Ổn định điện áp đầu ra máy phát điện một chiều kích từ độc lập sử dụng thuật toán điều khiển PID

TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ BỘ MÔN : KỸ THUẬT ĐIỆN Ổn định điện áp đầu máy phát điện chiều kích từ độc lập sử dụng thuật toán điều khiển PID HÀ NỘI Tháng 09 năm 2016 MỤC LỤC LỜI MỞ ĐẦU CHƯƠNG 1: KHẢO SÁT MÁY PHÁT ĐIỆN MỘT CHIỀU SỬ DỤNG TRÊN ĐẦU MÁY Giới thiệu máy phát điện chiều 1.1 Máy phát điện chiều kích từ độc lập .5 1.2 Máy phát điện kích từ song song 1.3 Máy phát điện kích từ nối tiếp .8 1.4 Máy phát điện kích từ hỗn hợp Khảo sát máy phát điện ZQF – 23 sử dụng đầu máy D10H 2.1 Kết cấu 2.2 Thông số kỹ thuật máy phát ZQF – 23 11 2.3 Nguyên lý làm việc 12 Tại phải ổn định điện áp đầu máy phát 13 CHƯƠNG 2: NHẬN DẠNG ĐỐI TƯỢNG 15 Khái niệm nguyên tắc 15 1.1 Khái niệm 15 1.2 Các bước tiến hành .15 1.3 Phân loại phương pháp nhận dạng 16 Tiến hành thực nghiệm 19 2.1 Khi máy phát chạy không tải 19 2.2 Khi máy phát làm việc có tải .21 Lựa chọn phương pháp nhận dạng 23 3.1 Tìm hệ số hàm truyền .23 3.2 Đánh giá độ ổn định hệ thống 34 CHƯƠNG 3: LỰA CHỌN PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN 40 Giới thiệu điều khiển PID 40 1.1 Khâu P 41 1.2 Khâu I 42 1.3 Khâu D .43 1.4 Tổng hợp ba khâu – Bộ điều khiển PID 44 1.5 Rời rạc hóa điều khiển PID 45 Thiết kế điều khiển PID 49 2.1 Sử dụng hàm độ đối tượng 49 2.2 Sử dụng giá trị tới hạn thu từ thực nghiệm 51 Ứng dụng PID vào hệ thống thực 56 CHƯƠNG 4: GIỚI THIỆU VỀ VI ĐIỀU KHIỂN PSOC VÀ LINH KIỆN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT 59 Khối vi điều khiển Psoc 59 Tìm hiểu linh kiện điện tử công suất 78 2.1 Những ưu điểm mosfet 78 2.2 Các nhược điểm Mosfet .78 2.3 Các thông số quan trọng mosfet 79 CHƯƠNG 5: THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN VÀ CÔNG SUẤT CHO YÊU CẦU BÀI TOÁN .81 Sơ đồ mạch nguyên lý 81 1.1 Khối điều khiển 82 1.2 Khối cảm biến (phản hồi) 82 1.3 Khối mạch công suất 87 1.4 Tính chọn Mosfet 89 1.5 Thiết kế mạch in thiết lập chương trình cho chip PSOC CY8C24423 91 Thiết lập phần cứng cho Psoc CY8C24423 92 2.1 Cấu hình cho tài nguyên toàn cục 92 2.2 PGA DElSIG11 (ADC 11bit) 94 2.3 Khối PWM_1 .96 2.4 Thiết lập cho khối TIMER8 .98 Lưu đồ thuật toán 100 3.1 Lưu đồ thuật toán tìm sai số 100 3.2 Lưu đồ thuật toán sử dụng PID để tìm PWM 101 3.3 Lưu đồ thuật toán cho chương trình 102 Code chương trình .103 CHƯƠNG 6: KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM 111 Mô hình điều khiển mô hình chạy thực nghiệm 111 1.1Xây dựng mô hình điều khiển thực nghiệm .111 1.2 Mô hình chạy thực nghiệm .111 Kết đạt 112 LỜI MỞ ĐẦU Cùng với phát triển ngày mạnh mẽ ngành công nghiệp chiều rộng lẫn chiều sâu, điện máy điện đóng vai trò quan trọng, thiếu phần lớn ngành công nghiệp đời sống sinh hoạt người Nó trước bước làm tiền đề mũi nhọn định thành công hệ thống sản xuất công nghiệp.Không quốc gia nào, sản xuất không sử dụng điện máy điện Do tính ưu việt hệ thống điện xoay chiều: dễ sản xuất, dễ truyền tải , máy phát động điện xoay chiều có cấu tạo đơn giản công suất lớn, dễ vận hành mà máy điện (động điện) xoay chiều ngày sử dụng rộng rãi phổ biến Tuy nhiên động điện chiều giữ vị trí định công nghiệp giao thông vận tải nói chung thiết bị cần điều khiển