Luận Án Tiến Sĩ: Nghiên Cứu Điều Khiển Hệ Truyền Động Biến Tần Đa Mức Khi Xảy Ra Sự Cố Van Bán Dẫn

Luận án tiến sĩ nghiên cứu phương pháp điều khiển hệ truyền động biến tần đa mức, xử lý sự cố van bán dẫn hiệu quả, ứng dụng trong công nghiệp.

• Tác giả: Mai Văn Chung
• Người hướng dẫn: TS. Vũ Hoàng Phương
• Trường học: Trường Đại học Bách khoa Hà Nội
• Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và Tự động hóa
• Đề tài: Nghiên cứu điều khiển hệ truyền động biến tần đa mức có tính đến sự cố van bán dẫn
• Loại tài liệu: luận án tiến sĩ
• Năm xuất bản: 2022
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• 1. MỞ ĐẦU
• 2. TỔNG QUAN NGHỊCH LƯU ĐA MỨC CẤU TRÚC CẦU H NỐI TẦNG ỨNG DỤNG CHO HỆ TRUYỀN ĐỘNG KHÔNG ĐỒNG BỘ
• 2.1. Nghịch lưu đa mức cấu trúc cầu H nối tầng
• 2.2. Phương pháp điều khiển mạch vòng dòng điện
• 2.2.1. Tổng quan các phương pháp thiết kế mạch vòng dòng điện
• 2.2.2. Phương pháp điều chế
• 2.2.3. Phương pháp điều khiển dự báo dòng điện
• 2.3. Phát hiện và xử lý lỗi của nghịch lưu đa mức khi xảy ra lỗi van công suất
• 2.4. Định hướng nghiên cứu và dự kiến đóng góp của luận án
• 3. ĐIỀU KHIỂN NGHỊCH LƯU ĐA MỨC CẦU H NỐI TẦNG DỰA TRÊN ĐIỀU CHẾ VECTOR KHÔNG GIAN
• 3.1. Điều khiển nghịch lưu đa mức cầu H nối tầng có xét đến lỗi van bán dẫn cấp nguồn cho hệ truyền động theo nguyên lý FOC
• 3.2. Cấu trúc của hệ truyền động
• 3.2.1. Mô hình động cơ không đồng bộ ba pha
• 3.2.2. Phương pháp phát hiện sự cố hở mạch van bán dẫn
• 3.3. Tổng quát hóa điều chế vector không gian cho nghịch lưu đa mức cầu H nối tầng có xét đến tình huống lỗi van bán dẫn
• 3.3.1. Tổng quát hóa phương pháp điều chế SVM
• 3.3.2. Tìm vector điện áp đặt
• 3.3.3. Xác định vị trí của điện áp đặt
• 3.3.4. Hệ số điều chế và thứ tự chuyển mạch
• 3.3.5. Xác định trạng thái của các vector chuẩn
• 3.3.6. Tổ chức đóng ngắt van bán dẫn
• 3.3.7. Cấu hình lại nghịch lưu và ảnh hưởng không gian vector điện áp
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Giới thiệu

Nghiên cứu điều khiển hệ truyền động biến tần đa mức có sự cố van bán dẫn là một lĩnh vực quan trọng trong kỹ thuật điều khiển và tự động hóa. Hệ thống này thường được sử dụng trong các ứng dụng công nghiệp, nơi mà độ tin cậy và hiệu suất là rất cần thiết. Việc phát hiện và xử lý sự cố van bán dẫn kịp thời có thể giúp duy trì hoạt động ổn định của hệ thống. Nghiên cứu này không chỉ tập trung vào việc phát hiện lỗi mà còn đề xuất các phương pháp điều khiển hiệu quả nhằm tối ưu hóa hiệu suất của hệ thống. Theo đó, việc áp dụng các phương pháp điều khiển tiên tiến như điều chế vector không gian (SVM) sẽ được phân tích và đánh giá.

1.1. Tầm quan trọng của nghiên cứu

Nghiên cứu điều khiển hệ truyền động biến tần đa mức có sự cố van bán dẫn đóng vai trò quan trọng trong việc nâng cao độ tin cậy của hệ thống. Sự cố van bán dẫn có thể dẫn đến những thiệt hại lớn về kinh tế và thời gian ngừng hoạt động. Do đó, việc phát triển các phương pháp phát hiện và xử lý lỗi hiệu quả là cần thiết. Nghiên cứu này sẽ cung cấp cái nhìn sâu sắc về các phương pháp hiện có và đề xuất các giải pháp mới nhằm cải thiện khả năng hoạt động của hệ thống.

II. Tổng quan về hệ truyền động biến tần đa mức

Hệ truyền động biến tần đa mức là một trong những công nghệ tiên tiến trong lĩnh vực tự động hóa. Hệ thống này cho phép điều khiển tốc độ và mô-men xoắn của động cơ điện một cách linh hoạt và hiệu quả. Việc sử dụng biến tần đa mức giúp giảm thiểu tổn thất năng lượng và cải thiện hiệu suất hoạt động. Tuy nhiên, sự cố van bán dẫn có thể xảy ra trong quá trình vận hành, ảnh hưởng đến hiệu suất và độ tin cậy của hệ thống. Do đó, việc nghiên cứu và phát triển các phương pháp điều khiển phù hợp là rất cần thiết.

2.1. Cấu trúc của hệ truyền động

Cấu trúc của hệ truyền động biến tần đa mức thường bao gồm các thành phần chính như bộ điều khiển, nghịch lưu và động cơ. Bộ điều khiển thực hiện nhiệm vụ điều chỉnh các thông số hoạt động của hệ thống, trong khi nghịch lưu chuyển đổi điện áp DC thành AC để cung cấp cho động cơ. Sự phối hợp giữa các thành phần này là rất quan trọng để đảm bảo hoạt động ổn định của hệ thống. Việc phát hiện và xử lý sự cố van bán dẫn trong cấu trúc này sẽ được phân tích chi tiết trong các phần tiếp theo.

