Sự ra đời của loại van này giúp cho ta chế tạo các bộ biến tần loại PWM một cách dễ dàng, chính vì thế các hệ thống truyền động điện nạp từ bộ biến tần PWM đang được nghiên cứu rộng rãi.
Trang 1Mô phỏng hệ thống truyền động điện nạp từ
bộ biến tần PWM pgstskh thân ngọc hoàn
đại học hàng hải
1 Mở đầu
Những năm gần đây do sự phát triển của công nghệ điện tử, đã xuất hiện nhiều loại van bán
dẫn công suất mới có những ưu điểm hơn các van cũ Một trong loại van mới đó là IGBT Sự ra
đời của loại van này giúp cho ta chế tạo các bộ biến tần loại PWM một cách dễ dàng, chính vì thế các hệ thống truyền động điện nạp từ bộ biến tần PWM đang được nghiên cứu rộng rãi Dưới đây trình bày phương pháp nghiên cứu mô phỏng hệ thống truyền động điện động cơ dị bộ rô to lồng sóc nạp từ bộ biến tần PWM giúp cho ta nghiên cứu hệ thống ở chế độ quá độ
2 Mô phỏng bộ biến tần PWM
2.1.Mô phỏng transistor
Trên hình 1 biểu diễn mạch điện gồm một transistor IGBT được nạp từ nguồn điện một chiều Ud, transistor cấp điện cho một tổng trở R và cảm kháng L
Ta biết rằng transistor IGBT dẫn điện phải thoả mãn các điều kiện sau:
- Khi có điện áp dương đặt lên cực colectơ của transistor (tức là điện áp đặt lên hai cực colectơ và emitơ của transistor là UCE phải lớn hơn 0) và có xung điện áp điều khiển UGE đưa vào cực cửa của transistor thì transistor sẽ cho dòng điện chạy qua, nếu không thoả mãn các điều kiện trên thì transistor sẽ tắc
Để mô phỏng các transistor ta giả thiết rằng: transistor là một khóa lý tưởng nghĩa là khi dẫn điện thì điện trở của nó bằng không còn khi không dẫn điện thì điện trở của nó vô cùng lớn
+Ud
i
Udk
Ur Ud
Hình 1 Sơ đồ mạch điện đơn giản của transistor IGBT
Gọi Uc , X, T là các biến logic, chúng có giá trị như sau:
1 - khi điện áp trên cực colectơ của transistor IGBT dương
Uc =
0 - khi điện áp trên cực colectơ của transistor IGBT âm
1- khi có tín hiệu điều khiển đưa vào cực điều khiển của transistor IGT
X =
0- khi không có tín hiệu điều khiển đưa vào cực điều khiển của IGBT
1- khi transistor dẫn điện
T =
0- khi transistor không dẫn điện
R L
Trang 2Theo nguyên lý hoạt động của transistor IGBT, phương trình trạng thái của tran-si-to IGBT có thể biểu diễn như sau:
Điện áp ra của transistor IGBT có thể biểu diễn:
Ur = Ud.T (2) Phương trình cân băng điện áp theo Kiếc khốp khi tran-si-to dẫn có dạng:
Ur = R.i + L
dt
di
Trong đó: Ud là điện áp một chiều lưới nạp, Ur là điện áp ra trên tải, R là giá trị điện trở trên tải, L là giá trị điện cảm trên tải, i là dòng tải, di/ dt là thành phần đạo hàm dòng tải
2 Thuật giải mô phỏng transistor IGBT
Trên cơ sở phân tích trên ta xây dựng thuật giải mô phỏng tran-si-to (H.2)
H.2 Thuật giải mô phỏng tran-si-to
Hoạt động của thuật giải như sau:
Nhập giá trị điện áp nạp Ud, giá trị diện trở R, điện cảm L, giá trị đầu của
