Trang 25 1.4 CÔNG TÁC SONG SONG CỦA CÁC MÁY PHÁT ĐIỆN Nguồn điện cung cấp cho các phụ tải trong các hệ thống điện năng tàu thuỷ có thể được lấy từ những nguồn độc lập hoặc từ một nguồn c
TRẠM PHÁT ĐIỆN TẦU THUỶ
ĐỘNG CƠ LAI DIESEL
1.1.1 Đặc điểm và những thông số động cơ lai Diesel
Trên tàu thủy, động cơ diesel thường được sử dụng làm động cơ chính do những ưu điểm vượt trội của nó Việc áp dụng động cơ đốt trong trên tàu thủy chiếm tỷ lệ cao nhờ vào hiệu suất và độ tin cậy của loại động cơ này.
Hiệu suất có ích của động cơ Diesel hiện đại có thể đạt từ 40 đến 45%, vượt trội so với hiệu suất của các thiết bị khác như tua bin hơi chỉ đạt 22 đến 28%, tua bin khí khoảng 30%, và máy phát điện ước tính chỉ đạt 16%.
Nếu so sánh giữa động cơ đốt trong và động cơ đốt ngoài, động cơ đốt trong thường gọn nhẹ hơn nhiều Điều này là do động cơ đốt trong không cần các thiết bị phức tạp như hệ thống làm mát, buồng đốt hay các thiết bị ngưng tụ, giúp giảm trọng lượng và kích thước tổng thể của động cơ.
T có ính động cao, khởi động nhanh v lu n ởà ô trạng thái s sẵn àng khởi động, có ithể đ ều chỉnh ịp k thời theo phụ tải
D t ễ ự động á và ho điềukhiển từ xa. Ít gây nguy hiểmcho người v hận àn ít có h ( khả năng gây hoảhoạn và n v ổ ỡthiết ị b )
Nhiệt độ xung quanh tương đối thấp ạo đ ều ện t t i ki ốtcho thợ m l áy àm việc
Không tốn ênhi n liệu khi dừng động ơ c
Không cần nhiềungười v hận ành sửa chữa
Hiện nay, động cơ Diesel lai mạnh mẽ được chế tạo với kích thước nhỏ gọn nhưng vẫn đảm bảo công suất làm việc và điều kiện hoạt động Sự tiến bộ về công nghệ gia công kim loại đã góp phần vào điều này Để nâng cao công suất của động cơ, trên các tàu thủy hiện nay thường sử dụng động cơ tăng áp, trong đó lượng không khí được nén cưỡng bức vào xi lanh trong quá trình nạp, giúp tăng lượng nhiên liệu cung cấp cho chu trình Các phương pháp tăng áp được áp dụng nhằm nén khí nạp và giảm nhiệt độ khí nạp.
Để nâng cao tuổi thọ của động cơ, hệ thống bôi trơn và làm mát đang được cải tiến liên tục Đặc biệt, ngoài hai phương pháp bôi trơn tuần hoàn áp suất thấp và áp suất cao, một số động cơ Diesel tàu thủy hiện đại còn được trang bị hệ thống bôi trơn xi lanh phù hợp với yêu cầu của động cơ Hệ thống này hoạt động với áp suất không lớn, giúp hạn chế lượng dầu thừa ở chế độ tải nhỏ, từ đó giảm thiểu hiện tượng cháy và sự hình thành cặn bẩn ở các vị trí như xéc măng và đỉnh piston.
Các phần liên kết chặt chẽ với nhau tạo thành một khối thống nhất vững chắc, là điểm tựa cho hoạt động của động cơ Phần chính chiếm khoảng 70% trọng lượng của động cơ diesel, bao gồm các chi tiết quan trọng của động cơ.
Trục khuỷu ánh đà c, Các h ệthốngphục v ụcho Diesel
H ệthống ăng áp (với t loại động ơ c có tăng áp)
1.1.1.2 Những ôth ng số ủa c Diesel
Diesel, giống như các loại máy móc khác, khi xuất xưởng luôn đi kèm với các thông số kỹ thuật cần thiết để người sử dụng có thể dễ dàng kiểm tra tình trạng của máy trong quá trình vận hành và khai thác Các thông số định mức của diesel rất quan trọng, giúp người dùng nắm bắt hiệu suất và tình trạng hoạt động của máy móc.
+ C ng suất định ức ủa động c ơ m
+ Tốc độ quay định ức c ủa động ơ c
+ Nhiệ độ ước àm át d bô n + Áp suất ầu i trơ
1.1.2 Khởi động động c Dơ iesel
1.1.2.1 Phương thức khởi động Diesel ê D s d
Tr n tầu thuỷ để khởi động iesel người ta thường ử ụng hai phương thức khởi động như sau:
+ Khởi động iesel bằng gi
+ Khởi động iesel bằn nguồn đ ện ăcquy s d b ó
1.1.2.2 Vị í tr khởi động Diesel
Để khởi động máy phát diesel, người ta thường sử dụng hai phương pháp: khởi động tại chỗ và khởi động từ xa Tuy nhiên, với mức độ tự động hóa ngày càng cao, khởi động từ xa đã trở thành phương pháp phổ biến hơn.
Khởi động ngay tại đầu áy là chế độ khởi động không thông qua các hệ thống điều khiển trung gian, thực hiện trực tiếp và vận hành gió cùng thanh răng nhiên liệu Chế độ này thường được sử dụng khi chạy thử máy sau khi sửa chữa, bảo dưỡng hoặc trong trường hợp hệ thống điều khiển từ xa gặp hư hỏng.
Khởi động lại buồng điều khiển là quy trình quan trọng trong chế độ vận hành bình thường Phương pháp này được thực hiện thông qua các thiết bị trung gian nhằm điều khiển khởi động cho động cơ Diesel.
H ệthốnghoạt độngtin cậy, khả ăng đ ều khiển n i linh hoạt, đơn giản
Mặt khác h ệthống đ ều i khiển ừ t xa c nhó ững ưu nhược đ ểm i nhưsau:
+ Giảm ớt được ốngườiphục ụtr n tầu v h x lý
+ Rút ngắn được thời gian thao tác ận ành do hệthống ử trung tâm đã đảmnhậnnhững chức năng trung gian l x và b á
Thực hiện lệnh chính xác và nhanh chóng, đảm bảo quá trình điều chỉnh tốc độ mượt mà (không nhảy vọt) và giảm thiểu ứng suất xung lực trong quá trình điều chỉnh tốc độ.
