Điều khiển động cơ 5 pha bằng phương pháp mô hình dự báo điện áp điều khiển trực tiếp

Bài báo này trình bày giải thuật điều khiển động cơ cảm ứng năm pha bằng phương pháp mô hình dự báo điện áp điều khiển trực tiếp. Giải thuật dựa trên việc tối thiểu hóa hàm mục tiêu tính toán sai số giữa giá trị tham chiếu và giá trị thực của các thành phần trực tiếp và thành phần trên trục d-q của điện áp stator. Các giá trị tham chiếu của thành phần điện áp stator trên trục d-q đạt được thông qua việc kết hợp điều khiển deadbeat của mô hình dự báo. Thuật toán điều khiển trực tiếp điện áp của stator giúp việc điều khiển đơn giản, tiết kiệm thời gian tính toán và giảm tổn thất.

JSLHU JOURNAL OF SCIENCE OF LAC HONG UNIVERSITY ISSN 2525-2186 https://tapchikhoahoc.lhu.edu.vn Tạp chí Khoa học Lạc Hồng; 2021, 13, x-y Điều Khiển Động Cơ Pha Bằng Phương Pháp Mô Hình Dự Báo Điện Áp Điều Khiển Trực Tiếp Nguyễn Cường Phi1a, Phạm Hồng Sơn1b, Võ Ngọc Vinh2c, Nguyễn Vũ Quỳnh1d* Khoa Cơ điện – Điện tử, Trường Đại học Lạc Hồng, Biên Hòa, Đồng Nai, Việt Nam Trung tâm Nghiên cứu Khoa học Ứng dụng, Trường Đại học Lạc Hồng, Biên Hòa, Đồng Nai, Việt Nam aNguyencuongphi@lhu.edu.vn, bHongson@lhu.edu.vn, cngocvinh2710@gmail.com, dvuquynh@lhu.edu.vn Received: 18 February 2021; Accepted: 11 March 2021 TĨM TẮT Bài báo trình bày giải thuật điều khiển động cảm ứng năm pha phương pháp mơ hình dự báo điện áp điều khiển trực tiếp Giải thuật dựa việc tối thiểu hóa hàm mục tiêu tính tốn sai số giá trị tham chiếu giá trị thực thành phần trực tiếp thành phần trục d-q điện áp stator Các giá trị tham chiếu thành phần điện áp stator trục d-q đạt thông qua việc kết hợp điều khiển deadbeat mơ hình dự báo Thuật toán điều khiển trực tiếp điện áp stator giúp việc điều khiển đơn giản, tiết kiệm thời gian tính tốn giảm tổn thất TỪ KHỐ: Động cảm ứng pha, Thuật tốn điều khiển, Mơ hình dự báo, Điều khiển điện áp ABSTRACT This paper presents model predictive voltage control algorithm for a five-phase induction motor The algorithm based on minimization of the cost function calculates the error between the reference value and the actual value of the stator voltage's direct and quadrature axes components The stator voltage component's reference values on the d-q axis are achieved through the deadbeat control combination of the predictive model The proposed algorithm makes control simple, saves computation time, and reduces losses KEYWORDS: Five phase induction motor, Control algorithms, Model predictive, Voltage control GIỚI THIỆU Trong năm gần đây, loại động nhiều pha tập trung nghiên cứu chúng