Điều chỉnh và khống chế nhiệt độ lò điện trở, chương 6 pps

Nguyên tắc chung của mạch điều khiển 1.. IH : dòng điện duy trì Chức năng của mạch điều khiển : + Điều chỉnh đ-ợc vị trí xung trong phạm vi nửa chu kỳ d-ơng của điện áp đặt lên A-K của

Ch-ơng 6

Thiết kế và tính toán mạch

điều khiển

I Nguyên tắc chung của mạch điều khiển

1 Thyristor chỉ mở cho dòng chảy qua khi thoả mãn hai điều kiện :

UAK > 0

IG > 0

Khi thyristor chuyển sang trạng thái dẫn thì cực điều khiển không còn tác dụng Thyristor chỉ trở về trạng thái khoá nếu dòng điện IA

< IH

( IH : dòng điện duy trì )

Chức năng của mạch điều khiển :

+ Điều chỉnh đ-ợc vị trí xung trong phạm vi nửa chu kỳ d-ơng của điện áp đặt lên A-K của thyristor

+ Tạo ra đ-ợc các xung đủ diều kiện mở thyristor, độ rộng xung

tx đ-ợc tính theo biểu thức :

dt di

I

x

/



di/dt : tốc độ biến thiên dòng tải

2 Cấu trúc mạch điều khiển thyristor

UAK : điện áp điều khiển ( điện áp một chiều )

Ut : điện áp tựa ( đồng bộ với điện áp A-K của thyristor ).

Hiệu điện áp | Uđk – Ut | đ-a vào khâu so sánh

(1): làm việc nh- một trigơ Đầu ra nhận đ-ợc một chuỗi xung chữ nhật

(2): khâu tạo xung

(3): khâu khuếch đại xung

(4): khâu biến áp xung

Thay đổi Uđk có thể điều chỉnh đ-ợc vị trí xung điều khiển tức là

điều chỉnh đ-ợc

góc 

3 Nguyên tắc điều khiển

Có hai nguyên tắc :

a Nguyên tắc điều khiển thẳng đứng tuyến tính :

Uđk + Ut đ-a đến đầu vào của một khâu so sánh bằng cánh làm biến đổi Uđk ta có thể điều chỉnh đ-ợc thời điểm xuất giện xung tức là điều chỉnh đ-ợc góc 

Khi Uđk = 0 ta có  = 0

Khi Uđk < 0 ta có  > 0

Quan hệ giữa  và Uđk nh- sau :

max

t

dk

U

U



 

Ta lấy Uđkmax = Utmax

b Nguyên tắc điều khiển thẳng đứng “arccos”

Nguyên tắc này dùng hai điện áp :

điện áp động bộ Ut v-ợt tr-ớc điện áp A-K của thyristor một góc bằng /2

( Nếu UAK = Asint thì Ut = Bcost )

UAK có thể điều khiển đ-ợc theo hai h-ớng d-ơng và âm Ut +

Uđk đ-ợc đ-a đến đầu vào khâu so sánh Khi Ut + Uđk = 0 ta nhận

đ-ợc một xung ở đầu ra của khâu so sánh

Uđk + Bcos = 0

  = arccos( -Uđk/B )

Th-ờng lấy B = Uđkmax

Khi Uđk = 0 thì  = /2

Nguyên tắc này đ-ợc sử dụng trong các thiết bị chỉnh l-u chất l-ợng cao

Nhận xét : Yêu cầu của điều áp xoay chiều ba pha có thể dùng nguyên tắc điều khiển thẳng đứng tuyến tính vì nó đơn giản và đáp ứng đ-ợc yêu cầu mạch lực

Tín hiệu phản hồi là sensơ nhiệt độ biến tính hiệu nhiệt thành tín hiệu điện, bao gồm sơ đồ cầu R9, R10, R11, R*, En Tín hiệu điện này

đ-ợc đ-a qua bộ khuếch đại ( R12, R13, R14, IC A5 ), sau đó đ-ợc

đ-a vào bộ PI gồm Uđặt, R15, C3, R17, đầu ra là Uchuẩn ( U1, U2,

U3, U4, U5, U6_)

II Tính toán mạch điều khiển

A Nguyên lý hoạt động của sơ đồ

Cấp nguồn 220V cho cuộn sơ cấp máy biến áp đồng pha Điện

áp phần thứ cấp là điện áp đồng pha Ta chỉ lấy điện áp U21, U22

để dẫn giải :

U21 đ-ợc so sánh mức điện áp 0V, qua D1 chỉ lấy xung vuông U1

U22 đ-ợc so sánh ở mức điện áp 0V, qua D1 chỉ lấy xung vuông

U2

U1 và U2 đ-ợc đ-a qua bộ tạo điện áp răng c-a ( gồm R3, R4,R5,

R6, D1, D2, D3, A3, T1,T2 ), đầu ra sẽ nhận đ-ợc điện áp răng c-a U3

Uđk đ-ợc so sánh với U3 qua A4, cho xung chữ nhật vuông Xung chữ nhật vuông này qua D4 chỉ lấy xung chữ nhật d-ơng U4 Uđk có thể thay đổi, khi nhiệt độ tăng

| Uđk | giảm, góc phát xung lớn lên làm điện áp đầu ra của thyristor giảm và ng-ợc lại, khi nhiệt độ giảm | Uđk | góc phát xung giảm đi làm điện áp đầu ra của thyristor tăng

