Tóm tắt Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa: Nghiên cứu điều khiển hệ truyền động biến tần đa mức có tính đến sự cố van bán dẫn

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:28

Thêm vào BST

Báo xấu

8
lượt xem 4
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Luận án nghiên cứu, đề xuất phương pháp điều chế vector không gian được thực hiện một cách thống nhất áp dụng cho CHB – MLI kể cả trong trường hợp lỗi hở mạch van bán dẫn; thuật toán điều khiển dự báo dòng điện FCS – MPC cho CHB – MLI cấp nguồn hệ truyền động không đồng bộ ba pha.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Tóm tắt Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa: Nghiên cứu điều khiển hệ truyền động biến tần đa mức có tính đến sự cố van bán dẫn

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI MAI VĂN CHUNG NGHIÊN CỨU ĐIỀU KHIỂN HỆ TRUYỀN ĐỘNG BIẾN TẦN ĐA MỨC CÓ TÍNH ĐẾN SỰ CỐ VAN BÁN DẪN Ngành: Kỹ thuật điều khiển và Tự động hóa Mã số: 9520216 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ DỘNG HÓA Hà Nội – 2021
Công trình được hoàn thành tại: Trường Đại học Bách khoa Hà Nội Người hướng dẫn khoa học: 1. TS. Vũ Hoàng Phương 2. PGS. TS. Nguyễn Văn Liễn Phản biện 1: Phản biện 2: Phản biện 3: Luận án được bảo vệ trước Hội đồng đánh giá luận án tiến sĩ cấp Trường họp tại Trường Đại học Bách khoa Hà Nội Vào hồi …….. giờ, ngày ….. tháng ….. năm ……… Có thể tìm hiểu luận án tại thư viện: 1. Thư viện Tạ Quang Bửu - Trường ĐHBK Hà Nội 2. Thư viện Quốc gia Việt Nam
MỞ ĐẦU Tính cấp thiết của đề tài Hiện nay, hệ thống truyền động trung áp ngày càng phổ biến trong công nghiệp. Qua cấu trúc điều khiển này nhận thấy rằng bộ biến tần đa mức và các mạch vòng điều khiển là những khâu quan trọng để đảm bảo chất lượng hệ truyền động điện công suất lớn và điện áp cao. Tuy nhiên, biến tần đa mức yêu cầu khối lượng lớn, phức tạp và mất nhiều thời gian xây dựng phần cứng và mềm. Bên cạnh đó, với việc tăng số mức, khả năng lỗi một hoặc nhiều van bán dẫn hoàn toàn có thể xảy ra, dẫn đến hệ thống sẽ dừng đột ngột hoặc làm việc trong điều kiện mất cân bằng gây nguy hiểm cho hệ thống. Do đó, việc thiết kế thuật toán điều chế vector không gian thực hiện một cách thống nhất áp dụng cho nghịch lưu với số mức mong muốn kể cả trong trường hợp lỗi van bán dẫn là rất quan trọng và cần phải giải quyết trong thực tế. Phương pháp điều khiển dự báo (FCS – MPC) cho nghịch lưu đa mức đang là xu hướng nhờ các ưu điểm: khái niệm trực quan, thiết kế đơn giản, điều khiển được đa mục tiêu, không phân biệt về điều chế và điều khiển…Do đó MPC cho phép giải quyết triệt để vấn đề còn tồn tại của điều chế vector không gian, như tối ưu tần số đóng cắt và triệt tiêu điện áp common mode không thể thực hiện cùng một thời điểm. Đồng thời để tăng độ tin cậy cho những đề xuất giải quyết trên trong việc điều khiển nghịch lưu đa mức có xét đến trường hợp sự cố van bán dẫn, thì việc đưa các kết quả nghiên cứu này vào ứng dụng cụ thể nào đó chẳng hạn như hệ truyền động trung áp, động cơ công suất lớn… là thực sự có ý nghĩa trong nghiên cứu lý thuyết cũng như thực tiễn. Việc nghiên cứu này sẽ giúp cho các kỹ sư thiết kế, vận hành hệ truyền động trung áp động cơ được cấp nguồn bởi nghịch lưu đa mức có xét đến trường hợp sự cố trở nên đơn giản hơn. 1
