thiết kế mạch điều khiển

thiết kế mạch điều khiển

CHƯƠNG IV: THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN

YÊU CẦU VỚI MẠCH ĐIỀU KHIỂN

- Phát xung điều khiển chính xác và đúng thời điểm mà người thiết kế

- Dạng xung được điều chỉnh thích hợp và tác động nhanh

- Đảm bảo hoạt động tốt độ tin cậy cao khi điện áp nguồn thay đổi giá trị biên độ

- Có khả năng chống nhiễu từ lưới điện

- Độ tác động nhanh dưới 1ms

Ngoài ra hệ thống điều khiển phải có nhiệm vụ ổn định dòng điện ra tải

và bảo vệ hệ thống khi xảy ra sự cố quá dòng hay ngắn mạch tải

NHIỆM VỤ CHỨC NĂNG MẠCH ĐIỀU KHIỂN

Như đã biết thyristor chỉ mở cho dòng chạy qua khi điện áp dương đặt lên anốt và có xung điều khiển đặt vào cực điều khiển, sau khi mở van xong thì xung điều khiển không còn tác dụng nữa Dòng điện chạy qua van lúc này

do thông số mạch lực quyết định

Mạch điều khiển điều chỉnh được vị trí xung điều khiển trong phạm vi nửa chu kỳ dương của điện áp đặt lên anôt - catôt của thyristor

I CẤU TRÚC CHUNG CỦA MẠCH ĐIỀU KHIỂN

Hình 4.1

Uc: Điện áp điều khiển đây là điện áp một chiều

Ur: Điện áp đồng bộ, điện áp xoay chiều hoặc biến thế của nó động bộ với điện áp anot - catot của tristor

Khâu 1: Hiệu điện áp Uc - Ur được chuyển vào khâu so sánh làm việc như một trigiơ, khi Uc - Ur = 0 thì trigơ lật trạng t hái ở đầu ra của nó nhận được một chuỗi xung dạng chữ nhật

Khâu 2: Là đa hài một trạng thái ổn định

Khâu 3: Là khâu khuếch đại xung

Khâu 4: Là khâu biến áp xung

Bằng cách tác động vào Uc ta có thể điều chỉnh được α

II NGUYÊN TẮC ĐIỀU KHIỂN XUNG ĐIỀU KHIỂN

1 Nguyên tắc điều khiển ngang

Hình 4.2

* Khâu đồng bộ (ĐB) thường tạo điện áp hình sin có góc lệch pha cố định với điện áp lực

* Khâu dịch pha (DF) làm thay đổi góc lệch pha của điện áp ra theo tác động Uđk

* Khâu tạo xung (TX) ở thời điểm khi điện áp dịch pha Udp qua điểm

2 Nguyên tắc điều khiển dọc

Ut: Khâu tạo điện áp tựa có dạng cố định theo chu kỳ do nhịp đồng bộ của Uđb

Khâu so sánh (SS) xác định điểm cân bằng của điện áp điều khiển Uđk

và Ut để phát động khâu tạo xung

Trong nguyên tắc này thời điểm phát xung mở van hay góc điều khiển thay đổi do sự thay đổi trị số của Uđk nên đồ thị là sự di chuyển theo chiều dọc của trục biên độ Đa số trên thực tế sử dụng nguyên tắc này

Hình 4.3

3 Mạch điều khiển một kênh và nhiều kênh

Các mạch chỉnh lưu công suất thường có số van cần điều khiển lớn hơn

1 Vì vậy người ta cho MĐK thành 2 loại

a Mạch điều khiển nhiều kênh (hình 4.3a)

Trong loại này có nhiều kênh điều khiển giống nhau về sơ đồ và nguyên lý làm việc, mỗi một kênh này phụ trách phát xung mở cho một van hoặc hai van cùng pha của mạch lực Loại này rất thông dụng vì độ tác động nhanh n0 có độ đối xứng điều khiển thấp, cùng một giá trị Uđk có góc α ở các kênh khác nhau độ sai lệch lên tới vài độ điện

b Mạch điều khiển một kênh (hình 4.3b)

