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

Ảnh hưởng của cộng hưởng mạng lưới lên đáp ứng điều khiển
MỤC LỤC
làm việc c 28
được trình bày ở 30
một giá trị â 30
chế khác bảo vệ cho TCSC 32
thay đổi điện kháng (thường 34
giới thiệu hai phương pháp điều khiển TCC 34
m xét vấn đề tạo các tác động điều khiể 37
ức trên, ta xét hiệu quả của một số tác động điều khiển thường 40
động đúng cắt tối ưu 40
TCSC tác động theo tín hiệu dòng công suất 40
y ra khi chuyển từ chế độ AV 70
HVTH: Hồng Văn Năng Lớp 12AKTĐHTĐ-PC MSHV: CA120089
Ảnh hưởng của cộng hưởng mạng lưới lên đáp ứng điều khiển
MỞ ĐẦ
Lý thuyết điều khiển tự động là một nhánh liên ngành của
kỹ thu và toáọc
, liên quan đến hành vi của
hệ thống độlực
. Đầu ra mong muốn của một hệ thống được gọi là giá trị đặt trước. Khi
một hoặc nhiều biến đầu ra của hệ thống cần tuân theo một giá trị đặt trước
theo thời gimột
bộ đu khiển
điều khiển các đầu vào cho hệ thống để đạt được hiệu quả mong muốn
trên 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 trình
trạng thá
bậc một.

Để trừu tượng hóa từ số lượng đầu vào, đầu ra và trạng thái, các biến và
biểu thức như vector và phương trình vi phân, phương trình đại số được viết
dưới 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 thời
gian ") cung cấp một cách thức ngắn gọn và thuật tiện cho bắt chước và phân
tích hệ thống với nhiều đầu vào và đâu ra. Với các đầu vào và đầu ra, chúng ta
có thể có cách viết khác cho phép biến đổi Laplace để mã hóa toàn bộ thông
HVTH: Hồng Văn Năng Lớp 12AKTĐHTĐ-PC MSHV: CA120089
1
Ảnh hưởng của cộng hưởng mạng lưới lên đáp ứng điều khiển
tin về một
ệ thống.
Không giống như xấp xỉ miền tần số, việc sử dụng biểu diễn không gian
trạng thái không bị giới hạn với hệ thống bằng các thành phần tuyến tính và
các 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 biểu
diễ nhưmột v éc t ơ trong khô
gian đó.
Ngành điện tử là một trong những ngành quan trọng góp phần vào sự phát
triển của đất nước. sự phát triển nhanh chóng của Khoa học – Công nghệ làm
cho ngành điện tử ngày càng phát triển và đạt được nhiều thành tựu mới. Nhu
cầu của con người ngày càng cao là điều kiện thuận lợi cho ngành Điện tử
phải không ngừng phát minh ra các sản phẩm mới có tính ứng dụng cao, các
sản phẩm có tính năng, có độ bền và độ ổn định ngày càng cao… Nhưng một
điều 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 ngày
đầu của cuộc cách mạng kỹ thuật trong công nghiệp vào nửa cuối thế kỷ
XVIII. Bắt đầu là những máy móc đơn giản (Máy hơi nước) con người đã

