THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN.DOC

Thiết kế mạch điều khiển Yêu cầu với mạch điều khiển. - Phát xung điều khiển chính xác và đúng thời điểm mà ngời thiết kế đã tính toán sẵn. - Các xung điều khiển phát ra phải đủ lớn về biên độ và độ rộng để mở van. - Xung điều khiển phải có độ đối xứng cao và đảm bảo đợc phạm vi điều chỉnh góc mở van, độ rộng đủ để cho dòng qua van vợt trị số dòng duy trì I d của nó để khi ngắt xung van vẫn dẫn. - Dạng xung đợc điều chỉnh thích hợp và tác động nhanh. - Đảm bảo hoạt động tốt độ tin cậy cao khi điện áp nguồn thay đổi giá trị biên độ. - Có khả năng chống nhiễu từ lới điện. - Độ tác động nhanh dới 1ms. Ngoài ra hệ thống điều khiển phải có nhiệm vụ ổn định dòng điện ra tải và bảo vệ hệ thống khi xảy ra sự cố quá dòng hay ngắn mạch tải. Nhiệm vụ chức năng mạch điều khiển. Nh đã biết thyristor chỉ mở cho dòng chạy qua khi điện áp dơng đặt lên anốt và có xung điều khiển đặt vào cực điều khiển, sau khi mở van xong thì xung điều khiển không còn tác dụng nữa. Dòng điện chạy qua van lúc này do thông số mạch lực quyết định. Mạch điều khiển điều chỉnh đợc vị trí xung điều khiển trong phạm vi nửa chu kỳ dơng của điện áp đặt lên anôt - catôt của thyristor. I. Cấu trúc chung của mạch điều khiển. Hình 4.1 U c : Điện áp điều khiển đây là điện áp một chiều. U r : Điện áp đồng bộ, điện áp xoay chiều hoặc biến thế của nó động bộ với điện áp anot - catot của tristor. Khâu 1: Hiệu điện áp U c - U r đợc chuyển vào khâu so sánh làm việc nh một trigiơ, khi U c - U r = 0 thì trigơ lật trạng t hái ở đầu ra của nó nhận đợc một chuỗi xung dạng chữ nhật. Khâu 2: Là đa hài một trạng thái ổn định. Khâu 3: Là khâu khuếch đại xung. Khâu 4: Là khâu biến áp xung. Bằng cách tác động vào U c ta có thể điều chỉnh đợc . II. Nguyên tắc điều khiển xung điều khiển. 1. Nguyên tắc điều khiển ngang. Hình 4.2 * Khâu đồng bộ (ĐB) thờng tạo điện áp hình sin có góc lệch pha cố định với điện áp lực. * Khâu dịch pha (DF) làm thay đổi góc lệch pha của điện áp ra theo tác động U đk . * Khâu tạo xung (TX) ở thời điểm khi điện áp dịch pha U dp qua điểm O. * Khâu khuếch đại xung (KĐX) để tăng đủ công suất gửi tới cực điều khiển của van. Nh vậy góc điều khiển thay đổi thời điểm phát xung mở van thay đổi nhờ sự tác động của U đk làm điện áp U df di chuyển theo chiều ngang của trục thời gian. 2. Nguyên tắc điều khiển dọc. U t : Khâu tạo điện áp tựa có dạng cố định theo chu kỳ do nhịp đồng bộ của U đb . Khâu so sánh (SS) xác định điểm cân bằng của điện áp điều khiển U đk và U t để phát động khâu tạo xung. Trong nguyên tắc này thời điểm phát xung mở van hay góc điều khiển thay đổi do sự thay đổi trị số của U đk nên đồ thị là sự di chuyển theo chiều dọc của trục biên độ. Đa số trên thực tế sử dụng nguyên tắc này. Hình 4.3 3. Mạch điều khiển một kênh và nhiều kênh. Các mạch chỉnh lu công suất thờng có số van cần điều khiển lớn hơn 1. Vì vậy ngời ta cho MĐK thành 2 loại. a. Mạch điều khiển nhiều kênh (hình 4.3a) Trong loại này có nhiều kênh điều khiển giống nhau về sơ đồ và nguyên lý làm việc, mỗi một kênh này phụ trách phát xung mở cho một van hoặc hai van cùng pha của mạch lực. Loại này rất thông dụng vì độ tác động nhanh n0 có độ đối xứng điều khiển thấp, cùng một giá trị U đk có góc ở các kênh khác nhau độ sai lệch lên tới vài độ điện. b. Mạch điều khiển một kênh (hình 4.3b) Mạch này chỉ có một khối xác định một hay hai lần trong một chu kỳ điện áp lực. Một bộ phận phát xung PPX đảm bảo nhiệm vụ phát xung lần lợt đến các van bằng cách dịch xung đi một góc cần thiết (thờng bằng 2 n với n là số van lực). Các mạch điều khiển có thể sử dụng kỹ thuật tơng tự hoặc kỹ thuật số (digital). Mạch điều khiển analog có tác động nhanh chế tạo đơn giản, dễ thực hiện và phổ biến hơn mạch digital. Song có nhợc điểm ở chỗ nhạy nhiễu và phải chỉnh định nhiều, khó đồng nhất các kênh điều khiển. Mạch điều khiển digital phức tạp có độ tác động không nhanh bằng mạch điều khiển analog vì thời gian xử lý tín hiệu còn chậm, song khả năng chống nhiễu tốt mạch ít phải chỉnh định và dễ đồng nhất các kênh nên thờng có chất lợng điều chỉnh cao hơn. III. Các khâu chính trong mạch điều khiển. 1. Khâu đồng bộ. Theo sơ đồ cấu trúc, khâu này phải tạo ra một điện áp có góc lệch pha cố định với điện áp đặt lên van lực, phù hợp nhất cho mục đích này là máy biến áp đồng pha. Dùng máy biến áp không nhng cho phép thoả mãn yêu cầu trên mà còn đạt hai mục tiêu quan trọng là: - Chuyển đổi điện áp lới thờng có trị số cao sang giá trị phù hợp với mạch điều khiển thờng là điện áp thấp. - Cách ly hoàn toàn về điện giữa mạch điều khiển và mạch lực điều này đảm bảo an toàn cho ngời sử dụng cũng nh các linh kiện điện tử. ở đây ta dùng máy biến áp một pha. Tuy nhiên mạch điều khiển có nhiều khâu cũng cần dùng biến áp nên thờng chỉ dùng chung một máy biến áp có nhiều cuộn thứ cấp mỗi cuộn thực hiện một chức năng riêng, trong đó có cuộn cho khâu đồng bộ này. 2. Khâu tạo điện áp tựa. Hiện nay sử dụng chủ yếu hai dạng điện áp tựa là dạng hình sin và dạng răng ca. a. Điện áp tựa dạng hàm cosin. Trong mạch điều khiển ta có U d = U d0 .cos. Nếu điện áp tựa có dạng hàm cosin: U t = U m cost thì điểm phát xung mở van tơng ứng góc điều khiển t = là khi điện áp tựa cân bằng với điện áp điều khiển. U đk = U m cos suy ra cos = đk m U U U d = K. U đk . Nh vậy điện áp chỉnh lu tỉ lệ thuận với điện áp điều khiển, nói cách khác chúng có quan hệ tuyến tính, quan hệ này cho phép dễ dàng hơn khi thực hiện các mạch vòng điều chỉnh để đảm bảo các chỉ tiêu kỹ thuật. Nhợc điểm chung của mạch tạo điện áp tựa dạng hình sin là phụ thuộc vào điện áp xoay chiều. Khi điện áp này tăng lên hay giảm xuống thì điện áp tựa cũng giảm theo làm cho góc điều khiển và điện áp chỉnh lu biến động theo. Mặt khác nếu tần số xoay chiều cũng thay đổi thì góc dịch pha sẽ không còn giữ ở 90 0 nữa mà bị lệch khỏi giá trị này và do đó nó cũng gây hậu quả t- ơng tự nh khi điện áp nguồn thay đổi. Vì vậy mạch tạo điện áp tựa loại này ít dùng trong thực tế. b. Điện áp tựa dạng răng ca. Đa số các mạch điện áp tựa trong mạch điều khiển chỉnh lu hiện thời đều dùng dạng răng ca vì nó khắc phục đợc những nhợc điểm của dạng hình sin có nghĩa là nó ít bị ảnh hởng của điện áp và tần số nguồn điện xoay chiều. Tuy nhiên nhợc điểm của nó là không đạt đợc quan hệ tuyến tính giữa điện áp điều khiển và điện áp chỉnh lu nên sẽ khó khăn hơn khi tiến hành quá trình tự động hoá