1.2. Cấu tạo của hệ truyền động nhiều pha
1.2.6. Các chiến lược kiểm soát hiện có cho các hoạt động sau lỗi
Để phân tích các chiến lược kiểm soát khả năng chịu lỗi hiện có, cần trình bày các sự cố về điện có thể xảy ra trong truyền động nhiều pha. Trong Hình 1.11, các loại lỗi khác nhau trong truyền động nhiều pha bao gồm SC hoặc OC trong công tắc biến tần, cuộn dây pha hoặc đường dây kết nối giữa máy và biến tần. Trong số đó, lỗi OC được báo cáo nhiều hơn lỗi SC trong truyền động điện [31, 110] vì lỗi SC thường
33
dẫn đến lỗi OC với lớp bảo vệ bên trong của các công tắc tương ứng [111]. Do đó, luận văn này sẽ chủ yếu tập trung vào các lỗi OC trong truyền động nhiều pha.
Hình 1. 11 Các loại lỗi khác nhau trong truyền động n pha
Khi xảy ra sự cố ở bộ truyền động điện, cần tiến hành phát hiện, chẩn đoán và cách ly sự cố, tránh những hư hỏng có thể xảy ra đối với bộ truyền động điện. Đã có nhiều nghiên cứu về chẩn đoán, phát hiện và cách ly [14, 112-118] lỗi bằng cách khai thác các đặc điểm đặc biệt của truyền động nhiều pha.
Ở chế độ bình thường, bộ truyền động nhiều pha được điều khiển thích hợp với các mô-men xoắn mượt mà bằng các kỹ thuật điều khiển như đã trình bày trong tiểu mục trước. Các dòng pha của chúng có cùng dạng sóng với các giá trị RMS định mức.
Trong các hoạt động sau sự cố, số lượng pha hoạt động ít hơn và các pha còn lại không còn đối xứng. Nếu các tham chiếu dòng điện trước sự cố không được thay đổi, sẽ có các dòng điện không kiểm soát được và các mômen dao động [78, 118-121].
Cụ thể, có 2 hậu quả chính của sự cố xảy ra trong truyền động nhiều pha như sau:
1) Các giới hạn của dòng điện cực đại hoặc bình phương trung bình gốc (RMS) có thể không được đảm bảo. Nói cách khác, dạng sóng hiện tại của các pha khỏe mạnh còn lại của biến tần bị suy giảm trong các hoạt động sau sự cố. Giới hạn dòng đỉnh dựa trên dòng đỉnh tức thời trong quá trình vận hành trong thời gian ngắn và có liên quan đến các thành phần VSI. Trong khi đó, giới hạn dòng RMS chủ yếu được xác định từ các giới hạn nhiệt của cuộn dây stato.
34
2) Không đảm bảo mômen điện từ trơn tru. Nói chung, các dòng pha bình thường không được kiểm soát tạo ra các MMF quay không tròn trên mỗi hệ tọa độ tham chiếu, tạo ra các gợn sóng mô-men xoắn. Những gợn sóng mô-men xoắn này có thể gây ra tiếng ồn và rung động, làm giảm chất lượng hoạt động của bộ điều khiển.
1.2.6.B. Phân loại dựa trên tiêu chí của các tham chiếu mới hiện tại cho các hoạt động chịu lỗi.
1) Các ràng buộc về giới hạn dòng điện: các dòng điện pha lành mạnh còn lại cần đảm bảo giới hạn RMS hoặc giá trị đỉnh của chúng [61, 87, 122, 123].
2) Ràng buộc về giới hạn điện áp: điện áp pha đỉnh được yêu cầu nằm trong giới hạn của chúng để tránh bão hòa biến tần. Nói cách khác, hoạt động làm suy yếu từ thông có thể được đảm bảo trong các chế độ bị lỗi [61, 74, 87].
3) Tối ưu hóa tổn thất đồng: dòng điện trong pha khỏe còn lại được thiết kế để đạt được tổng tổn thất đồng tối thiểu hoặc tổn thất đồng bằng nhau trong các pha khỏe mạnh [124, 126-135, 137, 138].
Các tiêu chí trên có thể được kết hợp với nhau trong chiến lược chịu lỗi. Ví dụ:
tiêu chí thứ nhất và thứ hai có thể đảm bảo độ tin cậy chức năng cao trong các hoạt động tốc độ thấp và suy yếu từ thông đối với các bộ truyền động đa pha sau sự cố.
1.2.6.C. Phân loại dựa trên các loại MMF cho các hoạt động chịu lỗi Nguyên tắc của chiến lược chịu lỗi dựa trên các loại lỗi và đặc điểm của truyền động nhiều pha chẳng hạn như số lượng pha và thiết kế máy. Một trong những nỗ lực đầu tiên [13] cho thấy số pha stato và loại dạng sóng kích thích (hình sin hoặc không hình sin) ảnh hưởng đến suy giảm hiệu suất. Theo đó, các nghiên cứu về điều khiển chịu lỗi có thể được phân thành hai nhóm theo loại MMF cho IM và PMSM như sau:
1) Máy nhiều pha hình sin: Chiến lược chịu lỗi cho máy nhiều pha hình sin đã được tìm thấy trong [87, 119, 123, 126-133, 137-141]. Các máy này có nhiều DoF hơn để điều khiển vì không tồn tại sóng hài bậc cao của EMF ngược không hình sin, cho phép sự hiện diện của sóng hài bậc cao của dòng điện nhằm mục đích tối ưu hóa.
Các chiến lược điều khiển chịu lỗi cho máy hình sin không thể áp dụng đơn giản cho máy không hình sin máy do gợn sóng mô-men xoắn.
