Mô hình hóa và điều khiển hệ truyền động sử dụng động cơ đồng bộ nhiều pha nam châm vĩnh cửu

Vũ Đức Tân, luận văn với đề tài “Mô hình hóa và điều khiển hệ truyền động sử dụng động cơ đồng bộ nhiều pha nam châm vĩnh cửu” đã được hoàn thành.. Thái Nguyên, ngày……tháng……năm 2023 Tá

Giới thiệu chung

Tóm tắt

Điện khí hóa giao thông vận tải được coi là một trong những giải pháp để giải quyết thiếu nguồn năng lượng hóa thạch và ô nhiễm không khí Truyền động điện cho xe điện, bao gồm cả xe điện thuần túy và xe hybrid, cần đáp ứng một số yêu cầu cụ thể từ thị trường ô tô như hiệu suất cao, công suất lớn và mật độ mô-men xoắn cao, chi phí thấp nhưng an toàn khi chạm vào, độ tin cậy chức năng cao, chất lượng mô- men xoắn cao và kiểm soát suy yếu từ thông Trong bối cảnh này, truyền động máy đồng bộ nam châm vĩnh cửu (PMSM) nhiều pha đã trở thành những ứng viên phù hợp đáp ứng các yêu cầu trên

Mục tiêu chính của luận văn này là đề xuất các phương pháp điều khiển chịu lỗi cho các truyền động PMSM nhiều pha không hình sin yêu cầu ít ràng buộc hơn đối với thiết kế của chúng Ngoài ra, các ràng buộc về dòng điện và điện áp được xác định bởi biến tần và máy được coi là tối ưu hóa việc điều khiển máy trong điều kiện không hình sin mà không cần vượt quá giới hạn cho phép của chúng Do đó, kích thước hệ thống được đảm bảo, đặc biệt là trong các hoạt động làm suy yếu từ thông Các chiến lược kiểm soát chịu lỗi được đề xuất, dựa trên mô hình toán học của bộ truyền động nhiều pha, làm phong phú thêm lĩnh vực điều khiển của bộ truyền động nhiều pha bằng cách cung cấp các tùy chọn điều khiển khác nhau Việc lựa chọn một trong các tùy chọn điều khiển được đề xuất có thể được sự đánh đổi giữa mô-men xoắn chất lượng cao nhưng giá trị trung bình thấp và mô-men xoắn trung bình cao nhưng gợn sóng tương đối cao Hiệu suất điều khiển và mô-men xoắn của các truyền động có thể được tinh chỉnh bằng cách sử dụng trí tuệ nhân tạo với một loại mạng thần kinh nhân tạo đơn giản có tên là ADALINE (ADAptive LInear NEuron) Với khả năng tự học, hội tụ nhanh và đơn giản, ADALINE có thể được áp dụng cho truyền động nhiều pha công nghiệp Tất cả các chiến lược kiểm soát được đề xuất trong luận văn này được xác nhận bằng truyền động PMSM năm pha thử nghiệm Suất điện động ngược không hình sin (EMF ngược) của PMSM năm pha thử nghiệm là phức

10 tạp với sự có mặt của đa sóng hài Kết quả thực nghiệm kiểm chứng tính hiệu quả của các chiến lược được đề xuất và khả năng ứng dụng của chúng trong một máy đa pha với suất điện động ngược không hình sin phức tạp

Ưu điểm của hệ truyền động nhiều pha

Vào những năm 1830, ý tưởng sử dụng máy điện để kéo các phương tiện, được gọi là Điện khí hóa Phương tiện (EVs), đã được giới thiệu Tuy nhiên, những hạn chế về chi phí sản xuất, số lượng và khối lượng của pin cản trở quá trình thương mại hóa của họ Trong những thập kỷ gần đây, các nguồn năng lượng hóa thạch đã và đang giảm mạnh, và ô nhiễm môi trường đang trở thành một vấn đề toàn cầu nghiêm trọng vấn đề Trong khi đó, chúng ta đã đạt được những cải tiến đáng kể về pin Vì vậy, từ những năm 1990, EV đã dần xuất hiện và trở thành một giải pháp thương mại hiệu quả để đối phó với các cuộc khủng hoảng năng lượng và môi trường EV có thể là sự kết hợp của một truyền động điện và động cơ nhiệt trong xe hybrid điện (HEV) hoặc xe điện thuần túy Xe điện thuần túy có thể là xe chạy bằng pin nhiên liệu (FCV) hoặc xe chạy bằng pin (BEV) BEV và FCV không phát thải có những hạn chế về chi phí sản xuất và công nghệ Trong khi đó, HEV với lượng khí thải thấp trở nên thú vị hơn trong ngành công nghiệp ô tô vì tốc độ lai hóa có thể được điều chỉnh [1]

Nói chung, EV là sự kết hợp phức tạp giữa kỹ thuật điện và ô tô Về kỹ thuật điện, truyền động điện đóng vai trò quan trọng trong hoạt động của xe điện Chúng thường bao gồm các máy điện, bộ chuyển đổi điện tử công suất, nguồn cung cấp năng lượng, các hệ thống điều khiển và các chiến lược quản lý năng lượng Các công nghệ truyền động điện áp dụng cho xe điện chủ yếu phụ thuộc vào các công nghệ máy điện:

DC, AC cảm ứng (IM) và AC đồng bộ Cần lưu ý rằng công nghệ DC không còn hấp dẫn do bảo trì yêu cầu và giới hạn cơ học Hiện nay máy đồng bộ nam châm vĩnh cửu (PMSM) được tìm thấy nhiều hơn trong HEV, trong đó các hạn chế về không gian là quan trọng Trong khi đó, IM và các máy điện đồng bộ kích từ một chiều, không có nam châm vĩnh cửu giá thành cao, nhiều hơn được quan sát thấy trong BEVs [2] Đã có một số yêu cầu chính đối với truyền động điện để đảm bảo hiệu suất cao chuyển đổi cơ điện của EV ở tốc độ thay đổi và mô-men xoắn thay đổi Những yêu cầu này sẽ được giải thích trong các đoạn sau như sau: a Hiệu suất cao

Truyền động điện cho EV được yêu cầu phải có hiệu suất cao để tiêu thụ năng lượng tối ưu Trên thực tế, việc sử dụng truyền động điện trên xe làm tăng hiệu suất

12 của hệ thống vì hiệu suất của máy điện cao hơn so với Động cơ đốt trong (ICE) Ngoài ra, truyền động điện có thể phục hồi năng lượng phanh tái tạo Tuy nhiên, ở thời điểm hiện tại, việc lưu trữ năng lượng điện cho EVs là một thách thức và do đó, hệ truyền động điện hiệu suất cao có thể tăng phạm vi lái xe hoặc giảm nhu cầu về dung lượng pin khổng lồ trong EVs Sử dụng PMSM có thể là một giải pháp [3] b Mật độ công suất cao

Mật độ công suất trên thể tích cao (kW/m 3 ) và mật độ mô-men xoắn công suất cao (Nm/m 3 ), được gọi chung là mật độ công suất cao, là tiêu chí quan trọng đối với truyền động điện của EV, đặc biệt là HEV Trong không gian hạn chế của xe điện, mật độ công suất lớn này có thể làm giảm kích thước của bộ điều khiển Mật độ mô- men xoắn công suất cao chủ yếu quan trọng ở tốc độ thấp để tăng tốc và leo dốc Trong khi đó, mật độ công suất cao rất quan trọng trong dải công suất không đổi của xe điện Những yêu cầu này có thể được đáp ứng bằng cách sử dụng PMSM với mật độ công suất cao hơn so với IM, máy đồng bộ kích thích DC và máy DC có cùng mô- men xoắn và công suất [1, 3-5]

Explain: động cơ càng nhỏ mà công suất cao thì càng tốt c Chi phí thấp nhưng an toàn khi chạm vào Để đáp ứng các tiêu chí thứ nhất và thứ hai về hiệu quả cao và mật độ khối lượng lớn, PMSM được coi là một ứng cử viên tiềm năng Tuy nhiên, việc sử dụng nam châm vĩnh cửu dẫn đến máy móc có chi phí cao, khiến PMSM kém thú vị hơn so với IM Đối với thị trường xe điện phổ thông, chi phí sản xuất thấp có thể đảm bảo giá xe điện phải chăng, khiến chúng trở nên hấp dẫn hơn đối với khách hàng Do đó, cần phải có sự cân đối giữa chi phí thấp, hiệu quả cao và mật độ khối lượng lớn

Bên cạnh tiêu chí giá rẻ, xe điện cần phải an toàn với con người Trong trường hợp này, tiêu chuẩn điện áp thấp (< 48V) có thể là một giải pháp cho giới hạn an toàn điện Truyền động điện áp thấp có thể tránh được điện giật cao áp cũng như các yêu cầu phức tạp đắt tiền đối với cách điện mạch và các thiết bị điện tử mạnh mẽ Do đó, chi phí bảo vệ giảm Ngoài ra, việc quản lý pin có thể dễ dàng hơn vì số lượng pin nối tiếp giảm xuống, tạo điều kiện phát hiện sự xuống cấp của pin thông qua các biến thể của điện áp pin Trong những năm gần đây, bộ điều khiển 48V đã thu hút đáng kể

13 sự chú ý của các nhà nghiên cứu EV [6-12] Tuy nhiên, với một công suất nhất định, dòng điện trong thanh cái DC và cuộn dây pha trong truyền động điện hạ áp rõ ràng là cao hơn nhiều so với truyền động thông thường, dẫn đến thách thức lớn đối với truyền động điện d Độ tin cậy chức năng cao Độ tin cậy chức năng cao là yếu tố quan trọng hàng đầu trong các hệ thống giao thông vận tải điện [13, 14] trong đó truyền động điện có khả năng chịu đựng các lỗi trong bộ chuyển đổi năng lượng hoặc cuộn dây máy điện Cụ thể, các thành phần của bộ chuyển đổi điện năng bao gồm chất bán dẫn điện, cổng truyền động và tụ điện đã được báo cáo là những thành phần dễ hỏng nhất trong bộ điều khiển [15] Lỗi trong bộ chuyển đổi năng lượng hầu như không được dự đoán ngay cả khi một số cải tiến đã được đề xuất trong [16] Do đó, khả năng chịu lỗi cho máy điện và bộ biến đổi điện đã trở thành một giải pháp để tránh sự cố hoặc thậm chí làm hỏng EV, tăng độ tin cậy chức năng của chúng Bên cạnh đó, điện áp và dòng điện của máy điện trong

EV phải tuân theo giới hạn của chúng ở mọi chế độ vận hành như bình thường, hỏng, tăng giảm tốc Khả năng vận hành tốt với công suất giảm dần trong điều kiện có lỗi khiến cho các bộ truyền động điện sau sự cố dễ được chấp nhận hơn, tránh được biên độ an toàn tốn kém trong bối cảnh thị trường phổ thông hiện nay e Chất lượng momen xoắn cao

Vận hành với mô-men xoắn có độ gợn thấp là một tiêu chí quan trọng trong tất cả các truyền động điện, đặc biệt là trong các ứng dụng ô tô, để đảm bảo truyền động trơn tru chính xác, đặc biệt là ở tốc độ thấp [5] Các gợn sóng mô-men xoắn làm giảm nghiêm trọng hiệu suất của EV khi tạo ra rung động cơ học và tiếng ồn âm thanh không mong muốn, làm giảm độ chính xác của bộ điều khiển [17, 18] Do đó, gợn sóng mô-men xoắn cần phải được giảm thiểu thậm chí loại bỏ trong truyền động điện cho các ứng dụng ô tô ở tất cả các chế độ vận hành Điều đó có nghĩa là các bộ truyền động điện có thể hoạt động trong điều kiện bình thường và có sự cố với các mô men xoắn không đổi hoặc có độ gợn sóng thấp Do đó, các công nghệ cho máy điện cũng như truyền động điện với các chiến lược điều khiển tương ứng cần được lựa chọn hợp lý để nâng cao chất lượng hoạt động của xe điện

14 f Kiểm soát suy yếu từ thông

Xe điện cần vận hành ở tốc độ cao trong nhiều trường hợp, chẳng hạn như lái xe trên đường cao tốc Do đó, truyền động điện cho xe điện bắt buộc phải hoạt động trong vùng từ thông yếu, được gọi là vùng công suất không đổi [1] Trên thực tế, EV có thể đạt tốc độ cao nếu công suất của nó đủ cao Tuy nhiên, việc sử dụng chiến lược làm suy yếu từ thông có thể tránh được kích thước quá khổ của truyền động điện Trong điều khiển làm suy yếu từ thông, mômen kéo bị giảm khi tốc độ quay cao hơn tốc độ cơ bản Do đó, các giới hạn về dòng điện và điện áp được tôn trọng, đặc biệt là ở tốc độ cao