không ngừng cải tiến phát minh ra những máy móc thiết bị ngày càng hiện
đại, 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 nhạy
bén cao. Do vậy cần phải tạo ra những thiết bị, hệ thống đặc biệt để thay thế
toàn bộ hay một phần sức lao động vất vả của con người trong việc theo dõi
điều khiển, kiểm tra các quá trì
sản xuất.
Ngành kỹ thuật tạo ra các phương pháp, thiết bị, phương tiện để giải
HVTH: Hồng Văn Năng Lớp 12AKTĐHTĐ-PC MSHV: CA120089
2
Ảnh hưởng của cộng hưởng mạng lưới lên đáp ứng điều khiển
phóng sức lao động của con người trong việc quản lý và điều khiển quá trình
sản xuất gọi là tự động hoá và điều k
ển tự động. Hiện nay tự động hoá và điều khiển tự động ngày càng phát
triển mạnh mẽ và phục vụ đắc lực cho con người trong quá trình sản xuất,
nghiên cứu khoa học, chinh phục vũ trụ,
ốc phòng
Những thiết bị kỹ thuật dựng để giải quyết các vấn đề tự động hoá và
điều khiển tự động là các thi
bị tự động.
Thiết bị tự động là thiết bị có thể thực hiện một chức năng nào đó mà
không cần sự tham gia trực tiếp của con người. Chúng được xây dựng từ
những phần tử tự động khác nhau như: phần tử điện cơ, phần tử từ, phần tử
bán dẫn, điện từ, phần tử nhiệt, khí n
thuỷ lực
Điện tử công suất là lĩnh vực áp dụng khá rộng trong sản xuất, trong
công nghiệp, mà nó dựa trên nền tảng của các môn học mạch điện tử, kỹ thuật
xung 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 vài
gigawatt. Yêu cầu quan trọng trong điện tử công suất là hiệu suất và giá trị

kinh tế do đó phải sử dụng kỹ thuật giao hoán nhằm giảm thiểu tổn thất trong
quá trình chuyển đổi và điều khiển. Lĩnh vực áp dụng điện tử công suất được
mô
như hình 1.1

HVTH: Hồng Văn Năng Lớp 12AKTĐHTĐ-PC MSHV: CA120089
3
Ảnh hưởng của cộng hưởng mạng lưới lên đáp ứng điều khiển
Hình 1.1 : 4 kỹ thuật biến đổi cốt lõi nhất của điện
công suất
• AC biến đổi thành
: chỉnh lưu
• DC biến đổi thành DC: biến đổi đ
n một chiều
• DC biến đổi thành A
nghịch lưu
• AC biến đổi thành AC: biế
đổi điện AC
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 ấthông
uặct 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 lý
thu ếlihk iệ n đ iệ tử và đ i ệử công s uấ.Đặctyc ủ a một linh k i ện chể
xây 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 g
của 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 ch
sinhvên 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
HVTH: Hồng Văn Năng Lớp 12AKTĐHTĐ-PC MSHV: CA120089
4
Ảnh hưởng của cộng hưởng mạng lưới lên đáp ứng điều khiển
y vi tính. 1. DI
- Đi ốt
Các thông số cơ bản củ
một diode
1. Dòng đi
ệ
n thuận I D : Giá trị trung bình của dòng điện cho phép chạy qua
diode theo chi
ều

thuận I D Đây là giá trị lựa chọn diode cho ứng d
g thc tế
2. iện
áp ng
c U Ng.max : Giá trịđiện áp ng ợc lớn nhất mà diode có thể hịu
dựng đ ợc. Luô
l
a
chọn:
U AK < U
uoc max
3. Thời gian p
ụ
c hồi t r : thời gian chuyển mạch để phân chiadode th ờng, cắ t
nhanh và cực nhanh ( micro giây) và điện tích p
ụ

c hồi r cần đ a ra khỏi cấu
trúc để i
khó .

2.
HVTH: Hồng Văn Năng Lớp 12AKTĐHTĐ-PC MSHV: CA120089
5
Ảnh hưởng của cộng hưởng mạng lưới lên đáp ứng điều khiển
THYRIS
Thrstor ( T ) có 3 lớp ti
p
giáJ 1 ,
J
2 và J 3 và 3 cực A, K và cực điề
kiển G
Đ ặc tính V – A của T có 2 phần : Thuận nằm tại góc 1U/
AK
4 I với >0còn ng
ư ợc nằm tạU
AK
i III
< 0.
Khi không có dòng điềukhiển IG = 0 th ì pU
AK
hải tăng đến một giá trị lớn T
mới mở. Lúc nhđó T coi bị đá
thủng.
Khi có dòng điềukhiển I G >0 lúc đó T sẽ chuyển mạch. Tuỳ thuộc vào độ l
ớ
n

