Điều khiển dự báo FCS-MPC cho biến tần NPC 5 mức để điều khiển động cơ IPM của xe điện

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:3

Thêm vào BST

Báo xấu

2
lượt xem 1
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Gần đây, bộ biến đổi điện tử công suất đã đóng vai trò thiết yếu trong việc nâng cao chất lượng điện áp đầu ra cung cấp cho động cơ kéo của xe điện. Nghiên cứu này sử dụng mô hình dự đoán hai bước để cải thiện khả năng điều chỉnh dòng tải nhằm cải thiện hiệu suất của bộ chuyển đổi nhằm tạo ra chất lượng điện áp cung cấp cho IPM.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Điều khiển dự báo FCS-MPC cho biến tần NPC 5 mức để điều khiển động cơ IPM của xe điện

Tuyển tập Hội nghị Khoa học thường niên năm 2024. ISBN: 978-604-82-8175-5 ĐIỀU KHIỂN DỰ BÁO FCS-MPC CHO BIẾN TẦN NPC 5 MỨC ĐỂ ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ IPM CỦA XE ĐIỆN Trần Hùng Cường Trường Đại học Thủy lợi, email: Cuongth@tlu.edu.vn 1. GIỚI THIỆU CHUNG xung đóng cắt làm việc cho NPC nhằm mục đích tạo ra điện áp 5 mức phía xoay chiều và Gần đây, bộ biến đổi điện tử công suất đã tạo ra dòng điện có chất lượng tốt cung cấp đóng vai trò thiết yếu trong việc nâng cao chất hoạt động cho động cơ IPM. lượng điện áp đầu ra cung cấp cho động cơ kéo của xe điện. Biến tần đa cấp NPC (Point Bộ biến đổi NPC ia Bộ lọc Rf Lf Clamped neutral Inverter) là biến tần tiềm ib ic năng để cấp điện cho động cơ IMP của xe Rn Ln IPM điện để có những điều kiện hoạt động tốt [1]. Sk Bởi vì nó có thể cung cấp nhiều mức điện áp Tối ưu hàm mục tiêu (4) Ngoại suy theo công IE thức (2) xoay chiều đầu ra. Điều này làm giảm đáng kể điện áp đặt lên các van bán dẫn trong quá trình Bộ điều khiển FCS- MPC theo (5) và (6) vα αβ/abc vβ ω hoạt động. Bài báo nghiên cứu phương pháp FOC FCS-MPC (Điều khiển dự báo hữu hạn các trạng thái đóng cắt) để áp dụng cho biến tần Hình 1. Cấu trúc điều khiển FCS-MPC NPC [2]. Mục đích là để kiểm soát đồng thời cho biến tần NPC kết hợp với thuật toán điều nhiều thông số, chẳng hạn như cân bằng dòng khiển FOC cung cấp năng lượng cho IMPSM điện đầu ra và điện áp tụ điện. Phương pháp 2.1. Mô hình hóa động cơ IPM này sử dụng các mô hình thời gian rời rạc của bộ chuyển đổi và tải để dự đoán hành vi trong Động cơ IPM với phương pháp điều khiển tương lai của dòng điện tải và điện áp tụ điện FOC được xây dựng dựa trên hệ tọa độ dq. liên kết DC cho tất cả các trạng thái chuyển Với độ tự cảm Ld khác với Lq, mômen động mạch có thể có. Nghiên cứu này sử dụng mô cơ bao gồm một thành phần bổ sung và hình dự đoán hai bước để cải thiện khả năng mômen từ trở. Các phương trình toán học mô điều chỉnh dòng tải nhằm cải thiện hiệu suất tả động cơ như hệ phương trình (1). của bộ chuyển đổi nhằm tạo ra chất lượng  disd 1 Lsq 1 điện áp cung cấp cho IPM.   isd  s isq  U sd  dt Tsd Lsd Lsd  disq Lsq 1 1 p 2. CẤU TRÚC ĐIỀU KHIỂN MÔ HÌNH   s isd  isq  U sq  s BIẾN TẦN NPC CẤP ĐIỆN CHO IPMSM  dt Lsd Tsq Lsq Lsq   L i  Cấu trúc mạch lực và mạch điều khiển của  sd  sd sd p (1) hệ thống được thể hiện như hình 1. Mô hình  sq  Lsq isq hệ thống gồm Biến tần NPC 5 mức điện áp,  NPC được lấy điện từ nguồn một chiều DC T  3 p ( i  i i (L  L ))  e 2 p p sq sd sq sd sq để tạo ra dòng điện xoay chiều cấp điện cho  J d động cơ IPM, hệ thống điều khiển cho mô Te  TL  hình bao gồm điều khiển FOC để điều khiển   p p dt tốc độ cho động cơ theo mong muốn và điều Trong đó Usd, Usq, isd, isq, ψsd, ψsq là điện áp, khiển dự báo FCS-MPC để tạo ra tổ hợp dòng điện và từ thông của stato trên trục d và 279
