Cấu trúc mạch điều khiển

Chương 3: TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN

3.2. Cấu trúc mạch điều khiển

 Nguyên tắc điều khiển dọc

Hình 3.14. Sơ đồ cấu trúc nguyên tắc điều khiển dọc

Tín hiệu điện áp cung cấp cho mạch động lực chỉnh lưu được đưa đến mạch đồng pha (như hình 3.1). Đầu ra của mạch đồng pha có các điện áp thường là dạng hình sin, cùng tần số và có thể lệch pha một góc xác định so với điện áp nguồn, gọi là điện áp đồng pha. Các điện áo đồng pha được đưa vào mạch phát triển điện răng cưa. Đầu ra của điện áp răng cưa được đưa vào đầu vào của khâu so sánh. Tại đó còn có một tín hiệu khác là điện áp phản hồi tương đương với nhiệt độ của lò. Tín hiệu đầu ra khối so sánh là các xung xuất hiện với chu kỳ bằng chu kỳ U . Xung răng cưa có hai sườnrc

trong đó có một sườn tại đó |Urc|=|Udk| thì đầu ra của khối xuất hiện một xung điện áp,

sườn đó là sườn sử dụng. Vậy có thể thay đổi thời điểm xuất hiện xung đầu ra khối so sánh bằng cách thay đổi U khi giữ nguyên dạng của U . Nhưng trong đa số cácđk rc

trường hợp tín hiệu ra từ khối so sáng chưa đủ yêu cầu cần thiết, người ta cần thực hiện việc khuếch đai, sửa xung... Các nhiệm vụ này được thực hiện gọi là mạch tạo xung. Đầu ra khối tạo xung ta sẽ được chuỗi xung điều khiển Thyristor có đủ yêu cầu về công suất, độ dốc, độ dài...Thời điểm bắt đầu xuất hiện các xung hoàn toàn trùng với thời điểm xuất hiện xung trên đầu ra khối so sánh. Khối so sánh xác định góc điều khiển α. Thay đổi U có thể điều chỉnh được vị trí xung điều khiển tức là điều chỉnhđk

được góc α.







 Chức năng của từng khâu

- Khâu đồng bộ (hay đồng pha): có nhiệm vụ tạo ra điện áp tựa đồng bộ với điện áp lưới, cho phép xác định được góc điều khiển α.

- Khâu tạo điện áp tựa: có nhiệm vụ tạo ra điện áp tựa (U ) dạng thích hợp saođp

cho trong mỗi nửa chu kỳ của điện áp ra theo quy luật giống nhau.

Có 2 dạng điện áp tựa:

+ Dạng răng cưa: (răng cưa sườn trước; răng cưa sườn sau)

+ Dạng hình sin: dạng hình sin cho điện áp chỉnh lưu tuyến với điện áp điều khiển nhưng có nhược điểm là phụ thuộc và lưới điện và bị nhiễm theo nguồn.

Trong thực tế người ta hay dùng điện áp tựa dạng hình răng cưa hơn.

- Khâu so sánh: thực hiện nhiệm vụ so sánh điện áp tựa với điện áp điều khiển để phát động tạo xung có độ rộng thích hợp để điều khiển tới van.

- Khâu tao xung: vì xung dương sau khối so sánh là một xung vuông có độ rộng kéo dài từ khi xuất hiện cho đến hết nửa chu kì đang xét của điện áp chỉnh lưu, xung này chưa thích hợp để mở thyristor. Do vậy khâu tạo xung này có nhiệm vụ:

+ Chế biến xung ra thành dạng thích hợp cho việc mở thyristor (dạng xung kim đơn hoặc xung chùm)

+ Khuếch đại đủ công suất mở thyristor + Chia xung cấp cho các thyristor

- Khâu khuếch đại xung có nhiệm vụ khuếch đại để đảm bảo về:

+ Độ lớn của xung + Công suất xung điều khiển

+ Cách ly mạch lực với mạch điều khiển

3.2.1. Khâu đồng pha

Hình 3.15. Sơ đồ mạch khâu đồng pha

Chọn điện áp xoay chiều 380V từ mạch lực qua biến áp có số hệ số K = 30.ba

Điện trở R để hạn chế dòng điện đi vào khuyếch đại thuật toán OA , thường chọn R1 1 1

sao cho dòng vào khuyếch đại thuật toán I < 1 mA. Sơ đồ khâu đồng pha được thểv

hiện trên hình 3.2.