Đối tượng nghiên cứu Biến tần đa mức cấu trúc cầu H nối tầng cấp nguồn cho hệ truyền động KĐB trung thế Mục tiêu của đề tài Luận án nghiên cứu, đề xuất phương pháp điều chế vector không gian được thực hiện một cách thống nhất áp dụng cho CHB – MLI kể cả trong trường hợp lỗi hở mạch van bán dẫn; thuật toán điều khiển dự báo dòng điện FCS – MPC cho CHB – MLI cấp nguồn hệ truyền động không đồng bộ ba pha. Với hàm mục tiêu được bổ sung thanh phần triệt tiêu điện áp common mode và tối ưu dóng cắt van, thời gian tính toán là nhỏ nhất. Phạm vi nghiên cứu Cấu trúc và phương pháp điều chế SVM cho biến tần mức điện áp mong muốn; Thuật toán phát hiện, xử lí lỗi mạch lực CHB – MLI; Phương pháp điều khiển dự báo dòng điện FCS – MPC cho CHB – MLI. Phương pháp nghiên cứu Tổng hợp, phân tích, đánh giá các cấu trúc, phương pháp điều chế SVM cho biến tần đa mức. Từ đó sẽ đề xuất phương pháp điều chế SVM tổng quát hóa trong cả điều kiện bị lỗi van bán dẫn công suất; Nghiên cứu, thiết kế bộ điều khiển mô-men theo phương pháp dự báo FCS-MPC; Thực hiện mô phỏng Matlab/Simulink; Thực hiện kiếm chứng tính đúng đắn lý thuyết bằng thực nghiệm. Ý nghĩa của đề tài: Ý nghĩa khoa học: đơn giản hóa trong cách triển khai và dễ dàng thực hiện tới mức mong muốn kể cả trong trường hợp lỗi van bán dẫn. Bộ điều khiển dự báo dòng điện đề xuất có khả năng triệt tiêu điện áp common mode, tối ưu tần số chuyển mạch van bán đẫn, làm việc trong trường hợp van bán dẫn bình thường, hoặc có lỗi. Ý nghĩa thực tiễn: Với đóng góp của luận án giúp cho việc ứng dụng của biến tần đa mức trong thực tế trở nên đơn giản, an toàn. 2
Dự kiến kết quả đạt được - Tổng quát hóa điều chế SVM cho CHB – MLI kể cả trong trường hợp có lỗi van bán dẫn - Bộ điều khiển dự báo dòng năng triệt tiêu điện áp common mode, tối ưu tần số đóng cắt van bán dẫn, giảm khối lượng tính toán. - Xây dựng mô hình thực nghiệm nghịch lưu 11 mức cấu. Bố cục luận án Toàn bộ quyển luận án được chia thành bốn, Chương 1 Tổng quan nghịch lưu đa mức cấu trúc cầu H nối tầng ứng dụng cho hệ truyền động không đồng bộ; Chương 2 Điều khiển nghịch lưu đa mức cầu H nối tầng dựa trên điều chế vector không gian. Chương 3 Ứng dụng điều khiển dự báo cho mạch vòng dòng điện cho nghịch lưu đa mức cầu H nối tầng. Chương 4 Thực nghiệm. Chương 1. Tổng quan nghịch lưu đa mức cấu trúc cầu H nối tầng ứng dụng cho hệ truyền động không đồng bộ. 1.1. Biến tần đa mức cấu trúc cầu H nối tầng Cấu trúc nghịch lưu đa mức cầu H nối tầng như sau: Tải A VDC1 B Z C Lưới điện VDC 2 ~ VDC 5 N Máy biến áp Pha A Pha B Pha C Hình 1.4. Sơ đồ cấu trúc hệ thống nghịch lưu ba pha đa mức cầu H nối tầng. 1.2. Phương pháp điều khiển mạch vòng dòng điện 1.2.1 Tổng quan các phương pháp thiết kế mạch vòng dòng 3