Tuyển tập Hội nghị Khoa học thường niên năm 2024. ISBN: 978-604-82-8175-5 q; Rs, Lsd và Lsq là điện trở stato, độ tự cảm lượng trạng thái chuyển đổi sẽ tăng lên. Quá stato trên dq, ωs là vận tốc góc của động cơ, ψp trình này sẽ yêu cầu bộ điều khiển tính toán là từ thông rôto, pp là số cặp cực của động cơ; nhiều hơn. Tuy nhiên, nó sẽ hoạt động tốt Te, TL là mômen ra của động cơ, mômen tải; J hơn dự đoán một bước. Để giảm thiểu việc là mômen quán tính của động cơ, là hằng số tính toán các bước chuyển mạch của biến tần thời gian trục d của mạch stato và là hằng số tại thời điểm k+2, trong bài viết này, thuật thời gian trục q của stato. Khi xe chuyển động, toán sẽ chọn trạng thái tốt nhất ở bước dự lực cản gồm hai thành phần: lực cản của đoán k và loại bỏ các trạng thái không cần không khí và ma sát của xe với không khí. thiết để thực hiện các bước dự đoán k+2. Khi đó hàm mục tiêu sẽ được chọn, quy trình 2.2. Mô hình hóa biến tần NPC được thể hiện trong Hình 4. Bộ biến đổi NPC trong nghiên cứu này là x bộ biến tần ba pha, có cấu trúc bao gồm bốn Ts Ts x4(k+2) x2(k+1) chân và năm cấp điện áp, bộ lọc đầu ra được x(k) x3(k+1) x2(k+2) minh họa trên hình 1. Cấu trúc này khác với xref (k) xref (k+2) bộ biến tần NPC cơ bản là có thêm một chân x1(k+2) x1(k+1) bổ sung được kết nối với điểm trung tính của x4(k+1) x3(k+2) tải. Biến tần bao gồm 16 van bán dẫn và 8 điốt t(k+2) t t(k) t(k+1) kẹp với các trạng thái chuyển mạch tương ứng với điện áp đầu cực của biến tần như bảng 1. Hình 3. Mô tả trạng thái dự đoán Bảng 1. Điện áp đầu ra của NPC ứng với tín hiệu hai bước của FCS-MPC trạng thái chuyển mạch van (x = a, b, c, n) Jmin = ∞ Sx S1x S2x S3x S4x vxN K = 1÷81 1 1 1 0 0 vc1 + vc2 Đo giá trị vC1(k), vC2(k), Tính toán ia,b,c(k+2), vC1(k+2), 0 0 1 1 0 vc2 vC1(k+2) btheo công thức (5), (6) ) ia,b,c(k) cho các trạng thái Sx(k) -1 0 0 1 1 0 ia,b,c_ref(k) Tính toán hàm mục tiêu Jk+2 theo công thức (4) vC1,2_ref(k) Theo bảng trên, các trạng thái chuyển mạch có thể được tính là 34 (81) trạng thái. Điện áp Jk+2 < Jmin ? No phía AC của biến tần có thể được biểu thị độc Yes lập với dòng trung tính của tải như (2). Chọn trạng thái đóng cắt tối ưu Sxj = Sxj(k) và Jmin = Jk+2 van  ia  ia   v   R i   L d i  (2) No K = 81 ?  bn  eq  b  eq dt   b Yes  vcn     ic     ic    Thực hiện đóng mở van Sk Ở đây:  R f  Rn  Ra 0 0  Hình 4. Thuật toán của FCS-MPC cho NPC   Req   0 R f  Rn  Ra 0 ; Hàm mục tiêu được xác định có hai mục   0 0 R f  Rn  Ra   tiêu: giảm thiểu sai số giữa dòng tải dự báo ik+2  L f  Ln Ln Ln  và giá trị đặt của nó tại thời điểm k+2 (i*k+2);   và cân bằng điện áp của tụ điện DC-link. Hai Leq   Ln L f  Ln Ln  mục tiêu này được thể hiện dưới dạng (15).  Ln Ln L f  Ln    J ix 2  i* k  2  ix  ; k k 2 J vc 2  dc vc1 2  vc 2 2  (3) k k k 2 FCS-MPC được đề xuất cho NPC để điều x    chỉnh dòng tải và cân bằng điện áp của tụ Ở đây: x = a,b,c; λdc là trọng số và được điều điện. Ưu điểm của phương pháp này là không chỉnh theo hiệu suất mong muốn. Từ (3), có cần sử dụng bộ điều khiển PI và khâu điều thể suy ra hàm mục tiêu của hệ thống như (4). chế. Khi tiếp tục dự đoán ở bước 2 (N=2), số J k  2  J ix 2  J vc 2 k k (4) 280
