Đồ án điện tử "Giới thiệu - tính toán - thiết kế mạch điều khiển toàn hệ thống"

Chia sẻ: Tran Huu Ninh | Ngày: | Loại File: DOC | Số trang:17

Thêm vào BST

Báo xấu

759
lượt xem 184
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Sau một quá trình học tập và nghiên cứu, cùng với sự hướng dẫn tận tình của thầy giáo và sự giúp đỡ của các bạn cùng lớp, chúng em đã hoàn thành các nhiệm vụ được giao của bản đồ án: Thiết kế bộ biến tần cho lò nấu thép, phần nghịch lưu. Trong quá trình thực hiện, chắc chắn bản thân chúng em không thể tránh khỏi những thiếu sót, chúng em rất mong nhận được những ý kiến đóng góp của các thầy và các bạn để bản đồ án này hoàn thiện hơn....

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Đồ án điện tử "Giới thiệu - tính toán - thiết kế mạch điều khiển toàn hệ thống"

Đồ án điện tử "Giới thiệu - tính toán - thiết kế mạch điều khiển toàn hệ thống" 1
MỤC LỤC Giới thiệu - tính toán - thiết kế mạch điều khiển toàn hệ thống ................................................................................ 3 Tín hiệu phản hồi .................................................................................................................................................. 3 II. Tính toán mạch điều khiển: ............................................................................................................................ 4 T= 0,693.0,01.10-6.(2R+2P1+P2)=1/f=1/2000 = 0,0005............................................................................................ 5 D Q........................................................................................................................................................ 5 Ra R1 ..................................................................................................................................................................... 5 T ........................................................................................................................................................................ 5 t ......................................................................................................................................................................... 5 T ........................................................................................................................................................................ 5 ......................................................................................................................................................................... 5 Q........................................................................................................................................................................ 5 t ......................................................................................................................................................................... 5 ......................................................................................................................................................................... 5 Tạo ra xung đơn ( xung kim) có độ rọng tx =100s = 10-4s...................................................................................... 6 Khi x =’0’; z1 =’0’; z2 =’0’; z3 =’0’; z4 =’1’; y=’0’ .................................................................................................. 6 Độ rộng xung ra là tx= R3C2, thường chọn R3 =1k tx =10-4 = 1000C2 .................................................................... 6 4. Thiết kế máy biến áp xung: .............................................................................................................................. 6 5. Lựa chọn khâu lệch pha: .................................................................................................................................. 7 6. Khâu lấy tín hiệu về: ........................................................................................................................................ 8 Bộ dịch pha ........................................................................................................................................................ 8 Chọn Rs để Ui=i.Rs =10V Rs =10/0,2 =50. ...................................................................................................... 