có nhiều ưu điểm trội so với loại động xoay chiều pha thông thường [1] Những ưu điểm động nhiều pha liệt kê hiệu suất cao, moment mượt, giảm độ dao động tín hiệu điều khiển, giảm dịng điện pha stator giảm tỉ lệ lỗi trình hoạt động [2] Tất ưu điểm thúc đẩy cộng đồng doanh nghiệp sử dụng động nhiều pha ứng dụng địi hỏi cơng suất động lớn hàng không, thiết bị hải quân [3] Trong loại động nhiều pha quen thuộc động cảm ứng pha [4] Nhiều giải thuật điều khiển động cảm ứng pha nghiên cứu nhằm mục đích đạt hiệu tối ưu giảm độ dao động, hiệu suất cao dễ thực Phương pháp điều khiển moment xoắn trực tiếp điều khiển tựa từ thông sử dụng hầu hết điều khiển động [5] Cả hai kỹ thuật góp phần làm tăng hiệu suất hoạt động động cảm ứng pha bên cạnh phát sinh số vấn đề Ví dụ phương pháp điều khiển tựa từ thông, độ phức tạp hệ thống tuỳ thuộc vào mức độ xác định xác hệ số ki, kp điều khiển PI Việc sử dụng điều khiển PI làm giảm khả đáp ứng nhanh hệ thống Mặt khác, phương pháp điều khiển moment xoắn trực tiếp giảm độ phức tạp hệ thống giúp cho hệ thống tác động nhanh với thay đổi Tuy nhiên giải pháp tạo dao động biến điều khiển [6] Để khắc phục vấn đề nêu trên, chúng tơi đề xuất mơ hình dự báo điện áp điều khiển trực tiếp cho động pha cảm ứng không sử dụng cảm biến Giải thuật đề xuất dựa việc sử dụng hàm mục tiêu, bao gồm hai thành phần giá trị chênh lệch giá trị tham chiếu điện áp stator trục d-q giá trị thực tế tương ứng Thông qua kiểm tra hàm mục tiêu, biến số hàm mục tiêu điện áp cung cấp cho động truy cập trực tiếp mà mà khơng cần phải ước lượng Giải thuật giúp giảm thời gian tính tốn hàm mục tiêu, giảm thời gian chuyển mạch tổn thất công suất chuyển mạch Hơn điều khiển làm việc trực tiếp với điện áp stator, điều giúp cho đáp ứng hệ thống nhanh NỘI DUNG 2.1 Mơ hình tốn học động cảm ứng pha Thơng qua việc áp dụng nguyên tắc điều khiển tựa từ thơng rotor, phương trình mơ tả động lực điện động cảm ứng pha biểu diễn hệ quy chiếu (d-q-x-y) phương trình sau: 𝑟𝑓 𝑑𝜓𝑑𝑟,𝑘 𝑑𝑡 𝑟𝑓 𝑑𝜓𝑞𝑟,𝑘 𝑑𝑡 𝑟𝑓 𝑑𝑖𝑑𝑠,𝑘 𝑑𝑡 𝑟𝑓 𝑑𝑖𝑞𝑠,𝑘 𝑑𝑡 𝑟𝑓 𝑑𝑖𝑥𝑠,𝑘 𝑑𝑡 𝑟𝑓 𝑑𝑖𝑦𝑠,𝑘 = = 𝑑𝑡 = 𝐿𝑚 𝑟𝑓 𝑖 𝜏 𝑑𝑠,𝑘 𝑟 𝑟𝑓 − 𝜓𝑑𝑟,𝑘 𝐿𝑚 𝑟𝑓 𝑖 𝜏 𝑞𝑠,𝑘 − 𝜔𝑠𝑙,𝑘 𝜓𝑑𝑟,𝑘 = 𝑟𝑓 𝑟𝑓 𝑟 (1) 𝜏𝑟 𝑟𝑓 (2) 𝑟𝑓 = 𝛾1 𝑖𝑑𝑠,𝑘 + 𝜔𝑚𝑒,𝑘 𝑖𝑞𝑠,𝑘 + 𝛾2 𝜓𝑑𝑟,𝑘 + 𝑟𝑓 𝑟𝑓 𝑟𝑓 = 𝛾1 𝑖𝑞𝑠,𝑘 − 𝜔𝑚𝑒,𝑘 𝑖𝑑𝑠,𝑘 + 𝛾2 𝜓𝑑𝑟,𝑘 + = −𝑅𝑠 𝑟𝑓 𝑖𝑥𝑠,𝑘 𝐿 + = −𝑅𝑠 𝑟𝑓 𝑖𝑦𝑠,𝑘 𝐿 + 𝑑𝑡 𝑑𝜔𝑚𝑒,𝑘 𝑑𝑡 ̅ 𝑟𝑓 𝑑𝜓 𝑟,𝑘 𝑙𝑠 = 1 𝑟𝑓 𝐿𝑡 𝑢𝑑𝑠,𝑘 𝑟𝑓 𝐿𝑡 𝑢𝑞𝑠,𝑘 𝑟𝑓 𝐿𝑙𝑠 𝐿𝑙𝑠 𝑙𝑠 𝑟𝑓 𝑟𝑓 𝛾3 𝜓𝑑𝑟,𝑘 𝑖𝑞𝑠,𝑘 𝑢𝑥𝑠,𝑘 (3) (4) (5) 𝑟𝑓 𝑢𝑦𝑠,𝑘 (6) 𝑝 − 𝑇𝑙,𝑘 (7) 𝐽 số s r biến stator rotor 𝛾1 = 𝐿2𝑚𝑅𝑟 +𝐿2𝑟𝑅𝑠 𝐿𝑡 𝐿2𝑟 , 𝛾2 = 𝐿𝑚𝑅𝑟 𝐿𝑡 𝐿𝑟 , 𝛾3 = 𝑝 𝐿𝑚 𝐽𝐿𝑟 , 𝜔𝑠𝑙 = 𝜔𝜓̅𝑟 − 𝜔𝑚𝑒 ωψ̅r tần số góc từ thơng rotor, ωme tần số góc học ωsl tần số góc trượt