Tuyển tập Hội nghị Khoa học thường niên năm 2024. ISBN: 978-604-82-8175-5 Dòng điện tải dự báo tại k+2 như (5). 295 285 vC1 ia  2  k ia 1  k van  k 275 Voltage (V) 265 vC2  k 2   k 1   k  255  P ib   (5) 245 ib  H  vbn  235 11.2 11.3 11.4 11.5  k 2   k 1   k  Times (s) ic    ic     vcn    Hình 7. Điện áp trên tụ C1 và C2 phía DC-link Mô hình dự báo điện áp tụ tại k+2 như (6). Hình 6 chứng minh rằng điện áp đầu ra có  k 2 k 1 Ts k  2 vc1  vc1  C idc1 dạng năm mức và ổn định ở cả 3 pha. Điện áp  1 trên tụ vc1 và vc2 như hình 7 luôn giữ giá trị  (6) v k  2  v k 1  Ts i k  2 định mức 275V, tương ứng với một nửa điện  c2  c2 C2 dc 2 áp. DC-bus VDC, biên độ dao động không quá 5%, đây là phạm vi chấp nhận được. 3. KẾT QUẢ MÔ PHỎNG 400 ia ib ib_ref 300 200 Bảng 2. Thông số động cơ IPM 100 Current (A) 0 ‐100 ‐200 Thông số Kí hiệu Giá trị Đơn vị ‐300 ‐400 ia_ref ic ic_ref Điện trở Stator Rs 6.5e-3 Ohm 11.2 11.25 Times (s) 11.3 Momen quán tính J 0.09 kg.m2 Hình 8. Dòng điện ba pha trên tải thay đổi Số cặp cực pp 4 Điện áp DC Vdc 550 V Khi thử nghiệm, dòng tải được đặt trong dải định mức là 300A. Để khảo sát đáp ứng tức Bảng 3. Thông số ô tô điện và môi trường thời của dòng tải, quá trình thay đổi giá trị tải Thông số Giá trị Đơn vị tương ứng với dòng tải được đánh giá như hình Trọng lượng xe và tải 2018 kg 8. Kết quả cho thấy bộ điều khiển dự đoán đáp Bán kính bánh xe 0.3 m ứng nhanh với dòng tải thay đổi. Với sự thay Tốc độ tối đa 130 km/h đổi tải và bù lỗi, giá trị điện áp trên tụ điện Diện tích xe 2.3 m2 không dao động trong khoảng thời gian này. Mật độ không khí 1.25 kg/m3 4. KẾT LUẬN Hệ số lực cản lăn 0.02 Bài báo này đề xuất chiến lược điều khiển Các thông số mô phỏng của xe điện được FCS-MPC với phạm vi dự đoán hai bước để trình bày trong bảng 2 và bảng 3. Các điều điều khiển biến tần NPC áp dụng điều khiển kiện thử nghiệm dựa trên chu trình đô thị tiêu động cơ. Quá trình điều khiển FCS-MPC cho chuẩn của Châu Âu ECE. 2 bước đã rút gọn quá trình tính toán bộ điều khiển, giảm tần số chuyển mạch van xuống 4500 4000 3500 3000 mức chấp nhận được. Kết quả thuật toán được Speed (rpm) 2500 2000 1500 1000 đánh giá bằng hàm chi phí ở giá trị nhỏ nhất 500 0 ‐500 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 Times (s) Hình 5. Phản hồi tốc độ tương ứng với giá trị dòng điện tải có dạng sin và điện áp của tụ DC-Link được cân bằng. Hình 5 thể hiện đáp ứng của đường cong Phương pháp đề xuất của bài báo là một giải tốc độ đặt dựa trên chu trình đô thị tiêu chuẩn pháp tốt để điều khiển hoạt động của ô tô điện. của ECE Châu Âu trùng khớp với đường cong tốc độ thực tế với ba chế độ vận hành: 5. TÀI LIỆU THAM KHẢO Tăng tốc, giữ và phanh. [1] C. Laoufi, Z. Sadoune, “New model of electric traction drive based sliding mode 600 Phase A 300 0 ‐300 ‐600 controller in field-oriented control of 600 Phase B Voltage (V) 300 0 ‐300 ‐600 induction motor,” International Journal of 600 Phase C 300 0 ‐300 ‐600 Power Electronics and Drive System, Vol. 11.2 11.3 11.4 11.5 Times (s) Hình 6. Giá trị điện áp đầu ra của NPC 11, No. 1, March 2020, pp. 242~250. 281