số đặc điểm hạn chế, ví dụ như dòng điện đầu vào không sin đối với chỉnh lưu diode, hoặc độ phức tạp cao trong điều khiển đối với chỉnh lưu PWM. Đặc biệt, sự có mặt của tụ điện một chiều với tác dụng làm phẳng điện áp một chiều của chỉnh lưu, thường gây nên sự cồng kềnh và tăng giá thành của hệ thống. Trái lại, bộ biến đổi AC/AC với đại diện là bộ biến tần trực tiếp (cyclo converters) và các bộ biến tần ma trận (matrix converters, Hình 1) không yêu cầu việc sử dụng tụ điện một chiều. Tuy nhiên, trong số hai đại diện trên, biến tần trực tiếp (cyclo converters) ngày càng ít được sử dụng trong thực tế do có một số đặc điểm hạn chế như: tần số đầu ra bị hạn chế nhỏ hơn tần số nguồn cấp, độ nhiễu sóng hài dòng điện vào và ra rất cao, và số lượng van trong cấu hình lớn. Do đó chúng chỉ thường được dùng trong các ứng dụng không đòi hỏi chất lượng cao như các máy chở liệu trong ngành công nghiệp khai thác quặng. Trái lại, biến tần ma trận đang trở thành ứng cử viên hứa hẹn sẽ thay thế các biến tần AC/AC gián tiếp và biến tần trực tiếp bởi các ưu điểm sau đây. Thứ nhất, chúng không sử dụng tụ điện một chiều, dẫn đến tuổi thọ hệ thống dài hơn, hệ thống gọn nhẹ hơn, và mật độ công suất cao hơn (higher power density). Thứ hai, chúng có khả năng hoạt động linh hoạt ở cả bốn góc phần tư, tận dụng ưu thế hãm tái sinh, tiết kiệm năng lượng. Thứ ba, chất lượng hệ số công suất đầu vào có thể đạt được gần bằng một, và dòng điện sẽ là hình sin khi được điều khiển thích hợp. Với những lợi thế vượt trội đó, các nghiên cứu về biến tần ma trận đã nhận được rất nhiều sự quan tâm kể từ khi loại biến tần này được đề xuất vào đầu những năm 80 của thế kỷ trước [4]. Biến tần ma trận (Hình 1) có mạch lực gồm ma trận 3x3 van bán dẫn hai chiều, trong đó mỗi van có khả năng dẫn dòng điện chảy theo cả hai chiều. Trên hình vẽ, van hai chiều được đại diện bằng cấu hình hai IGBT nối chung cực emitter. Đặc điểm của biến tần ma trận là sự chuyển mạch cần được thực hiện đúng cách khi chuyển pha dẫn phía nguồn. Đặc điểm nữa là khi điều khiển, cần tránh ngắn mạch nguồn áp và hở mạch phía tải có tính cảm. Các bài toán hiện nay đối với biến tần ma trận có thể được phân chia một cách tương đối thành bốn phần lớn: kỹ thuật điều chế và phương pháp điều khiển, chuyển mạch, cấu hình biến tần ma trận mới, và cuối cùng là ứng dụng. Thứ nhất là về kỹ thuật điều chế và phương pháp điều khiển. Kể từ khi ra đời, kỹ thuật điều chế đã được quan tâm rất nhiều với các phương pháp khác nhau: điều chế dựa theo vectơ không gian [5]-[6], phương pháp điều chế Alesina- Venturini [4]. Ngoài việc điều chế để đạt mục tiêu chất lượng điều khiển cao, các nghiên cứu còn quan tâm đến việc làm giảm điện áp điểm kết nối (common mode voltage) [7] hoặc điều chế trong trường hợp điện áp ba pha cung cấp bị mất cân bằng về biên độ hoặc tồn tại điều hòa bậc cao [8]. Đến nay, các nghiên cứu về điều chế đã phát triển rất mạnh và đi dần vào ổn định. Thứ hai là mảng nghiên cứu về chuyển mạch. Ngay từ những năm 80 và 90, các kỹ thuật chuyển mạch được nghiên cứu tập