III. Phương pháp điều khiển và phát hiện lỗi

Phương pháp điều khiển mạch vòng dòng điện là một trong những phương pháp phổ biến được sử dụng trong hệ truyền động biến tần. Phương pháp này cho phép điều chỉnh dòng điện một cách chính xác, từ đó cải thiện hiệu suất của hệ thống. Bên cạnh đó, việc phát hiện sự cố van bán dẫn cũng rất quan trọng. Các phương pháp phát hiện lỗi như phân tích tín hiệu và kiểm tra trạng thái hoạt động của van sẽ được trình bày. Những phương pháp này không chỉ giúp phát hiện lỗi mà còn cung cấp thông tin cần thiết để thực hiện các biện pháp khắc phục kịp thời.

3.1. Phát hiện sự cố van bán dẫn

Phát hiện sự cố van bán dẫn là một phần quan trọng trong việc duy trì hoạt động của hệ thống. Các phương pháp phát hiện lỗi hiện có bao gồm phân tích tín hiệu, kiểm tra điện áp và dòng điện, cũng như sử dụng các cảm biến để theo dõi trạng thái hoạt động của van. Việc áp dụng các công nghệ mới như trí tuệ nhân tạo và học máy có thể giúp cải thiện khả năng phát hiện lỗi, từ đó nâng cao độ tin cậy của hệ thống. Nghiên cứu này sẽ đề xuất các giải pháp mới nhằm tối ưu hóa quá trình phát hiện và xử lý lỗi.

IV. Kết luận và định hướng nghiên cứu

Nghiên cứu điều khiển hệ truyền động biến tần đa mức có sự cố van bán dẫn đã chỉ ra tầm quan trọng của việc phát hiện và xử lý lỗi kịp thời. Các phương pháp điều khiển hiện có cần được cải tiến để đáp ứng yêu cầu ngày càng cao trong công nghiệp. Định hướng nghiên cứu trong tương lai sẽ tập trung vào việc phát triển các phương pháp điều khiển thông minh, tích hợp công nghệ mới nhằm nâng cao hiệu suất và độ tin cậy của hệ thống. Việc áp dụng các công nghệ tiên tiến sẽ mở ra nhiều cơ hội mới cho lĩnh vực tự động hóa.

4.1. Đề xuất nghiên cứu tiếp theo

Đề xuất nghiên cứu tiếp theo bao gồm việc phát triển các mô hình dự đoán lỗi dựa trên dữ liệu thu thập từ hệ thống. Việc áp dụng các thuật toán học máy có thể giúp cải thiện khả năng phát hiện lỗi và tối ưu hóa quá trình điều khiển. Ngoài ra, nghiên cứu cũng nên xem xét việc tích hợp các công nghệ IoT để theo dõi và quản lý hệ thống từ xa, từ đó nâng cao hiệu quả hoạt động và giảm thiểu rủi ro trong quá trình vận hành.

Nội dung chính

Tổng quan luận án

Hệ thống truyền động điện trung áp đóng vai trò quan trọng trong các lĩnh vực công nghiệp và giao thông vận tải. Trong cấu trúc này, động cơ xoay chiều thường được điều khiển theo phương pháp vector và cấp nguồn thông qua các bộ biến đổi đa mức (Multilevel Inverter - MLI). Việc sử dụng nghịch lưu đa mức mang lại nhiều ưu điểm kỹ thuật như: giảm độ méo sóng hài dòng điện và điện áp (THD), hạn chế tốc độ biến thiên điện áp ($dv/dt$), giảm mức điện áp đặt lên từng linh kiện bán dẫn và đơn giản hóa thiết kế tản nhiệt cho thiết bị [1]. Tuy nhiên, nghịch lưu đa mức đòi hỏi khối lượng tính toán lớn, thời gian xử lý phức tạp khi số mức tăng cao. Đồng thời, do sử dụng số lượng lớn linh kiện bán dẫn, xác suất xảy ra hư hỏng tăng lên đáng kể; trong đó sự cố van bán dẫn chiếm tới 38% tổng số nguyên nhân gây lỗi ở nghịch lưu đa mức [3].

Khi xuất hiện sự cố van, các thiết bị bảo vệ truyền thống thường ngắt toàn bộ biến đổi ra khỏi hệ thống, dẫn đến việc động cơ phải dừng đột ngột. Trong các dây chuyền sản xuất hoặc hệ thống truyền động công suất lớn, hiện tượng dừng máy đột ngột có thể gây ra những hậu quả kỹ thuật nghiêm trọng, điển hình như hiện tượng búa nước trong hệ thống bơm cột áp cao. Mặt khác, nếu tiếp tục vận hành trong điều kiện có van bị hỏng mà không có giải pháp điều khiển thích ứng, điện áp ba pha đầu ra sẽ mất cân bằng, đe dọa sự an toàn của động cơ khi hoạt động kéo dài.

Về mặt điều khiển, phương pháp điều khiển dự báo dòng điện dựa trên tập điều khiển hữu hạn (FCS-MPC) đang trở thành xu hướng tiếp cận nhờ ưu điểm trực quan, phù hợp với đối tượng phi tuyến và có khả năng điều khiển đa mục tiêu. Mặc dù vậy, phương pháp điều chế vector không gian (SVM) và FCS-MPC hiện nay vẫn tồn tại những hạn chế: chưa thể đồng thời triệt tiêu điện áp common-mode (CMV) và tối ưu hóa tần số đóng cắt van bán dẫn tại cùng một thời điểm; khối lượng tính toán tăng vọt theo số mức điện áp, gây khó khăn cho việc triển khai phần cứng thời gian thực.

Luận án xác định 4 mục tiêu nghiên cứu cụ thể:

1. Tổng quát hóa phương pháp điều chế SVM cho nghịch lưu đa mức cầu H nối tầng có xét đến tình huống sự cố van bán dẫn;
2. Phát hiện nhanh và chính xác vị trí cầu H bị lỗi để cấu trúc lại hệ thống;
3. Ứng dụng phương pháp điều khiển dự báo để giải quyết những vấn đề còn tồn tại trong 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;
4. Kiểm chứng qua ứng dụng cho hệ truyền động trung áp có xét đến trường hợp lỗi van bán dẫn của nghịch lưu đa mức.

