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