Phương pháp điều khiển trực tiếp mô men với quỹ tích từ thông 18 cạnh cho động cơ điện kéo không đồng bộ trên đầu máy

HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ LẦN THỨ V - VCME 2018 Phương pháp điều khiển trực tiếp mơ men với quỹ tích từ thông 18 cạnh cho động điện kéo không đồng đầu máy Direct torque control algorithm of asynchronous traction motors on the locomotive with eighteen-corner stator flux locus Phạm Văn Tiến Trường Đại học Giao thông vận tải Email: vantienpham@utc.edu.vn Mobile: 0978319258 Tóm tắt Từ khóa: Đầu máy; Điều khiển trực tiếp mô men; Động điện kéo khơng đồng bộ; Mơ Quỹ tích từ thơng mười tám cạnh; Bài báo giới thiệu mơ hình hệ thống điều khiển trực tiếp mô men (direct torque control, DTC) với quỹ tích từ thơng mười tám cạnh cho động điện kéo không đồng đầu máy Ưu điểm phương pháp điều khiển thuật toán đơn giản, phụ thuộc vào tham số động đặc biệt tốc độ đáp ứng nhanh Phân tích lý thuyết kết mơ kiểm nghiệm tính xác hiệu phương pháp điều khiển Abstract Keywords: Locomotive; Direct torque control; Asynchronous traction motor; Simulation; Eighteen-corner stator flux locus This paper proposes a model of DTC system with Eighteen-corner stator flux locus of asynchronous traction motors on locomotives The advantages of this method are its simplification, fast dynamic response, and low dependence on motor parameters Its effectiveness and feasibility are demonstrated by both theoretical analysis and experimental results Ngày nhận bài: 02/07/2018 Ngày nhận sửa: 05/9/2018 Ngày chấp nhận đăng: 15/9/2018 ĐẶT VẤN ĐỀ Do ưu điểm trội mặt kết cấu, độ tin cậy làm việc, khả đáp ứng yêu cầu địi hỏi nâng cao cơng suất tốc độ vận hành đầu máy, với phát triển khoa học kỹ thuật, ngày động điện kéo khơng đồng (ĐCĐKKĐB) loại rotor lồng sóc ngày sử dụng rộng rãi đầu máy, đặc biệt nước phát triển Đức, Pháp, Nhật, Trung Quốc [1, 2, 3]… Hiện nước ta ĐCĐKKĐB sử dụng đầu máy D20E nhập từ Đức, tiến tới đoàn tầu điện cho giao thông thành phố Điều khiển ĐCĐKKĐB đầu máy sử dụng ba phương pháp là: điều khiển tần số trượt, điều khiển tựa theo từ thông rotor hay gọi điều khiển vector, DTC [1, 3, 4] Trong phương pháp DTC có ưu điểm chịu ảnh hưởng từ tham số động dùng tham số phía stator để tính tốn từ thơng móc vịng mơ men điện từ, mạch điện điều khiển đơn giản, HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ LẦN THỨ V - VCME 2018 không yêu cầu biến đổi hệ trục tọa độ phức tạp, đặc biệt tốc độ đáp ứng nhanh phù hợp với yêu cầu sử dụng đầu máy [1, 3, 5] Phương pháp DTC có hai mơ hình điều khiển điển hình dựa hình dạng quỹ tích từ thơng móc vịng stator mơ hình DTC với quỹ tích từ thơng hình trịn (Swiching-Table-Base-DTC, ST-DTC) mơ hình DTC với quỹ tích từ thơng hình lục giác (Direct Self Control, DSC) [6], mơ hình trước thường ứng dụng lĩnh vực truyền động điện xoay chiều tốc độ thấp cơng suất trung bình nhỏ, mơ hình sau áp dụng cho trường hợp công suất lớn (như lĩnh vực truyền động điện đầu máy) Nhược điểm DSC thành phần sóng hài dịng điện nhiều, giải pháp để giải vấn đề tăng số cạnh quỹ tích từ thơng Khi