Hình 3.4. Sơ đồ nguyên lý điều khiển 1 kênh. 1, Khâu đồng pha.
Hình 3.5. Sơ đồ khâu đồng pha.
Điện trở R1 dùng để hạn chế dòng điện đi vào khuếch đại thuật toán A1 . Thường chọn R1 sao cho dòng vào khuếch đại thuật toán Iv < 1mA.
Do đó, R1 ≥ = 9 (kΩ). Ta chọn R1 = 10 (kΩ). Mô phỏng trên Psim:
Hình 3.6. Sơ đồ khâu đồng pha mô phỏng trên Psim.
Ta có giản đồ điện áp :
Hình 3.7. Giản đồ điện áp khâu đồng pha 2, Khâu tạo điện áp tựa.
Hình 3.8. Sơ đồ khâu tạo điện áp tựa( dạng răng cưa).
+)Nguyên lý hoạt động.
Phần điện áp dương của U2 đi qua diot D1, vào mạch tích phân R2 C1 tạo điện áp răng cưa.
Phần điện áp âm của U2 làm mở thông tranzitor Tr1, lúc này tụ C1 phóng điện nhanh qua tranzitor Tr1, điện áp ra U3 = UC1 = 0. Trên đầu ra của A2 ta có chuỗi điện áp răng cưa.
Điện áp tựa được hình thành do sự nạp của tụ C1. Mặt khác để đảm bảo điện áp tựa có trong nửa chu kì điện áp lưới là tuyến tính thì hằng số thời gian tụ nạp được :
Tr = R2 .C1 = 0,001 (s).
Chọn tụ C1 = 0,1 (μF) thì điện trở R2 = Tr/C1 = 0,001/(0,1.10-6) = 100 (kΩ). Chọn Tr1 loại A564 có các thông số sau :
Hệ số khuếch đại : β = 250
Dòng cực đại của bazơ : Iβ1 = IC1 / β = 100 / 250 = 0,4 (A)
Điện trở R3 dùng để hạn chế dòng điện đi vào bazơ của tranzitor T1 được chọn như sau :
Chọn R3 = 38 (kΩ).
Mô phỏng khâu tạo điện áp tựa trên Psim.
Hình 3.9. Sơ đồ mô phỏng khâu điện áp tựa.
Ta có giản đồ điện áp :
3, Khâu so sánh.
Hình 3.11. Sơ đồ khâu so sánh
Điện áp U3 được so sánh với điện áp điều khiển Udk tại đâu vào A3. Tổng đại số (U3 + Udk) dấu điện áp đầu ra của khuếch đại thuật toán A3.
Khi U3 = Udk , khuếch đại thuật toán sẽ lật trạng thái và U4 sẽ đổi dấu. Ta thu được điện áp đầu ra A3 là chuỗi xung hình chữ nhật.
Mô phỏng sơ đồ khâu so sánh trên Psim.
Hình 3.12. Sơ đồ mô phỏng khâu so sánh. Giản đồ điện áp ra:
Hình 3.13. Tính hiệu điện áp ra của sơ đồ. 4, Khâu phát xung chùm.
Hình 3.14. Sơ đồ khâu phát xung chùm.
Để giảm công suất cho tầng khuếch đại và tăng số lượng xung kích mở nhằm đảm bảo thyristor mở một cách chắc chắn, ta dùng một bộ phát xung chùm cho các thyristor. Chùm xung thu U5 được sẽ được đưa đến cổng AND cùng với tín hiệu
nhận đc từ khâu so sánh U4. Tín hiệu đầu ra xẽ được đưa đến khâu khuếch đại xung U6.
Chọn IC loại TL084 do hãng Texas Instruments chế tạo. Các IC này có khuếch đại thuật toán với các thông số sau.
Điện áp nguồn nuôi : Vcc = ± 15 (V)
Hiệu điện thế giữa 2 đầu vào: U = ± 30 (V) Công suất tiêu thụ: P = 0,68 (W)
Tốc độ biến thiên điện áp cho phép: = 13 (V/μs).
Mạch tạo xung chùm có tần số: f = 20 kHz, hay chu kì của xung chùm là: T = 1 / f = 50 (μs.)
Ta có: T = 2R6.C2.ln( 1 + 2).
Chon R4 = R5 = 33kΩ. Thì T = 2,2.R6.C2 = 50 (μs). Chọn tụ C2= 0,1 (μF), có điện áp U = 16 (V).
Vậy R6 = 0,228 (kΩ). Chọn R6 là biến trở 0,2 (kΩ) để thuận tiện cho việc lăp mạch.