điều chỉnh và ổn định các thông số của mạch chỉnh lu nói riêng hay của thiết bị nói chung có thể chia nó làm hai loại chính là răng ca phi tuyến và răng ca tuyến tính, có hai phơng pháp cơ bản tạo hàm răng ca. - Dùng tranzito và tụ điện. - Dùng khuếch đại thuật toán và tụ điện. Tạo răng ca tuyến tính. Đa số các bộ tạo răng ca tuyến tính đều dựa trên nguyên tắc nạp cho tụ C, bằng dòng điện không đổi I c , vì thực chất quan hệ giữa điện áp và dòng điện của tụ điện. U c (t) = U c (0) + e 1 i dt C Mạch tạo răng ca dùng KĐTT OA. Nhợc điểm của các sơ đồ tạo điện áp răng ca dùng tranzito là sự phụ thuộc khá rõ thời điểm mở v khoá các bóng vào điện áp đồng pha. Do vậy điện áp răng ca cũng ít nhiều bị biến động theo điện áp lới xoay chiều. Điều này làm ảnh hởng tới góc cũng nh phạm vi điều chỉnh nó. Mặt khác độ tuyến tính của răng ca cũng không thật cao. Hiện nay mạch tạo răng ca sử dụng OA ngày càng đợc ứng dụng nhiều hơn do khắc phục đợc các nhợc điểm trên, mặt khác giá thành lại rẻ. Vậy để chế tạo điện áp răng ca trong đồ án này sử dụng mạch KĐTT OA để tạo điện áp răng ca tuyến tính. H×nh 4.4a θ U ®p π 2/π U CL θ 0 0 0 U CL θ θ U CL 0 H×nh 4.4b * Nguyªn lý ho¹t ®éng (h×nh 4.4a) Dùng mạch KĐTT OA để tạo điện áp răng ca tuyến tính vì mạch này hạn chế đợc sự phụ thuộc của thời gian đóng mở các bóng tranzito, khắc phục những biến động theo điện áp lới xoay chiều nên ít bị ảnh hởng. Máy biến áp tạo điện áp đồng pha với điện áp đặt vào mạch lực. Điện áp hình sin sau khi qua chỉnh lu đợc đa vào khâu so sánh OA, tạo điện áp xung hình chữ nhật ở nửa chu kỳ khi U OA1 < 0 thì diôt Đ 3 dẫn. Điện áp trên tụ điện C bằng điện áp ở đầu ra của OA 2 : U C = U b . Điện áp trên điện trở R 3 bằng điện áp trở ở đầu ra của OA 1 . Mạch thiết kế với điều kiện R 2 << R 3 , dẫn đến i R3 << i R2 nên để đơn giản khi phân tích có thể bỏ qua dòng i R3 trong giai đoạn này. Nh vậy dòng qua tụ điện i C bằng dòng i R2 vì dòng vào cửa (-) của OA không đáng kể. Vậy ta có. 2 a bh b c c R n 2 2 U U 1 1 1 U U i dt i dt .dt .t C C C R C.R = = = = = Nh vậy điện áp trên tụ C cũng nh đầu ra tăng trởng tuyến tính. Khi điện áp này đạt trị số ngỡng của điốt ổn áp Đ Z thì nó thông và giữ điện áp ra ở trị số này (nếu không có Đ Z thì điện áp tăng tới trị số +U bh . ở nửa chu kỳ sau điện áp U a > 0. Đi ốt Đ 3 khoa nên dòng qua R 2 bằng không. Lúc này dòng qua tụ C, bằng dòng qua điện trở R 3 , dòng điện này ng- ợc chiều với dòng đi qua tụ C, ở nửa chu kỳ trớc có nghĩa là tụ C, phóng điện. 3 b c 0 R 0 0 P 3 3 1 E E U U U i dt U dt U .t C R C.R = = = = Do đó điện áp ra cũng nh điện áp trên tụ C cũng giảm tuyến tính. Khi điện áp giảm đến không rời âm xuống thì Đ Z dẫn theo chiều thuận nh các diốt thờng. Giữ cho điện áp ở giá trị xấp xỉ bằng 0V. Từ đây mạch trở lại trạng thái ban đầu và điện áp nhận đợc trong nửa chu kỳ lới điện xoay chiều có dạng răng ca đi xuống. Tính toán các phần tử. Chọn Đ 1 , Đ 2 , Đ 3 loại 1N007. Chọn khuếch đại thuật toán loại àA741 có các thông số sau: Z vào = 300K; E n = 15V; t 0 = 55 0 ữ 125 0 C. Chọn tụ loại C 1 = 0,02àF, chọn Đ z loại 9,1V. R 3 = 6 0 E.T 15.0,02 2.U .C 2.9,1.0,22.10 = R 3 = 75K. Tính R 2 : Ta có công thức: bh 2 0 n 3 U 0,7 R C.U E t R + Chọn