1 .2.4 Thiết bị điều khiển dòng công suất
3.1.5. Sơ đồ nguyên lý hệ điều khiển góc mở các van của SVC
Hệ điều khiển được chỉ ra trên hình cho ở phụ lục 1.
Trong hệ thống điều khiển ta có thể sử dụng 8 bộ thysistor mắc song song ngược chiều nhau với các đầu ra điều khiển của bộ vi điều khiển Pic 16f877 từ các chân (PIN) C0C5 và D0D1. Trong chương trình viết cho vi điều khiển ta chỉ điều khiển các bộ van thysistor hay triắc cùng một pha.
3.2. PHẦN MỀM ISIS MÔ PHỎNG BỘ ĐIỀU KHIỂN SVC.
Phần mềm ISIS đã ra đời, phát triển trên 12 năm nay bởi Labcenter Electronics- một công ty sản xuất phần mềm CAD của Anh- và được hàng nghìn người sử dụng trên khắp thế giới. Với ISIS chúng ta có thể mô phỏng hầu hết các dạng mạch điện tử, và lần đầu tiên ở các chương trình CAD, ISIS cho phép thiết kế hoàn chỉnh một hệ thống Vi điều khiển như PIC, 8051, AVR, Motorola, bao gồm
toàn bộ mạch phần cứng giao diện bên ngoài, sau đó mô phỏng sự tương tác giữa chúng. ISIS còn đặt quan tâm đến việc thiết kế mạch in (Printed Circuit Board- PCB) với sự hỗ trợ kết xuất mạch điện sang môi trường mạch in (ARES) hoặc một chương trình CAD Layout khác để vẽ mạch in.
3.3. MÔ PHỎNG BỘ ĐIỀU KHIỂN VAN THYRISTOR HOẶC TRIẮC CỦA BỘ TCR.
3.3.1. MÔ PHỎNG CÁC PHẦN TỬ CỦA HỆ ĐIỀU KHIỂN.
3.3.1.1. Bộ đo giá trị dòng điện và điện áp .
Để phát hiện được những biến đổi của hệ thống điều khiển, bộ đo tắn hiệu điện áp và có tác dụng lấy tắn hiệu điện áp trên các điểm trong hệ điều khiển.
Bộ đo tắn đo cả tắn hiệu liên tục và tắn hiệu số. Điện áp trên dây là điện áp hình sin và biến đổi theo thời gian với chu kì 0,02sec. Điện áp lấy phản hồi đưa vào bộ vi điều khiển PIC 16f877 (bộ điều khiển xung) là một tắn hiệu điện áp một chiều. Tắn hiệu đồng bộ là dạng điện áp xung chữ nhật cung chu kì với điện áp trên dây. tắn hiệu đầu ra các chân (PIN) của bộ vi điều khiển là dạng xung chữ nhật.
Các phần tử sử dụng trong bộ đo được cho ở bảng 3-1.
Đối tượng Máy đo hiện
sóng
Máy đo tắn hiệu đấu cuối Cực đo dòng điện tức thời Cực đo điện áp tức thời Biểu tượng Bảng 3-1
3.3.1.2. Khâu lấy tắn hiệu phản hồi.
Để có tắn hiệu trung thực với điện áp trên dây tại một điểm, ta sử dụng khâu phản hồi có tác dụng lấy tắn hiệu điện áp hiệu dụng so sánh với tắn hiệu đồng bộ được đưa về chân RB0/INT và chân RA0/AN0 của bộ vi điều khiển 16f877.
Khâu lấy tắn hiệu phản hồi có tắn hiệu điện áp lấy ra là 3V từ đó ta có thể tắnh toán giá trị điện áp thực trên dây tại một điểm nào đó (có hệ số máy biến áp, hệ số bộ chỉnh lưu cầu một pha).
