Đồ án môn học “Thiết bị điều khiển , chương 3

Đồ án môn học Thiết bị điều khiển 1 Lời mở đầu Sự phát triển kinh tế của mỗi n-ớc phụ thuộc rất nhiều vào mức độ cơ giới hoá và tự động hoá các quá trình sản xuất. Để có thể đáp ứng đ-ợc các yêu cầu của quá trình cơ giới hoá và tự động hoá các hệ truyền động điện đ-ợc phát triển và có những thay đổi đáng kể. Đặc biệt do công nghệ sản xuất các thiết bị điện tử công suất ngày càng hoàn thiện, nên các bộ biến đổi điện tử công suất trong hệ truyền động điện không những đáp ứng đ-ợc độ tác động nhanh, độ chính xác cao mà còn góp phần làm giảm kích th-ớc và hạ giá thành của hệ. Mỗi sinh viên cần phải biết đ-ợc các b-ớc thiết kế một hệ điều khiển tự động nhằm vận dụng những kiến thức mình đã đ-ợc học. Qua việc thiết kế, em đã hiểu rõ hơn về nguyên lý cấu tạo cũng nh- nguyên lý hoạt động của các thiết bị điện-điện tử . D-ới sự h-ớng dẫn nhiệt tình của thầy Nguyễn Thanh Sơn giảng viên bộ môn Thiết bị điện - điện tử, em đã hoàn thành đồ án của mình với đề tài: Thiết kế bộ nguồn băm xung một chiều cấp điện cho động cơ điện một chiều kích từ độc lập nguồn cấp một pha 220V/50Hz Tuy nhiên trong quá trình thiết kế với trình độ còn hạn chế, đồ án của em không tránh khỏi những sai sót, mong thầy nhận xét và góp ý cho em. Em xin chân thành cảm ơn thầy. Đồ án môn học Thiết bị điều khiển 2 Phần iii. Thiết kế mạch điều khiển. I. thiết kế mạch điều khiển: Mạch điều khiển băm áp một chiều có nhiệm vụ xác định thời điểm mở và khoá van bán dẫn trong một chu kì chuyển mạch. Điện áp tải khi điều khiển đ-ợc tính Trong đó: CK d kd d T t tt t t d , t k , T ck : Thời gian dẫn, khoá van bán dẫn, chu kì đóng cắt. U 1 : điện áp nguồn một chiều. t 1 t 2 t 3 t 4 t 5 U RC U đk U Tải t t U Tải = .U 1 Đồ án môn học Thiết bị điều khiển 3 Mạch điều khiển cần đáp ứng yêu cầu điều khiển bằng các lệnh theo một nguyên tắc nào đó. Để điều khiển với chu kì đóng cắt T ck không đổi cần phải điều khiển khoảng thời gian dẫn của van bán dẫn trong chu kì đóng cắt. Nguyên lí điều khiển thời gian dẫn của các van bán dẫn trong điều áp một chiều có thể thực hiện nh- sau: Tạo một điện áp tựa dạng điện áp răng c-a (hay điện áp tam giác) với một tần số f xác định khá cao. Dùng một điện áp một chiều (làm điện áp điều khiển) so sánh với điện áp tựa. Tại thời điểm điện áp tựa bằng điện áp điều khiển thì phát lệnh mở hoặc khoá van bán dẫn. Điện áp tựa U rc so sánh với điện áp điều khiển U đk . Tại các thời điểm 0, t 1 , t 2 . U rc = U đk sẽ phát lệnh mở hay khoá van bán dẫn. Tại các s-ờn lên của điện áp tựa U rc phát lệnh