thiết kế, chế tạo bộ điều khiển ổn định nhiệt độ lò sấy

Bộ điều khiển có độ ổn định cao, dễ sử dụng, sai số thấp, có thể sử dụng với hộ gia đình nhỏ lẻ hoặc dùng trong dạy học thực hành các môn chuyên ngành về điều khiển tự động và lập trình , thể dùng cho nhiều thiết bị gia nhiệt khác nhau với khoảng điều khiển nhiệt độ từ 25 – 70°C  

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG I MÔ HÌNH HOÁ LÒ ĐIỆN TRỞ 3

1.1 Tổng quan về lò điện trở 3

1.1.1 Giới thiệu chung 3

1.1.2 Nguyên lý làm việc 4

1.1.3 Cấu tạo của lò điện trở 4

1.2 Mô hình hoá 10

1.2.1 Yêu cầu và chế tạo 10

1.2.2 Mô hình hoá 10

CHƯƠNG II.THIẾT KẾ CHẾ TẠO BỘ ĐIỀU CHỈNH ĐIỆN ÁP XOAY CHIỀU MỘT PHA (AC-AC) 15

2.1 Các phương pháp điều chỉnh điện áp xoay chiều một pha 15

2.1.1 Phân áp 15

2.1.2 Biến áp tự ngẫu 16

2.1.3 Bộ điều chỉnh điện áp xoay chiều bằng các phần tử điện tử công suất 16

2.2 Bộ điều áp xoay chiều một pha sử dụng bộ biến đổi điện tử công suất 17

2.2.1 Bộ biến đổi công suất sử dụng thyristor 17

2.2.2 Thiết kế bộ biến đổi AC – AC sử dụng thyristor 20

2.2.3 Bộ biến đổi công suất sử dụng linh kiện bán dẫn SSR 28

2.3 Mô hình hoá khâu AC – AC 30

CHƯƠNG III XÂY DỰNG KHÂU PHẢN HỒI NHIỆT ĐỘ 31

3.1 Các phương pháp điều khiển ổn định nhiệt độ 31

3.1.1 Phương pháp điều khiển PID 32

3.1.2 Phương pháp điều khiển On – Off 37

3.2 Các phương pháp đo nhiệt độ và một số loại cảm biến nhiệt độ 38

3.2.1 Các phương pháp đo nhiệt độ 38

3.2.2 Một số loại cảm biến nhiệt độ 39

3.3 Mô hình hóa khâu phản hồi nhiệt độ 44

CHƯƠNG IV THIẾT KẾ, CHẾ TẠO BỘ ĐIỀU KHIỂN ỔN ĐỊNH NHIỆT ĐỘ 47

4.1 Sơ đồ khối hệ thống 47

4.2 Thiết kế bộ điều khiển 47

4.2.1 Cấu trúc hệ thống 47

4.2.2 Xây dựng bộ điều khiển PID 47

4.3 Chế tạo bộ điều khiển 50

4.5 Đánh giá chất lượng bộ điều khiển 54

KẾT LUẬN 55

TÀI LIỆU THAM KHẢO 56

DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH

Hình 1.1 Ứng dụng 3

Hình 1.2 Dây nung kim loại 9

Hình 1.3 Bên trong và bên ngoài mô hình thực tế 10

Hình 1.4 Các bước của quá trình mô hình hoá 11

Hình 1.5 Đường cong đặc tuyến của lò điện trở 13

Hình 1.6 Xây dựng hàm truyền từ đường cong thực nghiệm 14

Hình 2.1 Sơ đồ nguyên lý phương pháp điều áp bằng phân áp 15

Hình 2.2 Sơ đồ nguyên lý điều áp bằng máy biến áp tự ngẫu 16

Hình 2.3 Sơ đồ nguyên lý điều áp bằng bộ biến đổi công suất 16

Hình 2.4 Sơ đồ nguyên lý điều áp một pha sử dụng thyristor 17

Hình 2.5 Sơ đồ mô phỏng 18

Hình 2.6 Góc mở 30° 19

Hình 2.7 Góc mở 90° 19

