Báo cáo Thiết kế và thi công bộ chỉnh lưu 1 pha kép (Phần 1)

Nội dung text: Báo cáo Thiết kế và thi công bộ chỉnh lưu 1 pha kép (Phần 1)

1. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH CÔNG TRÌNH NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CẤP TRƯỜNG THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG BỘS K C CHỈNH0 0 3 9 5 9 LƯU 1 PHA KÉP MÃ SỐ: T2013 - 08 S KC 0 0 5 4 6 2 Tp. Hồ Chí Minh, 2013
2. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI KH&CN CẤP TRƯỜNG THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG BỘ CHỈNH LƯU 1 PHA KÉP Mã số: T2013 - 08 Chủ nhiệm đề tài: GVC, Th.S. Hoàng Ngọc Văn TP. HCM, Tháng 11/2013
3. TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH KHOA ĐIỆN - ĐIỆN TỬ BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI KH&CN CẤP TRƯỜNG THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG BỘ CHỈNH LƯU 1 PHA KÉP Mã số: T2013 - 08 Chủ nhiệm đề tài: GVC, Th.S. Hoàng Ngọc Văn TP. HCM, Tháng 11/2013
4. TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH Độc lập - Tự do - Hạnh phúc ĐƠN VỊ: KHOA ĐIỆN-ĐIỆN TỬ Tp. HCM, ngày 26 tháng 11 năm 2013 THÔNG TIN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU 1. Thông tin chung: - Tên đề tài: Thiết kế và thi công bộ chỉnh lưu kép 1 pha. - Mã số: T2013 - 08. - Chủ nhiệm: Hoàng Ngọc Văn. - Cơ quan chủ trì: Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh. - Thời gian thực hiện: từ 2/2013 đến 11/2013. 2. Mục tiêu: - Giới thiệu tổng quan về mạch tạo xung điều khiển đồng bộ cho SCR, mạch hồi tiếp và mạch chỉnh lưu kép. - Thiết kế, thi công bộ chỉnh lưu kép 1 pha tích hợp khối điều khiển với khối công suất. - Biên soạn tài liệu hướng dẫn thực hành về mạch chỉnh lưu kép 1 pha. 3. Tính mới và sáng tạo: - Tự nghiên cứu, thiết kế và thi công bộ thí nghiệm cho mạch chỉnh lưu 1 pha có đảo chiều dòng điện. - Bộ thí nghiệm thích hợp cho việc sử dụng cho phòng thí nghiệm điện tử công suất của khoa Điện – Điện Tử và các trường khác trên địa bàn thành phố Hồ Chí Minh. 4. Kết quả nghiên cứu: - Thiết kế, chế tạo thành công bộ thí nghiệm chỉnh lưu kép 1 pha. - Biện soạn tài liệu hướng dẫn thực hành về mạch chỉnh lưu kép 1 pha. 5. Sản phẩm: - Bộ thí nghiệm chỉnh lưu kép 1 pha tích hợp cả khối điều khiển với khối công suất. - Tài liệu hướng dẫn thực hành cho bộ thí nghiệm. 6. Hiệu quả, phương thức chuyển giao kết quả nghiên cứu và khả năng áp dụng: - Bộ thí nghiệm giúp sinh viên kiểm chứng phần lý thuyết về các mạch chỉnh lưu cầu 1 pha điều khiển toàn phần và chỉnh lưu 1 pha kép. - Thiết bị có thể đưa vào sử dụng cho phòng thí nghiệm điện tử công suất của khoa.