tốc độ quay liên tục phạm vi rộng (như máy cán thép, máy công cụ lớn, đầu máy điện ), tàu lửa Mặc dù so với động không đồng để chế tạo động điện chiều cỡ giá thành đắt sử dụng nhiều kim loại màu hơn, chế tạo bảo quản cổ góp phức tạp ưu điểm mà máy điện chiều thiếu sản xuất đại Ưu điểm động điện chiều dùng làm động điện hay máy phát điện điều kiện làm việc khác Song ưu điểm lớn động điện chiều điều chỉnh tốc độ khả tải Nếu thân động không đồng đáp ứng đáp ứng phí thiết bị biến đổi kèm (như biến tần ) đắt tiền động điện chiều điều chỉnh rộng xác mà cấu trúc mạch lực, mạch điều khiển đơn giản đồng thời lại đạt chất lượng cao Trong hệ thống đầu máy toa xe sử dụng động điện kéo chiều chủ yếu người ta sử dụng loại động điện kéo chiều kích từ độc lập tính ưu việt nó: Chịu tải lâu dài được, làm việc điều kiện khắc nghiệt Đối với đầu máy toa xe sử dụng nguồn điện từ chuyển đổi động cơ-máy phát đầu máy bố trí động diezel kéo máy phát điện kéo chiều tạo nguồn điện chiều cấp cho động chiều kích từ nối tiếp để kéo bánh xe chuyển động Vấn đề đặt động diezel thay đổi tốc độ dẫn tới tốc độ động điện kéo thay đổi điện áp đầu máy phát biến đổi, cần thiết phải điều chỉnh điện áp đầu máy phát điện chiều kích từ độc lập giữ ổn định để nạp cho ắcquy, bơm gió cho tải hoạt động, đồng thời ứng với điều chỉnh công suất điểm công suất ổn định ta sử dụng tải khác mà đáp ứng tốc độ mong muốn Dựa vấn đề ổn định điện áp đầu máy phát điện chiều kích từ nối tiếp, em thực nội dung toán:"Ổn định điện áp đầu máy phát điện chiều kích từ độc lập sử dụng thuật toán điều khiển PID” Đây phương pháp mẻ việc điểu chỉnh điện áp đầu máy phát điện chiều kích từ độc lập CHƯƠNG 1: KHẢO SÁT MÁY PHÁT ĐIỆN MỘT CHIỀU SỬ DỤNG TRÊN ĐẦU MÁY Giới thiệu máy phát điện chiều - Phân loại máy phát điện chiều: Dựa vào phương pháp cung cấp dòng kích từ, người ta chia máy phát điện chiều loại sau: 1.1 Máy phát điện chiều kích từ độc lập Dòng điện kích từ máy lấy từ nguồn điện khác không liên hệ với phần ứng máy (hình 1.1a) Sơ đồ máy phát điện kích từ độc lập vẽ hình 1.1a, dòng điện phần ứng Iư dòng điện tải I - Phương trình dòng điện là: Iư = I - Phương trình điện áp: U = Eư – Rư.Iư - Mạch kích từ: Ukt = Ikt.(Rkt + Rđc) Trong đó: Rư – điện trở dây quấn phần ứng Rkt – điện trở dây quấn kích từ Rđc – điện trở điều chỉnh - Khi dòng điện tải tăng, dòng điện phần ứng tăng, điện áp U giảm xuống hai nguyên nhân: + Tác dụng từ trường phần ứng làm cho từ thông giảm, kéo theo sức điện động E giảm + Điện áp rơi mạch phần ứng Rư.Iư tăng Đường đặc tính U = f(I) tốc độ dòng điện kích từ không đổi, vẽ hình 1.1b Khi điện áp giảm, độ giảm điện áp khoảng ÷10% điện áp không tải Để giữ điện áp máy phát không đổi phải tăng dòng kích từ Đường đặc tính điều chỉnh Ikt = f(I), điện áp tốc độ không đổi vẽ 1.1c Máy phát kích từ độc lập có ưu điểm điều chỉnh điện áp, thường gặp hệ thống máy phát động để truyền động máy cán, máy cắt kim loại, thiết bị tự động tàu thủy, máy bay…Song có nhược điểm cần có nguồn điện kích từ riêng 1.2 Máy phát điện kích từ song song Sơ đồ máy phát điện kích từ song song vẽ hình 1.2a.