L ỜI CẢM ƠN
3.3. Mô phỏng kiểm chứng
Tối ƣu sai lệch dòng điện
(3.11)
Tối ƣu điện áp
common- mode (3.12) _ _ Trích mẫu Vi điều khiển dq abc Trích mẫu CHB - MLI { IM E Rѱ Rω
Hình 3. 6. Cấu trúc điều khiển của thuật toán MPC cải tiến cho hệ thống nghịch lưu đa
mức nối tải động cơ. Xác định tập hợp 19 vector g0 (3.11) g1 (3.12) g2 (3.13) g (3.15) Xác định giá trị cực tiểu ...... ... Kết thúc Bắt đầu
Hình 3. 7. Lưu đồ thuật toán triển khai phương pháp MPC đề xuất trên vi điều khiển.
3.3. Mô phỏng kiểm chứng
3.3.1. Kết quả mô phỏng với trường hợp không có lỗi van bán dẫn
Tính đúng đắn và hiệu quả của thuật toán MPC cải tiến cho nghịch lƣu đa mức cầu H nối tầng nối tải động cơ đƣợc kiểm chứng bằng mô hình mô phỏng trên phần mềm MATLAB-Simulink. Cụ thể, thuật toán đƣợc áp dụng cho bộ nghịch lƣu ba pha 11 mức cầu H nối tầng, với tải là động cơ trung thế, chu kỳ trích mẫu T 50s. Các thông số mô phỏng hệ thống đƣợc thể hiện trong Phụ lục 5. Các mạch vòng
84 bên ngoài đƣợc thiết kế là các bộ điều khiển tuyến tính thông thƣờng (PI), đã đƣợc tính toán thiết kế đầy đủ để phục vụ cho mô phỏng. Trong mô phỏng này để thể hiện đƣợc rõ hơn các dạng dòng điện, điện áp nên chọn momen quán tính của động cơ j=10 (kg.m2)
a, Mô phỏng với tải quạt gió
Kịch bản mô phỏng bao gồm các giai đoạn là từhóa động cơ, tăng tốc, ổn định. Giá trịlƣợng đặt cho các bộđiều khiển từ thông và tốc độđƣợc thể hiện trong Bảng 3. 2.
Bảng 3. 2. Giá trịđặt của các bộđiều khiển PI.
Thời điểm (s) 0 0,7
Từthông đặt (Wb) 7,4
Tốc độđặt (rpm) 0 1470
Với tải là quạt gió, momen tải sẽđƣợc xác định nhƣ sau:
2 2dm . t dm M M n n (3. 16)
Trong đó, Mdmvà ndm lần lƣợt là momen định mức và tốc độđịnh mức của động cơ, n là tốc độ tức thời của động cơ.
Do trong giai đoạn tăng tốc, giá trị sai lệch của dòng điện rất lớn, nên các thành phần trọng số tối ƣu điện áp common-mode và tối ƣu số lần đóng cắt van bán dẫn chỉ đƣợc sử dụng khi động cơ đã đạt tốc độ ổn định. Giá trị các trọng số trong từng giai đoạn khảo sát đƣợc thể hiện chi tiết trong Bảng 3. 3.
Bảng 3. 3. Giá trị các trọng sốtrong các giai đoạn khảo sát.
Thời điểm (s) 0 – 0,9 0,9 – 1,3 1,3 – 1,5 1,5 – 1,9
Trọng số tối ƣu điện áp
common-mode 0 50 0 50
Thời điểm (s) 0 – 1,1 1,1 – 1,3 1,3 – 1,7 1,7 – 1,9
Trọng số tối ƣu đóng cắt 0 6 0 6
Kết quảđáp ứng của các bộđiều khiển từ thông và tốc độ đƣợc thể hiện trên các
Hình 3. 8, Hình 3. 9. Kết quả mô phỏng cho thấy thời gian quá độ của từ thông động cơ là 0,47 (s). Khi động cơ quay thuận, tốc độđộng cơ không xuất hiện độ quá điều chỉnh, thời gian quá độ là 0,1 (s), có thể thấy rằng tốc độ của động cơ đáp ứng rất nhanh.
