Tìm hiểu về thiết kế mạch điều khiển

CHƯƠNG IV: THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN 4.1. Yêu cầu chung đối với mạch điều khiển Mạch điều khiển là phần rất quan trọng trong mạch điều áp, nó quyết định chất lượng bộ biến đổi. Mạch cần thực hiện các nhiệm vụ chính sau: Đảm bảo phát xung điều khiển đến các van mạch lực theo đúng pha và với góc điều khiển α cần thiết Đảm bảo phạm vi điều chỉnh góc điều khiển αmin ÷ αmax tương ứng với phạm vi thay đổi điện áp ra tải của mạch lực. Có độ đối xứng tốt, không vượt quá 1o ÷ 3o điện Đảm bảo hoạt động tin cậy, ổn định khi có sự thay đổi của điện áp xoay chiều. Có khả năng chống nhiễu công nghiệp tốt, độ tác động của mạch điều khiển nhanh, dưới 1ms. Đảm bảo xung điều khiển phát tới các van lực phù hợp để mở chắc chắn van. Có khả năng bảo vệ quá áp, quá dòng mất pha… và báo hiệu khi có sự cố. Đảm bảo cách ly giữa mạch điều khiển và mạch lực. 4.2. Phương pháp điều khiển Có hai phương pháp điều khiển sau: Điều khiển ngang: Ta có sơ đồ cấu trúc và đồ thị minh họa ở hình 4.1 Đồng pha Uđf Dịch pha Udf Tạo xung UTX Dạng xung UDX Biến áp Xung BAX Điện áp Điều khiển Uđk Hình 4.1. Nguyên tắc điều khiển ngang Nguyên tắc điều khiển: Khâu đồng bộ ĐB thường tạo ra điện áp hình sin có góc lệch pha cố định so với điện áp lực. Khâu dịch pha DF có nhiệm vụ thay đổi góc pha của điện áp ra dưới tác động của điện áp điều khiển Udk. Xung điều khiển được tạo thành ở khâu tạo xung TX vào thời điểm khi điện áp dịch pha Udf qua điểm 0. Xung này nhờ khâu khuếch đại xung KĐX được tăng đủ công suất được gửi tới cực điều khiển của van. Như vậy góc điều khiển α hay thời điểm phát xung mở van thay đổi nhờ sự tác động của Udk làm điện áp Udf di chuyển theo chiều ngang của trục thời gian. Điều khiển dọc: Sơ đồ cấu trúc: Hình 4.2. Nguyên tắc điều khiển dọc Nguyên tắc điều khiển dọc: Ở đây khâu Utựa tạo điện áp tựa có dạng cố định (thường có dạng răng cưa, đôi khi có dạng hình sin) theo chu kỳ do nhịp đồng bộ của Udb. Khâu so sánh SS xác định điểm cân bằng của hai điện áp Utựa và Udk để phát động khâu tạo xung TX. Như vậy trong nguyên tắc này thời điểm phát xung mở van hay góc điều khiển thay đổi do sự thay đổi trị số của Udk, trên đồ thị đó là sự di chuyển theo chiều dọc của trục biên độ. 4.3. Thiết kế sơ đồ khối mạch điều khiển. Dựa vào đề bài và các nguyên tắc điều khiển ta lựa chọn nguyên tắc điều khiển dọc. Sơ đồ khối mạch điều khiển như hình dưới. Đồng pha Uđf Dạng xung UDX Điện áp tựa URC So Sánh Khuếch đại và cách ly Mạch van Đo dòng Bảo vệ Kết thúc Khởi động Tạo Uđk Đóng CTT Hình 