Công suất tác dụng và công suất phản kháng từ nguồn xác định bởi theo [TL4]:
* Re . P V I V I V I (3-15) * Im . Q V I V I V I
Trong hệ tọa độ quay d-q Khi sd * sd V V jV i sq I I jI i sq 3 Re ( )( ) sd sd 2 3 Im ( )( ) sd 2 P V jV I jI sq sq Q V jV I jI sq sd sq (3-16)
Sử dụng phương pháp tựa điện áp lưới. Giả thiết tựa đúng Ta có: V 0 sq 3 sd sd 2 3 sd sq 2 P V I Q V I (3-17) Để đảm bảo hệ số công suất bằng 1 ta có:
0 I sq 3 sd sd 2 0 P V I V I dc dc Q Từ đó nhận được các giá trị: 2 . ef 3 . ef . ef sd I V I kV I sd r V dc r dc dc r dc (3-18) Trong đó: 2 3 k V sd
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn d q Isd s Is Isq
Hình 3.7. Mối liên hệ giữa các thành phần trong tọa độ quay
Trong hệ tọa độ quay d-q dòng điện I
s được chia làm hai thành phần là I
sd(thành phần dọc trục) và I
sq (thành phần ngang trục) trong đó I
sd xác định hướng dòng công suất tác dụng và I
sq xác định công suất phản kháng. Nhờ đó mà công suất tác dụng cũng như công suất phản kháng có thể điều khiển một cách độc lập. Hệ số công suất bằng một khi vector dòng điện I
s trùng pha với vector điện áp V
s.
Kết luận
Việc ứng dụng chỉnh lưu PWM cho truyền động đảo chiều động cơ một chiều có khả năng làm việc ở 4 góc phần tư, dòng điện đầu vào có dạng sin và hệ số công suất có thể điều khiển được.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
CHƢƠNG 4
MÔ PHỎNG VÀ XÂY DỰNG MÔ HÌNH THỰC NGHIỆM 4.1. Mô phỏng bộ chỉnh lƣu ba pha bốn góc phần tƣ
Matlab là phần mềm phục vụ thiết kế mô phỏng quen thuộc đối với kĩ sư điều khiển- tự động hóa. Phần mềm cung cấp môi trường cần thiết cho mô phỏng hệ thống bao gồm tập hợp các công cụ tính toán. Đây cũng là phần mềm có thể lập trình được, đặc điểm này làm cho môi trường matlab ngày càng trở nên phong phú.
Simulink là phần mềm hoạt động trong môi trường matlab, chuyên dùng cho việc mô hình hóa, mô phỏng và phân tích hệ thống. Có thể sử dụng công cụ này cho việc mô phỏng tuyến tính, phi tuyến…trong miền liên tục hay gián đoạn.
Plecs là một toolbox làm việc tương thích với môi trường simulink trong matlab. Toolbox này cho cung cấp cho người sử dụng thư viện về điện tử công suất và hệ truyền động rất phong phú, dễ dàng mô hình vật lí đối tượng sau đó áp dụng thuật toán đã được xây dựng để điều khiển mô hình này. Điều này cho phép mô hình hóa gần với thực tế. Chỉnh lưu bốn góc phần tư được mô phỏng bằng phần mềm Matlab/Simulink/Plecs.
4.1.1. Mô hình mô phỏng chỉnh lưu PWM
Các thông số động cơ:
- Điện áp đầu vào U = 380[V] - Điện áp kích từ Ukt = 300[V] - Tần số đầu ra f = 50[Hz] - Công suất đầu ra P = 5[kW]
- Điện cảm mạch phần ứng Lư = 0,01216[H] - Điện trở mạch phần ứng Rư = 1,086[Ω] - Điện cảm mạch kích từ Lkt = 71,47[H] - Điện trở mạch kích từ Rkt = 180[Ω]
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
Hình 4.1. Mô hình mô phỏng
Sau đây ta khảo sát chi tiết từng khối con trong mô hình trên:
Cấu trúc mạch lực mô phỏng bằng Matlab/Simulink/Plecs của bộ biến đổi. Các van bán dẫn sử dụng là van điều khiển hoàn toàn IGBT. Bao gồm 12 van IGBT với cực điều khiển riêng rẽ.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
Với đầu vào là 3 thành phần gồm: dòng điện trên hệ tọa độ αβγ và dòng điện một chiều idc. Tín hiệu ra khâu SVM được đưa vào khối “phát xung” với tần số băm xung là 2,5kHz để đưa ra điều khiển các van cụ thể.
