Nghiên cứu điều khiển hệ truyền động biến tần đa mức có tính đến sự cố van bán dẫn TT

Do đó, việc thiết kế thuật toán điều chế vector không gian thực hiện một cách thống nhất áp dụng cho nghịch lưu với số mức mong muốn kể cả trong trường hợp lỗi van bán dẫn là rất quan t

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

MAI VĂN CHUNG

NGHIÊN CỨU ĐIỀU KHIỂN HỆ TRUYỀN ĐỘNG BIẾN TẦN ĐA MỨC CÓ TÍNH ĐẾN SỰ CỐ VAN BÁN DẪN

Ngành: Kỹ thuật điều khiển và Tự động hóa

Mã số:9520216

TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ

KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ DỘNG HÓA

Hà Nội – 2021

Công trình được hoàn thành tại:

Trường Đại học Bách khoa Hà Nội

Người hướng dẫn khoa học:

Luận án được bảo vệ trước Hội đồng đánh giá luận án tiến

sĩ cấp Trường họp tại Trường Đại học Bách khoa Hà Nội Vào hồi …… giờ, ngày … tháng … năm ………

Có thể tìm hiểu luận án tại thư viện:

1 Thư viện Tạ Quang Bửu - Trường ĐHBK Hà Nội

2 Thư viện Quốc gia Việt Nam

MỞ ĐẦU

Tính cấp thiết của đề tài

Hiện nay, hệ thống truyền động trung áp ngày càng phổ biến trong công nghiệp Qua cấu trúc điều khiển này nhận thấy rằng

bộ biến tần đa mức và các mạch vòng điều khiển là những khâu

quan trọng để đảm bảo chất lượng hệ truyền động điện công suất lớn và điện áp cao Tuy nhiên, biến tần đa mức yêu cầu khối lượng lớn, phức tạp và mất nhiều thời gian xây dựng phần cứng và mềm Bên cạnh đó, với việc tăng số mức, khả năng lỗi một hoặc nhiều van bán dẫn hoàn toàn có thể xảy ra, dẫn đến hệ thống sẽ dừng đột ngột hoặc làm việc trong điều kiện mất cân bằng gây nguy hiểm cho hệ thống Do đó, việc thiết kế thuật toán điều chế vector không gian thực hiện một cách thống nhất

áp dụng cho nghịch lưu với số mức mong muốn kể cả trong trường hợp lỗi van bán dẫn là rất quan trọng và cần phải giải quyết trong thực tế Phương pháp điều khiển dự báo (FCS –

MPC) cho nghịch lưu đa mức đang là xu hướng nhờ các ưu điểm: khái niệm trực quan, thiết kế đơn giản, điều khiển được

đa mục tiêu, không phân biệt về điều chế và điều khiển…Do đó MPC cho phép giải quyết triệt để vấn đề còn tồn tại của điều chế vector không gian, như tối ưu tần số đóng cắt và triệt tiêu điện áp common mode không thể thực hiện cùng một thời điểm Đồng thời để tăng độ tin cậy cho những đề xuất giải quyết trên trong việc điều khiển nghịch lưu đa mức có xét đến trường hợp

sự cố van bán dẫn, thì việc đưa các kết quả nghiên cứu này vào ứng dụng cụ thể nào đó chẳng hạn như hệ truyền động trung áp, động cơ công suất lớn… là thực sự có ý nghĩa trong nghiên cứu

lý thuyết cũng như thực tiễn Việc nghiên cứu này sẽ giúp cho các kỹ sư thiết kế, vận hành hệ truyền động trung áp động cơ được cấp nguồn bởi nghịch lưu đa mức có xét đến trường hợp

sự cố trở nên đơn giản hơn

Đối tượng nghiên cứu

Biến tần đa mức cấu trúc cầu H nối tầng cấp nguồn cho hệ truyền động KĐB trung thế