+ Cảithiện được điềukiện m việccho thợ áy â và t á
+ N ng cao độ tin cậy ính an toàn cao trong qu trình khai thác v hận ành ó t à t k
+ C thể thực hiện khai thác ối ưu v theo dõi ừ xa tình trạng ỹ thuật c m ủa áy h m â i t t i
+ Cho phép ình thành ộttrung t m đ ềukhiển tiến ới ạo đ ềukiện t ự động á àho ho n toàn việc đ ều i khiển đ ều i chỉnh
+ Hệthốngphức ạp, đòi ỏinhiều kinh ph có ê ô
+ Người khai thác phải trìnhđộ chuy n m n cao
1.1.3 Bảo vệ động cơ Diesel
1.1.3.1 Bảo vệ Diesel i D u à Để thực hiện đ ều khiển động cơ iesel đạt hiệ quả cao an to n, trong hệ thống iều khiđ ển có r ất nhiều c ác thiết ị b phải hoàn thành ác ch c ức năng khác nhau, do đó ệ h thống có r ất nhiều ôth ng số ần c phải quan t m, â theo dõi và x lý ử (từ vài ch c ụ đến v àitram thông số) Tất c c ả ác thống s ố đó c ần được ảo ệ Trong một b v loạt c ôác th ng số đó có c ôác th ng số quan trọng liện quan tới tính an toàn c h ủa ệ thống động ực l và có những thông số ít quan trọng hơn Nhưng tất cả c ác thông số đó u đề được theo dõi và kiểm tra thường xuy n Đểê c ác thiết b b v ị ảo ệ hoạt động ột m cách an toàn và tin cậy thì cần phả đảm b ci ảo ác yêu cầu sau: l ô á t h
Số lượng thùng số kiểm tra cần đạt giá trị tối thiểu để hệ thống được đơn giản, đồng thời số lượng ô thùng số đó phải đủ để đánh giá trạng thái của đối tượng Diesel một cách chính xác.
+ Hoạt độngchính ác, kh ng nhầm ẫn, kh ng bỏ ót c b â à s
MÁY PHÁT ĐỒNG BỘ KHÔNG CHỔI THAN
Trạm phát điện sử dụng công suất nhỏ (khoảng một vài nghìn KVA) hiện nay đã được trang bị máy phát điện đồng bộ, giúp nâng cao hiệu suất hoạt động cho các đội tàu biển Loại máy này có kích thước và trọng lượng nhỏ gọn, đồng thời các khu kỹ thuật đã nâng cao độ tin cậy và tính ổn định Hơn nữa, do không sử dụng nhiên liệu hóa thạch, nên đã giảm thiểu yêu cầu về vệ sinh bảo dưỡng và sửa chữa, mang lại lợi ích kinh tế cho người sử dụng.
Ngày nay, với sự phát triển không ngừng của các ngành khoa học kỹ thuật, vấn đề an toàn và bảo vệ điều khiển máy phát không chỉ giới hạn ở những thiết bị đơn thuần như công tắc rơ le, mà còn mở rộng ra kỹ thuật vi xử lý và kỹ thuật số Những ứng dụng này đang mang lại hiệu quả cao trong các lĩnh vực khác nhau Do đó, các hệ thống năng lượng điện từ thủy đã và đang được hoàn thiện một cách triệt để theo các hướng phát triển của ngành.
+ Tự động ho ừng phần ác trang thiết ị ồi đến ự động ho toàn phần trạmphát iđ ện tầu thuỷ b v và t c h
+ Tăng độ ền ững ính kinh tế ác trạm phát điện, các ệ thống năng ượng đ ện ằng l i b cách nâng cao mức độ ự động t á êho tr n tầuthuỷ t i n c là h
Cải tiến chất lượng khai thác điện năng thông qua việc ổn định các thông số của máy phát điện như điện áp, tần số và công suất là rất quan trọng Việc này không chỉ nâng cao hiệu suất hoạt động của máy phát mà còn đảm bảo nguồn điện ổn định và an toàn cho người sử dụng.
+ Hoàn chỉnh ác áy óc, kh ụ, thiết ị đo lường kiểm tra tập trung từ xa. ê và n m và c ph
Nghiên cứu và phát minh nguồn năng lượng mới, cùng với việc chuyển đổi nguồn năng lượng đó thành điện, là một trong những nhiệm vụ và mục tiêu quan trọng của ngành khoa học trong thế kỷ 21.
Ngoài ra trạmphát điện òn nh g ữn đặctrưng ri ng: cô nê u
+ Do phải ng tác trên biển n phải chị độ ẩm cao, nồng độ muối và dầu, ho chấtá cao á h c â ô l ô
Trong quá trình phát triển của con tàu, môi trường làm việc luôn thay đổi, từ nước này sang nước khác Tàu thủy phải chịu sự biến đổi của cả nhiệt độ và điều kiện môi trường rất lớn.
+ Trạmphátđ ệnphải làm việctrong các trạng thái nghiêng ệch. c m
+ Trạmphát òn phải chịurung lắc, va đập ạnhdo sóng biển
M ặt khác, trạm phát i l đ ện àm việc độc ập, thiết ị l b thay thế ạn h chế
Khi sự cố xảy ra, việc khắc phục gặp rất nhiều khó khăn do trạm phát điện tàu thủy cần phải đáp ứng một số yêu cầu nghiêm ngặt Mục đích của những yêu cầu này là đảm bảo nguồn điện năng trên tàu luôn ổn định, từ đó nâng cao chất lượng khai thác của con tàu.
+ Đảm ảo cung cấp đ ện ột ách li n tục cho tất ả ác trang thiết b êịtr n tầu có à c b b v l
Hệ thống cần có độ tin cậy cao và hoạt động chính xác trong các điều kiện khắc nghiệt như rung lắc, va đập, môi trường ẩm ướt, và nồng độ hóa chất cao.
Cấu trúc thiết bị cần đảm bảo an toàn, chắc chắn và dễ dàng phát hiện hư hỏng Ngoài ra, thiết bị cũng phải đơn giản, thuận tiện trong quá trình vận hành, đồng thời đảm bảo đầy đủ các chức năng của hệ thống.
+ C thể ách ri ng từng nh m để ễ àng trong việc thay thế, sửa chữa mà ôkh ng ảnh hưởng ới t c ác nhóm kh ác ó b có s d i b c
Trạm phát điện tàu thủy sử dụng thiết bị trung gian để cung cấp điện khi cần thiết, bao gồm máy phát điện diesel (DG) Công suất của trạm được lựa chọn dựa trên yêu cầu cung cấp điện cho các thiết bị phụ tải, chế độ đi biển và tính năng của từng con tàu.
1.2.1 Những đại lượng và thông số danh định
Máy phát điện đồng bộ, đặc biệt là máy phát điện đồng bộ đầu bờ thủy, thường được xuất xưởng với các thông số kỹ thuật được ghi rõ trong catalog Những thông số này có ý nghĩa rất quan trọng trong quá trình vận hành và khai thác của máy Hơn nữa, các thông số kỹ thuật này còn giúp người vận hành thuận tiện trong việc kiểm tra, bảo trì và khắc phục sự cố của máy.
1.2.1.1 Các lđại ượng ủ c a m áy phát:
Công suất định ức m i m Đ ệnápđịnh ức
H s côệ ố ng suất định ức m
Dòng ích từ định ức k m i k m Đ ệnáp ích từ định ức
1.2.1.2 Thông số danh định c m ủa áy phát í á ê c ê
Hiện nay, do nhu cầu sử dụng điện trên tàu thủy ngày càng tăng cao, các nhà chế tạo thường trang bị cho các đội tàu từ 2 đến 6 tổ máy phát điện nhằm cung cấp nguồn năng lượng điện liên tục và ổn định Điều này giúp nâng cao chất lượng khai thác tàu Thông số của các máy phát điện chính cũng rất quan trọng trong việc đảm bảo hiệu suất hoạt động của tàu.
