CHƯƠNG 2: KỸ THUẬT GIẢM ĐIỆN ÁP COMMON MODE CHO BIẾN TẦN NGUỒN ÁP SÁU PHA
3.4 Kết quả nghiên cứu
Trong phần này, tác giả tiến hành khảo sát, phân tích và đánh giá chất lượng bộ điều khiển BS_PCH mới kết hợp giải thuật giảm điện áp common mode 4S_CBPWM (giải thuật 4S_CBPWM Vcomopt được đề xuất trong chương 2) cho hệ truyền động điều khiển vector SPIM (như hình 3.10) ở các chế độ vận hành khác nhau, trong điều kiện tải và tham số động cơ thay đổi thông qua phần mềm mô phỏng Matlab - Simulink. Các khảo sát được thực hiện dựa trên các thử nghiệm được đưa ra trong [45], [47]. Thông số của SPIM như sau: 1HP, 6-phase, 220 V, 50 Hz, 4 poles, 1450 rpm. Rs = 10.1, Rr = 9.8546, Ls = 0.833457 H, Lr = 0.830811 H, Lm = 0.783106H, J = 0.0088 kg.m2.
10.3Hình LựcĐộngPhầnhệchoPCHBSkhiểnĐiều: BSKhiểnĐiềutruyền (PCHSPIMđộng )IFOC
Nguồn AC 3P
ψr* ĐKTĐ i * ĐKD isdq u * usα
sd sd
+- +-
* BS i * PCH *
T-1 T-1
ωr + +sq usd 2 usβ 6
- -
ωr θe
isd isα
Eq.(4.4) isq T2 i T6
sβ
ψrd
^ ω
sl +ω e
* Eq.(3.8) ʃ
isq +
ω r
Hình 3. 10: Điều khiển BS_PCH cho hệ truyền động SPIM
67
Trường hợp 1:
Để kiểm chứng chất lượng động của hệ truyền động SPIM sử dụng bộ điều khiển đề xuất ở chế độ quá độ khởi động và đảo chiều và được thực hiện với cả hai bộ điều khiển PI và BS -PCH. Các đáp ứng tốc độ, mô men được hiển thị trong hình 3.11. Tốc độ tham chiếu trong trường hợp này được khảo sát ở chế độ đảo chiều từ 1000 vòng/ phút đến - 1000 vòng/phút, động cơ làm việc với tải tải định mức.
1000 Reference
(rpm)
Measured (PI)
500 Measured (BS-PCH)
Speed
0 994
-500
10001002
998 996
-1000 9920.291 0.292 0.293 0.294 0.295
0 0.5 1 1.5 2
Time (s) a. Đáp ứng tốc độ
1000 0.102 1000 Reference
(rpm) (rpm) 500 Measured (PI)
0.168s Measured (BS-PCH)
Speed 500 Reference
Speed 0 0.135s
Measured (PI) -500 0.1025s
0 Measured (BS-PCH) -1000 1 1.2 1.4
0 0.1 0.2 0.3
Time (s) Time (s)
b. Zoom tốc độ trong quá trình khởi động và đảo chiều
Torque (Nm)
20 TL
Te (PI)
10 Te (BS-PCH)
0 -10
0 0.5 1 1.5 2
Time (s)
c. Đáp ứng mô men
Stator current isdq (A)
5
0 isq (PI)
isq (BS-PCH)
-5 isd (PI)
isd (BS-PCH)
0 0.5 1 1.5 2
Time (s)
d. Đáp ứng dòng stator biểu diễn trên tọa độ dq
Stator current isa (A)
5
0
-50
isa (PI) isa (BS-PCH)
0.5 1 1.5 2
Time (s) e. Đáp ứng dòng stator pha a
(Wb) 1
Phi rD (PI) Phi rD (BS-PCH)
Flux 0 Phi rQ (PI)
Phi rQ (BS-PCH)
Rotor
-1
0 0.5 1 1.5 2
Time (s)
a. Từ thông rotor biểu diễn trên tọa độ αβ Rotor Flux
(Wb) 1
