Cấu trúc điển hình của thiết bị điều khiển máy điện. Chương trình Cao học Bộ môn TBĐ- ĐT Viện Điện ĐHBK Hà Nội.
CẤU TRÚC ĐIỂN HÌNH CỦA THIẾT BỊ ĐIỀU KHIỂN MÁY ĐIỆN Chương trình Cao học Bộ môn TBĐ-ĐT Viện Điện ĐHBK Hà Nội Chuong 1 Mục đích: Nắm vững cấu trúc điển hình điều khiển thiết bị điện Nội dung: Hệ thống điều khiển tự động máy điện Các phần tử tự động điều khiển tự động Các biến đổi điện tử công suất Một số ví dụ điển hình Chuong Tài liệu tham khảo: 1) Trần Văn Thịnh, Hà Xuân Hoà, Nguyễn Vũ Thanh,Tự động hoá điều khiển Thiết bị điện, NXB GD, 2008 2) Bùi Quốc Khánh, Nguyễn Văn Liễn, Phạm Quốc Hải, Dương Văn Nghi, Điều chỉnh tự động truyền động điện, NXB KH&KT, 2001 3) Lê Văn Doanh, Nguyễn Thế Công, Trần Văn Thịnh, Điện tử công suất, Tập & NXB KH&KT, 2004-2005 4) Bimal K Bose Power Electronis and Motor Drives, Advances and Trends 2006 Elsevier 5) John Chiasson Modeling and High-Performance Control of Electric Machines 2005 John Wiley & Sons, Inc., Hopoken, New Jersey Chuong Chương Hệ thống điều khiển tự động máy điện 1.1 Sơ đồ cấu trúc điều khiển tự động máy điện Xđk Xđ Hiệu chỉnh (Regulator) NL NL Bộ biến đổi (Convertor) Máy Điện Xph Đo lường (Sensor) Chuong 1.1.1 Chỉ tiêu đánh giá chất lượng hệ thống điều khiển máy điện 1) Chất lượng tĩnh: - Sai số tĩnh - Độ trơn điều chỉnh - Dải điều chỉnh - Sự phù hợp đặc tính điều chỉnh tải 2) Chất lượng động: - Ổn định - Độ tác động nhanh - Độ điều chỉnh - Số lần dao động Chuong 1.1.3 Máy điện - Đối tượng điều khiển (Cơ cấu chấp hành) 1) Thiết bị điện nguồn: - Máy phát đồng - Máy phát không đồng - Nguồn ổn áp, nguồn liên tục (UPS) - Nguồn lượng tái tạo: Gió, mặt trời, sinh học, thủy triều 2) Động điện: - Động chiều - Động xoay chiều: KĐB, ĐB - Động đặc biệt: ĐC bước, ĐC chiều không chổi than Chuong 1.1.4 Các hệ thống điều khiển thiết bị điện nguồn Nguồn AC: Sử dụng máy phát xoay chiều nguồn DC + với biến đổi điện tử công suất để đảm bảo thông số: - Giá trị điện áp hiệu dụng, sai số cho phép - Tần số + sai số cho phép, số pha - Méo hài tổng (Total Harmonic Distortion -THD) Nguồn DC: Sử dụng trực tiếp máy phát chiều nguồn xoay chiều + biến đổi điện tử công suất để đảm bảo thông số: - Giá trị điện áp trung bình, sai số cho phép - Giao động (độ nhấp nhô) cho phép Chuong 1.1.5 Các hệ thống điều khiển động - Duy trì đại lượng đặt không đổi: tốc độ, mô