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

 1
Mô 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 −u 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 đ−ợc nghiên cứu rộng rãi. D−ới đây 
trình bày ph−ơng 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 đ−ợc 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 d−ơng 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 đ−a 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 t−ởng 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 nh− sau: 
1 - khi điện áp trên cực colectơ của transistor IGBT d−ơng 
Uc = 
0 - khi điện áp trên cực colectơ của transistor IGBT âm 
 1- khi có tín hiệu điều khiển đ−a vào cực điều khiển của transistor IGT 
X = 
 0- khi không có tín hiệu điều khiển đ−a vào cực điều khiển của IGBT 
 1- khi transistor dẫn điện 
T = 
 0- khi transistor không dẫn điện 
R
L
 2
 Theo nguyên lý hoạt động của transistor IGBT, ph−ơng trình trạng thái của tran-si-to 
IGBT có thể biểu diễn nh− sau: 
 T = Uc. X (1) 
 Điện áp ra của transistor IGBT có thể biểu diễn: 
 Ur = Ud.T (2) 
 Ph−ơng trình cân băng điện áp theo Kiếc khốp khi tran-si-to dẫn có dạng: 
 Ur = R.i + L. dt
di
 (3) 
 Trong đó: Ud là điện áp một chiều l−ới 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 nh− 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 
ph−ơng trình (1.7) rồi giải ph−ơng trình vi phân (1.8) bằng ph−ơng 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 th−ờng là tín hiệu xung. Để lập trình tính hàm điều khiển 
ta có nhận xét sau: Trong một chu kỳ khi tT/2 thì Ur=0; Trong đó T- 
KT 
BĐ
Nhập Ud, R, L, Is(t,0) di(t,0)/ dt
Uc > 0 
X =1
T = 1 T = 0 
 Tính Ur theo (2)
Giải pr−ơng trình vi phân (1.8) 
bằng Rung Kutte bậc 4
In kết quả
Đ
S
Đ 
 3
chu 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 
^ 
 4
transistor mắc chung colectơ sẽ tạo nửa chu kỳ điện áp ra d−ơng. 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 tr−ớc hết ta 
phải đi mô phỏng tín hiệu điện áp điều khiển các transistor của bộ nghịch l−u 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 đ−a 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 nh− 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 d−ới 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 đ−ợc tín hiệu điều khiển Xi, ta thực hiện nh− sau: Đ−a vào thiết bị so sánh 3 điện áp điều 
khiển transistor của các pha a, b, c có dạng xung hình chữ nhật mà ta vừa mô phỏng trên và 3 
U
~3,f1 
 B 
 C 
Usc
A
T4 T6 T2 
 T1 T3 T5 
umang 
udb 
uđ
k
 5
điện áp hình sin. Do các tran-si-to chỉ dẫn trong khoảng 1200 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: ubua 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 
 6
3. Mô hình toán động cơ dị bộ 
Động cơ dị bộ lồng sóc ở đại l−ợng t−ơng đối viết trong hệ trục vuông góc gắn vào từ tr−ờng 
quay có dạng: 
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 đó a1 =
ωb
r sL L M− 2
, Lr,Ls,M,Rs,Rr là độ tự cảm cuộn stato, cuộn rô to, cảm ứng t−ơng hỗ, 
điện trở stato, điện trở rô to của động cơ. 
Mô men quay của động cơ có dạng: 
 me = M(iqs idr - ids iqr ) (2.13) 
Ph−ơng trình cân bằng truyền động điện nh− sau 
Tm
d
dt
rω = me - m0 (2.14) 
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, s− 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 
tãn PWM 
 Tăi 
‡C
 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 
t<Tma x t=t+h 
In k.quă 
B‡ 
KT