• Đối tượng nghiên cứu: Nghịch lưu đa mức cấu trúc cầu H nối tầng (CHB-MLI) cấp nguồn cho hệ truyền động động cơ không đồng bộ trung thế.
• Phạm vi nghiên cứu:
  • Giải thuật điều chế SVM cho nghịch lưu đa mức cấu trúc cầu H nối tầng với số mức điện áp mong muốn, có xét đến sự cố van bán dẫn.
  • Thuật toán phát hiện và xử lý lỗi hở mạch van bán dẫn công suất trong các module cầu H.
  • Phương pháp điều khiển dự báo dòng điện (FCS-MPC) tích hợp khả năng triệt tiêu điện áp common-mode và tối ưu tần số đóng cắt.
  • Phạm vi khảo sát thực tế: Nhóm nghiên cứu tiến hành khảo sát thực tiễn tại Công ty nước Sông Đà, Nhà máy giấy An Hòa và Nhà máy giấy Bãi Bằng để thu thập các yêu cầu vận hành thực tế về công suất, kích thước, cấu trúc điều khiển và hệ thống giám sát của bộ biến đổi trung áp.

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Luận án đã hệ thống hóa các hướng nghiên cứu liên quan đến cấu trúc bộ biến đổi đa mức, phương pháp điều khiển mạch vòng dòng điện, kỹ thuật điều chế, phương pháp chẩn đoán và khắc phục sự cố van bán dẫn:

• Về cấu trúc nghịch lưu đa mức: Các cấu trúc kinh điển được phân tích gồm nghịch lưu diode chốt điểm trung tính (NPC) [5], nghịch lưu tụ bay (FC) [6, 7], nghịch lưu cầu H nối tầng (CHB) [8, 9, 10], và bộ biến đổi đa mức module (MMC) [11, 12, 13]. Dựa trên tiêu chí số lượng linh kiện (Bảng 1 trong văn bản), cấu trúc CHB không cần diode kẹp, sử dụng số lượng tụ DC trên mỗi pha là $(m-1)/2$ (với $m$ là số mức), có tính module hóa cao, dễ thay thế sửa chữa và rất thích hợp cho việc cấp nguồn từ các máy biến áp nhiều đầu ra chỉnh lưu 12, 18, 24 xung [19] hoặc hệ thống điện mặt trời quang điện (PV) [15, 16, 17].

• Về phương pháp điều khiển mạch vòng dòng điện: Phương pháp FOC vẫn là tiêu chuẩn công nghiệp [20]. Các bộ điều khiển tuyến tính như PI [21] bị suy giảm chất lượng khi làm việc xa điểm cân bằng hoặc khi tải thay đổi dạng xung; bộ điều khiển deadbeat truyền thống [22, 23] nhạy cảm với sai số tham số động cơ; deadbeat cải tiến qua ma trận L [24] giúp tách kênh dòng stator nhưng phụ thuộc vào tham số; bộ điều khiển ADRC kết hợp bộ quan sát trạng thái mở rộng ESO [22, 25] hỗ trợ loại bỏ nhiễu và bão hòa tích phân. Đối với các phương pháp phi tuyến, điều khiển tuyến tính hóa chính xác (exact linearization) [26] đòi hỏi đo lường đầy đủ trạng thái; điều khiển tựa phẳng (flatness) [27] gặp khó khăn khi mô hình dòng có bậc cao; điều khiển cuốn chiếu (backstepping) [28] có đáp ứng động học tương đối chậm; điều khiển trượt (sliding mode) [29, 30] tồn tại hiện tượng rung chattering. Phương pháp điều khiển dự báo (FCS-MPC) [47-58] nổi lên như một giải pháp thay thế linh hoạt cho đối tượng biến tần đa mức nhờ khả năng kiểm soát đa biến trong miền thời gian thực.

• Về kỹ thuật điều chế: Kỹ thuật PWM nhiều sóng mang (dịch pha PSCPWM, dịch mức LSCPWM như IPD, POD, APOD [32], điều chế gián đoạn [33]) gặp khó khăn trong việc cân bằng điện áp tụ DC và đòi hỏi số bộ tạo sóng mang lớn khi số mức tăng cao. Phương pháp điều chế vector không gian (SVM) [34-41] có ưu thế về tính linh hoạt và tận dụng nguồn DC tốt hơn, nhưng số lượng trạng thái chuyển mạch $N_{trang_thai} = m^3$ tăng rất nhanh theo số mức $m$ (với $m=11$, có 331 vector chuẩn và 1331 trạng thái). Các nghiên cứu đơn giản hóa SVM dùng hệ tọa độ $60^\circ$ [43] đòi hỏi hàm lượng giác phức tạp; phương pháp hai ánh xạ [44] yêu cầu các phép tính lặp tốn thời gian; phương pháp bảng tra cứu [45] khó khái quát hóa cho số mức lớn; nghiên cứu trên hệ tọa độ $120^\circ$ [46] chưa khai thác trạng thái dư để xử lý điện áp common-mode và tối ưu đóng cắt.

• Về phát hiện và xử lý sự cố van bán dẫn: Sự cố van bán dẫn chiếm 38% tổng số lỗi [3]. Các giải pháp phát hiện lỗi hiện có gồm: phân tích phổ THD của dòng điện đầu ra [72] (đòi hỏi xử lý tín hiệu nhanh); so sánh điện áp điều chế và điện áp thực tế của cell [73, 74] (mới chỉ thực hiện trên PWM dịch mức); phân loại dạng sóng bằng mạng neural [75, 76] (đòi hỏi khối lượng dữ liệu lớn và mất tính linh hoạt khi thay đổi số mức); so sánh sai lệch giữa dòng điện đo và dòng điện dự báo [77, 78] (đòi hỏi mô hình chính xác cao). Về xử lý lỗi, phương pháp "bypass cell" [80] loại bỏ cả các cell lành tương ứng ở các pha còn lại, dẫn đến suy giảm biên độ điện áp lớn; phương pháp dịch điểm trung tính [41, 79] và điều chế SVM vùng lỗi [81] có thuật toán phức tạp và làm xuất hiện điện áp common-mode lớn.