Để thành lập điện áp cần thực trình tự kích từ Lúc đầu, máy dòng kích từ, từ thông máy từ dư cực từ tạo ra, khoảng ÷ 3% từ thông định mức Khi quay phần ứng, dây quấn phần ứng có sức điện động cảm ứng từ thông dư sinh Sức điện động khép mạch qua dây quấn kích từ (điện trở mạch kích vị trí nhỏ nhất), sinh dòng điện kích từ, làm tăng từ trường cho máy Qúa trình tiếp tục đạt điện áp ổn định.Để máy thành lập điện áp, cần thiết phải có từ dư chiều từ trường dây quấn kích từ, phải chiều từ trường dư.Nếu không từ dư ta phải mồi để tạo từ dư, chiều hai từ trường ngược ta phải đổi cực tính dây quấn kích từ đổi chiều quay phần ứng Phương trình cân điện áp: Mạch phần ứng: U = Eư – Rư.Iư Mạch kích từ: U = Ikt.(Rkt + Rdc) Phương trình dòng điện: Iư = I + Ikt Khi dòng điện tải, dòng điện phần ứng tăng, hai nguyên nhân làm điện áp U đầu cực giảm, máy phát điện từ độc lập, máy kích từ song song, thêm nguyên nhân U giảm, làm cho dòng điện kích từ giảm, từ thông sức điện động giảm, đường đặc tính dốc so với máy kích từ độc lấp có dạng hình 1.2b Từ đường đặc tính ta thất, ngắn mạch, điện áp U = 0, dòng kích từ không, sức điện động máy từ dư sinh dòng điện ngắn mạch In nhỏ so với dòng điện định mức Để điều chỉnh điện áp ta phải điều chỉnh dòng điện kích từ, đường đặc tính điều chỉnh Ikt= f(I), U, n không đổi vẽ hình 1.2c 1.3 Máy phát điện kích từ nối tiếp Sơ đồ nối dây hình 1.3a Dòng điện kích từ dòng điện tải, tải thay đổi, điện áp thay đổi nhiều, thực tế không sử dụng máy phát kích từ nối tiếp Đường đặc tính U = f(I) vẽ hình 1.3b Dạng đường đặc tính giải thích sau, tải tăng dòng điện Iư tăng, từ thông Eư tăng, U tăng, I = (2÷ 2,5)Iđm, máy bão hòa I tăng U giảm 1.4 Máy phát điện kích từ hỗn hợp Sơ đồ nối dây hình 1.4a Khi nối thuận, từ thông dây quấn kích từ nối tiếp chiều với từ thông dây quấn kích từ song song, tải tăng, từ thông cuộn dây nối tiếp tăng làm cho từ thông máy tăng lên, sức điện động máy tăng điện áp đầu cực máy giữ nguyên không đổi Đây ưu điểm lớn máy phát điện kích từ hỗn hợp Đường đặc tính U = f(I) vẽ hình 1.4b Khi nối ngược, chiều từ trường dây quấn kích từ nối tiếp ngược với chiều từ trường dây quấn kích từ song song, tải tăng điện áp giảm nhiều Đường đặc tính U = f(I) vẽ hình 1.4c Đường đặc tính dốc nên sử dụng làm máy hàn điện chiều Khảo sát máy phát điện ZQF – 23 sử dụng đầu máy D10H 2.1 Kết cấu Máy phát điện ZQF – 23 bao gồm phần rô to stato hợp thành *Phần rôto: (hình 2.1) - Gồm trục lắp ổ bi hai đầu, thân trục có ép phần tử thép dẫn từ, nhằm tạo thành mạch từ khép kín từ phần cảm với phần ứng, vừa nơi để cố định dẫn Trong rãnh lõi thép phần có đặt phần tử dây quấn, phần tử dây quấn nối với cổ góp thông qua chạc kẹp hàn với Vành góp chế tạo từ phiến đồng ghép lại với dạng hình trụ rỗng, phiến cách điện với mê ca, vành góp ép chặt trục rô to Lõi thép, phần tử dây quấn, vành góp lắp với trục tạo thành khối cứng thống để đảm bảo mặt động lực trình quay Fclock  VC2  24MHz  1MHz 8.4 Period: 999 Pluse Width: 500 2.4 Thiết lập cho khối TIMER8 Sử dụng ngắt timer định thời gian trễ chip Khối timer thiết lập phần cứng chương trình sau : Chương trình: #include "PSoCAPI.h" // PSoC API definitions for all User Modules int Protect_timer=0; #pragma interrupt_handler Timer8_1_ISR 98 void Timer8_1_ISR() { if (Protect_timer>0) Protect_timer ; } int TimerReset=1; void resettimer() { TimerReset=1; } int