thời gian nạp điện cho tụ điện t n = 5ms. Thời gian tụ phóng điện t p = 1às. Ta có: U C = U b = bh n 2 U t C.R bh n 2 c U .t R C.U = Khi kết thúc thời gian nạp thì: U C = U ngĐz = 9,1V. R 2 = 3 3 6 13,5.5.10 33,7.10 9,1.0,22.10 + = R 2 = 33,7 K. Kết thúc thời gian phóng thì: U C = 0 3 P 3 6 0 E.t 15.1.10 R U 9,1.0,22.10 = = = 60K. Vậy chọn R 1 = 15K, R 2 = 34K, R 3 = 74K. 3. Khâu so sánh. KHâu này có chức năng so sánh điện áp điều khiển với điện áp tựa (dạng răng ca) để định thời điểm phát xung điều khiển, thông thờng đó là hai thời điểm hai điện áp này bằng nhau. Nói cách khác đây là khâu để xác định góc điều khiển . Khâu so sánh có thể thực hiện bằng các phần tử, khuếch đại từ, tranzito hay khuếch đại thuật toán OA. Sử dụng nhiều nhất hiện nay là các OA vì nó cho phép đảm bảo độ chính xác cao nhất là khi sử dụng OA chuyên dụng Comparator, có giá thành hạ, không cần chỉnh định phức tạp. ở đồ án này sử dụng khuếch đại thuật toán để làm chức năng so sánh vì KĐTT là phần tử so sánh lý tởng. - Tỏng trở vào rất lớn nên không gây ảnh hởng đến các điện áp đa vào so sánh, nó có thể tách biệt hoàn toàn chúng để không tác động sang nhau. - Tầng vào của OA cũng thờng là khuếch đại vi sai mặt khác số tầng nhiều nên hệ số khuếch đại rất lớn vì thế so sánh có độ chính xác rất cao, độ trễ không quá vài às. Sờn dốc đứng nếu so sánh với tần số f = 50Hz Khâu so sánh dùng OA cũng có hai kiểu đấu các điện áp so sánh là so sánh hai cửa và so sánh 1 cửa. So sánh hai cửa: Trong kiểu này hai điện áp cần so sánh đợc đa tới hai cực khác nhau của OA điện áp ra sẽ thực hiện theo qui luật. U s = K 0 U = K 0 (U + - U - ). U s = K 0 (U đk - U t ). Do đó khi U đk > U f suy ra điện áp ra là dơng. U đk < U f suy ra điện áp ra là âm. [...]... 6K 1,5.10 3 6 Khâu tạo điện áp điều khiển Để xác định điện áp điều khiển Uđk ta phải tổng hợp đợc mạch vòng điều chỉnh dòng điện và điều chỉnh tốc độ Theo đặc điểm của từng đại lợng, điện áp điều khiển đợc tạo theo sơ đồ trên hình 4.7 Hình 4.8 Trong đó: R, RI là các bộ điều chỉnh tốc độ và dòng điện Tự động điều chỉnh Trong các hệ truyền động hiện đại, các mạch vòng điều chỉnh đợc nối theo cấp, độc... Mạch điều khiển chỉnh lu thờng làm việc trong điều kiện nhiều mạch do bản thân mạch lực của nó gây ra Các nhiễu này có thể truyền theo đờng dây tới nguồn tới đầu vào của mạch điều khiển và lan đến tận khâu khuếch đại xung (KĐX) Nếu KĐX có hệ số lớn, đặc biệt dùng mạch KĐX có phản hồi dơng sẽ rất dễ gây ra hiện tợng khuếch đại giả làm mở van không đúng thời điểm Vì vậy nói chung không nên dùng các mạch. .. tính điều chỉnh Hình 4.10 Sơ đồ đơn giản nhất gồm hai vòng điều chỉnh, vòng điều chỉnh dòng điện ở trong có bộ điều chỉnh dòng điện R I, vòng điều chỉnh tốc độ có bộ điều chỉnh tốc độ R, bộ điều chỉnh này có đặc tính khuếch đại có vùng bão hoà Điện áp đầu ra của R là điện áp đặt dòng điện Uiđ, giá trị bão hoà Uiđmax chính là giá trị đạt cực đại của dòng điện Bộ điều chỉnh dòng điện R I trong mạch. .. 