Mạch điều khiển SCR theo phương pháp thẳng đứng tuyến tính: là phương pháp tạo góc điều khiển (góc kích) α thay đổi bằng cách dịch chuyển điện áp theo phương thẳng đứng so với điện áp tựa răng cưa. Phương pháp này có độ chính xác cao và khoảng điều khiển rộng (0 - 1800).
Điện áp đồng bộ có dạng răng cưa đồng bộ với điện áp đặt trên A, K. Điện áp điều khiển Uc là điện áp một chiều có thể điều chỉnh được biên độ. Tổng Ui + Uc được đưa đến đầu vào của khâu so sánh.
Nguyễn Ngọc Vinh Trang 22 α α Ur, Uc Ur Uc+Ur Hình 2.13: Phương pháp tuyến tính.
Như vậy: bằng cách làm biến đổi Uc ta có thể điều chỉnh được thời điểm xuất hiện xung ra, tức là điều khiển được góc kích α.
Khi Uc = 0 α = 0 Uc > 0 α > 0 ⇒ α và Uc có quan hệ: α = 𝜋. 𝑈𝑐 𝑈𝑟 𝑚𝑎𝑥 (2.30)
Lấy Uc max = Ur max
2.3.3.2. Sơ đồ khối bộ tạo tín hiệu tín hiệu điều khiển đồng bộ
Để có được xung điều khiển đồng bộ với điện áp nguồn đặt vào Anode SCR, góc kích α có thể điều chỉnh được, cần phải có mạch tạo tín hiệu điều khiển như hình 2.14.
Nguyễn Ngọc Vinh Trang 23
Hình 2.14: Sơ đồ khối bộ tạo tín hiệu điều khiển đồng bộ.
Các khối có chức năng nhƣ sau:
Khối cách ly ngõ vào và ngõ ra: Hai khối này cách ly mạch điều khiển SCR với phần công suất của mạch có điện áp cao, không cho dòng từ phần công suất đi vào phần điều khiển hay ngược lại.
- Khối cách ly ngõ vào: thường là một máy biến áp có nhiệm vụ cách ly, tạo nguồn nuôi cung cấp cho mạch điều khiển và lấy tín hiệu điện áp đồng bộ.
- Khối cách ly ngõ ra: là một máy biến áp xung. Máy biến áp xung là một máy biến áp cách l có hai cuộn dây quấn theo tỉ lệ 1:1; 1:2; 1:3. Mạch từ của máy biến áp xung được làm bằng lõi ferit không dẫn điện, hoặc bằng thép cán nguội, thích hợp với xung điện áp có tần số cao mà biến áp thường không thể thay thế được.
Khối đồng bộ: Có chức năng tạo điện áp răng cưa, 1 răng cưa trong
mỗi chu kỳ hoặc 2 răng cưa trong mỗi chu kỳ nếu là sơ đồ 1 pha dùng 2 SCR kích đồng thời. Xung răng cưa này sẽ được so sánh với điện áp điều chỉnh UP ở khối so sánh phía sau. Khối này thường sử dụng transistor (hình 2.15) hoặc khuếch đại thuật toán (hình 2.16), kết hợp với mạch tích phân để tạo điện áp răng cưa đồng bộ US.
Nguyễn Ngọc Vinh Trang 24
Hình 2.15: Mạch tạo tín hiệu đồng bộ và răng cưa dùng BJT
Ở mạch hình 2.15, khi điện áp đồng bộ vào là nửa dương của chu kì UAC, BJT Q1 dẫn bão hòa, Q2 ngưng dẫn, ta có điện áp ra UX là xung vuông, sau khi qua mạch tích phân tạo ra điện áp răng cưa như hình 2.17.
Hình 2.16: Mạch tạo tín hiệu đồng bộ và răng cưa dùng OP-AMP
Nguyên tắc tạo xung đồng bộ trên mạch hình 2.16 dựa vào tính chất so sánh giữa hai tín hiệu vào Vin+ và Vin- của OP–APM. Sau đó tạo xung răng cưa tương tự như mạch hình 2.17.
