Đề tài Mô phỏng hệ thống truyền động điện nạp từ bộ biến tần PWM

1 M« pháng hÖ thèng truyÒn ®éng ®iÖn n¹p tõ bé biÕn tÇn PWM pgstskh th©n ngäc hoµn ®¹i häc hµng h¶i 1. Më ®Çu Nh÷ng n¨m gÇn ®©y do sù ph¸t triÓn cña c«ng nghÖ ®iÖn tö, ®· xuÊt hiÖn nhiÒu lo¹i van b¸n dÉn c«ng suÊt míi cã nh÷ng −u ®iÓm h¬n c¸c van cò. Mét trong lo¹i van míi ®ã lµ IGBT. Sù ra ®êi cña lo¹i van nµy gióp cho ta chÕ t¹o c¸c bé biÕn tÇn lo¹i PWM mét c¸ch dÔ dµng, chÝnh v× thÕ c¸c hÖ thèng truyÒn ®éng ®iÖn n¹p tõ bé biÕn tÇn PWM ®ang ®−îc nghiªn cøu réng r·i. D−íi ®©y tr×nh bµy ph−¬ng ph¸p nghiªn cøu m« pháng hÖ thèng truyÒn ®éng ®iÖn ®éng c¬ dÞ bé r« to lång sãc n¹p tõ bé biÕn tÇn PWM gióp cho ta nghiªn cøu hÖ thèng ë chÕ ®é qu¸ ®é. 2. M« pháng bé biÕn tÇn PWM 2.1.M« pháng transistor Trªn h×nh 1 biÓu diÔn m¹ch ®iÖn gåm mét transistor IGBT ®−îc n¹p tõ nguån ®iÖn mét chiÒu Ud, transistor cÊp ®iÖn cho mét tæng trë R vµ c¶m kh¸ng L. Ta biÕt r»ng transistor IGBT dÉn ®iÖn ph¶i tho¶ m·n c¸c ®iÒu kiÖn sau: - Khi cã ®iÖn ¸p d−¬ng ®Æt lªn cùc colect¬ cña transistor (tøc lµ ®iÖn ¸p ®Æt lªn hai cùc colect¬ vµ emit¬ cña transistor lµ UCE ph¶i lín h¬n 0) vµ cã xung ®iÖn ¸p ®iÒu khiÓn UGE ®−a vµo cùc cöa cña transistor th× transistor sÏ cho dßng ®iÖn ch¹y qua, nÕu kh«ng tho¶ m·n c¸c ®iÒu kiÖn trªn th× transistor sÏ t¾c. §Ó m« pháng c¸c transistor ta gi¶ thiÕt r»ng: transistor lµ mét khãa lý t−ëng nghÜa lµ khi dÉn ®iÖn th× ®iÖn trë cña nã b»ng kh«ng cßn khi kh«ng dÉn ®iÖn th× ®iÖn trë cña nã v« cïng lín. +Ud i Udk Ur Ud H×nh 1 S¬ ®å m¹ch ®iÖn ®¬n gi¶n cña transistor IGBT Gäi Uc , X, T lµ c¸c biÕn logic, chóng cã gi¸ trÞ nh− sau: 1 - khi ®iÖn ¸p trªn cùc colect¬ cña transistor IGBT d−¬ng Uc = 0 - khi ®iÖn ¸p trªn cùc colect¬ cña transistor IGBT ©m 1- khi cã tÝn hiÖu ®iÒu khiÓn ®−a vµo cùc ®iÒu khiÓn cña transistor IGT X = 0- khi kh«ng cã tÝn hiÖu ®iÒu khiÓn ®−a vµo cùc ®iÒu khiÓn cña IGBT 1- khi transistor dÉn ®iÖn T = 0- khi transistor kh«ng dÉn ®iÖn R L 2 Theo nguyªn lý ho¹t ®éng cña transistor IGBT, ph−¬ng tr×nh tr¹ng th¸i cña tran-si-to IGBT cã thÓ biÓu diÔn nh− sau: T = Uc. X (1) §iÖn ¸p ra cña transistor IGBT cã thÓ biÓu diÔn: Ur = Ud.T (2) Ph−¬ng tr×nh c©n b¨ng ®iÖn ¸p theo KiÕc khèp khi tran-si-to dÉn cã d¹ng: Ur = R.i + L. dt di (3) Trong ®ã: Ud lµ ®iÖn ¸p mét chiÒu l−íi n¹p, Ur lµ ®iÖn ¸p ra trªn t¶i, R lµ gi¸ trÞ ®iÖn trë trªn t¶i, L lµ gi¸ trÞ ®iÖn c¶m trªn t¶i, i lµ dßng t¶i, di / dt lµ thµnh phÇn ®¹o hµm dßng t¶i . 