5. - Có thể trang bị và chuyển giao trên diện rộng cho các đơn vị có nhu cầu như các cơ sở dạy nghề, trường trung cấp, cao đẳng nghề và các trường đại học. Trưởng Đơn vị Chủ nhiệm đề tài (ký, họ và tên, đóng dấu) (ký, họ và tên) Hoàng Ngọc Văn
6. INFORMATION ON RESEARCH RESULTS 1. General information: Project title: Design and Implementation of a Single-phase Dual Rectifier Code number: T2013 - 08. Coordinator: Hoang Ngoc Van Implementing institution: University of Technical Education Ho Chi Minh City Duration: from February 2013 to November 2013 2. Objective(s): - To introduce the overview of the synchronous controller of Thyristors, feedback control circuit and dual rectifier. - To design and implement a single-phase dual rectifier including a control circuit and a power circuit. - To compile a guide to a single-phase dual rectifier for Power Electronics lab. 3. Creativeness and innovativeness: - Design and implement a module of single-phase dual rectifier with circulating current. - The module is for Power Electronics lab at Faculty of Electrical and Electronics Engineering and some universities in Ho Chi Minh City 4. Research results: - A module of single-phase dual rectifier is completely designed and implemented. - A guide to a single-phase dual rectifier for Power Electronics lab. 5. Products: - A module of single-phase dual rectifier including a control circuit and a power circuit. - A guide to a single-phase dual rectifier for Power Electronics lab. 6. Effects, transfer alternatives of research results and applicability: - The module helps students check the correctness of the theory of completely controlled single-phase rectifiers and single-phase dual rectifier - The module is for Power Electronics lab at Faculty of Electrical and Electronics Engineering and some universities in Ho Chi Minh City. - The module can be equipped and transferred to some academic places such as vocational schools, vocational colleges and universities.
7. DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Trang 1. Hình 2.1: Thứ tự kích dẫn cho SCR 3 2. Hình 2.2: Sơ đồ mạch nạp phóng của tụ điện 4 3. Hình 2.3: Đặc tính nạp của tụ điện 5 4. Hình 2.4: Đặc tính phóng của tụ điện 6 5. Hình 2.5: Mạch vi phân và dạng sóng điện áp ngõ ra 6 6. Hình 2.6: Mạch tích phân và dạng sóng điện áp ngõ ra 7 7. Hình 2.7: Sơ đồ khối mạch tạo xung điều khiển đồng bộ .7 8. Hình 2.8: Sơ đồ khối so sánh (a), khuếch đại xung và cách ly ngõ ra (b) 8 9. Hình 2.9: Sơ đồ khối chi tiết mạch tạo xung điều khiển khiển đồng bộ 9 10. Hình 2.10: Giản đồ xung điều khiển đồng bộ pha cho SCR 9 11. Hình 2.11. Sơ đồ khối bộ khuếch đại có hồi tiếp 11 12. Hình 2.12. Hệ thống điều khiển vòng kín 11 13. Hình 2.13: Sơ đồ mạch bộ hiệu chỉnh PID 12 14. Hình 2.14: Dùng công tắc đảo và bộ chỉnh lưu kép . 13 15. Hình 3.1: Sơ đồ chân và khối linh kiện . 