Hình 2.8 Góc mở 120° 20

Hình 2.9 Sơ đồ khối bộ biến đổi AC – AC sử dụng thyristor 20

Hình 2.10 Sơ đồ mạch điều khiển thyristor bằng TCA785 21

Hình 2.11 Giới thiệu TCA 785 21

Hình 2.12 Dạng sóng của các chân TCA785 23

Hình 2.13 Sơ đồ khối chức năng chân của TCA785 25

Hình 2.14 Module nguồn LM 2596 26

Hình 2.15 Biến áp xung 26

Hình 2.16 Transistor TIP41C 26

Hình 2.17 Thyristor TYN1225 27

Hình 2.18 Đặc tuyến bộ AC - AC 28

Hình 2.19 Sơ đồ kết nối của SSR 29

Hình 2.20 SSR - 25DA 30

Hình 3.1 Nguyên tắc điều khiển có phản hồi 31

Hình 3.2 Sơ đồ hệ thống điều khiển PID 32

Hình 3.3 Sơ đồ mạch của khâu P sử dụng OA 33

Hình 3.4 Sơ đồ nguyên lý của khâu tích phân I sử dụng OA 33

Hình 3.5 Sơ đồ nguyên lý của khâu vi phân D sử dụng OA 34

Hình 3.6 Sơ đồ nguyên lý của bộ PID sử dụng OA 35

Hình 3.7 Sơ đồ điều khiển 37

Hình 3.8 Cấu tạo RTD 39

Hình 3.9 Cấu tạo cảm biến IC bán dẫn 41

Hình 3.10 Cảm biến LM35 42

Hình 3.11 Cấu tạo của nhiệt kế cặp nhiệt ngẫu 43

Hình 3.12 a) Sơ đồ cặp nhiệt ngẫu; b) Sơ đồ nối cặp nhiệt ngẫu 43

Hình 3.13 Cảm biến LM35 44

Hình 3.14 Đặc tuyến khâu phản hồi 45

Hình 4.1 Sơ đồ khối điều khiển hệ thống 47

Hình 4.2 Sơ đồ hệ thống khi chƣa có PID 48

Hình 4.3 Đáp ứng hệ thống khi chƣa có PID 48

Hình 4.4 Sơ đồ hệ thống khi có PID 49

Hình 4.5 Đáp ứng hệ thống khi có PID 49

Hình 4.6 Đáp ứng hệ thống với bộ PID trên 50

Hình 4.7 Arduino Uno 50

Hình 4.8 LCD 16x2 I2C 51

Hình 4.9 Sơ đồ kết nối thiết bị 51

Hình 4.10 Bên trong bộ điều khiển 54

Hình 4.11 Bên ngoài sản phẩm và LCD giám sát nhiệt độ 54

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

Bảng 1.1 Quan hệ thời gian và nhiệt độ lò sấy 12

Bảng 2.1 Kí hiệu và chức năng các chân của TCA785 22

Bảng 2.2 Các thông số của TCA785 23

Bảng 2.3 Khảo sát quan hệ vào ra của bộ AC – AC 27

Bảng 3.1 Quan hệ nhiệt độ và điện áp của khâu phản hồi 45

1

MỞ ĐẦU

Trong thực tế công nghiệp và sinh hoạt hằng ngày, năng lượng nhiệt đóng một vai trò rất quan trọng Năng lượng nhiệt có thể được dùng trong các quá trình công nghệ khác nhau như nung nấu vật liệu: nấu gang thép, khuôn đúc, sấy nông sản v.v.v Vì vậy việc sử dụng nguồn năng lượng này một cách hợp lý và hiệu quả là rất cần thiết Lò điện trở được ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp, nông nghiệp vì đáp ứng được nhiều yêu cầu thực tiễn đặt ra Ở

lò điện trở, yêu cầu kĩ thuật quan trọng nhất là phải điều chỉnh và khống chế được nhiệt độ ổn định của lò