tăng số cạnh lên 18 loại bỏ số thành phần sóng hài định [7, 8] Trong báo tác giả trước tiên giới thiệu khái quát nguyên lý phương pháp DTC mô hình hệ thống DTC với quỹ tích từ thơng 18 cạnh, sở ứng dụng phần mềm Matlab/Simulink để tiến hành mô NGHUYÊN LÝ CƠ BẢN CỦA PHƯƠNG PHÁP DTC 2.1 Phương trình động không đồng ba pha Trên hệ tọa độ cố định, phương trình véc tơ từ thơng stator mô men điện từ ĐCĐKKĐB viết sau: Vs  Rs is  d s dt (1) (2) Trong đó: Vs vector điện áp khơng gian stator; is vector dịng điện khơng gian stator; Ψs, Ψr vector từ thông không gian stator rotor; Lσ tổng điện cảm tản stator rotor; pn số đôi cực;  góc kẹp từ thơng stator từ thơng rotor, góc từ thơng 2.2 Mơ hình nghịch lưu véc tơ khơng gian điện áp Sơ đồ ngun lý mơ hình nghịch lưu nguồn áp mơ tả hình d c V1 V5 V0 V7 V dc Sa Sb Sc q, a V4 V3 V2 V6 b Hình Sơ đồ nghịch lưu nguồn áp Hình Phân bố vector điện áp Từ sơ đồ cho thấy, nghịch lưu tạo thành sáu van, chia làm ba cầu Khi làm việc, cầu trạng thái van trái ngược nhau, nhiều có tám tổ hợp HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ LẦN THỨ V - VCME 2018 trạng thái tạo ra, hoàn toàn xác định trạng thái (Sa, Sb, Sc), dùng biểu thị trạng thái dẫn van trạng thái ngắt van, tám tổ hợp trạng thái tương ứng là: (Sa, Sb, Sc)= (000), (001), (010), (011), (100), (101), (110), (111) Vector tổng hợp điện áp cấp cho động Vs (t )  (ua  ub e j 2 /3  uc e j 2 /3 ) (3) Trong đó, ua, ub , uc điện áp pha ba pha a, b, c phía stator, lệch pha 120 Tương ứng với tám tổ hợp trạng thái nghịch lưu, tám vector không gian điện áp động cơ: V0(000), V1(001), V2(010), V3(011), V4(100), V5(101), V6(110), V7 (111) Trong đó, V0(000) biểu thị ba van ba cầu ngắt, V7 (111) biểu thị ba van ba cầu dẫn, điện áp cấp cho động không, gọi hai vector vector điện áp khơng, có vị trí gốc tọa độ, vector cịn lại có biên độ 2Vdc/3, nằm cách 600 gọi vector điện áp phi không Sự phân bố vector khơng gian hình 2.3 Ảnh hưởng vector không gian điện áp từ thông stator mô men 2.3.1 Ảnh hưởng vector không gian điện áp từ thông stator Từ biểu thức (1), bỏ qua điện áp rơi điện trở ta được:  s   Vs dt (4) Biểu thức (4) cho thấy, vector tổng hợp điện áp phi khơng đặt lên động cơ, vector từ thơng móc vòng stator di động với tốc độ tỉ lệ thuận với điện áp đặt vào theo phương véc tơ điện áp tổng hợp Lượng biến đổi  s=Vst；Nếu đặt lên động vector tổng hợp điện áp khơng V0(000) V7(111), vector từ thơng stsator đứng im khơng gian Do vậy, điều khiển thích hợp tám tổ hợp trạng thái nghịch lưu thực quỹ tích từ thơng đa giác với tốc độ quay định, số cạnh đa giác lớn xem quỹ tích từ thơng hinh trịn 2.3.2 Ảnh hưởng vector không gian điện áp mô men Từ biểu thức (2) cho thấy, mô men điện từ động tỉ lệ thuận với giá trị biên độ từ thông stator, từ thông rotor góc từ thơng Trong thực tế điều khiển vận hành động điện, tốc độ đáp ứng điều khiển nhanh, khoảng thời gian ngắn coi giá trị từ thơng stator từ thơng rotor khơng đổi, thơng qua thay đổi góc từ thơng nhanh chóng thay đổi mô men Trong DTC, ý tưởng điều khiển thông qua vector không gian điện áp để điều khiển