delay(unsigned timer) { if (TimerReset) { Protect_timer=timer; TimerReset=0; } return (Protect_timer==0); } Sau thiết lập cho khối hoàn tất ta bắt đầu viết chương trình cho khối hoạt động 99 Lưu đồ thuật toán 3.1 Lưu đồ thuật toán tìm sai số 100 3.2 Lưu đồ thuật toán sử dụng PID để tìm PWM 101 3.3 Lưu đồ thuật toán cho chương trình 102 Code chương trình // -// C main line // #include // part specific constants and macros #include "PSoCAPI.h" // PSoC API definitions for all User Modules #include "ADC.h" #include "timer.h" #define PERIOD 4700 #define MAXPWM 2500 #define MAXTP 32000 #define MAXVIPHAN 1000 #define U_CH 1000 #define U_CUTOFF 1200 #define I_CH 1000 #define OFFSET 00 #define KD 40 void ht() { M8C_EnableGInt; PWM16_1_WritePeriod(PERIOD-5); PWM16_1_WritePulseWidth(1); PWM16_1_DisableInt(); 103 PWM16_1_Start(); PGA_1_Start(PGA_1_MEDPOWER); DELSIG11_1_Start( DELSIG11_1_MEDPOWER); DELSIG11_1_StartAD(); AMUX4_1_Start(); AMUX4_1_InputSelect(0); LED_1_Start(); LED_2_Start(); LED_3_Start(); Relay_Start(); Timer8_1_EnableInt(); //cho phep ngat time Timer8_1_Start(); // Khoi tao module time } //tre int PWM=0; int HV_protect=0; int tyle=0; int tichphan=0; int old_saiso=0; int viphan=0; 104 int viphanLPF=0; void phanhoi(void) { int saiap=U_CH-AD[3]; int saidong=I_CH-AD[4]; int saiso; if ((saiap step++ ; break; case 1: // Kiem tra San sang LED_1_On(); LED_2_On(); LED_3_Off(); PWM=0; tichphan=0; if (AD[2]>U_CUTOFF) // Kiem tra chap kich tu step=-1; else if (delay(3000)) step++; break; case 2: // Lam viec binh thuong phanhoi(); LED_1_Off(); LED_2_Off(); 108 nhayled(); if (delay(1000)) step++; break; case 3: phanhoi(); LED_1_Off(); LED_2_Off(); Relay_Switch(1); nhayled(); if ((AD[2]U_CUTOFF)) step=0; break; case -1: LED_1_Off(); LED_2_On(); LED_3_Off(); break; default: step++; } dieukhien(); if (step!=oldstep) resettimer(); 109 oldstep=step; } } } 110 CHƯƠNG 6: KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM Mô hình điều khiển mô hình chạy thực nghiệm Với thông số chọn Chúng em xây dựng mô hình thực tế biểu diễn qua sơ đồ: 1.1Xây dựng mô hình điều khiển thực nghiệm 1.2 Mô hình chạy thực nghiệm 111 Kết đạt -Độ rung điện áp: 0.1V -Thời gian độ: 10ms (khi đóng nhả tải) -Dòng tải kích từ máy phát làm việc lớn nhất: 3A 20A  Độ ổn định đạt yêu cầu (các thông số chọn phù hợp Video mô 112 [...]... ) nên điện áp đầu ra máy phát cũng sẽ thay đổi liên tục Vì vậy để có thể ổn định điện áp ở một mức cố định thì chúng ta chỉ có thể thay đổi dòng kích từ của máy phát theo một quy trình nào đó Mặt khác theo khảo sát về các loại máy phát điện một chiều thì ta sử dụng máy phát điện một chiều kích từ độc lập là hợp lý Kết luận: Như vậy chúng ta sẽ sử dụng máy phát điện một chiều kích từ độc lập để giải... cần giải quyết là tìm hàm truyền của máy phát điện một chiều kích từ độc lập theo các bước đã được trình bày ở phần 1 Thu thập, khai thác thông tin ban đầu về quá trình Ta xây dựng phương trình toán học dựa trên sơ đồ của máy phát điện một chiều kích từ độc lập: 2.1 Khi máy phát chạy không tải Sơ đồ máy phát điện một chiều kích từ độc lập khi không tải 19 Hệ số sức từ động phần ứng Ki= P.N 60.a trong... Dòng ra mạch ngoài đủ để cung cấp cho 2 mô tơ bơm gió, nạp ắc quy và các trang