Em chọn làm đề tài “Mô hình hóa và thiết kế, chế tạo bộ điều khiển

ổn định nhiệt độ lò sấy” trên cơ sở những lý thuyết đã học được trong môn

học “Lý thuyết điều khiển tự động” kèm theo đó là kiến thức của các môn cơ

sở ngành “Điện tử công suất”

Mục đích và nhiệm vụ nghiên cứu

Nghiên cứu và xây dựng được hàm truyền của các khâu trong bộ điều khiển lò điện trở Tổng hợp hệ thống và mô phỏng để các định các tham số của bộ điều khiển PID

Để đạt được mục đích nghiên cứu, nhiệm vụ của đề tài phải giải quyết được các vấn đề sau:

+ Nghiên cứu chế tạo được mô hình lò sấy bằng điện trở nhiệt

+ Nghiên cứu chế tạo được bộ điều khiển công suất lò sấy

+ Nghiên cứu chế tạo khâu phản hồi nhiệt độ của lò

+ Khảo sát và xây dựng đường đặc tuyến cho từng đối tượng

+ Tổng hợp hệ thống và mô phỏng để xác định các tham số của bộ điều khiển PID

Đề tài của em là thực hiện trên mô hình lò sấy có:

2

Thể tích buồng làm việc: 45 lít

Công suất: 1000W

Cấu trúc báo cáo

Ngoài phần mở đầu, kết luận, tham khảo và phụ lục, báo cáo gồm có 4 phần:

CHƯƠNG I MÔ HÌNH HOÁ LÒ ĐIỆN TRỞ

CHƯƠNG II THIẾT KẾ CHẾ TẠO BỘ ĐIỀU CHỈNH ĐIỆN ÁP XOAY CHIỀU 1 PHA

CHƯƠNG III XÂY DỰNG KHÂU PHẢN HỒI

CHƯƠNG IV CHẾ TẠO BỘ ĐIỀU KHIỂN ỔN ĐỊNH NHIỆT ĐỘ

Hình 1.1 Ứng dụng

Lò điện trở hiện nay đƣợc sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực kĩ thuật: + Sản xuất thép

+ Nhiệt luyện và hoá nhiệt luyện

+ Sản xuất các hợp kim phe rô

+ Sản xuất đúc và kim loại bột

+ Trong công nghiệp nhẹ và thực phẩm: sấy nông sản, sấy vật phẩm chất liệu vải, gỗ v.v…

+ Lò điện trở còn đƣợc sử dụng để sản xuất các vật phẩm thuỷ tinh, gốm sứ, các vật liệu chịu nhiệt v.v…

− Có khả năng tạo đƣợc nhiệt độ cao

− Đảm bảo đƣợc tốc độ nung lớn và năng suất cao

− Đảm bảo nung đều và chính xác do nhiệt độ đƣợc điều khiển bằng điện

− Có thể tiến hành điều khiển theo hệ kín

− Có khả năng cơ khí hóa và tự động hóa trong quá trình chất dỡ nguyên liệu và vận chuyển vật phẩm

− Đảm bảo điều kiện lao động hợp vệ sinh, điều kiện thao tác tốt + Nhƣợc điểm:

1.1.3 Cấu tạo của lò điện trở

1.1.3.1 Những yêu cầu cơ bản

+ Hợp lý về công nghệ: Là cấu tạo lò không những phù hợp với quá trình yêu cầu mà còn tính đến khả năng sử dụng nó đối với quá trình công nghệ khác nếu nhƣ làm phức tạp quá trình gia công và làm tăng giá thành một cách

5

rõ rệt Cấu trúc lò đảm bảo được điều kiện như thế mới coi là hợp lý nhất Điều này đặc biệt quan trọng khi nhu cầu về lò điện vượt xa khả năng sản xuất ra nó