Trạm phát điện thủy trọng tải 12.500T trở xuống sử dụng hai máy phát điện đồng bộ không chổi than do hãng TAIYO sản xuất Các máy phát được bố trí ở hai bên mặt và tại đầu đặt tại buồng máy, giúp thuận tiện trong quá trình vận hành và khai thác Máy phát chính thường ghi các thông số quan trọng để theo dõi hiệu suất hoạt động.
Để đảm bảo độ tin cậy cho trạm phát điện, việc cung cấp điện liên tục cho các phụ tải trên tàu là rất quan trọng Thông thường, mỗi trạm phát điện thủy được lắp đặt thêm một máy phát sự cố, sẵn sàng hoạt động khi các máy phát chính gặp vấn đề Máy phát sự cố cũng có các thông số danh định tương tự như máy phát chính.
1.2.2 Cấu tạo máy phát điện đồng bộ không chổi than của trạm phát điện tầu thuỷ
1.2.2.1 Cấu trúc chung của máy phát iđ ệ đồng b n ộkhông chổi than á v h và m b có
Trong quá trình vận hành khai thác mỏ than, điểm yếu nhất của hệ thống ống là chỗ tiếp xúc giữa vành trượt và chỗ ổ than, điều này gây ra nhiều vấn đề.
+ Thường xuất hiện tia lửa đ ện y nhiễu loạn cho các thiết ị tuyến i đ ện ê k t x ô m
+ Thường đột nhi n mất ích ừ do tiếp úc kh ng tốt do đó ất điện toàn tầu ó á t k i x l
+ Kh khăn trong qu trình ự ích ban đầudo đ ệntrởtiếp úc ớn í và t cô d v và
+ Chi ph ốn ng bảo ưỡng ành trượt chổithan à ê k c v n
Ng y nay do y u cầu ỹ thuật ũng như ấn để cung cấp ăng lượng điện cho tầu thu ỷ ngày àng cao n c ên động c ơlai máy phát thường là động c ơ
Máy phát đồng bộ không chổi than của hãng TAIYO là giải pháp hiệu quả cho vấn đề hao mòn và tốc độ cao của diesel, giúp cải thiện quá trình cung cấp điện năng cho tàu Với nhiều ưu điểm nổi bật, máy phát này đã được ứng dụng rộng rãi trong thực tế, mang lại hiệu suất và độ bền cao.
CÁC PHƯƠNG PHÁP PHÂN PHỐI ĐIỆN NĂNG
1.3.1 Hệ thống phân chia điện năng theo hình khuyên :
Hình 1.4: Sơ đồ hệ thống phân chia điện năng theo hình khuyên
1.Các máy phát 4.Các cầu dao
2.Bảng điện chính 5.Các đường cáp chính
3.Các bảng điện phụ 6.Các đường cáp phụ cung cấp cho bảng điện phụ
7.Các bảng điện nhỏ hay các phụ tải lớn
1.3.2 Hệ thống phân chia điện năng theo hình tia đơn giản : Đây là hệ thống mà tất các máy phát được cấp điện lên bảng điện chính và từ đó cung cấp tới các phụ tải trực tiếp bằng cáp điện Với kết cấu này, hệ thống chỉ được ứng dụng trên các tàu nhỏ và ít phụ tải
Hình 1.5: Sơ đồ hệ thống phân chia điện năng theo hình tia đơn giản
1.3.3 Hệ thống phân chia điện năng theo hình tia phức tạp :
Thứ tự cấp nguồn cho các phụ tải trong hệ thống điện phụ thuộc vào tình huống cụ thể, cho phép một số phụ tải lớn hoặc nhỏ được cấp nguồn trực tiếp từ bảng điện chính hoặc bảng điện phụ Hệ thống này mang lại nhiều ưu điểm, bao gồm tiết kiệm dây dẫn, độ tin cậy cao trong việc cung cấp năng lượng điện và khả năng điều khiển dễ dàng từ trung tâm Đặc biệt, hệ thống này được áp dụng hiệu quả trên các tàu hàng có trọng tải lớn.
Trên tàu 12.500T đã sử dụng kiểu phân chia diện năng theo hình tia phức tạp.
Hình 1.6: Sơ đồ hệ thống phân chia điện năng theo hình tia phức tạp 1.Các phụ tải được cấp nguồn trực tiếp từ bảng điện chính
2.Các bảng điện phụ cung cấp đến từng phụ tải.
3.Các bảng điện phụ cung cấp đến nhóm phụ tải
4.Các phụ tải được cấp nguồn từ các bảng điện phụ 3.
5 Các phụ tải được cấp nguồn từ các bảng điện phụ 2.
CÔNG TÁC SONG SONG CỦA CÁC MÁY PHÁT ĐIỆN
Nguồn điện cho các phụ tải trong hệ thống điện năng tàu thủy có thể được cung cấp từ nguồn độc lập hoặc từ nguồn chung với nhiều tổ máy phát điện hoạt động song song Hiện nay, việc sử dụng các tổ máy phát điện song song trong hệ thống năng lượng điện trên đội tàu thế giới ngày càng phổ biến và phát triển với mức độ tự động hóa cao Các hệ thống này có khả năng tự động khởi động và hòa đồng bộ máy phát khi hệ thống quá tải, cũng như tự động tắt máy phát khi công suất của trạm phát vượt quá đáng kể so với công suất phụ tải.
- Tạo điều kiện giảm bớt các thiết bị chuyển mạch và các dây cáp nối các phần tử, thiết bị với nhau
- Giảm bớt trọng lượng cũng như kích thước của các thiết bị phân phối điện
- Đảm bảo nguồn điện liên tục cho các phụ tải trong mọi trường hợp ngay cả khi thực hiện chuyển tải từ máy này sang máy khác.
- Giảm bớt sự dao động điện áp khi tăng tải đột ngột
- Nâng cao hiệu suất sử dụng công suất của các tổ máy phát
- Đòi hỏi người sử dụng phải có trình độ chuyên môn cao, nắm vững về hệ thống
- Độ lớn dòng ngắn mạch tăng hơn, đòi hỏi cần phải có các thiết bị bảo vệ ngắn mạch phức tạp và thiết bị bảo vệ công suất ngược
- Sự phân chia tải phức tạp hơn khi một trong những động cơ truyền động gặp sự cố nhỏ
Khi đưa một máy phát vào công tác song song thì ta có các trường hợp xẩy ra như sau
Gọi Pdmx là công suất định mức của máy phát x ta định hoà (Khảo sát)
Pdmt là tổng công suất của tất cả các máy phát đang hoạt động trên lưới điện Khi khảo sát máy phát x, có ba chế độ công tác của nó trên mạng Nếu Pdmx > Pdmt – Máy phát x công tác độc lập.