Mạch này chỉ có một khối xác định một hay hai lần trong một chu kỳ điện áp lực Một bộ phận phát xung PPX đảm bảo nhiệm vụ phát xung lần

lượt đến các van bằng cách dịch xung đi một góc cần thiết (thường bằng 2

nπ

với n là số van lực)

Các mạch điều khiển có thể sử dụng kỹ thuật tương tự hoặc kỹ thuật số (digital)

Mạch điều khiển analog có tác động nhanh chế tạo đơn giản, dễ thực hiện và phổ biến hơn mạch digital Song có nhược điểm ở chỗ nhạy nhiễu và phải chỉnh định nhiều, khó đồng nhất các kênh điều khiển

Mạch điều khiển digital phức tạp có độ tác động không nhanh bằng mạch điều khiển analog vì thời gian xử lý tín hiệu còn chậm, song khả năng chống nhiễu tốt mạch ít phải chỉnh định và dễ đồng nhất các kênh nên thường

có chất lượng điều chỉnh cao hơn

III CÁC KHÂU CHÍNH TRONG MẠCH ĐIỀU KHIỂN

1 Khâu đồng bộ

Theo sơ đồ cấu trúc, khâu này phải tạo ra một điện áp có góc lệch pha

cố định với điện áp đặt lên van lực, phù hợp nhất cho mục đích này là máy biến áp đồng pha Dùng máy biến áp không nhưng cho phép thoả mãn yêu cầu trên mà còn đạt hai mục tiêu quan trọng là:

- Chuyển đổi điện áp lưới thường có trị số cao sang giá trị phù hợp với mạch điều khiển thường là điện áp thấp

- Cách ly hoàn toàn về điện giữa mạch điều khiển và mạch lực điều này đảm bảo an toàn cho người sử dụng cũng như các linh kiện điện tử

Ở đây ta dùng máy biến áp một pha Tuy nhiên mạch điều khiển có nhiều khâu cũng cần dùng biến áp nên thường chỉ dùng chung một máy biến

áp có nhiều cuộn thứ cấp mỗi cuộn thực hiện một chức năng riêng, trong đó

có cuộn cho khâu đồng bộ này

2 Khâu tạo điện áp tựa

Hiện nay sử dụng chủ yếu hai dạng điện áp tựa là dạng hình sin và dạng răng cưa

a Điện áp tựa dạng hàm cosin

Trong mạch điều khiển ta có Ud = Ud0.cosα

Nếu điện áp tựa có dạng hàm cosin: Ut = Umcosωt thì điểm phát xung

mở van tương ứng góc điều khiển ωt = α là khi điện áp tựa cân bằng với điện

áp điều khiển Uđk = Umcosα suy ra cosα = ®k

m

U

U ⇒ Ud = K Uđk Như vậy điện áp chỉnh lưu tỉ lệ thuận với điện áp điều khiển, nói cách khác chúng có quan hệ tuyến tính, quan hệ này cho phép dễ dàng hơn khi thực hiện các mạch vòng điều chỉnh để đảm bảo các chỉ tiêu kỹ thuật

Nhược điểm chung của mạch tạo điện áp tựa dạng hình sin là phụ thuộc vào điện áp xoay chiều Khi điện áp này tăng lên hay giảm xuống thì điện áp tựa cũng giảm theo làm cho góc điều khiển và điện áp chỉnh lưu biến động theo Mặt khác nếu tần số xoay chiều cũng thay đổi thì góc dịch pha sẽ không còn giữ ở 900 nữa mà bị lệch khỏi giá trị này và do đó nó cũng gây hậu quả tương tự như khi điện áp nguồn thay đổi Vì vậy mạch tạo điện áp tựa loại này

