Phân tích mạch điện điều khiển nhiệt độ lò điện trở điển hình

2.3. Trang bị điện - điện tử lò điện trở

2.3.2. Phân tích mạch điện điều khiển nhiệt độ lò điện trở điển hình

1. Sơ đồ điều khiển nhiệt độ lò điện trở bằng bộ điều áp xoay chiều dùng triac điều khiển tương tự (hình 2.14)

* Thông số kỹ thuật của lò

Đây là lò công suất nhỏ, nhiệt độ làm việc thấp dùng để nuôi, cấy vi trùng trong các viện nghiên cứu của Bộ Y tế được Vương quốc Anh viện trợ.

- Công suất định mức: Pđm = 500W.

- Nhiệt độ làm việc: t0 = 37  1.

* Nguyên lý điều chỉnh và ổn định nhiệt độ: Nguyên lý điều chỉnh nhiệt độ lò điện trở thực hiện bằng cách: điều chỉnh trị số điện áp nguồn cấp cho dây điện trở bằng cách thay đổi góc mở  của triac TC. Trị số góc mở  của triac được xác định bằng tốc độ nạp của tụ C2. Tốc độ nạp của tụ C2 phụ thuộc vào dòng colectơ của transito TR3 (Ic).

- Dòng Ic của transito TR3 được xác định theo biểu thức:

R I U

8

c BE (A)

Trong đó: UBE - điện áp đặt lên cực B và E của TR3. R R R

R

R U .R

U 7 8 VR2 VR3 10 7

8 CC 7

BE     



 (V)

R R RR R ).R R (

RN 1 RV 9

RN 1 RV 8 9

7    ();

Ucc - điện áp nguồn cấp bằng điện áp ổn áp của điốt Zener Đ2; RRN – là trị số của nhiệt điện trở RN (có  < 0).

- Điện áp trên tụ C2 bằng:

UC2  C1 ICdt  RU8BEC2.t (V)

Tụ C2 được nạp cho đến khi trị số điện áp trên tụ UC2  Ung. (Ung – là điện áp ngưỡng của transito TR2). Transito TR2 là transito một tiếp giáp (UJT) có điện áp ngưỡng.

Ung = UBE1 = 0,68 UCC

Khi điện áp trên tụ C2: UC2  Ung – transito TR2 thông, tụ C2 được phóng qua cuộn dây sơ cấp của biến áp xung W1, cuộn thứ cấp của biến áp W2 sẽ xuất hiện xung điều khiển đặt lên cực điều khiển của triac TC.

Như vậy, góc  của triac TC phụ thuộc vào điện áp UBE và được xác định

Hình 2.14. Sơ đồ khống chế nhiệt độ lò điện trở dùng trac

U .U .fR t 2

BE ng

 3







 (rad)

UBE phụ thuộc vào: RRN, RRV1 , RRV2 và RRV3. trong đó:

Chiết áp VR1, VR2 là chiết áp chỉnh định để chọn điểm làm việc hợp lý.

Chiết áp VR3 để đặt nhiệt độ.

* Nguyên lý ổn định nhiệt độ: Giả sử nhiệt độ trong lò vì một lý do nào đó giảm xuống bé hơn nhiệt độ đặt (t < tđặt), trị số điện trở của nhiệt điện trở tăng (RRN tăng) làm cho UBE của transito TR3 tăng lên (thế B âm hơn ) dẫn đến Ic tăng, tốc độ nạp của tụ C2 nhanh hơn cuối cùng góc mở  của TC giảm, điện áp cấp cho dây điện trở tăng và nhiệt độ của lò sẽ tăng đến giá trị nhiệt độ đặt.