Các tham số R s R r điện trở stator rotor Các biến Ls , Lr , Received: February, 18, 2021 Accepted: March, 11, 2021 *vuquynh@lhu.edu.vn Nguyễn Cường Phi, Phạm Hồng Sơn, Võ Ngọc Vinh, Nguyễn Vũ Quỳnh Lm , Lls điện cảm stator, rotor, độ từ hóa điện cảm thất tương ứng Điện cảm Lt = σLs độ tự cảm tức thời stator, số σ = − L2 m Ls Lr tổng hệ số tổn thất Các tham số p J cặp cực moment L quán tính Cuối cùng, τr = r số thời gian rotor Rr Sơ đồ mạch tương đương động cảm ứng pha trình bày hình Ls Rs + −𝑟𝑓 𝑢 𝑑𝑠 _~ 𝑟𝑓 𝜔𝜓̅𝑟 𝜓𝑞𝑠 Lr -~+ Rr 𝑟𝑓 𝜔𝑠𝑙 𝜓𝑞𝑠 +~- Lm Hình Mơ hình mạch tương đương động cảm ứng pha xác định hệ quy chiếu đồng 2.3 Mơ hình tốn học quan sát Back-stepping Thuật toán back-stepping giải thuật đệ quy, hoạt động dựa lý thuyết ổn định Lyapunov Thuật toán sử dụng rộng rãi để thiết kế luật điều khiển cho hệ thống bất ổn định Phần lớn phương pháp sử dụng để quan sát trạng thái động dựa nguyên tắc back-stepping giới thiệu tài liệu chủ yếu sử dụng để ước lượng thông số điện trở cảm ứng động có diện cảm biến tốc độ Tuy nhiên, khó khăn xuất loại bỏ cảm biến tốc độ, lúc ta biết tốc độ động cơ, đặc biệt tốc độ thấp Trong báo số [7] đề suất giải pháp cải tiến tính đến việc giải hệ thống phi tuyến động cách đưa thuật ngữ giảm chấn khác vào đầu vào điều khiển Đóng góp thứ hai mà báo trình bày áp dụng quan sát back-stepping cho hệ thống có mức độ khớp nối cao biến điện từ học Ở dạng này, giá trị phi tuyến cung cấp cho hệ thống phép phụ thuộc vào kết đầu liên kết với hệ thống trạng thái hệ thống phía trên, bao gồm trạng thái không đo lường Bộ quan sát áp dụng cho động cảm ứng năm pha Bộ quan sát lấy điện áp dòng điện stator làm đầu vào để ước lượng tốc độ, từ thơng rotor dịng điện stator đầu Bộ quan sát Back-stepping có nhiệm vụ giảm chênh lệch dòng điện ước lượng dòng đo stator Chứng minh chi tiết mơ tả báo [8-9], nhóm tác giả tổng hợp lại để áp dụng cho động cảm ứng pha Giả thiết thành phần dòng điện stator đầu hệ thống mơ tả phương trình sau: 𝑦1 = 𝑥1 {𝑦 = 𝑥 (8) 2 Mơ hình quan sát back-stepping mô tả sau: 𝑥̂̇1 = −𝐴̂𝑥̂1 + 𝐾 𝐴̂𝑟 𝑥̂3 + 𝐾 𝜔 ̂𝑚𝑒 𝑥̂4 + 𝐵 𝑢𝛼𝑠 + 𝑉𝛼 𝑥̂̇2 = −𝐴̂𝑥̂2 + 𝐾 𝐴̂𝑟 𝑥̂4 − 𝐾 𝜔 ̂𝑚𝑒 𝑥̂3 + 𝐵 𝑢𝛽𝑠 + 𝑉𝛽 (9) 𝑥̂̇3 = 𝐿𝑚 𝐴̂𝑟 𝑥̂1 − 𝐴̂𝑟 𝑥̂3 − 𝜔 ̂𝑚𝑒 𝑥̂4 𝑥̂̇4 = 𝐿𝑚 𝐴̂𝑟 𝑥̂2 − 𝐴̂𝑟 𝑥̂4 + 𝜔 ̂𝑚𝑒 𝑥̂3 { Trong [𝑥1 𝑥2 𝑥3 𝑥4 ]𝑇 = [𝑖𝛼𝑠 𝑖𝛽𝑠 𝜓𝛼𝑟 𝜓𝛽𝑟 ]𝑇 𝑅𝑟 ∆𝑅𝑟 𝐴̂𝑟 = 𝐴𝑟 + ∆𝐴𝑟 = + 𝐿𝑟 𝐿𝑟 𝑅̂𝜗 = 𝑅𝑠 + 𝐿𝑚 𝜇∆𝐴̂𝑟 𝑅̂𝜗 𝑅𝜗 𝐿𝑚 𝜇 ∆𝑎𝑟 = + = 𝐴 + ∆𝐴 𝜎𝐿𝑠 𝜎𝐿𝑠 𝜎𝐿𝑠 𝐿𝑚 𝐾= 𝜎𝐿𝑠 𝐿𝑟 𝐿 𝜇= 𝑚 𝐴̂ = 𝐿𝑟 Trong 𝑥̂𝑖 giá trị ước lượng 𝑥𝑖 𝑖 ∈ {1,2,3,4} Vα Vβ đại diện cho thành phần vector xây dựng thuật toán back-stepping 2.2 Thuật toán điều khiển động cảm ứng pha Nguyên tắc phương pháp điều khiển