4.3. Sơ đồ khối mạch điều khiển Khâu đồng pha (DF): Tạo điện áp trùng pha với điện áp thứ cấp của biến áp mạch lực và cách ly giữa điện áp cao phía mạch lực và mạch điều khiển điện áp thấp. Tạo điện áp tựa ( điện áp răng cưa Urc) Tạo điện áp răng cưa có chu kì làm việc theo chu kỳ của điện áp đồng pha. Khâu so sánh (SS) So sánh điện áp tựa với điện áp điều khiển, tìm thời điểm hai điện áp này bằng nhau để phát xung điều khiển tức là xác định góc mở α Khâu dạng xung (DX) Tạo ra xung phù hợp để mở chắc chắn van chỉnh lưu, hiện nay người ta thường sử dụng xung chùm. Khâu khuếch đại xung (KĐX) Thường dùng biến áp xung nhằm khuếch đại tín hiệu xung và cách ly giữa mạch lực và mạch điều khiển. Khâu bảo vệ quá dòng Khi dòng điện động cơ lớn hơn dòng cho phép (hoặc lớn hơn 1 giá trị cho trước), ngắt xung điều khiển để bảo vệ. Khâu kết thúc quá trình khởi động Khi Uđk = Uđkmax và Iđc < I* thì kết thúc quá trình khởi động, đóng CTT nối trực tiếp động cơ vào lưới điện 4.4. Tính toán thiết kế mạch điều khiển 4.4.1. Khâu tạo điện áp điều khiển. Khâu tạo luật khởi động có thể xây dựng trên cơ sở mạch PI đơn giản , có quan hệ vào / ra như sau : U= -( ++U(0)), Nếu điện áp vào không đổi U=const và lấy giá trị âm thì ta có U= ++U(0)= ++ U(0) ( 3.1) Hình 4.4. Khâu tạo điện áp điều khiển + Mạch có hai tiếp điểm Rcủa rơle điều khiển khởi động , khi chưa chạy các tiếp điểm này mở: làm cho Transistor T thông nối ngắn mạch tụ C để đảm bảo điều kiện đầu của mạch U(0)=0 . Mặt khác điện áp U=0 , do đó điện áp ra cũng bằng không U=0 . + Khi ấn nút khởi động máy , rơle đóng tiếp điểm R lại: một mặt đưa điện áp nguồn âm –E qua Rvào Bazơ của transistor T để khóa bóng này lại, cho phép tụ C bắt đầu nạp điện; mặt khác đưa nguồn –E vào cụm phân áp R,R để tạo điện áp vào của OA với U= const , và mạch bắt đầu khởi động. + Điôt ổn áp Dz nhằm hạn chế điện áp điều khiển tối đa sao cho phù hợp với điện áp răng cưa đã thiết kế. Chức năng chỉnh định của các biến trở : - R điều chỉnh U, điện áp khởi động ban đầu. - R để điều chỉnh tốc độ tăng áp chính là đặt thời gian khởi động. - Rđể đặt điện áp U, thường điện áp đặt giá trị thấp xấp xỉ 1v. Tính toán và chọn thiết bị : Vì U= 10v, suy ra phạm vi điều chỉnh mức ban đầu là U = (26)v Chọn điện áp U=1v. Với t= 20s Điện áp tích phân tăng ít nhất khi khởi động với mức U= 6v, vì vậy ta có = U- U = =5(s) Ta chọn tụ C = 100, suy ra : = 50.10( ); ta chọn biến trở chuẩn 100 Theo thành phần , ta sẽ có: Vậy phạm vi điều khiển điện trở là: Chọn gồm 1 điện trở 75 nối tiếp với một biến trở 500. Nhóm điện trở phân áp R,R cần có tổng trở nhỏ hơn nhiều lần R, chọn . Vậy ta chọn và là biến trở 1. Transistor T loại C828, điện trở và . 