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

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 :
U
AK
> 0
I
G
> 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 I
A
< I
H
.
( I
H
: 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
t
x
đ-ợc tính theo biểu thức :

dt
di
I

t
H
x
/

di/dt : tốc độ biến thiên dòng tải.
2. Cấu trúc mạch điều khiển thyristor.
U
AK
: điện áp điều khiển ( điện áp một chiều ).
U
t
: điện áp tựa ( đồng bộ với điện áp A-K của thyristor ).
Hiệu điện áp | U
đk
U
t
| 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 U
đk
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 :
U
đk
+ U
t
đ-a đến đầu vào của một khâu so sánh bằng cánh làm
biến đổi U
đk
ta có thể điều chỉnh đ-ợc thời điểm xuất giện xung
tức là điều chỉnh đ-ợc góc
.
Khi U
đk
= 0 ta có = 0
Khi U
đk
< 0 ta có > 0
Quan hệ giữa
và U
đk
nh- sau :
maxt
dk
U
U


Ta lấy U
đkmax

= U
tmax
.
b. Nguyên tắc điều khiển thẳng đứng arccos.
Nguyên tắc này dùng hai điện áp :
điện áp động bộ U
t
v-ợt tr-ớc điện áp A-K của thyristor một góc
bằng
/2.
( Nếu U
AK
= Asint thì U
t
= Bcost ).
U
AK
có thể điều khiển đ-ợc theo hai h-ớng d-ơng và âm. U
t
+
U
đk
đ-ợc đ-a đến đầu vào khâu so sánh . Khi U
t
+ U
đk
= 0 ta nhận
đ-ợc một xung ở đầu ra của khâu so sánh.
U
đk

+ Bcos = 0
= arccos( -U
đk
/B ).
Th-ờng lấy B = U
đkmax
.
Khi U
đk
= 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 R
9
, R
10
, R
11
, R
*
, E
n
. Tín hiệu điện này
đ-ợc đ-a qua bộ khuếch đại ( R
12

, R
13
, R
14
, IC A
5
), sau đó đ-ợc
đ-a vào bộ PI gồm U
đặt
, R
15
, C
3
, R
17
, đầu ra là U
chuẩn
( U
1
, U
2
,
U
3
, U
4
, U
5
, U
6_

).
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 U
21
, U
22
để dẫn giải :
U
21
đ-ợc so sánh mức điện áp 0V, qua D
1
chỉ lấy xung vuông U
1
.
U
22
đ-ợc so sánh ở mức điện áp 0V, qua D
1
chỉ lấy xung vuông
U
2
.
U
1
và U
2
đ-ợc đ-a qua bộ tạo điện áp răng c-a ( gồm R
3

, R
4
,R
5
,
R
6
, D
1
, D
2
, D
3
, A
3
, T
1
,T
2
), đầu ra sẽ nhận đ-ợc điện áp răng c-a U
3
.
U
đk
đ-ợc so sánh với U
3
qua A
4
, cho xung chữ nhật vuông. Xung
chữ nhật vuông này qua D

4
chỉ lấy xung chữ nhật d-ơng U
4
. U
đk
có
thể thay đổi, khi nhiệt độ tăng
| U
đk
| giảm, góc phát xung lớn lên làm điện áp đầu ra của thyristor
giảm và ng-ợc lại, khi nhiệt độ giảm | U
đk
| 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 U
4
và xung chùm U
x
đ-ợc đ-a qua con AND. Đầu ra AND
là xung chùm. Xung chùm này đ-ợc qua T
3
, T
4
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 R
11

, R
12
, R
13
, C
2
và
IC A
4
, qua D
6
lấy xung chùm d-ơng.
Trong m¹ch ®iÒu khiÓn ta chän toµn bé IC lµ TL084 cã c¸c th«ng
sè :
V
cc
=  15V
P tiªu thô = 680 MW
R
in
= 10
6
M
U
1
= U
rabh
= 13 (V)
U
2

= U
rabh
= 13 (V)
§ièt trong m¹ch ®iÒu khiÓn lµ lo¹i 1N4009 cã c¸c th«ng sè :
I
lvmax
= 10 A
U
ng-îc
= 25 V
U
më
= 1 V
§ièt Zenner lµ lo¹i BZD23-C9V1 cã c¸c th«ng sè :
U
DZ
= 9 V
1. Kh©u ®ång pha.
U
21
= 10 2 sint (V)
U
22
= -10 2 sint (V)
Cho qua bé so s¸nh so víi ®iÖn ¸p 0V. TÝn hiÖu ra nh- h×nh vÏ ( bé
so s¸nh ®¶o ).
Chó ý :
I
lv
< 1 mA do ®ã : U