Khoảng trống nghiên cứu luận án lựa chọn giải quyết:

• Thiếu một thuật toán điều chế SVM tổng quát hóa có khả năng mở rộng đến số mức bất kỳ một cách đồng nhất, không phụ thuộc vào bảng tra cứu phức tạp và có khả năng thích ứng khi có sự cố hở mạch van với mức suy giảm điện áp nhỏ nhất.
• Phương pháp phát hiện lỗi hở mạch van cho nghịch lưu CHB-MLI sử dụng SVM cần đơn giản, chính xác, không đòi hỏi mạch đo độ chính xác quá cao và loại trừ được các tín hiệu lỗi giả do thời gian chết (deadtime) và trễ cảm biến.
• Các bộ điều khiển FCS-MPC hiện hữu chưa giải quyết triệt để bài toán đồng thời triệt tiêu điện áp common-mode và tối ưu hóa tần số đóng cắt van bán dẫn, đồng thời cần một giải pháp khả thi để giảm thiểu khối lượng tính toán khi số mức điện áp tăng cao.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Luận án dựa trên khung lý thuyết điều khiển vector tựa theo từ thông rotor (FOC) cho động cơ không đồng bộ ba pha (IM) và mô hình toán học của nghịch lưu cầu H nối tầng.

Mô hình trạng thái của động cơ không đồng bộ ba pha trên hệ tọa độ tĩnh $\alpha-\beta$ được mô tả bằng hệ phương trình vi phân: $$\frac{di_{s\alpha}}{dt} = -\frac{1}{\sigma T_s} i_{s\alpha} + \frac{L_m}{\sigma L_s L_r T_r} \psi_{r\alpha} + \frac{L_m}{\sigma L_s L_r} \omega_r \psi_{r\beta} + \frac{1}{\sigma L_s} u_{s\alpha}$$ $$\frac{di_{s\beta}}{dt} = -\frac{1}{\sigma T_s} i_{s\beta} - \frac{L_m}{\sigma L_s L_r} \omega_r \psi_{r\alpha} + \frac{L_m}{\sigma L_s L_r T_r} \psi_{r\beta} + \frac{1}{\sigma L_s} u_{s\beta}$$

Góc lệch từ thông rotor được xác định qua biểu thức: $$\theta_s = \int \omega_s dt$$

Trên hệ tọa độ quay đồng bộ $d-q$, mô hình động cơ biểu diễn dưới dạng: $$\frac{di_{sd}}{dt} = -\frac{1}{\sigma T_s} i_{sd} + \omega_s i_{sq} + \frac{L_m}{\sigma L_s L_r T_r} \psi_{rd} + \frac{1}{\sigma L_s} u_{sd}$$ $$\frac{di_{sq}}{dt} = -\omega_s i_{sd} - \frac{1}{\sigma T_s} i_{sq} - \frac{L_m}{\sigma L_s L_r} \omega_r \psi_{rd} + \frac{1}{\sigma L_s} u_{sq}$$ $$\frac{d\psi_{rd}}{dt} = -\frac{1}{T_r} \psi_{rd} + \frac{L_m}{T_r} i_{sd}$$

Phương trình chuyển động cơ học và phương trình mô-men điện từ: $$M_e = \frac{3}{2} p_n \frac{L_m}{L_r} \psi_{rd} i_{sq}$$ $$M_e - M_c = \frac{J}{p_n} \frac{d\omega_r}{dt}$$

Trong điều kiện xảy ra sự cố hỏng van bán dẫn, biên độ điện áp cực đại mà nghịch lưu có thể tạo ra bị suy giảm ($U_{smax} < U_{sN}$). Để duy trì hoạt động an toàn của động cơ theo điều kiện khả năng quá tải không đổi (bỏ qua điện trở stator), lượng đặt vận tốc tối đa của hệ truyền động (đối với tải quạt gió $M_c \sim \omega^2$) được xác định lại theo biểu thức: $$\omega_{max} \approx \omega_N \frac{U_{smax}}{U_{sN}}$$

Về phương pháp điều chế SVM tổng quát, luận án sử dụng phép biến đổi Clarke để đưa điện áp ba pha về mặt phẳng phức $\alpha-\beta$: $$\vec{v} = \frac{2}{3}(u_{AN} + a u_{BN} + a^2 u_{CN}) \quad \text{với } a = e^{j\frac{2\pi}{3}}$$ $$v_\alpha = \frac{2}{3} u_{AN} - \frac{1}{3} u_{BN} - \frac{1}{3} u_{CN} = \frac{1}{3}(2k_{AN} - k_{BN} - k_{CN}) V_{DC}$$ $$v_\beta = \frac{1}{\sqrt{3}} (u_{BN} - u_{CN}) = \frac{1}{\sqrt{3}} (k_{BN} - k_{CN}) V_{DC}$$

Không gian vector được chia thành 6 sector dựa trên ba hệ trục tọa độ không vuông góc lệch nhau $60^\circ$ gồm $(V_{1x}, V_{1y})$, $(V_{2x}, V_{2y})$, $(V_{3x}, V_{3y})$. Đại lượng điện áp đặt được chuẩn hóa theo tỷ lệ $\frac{2}{3} V_{DC}$ để đơn giản hóa thuật toán xác định vị trí sector và tam giác chứa vector điện áp đặt mà không cần tính toán hàm lượng giác phức tạp.

Về phương pháp phát hiện sự cố, thuật toán dựa trên việc đo điện áp đầu ra tức thời $V_{out_cellx}$ của từng cell, đưa qua khâu so sánh với ngưỡng cố định $TH = V_{DC}/2$ để chuyển thành mức logic chuẩn hóa $V_{c_cellx} \in {-1, 0, 1}$: $$V_{c_cellx} = \begin{cases} 1 & \text{khi } V_{out_cellx} > TH \ -1 & \text{khi } V_{out_cellx} < -TH \ 0 & \text{khi } -TH \le V_{out_cellx} \le TH \end{cases}$$

Tín hiệu sai lệch $error = 1$ khi $V_{c_cellx} \ne KH_{cellx}$ (với $KH_{cellx}$ là tín hiệu điều khiển cell). Hai bộ đếm thời gian được thiết lập: bộ đếm $T_1$ tích lũy khi $error = 1$, kích hoạt tín hiệu báo lỗi $fault_signal = 1$ khi $T_1 > CT_1$ (với $CT_1 > T_{delay}$ nhằm triệt tiêu báo lỗi giả do deadtime van và trễ cảm biến); bộ đếm $T_2$ tự động đặt lại các bộ đếm sau mỗi chu kỳ kiểm tra khi $T_2 > CT_2$.