Các yêu cầu trên đối với truyền động điện được sử dụng trong xe điện có thể được tóm tắt như sau:

1) Hiệu suất cao để tiêu thụ tối ưu nguồn cung cấp năng lượng

2) Mật độ công suất và mô-men xoắn cao do không gian hạn chế trong xe điện

3) Chi phí thấp cho xe điện giá cả phải chăng trên thị trường phổ thông nhưng an toàn cho con người chạm vào

4) Độ tin cậy chức năng cao với khả năng chịu lỗi và đảm bảo các giới hạn về điện

5) Chất lượng mô-men xoắn cao cho EV mượt mà với độ rung và tiếng ồn thấp

6) Kiểm soát suy yếu từ thông để lái xe tốc độ cao mà không cần truyền động điện quá khổ

Những yêu cầu này được coi là những thách thức có thể mâu thuẫn với các giải pháp cổ điển Do đó, cần phải có những cân đối linh hoạt Để giảm bớt những mâu thuẫn này, việc nghiên cứu giải pháp mới với nhiều bậc tự do hơn (DoF) đang được quan tâm Trong luận văn này, truyền động điện n pha (n > 3), được gọi là truyền động nhiều pha, có nhiều DoF hơn cho điều khiển và thiết kế so với truyền động ba pha cổ điển, sẽ được xem xét

Truyền động nhiều pha: Một ứng cử viên phù hợp cho xe điện

Việc sử dụng các máy cổ điển chỉ có ba pha ghép nối, hay đúng hơn là việc sử dụng biến tần nguồn áp (VSI) chỉ có ba chân, là một hạn chế do quá khứ áp đặt Cần lưu ý rằng các bộ điều khiển này không thể hoạt động bình thường khi một pha không được cung cấp Thuộc tính lịch sử này gây ra một hạn chế quan trọng đối với giới hạn an toàn cho VSIs và máy điện Để giải quyết hạn chế này, các bộ điều khiển có VSI có nhiều hơn ba chân sẽ được xem xét trong luận văn này Những truyền động điện này được gọi là truyền động nhiều pha Do có nhiều chân cũng như nhiều pha hơn, bộ truyền động nhiều pha có nhiều DoF hơn cho thiết kế và điều khiển Trong tiểu mục này, truyền động nhiều pha sẽ được so sánh với các giải pháp hiện có khác nhau liên quan đến các yêu cầu đối với truyền động điện trên thị trường EV phổ thông được trình bày trong Phần giới thiệu của luận văn này

Một truyền động đa pha chung với n pha (n > 3) được cung cấp bởi VSI n chân và điện áp bus DC trong các ứng dụng ô tô được mô tả trong Hình 1.1 Hệ truyền động điện cung cấp lực kéo cho EV (bánh xe và hệ tọa độ gầm) thông qua hộp số Nghiên cứu đầu tiên về truyền động nhiều pha, IM năm pha được cung cấp bởi VSI, được đề xuất vào năm 1969 [19] Tuy nhiên, vào thời điểm đó, sự chú ý đến loại máy năm pha được đề xuất này vẫn còn hạn chế Mối quan tâm đến máy nhiều pha dùng cho truyền động điện có tốc độ thay đổi chỉ tăng lên đáng kể trong những thập kỷ gần đây Đó là nhờ sự phát triển trong một số lĩnh vực cụ thể như bộ chuyển đổi điện tử công suất và bộ xử lý tín hiệu số Một lý do khác cho sự xuất hiện này là kiến thức chuyên sâu về truyền động nhiều pha đã được nâng cao đáng kể [20-23]

Hình 1 1 Máy n-pha được cung cấp bởi VSI n chân trong EV

Dựa vào sự dịch chuyển không gian giữa hai pha kề nhau, có thể chia máy nhiều pha thành máy đối xứng (có góc dịch pha không gian là 2π/n) và máy không đối xứng (có nhiều bộ pha như 2 bộ ba pha cho máy 6 pha) [24, 25] Nếu xem xét việc xây dựng rôto, chủ yếu là các máy đa pha không đồng bộ và đồng bộ Một máy điện không đồng bộ sử dụng rôto lồng sóc rất thú vị do vật liệu rẻ tiền Trong khi đó, máy điện nhiều pha đồng bộ có thể là loại kích từ PM, với cuộn kích từ hoặc loại từ trở

[21, 26, 27] Giống như PMSM ba pha, PMSM nhiều pha rất thú vị do những ưu điểm của chúng như hiệu suất cao và mật độ thể tích cao Do đó, PMSM nhiều pha có thể đáp ứng hai yêu cầu đầu tiên đối với truyền động điện trong xe điện nhưng việc sử dụng PMSM chi phí cao là một trong những nhược điểm của chúng

Các yêu cầu khác có thể được đáp ứng bằng cách khai thác các thuộc tính riêng biệt sau đây của truyền động nhiều pha

- Tỉ lệ công suất thấp trên mỗi pha an toàn đối với EV

- Khả năng chịu lỗi cho độ tin cậy chức năng cao

- Mô-men xoắn gợn sóng thấp cho EV hoạt động mượt mà

- Những khả năng của cấu hình cuộn dây stato:

Khi một biến tần được xác định với dòng điện tối đa và điện áp bus nhất định, sự thay đổi kết nối của cuộn dây máy cho phép thay đổi đặc tính tốc độ mô-men xoắn theo cách tiếp cận làm suy yếu từ thông [41-44] Sự kết hợp của các kỹ thuật làm suy yếu từ thông và các kết nối khác nhau của cuộn dây stato có thể mở rộng phạm vi tốc

17 độ Thật vậy, điện áp tối đa có thể đặt vào các cực của cuộn dây pha là khác nhau đối với các cấu hình khác nhau Điện áp pha tối đa cao hơn (dải tốc độ rộng hơn) dẫn đến dòng điện pha nhỏ hơn (mô-men xoắn thấp hơn) và ngược lại

Hình 1 2 Các khả năng khác nhau của cấu hình cuộn dây stato cho máy điện năm pha: hình sao (a), hình ngũ giác (b), hình sao năm cánh (c) và các đặc tính mô-men xoắn-tốc độ tương ứng (d)

Truyền động nhiều pha có nhiều tùy chọn hơn về cấu hình cuộn dây stato cho các hoạt động tốc độ cao Nói chung, với máy điện n pha, có (n+1)/2 khả năng kết nối cuộn dây stato Ví dụ với máy 3 pha thì chỉ có 2 khả năng kết nối là tam giác và sao [47] Nếu số pha tăng lên 5 thì sẽ có 3 phương án kết nối là star (sao), pentagon (ngũ giác) và pentacle (biểu tượng sao 5 cánh) như hình 1.2a, b, c tương ứng Trong số các tùy chọn kết nối này, hình sao năm cánh cho dải tốc độ rộng nhất và mô-men xoắn thấp nhất trong khi kết nối hình sao có dải tốc độ ngắn nhất và mô-men xoắn cao nhất như được trình bày trong Hình 1.2d [45, 46] Điều này được hiểu là sao năm cánh giúp có thể đạt được điện áp cao nhất trong khi dòng điện tối đa là nhỏ nhất

- Cực điện từ thay đổi bằng cách áp đặt sóng hài của dòng điện

Tải trọng của các đặc tính tốc độ mô-men xoắn được chỉ định và đặc trưng bởi các giới hạn được xác định bởi mô-men xoắn cực đại ở tốc độ thấp và công suất tối đa ở tốc độ cao (trên cơ sở tốc độ, vận tốc) Để tìm thấy một giải pháp tối ưu cho một trọng tải phức tạp, một số lượng lớn DoF trong truyền động nhiều pha có thể được áp dụng

Nguyên tắc cơ bản của việc thay đổi cực cổ điển là việc giảm số lượng cặp cực có thể mở rộng phạm vi tốc độ Trong truyền động ba pha, các phương pháp thay đổi cực được thực hiện bằng cách chuyển đổi các cấu hình cuộn dây khác nhau như đã thảo luận trong [48-51] Một kết nối thích hợp của cuộn dây stato sẽ tạo ra lực từ

18 động (MMF) trong khe hở không khí tương ứng với số cặp cực mong muốn Tuy nhiên, các phương pháp thay đổi cực này được thực hiện một cách vật lý bởi các thiết bị điện tử có số lượng công tắc cao

Trong truyền động nhiều pha, nguyên tắc mở rộng phạm vi tốc độ của nó được kế thừa từ các phương pháp thay đổi cực cổ điển Tuy nhiên, máy nhiều pha có thể hoạt động trên nhiều cực bằng cách đưa vào các thành phần sóng hài khác nhau của dòng điện, được gọi là thay đổi cực điện từ Việc thay đổi cực này được thực hiện mà không cần cấu hình lại cuộn dây, giảm tổn thất chuyển mạch như trình bày trong [52-

55] Tính năng khác biệt này chỉ có ở máy nhiều pha Thật vậy, bằng cách sử dụng cách tiếp cận hệ quy chiếu đa tham chiếu [34, 35], một máy n pha được phân tích thành (n+1)/2 (n là số lẻ) hoặc (n+2)/2 (n là số chẵn) máy ảo có hệ quy chiếu đặc trưng tương ứng Mỗi hệ quy chiếu được liên kết với một nhóm các thành phần điều hòa nhất định Ở chế độ bình thường, các sóng hài này của dòng điện có thể được điều khiển độc lập để có được mômen xoắn không đổi So với máy điện ba pha, số lượng pha cao trong máy điện nhiều pha cho phép sử dụng nhiều hơn một sóng hài dòng điện để tạo ra các mô men xoắn không đổi

Hình 1 3 Thay đổi cực điện từ trong truyền động nhiều pha để mở rộng phạm vi tốc độ: cặp cực p (a), kết hợp cặp cực p và 3p (b) và trường hợp tổng quát hơn (c)

Ví dụ, một máy năm pha, với p cặp cực, được phân tách thành 2 máy hai pha ảo và một máy thứ tự không Máy ảo thứ nhất kết hợp với sóng hài thứ nhất tương đương với p cặp cực trong khi máy ảo thứ hai kết hợp với sóng hài thứ ba tương đương với 3p cặp cực Nếu chỉ sử dụng các dòng điện của máy thứ nhất có p cặp cực để tạo ra mô men xoắn, phạm vi tốc độ được trình bày trên hình 1.3a Khi dòng điện của máy thứ nhất và máy thứ ba được áp đặt, phạm vi tốc độ rộng hơn có được trong Hình 1.3b Ở giai đoạn khởi động (tốc độ thấp), máy thứ nhất và máy thứ hai góp phần sinh mômen xoắn với cặp cực 3p, trong khi mômen xoắn chủ yếu được tạo ra bởi máy

Cơ hội của truyền động nhiều pha trong ứng dụng ô tô

Theo sáu yêu cầu đối với truyền động điện trong xe điện, năm thuộc tính đặc biệt trong phần 1.1.2 cho phép truyền động nhiều pha có thể trở thành lựa chọn ưu tiên cho các ứng dụng ô tô Đặc biệt, PMSM nhiều pha thú vị hơn IM nhiều pha do hiệu suất cao, mô-men xoắn công suất lớn và mật độ công suất Hai thuộc tính cuối cùng của truyền động nhiều pha có thể được kết hợp với các chiến lược làm suy yếu từ thông để mở rộng phạm vi tốc độ Khác với truyền động ba pha, các chiến lược làm suy yếu từ thông không thể được thể hiện một cách phân tích trong truyền động nhiều pha do có quá nhiều dòng điện trong hệ d-q Do đó, các hoạt động làm suy yếu từ thông trong truyền động nhiều pha có thể được thực hiện bằng cách áp đặt các ràng buộc đối với dòng điện và điện áp

Tuy nhiên, để thay thế hoàn toàn các bộ truyền động ba pha đang được sử dụng rộng rãi trong xe điện, bộ truyền động nhiều pha, đặc biệt là bộ truyền động PMSM nhiều pha, cần phải khắc phục một số nhược điểm Ngoài ra còn có các giải pháp khả thi cho những nhược điểm này trong các ý dưới đây