ít dùng trong thực tế

b Điện áp tựa dạng răng cưa

Đa số các mạch điện áp tựa trong mạch điều khiển chỉnh lưu hiện thời đều dùng dạng răng cưa vì nó khắc phục được những nhược điểm của dạng hình sin có nghĩa là nó ít bị ảnh hưởng của điện áp và tần số nguồn điện xoay chiều Tuy nhiên nhược điểm của nó là không đạt được quan hệ tuyến tính giữa điện áp điều khiển và điện áp chỉnh lưu nên sẽ khó khăn hơn khi tiến hành quá trình tự động hoá điều chỉnh và ổn định các thông số của mạch chỉnh lưu nói riêng hay của thiết bị nói chung có thể chia nó làm hai loại chính là răng cưa phi tuyến và răng cưa tuyến tính, có hai phương pháp cơ bản tạo hàm răng cưa

- Dùng tranzito và tụ điện

- Dùng khuếch đại thuật toán và tụ điện

Tạo răng cưa tuyến tính Đa số các bộ tạo răng cưa tuyến tính đều dựa trên nguyên tắc nạp cho tụ C, bằng dòng điện không đổi Ic, vì thực chất quan

hệ giữa điện áp và dòng điện của tụ điện

Uc(t) = Uc(0) + 1 i dte

C∫

Mạch tạo răng cưa dùng KĐTT OA

Nhược điểm của các sơ đồ tạo điện áp răng cưa dùng tranzito là sự phụ thuộc khá rõ thời điểm mở và khoá các bóng vào điện áp đồng pha Do vậy điện áp răng cưa cũng ít nhiều bị biến động theo điện áp lưới xoay chiều Điều này làm ảnh hưởng tới góc α cũng như phạm vi điều chỉnh nó Mặt khác độ 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 được các nhược điểm trên, mặt khác giá thành lại rẻ

Vậy để chế tạo điện áp răng cưa trong đồ án này sử dụng mạch KĐTT

OA để tạo điện áp răng cưa tuyến tính

Dùng mạch KĐTT OA để tạo điện áp răng cưa tuyến tính vì mạch này hạn chế được sự phụ thuộc của thời gian đóng mở các bóng tranzito, khắc phục những biến động theo điện áp lưới xoay chiều nên α ít bị ảnh hưởng

Máy biến áp tạo điện áp đồng pha với điện áp đặt vào mạch lực Điện

áp hình sin sau khi qua chỉnh lưu được đưa vào khâu so sánh OA, tạo điện áp xung hình chữ nhật ở nửa chu kỳ khi UOA1 < 0 thì diôt Đ3 dẫn Điện áp trên tụ điện C bằng điện áp ở đầu ra của OA2: UC = Ub Điện áp trên điện trở R3 bằng điện áp trở ở đầu ra của OA1

Mạch thiết kế với điều kiện R2 << R3, dẫn đến iR3 << iR2 nên để đơn giản khi phân tích có thể bỏ qua dòng iR3 trong giai đoạn này Như vậy dòng qua tụ điện iC bằng dòng iR2 vì dòng vào cửa (-) của OA không đáng kể Vậy

ở trị số này (nếu không có ĐZ thì điện áp tăng tới trị số +Ubh

Ở nửa chu kỳ sau điện áp Ua > 0 Đi ốt Đ3 khoa nên dòng qua R2 bằng không Lúc này dòng qua tụ C, bằng dòng qua điện trở R3, dòng điện này ngược chiều với dòng đi qua tụ C, ở nửa chu kỳ trước có nghĩa là tụ C, phóng điện

Từ đây mạch trở lại trạng thái ban đầu và điện áp nhận được trong nửa chu kỳ lưới điện xoay chiều có dạng răng cưa đi xuống

R3 = 75K

Tính R2: Ta có công thức:

bh 2

Chọn thời gian nạp điện cho tụ điện tn = 5ms

Thời gian tụ phóng điện tp = 1μs

Ta có: UC = Ub = bh

n 2

UtC.R

2

c

U tR

13,5.5.10

33,7.109,1.0,22.10

−

+

− =

R2 = 33,7 K

Khâu so sánh có thể thực hiện bằng các phần tử, khuếch đại từ, tranzito hay khuếch đại thuật toán OA Sử dụng nhiều nhất hiện nay là các OA vì nó cho phép đảm bảo độ chính xác cao nhất là khi sử dụng OA chuyên dụng Comparator, có giá thành hạ, không cần chỉnh định phức tạp Ở đồ án này sử dụng khuếch đại thuật toán để làm chức năng so sánh vì KĐTT là phần tử so sánh lý tưởng