điện Hiện nay, FOC vẫn được coi là phương pháp điều khiển tiêu chuẩn trong công nghiệp. Theo nguyên lý điều khiển FOC với 2 mạch vòng điều chỉnh, mạch vòng ngoài là tốc độ và từ thông, mạch vòng trong là dòng điện. Do đó, phương pháp đã tách được 2 thành phần điều khiển từ thông và momen. Mạch vòng dòng điện có đặc điểm phi tuyến, xen kênh và đóng vai trò quan trọng về quá trình từ hóa và điều khiển mô-men động cơ. Chính vì vậy, bộ điều khiển dòng điện đảm bảo các tiêu chí yêu cầu bằng các phương pháp điều khiển như sau: các phương pháp điều khiển tuyến tính, các phương pháp điều khiển phi tuyến 1.1.2. Phương pháp điều chế Phương pháp điều chế vector không gian SVM có những ưu điểm ở khả năng linh hoạt hơn nhiều so với PWM dựa trên sóng mang. SVM có khả năng tạo ra quỹ đạo vector mong muốn có dạng bất kỳ nhờ lựa chọn các vector trạng thái và các thời gian phù hợp trong một chu kỳ điều chế. Bên cạnh đó, phương pháp điều chế SVM cũng cho phép tạo ra những mẫu xung để BBĐ có thể làm việc được trong cả trường hợp lỗi van công suất và giảm được những ảnh hưởng tiêu cực do lỗi gây ra. Yêu cầu khối lượng tính toán cao được coi là nhược điểm chính của SVM: m 1 N vectors chuan  1  6 i; N vectors trangthai  m3 (1. 1) i 1 Do đó, cần đơn giản hóa điều chế SVM là vấn đề thực tiễn đặt ra. Đã có khá nhiều nghiên cứu về vấn đền đơn giản hóa điều chế SVM cho CHB - MLI. Đã có các thuật toán nhằm đơn giản hóa điêu chế SVM cho CHB – MLI ở mức cao như: chuyển sang hệ tọa độ 600, 1200 yêu cầu tính toán hàm lượng giác phức tạp với khối lượng tính toán lớn; xây dựng tập hợp các hình lục giác lồng nhau để tìm ra vector trạng thái, phương pháp này tính toán phức tạp, khối lượng tính toán sẽ rất lớn khi mức cao. Vì vậy, nghiên cứu này sẽ đề xuất phương pháp để đơn giản hóa điều chế SVM 4
1.2.2. Phát hiện và xử lý của biến tần khi xảy ra lỗi van công suất Với việc tăng số mức, khả năng xảy ra lỗi một hoặc nhiều van bán dẫn hoàn toàn có thể xảy ra. Thông thường thiết bị bảo vệ sẽ tác động để ngắt biến tần ra khỏi lưới điện nếu bị lỗi, dẫn đến động cơ dừng làm việc. Việc dừng đột ngột động cơ trong thực tế đôi khi có thể gây ra sự cố nghiêm trọng, ví dụ như hiện tượng búa nước trong hệ thống bơm cột áp cao. Mặt khác, nếu tiếp tục làm việc trong điều kiện lỗi có thể dẫn đến điện áp đầu ra mất cân bằng gây nguy hiểm cho động cơ nếu chạy liên tục trong một thời gian dài. Do đó, kỹ thuật xử lý trong điều kiện xảy ra lỗi để duy trì hoạt động chủ động của biến tần là rất quan trọng. Để đạt được điều đó, cần thực hiện 2 việc: (1) phát hiện vị trí có lỗi; (2) cấu hình lại biến tần và thay đổi thuật toán điều chế. Luận án đề xuất thuật toán phát hiện lỗi van bán dẫn và xử lý hệ thống khi có lỗi hở mạch van. 1.2.3. Phương pháp điều khiển dự báo dòng điện * Phương pháp điều khiển dự báo (MPC): Việc không có khâu điều chế giúp cho đáp ứng động học nhanh hơn. Tuy nhiên, các bài tóa về tối ưu đóng cắt và giảm