Mục tiêu của đề tài

Luận án nghiên cứu, đề xuất phương pháp điều chế vector không gian được thực hiện một cách thống nhất áp dụng cho CHB – MLI kể cả trong trường hợp lỗi hở mạch van bán dẫn; thuật toán điều khiển dự báo dòng điện FCS – MPC cho CHB – MLI cấp nguồn hệ truyền động không đồng bộ ba pha Với hàm mục tiêu được bổ sung thanh phần triệt tiêu điện áp common

mode và tối ưu dóng cắt van, thời gian tính toán là nhỏ nhất Phạm vi nghiên cứu

Cấu trúc và phương pháp điều chế SVM cho biến tần mức điện

áp mong muốn; Thuật toán phát hiện, xử lí lỗi mạch lực CHB – MLI; Phương pháp điều khiển dự báo dòng điện FCS – MPC

cho CHB – MLI

Phương pháp nghiên cứu

Tổng hợp, phân tích, đánh giá các cấu trúc, phương pháp điều chế SVM cho biến tần đa mức Từ đó sẽ đề xuất phương pháp điều chế SVM tổng quát hóa trong cả điều kiện bị lỗi van bán dẫn công suất; Nghiên cứu, thiết kế bộ điều khiển mô-men theo phương pháp dự báo FCS-MPC; Thực hiện mô phỏng Matlab/Simulink; Thực hiện kiếm chứng tính đúng đắn lý thuyết bằng thực nghiệm

Ý nghĩa của đề tài:

Ý nghĩa khoa học: đơn giản hóa trong cách triển khai và dễ

dàng thực hiện tới mức mong muốn kể cả trong trường hợp lỗi van bán dẫn Bộ điều khiển dự báo dòng điện đề xuất có khả năng triệt tiêu điện áp common mode, tối ưu tần số chuyển mạch van bán đẫn, làm việc trong trường hợp van bán dẫn bình

thường, hoặc có lỗi

Ý nghĩa thực tiễn: Với đóng góp của luận án giúp cho việc ứng

dụng của biến tần đa mức trong thực tế trở nên đơn giản, an

toàn

Dự kiến kết quả đạt được

- Tổng quát hóa điều chế SVM cho CHB – MLI kể cả trong trường hợp có lỗi van bán dẫn

- Bộ điều khiển dự báo dòng năng triệt tiêu điện áp common mode, tối ưu tần số đóng cắt van bán dẫn, giảm khối lượng tính toán

- Xây dựng mô hình thực nghiệm nghịch lưu 11 mức cấu

Chương 1 Tổng quan nghịch lưu đa mức cấu trúc cầu H nối tầng ứng dụng cho hệ truyền động không đồng bộ 1.1 Biến tần đa mức cấu trúc cầu H nối tầng

Cấu trúc nghịch lưu đa mức cầu H nối tầng như sau:

Lưới điện

Máy biến áp

Tải Z A B C

N

Hình 1.4 Sơ đồ cấu trúc hệ thống nghịch lưu ba pha đa mức

cầu H nối tầng

1.2 Phương pháp điều khiển mạch vòng dòng điện

1.2.1 Tổng quan các phương pháp thiết kế mạch vòng dòng

điện

Hiện nay, FOC vẫn được coi là phương pháp điều khiển tiêu

chuẩn trong công nghiệp Theo nguyên lý điều khiển FOC với 2

mạch vòng điều chỉnh, mạch vòng ngoài là tốc độ và từ thông,

mạch vòng trong là dòng điện Do đó, phương pháp đã tách

được 2 thành phần điều khiển từ thông và momen Mạch vòng

dòng điện có đặc điểm phi tuyến, xen kênh và đóng vai trò quan

trọng về quá trình từ hóa và điều khiển mô-men động cơ Chính

vì vậy, bộ điều khiển dòng điện đảm bảo các tiêu chí yêu cầu

bằng các phương pháp điều khiển như sau: các phương pháp

điều khiển tuyến tính, các phương pháp điều khiển phi tuyến

1.1.2 Phương pháp điều chế

Phương pháp điều chế vector không gian SVM có những ưu

điểm ở khả năng linh hoạt hơn nhiều so với PWM dựa trên sóng

mang SVM có khả năng tạo ra quỹ đạo vector mong muốn có

dạng bất kỳ nhờ lựa chọn các vector trạng thái và các thời gian

phù hợp trong một chu kỳ điều chế Bên cạnh đó, phương pháp

điều chế SVM cũng cho phép tạo ra những mẫu xung để BBĐ

có thể làm việc được trong cả trường hợp lỗi van công suất và

giảm được những ảnh hưởng tiêu cực do lỗi gây ra

Yêu cầu khối lượng tính toán cao được coi là nhược điểm chính

Do đó, cần đơn giản hóa điều chế SVM là vấn đề thực tiễn đặt

ra Đã có khá nhiều nghiên cứu về vấn đền đơn giản hóa điều

chế SVM cho CHB - MLI Đã có các thuật toán nhằm đơn giản

hóa điêu chế SVM cho CHB – MLI ở mức cao như: chuyển

sang hệ tọa độ 600, 1200 yêu cầu tính toán hàm lượng giác phức

tạp với khối lượng tính toán lớn; xây dựng tập hợp các hình lục

giác lồng nhau để tìm ra vector trạng thái, phương pháp này tính

toán phức tạp, khối lượng tính toán sẽ rất lớn khi mức cao Vì

vậy, nghiên cứu này sẽ đề xuất phương pháp để đơn giản hóa

điều chế SVM

1.2.2 Phát hiện và xử lý của biến tần khi xảy ra lỗi van công suất

Với việc tăng số mức, khả năng xảy ra lỗi một hoặc nhiều van bán dẫn hoàn toàn có thể xảy ra Thông thường thiết bị bảo vệ

sẽ tác động để ngắt biến tần ra khỏi lưới điện nếu bị lỗi, dẫn đến động cơ dừng làm việc Việc dừng đột ngột động cơ trong thực

tế đôi khi có thể gây ra sự cố nghiêm trọng, ví dụ như hiện tượng búa nước trong hệ thống bơm cột áp cao Mặt khác, nếu tiếp tục làm việc trong điều kiện lỗi có thể dẫn đến điện áp đầu

ra mất cân bằng gây nguy hiểm cho động cơ nếu chạy liên tục trong một thời gian dài Do đó, kỹ thuật xử lý trong điều kiện xảy ra lỗi để duy trì hoạt động chủ động của biến tần là rất quan trọng Để đạt được điều đó, cần thực hiện 2 việc: (1) phát hiện

vị trí có lỗi; (2) cấu hình lại biến tần và thay đổi thuật toán điều chế

Luận án đề xuất thuật toán phát hiện lỗi van bán dẫn và xử lý

hệ thống khi có lỗi hở mạch van

1.2.3 Phương pháp điều khiển dự báo dòng điện

* Phương pháp điều khiển dự báo (MPC):

Việc không có khâu điều chế giúp cho đáp ứng động học nhanh hơn Tuy nhiên, các bài tóa về tối ưu đóng cắt và giảm điện áp common mode là chưa được thực Bên cạnh đó hạn chế của phương pháp điều khiển MPC là yêu cầu khả năng tính toán lớn của bộ điều khiển Đặc biệt, khi hệ truyền động được cấp nguồn bởi biến tần đa mức thì số lượng vector điện áp tăng nhanh theo

số mức Đã có đề xuất phương pháp sử dụng 7 vector điện áp không gian liền kề giảm khối lượng tính toán Tuy nhiên, việc giảm các lựa chọn vector điện áp của hàm mục tiêu sẽ làm ảnh hưởng đến chất lượng bộ điều khiển đặc biệt là quá trình quá

độ, bên cạnh đó với hàm đa mục tiêu bao gồm sai lệch dòng điện stator, tối ưu common mode, tối ưu đóng cắt các phương pháp đề xuất là khó khả thi và sẽ làm cho chất lượng hệ truyền động giảm xuống Do đó, các phương pháp trên mới thử

nghiệm với hàm mục tiêu không có trọng số Nghiên cứu sẽ đề

xuất bộ điều khiển dự báo dòng điện triệt điêu điện áp common mode, tối ưu đóng cắt

1.2.4 Phát hiện và xử lý lỗi của nghịch lưu đa mức khi xảy

ra lỗi van công suất

Với việc tăng số mức, khả năng xảy ra lỗi một hoặc nhiều van bán dẫn hoàn toàn có thể xảy ra Thông thường thiết bị bảo vệ

sẽ tác động để ngắt nghịch lưu ra khỏi lưới điện nếu bị lỗi, dẫn đến động cơ dừng làm việc Việc dừng đột ngột động cơ trong thực tế đôi khi có thể gây ra sự cố nghiêm trọng, ví dụ như hiện tượng búa nước trong hệ thống bơm cột áp cao Mặt khác, nếu tiếp tục làm việc trong điều kiện lỗi có thể dẫn đến điện áp đầu

ra mất cân bằng gây nguy hiểm cho động cơ nếu chạy liên tục trong một thời gian dài Do đó, kỹ thuật xử lý trong điều kiện xảy ra lỗi để duy trì hoạt động chủ động của nghịch lưu là rất quan trọng Để đạt được điều đó, cần thực hiện 2 việc: (1) phát hiện vị trí có lỗi; (2) cấu hình lại nghịch lưu và thay đổi thuật toán điều chế