Mô phỏng khâu phát xung chùm trên Psim.
Hình 3.15. Sơ đồ mô phỏng khâu phát xung chùm.
Hình 3.16. Tín hiệu đầu ra khâu phát xung chùm 5. Chọn cổng AND.
Hình 3.17. Sơ đồ phối hợp tạo xung chùm dùng cổng AND.
+) Nguyên lý làm việc:
Trộn xung chùm U5 với tín hiệu điều khiển lấy được ở khấu so sánh U4 để đưa ra xung điều khiển dạng xung chùm gửi tới khâu khuếch đại xung.
+) Tính chon linh kiện
Chọn IC CMOS là IC 4081 có 4 cồng AND có các thông số sau: Vcc = 3-15 V. Ta chon Vcc = E = 15 V.
I1v < 1mA.
Điện áp ứng với mức logic “1” là: 2 – 4,5 V. Tín hiệu điện áp ra như hình vẽ:
Hình 3.18. Tín hiệu điện áp ra. 6. Khâu khuếch đại xung và biến áp xung.
Biến áp xung có thể thực hiện các nhiệm vụ :
- Cách ly mạch lực và mạch điều khiển.
- Phối hợp trở kháng giữa tầng khuếch đại xung KĐX và cực điều khiển van lực.
- Nhân thành nhiều xung ( BAX nhiều cuộn thứ cấp) cho các vân cần mở đồng thời như trường hợp phải mắc nối tiếp hoặc mắc song song nhiều van.
Hình 3.19. Sơ đồ khuếch đại xung và biến áp xung.
+) Nguyên lý hoạt động:
Để nâng cao hệ số khuếch đại và công suất xung ra, ta dùng mạch khuếch đại nối kép 2 tranzitor theo kiểu sơ đồ Darlingtons. Thường chọn tranzitor Tr3 có công suất lớn thảo mãn với công suất của xung ra, còn có tranzitor Tr2 có nhiệm vụ khuếch đại dòng.
Hệ số khuếch đại của mạch (β) được tính theo công thức: β= β2.β3.η
β2 , β3 là hệ số khuếch đại của tranzitor Tr2 và tranzitor Tr3. η là hiệu xuất ( thường lấy η = 0,7 )
Tín hiệu vào U5 là một tín hiệu logic. Khi tín hiệu ở mức “1” thì tranzitor mở bão hoà. Tín hiệu ở mức “0” thì tranzitor khoá lại.
Điện trở R8 , R9 hạn chế dòng, diot D3 hạn chế quá điện áp trên các cực colector, emitor của tranzitor Tr3. Vì xung điều khiển có độ rộng bé, mà thời gian mở thông của tranzitor dài, làm cho công suất toả nhiệt dư của tranzitor lớn và kích thước dây quấn sơ cấp biến áp lớn. Để giảm nhỏ công suất toả nhiệt của tranzitor và kích thước dây quán sơ cấp máy biến áp xung, ta nối thêm tụ C3 . Khi đó, tranzitor chỉ mở cho dòng điện chạy qua trong thời gian tụ nạp, nên dòng điện hiệu dụng sẽ nhỏ hơn rất nhiều lần.
Điện trở R7 dùng để hạn chế dòng điện đưa vào bazơ của tranzitor Tr2. *) Tính toán mạch điều khiển và tầng khuếch đại biến áp xung.
Mạch điều khiển được tính xuất phát từ yêu cầu về xung mở thyristor. Các thông số cơ bản để tính mạch điều khiển:
Un Iđm Ipik Ig Ug Ir du/dt di/dt tcm
800
(V) 150(A) 2800(A) (A)0,1 (V)3 (mA)15 (V/μs)200 (A/μs)180 (μs)80
*) Tính biến áp xung.
Chọn vật liệu làm lõi săt Ferit HM. Lõi có hình dạng xuyến, làm việc trên 1 phần đặc tính từ hoá có ΔB = 0,3 (T), ΔH = 30 (A/m) không có kẽ hở không khí. -Tỉ số biến áp xung: Chọn m = 3
-Điện áp thứ cấp máy biến áp xung: U2 = Udk = 3 (V).
-Điện áp đặt lên cuộn sơ cấp máy biến áp xung: U1 = mU2 = 3.3 = 9 (V).
-Dòng điện thứ cấp máy biến áp xung: I2 = Idk = 0,1 (A).
