Chuong 1. Cấu trúc điển hình của thiết bị điều khiển máy điện

CẤU TRÚC ĐIỂN HÌNH CỦA THIẾT
BỊ ĐIỀU KHIỂN MÁY ĐIỆN
Chương trình Cao học
Bộ môn TBĐ-ĐT
Viện Điện
ĐHBK Hà Nội

Chuong 1

1


Mục đích:
Nắm vững các cấu trúc điển hình của các bộ điều
khiển các thiết bị điện

Nội dung:
Hệ thống điều khiển tự động máy điện
Các phần tử tự động trong điều khiển tự động
Các bộ biến đổi bằng điện tử công suất
Một số ví dụ điển hình

Chuong 1

2


Tài liệu tham khảo:
1) Trần Văn Thịnh, Hà Xuân Hoà, Nguyễn Vũ Thanh,Tự động
hoá và điều khiển Thiết bị điện, NXB GD, 2008
2) Bùi Quốc Khánh, Nguyễn Văn Liễn, Phạm Quốc Hải, Dương Văn

Nghi, Điều chỉnh tự động truyền động điện, NXB KH&KT, 2001
3) Lê Văn Doanh, Nguyễn Thế Công, Trần Văn Thịnh, Điện tử công
suất, Tập 1 & 2 NXB KH&KT, 2004-2005
4) Bimal K. Bose. Power Electronis and Motor Drives, Advances and
Trends. 2006. Elsevier.
5) John Chiasson. Modeling and High-Performance Control of Electric
Machines. 2005. John Wiley & Sons, Inc., Hopoken, New Jersey.

Chuong 1

3


Chương 1
Hệ thống điều khiển tự động máy điện
1.1. Sơ đồ cấu trúc cơ bản điều
khiển tự động máy điện
Xđk

Xđ

Hiệu chỉnh
(Regulator)

NL

NL

Bộ biến đổi
(Convertor)

Máy
Điện

Xph

Đo lường
(Sensor)
Chuong 1

4


1.1.1 Chỉ tiêu đánh giá chất lượng hệ thống
điều khiển máy điện
1) Chất lượng tĩnh:
- Sai số tĩnh
- Độ trơn điều chỉnh
- Dải điều chỉnh
- Sự phù hợp đặc tính điều chỉnh và tải
2) Chất lượng động:
- Ổn định
- Độ tác động nhanh
- Độ quá điều chỉnh
- Số lần dao động

Chuong 1

5

1.1.3 Máy điện - Đối tượng điều khiển (Cơ
cấu chấp hành)
1) Thiết bị điện nguồn:
- Máy phát đồng bộ
- Máy phát không đồng bộ
- Nguồn ổn áp, nguồn liên tục (UPS)
- Nguồn năng lượng tái tạo: Gió, mặt trời,
sinh học, thủy triều...
2) Động cơ điện:
- Động cơ 1 chiều
- Động cơ xoay chiều: KĐB, ĐB
- Động cơ đặc biệt: ĐC bước, ĐC 1 chiều
không chổi than...
Chuong 1

6


1.1.4 Các hệ thống điều khiển cơ bản của
thiết bị điện nguồn
Nguồn AC: Sử dụng máy phát xoay chiều hoặc nguồn DC + với
các bộ biến đổi điện tử công suất để đảm bảo các
thông số:
- Giá trị điện áp hiệu dụng, sai số cho phép
- Tần số + sai số cho phép, số pha
- Méo hài tổng (Total Harmonic Distortion -THD)
Nguồn DC: Sử dụng trực tiếp máy phát 1 chiều hoặc nguồn
xoay chiều + bộ biến đổi điện tử công suất để đảm
bảo các thông số:

- Giá trị điện áp trung bình, sai số cho phép
- Giao động (độ nhấp nhô) cho phép
Chuong 1

7


1.1.5 Các hệ thống điều khiển cơ bản của động cơ
- Duy trì đại lượng đặt không đổi: tốc độ, mô men, công
suất ... (máy cắt gọt kim loại, nâng vận chuyển, công
nghiệp dệt nhuộm, công nghiệp giấy...)
- Tùy động bám theo khi đại lượng đặt biến thiên:
điều khiển vị trí (hệ truyền động ăn dao, hệ quay
rada, anten...)
- Điều khiển chương trình khi đại lượng đặt theo
chương trình cho trước. (Dây truyền SX tự động có
robot, máy CNC - Computer Numeric Control...)