điện áp common mode là chưa được thực. Bên cạnh đó hạn chế của phương pháp điều khiển MPC là yêu cầu khả năng tính toán lớn của bộ điều khiển. Đặc biệt, khi hệ truyền động được cấp nguồn bởi biến tần đa mức thì số lượng vector điện áp tăng nhanh theo số mức. Đã có đề xuất phương pháp sử dụng 7 vector điện áp không gian liền kề giảm khối lượng tính toán. Tuy nhiên, việc giảm các lựa chọn vector điện áp của hàm mục tiêu sẽ làm ảnh hưởng đến chất lượng bộ điều khiển đặc biệt là quá trình quá độ, bên cạnh đó với hàm đa mục tiêu bao gồm sai lệch dòng điện stator, tối ưu common mode, tối ưu đóng cắt các phương pháp đề xuất là khó khả thi và sẽ làm cho chất lượng hệ truyền động giảm xuống. Do đó, các phương pháp trên mới thử nghiệm với hàm mục tiêu không có trọng số. Nghiên cứu sẽ đề 5
xuất bộ điều khiển dự báo dòng điện triệt điêu điện áp common mode, tối ưu đóng cắt. 1.2.4. Phát hiện và xử lý lỗi của nghịch lưu đa mức khi xảy ra lỗi van công suất Với việc tăng số mức, khả năng xảy ra lỗi một hoặc nhiều van bán dẫn hoàn toàn có thể xảy ra. Thông thường thiết bị bảo vệ sẽ tác động để ngắt nghịch lưu ra khỏi lưới điện nếu bị lỗi, dẫn đến động cơ dừng làm việc. Việc dừng đột ngột động cơ trong thực tế đôi khi có thể gây ra sự cố nghiêm trọng, ví dụ như hiện tượng búa nước trong hệ thống bơm cột áp cao. Mặt khác, nếu tiếp tục làm việc trong điều kiện lỗi có thể dẫn đến điện áp đầu ra mất cân bằng gây nguy hiểm cho động cơ nếu chạy liên tục trong một thời gian dài. Do đó, kỹ thuật xử lý trong điều kiện xảy ra lỗi để duy trì hoạt động chủ động của nghịch lưu là rất quan trọng. Để đạt được điều đó, cần thực hiện 2 việc: (1) phát hiện vị trí có lỗi; (2) cấu hình lại nghịch lưu và thay đổi thuật toán điều chế. 1.2.3. Định hướng nghiên cứu và dự kiến đóng góp của luận án Luận án tập trung nghiên cứu về phương pháp điều chế cho biến tần đa mức cấu trúc cầu H nối tầng có xét đến lỗi van bán dẫn; phát hiện và xử lý biến tần khi xảy ra lỗi của van bán dẫn; thiết kế bộ điều kiện dự báo cho biến tần đa mức với các kết quả và dự kiến đóng góp cho luận án cụ thể như sau: Đề xuất phương pháp điều chế vector không gian được thực hiện một cách thống nhất áp ụng cho CHB – MLI với số mức mong muốn kể cả trong trường hợp lỗi hở mạch van bán dẫn; Đề xuất thuật toán thuật toán điều khiển dự báo dòng điện triệt tiêu điện áp common mode và tối ưu dóng cắt van, thời gian tính toán là nhỏ nhất; 1.4. Kết luận Chương 1 đã trình bày tổng quan về cấu trúc của biến tần đa mức, trên cơ sở phân tích các vấn đề nghiên cứu về biến tần đa mức cấu trúc cầu H nối tầng về phương pháp điều chế, phát 6