mở van bán dẫn, tại s-ờn xuống của U rc sẽ phát lệnh khoá van. Theo cách đó các van bán dẫn sẽ mở tại 0, t 2 , t 4 ., và khoá tại t 1 , t 3 t 5 . Độ rộng xung điện áp tải đ-ợc điều khiển khi điều chỉnh điện áp điều khiển U đk . Trên hình tăng U đk sẽ giảm và giảm điện áp ra. Nghĩa là trong tr-ờng hợp này U đk và U tải nghịch biến. II. sơ đồ khối mạch điều khiển: Đồ án môn học Thiết bị điều khiển 4 Mạch điều khiển điều áp một chiều gồm 3 khâu cơ bản: Khâu tạo tần số có nhiệm vụ tao điện áp tựa răng c-a U rc với tần số theo ý muốn ng-ời thiết kế. Tần số của các bộ điều áp một chiều th-ờng chọn khá lớn (hàng chục kHz). Tần số này lớn hay bé là do khả năng chịu tần số của van bán dẫn. Khâu so sánh có nhiệm vụ xác định thời điểm điện áp tựa bằng điện áp điều khiển. Tại các thời điểm điện áp tựa bằng điện áp điều khiển thì phát lệnh mở hoặc khoá van bán dẫn. Điện áp tựa dạng tam giác có hai s-ờn lên và xuống, lệnh mở van động lực ở giao điểm s-ờn lên, thì ở giao điểm s-ờn xuống sẽ phát lệnh khoá van và ng-ợc lại. Khâu tạo xung, khuếch đại có nhiệm vụ tạo xung phù hợp để mở van bán dẫn. Một xung đ-ợc coi là phù hợp để mở van là xung có đủ công suất (đủ dòng điện và điện áp điều khiển), cách ly giữa mạch điều khiển với mạch động lực khi nguồn động lực hàng chục vôn trở lên. Hình dạng xung điều khiển phụ thuộc loại van động lực đ-ợc sử dụng. Van động lực là Tranzitor, xung điều khiển có dạng xung chữ nhật độ rộng của các xung này bằng độ rộng xung điện áp tải I. Thiết kế sơ đồ nguyên lý: 1. Khâu tạo tần số: tạo điện áp tam giác bằng tích phân sóng vuông Tạo tần số So sánh Tạo xung khuếch Van động lực Sơ đồ khối mạch điều khiển điều áp một chiều. Đồ án môn học Thiết bị điều khiển 5 1 2 3 R R .C.R.4 1 f Mạch tạo điện áp tam giác cũng có thể nhận đ-ợc từ bộ tích phân xung vuông. Xung vuông có thể tạo bằng nhiều cách khác nhau. Tích phân xung này chính là quá trình nạp, xả tụ. U t U A1 U A2 A V- V+ R 3 R 1 A 2 A 1 C R 2 _ + + _ Bộ tạo sóng điện áp vuông và tam giác bằng KĐTT Đầu vào V + có hai tín hiệu, một tín hiệu không đổi lấy từ đầu ra của A 1 , một tín hiệu biến thiên lấy từ đầu ra của A 2 . Điện áp chuẩn so sánh để quyết định đổi dấu điện áp ra của A 1 là trung tính vào V - . Giả sử đầu ra của A 1 d-ơng U A1 > 0, khuếch đại A 2 tích phân đảo dấu cho điện áp có s-ờn đi xuống của điện áp tựa. Điện áp vào V + lấy từ R 1 và R 2 , hai điện áp này trái dấu nhau. Điện áp vào qua R 2 biến thiên theo đ-ờng nạp tụ, còn điện áp vào qua R 1 không đổi, tới khi nào U V+ = 0 đầu ra của A 1 đổi dấu thành âm. Chu kì điện áp ra của