Chương 2. Điều khiển nghịch lưu đa mức cầu H nối tầng dựa trên điều chế
2.4. Kết quả mô phỏng và đánh giá các thuật toán đề xuất
2.4.3. Mô phỏng và đánh giá hệ truyền động FOC – IM cấp nguồn bởi nghịch lưu đa mức với các kịch bản khác nhau
Mô phỏng kiểm chứng
* Thông số và kịch bản mô phỏng
Để đánh giá ảnh hưởng của lỗi đến hệ thống và hoạt động của thuật toán phát hiện, xử lý lỗi của CHB – MLI khi cấp nguồn cho hệ truyền động FOC – IM. Do đó, mô phỏng đƣợc thực hiện với các điều kiện sau:
Các bộ điều khiển dòng điện, từ thông, tốc độ đã đƣợc thiết kế và tham số của động cơ cho đầy đủ, mô phỏng được xây dựng cho ba trường hợp với cùng điều kiện.
- Trường hợp I: chỉ loại bỏ cầu H bị lỗi, không can thiệp thuật toán điều chế
- Trường hợp II: loại bỏ cầu H bị lỗi và các cầu H tương ứng ở các pha khác, dùng thuật toán SVM để điều chế lại [80]
- Trường hợp III: chỉ loại bỏ cầu H bị lỗi, thực hiện điều chế lại theo phương án đề xuất.
Kịch bản mô phỏng như bảng dưới đây:
Bảng 2. 13. Kịch bản mô phỏng tải động cơ
Thời gian
ωref
(vòng/p) Lỗi
* Kết quả mô phỏng
a, Đánh giá mức độ suy giảm của điện áp Bảng 2. 14. Thống kê mức giảm điện áp
Phương pháp Trường hợp III
Trường hợp II
59
Thuật toán SVM đề xuất (cải tiến) đã loại bỏ vùng vector điện áp bị lỗi, sau đó sử dụng đến các trạng thái mạch nghịch lưu dư trong việc cùng tạo ra một vector điện áp để cho điện áp đầu ra nghịch lưu là lớn nhất có thể. Điện áp lớn nhất đầu ra của nghịch lưu trong cùng điều kiện lỗi khi áp dụng trường hợp III và trường hợp II thể hiện như Hình 2. 30, Hình 2. 31, mức độ độ suy giảm điện áp của hai trường hợp thể hiện nhƣ Bảng 2. 14 . Từ kết quả thu đƣợc có thể thấy với cùng điều kiện lỗi thuật toán đề xuất mức độ suy giảm điện áp đầu ra nghịch lưu nhỏ hơn 10 % so với phương pháp ở trường hợp II.
2694
2506
Hình 2. 30. Biên độ điện áp tối đa của CHB-MLI điều chế trường hợp III
3580
2863 2694
2148
Hình 2. 31. Biên độ điện áp tối đa của CHB-MLI điều chế với thuật toán SVM trường hợp II
b, Đánh giá về tốc độ độ
Hình 2. 32, Hình 2. 33, Hình 2. 34 thể hiện đáp ứng của tốc độ của 3 trường hợp, cụ thể nhƣ sau:
- Trong khoảng 0 đến 1,5s, khi không có lỗi của CHB - MLI, tốc độ động cơ bám giá trị đặt, hoạt động ổn định ở tốc độ định mức 1470v/ph, phương pháp điều khiển FOC hoạt động bình thường.
60
Hình 2. 32. Đáp ứng tốc độ khi dùng thuật toán SVM cải tiến.
Thời gian (s)
Hình 2. 33. Đáp ứng tốc độ khi dùng thuật toán của trường hợp II
Tốc độ (rpm) 1500
1000
500
0
0 0.5 1 1.5 2 2.5
Thời gian (S)
Hình 2. 34. Đáp ứng tốc độ khi dùng thuật toán của trường hợp I
- Trong khoảng từ 1,5 đến 2s khi xảy ra sự cố ở HA1, với trường hợp I tốc độ có sự dao động trong khoảng 1469-1471v/ph, điều này là do điện áp không thể tạo ra như yêu cầu của phương pháp điều khiển dẫn đến có méo dạng về dòng điện, điện áp làm suy giảm từ thông và momen. Đối với phương pháp SVM trong trường hợp
61
AIvà III, 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 thường.