21
/R
1
< 1 mA
 R1 > 10/1 = 10 K
Ta chän R
1
= R
2
= R
1’
= R
2’
= 15 K
2. Khâu tạo điện áp răng c-a ( U
tựa
).
- Nguyên lý hoạt động :
+ Trong nửa chu kỳ đầu : U
1
< 0 , U
2
> 0.
U
1
< 0 nên T
1
khoá. Khi đó tụ C
1
đ-ợc nạp điện áp U

C1
. U
2
> 0
qua điốt D
1
và ổn định điện áp U
D3
.
U
C1
và U
D3
đ-ợc đ-a qua bộ trừ có điện áp ra là U
3
.
+ Trong nửa chu kỳ sau : U
1
> 0 , U
2
< 0.
U
1
> 0 nên T
1
dẫn. U
C1
phóng điện qua T
1
. Điện áp trên tụ C

1
nhanh chóng trở về 0. U
2
< 0 nên U
D3
= 0 V. Do vậy U
3
= 0 V.
Ta có đồ thị của khâu tạo điện áp răng c-a nh- hình vẽ :
- TÝnh to¸n m¹ch :
+ Trong nöa chu kú ®Çu :
I
ET2
= I
CT2
= (E – U
D2
– U
BE
) / R
5
.
U
C1
=

dtI
C
CT 2
1

1
= (I
CT2
.t) / C
1
= [(E – U
D2
– U
BE
).t] / (R
5
.C
1
).
* Khi t = T/2 th× U
C1
= 9 V do ®ã :
[(E – U
D2
– U
BE
).T/2] / (R
5
.C
1
) = 9 V
Víi E = 15 V, U
D2
= 9 V, U
BE

= 0,6 V
 R
5
.C
1
= 0,006
Ta chän C
1
= 0,47F  R
5
= 12,766 K. Chän R
5
= 13 K
V× U
D3
= 9 V nªn U
3
= U
D3
– U
C1
= (I
CT2
.t) / C
1
.
Chän R
6
= 3,3 K, I
R6

= I
R7
= U
D3
/ 2.R
6
= 9 / 6600 = 1,36
mA.
U
R7
= U
2
- U
D1
– U
D3
= 4,3 V. ( U
D1
= 0,7 V )
 R
7
= U
R7
/ I
R7
= 3,16 K. VËy ta chän R
7
= 3,3 K
Chän R
3

= 10 K.
I
ET2
= I
CT2
= (E – U
D2
– U
BE
) / R
5
= 0,09 mA
 I
BT2
= I
CT2
/ .
Chän T
2
lµ 2N2904.
Chän R
4
= 5 K.
3. Kh©u so s¸nh.
Điện áp răng c-a U
3
và U
đk
đ-a vào cổng âm A
4

.
Khi | U
3
U
đk
| = 0 thì trigơ lật trạng thái và có đầu ra U
4
là
chuỗi xung chữ nhật.
Chọn R
8
= R
9
= 10 K
Chọn R
10
= R
8
//R
9
= 5K
Tín hiệu điện áp nh- hình vẽ :
4. Khâu phát xung chùm
- Nguyên tắc hoạt động :
Khi U
C2
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 U
C2

thay đổi theo h-ớng ng-ợc lại và tiếp
tục cho tới khi ch-a đạt ng-ỡng lật khác.
U
N
= |U
®ãng
| = U
max
= 13V
U
®ãng
= -U
max
U
ng¾t
= U
max
  = R
11
/( R
11
+ R
12
)
213
max
CR
UU
dt
dU

NN


U
N
(t) = U
max
= (1 – (1 + e
-t/R13C2
))
|U
N
(t)| = |U
®ãng
| = |U
ng¾t
|
Khi T = 2R
13
C
2
ln(1+2R
11
/R
12
). Chän tÇn sè kh©u ph¸t xung chïm
: f = 10 KHz.
R
11
= R

