Nguyên tắc điều khiển

Một phần của tài liệu điều khiển thiết bị bù tĩnh ( svc ) và ứng dụng trong việc nâng cao cho ổn định chất lượng điện năng của hệ thống điện (Trang 67 - 122)

Sử dụng nguyên tắc điều khiển thẳng đứng ỘarccosỢ nhý hình 3.2 để thực hiện điều chỉnh vị trắ đặt xung trong nửa chu kỳ dýừng của điện áp đặt trên Thyristor. Uc Udb Udk Udb 60 Uc Udk ựt

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu Ờ Đại học Thái Nguyên ậ 2ậ http://ww w.lrc -tnu.ed u.v n ỏ

61

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu Ờ Đại học Thái Nguyên htt p :// w w w. l rc -tnu. e d u. v n

Theo nguyên tắc này, ở khâu so sánh có hai điện áp đặt vào:

- éiện áp đồng bộ sin, sau khi ra khỏi khâu éB đýợc tạo thành tắn hiệu cos - éiện áp điều khiển là áp một chiều có thể biến đổi đýợc

éiện áp udb= Um sinựt thì: Uc = Um cosựt

Giá trị ỏ đýợc tắnh theo phýừng trình sau: Umcosỏ = Udk Do đó: ỏ = arccos(Udk/Um)

- khi Udk = Um thì ỏ = 0 - khi Udk = 0 thì ỏ =ậ/2 - khi Udk = -Um thì ỏ = ậ

Nhý vậy, khi điều chỉnh Udk từ trị -Um đến +Um, ta có thể điều chỉnh đýợc gúc ỏ từ 0 đến ậ.

3.1.3. CÁC KHÂU TRONG BỘ ĐIỀU KHIỂN CÁC VAN CỦA SVC.

3.1.3.1. Khâu tạo xung đồng bộ cho bộ VĐK.

Sơ đồ tạo xung đồng bộ với nửa chu kỳ điện áp nguồn được trình bày như hình 3.3.

Trong đó:

u1: là điện áp nguồn điện xoay chiều. uđb: xung đồng bộ

PT: transistor quang (phototransistor). D: điôt bảo vệ quá dòng cho D0.

R

1 c đb

Trong nửa chu kỳ dương của điện áp nguồn ta có D0 được đặt điện áp thuận và phát quang dẫn đến T0 mở dẫn đến điện áp trên cực góp của T0 giảm ngay về mức thấp hay là mức Ộ0Ợ, đây chắnh là tắn hiệu đồng bộ lấy ra.

Từ sơ đồ ta có điện áp đồng bộ là

i = u1 ; 1

i =U cc ; u =0

R2

Trong nửa chu kỳ âm thì mạch làm việc ngược lại D0 khóa dẫn đến T0 khóa điện thế lấy trên cực góp của T0 bằng nguồn cung cấp (Ucc), hay tắn hiệu xung ra ở mức cao hay là mức Ộ1Ợ. Tắn hiệu đồng bộ được đưa vào đầu vào của vi điều khiển Pic 16f877 (chân RB0/INT).

Ucc R4(1) R1 D1 DIODE PT 1 2 Do va To R2 6

tin hieu dua vao chan RB0/INT

5

4

R3

Hình 3.3: Sơ đồ nguyên lý của khâu tạo xung đồng bộ

3.1.3.2. Khâu phản hồi.

Sơ đồ khâu phản hồi được trình bày trên hình 3.4. Trong đó:

- BU: máy biến áp đo lường có tác dụng lấy điện áp phù hợp với mạch điều khiển.

- D1, D2, D3, D4: bộ chỉnh lưu cầu một pha dùng điôt có tác dụng chỉnh lưu dòng xoay chiều về một chiều.

- R7: là điện trở ảnh hưởng đến biên độ điện áp một chiều ra.

