Thiết kế bộ điều khiển dự báo dòng điện cho nghịch lưu đa mức cầu H nối tầng cấp nguồn hệ truyền động không đồng bộ

Chương 3. Ứng dụng điều khiển dự báo cho mạch vòng dòng điện của nghịch lưu đa mức cầu H nối tầng

3.1. Thiết kế bộ điều khiển dự báo dòng điện cho nghịch lưu đa mức cầu H nối tầng cấp nguồn hệ truyền động không đồng bộ

Cấu trúc điều khiển FCS – MPC với nghịch lưu đa mức kết hợp phát hiện và xử lý lỗi đƣợc xây dựng theo nguyên lý điều khiển tựa từ thông rotor đƣợc thể hiện tại Hình 3. 1 . Trong cấu trúc này nghịch lưu đa mức kết hợp phát hiện và xử lý lỗi được áp dụng từ kết quả nghiên cứu tại chương 2. Đồng thời nhận thấy lượng đặt từ thông và mômen đƣợc xác định bởi bộ điều khiển tốc độ và từ thông theo yêu cầu. Trong khi đó bộ điều khiển dòng điện đảm bảo sai lệch dòng điện có sai lệch nhỏ nhất thông qua hàm mục tiêu. Bên cạnh đó với phương trình toán học dự báo dòng điện mang đầy đủ bản chất vật lý của động cơ KĐB, thì sẽ lựa chọn đƣợc vector điện áp mong muốn, để đƣa ra xung điều khiển cho van bán dẫn của bộ nghịch lưu đa mức. Do đó trong cấu trúc này nhận thấy khâu điều chế vector không gian đƣợc ẩn.

71

αβ Rѱ

_

dq ω*

ωmax

Rω _

-ωmax

lỗi (error)

MHTT

Hình 3. 1. Cấu trúc điều khiển dự báo FCS - MPC cho nghịch lưu đa mức cầu H nối tầng cấp nguồn hệ truyền động không đồng bộ

72

Để thực hiện kiểm chứng tính đúng đắn của lý thuyết bằng mô phỏng và thực nghiệm thì cấu trúc điều khiển này sẽ kế thừa các thiết kế bộ điều khiển mạch vòng ngoài (tốc độ và từ thông) sẵn có.

Theo nguyên lý của bộ điều khiển dự báo dòng điện: dựa vào giá trị dòng điện stator, 331 vector điện áp nghịch lưu 11 mức cấu trúc cầu H nối tầng qua mô hình động cơ không đồng bộ sẽ đƣa ra tập hợp 331 các giá trị dự báo dòng điện stator ở thời điểm [k+1]. Hàm mục tiêu thực hiện tối thiểu sai lệch giữa giá trị dòng điện đặt và giá trị dòng điện dự báo, qua đó tìm ra quỹ đạo dòng điện dự báo bám sát nhất với quỹ đạo dòng điện đặt và cuối cùng là tìm ra vector điện áp nghịch lưu tương ứng với dòng điện đã đƣợc lựa chọn.

Tiến hành rời rạc hóa các phương trình (2.1) bằng cách lấy xấp xỉ tín hiệu:

di

sα

dt

/

dψrα

dt Thu được phương trình dự báo dòng điện stator

điểm k+1:



isα (k + 1)

 

 



isβ (k + 1) = 1

 

(3.2)

ψ / (k +1) = T

rα Tr



ψr/

β (k + 1) =TT

 r

isα (k )

isβ (k )



+ 1 −



Khi động cơ được cấp nguồn bởi nghịch lưu cầu H nối tầng, xác định được giá trị các thành phần usα [k ] và usβ [k ] nhƣ sau:



usα [k ] =





usβ [k ] =



73

Trong hệ phương trình (3.2), nhận thấy rằng chỉ còn ψ /α [

k ]

và ψ /β [

k ]

là những

r r

thành phần chƣa xác định đƣợc. Do đó, để tính đƣợc giá trị của các thành phần này, ta cần chuyển (3.3) sang hệ tọa độ tựa từ thông rotor.

Hình 3. 2. Mặt phẳng biểu diễn hai hệ tọa độ αβ và dq

Thông qua Hình 3. 2 , ta có quan hệ giữa hai hệ tọa độ αβ và dq nhƣ sau:

 isd   cos θs

 i  =  − sin θ

 sq  

ψr/

/ α

ψ rβ



−sinθs  ψrd/ 

 / cosθs ψrq



Viết lại hệ phương trình (3.3) trong hệ tọa độ dq với ψrq/ = 0

ψ /

 rd





0 =



Trong đó, ωs là tốc độ của từ trường quay, ω là tốc độ quay của rotor.

ωs = dθs ≈ θ

s [k + 1]−θs [k ]

dt T

Thay (3.8) vào (3.7), ta đƣợc:

ψ /

 rd



 s [

(3.7)

(3. 8)

(3.

9)

Từ (3.5) và (3.9) xác định đƣợc giá trị của ψrd/ [k ], thông qua phép chuyển từ hệ tọa độ dq sang hệ αβ nhƣ trong (3.6), xác định đƣợc giá trị của các thành phần ψr/α [k ] và ψr/β [k ].