16 16. Hình 3.2: Bảng trạng thái của IC 4528 17 17. Hình 3.3: giản đồ xung của IC 4528 .17 18. Hình 3.4: Sơ đồ chân và ký hiệu BT151 18 19. Hình 3.5: Sơ đồ mạch khối đồng bộ và dạng sóng của mạch tích phân .19 20. Hình 3.6: Sơ đồ nguyên lý mạch tạo xung điều khiển đồng bộ 21 21. Hình 3.7: Sơ đồ nguyên lý mạch tạo hồi tiếp 22 22. Hình 3.8: Sơ đồ khối bộ chỉnh lưu kép 1 pha . 23 23. Hình 3.9: Mạch công suất bộ chỉnh lưu kép 1 pha . .23 24. Hình 3.10: Sơ đồ mạch in tổng thể . .24 25. Hình 3.11: Sơ đồ mạch in Top mặt hàn 25 26. Hình 3.12: Sơ đồ mạch in Bottom linh kiện 26 27. Hình 3.13: Sơ đồ bố trí linh kiện 27
8. 28. Hình 4.1. Hình vẽ mặt nạ bộ thí nghiệm 28 29. Hình 4.2. Khối điều khiển 29 30. Hình 4.3. Khối công suất .29 31. Hình 4.4. Bố trí các khối bên trong hộp thí nghiệm 30 32. Hình 4.5. Hình dáng thực của bộ thí nghiệm .30 33. Hình 4.6. Mạch làm việc với tải R . 31 34. Hình 4.7. Tín hiệu tại các điểm TP1 – TP4 khi α = 00 32 35. Hình 4.8. Dạng sóng điện áp trên tải trở khi α = 00 (S1 ở vị trí REV) 32 36. Hình 4.9. Dạng sóng điện áp trên tải trở khi α = 00 (S1 ở vị trí ). 33 37. Hình 4.10. Dạng sóng điện áp trên động cơ DC ở αTH (S1 ở vị trí REV) 33 38. Hình 4.11. Dạng sóng điện áp trên động cơ DC ở αTH (S1 ở vị trí FW) 33 39. Hình 4.12. Tín hiệu tại các điểm TP1 – TP4 khi α = 900 34 40. Hình 4.13. Dạng sóng điện áp trên động cơ DC khi α = 900 (S1 ở vị trí REV).34 41. Hình 4.14. Dạng sóng điện áp trên động cơ DC khi α = 900 (S1 ở vị trí FW) 34 42. Hình 5.1. Mạch điều khiển bộ chỉnh lưu 1pha kép 35
9. DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT 1. SCR: Silcon Control Rectifier. 2. OPTO: Optocoupler. 3. BJT: Bipolar Junction Transistor. 4. OP-AMP: Operational Amplifier. 5. UJT: Unijunction Transistor. 6. PUT: Programmable Unijunction Transistor. 7. PID: Proportional Integral Derivative. 8. DC: Direct Current.
10. MỤC LỤC Trang Chương 1: Mở đầu 1 Chương 2: Tổng quan về mạch tạo xung, hồi tiếp và chỉnh lưu kép 3 Chương 3: Thiết kế mạch 15 Chương 4: Thiết kế và vận hành mô hình 28 Chương 5: Tài liệu hướng dẫn thực hành 35 Chương 6: Kết luận và hướng phát triển 45 Tài liệu tham khảo: 46
11. CHƢƠNG 1 MỞ ĐẦU 1.1 Tổng quan tình hình nghiên cứu thuộc lĩnh vực đề tài ở trong và ngoài nƣớc: Hiện nay trong các xí nghiệp công nghiệp có khá nhiều các thiết bị điện – điện tử sử dụng nguồn điện một chiều đòi hỏi đảo chiều dòng điện trong quá trình hoạt động và điện áp có thể thay đổi được. Thiết bị cho phép thực hiện được hai yêu cầu kỹ thuật trên trong thực tế được chế tạo và sử dụng là bộ chỉnh lưu kép. Qua tìm hiểu thiết bị của các phòng thí nghiệm điện tử công suất nhập từ nước ngoài cũng như sản xuất trong nước của một số trường trên địa bàn Tp. Hồ Chí Minh, chỉ có các bộ chỉnh lưu cho phép dòng điện đi qua tải theo một chiều, và điện áp có chiều không đổi. Vấn đề nghiên cứu, chế tạo các bộ chỉnh lưu khá đơn giản. Tuy nhiên, các thiết bị đào tạo thuộc chuyên ngành điện tử công suất trong chưa có bộ chỉnh lưu kép trong danh mục các thiết bị đào tạo của các công ty chế tạo đồ dùng dạy học trong và ngoài nước. 1.2 Tính cấp thiết của đề tài: Môn điện tử công