Hình 4.3. Khối phát xung PWM
Ta xây dựng khối chuyển vị tọa độ từ hệ tọa độ abc sang hệ tọa độ dqo. Thực chất khối này tương tự chuyển hệ abcdqtrong hệ thống 3 pha 3 nhánh van truyền thống chỉ thêm 1 trục 0.
Hình 4.4. Khối chuyển vị tọa độ abc dq
Ta xây dựng khối chuyển vị tọa độ từ hệ tọa độ dqo sang hệ tọa độ αβγ. Thực chất của khối này là chuyển hệ dq trong hệ thống 3 pha 3 nhánh van truyền thống.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
Khối đồng pha (PLL)
Hình 4.6. Khối tính chọn góc theta
4.1.2. Kết Quả mô phỏng
- Trường hợp 1: Với Tốc độ đặt ban đầu: 100(rad s/ ) và mô men cản 5( )
M Nm
+ Tại t = 1(s) đảo chiều tốc độ động cơ sao cho động cơ quay ngược với cùng tốc độ 100(rad/s).
+ Tại t = 1.2(s) ta đảo chiều động cơ để động cơ chạy với tốc độ 50(rad/s) + Tại t = 1.6(s) ta đảo chiều để động cơ chạy ngược với tốc độ 50(rad/s)
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
Hình 4.8.Đặc tính dòng điện đầu vào
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
Hình 4.10. Đặc tính điện áp đầu vào
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
Hình 4.12. Đặc tính điện áp một chiều.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
Hình 4.14. Đặc tính dòng điện một chiều
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
- Trường hợp 2: Với tốc độ đặt ban đầu: 1(rad s/ ) và mô men cản M 5(Nm) + Tại t = 1(s) đảo chiều tốc độ động cơ sao cho động cơ quay ngược với cùng tốc độ 1(rad/s).
+ Tại t = 1.2(s) ta đảo chiều động cơ để động cơ chạy với tốc độ 0.5(rad/s) + Tại t = 1.6(s) ta đảo chiều để động cơ chạy ngược với tốc độ 0.5(rad/s)
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
Hình 4.17.Đặc tính dòng điện đầu vào
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
Hình 4.19. Đặc tính điện áp đầu vào
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
Hình 4.21. Đặc tính điện áp một chiều.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
Hình 4.23. Đặc tính dòng điện một chiều
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
So sánh với các kết quả mô phỏng thu được ở chương 1 ta thấy rằng:
- Dòng điện lưới hình sin, sóng hài bậc cao không đáng kể, nhỏ hơn nhiều lần so với bộ chỉnh lưu ba pha dùng tiristor
- Quá trình đảo chiều và thay đổi tốc độ động cơ nhanh, thời gian quá độ ngắn.
4.2. Xây dựng mô hình thực nghiệm
4.2.1. Cấu trúc thực nghiệm a a b c 380V/50Hz MBA LC BBÐ DC idc(dk) ia(qs) Uabc(dk)
Hình 4.25. Cấu trúc thực nghiệm tổng quát
Để kiểm nghiệm thuật toán điều khiển ta thực nghiệm với mô hình kết nối với card ds1104 như sau:
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
Sơ đồ mạch điện nguồn cấp cho sơ cấp máy biến áp xung
Hình 4.27. Nguồn cấp cho sơ cấp MBA xung
Hình 4.28. Nguyên lí của mạch nguồn cho một driver
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
Phần điều khiển bao gồm:
- Card ds1104 trong máy tính PC - Card giao diện và hệ thống đo - Phần mềm controller desk
4.2.1.1. Giới thiệu về card điều khiển 1104 của hãng dSPACE
Card ds1104 là một thiết bị điều khiển hiện đại được sử dụng trong nhiều lĩnh vực: điều khiển động cơ, điều khiển robot, các thực nghiệm về máy bay, ô tô…Card dc1104 cho phép rút ngắn quá trình thực nghiệm nhờ sự kết nối trực tiếp với phần mền mô phỏng Matlab – Simulink, ds1104 hỗ trợ hầu hết tất cả các khối và hàm định nghĩa bởi Matlab – Simulink trong các lĩnh vực kể trên.
Card ds1104 cung cấp một thư viện real time trong Simulink, theo đó các cổng I/O của ds1104 được biểu diễn bằng các khối tương tự như các khối hỗ trợ Simulink. Để hiệu chỉnh tín hiệu xuất nhập ta chỉ cần hiệu chỉnh các thông số của các khối tương ứng. Do đó việc truy xuất tín hiệu trở nên đơn giản hơn rất nhiều so với các phương pháp truyền thống.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
Hình 4.31. Giao diện của card ds1104 với ngoại vi. 4.2.1.2. Phần mền Control Desk
Phần mền Control Desk đi kèm với DS1104 là chiếc cầu nối giữa mô hình và phần cứng bên ngoài. Control Desk cung cấp các công cụ đi, thu thập dữ liệu và hiện tín hiệu từ mô hình Simulink cũng như các cổng I/O của ds1104. Theo đó tín hiệu ở các cổng I/O dễ dàng được quan sát trong quá trình làm thực nghiệm.