0.5 Phi rd (PI)
Phi rd (BS-PCH)
00 0.5 1 1.5 2
Time (s)
e. Từ thông rotor biểu diễn trên tọa độ dq
Hình 3. 11: Đáp ứng tốc độ, mô men trong quá trình đảo chiều Bảng 3.1 Các thông số chất lượng điều khiển với tải định mức
Giải thuật ĐK BS_PCH PI
Thời gian khởi động (s) 0.102 0.168
Thời gian đạt giá trị xác lập (s) 0.103 0.176
Thời gian đảo chiều (s) 0.1025 0.135
Sai số xác lập (Vòng/phút) 0.1 6
Quan sát kết quả mô phỏng thu được, dễ dàng nhận thấy rằng bộ điều khiển BS -PCH có thể cung cấp các đáp ứng động và thời gian ổn định nhanh hơn. Quá trình khởi động của SPIM từ 0 đến 1000 vòng/phút trong trường hợp hệ truyền động sử dụng bộ điều khiển PI là 0.252s và 0.102s trong trường hợp sử dụng bộ điều khiển BS -PCH (Hình 3.11 c). Tốc độ được đảo chiều trực tiếp từ 1000 vòng/phút đến −1000 vòng/phút tại thời gian t = 1s. Ngay khi có lệnh đảo chiều tốc độ, mô men điện từ lập tức đảo chiều, do đó động cơ bắt đầu giảm tốc để đạt tốc độ 0 và sau đó bắt đầu tăng tốc theo hướng ngược lại và ổn định ở tốc độ -1000 vòng/phút. Tổng thời gian đảo chiều tốc độ của hệ truyền động SPIM sử dụng bộ điều khiển PI và BS -PCH lần lượt là 0,151s và 0,102s. Khi động cơ vận hành ở trạng thái xác lập 1000 vòng/phút hay -1000 vòng/phút sai số dõi theo tốc độ xấp xỉ bằng 0.23 trường hợp bộ PI và 0.017 . Từ kết quả mô phỏng cho thấy chất lượng của điều khiển vectơ của hệ truyền động SPIM sử dụng BS -PCH rất tốt, tốc độ thực bám theo tốc độ tham chiếu, hiệu quả theo dõi tốc độ cao, đáp ứng động nhanh. So sánh với kết quả thu được khi sử dụng bộ điều khiển truyền thống PI, chúng ta có thể thấy rằng chất lượng điều khiển
ở chế độ quá độ của hệ truyền động SPIM được cải thiện đáng kể khi sử dụng bộ điều khiển BS -PCH. Trong đề xuất kiểm soát vector này, khả năng theo dõi tham chiếu, thời gian quá độ tốt hơn. Bộ điều khiển cũng BS -PCH có đáp ứng mô men nhanh và gợn mô men thấp.
Trường hợp 2
Trong trường hợp này, tác giả khảo sát các chế độ vận hành hệ truyền động SPIM khi tốc độ động cơ và mô men tải thay đổi. Hai trường hợp khảo sát được dựa theo những thử nghiệm chuẩn được thực hiện trong [47, Hình. 7-10]
1. Khảo sát thay đổi tốc độ khi không tải, kết quả được hiển thị trong Hình 3.12.
2. Khảo sát tốc độ được giữ cố định bằng 1442 vòng/phút trong suốt thời gian khảo sát, mô men tải thay đổi từ không đến tải định mức tại t=7s (thay vì 75% tải định mức như [47]) được hiển thị trong Hình 3.13.