trực tiếp từ thông moment động dựa việc điều khiển trực 𝑟𝑓 𝑟𝑓 tiếp điện áp phần ứng động trục d-q (𝑢𝑑𝑠,𝑘 , 𝑢𝑞𝑠,𝑘 ) Trong không gian vector, phương pháp điều khiển định hướng từ thông rotor thể Hình Tổng từ thơng rotor cố định trục d khung quay quay với tần số góc ωψ̅r,k Góc δk dùng để góc tải (góc moment) vector từ thơng rotor dòng điện stator Vector dòng điện stator quay với tần số góc 𝜔𝑠,𝑘 = 𝑑 𝑑𝑡 (𝛿𝑘 + 𝜃𝜓̅𝑟,𝑘 ) is ωs i qs ω ψr Rotor flux axis iβs ids  δ ψr  imr Lm θ ψr Stator axis i αs Hình Biểu đồ vector trạng thái hoạt động ổn định động cảm ứng điều khiển định hướng từ thông rotor Từ thông moment động cảm ứng pha điều chỉnh cách sử dụng điện áp stator trục dq Mơ hình tốn học động cảm ứng pha thu Hình s + s + + - ωme - e ωψr + + ωsl Hình Điều khiển moment xoắn dục động ( 𝑖𝑞𝑠 ) s r + + ωψr mr X + − + + + + Hình Điều khiển từ thơng (𝜓𝑟 ) Hàm mục tiêu mơ hình dự báo điện áp điều khiển trực tiếp mô tả phương trình sau: Điều Khiển Động Cơ Pha Bằng Phương Pháp Mơ Hình Dự Báo Điện Áp Điều Khiển Trực Tiếp 𝑗 𝑟𝑓 𝑗 𝑗 𝑟𝑓 𝑟𝑓 𝑗 ∗ ∗ ∁𝑘 = |𝑢𝑑𝑠,𝑘 − 𝑢𝑑𝑠,𝑘 | + |𝑢𝑞𝑠,𝑘 − 𝑢𝑞𝑠,𝑘 | + |0 − 𝑢𝑥𝑠,𝑘 | + 𝑟𝑓 𝑗 |0 − 𝑢𝑦𝑠,𝑘 | (10) j số điện áp ∗ ∗ Các giá trị tham chiếu 𝑢𝑥𝑠,𝑘 𝑢𝑦𝑠,𝑘 đặt thành để giảm thiểu tổn thất cơng suất Các phần cịn lại hàm mục tiêu (10) giá trị tham chiếu điện áp stator ∗ ∗ 𝑢𝑑𝑠,𝑘 , 𝑢𝑞𝑠,𝑘 suy thông qua việc áp dụng nguyên tắc điều khiển deadbeat điều khiển dự báo điện áp Điều khiển deadbeat có khả thực xử lý đơn giản trực tiếp moment xoắn, từ thơng dịng điện Nó cho phép tính tốn giá trị tham chiếu đảm bảo tín hiệu thực tế bám theo tín hiệu tham chiếu chu kỳ điều khiển Điều khiển deadbeat sử dụng để tạo giá trị tham chiếu vector điện áp stator trục dq Hàm mục tiêu sử dụng giá trị tham chiếu bên cạnh ∗ ∗ vector điện áp stator trục d-q thực tế (𝑢𝑑𝑠,𝑘 , 𝑢𝑞𝑠,𝑘 ) Từ hàm mục tiêu (10), nhận thấy có thành phần loại khơng cần sử dụng đến trọng số, giúp tiết kiệm thời gian tính tốn Hơn nữa, điện áp stator trục 𝑟𝑓 𝑟𝑓 𝑟𝑓 𝑟𝑓 𝑢𝑑𝑠,𝑘 , 𝑢𝑞𝑠,𝑘 , 𝑢𝑥𝑠,𝑘 , 𝑢𝑦𝑠,𝑘 tính trực tiếp thơng qua ba cách khác Cách đo trực tiếp thông qua lọc, nhược điểm cách gây độ trễ hệ thống Cách thứ hai thông qua tính tốn điện áp với trợ giúp điều chế độ rộng xung cách sử dụng trạng thái chuyển mạch, phương pháp dẫn đến tần số chuyển mạch cao làm tăng tổn thất chuyển mạch Cách thứ ba áp dụng nguyên tắc điều khiển hữu hạn tính tốn điện áp từ trạng thái chuyển mạch (Sa, Sb, Sc, Sd, Se) biến tần Phương pháp thứ lựa chọn nghiên cứu tính đơn giản cho phép giảm tính tốn sử dụng vi điều khiển Hình trình bày sơ đồ mạch biến đổi công suất cấp cho động cơ, mạch gồm 10 IGBT động pha Các khố