Hãy trình bày hệ thống điều khiển thiết bị điện có tiếp điểm theo nguyên tắc hành trình trình bày ví dụ về hành trình chạy thuận và chạy ngược của con xe

TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC
KHOA ĐIỀU KHIỂN & TỰ ĐỘNG HÓA

BÁO CÁO CHUYÊN ĐỀ
NGÀNH: KỸ THUẬT
CHUYÊN NGÀNH: TỰ ĐỘNG HÓA
HỌC PHẦN:TỰ ĐỘNG HÓA THIẾT BỊ ĐIỆN

Giảng viên hướng dẫn: Phạm Thị Thùy Linh
Nhóm sinh viên/ sinh viên thực hiện: Nguyễn Huy Hiệu
Mã sinh viên: 18810430178
Lớp: D13TDH&DKTBCN2

HÀ NỘI, 11/2021


MỤC LỤC

ĐỀ BÀI BÁO CÁO CHUYÊN ĐỀ................................................................................4
Chương 1: Phần lý thuyết..............................................................................................5
1.1.Hệ thống điều khiển thiết bị điện có tiếp điểm theo nguyên tắc hành trình..............5
1.1.1 Mạch điều khiển theo nguyên tắc hành trình.........................................................5
1.1.2 Ứng dụng vào thực tế............................................................................................ 6
1.2 Các bộ điều chỉnh cơ bản.........................................................................................7
1.2.1 Nhiệm vụ các bộ điều chỉnh..................................................................................7
1.2.2 Một số hàm cơ bản................................................................................................7
1.2.3 Mạch PID............................................................................................................10
1.3 Mạch điều khiển có nhớ trong hệ thống điều khiển khơng có tiếp điểm................12
1.3.Mạch chốt R-S.......................................................................................................12
1.3.2 Mạch chốt D.......................................................................................................14
Chương 2: Bài tập ứng dụng........................................................................................16

2.1. Bù Cosφ................................................................................................................ 16
2.1.1. Tam giác công suất.............................................................................................16
2.1.2. Bù Cosφ bằng tụ................................................................................................16
2.2. Thiết kế hệ thống bù cosφ cho nhà máy gang thép Thái Nguyên..........................18
KẾT LUẬN ................................................................................................................21
TÀI LIỆU THAM KHẢO...........................................................................................22


DANH SÁCH CÁC BẢNG, HÌNH VẼ

Hình 1.1: Điều khiển động cơ theo nguyên tắc hành trình.............................................5
Hình 1.2: Hình vẽ hệ thống xe con của cần cẩu.............................................................6
Hình 1.3: Mạch lực và mạch điều khiển của xe con cần cẩu..........................................6
Hình 1.4: Mạch tạo hàm cơ bản.....................................................................................7
Hình 1.5 : Bộ điều chỉnh tỷ lệ........................................................................................8
Hình 1.6 : Bộ điều chỉnh tích phân................................................................................9
Hình 1.7 : Bộ tích phân tỷ lệ..........................................................................................9
Hình 1.8: Bộ vi phân....................................................................................................10
Hình 1.9 : Sơ đồ khối tổng quát mạch PID..................................................................10
Hình 1.10 : Sơ đồ ví dụ mạch PID...............................................................................11
Hình 1.11a: Sơ đồ khối mạch chốt R-S........................................................................12
Hình 1.11b: Mạch ứng dụng của mạch chốt R-S.........................................................12
Hình 1.11c: Mạch tương đương……………………………….…………………..…13
Hình 1.12a: Sơ đồ khối mạch chốt R-S 3 đầu vào.......................................................13
Hình 1.12b: Mạch ứng dụng……………………………...…………………………..14
Hình 1.12c : Mạch tương đương..................................................................................14
Hình 1.13: Sơ đồ khối mạch chốt D.............................................................................14
Hình 2.1 : Tam giác cơng suất…..…………………………………………………….16
Hình2.2: Sơ đồ mạch lực.............................................................................................17
Hình 2.3: Sơ đồ mạch điều khiển.................................................................................18