  Chọn R = 15 (kΩ)1

Bảng 3.2. Bảng thông số các thiết bị khâu đồng pha

Số TT Tên thiết bị Số lượng Thông số

1 Điện trở R 1 15kΩ

3.2.2. Khâu tạo điện áp răng cưa

Hình 3.16. Sơ đồ khâu tạo điện áp răng cưa









 Nguyên lý làm việc

Điện áp V có dạng hình sin qua khuếch đại thuật toán OA tạo chuỗi xung chữ1

nhật đối xứng U . Phần áp dương của điện áp chữ nhật U qua diode D tới khuếchdb db 1

đại thuật toán OA tích phân thành điện áp tựa U . Điện áp âm của điện áp U làm mở2 rc db

thông zener diode kết quả là 2 bị ngắn mạch (với U = 0) trong vùng U âm.rc db

Điện áp răng cưa được hình thành do sự nạp của tụ C. Mặt khác để bảo đảm điện áp tựa có trong nửa chu kỳ điện áp lưới là tuyến tính thì hằng số thời gian tụ nạp được.

Thời gian tụ C phóng điện chính là thời gian tương ứng phạm vi điều chỉnh góc1

điều khiển α.

Chọn diode ổn áp Dz1 có U = 20V.Dz

Chọn tụ C = 4,7 nF.1

Chọn R = 3,3 kΩ.2

Bảng 3.3. Bảng thông số các thiết bị khâu tạo điện áp răng cưa

Số TT Tên thiết bị Số lượng Thông số

1 Tụ C 1 4,7nF

2 Ổn áp DZ 1 20V

3 Điện trở R 1 3,3kΩ

3.2.3. Khâu so sánh

Hình 3.17. Sơ đồ khâu so sánh

Trong sơ đồ điều khiển hình 3.4, ta dùng kiểu so sánh hai cửa (U = U+ tựa, U- = Uđk) do đó điện áp ra sẽ tuân theo quy luật:

Ura = U = Kss o(U+ - U ) = K- o(Utựa – U )đk

Do đó, khi U > U thì U = U = -U , khi U < U thì ngược lại U = U =đk tựa ra ss bh đk tựa ra ss

+Ubh.

Các điện áp đưa vào so sánh (U và U ) phải cùng dấu (cùng “-” hoặc cùng “+”)rc đk

thì mới có hiện tượng thay đổi trạng thái ở đầu ra (Uss).

Độ chênh lệch tối đa giữa hai cửa trong khi làm việc không được vượt quá giới hạn cho phép của OA.

Các điện trở ở hai cửa vào của OA có thể không cần dùng, nếu OA cho phép chênh lệch điện áp giữa các đầu vào của nó ΔUvOA lớn hơn chênh lệch điện áp lớn nhất của U với U . Trong trường hợp (U – U ) vượt quá mức cho phép của OA thì buộctựa đk tựa đk

phải có các điện trở này, kết hợp với hai diode đấu song song ngược để bảo vệ đầu vào cho OA. Thực tế hiện nay các OA thường có ΔUvmax = ±18V nên có thể bỏ các điện trở đầu vào, tuy nhiên để an toàn người ta vẫn mắc các điện trở này trong mạch thực.

3.2.4. Khâu tạo xung a. Tạo dao động dùng IC logic

Hình 3.18. Sơ đồ mạch tạo dao động dùng IC logic

Hình 3.5 là một sơ đồ dùng 3 logic “NOT” và mạch RC để tạo thành dao động xung với chu kỳ T 1,4RC.

Tạo tần số dao động khoảng 10kHz.

Tần số 10kHz tương đương chu kỳ là:

Chọn C = 100nF = 0,1àF

  Chọn R = 1kΩ

Bảng 3.4. Bảng thông số các thiết bị khâu tạo dao động

Số TT Tên thiết bị Số lượng Thông số

1 Điện trở R 1 1kΩ

2 Tụ điện C 1 0,1àF

b. Khâu tạo xung chùm

Hình 3.19. Sơ đồ khâu tạo xung chùm

Trong sơ đồ hình 3.6, do khâu so sánh nối tới cửa vào logic “AND” nên chỉ trong khoảng điện áp ra của U ở mức cao tương ứng logic “1” xung từ bộ dao động tần sốss

cao mới đi qua được mạch “AND” để tới khâu khuếch đại xung (KĐX). Bản thân mức

“1” này lại phụ thuộc góc α nên kết quả có độ rộng xung chùm bằng (180˚ - α).