của I G mà T sẽ mở sớm
HVTH: Hồng Văn Năng Lớp 12AKTĐHTĐ-PC MSHV: CA120089
6
Ảnh hưởng của cộng hưởng mạng lưới lên đáp ứng điều khiển
y muộn.
Mở và k
thrstor
T đ ư ợc mở với hi
iều
ki
ện :
U AK > 0,
+ Xungdòng điện đ
vào cực G
Khi T đã mở, nế
u
tồn tạiI DT uy tr ì th ì T tiếp tục dẫn, không cần tác động dòng
điều khiển : Có thể đ/k mở T bằng xung dòng có độ rộng xun
nhất
ịnh.
T
k
hó:
I <I
T duy tr ì .
T chỉ U
AK
khó
àn toàn khi có
HVTH: Hồng Văn Năng Lớp 12AKTĐHTĐ-PC MSHV: CA120089

7
Ảnh hưởng của cộng hưởng mạng lưới lên đáp ứng điều khiển
+ Các thông số
ơ bản của
t
yristor
1. Dòng I V : Dòng trung bìn
cho phép chạy qua T
Khi lựa chọn chú ý:
+ Làm mát tự nhiên: D
g sử dụng c
h
phép:
HVTH: Hồng Văn Năng Lớp 12AKTĐHTĐ-PC MSHV: CA120089
8
Ảnh hưởng của cộng hưởng mạng lưới lên đáp ứng điều khiển
I = 1/3 I V
+ Làm mát cưỡng bức bằng quạt gió: D
g sử dụng c
h
phép:
I =23 I V
+ Làm mt c ư ỡng bức bằng n ước : Dò
sử dụ
n
chohép:
I I V
2. Đ iện áp ng ợc
cho ph
lớn nhất, U

Ng.ma
x
Lựa chọn U Ng.max = (1,2 đến 1,5) U sử dụ
thực tế trong mạch
3
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)
+ Với T tần số thấp dU/dt = 5
đến 200 V/ micro giây
+ Với T tần số cao dU/dt = 500
ến 2000 V/ micro giây
5. Độ tăng dòng cho phép d
dt ( A/ micro giây)
+ Với T tần số thấp dI/dt = 5
đến 200 A/ micro giây
+ Với T tần số cao dI/dt = 500
HVTH: Hồng Văn Năng Lớp 12AKTĐHTĐ-PC MSHV: CA120089
9
Ảnh hưởng của cộng hưởng mạng lưới lên đáp ứng điều khiển
ến 2000 A/ micro giây
3. Tr
sistor công suất BJT
(Bipol
nction Transistor)
Cấu trúc gồm 3 lớp bán dẫn npn hoặc pnp tạo nên 2 tiếp giáp pn, vì
dòng chạy trong 2 lớp tiếp giáp gồm cả hai loại điện tích âm và dương nên

mới được gọi là
polar ( hai cực tính)
Thực chất đây là phần tử khuếc
đại
song trong điện tử công suất chỉ sử dụng như một phần tử khó
Khi m
phải thoả
n đ/k:
HVTH: Hồng Văn Năng Lớp 12AKTĐHTĐ-PC MSHV: CA120089
10
Ảnh hưởng của cộng hưởng mạng lưới lên đáp ứng điều khiển
Hay:
Trong đó:
Khi đó transisto
sẽ ở chế độ bão hồ, điện áp:

U EC = 1 – 1,5
4. Transistor công suất BJT
ar Junction Transistor)
Outpu
c
aracteristic I C = f
( U CE )
T
ô
g số biến thiên là dòng I B . Đặc tính vẽ với
c
ác giá trị khác nhau của
B
trong

vùn. Đặc tính U CE = U – R.I C . Điể
cắt nhau là điểm
à
m việc.
Vùng nghịch với I B = 0. Tran
is
tor ở chế độ ngắt, dòng I C0 có giá trị không
đáng 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
HVTH: Hồng Văn Năng Lớp 12AKTĐHTĐ-PC MSHV: CA120089
11
Ảnh hưởng của cộng hưởng mạng lưới lên đáp ứng điều khiển
nằm trong vùng bão hồ, transistor
ẽ
đúng (điểm ĐÓNG),
dò
ng I C dẫn và
iện t
hế
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 không