4.2.1.3.Card giao diện và hệ thống đo lƣờng
Hệ thống đo lường:
- Đo điện áp bằng máy biến áp tỷ số 220V/6V
- Đo dòng điện bằng cảm biến dòng hiệu ứng Hall – LEM 100P - Đo điện áp Udc bằng phân áp.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
Hình 4.32. Giao diện điển hình dùng DS1104.
Để có thể kết nối DS1104 với máy tính PC ta cần thực hiện một số thủ tục sau: - Khởi động Matlab và Simulink
- Chuẩn bị các khối được sử dụng trong Simulink để xây dựng sơ đồ. - Khởi động chương trình ControlDesk.
- Kết nối.
- Build mô hình Simulink, trong quá trình build Matlab sẽ chuyển đổi mô hình Simulink sang dạng sdf (file mô tả hệ thống) và lưu trữ nó trong bộ vi xử lý của DS1104.
- Sau khi Build xong, file sdf sẽ tự động được chuyển tới môi trường Control Desk, file này gồm thông tin về các biến được sử dụng trong mô hình Simulink.
Thiết kế phần điều khiển: trên cơ sở mô phỏng offline bằng matlab/simulink/plecs ta sử dụng chính phần điều khiển đã được xây dựng, bỏ đi phần mạch lực và kết hợp với các khối giao diện của card ds1104 để điều khiển bộ chỉnh lưu PWM.
Phần mềm matlab/simulink liên kết với phần mềm control desk để truyền các giá trị biến, tham số để điều khiển, còn phần mềm control desk nhận các biến, tham số để điều khiển trực tiếp cho card ds1104. Phần mềm matlab/simulink để thiết kế cấu trúc điều khiển. Trên phần mềm control desk người ta có thể thay đổi offline các tham số và hiển thị dữ liệu dưới dạng bảng và đồ thị.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
Hình 4.33. Mối liên hệ giữa các phần mềm điều khiển
4.2.2. Quá trình thực nghiệm tại phòng thí nghiệm
Hình 4.34. Mô hình thực nghiệm chỉnh lƣu
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
Hình 4.35. Ba pha mạch chỉnh lƣu
Hình 4.36. Một pha của mạch chỉnh lƣu
4.2.3. Kết quả thực nghiệm
Kết quả thực nghiệm với mạch vòng hở: - Điện áp đầu vào Uv = 25 30V
- Tần số trích mẫu là 2.5kHz
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
Hình 4.37. Giao diện theo dõi các tín hiệu và tham số
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
Hình 4.39. Góc chuyển vị cho hệ tọa độ quay
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
Hình 4.42.Tín hiệu vào và tín hiệu mở van
4.3. Kết luận:
Các kết quả mô phỏng bằng Matlab/Simulink/Plecs và kết quả thực nghiệm thực tế cho thấy rằng cấu trúc điều khiển có khả năng làm việc ở bốn góc phần tư đã đạt được các yêu cầu kỹ thuật sau:
- Cos = 1 dòng áp lưới trùng pha nhau
- Dòng điện lưới hình sin, sóng điều hòa bậc cao không đáng kể. - Thay đổi tốc độ êm và đơn giản.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt
1 Bùi Quốc Khánh, Nguyễn Văn Liễn, Nguyễn Thị Hiền – Truyền động điện – Nhà xuất bản khoa học kỹ thuật – 2004
2 Bùi Quốc Khánh, Nguyễn Văn Liễn – Cơ sở truyền động điện – Nhà xuất bản khoa học kỹ thuật - 2007
3 Nguyễn Phùng Quang - MATLAB và Simulink dành cho kỹ sư điều khiển tự động- Nhà Xuất bản Khoa học kỹ thuật – 2006
Tiếng Anh
4 Matti jussila, Mika salo, Lauri Kahkonen, and Heikki Tuusa, “A vector modulated Three-Phase Four-Quadrant Rectifier – Application to a Dc Motor Drive
5 M. Salo, and H.Tuusa, “A vector controlled current-source PWM rectifier with a novel current damping-method,” IEEE Trans. Pow. Electron, vol. 15, pp. 464-470, May 2000.
6 Dspace – dspace 1104 R&D controller Board 7 Plexim GmbH – Plecs User Mannual