trung và cho ra đời nhiều phương pháp khác nhau, như các phương pháp dựa vào 3 bước, 4 bước và dấu của dòng điện, hoặc dấu của điện áp [9]-[11]. Đến nay, các nghiên cứu chuyển mạch đã phát triển đầy đủ và có xu hướng nhường sự quan tâm cho các nghiên cứu khác. Thứ ba là nghiên cứu về cấu hình biến tần ma trận. Ngoài cấu hình cơ bản trình bày trên Hình 1, các cấu hình khác có tính năng của biến tần ma trận đã được đề xuất, ví dụ như biến tần ma trận gián tiếp, biến tần ma trận giản lược (sparse matrix converter), biến tần ma trận siêu giản lược (ultra sparse matrix converter) [12], biến tần ma trận đa mức (multilevel matrix converter), biến tần ma trận nối tầng (cascade matrix converter), biến tần ma trận nguồn Z (Z-source matrix converter). Các vấn đề về điều khiển, điều chế trong các cấu hình mới kể trên có độ phức tạp cao, và là một xu hướng nghiên cứu đáng xem xét hiện nay. Phân loại cuối cùng là các ứng dụng của biến tần ma trận, ví dụ, ứng dụng trong năng lượng gió [13]. Bên cạnh đó, một hướng nghiên cứu phổ biến hiện nay là nâng cao độ tin cậy và chống lại sự cố của biến tần ma trận. Sự cố có thể nằm trong bản thân mạch lực của biến tần, bao gồm sự cố hở mạch van và ngắn mạch van hoặc sự cố mất pha phía tải [14]. Mục đích của nâng cao độ tin cậy là tìm ra giải pháp phần cứng hoặc phần mềm điều khiển tích hợp, phát hiện và chống lại sự cố một cách tức thời, bảo vệ hệ thống để biến tần ma trận hoạt động trong một giới hạn chấp nhận được. Trong tương lai, hướng nghiên cứu về biến tần ma trận sẽ tập trung vào ứng dụng của chúng vào năng lượng sạch và việc phát hiện hỏng hóc, nâng cao độ tin cậy của thiết bị, của hệ thống, từng bước thương mại hóa biến tần ma trận thành sản phẩm hoạt động tin cậy trong công nghiệp để có thể tận dụng những điểm ưu việt của chúng. B. Bộ biến đổi DC/DC Trong các ứng dụng như ô tô điện và năng lượng tái tạo, bộ biến đổi một chiều DC/DC đóng một vai trò then chốt trong quá trình biến đổi năng lượng. Kích thước, khối lượng và hiệu suất của bộ biến đổi, đặc biệt ở công suất lớn, là những vấn đề quan trọng được tập trung nghiên cứu trong thời gian gần đây. Những cấu hình mạch và cấu trúc điều khiển cho các bộ DC/DC truyền thống vốn được thiết kế Hình 2. Bộ biến đổi DC/DC hai chiều trong ô tô điện với các chế độ hoạt động. cho các ứng dụng với công suất nhỏ như cấp nguồn cho các mạch điện tử và vi xử lý hoặc lớn hơn một chút là nguồn cho hệ thống viễn thông. Những cấu hình mạch và hệ điều khiển này khi được sử dụng cho các bộ biến đổi công suất lớn bộc lộ nhiều nhược điểm, một trong những vấn đề lớn nhất là giới hạn khả năng của các van bán dẫn công suất và các phần tử thụ động, đặc biệt là cuộn kháng. Mặt khác, trong các ứng dụng nói trên, việc trao đổi năng lượng theo hai chiều (phóng và nạp vào nguồn dự trữ) là cần thiết để nâng cao hiệu suất của hệ thống, từ đó dẫn đến nhu cầu cần các bộ biến đổi DC/DC hai chiều (bi-directional DC/DC converter), bao gồm cả tăng và hạ áp (boost/buck). Vai trò của bộ biến đổi DC/DC hai chiều như vậy trong hệ thống nguồn