CÔNG NGHỆ Tập san SINH VIÊN NGHIÊN CỨU KHOA HỌC ● Số 13.2023
12
KHOA H
ỌC
NGHIÊN CỨU PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ CHẠY TÀU ĐIỆN TUYẾN NHỔN - GA HÀ NỘI
RESEARCH ON THE CONTROL METHOD OF THE MOTOR FOR THE NHON - HA NOI ELECTRIC TRAIN LINE Đào Hoài Nam1,*, Trần Đức Long1, Vũ Đức Thanh1, Nguyễn Sỹ Huy2, Phạm Thị Hồng Ngát3, Ngô Mạnh Tùng4 TÓM TẮT Bài báo tập trung nghiên cứu phương pháp điều khiển động cơ chạy tàu điệ
n
trên tuyến Nhổn - ga Hà Nội. Tuyến này là một trong những tuyến tàu điệ
n quan
trọng tại Hà Nội, đóng vai trò quan trọng trong việc cung cấp dịch vụ vận chuyể
n
công cộng hiệu quả và thuận lợi cho cư dân địa phương. Thông qua việ
c phân tích
mạch truyền động động cơ và dựa vào thông số thực của đoàn tàu Nhổn -
ga Hà
Nội để từ đó tính chọn động cơ không đồng bộ 3 pha phù hợp với đối tượ
điện. Phương pháp điều khiển ở đây là phương pháp tựa theo từ
thông roto (FOC)
và ứng dụng cho hai vòng điều khiển ngoài là vòng điều khiển từ
thông và vòng
điều khiển tốc độ. Hai vòng ngoài được điều khiển bởi 2 bộ điều khiển tuyế
n tính
PI. Sử dụng phần mềm Matlab Simulink để tiến hành quá trình mô phỏng. Kết quảthu được biểu đồ tàu chạy, công suất tàu chạy, đáp ứng tốc độ, đáp ứng từ
thông,
đáp ứng mômen. Từ khoá: FOC, U/f, DTC, động cơ không đồng bộ, hệ tọa độ quay dq, dẫn từ thông.ABSTRACT
The article focuses on researching the control method for the motor of the
electric train on the Nhon-
Hanoi line. This line is one of important electric train
lines in Hanoi, playing a crucial role in providing efficient and convenient public
transportation services for local residents. By analyzing the motor drive circuit and
based on the actual parameters of the Nhon-Hanoi train, an appropriate three-
phase asynchronous motor is selected for the electric train. The control method
employed here is Field-
Oriented Control (FOC) based on rotor flux estimation,
applied to two outer control loops: the flux
control loop and the speed control
loop. The two outer loops are controlled by linear PI controllers. Matlab Simulink
software is used for the simulation process. The obtained results include train
speed graphs, power consumption during train operation, sp
eed response, flux
response, and torque response. Keywords: Field-
Oriented Control (FOC), U/f, Direct Torque Control (DTC),
asynchronous motor, dq rotating coordinate system, flux Linkage. 1Lớp Điều khiển tự động 04 - K15, Khoa Điện, Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội
2Lớp Điều khiển tự động 02 - K16, Khoa Điện, Trường Đại học Công nghiệp Hà Nộ
i
3Lớp Điện 09 - K16, Khoa Điện, Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội 4Khoa Điện, Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội *Email: namdao2532002@gmail.com 1. ĐẶT VẤN ĐỀ Cùng với sự phát triển nhanh chóng của nền kinh tế, nhu cầu đi lại đặc biệt là ở các thành phố lớn trên thế giới nói chung và thành phố lớn ở nước ta là Thủ đô Hà Nội nói riêng đòi hỏi phải có một hệ thống giao thông điện đô thị đầy đủ phát triển bền vững cùng với đó là hệ thống vận hành nhanh chóng, hiệu quả và tiết kiệm năng lượng. Động cơ không đồng bộ đã được sử dụng khá phổ biến trên các phương tiện giao thông vận tải với nhiều ưu điểm như việc khởi động dễ dàng, giá thành rẻ, vận hành êm, kích thước nhỏ gọn, chắc chắn, chi phí vận hành và bảo trì thấp. Với sự phát triển mạnh mẽ của các nghành khoa học kĩ thuật vi xử lí, điện tử công suất, lý thuyết điều khiển truyền động thì việc ứng dụng động cơ không đồng bộ ba pha của các máy sản xuất, thay thế động cơ điện một chiều đặc biệt là trong lĩnh vực giao thông điện đô thị. 2. GIỚI THIỆU VỀ ĐỐI TƯỢNG TÀU ĐIỆN 2.1. Thông số tàu thực tế Hình 1. Các thông số thực đoàn tàu