1) Một trong những nhược điểm của truyền động nhiều pha là tăng gánh nặng tính toán cho thiết kế và điều khiển Đó là lý do tại sao tiềm năng cho các máy nhiều pha chỉ được khai thác dần dần trong hai mươi năm qua Vấn đề này đã được giải quyết bằng cách sử dụng các bộ vi xử lý mạnh hơn kết hợp với mô hình hóa và điều khiển phù hợp

2) Một bất tiện khác của truyền động nhiều pha là tăng số lượng chân biến tần và số lượng dây kết nối máy nhiều pha và VSIs Khi số pha không phải là bội số của ba, rất khó sử dụng các tiêu chuẩn trước đó được phát triển cho truyền động ba pha

Do đó, các VSI đặc biệt phải được thiết kế cho truyền động nhiều pha Trong trường hợp này, nếu các bóng bán dẫn song song là không cần thiết, số lượng trình điều khiển và các thành phần tản nhiệt sẽ tăng lên và do đó, chi phí sản xuất cũng tăng theo Tuy nhiên, việc sản xuất hàng loạt có thể cắt giảm các chi phí này Ngoài ra, do dòng điện ở mỗi chân thấp hơn nên lượng Silicon và tổn thất công tắc trong bộ truyền động nhiều pha về bản chất không cao hơn so với bộ truyền động ba pha

3) Hằng số thời gian của các máy ảo trong máy nhiều pha có thể không theo cùng một thứ tự, đặc biệt là máy có cuộn dây phân bố cổ điển (số lượng rãnh trên mỗi cực trên mỗi pha là số nguyên) Nếu sử dụng điều chế độ rộng xung (PWM) cổ điển, hằng số thời gian nhỏ nhất áp đặt tần số sóng mang cho PWM Do đó, tần số chuyển mạch cao với tổn thất chuyển mạch tương ứng [56] Sử dụng Space Vectorr PWM (SVPWM) có thể là một giải pháp để giải quyết vấn đề này Thật vậy, các vectơ điện áp có biên độ thấp có thể được sử dụng cho các máy ảo có hằng số thời gian nhỏ Cụ thể, các vectơ điện áp có biên độ bằng không có thể được sử dụng nếu không yêu cầu mô-men xoắn trong máy ảo liên quan đến hằng số thời gian nhỏ nhất (hoặc máy thứ tự không trong trường hợp cấu hình cuộn dây hở) Một giải pháp khác là chọn cuộn dây stato tạo ra các hằng số thời gian bằng nhau Đó là trường hợp của cuộn dây phân đoạn như cuộn dây tập trung răng Ngoài ra, với các thành phần băng thông rộng tần số cao mới, vấn đề này có thể biến mất

4) Một nhược điểm khác là sự xuất hiện của các dòng điện ký sinh không góp phần tạo ra mô-men xoắn Có thể thực hiện được khi điều khiển truyền động n pha (n

> 3) có được bằng cách điều chỉnh điều khiển truyền động ba pha cổ điển Ví dụ, khi chỉ xem xét sóng hài chính của dòng điện để tạo ra mô-men xoắn, thì chỉ có hai thành phần của vectơ điện áp n chiều được xem xét chủ yếu để điều khiển hai dòng điện d- q kết hợp với sóng hài chính Trong thực tế, cũng cần quan tâm đến (n-2) thành phần khác của vectơ điện áp để tránh xuất hiện dòng điện đi qua thiết bị điện khi đang ở trạng thái tắt Do đó, việc điều khiển truyền động nhiều pha phức tạp hơn truyền động ba pha

5) Quán tính xã hội là một trong những trở ngại hiện có ngăn cản việc truyền động nhiều pha được phổ biến trong công nghiệp Việc phát triển các bộ truyền động

21 điện phức tạp này đòi hỏi sự đầu tư lâu dài của con người Trong một xã hội với quy tắc lợi nhuận thị trường và các công ty cổ phần ngắn hạn, rủi ro từ việc phát triển một sự truyền động có kiến thức phức tạp trong lĩnh vực năng lượng là rất cao Do đó, việc thay đổi từ truyền động ba pha công nghiệp sang truyền động nhiều pha là một thách thức.

Cấu tạo của hệ truyền động nhiều pha

Mô hình hệ quy chiếu tự nhiên

Điện áp và mômen điện từ của PMSM pha n được cho bởi:

Trong đó: v, i và e lần lượt là các vectơ n chiều của điện áp pha, dòng điện pha và back_EMF

Rs là điện trở của cuộn dây stato một pha

[L] là ma trận điện cảm stato n-by-n

L là độ tự cảm của một pha

Mj là điện cảm hỗ tương giữa hai pha dịch chuyển một góc (2πj/n) với j ∈ [1, (n-1)/2] ⸦ ℕ nếu n lẻ và j ∈ [1, n/2] ⸦ ℕ nếu n chẵn

Tem và Pem lần lượt là momen điện từ và công suất của máy

Mô hình hệ quy chiếu stato tách rời

Các hệ tham chiếu stator tách rời là các hệ ảo thu được bằng phép biến đổi Clarke (hoặc Concordia) Các tham số của máy (EMF ngược, dòng điện và điện áp) trong hệ quy chiếu tự nhiên được chuyển đổi thành các hệ tham chiếu stato tách rời như sau:

23 x là vectơ n chiều của tham số trong hệ quy chiếu tự nhiên xαβ là vectơ n chiều của tham số trong hệ quy chiếu stato tách rời k là số hệ quy chiếu hai chiều stato (α-β); k=(n-1)/2 nếu n lẻ, và k=(n-2)/2 nếu n chẵn xz1 và xz2 là các tham số trong các hệ thứ tự không một chiều (z1, z2)

[TClarke] là ma trận biến đổi Clarke n-by-n; xz2 trong xαβ và hàng cuối cùng của [TClarke] chỉ tồn tại nếu n chẵn

Hệ số √(2/𝑛) trong [TClarke] là bảo toàn công suất trong hệ quy chiếu mới

Nói cách khác, theo [35], sau phép biến đổi Clarke, máy thực n pha được phân tích toán học thành (n+1)/2 (nếu n là số lẻ) hoặc (n+2)/2 (nếu n là chẵn) máy ảo như được trình bày trong Hình 1.6 và 1.7 tương ứng Cụ thể, có k máy ảo hai pha với k hệ quy chiếu hai chiều từ (α1-β1) đến (αk-βk) Ngoài ra, chỉ có 1 máy không dãy duy nhất có 1 hệ quy chiếu một chiều (z1) nếu n lẻ

Khi n chẵn thì tồn tại 2 máy thứ tự không có 2 hệ quy chiếu một chiều (z1, z2)

Hình 1 5 Các máy ảo tương đương của máy n pha khi n lẻ

Hình 1 6 Các máy ảo tương đương của máy n pha khi n chẵn

Một máy ảo với hệ quy chiếu tách rời tương ứng của nó được liên kết với một nhóm sóng hài nhất định như được trình bày trong Bảng 1.1

Bảng 1 1 Máy ảo, hệ tham chiếu và sóng hài liên quan của máy n pha

Máy ảo Hệ tham chiếu Sóng hài liên quan

Máy ảo thứ nhất α 1 - β 1 nj ± 1

Máy ảo thứ hai α 2 - β 2 nj ± 2

Máy thứ tự 0 thứ nhất z1 nj

Máy thứ tự 0 thứ hai ( với n chẵn ) z2 n(j ± ẵ) với j ∈ℕ0, k=(n-1)/2 nếu n lẻ, k=(n-1)/2 nếu n chẵn Điện áp trong các hệ tọa độ stato tách rời được cho bởi:

Trong đó: vαβ, iαβ và eαβ lần lượt là các vectơ n chiều của điện áp, dòng điện và EMF ngược trong hệ stato tách rời; đối với một máy không nổi bật, ma trận điện cảm [Lαβ] trong các hệ stato được tách rời là đường chéo và được biểu thị như sau:

Lj (j∈ [1, k] ℕ), Lz1 và Lz2 lần lượt là độ tự cảm của máy ảo j, máy thứ tự không z1 và z2 Nếu rôto có bất kỳ độ mặn nào, thì tất cả các yếu tố của [L αβ ] cần được tính toán với vị trí điện của máy

Cần lưu ý rằng mô hình hệ tọa độ tự nhiên không cho phép phát triển dễ dàng hệ thống điều khiển do sự ghép từ giữa các cuộn dây pha, biểu thị bằng [L] từ (1.1)

Bằng cách sử dụng phép biến đổi Clarke, ma trận điện cảm [L] trở thành [L αβ ] trong (1.5), cho phép tách từ trường giữa các cuộn dây pha trong hệ quy chiếu mới

Tất cả các vectơ hàng của [T Clarke ] đều trực giao với nhau Một tính chất quan trọng của ma trận Clarke bất kể số pha chẵn hay lẻ là độ nghịch đảo của ma trận Clarke bằng với độ chuyển vị của nó:

Mômen điện từ của máy bằng tổng các mômen do tất cả các máy ảo sinh ra như sau:

Mô hình hệ quy chiếu rotor

Các hệ tham chiếu rôto là các hệ tọa độ ảo trong đó các tham số hình sin của máy trong các hệ tọa độ tham chiếu stato tách rời được chuyển đổi thành tín hiệu không đổi bằng cách sử dụng phép biến đổi Park Phép biến đổi Park tổng quát được cho bởi:

Trong đó xdq là vectơ n chiều của các tham số máy trong các hệ quy chiếu rôto; k là số hệ tọa độ quay 2 chiều (dq); k=(n-1)/2 nếu n lẻ, và k=(n-2)/2 nếu n chẵn; xz1 và xz2 là các tham số trong các hệ tọa độ thứ tự không một chiều; [TPark] là ma trận biến đổi Park n-by-n với các hài từ h1θ đến hkθ được xác định từ các hài liên quan trong Bảng 1.1 Lưu ý rằng xz2 trong xdq và xαβ, và hàng cuối cùng của [TPark] chỉ tồn tại trong trường hợp số pha chẵn

Các điện áp trong hệ tọa độ dq k có thể được biểu diễn như sau: dk dk s dk dk dk dk dk dk qk s qk qk dk dk dk

Trong đó (vdk, vqk), (idk, iqk) và (edk, eqk) lần lượt là điện áp, dòng điện và EMF ngược trong hệ d-q k; p là số cặp cực; (Ldk, Lqk) là các hệ số tự cảm trong hệ d-q k

Trong một máy điện không nổi bật, ma trận điện cảm trong hệ quy chiếu rôto

[L dq ], bằng ma trận [L αβ ] trong (1.5), có thể được chứng minh như sau:

T T T dq Park Clarke Park Clarke Park Clarke Clarke Park

Trong đó Lj (j ∈ [1, k] ⸦ ℕ), L z1 và Lz2 lần lượt là độ tự cảm của máy ảo j, máy thứ tự không z1 và z2 Do đó, ta có (Ldk=Lqk= Lk)

Trong các hệ tọa độ tham chiếu rôto, kiểu máy kế thừa đặc tính tách rời từ tính từ các hệ tọa độ tham chiếu stato đã tách rời Lý tưởng nhất là các thông số của máy như dòng điện trong hệ quy chiếu rôto là hằng số thời gian để điều khiển.

Tình trạng nghiên cứu trong lĩnh vực điều khiển truyền động nhiều

Để có được một cái nhìn tổng quát và có hệ thống về các nghiên cứu về điều khiển truyền động nhiều pha, trình độ hiện đại được sắp xếp như sau Đầu tiên, trình bày các kỹ thuật điều khiển truyền động nhiều pha ở chế độ bình thường Sau đó, các nghiên cứu hiện tại về kiểm soát khả năng chịu lỗi được phân tích.