Chuong 1

8


1.1.6 Nguyên tắc xây dựng hệ thống điều khiển
- Đáp ứng yêu cầu kỹ thuật (máy phát, động cơ)
- Kích thước, giá thành hợp lý
- Điều khiển đơn giản, hoạt động tin cậy
- Linh hoạt, an toàn và thuận tiện khi điều khiển
- Dễ dàng phát hiện và kiểm tra sự cố
- Thuận tiện cho lắp đặt, sửa chữa và vận hành

Chuong 1

9


1.2 Độ chính xác hệ thống điều khiển tự động
- Đánh giá thông qua sai lệch giữa đại lượng điều khiển
với tín hiệu điều khiển ở chế độ xác lập và quá độ
- Sai lệch do nhiều nguyên nhân, ví dụ do sự già hóa của
các phần tử trong hệ thống làm thay đổi thông số, do
nhiễu loạn hoặc do trôi điểm không...
- Từ đó lựa chọn các phương pháp điều khiển, bộ hiệu
chỉnh, bộ bù thích hợp

Chuong 1

10


1.2.1 Các hệ số sai lệch:
Xét hệ thống tự động cơ bản:
N1
X

e

Nn
Y

F0(p)

Máy
SX

-Y

Y ( p ) = F ( p ) X ( p ) + ∑ Fi ( p ) Ni ( p )

i
F0 ( p )
: Hàm truyền hệ kín
F ( p) =
1 + F0 ( p )

Fi ( p ) : Hàm truyền các nhiễu loạn
Chuong 1

11


Khi X(t) và Ni(t) thỏa mãn điều kiện Mc.Laurin thì
e(t) = X(t) – Y(t) có dạng chuỗi:

dX ( t )
d 2 X (t )
d i X (t )
e ( t ) = C0 X ( t ) + C1
+ C2
+ ... + Ci

+
2
i
dt
dt
dt
dN1 ( t )
d i N1 ( t )
+C0 N 1 N1 ( t ) + C1N 1
+ .... + CiN 1
+ .... +
i
dt
dt
dN n ( t )
d i Nn (t )
+C0 Nn N n ( t ) + C1Nn
+ .... + CiNn
+ τ (t )
i
dt
dt
Ci: Các hệ số sai lệch
Khi bỏ qua thặng dư τ (t ), biết trước X(t) và Ni(t) thì hoàn toàn
tính được e(t) nếu xác định được các Ci.
Khi các hệ số Ci = 0 thì e = 0: hệ chính xác tuyệt đối
Chuong 1

12

Hàm truyền của hệ đối với sai lệch:
E ( p)
1
=
Fe ( p ) =
X ( p ) 1 + F0 ( p)

= ( C0 + C1 p + C2 p 2 + ... + Ci p i ) X ( p )

Suy ra các hệ số sai lệch:
C0 = lim {Fe ( p )}
p →0

1

C1 = lim   Fe ( p ) − C0  
p →0
p

1

C2 = lim  2  Fe ( p ) − C0 − C1 p  
p →0 p


....
i −1
1 


Ci = lim   Fe ( p ) − ∑ Ck p k  
p →0 p
k =0

 
Chuong 1

13


Hàm truyền của hệ đối với tín hiệu điều khiển:

F0 ( p)
Y ( p)
=
F ( p) =
X ( p) 1 + F0 ( p)
b0 + b1 p + b2 p 2 + ... + bm p m
=
,m ≤ n
2
n
1 + a1 p + a2 p + ... + an p
Suy ra hàm truyền đối với sai lệch:

E ( p ) X ( p) − Y ( p)
FX ( p ) =
=
= 1 − F ( p)
X ( p)

X ( p)

Chuong 1

14


Các hệ số sai lệch:
C0 = 1 − b0
C1 = a1 − C0 a1 − b1
C2 = a2 − C1a1 − C0 a2 − b2
....
i −1

Trong hệ tự động:
C0: sai lệch vị trí
C1: sai lệch tốc độ
C2: sai lệch gia tốc

Ci = ai − C0 ai − bi − ∑ Ck ai −k
k =1

Các hệ số sai lệch = 0 khi:

b0 = 1
b1 = a1
....
bm = am

Chuong 1

15


1.2.2 Tiêu chuẩn đánh giá sai lệch:
1) Tiêu chuẩn tích phân bình phương sai lệch (ISE):
Công thức:

∞

2
e
∫ (t )dt → min
0

Ưu và nhược điểm:
- Đáp ứng nhanh để giảm thiểu sai lệch
- Có tác dụng đối với sai lệch lớn

tqđ nhỏ

- Tính toán đơn giản theo giải tích hay thực nghiệm
- Hệ dễ mất ổn định
- Ít tác dụng đối với sai lệch nhỏ

Chuong 1

16

2) Tiêu chuẩn tích phân của tích thời gian với giá trị tuyệt
đối của sai lệch (ITAE):
Tiêu chuẩn ITSE có
Công thức:
đánh giá tương tự
∞

∫ t e(t ) dt → min
0

∞

2
te
∫ (t )dt → min
0

Ưu và nhược điểm:
- Đáp ứng tốt cho các dao động quá độ
giảm độ quá
điều chỉnh và suy giảm nhanh các dao động
- Tính toán theo thực nghiệm dễ dàng
- Khó tính toán bằng giải tích
- Ít tác dụng với sai lệch lớn ban đầu
- Ít tác dụng đối với sai lệch nhỏ
Chuong 1

17

3) Đánh giá hệ bậc không:
m
F0(p) có dạng:

F0 ( p) =

K ∏ (1 + Ti p )
i =1
n

∏ (1 + T p )
k

k =1

F0 ( p)
Y ( p)
F ( p) =
=
=
X ( p) 1 + F0 ( p)

m

K ∏ (1 + Ti p )
i =1

n

m

∏ (1 + T p ) + K ∏ (1 + T p )

k =1
K
+ b1 p + b2 p 2 + ...
= 1+ K
1 + a1 p + a2 p 2 + ...

k

i =1

i

- Nếu X(t) = const: K tăng, sai lệch tĩnh giảm
- Nếu X(t) = kt : sai lệch tĩnh tăng theo thời gian
Chuong 1

18


4) Đánh giá hệ bậc một:
F0(p) có dạng:

F0 ( p) =

K (1 + T1' p )(1 + T2' p ) ...
p (1 + T1 p )(1 + T2 p ) ...

K (1 + T1' p )(1 + T2' p ) ...

F0 ( p)
F ( p) =
=
1 + F0 ( p ) K (1 + T1' p )(1 + T2' p ) ... p (1 + T1 p )(1 + T2 p ) ...

=

1 + ( ∑ Ti ' ) p + b2 p 2 + ...

1

1 +  + ∑ Ti '  p + a2 p 2 + ...
K


- Sai lệch vị trí C0 = 0
- Các sai lệch khác không phụ thuộc vào X(t) mà phụ
thuộc vào dX(t)/dt
Chuong 1

19


5) Đánh giá hệ bậc hai:
F0(p) có dạng:

F0 ( p) =

F ( p) =

K (1 + T1' p )(1 + T2' p ) ...

p 2 (1 + T1 p )(1 + T2 p ) ...