74

Hệ phương trình (3.2) là mô hình rời rạc của dòng điện stator, đây là phương trình dự báo dòng điện stator của động cơ ở thời điểm . Nhìn vào phương trình dự báo ta thấy rằng giá trị dòng điện dự báo phụ thuộc vào giá trị dòng điện đo về và giá trị vector điện áp là một trong 331 vector điện áp không gian của nghịch lưu 11 mức cấu trúc cầu H nối tầng. Từ đây ta có cơ sở để đƣa ra hàm mục tiêu của bộ điều khiển dự báo dòng điện.

Với cấu trúc điều khiển FCS-MPC cho hệ thống nghịch lưu đa mức nối tải động cơ không đồng bộ cho nhƣ Hình 3. 1.

 kA[k]

Trong đó, V [k ] = Vi = 

 kB [k ]

 là vector không gian của điện áp tại thời điểm thứ k,  kC [k]

S [k ] là một ma trận cột mà các phần tử của nó là các trạng thái đóng mở của các van của bộ nghịch lưu.

Bộ điều khiển dự báo cho hệ thống nghịch lưu 11 mức nối tải động cơ không đồng bộ có hàm mục tiêu nhƣ sau:

0 (α [ ]

g = i* k + 1

Trong đó, (iα* [k + 1] ; iβ* [k +1] ) là giá trị của các thành phần của dòng điện đặt,

 iα [k + 1] ; iβ [k +1]) là giá trị của các thành phần của dòng điện dự báo, tất cả đều ở

thời điểm

[

α[k +1

α [ ]

i* k + 1 ≈ i*k

0

g = i k − i k + 1

Hàm mục tiêu (3. 11) sẽ đƣợc thực hiện cho từng vector điện áp có thể có của hệ thống. Nghịch lưu 11 mức cầu H nối tầng có tổng cộng 331 vector điện áp chuẩn.

Do đó (3. 11) sẽ đƣợc thực hiện 331 lần trong mỗi chu kỳ trích mẫu. Vector điện áp khiến cho hàm mục tiêu đạt cực tiểu thì sẽ đƣợc lựa chọn để đƣa vào điều chế cho bộ nghịch lưu. Sau đó, tùy theo cách chọn cầu H tham gia điều chế để quyết định trạng thái đóng cắt của các van, sao cho vector điện áp đầu ra đạt đƣợc nhƣ đã lựa chọn bên trên.

Trong trường hợp xảy ra lỗi của của van bán dẫn, để bộ điều khiển tiếp tục làm việc cần phát hiện lỗi, cấu trúc lại mạch nghịch lưu đa mức cầu H nối tầng, loại bỏ các vector điện áp bị lỗi thông qua giới hạn lại lƣợng đặt của đại lƣợng đầu vào. Các vấn đề này sẽ được kế thừa kết quả của chương 2, cụ thể: nội dung phát hiện lỗi xây dựng nhƣ Mục 2.2; cấu hình lại hệ thống nhƣ Mục 2.3.2; xây dựng vector điện

75

áp không gian và giới hạn giá trị điện áp đặt khi có lỗi nhƣ Mục 2.3.3; giới hạn giá trị tốc độ giới hạn của động cơ khi lỗi nhƣ Mục 2.1.

Trong điều kiện lý tưởng, thời gian tính toán hàm mục tiêu để lựa chọn vector điện áp đƣợc coi là rất nhỏ so với chu kỳ trích mẫu T . Trên thực tế, vi xử lý cần một khoảng thời gian đáng kể để tính toán. Hình 3. 3 minh họa giản đồ thời gian làm việc của bộ điều khiển dự báo khi triển khai thực tế. Thời gian tính toán càng lớn thì chất lƣợng của bộ điều khiển càng giảm. Do đó, luôn phải đảm bảo yêu cầu về thời gian tính toán là nhỏ nhất có thể để bộ điều khiển đạt đƣợc chất lƣợng tốt nhất.

i*

i ip

T ttính toán

t

kT (k+1)T (k+2)T

Hình 3. 3. Giản đồ thời gian làm việc của bộ điều khiển dự báo.

Từ những phân tích trên thấy rằng, với bộ điều khiển dự báo dòng điện thông thường và hàm mục tiêu ở (3.5) chưa giải quyết được vấn đề đặt ra của nghịch lưu đa mức cầu H nối tầng là triệt tiêu điện áp common mode, tối ưu tần số đóng cắt.

Bên cạnh đó, khối lượng tính toán quá lớn khi thiết kế với nghịch lưu mức cao sẽ làm cho thời gian tính toán tăng lên qua đó ảnh hưởng chất lượng bộ điều khiển.

Do vậy, Trong nghiên cứu này, luận án sẽ đề xuất hàm mục tiêu có bổ sung thành phần triệt tiêu điện áp common mode, tối ưu đóng cắt van bán dẫn và giảm khối lượng tính toán của hàm mục tiêu được trình bày cụ thể ở phần dưới đây.