Các kỹ thuật điều khiển hiện có của truyền động nhiều pha ở chế độ bình thường

Như đã phân tích trong [21-23, 26, 31, 60-62], các kỹ thuật điều khiển cho truyền động nhiều pha có thể được phân loại chung thành ba loại chính: Điều khiển hướng trường (FOC), Điều khiển mô-men xoắn trực tiếp (DTC) và Dự đoán dựa trên mô hình kiểm soát (MPC) Vòng trong để điều khiển dòng điện, mô-men xoắn và từ thông được xem xét vì vòng ngoài để điều khiển tốc độ trong ba kỹ thuật điều khiển là như nhau

FOC, được đề xuất sớm trong [63, 64], đã trở thành kỹ thuật điều khiển phổ biến nhất với việc sử dụng các ma trận biến đổi trực giao Để hiểu nguyên tắc của

FOC, vòng điều khiển dòng điện dựa trên FOC của PMSM pha n được cung cấp bởi VSI được mô tả trong Hình 1.8 Như đã đề cập trước đó, ma trận [TClarke] và [TPark] được áp dụng để phân tách máy pha n thành (n+1)/2 hoặc (n+2)/2 máy ảo (hệ quy chiếu tách rời) Do đó, việc kiểm soát từ thông và mô-men xoắn có thể được tách rời bằng cách điều chỉnh độc lập các dòng điện không đổi trong các hệ quy chiếu rô-to Điện áp tham chiếu  dq _ est , hầu hết được tính toán bằng bộ điều khiển tích phân tỷ lệ (PI) và bù EMF ngược ước tính e dq _ est (tùy chọn), được chuyển đổi thành  ref hệ tọa độ tự nhiên Các điện áp này là các giá trị tham chiếu để xác định chu kỳ làm việc cho việc tạo tín hiệu chuyển mạch của VSI (s1,n) Cụ thể,  ref được so sánh với các tín hiệu sóng mang, được gọi là PWM dựa trên sóng mang (CBPWM) hoặc nó được sử dụng để xác định các vectơ không gian liền kề khác nhau được áp dụng trong các khoảng thời gian khác nhau, được gọi là PWM vectơ không gian (SVPWM)

Hình 1 7 Vòng điều khiển bên trong của truyền động PMSM n pha dựa trên kỹ thuật FOC

Vào đầu những năm 2000, các phương pháp nghiên cứu chung về truyền động nhiều pha bằng cách sử dụng phương pháp vectơ không gian đã được đề xuất [35,

65] Các tính chất hình học và đồ họa của vectơ không gian được tổng quát hóa và điều chỉnh cho các hệ thống nhiều pha với những tiến bộ của tính toán ma trận Bộ biến đổi nguồn bao gồm điện áp PWM và bộ biến đổi nguồn hiện tại được đặc trưng bởi các vectơ không gian Các phương pháp có thể được khái quát hóa cho các bộ biến tần khác nhau với số lượng chân khác nhau Sau đó, chủ nghĩa hình thức lần đầu tiên được áp dụng cho máy ba pha trước khi được xác minh trong máy cảm ứng năm pha

Một số nghiên cứu gần đây về điều khiển truyền động nhiều pha dựa trên FOC có thể được tóm tắt như sau:

1) Máy cảm ứng năm pha và ba pha kép với MMF hình sin đã được nghiên cứu trong [66-68] Do có nhiều DoF hơn so với các đối tác ba pha, các MMF không hình sin trong các máy cảm ứng đa pha có thể được điều khiển phù hợp trong [69-74] Việc đưa vào các sóng hài hiện tại cho phép cải thiện chất lượng mô-men xoắn

2) Các nghiên cứu dựa trên FOC cho PMSM ba pha, năm pha, ba pha kép và bảy pha với các cấu trúc liên kết cuộn dây stato khác nhau đã được đề xuất trong [29,

46, 53-55, 75-90] Trong các nghiên cứu này, hầu hết các máy này đều có EMF ngược không hình sin dạng sóng, cho phép tăng mật độ mô-men xoắn Đặc biệt, một PMSM năm pha hai sóng hài với sóng hài thứ ba chiếm ưu thế của EMF ngược được giới thiệu trong [55, 83] Máy đặc biệt này có thể dễ dàng khai thác các sóng hài hiện tại tương ứng để có một hộp số điện từ, mở rộng phạm vi tốc độ mà không cần sử dụng công tắc điện tử vật lý Trong khi đó, các nghiên cứu [87] tính toán các tham chiếu dòng điện để đạt được đặc tính tốc độ mô-men xoắn cực đại bằng cách xem xét các giới hạn của giá trị cực đại của dòng điện pha và điện áp đối với PMSM năm pha hình sin

Một giải pháp thay thế cho FOC là DTC đã được giới thiệu trong [91-93] Nói chung, DTC dựa trên mô hình để ước tính từ thông và mô-men xoắn Việc điều khiển từ thông và mô-men xoắn được thực hiện trong các hệ tọa độ tham chiếu stato tách rời mà không có vòng điều khiển dòng điện bên trong Các kỹ thuật DTC được phân loại theo cách xác định điện áp stato Điện áp stato có thể thu được bằng Bảng chuyển mạch tối ưu (ST-DTC) hoặc bằng tần số chuyển mạch không đổi (PWM-DTC)

Hình 1 8 Vòng điều khiển bên trong của truyền động PMSM n pha dựa trên kỹ thuật ST-DTC

Vòng lặp bên trong của truyền động PMSM n pha sử dụng ST-DTC được mô tả trong Hình 1.8 ST-DTC là để so sánh các giá trị ước tính và tham chiếu của từ thông stato ( est và  est ) cũng như của mô-men xoắn điện từ (Tem_est và Tem_est) Sau đó, các vectơ điện áp stato được chọn từ bảng tra cứu để xác định tín hiệu chuyển mạch của VSI (S1,n) Với ST-DTC, bộ điều khiển độ trễ thường được áp dụng để buộc các biến được điều khiển nhanh chóng theo dõi các giá trị tham chiếu của chúng mà không cần PWM Tính năng này làm cho ST-DTC trở nên đơn giản với phản ứng mô-men xoắn nhanh Tuy nhiên, ST-DTC dẫn đến các tần số chuyển đổi thay đổi và các thành phần tần số cao sinh ra trong dòng điện, dẫn đến các mômen gợn sóng cao hơn FOC [23] Ngoài ra, số lượng vectơ không gian điện áp tỷ lệ theo cấp số nhân với số pha, làm cho kích thước của bảng tra cứu tăng lên đáng kể [60] Nghiên cứu

[94] đề xuất một phương pháp ST-DTC chung cho số pha lẻ nhiều hơn ba Tuy nhiên, kỹ thuật ST-DTC vẫn chưa được mở rộng cho bất kỳ số pha nào cao hơn sáu

1) Một số nghiên cứu về ST-DTC cho máy điện cảm ứng 5 pha và 6 pha không đối xứng được giới thiệu trong [95-97] Cụ thể, điện áp stato trong mặt phẳng thứ cấp được giảm xuống để giảm thiểu các thành phần dòng điện stato không tạo ra mô-men xoắn

2) Trong khi đó, các nghiên cứu về ST-DTC cho truyền động PMSM năm pha sử dụng khái niệm hệ thống đa bộ chuyển đổi nhiều máy đã được đề xuất trong [98,

99] Ngoài ra, kỹ thuật PWM-DTC áp đặt các tần số chuyển mạch không đổi và yêu cầu một PWM như được mô tả trong Hình 1.9 Cụ thể, thuật toán DTC trong PWM-

DTC được sử dụng để tạo tham chiếu điện áp trước khi PWM xác định trạng thái chuyển mạch biến tần Thuật toán này dựa trên giải pháp deadbeat trong đó các giá trị tham chiếu của từ thông stato và mômen điện từ thu được chỉ trong một lần lấy mẫu [100] Phương pháp này có một số ưu điểm so với ST-DTC với tần số chuyển đổi thay đổi như gợn sóng mô-men xoắn thấp hơn và các thành phần tần số cao nhỏ hơn trong dòng điện Tuy nhiên, do điều khiển trong các hệ tọa độ tham chiếu stator tách rời, PWM-DTC yêu cầu tần số chuyển đổi cao để đảm bảo hiệu suất tốt Ngoài ra, với tư cách là ST-DTC, gánh nặng tính toán là một điểm hạn chế của PWM-DTC

Có thể tìm thấy ứng dụng của PWM-DTC trong [101] cho truyền động động cơ cảm ứng ba pha kép

Hình 1 9 Vòng điều khiển bên trong của biến tần PMSM n pha dựa trên kỹ thuật

Mặc dù được phát triển lần đầu tiên vào những năm 1970, MPC gần đây đã trở thành một trong những giải pháp hứa hẹn nhất và các kỹ thuật được sử dụng rộng rãi

Các chiến lược kiểm soát hiện có cho các hoạt động sau lỗi

1.2.6.A Các lỗi có thể xảy ra trong bộ điều khiển nhiều pha Để phân tích các chiến lược kiểm soát khả năng chịu lỗi hiện có, cần trình bày các sự cố về điện có thể xảy ra trong truyền động nhiều pha Trong Hình 1.11, các loại lỗi khác nhau trong truyền động nhiều pha bao gồm SC hoặc OC trong công tắc biến tần, cuộn dây pha hoặc đường dây kết nối giữa máy và biến tần Trong số đó, lỗi

OC được báo cáo nhiều hơn lỗi SC trong truyền động điện [31, 110] vì lỗi SC thường

33 dẫn đến lỗi OC với lớp bảo vệ bên trong của các công tắc tương ứng [111] Do đó, luận văn này sẽ chủ yếu tập trung vào các lỗi OC trong truyền động nhiều pha

Hình 1 11 Các loại lỗi khác nhau trong truyền động n pha

Khi xảy ra sự cố ở bộ truyền động điện, cần tiến hành phát hiện, chẩn đoán và cách ly sự cố, tránh những hư hỏng có thể xảy ra đối với bộ truyền động điện Đã có nhiều nghiên cứu về chẩn đoán, phát hiện và cách ly [14, 112-118] lỗi bằng cách khai thác các đặc điểm đặc biệt của truyền động nhiều pha Ở chế độ bình thường, bộ truyền động nhiều pha được điều khiển thích hợp với các mô-men xoắn mượt mà bằng các kỹ thuật điều khiển như đã trình bày trong tiểu mục trước Các dòng pha của chúng có cùng dạng sóng với các giá trị RMS định mức Trong các hoạt động sau sự cố, số lượng pha hoạt động ít hơn và các pha còn lại không còn đối xứng Nếu các tham chiếu dòng điện trước sự cố không được thay đổi, sẽ có các dòng điện không kiểm soát được và các mômen dao động [78, 118-121]

Cụ thể, có 2 hậu quả chính của sự cố xảy ra trong truyền động nhiều pha như sau:

1) Các giới hạn của dòng điện cực đại hoặc bình phương trung bình gốc (RMS) có thể không được đảm bảo Nói cách khác, dạng sóng hiện tại của các pha khỏe mạnh còn lại của biến tần bị suy giảm trong các hoạt động sau sự cố Giới hạn dòng đỉnh dựa trên dòng đỉnh tức thời trong quá trình vận hành trong thời gian ngắn và có liên quan đến các thành phần VSI Trong khi đó, giới hạn dòng RMS chủ yếu được xác định từ các giới hạn nhiệt của cuộn dây stato

2) Không đảm bảo mômen điện từ trơn tru Nói chung, các dòng pha bình thường không được kiểm soát tạo ra các MMF quay không tròn trên mỗi hệ tọa độ tham chiếu, tạo ra các gợn sóng mô-men xoắn Những gợn sóng mô-men xoắn này có thể gây ra tiếng ồn và rung động, làm giảm chất lượng hoạt động của bộ điều khiển

1.2.6.B Phân loại dựa trên tiêu chí của các tham chiếu mới hiện tại cho các hoạt động chịu lỗi

1) Các ràng buộc về giới hạn dòng điện: các dòng điện pha lành mạnh còn lại cần đảm bảo giới hạn RMS hoặc giá trị đỉnh của chúng [61, 87, 122, 123]

2) Ràng buộc về giới hạn điện áp: điện áp pha đỉnh được yêu cầu nằm trong giới hạn của chúng để tránh bão hòa biến tần Nói cách khác, hoạt động làm suy yếu từ thông có thể được đảm bảo trong các chế độ bị lỗi [61, 74, 87]

3) Tối ưu hóa tổn thất đồng: dòng điện trong pha khỏe còn lại được thiết kế để đạt được tổng tổn thất đồng tối thiểu hoặc tổn thất đồng bằng nhau trong các pha khỏe mạnh [124, 126-135, 137, 138]

Các tiêu chí trên có thể được kết hợp với nhau trong chiến lược chịu lỗi Ví dụ: tiêu chí thứ nhất và thứ hai có thể đảm bảo độ tin cậy chức năng cao trong các hoạt động tốc độ thấp và suy yếu từ thông đối với các bộ truyền động đa pha sau sự cố