Pdmx = Pdmt – Máy phát x công tác với mạng mềm
Trên tàu thuỷ, các máy phát hoạt động song song chủ yếu kết nối với mạng mềm Hầu hết các trạm phát trên tàu vận tải hiện nay đều được trang bị hai tổ hợp Điêsel – Máy phát có công suất và thông số kỹ thuật hoàn toàn giống nhau, nhằm tối ưu hóa hiệu quả công tác song song Tuy nhiên, đối với các tàu đặc biệt như tàu công trình, bố trí trạm phát có thể khác biệt.
1.4.1 Công tác song song của các máy phát điện đồng bộ Đưa máy phát đồng bộ vào công tác song song là quá trình đưa một máy phát từ trạng thái không công tác đến trạng thái cùng cung cấp năng lượng cho thanh cái đang được một hay nhiều máy phát cung cấp năng lượng Quá trình hoà đồng bộ được coi là thành công khi không xảy ra xung dòng lớn và thời gian hoà đồng bộ phải ngắn Điều đó là cần thiết vì sự công tác ổn định của hệ thống, nhất là lúc một trong những máy phát đang làm việc bị sự cố Trong thực tế chúng ta có hai phương pháp đưa một máy phát vào công tác song song là:
Phương pháp hòa đồng bộ là kỹ thuật kết nối một máy phát đồng bộ đã được kích từ đến điện áp định mức với các máy phát khác để hoạt động song song.
Phương pháp tự hoà đồng bộ là quá trình đóng máy phát đồng bộ chưa được kích từ vào công tác song song với các máy phát khác, sau khi đã đạt tốc độ định mức Tuy nhiên, phương pháp này tạo ra xung dòng lớn và không thể áp dụng cho trạm phát trên tàu thuỷ, vì công suất máy phát định hoà tương đương với công suất hiện có của trạm phát.
Phương pháp đưa máy phát vào công tác song song trên tàu thuỷ được gọi là hoà đồng bộ Có hai cách thực hiện phương pháp này: hoà đồng bộ chính xác và hoà đồng bộ thô.
1.Hoà đồng bộ chính xác :
Là tại thời điểm đóng máy phát lên thanh cái tất cả các điều kiện phải được thoả mãn
Các điều kiện cụ thể là:
- Điện áp máy phát định hoà phải bằng điện áp trên lưới (UA1=UA2;
- Tần số máy phát định hoà bằng tần số của lưới ( f1= f2 )
- Góc lệch pha giữa hai điện áp máy phát và lưới tại thời điểm hoà bằng 0 ( hay δ= 0 ).
- Có cùng thứ tự pha Để kiểm tra các điều kiện hoà đồng bộ chính xác và chọn thời điểm hoà ta dùng các hệ thống sau :
- Hệ thống đồng bộ kế
Khi sử dụng hệ thống đèn tắt ta cần thực hiện như sau:
- Kiểm tra sự bằng nhau của tần số lưới và tần số máy phát định hoà bằng việc đọc số chỉ trên đồng hồ tần số kế
- Kiểm tra sự bằng nhau của điện áp máy phát định hoà và điện áp lưới bằng đồng hồ vôn kế
Kiểm tra thứ tự pha bằng cách quan sát các bóng đèn; nếu thứ tự các pha giống nhau, hệ thống đèn sẽ tắt đồng thời.
- Kiểm tra véctơ điện áp các pha tương ứng trùng nhau ( δ=0 ) tại thời điểm các bóng đèn cùng tắt
( Sơ đồ ngyuên lí và đồ thị véctơ hệ thống đèn tắt )
Hình 1.7: Sơ đồ hệ thống đèn tắt
Sau khi kiểm tra các điều kiện điện áp và tần số, ta đóng áptômát của máy định hoà khi hai đèn cùng tắt, lúc này hai véctơ điện áp trùng nhau Nếu các điều kiện hoà chưa thoả mãn, cần điều chỉnh máy phát định hoà để đạt yêu cầu Tuy nhiên, trong thực tế, hệ thống đèn tắt này ít được sử dụng do độ chính xác không cao.
Hệ thống đèn quay được ứng dụng phổ biến trên các tàu để kiểm tra điều kiện hòa đồng bộ chính xác Hệ thống này giúp người vận hành dễ dàng xác định thời điểm hòa máy phát vào lưới, đồng thời cho phép nhận biết tần số điện áp của máy phát lớn hơn hay nhỏ hơn tần số điện áp lưới thông qua chiều quay của đèn.
( Sơ đồ hệ thống đèn quay)
Nếu tần số máy phát định hoà lớn hơn tần số lưới, đèn sẽ quay theo chiều kim đồng hồ, ngược lại, nếu tần số máy phát nhỏ hơn tần số lưới, đèn sẽ quay ngược chiều kim đồng hồ Để điều chỉnh tần số, ta cần điều chỉnh lượng nhiên liệu vào động cơ lai máy phát định hoà dựa trên chiều quay của hệ thống đèn Khi đèn quay nhanh theo chiều kim đồng hồ, cần giảm lượng nhiên liệu vào động cơ, và ngược lại khi đèn quay ngược chiều.
Thời điểm hòa là lúc hệ thống đèn quay chậm theo chiều kim đồng hồ, với bóng đèn số 1 tắt và bóng đèn số 2, 3 sáng đều nhau Khi đóng máy phát vào mạng, yêu cầu nhận ngay 5% công suất tác dụng Nếu hệ thống đèn quay ngược chiều kim đồng hồ khi đóng máy phát, máy phát sẽ nhận công suất ngược và có nguy cơ bị cắt khỏi mạng.
+ Hệ thống đồng bộ kế :
Để nâng cao độ tin cậy và tính chính xác trong việc thực hiện hoà đồng bộ, một thiết bị kiểm tra các điều kiện hoà đã được chế tạo, gọi là đồng bộ kế Thiết bị này đã được ứng dụng rộng rãi tại hầu hết các trạm phát tàu thuỷ, nơi sử dụng công tác song song của các máy phát.
Hình 1.9: Sơ đồ nguyên lí hệ thống đồng bộ kế
Hệ thống đồng bộ kế được sử dụng để xác định sự sai lệch của tần số và chọn thời điểm hoà
Giả sử ta gọi: f1 – Tần số của điện áp lưới. f2 – Tần số của điện áp máy phát định hoà
Nếu f 1 < f2 thì kim đồng bộ kế sẽ quay theo chiều kim đồng hồ (chiều FAST)
Nếu f1 > f2 thì kim đồng bộ kế sẽ quay theo chiều ngược chiều kim đồng hồ (chiều SLOW).
Tốc độ quay của kim đồng bộ kế phụ thuộc vào sự chênh lệch tần số giữa điện áp máy phát và điện áp lưới Thời điểm hoà điện được chọn khi kim đồng hồ quay chậm theo chiều kim đồng hồ, và việc đóng Áptômát được thực hiện khi kim đồng hồ ở vạch đỏ Do đồng bộ kế hoạt động ở chế độ ngắn hạn, sau khi hoà điện xong, cần phải cắt đồng bộ kế ra khỏi lưới điện.