2. ThuËt gi¶i m« pháng transistor IGBT Trªn c¬ së ph©n tÝch trªn ta x©y dùng thuËt gi¶i m« pháng tran-si-to (H.2) H.2 ThuËt gi¶i m« pháng tran-si-to Ho¹t ®éng cña thuËt gi¶i nh− sau: NhËp gi¸ trÞ ®iÖn ¸p n¹p Ud, gi¸ trÞ diÖn trë R, ®iÖn c¶m L, gi¸ trÞ ®Çu cña dßng ®iÖn t¶i i vµ ®¹o hµm cña nã. Sau ®ã kiÓm tra tr¹ng th¸i dÉn cña transistor IGBT b»ng tÝn hiÖu ®iÒu khiÓn X. Khi cã ®iÖn ¸p ®iÒu khiÓn trªn cùc ®iÒu khiÓn cña transistor th× tÝn hiÖu X = 1 lµm cho transistor dÉn (T = 1). Khi ®· cã tr¹ng th¸i logic T, ta tÝnh ®iÖn ¸p trªn t¶i Ur theo ph−¬ng tr×nh (1.7) råi gi¶i ph−¬ng tr×nh vi ph©n (1.8) b»ng ph−¬ng ph¸p Rung Kutte bËc 4, in kÕt qu¶ råi dõng m¸y. 1.2.1 M« pháng tÝn hiÖu ®iÒu khiÓn tran-si-to TÝn hiÖu ®iÒu khiÓn tran si to th−êng lµ tÝn hiÖu xung. §Ó lËp tr×nh tÝnh hµm ®iÒu khiÓn ta cã nhËn xÐt sau: Trong mét chu kú khi tT/2 th× Ur=0; Trong ®ã T- KT B§ NhËp Ud, R, L, Is(t,0) di(t,0)/ dt Uc > 0 X =1 T = 1 T = 0 TÝnh Ur theo (2) Gi¶i pr−¬ng tr×nh vi ph©n (1.8) b»ng Rung Kutte bËc 4 In kÕt qu¶ § S § 3 chu kú, ur - xung ®iÖn ¸p ®iÒu khiÓn , Urmc biªn ®é cña xung. §Ó cã chuçi xung ta l¹i thÊy r»ng khi thêi gian nhá h¬n sè nguyªn chu kú th× thêi gian t=t nh−ng khi t lín h¬n sè nguyªn chu kú th× thêi gian b»ng 0 ( t=0) råi lÆp l¹i. Ta cã thuËt gi¶i sau ®©y ®Ó m« pháng ®iÖn ¸p ®iÒu khiÓn tran- si-to §i tiÕp H.2 ThuËt gi¶i tÝnh tÝn hiÖu ®iÒu khiÓn tran-si to KÕt qu¶ m« pháng biÓu diÔn trªn H.3 H.3 TÝn hiÒu ®iÒu khiÓn tran-si to 12.2 M« pháng bé biÕn tÇn gi¸n tiÕp ba pha nguån ¸p PWM dïng transistor IGBT 1.2.2.1 Nguyªn lý ho¹t ®éng cña bé biÕn tÇn Bé biÕn tÇn gi¸n tiÕp ba pha nguån ¸p PWM dïng transistor IGBT, biÓu diÔn trªn h.4. S¬ ®å gåm 6 transistor IGBT: T1, T2, T3, T4, T5, T6 m¾c theo s¬ ®å cÇu. Do c¸c tran-si-to kh«ng cã kh¶ n¨ng chÞu ®−îc ®iÖn ¸p ©m nªn ta dïng c¸c diod m¾c song song víi c¸c ti-ri-sto ®Ó b¶o vÖ tran-si-to khái ®iÖn ¸p ng−îc vµ khÐp kÝn c«ng suÊt kh¸ng. Mçi transistor dÉn 120°. Nhãm O t=0 t>kT k:=k+1 k:=k t:=t-(k-1).T ur=Umrc t >T/2 ur=0 B§ Urmc ^ 4 transistor m¾c chung colect¬ sÏ t¹o nöa chu kú ®iÖn ¸p ra d−¬ng. Nhãm transistor m¾c chung emit¬ sÏ t¹o nöa chu kú ®iÖn ¸p ra ©m H.4 S¬ ®å nguyªn lý bé biÕn tÇn gi¸n tiÕp PWM dïng IGBT 1.2.2.2 M« pháng ®iÖn ¸p ®iÒu khiÓn tran-si to V× bé biÕn tÇn gi¸n tiÕp PWM dïng transistor IGBT nªn ®iÖn ¸p ra trªn t¶i lÆp l¹i ®iÖn ¸p ®iÒu khiÓn trªn cùc cöa cña transistor. Do ®ã muèn m« pháng bé biÕn tÇn gi¸n tiÕp PWM dïng transistor IGBT ®Ó t¹o ®iÖn ¸p ra trªn t¶i cã d¹ng xung h×nh ch÷ nhËt mong muèn th× tr−íc hÕt ta ph¶i ®i m« pháng tÝn hiÖu ®iÖn ¸p ®iÒu khiÓn c¸c transistor cña bé nghÞch l−u trong bé biÕn tÇn. §Ó t¹o ®iÖn ¸p ®iÒu khiÓn c¸c transistor IGBT cã d¹ng xung PWM ta dùa vµo nguyªn lý ®· tr×nh bµy ë phÇn trªn. Cô thÓ ta ®−a vµo bé so s¸nh mét ®iÖn ¸p mang d¹ng tam gi¸c c©n tÇn sè fr vµ 3 ®iÖn ¸p ®iÒu biªn cã d¹ng h×nh sin nh− sau: H.5 §iÖn ¸p ®iÒu khiÓn tran-si-to cña bé biÕn tÇn PWM Ua = U®k.sinωt. Ub = U®k.sin(ωt - 120°) Uc = U®k.sin(ωt + 120°) U®k lµ gi¸ trÞ biªn ®é cña ®iÖn ¸p h×nh sinus, ω = 2πf - tÇn sè gãc cña ®iÖn ¸p chuÈn h×nh sinus. Kho¶ng ®iÖn ¸p mang n»m d−íi ®iÖn ¸p ®iÒu biªn h×nh sin x¸c ®Þnh ®é dµi tån t¹i c¸c xung ®iÒu khiÓn còng lµ kho¶ng më cña tran-si to. Trªn H.5 biÓu diÔn c¸ch x¸c ®Þnh ®iÖn ¸p ®iÒu khiÓn tran-si-to theo nguyªn lý ®iÒu khiÓn ®é réng xung cho mét pha. §Ó cã ®−îc tÝn hiÖu ®iÒu khiÓn Xi, ta thùc hiÖn nh− sau: §−a vµo thiÕt bÞ so s¸nh 3 ®iÖn ¸p ®iÒu khiÓn transistor cña c¸c pha a, b, c cã d¹ng xung h×nh ch÷ nhËt mµ ta võa m« pháng trªn vµ 3 U ~3,f1 B C Usc A T4 T6 T2 T1 T3 T5 umang udb u® k 5 ®iÖn ¸p h×nh sin. Do c¸c tran-si-to chØ dÉn trong kho¶ng 1200 nªn c¸c tran-si-to chØ dÉn khi tháa m·n c¸c ®iÒu kiÖn sau: Cho T1: ua>ub>uc vµ U®ka >0 th× X1 =1 suy ra T1=1 Cho T2: ub>ua>uc vµ U®kb >0 th× X3 =1 suy ra T3=1 Cho T5: uc>ub>ua vµ U®kc >0 th× X5 =1 suy ra T5=1 Cho T4: ua<ub<uc vµ U®ka <0 th× X4 =1 suy ra T4=1 Cho T6: ubua vµ U®kb <0 th× X6 =1 suy ra T6=1 Cho T1: uc<ub<ua vµ U®kc <0 th× X2 =1 suy ra T2=1 Sau khi x¸c ®Þnh ®−îc tr¹ng th¸i c¸c tran-si-to ta cßn ph¶i lo¹i trõ kho¶ng dÉn trïng cña chóng theo nguyªn t¾c sau: if (T1+T3>1) then T1:=0; if (T3+T5>1) then T3:=0; if (T1+T5>1) then T5:=0; if (T4+T6>1) then T4:=0; if (T6+T2>1) then T6:=0; if (T4+T2>1) then T2:=0; Gi¸ trÞ ®iÖn ¸p ra cña bé biÕn tÇn x¸c ®Þnh nh− sau: ua:=ud*(T1-T4); ub:=ud*(T3-T6); uc:=ud*(T5-T2); §iÖn ¸p d©y x¸c ®Þnh nh− sau: uab:=ua-ub; ubc:=ub-uc uca:=uc-ua KÕt qu¶ m« pháng biÓu diÔn trªn H.7 (tõ ct.BBT_DGT.PAS) H.6. KÕt qu¶ m« pháng bé biÕn tÇn tran-si-to IGBT ua uab u®k u®b,umang 6 3. M« h×nh to¸n ®éng c¬ dÞ bé §éng c¬ dÞ bé lång sãc ë ®¹i l−îng t−¬ng ®èi viÕt trong hÖ trôc vu«ng gãc g¾n vµo tõ tr−êng quay cã d¹ng: pids = a1{Lruds - LrRsids + ω ω s b Lr(Lsiqs+Miqr) +MRridr -( ω ω ω s r b − )M (Miqs + Lriqr)} piqs = a1{Lruqs -LrRsiqs - ω ω s b Lr(Lsids+Midr) + RrMiqr +( ω ω ω s r b − )M (Mids+Lridr)} pidr = a1{-Muds +MRsids - ω ω s b M(Lsiqs+Miqr)-RrLsidr + ( ω ω ω s r b − )Ls(Miqs+Lriqr)} piqr = a1{-Muqs +LsMiqs+ ω ω s b M(Lsids+Midr) -RrLsiqr - ( ω ω ω s r b − )Ls(Mids +Lridr)} Trong ®ã a1 = ωb r sL L M− 2 , Lr,Ls,M,Rs,Rr lµ ®é tù c¶m cuén stato, cuén r« to, c¶m øng t−¬ng hç, ®iÖn trë stato, ®iÖn trë r« to cña ®éng c¬. M« men quay cña ®éng c¬ cã d¹ng: me = M(iqs idr - ids iqr ) (2.13) Ph−¬ng tr×nh c©n b»ng truyÒn ®éng ®iÖn nh− sau Tm d dt rω = me - m0 (2.14) 4.M« pháng hÖ thèng truyÒn ®éng ®iÖn n¹p tõ bé biÕn tÇn PWM HÖ thèng truyÒn ®éng ®iÖn cÇn m« pháng biÓu diÔn trªn h.7 H.7 HÖ thèng truyÒn ®éng ®iÖn cÇn m« pháng Dùa vµo kÕt qu¶ m« pháng bé biÕn tÇn vµ m« h×nh to¸n cña ®éng c¬ dÞ bé lång sãc ë trªn ta tiÕn hµnh m« pháng cho hÖ truyÒn ®éng ®éng c¬ dÞ bé n¹p tõ bé biÕn tÇn PWM. ThuËt gi¶i biÓu diÔn ë H.8. Trªn H.9 biÓu diÔn kÕt qu¶ m« pháng. Tõ kÕt qu¶ m« pháng hÖ thèng truyÒn ®éng ®iÖn ®éng c¬ dÞ bé n¹p tõ bé biÕn tÇn ta thÊy gi¸ trÞ tøc thêi cña m« men bÞ dao ®éng m¹nh so víi hÖ thèng truyÒn ®éng ®iÖn n¹p tõ lø¬i cøng. Gi¸ trÞ cña m« men ®éng c¬ ngay ë chÕ ®é æn ®Þnh còng cã gi¸ trÞ biÕn ®æi. ë chÕ ®é nµy m« men trung b×nh cã gi¸ trÞ kh«ng ®æi cßn gi¸ trÞ tøc thêi cña m« men vÉn bÞ dao ®éng. Nguyªn nh©n cña sù dao ®éng m« men lµ do ®iÖn ¸p vµ dßng n¹p ®éng c¬ kh«ng cã d¹ng h×nh sin, s− tham gia cña m« men c¸c sãng bËc cao lµm m« men dao ®éng. Trong nh÷ng hÖ thèng cã qu¸n tÝnh lín sù dao ®éng cña m« men bÞ dËp ®i nhiÒu. Bæ biÆn t·n PWM T¨i ‡C 7 H.2.10 §Æc tÝnh tèc ®é vµ m« men cña hÖ thèng T§§ [MDB-BBT.PAS] Me,ωr H.8 ThuËt gi¶i m« pháng hÖ thèng T§§-bé biÕn tÇn gi¸n tiÕp PWM Vµo ®iÒu kiÖn ®Çu, sè liÖu ®éng c¬, bé biÕn tÇn TÏnh cŸc giŸ trÙ c·n thiÆt TÏnh usd, usq cða bæ biÆn t n gi¨i phõçng trÖnh vi phµn TÏnh ia, me, ω t<Tma x t=t+h In k.qu¨ B‡ KT