men, công suất (máy cắt gọt kim loại, nâng vận chuyển, công nghiệp dệt nhuộm, công nghiệp giấy ) - Tùy động bám theo đại lượng đặt biến thiên: điều khiển vị trí (hệ truyền động ăn dao, hệ quay rada, anten ) - Điều khiển chương trình đại lượng đặt theo chương trình cho trước (Dây truyền SX tự động có robot, máy CNC - Computer Numeric Control ) Chuong 1.1.6 Nguyên tắc xây dựng hệ thống điều khiển - Đáp ứng yêu cầu kỹ thuật (máy phát, động cơ) - Kích thước, giá thành hợp lý - Điều khiển đơn giản, hoạt động tin cậy - Linh hoạt, an toàn thuận tiện điều khiển - Dễ dàng phát kiểm tra cố - Thuận tiện cho lắp đặt, sửa chữa vận hành Chuong 1.2 Độ xác hệ thống điều khiển tự động - Đánh giá thông qua sai lệch đại lượng điều khiển với tín hiệu điều khiển chế độ xác lập độ - Sai lệch nhiều nguyên nhân, ví dụ già hóa phần tử hệ thống làm thay đổi thông số, nhiễu loạn trôi điểm không - Từ lựa chọn phương pháp điều khiển, hiệu chỉnh, bù thích hợp Chuong 10 Hàm truyền đối tượng điều chỉnh dạng tổng quát: K ∏ (1 + T j p )e−Td p m S0 ( p ) = j =1 p i ∏ (1 + Tk p )∏ (1 + Ts' p ) v u k =1 s =1 Td: Hằng số thời gian khâu trễ Tk: Hằng số thời gian lớn cần bù hiệu chỉnh T’s: Hằng số thời gian nhỏ không cần bù Một mạch vòng hiệu chỉnh gồm đối tượng S mạch phụ: R1 ( p) S01 ( p) F1 ( p) = R1 ( p) S01 ( p) + F02 ( p) = S02 ( p) F1 ( p) Chuong 22 1.3.1 Tiêu chuẩn tối ưu modun: Đặc tính biên – tần: Khi ω → ∞, modun → dải tần thấp nhất, hàm truyền phải đạt: F ( jω ) ≈ Khi hàm chuẩn theo tiêu chuẩn có dạng: FMD ( p) = 2 + 2τ σ p + 2τ σ p Đặc điểm: - Hiệu chỉnh đặc tính tần tần số thấp - Kiểm tra ổn định hệ thống Xét tiêu chuẩn để xác định hàm truyền R(p) theo dạng hàm truyền đối tượng S(p) Chuong 23 Ví dụ: Xđ X R(p) - S0(p) Đối tượng có hàm truyền: K1 S0 ( p) = (1 + T1 p )(1 + T2 p ) Với T2 > T1 Theo tiêu chuẩn tối ưu modun: R ( p ) S0 ( p ) F ( p) = FMD ( p) = R( p) S0 ( p) + FMD ( p) → R( p) = = S0 ( p) [1 − FMD ( p)] S0 ( p)2τ σ p (1 + τ σ p ) + Tp Nếu chọn hiệu chỉnh PI: KT0 p Bù số lớn T = T2, cần xác định KT0 R( p) = Chuong 24 Với R(p) PI, ta có hàm truyền hệ hở: K1 F0 ( p) = R( p) S0 ( p) = KT0 p (1 + T1 p ) Hàm truyền hệ kín: K1 F ( p) = = KT0 p (1 + T1 p ) + K1 + KT0 p + KT0T1 p K1 K1 Để F(p) = FMD(p), ta suy ra: KT0 = 2T1 K1 F ( p) = + 2T1 p + 2T12 p Chuong 25 + T2 p R( p) = K1T1 p Hàm truyền khâu hiệu