Có nhiều phơng pháp điều khiển công suất nhng phơng pháp dùng hai Thyristor mắc xung đối đợc sử dụng nhiều nhất.Khi có xung điều khiển thì hai Thyristor
sẽ lần lợt mở cho dòng đi qua.
Góc mở của Thyristor đợc điều khiển để bảo đảm cho công suất lò thay đổi từ 0 đến giá trị lớn nhất.
Phơng pháp này cho phép điều chỉnh trong phạm vi rộng ,độ chính xác tơng đối cao ,độ nhạy điều khiển lớn,có khả năng điều chỉnh liên tục và đều đặn .
Dựa vào yêu cầu về chất lợng điều khiển và trang thiết bị sẵn có ,đồ án này chọn phơng pháp điều chỉnh công suất lò dùng hai Thyristor mắc xung đối để điều khiển lò điện trở.
+Cấu tạo và nguyên lí hoạt động của Thyristor.
Thyristor là thiết bị bán dẫn gồm bốn lớp bán dẫn P1N1P2N2 khác nhau về chiều dày và mật độ điện tích ghép với nhau .Giữa các lớp bán dẫn này hình thành các mặt ghép chuyển tiếp PN lần lợt là J1,J2,J3.
Khi đặt điện áp một chiều giữa hai cực A và K (anôt nối với cực dơng ,catôt nối vào cực âm) thì J1 và J3 đợc phân cực thuận còn J2 bị phân ngợc .Gần nh toàn bộ điện áp nguồn đặt trên mặt ghép J2.Điện trờng nội tại E1 của J2 có chiều hớng từ N1 về P2.Điện trờng ngoài tác dụng cùng chiều với Ei ,vùng chuyển tiếp cũng là
A K G P1 N1 P2 N2 J1 J2 J3 A K + - G
vùng cách điện càng mở rộng ra ,không có dòng điện chạy qua Thyristor mặc dù nó đợc đặt dới điện áp .
Khi có một xung điều khiển tác động vào cực G ,các điện tử từ N2 chảy sangP2. Các điện tử chịu sức hút của điện trờng tổng hợp của mặt ghép J2 và ngày càng nhiều điện tử chảy ào ạt vào N1 ,qua P1 và đến cực dơng của nguồn điện ngoài với tốc độ 1cm/100ìàs .Khi đó J2 trở thành mặt ghép dẫn điện Thyristor mở cho dòng chạy qua.
Điện trở thuận của Thyristor khi ở trạng thái khoá khoảng100kΩ,ở trạng thái mở khoảng 0,01Ω.
Loại Thyristor đợc dùnglà loại Thyristor công suất nhỏ KY-202H có các thông số kĩ thuật nh sau:
+Điện áp làm việc 0,4(KV).
+Dòng điện cực đại cho phép 10(A). +Điện áp điều khiển 10(V).
+Dòng điện dò 0,3-0,5(A).
VậyThyristor sẽ đợc mở khi có điện áp thuận ,nghiã là khi có hiệu điện áp giữa Anod và Catod là dơng và đồng thời có tín hiệu điều khiển vào cực điều khiển G của nó và có dòng :
Ig > Igst
Ig: Dòng điều khiển .
Igst:Giá trị giới hạn dòng điều khiển .
Còn muốn đóng Thyristor phải đặt điện áp ngợc lên hai đầu Anod và Catod UAK<0. Phải chú ý là trong bất cứ trờng hợp nào thì cũng không đợc đặt Thyristor dới điện áp thuận khi Thyristor cha bị khoá ,nếu không có thể gây lên hiện tợng nguồn bị ngắn mạch.