S p e e d (r a d/
s)
(rad/s)
1000 1000
Speed
00 0.1 0.2 Reference
500 500
00 Measured
2 4 6 8 10
Time (s)
(Wb) 1
Flux 0.5 Phi rd
Phi rq
Rotor
0
0 2 4 6 8 10
Time (s)
1 Phi rq
(Wb) Phi rd
0.5
Flux 0
Rotor -0.5
-1
5.7 5.8 5.9 6 6.1 6.2 6.3
Time (s)
(Nm) 10 TL
Te
Torque 0
-10
0 2 4 6 8 10
Time (s)
(A)
5 Reference
Actual
isq 0
Current
-5
0 2 4 6 8 10
Time (s)
(A) 2
isa 0
Current
-2
0 2 4 6 8 10
VcomI (V)
VcomII (V)
Time (s) 500
0
-500 0.502 0.504 0.506 0.508 0.51
0.5
Time (s) 500
0
-500 0.502 0.504 0.506 0.508 0.51
0.5
Time (s)
Vcom (V)
500
0
-500 0.502 0.504 0.506 0.508 0.51
0.5
Time (s)
Hình 3. 12: Các đáp ứng trong trường hợp không tải
Speed (rad/s)
1500
1000 1000
500 0 0.1 0.2
0 Reference
00 2 4 6 Actual8 10
Time (s)
(Nm) 10 Te
Torque 0
-10
0 2 4 6 8 10
Time (s)
(A) 2
isa 0
Current -2 2
0
-4 -2
8 8.05
0 2 4 6 8 10
Time (s)
Current isq (A)
6 4 2 0
-2 isq
isd
0 2 4 6 8 10
Time (s)
(Wb) 1
Rotor Flux 0.5
Phi rq Phi rd 0
0 2 4 6 8 10
Time (s)
1 Phi rd
(Wb) Phi rq
0.5
Flux 0
Rotor -0.5
-1
5.7 5.8 5.9 6
Time (s)
VcomI (V)
VcomII (V)
500
0
-500 8.502 8.504 8.506 8.508 8.51
8.5
Time (s) 500
0
-500 8.502 8.504 8.506 8.508 8.51
8.5
Time (s)
Vcom (V)
5 00
0
-500 8.502 8.504 8.506 8.508 8.51
8.5
Time (s)
Hình 3. 13: Các đáp ứng trong trường hợp tải định mức
Từ kết qủa mô phỏng, có thể thấy rằng đáp ứng trong chế độ quá độ của hệ truyền động rất tốt trong cả điều kiện vận hành tốc độ hay mô men thay đổi. Không có sự dao động tốc độ và dòng, giá trị được điều khiển hội tụ rất nhanh với bám theo sát giá trị tham chiếu trong suốt thời gian khảo sát (Hình 3.12; Hình 3.13).
Thời gian hội tụ tốc độ được cải thiện đáng kể so với bộ điều khiển được đề xuất trong [47]. Mặt khác, khi quan sát thời gian đóng tải trong trường hợp 2 (Hình 3.13, tại 7s), ta nhận thấy rằng bộ BS_PCH điều khiển bền vững trước nhiễu tải bên ngoài đưa vào. Tại thời điểm đóng tải không có sự xuất hiện dao động hay sụt giảm đáng kể nào về tốc độ được ghi nhận. So sánh với bộ điều khiển PI và bộ điều khiển đề xuất trong [47, Hình 9 a,b,c ] nhận thấy rằng, bộ điều khiển được đề xuất trong [47]
xử lý nhiễu tải tốt hơn, thời gian hội tụ tốc độ tham chiếu nhanh hơn so với PI, tuy nhiên nhiễu tải vẫn tác động làm giảm tốc độ nhưng ngay lập tức tốc độ động cơ hội tụ với giá trị tham chiếu ổn định.