SCIENCE - TECHNOLOGY Số 13.2023 ● Tập san SINH VIÊN NGHIÊN CỨU KHOA HỌC 13
2.2. Trắc dọc đoàn tàu Bảng 1. Trắc dọc đoàn tàu chạy xuôi Ga Khoảng cách Thời gian chạy (s) Độ dốc hạn chế
Bán kính cong (m)
Nhổn - Minh Khai 1130 76,1 9 602 Minh Khai - Phú Diễn 1173 77,6 21 5002 Phú Diễn - Cầu Diễn 832 62,6 17 3002 Cầu Diễn - Lê Đức Thọ 1125 75,2 11 3002 Lê Đức Thọ - Đại học Quốc gia 1030 71,8 20 702 Đại học Quốc gia - Chùa Hà 1245 83,4 15 Chùa Hà - Cầu Giấy 1145 84,5 11 247 Cầu Giấy - Kim Mã 1197 84,7 35 202 Kim Mã - Cát Linh 1508 92,2 30 799 Cát Linh - Văn Miếu 866 65,2 25 500 Văn Miếu - Ga Hà Nội 704 57,5 32 500 Bảng 2. Trắc dọc đoàn tàu chạy ngược Ga Khoảng cách Thời gian chạy (s) Độ dốc hạn chế
Bán kính cong(m) Ga Hà Nội - Văn Miếu 701 57,3 33 500 Văn Miếu - Cát Linh 871 65,1 22 Cát Linh - Kim Mã 1520 97,1 29 400 Kim Mã - Cầu Giấy 1198 93,3 35 197 Cầu Giấy - Chùa Hà 1145 84,5 11 252 Chùa Hà - Đại học Quốc gia 1245 84 15 402 Đại học Quốc gia - Lê Đức Thọ 1030 72,5 20 697 Lê Đức Thọ - Cầu Diễn 1125 75,4 19 300 Cầu Diễn - Phú Diễn 832 62,3 17 2997 Phú Diễn - Minh Khai 1173 79,2 21 4997 Minh Khai - Nhổn 1130 76,1 9 597 2.3. Tính toán lựa chọn động cơ điện Việc tính toán động cơ truyền động đoàn tàu phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố khác nhau, tuy nhiên để đơn giản bài toán và dễ dàng cho việc tính toán thì đề tài đưa ra ba phương pháp tính toán như trong hình 2.
Tính theo độ
dốc hạn chế
Tính theo bán
kính cong nhỏ
nhất
Tính theo
điều kiện
khởi động
Tính toán công
suất động cơ
truyền động
đoàn tàu
Hình 2. Tính toán công suất động cơ truyền động đoàn tàu 2.4. Thông số sử dụng nghiên cứu Bảng 3. Thông số tàu điện sử dụng nghiên cứu Thiết lập đoàn tàu 2M2T
Khối lượng đoàn tàu khi đầy tải (M) [kg] 192000 Số động cơ (N)
12 Tốc độ lớn nhất (vmax) [km/h] 80 Tốc độ cơ bản (vb) [km/h] 40 Gia tốc lớn nhất/Gia tốc hãm [m/s2] 1/1,25 Hệ số cản trở a [KN] 0,0115070 Hệ số cản trở b [kg/s] 0,0003494 Hệ số cản trở c [kg/m] 0,00005497 Đường kính bánh xe (Dwh) [m] 0,84 Đường tỉ số truyền (t)
5,67:1 Hiệu suất hộp số
(
η

)
0,85 Hiệu suất động cơ
(
η

)
0,95 Điện trở hãm
(
R
)
[W] 4 Mô men quán tính đoàn tàu (Jeq) [kg.m2] 87,67 3. THIẾT KẾ ĐIỀU KHIỂN 3.1. Lựa chọn phương pháp điều khiển Phương pháp tựa theo từ thông rôto (FOC) chính là tạo ra một công cụ cho phép tách các thành phần dòng tạo từ thông và dòng tạo mô men quay từ dòng điện xoay chiều 3 pha chảy trong cuộn dây stator của động cơ. Hệ truyền động điều khiển theo FOC dựa trên nguyên tắc điều khiển cách ly các thành phần dòng kể trên nhờ mạch vòng stator. Bởi động cơ điện một chiều (ĐCMC) có thể điều khiển độc lập hai thành phần: Dòng tạo từ thông (dòng điện kích từ) và dòng tạo mô men quay (dòng điện phần ứng). Do hai mạch điện ĐCMC hoàn toàn cách ly nên việc thiết kế các thuật toán điều khiển đơn giản mà hệ truyền động vẫn đạt chất lượng cao. Ngược lại, do hệ thống cuộn dây và nguồn cấp điện 3 pha, động cơ xoay chiều 3 pha có cấu trúc phức tạp hơn và gây khó khăn đáng kể cho việc mô tả toán học đặc điểm cách lý giữa hai thành phần tạo từ thông và tạo mô men quay.