suất, thiết bị chuyển đổi điện tử công suất thuộc môn học chuyên ngành, được giảng dạy cho các ngành Kỹ thuật điện – điện tử; Công nghệ điều khiển và tự động hóa; Kỹ thuật điện tử truyền thông. Trong thực tế, các thiết bị chỉnh lưu kép 1 pha sử dụng rất phổ biến như điều chỉnh và đảo chiều động cơ 1 chiều, điều chỉnh đảo chiều dòng của nam châm điện trên bàn từ, cần trục điện vv Để gắn lý thuyết với thực hành, giúp sinh viên mau tiếp cận với thực tế, việc thiết kế chế tạo bộ chỉnh lưu kép một pha dùng cho phòng thí nghiệm điện tử công suất để phục vụ cho môn thực hành điện tử công suất và dễ dàng chuyển giao là rất cần thiết. 1.3 Mục tiêu của đề tài: Mục tiêu chính của đề tài là thiết kế, thi công bộ chỉnh lưu 1 pha kép dùng trong phòng thí nghiệm điện tử công suất. Biên soạn bài thực hành về mạch chỉnh lưu 1 pha kép. 1.4 Cách tiếp cận: Thu thập tài liệu từ sách khoa học kỹ thuật, các tạp chí và từ Internet, các nhà sản suất các linh kiện hỗ trợ cho nghiên cứu, chọn giải pháp phù hợp với điều kiện nghiên cứu và tình hình cung cấp các linh kiện. Tìm hiểu một số thiết bị điều chỉnh đảo chiều động cơ DC trong thực tế. Thi công, kiểm nghiệm dựa trên một số thiết bị liên quan. 1.5 Phƣơng pháp nghiên cứu: 1
12. Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm: Thiết kế, thi công mạch, hoạt động thử nghiệm, cân chỉnh. 1.6 Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu: Dựa trên lý thuyết về các mạch chỉnh lưu có điều khiển và các lý thuyết điều khiển đảo chiều động cơ điện DC có liên quan. Đề tài tập trung chính nghiên cứu và chế tạo bộ chỉnh lưu kép 1pha. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào các nội dung về các mạch tạo xung điều khiển đồng bộ cho SCR; Mạch đảo chiều bộ chỉnh lưu và mạch công suất của bộ chỉnh lưu kép 1 pha. 1.7 Nội dung nghiên cứu: - Nghiên cứu lý thuyết các kiểu mạch tạo xung điều khiển đồng bộ cho SCR;. - Thiết kế mạch chỉnh lưu kép 1 pha dùng cho phòng thí nghiệm điện tử công suất. - Nghiên cứu các phương pháp điều khiển bộ chỉnh lưu kép chỉnh lưu kép 1 pha phần điều khiển và phần công suất. - Tìm hiểu về các phương pháp hồi tiếp để ổn định sự hoạt động của tải. - Kết hợp mạch tạo xung điều khiển đồng bộ cho SCR với mạch hồi tiếp. - Biên soạn bài thực hành về mạch chỉnh lưu kép 1 pha. 2
13. CHƢƠNG 2 TỔNG QUAN VỀ MẠCH TẠO XUNG, HỒI TIẾP VÀ CHỈNH LƢU KÉP I. PHƢƠNG PHÁP TẠO XUNG ĐIỀU KHIỂN ĐỒNG BỘ CHO SCR 2.1 Giới thiệu chung SCR là linh kiện bán dẫn có điều khiển, về cấu trúc gồm 4 lớp bán dẫn. Để cho SCR dẫn điện cần phải có hai điều kiện kết hợp là được phân cực thuận và có xung điều khiển. SCR thường được sử dụng trong các mạch chỉnh lưu có điều chỉnh điện áp, còn được gọi là chỉnh lưu có điều khiển. Khi điều khiển SCR, điện áp kích lấy từ một mạch độc lập, không phụ thuộc vào điện áp nguồn trên Anode của SCR. Điều này dẫn đến SCR có thể được kích khi nó được phân cực thuận hay nghịch nên người ta gọi là điều khiển không đồng bộ. Trong thực tế các SCR phải được điều khiển đồng bộ với