- Tỏng trở vào 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 thường là khuếch đại vi sai mặt khác số tầng nhiều nên hệ số khuếch đại rất lớn vì thế so sánh có độ chính xác rất cao, độ trễ không quá vài μs Sườn dốc đứng nếu so sánh với tần số f = 50Hz

Khâu so sánh dùng OA cũng có hai kiểu đấu các điện áp so sánh là so sánh hai cửa và so sánh 1 cửa

So sánh hai cửa: Trong kiểu này hai điện áp cần so sánh được đưa tới hai cực khác nhau của OA điện áp ra sẽ thực hiện theo qui luật

Us = K0ΔU = K0 (U+ - U-)

→ Us = K0 (Uđk - Ut)

Do đó khi Uđk > Uf suy ra điện áp ra là dương

Uđk < Uf suy ra điện áp ra là âm

4 Khâu tạo xung chùm

Dạng xung chùm là dạng thông dụng nhất vì nó cho phép mở tất cả các van lực trong mọi trường hợp, với mọi dạng tải và nhiều sơ đồ chỉnh lưu khác nhau Xung chùm thực chất là một chùm các xung có tần số cao gấp nhiều lần lưới điện fXC = 8 ÷ 12KHz Độ rộng của chùm xung có thể được hạn chế trong khoảng 1000 ÷ 1300 điện về nguyên tắc nó phải kết thúc khi điện áp trên van

mà nó điều khiển sang dấu âm

Nguyên tắc tạo xung chùm thường là coi tín hiệu do bộ so sánh đưa ra như một tín hiệu cho phép hay cấm khâu khuếch đại xung được nhận xung tần

số cao phát từ một bộ dao động đa hài tới nó Trước đây còn dùng một nguyên tắc khác: Bộ tạo dao động đồng thời thực hiện chức năng khuếch đại

xung và do đó nó làm việc ở chế độ đợi kích song loại này làm việc dễ bị kích nhiễu hoặc lại khó kích vì vậy không nên dùng và hiện nay bị loại bỏ

Dễ dàng nhận thấy rằng để thực hiện tạo xung chùm theo nguyên tắc đầu ra chỉ cần một mạch logic “AND”

Loại có độ rộng xung chùm phụ thuộc hoàn toàn vào góc điều khiển α

Có sơ đồ cấu trúc và đồ thị minh hoạ (hình 4.5a; 4.5b)

Do khâu so sánh nối thẳng với cửa vào của logic AND nên chỉ trong khaỏng điện áp ra của SS ở mức “1” xung từ bộ dao động tần số cao mới đi qua được để tới khâu khuếch đại Bản thân mức “1” này phụ thuộc vào góc α nên kết quả ta có độ rộng xung chùm 1800 - α

Trong các mạch điều khiển hiện nay việc tạo các dao động dạng xung với tần số cố định được thực hiện bằng rất nhiều cách khác nhau tùy theo sở thích của người thiết kế hoặc xu hướng ứng dụng các phần tử giống nhau trong mạch điều khiển Ở đây em dùng khuếch đại thuật toán OA để tạo dao động (hình 4.6)

→ T = 2.R12 C2Ln3

Chọn C2 = 0,47 10-6F

f = 10KHz → T = 100μs →

→ R12 =

4 6

5 Khâu khuếch đại xung

Mạch điều khiển chỉnh lưu thường làm việc trong điều kiện nhiều mạch

do bản thân mạch lực của nó gây ra Các nhiễu này có thể truyền theo đường dây tới nguồn tới đầu vào của mạch điều khiển và lan đến tận khâu khuếch đại xung (KĐX) Nếu KĐX có hệ số lớn, đặc biệt dùng mạch KĐX có phản hồi dương sẽ rất dễ gây ra hiện tượng khuếch đại giả làm mở van không đúng thời điểm Vì vậy nói chung không nên dùng các mạch KĐX với phản hồi dương mạch thực tế thường dùng mạch có hệ số khuếch đại không lớn để đảm bảo chống nhiễu tốt

