đồ án kỹ thuật điện điện tử Thiết kế điều khiển cơ cấu nâng hạ cần trục KONE 4691

bộ đu khiển điều khiển các đầu vào cho hệ thống để đạt được hiệu quả mong muốntrên đầu ra hệ thống, lý thuyết điều khiển hiện đại sử dụô tả không gian ạng thái trong miền thời gian, mộ

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU 1

I/ Các thông số quan trọng và độ nhạy của các thông số hệ thống 3

1 DIODE - Đi ốt

2 THYRISTOR (SCR)

4 Transistor công suất BJT

5 BJT (Bipolar Junction Transistor)

6 Transisto trường, mosfet 12

7 GTO (Gate Turn-Off Thyristor) 1

8 IGB 1

II/ Độ nhạy với điểm làm việc của TC 2

1 Cấu tạ 2

2 Lý thuyết TCS 2

3 Bảo vệ TCS 2

4 Mô hình điều khiển TCS 2

5 Thuật toán điều khiển TCS 2

6 Điều khiển TCSC theo tín hiệu đúng cắ 2

7 Điều khiển TCSC theo tác động tối ư 2

8 Hiệu quả điều khiển theo tín hiệu đo là công suất truyền tả 2

9 Hiệu quả điều khiển theo tín hiệu đo là dòng điện trên đường dâ 2

III/ Lựa chọn khuếch đạ 3

1 Khuếch đại công suất loại 3

2 Khuếch đại công suất loại 3

3 Khuếch đại công suất loại A 3

4 Khuếch đại công suất loại 3

5 huếch đại công suất loại 3

6 Khuếch đại công suất loại 3

7 Một số mạch khuếch đại 3

7.1 Mạch khuếch đại đèn điện tử chân không (valve amplifiers 3

7 Mạch khuếch đại Tranzit 3

7.3 Mạch khuếch đại thuật toán (op-amps 3

7.4 Mạch khuếch đại vi sa 3

7.5 Mạch khuếch đại thị tầ 3

7.6 Mạch khuếch đại dọc cho máy hiện són 3

7.7 Mạch khuếch đại phân b 3

7.8 Mạch khuếch đại đèn sóng chạy (TWT 3

8 Bộ khuếch đại công suất lớp B 3

9 Bộ khuếch đại công suất lớp AB 3

10 Bộ khuếch đại công suất lớp C 3

IV/ Một số đặc điểm của đáp ứng SV 3

1 Nguyên tắc hoạt độn 3

2 Kết nố 4

V/ Các phương pháp cải thiện đáp ứng của bộ điều khiển điện á 4

1 Tính năng, tác dụng của AV 4

2 Giới thiệu các loại bộ tự động điều chỉnh điện á 4

3 Bộ điều khiển tự động bán dẫn hoặc kỹ thuật s 5

4 Bộ điều chỉnh điện áp bằng ta 5

5 Tổng quan các phương phá 5

KẾT LUẬ 5

TÀI LIỆU THAM KHẢ 5

bộ đu khiển

điều khiển các đầu vào cho hệ thống để đạt được hiệu quả mong muốntrên đầu ra hệ thống, lý thuyết điều khiển hiện đại sử dụô tả

không gian ạng thái

trong miền thời gian, một mô hình toán học của một hệ thống vật lý như

là một cụm đầu vào, đầu ra và các biến trạng thái quan hệ với phương trìnhtrạng thá

bậc một

Để trừu tượng hóa từ số lượng đầu vào, đầu ra và trạng thái, các biến vàbiểu thức như vector và phương trình vi phân, phương trình đại số được viếtdưới dạng ma trận (những thứ sau chỉ có thể thực hiện khi hệ thống động lực

là tuyến tính) Biểu diễn không gian trạng thái(còn gọi là "xấp xỉ miền thờigian ") cung cấp một cách thức ngắn gọn và thuật tiện cho bắt chước và phântích hệ thống với nhiều đầu vào và đâu ra Với các đầu vào và đầu ra, chúng ta

tin về một

ệ thống

Không giống như xấp xỉ miền tần số, việc sử dụng biểu diễn không giantrạng thái không bị giới hạn với hệ thống bằng các thành phần tuyến tính vàcác điều kiện zero ban đầu "Không gian trạng thái" đề cập đếp không gian