1.2.3 Định hướng nghiên cứu và dự kiến đóng góp của luận

án

Luận án tập trung nghiên cứu về phương pháp điều chế cho biến tần đa mức cấu trúc cầu H nối tầng có xét đến lỗi van bán dẫn; phát hiện và xử lý biến tần khi xảy ra lỗi của van bán dẫn; thiết

kế bộ điều kiện dự báo cho biến tần đa mức với các kết quả và

dự kiến đóng góp cho luận án cụ thể như sau: Đề xuất phương pháp điều chế vector không gian được thực hiện một cách thống nhất áp ụng cho CHB – MLI với số mức mong muốn kể cả trong trường hợp lỗi hở mạch van bán dẫn; Đề xuất thuật toán thuật toán điều khiển dự báo dòng điện triệt tiêu điện áp common mode và tối ưu dóng cắt van, thời gian tính toán là nhỏ nhất;

1.4 Kết luận

Chương 1 đã trình bày tổng quan về cấu trúc của biến tần đa mức, trên cơ sở phân tích các vấn đề nghiên cứu về biến tần đa mức cấu trúc cầu H nối tầng về phương pháp điều chế, phát

hiện và xử lí lỗi cho biến tần khi xảy ra lỗi van, các phương pháp điều khiển dòng điện trong hệ truyền động FOC – IM để chỉ ra được các vấn đề còn tồn tại Qua đó, luận án đề xuất cách giải quyết vấn đề còn tồn tại

Chương 2 Điều khiển nghịch lưu đa mức cầu H nối tầng dựa trên điều chế vector không gian

2.1 Điều khiển nghịch lưu đa mức cầu H nối tầng theo nguyên lý FOC có xét đến tình huống sự cố hở van bán dẫn 2.1.1 Cấu trúc của hệ truyền động

Cấu trúc điều khiển biến tần đa mức cầu H nối tầng có xét đến tình huống sự cố van bán dẫn, cấp nguồn cho hệ truyền động

không đồng bộ theo nguyên lý FOC thể hiện như Hình 2 1

R I

αβ dq

dq αβ

i sd

i sq

MHTT

Phát hiện lỗi

2.1.2 Trường hợp lỗi van bán dẫn

Như vậy với điện áp tối đa mà nghịch lưu có thể điều chế ở (2.33) thì tốc độ tối đa mà động cơ có thể đạt được đối với tải quạt gió (m C ~2)

max max

S N SN

U U

Với USN, N là biên độ điện áp trên pha stator và tốc độ động

cơ khi làm việc ở chế độ định mức, USmax là biên độ điện áp trên pha tối đa mà nghịch lưu có khả năng điều chế

2.2 Phương pháp phát hiện sự cố hở mạch van bán dẫn

Để tiếp tục vận hành nghịch lưu đa mức cầu H nối tầng như Hình 2.2 khi có sự cố hở mạch van, cần thực hiện: phát hiện ra

vị trí có lỗi; loại bỏ cầu H hỏi hệ thống; sử dụng phương pháp điều chế SVM cải tiến trong trường hợp lỗi Trong nội dung này

sẽ trình bày về phương pháp phát hiện nhanh cầu H bị lỗi

HAn

HA1 HA2

Hình 2.2 Cấu trúc cơ bản của CHB-MLI

Phương pháp phát hiện lỗi đề xuất sẽ phát hiện vị trí có lỗi dựa trên sự bất thường của điện áp đầu ra ở cầu H Điện áp đầu ra của cầu H được đo về, chuẩn hóa rồi so sánh với tín hiệu điều khiển tương ứng của cầu đó Hai tín hiệu này sẽ được quan sát, khi có sai lệch bất thường vượt qua những điều kiện cho trước, cầu H bị coi là có lỗi và cần loại bỏ khỏi hệ thống để duy trì

tính ổn định Phương pháp phát hiện lỗi được thể hiện ở Hình2

3

-1 TH -TH

Hình 2.3 Sơ đồ thuật toán phương pháp phát hiện

2.3 Tổng quát hóa điều chế vector không gian cho cho nghịch lưu đa mức cấu trúc cầu H nối tầng có xét đến tình huống lỗi van bán dẫn