8,4 TS và quá độ điều chỉnh là 4,3% Thực ra nếu tính đến tác động của sức điện động động cơ thì do tính chất cần dị củ nó mà trong nhiều trờn hợp không xảy ra quá trình điều chỉnh dòng điện * Tổng hợp mạch vòng điều chỉnh tốc độ Hệ thống điều chỉnh tốc độ là hệ thống mà đại lợng đợc điều chỉnh là tốc độ góc của động cơ điện, các hệ này thờng hay gặp trong thực tế kỹ thuật Hệ thống điều chỉnh tốc độ... điện Trong các hệ truyền động tự động cũng nh các hệ chấp hành thì mạch vòng điều chỉnh dòng điện là mạch vòng cơ bản Chức năng của mạch vòng dòng điện trong các hệ thống truyền động một chiều - Trực tiếp hoặc gián tiếp xác định mômen kéo của động cơ - Chức năng bảo vệ, điều chỉnh gia tốc Bỏ qua sự ảnh hởng của Sđđ của động cơ ta tổng hợp mạch vòng dòng điện nh sau: Hình 4.11 Trong trờng hợp hệ thống truyền... quả ta có độ rộng xung chùm 1800 - Trong các mạch điều khiển hiện nay việc tạo các dao động dạng xung với tần số cố định đợc thực hiện bằng rất nhiều cách khác nhau tùy theo sở thích của ngời thiết kế hoặc xu hớng ứng dụng các phần tử giống nhau trong mạch điều khiển ở đây em dùng khuếch đại thuật toán OA để tạo dao động (hình 4.6) Hình 4.6 Đây là mạch rất thông dụng hiện nay OA đợc dùng nh bộ so... thờng hay gặp trong thực tế kỹ thuật Hệ thống điều chỉnh tốc độ đợc hình thành từ hệ thống điều chỉnh dòng điện Hệ thống điều chỉnh tốc độ dùng bộ điều chỉnh tốc độ tỷ lệ Ta đã tổng hợp đợc mạch vòng dòng điện trong phần này sử dụng biểu thức kết quả trong đó đã bỏ qua ảnh hởng của Sđđ của động cơ Sơ đồ khối của hệ điều chỉnh tốc độ là: Hình 4.13 Ta có I(P) 1 1 = x U iđ (P) K i 1 + 2TS P ( 1 + TS P ) Để... mà bộ điều chỉnh tốc độ R cha ra khỏi vùng bão hoà tức là cha lại vào sơ đồ Đoạn đặc tính có khi khởi động là đoạn BC, có độ cứng bằng không và dòng điện không đổi Tại điểm B tốc độ động cơ = B sao cho = B điểm làm việc của R bắt đầu ra khỏi vùng bão hoà và lọt vào vùng tuyến tính của đặc tính, mạch vòng tốc độ bắt đầu phát huy tác dụng điều chỉnh cùng với mạch tốc độ bắt đầu phát huy tác dụng điều. .. một mạch logic AND Loại có độ rộng xung chùm phụ thuộc hoàn toàn vào góc điều khiển Có sơ đồ cấu trúc và đồ thị minh hoạ (hình 4.5a; 4.5b) Do khâu so sánh nối thẳng với cửa vào của logic AND nên chỉ trong khaỏng điện áp ra của SS ở mức 1 xung từ bộ dao động tần số cao mới đi qua đợc để tới khâu khuếch đại Bản thân mức 1 này phụ thuộc vào góc nên kết quả ta có độ rộng xung chùm 1800 - Trong các mạch. .. vòng dây của cuộn kích từ RK: điện trở của cuộn dây kích từ Mạch phần ứng: U(P) = R I(P) + L P I(P) NN P (P) + E(P) Hoặc dạng dòng điện 1 I(P) = R [ U(P) N N P.(P) E(P)] 1 +P.T Trong đó: L - điện cảm mạch phần ứng NN - Số vòng dây cuộn kích từ nối tiếp T - hằng số thời gian mạch phần ứng 6.4 Bộ biến đổi Bộ biến đổi ở đây là bộ chỉnh lu có điều khiển chung cho tất cả các trờng hợp bộ chỉnh lu đợc mô . Thiết kế mạch điều khiển Yêu cầu với mạch điều khiển. - Phát xung điều khiển chính xác và đúng thời điểm mà ngời thiết kế đã tính toán sẵn. - Các xung điều khiển phát ra phải. có xung điều khiển đặt vào cực điều khiển, sau khi mở van xong thì xung điều khiển không còn tác dụng nữa. Dòng điện chạy qua van lúc này do thông số mạch lực quyết định. Mạch điều khiển điều chỉnh. nhất các kênh điều khiển. Mạch điều khiển digital phức tạp có độ tác động không nhanh bằng mạch điều khiển analog vì thời gian xử lý tín hiệu còn chậm, song khả năng chống nhiễu tốt mạch ít phải