85 Điện áp và dòng điện trên ba pha nghịch lƣu đều rất cân bằng.
Hình 3. 14, Hình 3. 13 cho thấy dòng điện bám giá trị đặt rất tốt. Dạng điện áp common-mode đƣợc thể hiện trên Hình 3. 13. Tại các thời điểm mà thành phần trọng số tối ƣu điện áp common mode đƣợc sử dụng, điện áp common mode đã đƣợc triệt tiêu hoàn toàn.
Dạng điện áp trên pha A trƣớc và sau thời điểm sử dụng trọng số tối ƣu đóng cắt đƣợc thể hiện trên Hình 3. 15. Có thể thấy rằng số lần đóng cắt van bán dẫn cũng đã giảm đi đáng kể(độ dày của tín hiệu điện áp giảm rõ rệt). Cụ thể, khảo sát số lần chuyển mức pha A trong khoảng thời gian 0,02 s trƣớc và sau khi áp dụng trọng số tối ƣu đóng cắt cho các trƣờng hợp động cơ quay thuận và quay ngƣợc, thu đƣợc kết quảnhƣ thể hiện trong Bảng 3. 4.
Hình 3. 8. Kết quảđáp ứng của bộđiều khiển từ thông.
86
Hình 3. 10. Dạng momen trên trục động cơ.
87
Hình 3. 12. Dạng dòng điện trên pha A.
Hình 3. 13. Dạng điện áp common-mode.
88 (a)
(b)
Hình 3. 15. Dạng điện áp trên pha A trước (a) và sau (b) khi tối ưu đóng cắt. Bảng 3. 4. Khảo sát số lần chuyển mức của điện áp pha A.
Chiều quay
động cơ Thời điểm (s)
Trọng số tối ƣu đóng cắt
Số lần chuyển mức của điện áp pha A
Quay thuận 0,07 – 1.09 0 188
1,11 – 1,13 6 106
b, Mô phỏng với tải có momen là hằng số
Kịch bản mô phỏng với tải hằng sốcũng bao gồm bốn giai đoạn là từ hóa động cơ, tăng tốc, ổn định và đảo chiều quay. Các giá trị đặt cho các bộ điều khiển PI giống nhƣ trong Bảng 3. 2. Do trong giai đoạn tăng tốc, giá trị sai lệch của dòng điện rất lớn, nên các thành phần trọng số tối ƣu điện áp common mode và tối ƣu số lần đóng cắt van bán dẫn chỉ đƣợc sử dụng khi động cơ đã đạt tốc độ ổn định. Giá trị các trọng số trong từng giai đoạn khảo sát cũng đƣợc đặt nhƣ trong Bảng 3. 5.
Momen tải của động cơ đƣợc đặt bằng 0 cho tới thời điểm 0,5 s thì momen tải bằng giá trị momen định mức của động cơ. Bên cạnh đó mô phỏng cũng đƣợc thực hiện cùng điều kiện cho thuật toán 7 vector điện áp liền kề để so sánh độ đập mạch momen, điện áp common mode.
Bảng 3. 5.Giá trị momen tải.
89
Momen tải (N.m) 0 6906
Kết quả đáp ứng của các bộđiều khiển từthông và dòng điện đƣợc thể hiện trên các Hình 3. 16, Hình 3. 17. Thời gian quá độ của từthông động cơ là 0,47 (s). Khi động cơ quay thuận, tốc độđộng cơ có độ quá điều chỉnh là 2,1%, thời gian quá độ là 0,17 (s). Khi động cơ quay ngƣợc, tốc độ động cơ xuất hiện độ quá điều chỉnh 3%, thời gian quá độ là 0,05 (s). Có thể thấy rằng tốc độ của động cơ đáp ứng rất nhanh.