-Dòng điện sơ cấp máy biến áp xung: I1 = I2 / m = 0,1/3 = 0,033 (A). -Độ từ thẩm trung bình tương đối của lõi sắt:
μtb = = 0,3 / (1,25.10-6) = 8.103 (H/m) Với μ0 = 1,25.10-6 (H/m) (độ từ thẩm của không khí).
-Thể tích lõi thép cần:
V = Q.l = ( μtb.μ0.tx.Sx.Ul.ll )/(ΔB2)
V = ( 8.103 . 1,25.10-6 . 1,67.10-6 . 0,15 .9 .0,033)/ ( 0,32) V= 0,834 (cm3).
Chọn mạch có thể tích V = 1,4 (cm3).
Với thể tích đó ta có, các kích thước mạch từ như sau:
a = 4,5mm ; b = 6mm ; Q = 27 mm2 ; d = 12mm ; D = 21mm. Chiều dài trung bình mạch từ : l = 5,2 cm.
-Số vòng dây sơ cấp máy biến áp xung: Theo định luật cảm ứng điện từ có:
W1= ( U1.tx )/( ΔB.Q) = (9.167.10-6)/(0,3.27.10-6) = 186 ( vòng). -Số vòng dây thứ cấp:
W2 = W1/m = 186/3 = 62 ( vòng). -Tiết diện dây quấn sơ cấp:
S1 = I1 / J1 = (33,3.10-3)/ 6 = 0,0056 ( mm2) Ta chọn mật độ dòng điện J1 = 6 ( A/mm2)
-Đường kính dây quấn sơ cấp: d1 = = = 0,084 (mm)
Chọn dây có đường kính d1 = 0,1 (mm). -Tiết diện dây quấn thứ cấp:
S2 = I2 / J2 = 0,1 / 4 = 0,025 (mm). Ta chọn mật độ dòng điện J2 = 4 ( A/mm2). -Đường kính dây quấn thứ cấp:
d2 = = = 0,178 (mm).
Chọn dây có đường kính d2 = 0,18 (mm). -Kiểm tra hệ số lấp đầy:
kld = ( S1.W1 + S2.W2 )/( + )
kld = ( d12.W1 + d22.W2 )/( d2 ) = ( 0,12.186 + 0,182.62 )/( 122 ) kld = 0,03
Như vậy cửa sổ đủ diện tích. *) Chọn C3 , R7.
Ta chọn R7 sao cho thoả mãn điều kiện:
R7 ≥ U / IB3 = 4,5 / (0,66.10-3) = 6,757 (kΩ). Chọn R7 = 6,8 (kΩ).
Ta có C3.R7 = tx = 167 μs, từ đó C3 = 0,024 (μF). Chọn tranzitor Tr3 loại 2SC9111 có các thông số sau: Tranzitor loại npn, vật liệu bán dẫn là Si.
Dòng lớn nhất ở colector có thể chịu : ICmax = 500 mA. Hệ số khuếch đại: β = 50.
Dòng làm việc của bazơ : IB3 = IC3 / β = 33,3 / 50 = 0,66 (mA).
Với loại thyristor đã chọn có công suất điều khiển nhỏ ( Udk = 3V ; Idk = 0,1 A ), nên dòng colector–bazơ của tranzitor Tr3 khá nhỏ. Trong trường hợp này ta có thể k cần tranzitor Tr2 mà vẫn có thể đủ công suất điều khiển tranzitor.
Chọn nguồn cấp cho máy biến áp xung: E = ± 15 V. Với nguồn E = 15V ta phải mắc thêm điện trở R8 nối tiếp với cực Emitor của Tr3.
R8 = ( E – Ul )/( Il ) = (15 – 9)/( 33,3.10-3) = 180 (Ω). Chọn R9 = 10 (kΩ).
Tất cả các diot trong mạch điều khiển đều dùng loại 1N4009 có các thông số: Dòng điện định mức: Idm = 10 mA.
Điện áp ngược lớn nhất: UN = 25 V. Điện áp để cho điot mở thông : Um = 1 V.
**) Sơ đồ mô phỏng khâu khuếch đại xung và biến áp xung.
Hình 3.20. sơ đồ mô phỏng khâu khuếch đại xung và biến áp xung.
Hình 3.21. Giản đồ điện áp khâu khuếch đại và biến áp xung. 7, Khâu phản hồi.
+)Sơ đồ đo nhiệt độ trong lò điện trở lấy tín hiệu điện ra là điện áp Et
Hình 3.22. Sơ đồ đo nhiệt độ trong lò lấy tín hiệu ra là Et.