Để kiểm chứng và xác nhận rõ ràng hơn tính bền vững của bộ điều khiển BS_PCH trước nhiễu tải, một khảo sát khác được thực hiện với cả hai bộ điều khiển
PI và BS -PCH cho điều khiển vector hệ truyền động SPIM. Đầu tiên, SPIM được khởi động mà không có mô men tải cho đến khi tải định mức đột ngột được đóng vào tại t = 1s. Tốc độ tham chiếu được tăng từ 1000 vòng/phút lên 1400 vòng/phút tại t = 0,5 giây và giảm từ 1400 vòng/phút xuống 800 vòng/phút tại t = 1,5 giây. Các đáp ứng tốc độ và mô men của hệ truyền động SPIM được hiển thị trong Hình 3.14. Thời gian khởi động đạt được tốc độ 1000 vòng/phút với hệ truyền động SPIM sử dụng bộ điều khiển PI là 0,1 giây và 0,75 giây với bộ điều khiển BS -PCH. Thời gian quá độ của bộ điều khiển BS -PCH ngắn hơn bộ điều khiển PI cho tất cả các tham chiếu tốc độ. Khi tải được đóng đột ngột tại 1s, tốc độ động cơ trong cả hai trường hợp đều giảm, trường hợp hệ sử dụng bộ PI tốc độ xuống 1372 vòng/phút và mất 0,35 giây để tốc độ tăng trở lại bám theo giá trị tham chiếu, trong khi với bộ BS_PCH tốc độ giảm ít hơn xuống 1392 mất 0,125 giây để tốc độ tăng trở lại bám theo giá trị tham chiếu. Hình 3.14 cho thấy bộ điều khiển BS_PCH có thời gian tăng tốc ngắn hơn, đáp ứng mô men nhanh hơn và gợn mô men thấp, sụt tốc khi đóng tải nhỏ hơn, khả năng hội tụ với tham chiếu nhanh hơn so với bộ điều khiển PI. Từ kết qủa khảo sát chúng ta có thể dễ dàng nhận thấy rằng tính bền vững trước nhiễu tải và sự thay đổi tốc độ của bộ điều khiển BS_PCH tốt hơn so với điều khiển PI thông thường.
Speed(rpm) 1500
500 1000 00
(rpm)
1000
Speed
500 00
Reference PI BS-PCH
0.5 1 1.5 2
Time (s) a. Đáp ứng tốc độ
1400 Reference
(rpm) PI1200 BS-PCH
Speed
Reference 1000
PI 800
BS-PCH
0.05 0.1 0.15 1.5 1.55 1.6
Time (s) Time (s)
b. Zoom tốc độ trong khoảng thời gian khởi động và giảm tốc
(rpm) (rpm) 1400 1400
Speed Speed 1200
1380 Reference Reference
1000
PI PI
1360 BS-PCH BS-PCH
1 1.05 1.1 0.5 0.55 0.6
Time (s) Time (s)
c. Zoom tốc độ trong khoảng thời gian đóng tải và tăng tốc
Torque (Nm)
30 TL
20 Te (PI)
10 Te (BS-PCH)
0 -10
0 0.5 1 1.5 2
Time (s)
d. Đáp ứng mô men
isdq (A) 5
0
current
isq (PI)
-5 isq (BS-PCH)
Stator isd (PI)
isd (BS-PCH)
0 0.5 1 1.5 2
Time (s)
e. Đáp ứng dòng stator biểu diễn trên hệ tọa độ dq idq
(A)
5 isa (PI)
isa (BS-PCH)
isaStator current
0 -50
0.5 1 1.5 2
Time (s)
Rotor Flux (Wb)
f. Đáp ứng dòng stator pha a isa
1
0.5
Phi rd (PI)
00
Phi rd (BS-PCH)
0.5 1 1.5 2
Time (s)
g. Đáp ứng từ thông rotor biểu diễn trên hệ tọa độ dq
Hình 3. 14: Đáp ứng tốc độ, mô men trong trường hợp có nhiễu tải của bộ điều khiển PI và BS_PCH.
Bảng 3.2 Các thông số chất lượng điều khiển với tải định mức
Giải thuật ĐK BS_PCH PI
Thời gian tăng tốc (s) 0.085 0.101
(0 đến 1000 vòng/phút)
Thời gian xác lập (s) 0.087 0.125
Thời gian giảm tốc (s) 0.535 0.554
(0 đến 1000 vòng/phút)
Thời gian xác lập (s) 0.538 0.581
Sụt tốc khi đóng tải định mức 4.5 22
(Vòng/phút)
Thời gian đóng tải định mức (s) 0.005 0.025 Thời gian xác lập khi đóng tải định mức (s) 0.005 0.088
Sai số xác lập (Vòng/phút) 0.1 6
Trường hợp 3
Trường hợp 3 được thực hiện dựa theo khảo sát trong [45, Hình 8], Hình 3.15a cho thấy đáp ứng tốc độ, mô men và các thành phần dòng isdq của hệ truyền động SPIM sử dụng cấu trúc điều khiển mới BS_PCH.