Bởi hai Thyristor đợc mắc song song và ngợc chiều nên tại một thời điểm chỉ có một trong hai Thyristor đợc mở ,dòng điện đi qua sợi đốt đợc mô tả nh hình vẽ:
Trong đó α là góc mở của Thyristor,tức là góc lệch kể từ thời điểm ban đầu của nửa chu kì của dòng xoay chiều cho đến thời điểm mở Thyristor ,thời điểm này chính là thời điểm phát xung điều khiển,ta có thể thay đổi thời điểm phát xung điều khiển làm thay đổi góc mở α của Thyristor, tức là thay đổi công suất cung cấp cho sợi đốt lò.Việc điều khiển thời điểm phát xung cho van Thyristor đợc thực hiện bằng bộ phát xung răng ca XR,bộ so sánh SS và bộ phát xung mở Thyristor FX. Mạch tạo xung điều khiển bao gồm mạch tạo xung răng ca đồng pha với điện áp nguồn cung cấp cho sợi đốt thông qua Thyristor ,mạch so sánh thực hiện việc so sánh xung răng ca với tín hiệu điện áp điều khiển và phát xung điều khiển Thyristor.
7.3.2. Nguyên lí làm việc của hệ thống điều chỉnh công suất.
*Sơ đồ cấu tạo hệ thống điều chỉnh công suất .
Mạch gồm có :bộ tạo xung răng ca ,bộ so sánh tạo xung vuông với bộ biến đổi xung và phát xung điều khiển .
- Mạch cung cấp nguồn cho bộ điều khiển công suất.
- Mạch tạo xung răng ca.
Để tạo xung điều khiển Thyristor trong cả hai chu kì của điện áp lới thì phải có khâu đồng pha để khi phát xung điều khiển đạt đợc thời điểm mở Thyristor mong muốn .Đầu sơ cấp lấy từ nguồn điện cấp cho lò .Đầu thứ cấp có điện áp 6V xoay chiều .Sau khi chỉnh lu cầu ta đợc điện áp một chiều đồng pha với điện áp cấp cho lò .
Sơ đồ của mạch đợc mô tả nh sau:
Hình 38: Sơ đồ mạch chỉnh l-u nguồn (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Yêu cầu là phải tạo ra xung răng ca có biên độ là 10V,sờn trớc của xung phải dốc đứng ,còn sờn sau phải dốc bằng phẳng.
Điện áp nguồn cung cấp cho hệ thống đợc tính bởi công thức : Ec=Umax+Uđ1+Ucc
Trong đó Umax=10V là điện áp cực đại của xung. Uđ1=0.5V là điện áp rơi trên điod D1.
Ucc=0.7V là điện áp EC khi T1 mở bão hoà. Suy ra Ec=11.2V chọn Ec=12V.
Để đảm bảo sờn dốc phía trớc của xung thẳng đứng thì tốc độ nạp của tụ phải nhanh ,tức là dòng nạp phải lớn,nên chọn T1 có các thông số kĩ thuật nh sau:
Ucbo max=20V. Uceo max=20V. Uebo max=6V . Ic max =300mA. β=100.
Transistor T1 phải làm việc ở chế độ bão hoà khi không có điện áp từ cầu chỉnh lu đa sang ,suy ra:
Ib max=Ic max/β = 3 mA.
Dòng định thiên qua R2 bằng 3mA nên: R2=12/3 = 4 kΩ. R1=R2/3=1.3kΩ.
Để khoá T1 và tạo đồng pha xung răng ca với diện áp nguồn ta dùng điện áp của cầu chỉnh lu 6V đặt vào bazơ của đèn T1.
Diod D1 có các thông số kỹ thuật sau:
Dòng điện thuận cực đại cho phép: 300mA. Điện áp ngợc cực đại cho phép : 200V. Điện áp thuận < 5V.
Chọn C1=1mF,ta có hằng số thời gian phóng của tụ theo công thức: T=C1*R7.
Mạch phóng phải đảm bảo phóng hết điện tích đã đợc nạp trên tụ trong thời gian 1/2 chu kì điện áp xoay chiều (10ms).
Chọn R7 là biến trở để có thể hiệu chỉnh chính xác thời gian phóng và độ dốc của xung .
Transistor T2 ổn định dòng phóng của tụ C1 nhằm tạo ra sờn dốc xuống phía sau của xung ,T2 có thông số kĩ thuật sau :
Ucbo max=50V Uceo max=45V Uebo max=6V. Ic max =100mA. t=125.