điện áp trên Anode. Trong các mạch chỉnh lưu không điều chỉnh điện áp ra, các Diode không cần phải điều khiển. Mạch chỉnh lưu có điều chỉnh điện áp cần phải điều khiển lần lượt 1 hay nhiều SCR theo một thứ tự nhất định với góc kích vừa ổn định vừa điều chỉnh được để thay đổi điện áp ra. Các SCR được kích lần lượt theo 1 thứ tự quy định như theo thứ tự chuyển mạch tự dẫn của các Diode trong sơ đồ chỉnh lưu không điều khiển còn được gọi là chuyển mạch tự nhiên. Ngoài thứ tự vừa nói trên, trong 1 số sơ đồ cầu đối xứng có số pha lẻ ta phải kết hợp SCR theo thứ tự chuyển mạch tự nhiên với các xung kích đồng thời các SCR khác. Để biết rõ SCR nào cần phải kích đồng thời và tại sao phải kích đồng thời 2 SCR ta hãy xét 3 sơ đồ sau đây : 1 1 + SCR1 + SCR1 u1 + M u1 + M SCR1 + Tải Tải + + u1 - N - N u2 D u2 SCR2 Tải 0 2 2 1) 2) 3) Hình 2.1. Thứ tự kích dẫn cho SCR. Trên hình 2.1, sơ đồ đánh số (1) đặ1.1.1.1.1c trưng cho 1H pha điện áp đang dương. Sơ đồ số (2) đặc trưng cho 2 pha sơ đồ cầu hay đa giác khôngìn đối xứng. Sơ đồ số 3 đặc trưng cho h 3. 3 1
14. sơ đồ cầu hay đa giác đối xứng. Ở cả 2 sơ đồ (2) và (3) ta có 1 pha dương nối vào Anode SCR1, pha âm nối vào Catode của Diode D hay SCR2. Việc kích SCR ở 2 sơ đồ (1) và (2) không có vấn đề gì khó khăn vì ở sơ đồ (1) chỉ có SCR1 là linh kiện khép kín mạch điện, ở sơ đồ (2), SCR1 sẽ khép kín mạch điện khi được kích còn diode D sẵn sàng khép kín mạch điện khi có dòng điện chạy qua. Muốn khép kín mạch điện (3) phải kích đồng thời SCR1 và SCR2 để cả hai cùng khép kín mạch. Do vậy ta phải kích các SCR sơ đồ cầu đối xứng có số pha lẻ theo thứ tự chuyển mạch tự nhiên của sơ đồ. Phải kích đồng thời để cho cả 2 SCR cùng khép kín mạch điện, đó là 1 SCR ở nhóm Catode chung và 1 SCR ở nhóm Anode chung. 2.2 Các phần tử cơ bản sử dụng trong các mạch điều khiển SCR Trong các mạch điều khiển sử dụng nhiều phần tử, trong đó thông dụng nhất là OP – AMP. Để tiếp thu được nguyên tắc tạo xung điều khiển đồng bộ cho SCR, trong phần này nhắc lại các mạch tích phân, vi phân trong đó tụ điện là một phần tử đóng vai trò quan trọng. 2.2.1 Đặc tính nạp xả của tụ điện: 1 R S 2 + Icn C Uc Ui I cp Hình 2.2 . Sơ đồ mạch nạp phóng của tụ điện. a. Tụ nạp: Khi bật công tắc ở vị trí 1, tụ sẽ nạp điện, điện áp nạp của tụ tăng theo hàm mũ e và được xác định theo công thức: t /RC -t/ Ucn (t) = Ui . (1 – e ) = Ui . (1 – e ) (2.1) Trong đó: - t: Là thời gian tụ nạp (S); - e : 2,71828; -  = R.C (s); -  : Được gọi là hằng số thời gian nạp điện của tụ điện và R là đơn vị Ohm, C đơn vị là farad; 4