IM
3˜
*
s
u
*
s
u
dc
u
a
t
b
t
c
t
SVM
*
sd
u
*
sq
u

dq
Ri
*
sd
i
*
rd
*
MHTT
abc


dq
IE
sa
i
sb
i
s
i
s
i
sd
i
sq
i
3˜
DTT
R
R
12
3
4 5 6
789
1011
Limiter
*
sq
i
Hình 3. Sơ đồ điều khiển định hướng theo từ thông roto
CÔNG NGHỆ Tập san SINH VIÊN NGHIÊN CỨU KHOA HỌC ● Số 13.2023
14
KHOA H
ỌC
3.2. Thiết kế cấu trúc điều khiển tựa theo từ thông roto - Thiết kế bộ điều khiển dòng điện Ris Yêu cầu khi xây dựng bộ điều khiển dòng điện Ris là đầu ra phải đáp ứng nhanh, chính xác (bám sát giá trị đặt) và không tương tác (thành phần dòng isd và isq khi thay đổi giá trị không tác động lẫn nhau - như vậy mới có thể điều khiển riêng rẽ hai thành phần tạo từ thông và tạo momen).
s
s
1/ R
1 sT
sd
PI i
i
p
K
K
s
SVM
ÐT
sd
i
*
sd
i
nl
1
1 sT
Hình 4. Cấu trúc bộ điều kiển dòng isd Áp dụng tiêu chuẩn tối ưu đối độ lớn: isnlas
TT 2TTR
issspnl
TT R.TK2T
Tính toán thay số thu được thông số của bộ PI điều khiển dòng isd. - Thiết kế bộ điều khiển từ thông Rψ Có tác dụng tạo dòng từ hóa cung cấp giá trị đặt cho bộ Ris. Vì bộ điều khiển dòng Ris đảm bảo nhanh, chính xác và không tương tác nên ta có thể giả thiết côi bộ Ris là khâu 1-1.
1
r
1
sT 1
rd
PI
p
i
1
K (1 )
T s
s
Ri
ÐT
'
rd
'
rd
*
*
sd
i
sd
i
Hình 5. Cấu trúc bộ điều khiển từ thông roto ψ′ Chọn hằng số thời gian hàm truyền hệ kín bộ R bằng số nguyên lần hằng số thời gian bộ Ris: T = nT với n = 5. Thay số tính toán thu được các thông số k , T của bộ điều chỉnh từ thông. - Thiết kế bộ điều khiển tốc độ Vì bộ điều khiển dòng Ris đảm bảo nhanh, chính xác và không tương tác nên ta có thể giả thiết coi bộ Ris là khâu 1-1.