+ Hiệu quả về kĩ thuật: Là khả năng biểu thị hiệu suất cực đại của kết cấu khi các thông số của nó xác định (kích thước ngoài, công suất, trọng lượng, giá thành v.v ) Đối với một số thiết bị hoặc một vật phẩm sản xuất ra, năng suất trên một đơn vị công suất định mức, suất tiêu hao điện để nung v.v… là các chỉ tiêu cơ bản của hiệu quả kĩ thuật Còn đối với các thành phần riêng biệt của kết cấu hoặc chi tiết, hiệu quả kĩ thuật được đánh giá bằng công suất dẫn động, momen xoắn, lực, v.v… ứng dụng trọng lượng, kích thước hoặc giá thành kết cấu

+ Chắc chắn khi làm việc: Là một trong những chỉ tiêu quan trọng nhất của chất lượng kết cấu của các lò điện Thường lò điện làm việc liên tục trong một

ca, hai ca và ngay cả ba ca một ngày Nếu trong khi làm việc, một bộ phận nào đó không hoàn hảo sẽ ảnh hưởng đến quá trình sản xuất chung Điều kiện này đặc biệt quan trọng trong dây chuyền sản xuất tự động Ngay đối với lò điện làm việc chu kỳ, lò ngừng hoạt động cũng làm thiệt hại rõ rệt cho sản xuất vì khi ngừng lò đột ngột (nghĩa là phá huỷ chế độ làm việc bình thường của lò) có thể dẫn đến làm hư hỏng sản phẩm, lãng phí nguyên vật liệu và làm tăng giá thành sản phẩm Một chỉ tiêu phụ về sự chắc chắn khi làm việc của một bộ phận của lò điện đó là khả năng thanh thế nhanh hoặc khả năng dự trữ lớn khi lò làm việc bình thường Theo quan điểm chắc chắn, trong thiết bị cần chú ý đến các bộ phận quan trọng nhất, quyết định sự làm việc liên tục của lò

Ví dụ: dây nung, băng tải, v.v…

+ Tiện lợi khi sử dụng:

Tức là yêu cầu:

− Số nhân viên phục vụ tối thiểu

− Không yêu cầu trình độ chuyên môn cao, không yêu cầu sức lực và sự dẻo dai của nhân viên

− Tiêu hao vật liệu ít nhất, đặc biệt là các vật liệu quý và hiếm

− Công nghệ chế tạo đơn giản: khả năng chế tạo phải sao cho ngày công

ít nhất và tận dụng được các thiết bị, dụng cụ thông thường có sẵn trong các nhà máy chế tạo gia công

− Các loại vật liệu và thiết bị yêu cầu để chế tạo phải ít nhất

− Sử dụng đến sức tối ta các kết cấu giống nhau và cùng loại để dễ dàng đổi lẫn và thuận tiện khi tháo lắp, thay thế

− Chọn hợp lý các dạng gia công để phù hợp với điều kiện chế tạo (đúc, hàn, dập v.v ) Bỏ các chi tiết và các khâu gia công cơ khí không hợp lí + Thẩm mỹ: Mỗi kết cấu của thiết bị, vật phẩm, các khâu và các chi tiết phải

có hình dáng và tỉ lệ các cạnh phù hợp, dễ nhìn Tuy vậy cũng cần chú ý đến

độ bền của kết cấu khi trọng lượng nhỏ và hình dáng bề ngoài đẹp, quan hệ khăng khít với nhau Việc gia công lần chót như sơn có vai trò đặc biệt quan trọng đối với hình dáng bề ngoài của lò điện Song cũng cần tránh sự trang trí không cần thiết

7

Đối với các lò làm việc với khí cụ bảo vệ, cần thiết vỏ lò phải hoàn toàn kín, còn đối với các lò điện trở bình thường, sự kín của vỏ lò chỉ cần giảm tổn thất nhiệt và tránh sự lùa không khí lạnh vào lò, đặc biệt theo chiều cao lò Trong những trường hợp riêng, lò điện trở có thể làm vỏ lò không bọc kín