Trong sơ đồ trên:
- R13, R14, R15 là điện trở Manganin.
Ở nhiệt độ 0 cầu được tính toán cân bằng, lúc này Et = 0. Khi nhiệt độ môi trường thay đổi cầu mất cân bằng. Lúc này giá trị của R12 cũng thay đổi làm xuất hiện trên đầu A, B một điện áp ΔU. Mặt khác nhiệt độ thay đổi nên hai đầu nhiệt kế xuất hiện một điện áp ΔEt sao cho ΔEt=ΔU. Như vậy mV kế vẫn chỉ 0 V.
Ta dùng nhiệt kế Platin – Platin Rôđi ( 90% là Pt và 10% là Rh) đo lâu dài với nhiệt độ 1000 – 1200 .
Khoảng 100 thì tăng 0.64 mV.
→ nhiệt độ nhỏ nhất là 1000 : Et = 6,4 mV → nhiệt độ nhỏ nhất là 1200 : Et = 7,68 mV
Điện áp đo được trên mV kế là rất nhỏ nên ta phải khuếch đại điện áp. +)Khâu khuếch đại điện áp phản hồi :
Hình 3.23. Sơ đồ khâu khuếch đại điện áp phản hồi
Uph = - Et.R17/ R16
Ta chọn R16 = 1 KΩ, R17 = 40 KΩ, Uph = ( -0,212) ÷ ( -0.256) V
Chọn R18 = R17/ R16 = 1 KΩ.
3.3.4. Giản đồ điện áp ra một kênh.
3.3.5. Sơ đồ mạch lực và mạch điều khiển của lò điện trở.
Hình 3.26. Sơ đồ mạch lực và mạch điều khiển của lò điện trở.
Hình 3.27. Đồ thị điện áp pha a với α =45°.
KÊT LUẬN
Sau thời gian nghiên cứu và thực hiện đề tài dưới sự hướng dẫn tận tình của thầy PGS. TS. Đinh Văn Thắng cùng với sự cố gắng và nỗ lực của bản thân, em đã hoàn thành đồ án tốt nghiệp của mình theo đúng kế hoạch được giao.
Tuy nhiên, do thời gian có hạn, kiến thức còn hạn chế nên bên cạnh những kết quả đã đạt được vì vậy nội dung của đề tài không tránh khỏi những thiếu sót. Kính mong nhận được sự đóng góp, đánh giá của thầy cô giáo để đề tài được hoàn thiện hơn.
1- Hiểu được về cấu tạo và nguyên lý hoạt động của lò điện nói chung và lò điện trở nói riêng.
2- Vận dụng được nguyên lý hoạt động của mạch điều áp xoay chiều ba pha vào mạch thực tế.
3- Biết cách thiết kế và tính toán mạch lực.
4- Biết cách tính toán và thiết kế mạch điều khiển.
Kết quả mô phỏng cho thấy mạch lực và mạch điều khiển hoạt động tốt đáp ứng được những yêu cầu thực tế đặt ra. Điều đó chứng tỏ tính đúng đắn của mạch đã thiết kế. Kết quả này có thể là cơ sở cho việc ứng dụng để thiết kế cho mạch thực tế.
Tuy nhiên, do thời gian có hạn và trình độ còn hạn chế, đồ án này không tránh khỏi những thiếu sót.
Cuối cùng, em xin chân thành cảm ơn thầy PGS. TS. Đinh Văn Thắng cùng các thầy cô trong Bộ môn Kỹ thuật điện - Điện tử đã tận tình hướng dẫn, chỉ bảo giúp đỡ em trong quá trình thực hiện và hoàn thành đề tài này.
Hà Nội, ngày 05 tháng 06 năm 2017 Sinh viên
TÀI LIỆU THAM KHẢO
1. Trang thiết bi điện tử - PGS. TS. Đinh Văn Thắng- Đại học Mỏ - Địa Chất Hà Nội, 2006.
2. Điện tử công suất – Nguyễn Bính
Nhà xuất bản khoa học và kĩ thuật - 1995
3. Hướng dẫn thiết kế điện tử công suất – Phạm Quốc Hải Nhà xuất bản khoa học và kĩ thuật - 2009
4. Phân tích và giải mạch điện tử công suất – Phạm Quốc Hải, Dương Văn Nghi Nhà xuất bản Khoa học và Kĩ thuật – 1997
5. http://www.thuvientailieu.vn/tai-lieu/de-tai-khai-thac-phan-mem-psim-mo-phong- mach-dien-tu-cong-suat-22712/