Đối tượng Nguồn xoay chiều lấy từ MBA Bộ chỉnh lưu cầu Tụ lọc Biểu tượng Bảng 3.2
Khâu lấy tắn hiệu phản hồi có sơ đồ như hình 3.7
Hình 3.7:Sơ đồ mô phỏng bộ phản hồi
Tắn hiệu ra của khâu phản hồi như hình 3.8
Hình 3.8: Đồ thị tắn hiệu ra của bộ phản hồi
3.3.1.3. Khâutạo xung đồng bộ.
Nhiệm vụ của khâu tạo xung đồng bộ là lấy tắn hiệu đồng bộ phù hợp với tắn hiệu vào đồng bộ của bộ vi điều khiển và tần số của lưới điện, bộ tạo xung đồng bộ như được mô phỏng hình 3.9.
Đối tượng Điện trở Điốt Photo-transistor Biểu tượng
Bảng 3.3
Hình 3.9: Sơ đồ mô phỏng bộ tạo xung đồng bộ
Tắn hiệu ra của khâu tạo xung đồng bộ như hình 3.9
Hình 3.10: Đồ thị tắn hiệu ra của bộ tạo xung đồng bộ
3.3.1.4. Khâukhuếch đại xung.
Chức năng của khâu khuếch đại xung, là lấy tắn hiệu xung từ các xung ra của bộ vi điều khiển chưa đủ giá trị về điện áp và dòng điện để mở các van của bộ TCR. đo đó cần phải khuếch đại tắn hiệu xung sao cho đảm bảo các giá trị thông số để mở các van.
Ngoài ra khâu khuếch đại có chức năng cách ly giữa mạch điều khiển với mạch động lực bằng máy biến áp xung.
Các phần tử sử dụng cho bộ khuếch đại xung được cho ở bảng 3-4
Đối tượng Biến áp xung Transistor Điốt Điện trở
Biểu tượng
Bảng 3.4
Khâu khuếch đại xung có cấu trúc như hình 3.11.
Hình 3.11:Sơ đồ mô phỏng bộ khuếch đại xung
Tắn hiệu ra của khâu khuếch đại xung như hình 3.12.
Hình 3.12: Đồ thị tắn hiệu ra của bộ khuếch đại xung
3.3.1.5. Khâuđiều khiển xung.
Nhiệm vụ của khâu điều khiển xung là thay đổi giá trị góc điều khiển (góc mở của các van của TCR). Bộ điều khiển xung ta sử dụng bộ vi điều khiển PIC16f877, nó có khả năng so sánh giữa các tắn hiêu phản hồi và đồng bộ, từ đó nó thực hiện theo luật điều khiển PID được viết chương trình cho PIC để đưa ra các tắn
Hình 3.13: Sơ đồ mô phỏng khâu điều khiển xung
Tắn hiệu ra xung điều khiển như hình 3.14. Trong chương trình ta viết cho tám (08) bộ kháng điều khiển TCR.
Hình 3.14: Đồ thị tắn hiệu ra của khâu điều khiển xung
3.3.2. CÁC PHẦN TỬ KHÁC TRONG MÔ PHỎNG.
3.3.2.1. Nguồn điện.
Chương trình mô phỏng ISIS có thể mô phỏng được các dạng nguồn như dạng nguồn hình sin, dạng xung, dạng không sinẦđược chỉ ra trên bảng 3-5.
Nguồn áp xung chữ nhật Nguồn áp xung đồng hồ Nguồn áp xung dizắc Nguồn áp xung dao động Nguồn áp hàm mũ
Nguồn áp hình sin Nguồn áp
Nguồn sin Có thể thay đổi dạng
nguồn
Bảng 3.5
Hình 3.15: Cửa sổ thay đổi dạng nguồn
Trong tất cả các nguồn được chương trình mô phỏng là các nguồn điện tĩnh và nó có thể thay đổi thông số và dạng nguồn như hình 3.15trên.