Tắn hiệu vào lấy từ điện áp lưới thông qua tỷ số của BU là một tắn hiệu liên tục. Khi qua bộ chỉnh lưu ta được điện áp một chiều thay đổi theo điện áp trên lưới điện tắn hiệu một chiều này được đưa vào đầu vào liên tục của vi điều khiển Pic 16f877 (chân RA0/AN0).

D1

DIODE D2

DIODE

Uph tin hieu dua vao RA0/AN0

OSPH D4 DIODE D3 DIODE A R7 0.5k B

Hình 3.4: Sơ đồ nguyên lý của khâu phản hồi

3.1.3.3. Khâu khuếch đại xung.

Sơ đồ khuếch đại xung được trình bày trên hình 3.5. Trong đó:

- T1: transistor ngược có tác dụng khuếch đại tắn hiệu.

- Dr: điôt có tác dụng bảo vệ quá áp trên các cực góp và cực phát của T1. - BAX: máy biến áp xung có tác dụng cách ly giữa mạch điều khiển với mạch lực.

- Rg: điện trở hạn chế dòng vào cực điều khiển của thysistor. - D2: điốt có tác dụng ngăn xung áp âm có thể có khi T1 bị khóa. - R2: là điện trở ảnh hưởng đến biên độ và sườn xung ra.

Tắn hiệu vào lấy từ tắn hiệu điều khiển của vi điều khiển Pic 16f877 là một tắn hiệu số. Khi ue bằng mức Ộ1Ợ thì transistor T1 mở bão hòa nhưng do có điện cảm

 

C

của cuộn dây máy biến áp nên không cho ic đạt ngay giá trị bão hòa và của nó là IC=Ucc/R1.Dòng ic chỉ có thể tăng từ từ theo quy luật hàm mũ.

U  −t

ic = iL= cc 1 − e τ  , với τ=L/R1

R1  

Sau khoảng thời gian 5τ, ic≈ IC=Ucc/R1. Bên thứ cấp của máy biến áp xung xuất hiện một xung điện áp trên R2 để mở thysistor.

Khi ue bằng mức Ộ0Ợ thì T1 khóa lại và bên thứ cấp của máy biến áp xung không có xung điện áp để mở thysistor. Trong trường hợp này nếu không có Dr thì năng lượng W =1 L.I 2 sẽ sinh ra quá điện áp trên các cực C, E của T . Quá điện áp1

2

này có thể đạt tới khoảng 100V, sẽ làm phá hủy transistor T1. Lúc này Dr loại trừ điện áp nói trên, bởi vì vừa khi UCE=VC-VE= 0.8V thì Dr mở cho dòng chạy qua, nó làm ngắn mạch hai điểm C và F, do đó UCE=Ucc+0.8V.

+Ucc BAX D2 DIODE RG 10k R2 TH THYRISTOR DR DIODE R PIN_RCO T1 2N4400

Hình 3.5: Sơ đồ nguyên lý của khâu khuếch đại xung

3.1.3.4. Khâu điều khiển tạo xung sử dụng VĐK pic 16f877.

Ngày nay, các bộ vi điều khiển đang có ứng dụng ngày càng rộng rãi trong các lĩnh vực kỹ thuật và đời sống xã hội, đặc biệt là trong kỹ thuật tự động hoá và điều khiển từ xa. Giờ đây với nhu cầu chuyên dụng hoá, tối ưu (thời gian, không gian,

giá thành), bảo mật, tắnh chủ động trong công việc... ngày càng đòi hỏi khắt khe. Việc đưa ra công nghệ mới trong lĩnh vực chế tạo mạch điện tử để đáp ứng những yêu cầu trên là hoàn toàn cấp thiết mang tắnh thực tế cao.

* Bộ Vi điều khiển 8 bit PIC16F877 (Đặc tắnh nổi bật của bộ vi xử lắ).

+ Sử dụng công nghệ tắch hợp cao RISC CPU.

+ Người sử dụng có thể lập trình với 35 câu lệnh đơn giản.

+ Tất cả các câu lệnh thực hiện trong một chu kì lệnh ngoại trừ một số câu lệnh rẽ nhánh thực hiện trong 2 chu kì lệnh.