2. Sơ đồ điều khiển nhiệt độ không tiếp điểm (bằng các tiristor mắc song song ngược, điều khiển số)

Sơ đồ được ứng dụng cho lò nhiệt độ trung bình, công suất lớn và dòng tới 800A. Các khối điều khiển và mạch lực được trình bày trên hình 2.15. Sơ đồ dùng hệ điều khiển số, khống chế dòng ba pha qua các cặp thiristor mắc song song ngược. Một bộ phát xung cao tần XCT (5kHz đến 1 MHz) cấp xung cao tần cho cả ba bộ điều khiển ĐKA, ĐKB và ĐKC. Mỗi bộ điều khiển pha sẽ cấp xung mở hai thiristor mắc song song ngược nhờ hai khối phát xung. Đặt tần số xung cao tần tương ứng với đặt góc mở  của thiristor cũng là tương ứng với điện áp đặt vào lò hay nhiệt độ lò.

Ổn định nhiệt độ lò nhờ cảm biến điện trở nhiệt đặt trong lò. Lò có hiển thị số nhiệt độ lò.

Vì ba khối điều khiển pha giống nhau và 6 khối phát xung giống nhau nên ta chỉ xét mạch nguyên lý khối ĐKA và khối 1FXA (hình 2.16).

Khối điều khiển A gồm:

- Nguồn cấp cho các IC, tranzitor...(biến áp hạ áp và cũng là biến áp khâu đồng pha 1BA, 1VD, 1R, 2C, 4VD).

- Nguồn tín hiệu động bộ (2VD, 3VD, 2R, 4R).

- Khâu dịch pha (1VT).

- Bộ đếm tạo thời điểm phát xung DD1.

- Bộ nhớ trạng thái (trigơ RS tạo bởi hai phần tử NOR: DD2.1 và DD2.3).

- Bộ phát xung 6 kHz làm nhiệm vụ băm xung (DD3.1, DD3.2, và DD3.3).

- Bộ đảo xung (DD3.4).

- Bộ sửa xung (4C, 6R).

- Bộ khuếch đại xung (2VT) và biến áp xung BAX.

Tại bazơ 1VT, trong mỗi nửa chu kì lưới, có một xung áp (hình sin) từ cuộn thứ cấp biến áp 1BA tới với tần số gấp đôi tần số lưới (100Hz). Khi thế bazơ của 1VT lớn hơn 0,5 V thì 1VT thông. Khi xung áp gần về 0, nhỏ hơn 0,5 V thì 1VT khoá. Trên côlectơ 1VT sẽ xuất hiện một xung hẹp chữ nhật tại thời điểm xung áp hình sin về 0. Biên độ xung chữ nhật xấp xỉ điện áp nguồn +a. Xung này đưa tới chân R của bộ đếm CT2 để bộ đếm bắt đầu đếm số xung cao tần XCT vào đầu C đến từ bộ phát xung cao tần DD4.1, DD4.2 và DD4.3. Mức đếm được đặt là 26 = 64 xung. Khi đếm đủ 64 xung XCT thì chân 32 đầu ra có mức logic 1. Các xung này qua bộ đảo DD3.4, qua mạch vi phân 4C - 6R sẽ được sửa xung (sườn trước thẳng đứng, sườn sau thoải) để tiến hành khuếch đại, qua biến áp xung tới điều khiển mở thiristor.

Thời điểm phát xung tương ứng với góc mở  của thiristor quyết định điện áp đặt vào lò. Thời điểm này phụ thuộc vào thời gian đếm 64XCT càng nhỏ,  nhỏ, điện áp đặt vào lò lớn, nhiệt độ lò lên cao.

Máy phát xung cao tần tảo bởi ba phần tử NAND là DD4.1, DD4.2 và DD4.3.

Tần số XCT đặt lên chiết áp 12R và tần số thay đổi từ 5kHz (con chạy ở bên phải) đến 1MHz (con chạy bên trái). Khi đó góc mở  sẽ thay đổi gần từ 00 đến 1800.

Các xung từ máy phát xung 6 kHz tới bazơ của 2VT chỉ được khuếch đại khi không có xung âm ở catốt 2VD. Do vậy các thiristor 1VSa , 2VSa chỉ làm việc trong nửa chu kì phân áp thuận trên nó.