Về phương pháp điều khiển dự báo dòng điện (FCS-MPC), hàm mục tiêu cải tiến được thiết lập đa biến, tích hợp ba thành phần: sai lệch dòng điện stator, triệt tiêu điện áp common-mode ($v_{CMV} = \frac{1}{3}(u_{AN} + u_{BN} + u_{CN}) = 0$), và giảm số lần chuyển mạch van. Để khắc phục khối lượng tính toán lớn, luận án đề xuất thuật toán thu hẹp không gian tìm kiếm xuống tập hợp 19 vector điện áp liền kề xung quanh vector tối ưu của chu kỳ trước, đồng thời áp dụng cấu trúc xử lý tính toán song song trên phần cứng FPGA.

Nguồn dữ liệu và công cụ kiểm chứng:

• Khảo sát thực tế tại Công ty nước Sông Đà, Nhà máy giấy An Hòa, Nhà máy giấy Bãi Bằng.
• Mô phỏng offline trên phần mềm Matlab/Simulink.
• Thực nghiệm phần cứng trên kit FPGA Xilinx Spartan 6 và FPGA Zynq-7000 (Zybo Z7-20) lập trình bằng VHDL, kết nối hệ thống nghịch lưu 11 mức CHB-MLI, tải thuần trở cảm RL và động cơ không đồng bộ ba pha.

Nội dung chính theo từng chương

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

Chương 1 tập trung khảo sát các cấu trúc nghịch lưu đa mức, phân tích nguyên lý vận hành của cấu trúc cầu H nối tầng và đánh giá các phương pháp điều khiển mạch vòng dòng điện, phương pháp điều chế và kỹ thuật chẩn đoán sự cố van bán dẫn. Luận án tổng hợp bảng so sánh số lượng linh kiện trên một pha giữa các cấu hình nghịch lưu đa mức chính:

Cấu hình nghịch lưu	Van IGBT	Diode kẹp	Tụ trên nguồn DC	Nguồn DC cách ly
Diode chốt trung tính (NPC)	$2(m-1)$	$2(m-2)$	$(m-1)$	1 nguồn
Tụ bay (FC)	$2(m-1)$	0	$(m-1)$	1 nguồn
Cầu H nối tầng (CHB)	$2(m-1)$	0	$(m-1)/2$	$(m-1)/2$ nguồn
Cấu trúc module (MMC)	$2(m-1)$	0	$(m-1)$	1 nguồn

Phân tích cấu trúc CHB cho thấy tính ưu việt về khả năng module hóa, giảm thiểu phần tử phụ trợ và dễ dàng nâng cao số mức điện áp lên dải trung thế (1 kV đến 60 kV). Chương này cũng chỉ ra hạn chế của các phương pháp phát hiện sự cố hiện hành và xác lập định hướng nghiên cứu: xây dựng thuật toán điều chế SVM tổng quát thích ứng khi có lỗi van, phát triển hàm mục tiêu FCS-MPC tích hợp triệt tiêu CMV và giảm thiểu đóng cắt van, kiểm chứng trên hệ thống thực nghiệm nghịch lưu 11 mức.

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

Chương 2 trình bày cấu trúc điều khiển FOC cho hệ truyền động động cơ không đồng bộ cấp nguồn bởi CHB-MLI, chi tiết hóa giải thuật phát hiện sự cố hở mạch van và thuật toán điều chế SVM tổng quát hóa. Quan hệ giữa tín hiệu điều khiển, trạng thái khóa van và điện áp đầu ra của mỗi cell cầu H được xác định:

Trạng thái van ($S_1, S_2, S_3, S_4$)	Tín hiệu điều khiển $KH_{cellx}$	Điện áp thực tế $V_{out_cellx}$	Mức chuẩn hóa $V_{c_cellx}$
1, 0, 1, 0	0	0	0
1, 0, 0, 1	1	$+V_{DC}$	1
0, 1, 1, 0	-1	$-V_{DC}$	-1
0, 1, 0, 1	0	0	0

Quy trình xác định sector chứa vector điện áp đặt được xây dựng trên ba hệ trục tọa độ không vuông góc mà không cần tính hàm lượng giác ngược:

Sector	Điều kiện xác định góc phần sáu
Sector I	$v_{1y} \ge 0$ và $v_{2x} \ge 0$
Sector II	$v_{1y} > 0$ và $v_{2x} < 0$
Sector III	$v_{2x} \ge 0$ và $v_{3y} \ge 0$
Sector IV	$v_{2x} < 0$ và $v_{3y} \ge 0$
Sector V	$v_{3y} \ge 0$ và $v_{1y} < 0$
Sector VI	$v_{3y} < 0$ và $v_{1y} < 0$

Khi xảy ra lỗi hở mạch van ở một cell, cell đó được cách ly bằng contactor đầu ra. Không gian vector bị khuyết một phần; thuật toán SVM cải tiến sẽ tính toán lại vector điện áp đặt mới, xác định các trạng thái vector chuẩn không bị ảnh hưởng bởi lỗi và có điện áp common-mode nhỏ nhất. Kết quả mô phỏng trên Matlab/Simulink với hệ truyền động FOC-IM khẳng định: khi có sự cố hở mạch van, thuật toán SVM đề xuất duy trì điện áp ba pha cân bằng, đáp ứng mô-men và tốc độ bám sát giá trị đặt với độ suy giảm điện áp ra là nhỏ nhất, vượt trội so với phương pháp bypass cell truyền thống.

Chương 3: Ứng dụng điều khiển dự báo cho mạch vòng dòng điện của nghịch lưu đa mức cầu H nối tầng

Chương 3 thiết kế bộ điều khiển dự báo dòng điện FCS-MPC thay thế cho khâu điều chế vector không gian nhằm đồng thời giải quyết các mục tiêu kỹ thuật. Hàm mục tiêu được xây dựng có dạng: $$g = (i_{s\alpha}^* - i_{s\alpha}^{p})^2 + (i_{s\beta}^* - i_{s\beta}^{p})^2 + \lambda_{CMV} |v_{CMV}| + \lambda_{sw} \sum |S_i(k+1) - S_i(k)|$$ trong đó $\lambda_{CMV}$ và $\lambda_{sw}$ là các hệ số trọng số tương ứng cho mục tiêu triệt tiêu điện áp common-mode và giảm số lần đóng cắt van bán dẫn.

