XÂY DỰNG MÔ HÌNH MÔ PHỎNG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN SVPWM TRONG CÁC HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN TRÊN CÁC PHƯƠNG TIỆN ĐOÀN TÀU ĐIỆN KS. TRẦN VĂN KHÔI PGS. TS. LÊ MẠNH VIỆT Bộ môn Kỹ thuật điện Khoa Điện - Điện tử Trường Đại học Giao thông Vận tải Tóm tắt: Bài báo trình bày một cách thức mới xây dựng mô hình mô phỏng hệ thống điều khiển SVPWM trong các hệ thống truyền động điện sử dụng trên các phương tiện đoàn tàu điện, tạo tiền đề nền tảng về lý luận và công cụ cho việc nghiên cứu, khảo sát các đặc tính điều khiển của các hệ truyền động điện xoay chiều ba pha ứng dụng trên các đoàn tàu điện tiên tiến. Summary: The article presents a new strategy to model and simulate the SVPWM control system using for electric driven control systems on electric trains. The result will be basic theory and effect tool for researching about three phases electric driven systems on the modern electric trains. I. MỞ ĐẦU Động cơ không đồng bộ hiện đã được sử dụng phổ biến trên các phương tiện giao thông vận tải, các mô hình mô phỏng hệ truyền động động cơ không đồng bộ 3 pha cũng đã được đề cập nhiều, thậm chí đều có sẵn trong thư viện dựng sẵn của phần mềm Matlab/Simulink. Tuy nhiên đó là những mô hình dựng sẵn chỉ mô phỏng được những đặc tính cố định dựng sẵn, nó không cho phép tham chiếu để sửa đổi hoặc thử nghiệm những đặc tính điều khiển khác. Việc xây dựng mô hình mô phỏng hệ điều khiển truyền động điện trên các phương tiện đoàn tàu điện là một vấn đề cần thiết để tạo nền tảng cơ sở cho việc nghiên cứu, khảo sát các đặc tính điều khiển của hệ thống. Bài báo trình bày cách xây dựng mô hình trên phần mềm Matlab/Simulink của hệ thống điều khiển SVPWM ứng dụng trong các hệ truyền động điện sử dụng trên các phương tiện đoàn tàu điện tiên tiến. II. NGUYÊN TẮC VÀ THUẬT TOÁN SVPWM A. Nguyên tắc SVPWM Véc tơ không gian điện áp stator của động cơ không đồng bộ xoay chiều được định nghĩa theo biểu thức: U out = 2(V AN + V BN .e j2π/3 + V BN .e j4π/3 )/3 (1) Trong đó: V AN , V BN , V CN là các điện áp pha của động cơ. Động cơ không đồng bộ trên các đoàn tàu điện sẽ được cấp nguồn bởi mạch nghịch lưu nguồn áp, dòng điện đầu ra của mạch nghịch có nhiều thành phần sóng hài bậc cao gây méo dạng tín hiệu và làm cho mô men trên trục động cơ bị dao động - ảnh hưởng đến chất lượng nguồn cấp cho động cơ. Mạch nghịch lưu nguồn áp như chỉ ra trên hình 1 có 6 IGBT và 8 trạng thái làm việc khác nhau. Cấu trúc 8 véc tơ điện áp như minh họa trên hình 2. Hình 1. Hình 2. Theo nguyên tắc cộng véc tơ, véc tơ điện áp stator U out trong bất kỳ chu kỳ chuyển mạch nào cũng đều có thể được tính bởi hai véc tơ điện áp cơ bản tương ứng với hai chế độ chuyển mạch liền kề của các IGBT: U out = (T k U sk + T k+1 U sk+1 + T 0 U 000 + T 7 U 111 )/T (2) Trong đó T là chu kỳ chuyển mạch và bằng với chu kỳ sóng mang, T k , T k+1 tương ứng là thời gian thực hiện của U sk , U sk+1 ; T 0 , T 7 là thời gian thực hiện các U 000 , U 111 . B. Thuật toán SVPWM Như quan sát trong hình 2, T và U out nằm