3.2.5. Khâu khuếch đại và biến áp xung

Hình 3.20. Sơ đồ khuếch đại xung ghép biến áp xung dạng xung chùm Biến áp xung có tính vi phân nên phải có điện trở để kịp tiêu tán năng lượng tích lũy ở các cuộn dây trong giai đoạn khóa của các bóng bán dẫn, nếu không biên độ của các xung sẽ giảm đi đáng kể do điểm làm việc của lõi biến áp bị đẩy dần lên vùng bão hòa. Vì vậy trên hình 3.7 có điện trở R làm nhiệm vụ này, khi T nhỏ khóa dòng điện 2 1

qua biến áp xung sẽ chảy vòng qua D – R nên năng lượng sẽ tiêu tán trên điện trở 2 2

này. Giá trị R thường chọn từ khả năng dẫn dòng tối đa cho phép của T2 1.

Tuy nhiên do R mắc nối tiếp với cuộn sơ cấp với biến áp xung nên khi dẫn R sẽ 2 2

làm giảm áp đặt vào biến áp xung, để vẫn giữ điện áp ban đầu trên biến áp xung bằng nguồn E có thể đưa thêm tụ C vào, lúc đó trong giai đoạn T khóa tụ điện phải kịp cs 1

nạp đến trị số bằng nguồn.

Thyristor đã chọn là T10-12 có U = 3V và I = 75mA R = U / I = đk đk  đk đk đk

3/0,075 = 40Ω

Chọn biến áp xung có tỉ số k = 2, vậy tham số điện áp và dòng điện cuộn sơ cấp là:

U1 = U .k = 3.2 = 6Vđk

I1 = I /k = 0,075/2 = 0,0375Ađk

Tham số điện áp và dòng điện cuộn thứ cấp là:

U2 = U = 3Vđk

I2 = I = 75mAđk

Nguồn công suất phải có trị số lớn hơn U để bù sụt áp trên điện trở vì vậy, chọn 1

Ecs = 15V. Từ E và I chọn T loại BD135 có tham số U = 45V; Ics 1 1 ce cmax = 1,5A; β = 401

 R > E / I = 15/1,5 = 10Ω 2 cs cp  Chọn R = 12Ω2

Kiểm tra độ sụt áp trên điện trở này khi bóng dẫn dòng:

U1 = E – U = 15 – Ics R2 1.R2 = 15 – 0,0375.12 = 14,55V và lớn hơn 6V nên đạt yêu cầu. Tuy nhiên để tăng mạch xung kích cho van vẫn có thể dùng thêm tụ C tăng cường áp được tính như sau:

Tần số xung chựm 10kHz T = 100às xc

  Chọn C = 1àF

Chọn T loại BC107 có U = 45V; I2 ce cmax = 0,1A; β = 1102

 = 45,8kΩ Chọn R = 15kΩ; Chọn R = 15kΩ 1 3

Bảng 3.5. Bảng thông số các thiết bị khâu khếch đại bằng biến áp xung

Số TT Tên thiết bị Số lượng Thông số

1 Điện trở R 4

15kΩ (*2) 40Ω (*1) 12Ω (*1)

2 Tụ điện C 1 1àF

 Tính biến áp xung

Chọn máy biến áp có hệ số biến áp xung là k = 2ba

Do chế độ làm việc của biến áp xung là từ hóa một phần Chọn ΔB = 0,2T; ΔH

= 30 H/m.

Thể tích của lõi là:

V = = (m3) = 0,375 cm3

 Tra bảng cho trường hợp từ hóa một phần chọn lõi ferit loại 1408 có tiết diện lõi tương ứng S = 0,251 cmba 2

Số vòng dây cuộn sơ cấp là:

 Lấy w = 60 vòng w1  2 = 60/2 = 30 vòng.

3.2.6. Khâu tạo điện áp điều khiển

Theo yêu cầu của đồ án: Nhiệt độ lò từ 400˚C đến 500˚C Chọn cặp nhiệt điện để đo nhiệt độ với độ phân giải khoảng 100˚C thì tăng 0,64mV Khoảng từ 400˚C đến 500˚C sẽ tương ứng với khoảng 2,56mV đến 3,2mV

Do điện áp đo được rất nhỏ (Chỉ khoảng mV) nên sẽ phải khuếch đại điện áp, do đó khoảng U tương ứng là U = 2,56V ÷ 3,2V đk đk

Đồ án không yêu cầu hệ kín nên sẽ không có khâu phản hồi Với hệ hở thì U đặt

= Uđk

Vì răng cưa của khâu tạo điện áp tựa là tuyến tính nên góc α kéo dài từ 0˚ đến 180˚, do đó mối quan hệ giữa U và góc điều khiển α là:đk

Vậy với giới hạn điện áp điều khiển U = 2,56V ÷ 3,2V thì tương đương gócđk

điều khiển α là α = 80˚ ÷ 102˚.