THIẾT KẾ BỘ TỰ ĐỘNG ĐIỀU CHỈNH ĐIỆN ÁP SỐ
CHỨC NĂNG CỦA MỘT BỘ TỰ ĐỘNG ĐIỀU CHỈNH ĐIỆN ÁP
Tất cả các thiết bị trong hệ thống năng lượng đều được chế tạo để hoạt động với điện áp định mức Về mặt kinh tế, kỹ thuật và hiệu suất, việc duy trì điện áp ổn định là rất quan trọng, vì mọi sai lệch so với điện áp định mức đều có thể gây ra sự hoạt động không ổn định của thiết bị Do đó, ổn định điện áp cho máy biến áp là vấn đề quan trọng không thể thiếu trong lưới điện nói chung và lưới điện tàu thủy nói riêng Lưới điện tàu thủy yêu cầu hệ thống tự điều chỉnh điện áp phải đáp ứng các yêu cầu kỹ thuật, đảm bảo khả năng khởi động đồng thời nhiều động cơ hoặc động cơ có công suất gần bằng công suất mất của máy phát Hệ thống tự động điều chỉnh điện áp cần thỏa mãn những đặc trưng này để hoạt động hiệu quả.
Có khả ăng tự n k ích
T ự động âph n chia tải phản t dác ụng và n có ếu thể ì t th ự động âph n chia tải tác dụng i ê l c Ổn định đ ệnáp theo đúngchỉti u chất ượng ủa đăng kiểm n k :
1 Khả ăng tự ích n k c m có ò á
Khả năng tự ích của máy phát đóng vai trò quan trọng trong quá trình làm việc của nó, đặc biệt là trong giai đoạn khởi động Điều này ảnh hưởng đến thời gian nâng điện áp từ 0 đến điện áp định mức Dòng điện tự kích có thể làm tăng thời gian ổn định điện áp, tuy nhiên nếu dòng điện tự kích quá lớn sẽ ảnh hưởng đến hệ thống quấn bên trong máy phát, có thể gây ra cháy, chập điện, và mất cách điện giữa các vòng quấn.
Khi các máy phát điện làm việc song song với nhau, việc phân chia tải là yếu tố quyết định đến hiệu suất làm việc của các máy và các trạm phát điện Do đó, bộ tự động điều chỉnh điện áp cần đảm bảo rằng tải được phân bổ đều giữa các máy, nhằm tránh việc một máy phải nhận tải vô công từ máy khác, từ đó tạo ra sự làm việc không đồng đều giữa các máy phát điện.
3 Ổn định đ ệnáp theo đúngchỉti u chất ượng ủa đăng kiểm à ê c b t i i Đây l chỉ ti u quan trọng nhất ủa ộ ự động đ ều chỉnh đ ện áp cho một m áy phát iđ ện l àm việc êtr n tàu thủy Nó đảm b ảo cho các thiết ị b l àm việc êtr n tàu àm việc ổn định, kh ng g y cháy l ô â n ổnguy hiểm.
CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHỈNH ĐIỆN ÁP MÁY PHÁT THƯỜNG DÙNG CHO TRẠM PHÁT ĐIỆN TẦU THUỶ
THƯỜNG DÙNG CHO TRẠM PHÁT IỆN TẦU THUỶĐ
2.3.1 Hệ thống tự động điều chỉnh điện áp theo nhiễu loạn
1 Hệ thống phức hợp dòng :
Hệ thống phức hợp dòng là hệ thống mà tín hiệu áp và tín hiệu dòng cộng lại với nhau phía một chiều ( sau chỉnh lưu )
Hình 1.5 : Sơ đồ nguyên lý hệ thống phức hợp dòng.
Hệ thống này chỉ ổn định điện áp khi có sự thay đổi dòng tải, với cấu trúc đơn giản và độ chính xác thấp, nên không được áp dụng trên tàu thủy.
2.Hệ thống phức hợp pha
Hệ thống phức hợp pha là hệ thống kết hợp tín hiệu áp và tín hiệu dòng trước khi chỉnh lưu, giúp ổn định điện áp Sự ổn định này được đảm bảo nhờ vào việc giảm thiểu hai loại nhiễu chính: cường độ dòng tải và tính chất tải.
Hệ thống phức hợp pha được chia thành hai loại :
Hệ thống phức hợp pha song song là một loại hệ thống phức hợp pha, trong đó tín hiệu dòng và tín hiệu áp được cấp song song cho cuộn kích từ, giúp tín hiệu dòng và tín hiệu áp cộng lại với nhau.
Tín hiệu dòng được thu thập qua biến dòng (bd), trong khi tín hiệu áp được lấy từ cuộn cảm (CC), có chức năng làm lệch pha giữa tín hiệu áp và tín hiệu dòng một góc 90 độ.
It= Vt.I : Dòng thứ cấp biến dòng.
Vt : Hệ số truyền đạt.
U : Điện áp của máy phát.
Icc : Dòng đi qua cuộn cảm.
Rz : Trở kháng tương đương cuộn kích từ
Hình 2.3: Sơ đồ nguyên lý và sơ đồ tương đương hệ thống phức hợp pha song song
Từ sơ đồ tương đương bằng phương pháp tính điện áp hai nút ta có : cc Z t cc cc kt Z
Z cc t cc ab R jX jX I jX V R
Hình 2.4: Sơ đồ vectơ hệ thống phức hợp pha song song
Hệ thống phức hợp pha nối tiếp là một loại hệ thống phức hợp pha, trong đó tín hiệu dòng và tín hiệu áp được kết nối theo cách cộng nối tiếp để cấp cho cuộn kích từ.
Từ sơ đồ tương đương (hình 2.4) bằng phương pháp tính điện áp hai nút ta có : t Z t t t kt Z R jX
Hình 2.5: Sơ đồ nguyên lý và sơ đồ tương đương hệ thống phức hợp pha nối tiếp
Cuộn cảm Xcc trong sơ đồ song song đóng vai trò tương đương với cuộn Xt trong sơ đồ nối tiếp, cho phép hệ thống điều chỉnh dòng Ikt khi dòng tải và tính chất của tải thay đổi.
Hệ thống phức hợp pha nối tiếp và song song có khả năng duy trì ổn định điện áp khi dòng tải và tính chất tải thay đổi Với cấu trúc đơn giản, tuổi thọ cao và độ tin cậy lớn, hệ thống này có khả năng cường kích cao và ổn định động tốt, rất phù hợp cho điều kiện làm việc trên tàu thuỷ Tuy nhiên, hệ thống phức hợp pha cũng gặp một số nhược điểm như độ chính xác điều chỉnh thấp, kích thước cồng kềnh và khả năng tự kích ban đầu kém.
2.3.2 Hệ thống điều chỉnh điện áp theo độ lệch. Đây là hệ thống tự động điều chỉnh không cần quan tâm đến nguyên nhân gây ra sự dao động điện áp Hệ thống sẽ đo trực tiếp điện áp của máy phát, nếu có sai lệch khỏi giá trị Udm lập tức hệ thống sẽ đưa ra tín hiệu để điều chỉnh dòng kích từ làm cho điện áp trở về giá trị định mức.Vì vậy ta gọi đây là hệ thống vạn năng, vì bất cứ một nguyên nhân gì gây ra sự sai lệch điện áp của máy hệ thống đều có tín hiệu điều chỉnh Hệ thống phản hồi theo độ lệch chỉ có một phản hồi điện áp
Từ sơ đồ khối, điện áp thực của máy phát được so sánh với điện áp chuẩn Uo, tạo ra tín hiệu điều khiển ∆U Tín hiệu này sau đó được khuyếch đại qua bộ khuyếch đại thực hiện và được đưa đến chỉnh lưu để cấp cho cuộn kích từ.