KĐX có nhiệm vụ tăng công suất xung do khâu tạo dạng xung hình thành đủ mạnh để mở van lực Đại đa số các van được chế tạo có thể mở chắc chắn với xung điều khiển có UGK = 5 ÷ 10V; Ig = 0,3 ÷ 1A trong thời gian cỡ 100μs

Đầu ra của KĐX sẽ nối với cực G - R của van còn đầu vào nối với khối tạo dạng xung Do đó ta có thể sơ bộ xem xét hệ số khuếch đại công suất

KP=KU KI thông qua hệ số khuếch đại áp Ku và dòng II như sau:

* Hệ số khuếch đại áp

Các tầng KĐX 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 trị số > 10V (trong phạm vi 15 ÷ 30V), đồng thời biên độ điện áp xung vào do nguồn điều khiển quyết định cũng được chọn hơn 10V như vậy có thể chọn KU ≅ 1

* Hệ số khuếch đại dòng điện

Tạo dạng xung là sử dụng cao OA vì vậy chúng chỉ mang được tải dòng điện vài miliampe (gái trị hay dùng là 3mA) Đối chiếu với dòng yêu cầu là:

g

v

I 0,3 0,6K

- Cách ly giữa mạch lực và mạch điều khiển

- Dễ phân phối xung điều khiển cho các kênh

Ta có: Ug = 10V; Ig = 0,42A

Trong khi đó Ug, Ig chính là áp và dòng chạy qua dây quấn thứ cấp của BAX

Chọn biến áp xung có tỷ số của cuộn dây Kba= 2

Vậy điện áp và dòng điện sơ cấp máy biến áp xung

1ba 1

I

.f

=πTrong đó f = 3A/mm2 là mật độ dòng điện trong cuộn dây Vậy ta thay

Có IC1 = Iβ2 = 0,01A

Vậy chọn bóng T1 loại C828 có thông số sau:

UCE1 = 40

IC1 = 50mA

β1 = 35 ÷ 60

Iβ1 =

3 C1

Vậy hệ số khuếch đại toàn mạch là: β = β1 β2 = 20 35 = 700

Điốt D5 ngăn chặn xung áp

Điốt D4 dùng để bảo vệ tranzito do Sđđ cảm ứng của cuộn sơ cấp biến

áp xung gây ra

8

ER

1,5.10−

≤ = 6,67K → R7 = 6K

6 Khâu tạo điện áp điều khiển

Để xác định điện áp điều khiển Uđk ta phải tổng hợp được mạch vòng điều chỉnh dòng điện và điều chỉnh tốc độ

Theo đặc điểm của từng đại lượng, điện áp điều khiển được tạo theo sơ

đồ trên hình 4.7

Uω

Rω Uω

δω

Rω

Uω

i δ

Hình 4.10

Sơ đồ đơn giản nhất gồm hai vòng điều chỉnh, vòng điều chỉnh dòng điện ở trong có bộ điều chỉnh dòng điện RI, vòng điều chỉnh tốc độ có bộ điều chỉnh tốc độ Rω, bộ điều chỉnh này có đặc tính khuếch đại có vùng bão hoà Điện áp đầu ra của Rω là điện áp đặt dòng điện Uiđ, giá trị bão hoà Uiđmax

chính là giá trị đạt cực đại của dòng điện Bộ điều chỉnh dòng điện RI trong mạch vòng có nhiệm vụ gián tiếp duy trì dòng điện phần ứng luôn bằng giá trị đặt (Uiđ), bất kể hệ thống đang làm việc ổn định hay đang trong quá trình quá