trong góc phần sáu thứ nhất có thể được biểu diễn: (3) T=T +T +T 120 U=TU/T+TU/T out 10 260 ⎧ ⎪ ⎪ ⎨ ⎪ ⎪ ⎩ Trong đó T là chu kỳ sóng mang của PWM, T 1 , T 2 tương ứng là thời gian thực hiện các véc tơ điện áp U 0 và U 6 . Các véc tơ điện áp V alfa và V beta của véc tơ điện áp U out trong hệ tọa độ α-β được biểu diễn: (4) V=TU/T+TUcos(π /3)/T 10 260 0 alfa V=TUsin(π /3)/T 260 beta ⎧ ⎪ ⎪ ⎨ ⎪ ⎪ ⎩ Từ (1) chúng ta thấy rằng U 0 = U 60 = 2V dc /3, do vậy (4) sẽ trở thành: T =3TV / 2V - 3TV / 2V 1 alfa dc beta dc T= 3TV /V 2 beta dc T=T-T-T 012 ⎧ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎨ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ (5) Giả sử đã biết các véc tơ điện áp V alfa và V beta . T 1 và T 3 tương ứng với thời gian thực hiện chế độ chuyển mạch (100) và (110) có thể tính được. Nếu T 1 = T 2 thì các khoảng thời gian thực hiện T aon , T bon và T con của các IGBT nhánh cầu trên của mạch nghịch lưu có thể được tính: (6) T =(T-T -T )/4 aon 12 T=T+T/2 aon 1 bon T=T+T/2 con 2 bon ⎧ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎨ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎩ Một cách tương tự, các khoảng thời gian T k và T k+1 tương ứng thực hiện các véc tơ U sk và U sk+1 của U out trong các góc phần sáu khác có thể được tính từ (4) như sau: T=(3T/V )|V sin|kπ/3|-V cos|kπ/3|| kdcalfa beta T=(3T/V)|Vcos|(k-1)π/3|-V sin|(k-1)π/3|| k+1 dc beta alfa ⎧ ⎪ ⎪ ⎪ ⎨ ⎪ ⎪ ⎪ ⎩ (7) Các khoảng thời gian thực hiện T aon , T bon , T con được tính toán từ (6) và (7). Từ hình 4 ta thấy các trạng thái chuyển mạch liền kề chỉ khác nhau một vị trí chuyển mạch, điều đó giúp cho giảm thiểu được tổn hao ở trạng thái chuyển mạch của toàn bộ mạch nghịch lưu trong quá trình làm việc. Hình 3. Dạng sóng PWM ở góc phần sáu thứ nhất. Hình 4. Dạng sóng PWM ở các góc phần sáu. III. MÔ HÌNH VÀ MÔ PHỎNG HỆ THỐNG SVPWM Động cơ không đồng bộ 3 pha sử dụng truyền động kéo các phương tiện đoàn tàu điện được cấp nguồn từ các mạch nghịch lưu nguồn áp, dạng điện áp đầu ra có dạng là sóng chữ nhật, không phải dạng sin. Tần số và bề rộng của sóng chữ nhật sẽ thay đổi theo thời gian thực. Vì vậy hệ biến tần - động cơ không đồng bộ là một hệ phức tạp. Vì vậy việc xây dựng mô hình và thực hiện mô phỏng để nghiên cứu các thuộc tính điều khiển là một điều hết sức quan trọng và cần thiết. A. Xây dựng mô hình SVPWM Trình tự xây dựng mô hình SVPWM trong Matlab/Simulink được tiến hành như sau: 1. Xác định góc phần sáu nơi véc tơ điện áp quay U out đang thực hiện V=V ref1 beta V=(3V-V)/2 ref2 alfa beta V=(3V+V)/ ref3 alfa beta ⎧ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎨ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎩ 2 (8) Nếu V ref1 > 0 thì a = 1, ngược lại thì a = 0; Nếu V ref2 > 0 thì b = 1, ngược lại thì b = 0; Nếu V ref3 > 0 thì c = 1, ngược lại thì c = 0. Số chỉ góc phần sáu của U out có thể được tính là: N = a +2b + 4c Mô hình tính toán góc phần sáu của U out minh họa như trên hình vẽ 5. Hình 5. 