12
 T = 2,2R
13
C
2
= 1/(10.10
3
)
R
13
C
2
= 45,5.10
-6
Chän C
2
= 0,02F  R
13
= 2,27K. Ta chän R
13
= 2,2 K
Chän R
11
= R
12
= 10K
5. Chän cæng AND.
Chọn IC CMOS là IC4081 có 4 cổng AND có các thông số sau :
V
cc

= 3 - 15 V. Ta chọn V
cc
= E = 15 V.
Công suất tiêu thụ : 2,5 nW / 1 cổng.
I
lv
< 1mA
Điện áp ứng với mức lôgic 1 là 2 - 4,5 V.
Tín hiệu điện áp ra nh- hình vẽ :
6. Kh©u khuÕch ®¹i xung vµ biÕn ¸p xung.
U
tc
= U
gk
= 2,5 V
I
tc
= I
g
= 0,25 A
Th-êng th× tØ sè cña m¸y biÕn ¸p xung lµ k = 2
 3. Chän k = 2
Tõ ®ã ta cã I
sc
= I
tc
/ k = 0,125 A
U
sc
= U

tc
.k = 5 V
I
sc
= I
CT4
Chän T
3
lµ C828 cã hÖ sè 
3
= 10  30.
Chän T4 lµ 2N1613 cã hÖ sè

4
= 80
LÊy

3
= 10  I
ET3
= I
CT4
/ 
3
= 0,0125 A
Chän U
BT4
= 0,7 V  R
16
= U

BT4
/ I
BT4
= 56 
I
BT3
= I
CT4
/ 
3
. 
4
= 15,625 A.
Ta cã U
BT3
= U
BET3
+ U
BT4
= 0,6 + 0,7 = 1,3 (V).
Vì U
s
= 2 4,5 V nên ta chọn điện áp sụt trên U
R15
= 1 V R
15
=
U
R15
/ I

BT3
= 64 K
R
14
(E - U
sc
) / I
sc
= 80 . Ta chọn R
14
= 57
7. Khâu phản hồi.
- Sơ đồ đo nhiệt độ trong lò lấy tín hiệu ra là điện áp E
t
:
Trong sơ đồ trên :
R
20
, R
18
, R
19
là điện trở Manganin.
R
17
là điện trở thay đổi theo nhiệt độ đ-ợc làm bằng Cu hoặc Ni
ở 0
0
C cầu đ-ợc tính toán cân bằng, lúc này E
t

= 0. Khi nhiệt độ
môi tr-ờng thay đổi cầu mất cân bằng. Lúc này giá trị của R
17
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
E
t
sao cho E
t
= 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 1200
0
C.
Khoảng 100
0
C thì tăng 0,64 mV.
Ta có đồ thị quan hệ giữa E
t
= f(t
0
C)
Nhiệt độ nhỏ nhất là 800
0
C. Tra đồ thị ta đ-ợc E
t
= 5,1 mV.

Nhiệt độ cao nhất là 1000
0
C. Tra đồ thị ta đ-ợc E
t
= 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 = - E
t
.R
22
/ R
21
Ta chọn R
21
= 1 K, R
22
= 40 K.
Uph = (- 0,212)
(-0,256) V
Chọn R
23
= R
22
//R
21
= 1 K
- Tạo điện áp điều khiển :
U
D9

= 9 V
Ta cã ( E – U
D9
) / R
24
 1mA. Ta chän R24 = 3,3 K  R
v
= 0
 1,5 K
I
R27
+ I
R25
= - I
C3
- I
R26
Uph / R
27
+ Ud / R
25
= - C
3.
( dU
C3
/ dt ) – U
C3
/ R
26
U

C3
= - ( R
26
.Uph / R
27
+ R
26
.U
d
/ R
25
) - C
3
.R
26
( dU
C3
/ dt )
Chän R
26
= R
25
= 36 K
R
26
/ R
27
= 35  R
27
= 1 K

Chän C
3
= 0,47 F
R
26
.C
3
= 
U
®k
= - (U
d
– k.| Uph |) - (dU
C3
/ 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 :
U
ng-ìng
= 35 V
I
ra
= 0 1,5 A
E = 15 V
IC ổn áp loại UA7915 có các thông số là :
U
ng-ỡng
= 40 V
I

ra
= 0 1,5 A
-E = -15 V
U
MNmin
= 18 V, ta th-ờng chọn U
MN
= 21 V
Ta có U
MN
= U
a
.2,34 = 10.2,34 = 23,4 V thoả mãn điều kiện chọn
C
4
, C
5
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.