Thực hiện bằng cách cho xung kích đóng các linh kiện liên tục trong thời gian bằng số nguyên lần chu kỳ (m) điện áp nguồn và sau đó ngắt xung kích liên tục trong một số nguyên lần chu kỳ (n).
Phương pháp điều khiển tỷ lệ thời gian với thời điểm kích tại điểm 0 của áp nguồn (zero voltage switching) được ứng dụng để điều khiển lò điện trở, lò hồ quang điện, lò nướng gia đình....vì ít ảnh hưởng lên lưới điện, đồng thời hạn chế tổn hao phát sinh do chế độ đóng ngắt linh kiện tạo nên.
Bộ biến đổi làm việc như một công tắc xoay chiều đóng mở tuần hoàn như hình 2.9.
Hình 2.9: Dạng sóng điện áp và dòng điện khi điều khiển bằng phương pháp tỷ lệ thời gian trên tải thuần trở.
Nguyễn Ngọc Vinh Trang 17 Từ hình 2.9, ta suy ra trị hiệu dụng của điện áp trên tải là:
𝑈𝑡 = 𝑈 𝑡𝑧
𝑇 (2.23) Trong đề tài này nhóm nghiên cứu chọn phương pháp điều khiển pha thông thường vì ưu điểm đơn giản và dễ dàng điều khiển.
2.2.Tổng quan về chỉnh lƣu AC - DC 2.2.1.Khái niệm chỉnh lƣu
Chỉnh lưu là thiết bị dùng để biến đổi nguồn điện 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, một số thiết bị sử dụng điện một chiều như radio, amplier, bể mạ xi kim loại, điện phân, bộ nguồn nạp bình ắc quy công suất lớn…..
2.2.2.Chỉnh lƣu cầu 1 pha
Mạch chỉnh lưu cầu 1 pha có cấu tạo từ 4 diode, mắc thêm tụ ở ngõ ra để lọc phẳng tín hiệu DC.
Nguyễn Ngọc Vinh Trang 18
Hình 2.10: Sơ đồ nguyên lý và dạng sóng điện áp ngõ ra trên tải thuần trở.
Khi chưa có tụ C:
- Điện áp trung bình trên tải: Ud= 1
2𝜋 2 20𝜋 U2sin𝜃d𝜃= 2 2
𝜋 U2 = 2
𝜋 U2m = 0.9 U2
(2.24)
- Giá trị trung bình của dòng tải: Id =𝑈𝑑
𝑅 = 2 2
𝜋𝑅 U2=2𝐼2𝑚
𝜋
(2.25)
- Giá trị dòng trung bình qua diode: ID=𝐼𝑑
2
(2.26)
Khi có tụ C:
Nguyễn Ngọc Vinh Trang 19
2.3. Bộ tạo xung kích SCR
2.3.1. Giới thiệu chung về điều khiển SCR
Để cho SCR dẫn điện cần phải có hai điều kiện kết hợp là được phân cực thuận và có xung điều khiển. Trong thực tế các SCR phải được điều khiển đồng bộ với điện áp nguồn, nghĩa là khi SCR có bán kỳ dương của điện áp nguồn trên Anode (phân cực thuận) thì phải được điều khiển (kích).
2.3.2. Các thành phần chính trong mạch kích SCR
Trong các mạch điều khiển sử dụng nhiều phần tử, trong đó thông dụng nhất là Opamp. Để hiểu được nguyên tắc tạo xung điều khiển đồng bộ cho SCR, trong phần này nhắc lại các mạch tích phân, vi phân đóng vai trò quan trọng.
2.3.2.1. Mạch vi phân
Mạch vi phân hay còn gọi là mạch lọc thông cao, chỉ cho tín hiệu có tần số cao đi qua còn tín hiệu tần số thấp bị giữ lại.
Zc = 1
𝑐𝜔 = 1
2𝜋𝑓𝑐
(2.28) Khi tần số f tăng thì Zc giảm, mà I = U/Z nên khi có tín hiệu tần số cao thì Zc giảm dễ dàng đi qua mạch lọc, còn tín hiệu tần số thấp bị chặn lại.
Dạng điện áp ra u0 chính là điện áp ra trên R vì vậy nó có dạng sóng của dòng ic nạp xả của tụ điện ( uc = ic . R).
Nguyễn Ngọc Vinh Trang 20 C C R R R1 R2 Ui Ui UO UO Ui UO = icR uc nạp uc xả t t 0 0
Hình 2.11: Mạch vi phân và dạng sóng điện áp ngõ vào ra.
2.3.2.2. Mạch tích phân
Mạch tích phân hay mạch lọc thông thấp, chỉ cho tín hiệu có tần số thấp đi qua, còn tín hiệu có tần số cao bị mạch giữ lại.
Zc = 1
𝑐𝜔 = 1
2𝜋𝑓𝑐
(2.29) Khi tần số f tăng thì Zc giảm, mà I = U/Z nên khi có tín hiệu tần số cao thì Zc giảm, tín hiệu bị nối tắt xuống GND. Như vậy, tín hiệu tần số cao bị chặn lại.
Điện áp ra u0 chính là điện áp trên C nên nó có dạng sóng của điện áp nạp phóng trên tụ điện.
Nguyễn Ngọc Vinh Trang 21 R R C C u0 u0 ui ui 0 t ui 0 t u0 C nạp C xả
Hình 2.12: Mạch tích phân và dạng sóng điện áp vào ra.
2.3.3. Nguyên tắc tạo xung điều khiển đồng bộ cho SCR
2.3.3.1. Phương pháp thẳng đứng tuyến tính
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