Bảng 3. 6. Khảo sát số lần chuyển mức của điện áp pha A.
Chiều quay động cơ Thời điểm (s) Trọng số tối ƣu đóng cắt Số lần chuyển mức của điện áp pha A Số lần chuyển mức của điện áp pha A Quay thuận 0,9 – 0,92 0 199 100 1,1 – 1,12 6 102 80 Quay ngƣợc 1,5 – 1,52 0 171 90 1,7 – 1,72 6 89 67
Hình 3. 16. Đáp ứng của bộđiều khiển từ thông.
90
Hình 3. 18. Dạng momen trên trục động cơ với thuật toán 19 vector liền kềđề xuất
91
Hình 3. 20. Dòng điện trên ba pha nghịch lưu.
Hình 3. 21. Dòng điện trên ba pha nghịch lưu.
Hình 3. 22. Dạng điện áp common-mode với thuật toán 19 vector điện áp liền kềđề
92
Hình 3. 23. Dạng điện áp common-mode với thuật toán 7 vector điện áp liền kề
Hình 3. 24. Dạng điện áp ba pha
93 (a)
Hình 3. 26. Điện áp trên pha A trước (a) và sau (b) khi tối ưu đóng cắt với thuật toán 7
vector điện áp liền kề
(a)
(b)
Hình 3. 27. Điện áp trên pha A trước (a) và sau (b) khi tối ưu đóng cắt thuật với toán 19
94 Momen động cơ của phƣơng pháp đề xuất nhƣ Hình 3. 18có đáp ứng rất tốt với độ đập mạch lớn nhất bằng 1,2%. Đối với phƣơng pháp 7 vector liền kềnhƣ Hình 3. 19 độ đập mạch lớn nhất là 2,1%.
Điện áp và dòng điện trên ba pha nghịch lƣu đều cân bằng thể hiện nhƣ Hình 3. 20, Hình 3. 21. Hình 3. 24, Bên cạnh đọHình 3.21 cho thấy dòng điện pha có dạng hình sin và có độ bám giá trịđặt rất tốt.
Điện áp common mode của phƣơng pháp đề xuất đã đƣợc triệt tiêu thể hiện nhƣ
Hình 3. 22.Đối với phƣơng pháp 7 vector điện áp liền kềnhƣ Hình 3. 23, điện áp common mode không thể triệt tiêu do việc giới hạn trong một chu kỳ chỉ lựa chọn trong 7 vector định sẵn mà các vector này đều có điện áp common mode khác không.
Dạng điện áp pha thể hiện nhƣ Hình 3. 25 có dạng bậc và đạt 11 mức nhƣ lƣợng đặt của tốc độ và thiết kế. Dạng điện áp trên pha A trƣớc và sau thời điểm sử dụng trọng số tối ƣu đóng cắt của thuật toán đề xuất đƣợc thể hiện trên Hình 3. 27, phƣơng pháp 7 vector điện áp liền kề thể hiện nhƣ Hình 3. 26. Có thể thấy rằng số lần đóng cắt van bán dẫn của 2 thuật toán đã giảm đi đáng kể (độ dày của tín hiệu điện áp giảm rõ rệt). Cụ thể, khảo sát số lần chuyển mức pha A trong khoảng thời gian 0,02 s trƣớc và sau khi áp dụng trọng số tối ƣu đóng cắt cho các trƣờng hợp động cơ quay thuận và quay ngƣợc, thu đƣợc kết quảnhƣ thể hiện trong Bảng 3. 6. Có thể thấy rằng, với chỉ tiêu này thuật toán 7 vector liền kề do có số lần chuyển mức thấp hơn nên số lần đóng cắt sẽ nhỏhơn.