A 1 cứ luân phiên đổi dấu nh- vậy cho ta điện áp ra nh- hình vẽ. Tần số của điện áp tựa đ-ợc tính: (2.24) Đồ án môn học Thiết bị điều khiển 6 Bằng cách chọn các trị số của điện trở và tụ điện ta có đ-ợc điện áp tựa có tần số nh- mong muốn. 2. Khâu so sánh: Khâu so sánh của điều áp một chiều sẽ xác định thời điểm mở và khoá van bán dẫn. Đầu vào của khâu này gồm có hai tín hiệu, điện áp tựa (điện áp tam giác) và điện áp một chiều làm điện áp điều khiển. Trong mỗi chu kì điện áp tựa có hai thời điểm điện áp tựa bằng điện áp điều khiển. Tại các thời điểm đó, đầu ra của khâu so sánh đổi dấu điện áp. T-ơng ứng với các thời điểm đột biến điện áp đầu ra của khâu so sánh cần có lệnh mở hoặc khoá van bán dẫn. Mạch so sánh hai cổng bằng KĐTT 3. Khâu khuyếch đại: Sử dụng cách ly bằng ghép quang, khi có tín hiệu từ D q thì Tranzitor dẫn U rc U ss U đk t t U _ + Đồ án môn học Thiết bị điều khiển 7 +15V +12V Tr Tr q D q Tr 1 R 8 R 7 R 6 II. Mạch điều khiển hoàn chỉnh: §å ¸n m«n häc “ThiÕt bÞ ®iÒu khiÓn” 8 -U  U ®Æt FT C §C D C -12V VR 1 A 3 + _ R 5 R 6 R 4 +15V +12V Tr2 Tr q D A B U ®k D q Tr 1 R 11 R 10 R 9 R 8 R 7 _ + A 4 V- V+ R 3 R 1 A 2 A 1 C R 2 _ + + _ Tr Đồ án môn học Thiết bị điều khiển 9 U A t U B t U C t U D t U Dq t U d t 1 t 2 t 3 t 4 t 5 t 6 t * Nguyên lý hoạt động mạch điều khiển: Điện áp tựa tại B có dạng xung tam giác cân, qua khuyếch đại thuật toán A 3 đ-ợc kéo lên trên trục hoành, điện áp U C > 0 đ-ợc so sánh với điện áp điều khiển U đk đ-ợc điều chỉnh bởi tín hiệu của máy phát tốc, U C và U đk cắt nhau tại các giao điểm t 1 , t 2 , t 3 , t 4 , t 5 , t 6 Sự so sánh này qua khuyếch đại thuật toán A 4 cho ta điện áp U D có dạng xung chữ nhật không đối xứng. Khi U D >0 thì diod D q có tín hiệu và U Dq >0, khi U D < 0 thì U Dq =0, Diod D q có tín Đồ án môn học Thiết bị điều khiển 10 hiệu thì Tr q có tín hiệu và Tr dẫn U d >0, D q không có tín hiệu thì Tr q không có tín hiệu và Tr cũng không dẫn nên U d =0. III. tính toán các thông số của mạch điều khiển: Các khuyếch đại thuật toán A 1 , A 2 , A 3 , A 4 chọn loại TL084, do hãng TexasInstruments chế tạo, thông số của TL084: +Điện áp nguồn nuôi: V CC =18(V); chọn V CC =12(V). +Hiệu điện thế giữa hai đầu vào: U v =30(V). +Nhiệt độ làm việc: t =(-2585)C. +Công suất tiêu thụ: P = 680(mW) = 0,68(W). +Tổng trở đầu vào: R in =10 6 (M). +Dòng điện đầu ra: I ra = 30(pA). +Tốc độ biến thiên điện áp cho phép: dt dU =13(V/s). +Mạch tạo xung chùm có tần số: f x = x 2t 1 =3(kHz). +Chu kỳ của xung chùm: T = 3 1 f 1 = 333(s). Chọn tần số mạch tạo điện áp tam giác: Chọn tần số của bộ băm áp khoảng 1kHz => T TG =1/f =1/1000=10 -3 (s) Chọn các điện trở R 1 =R 2 =47(k ) Chọn C=0,01( F)=10 -8 (F) Chọn R 3 theo biểu thức: T TG =4.R 3 .C. R R 2 1 = 4.R 3 .C R 3 = 8 3 TG 10.4 10 C.4 T =0,25.10 5 ( )=25(k ) Chọn theo tiêu chuẩn: R 3 =27(k ) [...]