dòng điện tải i và đạo hàm của nó Sau đó kiểm tra trạng thái dẫn của transistor IGBT bằng tín hiệu điều khiển X Khi có điện áp điều khiển trên cực điều khiển của transistor thì tín hiệu X = 1 làm cho transistor dẫn (T = 1) Khi đã có trạng thái logic T, ta tính điện áp trên tải Ur theo phương trình (1.7) rồi giải phương trình vi phân (1.8) bằng phương pháp Rung Kutte bậc 4, in kết quả rồi dừng máy
1.2.1 Mô phỏng tín hiệu điều khiển tran-si-to
Tín hiệu điều khiển tran si to thường là tín hiệu xung Để lập trình tính hàm điều khiển
KT
BĐ
Nhập Ud, R, L, Is(t,0) di(t,0)/ dt
Uc > 0
X =1
Tính Ur theo (2)
Giải prương trình vi phân (1.8) bằng Rung Kutte bậc 4
In kết quả
Đ
Trang 3chu kỳ, ur - xung điện áp điều khiển , Urmc biên độ của xung Để có chuỗi xung ta lại thấy rằng khi thời gian nhỏ hơn số nguyên chu kỳ thì thời gian t=t nh−ng khi t lớn hơn số nguyên chu kỳ thì thời gian bằng 0 ( t=0) rồi lặp lại Ta có thuật giải sau đây để mô phỏng điện áp điều khiển tran-si-to
Đi tiếp
H.2 Thuật giải tính tín hiệu điều khiển tran-si to
Kết quả mô phỏng biểu diễn trên H.3
H.3 Tín hiều điều khiển tran-si to
12.2 Mô phỏng bộ biến tần gián tiếp ba pha nguồn áp PWM dùng transistor IGBT
1.2.2.1 Nguyên lý hoạt động của bộ biến tần
Bộ biến tần gián tiếp ba pha nguồn áp PWM dùng transistor IGBT, biểu diễn trên h.4 Sơ
đồ gồm 6 transistor IGBT: T1, T2, T3, T4, T5, T6 mắc theo sơ đồ cầu Do các tran-si-to không có khả năng chịu đ−ợc điện áp âm nên ta dùng các diod mắc song song với các ti-ri-sto để bảo vệ tran-si-to khỏi điện áp ng−ợc và khép kín công suất kháng Mỗi transistor dẫn 120° Nhóm
O
t=0
t>kT
k:=k+1 k:=k
t:=t-(k-1).T
ur=Umrc
t >T/2
ur=0
BĐ
Urmc
^
Trang 4transistor mắc chung colectơ sẽ tạo nửa chu kỳ điện áp ra dương Nhóm transistor mắc chung emitơ sẽ tạo nửa chu kỳ điện áp ra âm
H.4 Sơ đồ nguyên lý bộ biến tần gián tiếp PWM dùng IGBT
1.2.2.2 Mô phỏng điện áp điều khiển tran-si to
Vì bộ biến tần gián tiếp PWM dùng transistor IGBT nên điện áp ra trên tải lặp lại điện áp
điều khiển trên cực cửa của transistor Do đó muốn mô phỏng bộ biến tần gián tiếp PWM dùng transistor IGBT để tạo điện áp ra trên tải có dạng xung hình chữ nhật mong muốn thì trước hết ta phải đi mô phỏng tín hiệu điện áp điều khiển các transistor của bộ nghịch lưu trong bộ biến tần Để tạo điện áp điều khiển các transistor IGBT có dạng xung PWM ta dựa vào nguyên lý
đã trình bày ở phần trên Cụ thể ta đưa vào bộ so sánh một điện áp mang dạng tam giác cân tần số
fr và 3 điện áp điều biên có dạng hình sin như sau:
H.5 Điện áp điều khiển tran-si-to của bộ biến tần PWM
Ua = Uđk.sinωt
Ub = Uđk.sin(ωt - 120°)
Uc = Uđk.sin(ωt + 120°)
Uđk là giá trị biên độ của điện áp hình sinus, ω = 2πf - tần số góc của điện áp chuẩn hình sinus Khoảng điện áp mang nằm dưới điện áp điều biên hình sin xác định độ dài tồn tại các xung điều khiển cũng là khoảng mở của tran-si to Trên H.5 biểu diễn cách xác định điện áp điều khiển tran-si-to theo nguyên lý điều khiển độ rộng xung cho một pha
Để có được tín hiệu điều khiển Xi, ta thực hiện như sau: Đưa vào thiết bị so sánh 3 điện áp điều