hiện và xử lí lỗi cho biến tần khi xảy ra lỗi van, các phương pháp điều khiển dòng điện trong hệ truyền động FOC – IM để chỉ ra được các vấn đề còn tồn tại. Qua đó, luận án đề xuất cách giải quyết vấn đề còn tồn tại. Chương 2. Điều khiển nghịch lưu đa mức cầu H nối tầng dựa trên điều chế vector không gian 2.1. Điều khiển nghịch lưu đa mức cầu H nối tầng theo nguyên lý FOC có xét đến tình huống sự cố hở van bán dẫn 2.1.1. Cấu trúc của hệ truyền động Cấu trúc điều khiển biến tần đa mức cầu H nối tầng có xét đến tình huống sự cố van bán dẫn, cấp nguồn cho hệ truyền động không đồng bộ theo nguyên lý FOC thể hiện như Hình 2. 1 Vout Phát hiện lỗi lỗi KHcell IM ѱrd * * isd lỗi Rѱ u*sd αβ u*sα SVM cải E ω* ωmax * * * usβ tiến ω* isq usq dq lỗi new Rω RI { ω CHB - MLI -ωmax isq isα dq αβ MHTT isd isβ αβ abc isabc Hình 2. 1. Cấu trúc điều khiển FOC cho IM cấp nguồn bởi nghịch lưu đa mức có xét đến tình huống sự cố hở mạch van bán dẫn 2.1.2. Trường hợp lỗi van bán dẫn Như vậy với điện áp tối đa mà nghịch lưu có thể điều chế ở (2.33) thì tốc độ tối đa mà động cơ có thể đạt được đối với tải quạt gió ( mC ~  ) 2 U S max max   N (2.7) U SN 7
Với U SN , N là biên độ điện áp trên pha stator và tốc độ động cơ khi làm việc ở chế độ định mức, U S max là biên độ điện áp trên pha tối đa mà nghịch lưu có khả năng điều chế. 2.2. Phương pháp phát hiện sự cố hở mạch van bán dẫn Để tiếp tục vận hành nghịch lưu đa mức cầu H nối tầng như Hình 2.2 khi có sự cố hở mạch van, cần thực hiện: phát hiện ra vị trí có lỗi; loại bỏ cầu H hỏi hệ thống; sử dụng phương pháp điều chế SVM cải tiến trong trường hợp lỗi. Trong nội dung này sẽ trình bày về phương pháp phát hiện nhanh cầu H bị lỗi. A HAn Z B C Phase A HA2 Phase C Phase B Vdc Vout HA1 N Hình 2.2. Cấu trúc cơ bản của CHB-MLI Phương pháp phát hiện lỗi đề xuất sẽ phát hiện vị trí có lỗi dựa trên sự bất thường của điện áp đầu ra ở cầu H. Điện áp đầu ra của cầu H được đo về, chuẩn hóa rồi so sánh với tín hiệu điều khiển tương ứng của cầu đó. Hai tín hiệu này sẽ được quan sát, khi có sai lệch bất thường vượt qua những điều kiện cho trước, cầu H bị coi là có lỗi và cần loại bỏ khỏi hệ thống để duy trì tính ổn định. Phương pháp phát hiện lỗi được thể hiện ở Hình2. 3 8
standardized timer 1 Vout_cellx -TH reset T2 TH -1 Fault signal >CT2 Vc_cellx yes yes reset KHcellx XOR T1 >CT1 error=1 Hình 2.3. Sơ đồ thuật toán phương pháp phát hiện 2.3. Tổng quát hóa điều chế vector không gian cho cho nghịch lưu đa mức cấu trúc cầu H nối tầng có xét đến tình huống lỗi van bán dẫn 2.3.1. Tổng quát hóa phương pháp điều chế SVM Tìm Xác định pi kAN, kBN, kCN u*AZ , uBZ , uCZ vector * * Trật tự chuyển Tìm mức trạng Tín hiệu đóng v* vị trí Sector mạch và hệ số thái các vector cắt các van bán điện vector D ti điều chế chuẩn dẫn áp đặt điện áp đặt a)Phương pháp điều chế SVM tổng quát thông thường Tìm Tìm Xác định pi kAN, kBN, kCN u* , uBZ , uCZ vector v* vector vnew vị trí Sector Trật tự chuyển AZ * * * Tìm mức trạng Tín hiệu đóng mạch và hệ số thái không lỗi và cắt các van bán điện điện áp vector D ti điều chế có CMV nhỏ nhất dẫn áp đặt đặt mới điện áp đặt b) Phương pháp điều chế SVM tổng quát khi xét tới lỗi. Hình 2.6. Sơ đồ khối các bước triển khai phương pháp SVM Các bước triển khai phương pháp SVM tổng quát thông thường như sau: Từ điện áp 3 pha mong muốn u* ; uBZ ; uCZ , xác định AZ * * vector điện áp đặt v* ; Xác định vị trí v* , bao gồm xác định sector và 3 vector chuẩn; Xác định trật tự sử dụng và hệ số điều chế 3 vector chuẩn; Xác định mức trạng thái của vector chuẩn; Tạo tín hiệu đóng, ngắt đến các van bán dẫn 2.3.2. Cấu hình lại biến tần và ảnh hưởng không gian vector điện áp khi có tình huống sự cố hở mạch van bán dẫn Biến tần được cấu hình lại khi xảy ra lỗi thể hiện trên Hình 9