tốc độ quay từ thông móc vịng stator, từ thay đổi giá trị góc từ thơng, nhằm đạt mục đích điều khiển mơ men điện từ động 2.4 Hệ thống DTC với quỹ tích từ thơng 18 cạnh Hình sơ đồ khối hệ thống điều khiển ĐCĐKKĐB sử dụng phương pháp DTC với quỹ tích từ thơng 18 cạnh HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ LẦN THỨ V - VCME 2018 Vdc d  SΨa SΨb SΨc Ψda Ψdb Ψ dc Ψ sq Ψsd Sa Sb Sc V1 rref V5 CT r V3 Teref Te vsd vsq ia i sq i sd V0 V7 q V4 ib ic Hình Sơ đồ khối hệ thống DTC với quỹ tích từ thơng 18 cạnh V2 V6 Hình Quỹ tích từ thơng 18 cạnh Trong sơ đồ hệ thống này, quỹ tích từ thơng 18 cạnh thực điều khiển từ thông Trên sở chiều quay động cơ, điều khiển từ thông vào giá trị từ thơng đặt từ thơng tính tốn xác định phù hợp thứ tự thời điểm tác động vector điện áp số sáu vector điện áp phi khơng, từ đưa quy luật tín hiệu đóng mở van nghịch lưu để nhận quỹ tích từ thơng động điện kéo hình (đường nét liền đậm) Trong hình 4, s1ref s2ref giá trị từ thơng đặt ứng với quỹ tích từ thơng lục giác nhỏ phía lớn bên ngồi (đường nét đứt mảnh), vàs2ref = ks1ref Quỹ tích từ thông 18 cạnh được tạo cở sở quy luật điều khiển quỹ tích lục giác góc bẻ  Tùy thuộc vào giá trị góc bẻ  loại bỏ thành phần sóng hài dịng điện định, quan hệ hình học xây dựng mối quan hệ k và biểu thức (5)   sin     3  k   cos     6  (5) Bộ điều khiển mô men vào tín hiệu sai số mơ men đo mơ men đặt để đưa tín hiệu lựa chọn chuyển đổi hai vector điện áp khơng sáu vector điện áp phi khơng hình thành lên quỹ tích từ thơng 18 cạnh đạt từ điều khiển từ thơng Trong đó, vector điện áp không dùng để giảm nhỏ mô men vector điện áp phi không dùng để tăng mô men theo yêu cầu Quy luật điều khiển mô men mô tả bảng Giả thiết giới hạn cho phép sai lệch mô men đặt mô men đo 2T, phối hợp điều khiển từ thông mô men động thực sau: hiệu số mô men đặt mơ men đo lớn T, tín hiệu điều khiển khống chế nghịch lưu suất vector điện áp khơng, vector từ thơng stator đứng im không gian, mô men bắt đầu giảm nhỏ; sai lệch nhỏ -T, điều khiển từ thông điều khiển làm việc nghịch lưu, nghịch lưu suất vector điện áp phi không phù hợp, đảm bảo điểm mút đầu vector từ thơng stator di chuyển theo quỹ tích hình 18 cạnh, đồng thời mơ men tăng lên; sai lệch nằm phạm vi cho phép, hệ thống điều khiển trì hai trạng thái điều khiển HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ LẦN THỨ V - VCME 2018 Bảng Quy luật điều khiển mơ men Hiện trạng mơ men CT Tính chất vector điện áp Te,ref -TeT Do điều khiển mô men xác định Te,ref -Te-T Suất vector điện áp khơng -T Te,ref -TeT Duy trì Duy trì trạng thái cũ KẾT QUẢ MƠ PHỎNG Trên sở sơ đồ khối hình 3, sử dụng phần mềm Matlab/simulink để tiến hành xây dựng mơ hình mô Động điện kéo không đồng sử dụng để mô JD121 với tham số cụ thể như: công suất định mức PN = 1225 kW, điện áp định mức UN = 1895 V, tốc độ định mức nN = 1268 r/min, điện trở pha stator Rs = 0,034 , điện trở rotor Rr = 0,0309 , điện cảm pha stator Ls = 0,929 mH, điện cảm rotor Lr = 0,955 mH, hỗ cảm Lm = 25,832 mH, số đôi cực pn = mơ men qn tính j = 80 kg.m2 Tham số dùng mô bảng Bảng