( Khâu phản hồi điện áp là phản hồi âm để ổn định ở một điện áp nhất định, t-ơng ứng với một nhiệt độ nhất định )

Xung U4 và xung chùm Ux đ-ợc đ-a qua con AND Đầu ra AND

là xung chùm Xung chùm này đ-ợc qua T3, T4 mắc đalinhtơn để khuyếch đại công suất ( khuyếch đại dòng ) Đ-a xung qua biến áp xung BAX, cho độ rộng xung và biên độ xung nh- mong muốn

Bộ phát xung chùm là đa hài tự dao động gồm R11, R12, R13, C2 và

IC A4, qua D6 lấy xung chùm d-ơng

Trong mạch điều khiển ta chọn toàn bộ IC là TL084 có các thông

số :

Vcc =  15V

P tiêu thụ = 680 MW

Rin = 106 M

U1 = Urabh = 13 (V)

U2 = Urabh = 13 (V)

Điốt trong mạch điều khiển là loại 1N4009 có các thông số :

Ilvmax = 10 A

Ung-ợc = 25 V

Umở = 1 V

Điốt Zenner là loại BZD23-C9V1 có các thông số :

UDZ = 9 V

1 Khâu đồng pha

U21 = 10 2sint (V)

U22 = -10 2sint (V)

Cho qua bộ so sánh so với điện áp 0V Tín hiệu ra nh- hình vẽ ( bộ

so sánh đảo )

Chú ý :

Ilv < 1 mA do đó : U21/R1 < 1 mA

 R1 > 10/1 = 10 K

Ta chọn R1 = R2 = R1’ = R2’ = 15 K

2 Khâu tạo điện áp răng c-a ( Utựa ).

- Nguyên lý hoạt động :

+ Trong nửa chu kỳ đầu : U1 < 0 , U2 > 0

U1 < 0 nên T1 khoá Khi đó tụ C1 đ-ợc nạp điện áp UC1 U2 > 0 qua điốt D1 và ổn định điện áp UD3

UC1 và UD3 đ-ợc đ-a qua bộ trừ có điện áp ra là U3

+ Trong nửa chu kỳ sau : U1 > 0 , U2 < 0

U1 > 0 nên T1 dẫn UC1 phóng điện qua T1 Điện áp trên tụ C1 nhanh chóng trở về 0 U2 < 0 nên UD3 = 0 V Do vậy U3 = 0 V

Ta có đồ thị của khâu tạo điện áp răng c-a nh- hình vẽ :

- Tính toán mạch :

+ Trong nửa chu kỳ đầu :

IET2 = ICT2 = (E – UD2 – UBE) / R5

UC1 = I dt

C CT 2

1

1 = (ICT2.t) / C1 = [(E – UD2 – UBE).t] / (R5.C1)

* Khi t = T/2 thì UC1 = 9 V do đó :

[(E – UD2 – UBE).T/2] / (R5.C1) = 9 V

Với E = 15 V, UD2 = 9 V, UBE = 0,6 V

 R5.C1 = 0,006

Ta chän C1 = 0,47F  R5 = 12,766 K Chän R5 = 13 K V× UD3 = 9 V nªn U3 = UD3 – UC1 = (ICT2.t) / C1

Chän R6 = 3,3 K, IR6 = IR7 = UD3 / 2.R6 = 9 / 6600 = 1,36 mA

UR7 = U2 - UD1 – UD3 = 4,3 V ( UD1 = 0,7 V )

 R7 = UR7 / IR7 = 3,16 K VËy ta chän R7 = 3,3 K

Chän R3 = 10 K

IET2 = ICT2 = (E – UD2 – UBE) / R5 = 0,09 mA

 IBT2 = ICT2 / 

Chän T2 lµ 2N2904

Chän R4 = 5 K

3 Kh©u so s¸nh

§iÖn ¸p r¨ng c-a U3 vµ U®k ®-a vµo cæng ©m A4.

Khi | U3 – U®k | = 0 th× trig¬ lËt tr¹ng th¸i vµ cã ®Çu ra U4 lµ chuçi xung ch÷ nhËt

Chän R8 = R9 = 10 K

Chän R10 = R8//R9 = 5K

TÝn hiÖu ®iÖn ¸p nh- h×nh vÏ :

4 Khâu phát xung chùm

- Nguyên tắc hoạt động :

Khi UC2 đạt ng-ỡng lật, sơ đồ chuyển trạng thái áp có giá trị ng-ợc lại với giá

trị cũ Sau đó điện áp trên UC2 thay đổi theo h-ớng ng-ợc lại và tiếp tục cho tới khi ch-a đạt ng-ỡng lật khác

UN = |Uđóng| = Umax = 13V

Uđóng = -Umax

Ungắt = Umax

  = R11/( R11 + R12 )