3.3.2.2. Bộ kháng có điều khiển TCR.
Về mặt cấu tạo như đã đề cập ở chương 2, bộ TCR gồm hai thyristor ghép song song ngược chiều nhau hoặc triắc nối tiếp với một điện kháng. Thời gian dẫn dòng của các van phụ thuộc vào góc mở có được từ hệ điều khiển.
Đối tượng Điện kháng Thyristor Triắc Biểu tượng
Bảng 3.6
Ta có bộ TCR một pha được mô phỏng như hình 3.16.
Hình 3.16:Sơ đồ mô phỏng bộ TCR
KẾT LUẬN
Chương trình mô phỏng ISIS là một dụng cụ phân tắch bộ điều khiển rất linh hoạt và hiệu quả. Nó có thể mô phỏng được gần như tất cả các phần tử trong bộ điều khiển bù công suất phản kháng. Đặc biệt nó cho phép nạp chương trình cho bộ vi điều khiển (khâu điều khiển xung). Do đó chương trình mô phỏng ISIS là một chương trình mô phỏng rất quan trọng trong công tác phân tắch thiết kế bộ điều khiển cho các thiết bị bù co điều khiển.
CHƯƠNG 4
ỨNG DỤNG PHẦN MỀM ISIS MÔ PHỎNG THIẾT BỊ BÙ SVC CÓ ĐIỀU KHIỂN
4.1. SƠ ĐỒ MÔ PHỎNG THIẾT BỊ BÙ CÔNG SUẤT PHẢN KHÁNG SVC CÓ ĐIỀU KHIỂN. ĐIỀU KHIỂN.
Từ việc phân tắch cấu tạo nguyên lý làm việc của các khâu ta có sơ đồ mô phỏng tổng quát mô hình hệ điều khiển bộ TCR đã nói ở chương 3. Như vậy toàn bộ mạch mô phỏng bộ điều khiển van TCR của SVC dùng bộ vi điều khiển PIC16f87, ta muôn chạy mạch thì phải thực hiện các thao tác sau, để cho bộ vi điều khiển PIC 16f877 làm việc thì PIC cần có một chương trình viết trên ngôn ngữ lập trình CCSC đúng với công nghệ điều khiển, vì bộ viều khiển PIC16f877 cho phép lập trình được và ISIS cho phép mô phỏng nạp chương trình file.hex.
File.hex của chương trình điều khiển góc mở của bộ thyristor mắc song song ngược chiều nhau hay triắc được cho ở phụ lục 3.
Sơ đồ mô phỏng tổng thể bằng ISIS như hình 4.1sau:
Hình 4.1: Sơ đồ mô phỏng tổng thể hệ điều khiển các van của TCR
4.2.1. ĐỒ THỊ ĐIỀU KHIỂN XUNG THEO CHẾ ĐỘ ĐIỆN ÁP THAY ĐỔI.
Các đồ thị điều khiển xung theo độ biến thiên điện áp của của điểm nút tại một pha được thể hiện trên hình 4.2, 4.3, 4.4, 4.5, 4.6.
Đây chắnh là điện áp điều khiển tạo xung mở van lấy từ bộ vi điều PIC 16f877 trên các chân đầu ra với chương trình điều khiển nạp cho PIC theo thuật điều khiển PID như đã trình bầy ở mục 3.1.4. Chương trình điều khiển viết cho bộ vi điều khiển có thể điều khiển được 08 bộ thyristor mắc song song ngược hay triắc trong cùng một pha và được cho ở phụ lục 2.
Hình 4.2: Xung điều khiển ra với góc mở 100
Hình 4.4: Xung điều khiển ra với góc mở 450
Hình 4.5: Xung điều khiển ra với góc mở 900
Nhận xét:
Thông qua kết quả nhận được ta có nhận xét sau:
- Các đồ thị xung điều khiển biến thiên tỷ lệ thuận với độ tăng của điện áp của nút khi ta tiến hành thay đổi điện áp.
- Trong chế độ xác lập các van thyristor hay triắc làm việc ở một góc mở không đổi.