mà các hệ trục là các biến trạng thái Trạng thái của hệthống có t hể được biểudiễ nhưmột v éc t ơ trong khô

gian đó

Ngành điện tử là một trong những ngành quan trọng góp phần vào sự pháttriển của đất nước sự phát triển nhanh chóng của Khoa học – Công nghệ làmcho ngành điện tử ngày càng phát triển và đạt được nhiều thành tựu mới Nhucầu của con người ngày càng cao là điều kiện thuận lợi cho ngành Điện tửphải không ngừng phát minh ra các sản phẩm mới có tính ứng dụng cao, cácsản phẩm có tính năng, có độ bền và độ ổn định ngày càng cao… Nhưng mộtđiều cơ bản là các sản phẩm đó đều bắt nguồn từ những linh kiện: R, L, C,Diode, BJT, FET mà nền tảng là điện t

tương tự

Máy móc bắt đầu trở thành công cụ lao động của con người từ những ngàyđầu của cuộc cách mạng kỹ thuật trong công nghiệp vào nửa cuối thế kỷXVIII Bắt đầu là những máy móc đơn giản (Máy hơi nước) con người đãkhông ngừng cải tiến phát minh ra những máy móc thiết bị ngày càng hiệnđại, phức tạp, chính xác và năng suất cao Việc điều khiển máy móc và quản

lý sản xuất làm con người mất rất nhiều sức lực, óc thông minh, và độ nhạybén cao Do vậy cần phải tạo ra những thiết bị, hệ thống đặc biệt để thay thếtoàn bộ hay một phần sức lao động vất vả của con người trong việc theo dõiđiều khiển, kiểm tra các quá trì

sản xuất

Ngành kỹ thuật tạo ra các phương pháp, thiết bị, phương tiện để giải

phóng sức lao động của con người trong việc quản lý và điều khiển quá trìnhsản xuất gọi là tự động hoá và điều k

ển tự động Hiện nay tự động hoá và điều khiển tự động ngày càng pháttriển mạnh mẽ và phục vụ đắc lực cho con người trong quá trình sản xuất,nghiên cứu khoa học, chinh phục vũ trụ,

thuỷ lực

Điện tử công suất là lĩnh vực áp dụng khá rộng trong sản xuất, trongcông nghiệp, mà nó dựa trên nền tảng của các môn học mạch điện tử, kỹ thuậtxung số… Trong đó đối tượng được điều khiển để truyền năng lượng điện

có kiểm soát từ nguồn đến tải Công suất này có trị số từ vài chục watt đến vàigigawatt Yêu cầu quan trọng trong điện tử công suất là hiệu suất và giá trịkinh tế do đó phải sử dụng kỹ thuật giao hoán nhằm giảm thiểu tổn thất trongquá trình chuyển đổi và điều khiển Lĩnh vực áp dụng điện tử công suất đượcmô

như hình 1.1

Hình 1.1 : 4 kỹ thuật biến đổi cốt lõi nhất của điện

I/ Các thông số quan trọng và độ nhạy của các thôn

số hệ thốnĐc tíhh otđ ộ ng củ lin iện đợ ơ t ả m ộ t cácõ ràng n h ấthônguặct y ế n c ủ anó Đctu yến c ủ acálih k iệ nđiệntc hỉ h h u v à o l ạlih k iệ n

m à kôgphụ th c vo c ơ g s uất c nó và chúnga c ũ ng đ ó biết trong cácmn lýthu ếlihk iệ n đ iệ tử và đ i ệử công s uấ.Đặctyc ủ a một linh k i ện chểxây ựng từ t hự nghiệm ho ặcvẽ ra từmơ hìht oáh ọ c c ủó Tuy r nlinh k iệ

n côngut hotđ ộng c h ủ yếở ai ế đ ộngắtng ư n gd ẫn)và đn( dẫn b ohòa), n

hư ngviệcvặ cty ế n củ lihk iệ n g i úp choinhinn ắ đ ư ợ c đ ặc tnhotđộ n gcủa linh ki ệ, từđ ú dụ n hnt ố t h ơ nrong các mạh công suất.ìv ậ y, nội dncy

ế ua bàin ày là ặcty ế n c ủ acálihkiệ n đi ện tử c ơ b ản từ các mình toán h

ọc ca nó, vớ i sựtrợgiúp c ủ a m á tnh Bài t hự c tập này còn giúp chsinhvên n ắm được cc ngy ân tcc ơ n c ủ iệ c mô p ỏng linhk iệ hay m ạhđ iệ

tử b ằ ng

khó

Thời gian phục hồi:

Thời gian dành cho quá trình k

t = (1,5 đến 2) t r

4 Tốc độ tăng điện áp cho phép

U/dt ( V/ micro giây)

cắt nhau là điểm àm việc.