Contactor tắt khi không lỗi HAn HA2 Contactor bật khi có lỗi HA1 Hình 2.19. Cấu hình cầu H có thêm contactor ở đầu ra Ảnh hưởng của lỗi tới không gian vector Bảng 2.6 Vị trí của các vector không gian bị ảnh hưởng bởi các cầu H bị lỗi. Pha có Sector bị ảnh hưởng cầu lỗi I II III IV V VI Pha A Có 0 Có Có 0 Có Pha B 0 Có Có 0 Có Có Pha C Có Có 0 Có Có 0 Vị trí của các vector không gian bị lỗi gây ra bởi các cầu H bị hỏng được tóm tắt ở Bảng 2.6. Khi một cầu H trong pha A gặp sự cố sẽ dẫn đến một số vector chuẩn ở sector I, III, IV và VI bị ảnh hưởng, nhưng nó không ảnh hưởng đến các vector chuẩn ở sector II và V. 2.3.3. Những thay đổi của thuật toán điều chế SVM cho nghịch lưu đa mức cầu H nối tầng có xét đến sự cố hở mạch van bán dẫn. Tìm vector điện áp đặt mới. 1 v 'max  Vdc (m  1  emax ) (2.41) 3 Trong đó: m là số mức của biến tần Xác định trạng thái không lỗi và có CMV nhỏ nhất của vector chuẩn. 10
k AN  kBN  kCN 3k  2k x  k y kCMV   (2.44) 3 3 Từ kx; ky đã tính toán trước, ta dễ dàng tìm được giá trị k thoản mãn (2.36), đồng thời làm cho CMV nhận giá trị nhỏ nhất. 2.4. Kết quả mô phỏng và đánh giá các thuật toán đề xuất Kết quả mô phỏng phát hiện và xử lý lỗi cho thấy phát hiện vị trí sự cố đảm bảo yêu cầu: chính xác; nhanh (1ms) Bình thường Lỗi Phát hiện lỗi 1 0 -1 1 0 -1 40 T2 30 20 10 T1 0 1 0.5 1ms Fault signal 0 0.099 0.1 0.101 0.102 0.103 Hình 2.28. Dạng tín hiệu Vc_cellHA3 , KHcellHA3 , T1, T2, fault signal của cầu HA3 trong trường hợp lỗi hở mạch. * Kết quả mô phỏng thuật toán xử lí lỗi. Sau thời điểm 0.2s, van S3 của các cầu HB1, HB3 và HB5 bị hở mạch. Điện áp cực đại mà CHB-MLI có thể tạo ra giảm xuống, điện áp đầu ra giảm còn 138V. Mức điện áp pha B giảm còn 2 vì 3 cầu H của pha này bị lỗi. Điện áp CMV trong 2 trường hợp có lỗi sẽ tăng lên do các trạng thái làm CMV nhỏ nhất bị lỗi nên không thể sử dụng. Kết quả mô phỏng về tốc độ khi xảy ra lỗi 11
Tốc độ được giới hạn thông qua giới hạn của điện áp. Từ đó, hệ truyền động có thể duy trì hoạt động hoặc dừng chủ động hệ thống. Không lỗi Có lỗi Có lỗi HA3, HB1, BH3, BH5 HA3 bị lỗi bị lỗi 200 nghịch lưu [V] Điện áp pha 100 0 -100 -200 0.05 0.1 a) 0.15 0.2 0.25 200 100 Điện áp pha trên tải [V] 0 -100 -200 0.05 0.1 b) 0.15 0.2 0.25 6 4 qua tải [A] Dòng điện 2 0 -2 -4 -6 c) common-mode [V] 50 Điện áp 0 -50 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 Pha A Pha B Pha C d) Hình 2.30. Dạng sóng a) điện áp pha nghịch lưu b) điện áp pha trên tải c) dòng điện qua tải d) CMV của hệ thống khi áp dụng thuật toán SVM thông thường (I), cải tiến (II) 2.5. Kết luận