U0: Điện áp chuẩn SS : Bộ so sánh.
Uf : Điện áp máy phát KD : Bộ khuyếch đại.
Hình 2.6 :Sơ đồ nguyên lý (a) và sơ đồ khối (b) hệ thống điều chỉnh điện áp theo độ lệch
Hệ thống có thể được xây dựng bằng các phần tử điện tử hoặc dựa trên các phần tử mạch từ
+ Ưu điểm của hệ thống :
Hệ thống này nổi bật với độ chính xác tĩnh cao và khả năng điều chỉnh tốt Việc tự kích hoạt ban đầu diễn ra dễ dàng và đơn giản, đồng thời hệ thống có kích thước và khối lượng nhỏ gọn, đặc biệt là đối với các hệ thống sử dụng các phần tử điện tử.
Hệ thống này có nhược điểm là tính ổn định động kém và chỉ cung cấp một phản hồi điện áp, dẫn đến việc không thể khởi động trực tiếp các động cơ điện có công suất lớn trên tàu Do đó, đối với các trạm phát sử dụng hệ thống tự động điều chỉnh điện áp này, cần áp dụng các biện pháp khởi động để giảm dòng khởi động cho các động cơ có công suất lớn.
2.3.3 Hệ thống điều chỉnh điện áp theo nguyên tắc kết hợp :
Với sự gia tăng mức độ điện khí hoá và tự động hoá trên tàu thuỷ, việc ứng dụng các phần tử điện tử, vi mạch và công nghệ tin học ngày càng trở nên phổ biến Điều này dẫn đến yêu cầu cao hơn về chất lượng ổn định điện áp của máy phát Để tận dụng những ưu điểm của hai nguyên lý điều chỉnh điện áp theo nhiễu và độ lệch, hệ thống điều chỉnh điện áp theo nguyên tắc kết hợp đã được phát triển Hệ thống này có thể được phân loại thành hai loại khác nhau.
Hệ thống kết hợp giữa phức hợp pha và độ lệch
Hệ thống kết hợp giữa phức hợp dòng và độ lệch
( Hệ thống phức hợp pha và độ lệch ).
( Hệ thống phức hợp dòng và độ lệch )
CA: Cuộn áp CD: Cuộn dòng CTH: Cuộn tổng hợp CL: Chỉnh lưu CLT: Chỉnh lưu có điều khiển Kt: Kích từ
SS: Bộ so sánh TX: Bộ tạo xung điều khiển Uo: Điện áp chuẩn
Uf: Điện áp máy phát
Hình 2.7: Hệ thống điều chỉnh điện áp theo nguyên tắc kết hợp
- Phần điều chỉnh theo nhiễu thờng đợc thiết kế điện áp máy phát đạt khoảng 110% điện áp định mức
- Phần hiệu chỉnh theo độ lệch làm nhiệm vụ đa điện áp máy phát trở về điện áp định mức.
TỔNG HỢP BỘ TỰ ĐỘNG ĐIỀU CHỈNH ĐIỆN ÁP
2.4.1 Mô hình toán áy phát m i ôđ ện kh ng chổithan (brushless generator)
Để mô tả mô hình toán học của máy phát điện không chổi than, chúng ta cần xác định các chỉ số quan trọng của máy phát.
Dòng điện kích từ: i k Điện áp kích từ: u k
Dòng điện rotor: i r Điện áp rotor: u r Điện cảm kích từ: L K Điện trở kích từ: R K Điện cảm rotor: L R Điện trở rotor: R R Điện áp máy phát: u S
Giả thiết rằng điện áp rotor \( u_r \) có mối quan hệ tuyến tính với dòng kích từ \( i_k \) theo hệ số \( K_1 \), được biểu diễn bằng công thức \( u_r = K_1 \cdot i_k \) Đồng thời, điện áp máy phát \( u_s \) cũng có mối quan hệ tuyến tính với dòng rotor \( i_r \) theo hệ số \( K_2 \), được thể hiện qua công thức \( u_s = K_2 \cdot i_r \).
Khi đó ta có các phương trình mô tả máy phát điện đồng bộ không chổi than như sau: k k K K k R i dt
Chuyển sang miền ảnh Laplace ta có:
U = 2 viết dưới dạng mô hình hàm truyền đạt:
Mô hình toán của máy phát đồng bộ không chổi than có thể được xem là mô hình của hai khâu quán tính bậc nhất nối tiếp, tạo thành một khâu quán tính bậc hai.
2.4.2 Nguyê ý ln l àm việc ủa ộ ự động đ ều c b t i chỉnh i đ ệnáp
Sơ đồ nguyên lý hệ thống tự động điều chỉnh điện áp máy phát đồng bộ không chổi than dùng trên tầu thuỷ được thể hiện như sau:
AC GENERATOR & EXCIETER SWITCH BOARD
H ình 2.9: M ình áy phátô h m và nguy n lê ý mạch đ ều i chỉnh đ ện i áp Trong đó:
G: Máy phát chính Ex: máy phát kích từ
Si1: Cầu chỉnh lưu quay
AVR: Bộ tự động điều chỉnh điện áp
F1: cuộn kích từ của máy phát chính
F2: cuộn kích từ của máy phát kích CT: biến dòng
RT: cuộn kháng VR: biến trở hiệu chỉnh điện áp SP: điện trở sấy cho máy phát chính
Hệ thống điều chỉnh điện áp này là hệ thống kết hợp giữa phức hợp pha song song và độ lệch
Khi máy phát hoạt động:
Điện áp dây URT được đưa vào qua cuộn kháng RT, tạo ra dòng điện xoay chiều vuông pha với URT Dòng điện này được cộng với dòng điện cảm nhận từ biến dòng CT, trong đó dòng điện cảm nhận được là dòng điện cộng ngược pha của dòng tải từ hai pha.
Dòng điện xoay chiều sau khi được chỉnh lưu sẽ tạo ra điện áp một chiều, cung cấp cho cuộn kích từ của máy phát kích F2.
Ta có sơ đồ vector tương đương như sau:
Như vậy ta có thể thấy rằng:
Khi dòng tải tăng lên, dòng kích từ cũng sẽ tăng
Khi dòng tải thay đổi tính chất tải (góc lệch pha so với u thay đổi) dòng kích từ cũng sẽ thay đổi để tạo ra dòng tải yêu cầu
Bộ tự động điều chỉnh điện áp (AVR) sẽ điều chỉnh dòng kích từ để đảm bảo điện áp máy phát luôn đạt mức điện áp đặt.