Nhằm giảm gánh nặng tính toán khi số mức tăng cao, luận án đề xuất thuật toán thu hẹp không gian tìm kiếm xuống tập hợp 19 vector điện áp liền kề bao quanh vector điện áp tối ưu ở chu kỳ trước. Kết quả khảo sát mô phỏng cho thấy:

• Khi đưa thành phần triệt tiêu CMV vào hàm mục tiêu với trọng số phù hợp, điện áp common-mode của nghịch lưu được triệt tiêu hoàn toàn ($v_{CMV} = 0$).
• Số lần chuyển mức điện áp pha A giảm rõ rệt khi kích hoạt trọng số tối ưu đóng cắt $\lambda_{sw}$, giúp giảm tổn hao đóng cắt của bộ biến đổi.
• Thuật toán 19 vector liền kề đảm bảo chất lượng động học dòng điện stator và mô-men tương đương với phương pháp quét toàn bộ không gian vector, nhưng giảm thiểu khối lượng tính toán để đáp ứng chu kỳ trích mẫu nhỏ ($10 - 100,\mu\text{s}$).

Chương 4: Xây dựng hệ thống thực nghiệm

Chương 4 mô tả thiết kế, chế tạo và kết quả thử nghiệm mô hình thực nghiệm nghịch lưu 11 mức cấu trúc cầu H nối tầng (gồm 15 module cầu H ba pha) được điều khiển bởi kit FPGA Spartan 6 và FPGA Zynq-7000 (Zybo Z7-20). Các nội dung thực nghiệm được triển khai:

• Kiểm chứng thuật toán điều chế SVM tổng quát trên FPGA: Tạo dạng sóng điện áp pha 11 mức hoàn chỉnh và điện áp dây trên tải thuần trở cảm RL.
• Kiểm chứng thuật toán phát hiện và xử lý lỗi hở mạch van: Tín hiệu $fault_signal$ kích hoạt chính xác khi xuất hiện lỗi hở mạch van $S_1$ tại cell HA3; hệ thống tự động cách ly cell lỗi và cấu hình lại thuật toán điều chế SVM, dạng sóng điện áp và dòng điện duy trì ổn định.
• Thực nghiệm thuật toán FCS-MPC cải tiến với tải RL: Kiểm chứng đáp ứng dòng điện ba pha khi thay đổi biên độ dòng đặt từ 2A lên 4A; kết quả xác nhận điện áp common-mode bị triệt tiêu hoàn toàn.
• Thực nghiệm thuật toán FCS-MPC nối tải động cơ không đồng bộ: Động cơ vận hành ổn định tại các dải tốc độ đặt 1800 vòng/phút (điện áp pha dạng 9 mức) và 2400 vòng/phút (điện áp pha dạng 11 mức); xung điều khiển van trước và sau khi tối ưu đóng cắt chứng minh số lần chuyển mạch giảm đáng kể; thời gian thực thi thuật toán trên FPGA được ghi nhận đáp ứng yêu cầu thời gian thực.

Kết quả và những đóng góp mới

Luận án đã đạt được các đóng góp mới về lý luận và thực tiễn:

1. Đóng góp về lý luận điều chế: Xây dựng thành công thuật toán điều chế vector không gian (SVM) tổng quát hóa cho nghịch lưu đa mức cấu trúc cầu H nối tầng. Thuật toán được thực hiện một cách đồng nhất, không cần sử dụng bảng tra cứu trạng thái, có thể mở rộng đến số mức bất kỳ và áp dụng hiệu quả trong cả điều kiện làm việc bình thường lẫn khi có sự cố hở mạch van bán dẫn, đảm bảo độ suy giảm biên độ điện áp ra là nhỏ nhất.

2. Đóng góp về chẩn đoán và xử lý sự cố: Đề xuất phương pháp phát hiện sự cố hở mạch van bán dẫn dựa trên việc so sánh mức logic chuẩn hóa của điện áp cell thực tế với tín hiệu điều khiển cell, kết hợp hai bộ đếm thời gian $T_1$ và $T_2$ để loại trừ triệt để hiện tượng báo lỗi giả do thời gian trễ của cảm biến và thời gian chết (deadtime) của van. Cơ chế cấu hình lại mạch lực kết hợp SVM cải tiến cho phép duy trì hoạt động liên tục của hệ truyền động.

3. Đóng góp về điều khiển dự báo: Phát triển bộ điều khiển dự báo dòng điện (FCS-MPC) cải tiến cho nghịch lưu đa mức cấp nguồn động cơ không đồng bộ với hàm mục tiêu đa biến, giải quyết đồng thời bài toán bám dòng điện stator, triệt tiêu điện áp common-mode ($v_{CMV} = 0$) và tối ưu hóa số lần đóng cắt van bán dẫn.

4. Đóng góp về giải thuật tối ưu tính toán: Đề xuất thuật toán giới hạn 19 vector điện áp liền kề kết hợp cấu trúc tính toán song song trên phần cứng FPGA, giúp cố định khối lượng tính toán ở mức 19 lượt cho mọi cấp điện áp của nghịch lưu, rút ngắn thời gian xử lý xuống mức tương đương một chu kỳ tính toán đơn lẻ, giải quyết nút thắt về tài nguyên tính toán của FCS-MPC.

5. Kiến nghị và giải pháp thực tiễn: Luận án cung cấp giải pháp kỹ thuật cho phép các hệ truyền động biến tần đa mức trung áp trong công nghiệp duy trì vận hành chủ động hoặc thực hiện quá trình dừng máy an toàn khi xảy ra sự cố hỏng van bán dẫn, ngăn ngừa các sự cố thủy lực nghiêm trọng như hiện tượng búa nước trong các trạm bơm cột áp cao.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của luận án:

• Nghiên cứu chỉ tập trung xử lý dạng sự cố hở mạch van bán dẫn IGBT trên cấu trúc nghịch lưu cầu H nối tầng, chưa mở rộng sang chẩn đoán và khắc phục sự cố ngắn mạch van hoặc các hư hỏng đồng thời nhiều cell trên nhiều pha vượt quá khả năng bù điện áp.
• Thuật toán điều chế SVM tổng quát hóa mới chỉ tối ưu hóa riêng rẽ từng chỉ tiêu (hoặc tối ưu số lần đóng cắt, hoặc tối ưu điện áp common-mode) mà chưa thể thực hiện đồng thời cả hai chỉ tiêu như phương pháp FCS-MPC.

