Cấu trúc tổng quát của mạch điều khiển
Ta thực hiện điều khiển theo nguyên tắc điều khiển dọc
Udk
Hình 3.1: Sơ đồ cấu trúc tổng quát mạch điều khiển
Với nguyên tắc này, khâu tạo ra điện áp tựa có dạng cố định ( dạng răng cưa hoặc dạng sin) theo chu kì do nhịp đồng bộ của . Khâu so sánh (SS) xác định điểm cân bằng của hai điện áp và để phát động khâu tạo xung TX. Với nguyên tắc này, thời điểm phát mở xung van hay góc điều khiển thay đổi do sự thay đổi trị số của .
3.1. Khâu đồng bộ
Hình 3.2: Khâu đồng bộ
Khâu đồng bộ (DB) đảm bảo quan hệ về góc pha cố định với điện áp của van lực, từ đó xác định góc điều khiển α. Ngoài ra, khâu đồng bộ còn chức năng hình
Ulực Uđb Urc Uss Udx Ugk
Utựa
ĐB KĐ
X SS TX
thành điện áp có dạng phù hợp làm xung nhịp cho hoạt động của khâu tạo điện áp tựa phía sau nó.
Mạch đồng bộ thường chia thành đồng bộ nửa chu kì và đồng bộ hai nửa chu kì Đồng bộ nửa chu kì kiểu đơn giản nhất là dạng hình sin mà thực chất chính là điện áp đồng pha lấy trực tiếp với góc pha phù hợp. Thường được sử dụng cho mạch tạo răng cưa dùng transistor, đặc điểm là độ chính xác không cao và bị ảnh hưởng khi điện lưới biến động. Để tạo nhịp không bị phụ thuộc vào điện áp lưới, cần xác định chính xác điểm qua 0 của lưới điện, đấy là dạng xung chữ nhật nhờ sử dụng khuếch đại thuật toán làm khâu phát hiện điểm chuyển đổi dấu của điện áp nguồn.
Đồng bộ hai nửa chu kì: tùy thuộc vào sơ đồ chỉnh lưu mà biến áp đồng pha phải thích hợp. Dạng này cũng sẽ bị ảnh hưởng bởi sự biến động của điện áp điện lưới.
Các cách tạo mạch đồng bộ : 1. Máy biến áp
2. Phần tử quang 3. IC số Opam
Chọn máy biến áp có: U1 = 220V, U2 = 15V
Ta dùng mạch kết hợp chỉnh lưu với khuếch đại thuật toán: mạch này khá thông dụng trong thực tế.
Chọn điện áp xoay chiều 220V từ mạch lực qua biến áp TI4 có số hệ số Kba = 30.
Điện trở R1 để hạn chế dòng điện đi vào khuyếch đại thuật toán A , thường chọn R1 sao cho dòng vào khuyếch đại thuật toán Iv < 1 mA.
Do đó : R1 ≥ Iv U1
= 3
7,33
1.10− = 7,33 (kΩ). Chọn R1 = 15 (kΩ).
3.2. Khâu tạo điện áp tựa
Hình 3.3: Khâu tạo điện áp tựa
Để tạo ra một hệ thống các xung xuất hiện lặp đi lặp lại với chu kỳ bằng chu kỳ nguồn xoay chiều cung cấp cho sơ đồ chỉnh lưu và điều khiển được thời điểm xuất hiện của chúng trong mỗi chu kỳ thì các nghiên cứu đã chỉ ra rằng: tốt nhất là sử dụng các mạch phát xung mà một trong các tín hiệu điều khiển nó là tín hiệu cũng biến đổi một cách chu kỳ với chu kỳ như của tín hiệu ra và dạng tốt nhất là hình răng cưa. Vì vậy mà chúng ta cần phải có mạch điện để tạo ra các điện áp răng cưa và được gọi là mạch phát sóng răng cưa (FSRC). Mặt khác, kỹ thuật điện - điện tử cũng chỉ ra rằng để có điện áp dạng răng cưa có tần số và thời điểm đầu của mỗi xung răng cưa phù hợp với tần số và góc pha của nguồn xoay chiều cung cấp cho sơ đồ chỉnh lưu thì tốt nhất là sử dụng các sơ đồ tạo điện áp răng cưa được điều khiển bởi điện áp biến thiên cùng tần số. Dạng của điện áp điều khiển mạch tạo điện áp răng cưa có thể bất kỳ. Để có các điện áp này người ta sử dụng một mạch điện được gọi là mạch đồng bộ hoá (gọi tắt là mạch đồng bộ) và điện áp ra của mạch đồng bộ gọi là điện áp đồng bộ, ký hiệu là uđb.
Nhược điểm chung của các sơ đồ tạo điện áp răng cưa dùng transistor là sự phụ thuộc rõ thời điểm mở và khóa các dòng vào điện áp đồng pha, do vậy điện áp răng cưa cũng ít nhiều bị biến động theo điện áp lưới điện xoay chiều. Điều này làm ảnh hưởng tới góc điều khiển α cũng như phạm vi điều chỉnh. Mặt khác đồ tuyến tính của răng cưa cũng không thật cao. Hiện nay mạch tạo răng cưa sử dụng OA ngày càng được ứng dụng nhiều hơn do khắc phục các nhược điểm trên và do giá thành của OA tương đối rẻ.Trong trường hợp này ta sử dụng mạch tạo răng cửa tuyến tính hai nửa chu kỳ.