Dòng bazơ của T2 đợc tính dựa trên điều kiện đảm bảo dòng phóng là 2.5mA nên : Ib=2.5/125=0.02 mA.
Dòng phân áp qua điện trở R5-R6 bằng 1mA ,nên ta có : R5+R6=12/1=12kΩ.
Điện áp dặt vào bazơ của T2 là 0.5V nh vậy : R6=0.5/1=500Ω ==>R5=11.5 kΩ. Chọn điện trở R3=10kΩ.
- Mạch so sánh và phát xung .
+Mạch so sánh .
Mạch so sánh có nhiệm vụ so sánh giữa giá trị điện áp răng ca và điện áp điều khiển.Tại thời điểm hai điện áp cân bằng thì tín hiệu mạch so sánh chuyển mức. Khuyếch đại thuật toán dùng àA 741 đợc sử dụng làm bộ so sánh , điện áp
xung răng ca đặt vào đầu âm (đầu vào đảo ), còn tín hiệu điều khiển Y đặt vào đầu dơng (đầu vào không đảo).
àA có các thông số kỹ thuật sau: Nguồn cung cấp =15V. Công suất tiêu tán=50mW.
Điện áp trôi ở đầu vào Uoff in=2mA. Hệ số nhiệt Uoff Mi/0C.
Dòng trôi ở đầu vào Ioffin=20nA. Trở kháng vào Rin =2MΩ.
Hệ số khuyếch đại điện áp không phản hồi Vyo=106. Dải thông không phản hồi ∆f=0.1 MHZ.
Vận tốc tăng điện áp ra Suout=0.5V/ms. Trở kháng ra Zout=75Ω.
Khuyếch đại thuật toán có hệ số khuyếch đại lớn nên khi có sai lệch nhỏ đầu ra vẫn ở trạng thái bão hoà . (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
∆U>0 :trạng thái bão hoà dơng . ∆U<0 :trạng thái bão hoà âm. Với : ∆U=Uđk-U1 .
Tín hiệu ra của àA741 là xung vuông ,thời điểm đảo dấu của tín hiệu ra là thời điểm cân bằng của điện áp xung răng ca so với tín hiệu điều khiển Uđk.
Nh vậy giá trị điện áp sẽ quyết định độ rộng xung vuông đợc tạo ra.Do đó nó sẽ quyết định thời điểm tạo xung nhọn khi đi qua khâu vi phân.
Chọn R8 , R14=10kΩ, R9=100 kΩ,dùng để hạn chế dòng ra của khuyếch đại thuật toán àA741. Chọn tụ C2 =0.5 àF.
Chọn độ rộng của xung nhọn là 3ms ,suy ra: R15=độ rộng xung /(3*C2) =2kΩ.
+Mạch vi phân.
Đầu vào mạch vi phân là điện áp U2 của mạch so sánh .Đó chính là tín hiệu xung vuông ,tín hiệu này qua tụ C2 sẽ tạo ra các xung nhọn tại thời điểm chuyển trạng thái .Khi trạng thái chuyển từ dơng xuống âm thì có một xung âm,ngợc lại khi trạng thái chuyển từ âm lên dơng thì sẽ có một xung dơng. Tụ C2 và điện trở R9 là mạch vi phân tạo ra các xung nhọn khi các xung vuông đầu vào đảo dấu .Kích thớc của các xung này đợc quyết định bởi điện dung tụ C2 và giá trị điện trở R9.
Transistor T3 là khuyếch đại xung để tạo ra dòng điện xung trong mạch sơ cấp của máy biến áp xung .
U1
U
2
Uđk
Hình 42: Tín hiệu ra của bộ điều khiển .
t
Diod D2 dùng để ngăn các xung âm tác động lên cực bazơ của Transistor T3.
Nh vậy bazơ của Transistor T3 chỉ chịu tác động của các xung nhọn dơng với tần số 50Hz,thời điểm có các xung nhọn này là thời điểm giao nhau của sờn sau xung răng ca với điện áp điều khiển .
