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

Tên luận án:

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

Tóm tắt nội dung tài liệu:

Luận án giải quyết nhu cầu cấp thiết về điều khiển tin cậy trong các hệ truyền động trung áp công suất lớn sử dụng biến tần đa mức (MLI), đặc biệt là biến tần cầu H nối tầng (CHB-MLI). Một trong những thách thức chính là sự phức tạp và khả năng xảy ra lỗi van bán dẫn, có thể dẫn đến dừng hệ thống đột ngột hoặc hoạt động mất cân bằng nguy hiểm. Mục tiêu chính của nghiên cứu là phát triển các chiến lược điều khiển thống nhất cho CHB-MLI trong cả điều kiện hoạt động bình thường và khi có lỗi.

Nghiên cứu đề xuất phương pháp điều chế vector không gian (SVM) tổng quát có khả năng áp dụng cho CHB-MLI ở mọi mức mong muốn, kể cả khi xảy ra lỗi hở mạch van bán dẫn. Đồng thời, luận án thiết kế thuật toán điều khiển dự báo dòng điện (FCS-MPC) cho CHB-MLI cấp nguồn cho hệ truyền động động cơ không đồng bộ ba pha. Hàm mục tiêu của MPC được bổ sung các thành phần nhằm triệt tiêu điện áp common mode (CMV), tối ưu tần số đóng cắt van và giảm thiểu khối lượng tính toán.

Phương pháp nghiên cứu bao gồm tổng hợp, phân tích, đánh giá các cấu trúc và phương pháp điều chế SVM hiện có, từ đó đề xuất SVM tổng quát hóa trong điều kiện lỗi. Sau đó, nghiên cứu và thiết kế bộ điều khiển mô-men theo phương pháp FCS-MPC, thực hiện mô phỏng Matlab/Simulink và kiểm chứng lý thuyết bằng thực nghiệm.

Những đóng góp chính của luận án bao gồm: đề xuất thuật toán SVM tổng quát hóa cho CHB-MLI có khả năng hoạt động ở mọi số mức trong chế độ bình thường và khi có lỗi van bán dẫn; áp dụng phương pháp điều khiển MPC sử dụng 19 vector điện áp liền kề để điều khiển dòng điện, điện áp common mode, giảm tần số đóng cắt của van bán dẫn trong cả trạng thái bình thường và sự cố. Luận án cũng đã xây dựng thành công hệ thống thực nghiệm sử dụng FPGA để kiểm chứng các kết quả tính toán và thiết kế, chứng minh tính khả thi thực tiễn của cấu trúc mạch phức tạp. Kết quả cho thấy phương pháp điều khiển đề xuất giúp hệ thống duy trì hoạt động với sụt giảm điện áp tối thiểu và chất lượng dòng điện, điện áp cao ngay cả khi có lỗi van.

Mặc dù luận án đã đạt được nhiều kết quả quan trọng, nhưng cũng chỉ ra các hạn chế như việc thiết kế bộ điều khiển dự báo dòng điện với một bước dự báo (k+1) và việc xác định trọng số của hàm mục tiêu dựa trên thử sai. Hướng nghiên cứu tiếp theo sẽ tập trung vào thiết kế bộ điều khiển với nhiều bước dự báo và xây dựng thuật toán xác định trọng số nhanh chóng, chính xác hơn.

Mục lục chi tiết:

• 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

  • 1.2. Phương pháp điều khiển mạch vòng dòng điện

    • 1.2.1 Tổng quan các phương pháp thiết kế mạch vòng dòng
    • 1.1.2. Phương pháp điều chế
    • 1.2.2. Phát hiện và xử lý của biến tần khi xảy ra lỗi van công suất
    • 1.2.3. Phương pháp điều khiển dự báo dòng điện
    • 1.2.4. Phát hiện và xử lý lỗi của nghịch lưu đa mức khi xảy ra lỗi van công suất
    • 1.2.3. Định hướng nghiên cứu và dự kiến đóng góp của luận án

  • 1.4. Kết luận

• 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
    • 2.1.2. Trường hợp lỗi van bán dẫn

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

  • 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
    • 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
    • 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.

  • 2.4. Kết quả mô phỏng và đánh giá các thuật toán đề xuất

  • 2.5. Kết luận chương 2

• 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.

  • 3.2. Đề xuất hàm mục tiêu bổ sung thành phần triệt tiêu điện áp common mode và tối ưu đóng cắt cho nghịch lưu đa mức cấu trúc cầu H nối tầng

    • 3.3.1. Tối ưu điện áp common-mode
    • 3.3.2. Tối ưu số lần đóng cắt van bán dẫn
    • 3.3.3. Giảm thiểu khối lượng tính toán hàm mục tiêu
    • 3.3.4. Hàm mục tiêu của thuật toán MPC cải tiến

  • 3.4. Mô phỏng kiểm chứng

  • 3.6. Kết luận chương 3

• Chương 4. Xây dựng hệ thống thực nghiệm

  • 4.1. Thực nghiệm thuật toán tổng quát hóa điều chế SVM

    • 4.1.1. Điều kiện thực nghiệm
    • 4.1.2. Triển khai thuật toán trên FPGA
    • 4.1.3. Kết quả thực nghiệm

  • 4.2. Kết quả thực nghiệm thuật toán SVM cho CHB – MLI trong điều kiện lỗi.

    • 4.2.1. Điều kiện thực nghiệm
    • 4.2.2. Triển khai thuật toán trên FPGA

  • 4.3.3. Kết quả thực nghiệm

  • 4.3. Thực nghiệm thuật toán MPC cải tiến tải RL

    • 4.3.1. Điều kiện thực nghiệm
    • 4.3.2. Kết quả thực nghiệm

  • 4.4. Thực nghiệm thuật toán MPC cải tiến nối tải IM

    • 4.4.1. Điều kiện thực nghiệm
    • 4.4.2. Triển khai thuật toán trên FPGA
    • 4.4.3. Kết quả thực nghiệm

  • 4.5. Kết luận

    • Kết luận và kiến nghị