Vùng nghịch với I B = 0 Tranistor ở chế độ ngắt, dòng I C0 có giá trị khôngđáng kể Cần ạn chế điện áp ngược trên U BE vì khả năng chịu điện á

ngược trên Emitor khá nhỏ.

Vùng bão hồ nằm giữa đường giới hạn a với giới hạn bão hồ b Điểm làm việc

nằm trong vùng bão hồ, transistor ẽ đúng (điểm ĐÓNG),dòng I C dẫn và iện thế

U CE đạt giá trị U

S

hế bão hồ.

Đặc tính động:

Thời gian đúng T on trong khoảng vài miligiây Thời gian T off kéo

ài hơn vượt quá 10 miligiây.

Hệ quả không tốt của đúng ngắt quá độ là tạo nên công suất tổn hao khôngcần thiết Công suất tổn hao làm giới hạn dãy t

chuyển đổi điểm làm việc thông qua vùng tích c

đến điểm NGẮT

H

số khuếch đại tĩnh của dòng:

Các transistor công suất lớn hệ số khuếch đại tĩnh chỉ khoảng 10 – 20 ĐểDarlington tăng HS KĐ người ta mắc dạng Bất lợi của darlington là thời

gian đúng tăng lên, tần số đúng ngắt bị giảm. Thường các sơ đồ này có thờigian trễ từ vài trăm

ano giây đến vài micro giây.

5.

BJT

on Transistor)

Để tăng tần số đúng cắt của transistor công suất, cần giảm thời gian T.on và T off Ởđầu giai đoạn phải đưa dòng I B với đỉnhkhá lớn Khi T dẫn thì giả

dòngbão hồ

Kích ngắt: Nếu điện ápU B giảm xuống giá trị âm U 2 < 0, điện ápngược đặ lên Bằng tổng điệáp U B và U C Gai dng I B xuất hiện, sau khi C 1

xả hết, đin

Thời gian đúng ngắt rất nhỏ từ vài ns( nano giây) đến vài trăm ns phụ

huộc vào linh kiện

Điện trở tong của M khi dẫn R on thay đổi phụ thuộc vào khả năng c

Mạch kích sử dụng totem-pole gồm 2 transistor npn và np Khi điện p U 1 ởmứccao Q 1 dẫn,Q 2 khó làm M ẫn Khi đện áp 1 thấp, Q 1 khó, Q 2 dẫn làm cácdiện tích trên mạch cổng được giải phóng, M nắt điện Tín hiệu U 1 có thể lấy

từ mạch collector mở( open collector TTL) và totem – pole đóng vai trị mạchđệm ( buffer) Giảm tời gian kích đúng

h a/

M gần như không cần bảo vệ Có thể sử dụng R

mắc hêm ởcửa ra

T th ờng đ ợc khó lại một cách tự hiê

theo điện áp l ới

Mạch một chiều, cực tính điện áp không đổi trong suốt quá trình làm việc – Tkông khó tự nhiên đ ợc, phải sử dn các mạch khó c

chuyển các điện tích ra khỏi cấu trúc

Khi GTO đang dẫn òng, tiếp giáp J 2 chứa một số lượng lớn các điện tích sinh

ra do hiệu ứng “bắn phá vũ bão” Phải lấy các điện tích này đi, vùng dẫn mới

co hẹp lại Dòng Anot về 0 Dòng đ/k phải duy trì thời gian để GT

Mạch

ng ngắn mạch.