Hướng nghiên cứu tiếp:

• Nghiên cứu mở rộng thuật toán phát hiện và xử lý sự cố cho các dạng lỗi ngắn mạch van bán dẫn công suất và hiện tượng suy giảm điện áp trên các tụ điện DC độc lập.
• Nghiên cứu hoàn thiện giải thuật điều chế SVM có khả năng tối ưu hóa đa mục tiêu đồng thời cả điện áp common-mode và tần số chuyển mạch van.
• Triển khai thử nghiệm hệ thống truyền động trên các dải công suất và điện áp thực tế cao hơn trong môi trường công nghiệp.

Giá trị tham khảo

Nội dung luận án có giá trị tham khảo thiết thực cho nhiều nhóm đối tượng:

• Đối với nghiên cứu sinh, học viên cao học và giảng viên chuyên ngành Kỹ thuật điều khiển và Tự động hóa, Điện tử công suất: Luận án cung cấp phương pháp luận toán học chặt chẽ về tổng quát hóa không gian vector trên các hệ tọa độ không vuông góc và kỹ thuật thiết kế bộ điều khiển dự báo dòng điện FCS-MPC đa mục tiêu.
• Đối với kỹ sư thiết kế và phát triển thiết bị: Phần xây dựng thuật toán điều khiển trên nền tảng phần cứng FPGA (Spartan 6 và Zynq-7000 Zybo Z7-20) bằng ngôn ngữ VHDL cùng sơ đồ khối chức năng là tài liệu tham khảo trực tiếp để triển khai các bộ điều khiển biến tần đa mức trong thực tế.
• Đối với kỹ sư vận hành hệ thống truyền động trung áp tại các nhà máy công nghiệp (nhà máy giấy, trạm bơm cấp thoát nước, xi măng): Luận án cung cấp giải pháp xử lý sự cố van bán dẫn và các quy tắc cấu hình lại hệ thống nhằm nâng cao độ an toàn và độ sẵn sàng của dây chuyền sản xuất.

Câu hỏi thường gặp

1. Tỷ lệ sự cố do van bán dẫn gây ra trong nghịch lưu đa mức là bao nhiêu và vì sao việc ngắt động cơ đột ngột khi xảy ra sự cố lại nguy hiểm? Theo số liệu trích dẫn trong văn bản [3], sự cố van bán dẫn chiếm 38% tổng số nguyên nhân gây lỗi của nghịch lưu đa mức. Khi xảy ra sự cố, nếu thiết bị bảo vệ ngắt biến tần khiến động cơ dừng đột ngột có thể gây ra hiện tượng búa nước trong hệ thống bơm cột áp cao làm vỡ đường ống hoặc phá hủy cơ khí. Ngược lại, nếu tiếp tục chạy trong tình trạng lỗi mà không cấu hình lại, điện áp mất cân bằng sẽ gây nguy hiểm cho động cơ.

2. Thuật toán phát hiện sự cố hở mạch van của luận án hoạt động dựa trên nguyên lý nào và làm thế nào để tránh báo lỗi giả? Thuật toán so sánh sự tương ứng giữa điện áp đầu ra thực tế của cell $V_{out_cellx}$ (được chuẩn hóa thành $V_{c_cellx} \in {-1, 0, 1}$ qua bộ so sánh với ngưỡng $TH = V_{DC}/2$) và tín hiệu điều khiển cell $KH_{cellx}$. Nếu có sai khác ($V_{c_cellx} \ne KH_{cellx}$), tín hiệu $error$ được đặt lên 1. Để loại trừ lỗi giả do thời gian chết (deadtime) và trễ cảm biến ($T_{delay}$), bộ đếm $T_1$ được sử dụng; chỉ khi thời gian sai lệch vượt quá ngưỡng $CT_1 > T_{delay}$ thì tín hiệu báo lỗi $fault_signal$ mới kích hoạt lên 1. Bộ đếm $T_2$ tự động đặt lại các bộ đếm sau mỗi chu kỳ kiểm tra ($T_2 > CT_2$).

3. Phương pháp SVM cải tiến xử lý sự cố hở mạch van có điểm gì khác biệt so với phương pháp "bypass cell" truyền thống? Phương pháp bypass cell truyền thống [80] loại bỏ cả cell bị lỗi và các cell tương ứng ở các pha lành để giữ cân bằng điện áp, khiến điện áp đầu ra bị suy giảm nghiêm trọng. Phương pháp SVM cải tiến của luận án chỉ cách ly duy nhất cell bị lỗi bằng contactor đầu ra, sau đó tái cấu trúc không gian vector và tính toán lại vector điện áp đặt mới. Thuật toán lựa chọn các trạng thái vector chuẩn không bị ảnh hưởng bởi lỗi và có CMV nhỏ nhất, giúp điện áp ra ba pha vẫn cân bằng với mức sụt giảm biên độ là nhỏ nhất.

4. Bằng cách nào bộ điều khiển FCS-MPC của luận án giải quyết được gánh nặng tính toán khi số mức tăng cao? Thay vì quét và đánh giá hàm mục tiêu trên toàn bộ các vector trạng thái của nghịch lưu (ví dụ nghịch lưu 11 mức có 331 vector chuẩn và 1331 trạng thái), luận án đề xuất thuật toán chỉ đánh giá trên tập hợp 19 vector điện áp liền kề bao quanh vector tối ưu của chu kỳ trước. Nhờ đó, số lượng phép tính đánh giá hàm mục tiêu luôn cố định ở mức 19 cho mọi số mức của biến tần. Kết hợp với việc lập trình tính toán song song trên phần cứng FPGA Zynq-7000, thời gian thực thi được rút ngắn tối đa, đáp ứng yêu cầu của chu kỳ trích mẫu nhỏ.