- Khi tiến hành thay đổi giá trị điện áp cũng tương tự như ta thay đổi giá rị tải tại điểm nút đó thì xung điều khiển cũng thay đổi theo tương ứng. Nếu điện áp tại điểm nút đó tăng lên tương ứng tiến hành cắt tải thì lúc này xung điều khiển sẽ giảm dần về góc pha đầu (hay góc điều khiển giảm). Phản ứng này làm cho dòng của các van tăng dần lên so với giá trị điện áp tại thời điểm ban đầu, tương ứng sẽ tiêu thụ một lượng công suất phản kháng ứng với độ tăng do điện áp.
- Khi điện áp tại điểm nút đó giảm tương ứng ta tiến hành đóng tải, thì lúc đó xung điều khiển sẽ tăng dần góc pha đầu (hay góc điều khiển tăng). Phản ứng này làm cho dòng qua các van giảm so với giá trị điện áp tại thời điểm ban đầu, tương ứng sẽ giảm lượng tiêu thụ công suất phản kháng.
- Xung điều khiển các van của các pha sẽ lệch nhau 1200, đúng như thứ tự pha của hệ thống điện 3 pha. Trong chương trình luận văn chỉ dùng điều khiển một pha nhưng có mở rộng được 3 pha.
- Khi giá trị điện áp càng lớn thì kháng càng điều chỉnh gần giới hạn, ta thấy xung điều khiển mở van càng gần với xung qua điểm gốc. Đến thời điểm trùng với xung tại điểm gốc thì lúc đó các van mở hoàn toàn, dòng điện qua van cực đại, kháng tiêu thụ công suất phản kháng lớn nhất.
- Khi giá trị điện áp giảm quá ngưỡng cho phép thì góc điều khiển sẽ tiến đến góc 1800, hay lúc này hệ thống điều khiển không phát xung điều khiển đến các van của bộ TCR, dẫn đến các van khoá lại.
Do số liệu điện áp nút chưa được ổnn định, chưa thể hiện đúng so với thực tế nên dẫn đến đặc tắnh điều khiển xung ra có sai số nên khả năng ổn định của các xung điều khiển ra chưa cao.
4.2.2. ĐẶC TÍNH DạNG QUA THYRISTOR ĐIỆN KHI ĐIỀU KHIỂN ĐIỆN ÁP TẠI NỷT.
Dạng dòng điện qua thyristor hoặc triắc của một pha ở trường hợp khi điện áp tại nút đặt bộ TCR của thiết bị bù có điều khiển SVC được thể hiện trên hình 4.7, 4.8, 4.9.
Hình 4.8: Dòng điện qua van với góc mở 600
Hình 4.9: Dòng điện qua van với góc mở 950
Khi điện áp tại nút giảm dần thì giá trị góc điều khiển thyristor hoặc triắc tăng dần lên làm giá trị dòng điện qua các van giảm được thể hiện trên hình 4.10, 4.11, 4.12.
Hình 4.10: Dòng điện qua van với góc mở 1200
Hình 4.11: Dòng điện qua van với góc mở 1350
Hình 4.12: Dòng điện qua van với góc mở 1450
Khi điện áp tại nút giảm đến giá trị cho phép, lúc này hệ thống điều khiển sẽ dần không đưa xung điều khiển đến cực điều khiển của thyristor hoặc triắc (hay góc
điều khiển tăng dần đến góc 1800). Dòng điện qua các van được thể hiện trên hình 4.13, 4.14, 4.15.
Hình 4.14: Dòng điện qua van với góc mở 1650
Hình 4.15: Dòng điện qua van với góc mở 1700
Khi giá trị điện áp đạt giá trị ổn định cho phép thì hệ thống điều khiển các van không phát xung điều khiển (hay góc điều khiển đạt tới góc 1800). Dòng qua
các van của TCR gần như băng không hay các van khoá lại, được chỉ ra trên hình 4.16, 4.17.