cần thiết. Công suất tổn hao làm giới hạn dãy t
số hoạt động của transistor
Thực chất của chế độ đúng
ngắt chính là sự chuyển đổi
HVTH: Hồng Văn Năng Lớp 12AKTĐHTĐ-PC MSHV: CA120089
12
Ảnh hưởng của cộng hưởng mạng lưới lên đáp ứng điều khiển
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 thời
gian trễ từ vài trăm
ano giây đến vài micro giây.
5.
BJT
HVTH: Hồng Văn Năng Lớp 12AKTĐHTĐ-PC MSHV: CA120089
13
Ảnh hưởng của cộng hưởng mạng lưới lên đáp ứng điều khiển
on Transistor)
Để tăng tần số đúng cắt của transistor công suất, cần giảm thời gian
T.on và T. off. Ở
đ
ầu giai đoạn phải đưa dòng I B với đỉnh
k
há lớn. Khi T dẫn
thì giả
dòng

bão hồ.
HVTH: Hồng Văn Năng Lớp 12AKTĐHTĐ-PC MSHV: CA120089
14
Ảnh hưởng của cộng hưởng mạng lưới lên đáp ứng điều khiển
Kích ngắt: Nếu điện áp
U
B giảm xuống giá trị âm U 2 < 0, điện áp
ngược đặ
l
ên Bằng tổng điệáp U B và U C . Gai d
n
g I B xuất hiện, sau khi C 1
xả hết, đi
n
HVTH: Hồng Văn Năng Lớp 12AKTĐHTĐ-PC MSHV: CA120089
15
Ảnh hưởng của cộng hưởng mạng lưới lên đáp ứng điều khiển
ằn 2
6. T ranisto r ờng , mosfet ( metal M- oxie semiconductor fed
effect transistor ) :
MOSFET được điều khiển bằng điện áp với dòng điều khiển rất nhỏ.
MOSFET có hai loại pnp và npn. Giữa lớp kim loại ở mạch cổng G và các
mối nối n+ và p có lớp đ
ệ
môi silicon oxit SiO 2 . Hai cực còn lại là cực gốc S
( Source – Emittor) và cực máng D ( Drain – Collector). Khi đặt điện áp
dương lên cổng G và source, tác dụng của điện trường FET sẽ kéo các
electron từ lớp n+ vào p tạo điều kiện hình thành kênh dẫn gần cổng G.
MOSFET đòi hỏi công suất tiêu thụ ở mạch cổng kích thấp, tốc độ đúng ngắt
nhanh và tổn hao cho đúng ngắt thấp. Tuy nhiên, MOSFET có điện trở khi

dẫn lớn nên tổn hao trong quá trình làm việc lại cao nên không thể phát triển
hành linh ki
HVTH: Hồng Văn Năng Lớp 12AKTĐHTĐ-PC MSHV: CA120089
16
Ảnh hưởng của cộng hưởng mạng lưới lên đáp ứng điều khiển
MOSFET
MOSFET ở trạng thái ngắt khi điện áp cổn
th
hơn giá trị U GS.
Để MOSFET ở trạng thái đúng, điện áp cổng phả
tác dụng liên tục.
Thời gian đúng ngắt rất nhỏ từ vài ns( nano giây) đến vài trăm ns phụ
huộc vào linh kiện
Điện trở t
on
g của M khi dẫn R on thay đổi phụ thuộc vào khả năng c
HVTH: Hồng Văn Năng Lớp 12AKTĐHTĐ-PC MSHV: CA120089
17
Ảnh hưởng của cộng hưởng mạng lưới lên đáp ứng điều khiển
iện
Mạch
kích sử
dụng
totem- pole
gồm 2
transistor npn và
n
p. Khi điện
p
U 1 ở

m
ức cao Q 1 dẫn,Q 2 khó làm M
ẫ
n. Khi
đ
ệ
n áp
1
thấp, Q 1 khó, Q 2 dẫn làm các diện tích trên mạch cổng được giải
phóng, M n
ắ
t điện. Tín hiệu U 1 có thể lấy từ mạch collector mở( open collector
TTL) và totem – pole đóng vai trị mạch đệm ( buffer). Giảm t
ời
gian kích đúng
h a/
HVTH: Hồng Văn Năng Lớp 12AKTĐHTĐ-PC MSHV: CA120089
18
Ảnh hưởng của cộng hưởng mạng lưới lên đáp ứng điều khiển
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 – T
kông khó tự nhiên đ ợc, phải sử dn các mạch khó c
ỡng bức phứctạp
GTO – khó đ ợc bằ
cực điều khiển
7. GTO (Gate Tu
-