2. Tính toán X,Y và Z X, Y, Z có thể được tính toán như sau: X= 3TV /V beta dc Y =3TV / 2V + 3TV / 2V alfa dc beta dc Z=-3TV + 3TV /2V alfa beta dc ⎧ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎨ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎩ (9) Mô hình tính toán X, Y, Z minh họa như trên hình 6. Hình 6. Thời gian thực hiện các véc tơ điện áp liền kề trong các góc phần sáu khác nhau được tính toán từ các biểu thức (7) và (9) như chỉ ra ở bảng 1. Bảng 1. Tính T 1 và T 2 từ X, Y và Z Góc phần sáu 1 2 3 4 5 6 T 1 -Z Y Z -X X -Y T 2 Y -X X -Z -Y Z Mô hình tính toán T 1 , T 2 được thực hiện sử dụng khối chức năng multi - switch, như chỉ ra trên hình 7. Hình 7. Khi đoàn tàu đột ngột tăng tốc hay giảm tốc, véc tơ điện áp sẽ tăng đột ngột và có thể vượt quá giá trị lớn nhất véc tơ điện áp mong muốn V max ref , khi đó điện áp dây cấp cho động cơ sẽ không còn dạng sin nữa và sẽ có các đỉnh nhấp nhô. Vì vậy khi: ref 22 V+V >V max alfa beta thì ref V ref max V= V 22 alfa alfa V+V alfa beta ref V ref max V= V 22 b eta beta V+V alfa beta ⎧ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎨ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎩ Và cần thiết phải giới hạn phạm vi của T 1 và T 2 . Khi T 1 + T 2 > T/2, thì: T 1 = T 1 .T/(T 1 + T 2 ) T 2 = T 2 .T/(T 1 + T 2 ) Thời gian thực hiện các véc tơ điện áp trên 3 pha sẽ được tính theo biểu thức (6), mô hình tính toán T aon , T bon , T con được minh họa như trên hình 8. Hình 8. 3. Mô hình xác định trình tự phát xung điều khiển đóng - mở các chuyển mạch công suất Sóng mang (dạng sóng tam giác) với một tần số khác được sử dụng để so sánh với T aon , T bon , T con , tùy vào tương quan giá trị của các đại lượng để điều khiển đóng mở các IGBT. Biên độ của sóng mang biểu diễn chu kỳ điều biến, tần số của sóng mang xác định tần số chuyển mạch của các IGBT, trong ứng dụng mô phỏng đề cập trong bài báo chu kỳ sóng mang lấy giá trị là T = 0,0004s. Mô hình minh họa trên hình 9. Hình 9. 4. Mô hình mạch nghịch lưu Mặc dù có rất nhiều các kiểu chuyển mạch bán dẫn công suất có sẵn trong thư viện của matlab như IGBT, MOSFET, tuy nhiên tốc độ mô phỏng của các mạch nghịch lưu sử dụng các thiết bị này rất chậm. Để cải thiện tốc độ mô phỏng, một cách tương đương với nguyên tắc làm việc của các chuyển mạch công suất trong các mạch nghịch lưu, ở đây ta sử dụng một thiết bị tương đương là ideal switch. Sáu IGBT trong mạch nghịch lưu được thay thế bằng 6 ideal switch, như chỉ ra ở hình 10. Hình 10. B. Xây dựng mô hình tính toán và áp đặt luật điều khiển v/f Như chúng ta đều biết đặc tính của động cơ không đồng bộ 3 pha có dạng cứng, với yêu cầu đặc tính truyền động rất mềm để đáp ứng phù hợp với dạng sức kéo đoàn tàu. Để làm được điều đó thông thường sử dụng phương pháp điều khiển vvvf, tuân theo luật điều khiển v/f. Mô hình tính toán và áp đặt luật điều khiển minh họa trên hình 11. Hình 11. C. Mô phỏng SVPWM Với các khối chức năng đã xây dựng ở trên, tổng hợp lại được mô hình SVPWM hoàn chỉnh như minh họa trên hình 12. Hình 13 minh họa dạng sóng U alfa , U beta khi tốc độ động cơ là 1500 v/p. Hình 14 minh họa kết quả tính toán vị trí và thứ tự các