Hình 4.16: Dòng điện qua van với góc mở 1750
Hình 4.17: Dòng điện qua van với góc mở 1800
Từ các đặc tắnh dòng điện qua thyristor hoặc triắc một pha ta có một số nhận xét sau:
- Khi có điều khiển góc mở vào các van của bộ TCR vào điểm nút góp phần cải thiện độ biến thiên dòng điện dẫn đến biến thiên công suất phản kháng tại điểm nút. Giá trị điện áp được giữ trong một phạm vi nhất định mà không bị vượt ra khỏi giá trị cho phép.
- Tuy một phần nào đã phản ánh được tác dụng khi có điều khiển của thiết bị bù. Nhưng do trong mạch tồn tại các sóng hài bậc cao, điều này làm cho các dạng sóng dòng điện cũng như điện áp bị méo đi. Đây là nguyên nhân làm cho quá trình mô phỏng có sai số.
Các sóng hài tồn tại trong sóng dòng điện có giá trị như hình 4.18.
Hình 4.18: Đồ thị các sóng hài bậc cao của bộ TCR
4.3. ĐẶC TÍNH HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN CÁC VAN SVC.
Trong chương trình viết cho bộ vi điều khiển PIC16f877 ta có thể thay đổi được các tham số của luật điều khiển PID. Do đó hệ thống điều khiển góc mở các van của TCR được thắ nghiệm với các tam số khác nhau, ứng với mỗi hệ thống điện cần bù khác nhau ta có thể thay đổi tham số của luật điều khiển PID và hệ thống điều khiển khác nhau. Phần mô phỏng này ta thực hiện hai trường hợp với các thông số Kp, Ki, Kd của luật điều khiển.
Trường hợp 1:
* Khi điện áp tăng với các giá trị khác nhau lớn hơn so với điện áp ngưỡng đặt vào hệ điều khiển, thì tốc độ để điều khiển góc mở đến các van của TCR sẽ thay đổi khác nhau, ứng với các tham số của luật điều khiển PID (Kp=1; Ki=0.5; Kd= 0.5) thì ta có đặc tắnh hình 4.19.
t U(V) 3.3 3.4 3.2 3 0.0 40ms 30 20 10 0 2.9 3.1
Hình 4.19: Đặc tắnh điều khiển các van TCR khi điện áp tại nút tăng
* Khi điện áp giảm với các giá trị khác nhau nhỏ hơn so với điện áp ngưỡng đặt vào hệ điều khiển, thì tốc độ để điều khiển góc mở đến các van của TCR sẽ thay đổi khác nhau như đặc tắnh hình 4.20.
U(V) t 3.1 2.9 2.7 0 10 20 30 40ms 0.0 2.6 2.8 3
Hình 4.20: Đặc tắnh điều khiển các van TCR khi điện áp tại nút giảm
Từ sơ đồ điều khiển các van của TCR ta đưa ra bảng số liệu với các thời gian làm ổn định điện áp tại nút như bảng 4-1.
U(V) 3,4 3,3 3,2 3.1 3 2,9 2,8 2,7 2,6
t(ms) 25 10 7 2 0 2 7 10 25
Bảng 4.1
Nhận xét qua các trường hợp như sau:
Khi giá trị điện áp trên nút lơn hoặc nhỏ hơn nhiều so với điện áp ngưỡng là 3(V), thì thời gian làm ổn định điện áp về giá trị ngưỡng càng lớn.
Trường hợp 2:
* Khi điện áp tăng với các giá trị khác nhau lớn hơn so với điện áp ngưỡng đặt vào hệ điều khiển, thì tốc độ để điều khiển góc mở đến các van của TCR sẽ thay đổi khác nhau, ứng với các tham số của luật điều khiển PID (Kp=1; Ki= 0.5; Kd= 0.9) thì như đặc tắnh hình 4.21.
3.1 2.9 0 10 20 30 40ms