Học Phần : Tự động hóa thiết bị điện

ĐỀ BÀI BÁO CÁO CHUYÊN ĐỀ

Phần 1: Lý thuyết
1. Hãy trình bày hệ thống điều khiển thiết bị điện có tiếp điểm theo ngun tắc
hành trình. Trình bày ví dụ về hành trình chạy thuận và chạy ngược của con xe của
hệ thống cần cẩu theo nguyên tắc hành trình?
2. Các bộ điều chỉnh cơ bản có chức năng gì trong hệ thống tự động hóa điều khiển
thiết bị điện. Phân loại các bộ điều chỉnh này?
3. Hãy trình bày về cách tạo mạch điều khiển có nhớ trong hệ thống điều khiển
khơng có tiếp điểm?
Phần 2: Bài tập ứng dụng
Hãy thiết kế sơ đồ mạch lực và mạch điều khiển của hệ thống bù cosphi
cho nhà máy luyện gang thép Thái Nguyên, mục đích nhằm đảm bảo hệ số
cosphi nằm trong khoảng 0,85-0,96. Ta sẽ dùng 4 nhóm tụ bù C1< C2dùng cảm biến cosphi để đo công suất. Do cosphi của tải ln biến động nên trình
tự đóng/cắt tụ theo dung lượng từ bé đến lớn nhằm tránh hiện tượng đóng lặp lại.

Sinh viên thực hiện : Nguyễn Huy Hiệu

4


Học Phần : Tự động hóa thiết bị điện

Chương 1: Phần lý thuyết

1.1.Hệ thống điều khiển thiết bị điện có tiếp điểm theo nguyên tắc hành trình
1.1.1 Mạch điều khiển theo nguyên tắc hành trình
Mạch điều khiển theo nguyên tắc hành trình là mạch thường dùng trong điều
khiển động cơ một và xoay chiều. Tín hiệu điều khiển là các cảm biến, cơng tắc hành
trình, cơng tắc cực hạn, cơng tắc điểm cuối,… để tạo ra các tín hiệu điều khiển: khởi
động, hãm, đảo chiều, thay đổi tốc độ động cơ,…

Hình 1.1: Điều khiển động cơ theo nguyên tắc hành trình
 Nguyên lý hoạt động của hình 1.1.
Khi nhấn MT, tiếp điểm 2-3 đóng lại đồng thời tiếp điểm 9-10 mở ra, cơng tắc tơ
T hút làm đóng tiếp điểm T trên mạch lực động cơ hoạt động theo chiều thuận , khi
nhấn nút D hoặc động cơ đến điểm HCT thì động cơ sẽ dừng.
Tương tự nguyên lý như động cơ làm việc theo chuyền thuân, khi nhấn MN, tiếp
điểm 2-8 đóng lại đồng thời tiếp điểm 4-5 mở ra, cơng tắc tơ N hút làm đóng tiếp điểm
N trên mạch lực động cơ hoạt động theo chiều nghịch ,khi nhấn nút D hoặc động cơ
đến điểm HCN thì động cơ sẽ dừng.

Sinh viên thực hiện : Nguyễn Huy Hiệu

5


Học Phần : Tự động hóa thiết bị điện

1.1.2 Ứng dụng vào thực tế

Hình 1.2: Hình vẽ hệ thống xe con của cần cẩu

Hình 1.3: Mạch lực và mạch điều khiển của xe con cần cẩu

Sinh viên thực hiện : Nguyễn Huy Hiệu

6


Học Phần : Tự động hóa thiết bị điện

 Nguyên lý hoạt động của mạch điều khiển xe con cần cẩu
Khi nhấn R, tiếp điểm 2-3 đóng lại , cơng tắc tơ R hút làm đóng tiếp điểm P trên
mạch lực động cơ sẽ di chuyển sang bên phải, khi nhấn nút D hoặc động cơ đến điểm
HP thì động cơ sẽ dừng.
Tương tự nguyên lý như động cơ di chuyển sang phải, khi nhấn L, tiếp điểm 2-8
đóng lại, cơng tắc tơ T hút làm đóng tiếp điểm T trên mạch lực động cơ di chuyển sang
bên trái, khi nhấn nút D hoặc động cơ đến điểm HT thì động cơ sẽ dừng.
1.2 Các bộ điều chỉnh cơ bản
1.2.1 Nhiệm vụ các bộ điều chỉnh
Trong các mạch điều khiển tự động, mạch hiệu chỉnh có một vai trị rất quan
trong, nó đảm bảo chất lượng tĩnh và động của hệ thống. Nhiệm vụ chính của các bộ
điều chỉnh:
-

Khuếch đại tín hiệu sai lệch nhỏ.