độ, RI thường có cấu trúc là khâu tỷ lệ tích phân PI Như vậy mạch vòng dòng điện đã biến bộ biến đổi BA thành một nguồn điện được điều khiển bởi tín hiệu Uiđ Vì dòng điện là đại lượng biến thiên nhanh nên sai lệch δi luôn nhỏ,

bộ điều chỉnh RI luôn làm việc ở vùng tuyến tính của đặc tính điều chỉnh

Khi bắt đầu quá trình thay đổi tốc độ, giả sẻ xét khi khởi động động cơ

Do có sự thay đổi đột ngột của Uωđ trong khi Uω chưa thay đổi kịp do quán tính cơ học của hệ, nên sai lệch đầu vào δω = Uωđ - Uω có giá trị lớn Đặc điểm của Rω sẽ ở rất sâu trong vùng bão hoà của đặc tính điều chỉnh, tín hiệu ra của

Rω sẽ là Uiđ = Uiđmax = const, mạch vòng tốc độ bị ngắt ra khỏi sơ đồ do hoạt động của mạch vòng dòng điện mà dòng điện phần ứng được duy trì ở giá trị I= Iđmax tương ứng với tín hiệu vào của mạch vòng là Uiđmax, động cơ bắt đầu được tăng tốc tốc độ với gia tốc

là đoạn BC, có độ cứng bằng không và dòng điện không đổi Tại điểm B tốc

độ động cơ ω = ωB sao cho δω = δωB điểm làm việc của Rω bắt đầu ra khỏi vùng bão hoà và lọt vào vùng tuyến tính của đặc tính, mạch vòng tốc độ bắt đầu phát huy tác dụng điều chỉnh cùng với mạch tốc độ bắt đầu phát huy tác dụng điều chỉnh cùng với mạch vòng dòng điện tạo đoạn đặc tính BC có độ cứng βm thoả mãn đạt độ chính xác cao Quá trình qúa độ khi hãm, điều chỉnh tốc độ và khi quá tải lớn cũng xảy ra tương tự

6.1 Đo dòng điện

Để đo dòng điện lấy tín hiệu phản hồi ta dùng một máy biến dòng điện

TI để đo dòng và ta có cơ cấu đo dòng được mô tả bằng hàm truyền sau:

I I

KI: hệ số tỷ lệ

TI: hằng số thời gian của thiết bị

6.2 Đo tốc độ động cơ

Tốc độ truyền động là đại lượng điều chỉnh chính Vì vậy thiết bị đo tốc

độ có vai trò quan trọng quyết định đến chất lượng tĩnh và động Ở đây sử dụng máy phát tốc một chiều gắn thẳng vào trục động cơ để đo

Hàm truyền của máy phát tốc là:

( P ) FT

Tω hằng số thời gian

6.3 Động cơ điện một chiều

Nếu thông số động cơ là không đổi thì có thể viết được các phương trình mô tả:

( P ) ( P )

U =R I +N P (P)φ

NK: Số vòng dây của cuộn kích từ

RK: điện trở của cuộn dây kích từ

Mạch phần ứng:

U(P) = Rư I(P) + Lư P I(P) ± NN P φ(P) + E(P)

Khi tần số điện áp xoay chiều đủ lớn, bỏ qua thành phần bậc cao trong khai triển Mc.Laurin thì ta cũng có thể thay thể hàm trễ này bởi một khâu quán tính Do vậy hàm truyền của bộ biến đổi này là:

- Trực tiếp hoặc gián tiếp xác định mômen kéo của động cơ

- Chức năng bảo vệ, điều chỉnh gia tốc

Bỏ qua sự ảnh hưởng của Sđđ của động cơ ta tổng hợp mạch vòng dòng điện như sau:

Hàm truyền của mạch vòng dòng điện

i Cl

− oi

K

K R

* TỔNG HỢP MẠCH VÒNG ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ

Hệ thống điều chỉnh tốc độ là hệ thống mà đại lượng được điều chỉnh là tốc độ góc của động cơ điện, các hệ này thường hay gặp trong thực tế kỹ

thuật Hệ thống điều chỉnh tốc độ được hình thành từ hệ thống điều chỉnh dòng điện

R

K T Pφ

K

1 + T Pωω

®

Uω

-Uω

1Kφ

− 2

2 S

( S )

1 8T ' P(P)

Fi(P)

I (P) 8T ' P 4T ' P 1 2T ' P 1 1

+ΔΙ