Tải của mạch khuyếch đại xung là Thyristor ở mạch động lực ,loại KY202H,có các thông số kỹ thuật sau:
Dòng dò <10mA.
Dòng chỉnh lu trung bình 10A. Dòng điều khiển thuận Iđk=300mA. Dòng điều khiển ngợc Ing=5mA. Điện áp điều khiển Uđk<10 V. Điện áp thuận cho phép 400V. Điện áp ngợc cho phép 400V.
Công suất tiêu tán Pt ở 25 0C là 20 W. Nh vậy công suất để điều khiển Thyristor là :
Pđk=Uđk*Iđk=10*0.3=3W.
Vì sử dụng hai Thyristor mắc song song ngợc chiều nên công suất điều khiển tổng sẽ bằng Ptải=6W.
Mạch biến đổi vào của khuyếch đại xung phải đủ cung cấp cho tải ,vì vậy T3 có các thông số kỹ thuật sau:
Công suất lớn nhất cho phép là 10W. Tần số lớn nhất cho phép là 15MHZ. Nhiệt độ lớn nhất cho phép là 1550C. Điện áp Ucbo max =80V.
Điện áp Uceo max=3V. Dòng điện Ic max=3A. Hệ số β=20.
Dòng bazơ ở chế độ nặng tải nhất Ib max=300/20=15. Điện trở tải trên cuộn dây thứ cấp của biến áp xung BX:
Rt=Uđk/Iđk=10/0.3 = 33.3 Ω .
Hệ số khuyếch đại của biến áp xung BX là K=1 nên trở tải quy về sơ cấp là: R’t=30%*Rt=10 Ω.
Điện trở tải của Transistor T3 gồm có cuộn dây sơ cấp của biến áp xung BX và điện trở R13 .Nh vậy ta tính đợc R13 : R13 =Ec/Ic –R’t
Trong đó Ec=12V , Ic=0.3A. Suy ra R13=12/0.3-10=30 Ω. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Điện trở R10 dùng để hạn chế dòng vào bazơ của Transistor T3 ,đợc chọn căn cứ dòng vào của àA741 và có giá trị là 100Ω.
-Biến áp xung.
Biến áp xung gồm một cuộn dây sơ cấp 200 vòng ,hai cuộn thứ cấp ,mỗi cuộn 200 vòng.Hệ số biến áp bằng 1 .Biến áp xung nhằm cách li mạch động lực và mạch điều khiển .
Khi một xung dơng đặt vào Transistor T3 thì nó sẽ mở và phát ra một xung qua mạch sơ cấp của biến áp xung ,dẫn đến mở hai cuộn thứ cấp của biến áp xung .
* Hoạt động của bộ điều chỉnh công suất .
Bộ tạo xung răng ca đợc chế tạo dựa trên nguyên lí phóng/ nạp của tụ điện,bộ đồng pha sử dụng tại đây là một chỉnh lu cầu ,điện áp dơng đặt lên bazơ của Transistor T1.Điện trở R1,R2 dùng để tạo phân áp cố định cho Transistor T1. Transistor T1 làm việc ở chế độ đóng mở.
Tại thời điểm ban đầu của nửa chu kì điện áp xoay chiều ,giá trị điện áp xoay chiều nhỏ hơn phân áp trên điện trở R1,Transistor T1 mở bão hoà .Tụ C1sẽ nhanh chóng đ- ợc nạp đầy điện qua Transistor T1 và diod D1 sẽ đóng vai trò là van mở.
Khi giá trị điện áp xoay chiều lớn hơn phân áp trên điện trở R1 thì Transistor T1 bị khoá lại,tụ C1 bắt đầu phóng điện và diod D1 lúc này đóng vai trò là van khoá không cho dòng phóng qua điện trở R4.
Dòng điện phóng của tụ điện sẽ đi qua Transistor T2 và biến trở R7.Transistor T2 sẽ làm việc ở chế độ khuyếch đại và là bộ ổn định dòng phóng cho tụ C1 tạo ra sờn dốc bằng phẳng cho xung răng ca.