1 + ( ∑ Ti ' ) p + ( ∑ Ti 'Ti ) p 2 + b3 p 3 + ...
1
' 2
1 + ( ∑ Ti ) p +  + ∑ Ti  p + a3 p 3 + ...
K

'

- Sai lệch vị trí C0 = a0 – b0 = 0
- Sai lệch tốc độ C1 = a1 – b1 = 0
- Sai lệch gia tốc C2 = a2 – b2 = 1/K

Chuong 1

20


1.3. Tổng hợp các mạch vòng hiệu chỉnh (regulator)
Xét 1 hệ tổng quát có nhiều thông số điều chỉnh:
P1
Xnđ

X2đ

-

Rn(p)

X1đ

--

R2(p)

X1

R1(p)

-

S01(p)

P2
X2

S02(p)

--

Xn

S0n(p)
Pn

X1đ…Xnđ: Tín hiệu đặt

R1…Rn: Khối hiệu chỉnh

X1…Xn: Thông số điều chỉnh

S01…S0n: Đối tượng điều chỉnh
P1…Pn: Nhiễu loạn của đối tượng
Chuong 1

21


Hàm truyền của đối tượng điều chỉnh dạng tổng quát:

K ∏ (1 + T j p )e−Td p
m

S0 ( p ) =

j =1

p i ∏ (1 + Tk p )∏ (1 + Ts' p )
v

u

k =1

s =1

Td: Hằng số thời gian khâu trễ
Tk: Hằng số thời gian lớn cần bù trong các bộ hiệu chỉnh
T’s: Hằng số thời gian nhỏ không cần bù
Một mạch vòng hiệu chỉnh gồm đối tượng S và mạch phụ:

R1 ( p) S01 ( p)
F1 ( p) =
R1 ( p) S01 ( p) + 1
F02 ( p) = S02 ( p) F1 ( p).....

Chuong 1

22


1.3.1 Tiêu chuẩn tối ưu modun:
Đặc tính biên – tần: Khi ω → ∞, modun → 0
ở dải tần thấp nhất, hàm truyền phải đạt:

F ( jω ) ≈ 1

Khi đó hàm chuẩn theo tiêu chuẩn có dạng:

1
FMD ( p) =
2 2
1 + 2τ σ p + 2τ σ p
Đặc điểm:

- Hiệu chỉnh đặc tính tần ở tần số thấp
- Kiểm tra ổn định của hệ thống

Xét tiêu chuẩn để xác định hàm truyền R(p) theo các
dạng hàm truyền cơ bản của đối tượng S(p)
Chuong 1

23


Ví dụ:

Xđ

X

R(p)
-

S0(p)

Đối tượng có hàm truyền:

K1
S0 ( p) =
(1 + T1 p )(1 + T2 p )

Với T2 > T1

Theo tiêu chuẩn tối ưu modun:

R ( p ) S0 ( p )
F ( p) = FMD ( p) =
R( p) S0 ( p) + 1
FMD ( p)
1
→ R( p) =
=
S0 ( p) [1 − FMD ( p)] S0 ( p)2τ σ p (1 + τ σ p )

1 + Tp
Nếu chọn bộ hiệu chỉnh PI:
KT0 p
Bù hằng số lớn T = T2, cần xác định KT0
R( p) =

Chuong 1

24


Với R(p) là PI, ta có hàm truyền hệ hở:

1
K1
F0 ( p) = R( p) S0 ( p) =
KT0 p (1 + T1 p )
Hàm truyền hệ kín:

K1

1
F ( p) =
=
KT0 p (1 + T1 p ) + K1 1 + KT0 p + KT0T1 p 2
K1
K1
Để F(p) = FMD(p), ta suy ra:

KT0 = 2T1 K1
1
F ( p) =
1 + 2T1 p + 2T12 p 2
Chuong 1

25