- Trong khoảng từ 2 đến 2,5s, các cầu HA1, HA3, HB1 đồng thời có lỗi, với trường hợp I, do mức độ mất cân bằng của điện áp lớn hơn do đó mức độ đập mạch tốc độ cũng lớn hơn, dao động trong khoảng 1465-1473 vòng/phút. Đối với trường hợp II, III tốc độ ổn định kể cả khi có sự cố do đã đƣợc giới hạn lại điện áp từ đó giới hạn lại tốc độ. Tuy nhiên, trường hợp III với thuật toán SVM đề xuất tốc độ ra là lớn hơn (1345 vòng/phút) so với phương pháp SVM trường hợp II (1200 vòng/phút). Tốc độ lớn hơn này là do việc giới hạn điện áp và tần số của phương pháp đề xuất có xét đến các trạng thái dƣ trong việc cùng tạo ra 1 vector điện áp đã cho phép điện áp ra là lớn hơn. Thống kê tốc độ của 3 phương pháp trong các khoảng thời gian khác nhau thể hiện nhƣ Bảng 2. 15.
Bảng 2. 15. Tốc độ động cơ Thuật toán
1 – 1.5s 1.5 -2s 2 - 2.5s c, Đánh giá về momen
Momen động cơ tạo ra ở ba phương án thể hiện ở Hình 2. 35, Hình 2. 36, Hình
2. 37 , kết quả cụ thể nhƣ sau:
- Trong khoảng 0 đến 1,5s, khi không có lỗi, cả ba phương án đều có momen tạo ra ổn định ở 7380Nm.
- Trong khoảng từ 1,5 đến 2s khi có lỗi cầu HA1 với thuật toán SVM cải tiến và SVM của trường hợp II momen vẫn ổn định, do điện áp và từ thông là không đổi.
Tuy nhiên, với phương pháp SVM của trường hợp I momen có độ đập mạch lớn hơn (7000Nm -7800 Nm) bởi từ thông cũng bị đập mạch do ảnh hưởng của điện áp khi xảy ra lỗi đã bị suy giảm, trong khi đó tần số vẫn giữ nguyên.
- Trong khoảng từ 2 đến 2,5s, các cầu HA1, HA3, HB1 đồng thời có lỗi, phương pháp SVM trong trường hợp I mức độ đập mạch của từ thông tăng lên làm cho độ đập mạch của momen tăng lên rất lớn (5000Nm-10000Nm) khi có lỗi gây nguy hiểm cho hệ thống. Với thuật toán đề xuất và thuật toán SVM như trường hợp II đã đƣợc giới hạn lại về momen do đã đƣợc giới hạn về tốc độ thông qua giới hạn điện áp. Tuy nhiên, momen của phương pháp đề xuất tạo ra cũng lớn hơn momen của phương pháp của trường hợp II do điện áp và tốc độ lớn hơn tương ứng đã thể hiện ở trên
62
Hình 2. 35. Đáp ứng momen khi dùng thuật toán SVM cải tiến với trường hợp III
10000 8000
(Nm)Momen
0
Hình 2. 36. Đáp ứng momen khi dùng thuật toán SVM với trường hợp II
0.5 1 1.5 2 2.5
Time (s)
Hình 2. 37. Đáp ứng momen khi dùng thuật toán SVM với trường hợp I.
63
Hình 2. 38. Đáp ứng từ thông khi dùng thuật toán SVM với trường hợp I d, Đánh giá về điện áp, dòng điện
Hình 2. 39, Hình 2. 40, Hình 2. 41 mô tả điện áp dây của động cơ khi dùng thuật toán đề xuất, thuật toán SVM với trường hợp II và thuật toán SVM với trường hợp I. Nhận thấy vấn đề mất cân bằng điện áp xảy ra ở thuật toán của trường hợp I đã được giải quyết khi áp dụng thuật toán đề xuất và thuật toán sử dụng phương pháp của trường hợp II. Với thuật toán đề xuất như Hình 2. 39 , sau thời điểm 2s, do ảnh hưởng của lỗi điện áp ra của CHB-MLI được giới hạn lại và không đủ cho động cơ chạy ở tốc độ định mức. Lúc này, tốc độ động cơ sẽ đƣợc giới hạn để duy trì hoạt động chủ động cho hệ thống.
64
Điện áp UAB, UBC (V)
6000 4000 2000
0 -2000 -4000 -6000
0 0.5 1 1.5 2 2.5
Time (s)
Hình 2. 39. Điện áp dây khi dùng thuật toán SVM cải tiến (trường hợp III)
Time (s)
Hình 2. 40. Điện áp dây khi dùng thuật toán SVM phương pháp trong trường hợp II
65
Điện áp UAB, UBC 6000 4000 2000 0 -2000 -4000 -6000
Time (s)
Hình 2. 41. Điện áp dây khi dùng thuật toán SVM trong trường hợp I
Dòng điện (A) 500
0
- 500
0 500
400
300
200
100
0
-100
-200
-300
-400 -500
1.4
Time (s)
Hình 2. 42. Điện áp dây khi dùng thuật toán SVM cải tiến (trường hợp III)
Dòng điện (A)
Time (s) Hình 2.