1
p
z
J.s
PI
p
i
1
K (1 )
T s
s
Ri
ÐT
*
*
sq
i
sq
i
Hình 6. Cấu trúc bộ điều khiển Rω Thiết kế BĐK tốc độ theo chuẩn tối ưu đối xứng:
2niωpωpin
ω.T.Jkz2.ξTω
Thay số tính toán thu được các tham số kpω, Tiω của bộ điều chỉnh tốc độ. 4. MÔ PHỎNG VÀ KẾT QUẢ 4.1. kết quả mô phỏng Kết quả mô phỏng tiến hành cho tàu chạy trong một khu gian giữa hai nhà ga: Kim Mã - Cát Linh với khoảng cách là 1508m, thời gian chạy tàu 92,2s, tốc độ đoàn tàu đến 45km/h. Kết quả mô phỏng biểu đồ chạy tàu trong hình 7: thời gian gia tốc t = 15,46s, quãng đường S = 99,84m; thời gian chạy ổn tốc t = 65,68s, quãng đường S = 1337,46m; Thời gian hãm dừng t = 11,06s, quãng đường S = 70,7m. Hình 7. Biểu đồ tàu chạy Hình 8. Đáp ứng công suất chạy tàu
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90
Time (s)
-0.2
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2
1.4
1.6
Từ thông
Từ thông đặt
Từ thông đo được
Ψ
rd
13.22
Hình 9. Đáp ứng từ thông
SCIENCE - TECHNOLOGY Số 13.2023 ● Tập san SINH VIÊN NGHIÊN CỨU KHOA HỌC 15
Trong hình 8 chỉ ra đáp ứng công suất của tàu chạy trong khu gian: tàu huy động công suất lớn nhất từ 0 đến 13,22s; từ giây 13,22 đến giây 15,46 công suất không đổi, mô men có dạng hình hypebol tương ứng động cơ làm việc ở vùng từ thông yếu; từ giây 15 đến giây 81 công suất tiêu thụ giảm tương ứng với tàu chạy ổn tốc; sau giây 81 công suất âm chứng tỏ tàu đang trả năng lượng về lưới ứng với tàu chạy trong giai doạn hãm dừng.
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90
Time(s)
-2000
-1500
-1000
-500
0
500
1000
1500
Nm
Momen
Momenref
Momenmeas
13.22 15.46
Hình 10. Đáp ứng momen Hình 9, 10 cho thấy từ giây 13.22 đến giây 15,46 thể hiện giai đoạn suy giảm từ thông và momen khi tốc độ động cơ lớn hơn tốc độ định mức. 5. KẾT LUẬN Trong quá trình nghiên cứu nhóm nghiên cứu đã đạt được một số kết quả như sau: Triển khai được các thông số thực tế của đoàn tàu tuyến đường sắt Nhổn - ga Hà Nội, nhờ các thông số thực tế ấy nhóm nghiên cứu đã thực hiện tính chọn động cơ để phù hợp với đoàn tàu. Ngoài ra về phần điều khiển, nhóm tập trung nghiên cứu phương pháp tựa theo từ thông rôto (FOC) và ứng dụng cho hai vòng điều khiển ngoài là vòng điều khiển từ thông và vòng điều khiển tốc độ. Hai vòng ngoài được điều khiển bởi hai bộ điều kiển tuyến tính PI. Thông qua đó nhóm nghiên cứu đã tiến hành mô phỏng trên phần mềm Matlab Simulink, nhóm đã thu được kết quả từ các dữ liệu đầu vào và tối ưu kết quả thu được khi tiến hành quá trình mô phỏng. Kết quả thu được là biểu đồ tàu chạy, đáp ứng công suất tàu chạy, đáp ứng tốc độ, đáp ứng từ thông, đáp ứng mômen. Trong tương lai, nhóm nghiên cứu sẽ tiếp tục phát triển các thuật toán điều khiển tối ưu và công bố kết quả trong nghiên cứu tiếp theo. Cụ thể là tập trung vào việc nghiên cứu các thuật toán điều khiển tiên tiến như các bộ điều khiển phi tuyến để tối ưu hiệu suất và độ chính xác của hệ thống điều khiển. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1]. N.V Chuyên, 2001. Sức kéo đoàn tàu. Trường Đại học Giao thông Vận tải. [2]. N. V. Hải, 2018. Nghiên cứu giải pháp điều khiển tối ưu năng lượng đoàn tàu trên tuyến đường sắt Việt Nam. Luận án Tiến sĩ. [3]. P. T. Huy, 2018. Vi điều khiển và ứng dụng - Hướng dẫn sử dụng Arduino. [4]. B. Q. Khánh (n.d.) Truyền động điện. [5]. N. D. Phước, 2009. Lý thuyết điều khiển tuyến tính. NXB Khoa học và Kỹ thuật. [6]. N. P. Quang, 2002. Truyền động điện thông minh. NXB Khoa học và Kỹ thuật. [7]. A. T.Thu Anh, 2019. Về một giải pháp điều khiển quá trình trao đổi năng lượng hãm của tàu điện đường sắt đô thị Việt Nam. [8]. A. T. Thu Anh, (n.d.), 2022. Energy-efficient speed profile: an optimal approach with running time, TELKOMNIKA. Telecommunication Computing Electronics and Control, 20.3, 663-671. [9]. T. M. Trọng, 2014. Thiết kế điều khiển cho các bộ biến đổi điện tử công suất. Viện Điện - Trường Đại học Bách khoa Hà Nội.