IGBT hoạt động cơng tắc với hai trạng thái đóng ngắt, điều khiển hồn toàn nhằm đưa điện áp cung cấp cho động P 𝑎 𝑏 𝑐 𝑑 𝑒 𝑎 𝑏 𝑐 𝑑 𝑒 𝑖𝑠𝑎 𝑖𝑠𝑏 N 𝑖𝑠𝑐 𝑖𝑠𝑑 𝑖𝑠𝑒 𝑢𝑐𝑠,𝑘 = 𝑢𝑑𝑠,𝑘 = 𝑈𝑑𝑐 (4𝑆𝑐 −𝑆𝑎 −𝑆𝑏 −𝑆𝑑 −𝑆𝑒 ) (13) 𝑈𝑑𝑐 (4𝑆𝑑 −𝑆𝑎 −𝑆𝑏 −𝑆𝑐 −𝑆𝑒 ) (14) 𝑈𝑑𝑐 (4𝑆𝑒 −𝑆𝑎 −𝑆𝑏 −𝑆𝑐 −𝑆𝑑 ) 𝑢𝑒𝑠,𝑘 = (15) s số thể đại lượng xác định khung tĩnh Điện áp stator trục d-q-x-y xác định hệ quy chiếu đồng rf tính 𝑟𝑓 𝑠 𝑠 𝑢𝑑𝑠,𝑘 = 𝑢𝛼𝑠,𝑘 cos(𝜃𝜓̅𝑟,𝑘 ) + 𝑢𝛽𝑠,𝑘 s n(𝜃𝜓̅𝑟,𝑘 ) (16) 𝑟𝑓 𝑠 𝑠 𝑢𝑞𝑠,𝑘 = −𝑢𝛼𝑠,𝑘 s n(𝜃𝜓̅𝑟,𝑘 ) + 𝑢𝛽𝑠,𝑘 cos(𝜃𝜓̅𝑟,𝑘 ) 𝑟𝑓 𝑢𝑥𝑠,𝑘 𝑟𝑓 𝑢𝑦𝑠,𝑘 𝑠 𝑠 = 𝑢𝑥𝑠,𝑘 cos(𝜃𝜓̅𝑟,𝑘 ) + 𝑢𝑦𝑠,𝑘 s n(𝜃𝜓̅𝑟,𝑘 ) 𝑠 𝑠 = −𝑢𝑥𝑠,𝑘 s n(𝜃𝜓̅𝑟,𝑘 ) + 𝑢𝑦𝑠,𝑘 cos(𝜃𝜓̅𝑟,𝑘 ) ∗ ∗ Các giá trị tham chiếu 𝑢𝑥𝑠,𝑘 𝑢𝑦𝑠,𝑘 16 𝑢𝑒9 25 𝑢𝑒16 𝑢𝑠∗ 𝑢𝑒32 𝑣𝑠𝑏 𝑢 + 𝑒25 𝑢𝑒17 𝑣𝑠𝑒 𝑣𝑠𝑑 𝑣𝑠𝑐 21 Hình Sơ đồ mạch biến đổi cơng suất cấp cho động Việc tính tốn điện áp sử dụng trạng thái chuyển mạch thể công thức sau 𝑈 (4𝑆 −𝑆 −𝑆 −𝑆 −𝑆 ) 𝑢𝑎𝑠,𝑘 = 𝑑𝑐 𝑎 𝑏 𝑐 𝑑 𝑒 (11) 𝑢𝑏𝑠,𝑘 = 𝑈𝑑𝑐 (4𝑆𝑏 −𝑆𝑎 −𝑆𝑐 −𝑆𝑑 −𝑆𝑒 ) (12) (18) (19) đặt để giảm thiểu tổn thất cơng suất Các phần cịn lại hàm mục tiêu (10) giá trị tham chiếu điện áp stator ∗ ∗ 𝑢𝑑𝑠,𝑘 , 𝑢𝑞𝑠,𝑘 suy thông qua việc áp dụng nguyên tắc điều khiển deadbeat điều khiển dự báo điện áp Hàm mục tiêu (10) sử dụng thành phần tham chiếu điện áp stator trục d-q để xác định vector điện áp tối ưu cung cấp vào stator động cảm ứng pha Các tín hiệu điện áp phản hồi (𝑢𝑑𝑠,𝑘 , 𝑢𝑞𝑠,𝑘 , 𝑢𝑥𝑠,𝑘 , 𝑢𝑦𝑠,𝑘 ) hàm mục tiêu (10) tính tốn cách sử dụng trạng thái chuyển mạch biến tần Các giá trị ước lượng dòng điện stator, tốc độ rotor thông qua quan sát Back-stepping giá trị đo điện áp stator sử dụng để tính tốn dịng điện stator từ thơng rotor thời điểm (k+1)Ts Sau đó, giá trị dự báo 𝑖̃𝑞𝑠,𝑘+1 𝜓̃𝑑𝑟,𝑘+1 với giá trị tham chiếu ∗ 𝑖𝑞𝑠,𝑘 |𝜓𝑟 |∗𝑘 sử dụng để tính tốn thành phần tham ∗ ∗ chiếu điện áp stator trục d-q (𝑢𝑑𝑠,𝑘 𝑢𝑞𝑠,𝑘 ) Cơ chế lựa chọn vector điện áp tối ưu cách sử dụng hàm mục tiêu phương trình (10), hoạt động dựa việc giảm tối đa độ chênh lệch vector điện áp thực tế vector điện áp tham chiếu Dịch chuyển vector điện áp trạng thái chuyển mạch chúng trình bày chi tiết báo [9] Hệ thống có xây dựng có tổng cộng 32 vector tạo thành 10 khu vực Hình minh hoạ vector điện áp 𝑢𝑠∗ nằm khu vực 10, có bảy vector điện áp đạt mục tiêu điều khiển (vector 9, vector 16, vector 17, vector 21, vector 25, vector 27 vector 32) Các vector tạo độ chênh lệch tương ứng 𝑢𝑒9 , 𝑢𝑒16 , 𝑢𝑒17 , 𝑢𝑒21 , 𝑢𝑒25 , 𝑢𝑒27 𝑣à 𝑢𝑒32 Giá trị tối ưu vector đạt độ chênh lệch tối thiểu (khoảng cách vector thực vector 𝑢𝑠∗ ) Quá trình thực mà không sử dụng đại lượng ước lượng (so với cách tiếp cận mơ hình dự báo điều khiển trực tiếp moment), giúp tiết kiệm thời gian tính toán giảm