thiết bị trên đầu máy Tóm lại: Máy phát khởi động ZQF – 23 là máy phát điện có tính thuận nghịch, lúc làm việc ở chế độ khởi động động cơ nó là động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp, khi động cơ khởi động xong nó làm việc ở chế độ máy phát điện một chiều kích từ song song 3 Tại sao phải ổn định điện áp đầu ra máy phát. .. gian dài sẽ gây ra hậu quả nghiêm trọng.ngược lại nếu điện áp xuống dưới mức cho phép là 90V thì các hệ thống cũng không thể hoạt động được) Như vậy vấn đề ổn dịnh điện áp ở một mức cố định là khá quan trọng trên đầu máy, chúng ta cần phải ổn định điện áp đầu ra máy phát ở một mức cố định ( 110V ) để đảm bảo việc tận dụng công suất và cung cấp điện áp cho các thiết bị điện trên đầu máy hoạt động bình... đầu ra máy phát Trên đầu máy diezel thì điện áp máy phát điện có nhiệm vụ rất quan trọng : Cung cấp điện cho toàn bộ hệ thống điện trên đầu máy ( nạp ắc quy, cấp điện cho bơm gió, cấp điện cho hệ thống điều khiển, hệ thống chiếu sáng và hệ thống thiết bị dân dụng trên đầu máy ) Mặt khác các thiết bị sử dụng điện trên đầu máy lại chỉ hoạt động ở một dải điện áp cố định ( như điện áp sạc cho ắc quy, cấp... trên định luật cảm ứng điện từ và định luật lực điện từ * Định luật cảm ứng điện từ phát biểu như sau: Khi từ thông xuyên qua vòng dây dẫn biến thiên thì trong vòng dây dẫn sẽ cảm ứng sức điện động Sức điện động có chiều sao cho dòng điện do nó sinh ra sẽ tạo ra từ trường chống lại sự biến thiên của từ thông sinh ra nó Trị số của sức điện động tỷ lệ với tốc độ biến thiên của từ thông * Định luật lực điện. .. thì điện áo đầu ra máy phát điện chịu ảnh hưởng của 3 yếu tố : Tốc độ quay của máy phát ( tốc độ của động cơ diezel ), tải của máy phát, dòng điện kích từ Mà tốc độ của động cơ diezel lại thay đổi theo tốc độ mong muốn của đoàn tàu nên khi tốc độ thay đổi thì điện áp máy phát sẽ thay đổi, tải của máy phát thì thay đổi liên tục ( khi sử dụng thiết bị hay không, khi đóng hay không đóng bơm gió ) nên điện. .. ngón tay chỉ chiều dòng điện, ngón tay cái choãi ra một góc 900 chỉ chiều của lực tác dụng * Máy phát khởi động ZQF – 23 làm việc ở 2 chế độ, chế độ khởi động và chế độ máy phát - Ở chế độ khởi động máy phát là một động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp làm việc ở chế độ ngắn hạn có thời gian là 3 giây, được khống chế bằng rơ le thời gian 3SJ trong mạch khởi động Khi ta đặt một điện áp U = 96V vào... tạo stato máy phát ZQF- 23 2.2 Thông số kỹ thuật của máy phát ZQF – 23 * Ở chế độ máy phát điện : - Dòng định mức : 200 A - Điện áp định mức : 115 V - Công suất định mức : 23 KW - Vòng quay định mức : 1600 – 3500 V/p - Cấp tia lửa điện : 1 – 1/2 - Trọng lượng : 386 kg * Ở chế độ khởi động : - Dòng định mức : 500A - Điện áp định mức : 96V 11 2.3 Nguyên lý làm việc Nguyên lý làm việc của máy phát khởi... vào các thanh dẫn trên rôto và các cuộn dây kích từ, thì các thanh dẫn trên rôto sẽ chịu một lực điện từ và thanh dẫn sẽ chuyển động có nghĩa là rôto sẽ quay Đồng thời khi thanh dẫn chuyển động trong từ trường sẽ sinh ra sức điện động cảm ứng E, có chiều xác định bằng quy tắc bàn tay phải và ngược chiều với dòng ắc quy phóng vào máy phát Nếu ta đặt một điện áp là U và dòng là I ta có phương trình sau