năng lượng cho ô tô điện với các chế độ hoạt động được minh họa trên Hình 2. Bộ biến đổi DC/DC về cơ bản được chia thành hai loại: cách ly (isolated) và không cách ly (non-isolated). Loại cách ly sử dụng biến áp xung để truyền tải năng lượng giữa phía cao áp và phía hạ áp. Ở dải công suất lớn, biến áp xung có kích thước lớn, giá thành cao, ngoài ra tổn hao trên biến áp lớn. Loại này phát huy tác dụng ở những ứng dụng yêu cầu nghiêm ngặt về sự cách ly về điện giữa phía nguồn và phía tải, chẳng hạn như việc cấp nguồn cho các mạch vi xử lý hoặc ở những ứng dụng có tỉ số điện áp giữa phía cao áp và phía hạ áp lớn. Loại không cách ly sử dụng cuộn kháng (và tụ điện) để phóng nạp dòng điện, biến đổi điện áp. Với loại không cách ly, năng lượng được truyền tải bằng cả dòng điện và từ trường nên yêu cầu về kích thước lõi sắt từ được giảm xuống, trong khi với loại cách ly, toàn bộ năng lượng được truyền qua từ trường nên lõi sắt từ phải có kích thước lớn hơn nhiều. Ngoài ra, tổn hao trên cuộn kháng cũng nhỏ hơn tổn hao trên biến áp xung. Với những lý do trên, trong phần này, ta chỉ thảo luận các cấu hình mạch không cách ly. Hình 3. Minh họa chế độ hoạt động tăng áp. Hình 4. Minh họa chế độ hoạt động hạ áp. Cấu hình truyền thống và các chế độ hoạt động cơ bản của bộ biến đổi DC/DC hai chiều không cách ly được cho trên Hình 3 và Hình 4. Ta thấy rằng ở công suất lớn, các van bán dẫn và cuộn kháng sẽ phải làm việc trong những chế độ rất nặng nề. Toàn bộ năng lượng trao đổi giữa phía cao áp và hạ áp được truyền qua cuộn kháng. Bên cạnh đó, van bán dẫn sẽ phải dẫn toàn bộ dòng và chịu toàn bộ điện áp cao của mạch. Với giới hạn về khả năng dẫn dòng, chịu áp của van lực và khả năng truyền tải công suất của lõi sắt từ, ta rất khó đạt được công suất cao ở cấu hình truyền thống. Ngoài ra, đập mạch dòng điện lớn trên tụ làm tăng kích thước và dung lượng yêu cầu của tụ, góp phần làm tăng kích thước và giá thành của hệ thống. Hình 5. Bộ biến đổi DC/DC ba pha xếp chồng [15]. Hình 6. Kết quả mô phỏng dòng điện các pha và dòng tổng mạch DC/DC bốn pha xếp chồng. Để khắc phục vấn đề nêu trên, cấu hình bộ biến đổi DC/DC nhiều pha xếp chồng (interleaved multi-phase DC/DC converter) được đưa vào nghiên cứu [15], [16]. Hình 5 là một cấu trúc điển hình của loại này. Một cách đơn giản, có thể coi đây là sự xếp chồng của các cấu hình truyền thống, trong đó công suất của cả hệ thống sẽ được chia đều cho mỗi pha, làm giảm yêu cầu công suất của mỗi lõi sắt từ. Một kết quả mô phỏng trên Matlab/Simulink trên Hình 6 cho ta thấy dạng dòng điện pha và dòng tổng ở chế độ dẫn gián đoạn với kỹ thuật chuyển mạch mềm. Cần chú ý rằng chuyển mạch mềm là một kỹ thuật quan trọng để nâng cao hiệu suất và tính khả thi của bộ biến đổi DC/DC với công suất lớn. Nếu như với các mạch công suất thấp truyền thống, việc thực hiện tần số chuyển mạch khoảng từ 100 kHz trở lên là việc tương đối dễ dàng thì việc chuyển mạch ở 25 kHz với van IGBT thương mại 1200 V, 400 A sẽ không thể thực hiện được nếu không sử dụng kỹ thuật chuyển mạch mềm [15].