1.2. Cấu tạo của hệ truyền động nhiều pha
1.2.5. Các kỹ thuật điều khiển hiện có của truyền động nhiều pha ở chế độ bình thường
Như đã phân tích trong [21-23, 26, 31, 60-62], các kỹ thuật điều khiển cho truyền động nhiều pha có thể được phân loại chung thành ba loại chính: Điều khiển hướng trường (FOC), Điều khiển mô-men xoắn trực tiếp (DTC) và Dự đoán dựa trên mô hình kiểm soát (MPC). Vòng trong để điều khiển dòng điện, mô-men xoắn và từ thông được xem xét vì vòng ngoài để điều khiển tốc độ trong ba kỹ thuật điều khiển là như nhau.
1.2.5.A. FOC
FOC, được đề xuất sớm trong [63, 64], đã trở thành kỹ thuật điều khiển phổ biến nhất với việc sử dụng các ma trận biến đổi trực giao. Để hiểu nguyên tắc của
28
FOC, vòng điều khiển dòng điện dựa trên FOC của PMSM pha n được cung cấp bởi VSI được mô tả trong Hình 1.8. Như đã đề cập trước đó, ma trận [TClarke] và [TPark] được áp dụng để phân tách máy pha n thành (n+1)/2 hoặc (n+2)/2 máy ảo (hệ quy chiếu tách rời). Do đó, việc kiểm soát từ thông và mô-men xoắn có thể được tách rời bằng cách điều chỉnh độc lập các dòng điện không đổi trong các hệ quy chiếu rô-to.
Điện áp tham chiếu dq _ est, hầu hết được tính toán bằng bộ điều khiển tích phân tỷ lệ (PI) và bù EMF ngược ước tính edq _ est (tùy chọn), được chuyển đổi thành ref hệ tọa độ tự nhiên. Các điện áp này là các giá trị tham chiếu để xác định chu kỳ làm việc cho việc tạo tín hiệu chuyển mạch của VSI (s1,n). Cụ thể, ref được so sánh với các tín hiệu sóng mang, được gọi là PWM dựa trên sóng mang (CBPWM) hoặc nó được sử dụng để xác định các vectơ không gian liền kề khác nhau được áp dụng trong các khoảng thời gian khác nhau, được gọi là PWM vectơ không gian (SVPWM)
Hình 1. 7 Vòng điều khiển bên trong của truyền động PMSM n pha dựa trên kỹ thuật FOC.
Vào đầu những năm 2000, các phương pháp nghiên cứu chung về truyền động nhiều pha bằng cách sử dụng phương pháp vectơ không gian đã được đề xuất [35, 65]. Các tính chất hình học và đồ họa của vectơ không gian được tổng quát hóa và điều chỉnh cho các hệ thống nhiều pha với những tiến bộ của tính toán ma trận. Bộ biến đổi nguồn bao gồm điện áp PWM và bộ biến đổi nguồn hiện tại được đặc trưng bởi các vectơ không gian. Các phương pháp có thể được khái quát hóa cho các bộ biến tần khác nhau với số lượng chân khác nhau. Sau đó, chủ nghĩa hình thức lần đầu tiên được áp dụng cho máy ba pha trước khi được xác minh trong máy cảm ứng năm pha.
29
Một số nghiên cứu gần đây về điều khiển truyền động nhiều pha dựa trên FOC có thể được tóm tắt như sau:
1) Máy cảm ứng năm pha và ba pha kép với MMF hình sin đã được nghiên cứu trong [66-68]. Do có nhiều DoF hơn so với các đối tác ba pha, các MMF không hình sin trong các máy cảm ứng đa pha có thể được điều khiển phù hợp trong [69-74].
Việc đưa vào các sóng hài hiện tại cho phép cải thiện chất lượng mô-men xoắn.
2) Các nghiên cứu dựa trên FOC cho PMSM ba pha, năm pha, ba pha kép và bảy pha với các cấu trúc liên kết cuộn dây stato khác nhau đã được đề xuất trong [29, 46, 53-55, 75-90]. Trong các nghiên cứu này, hầu hết các máy này đều có EMF ngược không hình sin dạng sóng, cho phép tăng mật độ mô-men xoắn. Đặc biệt, một PMSM năm pha hai sóng hài với sóng hài thứ ba chiếm ưu thế của EMF ngược được giới thiệu trong [55, 83]. Máy đặc biệt này có thể dễ dàng khai thác các sóng hài hiện tại tương ứng để có một hộp số điện từ, mở rộng phạm vi tốc độ mà không cần sử dụng công tắc điện tử vật lý. Trong khi đó, các nghiên cứu [87] tính toán các tham chiếu dòng điện để đạt được đặc tính tốc độ mô-men xoắn cực đại bằng cách xem xét các giới hạn của giá trị cực đại của dòng điện pha và điện áp đối với PMSM năm pha hình sin.
1.2.5.B. DTC
Một giải pháp thay thế cho FOC là DTC đã được giới thiệu trong [91-93]. Nói chung, DTC dựa trên mô hình để ước tính từ thông và mô-men xoắn. Việc điều khiển từ thông và mô-men xoắn được thực hiện trong các hệ tọa độ tham chiếu stato tách rời mà không có vòng điều khiển dòng điện bên trong. Các kỹ thuật DTC được phân loại theo cách xác định điện áp stato. Điện áp stato có thể thu được bằng Bảng chuyển mạch tối ưu (ST-DTC) hoặc bằng tần số chuyển mạch không đổi (PWM-DTC).
30
Hình 1. 8 Vòng điều khiển bên trong của truyền động PMSM n pha dựa trên kỹ thuật ST-DTC.