Khung vỏ cần cứng vững đủ để chịu tải trọng của lớp lót, phụ tải lò (vật nung) và các cơ cấu cơ khí gắn trên vỏ lò

+ Vỏ lò hình chữ nhật thường dùng ở lò buồng, lò liên tục, lò đáy nung… + Vỏ lò tròn dùng ở các lò giếng và một vài lò chụp…

Vỏ lò tròn chịu lực tác dụng bên tròn tốt hơn vỏ lò hình chữ nhật khi cùng một lượng kim loại để chế tạo vỏ lò Khi kết cấu vỏ lò tròn, người ta thường dùng thép dày 3 – 6 mm với đường kính vỏ lò 1000 – 2000 mm, 8 –

12 mm đường kính vỏ lò 2500 – 4000 mm và 14 – 20 mm đường kính vỏ lò

4500 – 6600 mm Khi cần thiết tăng độ cứng vững cho vỏ lò tròn, người ta thường dừng các đệm tăng cường bằng các loại thép hình

Vỏ lò hình chữ nhật được dựa lên nhờ thép hình U, L và thép tấm cắt theo hình thích hợp Vỏ lò có thể được bọc kín, có thể không tuỳ theo yêu cầu kín của lò Phương pháp gia công vỏ lò này chủ yếu là hàn và tán

b) Lớp lót

Lớp lót lò điện trở thường gồm hai phần: Vật liệu chịu lửa và cách nhiệt Phần vật liệu chịu lửa có thể xây dựng gạch tiêu chuẩn, gạch hình và gạch hình đặc biệt tuỳ theo hình dáng , kích thước đã cho của buồng lò

Cũng có khi người ta đầm bằng các loại bột chịu lửa và các chất dính dết gọi là khối đầm Khối đầm có thể tiến hành ngay trong vỏ lò và có thể tiến hành ở ngoài nhờ các khuôn

Phần vật liệu chịu lửa cần đảm bảo các yêu cầu sau:

+ Chịu được nhiệt độ làm việc cực đại của lò

+ Có độ bền nhiệt đủ lớn khi làm việc

8

+ Có đủ độ bền cơ học khi xếp vật nung và đặt thiết bị vận chuyển trong điều kiện làm việc

+ Đảm bảo khả năng gắn dây nung bền và chắc chắn

+ Có đủ độ bền hoá học khi làm việc, chịu được tác đụng của khí quyển lò

Yêu cầu cơ bản của phần cách nhiệt:

+ Hệ số dẫn nhiệt cực tiểu

+ Khả năng tích nhiệt cực tiểu

+ Ổn định về tính chất vật lí, nhiệt trong điều kiện làm việc xác định

Phần cách nhiệt có thể xây bằng gạch cách nhiệt, có thể điền đầy bằng bột cách nhiệt

c) Dây nung

Theo nguyên lý làm việc thì ta thấy điện trở R có thể đóng vai trò:

+ Vật nung: Trường hợp này gọi là nung trực tiếp

+ Dây nung: Khi dây nung được nung nóng, nó sẽ truyền nhiệt cho vật nung bằng bức xạ, đối lưu, dẫn nhiệt hoặc phức hợp Trường hợp này gọi là nung gián tiếp

Trường hợp thứ nhất ít gặp vì nó chỉ dùng để nung những vật có hình dạng đơn giản (tiết diện chữ nhật, vuông hoặc tròn)

Trường hợp thứ hai thường gặp nhiều trong thực tế công nghiệp Cho nên nói đến lò điện trở không thể không đề cập đến vật liệu để làm dây nung,

bộ phận phát nhiệt của lò

9

+ Vật liệu làm dây nung:

− Yêu cầu: Do dây nung là bộ phận phát nhiệt của lò, làm việc trong những điều kiện khắc nghiệt do đó đòi hỏi phải đảm bảo các yêu cầu sau:

▪ Chịu nóng tốt, ít bị oxi hoá ở nhiệt độ cao

▪ Phải có độ bền cơ học cao, không bị biến dạng ở nhiệt độ cao

▪ Điện trở suất phải lớn

▪ Hệ số nhiệt điện trơ phải nhỏ

▪ Các tính chất điện phải cố định ít bị thay đổi

▪ Các kích thước phải không thay đổi khi sử dụng

▪ Dễ gia công, dễ hàn gắn hoặc dễ ép khuôn

+ Phân loại:

− Dây nung kim loại

Hình 1.2 Dây nung kim loại

Để đảm bảo các yêu cầu của dây nung, trong hầu hết các lò điện trở công nghiệp, dây nung kim loại đều được chế tạo bằng các hợp kim Crom-Nhôm

và Crom-Niken là các hợp kim có điện trở lớn Còn các kim loại nguyên chất được dùng để chế tạo dây nung rất hiếm vì các kim loại nguyên chất thường

có những tính chất không có lợi cho việc chế tạo dây nung như:

▪ Điện trở suất nhỏ

▪ Hệ số nhiệt trở lớn

▪ Bị oxy hoá mạnh trong môi trường khí quyển bình thường

− Dây nung phi kim loại:

10

Dây nung phi kim loại dùng phổ biến : SiC, grafit và than

1.2 Mô hình hoá

1.2.1 Yêu cầu và chế tạo

Các yêu cầu ban đầu của mô hình lò điện trở: thể tích lò 45 lít, nhiệt độ làm việc 50 - 70 , công suất sinh nhiệt của lò là 1000W

Mô hình lò được chế tạo gồm 3 phần cơ bản :

+ Khung lò được làm bằng tôn xám có độ dày 1mm tạo thành khung lò có kích thước trong lòng là 30 - 30 - 50 (cm) và thể tích là 45 lít

+ Phần cách nhiệt được làm bằng thạch cao chịu nhiệt

+ Sợi đốt là nơi chuyển điện năng thành nhiệt năng được cấu tạo từ Crom – Niken và có điện trở 47,7Ω Lò sử dụng 1 dây ra nhiệt có công suất 1000W

Hình 1.3 Bên trong và bên ngoài mô hình thực tế

1.2.2 Mô hình hoá

1.2.1.1 Các phương pháp mô hình hoá

Để mô hình hoá đối tướng điều khiển hay một phần tử của quá trình điều khiển thì ta thường có hai phương pháp

11

a Xây dựng mô hình theo các bước lý thuyết:

Hình 1.4 Các bước của quá trình mô hình hoá

b Xây dựng mô hình cách khảo sát thực nghiệm

Để thực hiện được phương pháp này ta cần có đối tượng và tiến hành hảo sát thông số đầu vào và đầu ra để từ đó vẽ được đường đặc tuyến Sau đó

sử dụng phương pháo Ziegler – Nichols để đề xuất ra mô hình hàm truyền của đối tượng

1.2.2.2 Mô hình hoá theo phương pháp thực nghiệm Ziegler – Nichols

Như đã giới thiệu mô hình lò sấy ở trên có cấu tạo gồm:

+ Lò điện trở có công suất: 1000W

+ Lò có buồng lò, lối vào ra của không khí và quạt thông gió, lớp cách nhiệt

12

Với cấu tạo lò khá phức tạp, việc để tính toán xây dựng mô hình theo lý thuyết là khó Nên trong đề tài này, em sử dụng phương pháp xây dựng mô hình theo thực nghiệm Ziegler – Nichols

Nhằm mục đích có thể điều khiển được ở độ quá tới hạn nên em khảo sát

lò sấy ở 80% công suất lò

Tiến hành khảo sát thực nghiệm với điện áp đặt vào bộ ra nhiệt là U =

180 (V) – 80% công suất lò, với quan hệ thời gian và nhiệt độ lò thì ta có như sau:

Bảng 1.1 Quan hệ thời gian và nhiệt độ lò sấy

Nhiệt

độ ( )

Thời gian ( s )

Nhiệt

độ ( )

Thời gian ( s )

Nhiệt

độ ( )