-

Tạo hàm điều khiển để đảm bảo chất lượng tĩnh và động.

Tùy theo phương pháp điều khiển mà ta có các bộ điều chỉnh tương tự, bộ điều
chỉnh xung hay bộ điều chỉnh số.
1.2.2 Một số hàm cơ bản

a, Nguyên tắc tạo hàm chức năng

Sinh viên thực hiện : Nguyễn Huy Hiệu

7


Học Phần : Tự động hóa thiết bị điện

Hình 1.4: Mạch tạo hàm cơ bản
Sơ đồ hình 1.1 có các quan hệ :
Id  I 2  I1 Iv 0





I 2 Yht ( p ).U 2

I1 Y1 ( p ).U1

Yd ( p ).U d  Yht ( p ).U 2  Y1 ( p ).U1 0 



Yd ( p ) 
Y1 ( p )
U2 
.U 


Ud 
Yht ( p ) 
Yd ( p ) 1 

Id Yd ( p ).Ud

(1.1)

Hai điện áp U d và U 1 trái dấu
b, Điều chỉnh tỷ lệ

Hình 1.5 : Bộ điều chỉnh tỷ lệ
a, Sơ đồ mạch ; b, Đáp ứng đầu ra
Sơ đồ bộ điều chỉnh tỷ lệ vẽ trên hình 1.5a , đáp ứng của mạch trên cho hình 1.5b
Từ quan hệ (1.1) viết được hàm truyền của hệ
U2
U
R
F ( p) 
 2  2 K
U d  U1  U
R1
(1.2)

Sinh viên thực hiện : Nguyễn Huy Hiệu

8


Học Phần : Tự động hóa thiết bị điện

c, Bộ điều chỉnh tích phân

Hình 1.6 : Bộ điều chỉnh tích phân
a, Sơ đồ nguyên lý ; b, Đặc tính đầu ra
Sơ đồ mạch và đáp ứng của bộ điều chỉnh tích phân trên hình 1.3
Thay vào biểu thức cuối của (1.1) với giá trị Ud=Uv ; U1=0 , ta có

U 2 

Yv ( p )
Uv
Yht ( p )

(1.3)
1
1


Yv ( p)
,Y
R ht Cp vào (1.3) ta được hàm truyền
Thay các giá trị
d, Hàm truyền của khâu tích phân tỷ lệ

Sinh viên thực hiện : Nguyễn Huy Hiệu

9

Học Phần : Tự động hóa thiết bị điện

Hình 1.7 : Bộ tích phân tỷ lệ
a, Sơ đồ nguyên lý ; b, Đặc tính đầu ra
Sơ đồ mạch và đáp ứng của bộ điều chỉnh tích phân tỷ lệ vẽ trên hình 1.7

Y 

K
1
.X ; K 
p
RC

(1.4)

1
Yv ( p ) 
R
Thay vào biểu thức cuối của (1.1) với :
Yht 

1
1
R2 
Cp



Cp

R2Cp  1
(1.5)

Ta có :

T 1
U2
R R C . p 1
 2 . 2
 K p
Uv
R1 R 2C . p
Tp

(1.6)

e, Hàm truyền của khâu vi phân

Hình 1.8: Bộ vi phân
a, Sơ đồ mạch điện; b, Đặc tính đầu ra
Sơ đồ mạch và đáp ứng điều chỉnh vi phân vẽ trên hình 1.8
Hàm truyền của khâu vi phân : Y  K . p. X ; K R.C
Sinh viên thực hiện : Nguyễn Huy Hiệu

(1.7)
10


Học Phần : Tự động hóa thiết bị điện

1.2.3 Mạch PID
Trong mạch điều khiển tự động, khi cần chất lượng tĩnh và nhất là chất lượng động
tốt người ta cần mạch hiệu chỉnh. Dạng mạch hiệu chỉnh chính thường dùng là mạch
PID (Proportional Integral Differential – Tỷ lệ tích phân vi phân). Sơ đồ khối tổng quát
của khâu hiệu chỉnh PID cho trên hình 1.9.