15. - Ui : Là điện áp đầu vào. Dòng nạp của tụ điện: 1 - t / RC Ui – t / icn = C. U’c (t) = C . Ui ( . e ) = . e (2.2) R.C R U i Ui • Điện áp tụ nạp Uc (t) • Dòng điện nạp ic (t) • t 0  2 3 4 5 Hình 2.3. Đặc tính nạp của tụ. Dòng điện và điện áp nạp của tụ điện có dạng hàm mũ như hình vẽ hình 2.3, khi thời - t/ gian tiến đến vô cùng thì Icn (t) và Uc (t) đạt đến giá trị ổn định, lúc đó e dần tới 0 và Icn = 0, Ucn = Ui. b. Tụ phóng: Khi bật công tắc vào vị trí 2 tụ phóng, điện áp của tụ khi phóng cũng giảm theo theo hàm mũ e. – t / R.C - t /  Ucx (t) = Ui . e = Ui . e (2.3) Dòng điện của tụ khi phóng: Ui – t /  – t /  icx (t) = C . U’C(x) . = - . e = - I0 . e (2.4) R Dòng điện nạp, phóng của tụ điện cũng thay đổi theo hàm mũ e. Đồ thị của điện áp và dòng điện phóng của tụ điện như hình vẽ dưới, dòng điện phóng của tụ ngược chiều dòng điện nạp, khi đã phóng hết điện áp và dòng điện bằng 0, Icp = 0, Ucp = 0. 5
16. U i Điện áp tụ phóng U (t) c t 0  2 3 4 5 Dòng điện tụ phóng ic (t) Hình 2.4. Đặc tính phóng của tụ điện. 2.2.2 Mạch vi phân Dạng điện áp ra u0 chính là điện áp trên R vì vậy nó có dạng sóng của dòng iC nạp phóng của tụ điện (u0 = iC. R). ui C ui R uo  = RC t 0 t R2 u0 = icR R1 C + i nạp C t ui uo 0 t R iC xả a) b) Hình 2.5. Mạch vi phân và dạng sóng điện áp ngõ vào, ra. Trên hình 2.5, a là mạch vi phân dùng RC và dùng OP-AMP, b là dạng sóng điện áp ngõ vào và ra của mạch. 2.2.3. Mạch tích phân Điện áp ra u0 chính là điện áp trên tụ C nên nó có dạng sóng của điện áp nạp phóng trên tụ điện. 6
17. R ui uo ui C  = RC t C 0 u0 R1 + C nạp C xả u0 t ui R 0 b) a) Hình 2.6. Mạch tích phân và dạng sóng điện áp ngõ vào, ra. 2.3 Nguyên tắc tạo xung điều khiển đồng bộ cho SCR Để có được xung điều khiển đồng bộ với điện áp nguồn đặt vào anode SCR, góc kích có thể điều chỉnh được, cần phải có mạch tạo xung theo sơ đồ khối như hình 2.7. +VCC uAC Khối Khối So Khối tạo đồng bộ sánh khuếch xung kích đại xung và cách ly ngõ ra Khối cách ly ngõ Điều chỉnh góc vào kích Hình 2.7. Sơ đồ khối mạch tạo xung điều khiển khiển đồng bộ. Các khối có chức năng nhƣ sau: a. Khối cách ly ngõ vào và ngõ ra: Hai khối này cách ly mạch điều khiển SCR với phần công suất của mạch chỉnh lưu có điện áp cao, không cho dòng từ phần công suất chảy vào phần điều khiển hay ngược lại. Khối cách ly ngõ vào thường là một máy biến áp có nhiệm vụ cách ly, tạo nguồn nuôi cung cấp cho mạch điều khiển và lấy tín hiệu điện áp đồng bộ. Ngoài ra khối cách ly ngõ vào có thể là bộ cách ly quang OPTO. Khối cách ly ngõ ra thường là bộ cách ly quang OPTO hoặc biến áp xung. Biến áp xung là một máy biến áp cách ly có hai cuộn dây, có các tỷ lệ 1:1; 1:2; 1:3. Mạch từ của biến áp xung được làm bằng lõi ferit không dẫn điện, hoặc bằng thép cán nguội, thích hợp với xung điện áp có tần số cao mà biến áp thường không thể thay thế được. b. Khối đồng bộ: 7
18. Khối này có chức năng tạo điện áp răng cưa, 1 răng cưa trong mỗi chu kỳ hoặc 2 răng cưa trong mỗi chu kỳ nếu là sơ đồ 1 pha dùng 2 SCR kích đồng thời. Xung răng cưa này sẽ được so sánh với điện áp điều chỉnh Uđc ở khối so sánh phía sau, kết hợp với mạch tích phân để tạo điện áp răng cưa đồng bộ US. Khối đồng bộ thường sử dụng là BJT hoặc OP-AMP, phần này sẽ được giới thiệu kỹ trong phần thiết kế mạch. c. Khối so sánh: Khối này so sánh điện áp răng cưa US với điện áp điều chỉnh Uđc còn được gọi là điện áp đặt hay điện áp tựa. Để so sánh ta có thể dùng mạch khuếch đại thuật