U
~3,f1
B
C
Usc
A
T1 T3 T5
umang
udb
uđ
k
Trang 5điện áp hình sin Do các tran-si-to chỉ dẫn trong khoảng 120 nên các tran-si-to chỉ dẫn khi thỏa mãn các điều kiện sau:
Cho T1: ua>ub>uc và Uđka >0 thì X1 =1 suy ra T1=1
Cho T2: ub>ua>uc và Uđkb >0 thì X3 =1 suy ra T3=1
Cho T5: uc>ub>ua và Uđkc >0 thì X5 =1 suy ra T5=1
Cho T4: ua<ub<uc và Uđka <0 thì X4 =1 suy ra T4=1
Cho T6: ub<uc>ua và Uđkb <0 thì X6 =1 suy ra T6=1
Cho T1: uc<ub<ua và Uđkc <0 thì X2 =1 suy ra T2=1
Sau khi xác định đ−ợc trạng thái các tran-si-to ta còn phải loại trừ khoảng dẫn trùng của chúng theo nguyên tắc 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;
Giá trị điện áp ra của bộ biến tần xác định nh− sau:
ua:=ud*(T1-T4); ub:=ud*(T3-T6); uc:=ud*(T5-T2);
Điện áp dây xác định nh− sau:
uab:=ua-ub; ubc:=ub-uc uca:=uc-ua
Kết quả mô phỏng biểu diễn trên H.7 (từ ct.BBT_DGT.PAS)
H.6 Kết quả mô phỏng bộ biến tần tran-si-to IGBT
ua
uab
uđk
uđb,umang
Trang 63 Mô hình toán động cơ dị bộ
Động cơ dị bộ lồng sóc ở đại lượng tương đối viết trong hệ trục vuông góc gắn vào từ trường quay có dạng:
pids = a1{Lruds - LrRsids +ω
ωb s Lr(Lsiqs+Miqr) +MRridr -(
ω
b
ư )M(Miqs + Lriqr)}
piqs = a1{Lruqs -LrRsiqs -ω
ωb s Lr(Lsids+Midr) + RrMiqr +(
ω
b
ư )M(Mids+Lridr)}
pidr = a1{-Muds +MRsids -ω
ω
s b
M(Lsiqs+Miqr)-RrLsidr + (ω ω
ω
b
ư )Ls(Miqs+Lriqr)}
piqr = a1{-Muqs +LsMiqs+ω
ωb s M(Lsids+Midr) -RrLsiqr - (
ω
b
ư )Ls(Mids +Lridr)}
Trong đó a1 = ωb
r s
L L ưM2, Lr,Ls,M,Rs,Rr là độ tự cảm cuộn stato, cuộn rô to, cảm ứng tương hỗ,
điện trở stato, điện trở rô to của động cơ
Mô men quay của động cơ có dạng:
Phương trình cân bằng truyền động điện như sau
Tmd
dt
r
ω
4.Mô phỏng hệ thống truyền động điện nạp từ bộ biến tần PWM
Hệ thống truyền động điện cần mô phỏng biểu diễn trên h.7
H.7 Hệ thống truyền động điện cần mô phỏng
Dựa vào kết quả mô phỏng bộ biến tần và mô hình toán của động cơ dị bộ lồng sóc ở trên ta tiến hành mô phỏng cho hệ truyền động động cơ dị bộ nạp từ bộ biến tần PWM Thuật giải biểu diễn ở H.8 Trên H.9 biểu diễn kết quả mô phỏng Từ kết quả mô phỏng hệ thống truyền động
điện động cơ dị bộ nạp từ bộ biến tần ta thấy giá trị tức thời của mô men bị dao động mạnh so với
hệ thống truyền động điện nạp từ lứơi cứng Giá trị của mô men động cơ ngay ở chế độ ổn định cũng có giá trị biến đổi ở chế độ này mô men trung bình có giá trị không đổi còn giá trị tức thời của mô men vẫn bị dao động Nguyên nhân của sự dao động mô men là do điện áp và dòng nạp
động cơ không có dạng hình sin, sư tham gia của mô men các sóng bậc cao làm mô men dao
động Trong những hệ thống có quán tính lớn sự dao động của mô men bị dập đi nhiều
Bổ biặn
Trang 7
H.2.10 Đặc tính tốc độ và mô men của hệ thống TĐĐ [MDB-BBT.PAS]
Me,ωr H.8 Thuật giải mô phỏng hệ thống TĐĐ-bộ biến tần gián tiếp PWM
Vào điều kiện đầu, số liệu động cơ, bộ biến tần
Tẽnh cŸc giŸ trÙ cãn thiặt
Tẽnh usd, usq cða bổ biặn
t n giăi phừỗng trệnh vi phàn
Tẽnh ia, me, ω
In k.quă
B‡
KT