+ Tốc độ hoạt động là: - Xung đồng hồ vào là DC- 20MHz - Chu kỳ lệnh thực hiện trong 200ns + Bộ nhớ chương trình Flash 8Kx14 words

+ Bộ nhớ Ram 368x8 bytes + Bộ nhớ EFPROM 256x 8 bytes Khả năng của bộ vi xử lắ này

+ Khả năng ngắt ( lên tới 14 nguồn ngắt trong và ngắt ngoài ) + Ngăn nhớ Stack được phân chia làm 8 mức

+ Truy cập bộ nhớ bằng địa chỉ trực tiếp hoặc gián tiếp. + Nguồn khởi động lại (POR)

+ Bộ tạo xung thời gian (PWRT) và bộ tạo dao động (OST)

+ Bộ đếm xuang thời gian (WDT) với nguồn dao động trên chắp (nguồn dao động RC ) hoạt động đáng tin cậy.

+ Có bảng lựa chọn dao động.

+ Công nghệ CMOS FLASH /EEPROM nguồn mức thấp ,tốc độ cao. + Thiết kế hoàn toàn tĩnh .

+ Mạch chương trình nối tiếp có 2 chân. + Xử lý đọc /ghi tới bộ nhớ chương trình . + Dải điện thế hoạt động rộng : 2.0V đến 5.5V + Nguồn sử dụng hiện tại 25 mA

+ Công suất tiêu thụ thấp:

Hình 3.6: Sơ đồ cấu trúc của PIC 16f877

< 0.6mA với 5V, 4MHz

20 ộ A với nguồn 3V, 32 kHz < 1 ộ A nguồn dự phòng.

Các đặc tắnh nổi bật của thiết bị ngoại vi trên chip

+ Timer0: 8 bắt của bộ định thời, bộ đếm với hệ số tỷ lệ trước

+ Timer1: 16 bắt của bộ định thời, bộ đếm với hệ số tỷ lệ trước, có khả năng tăng trong khi ở chế độ Sleep qua xung đồng hồ được cung cấp bên ngoài.

+ Timer 2: 8 bắt của bộ định thời, bộ đếm với 8 bắt của hệ số tỷ lệ trước, hệ số tỷ lệ sau

+ Có 2 chế độ bắt giữ, so sánh, điều chế độ rộng xung (PWM).

+ Chế độ bắt giữ với 16 bắt, với tốc độ 12.5 ns, chế độ so sánh với 16 bắt, tốc độ giải quyết cực đại là 200 ns, chế độ điều chế độ rộng xung với 10 bắt.

+ Bộ chuyển đổi tắn hiệu số sang tương tự với 10 bắt .

+ Cổng truyền thông nối tiếp SSP với SPI phương thức chủ và I2C(chủ/phụ) + Bộ truyền nhận thông tin đồng bộ, dị bộ(USART/SCL) có khả năng phát hiện 9 bắt địa chỉ.

* Cổng vào ra.

Một số chân của các cổng vào/ra được tắch hợp với một số hàm có thể thay đổi để phù hợp với những thiết bị ngoại vi. Nhìn chung khi thiết bị ngoại vi hoạt động, các chân có thể không sử dụng với mục đắch làm chân vào ra.

- Cổng A và thanh ghi TRISA:

Cổng A là cổng hai chiều với độ rộng đường truyền là 6 bit. Để điều khiển việc truy xuất dữ liệu người ta dùng thanh ghi TRISA . Nếu đặt bắt TRISA = 1 thì lúc này cổng A sẽ tương ứng có các chân là chân vào .Nếu xoá bắt TRISA = 0 thì lúc này cổng A sẽ tương ứng có các chân là chân ra. Việc đọc cổng A chắnh là đọc trạng thái của các chân, trong khi đó việc viết phải qua việc viết các chốt của cổng. Các chân của cổng A chủ yếu được sử dụng với mục đắch chắnh là nhận tắn hiệu tương tự hoặc làm các chân vào ra. Riêng chân RA4 có thể đa hợp với chân vào bộ Timer 0 và khi đó nó trở thành chân RA4/T0CKI. Chân này như một đầu vào của Schmitt Trigger và nó mở đầu ra. Các chân khác của cổng A là chân vào với bộ TTL. Việc điều khiển các chân này thông qua việc đặt hay xoá các bắt của thanh ghi ADCON1. Thang ghi TRISA điều khiển trực tiếp các chân của cổng A, khi sử dụng các chân này để nhận tắn hiệu tương tự vào ta phải chắc chắn rằng các bắt của thanh ghi TRISA đã được đặt rồi.