4.4.2. Khâu tạo điện áp đồng bộ. Khâu tạo điện áp đồng bộ cho bộ điều áp xoay chiều ba pha để điều chỉnh sáu thyristor thường cần một hệ điện áp sáu pha làm điện áp đồng bộ. Góc a được tính từ gốc O. Hệ điện áp pha này bao gồm sáu điện áp đồng bộ hình sin lệch nhau một góc . Yêu cầu này sẽ được thoả mãn dễ dàng nếu dùng một máy biến áp ba pha sơ cấp có ba cuộn dây đấu sao lấy điện áp từ lưới.Biến áp này có thể được bố trí bằng cách sau: Hình 4.5. Biến áp đồng pha Điểm trung tính kí hiệu là O nối với điểm O của mạch đIều khiển us1,us3,us5 dùng làm điện áp đồng bộ của pha a,b,c tương ứng: us1=Usm.sin(+); us3= Usm.sin(-); us5=Usm.sin(-); us2= Usm.sin; us4=Usm.sin(-); us6=Usm.sin(-); 4.4.3. Khâu tạo điện áp răng cưa. a) Nhiệm vụ và nguyên lý hoạt động. *Nhiệm vụ: Tạo điện áp tưạ U(thường gặp là điện áp răng cưa tuyến tính) chung pha với điện áp anốt của thyristor. *Nguyên lý hoạt động: Khi điện áp đồng bộ ở nửa chu kỳ dương sẽ làm Tr1 mở, dòng qua Tr1 phải chảy từ nguồn E đi qua R2 và R3, gây nên sụt áp trên R2 tạo điện áp thuận mở Tr2 cho nên Tr2 dẫn. Dòng qua Tr2 sẽ nạp cho tụ C với hằng số thời gian nạp là R2C (nạp phi tuyến),tụ C được nạp cho đến trị số của ổn áp Doa thì dừng lại. Đến đây hết giai đoạn cho việc chuẩn bị tạo răng cưa. Nửa chu kỳ sau, khi điện áp đồng bộ chuyển sang âm sẽ làm cho Tr1 khoá nên dòng qua Tr1 và R1, R2 bằng 0. Sụt áp trên R2 bằng 0. Vậy Tr2 khoá theo. Từ lúc này tụ C bắt đầu phóng điện qua Tr3. Bóng Tr3 đấu theo kiểu mạch êmite lặp. Điện thế trên êmite sẽ lặp lại điện thế bazơ nhưng thấp hơn 0,7V do có sụt áp trên quá độ êmite-bazơ. Vì bazơ Tr3 nối với điểm 0V của mạch điều khiển nên điện thế êmite cố định và bằng -0,7V. Vậy dòng qua R5 cũng là dòng qua Tr3 và cũng là dòng phóng của tụ C bằng: Ic= IE= Giá trị dòng này không đổi vì E và R5 cố định. Biểu thức tính điện áp trên tụ: Uc(t)= Uc(0) + . =Uoa - . Vậy điện áp trên C giảm tuyến tính. b) Chọn diốt ổn áp. E = ± 12v; Ucmax = 10v Ta chọn ổn áp loại BZX79 có: Uon ap= 10v; Ion ap= (1÷10) mA Hình 4.6. Mạch tạo răng cưa tuyến tính đi xuống. c) Tính R5. Chọn C = 0,33 µF; f = 50 Hz → T= = 0,02 (s) Ta có: R5 =∙= ∙=34,24.10 (Ω) R5 =34,24 kΩ Chọn điện trở 27 kΩ và một biến trở 20 kΩ mắc nối tiếp ở vị trí R5. d) Tính R4. Dòng điện qua R4 là: I= Ion ap +Ic + I Vì Ion ap là dòng rất nhỏ nên có thể bỏ qua được Ic =I - I Để tụ nạp được bằng giá trị ổn áp thì I>>> I nên ta có: Ucmax =E.