Hình 1.9 : Sơ đồ khối tổng quát mạch PID
dU v
U ra K p .U v  K I U v dt  K D
dt
Tín hiệu đầu ra được tính

U ra (p ) (K p 

(1.8)

KI
 K D .p )U v (p )
p

2
U ra ( p ) K D p  K p .p  K I
)
(
U ( p)
p
Hàm truyền được viết : v

(1.9)

Viết lại biểu thức hàm truyền

W(p)=
A1 

A1 . p 2  A2 . p 1
p

Kp
KI

; A2 

Kp
KI

; 

1
KI

Sơ đồ mạch điện cho trên hình 1.10

Sinh viên thực hiện : Nguyễn Huy Hiệu

11


Học Phần : Tự động hóa thiết bị điện

Hình 1.10 : Sơ đồ ví dụ mạch PID
1.3 Mạch điều khiển có nhớ trong hệ thống điều khiển khơng có tiếp điểm
Mạch tạo nhớ cơ bản
1.3.1Mạch chốt R-S
a, Mạch chốt R-S
Mạch chốt R-S là mạch hai trạng thái ổn định, để tạo mạch này có thể dùng hai
cộng NOR cấu trúc như hình 1.11a

Sinh viên thực hiện : Nguyễn Huy Hiệu

12


Học Phần : Tự động hóa thiết bị điện

Hình 1.11a: Sơ đồ khối mạch chốt R-S
Bảng trạng thái :
S

R

Q
Q
0
latch
latch
1
0
1
0

1
0
1
0
0
Q
Q
Từ bảng trạng thái ta thấy
và
là hai trạng thái ngược nhau. Tuy nhiên khi cả
hai đầu vào S và R đều ở mức 1 thì 2 đầu ra này bằng 0, đây là trạng thái không hợp lệ
(trạng thái cấm) của mạch chốt R-S. Khi cả hai đầu vào S và R đều ở mức 0 thì hiện
tượng chốt (có nhớ) xảy ra.
0
0
1
1

Ứng dụng thực tế cho mạch chốt R-S là mạch dừng và khởi động động động cơ
sử dụng cuộn hút K với các phần tử có tiếp điểm

Hình 1.11b: Mạch ứng dụng của mạch chốt R-S

Hình 1.11c : Mạch tương đương
Sinh viên thực hiện : Nguyễn Huy Hiệu

13


Học Phần : Tự động hóa thiết bị điện

b, Mạch R-S có 3 đầu vào
Trong một sơ đồ mạch, sự thay đổi trạng thái của các đầu vào chỉ có thể
tác dụng khi thỏa mãn một đầu vào cho phép nào đó, gọi là E (Enable). Lợi dụng
tính chất này thiết kế mạch R-S có thêm đầu vào E như hình 1.12a

Hình 1.12a: Sơ đồ khối mạch chốt R-S 3 đầu vào
Bảng trạng thái :
E

S

R

Q

0
0
0
0
1
1
1
1

0
0
1
1
0

0
1
1

0
1
0
1
0
1
0
1

latch
latch
latch
latch
latch
0
1
0

Q
latch
Từ sơ
đồ
latch
hình
latch
mạch

latch
thấy
latch
rằng
1
khi
0
nào
0
tín
hiệu E = 1 thì hai đầu vào S và R mới có tác dụng, cịn nếu khơng nó sẽ tạo ra tính chất
nhớ (chốt) trạng thái đầu ra Q và Q trước đó.

Mạch R-S ba đầu vào có thể dùng để dừng và khởi động cơ khí và chỉ khi cơng
tắc E đã đóng.

Hình 1.12b : Mạch ứng dụng

Sinh viên thực hiện : Nguyễn Huy Hiệu

14


Học Phần : Tự động hóa thiết bị điện

Hình 1.12c : Mạch tương đương
1.3.2Mạch chốt D
Mạch chốt D chỉ cần một đầu vào, về cấu trúc gần giống với mạch chốt R-S có ba
đầu vào.
Mạch chốt D trên hình 1.10 khác với mạch R-S ba đầu vào ở chỗ đầu vào R

được thay bằng một phần tử NOT và có chung một đầu với đầu vào D (thay thế cho
đầu vào S).
Mạch chốt D thường được dùng để nhớ trạng thái của đầu ra Q khi đầu vào E về
mức logic 0.