3.3.2. Kết quả mô phỏng với trường hợp lỗi van bán dẫn
Để đánh giá hoạt động của bộ điều khiển dự báo dòng điện cho CHB – MLI trong điều kiện lỗi, mô phỏng đƣợc thực hiện với các điều kiện sau:
- Các bộđiều khiển tốc độ, từ thông đã đƣợc thiết kếđảm bảo phục vụ yêu cầu mô phỏng
- Thông số mô phỏng đồng nhất với điều kiện nhƣ trƣờng hợp lỗi ởchƣơng 2 và đƣợc trình bày trong Phụ lục 5.
a, Đánh giá về tốc độđộ
Hình 3. 28 thể hiện đáp ứng của tốc độ của hệ truyền động nhƣ sau:
- Trong khoảng 0 đến 1,5s, không có lỗi của CHB - MLI, tốc độđộng cơ bám giá trị đặt, hoạt động ổn định ở tốc độ định mức 1470v/ph, thuật toán FOC hoạt động bình thƣờng.
- Trong khoảng từ 1,5 đến 2s, khi xảy ra sự cố ở HA1 do vector điện áp lỗi đã đƣợc loại bỏ và giá trị điện áp có thể tạo ra của CHB – MLI lớn hơn điện áp định mức của động cơ nên hệ thống làm việc bình thƣờng.
95
Hình 3. 28. Đáp ứng tốc độ với phương pháp điều khiển dựbáo dòng điện trong điều kiện lỗi vãn công suất
- Trong khoảng từ 2 đến 2,5s, các cầu HA1, HA3, HB1 đồng thời có lỗi, tốc độ ổn định do đã đƣợc giới hạn lại điện áp từđó giới hạn lại tốc độ.
b, Đánh giá về momen
Momen động cơ tạo ra ởba phƣơng án thể hiện ởHình 3. 29.
Hình 3. 29. Đáp ứng momen với phương pháp điều khiển dựbáo dòng điện trong điều kiện lỗi vãn công suất
- Trong khoảng 0 đến 1,5s khi không có lỗi, momen tạo ra ổn định ở 7380Nm. - Trong khoảng từ1,5 đến 2s, khi có lỗi cầu HA1 bộđiều khiển đã loại bỏ vector điện áp lỗi và điện áp ra của nghịch lƣu lớn hơn điện áp định mức của động cơ nên momen vẫn ổn định.
- Trong khoảng từ2 đến 2,5s, các cầu HA1, HA3, HB1 đồng thời có lỗi, bộđiều khiển đã giới hạn lại về momen do đã đƣợc giới hạn về tốc độ thông qua giới hạn điện áp. Momen tuy giảm nhƣng độđập mạch của momen gần nhƣ không đổi.
Từ kết quảđáp ứng momen của phƣơng pháp điều khiển dựbáo dòng điện Hình 3. 29 và phƣơng pháp điều khiển dòng điện theo PI nhƣ Hình 2. 35 trong cùng điều kiện lỗi, thấy rằng đáp ứng momen của phƣơng pháp dự báo dòng điện nhanh hơn khi đáp ứng tốc độ sau giới hạn chất lƣợng tốt hơn.
96
c, Đánh giá vềđiện áp ra
Dạng điện áp dây nhƣ Hình 3. 30, điện áp đảm bảo cân bằng khi có lỗi. Về độ lớn điện áp khi có lỗi nhƣ sau:
Hình 3. 30. Dạng của điện áp dây với phương pháp điều khiển dựbáo dòng điện trong
97
Hình 3. 31. Dạng của điện áp pha với phương pháp điều khiển dựbáo dòng điện trong
điều kiện lỗi vãn công suất
- Trong khoảng thời gian từ1,5s đến 2s có lỗi cầu HA1 tuy nhiên điện áp ra lớn hơn điện áp định mức của nghịch lƣu, do đó điện áp đƣợc giữ nguyên.