chỉnh: Khi trình độ có dạng: X(t) 4,3% +/-2% Xđ = 1(t) 0,63 t 2T1 4,7T1 8,4T1 Chuong 26 1.3.2 Tiêu chuẩn tối ưu đối xứng: Thường ứng dụng để hiệu chỉnh hệ có yêu cầu vô sai cấp cao theo quan điểm nhiễu loạn (tải) Hàm chuẩn theo tiêu chuẩn có dạng: + 4τ σ p FDX ( p) = 2 3 + 4τ σ p + 8τ σ p + 8τ σ p Đặc điểm: FDX có thành phần vi phân (D) tử số nên có độ điều chỉnh cao so với tiêu chuẩn tối ưu modun Xét tiêu chuẩn để xác định hàm truyền R(p) theo dạng hàm truyền đối tượng S(p) Chuong 27 Ví dụ: + Khi đối tượng có hàm truyền vô sai cấp 1: K1 S0 ( p ) = pT1 (1 + Ts p ) Với Ts tổng số thời gian nhỏ: Chọn khối hiệu chỉnh R(p) khâu PI: + T0 p R( p) = KT0 p Khi đó: K1 (1 + T0 p ) F ( p) = KT0T1Ts p + KT0T1 p + K1T0 p + Chuong 28 Để F(p) = FDX(p), ta có: ( K1T0 ) − K1KT0T1 = 2 ( K1T0T1 ) − K1KT0 T1Ts = Suy ra: K1Ts K= T1 T1 (1 + 4Ts p) R( p) = 8K1Ts p T0 = 4Ts F(p) có dạng: + 4Ts F ( p) = + 4Ts p + 8Ts2 p + 8Ts3 p Chuong 29 Khi trình độ X(t) có dạng đường (1): 43,4% X(t)-(1) Xđ = 1(t) 8,1% X(t)-(2) +/-2% t 3,1Ts 7,8Ts Chuong 13,3Ts 16,5Ts 30 + Khi đối tượng có khâu quán tính thứ với số T2 lớn, S0(p) có dạng: K1 S0 ( p ) = pT1 (1 + T2 p )(1 + Ts p ) R(p) khâu PID + Khi đối tượng có dạng vô sai cấp R(p) khâu hiệu chỉnh P + Do có độ điều chỉnh lớn (43,4%) nên thông thường có thêm khâu quán tính có số thời gian 4Ts vào tín hiệu đặt Xđ trước vào cộng tín hiệu phản hồi Khi đặc tính độ X(t) có dạng đường (2) có độ điều chỉnh nhỏ nhiều (8,1%) Chuong 31 1.3.3 Tổng hợp hiệu chỉnh theo nhiễu loạn: Xét sơ đồ khối, với P(p) nhiễu loạn: P(p) Xđ - Với: R(p) X S0(p) K1 S0 ( p ) = (1 + T1 p )(1 + Ts p ) + T0 p R( p) = KT0 p Chuong 32 - Theo tiêu chuẩn tối ưu đối xứng, T1 >> Ts ta coi S0(p) khâu vô sai cấp 1, R(p) có dạng: T1 (1 + 4Ts p) R( p) = 8K1Ts p Hàm truyền hệ theo nhiễu loạn: S0 ( p ) R ( p ) S0 ( p ) X ( p) F ( p) =− =− =− P( p) + R( p ) S0 ( p ) R( p)[1 + R( p) S0 ( p)] R( p) K1 =− T1 8Ts2 p 8Ts Ts 2 3 + 4Ts 1 + + + T p + T s s p T1 T1 Chuong 33 - Theo tiêu chuẩn tối ưu đối xứng: (1 + T1 p) R( p) = K1Ts p Khi đó: X ( p) =− P( p) K1Ts p T1 2 T1 + 2Ts 1 + p + + T p + T T s s p 2Ts Ts Chuong 34 X(t) theo tiêu chuẩn tối ưu đối xứng: X(t)/K1 10 15 20 t/Ts T1/Ts = - 0,2 - 0,4 T1/Ts = T1/Ts = Chuong 35 X(t) theo tiêu chuẩn tối ưu modun: X(t)/K1 10 15 20 t/Ts T1/Ts = - 0,2 - 0,4 T1/Ts = T1/Ts = Nhận xét: - T1/Ts nhỏ nên tổng hợp theo tiêu chuẩn tối ưu modun - T1/Ts lớn nên tổng hợp theo tiêu chuẩn tối ưu đối xứng Chuong 36 [...]... tốc C2 = a2 – b2 = 1/K Chuong 1 20 1.3 Tổng hợp các mạch vòng hiệu chỉnh (regulator) Xét 1 hệ tổng quát có nhiều thông số điều chỉnh: P1 Xnđ X2đ - Rn(p) X1đ R2(p) X1 R1(p) - S01(p) P2 X2 S02(p) Xn S0n(p) Pn X1đ…Xnđ: Tín hiệu đặt R1…Rn: Khối hiệu chỉnh X1…Xn: Thông số điều chỉnh S01…S0n: Đối tượng điều chỉnh P1…Pn: Nhiễu loạn của đối tượng Chuong 1 21 Hàm truyền của đối tượng điều chỉnh dạng tổng... p) Chuong 1 22 1.3 .1 Tiêu chuẩn tối ưu modun: Đặc tính biên – tần: Khi ω → ∞, modun → 0 ở dải tần thấp nhất, hàm truyền phải đạt: F ( jω ) ≈ 1 Khi đó hàm chuẩn theo tiêu chuẩn có dạng: 1 FMD ( p) = 2 2 1 + 2τ σ p + 2τ σ p Đặc điểm: - Hiệu chỉnh đặc tính tần ở tần số thấp - Kiểm tra ổn định của hệ thống Xét tiêu chuẩn để xác định hàm truyền R(p) theo các dạng hàm truyền cơ bản của đối tượng S(p) Chuong. .. có độ quá điều chỉnh nhỏ hơn rất nhiều (8,1%) Chuong 1 31 1.3 .3 Tổng hợp các bộ hiệu chỉnh theo nhiễu loạn: Xét 1 sơ đồ khối, với P(p) là nhiễu loạn: P(p) Xđ - Với: R(p) X S0(p) K1 S0 ( p ) = (1 + T1 p )(1 + Ts p ) 1 + T0 p R( p) = KT0 p Chuong 1 32 - Theo tiêu chuẩn tối ưu đối xứng, nếu T1 >> Ts ta coi S0(p) là khâu vô sai cấp 1, R(p) có dạng: T1 (1 + 4Ts p) R( p) = 2 8K1Ts p Hàm truyền của hệ theo.. .1.2 .1 Các hệ số sai lệch: Xét hệ thống tự động cơ bản: N1 X e Nn Y F0(p) Máy SX -Y Y ( p ) = F ( p ) X ( p ) + ∑ Fi ( p ) Ni ( p ) i F0 ( p ) : Hàm truyền hệ kín F ( p) = 1 + F0 ( p ) Fi ( p ) : Hàm truyền các nhiễu loạn Chuong 1 11 Khi X(t) và Ni(t) thỏa mãn điều kiện Mc.Laurin thì e(t) = X(t) – Y(t) có dạng chuỗi: dX ( t ) d 2... tuyệt đối Chuong 1 12 Hàm truyền của hệ đối với sai lệch: E ( p) 1 = Fe ( p ) = X ( p ) 1 + F0 ( p) = ( C0 + C1 p + C2 p 2 + + Ci p i ) X ( p ) Suy ra các hệ số sai lệch: C0 = lim {Fe ( p )} p →0 1 C1 = lim Fe ( p ) − C0 p →0 p 1 C2 = lim 2 Fe ( p ) − C0 − C1 p p →0 p i −1 1 Ci = lim Fe ( p ) − ∑ Ck p k p →0 p k =0 Chuong 1 13 Hàm truyền của hệ đối... = a1 bm = am Chuong 1 15 1.2 .2 Tiêu chuẩn đánh giá sai lệch: 1) Tiêu chuẩn tích phân bình phương sai lệch (ISE): Công thức: ∞ 2 e ∫ (t )dt → min 0 Ưu và nhược điểm: - Đáp ứng nhanh để giảm thiểu sai lệch - Có tác dụng đối với sai lệch lớn tqđ nhỏ - Tính toán đơn giản theo giải tích hay thực nghiệm - Hệ dễ mất ổn định - Ít tác dụng đối với sai lệch nhỏ Chuong 1 16 2) Tiêu chuẩn tích phân của tích thời... giá trị tuyệt đối của sai lệch (ITAE): Tiêu chuẩn ITSE có Công thức: đánh giá tương tự ∞ ∫ t e(t ) dt → min 0 ∞ 2 te ∫ (t )dt → min 0 Ưu và nhược điểm: - Đáp ứng tốt cho các dao động quá độ giảm độ quá điều chỉnh và suy giảm nhanh các dao động - Tính toán theo thực nghiệm dễ dàng - Khó tính toán bằng giải tích - Ít tác dụng với sai lệch lớn ban đầu - Ít tác dụng đối với sai lệch nhỏ Chuong 1 17 3) Đánh... dạng: X(t) 4,3% +/-2% Xđ = 1(t) 0,63 t 0 2T1 4,7T1 8,4T1 Chuong 1 26 1.3 .2 Tiêu chuẩn tối ưu đối xứng: Thường ứng dụng để hiệu chỉnh hệ có yêu cầu vô sai cấp cao theo quan điểm nhiễu loạn (tải) Hàm chuẩn theo tiêu chuẩn có dạng: 1 + 4τ σ p FDX ( p) = 2 2 3 3 1 + 4τ σ p + 8τ σ p + 8τ σ p Đặc điểm: FDX có thành phần vi phân (D) trên tử số nên có độ quá điều chỉnh cao hơn so với tiêu chuẩn tối ưu modun Xét... để xác định hàm truyền R(p) theo các dạng hàm truyền cơ bản của đối tượng S(p) Chuong 1 27 Ví dụ: + Khi đối tượng có hàm truyền vô sai cấp 1: K1 S0 ( p ) = pT1 (1 + Ts p ) Với Ts là tổng hằng số thời gian nhỏ: Chọn khối hiệu chỉnh R(p) là khâu PI: 1 + T0 p R( p) = KT0 p Khi đó: K1 (1 + T0 p ) F ( p) = KT0T1Ts p 3 + KT0T1 p 2 + K1T0 p + 1 Chuong 1 28 Để F(p) = FDX(p), ta có: ( K1T0 ) − 2 K1KT0T1 = 0... + 8Ts2 p 2 + 8Ts3 p 3 Chuong 1 29 Khi đó quá trình quá độ X(t) có dạng đường (1): 43,4% X(t)-(1) Xđ = 1(t) 8,1% X(t)-(2) +/-2% t 0 3,1Ts 7,8Ts Chuong 1 13,3Ts 16,5Ts 30 + Khi đối tượng có khâu quán tính thứ 2 với hằng số T2 lớn, S0(p) có dạng: K1 S0 ( p ) = pT1 (1 + T2 p )(1 + Ts p ) R(p) là khâu PID + Khi đối tượng có dạng vô sai cấp 2 R(p) là khâu hiệu chỉnh P + Do có độ quá điều chỉnh lớn (43,4%) ... p (1 + T1 p ) Hàm truyền hệ kín: K1 F ( p) = = KT0 p (1 + T1 p ) + K1 + KT0 p + KT0T1 p K1 K1 Để F(p) = FMD(p), ta suy ra: KT0 = 2T1 K1 F ( p) = + 2T1 p + 2T12 p Chuong 25 + T2 p R( p) = K1T1... T0 p ) F ( p) = KT0T1Ts p + KT0T1 p + K1T0 p + Chuong 28 Để F(p) = FDX(p), ta có: ( K1T0 ) − K1KT0T1 = 2 ( K1T0T1 ) − K1KT0 T1Ts = Suy ra: K1Ts K= T1 T1 (1 + 4Ts p) R( p) = 8K1Ts p T0 = 4Ts F(p)... có dạng: F0 ( p) = K (1 + T1' p ) (1 + T2' p ) p (1 + T1 p ) (1 + T2 p ) K (1 + T1' p ) (1 + T2' p ) F0 ( p) F ( p) = = + F0 ( p ) K (1 + T1' p ) (1 + T2' p ) p (1 + T1 p ) (1 + T2 p ) = + ( ∑