Sơ đồ nguyên lý mạch hiệu chỉnh điện áp:
- Mạch đo và so sánh lấy giá trị sai lệch
- Mạch tạo xung đồng bộ
- Mạch VĐK tính thuật toán điều khiển
Khi điện áp của máy phát vượt quá giá trị đã được cài đặt, mạch đo và so sánh sẽ phát hiện sự sai lệch giữa điện áp thực tế và điện áp đã định.
Tín hiệu sai lệch được chuyển đổi thành tín hiệu số thông qua bộ biến đổi ADC và đưa vào VĐK Tại đây, VĐK thực hiện tính toán theo thuật toán điều khiển đã được cài đặt, sau đó xuất ra tín hiệu để mở van Thyristor.
Góc mở van nhiều hay ít sẽ làm cho điện áp kích từ tăng hay giảm Từ đó làm thay đổi điện áp ra ở đầu máy phát
2.4.3 Chọn tham số cho bộ điều khiển PID và chạy mô phỏng:
2.4.3.1 Chọn tham sốcho bộ đ iều khi PIển
T m ừ ục 2.4.1 chúng ta đã có được mô h áình to n của m áy phát đồng ộ b không chổi than được tuyến t ính á ho như một âu quán tính b kh ậc2:
Dưới đây, chúng ta sẽ áp dụng phương pháp tối ưu độ ớn để xác định các tham số của bộ điều khiển PID Phương pháp này sẽ giúp cải thiện hiệu suất điều khiển trong hệ thống Việc tối ưu hóa độ ớn không chỉ nâng cao độ chính xác mà còn tăng cường khả năng phản hồi của hệ thống điều khiển.
M ột trong những yêu cầu chất ượng đối ới ệ l v h thống đ ều i khiển k mô t ín ả b h ởi àm truyền đạt :
Trong đó: S: l àm truyền đối ượng à h b i
R: l àm truyền ộ đ ều khiển là h ệ thống ôlu n có được đáp ứng y(t) giống như tín hiệu ệnh được đưa ở l đầu và wo (t) t mọi thời iại đ ểm tần sốho ặc ít ra thời gian quá độ để y(t) bám được v wào (t) càng ngắn càng tốt Nói cách khác, bộ đ iều khi n lý tể ưởng R(s) c n phầ ải mang đến cho hệ thống kh n ng: ả ă
Trong thực tế, nhiều lý do khiến việc yêu cầu hàm truyền R(s) thỏa mãn các điều kiện êtr n trở nên khó khăn Do đó, người ta thường thỏa hiệp bằng cách điều chỉnh R(s) để hệ thống có thể đáp ứng các điều kiện êtr n trong một vùng lân cận của 0.
Bộ điều khiển R(s) có thể được tối ưu hóa khi G(jω) ≈ 1 trong dải tần số thấp với độ rộng lớn, được gọi là bộ điều khiển tối ưu Để điều khiển đối tượng có độ trễ bậc hai, cần chọn tham số cho bộ điều khiển PI theo phương pháp tối ưu độ lớn.
Do đó h h có h ệ ở àm truyền đạt :
Khi đó h àm truyền đạt ệ h kí à: n l k s T s T s k
= + Để thoả m iãn đ ều ện ki G k ( j ω ) ≈ 1trong một d t s ải ần ố thấp có độ rộng ớn, l ta chọn TRsao cho:
V ôậyth ng số ủa ộ đ ều c b i khiểnPI đượcchọn là:
T ôừth ng sốghi trên nh n máy ã
Ta có h àm truyền c mủa áy phát đồng ộ b ôkh ng chổithan là:
THIẾT KẾ BỘ TỰ ĐỘNG ĐIỀU CHỈNH ĐIỆN ÁP SỐ TRÊN NỀN VI ĐIỀU KHIỂN PSOC
2.5.1 Gi ớithiệu vè VĐK PSOC
PSoC, viết tắt của Programmable System on Chip, là hệ thống khả trình trên chip cho phép cấu hình linh hoạt bằng cách gán chức năng cho các khối tài nguyên có sẵn Chip PSoC tích hợp các khối ngoại vi số và tương tự, bộ vi xử lý 8 bit, và bộ nhớ chương trình (EPROM) cùng với bộ nhớ RAM lớn Để lập trình, người dùng sử dụng phần mềm PSoC Designer và cần một kit phát triển để nạp chương trình Phần mềm thiết kế theo hướng đối tượng với cấu trúc modul hóa, cho phép người lập trình tùy chỉnh cấu hình chip qua thư viện chuẩn Với khả năng cấu hình mạnh mẽ, PSoC có thể thay thế nhiều chức năng của hệ thống cơ bản chỉ bằng một chip duy nhất, giúp tạo ra thiết bị điều khiển và đo lường giá rẻ, nhỏ gọn Cypress không gọi sản phẩm của mình là vi điều khiển mà là PSoC, với hy vọng sẽ thay thế các thiết bị dựa trên vi xử lý truyền thống.
2.5.1.1 Thông số kỹ thuật của chip PSoC
Bộ vi xử lý cấu trúc Harvard
+ Tốc độ của bộ vi xử lý lên đến 24 MHZ
+ Lệnh nhân 8 bit x 8 bit, thanh ghi tích luỹ là 32 bit
+ Dải điện áp hoạt động từ 3.0V đến 5.2V
+ Điện áp hoạt động có thể giảm xuống 1.0V khi sử dụng chế độ kích điện áp
+ Hoạt động trong dải nhiệt độ 40 đến 85 - o C
Các khối ngoại vi có thể sử dụng độc lập hoặc kết hợp
Khối ngoại vi tương tự có thể được thiết lập để làm các nhiệm vụ:
+ Các bộ ADC lên tới 14 bit
+ Các bộ DAC lên tới 9 bit
+ Các bộ khuyếch đại có thể lập trình được hệ số khuyếch đại
+ Các bộ lọc và các bộ so sánh có thể lập trình được
8 Khối ngoại vi số có thể thiết lập để làm các nhiệm vụ:
+ Các bộ định thời đa chức năng, đếm sự kiện, đồng hồ thời gian thực, bộ điều chế độ rộng xung có và không có dải an toàn (deadband)
+ Các modul kiểm tra lỗi (CRC modul)
+ Hai bộ truyền thông SPI Master hoặc Slave có thể cấu hình được
+ Có thể kết nối với các chân vào ra
Bộ nhớ linh hoạt trên chip
+ Không gian bộ nhớ chương trình Flash từ 4Kb đến 32Kb, phụ thuộc vào từng loại chíp với chu kỳ xoá bộ nhớ Flash là 50.000 lần
+ Không gian bộ nhớ Ram từ 256Byte đến 2Kb
+ Chip có thể lập trình thông qua chuẩn nối tiếp (ISSP)
+ Bộ nhớ Flash có thể nâng cấp từng phần
+ Chế độ bảo mật đa năng tin cậy
+ Có thể tạo được không gian bộ nhớ Flash trên chip tới 2.304byte
Có thể lập trình được cấu hình cho từng chân của chip
+ Các chân vào ra ba trạng thái sử dụng Trigger Schmit
+ Đầu ra logic có thể cung cấp dòng tới 25 mA với điện trở treo cao hoặc thấp bên trong
+ Đầu ra tương tự có thể cung cấp dòng tới 40mA
+ Đầu ra đa chức năng có từ 6 đến 44 chân tuỳ thuộc vào từng loại chip Xung nhịp của chip có thể lập trình được
+ Bộ tạo dao động 24/48 MHz bên trong (Độ chính xác 2.5%, không cần thiết bị ngoài)
+ Có thể lựa chọn bộ dao động ngoài lên tới 24 MHz
+ Bộ dao động thạch anh 32,768 kHz bên trong
+ Bộ tạo dao động tốc độ thấp bên trong sử dụng cho Watchdog và Sleep Ngoại vi đươc thiết lập sẵn
Bộ định thời Watchdog và chế độ Sleep đảm bảo an toàn và tiết kiệm năng lượng cho hệ thống Modul SPI truyền thống hoạt động ở tốc độ lên tới 400 kHz, cho phép giao tiếp nhanh chóng và hiệu quả Ngoài ra, modul phát hiện điện áp thấp có thể được cấu hình tùy chỉnh bởi người sử dụng, đáp ứng linh hoạt nhu cầu ứng dụng.