1.2.6.C Phân loại dựa trên các loại MMF cho các hoạt động chịu lỗi

Nguyên tắc của chiến lược chịu lỗi dựa trên các loại lỗi và đặc điểm của truyền động nhiều pha chẳng hạn như số lượng pha và thiết kế máy Một trong những nỗ lực đầu tiên [13] cho thấy số pha stato và loại dạng sóng kích thích (hình sin hoặc không hình sin) ảnh hưởng đến suy giảm hiệu suất Theo đó, các nghiên cứu về điều khiển chịu lỗi có thể được phân thành hai nhóm theo loại MMF cho IM và PMSM như sau:

1) Máy nhiều pha hình sin: Chiến lược chịu lỗi cho máy nhiều pha hình sin đã được tìm thấy trong [87, 119, 123, 126-133, 137-141] Các máy này có nhiều DoF hơn để điều khiển vì không tồn tại sóng hài bậc cao của EMF ngược không hình sin, cho phép sự hiện diện của sóng hài bậc cao của dòng điện nhằm mục đích tối ưu hóa Các chiến lược điều khiển chịu lỗi cho máy hình sin không thể áp dụng đơn giản cho máy không hình sin máy do gợn sóng mô-men xoắn

2) Các máy nhiều pha không hình sin: Các nghiên cứu [61, 120-122, 124, 125, 134-136, 142-149] đã đề xuất các chiến lược chịu lỗi cho các máy nhiều pha không hình sin Các chiến lược này thường phức tạp hơn so với các máy hình sin Tuy nhiên, các máy nhiều pha không hình sin này có một số ưu điểm như dễ chế tạo, chi phí sản xuất thấp hơn, mật độ mômen xoắn cao hơn, tổn thất đồng thấp hơn (nếu chọn cuộn dây tập trung có đầu cuộn dây ngắn) và khả năng thay đổi cực điện từ

1.2.6.D Phân loại dựa trên mô hình bộ điều khiển nhiều pha cho các hoạt động chịu lỗi

Việc mô hình hóa truyền động nhiều pha trong các điều kiện sau sự cố có thể được bắt nguồn từ phép phân tách không gian véc tơ [150] hoặc lý thuyết hệ tọa độ đa tham chiếu với hình thức véc tơ không gian tổng quát [34, 35, 65] Như đã thảo luận trong phần lập mô hình chung, sử dụng phép biến đổi Clarke [T Clarke ] cho phép phân tách một máy pha n thành một số máy ảo tách rời (hệ quy chiếu) Có (n+1)/2 hệ quy chiếu cho số lẻ của các pha và (n+2)/2 hệ quy chiếu cho số pha chẵn Trong các hệ tọa độ tham chiếu này, dòng điện và điện áp được điều khiển độc lập ở chế độ bình thường Tuy nhiên, trong các chế độ bị lỗi, thuộc tính tách rời không còn tồn tại Vì vậy, đã có hai phương án cho mô hình như sau:

1) Chuyển đổi Clarke của chế độ bình thường [T Clarke ] được giữ nguyên nhưng các tham chiếu hiện tại trong các hệ tọa độ tham chiếu rôto cần được xác định lại [87,

120, 123, 138] Cấu trúc điều khiển không thay đổi trong các chế độ bị lỗi, làm cho các chiến lược này trở nên đơn giản hơn Các tham chiếu hiện tại d-q mới của các máy ảo tạo ra hầu hết mô-men xoắn được thiết kế không đổi Do đó, các dòng điện d-q khác trong các máy ảo khác là biến đổi theo thời gian

2) Ma trận biến đổi bậc giảm [126-129, 132-135, 149] có thứ nguyên tương đương với số pha khỏe mạnh được áp dụng Thật vậy, khi truyền động n pha bị mất một pha, máy trong tình trạng sau sự cố này có thể được coi là máy (n-1) pha không đối xứng Do đó, bộ điều khiển sau lỗi có thể được mô hình hóa lại về mặt toán học với (n-1) pha trong đó ma trận Clarke và Park có chiều (n-1) mới được xác định với mục đích bảo toàn MMF dưới lỗi OC Trong các hệ tọa độ tham chiếu tách rời mới,

36 các tham chiếu dòng điện d-q mới với các tùy chọn tối ưu hóa được xác định để đạt được các mô men xoắn không đổi

1.2.6.E Phân loại dựa trên kỹ thuật điều khiển cho các hoạt động chịu lỗi

Mục tiêu của luận văn

Trong luận văn này sẽ có 3 mục tiêu chính để nghiên cứu:

- Nghiên cứu hệ truyền động điện năm pha, các lí do chính để lựa chọn nghiên cứu hệ truyền động điện năm pha là:

+ Hệ truyền động điện năm pha được thừa hưởng đầy đủ các ưu điểm cửa động cơ nhiều pha nói chung: Khả năng chịu lỗi (hở mạch, ngắn mạch dây pha), mật độ mô men cao, chất lượng mô men tốt… + Năm là số lượng pha tối thiểu của một động cơ nhiều pha có sự đơn giản về thiết kế và điều khiển

+ Hiện nay, hệ truyền động điện năm pha đang được sử dụng nhiều hơn so với các hệ truyền động có động cơ với số pha nhiều hơn

- Xây dựng mô hình toán học hệ truyền động năm pha

- Điều khiển hệ truyền động năm pha

MÔ HÌNH HÓA HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN NĂM PHA

Mô hình toán học hệ truyền động năm pha

Phần này trình bày mô hình hóa máy nhiều pha ở chế độ bình thường Để minh họa hiệu quả các đặc điểm của truyền động nhiều pha, trong luận văn này sẽ tập trung nghiên cứu truyền động PMSM năm pha Dựa trên phép biến đổi Fortescue, một phương pháp mô hình véc tơ của động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu năm pha được nghiên cứu Mỗi thực thể vật lý (dòng điện, điện áp, EMF, từ thông) sẽ được chiếu trong ba không gian con trực giao Do đó, động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu năm pha có thể được phân tách thành ba máy ảo tách rời Mỗi máy ảo được mô tả bằng phương trình điện của riêng nó trong cơ sở abcde tự nhiên, do đó mỗi máy được biểu diễn bằng mạch điện tương đương của nó Chất lượng dòng điện của bộ điều khiển phụ thuộc vào chế độ cung cấp và phân vùng lại của MMF Hình chiếu dòng điện của mỗi máy trên hệ tọa độ αβ của nó cho thấy ảnh hưởng của sóng hài dòng điện và độ tự cảm dòng điện đối với chất lượng dòng điện

Trong các ứng dụng công suất cao, như tàu điện, một giải pháp cấu trúc bao gồm phân đoạn công suất của truyền động điện bằng cách tăng số pha của máy [1, 2]

Trong số các giải pháp khác nhau, động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu năm pha (PMSM) được cung cấp bởi biến tần nguồn điện áp có thể được xem xét Ngày nay, nhờ sự ra đời của nam châm vĩnh cửu hiệu suất cao, với từ thông cưỡng bức và từ thông dư cao, động cơ nam châm vĩnh cửu có thể có hiệu suất vượt trội so với các loại động cơ xoay chiều khác, do đó nó thu hút sự chú ý ngày càng tăng đối với nhiều ứng dụng công nghiệp [2,7] PMSM năm pha đã là chủ đề của các nghiên cứu và phương pháp mô hình hóa theo quan điểm kiểm soát được đề xuất [2, 8,10] Phương pháp mô hình hóa dựa trên đường chéo hóa ma trận điện cảm Một ma trận chuyển đổi được đề xuất trong [2, 11]

Luận văn này đề cập đến việc phân tích hành vi của bộ điều khiển này dựa trên phương pháp phân tích sóng hài sử dụng phép biến đổi Fortescue [12] Ảnh hưởng của chế độ cung cấp và sự phân vùng lại của MMF đối với chất lượng dòng pha được nghiên cứu

Hình 2 1 Sơ đồ của PMSM năm pha

Trong các hệ quy chiếu tách rời mới, máy thực được phân tách thành 3 máy ảo bao gồm 2 máy ảo hai pha (FM1, FM2) và 1 máy thứ tự không (ZM) như mô tả trong Hình 2.2 Mỗi máy ảocó hệ quy chiếu tương ứng được gắn với một nhóm sóng hài

40 cho trước như trong Bảng 2.1 Đặc biệt, hệ tọa độ tham chiếu d-q cho máy ảo thứ hai được ký hiệu là (d3-q3) vì sóng hài thứ ba được xem xét trong các EMF ngược

Hình 2 2 Phân tách máy năm pha thành ba máy ảo

Bảng 2 1 Ba máy ảo với các hệ tọa độ tham chiếu tương ứng và các sóng hài liên quan của máy năm pha (chỉ các sóng hài lẻ)

Máy ảo Hệ tọa độ quy chiếu

Sóng điều hòa liên quan (m∈

2.1.2 Mô tả hệ thống Để mô hình hóa máy, một số ảo được xem xét như sau:

1) Năm pha của máy chuyển động như nhau với độ dịch góc trong không gian δ bằng 2π/5

2) Máy có rôto hình trụ; do đó, điện cảm trong các máy ảo có thể được tính dễ dàng từ ma trận biến đổi Clarke như trong (1.5)

3) Độ bão hòa của các mạch từ không được xem xét trong các tính toán của EMF ngược và từ thông Để đơn giản hóa sơ đồ điều khiển, các thông số của máy được chuyển đổi từ hệ quy chiếu thực thành hệ quy chiếu α-β và d-q tách rời cho máy năm pha như sau:

Trong đó x là một tham số tùy ý của máy như dòng điện, EMF ngược và điện áp; [T Clarke ] là ma trận biến đổi Clarke 5 nhân 5; δ =2π/5 là độ dời góc trong không gian; θ là vị trí điện; [T Park ] là ma trận biến đổi Park 5 nhân 5 trong đó các thành phần hài bậc 1 (θ) và bậc 3(3θ) được xem xét Việc lựa chọn các thành phần sóng hài này trong ma trận Park phụ thuộc vào các sóng hài chính tồn tại trong EMF ngược của máy

Trong các hệ quy chiếu tách rời mới, máy thực được phân tách thành 3 máy ảo bao gồm 2 máy ảo hai pha (FM1, FM2) và 1 máy thứ tự không (ZM) như mô tả trong Hình 2.2 Mỗi máy ảocó hệ quy chiếu tương ứng được gắn với một nhóm sóng hài cho trước như trong Bảng 2.1 Đặc biệt, khung tham chiếu d-q cho máy ảo thứ hai được ký hiệu là (d3-q3) vì sóng hài thứ ba được xem xét trong các EMF ngược PMSM năm pha được cung cấp bởi bộ biến tần PWM như trong Hình 2.2 Để thiết lập mô hình của máy 5 pha, các ảo sau đây được xem xét:

 Tất cả các pha giống hệt nhau và dịch chuyển đều đặn bởi một góc ∝ = 2𝜋

 Ảnh hưởng của độ bão hòa bị bỏ qua

 Máy đang xét là máy có cực trơn và chưa nối dây trung tính

Trong hệ tọa độ abcde thực, phương trình điện áp của máy có thể được viết dưới dạng ma trận sau:

L 1 biểu thị độ tự cảm của từng pha, L 2 biểu thị độ tự cảm lẫn nhau giữa hai pha dịch chuyển 2π/5 và L 3 biểu thị độ tự cảm lẫn nhau giữa hai pha dịch chuyển 4π/5 r đại diện cho điện trở của cuộn dây máy

[X] = [𝑋 𝑎 𝑋 𝑏 𝑋 𝑐 𝑋 𝑑 𝑋 𝑒 ] T , và X = V ( điện áp), I (dòng điện), E ( EMF)

Theo Fortescue [12], một hệ thống n pha có thể được phân tích dưới dạng (n–

1) hệ thống đối xứng và một hệ thống đại diện cho vectơ thứ tự không được gọi là đồng cực

Trong đó n là một số nguyên tố và :

Trong trường hợp hệ thống 5 pha, ma trận M n trở thành

Có thể nhận thấy rằng tất cả các vectơ là trực giao Do đó chúng ta có thể định nghĩa ba không gian con trực giao Không gian con đầu tiên được gọi là hệ tọa độ chính và nó được suy ra từ cột thứ 2 và thứ 5 của [M 5 ] Không gian con thứ hai được gọi là hệ tọa độ thứ cấp và nó được suy ra bởi cột thứ 3 và thứ 4 của [M 5 ] Cột đầu tiên của [M 5 ] là máy thứ tự không Sau đó, mỗi vectơ vật lý [X] (điện áp, dòng điện, EMF, v.v.) sẽ được chiếu vào không gian con theo công thức phức tạp sau đây và có tính đến chuỗi thuận