Khi cần tạo điện áp răng cưa tuyến tính trong cả hai nửa chu kỳ của điện áp lưới xoay chiều ta cũng thực hiện theo nguyên tắc dùng bộ chỉnh lưu diode để biến điện áp xoay chiều thành điện áp chỉ có một cực tính. Cực tính này phải thích hợp cho giai đoạn tạo răng cưa, đồng thời cũng phải thêm vào mạch phần tử đảm bảo quá trình phục hồi trạng thái ban đầu cho tụ điện trong thời gian ngắn khi điện áp lưới gần các điểm qua không.
Chọn:
• R2 có tác dụng hạn chế dòng: R2 = 2.5 kΩ.
• Tụ C = 2 nF.
• Chọn diode ổn áp DZ1 là loại: BZX79A10 có UDZ = 10 V.
• Nguồn nuôi OA: 12 V
3.3. Khâu so sánh
Hình 3.4: Khâu so sánh
Để tạo ra một hệ thống các xung xuất hiện một cách chu kỳ với chu kỳ bằng chu kỳ điện áp răng cưa (cũng là chu kỳ nguồn xoay chiều cung cấp cho bộ chỉnh lưu) và điều khiển được thời điểm xuất hiện của mỗi xung ta sử dụng các mạch so sánh. Có thể thực hiện khâu so sánh theo nhiều mạch khác nhau nhưng phổ biến nhất hiện nay là các sơ đồ so sánh dùng transistor và dùng bộ khuếch đại thuật toán bằng vi điện tử.
Trong các sơ đồ mạch so sánh thì ta thường có hai tín hiệu vào là điện áp răng cưa lấy từ đầu ra khâu ĐBH - FSRC (urc ) và điện áp điều khiển một chiều (uđk ). Hai điện áp này được mắc sao cho tác dụng của chúng đối với đầu vào khâu so sánh là ngược chiều nhau. Khâu này có chức năng so sánh điện áp điều khiển với điện áp tựa ( dạng răng cưa ) để định thời điểm phát xung điều khiển, thông thường đó là thời điểm hai điện áp này bằng nhau. Nói cách khác, đây là khâu xác định góc điều khiển α.
Khâu so sánh có thể thực hiện bằng các phần tử như transistor hay khuếch đại thuật toán OA. Sử dụng nhiều nhất hiện nay là các OA vì cho phép đảm bảo độ chính xác cao.
Chọn khuếch đại thuật toán là phần tử so sánh lý tưởng vì:
• Tổng trở vào của OA rất lớn nên không gây ảnh hưởng đến các điện áp đưa vào so sánh, nó có thể tách biệt hoàn toàn chúng để không tác động sang nhau.
• Tầng vào của OA cũng là khuếch đại vi sai, mặt khác số tầng nhiều nên hệ số khuếch đại rất lớn, dẫn đến độ chính xác so sánh rất cao, độ trễ không quá vài micro giây.
• Sườn xung dốc đứng nếu so với tần số 50Hz
Sử dụng khâu so sánh dùng mạch khuếch đại thuật toán OA M106P
3.4. Khâu khuếch đại xung và biến áp xung
Hình 3.6: Khâu khuếch đại xung và biến áp xung
Phương pháp ghép bằng máy biến áp xung này thông dụng nhất hiện nay vì dễ dàng cách ly điều khiển và lực, tuy nhiên do tính chất vi phân của biến áp nên không cho phép truyền các xung rộng vài mili giây. Chính vì tính chất này mà người ta phải truyền xung rộng đưới dạng xung chùm để biến áp xung hoạt động được bình thường.
Để đơn giản mạch, đồng thời vẫn đảm bảo hệ số khuếch đại đông cần thiết, tăng khuếch đại hay đấu kiểu Dalinton.
Nhiệm vụ của Biến áp xung:
• Cách li mạch lực và 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 van cần mở đồng thời như trường hợp phải mắc nối tiếp hoặc song song nhiều van.
Ta có thể sơ bộ xem xét hệ số khuếch đại công suất = thông qua hệ số khuếch đại áp và dòng như sau:
Hệ số khuếch đại điện áp
Các tầng khuếch đại xung bao giờ cũng làm việc ở chế độ khoá, vì vậy điện áp ra tải của nó luôn có thể đạt trị số nguồn công suất Ecs cung cấp cho KĐX. Nguồn Ecs luôn được chọn có trị số trên 10 V (trong phạm vi từ 15 V đến 30 V), đồng thời biên độ điện áp xung vào do nguồn điều khiển quyết định cũng được chọn hơn 10 V. Như vậy có thể coi hệ số = 1.
Hệ số khuếch đại dòng điện
Như vậy nhiệm vụ của KĐX thực chất là khuếch đại dòng điện vì khá lớn.
Với cỡ dòng điện như trên cần phải dùng transistor làm chức năng khuếch đại, và vì transistor thông dụng cỡ dòng 1A có hệ số khuếch đại β dưới một trăm nên KĐX thường gồm ba tầng khuếch đại. Khi cần dòng mạnh hơn có thể phải dùng đến ba tầng khuếch đại, ngược lại với nhỏ hơn (các van mở nhạy hoặc van nhỏ) thậm chí có thể dùng KĐX chế tạo sản dưới dạng vỏ IC. Sơ đồ KĐX có nhiều dạng và phụ thuộc vào cách ghép giữa MĐK với van lực. Có ba phương pháp ghép chính: ghép trực tiếp, ghép qua biến áp xung (thông dụng nhất hiện nay) và ghép nhờ phần tử quang (opto).
Tất cả các điôt 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 điôt mở thông : Um = 1 V