Khối phản hồi âm nhiệt độ để giữ ổn định nhiệt độ làm việc của lò dùng nhiệt điện trở 1RS hoặc 2RS đặt tại hai nơi trong lò. Chọn 1 trong 2 điện trở nhiệt nhờ khoá chuyển mạch S. Cảm biến nhiệt là một vai cầu trong cầu đo gồm 14R - 15R - 16R ,17R và 18R. Nguồn cấp cho cầu điện trở là bộ dòng ổn định cấu tạo từ khuếch đại thuật toán DA1-2. Điển trở tinh chỉnh 21R dùng để thay đổi dòng ra trong một giới hạn nhỏ và đảm bảo thiết lập giới hạn trên của nhiệt độ cần đo. Giới hạn dưới của nhiệt độ cần đo thiết lập qua điện trở tinh chỉnh 14R trên cầu đo.

Điện áp ra từ đường chéo cầu đo tỉ lệ với sai lệch nhiệt độ được khuếch đại bởi bộ khuếch đại vi phân thực hiện trên DA1.1 sẽ truyền qua bộ biến đổi A/D tới chỉ thị số và qua bộ khuếch đại phản hồi KĐ. Tín hiệu phản hồi từ 0 đến 6 V tương ứng với góc mở  = 00  1800 khi con chạy ở phía trái. Tín hiệu này đặt vào tranzitor 3VT làm thay đổi điện trở RSD giữa cực nguồn và cực máng, cũng là làm thay đổi điện trở đặt tần số XCT khi con chạy của 12R đứng yên.

Hình 2.15. Sơ đồ khối mạch điều khiển lò điện trở dùng kỹ thuật số

N

1FXA ĐKA

2FXA 1FXB ĐKB

2FXB

1FXC ĐKC

2FXC XCT

CT

RD RD RD

KĐ Đặt t0

Lò

RdđA RdđB RdđC 1VSa

2VSa

2VSb

1VSb

1VSc

2VSc

A B C

Hình 2.16. Sơ đồ khống chế nhiệt độ lò điện trở 3 pha dùng các tiristor mắc song song ngược

1R 2C +

1BA

+

1C +

2VD 5R

4VD

3VD 2R 2

4R 3R

1VT R C

CT2

32

3 DD2.2

1 4

* 1 *

&

& & & &

DD3.1

DD2.1

DD3.2 DD3.3 DD3.4

3C 5

2VT 6R

4C 7R

BAX 6VD

5VD

7VD 8R

5C 1VS

2VS

RD

Rd®A

1FXA

- +

2FXA

1FXB

2FXB

1FXC

2FXC

1*

1*

9R 10R

11R 9VD

DD2.3

DD2.4

6C 8VD M

RD

K§

S D FET

3VT G +

- Uph

DD4.1 DD4.2 DD4.3 DD4.4

& & & &

1RS 2RS

to to S

12R 13R

14R 15R

16R 18R 8C 9C

17R

14R 20R 11C

17R

Tới chỉ thị số 24R

21R 22R

DA1.1 DA1.2

25R

15C 14C

16C 12VD 11VD

23R

~220v

2BA

-b 2TR 10VD

+

+

+ 26R

10C

Bảo vệ quá dòng nhờ rơle dòng RD. Tiếp điểm RD thường mở sẽ đóng khi quá dòng và trigơ RS trên DD2.3 và DD2.4 sẽ cho tín hiệu logic 1 ở đầu ra DD2.4 làm sáng LED 9VD báo lò bị quá tải, đồng thời đầu ra DD2.3 có mức logic 0 đưa tới khoá điện tử DD4.4 để khoá không cho xung cao tần tới máy đếm DD1. Sau khi sử lí sự cố, ấn nút phục hồi M để xung dương qua khâu vi phân 6C - 10R và điốt 8VD tới đầu ra DD2.3 của khâu nhớ cũng như tới mở khoá điện tử. Sơ đồ hình 2.16 là sơ đồ khống chế đóng - cắt nguồn với chu kì đóng cắt là 0,01s. Thời gian cắt tương ứng với thời gian góc .

t

t

t

t

t

t t 0,5V

u 1

2

3

4

5

1VSa

2VSa

UdđA

UdđA

f=6kHz 64XCT

Hình 2.17. Giản đồ xung