Vòng lặp bên trong của truyền động PMSM n pha sử dụng ST-DTC được mô tả trong Hình 1.8. ST-DTC là để so sánh các giá trị ước tính và tham chiếu của từ thông stato (estvà est) cũng như của mô-men xoắn điện từ (Tem_est và Tem_est). Sau đó, các vectơ điện áp stato được chọn từ bảng tra cứu để xác định tín hiệu chuyển mạch của VSI (S1,n). Với ST-DTC, bộ điều khiển độ trễ thường được áp dụng để buộc các biến được điều khiển nhanh chóng theo dõi các giá trị tham chiếu của chúng mà không cần PWM. Tính năng này làm cho ST-DTC trở nên đơn giản với phản ứng mô-men xoắn nhanh. Tuy nhiên, ST-DTC dẫn đến các tần số chuyển đổi thay đổi và các thành phần tần số cao sinh ra trong dòng điện, dẫn đến các mômen gợn sóng cao hơn FOC [23]. Ngoài ra, số lượng vectơ không gian điện áp tỷ lệ theo cấp số nhân với số pha, làm cho kích thước của bảng tra cứu tăng lên đáng kể [60]. Nghiên cứu [94] đề xuất một phương pháp ST-DTC chung cho số pha lẻ nhiều hơn ba. Tuy nhiên, kỹ thuật ST-DTC vẫn chưa được mở rộng cho bất kỳ số pha nào cao hơn sáu.
1) Một số nghiên cứu về ST-DTC cho máy điện cảm ứng 5 pha và 6 pha không đối xứng được giới thiệu trong [95-97]. Cụ thể, điện áp stato trong mặt phẳng thứ cấp được giảm xuống để giảm thiểu các thành phần dòng điện stato không tạo ra mô-men xoắn.
2) Trong khi đó, các nghiên cứu về ST-DTC cho truyền động PMSM năm pha sử dụng khái niệm hệ thống đa bộ chuyển đổi nhiều máy đã được đề xuất trong [98, 99]. Ngoài ra, kỹ thuật PWM-DTC áp đặt các tần số chuyển mạch không đổi và yêu cầu một PWM như được mô tả trong Hình 1.9. Cụ thể, thuật toán DTC trong PWM-
31
DTC được sử dụng để tạo tham chiếu điện áp trước khi PWM xác định trạng thái chuyển mạch biến tần. Thuật toán này dựa trên giải pháp deadbeat trong đó các giá trị tham chiếu của từ thông stato và mômen điện từ thu được chỉ trong một lần lấy mẫu [100]. Phương pháp này có một số ưu điểm so với ST-DTC với tần số chuyển đổi thay đổi như gợn sóng mô-men xoắn thấp hơn và các thành phần tần số cao nhỏ hơn trong dòng điện. Tuy nhiên, do điều khiển trong các hệ tọa độ tham chiếu stator tách rời, PWM-DTC yêu cầu tần số chuyển đổi cao để đảm bảo hiệu suất tốt. Ngoài ra, với tư cách là ST-DTC, gánh nặng tính toán là một điểm hạn chế của PWM-DTC.
Có thể tìm thấy ứng dụng của PWM-DTC trong [101] cho truyền động động cơ cảm ứng ba pha kép.
Hình 1. 9 Vòng điều khiển bên trong của biến tần PMSM n pha dựa trên kỹ thuật PWM-DTC.
1.2.5.C. MPC
Mặc dù được phát triển lần đầu tiên vào những năm 1970, MPC gần đây đã trở thành một trong những giải pháp hứa hẹn nhất và các kỹ thuật được sử dụng rộng rãi [23, 102]. Cách tiếp cận này có thể được coi là một cải tiến của DTC. Theo các hành động tối ưu hóa và điều khiển, các kỹ thuật MPC có thể được chia thành hai loại, bao gồm Bộ điều khiển liên tục MPC (CCS-MPC) và Bộ điều khiển hữu hạn MPC (FCS- MPC). CCS-MPC áp dụng mô hình trung bình của hệ thống với tín hiệu tham chiếu liên tục và tần số cố định. Trong khi đó, FCS-MPC sử dụng số trạng thái chuyển mạch hữu hạn trong biến tần, và nó có tần số chuyển đổi thay đổi. Thật vậy, lược đồ FCS- MPC cho bộ điều khiển PMSM pha n trong Hình 1.10 cho thấy rằng nó dựa trên độ chính xác của mô hình hệ thống để dự đoán các hành vi trong tương lai của các biến hệ thống (ik 1 ). Dự đoán với việc tối thiểu hóa hàm chi phí (min(J)) cho phép xác
32
định các trạng thái chuyển đổi VSI tối ưu (s1,n). Cần lưu ý rằng FCS-MPC có thể dễ dàng thêm các mục tiêu điều khiển bổ sung như tổn thất đồng hoặc các ràng buộc về dòng điện và điện áp.
Hình 1. 10 Vòng điều khiển bên trong của truyền động PMSM n pha dựa trên kỹ thuật FCS-MPC
Nhìn chung, MPC có phản ứng nhanh hơn FOC và cấu trúc điều khiển linh hoạt hơn DTC. Tuy nhiên, nó vẫn có chi phí tính toán cao do số lần lặp lớn và tần số chuyển đổi cao. Điều quan trọng, MPC yêu cầu kiến thức chính xác về hệ thống để dự đoán mô hình [23].
1) Sơ đồ MPC chung cho thiết bị và điện tử công suất được phân loại trong [102]. Các cấu trúc điều khiển dựa trên MPC được mô tả trong [103, 104] cho máy điện không đồng sáu pha không đối xứng và trong [105-107] cho máy điện không đồng bộ năm pha.
2) Các nghiên cứu về PMSM năm pha được thực hiện trong [108, 109], có tính đến các giới hạn của dòng điện và điện áp.