Nguyễn Ngọc Vinh Trang 25 UX UAC US 0 0 0 t t t 2π π 2π π 2π π
Hình 2.17: Giản đồ xung tín hiệu đồng bộ và răng cưa
Khối so sánh: So sánh điện áp răng cưa US với điện áp điều chỉnh UP - còn được gọi là điện áp đặt, điện áp tựa hoặc điện áp điều chỉnh.
Thường dùng OP-AMP để so sánh, điện áp răng cưa được đưa vào đầu vào không đảo (hình 2.18). Chức năng chính của khối so sánh là điều chỉnh góc kích α. C VR UP +UCC Us Hình 2.18: Sơ đồ khối so sánh
Nguyễn Ngọc Vinh Trang 26
Khối tạo xung: Điện áp ra sau khối so sánh thường có độ rộng rất lớn, nếu kích góc α = 00 thì xung sẽ có độ rộng bằng π, xung này không thích hợp với việc kích SCR vì khi đã được kích nếu bỏ xung điều khiển thì SCR vẫn tiếp tục dẫn khi dòng tải IA lớn hơn dòng duy trì IH. Chức năng chính của khối tạo xung là giảm độ rộng xung để giảm sự phát nóng của linh kiện và giảm tiêu hao. Khối tạo xung thường là mạch vi phân CR biến đổi điện áp hình chữ nhật ra xung nhọn âm và dương. Xung âm được loại bỏ bởi diode D kết hợp với điện trở R. Cách đơn giản và hiệu quả hơn là dùng IC tạo xung chuyên dụng CD4528.
Khối khếch đại xung: Để các xung có biên độ lớn, dòng đủ mạnh cần
có mạch khuếch đại xung kết hợp với khối cách ly ngõ ra. Thường sử dụng MOSFET kết hợp với điện trở công suất và diode.
Nguyễn Ngọc Vinh Trang 27
2.3.3.3. Sơ đồ chi tiết và giản đồ xung bộ tạo tín hiệu điều khiển đồng bộ cho SCR đồng bộ cho SCR A1 Tạo xung A2 Khuếch đại xung UAC MBA A K1 B C D UAC VR UP BAX +UCC +UCC RT UAC
Hình 2.20: Sơ đồ khối chi tiết bộ tạo tín hiệu điều khiển đồng bộ cho SCR
Để hiểu rõ hơn về nguyên tắc hoạt động của các khối, ta sử dụng giản đồ thời gian hoạt động tương ứng minh họa trên hình 2.21.
Nguyễn Ngọc Vinh Trang 28 - Điện áp xoay chiều UAC cấp cho ngõ vào biến áp cách ly MBA, của sơ đồ hình 2.20 là đồng pha với điện áp xoay chiều cấp cho trở tải RT mắc trên SCR. Sóng sin vào tại điểm Ađi qua cổng đảo NOT tạo thành xung vuông có độ rộng tương ứng, sử dụng để ngắt khóa K1, cho phép dòng I (nguồn dòng) nạp cho tụ C. Tương ứng với bán kỳ dương của điện áp vào, trên tụ C sẽ có xung dạng răng cưa UB. Bộ so sánh A1 thực hiện so sánh điện áp răng cưa với với điện áp tựa Up, tạo ra xung dương có độ rộng lớn ở ngõ ra UC, qua khối tạo xung A2
thành xung có độ rộng nhỏ hơn. Khi A ở bán kì âm, K1 đóng lại, tụ C phóng về GND.
- Khi điện áp răng cưa lớn hơn điện áp tựa, bộ so sánh tạo xung dương ở ngõ ra 3 qua các khối còn lại để điều khiển SCR. Như vậy, khi thay đổi điện áp đặt Up, sẽ làm dịch chuyển thời điểm kích cho SCR. Giá trị Up được quy ước tương ứng với đại lượng góc kích α. Giá trị α = 00, tương ứng với Up = 0V, SCR mở toàn bộ 100% theo mỗi bán kỳ dương.
Với α = 450, SCR mở 75%, bán kì dương trên tải bị lấy đi 25%.