Hình 1.13: Sơ đồ khối mạch chốt D
Bảng trạng thái
E

D

Q

0
0
1
1

0
1
0
1

latch
latch
0
1

Sinh viên thực hiện : Nguyễn Huy Hiệu

Q
latch
latch
1
0

15


Học Phần : Tự động hóa thiết bị điện

Chương 2: Bài tập ứng dụng

2.1. Bù Cosφ
2.1.1. Tam giác công suất
Công suất biểu kiến của tải (thường là của một xí nghiệp hay một hộ tiêu
thụ có biến áp độc lập) bao gồm hai thành phần hữu công (P) và vô công (Q) do
thành phần điện cảm của tải gây nên. Các đại lượng này được biểu thị bởi tam
P
cos 
S.
giác cơng suất như trên hình 2.1. Từ tam giác cơng suất đã biết rằng:

Hình 2.1: Tam giác cơng suất
Như vậy với cùng một công suất hữu công, nếu tải tiêu thụ một công
suất vô công Q lớn, công suất biểu kiến từ lưới lớn, dòng điện trên đường dây lớn
gây tổn hao công suất và điện áp trên dường dây lớn, gây sụt áp của tải. Do đó
cần giảm cơng suất vô công bằng cách bù một lượng công suất phản kháng (Q bù).
Khi đó, cơng suất nhận từ lưới giảm xuống và dòng điện trên đường dây giảm.
Hiện nay, hai cách bù công suất phản kháng được dùng phổ biến nhất là

bù bằng máy phát chạy ở chế độ bù cosφ và bù tĩnh bằng tụ. Cách thứ nhất ít
dùng hơn do lắp đặt phức tạp và vốn đầu tư cũng lớn. Cách thứ hai thường được
dùng hơn do thuận tiện trong lắp đặt và giá thành thấp.
2.1.2. Bù Cosφ bằng tụ
Việc bù cosφ thường được thực hiện bằng cách đóng tụ vào lưới hạ thế
của hộ tiêu thụ. Cách bù như thế này có lơi hơn cho hộ tiêu thụ. Bởi vì, khi đóng
tụ bù vào lưới hạ thế điện áp được tăng lên và giá thành của tụ bù hạ thế thấp hơn
tụ bù cao thế.
Đơn vị để lựa chọn bù cosφ có thể theo từng máy, theo phân xưởng, hay
đóng tụ vào đầu ra hạ thế của biến áp động lực.
Dung lượng cần bù (Qbù) được tính từ thơng số cơng suất phản kháng của
hộ tiêu thụ. Tải của hộ tiêu thụ thường thay đổi, cosφ cũng thưởng thay đổi. Do
đó, dung lượng tụ cần đóng vào lưới cũng ln thay đổi, tụ động bù có hiệu quả
nhật là chia tụ thành các nhóm tụ có điện dung tăng dần khi đóng
(C1lượng điện tốt.
Sinh viên thực hiện : Nguyễn Huy Hiệu

16


Học Phần : Tự động hóa thiết bị điện

Các cảm biến cosφ được lấy tín hiệu ra để đóng, ngắt tụ. Khi cosφ thấp ra lệnh
đóng tụ, khi cosφ cao ra lệnh căt tụ. Lựa chọn thời điểm để đóng thêm hay cắt bớt
dung lượng của tụ tùy thuộc cosφ của tải. Theo kinh nghiệm chỉnh định, khi cosφ <
0.85 (ngưỡng thấp) cần đóng thêm tụ, cịn khi cosφ > 0.96 (ngưỡng cao) cắt bớt tụ.
Thứ tự đóng tụ từ bé đến lớn và cắt tụ cũng từ bé đến lớn, điều này sẽ hợp lý hơn
cho việc tự động lựa chọn đóng và cắt tụ.
2.2. Thiết kế hệ thống bù cosφ cho nhà máy gang thép Thái Nguyên