Trong đó [X] h = (EMF, dòng điện, điện áp, từ thông), h bậc của sóng hài, C h và φ h tương ứng là độ lớn và pha của sóng hài h

Sử dụng các phương trình (2.3) và (2.4), sự phân chia lại sóng hài của PMSM năm pha được tóm tắt trong Bảng 2.2

Bảng 2 2 Phân vùng lại sóng hài của PMSM năm pha

Không gian con Hệ tọa độ chính Hệ tọa độ phụ Đồng cực

Xác định trình tự liên tục của hệ tọa độ chính trên cơ sở và tìm kiếm thứ tự thứ tự của ma trận [M 5 ], thứ tự thuận của hệ tọa độ phụ được lập chỉ mục tự động trên

44 sóng hài thứ ba Do đó, trong hệ tọa độ abcde tự nhiên, PMSM năm pha tương đương với ba PMSM năm pha ảo, được gọi tương ứng là máy chính có xung điện là ω, máy phụ có xung điện là 3ω và máy đơn cực Hình 2.4 minh họa sự phân chia lại hư cấu mới của các pha của máy chính và máy phụ Các sóng hài (EMF, dòng điện, điện áp và từ thông) được chiếu trong hệ tọa độ chính sẽ chỉ được nhìn thấy bởi máy chính và các sóng hài được chiếu trong hệ tọa độ phụ sẽ chỉ được nhìn thấy bởi máy phụ Sóng hài thứ năm và các bội số của nó sẽ được máy đồng cực nhìn thấy

Hình 2 4 Sự phân chia lại các pha ảo mới: a) máy chính, b) máy phụ

Do đó, phương trình (2.1) có thể được phân tách thành ba hệ tọa độ: p p p p p

Trong đó p, s, 0 tương ứng là máy chính, máy phụ và máy đồng cực Có thể nhận thấy ba phương trình điện được đưa ra bởi (2.5), (2.6) và (2.7) được tách rời về điện

Trong mỗi hệ tọa độ, thông lượng qua pha a đặc hữu tạo bởi dòng điện stator tương ứng được cho bởi:

Theo phép chiếu của các sóng hài như minh họa trong Bảng 1 và sự phân chia pha ảo (Hình 2), chúng ta có thể suy ra các biểu thức chung của từ thông trong ba hệ tọa độ

Do đó, phương trình điện của mỗi máy ảo là

Các phương trình trước cho thấy hành vi điện của mỗi máy ảo tương đương với một mạch điện Hình 2.5 đưa ra mạch tương đương của từng máy ảo

Hình 2 5 Mạch điện tương đương của từng máy ảo

2.1.5 Mô hình toán học trong hai hệ tọa độ 𝜶𝜷

Biểu diễn mô hinh hệ truyền động điện nhiều pha bằng phương pháp EMR

2.2 Biểu diễn mô hình hệ truyền động điện nhiều pha bằng phương pháp EMR

2.2.1 Giới thiệu chung phương pháp EMR

2.2.1.A Phạm vi sử dụng phương pháp EMR

Các hệ thống năng lượng (energetic systems) là một trong những đối tượng nghiên cứu và ứng dụng chính của ngành Điều khiển và Tự động hoá Mô hình hoá và điều khiển các hệ năng lượng này là bài toán thường gặp đối với sinh viên, kỹ sư, và các nhà nghiên cứu trong ngành (ví dụ như điều khiển hệ thống điện tử công suất, điều khiển truyền động điện, và các ứng dụng của chúng như xe điện, hệ năng lượng tái tạo, hệ cơ điện tử,…) Những công cụ để giải quyết các bài toán này bao gồm nền tảng lý thuyết là các môn học lý thuyết điều khiển tự động và các môn kỹ thuật điều khiển (biến đổi) như điện tử công suất và tổng hợp hệ điện cơ, cũng như những môn học khác Tuy nhiên, vẫn có những khó khăn mà sinh viên, các nhà nghiên cứu gặp phải khi cần hiểu rõ ràng và sử dụng phối hợp các công cụ này trong trong những ứng dụng điều khiển cụ thể và phức tạp

Energetic macroscopic representation (EMR) là một phương pháp đồ họa Nó được sử dụng để biểu diễn mô hình của đối tượng (model representation/ organization) nhằm làm sáng tỏ các đặc tính năng lượng của hệ Từ đó, việc thiết kế cấu trúc điều khiển được thực hiện một cách trực tiếp và có tính hệ thống (systematic) EMR được khởi nguồn từ những năm 2000 và sau đó liên tục được phát triển cho nhiều ứng dụng phong phú như: hệ truyền động điện nhiều máy điện song song, năng lượng gió, máy điện nguồn kép DFIG, hệ hoá – nhiệt – điện trong fuel cell, động cơ đốt trong, nguồn năng lượng cho ô tô điện, hệ truyền động nhiều nguồn cấp, tàu điện metro, tàu điện đường dài và nhiều ứng dụng khác Các thông tin liên quan đến EMR có thể xem tại đây: http://www.emrwebsite.org/

EMR là một công cụ mô tả mô hình của đối tượng dựa trên biểu diễn đồ họa để mô tả các hệ thống điện-cơ phức tạp EMR dựa trên nguyên lý "Action-Reaction" để biểu diễn sự kết nối của các hệ thống theo quan hệ nhân quả có tính chất vật lý (ví dụ: quan hệ tích phân…) EMR giúp làm nổi bật các đặc tính năng lượng của hệ thống (tích lũy, biến đổi và phân phối năng lượng) Hơn nữa, việc điều khiển dựa vào biến

52 đổi nghịch đảo mô hình có thể được thực hiện một cách có hệ thống từ các luật nghịch đảo cụ thể sẽ được trình bày dưới đây

So sánh với những công cụ biểu diễn khác, ví dụ như Bond Graphs hoặc Causal Ordering Graphs (COG), EMR có cách nhìn về biến đổi năng lượng một cách tổng quát hơn và giúp cho việc thiết kế các bộ điều khiển của hệ thống mạch lạc hơn EMR khác với các công cụ mô hình hóa cấu trúc (ví dụ như Physic Modelling Language (PML) sử dụng ngôn ngữ mô hình hướng đối tượng làm cho các thư viện của nó bị ràng buộc như các phần tử vật lý) EMF tập trung vào chức năng hệ thống (chức năng này phụ thuộc vào cách phân loại phần tử sẽ trình bày dưới đây) chứ không chỉ tập trung vào cấu trúc của hệ thống EMR giúp ta có cái nhìn sâu sắc về việc vận hành năng lượng thực tế của các hệ thống điều khiển tự động và sự hiểu sâu về góc nhìn động học của hệ thống

Một cách ngắn gọn, tính năng đặc biệt của EMR nằm ở sự rõ ràng về các khái niệm vật lý cũng như là quan hệ nhân quả trong vật lý, mô hình hóa dựa trên chức năng thay vì dựa trên cấu trúc Do đó, việc này sẽ giúp đáng kể trong việc thiết kế hệ điều khiển và quản lý năng lượng của các hệ thống dễ dàng

EMR là một sự mô tả, biểu diễn hệ thống điều khiển: Nó là cách để tổ chức các mô hình của các hệ thống con để tăng một số tính chất của hệ thống Trước khi xây dựng EMR của một hệ thống, cần phải xét đến các giả thiết đúng tùy thuộc vào yêu cầu kỹ thuật Một ví dụ đó là biểu diễn không gian trạng thái mà ở đó cấu trúc toán học của các phương trình toán học nhằm làm nổi bật một số đặc tính động học cho việc phân tích và điều khiển hệ thống Hoặc như các khối sử dụng biến đổi Laplace là một sự biểu diễn đồ họa cho các hệ thống động học Tuy nhiên, EMR sẽ có tính tổng quát hơn và hệ thống hơn là các cách biểu diễn trước đây

2.2.1.D Quan hệ nhân quả vật lý

Nguyên lý của quan hệ nhân quả đó là đầu ra của một hệ thống động học là một hàm tích phân của các tín hiệu đầu vào Còn đạo hàm là một phép toán mà không thể sử dụng trong điều khiển thời gian thực (dễ làm cho tín hiệu đầu ra không ổn định và

53 đi đến vô cùng) Ngược lại với Bond Graph (biểu diễn đồ họa cấu trúc), EMR quan hệ nhân quả (nguyên hàm tích phân) là duy nhất

Sự biểu diễn về mặt chức năng của hệ thống bao gồm các hàm toán học biểu diễn các hệ thống con (ví dụ như mô hình không gian trạng thái) Ngược lại, biểu diễn cấu trúc bao gồm các phần tử vật lý tập trung vào cấu trúc hệ thống (ví dụ như Bond Graph) Bởi vì mục đích của EMR là xác định một cách có hệ thống cấu trúc điều khiển của một hệ thống, EMR là sự biểu diễn chức năng

2.2.1.F Nhận thức có hệ thống và nguyên lý tương tác

Hệ thống nhận thức là khoa học về sự tương tác giữa một hệ thống và môi trường xung quanh nó Một hệ thống là một tập hợp các hệ thống con có sự tương tác được thiết kế nhằm một mục tiêu chung Do đó, nguyên lý tương tác là cốt lõi trong hệ thống Trong hệ thống nhận thức, các hệ thống con là đã biết Bởi vì EMR nhằm đưa ra các biến đổi năng lượng hiệu quả trong mỗi hệ thống con, EMR đã được phát triển trong hệ thống nhận thức

Trong nguyên lý nghịch đảo, các bộ điều khiển thực chất là sự nghịch đảo của mô hình hệ thống Một số sự nghịch đảo có thể trực tiếp có được, một số khác yêu cầu một vòng kín EMR đưa ra một cấu trúc điều khiển có hệ thống từ hai nhóm nghịch đảo trên

2.2.2 Nội dung cơ bản về EMR

2.2.2.A Các phần tử cơ bản trong hệ thống EMR

Một hệ thống có thể được phân tích thành các hệ thống nhỏ có sự tương tác với nhau bằng cách sử dụng 4 phần tử cơ bản EMR như sau:

- Phần tử nguồn năng lượng (Energy source) được biểu diễn bằng hình ô van màu xanh (Ví dụ: Pin, ắc quy, lưới điện…) như dưới đây:

- Phần tử tích lũy năng lượng (Accumulation element) được biểu diễn bằng hình chữ nhật màu da cam có đường chéo như dưới đây:

- Phần tử biến đổi năng lượng (Conversion element) không lưu trữ năng lượng được biểu diễn bằng các hình vuông hoặc tròn màu da cam như dưới đây:

- Phần tử ràng buộc (Coupling element) dùng phân phối năng lượng được biểu diễn bởi các hình vuông hoặc tròn màu da cam lồng vào nhau như dưới đây:

2.2.2.B Nguyên lý về quan hệ nhân quả

Quan hệ tích phân được đề cập trong phương pháp EMR Điều này giúp xác định các phần tử tích lũy năng lượng bằng các mối liên hệ phụ thuộc vào thời gian giữa các biến của hệ thống, khi đó đầu ra là tích phân của các đầu vào Các phần tử

55 khác được mô tằng bằng các quan hệ không phụ thuộc vào thời gian Để đảm bảo quan hệ nhân quả tích phân thì các luật kết hợp các phần tử được đưa ra

Việc nghịch đảo dựa trên nguyên lý điều khiển đã được đưa ra bởi Causal Ordering Graph [Hautier 2016] Cấu trúc điều khiển của một hệ thống được xem như nghịch đảo mô hình của hệ thống đang xét bởi việc điều khiển phải xác định các tín hiệu đầu vào phù hợp để tạo ra đầu ra mong muốn

Trong phương pháp này, các mối quan hệ không phụ thuộc vào thời gian sẽ được nghịch đảo trực tiếp (không cần đến bộ điều khiển hoặc các tín hiệu đo)

Kết luận

- Chương 2 đã xây dựng mô hình toán học

- Đã sử dụng EMR để biểu dễ mô hình toán học theo biến đổi năng lượng, có tính logic cao và dễ dàng thiết kế các bộ điều khiển

- Sử dụng EMR giúp kiểm tra lỗi khi điều khiển một cách dễ dàng

ĐIỀU KHIỂN HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN NĂM PHA

Điều khiển trong chế độ bình thường

3.1.1 Lựa chọn phương pháp điều khiển

Do tính ổn định và cấu trúc đơn giản nên hệ điều khiển động cơ DC được ưa chuộng trong một khoảng thời gian dài Nhưng hiện nay với phương thức điều khiển theo từ thông, hệ thống điều khiển động cơ PMSM 5 pha cũng có thể điều khiển độc lập từ hai thành phần dòng tạo từ thông và dòng tạo moment