Với α = 900, SCR mở 50%, bán kì dương trên tải bị lấy đi 50%.
Với α = 1350, SCR mở 25%, bán kì dương trên tải bị lấy đi 75%. - Quan hệ giữa α và UP theo công thức sau:
α = π Up
U𝑠𝑚𝑎𝑥; Usmax = Upmax (2.31)
Kết quả là với việc tăng giảm điện áp điều chỉnh UP, sẽ thay đổi góc kích α, có thể điều khiển mở SCR tương ứng với vị trí pha điện áp lưới, làm thay đổi tương ứng điện áp ngõ ra trên tải. Phương pháp trên còn được gọi là điều khiển pha hay kiểm soát pha (phase control).
2.3.3.4. Điều khiển bằng xung chùm
Sơ đồ tạo xung điều khiển trên hình 2.17 chỉ tạo ra xung đơn, có ưu điểm là đơn giản và thích hợp với những tải thuần trở như: lò điện, bếp điện,chiếu sáng….Với những tải có thành phần điện cảm như động cơ không đồng bộ, biến áp…..đặc trưng bởi góc trễ 𝜑 giữa điện áp với dòng
Nguyễn Ngọc Vinh Trang 29 điện. Để đảm bảo các SCR dẫn cả hai chiều, khi góc mở α nhỏ hơn góc trễ 𝜑 ta phải tăng độ rộng xung điều khiển. Tuy nhiên, khi tăng độ rộng xung điều khiển sẽ làm các biến áp xung cách ly ngõ ra bị nóng và tăng tiêu hao, chính vì thế việc tạo ra xung chùm để điều khiển là cần thiết, để tạo được xung chùm ta đưa mạch dao động tạo xung có tần số cao vào để điều khiển mạch khuếch đại xung. Xung chùm tần số cao có thể tạo ra bởi mạch dao động đa hài dùng OP-AMP, BJT hoặc IC 555.
Tín hiệu điều khiển đồng bộ UĐB và xung chùm (UCH) có thể đưa trực tiếp vào mạch khuếch đại xung hoặc đưa qua mạch so sánh bằng cổng AND (hình 2.22).
Hình 2.22: Sơ đồ mạch tạo xung chùm.
0 0 0 t α π π π t t UC UĐB UC&UĐB
Nguyễn Ngọc Vinh Trang 30
CHƢƠNG3: XÂY DỰNGMÔ HÌNH
3.1. Yêu cầucủa mô hình Variac bán dẫn ba pha có hồi tiếp.
Tạo xung đơn
Tạo xung chùm
Điều khiển được SCR bằng mạch tạo xung kích.
Hiệu chỉnh độ rộng xung điều khiển SCR thông qua mạch phản hồi cách ly.
Hiển thị được giá trị dòng điện và điện áp ngõ ra trên tải AC và DC lên LCD.
Điều khiển được điện áp ngõ ra cung cấp cho tải công suất.
3.2. Phƣơng án xây dựngmô hình Variac bán dẫn ba pha có hồi tiếp.
Xây dựng khối tạo xung đơn và xung chùm để điều khiển SCR.
Xây dựng bộ chỉnh lưu DC.
Xây dựng, thi công khối cảm biến đo dòng điện AC và DC dùng IC ACS712 kết hợp với PIC 16F877A hiển thị lên LCD.
Nghiên cứu, xây dựng và thi công mạch hồi tiếp từ điện áp ngõ ra trên tải DC.
Thi công mô hình Variac bán dẫn 3 pha.
Lắp ráp các khối vào mô hình.
Lắp ráp mạch vào tải công suất để kiểm tra điều chỉnh.
Chỉnh sửa các lỗi điều khiển, lỗi lập trình và lỗi của các thiết bị.
Nguyễn Ngọc Vinh Trang 31
3.3.1.Sơ đồ khối của mô hình.
Nguyễn Ngọc Vinh Trang 32
3.3.2. Chức năng từng khối.
3.3.2.1. Nguồn điện 3 pha.
Cung cấp nguồn điện 3 pha cho mô hình.