(1- e) R4 = Trong thời gian nạp t Thì tụ điện phải đạt được trị số: Ucmax =Uon ap R4 = Chọn tn=1 ms. R4 = =1,69.10(Ω) Chọn R4 =1 kΩ Kiểm tra dòng làm việc của ổn áp: Ion ap =I - I Khi điốt ổn áp thông thì : U=E – Uon ap =12-10 = 2 (v) I== =2.10 (A) =2 mA Ta lại có: I= = = 0,34. 10 (A) =0,34 mA Ion ap = 2- 0,34 =1,66 (mA) vẫn nằm trong phạm vi làm việc của điốt ổn áp. e) Các phần tử khác: Dòng qua T2 lớn nhất: Icmax = = = 12. 10 (A) =12mA Chọn T2 loại AC 125 (p-n-p) có: Icmax =40 mA; Ucmax =45 V; β = 120V Lại có : R3 ≤ == 60.10 (Ω) Chọn R3 =47 (kΩ) Chọn R2 = 0,3. R3 =0,3.47 =14,1 (kΩ) Vậy ta chọn R2 = 12 (kΩ) Dòng qua T1 : IC1 == = 0,26.10 (A) =0,26 mA Chọn T1 va T3 loại BC108 có : Icmax =0,1 A; Ucmax =20 V 4.4.4. Khâu so sánh. Có nhiệm vụ nhận tín hiệu điện áp răng cưa và điện áp điều khiển, so sánh điện áp tựa với điện áp điều khiển Uđk,tìm thời điểm 2 điện áp bằng nhau thì phát xung ở đầu ra để gửi sang tầng khuyếch đại. Hình 4.7. Mạch dùng khuyếch đại thuật toán kiểu 2 cửa - Điện áp điều khiển được đưa vào cửa (-) - Điện áp tựa được đưa vào cửa (+) Uđk =U+; Utựa =U-; Ura = k.( U- U) = k.( Uđk - Utựa ) Khi Uđk > Utựa thì Ura= +U Uđk < Utựa thì U = -U 4.4.5. Khâu tạo xung chùm. Hình 4.8. khâu tạo xung chùm a) Nguyên lý hoạt động IC4 được sử dụng như bộ so sánh hai cửa . Tụ C3 liên tục được phóng – nạp làm cho IC4 đảo trạng thái mỗi lần điện áp trên tụ đạt trị số của bộ chia điện ápR8 và R9. b) Tính chọn linh kiện: Nguồn nuôi E = 12(V), dòng điện được hạn chế để Ilv<1(mA) Chọn IC4 loại TL084 mỗi IC có 4 khuyếch đại thuật toán. Chọn mạch có tần số xung fx =20kHz, thì chu kỳ là T = 0.5.10-4s. Chọn R8 = R9 = 10k, T =2,2.R10.C3, do đó R10.C3 = , chọn C3 = 0,01(), thì R10 = 2270(), Chọn R10 = 2,5k() 4.4.6. Khâu trộn xung (AND). Hình 4.9. Khâu trộn xung Nguyên lý hoạt động Trộn xung chùm Uxc với xung tín hiệu điều khiển Uss để đưa ra xung điều khiển dạng xung chùm gửi tới khâu khuếch đại xung. Tính chọn linh kiện. Cổng AND nên ta chọn IC4081 họ CMOS, mỗi IC có 4 cổng AND Diot loại 1N1183 Nguồn nôi IC: Ucc = 12(V), Dòng điện nhỏ hơn 1(mA) Nhiệt độ làm việc: Điện áp ứng với mức logic:”1” : Công suất tiêu thụ: P = 2,5mW/1 cổng Chọn điện trở R14 = 10(k) 4.4.7. Khâu khuyếch đại và cách ly. a) Tác dụng Khâu khuếch đại xung là khâu cuối cùng quan trọng trong hệ thống điều khiển. Khâu KĐX có nhiệm vụ là khuếch đại tín hiệu điều khiển đưa đến để điều khiển van bán dẫn công suất để đảm bảo các tham số cơ bản như biên độ, độ rộng và công suất. Một trong những nhiệm vụ cơ bản của KĐX là cách ly giữa mạch động lực và hệ thống điều khiển. b) Sơ đồ. Hình 4.9. khâu khuếch đại xung Tính chọn linh