Speed (rad/s)
Torque (Nm)
80 60 40 20
0 Reference
Measured
0 2 4 6 8
Time (s)
TL
Te
10 0 -10
0 2 4 6 8
Time (s)
Speed (rad/s)Torque (Nm) 80 60 40 20
0 Reference
Measured
0 2 4 6 8
Time (s)
TL
10 Te
0 -10
0 2 4 6 8
Time (s)
Current isdq (A)
6 isd
isq
4
2
0 -2
0 2 4 6 8
Time (s)
Current isdq (A) 6 isd
isq
4
2
0 -2
0 2 4 6 8
Time (s)
a. b.
Hình 3. 15: Điều khiển BSC_PSH a. Rr danh định; b. Rr=3Rr danh định Trong khảo sát này, tham chiếu tốc độ được thay đổi từ 37.5 rad/s – 67.5 rad/s, mô men tải đã được đóng vào tại thời điểm t = 6 s. Kết quả mô phỏng cho thấy hệ truyền động SPIM bộ điều khiển sử dụng BS_PCH cho đáp ứng động rất tốt, thời gian khởi động nhanh hơn, vọt lố thấp hơn và khả năng bám theo tốc độ tham chiếu tốt hơn so với bộ điều khiển trong [45, Hình 8a]. So sánh isdq và mô men do bộ điều khiển BS_PCH cung cấp ít dao động hơn dòng và mô men được cung cấp từ bộ điều khiển NN [45, Hình 8c,d].
Trường hợp 4
Thông số của SPIM đã được cung cấp ở phần 3.4. Tuy nhiên, trên thực tế, các thông số của động cơ có thể thay đổi trong quá trình vận hành. Điều này ảnh hưởng rất lớn đến chất lượng của bộ điều khiển, nó đặc biệt đúng khi τr = Lr/ Rr, (chủ yếu phụ thuộc vào điện trở rotor) thay đổi, Rr sẽ tăng đáng kể khi rotor nóng lên, nó có thể tăng cao hơn 100% giá trị danh định của nó. Sự không chắc chắc về tham số này sẽ gây ra lỗi điều khiển ngay trong các trạng thái ổn định khi sử dụng bộ các điều khiển vector thông thường. Trong khảo sát này, một điều kiện làm việc khắc nghiệt được khảo sát với giá trị điện trở của rotor tăng 3 lần so với giá trị danh định như trong [45, Hình 10] với tham chiếu tốc độ được thay đổi từ 37.5 rad/s – 67.5 rad/s, mô men tải đã được đóng vào tại thời điểm t = 6 s (Hình 3.15b).
Kết quả mô phỏng cho thấy hệ truyền động SPIM sử dụng bộ điều khiển BS_PCH cho đáp ứng rất tốt, bền vững trước sự thay đổi của tham số điện trở rotor và tải. Sai số điều khiển tốc độ tăng không đáng kể, bộ BS ở vòng ngoài hoạt động hiệu quả, tốc độ thực hội tụ rất nhanh với tốc độ tham chiếu, sai số dõi chính xác (tăng không đáng kể) khi đóng tải và gần như không bị ảnh hưởng bởi sự thay đổi Rr. Tương tự, các giá trị dòng điện và mô men được kiểm soát bởi bộ điều khiển dòng
PCH (vòng trong) cho đáp ứng tốt, sự thay đổi Rr không ảnh hưởng đến chất lượng đầu ra bộ PCH, bộ điều khiển bền vững trước thay đổi của tham số máy, dòng isdq bám chính xác theo dòng isdq tham chiếu. Các hành phần dòng isq và mô men điện từ chịu ảnh hưởng của sự thay đổi Rr tăng và dao động nhẹ khi đóng tải. Tuy nhiên, so sánh với ghi nhận trong [45] cho hai trường hợp: điều khiển vector thông thường [45, Hình. 9b,c] và điều khiển NN [45, Hình. 10b,c] cho thấy dao động dòng và mô men khi sử dụng bộ điều khiển BS_PCH nhỏ hơn đáng kể so với bộ điều khiển đề xuất trong [45]. Kết quả khảo sát các thành phần dòng stator dq cho thấy bộ điều khiển PCH kiểm soát dòng rất tốt.