tổn thất chuyển mạch biến tần 32 𝑣𝑠𝑎 (17) 𝑢𝑒21 27 𝑢𝑒27 17 Hình Cơ chế lựa chọn vector điện áp tối ưu khu vực 10 Nguyễn Cường Phi, Phạm Hồng Sơn, Võ Ngọc Vinh, Nguyễn Vũ Quỳnh Trong hình 7, trình bày sơ đồ khối mơ hình dự báo điện áp điều khiển trực tiếp đề xuất báo Mơ hình dự báo điều khiển điện áp trực tiếp bắt đầu hoạt động với việc đo điện áp dịng điện stator Sau đó, tín hiệu sử dụng để cung cấp cho quan sát backstepping dùng để ước lượng dịng điện stator, từ thơng rotor tốc độ Tốc độ ước lượng 𝜔 ̂𝑚𝑒,𝑘 phản hồi điều khiển ∗ tốc độ để tính toán giá trị tham chiếu moment 𝑇𝑒,𝑘 (giá ∗ trị tham chiếu dòng điện stator trục q, 𝑖𝑞𝑠,𝑘 ) Giá trị tham chiếu từ thông rotor |𝜓𝑟 |∗𝑘 đưa thẳng vào điều khiển Qua sơ đồ cho ta thấy, mơ hình có cấu hình đơn giản tổn thất chuyển mạch chắn thấp so với kỹ thuật khác +- ω∗me ,k PI ∗ e ,k ∗ r k Biến tần pha ∗ ∗ Chọn vector điện áp tối ưu ̅ , 𝑢𝑗 s,k ω ̂ me ,k Tính từ Tính điện Bộ quan thơng rotor R r sát Back áp stator (d-q) stepping dòng điện ∗ ̃ s,k+1 stator s,k s ,k Tính hàm chi phí s,k Cảm biến điện áp r,k+1 , ̅ S/H , Cảm biến dòng 𝑢 𝑠,𝑘 ∗ Động cảm ứng pha ∗ s,k s,k Hình Sơ đồ khối hệ thống điều khiển phương pháp mơ hình dự báo điện áp điều khiển trực tiếp cho động cảm ứng pha Tốc độ (Vòng/phút) 1600 1400 Tốc độ đo 1200 1000 1405 800 1400 600 1395 400 1390 Tốc độ ước lượng 1.5 2.5 200 0 0.5 1.5 2.5 3.5 4.5 Thời gian (s) Hình Tốc độ rotor thơng qua thuật tốn mơ hình dự báo điện áp điều khiển trực tiếp (vòng/phút) -16 1.5 Trục y Trục 0.5 -0.5 -2 -4 -1 -1.5 -1.5 10 -6 -1 -0.5 Trục 0.5 1.5 -8 -1 -0.5 Trục x 0.5 Hình Quỹ tích từ thơng Stator sử dụng thuật tốn mơ hình dự báo điện áp điều khiển trực tiếp -15 10 Nguyễn Cường Phi, Phạm Hồng Sơn, Võ Ngọc Vinh, Nguyễn Vũ Quỳnh Dòng điện pha a (A) -2 -4 2.05 2.1 2.15 2.2 2.25 2.3 2.35 2.4 2.45 2.5 Thời gian (s) Hình 10 Dịng điện Stator pha a sử dụng thuật tốn mơ hình dự báo điện áp điều khiển trực tiếp Mô men xoắn (Nm) 15 10 Mơ hình dự báo điều khiển moment xoắn trực tiếp Mơ hình dự báo điện áp điều khiển trực tiếp 99 88 77 -5 22 0.5 1.5 2.2 2.2 2.4 2.4 2.5 3.5 4.5 Thời gian (s) Hình 11 Moment trục động so sánh hai thuật tốn điều khiển (mơ hình dự báo điện áp điều khiển trực tiếp mơ hình dự báo điều khiển moment xoắn trực tiếp Mơ hình dự báo điều khiển moment xoắn trực tiếp Mơ hình dự báo điện áp điều khiển trực tiếp 1.5 10-16 Trục Y Trục 0.5 0 -5 -0.5 -1 -1.5 -1.5 -1 -0.5 Trục 0.5 1.5 -10 -1 -0.5 Trục X 0.5 10-15 Hình 12: Quỹ tích từ thơng stator so sánh hai thuật tốn điều khiển (mơ hình dự báo điện áp điều khiển trực tiếp mơ hình dự báo điều khiển moment