góc phần sáu mà véc tơ điện áp quay U out thực hiện. Hình 15 minh họa dạng tín hiệu T aon , T bon và T con . Hình 16 minh họa tín hiệu PWM ở các góc phần sáu khác nhau. Hình 17 minh họa dạng tín hiệu pha điện áp đầu ra mạch nghịch lưu cấp cho động cơ. Hình 18 minh họa dạng sóng điện áp dây giữa hai pha a - b. Hình 19 minh họa sự thay đổi dạng sóng điện áp mong muốn áp theo luật vvvf khi tốc độ động cơ thay đổi từ 500 v/p lên 1500 v/p. Hình 13. Hình 14. Hình 15. Góc thứ nhất Góc thứ hai Góc thứ ba Góc thứ tư Góc thứ năm Góc thứ sáu Hình 16. Dạng tín hiệu PWM ở các góc phần sáu khác nhau Hình 17. Dạng sóng điện áp pha Hình 18. Dạng sóng điện áp dây Uab Hình 19. Dạng sóng điện áp Valfa và Vbeta khi tốc độ thay đổi từ 500 v/p lên 1500 v/p Hình 12. Mô hình mô phỏng hệ thống SVPWM IV. KẾT LUẬN Với một cách thức mới, mô hình hệ thống điều khiển SVPWM đã được xây dựng sử dụng phần mềm Matlab/Simulink, chúng ta hoàn toàn có khả năng tự bổ sung tham số của đối tượng điều khiển (động cơ điện kéo), những bộ điều chỉnh dòng điện, tốc độ và vị trí theo vòng kín hay vòng hở để tạo nên được hệ điều khiển hoàn chỉnh, qua đó có thể tự do bổ sung thêm để mô phỏng những tính năng điều khiển khác như điều khiển chống trượt, gia tốc, giảm tốc, Thông qua những tính năng và kết quả minh họa, mô hình sẽ là một công cụ rất hữu ích cho việc nghiên cứu các hệ truyền động điện xoay chiều 3 pha ứng dụng trên các phương tiện giao thông điện. Tài liệu tham khảo [1]. T.A. Sakharuk, AM.Stankovic, G. Eirea, “Modeling of PWM inverter-supplied AC drives at low switching frequencies”, IEEE Transactions on Fundamental Theory and Applications, vol.49, no.5, pp.621-631, 2002. [2]. Bruno Busco, Pompeo Marino, Mario Porzio, Roberta Schiavo, “Digital Control and Simulation for Power Electronic Apparatus in Dual Voltage Railway Locomotive”, IEEE transactions on power electronics, Vol.8, No.5, september 2003. [3]. PGS. TS. Lê Mạnh Việt, báo cáo đề tài NCKH cấp bộ, “Nghiên cứu lựa chọn công nghệ điện khí hóa đường sắt và điện giao thông thành phố tới năm 2025 ở Việt Nam”, 12-2009. [4]. TS. Nguyễn Phùng Quang, “MATLAB & Simulink dành cho kỹ sư điều khiển tự động”, Nhà xuất bản khoa học kỹ thuật- 2004. [5]. Bạch Vọng Hà, bài giảng "Truyền động điện trên đầu máy’’. Trường Đại học Giao thông Vận tải, 2005. [6]. Электроснaбжение электрическово транспора, М.А Слепцова, T.И.Савина.Москва, Изд -во МЭИ, 2001 ♦ . XÂY DỰNG MÔ HÌNH MÔ PHỎNG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN SVPWM TRONG CÁC HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN TRÊN CÁC PHƯƠNG TIỆN ĐOÀN TÀU ĐIỆN KS. TRẦN VĂN KHÔI PGS. TS. LÊ MẠNH VIỆT Bộ môn Kỹ thuật điện Khoa Điện. sát các đặc tính điều khiển của hệ thống. Bài báo trình bày cách xây dựng mô hình trên phần mềm Matlab/Simulink của hệ thống điều khiển SVPWM ứng dụng trong các hệ truyền động điện sử dụng trên. - Điện tử Trường Đại học Giao thông Vận tải Tóm tắt: Bài báo trình bày một cách thức mới xây dựng mô hình mô phỏng hệ thống điều khiển SVPWM trong các hệ thống truyền động điện sử dụng trên