Tham số mô Tham số Mô men đặt Mref Từ thông đặt ref Phạm vi dao dộng mô men 2T Chu kì lấy mẫu Ts Giá trị 10000 Nm 10 Wb 500 Nm 2e-6 s Để kiểm nghiệm tính phương pháp điều khiển, đề trình mô sau: thời điểm t = 0, thiết lập tốc độ đặt cho động ref = 80 rad/s, phụ tải Mt = 0; thời điểm t = 0,8s, thiết lập tốc độ đặt cho động ref = 60 rad/s, phụ tải Mt = 0; thời điểm t = 1,1 s, phụ tải Mt = 5000 Nm, động mang tải vận hành tốc độ ổn định  = 60 rad/s Hình 5(a) hiển thị kết mơ quỹ tích từ thơng stator tương ứng với góc bẻ  = 100 Từ kết mơ cho thấy quỹ tích từ thơng có dạng đa giác 18 cạnh, đáp ứng yêu cầu luật điều khiển đặt (a) Quỹ tích từ thơng stator HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ LẦN THỨ V - VCME 2018 (b) Tốc độ quay rotor (c) Mô men động Hình Kết mơ Hình 5(b) 5(c) hiển thị kết mơ mô men tốc độ quay động Kết mô cho thấy hệ thống đáp ứng nhanh với thay đổi tốc độ phụ tải, đồng thời trình vận hành ổn định nhanh chóng thiết lập KẾT LUẬN Trong báo này, tác giả giới thiệu nguyên lý phương pháp điều khiển trực tiếp mơ men, sở giới thiệu mơ hình hệ thống DTC với quỹ tích từ thông 18 cạnh Ưu điểm phương pháp điều khiển kết cấu điều khiển đơn giản, dễ thực hiện, chịu phụ thuộc vào tham số động (chỉ cần tham số điện trở stator, nhiên động vận hành tốc độ trung bình cao, điện áp lớn nên bỏ qua ảnh hưởng thông số tới kết tính từ thơng), đặc biệt tốc độ đáp ứng nhanh Sau tác giả sử dụng phần mềm Matlab/simulink tiến hành xây dựng mơ hình mơ hệ thống DTC với quỹ tích từ thơng 18 cạnh Đây phần mềm mạnh sử dụng phổ biến việc mơ tính tốn hệ thống điện hệ thống truyền động điện Kết mơ kiểm nghiệm tính khả thi tính xác phương pháp điều khiển TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] 冯晓云 2009 电力牵引交流传动及其控制系统 北京, 高等教育出版社 [2] 连级三, 2000 电传动机车概论 成都, 西南交通大学出版社 [3] 宋文胜, 冯晓云, 2014 电力牵引交流传动控制与调制技术 北京, 科学出版社 [4].周明磊, 2013 电力机车牵引电机在全速度范围的控制策略研究 北京交通大学 [5] 李岚, 1994 异步电机直接转矩控制 北京, 机械工业出版社 [6] Buja, G S and Kazmierkowski, M P., 2004, Direct torque control of PWM inverter-fed AC motors-a survey, IEEE Transactions on Industrial Electronics, 51(4), 744-757 [7] Steimel, A., 2004 Direct self control and synchronous pulse techniques for high-power traction inverters in comparison IEEE Transactions on Industrial Electronics, 51(4): 810-820 [8] Liao Yongheng, Feng Xiaoyun, Wang Zhen, 2012 Research on Harmonic Elimination in Low Switching Frequency Based on Direct Self Control Transactions of China Electrotechnical Society, 27(8): 126-132  ... DTC với quỹ tích từ thơng 18 cạnh V2 V6 Hình Quỹ tích từ thơng 18 cạnh Trong sơ đồ hệ thống này, quỹ tích từ thơng 18 cạnh thực điều khiển từ thông Trên sở chiều quay động cơ, điều khiển từ thông. .. đạt mục đích điều khiển mơ men điện từ động 2.4 Hệ thống DTC với quỹ tích từ thơng 18 cạnh Hình sơ đồ khối hệ thống điều khiển ĐCĐKKĐB sử dụng phương pháp DTC với quỹ tích từ thơng 18 cạnh HỘI... hạn cho phép sai lệch mô men đặt mơ men đo 2T, phối hợp điều khiển từ thông mô men động thực sau: hiệu số mô men đặt mô men đo lớn T, tín hiệu điều khiển khống chế nghịch lưu suất vector điện