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

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].