Off Thyristor)
Cực điều khiển có dòngđể mở GTO theo h ớng đi vào – Dòng đi ra để di
chuyển các điện tích ra khỏi cấu trúc
n dẫn, để khó .
HVTH: Hồng Văn Năng Lớp 12AKTĐHTĐ-PC MSHV: CA120089
19
Ảnh hưởng của cộng hưởng mạng lưới lên đáp ứng điều khiển
Dòng duy trì ở GTO cao hơn T do cấ

khác
nhau.
Khi GTO đã dẫn thì dòng điều khiển không còn ý nghĩa: như vậy có thể dựng
xung ngắ
công suất nhỏ.
Cực điều khiển có dòngđể mở GTO theo h ớng đi vào – Dòng đi ra để di
chuyển các điện tích ra khỏi cấu trúc
n dẫn, để khó .
Dòng duy trì ở GTO cao hơn T do cấ
trúc khác nhau.
Khi GTO đã dẫn thì dòng điều khiển không còn ý nghĩa: như vậy có thể dựng
xung ngắ
công suất nhỏ.
Khi GTO đang dẫn
ò
ng, 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
HVTH: Hồng Văn Năng Lớp 12AKTĐHTĐ-PC MSHV: CA120089
20
Ảnh hưởng của cộng hưởng mạng lưới lên đáp ứng điều khiển

Mạch
HVTH: Hồng Văn Năng Lớp 12AKTĐHTĐ-PC MSHV: CA120089
21
Ảnh hưởng của cộng hưởng mạng lưới lên đáp ứng điều khiển
GTO
M
BẢO VỆ GTO
Quá trình ngắt GTO đòi hỏi sử dụng dòng xung kích thich dài, GTO chịu
du/dt và di/dt kém nên cần phải giới hạn một trị số an toàn. Tụ điện trữ năng
lượng khi cần thiết, diode cắt bớt xung gai. Cầu chì c
ng ngắn mạch.
GTO (Gate Turn
HVTH: Hồng Văn Năng Lớp 12AKTĐHTĐ-PC MSHV: CA120089
22
Ảnh hưởng của cộng hưởng mạng lưới lên đáp ứng điều khiển
Thyrist
)
8. IGBT
INSUATED GATE BIPO
AR TRANSISTOR
IGBT man
hai ưu điểm:
+ Đúng cắt nh
h của MOSFET,
+ Chịu tải lớn của tra
istor thườ
.
Đặc điểm:
+ Điều khiển được bằng điện áp: Côn
suất y/c nhỏ,

+ Cấu trúc giống một transistor pnp với dòng Bazơ được điều khiển
i ột MOSFET
IG BT - INSULATED GATE BIP
HVTH: Hồng Văn Năng Lớp 12AKTĐHTĐ-PC MSHV: CA120089
23
Ảnh hưởng của cộng hưởng mạng lưới lên đáp ứng điều khiển
R
TRANSISTOR
Nguyên
í điều khiển:
Dưới tác dụng của điện á
p
điều khiển U GE > 0, kênh dẫn với các hạt mang
điện là các điện tử hình thành ( giống như cấu trúc MOSFET). Các điện tử di
chuyển về phía colector vượt qua lớp tiếp giáp n-p ( như cấu trúc giữa Bazơ
và colector ở transistor thường) tạo nê
ng colector .
9. GBT (INSULATED GATE BIPO
HVTH: Hồng Văn Năng Lớp 12AKTĐHTĐ-PC MSHV: CA120089
24