xoắn trực tiếp) KẾT QUẢ MÔ PHỎNG Để kiểm tra tính xác thuật tốn mơ hình dự báo điện áp điều khiển trực tiếp không cảm biến cho động cảm ứng pha, thử nghiệm thực dải tốc độ 1400 RPM Các thơng số động cảm ứng pha trình bày bảng Moment tải thêm vào thời điểm t = 1,5s loại bỏ thời điểm t = 3s Giá trị tham chiếu từ thông rotor đặt chế độ định mức Tốc độ ước lượng tính tốn thơng qua quan sát Back-stepping tốc độ đo thông qua mô hình tốn học động thể Hình (tốc độ đo dùng để so sánh kiểm chứng mơ hình giải thuật đề suất) So sánh giá trị đo giá trị ước lượng tốc độ ta thấy, tốc độ ước lượng bám theo giá trị thực chúng với độ lệch nhỏ Hình hiển thị quỹ tích từ thông stator mặt phẳng (α-β) (x-y) Ưu điểm bật thuật toán đề xuất việc hạn chế dao động tín hiệu điều khiển hiển thị qua dịng điện pha a Hình 10 Nguyễn Cường Phi, Phạm Hồng Sơn, Võ Ngọc Vinh, Nguyễn Vũ Quỳnh Hình 11 Hình 12 so sánh moment xoắn quỹ tích từ thơng stator trường hợp sử dụng mơ hình dự báo điện áp điều khiển trực tiếp mơ hình dự báo điều khiển moment xoắn trực tiếp, kết cho thấy giải pháp mô hình dự báo điện áp điều khiển trực tiếp dao động thấp trường hợp Kết thu cho thấy tính vượt trội thuật tốn Bộ quan sát back-stepping đạt độ xác cao việc ước lượng tốc độ rotor, dòng điện stator từ thông rotor Bảng Thông số động cảm ứng pha Thông số Giá trị Moment Nm Rs 10 Ω Rr 6.3 Ω Ls 460 mH Lr 460 mH 𝑝 (Số cặp cực) Lm 420 mH Ψrn (Từ thông rotor) 0.86 Vs Udc 400 v Jm 0.03 Kg.m2 Bm 0.008 Nm.rad.s-1 Ts (Chu kỳ lấy mẫu) 100 μs KẾT LUẬN Bài báo trình bày phương pháp mơ hình dự báo điện áp điều khiển trực tiếp cho động cảm ứng năm pha không cảm biến Một quan sát back-stepping sử dụng để ước lượng tốc độ rotor, dòng điện stator, từ thông rotor Hiệu suất động cảm ứng pha kiểm tra thông qua việc thay đổi moment tải khoảng thời gian t=1.5s loại bỏ thời điểm t=3s Các kết thu xác nhận ưu điểm bật phương pháp mô hình dự báo điện áp điều khiển trực tiếp việc hạn chế dao động tín hiệu điều khiển giúp nâng cao hiệu suất hoạt động biến tần Dựa phân tích trình bày báo này, nhận thấy phương pháp mơ hình dự báo điện áp điều khiển trực tiếp sử dụng giải pháp thay tốt cho phương pháp mơ hình điều khiển moment xoắn trực tiếp [2] Rangari, S.C.; Suryawanshi, H.M.; Renge, M “New Fault-Tolerant Control Strategy of Five-Phase Induction Motor with Four-Phase and Three-Phase Modes of Operation” Electronics 2018, 7, 159 Doi: 10.3390/electronics7090159 [3] S A Gaikwad and S M Shinde, "Review on Five-phase Induction Motor fed by Five-phase Voltage Source Inverter with different Conduction Mode," 2020 International