5. Cấu hình hệ thống thực nghiệm của luận án bao gồm những thành phần phần cứng và đối tượng tải nào? Hệ thống thực nghiệm gồm bộ nghịch lưu ba pha 11 mức cấu trúc cầu H nối tầng sử dụng van IGBT, gồm 5 module cầu H trên mỗi pha (tổng cộng 15 module cầu H). Khối điều khiển trung tâm sử dụng kit FPGA Spartan 6 và kit FPGA Zynq-7000 (Zybo Z7-20) lập trình bằng VHDL. Đối tượng tải thử nghiệm bao gồm bộ tải thuần trở cảm RL và động cơ không đồng bộ ba pha được điều khiển theo nguyên lý FOC.

Kết luận

Luận án tiến sĩ của tác giả Mai Văn Chung đã nghiên cứu và giải quyết có hệ thống bài toán điều khiển nghịch lưu đa mức cấu trúc cầu H nối tầng cấp nguồn cho hệ truyền động không đồng bộ trong cả trạng thái bình thường và khi xảy ra sự cố hở mạch van bán dẫn. Các kết quả cốt lõi bao gồm thuật toán điều chế SVM tổng quát hóa không dùng bảng tra cứu, phương pháp phát hiện và cách ly lỗi van chống báo giả, cùng bộ điều khiển dự báo dòng điện FCS-MPC 19 vector tích hợp triệt tiêu điện áp common-mode và tối ưu số lần đóng cắt van. Các giải pháp lý thuyết đều được chứng minh qua mô phỏng và kiểm chứng thực nghiệm trên hệ thống nghịch lưu 11 mức điều khiển bằng FPGA Zynq-7000/Spartan 6. Công trình cung cấp giải pháp kỹ thuật hoàn chỉnh nhằm nâng cao tính liên tục, an toàn và độ tin cậy cho các hệ truyền động điện trung áp trong công nghiệp.

Trích đoạn nội dung tài liệu

chương I1 liệt kê các phương pháp điều khiển dòng điện stator tuyến tính, phi tuyến và dự báo cho hệ truyền động không đồng bộ theo nguyên lý FOC. Từ đó luận án tập trung nghiên cứu và đưa ra phương hướng thực hiện các mục tiêu như phát hiện, xử lý lỗi, triệt tiêu đồng thời điện áp common mode và tối ưu tần số đóng cắt của nghịch lưu đa mức cầu H nối tang. Nghịch lưu đa mức cấu trúc cầu H nối tầng Đối với hệ truyền động trung áp, nghịch lưu đa mức thường được lựa chọn nhờ các ưu điểm: dạng sóng đầu ra có độ méo sóng hài (THD) thấp hơn, giảm điện áp đặt lên các linh kiện bán dẫn công suất, tốc độ biến thiên điện áp dv/dt thấp hơn [1], [4]. Nghịch lưu đa mức có cấu trúc cơ bản: nghịch lưu dùng điôt chốt điểm trung tính (NPC) [5]; nghịch lưu dùng hệ thống tụ bay ŒC) [6], [7]; cầu H néi tang (CHB) [8], [9], [10]; bộ biến đổi đa cấp module (MMC) [1 1]-[13].

Dạng cấu trúc của nghịch lưu đa mức thể hiện như Hình 1. 1, so sánh thiết bị như Bang 1. Trong các cấu trúc của nghịch lưu đa mức, cấu trúc nghịch lưu đa mức cầu H nối tầng (CHB) có tính module hóa cao, linh hoạt trong sửa chữa và thay thé thiết bị do đó giảm chỉ phí trong sản xuất và vận hành, không cần thêm các phần tử phụ trợ như di dt, tu điện, độ tin cậy cao [2], [14]. Với cấu trúc module hóa, CHB có thể tạo ra số mức điện áp rất lớn.

Với lợi thế này, có thể xây dựng được các BBĐ CHEB làm việc ở cấp điện áp từ trung thế (MV - từ trên 1 kV đến 60 kV), đến mức cao thế (HV — 110 kV đến 220 kV). Do đó, CHB - MLI được sử dụng rộng rãi hơn trong công nghiệp cho các ứng dụng khác nhau. Trong đó, nghịch lưu đa mức đặc biệt phù hợp với ứng dụng như: - Nối lưới: Đỗi với hệ thông năng lượng điện mặt trời nối lưới, thông thường gồm nhiều tắm pin năng lượng điện mặt trời riêng lẻ và chiếm một khu vực có diện tích lớn như Hình I. Do cường độ bức xạ mặt trời có thê không đều do mây che khuắt, vật cản.sẽ làm công suất trên các tắm pin không đều.

Để nâng cao hiệu suất, thông thường sẽ chia nhỏ thành các nhóm PV đê điêu khiên sẽ tạo ra công suât là cân băng và cao nhất có thê. Cấu trúc bộ biến đổi CHB với đặc thù được cấp bởi các nguồn DC cách ly riêng lẻ. Do đó, Cấu trúc bộ biến đổi CHB đặc biệt phù hợp với ứng dụng năng lượng điện mặt trời nối lưới [15]-{[171. So sánh số linh kiện trong một pha của các cấu tric NLDM.

Diode k Tu b Cau H noi MMC Cấu hình nghịch lưu | "#8 XSE nay ng NPC FC tâng CHB Van IGBT 2(m-1) 2(m-1) 2(m-1) 2(m-1) Diode kep 2(m-2) 0 0 0 Tụ trên nguôn DC (m-1) (m-1) (m-1)/2 (m-1) Cấu trúc cầu H nói tầng CHB Cau tric MMC uồn DC Một ngị (1/2), (1/2) it Jt 4 Hinh 1. Phan loai NLDM (nguồn [18]) - B6 bién đổi biến đổi lưới điện xoay chiều 3 pha cung cấp cho động cơ công suất lớn, điện áp cao: Với mục tiêu ứng dụng trong hệ thống công suất lớn, việc đảm bảo dòng lấy vào từ lưới điện có dạng gần sin là rất quan trọng. Nghịch lưu đa mức cầu Hnối tầng với nhiều nguồn DC cách ly, vì vậy có thê sử dụng các sơ đồ máy biến áp nhiều đầu ra để nâng cao chất lượng dòng đầu vào. Điều này được thể hiện trên các sơ đồ trong Hình 1.