GTO (Gate Turn

và colector ở transistor thường) tạo nê

ng colector

9 GBT (INSULATED GATE BIPO

ua trasistorDòn I 1 khó nhanh, I 2 không thể suy giảm

nhanh do điện tích tíc

tại lớp n -

điều khiển IGBT

IGBT mở bằng tín hiệu điện áp : Điện áp phải có mặt liên tục trên cực điềukhiển G và E để xác định chế độ mở, khó Tín hệumở có biên độ U GE , tín hiệ

khó có biên độ - U GE cunấ

qua điện trở R G

Mạch GE được bảo

MCT (M OS-Con

lled Thyristor) Khả năng đúng ngắt của các khóa

của TCR lớn hơn ta luôn có trị số điện kháng đẳng trị của TCSC mang dấu

âm (hình vẽ),ĩa làương ứng với

tụ bù

dọc Khi góc cắt của TCR thay đổi từ đến , dung kháng của TCSC thay đổi liên tục từ đ

một giá trị â

sẽ có tín hiệu đống máy cắt MC Do đó, toàn bộ các p

n tử của TCSC và VAR được nối tắthi đã nối t TCSC, có thể đúng

dao cách ly

DCL vào để nối tắt lâu dài tụ Ngoài ra còn nhiều

chế khác bảo vệ cho TCSC

ạt động tốt

4 Mô hình điều khiển TCSC

Khi làm việc trong HTĐ TCSC có 2 chế độ hoạt động Trong chế độlàm việc bình thường TCSC hoạt động với trị số đặt Điểm đặt có thể thayđổi theo thôngĐXL thông qua kênh điềuiển riêng (

Power Flow Control Loop

) Trong chế độ quá độ, hoạt động theo kênh đikhiển ổn định (

Stability Control Loop

) Đặc trưng độn

của TCSC phụ thuộc hàm truyền của kênh này.

Mô hình điều khiển TCSC bao gồm các khối trễ, khối lọc, khối bù pha,

vối khuyếch đại, có ể mô tả bằng một số

khâu tuyến như

au

eo mô hình của chương trình

PSS/E

):

Trong đó: là thời gian tr ễ của khâu đo lường và chuyển đổ i (0<=

<5); và là hằng số của kâu bù pha (0<= <5; 1< <20),

(washout) (0<= < 2); K

hệ số khuyếch đại

Hàm truyền của mô hình:

Tín hiệu đầu vào của kênh ổn định hiện nay thường được chế tạo mặc địnhtheo các lựa chọn đại lượng đo trên chính mạch có đặt TCSC, tương ứng làmgiảm dao động dòng (Constant Current Control), giảm dao động góc pha

(Constant Angle Control) hoặc giảm dao động công suất (Constant PowerControl) của đường dây truyền tải Thực chất của các thuật toán điều khiểntrên là tạo ra tín hiệu thay đổi dung dẫn TCSC tác động ngược chiều với đạohàm các đại lượng đo Thật vậy nếu bỏ qua quán tính (các khâu k

h đạ dịch pha) ta có hàm truyền đẳng trị:

5 Thuật toán điều khiển TCSC

Hiện nay, thuật toán điều khiển TCSC vẫn còn là vấn đề cần đang cầnđược nghiên cứu Thuật toán điều khiển TCSC hưởng lớn đếhả năng giữ được

6 Điều khiển TCSC theo tín hiệu đúng cắ t

Xét phân tích hiệu quả điều khiển TCSC theo tác động đúng cắt để nâng cnđịnh động c HTĐ sơ đồ đơ

tả quá trình quá độ máy phát có điều chỉnh đúng cắt TCSC

Đường cong B biểu diễn đặc tính công suất của máy phát ở CĐXLtrước khi xảy ra sự cố (TCSC có trị số trung bình) Đường A và C minh họatrạng thái giới hạn của đặ c

ính công suất dưới tác động của TCSC (ứ ng với trị số và

Giả sử tại thời điểm sau cắt ngắn mạch TCSC được đúng thêm đến trị

số , nâng đặc tính công suất lên theo đường A Diện tích hãm tốc sẽ tăng lênnhi ều, đảm bảo ổn định hệ thống với góc lệch t ăng cực đại đến Nếu

không điều khiển ó

lệch có thể đến (hoặc mất ổn định nế u đường B thấp hơn)