Conference on Industry 4.0 Technology (I4Tech), Pune, India, 2020, pp 199-202, Doi: 10.1109/I4Tech48345.2020.9102695 [4] A Baltatanu and M Florea, "Multiphase machines used in electric vehicles propulsion," Proceedings of the International Conference on Electronics, Computers and Artificial Intelligence - ECAI-2013, Pitesti, Romania, 2013, pp 1-6, Doi: 10.1109/ECAI.2013.6636204 [5] Wang, F.; Zhang, Z.; Mei, X.; Rodríguez, J.; Kennel, R “Advanced Control Strategies of Induction Machine: Field Oriented Control, Direct Torque Control and Model Predictive Control” Energies 2018, 11, 120 Doi: 10.3390/en11010120 [6] Y Zhang, J Zhu, Z Zhao, W Xu and D G Dorrell, "An Improved Direct Torque Control for Three-Level InverterFed Induction Motor Sensorless Drive," in IEEE Transactions on Power Electronics, vol 27, no 3, pp 15021513, March 2012, Doi: 10.1109/TPEL.2010.2043543 [7] D P Marcetic and S N Vukosavic, "Speed-Sensorless AC Drives With the Rotor Time Constant Parameter Update," in IEEE Transactions on Industrial Electronics, vol 54, no 5, pp 2618-2625, Oct 2007, doi: 10.1109/TIE.2007.899880 [8] Ramzi Trabelsi, Adel Khedher, Mouhamed Faouzi Mimouni, Faouzi M'sahli, "Backstepping control for an induction motor using an adaptive sliding rotor-flux observer," Electric Power Systems Research, Volume 93, 2012, Pages 1-15, Doi: 10.1016/j.epsr.2012.06.004 [9] Mahmoud A.Mossa, Nguyen Vu Quynh, Hamdi Echeikh, Ton Duc Do, “Deadbeat Based Model Predictive Voltage Control for a Sensorless Five Phase Induction Motor Drive” Mathematical Problems in Engineering, Vol 2020, Article ID 4164526, 30 pages, 2020 Doi: 10.1155/2020/4164526 TÀI LIỆU THAM KHẢO CẢM ƠN [1] Webster, J.G., Duran, M.J., Levi, E and Barrero, F “Multiphase Electric Drives: Introduction” In Wiley Encyclopedia of Electrical and Electronics Engineering, J.G Webster (Ed.) 2017 Doi: 10.1002/047134608X.W8364 Cảm ơn Trường Đại học Lạc Hồng tài trợ kinh phí cho nghiên cứu Mã số đề tài LHU-RF-TE-19-04-03  ... tốn điều khiển (mơ hình dự báo điện áp điều khiển trực tiếp mơ hình dự báo điều khiển moment xoắn trực tiếp Mơ hình dự báo điều khiển moment xoắn trực tiếp Mơ hình dự báo điện áp điều khiển trực. .. (Nm) 15 10 Mơ hình dự báo điều khiển moment xoắn trực tiếp Mơ hình dự báo điện áp điều khiển trực tiếp 99 88 77 -5 22 0 .5 1 .5 2.2 2.2 2.4 2.4 2 .5 3 .5 4 .5 Thời gian (s) Hình 11 Moment trục động. .. Quỳnh Trong hình 7, trình bày sơ đồ khối mơ hình dự báo điện áp điều khiển trực tiếp đề xuất báo Mơ hình dự báo điều khiển điện áp trực tiếp bắt đầu hoạt động với việc đo điện áp dịng điện stator