9 Khi Uv >0  UA < UK  D khoá  Ur = Uv ...................................................................................................... 10 7. Khâu để ngắt máy phát xung: ........................................................................................................................ 10 8. Thiết kế bộ nguồn cung cấp cho các vi mạch, cho biến áp xung: .................................................................. 11 Kết luận .............................................................................................................................................................. 17 Hà Nội ngày 20 tháng 12năm 2001 ..................................................................................................................... 17 Tài liệu tham khảo ............................................................................................................................................. 17 Dương Văn Nghi - Phạm Quốc Hải.................................................................................................................... 17 2
Giới thiệu - tính toán - thiết kế mạch điều khiển toàn hệ thống I. Nhiệm vụ chức năng mạch điều khiển : Như ta đã biết Thyristo chỉ để mở cho dòng chạy qua khi có điện áp dương đặt lên anốt và có xung điều khiển đặt vào cực điều khiển. Sau khi Thyristo đã mở thì xung điều khiển không còn có tác dụng gì nữa. Dòng điện chạy qua Thyristo do thông số ở mạch lực quyết định. 1.Mạch điều khiển có chức năng sau: - Điều chỉnh được vị trí xung điều khiển trong phạm vi nửa chu kì dương của điện áp đặt lên a-k của T. - Tạo các xung điều khiển có thể mở được Thyristo. Xung điều khiển có độ rộng 2 10V; độ rộng xung tx = 20  100s. Dộ rộng xung điều khiển có thể tính được theo công thức: I t x  dt di dt Idt: dòng duy trì của Thyristo di/dt: tốc đọ tăng trưởng của dòng điện tải. 2.Cấu trúc chung của mạch điều khiển nghịch lưu: FX Chia KĐSX NLĐL chủ xung ND đ Tín hiệu phản 3.Yêu cầu về mạch điều khiển: Mạch điều khiển là một khâu quan trọng trong hệ thống điều khiển Thyrisro, nó là bộ phận chủ yếu quyết định chất lượng và độ tin cậy của bộ biến đổi. Yêu cầu về bộ biến đổi có thể tóm tắt như sau: Mỗi thyristo có 1 đặc tính là quan hệ giữa điện áp trên cực điều khiển và dòng điện chạy qua cực điều khiển Uđk= f(Iđk). Quan hệ giữa chúng được biểu diễn như sau: 3
Do sai lệch về thông số chế tạo và điều kiện làm việc ngay cả T cùng loại cũng có đặc tính đầu vaò khác nhau. Với mỗi loại thyristo ta có các đặc tính này dao động giữa 2 đặc tính giới hạn a và b. - Yêu cầu độ lớn của điện áp và dòng điều khiển có 3 yêu cầu chủ yếu sau: + Các giá trị lớn nhất không vượt quá giá trị cho phép. + Giá trị nhỏ nhất cũng phải đảm bảo được tất cả các Thyristo cùng loại ở mọi điều kiện làm việc. + Tổn hao công suất trung bình ở cực điều khiển nhỏ hơn giá trị cho phép. - Yêu cầu về tính đối xứng của xung trong kêng điều khiển: Trong các bộ biến đổi có nhiều pha, tính đối xứng của xung điều khiển rất quan trọng, nếu xung điều khiển mất tính đối xứng sẽ làm cho dòng anốt của các pha có hìh dạng khác nhau và giá trị khác nhau làm mất cân bằng cảu máy biến áp xung do đó giảm công suất MBAX. - Yêu cầu về độ rộng xung điều khiển: Thông thường độ rộng xung không nhỏ hơn 5 s và tăng độ rộng của xung điều khiển sẽ cho phép giảm nhỏ xung điều khiển. Khi mạch tải có điện cảm lớn thì dòng điện tải it tăng chậm nên phải tăng độ rộng của xung điều khiển. -Yêu cầu về độ tin cậy của mạch điều khiển: Mạch điều khiển phải làm việc tin cậy trong mọi trường hợp nhiẹt độ thay đổi. -Yêu cầu về lắp ráp vân hành: Sử dụng thiết bị dễ thay thế, dễ lắp ráp, điều chỉnh, thiết bi thay thế dễ dàng giữa các khối cho nhau nhưng mối khối phải có khả năng làm việc đập lập. II. Tính toán mạch điều khiển: 4
1.Khối phát xung chủ đạo: Ta dùng vi mạch 555 đây là khối phát xung chữ nhật. Sơ đồ khối phát xung như sau: +E 15V 27k R1 5k D1 27k Tr 1 R D2 Z P2 xP 2 5k P1 5,7k s U c1 C1 5k V3 0 Để dảm bảo xung ra có T1=T2 tức là đối xứng hoàn toàn thì ta thiết kế vi mạch 555 có tần số băng 2 lần tần số yêu cầu tức là f=2000Hz sua đó đầu ra của 555 đưa vào mạch đếm logic chia 2 ( Một flip-flipTrigơ). Vậy ta có chu kỳ đầu ra của vi mạch 555: T=0,639C(R1+R2+2P1+P2=; để xung đối xứng T1T2 ta chon R1=R2; x=1/2 khi đó T=0,693C(2R1+2P1+P2) Chon C= 0,01F ta có: T= 0,693.0,01.10-6.(2R+2P1+P2)=1/f=1/2000 = 0,0005  2R + 2P1+P2 = 72150; Chon R =27k  2P1+P2 =1,82k T Chon P1= 5,7k  P2 = 6,8k. Vậy thiết kế mạch xungcó f=2000Hz dung 555 thì C = 0,01F; R1 = R2 =27K; P1= 5,7k; P2=18,2k. D1 ,D2 là hai điốt chọn cùng loại có ký hiệu 204 Itb=800mA; Uđm=100V. Tranzito Tr1 t chon loại c828 có Uce=30V; Icmax=300mA; =30100; Ic =10A; Q 2. Thiết kế bộ chia xung:  Ra D 5 T Q