+ Phần mềm phát triển miễn phí Psoc Designer
+ Bộ lập trình và bộ mô phỏng với đầy đủ tính năng
+ Mô phỏng ở tốc độ cao
2.5.1.1 Cấu trúc vi xử lý a, Các bộ xử lý trung tâm CPU
Các họ chip PSoC sử dụng bộ vi xử lý 8 bit với cấu trúc Harvard, trong đó bus dữ liệu, bus địa chỉ và tín hiệu điều khiển cho bộ nhớ chương trình và bộ nhớ dữ liệu hoạt động độc lập Bộ vi xử lý này có 5 thanh ghi điều khiển chính, chịu tác động từ các lệnh khác nhau, và người dùng không thể truy cập trực tiếp vào các thanh ghi này qua không gian bộ nhớ Danh sách các thanh ghi của CPU được trình bày trong bảng dưới đây.
Bảng 2.1: Các thanh ghi của CPU
Thanh ghi Mã gợi nhớ
Flags (thanh ghi cờ) CPU_F
Program Cout (thanh ghi er đếm chươngtrình) CPU_PC
Accumulator (thanh ghi chứa) CPU_A Stack Point (thanh ghi con trer ỏstack) CPU_SP
Index (thanh ghi chỉ ố s ) CPU_X
Tất cả các thanh ghi trong hệ thống đều có kích thước 8 bit, ngoại trừ thanh ghi PC có kích thước 16 bit Sau khi khởi động lại, các thanh ghi A, X, PC và SP đều có giá trị 00h, trong khi thanh ghi F có giá trị 02h, cho biết cờ Z đã được thiết lập.
Bộ đếm chương trình (CPU_PC) là một thanh ghi 16 bit, cho phép lập trình viên truy cập trực tiếp vào toàn bộ không gian bộ nhớ chương trình trên chip, lên tới 16kbyte cho thành viên lớn nhất Không gian bộ nhớ này là liên tục và không yêu cầu tạo thanh trang (no paging).
Thanh ghi chứa (Accumulator) là một thanh ghi đa năng, thường được sử dụng để lưu trữ kết quả của các lệnh trong chế độ địa chỉ nguồn.
Thanh ghi chỉ số lưu giữ giá trị offset trong chế độ địa chỉ chỉ số, giúp chỉ định một khối dữ liệu trong không gian nhớ dữ liệu.
Thanh ghi con trỏ Stack (Stack Pointer) lưu trữ địa chỉ của đỉnh Stack trong bộ nhớ dữ liệu và bị tác động bởi các lệnh như PUSH, POP, LCALL, RETI và RET Ngoài ra, nó cũng có thể bị ảnh hưởng bởi lệnh SWAP và lệnh ADD, liên quan đến các thao tác trên Stack trong phần mềm.
Thanh ghi cờ (Flags) bao gồm ba bit trạng thái quan trọng: bit cờ không (Zero Flag bit), bit cờ nhớ (Carry Flag bit), và bit Supervisory State Bit cho phép ngắt toàn cục (Global Interrupt enable bit) được sử dụng để cho phép hoặc cấm tất cả các ngắt Các cờ này bị ảnh hưởng bởi các lệnh toán học và các lệnh logic khác.
Bộ điều khiển trong chip PSoC cho phép thực hiện mã lập trình khi có ngắt từ các khối chức năng Mỗi khối số và khối tương tự đều có ngắt riêng, bao gồm ngắt cho nguồn cấp, chế độ ngủ, xung nhịp thay đổi, và một ngắt toàn cục cho các chân vào ra đa chức năng.
Bộ điều khiển ngắt cùng với các thanh ghi cho phép vô hiệu hoá các ngắt một cách đồng thời hoặc độc lập Các thanh ghi cung cấp phương thức để người dùng
* Mô tả cấu trúc của bộ điều khiển ngắt:
Dãy các sự kiện xảy ra khi một ngắt được thi hành như sau:
Khi một ngắt được kích hoạt, có thể do điều khiển ngắt sinh ra, chẳng hạn như do tràn bộ đếm, và ngắt này đã được cho phép bởi thanh ghi mặt nạ che ngắt Ngoài ra, có thể có một ngắt đang chờ xử lý và GIE (Global Interrupt Enable) được đặt từ 0 sang 1 trong thanh ghi cờ CPU.
Lệnh thi hành hiện thời kết thúc ở biên giới lệnh (biên giới lệnh là thời điểm CPU chuyển từ lệnh này sang lệnh khác)
Thủ tục ngắt bên trong được thực hiện, tiêu tốn 13 chu kỳ máy Trong khoảng thời gian này CPU thực hiện những công việc sau:
+ Lưu byte cao, byte thấp của bộ đếm chương trình (PCH và PCL) và thanh ghi cờ (CPU_F) vào trong stack theo thứ tự trên
+ Thanh ghi cờ được xoá trắng va từ đó bit GIE bị xoá về 0 và những ngắt mới sinh ra tạm thời bị cấm
Khi xảy ra ngắt, byte cao của bộ đếm chương trình (PC[15:8]) sẽ được đặt về giá trị 0 Đồng thời, vector ngắt sẽ được đọc từ bộ điều khiển vector ngắt và giá trị này sẽ được lưu vào byte thấp của bộ đếm chương trình (PC[7:0]) Điều này giúp bộ đếm chương trình trỏ đến địa chỉ chính xác trong bảng vector ngắt.
Chương trình sẽ thực hiện vector trong bảng vector ngắt, trong đó lệnh LJMP sẽ chuyển sự thi hành của CPU tới trình phục vụ ngắt do người dùng định nghĩa để xử lý ngắt này.
Trong quá trình thực hiện trình phục vụ ngắt, tất cả các ngắt đều bị vô hiệu hóa khi bit GIE=0 Nếu cần thiết, các ngắt khác có thể được kích hoạt lại trong trình phục vụ ngắt bằng cách thiết lập bit GIE=1, tuy nhiên cần thận trọng vì điều này có thể dẫn đến tràn stack.