Chế độ làm việc của Transistor T2 đợc quy định bởi hai điện trở phân áp R5,R6, còn biến trở R7 có tác dụng hiệu chỉnh sao cho tụ C1 phóng hoàn toàn trong nửa chu kì âm của điện áp xoay chiều .Nh vậy trên tụ C1 sẽ có xung răng ca với tần số 100Hz ,tức gấp đôi tần số của điện áp xoay chiều cung cấp .
Khuyếch đại thuật toán àA741 dùng làm bộ so sánh và tạo ra xung vuông ,nó đợc sử dụng ở chế độ khuyếch đại không có phản hồi ,vì vậy kkhi điện áp xung răng ca lớn hơn điện áp Udk thì điện áp ra của àA741 sẽ bão hoà âm ,còn khi điện áp xung răng ca nhỏ hơn điện áp điều khiển Uđk thì điện áp ra của àA741 sẽ bão hoà d- ơng ,ở đầu ra của àA741 sẽ là xung vuông với tần số 50Hz.
Giản đồ xung theo thời gian có dạng nh sau:
Tụ C2 là tụ vi phân ,nó tạo ra các xung nhọn khi các xung vuông đảo dấu .Hình dạng của các xung nhọn này đợc quyết định bởi điện dung của tụ C2 và giá trị của điện trở R15 ,diod D2 sẽ dùng để chặn các xung âm tác động lên bazơ của Transistor T3 .Nh vậy bazơ của Transistor T3 chỉ chịu tác động của các xung nhọn
Hình 45 : Giản đồ xung theo thời gian . U Udk t t t t t U1 U2 U3 U4
dơng với tần số 50Hz .Thời điểm có các xung nhọn này là thời điểm giao nhau của sờn sau xung răng ca với điện áp điều khiển .
Nếu điện áp điều khiển tăng thì thời điểm giao nhau của nó với xung răng ca càng dịch tới đỉnh xung ,tức là góc lệch của nó so với điểm đầu của chu kỳ tần số xoay chiều càng nhỏ .
Trong trờng hợp điện áp điều khiển giảm thì thời điểm giao nhau của nó với xung răng ca càng dịch xa đỉnh xung, tức là góc lệch của nó so với điểm đầu của nửa chu kỳ tần số xoay chiều càng lớn .
Nh vậy khi điện áp điều khiển Uđk lớn thì góc lệch α sẽ nhỏ nên công suất cung cấp cho tải sẽ lớn và ngợc lại .
Khi có một xung dơng đặt vào bazơ của Transistor T3 thì nó sẽ mở và phát ra một xung qua cuộn sơ cấp của biến áp xung BX ,dẫn đến ở hai cuộn thứ cấp của biến áp xung xuất hiện hai xung dùng để mở các Thyristor .
Các điện trở R11,R12 hạn chế dòng điều khiển đặt vào các Thyristor .Diod D3 dùng để xoá các xung âm sinh ra trong mạch sơ cấp của các biến áp xung .
Các diod D5,D4 dùng để ngăn không cho các xung âm tác động lên cực điều khiển của các Thyristor .Nh vậy trong một nửa chu kì điện áp xoay chiều chỉ có một Thyristor thông ,tức là chỉ có Thyristor nào có điện áp thuận mới đợc phép mở .
7.4. Xác định đối tợng.
7.4.1. Đặc tính của đối tợng.
Để xác định đặc tính động học của đối tợng ta sử dụng phơng pháp thực nghiệm, chủ động tác động ở đầu vào tín hiệu hàm bậc thang A*1(t) thu đợc đờng đặc tính quá độ của đối tợng:
7.4.2. Xác định hàm truyền đạt của đối tợng. *Đối tợng vòng ngoài. *Đối tợng vòng ngoài. Dạng hàm: là một khâu bậc hai có trễ: (T p )e p p T K p W −τ + + = 1 ) 1 (