Nguyễn Ngọc Vinh Trang 33
3.3.2.2. Khối nguồn.
Biến áp cách ly ngõ vào và lấy nguồn điện chỉnh lưu thành nguồn điện một chiều DC cung cấp cho mạch kích SCR, khối cảm biến dòng – áp, khối hiển thị LCD và khối hồi tiếp.
Nguyễn Ngọc Vinh Trang 34
3.3.2.3. Khối mạch kích SCR.
Tạo xung kích cho khối SCR theo phương pháp thẳng đứng tuyến tính.
Nguyễn Ngọc Vinh Trang 35
3.3.2.4. Khối SCR.
Gồm 6 SCR mắc thành 3 cặp song song ngược đầu để thay đổi giá trị điện áp xoay chiều ngõ ra.
Nguyễn Ngọc Vinh Trang 36
3.3.2.5. Cảm biến dòng - áp.
Đo giá trị dòng điện và điện áp ngõ ra trên tải sử dụng module ACS 712.
Nguyễn Ngọc Vinh Trang 37
3.3.2.6. Khối hiển thị LCD.
Hiển thị giá trị dòng điện và điện áp ngõ ra trên tải hiển thị lên LCD 20x4.
Nguyễn Ngọc Vinh Trang 38
3.3.2.7. Hồi tiếp.
Mạch hồi tiếp hay mạch phản hồi cách ly là bộ cách ly quang, cho phép biến đổi điện áp ngõ ra trên tải DC thành điện áp phản hồi. Sự thay đổi điện áp ngõ ra do tải sẽ làm thay điện áp để sử dụng hiệu chỉnh độ rộng xung điều khiển trong mạch kích SCR và cho phép bù trừ sự thay đổi thế ra do tải.
Hình 3.8: Khối hồi tiếp
3.3.2.8. Bộ chỉnh lưu AC ra DC
Chỉnh lưu là thiết bị dùng để biến đổi nguồn xoay chiều thành nguồn điện một chiều để cung cấp cho phụ tải. Phụ tải một chiều có thể là động cơ một chiều, mạch kích từ máy phát điện, cuộn dây nam châm điện…
Nguyễn Ngọc Vinh Trang 39
Nguyễn Ngọc Vinh Trang 40
3.3.3. Sơ đồ nguyên lý.
3.3.3.1. Mạch kích SCR.
Nguyễn Ngọc Vinh Trang 42
Nguyên lý hoạt động:
Điện áp cấp nguồn cho biến áp cách ly là 12VAC. Điện áp tại điểm A trên khối biến áp cách ly có dạng sóng hình sin.Điện áp tại điểm B trên khối đồng bộ có dạng sóng răng cưa Us. Xung răng cưa này sẽ được so sánh với điện áp điều chỉnh Up (biến trở 10k) ở khối so sánh. Điện áp tại điểm C trên khối so sánh có dạng sóng là xung vuông có độ rộng rất lớn.Khi xung vuông tại điểm C đi qua khối tạo xung để tạo thành xung hẹp (xung tại vị trí D), xung này thích hợp với việc kích SCR. Xung này được đưa qua mạch khuếch đại để tạo ra xung có biên độ lớn và dòng đủ mạnh để qua khối biến áp cách ly ngõ ra, xung này sẽ kích trực tiếp SCR.
Công tắc có hai chế độ: xung đơn và xung chùm.
Khi gạt công tắc về vị trí xung đơn, tại vị trí khối tạo xung: Công tắc đóng mạch với nguồn +12V, IC 4069 (cổng NOT) có điện áp vào nên điện áp ra là 0. IC CD4081(U2:A) không có tín hiệu đầu ra.
Cổng NOT có vai trò khóa chéo giữa hai chế độ xung đơn và xung chùm. Xung vuông có độ rộng lớn đi vào IC CD4528 tạo thành xung hẹp (tại vị trí D). Tại IC CD4081(U2:B) hai chân tín hiệu đều có điện áp nên đầu ra IC có tín hiệu vào khối khuếch đại xung. Xung này là xung đơn để điều khiển SCR.