Tại thời điểm góc lệch bắt đầu giảm cần cắtm điện áng về Tácđộng này làảm được ện tích

thống chỉ còn dao động rất nhỏ xung quanh vị trí cân bằng

Dễ thấy, các điều khiển dạng rời rạc, nếu thực hiện đúng sẽ mang lạihiệu quả tối đa Tuy nhiên chọn đúng thời điểm tác động và thực hiện điềukhiển được là nội dung hết sức quan trọng Mục này sẽ

m xét vấn đề tạo các tác động điều khiể

hiệu quả cho TCSC

7 Điều khiển TCSC theo tác động tối ưu

Xét tiêu chuẩn điều khiển tối ưu QTQĐ, đó là cực tiểu hàm năng lượngtoàn phần ở cuối QTQĐ được điều khiểnu kích đg (sự cố) hệ thống tích lũymột năng lượng, gồm

ế năng

trạng thái hệ thốnch khỏiểm cân bằng và

động năng

quay của máy phát Về nguyên tắc cần cực

ểu hóa hàm năng lượng tại thời điểm cuối của quá trình điều khiển:

Giả thiết QTQĐ đang diễn ra ở thời điểm Xét 2 k

năng: điều chỉnh dung lượng bù tại thời điểm này và trì hoãn đến

τ hàm mục tiêu có trị số cò n tại có trị số tương ứng với số gia:

Bây giờ căn cứ vào dấu của có thể q uyết định được thời điểm đúng cắttối ưu Nếu tại thời điểm đang xét có dấu âm, có nghĩa là việc trì hoãn tácđộng sẽ có lợi do hà m mục tiêu W giảm (không đưa ra tác động tại ).Nếu tại thời điểm xét >0 việc điều ch

h ngay dung lượng bù là cần thiết để hàm mục t iêu W không tăng thêm.Theo, dựng phương pháp biến phân tham số, gọi là thời điểm tác động đúngcắt tụ Ta cần lựa chọn theo tiêu chu ẩ

Dựa vào biểu

ức trên, ta xét hiệu quả của một số tác động điều khiển thường

ng

8 Hiệu quả điều khiển theo

hiệu đo là công suất truyền tải

Với công suất truyền tải

Khi dao động góc lệch vượt lên trên , tác động ngư

àm giảm diện tích gia tốc đáng kể so với t

động đúng cắt tối ưu.

TCSC tác động theo tín hiệu dòng công suất

9 Hiệu quả điều khiển theo tín hi

sẽ thấp (cũng chính là ở giai đoạn đầu của QTQĐ), tron g khi điều khiểntheo công suất

iệu quả lớn nhất xung quanh góc lệch có ý nghĩa tốt ở giai đoạn đầu.Trong một hệ thống truyền tải điện, một lò phản ứng điều khiểnthyristor (TCR) là một reactance kết nối trong loạt với một van thyristor haichiều Các van thyristor là giai đoạn kiểm soát, cho phép giá trị của công suấtphản kháng cung cấp phải được điều chỉnh để đáp ứng các điều kiện hệ thốngkhác nhau Thyristor-kiểm soát các lò phản ứng có thể được sử dụng để hạnchế tăng điện áp trên đường dây truyền tải nhẹ tải Một thiết bị khác sử dụng

sẽ được sử dụng cho mục đích này là một lò phản ứng từ tính điều khiển(MCR), một loại

a bộ khuếch đại từ trường nếu không được biết đến như mộttransductor

Song song với reactance loạt kết nối và van thyristor, cũng có thể làmột ngân hàng tụ điện, có thể được vĩnh viễn kết nối hoặc có thể sử dụng

sự thay đổi "Góc trễ Firing", α α được định nghĩa là góc trì hoãn từ điểm màtại đó điện áp trở nên tí

cực đến điểm mà tại đó các van thyristor được bật và bắt đầu dòngđiện

Điện áp và dòng sóng trong một dòng TCRMaximum được thu đượckhi α là 90 °,

iểm mà ti

ó TCR được cho là "dẫn đầy đủ" và hiện tại rms được cho bởi:

Ltcr là TCR tổng điện cảm mỗi pha

Vsvc là giá trị rms của điện áp thanh cái dòng dòng mà SVC được kết nốiHiện hành chậm 90 ° phía sau điện áp phù hợp với lý thuyết cổ điển mạch

AC Khi α tăng hơn 90 °, lên đến tối đa là 180 °, giảm hiện tại và trở nênkhông liên tục và không

nh sin Hiện tại TCR, như là một hàm của thời gian, sau đó được cho bởi:Nếu không, không Chính equipmentA TCR bao gồm hai hạng mục chính của