Cổng B (RB3/PGM, RB6/PGC, RB7/PGD) là cổng hai chiều với độ rộng đường truyền là 8 bit.Tương ứng với nó để điều khiển trực tiếp dữ liệu ta sử dụng thanh ghi TRISB. Nếu đặt bắt TRISB = 1 thì lúc này các chân của cổng B được định nghĩa là chân vào. Nếu xoá bắt TRISB = 0 thì lúc này các chân của cổng B được định nghĩa là chân ra. Nội dung của chốt ra có thể chọn trên mỗi chân.

- Cổng C và thanh ghi TRISC:

Cổng C là cổng hai chiều với độ rộng đường truyền là 8 bit .Tương ứng với việc điều khiển nó là thanh ghi TRISC. Nếu đặt bắt TRISC = 1 thì tương ứng với chân của cổng C là chân vào. Nếu ta xoá bắt TRISC = 0 thì tương ứng với nó chân của cổng C là chân ra . Đặt nội dung của chốt ra có thể đặt trên chân chọn. Cổng C đa hợp với việc vận hành thiết bi ngoại vi. Chân của cổng C thông qua bộ đệm Schmitt Trigger đầu vào.

- Cổng D và thanh ghi TRISD

Cổng D có 8 bắt có bộ đệm đầu vào Schmitt Trigger. Mỗi chân được sắp xếp riêng lẻ như đầu vào hoặc đầu ra. Cổng D cũng có thể được sắp xếp như là một cổng vi xử lý 8 bit (cổng phụ song song) bằng việc đặt bắt điều khiển PSPMODE(TRISE<4>) và trong chế độ này vùng đệm đầu vào là TTL.

- Cổng E và thanh ghi TRISE:

Cổng E có 3 chân là RE0/RD/AN5, RE1/WR/AN6, RE2/CS/AN7. Các chân này có thể sắp xếp riêng lẻ là các đầu vào hoặc các đầu ra, và các chân có vùng đệm đầu vào là các mạch Schmitt Trigger.

Cổng vào/ra E trở thành đầu vào điều khiển cho cổng vi xử lý khi bit PSPMODE(TRISE<4>) được đặt. Và trong chế độ này phải chắc chắn rằng các bit TRISE<2:0> được đặt (các chân được định dạng là các đầu vào số), thanh ghi ADCON1 phải được định dạng cho việc số vào/ra và vùng đệm đầu vào là TTL.

Các chân cổng E cũng được tắch hợp với các đầu vào tương tự và trong trường hợp này các chân sẽ đọc là Ấ0‟.

u (t ) = K edt

Thanh ghi TRISE điều khiển trực tiếp các chân RE, ngay cả khi chúng được dùng là các đầu vào tương tự.

3.1.4. THUẬT TOÁN PID DÙNG CHO BỘ VI ĐIỀU KHIỂN PIC16F877.

3.1.4.1. Bộ điều khiển PID dưới dạng tương tự.

Bộ điều khiển PID đýợc định nghĩa bởi mối quan hệ sau đây giữa bộ điều khiển đýợc nhập vào e(t) và đầu ra bộ điều khiển u(t).

 1 t de u(t ) = K c e + Tedt + Tddt  (3-1)  i 0 

Trong đó: e = SP- PV: sai số điều khiển và là đầu vào bộ điều khiển PID. SP: tắn hiệu mong muốn.