Thông qua việc chuyển từ vector không gian 5 pha sang hệ tọa độ từ thông, lúc này việc điều khiển động cơ PMSM 5 pha được tính toán tương tự như điều khiển động cơ DC Hệ truyền động điều khiển dựa trên từ thông làm việc dựa vào sự phân chia hai dòng điện thành hai thành phần điều khiển riêng biệt như trên Cụ thể là thành phần dòng i sd là đại lượng l o ổn định từ thông và khi đã giữ được từ thông là hằng số thì i sq sẽ giữ nhiệm vụ điều chỉnh moment Chính vì lý do này mà người ta gọi đây là phương thức điều khiển dựa trên từ thông Phương thức điều khiển dựa theo từ thông rotor thuộc lớp các phương pháp điều khiển vector đối với máy điện Với sự phát triển như vũ bão của kỹ thuật vi xử lý/vi điều khiển và vi xử lý tín hiệu ứng dụng trong hệ truyền động điều khiển dựa trên từ thông, hiện nay đã có những hệ truyền động điện thông minh như nhận dạng thích nghi tham số, điều khiển tối ưu trạng thái động cơ … giúp hệ thống có thể nhận dạng và thích nghi trực tuyến (On-Line) các thông số phụ thuộc nhiều vào trạng thái vận hành của hệ thống mà phương thức nhận dạng Off-Line trước đây gặp rất nhiều khó khăn như hằng số thời gian rotor, mức độ bão hoà từ, nhiệt độ môi trường làm việc … từ đó phục vụ con người ngày một tốt hơn Phương pháp điều khiển định hướng từ trường với nguồn nghịch lưu áp: Mô hình mô phỏng điều khiển động cơ cảm ứng năm pha theo phương pháp điều khiển định hướng từ thông rôto

Hình 3 1 Sơ đồ điều khiển động cơ PMSM bằng phương pháp điều khiển FOC

Thiết kế bộ điều khiển PI dựa trên các thành phần cơ bản:

Chỉ các thành phần cơ bản mới được cân nhắc ở bước này Trong phần này, chỉ số dưới “1” và “3” lần lượt đối với các bộ phận cơ bản và bộ phận điều hòa sẽ bị giảm Do vậy, tất cả các biến số và thông số trong phương trình được trình bày trong mục này là các đại lượng cơ bản

Hàm truyền đối với bộ điều khiển PI (tích hợp tỉ lệ) được biểu diễn bằng công thức sau:

Giá trị của 𝜔 0 được tính toán dựa theo công thức:

Khâu hiệu chỉnh tốc độ (PID):

Tác dụng của mạch hiệu chỉnh vòng tốc độ dùng khâu PID nhằm mục đích: ổn định hệ thống và hiệu chỉnh hệ số đệm của đáp ứng quá độ tốc độ ở giới hạn mong muốn, giúp đạt sai số tĩnh giữa tốc độ đặt và tốc độ hồi tiếp bằng 0 nhờ khâu tích phân và lọc nhiễu Điều này giúp thời gian quá độ ngắn, độ vọt lố nhỏ và chống quá dòng điện

Các bộ hiệu chỉnh PID được ứng dụng nhiều trong công nghiệp dưới dạng các thiết bị điều khiển hay thuật toán phần mềm Hàm truyền của bộ điều khiển PID có dạng:

Kp, K D , K I là các hằng số thực s: là toán tử Laplace

Phương trình vi tích phân mô tả mối tương quan giữa tín hiệu ra u(t) với tín hiệu vào e(t) của bộ điều khiển PID là:

Trong đó e(t) là sai lệch trong hệ thống: e(t)= r(t) – c(t).Với r(t) là tín hiệu vào và c(t) là đáp ứng đầu ra của hệ thống

Việc thiết kế khâu hiệu chỉnh là xác định các giá trị của KP, K D , K I sao cho hệ thoả mãn các yêu cầu về chất lượng của hệ thống.Bộ hiệu chỉnh vi tích phân tỉ lệ PID kết hợp các ưu điểm của bộ PI và PD nhằm cải thiện đáp ứng quá độ đồng thời tăng độ chính xác của hệ thống Coi bộ điều khiển PID gồm bộ PI nối tiếp với bộ PD:

Chỉ xét ảnh hưởng của thành phần P I và chọn giá trị K P2 và K I2 sao cho hệ thống thoả mãn yêu cầu về thời gian tăng tốc Không quan tâm đến vọt lố ở đây, sai số sai số xác lập được cải thiện nhờ có khâu tích phân

Sử dụng PD để giảm vọt lố, chọn giá trị KP từ điều kiện ổn định, đáp ứng quá độ dao động tắt dần

Từ thông móc vòng rotor trong hệ tọa độ rô to trong trục d, kết quả λqr = 0 (do λr vuông góc với trục q), từ đó momen điện từ tương tự như biểu thức momen của động cơ một chiều Vì thế, mômen điện từ và từ thông rôto được điều khiển độc lập bởi các thành phần q vàd của dòng stator cùng với tần số biến đổi Biểu thức cuối cùng là:

 dr * là từ thông rotor đặt

Khi đó, ta tiến hành phân tách máy thực PMSM 5 pha thành 3 máy ảo:

Hình 3 2 Sơ đồ phân tách máy thực PMSM 5 pha

+ Máy ảo thứ nhất chứa các sóng hài bậc 5k+1 ( 1,9,11,…)

+ Máy ảo thứ hai chứa các sóng hài bậc 5k ±2 ( 3,7,13,…)

+ Máy thứ tự không chứa các sóng hài bậc 5k ( 5,15,25,…)

Qua ma trận biến đổi [𝑇 𝐶𝑙𝑎𝑟𝑘𝑒 ] (5x5), ta phân tích các dòng điện ia, ib, ic, id, ie trong hệ tọa độ tự nhiên thành các dòng điện 𝑖 𝛼1 , 𝑖 𝛽1 , 𝑖 𝛼3 , 𝑖 𝛽3 , 𝑖 0 trong hệ tọa độ 𝛼 −

𝛽 , và qua ma trận biến đổi [𝑇 𝑃𝑎𝑟𝑘 ] (5x5) chuyển các dòng điện 𝑖 𝛼1 , 𝑖 𝛽1 , 𝑖 𝛼3 , 𝑖 𝛽3 , 𝑖 0 thành các dòng điện id1, iq1, id2, iq2, iz trong hệ tọa độ d-q.

Ta có ma trận biến đổi dòng điện trong hệ tọa độ tự nhiên sang hệ tọa độ 𝛼 − 𝛽 :

Với R1, R2, R3, R4, R5 là các vectorr trực giao

Hình 3 3 Hai máy ảo thứ nhất và thứ hai độc lập với nhau

Ma trận biến đổi dòng điện từ hệ 𝛼 − 𝛽 sang hệ tọa độ d-q :

Dòng điện trong hệ tọa độ d-q :

Hình 3 4 Dòng điện trong hệ tọa độ d-q

Từ hình 3.4 ta thấy, dòng điện trong hệ tọa độ d-q là hằng số, dòng điện iz=0 (A) do động cơ được nối hình sao Do đó, ta sử dụng phương pháp PID để điều khiển

Ta có mô hình trong MATLAB như sau:

Hình 3 5 Mô hình mô phỏng điều khiển trong MATLAB

Khối mô tả máy thực:

Hình 3 6 Khối mô tả máy thực trong MATLAB

Khối chuyển đổi dòng điện từ 𝛼 − 𝛽 sang d-q:

Hình 3 7 Khối chuyển đổi dòng điện 𝛼 − 𝛽 sang d-q

Khối chuyển đổi sức điện động từ alpha-beta sang d-q:

Hình 3 8 Khối chuyển đổi sức điện động từ 𝛼 − 𝛽 sang d-q

Ta có thông số hệ truyền động của máy:

Bảng 3 1 Thông số hệ truyền động

Tham số Đơn vị Giá trị Điện trở stator Rs Ω 0.0324

Hỗ cảm M2 mH -1.3 Điện áp 1 chiều DC-bus V 48

Thời gian tớnh toỏn tối đa àS 1000

Ta có mô hình bộ điều khiển dòng điện trong MATLAB:

Hình 3 9 Bộ điều khiển dòng điện trong MATLAB hình bộ điều khiển PI dòng điện id1:

Hình 3 10 Khối điều khiển PI của i d1

Mô hình bộ điều khiển PI iq1:

Hình 3 11 Khối điều khiển PI của i q1

0 Mô hình bộ điều khiển PI id2:

Hình 3 12 Khối điều khiển PI của i d2

Mô hình bộ điều khiển PI iq2:

Hình 3 13 Khối điều khiển PI của i q2

Các thông số bộ điều chỉnh PI:

Bảng 3 2 Thông số các bộ điều chỉnh PI

Bộ điều chỉnh PI dòng điện với Anti_Windup

Main Machine kbo_bf_ip_d1 4.4706 kppd1 0.2573

Tii_pd1 0.0014 kbo_bf_ip_q1 3.5137 kppq1 0.1953

Secondary Machine kbo_bf_is_d3 6 kpsd3 0.3564

Tii_sd3 0.0014 kbo_bf_is_q3 5.9608 kpsq3 0.3539

Homopolar Machine kbo_bf_ih 3 kpph 0.1620

+ Đồ thị mô phỏng dòng điện các pha iabcde ở chế độ bình thường:

Hình 3 14 Đồ thị mô phỏng dòng điện các pha ở chế độ bình thường

Hình 3 15 Đồ thị mô phỏng Momen ở chế độ bình thường

Hình 3 16 Đồ thị mô phỏng dòng điện idq1_ref ở chế độ bình thường

Hình 3 17 Đồ thị mô phỏng dòng điện idq2_ref ở chế độ bình thường

Hình 3 18 Đồ thị mô phỏng dòng điện id1 ở chế độ bình thường

Hình 3 19 Đồ thị mô phỏng dòng điện iq1 ở chế độ bình thường

Hình 3 20 Đồ thị mô phỏng dòng điện id2 ở chế độ bình thường

Hình 3 21 Đồ thị mô phỏng dòng điện iq2 ở chế độ bình thường

Điều khiển trong chế độ lỗi

Luận văn này nghiên cứu các chiến lược điều khiển sử dụng ma trận biến đổi có điều kiện khi máy điện 5 pha vận hành trong sự cố một pha hở Ý tưởng cơ bản của các phương pháp này là duy trì từ trường quay trong các điều kiện không đối xứng giống như trong điều kiện bình thường bằng cách xác định các ma trận biến đổi mới Kích thước của các ma trận mới bằng với số lượng các pha bình thường còn lại trong điều kiện sau sự cố Đã có nhiều cách khác nhau để xác định ma trận biến đổi mới được áp dụng cho các loại máy năm pha khác nhau trong những thập kỷ gần đây Trong nghiên cứu này sẽ trình bày tổng quan và phân tích về các phương pháp này Ngoài ra, những ưu điểm và nhược điểm của các chiến lược kiểm soát này được làm rõ bằng kết quả số

3.2.2 Các phương pháp điều khiển chịu lỗi bằng cách sử dụng giảm bậc ma trận chuyển đổi

A.Tổng quan về các phương pháp hiện nay Ở chế độ bình thường, ba không gian con     1 1 , 3 3 và thứ tự không tương ứng kết hợp với sóng hài bậc một, bậc ba và bậc năm là vuông góc lẫn nhau, điều này làm cho các dòng điều khiển trong các không gian con này là độc lập Do đó, mô- men xoắn không đổi dễ dàng được tạo ra ngay cả khi các sức điện động chứa các sóng hài thứ nhất, thứ ba và thứ năm Khi pha a hở mạch (hình 1), sóng hài đầu tiên của dòng điện tương tác với tất cả các sóng hài của lực điện động Kết quả là, một điều kiện không đối xứng trong trường quay xuất hiện và các xung mô-men xoắn được tạo ra Các tham chiếu hiện tại áp đặt của chế độ bình thường thường không phù hợp trong trường hợp này; do đó, các tài liệu tham khảo hiện tại này cần được sửa đổi ở chế độ xuống cấp [177] Ý tưởng cơ bản của các phương pháp này là bảo toàn M M.F hình sin trong các điều kiện không đối xứng Trong [163], h Ryu et al Giới thiệu các ma trận biến đổi mới cho các máy PMSM năm pha theo khái niệm rằng mọi thành phần hài của dòng điện và điện áp, có thể đóng góp tích cực vào mô-men xoắn, có thể được biểu diễn tương đương dưới dạng các thành phần một chiều ngay cả trong điều kiện sự cố không đối xứng Do đó, các dòng điện cơ bản trong hệ quy chiếu d-q