35
2) Các máy nhiều pha không hình sin: Các nghiên cứu [61, 120-122, 124, 125, 134-136, 142-149] đã đề xuất các chiến lược chịu lỗi cho các máy nhiều pha không hình sin. Các chiến lược này thường phức tạp hơn so với các máy hình sin. Tuy nhiên, các máy nhiều pha không hình sin này có một số ưu điểm như dễ chế tạo, chi phí sản xuất thấp hơn, mật độ mômen xoắn cao hơn, tổn thất đồng thấp hơn (nếu chọn cuộn dây tập trung có đầu cuộn dây ngắn) và khả năng thay đổi cực điện từ.
1.2.6.D. Phân loại dựa trên mô hình bộ điều khiển nhiều pha cho các hoạt động chịu lỗi
Việc mô hình hóa truyền động nhiều pha trong các điều kiện sau sự cố có thể được bắt nguồn từ phép phân tách không gian véc tơ [150] hoặc lý thuyết hệ tọa độ đa tham chiếu với hình thức véc tơ không gian tổng quát [34, 35, 65]. Như đã thảo luận trong phần lập mô hình chung, sử dụng phép biến đổi Clarke [TClarke ] cho phép phân tách một máy pha n thành một số máy ảo tách rời (hệ quy chiếu). Có (n+1)/2 hệ quy chiếu cho số lẻ của các pha và (n+2)/2 hệ quy chiếu cho số pha chẵn. Trong các hệ tọa độ tham chiếu này, dòng điện và điện áp được điều khiển độc lập ở chế độ bình thường. Tuy nhiên, trong các chế độ bị lỗi, thuộc tính tách rời không còn tồn tại. Vì vậy, đã có hai phương án cho mô hình như sau:
1) Chuyển đổi Clarke của chế độ bình thường [TClarke] được giữ nguyên nhưng các tham chiếu hiện tại trong các hệ tọa độ tham chiếu rôto cần được xác định lại [87, 120, 123, 138]. Cấu trúc điều khiển không thay đổi trong các chế độ bị lỗi, làm cho các chiến lược này trở nên đơn giản hơn. Các tham chiếu hiện tại d-q mới của các máy ảo tạo ra hầu hết mô-men xoắn được thiết kế không đổi. Do đó, các dòng điện d-q khác trong các máy ảo khác là biến đổi theo thời gian.
2) Ma trận biến đổi bậc giảm [126-129, 132-135, 149] có thứ nguyên tương đương với số pha khỏe mạnh được áp dụng. Thật vậy, khi truyền động n pha bị mất một pha, máy trong tình trạng sau sự cố này có thể được coi là máy (n-1) pha không đối xứng. Do đó, bộ điều khiển sau lỗi có thể được mô hình hóa lại về mặt toán học với (n-1) pha trong đó ma trận Clarke và Park có chiều (n-1) mới được xác định với mục đích bảo toàn MMF dưới lỗi OC. Trong các hệ tọa độ tham chiếu tách rời mới,
36
các tham chiếu dòng điện d-q mới với các tùy chọn tối ưu hóa được xác định để đạt được các mô men xoắn không đổi.
1.2.6.E. Phân loại dựa trên kỹ thuật điều khiển cho các hoạt động chịu lỗi Một kỹ thuật điều khiển phổ biến cho truyền động nhiều pha sau sự cố là FOC trong đó vòng điều khiển tốc độ được điều chỉnh bởi bộ điều khiển tỷ lệ hoặc PI để tạo tham chiếu mô-men xoắn [31]. Trong khi đó, bộ điều khiển vòng trong cho dòng điện có thể là một trong các tùy chọn sau:
1) PI: Các nghiên cứu [87, 120] áp dụng sơ đồ FOC cổ điển với bộ điều khiển PI vì tham chiếu dòng điện d-q chính, tạo ra hầu hết mô-men xoắn, được thiết kế không đổi.
2) MPC và DTC: Với phản ứng nhanh hơn FOC, một số nghiên cứu sử dụng MPC đã được tìm thấy trong [109, 128, 151, 152] trong khi một số nghiên cứu [136, 148] đã được tiến hành với DTC. Sơ đồ MPC cũng linh hoạt để áp dụng các ràng buộc về dòng điện và điện áp. Tuy nhiên, MPC và DTC có một số nhược điểm như được mô tả trong các kỹ thuật điều khiển .
3) Điều khiển trễ: Để xử lý các tham chiếu dòng điện thay đổi theo thời gian trong hệ tọa độ tự nhiên, các nghiên cứu [121, 122, 125, 153, 154] áp dụng các bộ điều khiển trễ cho điều khiển dòng điện. Tuy nhiên, tiếng ồn, tổn thất và tần số chuyển đổi thay đổi có thể được coi là một số nhược điểm của điều khiển trễ.
4) PI kép: Các nghiên cứu [123, 135, 138, 149, 155] sử dụng PI kép hoặc bộ điều khiển cộng hưởng tích phân tỷ lệ (PIR) cho tham chiếu dòng điện biến thiên theo thời gian. Yêu cầu điều chỉnh nhiều tham số và kiến thức về tần số là một số nhược điểm của phương pháp này.
5) Điều khiển bền vững: Sơ đồ điều khiển dựa trên FOC với bộ điều khiển bền vững cho tốc độ hoặc dòng điện như bộ điều khiển logic mờ (FL) và bộ điều khiển chế độ trượt đã được tìm thấy trong [139, 156, 157]. Sơ đồ này có thể nâng cao khả năng chịu lỗi của biến tần trong các loại lỗi khác nhau (lỗi OC trong công tắc biến tần hoặc đường dây giữa biến tần và máy móc).