2.3.1 Tổng quát hóa phương pháp điều chế SVM

Trật tự chuyển mạch và hệ số điều chế

Tìm mức trạng thái các vector chuẩn

Tín hiệu đóng cắt các van bán dẫn

Trật tự chuyển mạch và hệ số điều chế

Tìm mức trạng thái không lỗi và

có CMV nhỏ nhất

Tín hiệu đóng cắt các van bán dẫn

v ; Xác định vị trí v*, bao gồm xác định sector và 3 vector chuẩn; Xác định trật tự sử dụng và hệ số điều chế 3 vector chuẩn; Xác định mức trạng thái của vector chuẩn; Tạo tín hiệu đóng, ngắt đến các van bán dẫn

2.3.2 Cấu hình lại biến tần và ảnh hưởng không gian vector điện áp khi có tình huống sự cố hở mạch van bán dẫn

Biến tần được cấu hình lại khi xảy ra lỗi thể hiện trên Hình

khi không lỗi

Contactor bật khi có lỗi

HAn

HA1 HA2

Hình 2.19 Cấu hình cầu H có thêm contactor ở đầu ra

Ảnh hưởng của lỗi tới không gian vector

Bảng 2.6 Vị trí của các vector không gian bị ảnh hưởng bởi các cầu H bị lỗi

Vị trí của các vector không gian bị lỗi gây ra bởi các cầu H bị

hỏng được tóm tắt ở Bảng 2.6 Khi một cầu H trong pha A gặp

sự cố sẽ dẫn đến một số vector chuẩn ở sector I, III, IV và VI bị ảnh hưởng, nhưng nó không ảnh hưởng đến các vector chuẩn ở sector II và V

2.3.3 Những thay đổi của thuật toán điều chế SVM cho nghịch lưu đa mức cầu H nối tầng có xét đến sự cố hở mạch van bán dẫn

Tìm vector điện áp đặt mới

Trong đó: m là số mức của biến tần

Xác định trạng thái không lỗi và có CMV nhỏ nhất của vector chuẩn

Từ k x ; k y đã tính toán trước, ta dễ dàng tìm được giá trị k thoản

mãn (2.36), đồng thời làm cho CMV nhận giá trị nhỏ nhất

2.4 Kết quả mô phỏng và đánh giá các thuật toán đề xuất Kết quả mô phỏng phát hiện và xử lý lỗi cho thấy phát hiện vị

trí sự cố đảm bảo yêu cầu: chính xác; nhanh (1ms)

signal của cầu HA3 trong trường hợp lỗi hở mạch

* Kết quả mô phỏng thuật toán xử lí lỗi

Sau thời điểm 0.2s, van S3 của các cầu HB1, HB3 và HB5 bị hở mạch Điện áp cực đại mà CHB-MLI có thể tạo ra giảm xuống, điện áp đầu ra giảm còn 138V Mức điện áp pha B giảm còn 2

vì 3 cầu H của pha này bị lỗi Điện áp CMV trong 2 trường hợp

có lỗi sẽ tăng lên do các trạng thái làm CMV nhỏ nhất bị lỗi nên không thể sử dụng

Kết quả mô phỏng về tốc độ khi xảy ra lỗi

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

HA3 bị lỗi HA3, HB1, BH3, BH5

Pha A Pha B Pha C

Hình 2.30 Dạng sóng a) điện áp pha nghịch lưu b) điện áp pha trên tải c) dòng điện qua tải d) CMV của hệ thống khi áp dụng

thuật toán SVM thông thường (I), cải tiến (II)

2.5 Kết luận chương 2

Thuật tóan khái quát hóa điều chế tổng quát hóa vector không gian cho CHB – MLI kể cả trong trường hợp lỗi van bán dẫn đã đạt được mục tiêu đề ra: Điều chế đến mức mong muốn yêu cầu nhập vào là số mức, phát hiện lỗi chính xác sau 1 ms, mức độ sụt giảm điện áp, tốc độ là nhỏ nhất khi có lỗi van

Chương 3 Ứng dụng điều khiển dự báo cho mạch vòng dòng điện cho 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 cho hệ truyền động không đồng bộ