- Trong khoảng 2s đến 2,5s khi có lỗi đồng thời HA1, HA3, HB1 điện áp có thể tạo ra của nghịch lƣu nhỏ hơn điện áp định mức của động cơ, do đó điện áp đã đƣợc giới hạn và nhỏ xuống tƣơng đƣơng tốc độ làm việc dƣới định mức.
Dạng điện áp pha nhƣ Hình 3. 31. Bộđiều khiển đã lựa chọn các trạng thái mạch nghịch lƣu dƣ trong việc tạo ra cùng một vector điện áp để đảm bảo điện áp ra là lớn nhất.Mức trạng thái trên pha thể hiện cụ thểnhƣ sau:
- Trong khoảng thời gian từ 1,5s đến 2s có lỗi cầu HA1 do đó mức trạng thái của pha A chỉ còn [-4, 4] do đã loại bỏ cầu HA1 trên pha A. Các pha B và C mức trạng thái không đổi [-5,5]
- Trong khoảng 2s đến 2,5s khi có lỗi đồng thời HA1, HA3, HB1 mức trạng thái thái của pha A chỉ còn [-3, 3] do đã loại bỏ cầu HA1, HA1 trên pha A, pha B chỉ còn [-4, 4] do đã loại bỏ cầu HB1, pha C tuy không bị lỗi nhƣng do ảnh hƣởng của lỗi nên cũng bị giới hạn lại chỉ còn [-4, 4].
Bộ điều khiển dự báo dòng điện cho CHB – MLI xét tình huống sự cố khi cấp nguồn cho hệ truyền động không đồng bộ thu đƣợc kết quả: điện áp, dòng điện đã đƣợc giới hạn đảm bảo sự sụt giảm là nhỏ nhất, cân bằng. Tốc độ đƣợc giới hạn thông qua giới hạn của điện áp. Từđó, hệ truyền động có thể duy trì hoạt động hoặc dừng chủ động hệ thống. Các kết quả thu đƣợc tƣơng đƣơng với trƣờng hợp áp dụng trong phƣơng pháp điều khiển FOC – IM do cùng đƣợc giới hạn bởi phƣơng pháp điều chếvector không gian cho điều kiện lỗi của CHB – MLI.
3.4. Kết luận chương 3
Nội dung chƣơng 3, luận án trình bày các đề xuất khi ứng dụng điều khiển dự báo mạch vòng dòng điện cho nghịch lƣu đa mức cầu H nối tầng. Trƣớc tiên, luận án trình bày đề xuất hàm mục tiêu với các mục tiêu điều khiển: tối ƣu sai lệch dòng điện, triệt tiêu điện áp common mode, giảm tần sốđóng cắt van bán dẫn. Từ kết quả mô phỏng thấy rằng, với hàm mục tiêu đề xuất, phƣơng pháp điều khiển đã đảm bảo đồng thời các mục tiêu về:
- Tối ƣu dòng điện
- Triệt tiêu thành công điện áp common mode
- Giảm số lƣợt chuyển mức của pha 43,6% so với điều kiện không có trọng số giảm số lần đóng cắt.
98 Nhƣ vậy, với hàm mục tiêu mà luận án đề xuất đã giải quyết đƣợc vấn đề không có khâu tổng hợp vector điện áp từ ba vector gần nhất để giải quyết tối ƣu đóng cắt, tối ƣu common mode…Sau đó, để khắc phục nhƣợc điểm tính toán lớn, phức tạp của phƣơng pháp điều khiển MPC cho CHB – MLI, luận án đề xuất thuật toán 19 vector điện áp liền kề cho hàm mục tiêu. Thông qua cách xây dựng của thuật toán và kết quả kiểm chứng của mô phỏng cho thấy thuật toán đa thu đƣợc kết quả:
- Chỉ thực hiện 19 lƣợt tính toán của hàm mục tiêu với mức bất kỳ của CHB – MLI.
- Thời gian tính toán là nhỏ nhất do thuật toán đƣợc tính toán, lập trình trên