Khi gạt công tắc về vị trí xung chùm, tại vị trí khối tạo xung: công tắc đóng 2 vị trí.
Vị trí 1 nối với 0V, khóa xung đơn tại IC CD4081(U2:B), tại ngõ ra IC CD4081(U2:A) có tín hiệu ra do có tín hiệu vào từ cổng NOT và điểm C của khối so sánh.
Vị trí 2 nối với nguồn +12V, khối tạo xung chùm hoạt động. Tín hiệu vào từ khối tạo xung chùm với tín hiệu ra của IC CD4081(U2:A) tại đây vào IC CD4081(U3:A), đầu ra của IC CD4081(U2:A) là xung chùm có thể điều khiển được độ rộng của xung này nhờ vào biến trở.
Nguyễn Ngọc Vinh Trang 43
3.3.3.2. Khối vi điều khiển PIC 16F877A
Nguyễn Ngọc Vinh Trang 44
3.3.3.3. Khối nguồn
Hình 3.12:Sơ đồ nguyên lý mạch nguồn.
Khối nguồn +5VDC: Điện áp vào khối nguồn này được lấy từ biến áp 12V sau đó qua chỉnh lưu qua cầu diode, sử dụng IC 7805 để ra điện áp 5V để cấp nguồn cho mạch.
Khối nguồn ±12VDC: Biến áp đôi cấp nguồn xoay chiều 24VAC qua cầu Diode chỉnh lưu, sử dụng IC 7812 để tạo +12VDC và IC 7912 để tạo
–12VDC.
Nguyễn Ngọc Vinh Trang 45
3.3.3.4. Khối đo áp AC
Hình 3.13:Sơ đồ nguyên lý mạch đo áp AC.
Điện áp cần đo được lấy trên tải sau đó qua cầu diode chỉnh lưu .
Dùng biến trở RV1 điều chỉnh điện áp ngõ ra để đưa trực tiếp vào ngõ vào AN3 chân analog (chân số 5) của PIC 16F877A để xử lý.
3.3.3.5. Khối đo áp DC
Hình 3.14:Sơ đồ nguyên lý mạch đo áp DC.
Điện áp DC cần đo được lấy trực tiếp trên tải sau đó qua mạch cầu phân áp, sử dụng biến trở để điều chỉnh điện áp ngõ ra để đưa trực tiếp vào ngõ vào AN1chân analog (chân số 3) PIC 16F877A để xử lý.
Nguyễn Ngọc Vinh Trang 46
3.3.3.6. Khối đo dòng AC
Hình 3.15:Sơ đồ nguyên lý mạch đo dòng AC.
Đầu vào của module ACS 712 nối tiếp với tải cần đó. Ta lấy tín hiệu ra từ chân out của module ACS 712, điện áp tại đây là điện áp AC sau đó cho qua cầu phân áp và diode, tụ để có thể đưa vào chân analog AN2 (chân số 4)của PIC 16F877A để xử lý.
Nguyễn Ngọc Vinh Trang 47
3.3.3.7. Khối đo dòng DC
Hình 3.16:Sơ đồ nguyên lý mạch đo dòng DC.
Đầu vào của module ACS 712 nối tiếp với tải DC cần đo. Tín hiệu được lấy ra trực tiếp từ chân out của module ACS 712 để đưa vào chân analog AN0 (chân số 2) của PIC 16F877A để xử lý.
Tính toán độ phân giải:
Theo yêu cầu thì các ngõ vào điện áp tham chiếu là VREF - = 0V, VREF + = VDD = 5V.
Nên độ phân giải là SS = 𝑉𝑅𝐸𝐹 + − 𝑉𝑅𝐸𝐹 −
210− 1 = 5000 𝑚𝑉
1023 = 4.887mV Thông số 210 là do ADC 10 bit.
Điện áp toàn giai full scale = FS: FS = SS x 1023 = 4,887mV x 1023 = 5000mV Độ phân giải ADC là 4,887mV không tương thích với độ phân giải của cảm biến