2 13

max

C R

U U

dt

dU N  N





UN(t) = Umax = (1 – (1 + e-t/R13C2))

|UN(t)| = |Uđóng| = |Ungắt|

Khi T = 2R13C2ln(1+2R11/R12) Chọn tần số khâu phát xung chùm : f = 10 KHz

R11 = R12  T = 2,2R13C2 = 1/(10.103)

R13C2 = 45,5.10-6

Chọn C2 = 0,02F  R13 = 2,27K Ta chọn R13 = 2,2 K

Chọn R11 = R12 = 10K

5 Chọn cổng AND

Chän IC CMOS lµ IC4081 cã 4 cæng AND cã c¸c th«ng sè sau :

Vcc = 3 - 15 V Ta chän Vcc = E = 15 V

C«ng suÊt tiªu thô : 2,5 nW / 1 cæng

Ilv < 1mA

§iÖn ¸p øng víi møc l«gic 1 lµ 2 - 4,5 V

TÝn hiÖu ®iÖn ¸p ra nh- h×nh vÏ :

6 Khâu khuếch đại xung và biến áp xung.

Utc = Ugk = 2,5 V

Itc = Ig = 0,25 A

Th-ờng thì tỉ số của máy biến áp xung là k = 2  3 Chọn k = 2

Từ đó ta có Isc = Itc / k = 0,125 A

Usc = Utc.k = 5 V

Isc = ICT4

Chọn T3 là C828 có hệ số 3 = 10  30

Chọn T4 là 2N1613 có hệ số 4 = 80

Lấy 3 = 10  IET3 = ICT4 / 3 = 0,0125 A

Chọn UBT4 = 0,7 V  R16 = UBT4 / IBT4 = 56 

IBT3 = ICT4 / 3 4 = 15,625 A

Ta có UBT3 = UBET3 + UBT4 = 0,6 + 0,7 = 1,3 (V)

Vì Us = 2  4,5 V nên ta chọn điện áp sụt trên UR15 = 1 V  R15 =

UR15 / IBT3 = 64 K

R14  (E - Usc) / Isc = 80  Ta chọn R14 = 57 

7 Khâu phản hồi

- Sơ đồ đo nhiệt độ trong lò lấy tín hiệu ra là điện áp Et :

Trong sơ đồ trên :

R20, R18, R19 là điện trở Manganin

R17 là điện trở thay đổi theo nhiệt độ đ-ợc làm bằng Cu hoặc Ni

ở 00C cầu đ-ợc tính toán cân bằng, lúc này Et = 0 Khi nhiệt độ môi tr-ờng thay đổi cầu mất cân bằng Lúc này giá trị của R17 cũng thay đổi làm xuất hiện trên hai đầu A,B một điện áp U

Mặt khác nhiệt độ thay đổi nên hai đầu nhiệt kế xuất hiện một điện

áp Et sao cho Et = U Vì vậy mV kế vẫn chỉ 0 V

Ta dùng cặp nhiệt điện Platin – Platin Rôđi (90% là Pt, 10% là Rh) đo lâu dài với nhiệt độ là 1000 – 12000C

Khoảng 1000C thì tăng 0,64 mV.

Ta có đồ thị quan hệ giữa Et = f(t0C)

Nhiệt độ nhỏ nhất là 8000C Tra đồ thị ta đ-ợc Et = 5,1 mV

Nhiệt độ cao nhất là 10000C Tra đồ thị ta đ-ợc Et = 6,4 mV

Điện áp đo đ-ợc trên mV kế là nhỏ nên ta phải khuếch đại điện áp

- Khâu khuếch đại điện áp phản hồi :

Uph = - Et.R22 / R21

Ta chọn R21 = 1 K, R22 = 40 K

Uph = (- 0,212)  (-0,256) V

Chọn R23 = R22//R21 = 1 K

- Tạo điện áp điều khiển :

UD9 = 9 V

Ta cã ( E – UD9 ) / R24  1mA Ta chän R24 = 3,3 K  Rv = 0

 1,5 K

IR27 + IR25 = - IC3 - IR26

Uph / R27 + Ud / R25 = - C3.( dUC3 / dt ) – UC3 / R26

UC3 = - ( R26.Uph / R27 + R26.Ud / R25 ) - C3.R26( dUC3 / dt )

Chän R26 = R25 = 36 K

R26 / R27 = 35  R27 = 1 K

Chän C3 = 0,47 F

R26.C3 = 

U®k = - (Ud – k.| Uph |) - (dUC3 / dt)

TÝn hiÖu ®iÖn ¸p ra nh- h×nh vÏ :

7 Khèi nguån

IC æn ¸p lo¹i UA7815 cã c¸c th«ng sè lµ :

Ung-ìng = 35 V

Ira = 0 – 1,5 A

E = 15 V

IC ổn áp loại UA7915 có các thông số là :

Ung-ỡng = 40 V

Ira = 0 – 1,5 A

-E = -15 V

Ta có UMN = Ua.2,34 = 10.2,34 = 23,4 V thoả mãn điều kiện chọn

C4, C5 là tụ làm phẳng 330 F – 25 V

Sơ đồ tạo điện áp –E co các thông số t-ơng ứng hoàn toàn t-ơng tự