toán – OP- AMP hoặc Transistor. Trường hợp dùng Transistor thì điện áp răng cưa được đưa vào cực khiển để so sánh với Uđc tại cực phát. Ngoài ra còn có các linh kiện chuyên dùng vào chức năng này như transistor một tiếp giáp UJT hoặc UJT lập trình được PUT. Nếu dùng OP – AMP thì điện áp răng cưa được đưa tới đầu vào không đảo như hình 2.8.a, hoặc đầu vào đảo. +12V BAX UGK +12V +12V Us NPN VR Uđc GND a) b) Hình 2.8. Sơ đồ khối so sánh (a), khuếch đại xung và cách ly ngõ ra (b). d. Khối tạo xung: Điện áp ra sau khối so sánh thường có độ rộng rất lớn, nếu kích góc = 00 thì xung sẽ có độ rộng bằng π, xung này không thích hợp với việc kích SCR. Như ta đã biết, SCR khi đã dược kích dẫn thì bỏ xung điều khiển đi nó vẫn tiếp tục dẫn nếu dòng tải lớn hơn dòng duy trì IH. Vì vậy xung rộng như vậy là không cần thiết, nó sẽ làm khối khếch đại xung và biến áp xung tiêu hao năng nượng thừa và sẽ bị nóng. Nếu khối trước là mạch khuếch đại thuật toán thì khối tạo xung thường có mạch vi phân CR, đổi điện áp hình chữ nhật ra xung nhọn dương và âm. Xung nhọn dương ở sườn trước, xung nhọn âm ở sườn sau. Xung âm được loại bỏ bởi diode D được kết hợp với điện trở R. Ngoài ra người tao còn dùng IC CD4528 để giảm bớt độ rộng xung ra. Hơn nữa cần có các xung biên độ lớn, dòng đủ mạnh nên khối tạo xung thường kết hợp với mạch khuếch đại xung để đủ công suất điều khiển cho SCR, trước khi đưa ra khối cách ly như hình 2.8.b. 8
19. Để hiểu rõ hơn về nguyên tắc hoạt động của các khối, ta sử dụng sơ đồ khối chi tiết mạch tạo xung điều khiển đồng bộ theo nguyên tắc kiểu thẳng đứng tuyến tính sau: UAC A A’ +12V R LED I T +12V SCR TF 2 4 2 3 Tạo US A1 TF1 1 xung A TF1 K C A2 -12V UAC +12V A’ UP VR Hình 2.9. Sơ đồ khối chi tiết mạch tạo xung điều khiển khiển đồng bộ. Giản đồ thời gian hoạt động tương ứng của sơ đồ trên được minh họa như hình 2.10: π 2π t 1 0 US Up 2 3 4 π 2π t URT 0 50% ON Hình 2.10. Giản đồ xung điều khiển đồng bộ pha cho SCR. Điện áp xoay chiều UAC cấp cho ngõ vào biến áp cách ly TF1, của sơ đồ hình 2.9 là đồng pha với điện áp xoay chiều cấp cho trở tải RT mắc trên SCR. Sơ đồ sẽ biến đổi dạng sóng Sin điện áp vào lấy tại điểm 1 thành xung vuông góc có độ rộng tương ứng, sử dụng để ngắt khóa K, cho phép dòng I (nguồn dòng) nạp cho tụ C. Tương ứng với bán kỳ dương của điện áp vào, trên tụ C sẽ có xung dạng răng cưa. Bộ so sánh A1 thực hiện so sánh điện áp răng cưa với với điện áp đặt Up. Khi điện áp răng cưa lớn hơn điện áp đặt, bộ so sánh tạo xung dương ở ngõ ra 3 qua các khối còn lại để điều khiển SCR. Như vậy, khi thay đổi điện áp đặt Up, sẽ làm dịch chuyển thời điểm kích cho SCR. Giá trị Up được quy ước tương ứng với đại lượng góc kích . Giá trị = 00, tương ứng với Up = 0V, SCR mở toàn bộ 100% theo mỗi bán kỳ dương. 9