... 0,5 R4 = 34 (k) Chọn tiêu chuẩn R6 = 33 (k) Chọn các điện trở R7 = R8 =33 (k) Chọn R9: R9 U A3 1 0,5 5,2 5( k) I raA 3 2.10 3 Chọn theo tiêu chuẩn: R9 = 5,1 (k) Bộ ghép quang chọn loại 4N35 có thông số: dòng vào chạy qua điốt cực đại 60(mA ), dòng ra trên colector tranzitor quang cực đai 150(mA ), điện áp tranzitor 30 (V ), điện áp cách li 33 50(V) Tính chọn điện trở R10: R 10 12 12 1,2 ( k) I DQ 0,0 1... trong khoảng (520) mA, đã chọn 10(mA) 11 Đồ án môn học Thiết bị điều khiển Theo thông số của tranzitor QM100HC-M, chỉ cần dòng điện bazơ tranzitor 0,6 5A là đủ để tranzitor mở thông hoàn toàn Khi đó điện trở R11 cần có: R 11 15 23( ) 0,6 5 Chọn theo tiêu chuẩn: R11 = 22() Tranzitor đệm chọn loại D6 13 có thông số IC=6(A ), UCE=100(V) Thiết kế nguồn cấp cho mạch điều khiển: Mạch điều khiển có hai hệ thống... cho mạch IC khuyếch đại thuật toán Hệ thống nguồn nuôi thứ hai là điện áp một chiều 15(V) cấp cho mạch điều khiển dòng bazo tranzitor động lực 7812 C1 C3 C2 C4 7912 ~220V C5 12 +12V +15V -12V Đồ án môn học Thiết bị điều khiển Ta cần tạo ra nguồn điện áp 12(V)để cấp nuôi IC, dùng mạch chỉnh l-u cầu một pha dùng diod Điện áp vào của IC ổn áp chọn 21(V): U2= 21 2 3, 3 (V) 0,9 Để ổn định điện áp ra của nguồn.. .Đồ án môn học Thiết bị điều khiển Điện áp đầu ra của A2 có trị số đỉnh bằng điện áp bão hoà của IC Với nguồn cấp 12V điện áp bão hoà của IC khoảng (80% 90%).12V Trị số này vào khoảng 1 0,5 V Khuếch đại thuật toán A3 có nhiệm vụ kéo đ-ờng đặc tính lên trên trục hoành Các điện trở R 4, R5 chọn R4 = R5 = 68(k) Để nâng đ-ợc đ-ờng điện áp tam giác lên trên trục hoành, khi đầu ra của A2 có trị số 1 0,5 V... 2 3, 3 (V) 0,9 Để ổn định điện áp ra của nguồn nuôi ta dùng hai vi mạch ổn áp 7812 và 791 2, các thông số của vi mạch: Điện áp đầu vào: Uv=1425(V) Điện áp đầu ra: IC7812 có Ura=12(V) IC7912 có Ura= -12(V) Dòng điện đầu ra: Ira =(01) A Tụ điện C1,C2dùng để lọc thành phần sóng hài bậc cao Chọn C1= C2= C3= C4= C5= 470(F); U =35 (V) 13 . U tải nghịch biến. II. sơ đồ khối mạch điều khiển: Đồ án môn học Thiết bị điều khiển 4 Mạch điều khiển điều áp một chiều gồm 3 khâu cơ bản: Khâu tạo tần. chiều. t 1 t 2 t 3 t 4 t 5 U RC U đk U Tải t t U Tải = .U 1 Đồ án môn học Thiết bị điều khiển 3 Mạch điều khiển cần đáp ứng yêu cầu điều khiển bằng các