 Sơ đồ mạch lực

Hình2.2: Sơ đồ mạch lực
Dung lượng cần bù (Qbù) được tính từ thơng số cơng suất phản kháng của nhà
máy thụ. Tải của nhà máy thường thay đổi, cosφ cũng thường thay đổi. Do đó lượng tụ
cần đóng vào lưới cũng ln thay đổi, tự độn bù có hiệu quả nhất là chia tụ thành các
nhóm.
Trong sơ đồ mạch lực trên ta sẽ dùng 4 nhóm tụ bù C1Ta sẽ sử dụng cảm biến cosφ để đo cơng suất và để lấy tín hiệu điều chỉnh thứ tự
đóng cắt của các nhóm tụ nhằm đảm bảo hệ số cosφ nằm trong khoảng 0,85-0,96.
Thứ tự đóng tụ từ bé đến lớn và cắt tụ cũng từ bé đến lớn nhằm mục đích tránh
hiện tượng đóng lặp lại.

Sinh viên thực hiện : Nguyễn Huy Hiệu

17


Học Phần : Tự động hóa thiết bị điện

 Sơ đồ mạch điều khiển



Hình 2.3: Sơ đồ mạch điều khiển
Nguyên lý hoạt động:
a. Đóng tụ vào lưới

Điều khiển đóng cắt tụ theo nguyên tắc thời gian, các rowle thời gian cần

có đê xác định cosφ đã xác lập, chứ khơng phải quá độ, chỉ khi nào sự biến đổi
của tải đã xác lập mới tiến hành đóng hay cắt tụ.
Khi cosφ dưới ngưỡng thấp, cảm biến cosφthấp trong mạch làm cho role
RĐ hút, role Rth1 tính thời gian rồi đóng tiếp điểm để ra lệnh đóng TĐ1, K1,
nhóm tụ C1 được đóng vào lưới. Nếu cosφ chưa đủ, role Rth2 tiếp tục tính thời
gian để nhóm tụ thứ hai (C2). Nếu cosφ vẫn chưa đủ, tiếp tục đóng lần lượt các
role Rth3, Rth4 cho tới nhóm tụ cuối cùng (C4).
Trong trường hợp đóng tới nhóm tụ nào đó mà cosφ đạt giá trị trên
ngưỡng cảm biến cosφthấp mở ra, các tiếp điểm RĐ trong các mạch được tính thời
Sinh viên thực hiện : Nguyễn Huy Hiệu

18


Học Phần : Tự động hóa thiết bị điện

gian mở ra, dừng q trình đóng tụ tiếp theo. Những tụ đã đóng, nhờ có các tiếp
điểm tự giữ của mạch cuộn hút của role TĐ1, TĐ2, TĐ3, TĐ4 nên sẽ được tự
giữ.
b. Cắt tụ khỏi lưới
Khi cosφ lớn trên ngưỡng cao, tiếp điểm cosφcao đóng, role RC đóng làm mở
TĐ1, kéo theo cắt bộ tụ C1, nếu cosφ tiếp tục cao sẽ tiến hành căt các bộ tụ tiếp theo.
Trường hợp, cắt tới một bộ tụ nào đó có cosφ trị số dưới ngưỡng thấp, khi đó sẽ
đóng lại tụ từ nhỏ đến lớn, cho đến khi nào đủ cosφ thì thơi.

Sinh viên thực hiện : Nguyễn Huy Hiệu

19

Học Phần : Tự động hóa thiết bị điện

KẾT LUẬN
Qua bài báo cáo này kết quả em đã đạt được:
Hiểu được nguyên lý hoạt động của nguyên tắc điều khiển theo hình
trình và ứng dung của nó vào thực tế.
điểm

Hiểu được nhiệm vụ của bộ điều chỉnh và biết được một số hàm cơ bản
Hiểu về hệ thống điều khiển có nhớ trong hệ thống điều khiển khơng tiếp

Hiểu được cách bù công suất phản khảng và thiết kế được mạch bù cosφ
bằng tụ.

Sinh viên thực hiện : Nguyễn Huy Hiệu

20


TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1] Trần Văn Thịnh, Hà Xuân Hòa, Nguyễn Vũ Thanh. Tự động hóa và điều khiển thiết bị
điện, NXB Giáo Dục, 2008


Phụ lục

1