20. Quan hệ giữa và và UP theo công thức sau: U P = , người ta lấy Usmax = Upmax (2.5) U S max - Với = 450 , SCR mở 75%, bán kỳ dương trên tải bị lấy đi 25%. - Với = 900 , SCR mở 50%, bán kỳ dương trên tải bị lấy đi 50% (hình 2.10). - Với = 1350 , SCR mở 25%, bán kỳ dương trên tải bị lấy đi 75%. Kết quả là với việc tăng giảm điện áp điều chỉnh UP, sẽ thay đổi góc kích , có thể điều khiển mở SCR tương ứng với vị trí pha điện áp lưới, làm thay đổi tương ứng điện áp ngõ ra trên tải. Phương pháp trên còn được gọi là điều khiển pha hay kiểm soát pha (phase control). Một hệ thống điều khiển tương tự có thể được xây dựng trên cơ sở vi mạch chuyên dụng TCA780; TCA785. Vi mạch này có đầy đủ các chức năng của một mạch điều khiển đồng bộ pha cho SCR tương tự như sơ đồ khối trên hình 2.10. Một vi mạch TCA785 sử dụng để điều khiển đồng bộ cho mạch chỉnh lưu một pha, vì vậy có thể ghép 3 vi mạch TCA785 để điều khiển cho chỉnh lưu 3 pha hoặc 6 pha. II. HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN CÓ HỒI TIẾP 2.4 Giới thiệu chung Như ta đã biết hệ thống điều khiển chỉnh lưu vòng hở (không hồi tiếp) không đáp ứng được các yêu về tính ổn định. Ví dụ như khi ứng dụng hệ thống điều khiển chỉnh lưu vào điều khiển tốc độ động cơ, hay điều khiển hệ thống gồm nhiều tải thì hệ thống hở không đáp ứng được yêu cầu ổn định điểm làm việc khi tải thay đổi. Chính vì vậy trong các ứng dụng thực tế trong công nghiệp hệ thống điều khiển điều khiển vòng hở ít được sử dụng, thay vào đó là các hệ thống điều khiển vòng kín nhằm đảm bảo yêu cầu chất lượng cho hệ thống điều khiển. Tùy thuộc vào từng yêu cầu của hệ thống cần điều khiển như: giảm sai số xác lập, giảm thời gian quá độ, ổn định điểm làm việc mà hệ thống điều khiển vòng kín sẽ được thiết kế thích hợp để thỏa mãn yêu cầu đặt ra. 1. Các định nghĩa cơ bản: Hồi tiếp là ghép một phần tín hiệu ngõ ra điện áp hoặc dòng điện trở về đầu vào thông qua một mạng bốn cực gọi là hồi tiếp như hình 2.11. 10
21. Hình 2.11. Sơ đồ khối bộ khuếch đại có hồi tiếp. Hồi tiếp đóng vai trò quan trọng trong mạch tương tự. Hồi tiếp cho phép cải thiện tính chất của bộ khuếch đại, nâng cao chất lượng bộ khuếch đại. Người ta phân biệt làm hai loại hồi tiếp cơ bản là hồi tiếp âm và hồi tiếp dương. Tín hiệu hồi tiếp âm ngược pha với tín hiệu vào, nên làm yếu tín hiệu vào. Ngược lại, tín hiệu hồi tiếp dương đồng pha với tín hiệu vào do đó nó làm mạnh tín hiệu vào. Hồi tiếp dương thường làm mất ổn định, nó được sử dụng trong các mạch tạo dao động. Ngoài ra còn phân biệt giữa hồi tiếp một chiều và hồi tiếp xoay chiều. Hồi tiếp âm một chiều dùng để ổn định chế độ công tác, còn hồi tiếp âm xoay chiều dùng để ổn định các tham số bộ khuếch đại. 2. Hệ thống điều khiển vòng kín: Hệ thống điều khiển tọa độ: Hình 2.12 Trên hình 2.12 mô tả hệ thống điều khiển tọa độ có đối tượng là hai khối nối tiếp P1 và P2 gồm hàm truyền đối tượng và bộ khuếch đại công suất, có các ngõ ra (biến trạng thái cần điều khiển) là x1 và x2. Hệ thống có hai bộ hiệu chỉnh ĐKx1 và ĐKx2 nối thành hai vòng với các phản hồi âm x1 và x2. Nếu đối tượng có n khối hồi tiếp tương ứng n biến trạng thái cần điều khiển, hệ thống sẽ có n vòng với n bộ hiệu chỉnh nối tiếp. 11
22. S K L 0 0 2 1 5 4