Vẽ đồ thị đặc tuyến giữa thời gian và nhiệt độ lò ta có đường đặc tuyến:

Hình 1.5 Đường cong đặc tuyến của lò điện trở

Từ kết quả thực nghiệm trên, sử dụng phương pháp Ziegler – Nichols để

đề xuất ra mô hình hàm truyền của lò như sau:

15

CHƯƠNG II THIẾT KẾ CHẾ TẠO BỘ ĐIỀU CHỈNH ĐIỆN

ÁP XOAY CHIỀU MỘT PHA (AC-AC)

2.1 Các phương pháp điều chỉnh điện áp xoay chiều một pha

Trong nội dung đề tài, em chọn phương án cấp nguồn điện xoay chiều

(AC) một pha cho tải công suất nên em tập trung phân tích các phương pháp

điều chỉnh công suất theo điện áp AC-AC

2.1.1 Phân áp

Hình 2.1 Sơ đồ nguyên lý phương pháp điều áp bằng phân áp

Tuy nhiên phương pháp này hiện nay ít được sử dụng vì hiệu quả không

cao

Do trong quá trình vận hành thì điện áp vào từ nguồn là không thay đổi

còn sự thay đổi điện áp trên tải mà ta cần là do đã có một phần điện áp rơi

trên điện trở phụ làm cho tiêu hao nhiều năng lượng (nhiệt) ở điện trở phụ,

dẫn đến hiệu quả sử dụng không cao Tuy nhiên phương pháp này rẩt đơn

giản và dễ thực hiện Đặc biệt với tải có công suất nhỏ và dòng nhỏ thì có thể

sử dụng phương pháp này vì tổn hao có thể chấp nhận được, còn với tải có

công suất lớn thì phương pháp này không nên sử dụng

U

Z

a

16

2.1.2 Biến áp tự ngẫu

Hình 2.2 Sơ đồ nguyên lý điều áp bằng máy biến áp tự ngẫu

Theo sơ đồ trên thì người ta có thể dùng biến áp tự ngẫu để điều chỉnh điện áp xoay chiều ra U2 thay đổi từ 0 đến trị số bất kỳ, có thế lớn hơn, bằng hoặc nhỏ hơn điện áp đầu vào

Vì vậy nếu yêu cầu phải điều chỉnh trong dài rộng (điện áp ra nhỏ, bằng

và lớn hơn cả điện áp đầu vào) thì máy biến áp tự ngẫu là một lựa chọn tối ưu Tuy nhiên sử dụng biến áp tự ngẫu để điều chỉnh thì khó thực hiện khi dòng tải lớn (do tiếp xúc giữa chổi than và các vòng dây sẽ có thể phát ra tia lửa điện khi dòng lớn) và cồng kềnh

Đặc biệt là không điều chỉnh liên tục được vì do chổi than khó chế tạo để

có thể chỉ tiếp xúc trên một vòng dây của biến áp Do đó điện áp đầu ra là các giá trị gián đoạn

2.1.3 Bộ điều chỉnh điện áp xoay chiều bằng các phần tử điện tử công suất

Hình 2.3 Sơ đồ nguyên lý điều áp bằng bộ biến đổi công suất

Tuy nhiên lựa chọn phương pháp nào còn tuỳ thuộc vào điều kiện thực tế của nơi cần áp dụng

Và với yêu cầu của đề tái thì chúng em lựa chọn phương pháp là điều chỉnh điện áp AC thông qua bộ biến đổi công suất sử dụng các phần tử công

suất

Trong nội dung đề tài này, em lựa chọn phương án điều áp thông qua bộ điều áp xoay chiều một pha sử dụng các phần tử điện tử công suất

2.2 Bộ điều áp xoay chiều một pha sử dụng bộ biến đổi điện tử công suất

2.2.1 Bộ biến đổi công suất sử dụng thyristor

Sơ đồ nguyên lý của mạch điều áp xoay chiều một pha sử dụng thyristor:

Hình 2.4 Sơ đồ nguyên lý điều áp một pha sử dụng thyristor

Trong mạch này để điều áp xoay chiều thì sử dụng hai Thyristor T1 và T2 mắc ngược nhau để có thể có thể điều chỉnh cả hai nửa chu kỳ

18

Nguyên lý hoạt động:

Giả sử ở nửa chu kỳ đầu thì T1 đƣợc phân cực thuận nhƣng chƣa đƣợc

mở mà chỉ mở khi có tín hiệu đƣợc cấp vào cực điều khiển nên góc mở của T1 là trong khoảng từ 0° đến 180°, còn T2 là ở trạng thái khóa do bị phân cực ngƣợc Ở nửa chu kỳ còn lại thì T2 đƣợc phân cực thuận nhƣng cũng chƣa đƣợc mở vì chƣa có tín hiệu kích mở đến cực điều khiển và nó chỉ mở khi có tín hiệu điều khiển với góc mở là từ 180°C đến 360°C, còn trong nửa chu kỳ sau T1 bị phân cực ngƣợc nên không hoạt động

19

Hình 2.6 Góc mở 30°

Với góc mở 90°:

Hình 2.7 Góc mở 90°

Hình 2.9 Sơ đồ khối bộ biến đổi AC – AC sử dụng thyristor

2.2.2.2 Sơ đồ mạch điều áp xoay chiều 1 pha sử dụng thyristor

21

Hình 2.10 Sơ đồ mạch điều khiển thyristor bằng TCA785

+ Khối mạch điều khiển ta sử dụng IC TCA785

Giới thiệu TCA 785

Hình 2.11 Giới thiệu TCA 785

Vi mạch TCA 785 là vi mạch phức hợp thực hiện đƣợc 4 chức năng của một mạch điều khiển: tạo điện áp đồng bộ, tạo điện áp răng cƣa đồng bộ, so sánh và tạo xung ra

22

− Ký hiệu và chức năng của TCA 785

Bảng 2.1 Kí hiệu và chức năng các chân của TCA785

Chân Ký hiệu Chức năng Chân Ký hiệu Chức năng

8 VREF Điện áp chuẩn 16 Vs Điện áp nguồn

nuôi

23

Hình 2.12 Dạng sóng của các chân TCA785

− Các thông số của TCA785

Bảng 2.2 Các thông số của TCA785

Thông số

Giá trị nhỏ nhất

Giá trị tiêu biều

F =50Hz

Vs = 5v

Giá trị lớn nhất

0,2

15

V10max V

K

3,3 3,3

15L

tp

tp

VS-3 0,3

20

530

VS-2,5 0,8

30 620,m

1,0

Điện áp điều khiển

V 1/K

− Tính toán các phần tử bên ngoài:

Tụ răng cƣa: C10 Min = 500pF; Max = 1 F

Thời điểm phát xung: tTr =

Dòng nạp tụ: I10 =

Điện áp trên tụ: V10 =

25

TCA 785 do hãng Siemen chế tạo, được sử dụng để điều khiển các thiết

bị chỉnh lưu, thiết bị điều chỉnh dòng điện áp xoay chiều

Có thể điều chỉnh góc α từ 00 đến 1800 điện

− Thông số chủ yếu của TCA 785:

▪ Điện áp nuôi: US = 18V

▪ Dòng điện tiêu thụ: IS = 10mA

▪ Dòng điện ra: I = 50mA

▪ Điện áp răng cưa: Ur max = (US - 2)V

▪ Điện trở trong mạch tạo điện áp răng cưa: R9 = 20K 500K

▪ Điện áp điều khiển: U11 = - 0.5 (US-2)V

Hình 2.13 Sơ đồ khối chức năng chân của TCA785

+ Khối nguồn sử dụng module nguồn LM2596 có tác dụng luôn ổn định điện áp theo giá trị đặt trước trong khoảng 0 đến 35V Trong ứng dụng với nội dung của đề tài này thì điện áp ra được đặt là 15V