chương 2 Thuật tóan khái quát hóa điều chế tổng quát hóa vector không gian cho CHB – MLI kể cả trong trường hợp lỗi van bán dẫn đã đạt được mục tiêu đề ra: Điều chế đến mức mong muốn yêu cầu nhập vào là số mức, phát hiện lỗi chính xác sau 1 ms, mức độ sụt giảm điện áp, tốc độ là nhỏ nhất khi có lỗi van. Chương 3. Ứng dụng điều khiển dự báo cho mạch vòng dòng điện cho nghịch lưu đa mức cầu H nối tầng 3.1. Thiết kế bộ điều khiển dự báo dòng điện cho nghịch lưu đa mức cầu H nối tầng cấp nguồn cho hệ truyền động không đồng bộ. 12
Trong nghiên cứu này, luận án sẽ đề xuất hàm mục tiêu có bổ sung thành phần triệt tiêu điện áp common mode, tối ưu đóng cắt van bán dẫn và giảm khối lượng tính toán của hàm mục tiêu được trình bày cụ thể ở phần dưới đây. Vi điều khiển Vout lỗi Phát hiện lỗi BĐK từ thông IM PI ab KHcell Bộ điều khiển dự báo _ E dq BĐK tốc độ { Tối thiểu PI Bảng hóa hàm trạng thái mục tiêu đóng cắt lỗi _ KHcell và xử lí lỗi Mô hình dự báo dòng stator CBH - MLI Mô hình ab Trích từ thông rotor abc mẫu Trích mẫu Hình 3. 1. Cấu trúc điều khiển dự báo MPC cho nghịch lưu đa mức cầu H nối tầng cấp nguồn hệ truyền động không đồng bộ 3.2. Đề xuất hàm mục tiêu bổ sung thành phần triệt tiêu điện áp common mode và tối ưu đóng cắt cho nghịch lưu đa mức cấu trúc cầu H nối tầng 3.3.1. Tối ưu điện áp common-mode Để xử lý vấn đề tối ưu điện áp common-mode, cần phải bổ sung thêm thành phần trong hàm mục tiêu của bộ điều khiển dự báo. Thành phần này được biểu diễn trong phương trình (3.12) vZN  k  g1  3.12 Vdc Trong đó, vZN  k  là điện áp common-mode tại thời điểm thứ k. 3.3.2. Tối ưu số lần đóng cắt van bán dẫn Véc tơ được chọn có thể là bất kì véc tơ nào, miễn là thỏa mãn hàm mục tiêu. Do đó, số lần đóng cắt của van bán dẫn có thể rất lớn. Điều này làm tăng tổn hao trên hệ thống do việc đóng cắt van gây ra. Để kiểm soát số lần đóng cắt của van, một thành 13
phần mới sẽ được thêm vào hàm mục tiêu. Thành phần này được mô tả trong phương trình (3.7) g 2  S A  k   S A  k  1  S B  k   S B  k  1  SC  k   SC  k  1 (3.13) Phương trình (3.7) có bản chất là độ thay đổi mức mỗi pha giữa hai lần trích mẫu. Để thành phần tối ưu số lần đóng cắt làm việc hiệu quả, tương ứng với mỗi mức điện áp pha, cần giữ cố định cách lựa chọn số lượng cầu H tham gia điều chế cũng như cách lựa chọn van đóng cắt. 3.3.3. Giảm thiểu khối lượng tính toán hàm mục tiêu V97 V66 V96 V41 V65 V95 V22 V40 V64 V94 V9 V21 V39 V63 V93 V2 V8 V20 V38 V62 V92 V0 V1 V7 V19 V37 V61 V91 Hinh 3.5. Minh họa một tập hợp 19 véc tơ. Với phương án thực hiện như vậy, hàm mục tiêu chỉ được thực hiện 19 lần trong mỗi chu kì trích mẫu, giảm được một lượng lớn so với khi xét đến toàn bộ các véc tơ. Con số này sẽ không đổi cho dù số mức của bộ nghịch lưu không phải 11 mức mà nhiều mức hoặc ít mức hơn 3.3.4. Hàm mục tiêu của thuật toán MPC cải tiến Nghiên cứu này đề xuất hàm mục tiêu cho phương pháp điều khiển MPC như sau: g  g0  cm g1  sw g2 (3.15) 14