kiện. + Biến áp xung thường có tỷ số: m = 23, chọn m =3 + Điện áp thứ cấp của biến áp xung: Utc = Uđk = 2(V) + Điện áp sơ cấp của biến áp xung: Usc = 3. Utc = 3.2= 6(V) + Dòng thứ cấp của biến áp xung: Itc = Iđk = 250mA = 0,25(A) + Dòng sơ cấp của biến áp xung: Isc = 250/3 = 83mA = 0,083(A) Từ các thông số tra bảng chọn mạch từ OA-22/30-5 Nguồn công suất phải có trị số lớn hơn Uđk1 để bù sụt áp trên điện trở vì vậy chọn Ucc= 12V.Từ hai giá trị Ucc, và I1 chọn bong T1 , BD135 có tham số: UCEO = 45(V), Icmax= 1,5(A). R16Ucc/Icmax=8Chọn R16 = 10 sụt áp trên điện trở này là khá lớn và dòng điện qua nó liên tục. Chọn T2 loại BC107 có thông số: Uce = 45V, Icmax = 0,1A;= 110. Chọn điện trở R5Uvmax/Ivmax=10/1.10-3=10 (k) . Chọn R11=15(k ), chọn R17=1 k Diode trong khâu gồm D5,D6,D7,D8 đều trọn loại 1N4009 có: - Dòng định mức: Iđm=10(A) - Điện áp ngược lớn nhất Ung=25(V) - Điện áp mở thông Um=1 (V) 4.4.7. Khâu bảo vệ quá dòng Hình 4.10. Mạch bảo vệ quá dòng 4.4.8. Khâu kết thúc quá trình khởi động Hình 4.11. Mạch kết quá trình khởi động 4.4.9. Mạch điều khiển Sơ đồ mạch điều khiển và đồ thị xung điều khiển: Hình 4.12. Sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển một kênh Hình 4.13. Đồ thị dạng xung Nguyên lý hoạt động Điện áp đồng pha sau khi đi qua biến áp đồng pha có dạng hình sin U đưa vào khâu tạo điện áp răng cưa. Khi điện áp đồng bộ ở nửa chu kỳ dương sẽ làm Tr1 mở, dòng qua Tr1 phải chảy từ nguồn E đi qua R2 và R3, gây nên sụt áp trên R2 tạo điện áp thuận mở Tr2 cho nên Tr2 dẫn. Dòng qua Tr2 sẽ nạp cho tụ C1 với hằng số thời gian nạp là R2C1 (nạp phi tuyến), tụ C1 được nạp cho đến trị số của ổn áp Doa1 thì dừng lại. Đến đây hết giai đoạn cho việc chuẩn bị tạo răng cưa. Nửa chu kỳ sau, khi điện áp đồng bộ chuyển sang âm sẽ làm cho Tr1 khoá nên dòng qua Tr1 và R1, R2 bằng 0. Sụt áp trên R2 bằng 0. Vậy Tr2 khoá theo. Từ lúc này tụ C1 bắt đầu phóng điện qua Tr3. Bóng Tr3 đấu theo kiểu mạch êmite lặp. Điện thế trên êmite sẽ lặp lại điện thế bazơ nhưng thấp hơn 0,7V do có sụt áp trên quá độ êmite-bazơ. Vì bazơ Tr3 nối với điểm 0V của mạch điều khiển nên điện thế êmite cố định và bằng -0,7V. Xung răng cưa này lại được đưa vào so sánh với một tín hiệu điện áp điều khiển thông qua IC3. Khi Urc>Udk thì đầu ra ta được Ura là Ubh. Khi Urc<Udk thì đầu ra ta được Ura là -Ubh và ta được xung Uss. Sau khi qua Diot D3 cắt mất phần âm, vì vậy chỉ còn phần dương. Sau khi trộn xung trùm với xung điều khiển qua khâu AND ta được Udk, Udk được đưa qua khâu khuyếch đại xung tạo ra tín hiệu điều khiển đưa đến điều khiển Thyristor Th1