PV: tắn hiệu ra của hệ thống.

Ti : thời gian tắch phân (tắnh bằng phút). Td: thời gian vi phân (tắnh bằng phút). Kc: hệ số khuyếch đại của bộ điều khiển.

éầu ra bộ điều khiển PID bao gồm 3 thành phần: tỉ lệ, tắch phân, vi phân. Thành phần tỉ lệ: u p (t ) = Kce . Thành phần tắch phân: t c I Ti 0 Thành phần vi phân: u (t ) = K T de . D c d dt

Việc lấy phép biến đổi Laplace của phýừng trình (3-1) đýa ra hàm truyền K(p):

K ( p) = ( )=

K + i + K . p 

U p K

E( p)  p p d

thời gian vi của PID. Lựa chọn những định nghĩa mới cho những thuật ngữ phù hợp với ngôn ngữ của chương trình khi viết cho bộ vi điều khiển:

70

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu Ờ Đại học Thái Nguyên htt p :// w w w. l rc -tnu. e d u. v n

T i     K p = Kc ; K = K c ; i K d = Kc .Td

3.1.4.2. Bộ điều khiển PID dưới dạng số.

Xử lắ sai số

e(k ) = SP − PV f

Trong đó:

e(k): tắn hiệu số sai số SP: tắn hiệu số mong muốn .

PVf: tắn hiệu ra dạng số của hệ thống. * Thành phần tỉ lệ: u(k ) = K c e(k ) * Thành phần tớch phõn: u (k ) =cK k e(i ) + e(i − 1) ∑ ∆t I = Ti i =1  2  Thành phần tớch phõn đýợc tớnh theo phýừng phỏp hỡnh thang để trỏnh tỏc động của những thay đổi đột ngột của PV hoặc SP.

* Thành phần vi phõn:

Bởi vỡ cú thể cú thay đổi đột ngột của SP nờn để trỏnh đột biến của thành phần vi phõn, khụng lấy vi phõn sai số mà chỉ lấy vi phõn của PV.

u D (k ) = −K Td (PV c ∆t f(k ) − PV f (k − 1))

* éầu ra bộ điều khiển PID thực tế:

u(t ) = K c * Hạn chế đầu ra: (SP PV ) + 1  Ti t ∫ (SP PV )dt Td 0 dPV f dt

Nếu u(k ) ≥ u max thỡ u(k ) = u max

Nếu u(k ) ≤ uminthỡ u(k ) = umin

71

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu Ờ Đại học Thái Nguyên htt p :// w w w. l rc -tnu. e d u. v n

71

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu Ờ Đại học Thái Nguyên htt p :// w w w. l rc -tnu. e d u. v n

f    ( ) ∆ I sau:

éể tóng hệ số khuyếch đại khi biờn độ sai số lớn thỡ sai số đýợc xỏc định nhý

SP − PV  e(k ) =(SP PV ) L +(1 − L) f   SP range  L là hệ số tuyến tớnh L = 0 → 1. Riờng đối với thành phần tỉ lệ thỡ:

 βSP − PV  e(k ) = eb(k ) =(βSP PV ) L +(1 − L) f f  uP (k ) = (Kceb(k )) * éiều chỉnh thành phần tớch phõn:   SPrange    k ( ) ( )     u k = K c ∑  e i + e i − 1  t 1 Ti i =1  2  1 +10e(i )2   2 * éiều chỉnh thành phần vi phân:  SPrange  u (k )= −K d (e(i ) −e(i − 1))1 + ( )  T  10e i 2  D c t   SPrange 2 

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) C0ọC5 và D0ọD1. Trong chương trình viết cho vi điều khiển ta chỉ điều khiển các bộ van thysistor hay triắc cùng một pha.

Một phần của tài liệu điều khiển thiết bị bù tĩnh ( svc ) và ứng dụng trong việc nâng cao cho ổn định chất lượng điện năng của hệ thống điện (Trang 67 - 122)

Tải bản đầy đủ (DOC)

(122 trang)
w