43.
Dòng điện pha A va B khi sử dụng thuật toán trong trường hợp I 66
Điện áp UZN (V)
1500 1000 500 0 -500 -1000
-1500 0
Time (s)
Hình 2. 44. Điện áp common-mode khi dùng SVM cải tiến trong trường hợp III
Điện áp UZN (V)10000
-1000 -2000 -3000 -4000
0 0.5 1 1.5 2
2.5
Time (s)
Hình 2. 45. Điện áp common-mode khi dùng SVM trong trường hợp I
Hình 2. 46. Mức trạng thái kAN, kBN, kCN khi xét tới lỗi van trong phương pháp SVM cải tiến
67
Hình 2. 47. Mức trạng thái kAN, kBN, kCN khi xét tới lỗi van trong trường hợp II Bảng 2. 16. Điện áp Common - mode ở hai trường hợp.
Thời gian 1 - 1.5s 1.5 - 2s 2 – 2.5s Bảng 2. 17. Mức trạng thái từng pha theo kịch bản mô phỏng.
Thời gian Lỗi
kAN Trường
[-5;5]
hợp III Trường
[-5;5]
hợp II
Hình 2. 43 , Hình 2. 44 thể hiện dòng điện pha A và pha B khi dùng thuật toán đề xuất và thuật toán như trường hợp I. Nhận thấy vấn đề mất cân bằng dòng điện ở thuật toán ở trường hợp I đã được giải quyết bởi thuật toán SVM khắc phục lỗi hở mạch van. Với phương pháp ở trường hợp II dạng điện áp, dòng điện được giới hạn tương tự như thuật toán đề xuất nhưng có giá trị nhỏ hơn do vùng vector điện áp loại bỏ lớn hơn, điều này sẽ đƣợc thể hiện rõ ở mức điện áp trên pha.
Khi hoạt động ổn định ở vùng tốc độ định mức, không xuất hiện lỗi, điện áp common-mode ở phương pháp SVM đề xuất ở Hình 2. 44 (điện áp trong khoảng (- 200V, 200V)) đã giảm xuống so với việc sử dụng thuật toán thông thường ở Hình 2.
45 (điện áp trong khoảng (-1900V, 200V). Khi có lỗi hở mạch xảy ra, giá trị CMV tăng lên do các mức trạng thái có giá trị CMV nhỏ đã bị loại bỏ do sự cố. Phương
68
pháp của trường hợp II có điện áp common mode tương đương phương pháp đề xuất trong các trường hợp.
Hình 2. 46, Hình 2. 47 mô tả mức trạng thái từng pha A,B,C của phương pháp đề xuất và phương pháp của trường hợp II. Ở vùng tốc độ định mức, khi không có lỗi, các mức trạng thái các pha kAN, kBN, kCN đều nằm trong khoảng [-5;5]. Tuy nhiên sau thời điểm 1,5s, cầu HA1 gặp sự cố mức trạng thái hay dạng điện áp pha giữa 2 phương pháp có sự khác nhau. Mức trạng thái đầu ra trên pha của hai phương pháp được thể hiện như Bảng 2. 17. Ta có thể dễ dàng nhận thấy, với thuật toán đề xuất đã lựa chọn các trạng thái dƣ trong việc tạo nên cùng một vector điện áp sẽ cho ra điện áp của CHB – MLI lớn hơn. Ví dụ, ở thời điểm 2 – 2,5s với phương pháp đề xuất pha A lỗi hai cầu H nên mức trạng thái trên pha A là [-3,3], pha B do ảnh hưởng của lỗi chính pha B và pha A nên mức trạng thái là [-4,4], pha
C tuy không có lỗi nhưng do ảnh hưởng của lỗi pha A và B, để đảm bảo điện áp cân bằng trên tải mức pha C được giới hạn là [-4,4]. Với phương pháp của trường hợp II lúc này cả pha A, B, C đều có mức là [-3,3]. Nhƣ vậy, nhìn vào mức trạng thái đầu ra CHB – MLI có thể dễ dàng nhận thấy phương pháp đề xuất đã cho điện áp đầu ra lớn hơn một lớp không gian vector điện áp, qua đó làm cho tốc độ, momen lớn hơn.
Áp dụng thuật toán phát hiện, xử lý lỗi của nghịch lưu đa mức cấu trúc cầu H nối tầng khi cấp nguồn cho hệ truyền động FOC – IM thu được kết quả: điện áp, dòng điện đã được giới hạn đảm bảo sự sụt giảm là nhỏ nhất, cân bằng. Tốc độ được giới hạn thông qua giới hạn của điện áp. Từ đó, hệ truyền động có thể duy trì hoạt động hoặc dừng chủ động hệ thống.