84 được giữ cố định như trong trường hợp cường hóa với các ma trận biến đổi mới H Guzman et al Trong [164], [165] đề xuất các ma trận biến đổi mới cho máy điện cảm ứng 5 pha để bảo toàn các mô hình đối xứng của điện trở, điện cảm rò và EMF ngược với các hệ số bất biến theo thời gian trong điều kiện sự cố không đối xứng Trong

[166], [167], b Tian et al Xây dựng mô hình dựa trên khái niệm tương tự như các nghiên cứu trong [164], [165] cho máy PMSM 5 pha sử dụng điều khiển kiểu trượt để loại bỏ xung tốc độ Trong [158], [159], h.zhou et al Phát triển các ma trận biến đổi bậc giảm vuông góc mới có nguồn gốc từ các tham chiếu chịu lỗi Những nghiên cứu này sử dụng điều khiển hướng trường khắc phục hậu quả (RFOC) Trong [170], một chiến lược kiểm soát được đề xuất bởi a Seck et al Cho một máy phát đồng bộ nam châm vĩnh cửu với một pha hở bằng cách áp dụng khung thuật toán chung dựa trên kinh nghiệm (PSO- Particle Swarm Optimization) để tìm các phần tử của ma trận biến đổi mới Tất cả các nghiên cứu ở trên đã không xem xét các máy EMF ngược không sin cũng như các tham chiếu hiện tại không sin Trong các phương pháp đó, chỉ các dòng điện cơ bản không thể loại bỏ các gợn mô-men xoắn với các EMF ngược không sin Vì vậy, g Liu et al Trong [171] đề xuất một mô hình mới cho các máy EMF ngược không sin Các gợn sóng mô-men xoắn gây ra bởi từ thông khe hở không khí điều hòa thứ ba được phân tích và loại bỏ bằng cách đặt các dòng điều hòa thứ ba trong toạ độ quay Phần tiếp theo sẽ phân tích các phương pháp này với nhiều chi tiết hơn và máy năm pha được mô tả trong bảng 1 được sử dụng để xác nhận

Hình 3 22 Điều kiện không đối xứng của từ trường quay của máy điện năm pha khi pha a hở mạch

Bảng 3 3 Thông số điện của bộ biến đổi và máy

Thông số Giá trị Điện trở Stator R    1.4 Điện cảm pha L (mH) 10.1

Hệ số tự cảm bù M1 (mH) 3.1

Hệ số tự cảm bù M2 (mH) -1.05

Hệ số tự cảm bù M3 (mH) -5.3

Biên độ chuẩn hóa tốc độ của sóng điện từ điều hòa thứ nhất Em1 (V/rad/s) 1

Biên độ chuẩn hóa tốc độ của sóng điện từ điều hòa bậc 3 Em3 (V/rad/s) 0.32

B.Phân loại các phương pháp giảm bậc ma trận chuyển đổi

Khi mở pha a thì cường độ dòng điện qua pha a bằng không; do đó, ma trận biến đổi Clarke từ phương trình (3.3) trở thành [T Clarke ' ] như được biểu thị trong phương trình (3.6) Sự kết hợp giữa dòng điện cơ bản và dòng điện hài bậc ba được thể hiện như thế nào trong phương trình (3.7)

' Clarke cos cos 2 cos 2 cos sin sin 2 sin 2 sin

Các vectơ hàng thứ nhất, thứ ba và thứ năm của ma trận [T Clarke ' ] trong phương trình (3.6) không còn trực giao với nhau Do đó, sóng hài thứ ba của dòng điện không thể tạo ra trường quay độc lập với sóng hài thứ nhất; do đó, các thành phần thứ ba là hậu quả của các dòng điện hài thứ nhất, dẫn đến các gợn sóng mô-men xoắn và dòng điện không kiểm soát được Một ma trận biến đổi mới T Clarke 1 cần được xác định với thứ nguyên của nó bằng với số pha khỏe mạnh còn lại (4 nhân 4) như trong phương trình (3.8) Bằng cách sử dụng ma trận T Clarke 1 , dòng các pha khỏe trong hệ quy chiếu tự nhiên được chiếu lên không gian αβz0 bao gồm mặt phẳng tĩnh cơ bản α-β (i ,i   ), không gian con z (iz) và không gian con dãy không (𝑖0) Để điều khiển dòng điện trong các không gian con mới một cách độc lập (không ghép nối giữa hai không gian con này), mặt phẳng cơ bản mới α-β cần vuông góc với không gian con 𝑧 ngay cả khi iz được áp đặt bằng không Nghĩa là 3 vectơ hàng đầu tiên của ma trận biến đổi mới

 phải vuông góc với nhau Tính vuông góc của vectơ hàng thứ tư của   T Clarke 1   với các vectơ hàng khác là không bắt buộc vì dòng điện thứ tự không (i0) rõ ràng bằng

0 do cuộn dây được nối dây

Trong đó i ,i ,i ,i ' b ' c d ' ' e là các dòng điện pha mới trong toạ độ tự nhiên của máy năm pha Có một số cách để tìm ma trận biến đổi mới T Clarke 1 để bảo toàn dòng điện hình sin trong toạ độ α-β, dẫn đến dòng điện không đổi trong toạ độ d-q trong sự cố hở một pha Điều đó có nghĩa là các dòng điện i  và i  tạo thành một đường tròn như trong Hình 2 Năm phương pháp sử dụng ma trận biến đổi mới trong các chế độ lỗi sẽ được phân tích trong phần này và được tóm tắt trong Bảng 2 Trong các phương pháp (1-4), một Park mới ma trận biến đổi trong phương trình (3.9) được sử dụng để

87 chuyển đổi dòng điện và EMF ngược thành toạ độ d-q, chỉ xem xét các thành phần cơ bản Phương pháp (5) áp dụng một ma trận bổ sung trong phương trình (20) cho các thành phần điều hòa thứ ba

1 Park cos sin 0 0 sin cos 0 0

Phương pháp trong [163] được đề xuất cho PMSM năm pha EMF ngược hình sin với ma trận biến đổi mới   T Clarke 1   như thể hiện trong phương trình (9) bằng cách loại bỏ hàng thứ ba của phương trình (3.6) Lý do cho sự loại bỏ này là sự ghép nối giữa dòng hài thứ nhất và thứ ba như được biểu thị trong phương trình (3.7) Để đơn giản, tất cả các phần tử của vectơ hàng thứ năm được đặt thành 1 mà không làm mất tính vuông góc Sau đó, hàng đầu tiên được điều chỉnh bằng cách thêm một hệ số x với mục đích bảo toàn tính vuông góc của ma trận   T Clarke 1  và điều chỉnh tính đối xứng của các EMF ngược trong các chế độ giảm cấp Thật vậy, ba vectơ hàng đầu tiên trong phương trình (3.10) luôn vuông góc với nhau bất kể giá trị của x vì tích vô hướng của chúng luôn bằng 0 (𝑅 1 ⊥ 𝑅 2 ⊥ 𝑅 3 )

+ R 1 -R 2 : Các vectơ đại diện cho sóng hài cơ bản

+ R 3 : Mục đích tối ưu (Thay đổi dạng sóng của dòng pha (tổn thất))

+ 𝑥: Tham số thay đổi tính trực giao của vectơ R1 R2 R3 ( x rất hữu ích khi các pha khác bị hở mạch) ( 𝑥 =0,25 trong [158] hoặc -1 trong [159]-[162])

Bảng 3 4 Tổng hợp các phương pháp sử dụng ma trận biến giảm bậc

Tài liệu tham khảo x Máy sử dụng Vuông góc

1 [163] 0.25 Hình sin back-EMF PMSM Yes

Máy cảm ứng trong [164], [165] và PMSM EMF ngược không sin trong [166], [167]

3 [168],[169] Hình sin back-EMF PMSM Yes

4 [170] Hình sin back-EMF PMSM No

5 [171] -1 PMSM back-EMF không sin No

Hình 3 23 Các tham chiếu hiện tại trong toạ độ α-β cơ bản trong điều kiện sau sự cố với bất kỳ giá trị nào của x trong phương pháp 1 và 2

Hình 3 24 Các EMF nền cơ bản được chuẩn hóa trong toạ độ α-β với các giá trị khác nhau của x trong phương pháp 1 và 2

Tuy nhiên, vectơ hàng thứ nhất và thứ tư của T Clarke 1 chỉ vuông góc khi 𝑥 bằng 0,25 Ngoài ra, biểu thức của dòng điện i  trong phương trình (3.11) cho thấy hệ số

𝑥 không thể ảnh hưởng đến hình chiếu của dòng điện lên toạ độ α-β cơ bản vì tổng các dòng điện pha bình thường còn lại luôn bằng không Tuy nhiên, có một dạng sóng không đối xứng của các EMF ngược trong toạ độ mới α-β như trong Hình 3.3a Lý do là tổng các EMF trở lại trong các giai đoạn bình thường không bằng không Do đó, từ phương trình (3.12), giá trị của 𝑥 ảnh hưởng đến đặc tính đối xứng của các EMF ngược

Clarke cos x cos 2 x cos 2 x cos x R1 sin sin 2 sin 2 sin R2

+ Dòng điện các pha ở chế độ bình thường:

Hình 3 25 Dòng điện các pha ở chế độ bình thường

+ Dòng điện các pha khi pha a hở mạch:

Hình 3 26 Dòng điện các pha khi ia=0

Phương pháp trong [164]–[167], được phát triển từ [163], được áp dụng cho máy nam châm vĩnh cửu và cảm ứng năm pha có hệ số 𝑥 trong phương trình (3.10) bằng −1 Trong [164], [165], đối với máy cảm ứng, các hình chiếu của dòng điện, điện áp và EMF ngược lên toạ độ cơ bản mới α-β thu được với đặc tính đối xứng Các EMF ngược trong không gian con α-β tạo thành một vòng tròn với 𝑥 = −1 như được vẽ trong Hình 3b Tuy nhiên, vectơ hàng thứ tư không trực giao với vectơ hàng đầu tiên nữa, nhưng nó không ảnh hưởng đến việc kiểm soát dòng điện trong không gian con cơ bản mới do tổ đấu dây hình sao Các tác giả trong [166], [167] áp dụng các ma trận biến đổi giống như trong [164], [165] nhưng đối với PMSM EMF ngược

91 không sin Bởi vì các thành phần cơ bản của dòng điện tương tác với các điện từ trường sóng hài thứ ba, dẫn đến các gợn sóng mô-men xoắn Do đó, một điều khiển chế độ trượt cho tốc độ được sử dụng Tuy nhiên, gợn sóng mô-men xoắn cũng như xung tốc độ vẫn tồn tại

Trong [168], [169], ma trận biến đổi mới được đề xuất cho PMSM năm pha EMF ngược hình sin theo (3.6) mà không có hệ số x bổ sung như trong phương trình (3.13)

3 Clarke cos0.5 cos2 cos2 cos0.5 3.618 3.618 3.618 3.618 R1 sin 0.5 sin2 sin2 sin 0.5 R2

Trong đó e  z0    e  e  e z e 0   và i  z0    i  i  i z i 0   lần lượt là EMF ngược và các vectơ dòng điện trong các không gian con tĩnh mới;

' b c d e e    e e e e   và i '    i ' b i ' c i ' d i ' e   là EMF ngược và các vectơ hiện tại trong hệ quy chiếu tự nhiên tương ứng

Tất cả các vectơ hàng trong phương trình (3.13) vuông góc với nhau khi mọi hàng của ma trận trong phương trình (3.6) được sửa đổi Hai vectơ hàng đầu tiên được lấy dựa trên các tham chiếu hiện tại trong toạ độ tự nhiên trong [178] như trong Hình 3.27 Các góc pha của dòng điện c và dòng điện d không thay đổi trong khi các góc của pha b và pha e được dịch chuyển 0,5𝛿 so với sang trường hợp bình thường để bù dòng điện tổn thất ở pha a Mô-men xoắn tương tự như ở chế độ bình thường có thể được bảo toàn bằng cách tăng biên độ của dòng điện mới cao hơn 1,382 lần so với biên độ ở chế độ bình thường