Chương 3. Ứng dụng điều khiển dự báo cho mạch vòng dòng điện của nghịch lưu đa mức cầu H nối tầng
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 lưu 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 được áp dụng cho bộ nghịch lưu ba pha 11 mức cầu H nối tầng, với tải là động cơ trung thế, chu kỳ trớch mẫu T = 50às . Cỏc thông số mô phỏng hệ thống đƣợc thể hiện trong Phụ lục 5. Các mạch vòng
83
bên ngoài được thiết kế là các bộ điều khiển tuyến tính thông thường (PI), đã được 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 từ hóa động cơ, tăng tốc, ổn định.
Giá trị lƣợng đặt cho các bộ điều khiển từ thông và tốc độ đƣợc thể hiện trong Bảng 3. 2.
Bảng 3. 2. Giá trị đặt của các bộ điều khiển PI.
Thời điểm (s) Từ thông đặt (Wb) Tốc độ đặt (rpm)
Với tải là quạt gió, momen tải sẽ đƣợc xác định nhƣ sau:
Mt
Trong đó, M dm và ndm lần lƣợt là momen định mức và tốc độ định 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 số trong các giai đoạn khảo sát.
Thời điểm (s)
Trọng số tối ƣu điện áp common-mode
Thời điểm (s)
Trọng số tối ƣu đóng cắt
Kết quả đáp ứng của các bộ điều 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 độ động 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.
Momen động cơ có đáp ứng rất tốt với độ đập mạch lớn nhất bằng 1%.
84
Điện áp và dòng điện trên ba pha nghịch lưu 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 trước và sau thời điểm sử dụng trọng số tối ưu 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 trước và sau khi áp dụng trọng số tối ưu đóng cắt cho các trường hợp động cơ quay thuận và quay ngược, thu được kết quả nhƣ thể hiện trong Bảng 3. 4.
Hình 3. 8. Kết quả đáp ứng của bộ điều khiển từ thông.
Hình 3. 9. Kết quả đáp ứng của bộ điều khiển tốc độ.
85
Hình 3. 10. Dạng momen trên trục động cơ.
Hình 3. 11. Dòng điện đầu ra ba pha nghịch lưu.
86
Hình 3. 12. Dạng dòng điện trên pha A.
Hình 3. 13. Dạng điện áp common-mode.
Hình 3. 14. Dạng điện áp trên pha A.
87
(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
Quay thuận
b, Mô phỏng với tải có momen là hằng số
Kịch bản mô phỏng với tải hằng số cũng 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.
Thời điểm (s) 0–0,5 0,5 – 1,9
88
Momen tải (N.m) 0 6906
Kết quả đáp ứng của các bộ điều khiển từ thông và dòng điện đƣợc thể hiện trên các Hình 3. 16, Hình 3. 17.
Thời gian quá độ của từ thông động cơ là 0,47 (s). Khi động cơ quay thuận, tốc độ động 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.
Hình 3. 16.
Đáp ứng của bộ điều khiển từ thông.
Hình 3.
17. Đáp ứng của bộ điều khiển tốc độ.
89
Hình 3. 18. Dạng momen trên trục động cơ với thuật toán 19 vector liền kề đề xuất
Hình 3. 19. Dạng momen trên trục động cơ với thuật toán 7 vector liền kề
90
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 kề đề xuất
91
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
Hình 3. 25. Dạng điện áp trên pha A.
92
(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 vector điện áp liền kề đề xuất
93
Momen động cơ của phương pháp đề xuất như Hình 3. 18 có đáp ứng rất tốt với độ đập mạch lớn nhất bằng 1,2%. Đối với phương pháp 7 vector liền kề như Hình
3. 19 độ đập mạch lớn nhất là 2,1%.
Điện áp và dòng điện trên ba pha nghịch lưu đều cân bằng thể hiện như Hình 3.
20, Hình 3. 21. Hình 3. 24 , Bên cạnh đọ Hình 3.21 cho thấy dòng điện pha có dạng hình sin và có độ bám giá trị đặt rất tốt.
Điện áp common mode của phương pháp đề xuất đã được triệt tiêu thể hiện như Hình 3. 22. Đối với phương pháp 7 vector điện áp liền kề như 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 trước và sau thời điểm sử dụng trọng số tối ƣu đóng cắt của thuật toán đề xuất đƣợc thể hiện trên Hình 3. 27 , phương pháp 7 vector điện áp liền kề thể hiện như 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 trước và sau khi áp dụng trọng số tối ưu đóng cắt cho các trường hợp động cơ quay thuận và quay ngƣợc, thu đƣợc kết quả nhƣ 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 nhỏ hơn.