Trong đó: cm là trọng số của tối ưu điện áp common mode. sw là trọng số của tối ưu đóng cắt. Vi điều khiển BĐK từ thông Bộ điều khiển dự báo PI *  rd  k  * isd  k  dq cm Tối ưu điện áp Nghịch lưu CHB Động cơ _ common-mode isq  k  *  rd  k  / (3.7) ab IM BĐK tốc độ Tối thiểu hóa V  k  S k  Bảng sw Tối ưu  k  * PI đóng cắt hàm mục tiêu trạng thái E đóng cắt { (3.8) (3.9) _ s k  is*ab  k  (Bảng 3.1)  k  Tối ưu sai lệch  r/ab  k  dòng điện Mô hình isab  k  1 (3.5) dự báo dòng stator isab  k  (3.2) iabc  Mô hình isab  k  ab isabc  k  Trích từ thông rotor abc mẫu (3.3)  k  Trích mẫu Hình 3.5. Cấu trúc điều khiển của thuật toán MPC cải tiến cho hệ thống nghịch lưu đa mức nối tải động cơ. 3.4. Mô phỏng kiểm chứng Hình 3.12. Dạng dòng điện trên pha A. HÌnh 3.13. Dạng điện áp common-mode. 15
(a) (b) HÌnh 3.16. Dạng điện áp trên pha A trước (a) và sau (b) khi tối ưu đóng cắt. - Dòng điện thực bám sát giá trị dòng điện đặt - Giảm 43,6% số lượt chuyển mức - Trong khoảng 2s đến 2,5s khi có lỗi đồng thời HA1, HA3, HB1 điện áp có thể tạo ra của biến tần nhỏ hơn điện áp định mức của động cơ, do đó điện áp đã được giới hạn và nhỏ xuống tương đương tốc độ làm việc dưới định mức. Hình 3.28. Đáp ứng tốc độ với phương pháp điều khiển dư báo dòng điện trong điều kiện lỗi vãn công suất 3.6. Kết luận chương 3 phương pháp điều khiển đã đảm bảo đồng thời các mục tiêu về: tối ưu dòng điện điều khiển; triệt tiêu thành công điện áp common mode; giảm số lượt chuyển mức của pha 43,6% so với điều kiện không có trọng số giảm số lần đóng cắt; chỉ thực hiện 19 lượt tính toán của hàm mục tiêu với mức bất kỳ của CHB – MLI. 16
Chương 4. Xây dựng hệ thống thực nghiệm 4.1. Thực nghiệm thuật toán tổng quát hóa điều chế SVM 4.1.1. Điều kiện thực nghiệm Cấu trúc hệ thống thực nghiệm nghịch lưu 11 cầu H nối tầng như hình dưới đây HÌnh 4.2. Hệ thống thực nghiệm nghịch lưu 11 mức cầu H nối tầng 4.1.2. Triển khai thuật toán trên FPGA Lưu đồ thuật toán triển khai thuật toán SVM trên FPGA thể hiện ở Hình 4.3 Time clock enable res et Vref Find Vref FPGA Spartan 6 V*new abc αβ vα, vβ Find position of V ref D, kx, ky, Sector Saw tooth mx, my Sector mx , my D, kx , ky Find duty cycles Find level sate kAN kBN kCN Ti kAN, kBN, kCN Find switching state Puls es to switch Hình 4.3. Sơ đồ khối thực hiện thuật toán triển khai điều chế SVM tổng quát trên FPGA 17
4.1.3. Kết quả thực nghiệm Dạng sóng điện áp trên pha có dạng 11 mức như mô phỏng được hiển thị trên oscilloscope trên hình Hình 4.4 Hình 4.4 Dạng sóng điện áp Hình 4.5 Dạng sóng điện áp pha 11 mức trên tải 4.2. Kết quả thực nghiệm thuật toán SVM cho CHB – MLI trong điều kiện lỗi. 4.2.1. Điều kiện thực nghiệm Để thực nghiệm thuật toán phát hiện sự cố hở mạch van và phương pháp SVM được đề xuất cho trường hợp lỗi, luận án sử dụng cấu trúc như Hình 4.10 Kit FPGA Laptop CHB-MLI 11 mức Oscilloscope Tải RL Hình 4.10 Hệ thống thực nghiệm CHB-MLI phát hiện và xử lí lỗi. 4.2.2. Triển khai thuật toán trên FPGA Lưu đồ thuật toán SVM phát hiện và xử lí lỗi thể hiện như hình 18