Ta dùng 1 Flip-flop Trigơ loại T-FF tuy nhiên T-FF không bán trên thị trường. Muốn có ta phỉa tạo ra từ các Flip-Flop khác. ở đây ta tạo ra từ D – Flìplop không đồng bộ theo sườn lên của xung nhịp ta có thể tạo ra được T-FF tích cực cao lật trạng thái ở sườn lên của xung nhịp). Vậy xung sau khi ra khỏi bbộ chia xung có tần số f = 1000Hz. 3.Thiết kế bộ tạo độ rông xung: Tạo ra xung đơn ( xung kim) có độ rọng tx =100s = 10-4s Sơ đồ khối bộ tạo độ rông xung: z2 C2 z3    z4  z1 y x  Hoạt động của sơ đồ: Khi x =’0’; z1 =’0’; z2 =’0’; z3 =’0’; z4 =’1’; y=’0’ Khi x =’1’; z1 =’0’; z2 =’1’; tụ điện C2 được nạp điên qua điện trở R2. Lúc đầu UR3 =’1’ do đó z4 =’0’, y =’1’, sau thời gian t=R3C2 thì UR2 =’0’ thì z4 =’1’ và y =’0’. Trong đó múc lôgic ‘o’ khoảng 0,4 đến 0,6V. Độ rộng xung ra là tx= R3C2, thường chọn R3 =1k tx =10-4 = 1000C2  C2 = 0,1F. Vậy khâu tạo xung có sơ đồ như hình vẽ và chọn C2 = 0,1F; R3 = 1k. 4 phần tử NAND trong sơ đồ nằm trong con IC4011 có sơ đồ chân như sau: V cc 14 13 12 11 10 9 8 E 2 +24V CMO S 4011 D4 G 1 2 3 4 5 6 7 204 Dz D5 204 4. Thiết kế máy biến áp xung: D3 120 R5 K Sử dung BAX với mục đích sau: 204 6 R4 Tr 2 2k C828
-Dễ dàng tạo được xung với biên độ phù hợp với tải. -Cách ly về điện giữa mạch điều khiển và hệ thống động lực. -Dễ dàng thay đổi cực tính của xung ra. Khi chọn van điều khiển thì giá trị dòng và áp: Iđk =0,3A Uđk=7V Điện áp điều khiển và dòng điện điều khiển chính là giá trị dòng và áp thứ cấp của BAX. Theo kinh nghiệm tỷ số BAX thường chọn từ 13 là tốt nhất. Do đó ta chọn n=1,5. Như vây điện áp đặt lên cuộn sơ cấp phải là: U1= n.Uđk =1,5.7 =10,5V. I 0,3 Dòng điệ sơ cấp: I1  dk   0,2 Ta chọn vật liệu lõi thép là pherit, làm việc n 1,5 trên 1 phần đặc tính từ hoá Bs= 0,45T; độ từ thẩm  = 6000A/m2, có diện tích lõi thép là 1cm2. *Số vòng dây cuộn sơ cấp : U .t W1  1 x BsS tx: Chiều dài xung điều truyền qua BAX , thường chọn tx từ 10 600s, ở đây ta chọn tx =100s *S diện tích lõi pherit lấy S =10-4 mm2 10,5.100.10 4 W1   23(vßng) 4 0,45.10 *Số vòng dây cuộn thứ cấp: W 23 W2  1   15(vßng) n 1,5 *Chọn mật độ dòng điện j=3A/mm2  Đương kính cuộn thứ cấp: I2 0,3 d2  2 2  0,357mm π. j 3,14.3 I 0,2 Đường kính cuộn sơ cấp: d1  2 1  2  0,28mm π. j 3,14.3 *Chọn R4 =2k, chọn tranditocó Ic2mã =I1 =0,2A  E2 24 R5    120Ω I c2 max 0,2 Chọn Tr2 là C828 có Uce =30V; Ic2max =300mA;  =30100; D3, D4, D5, chọn loại điốt 204 có Itb =800mA;Um =100V; 5. Lựa chọn khâu lệch pha: 7
Xung điều khiển T1T4 muốn điều khiển T3 T2 thì ta phải dich xung đó đi một góc  do đó ta phải thiết kế khâu dịch pha: R8 R8 +15 V Uv u ra TL081 - R9 15V D4 Đây là mạch trễ pha toàn thông , để tạo ra tín hiệu dịch pha  ta mắc nối tiếp 2 bộ dịch pha 900 Chọn R8 = 10k. Ta có độ lệch pha :() = -2tg-1. RC Với  =2.103(rad/s)  -2arctg(2.103R9C10) = -900 R9C10 = 1/2.103 = 0,16.10-3. Chọn tụ C10 có dung lượng C10 = 0,1F 0,16.10 3 R9   1,6kΩ 6  Chọn R9 là chiết áp 3k. 0,1.10 Ký hiệu bộ dịch pha : Bộ 6. Khâu lấy tín hiệu về: dịch pha Tín hiệu về có hai nhiệm vụ: - Sau khi tín hiêu dòng và áp của bộ nghịch lưu ra tải ổn định thì ngắt máy phát xung chủ đạo. - Tín hiệu về được dưa về bộ khuyếch đại sửa xung để điều khiển quá trình đóng mở các can của bộ nghịch lưu. Ta có Utải = 800V; Itải =351A 8
Vì bộ nghịch lưuđộc lập nguồn dòng nên dòng điện tải không phụ thuộc vào tải do đó ta lấy tín hiệu về là tín hiệu dòng và để lấy tín hiêu điều khiển thì ta phải sử dụng máy biến dòng và điện trở sun Rs. Chọn máy biến dòng có số vòng dây sơ cấp và thứ cấp W1 I 2 I 351  ; W1  1  W2  1 .W1  .1  1755(vßng) W2 I1 I2 0,2 Chọn Rs để Ui=i.Rs =10V Rs =10/0,2 =50. T¶i BiÕ dßng n Rs U i =i.R S Tín hiệu lấy về có dạng:  Muốn có dạng xung vuông ta cho tín hiệu +V cc Ud -Vcc qua IC thuật toán Chọn loại OA TL081 có Vcc = 15V Ud = 30V Đồ thị tín hiệu vào ra theo thời gian: Ta có xung điều khiển của T1 và T4 phải có dạng xung dương do đó để tạo xung điều khiển cho T1 và T4 thì tín hiệu phản hồi sau khi qua bộ khuyếch đại thuật toán ta cho qua điốt T 1T 4 T2T3 Uv M ë T 1T 4 Ur T 1T 4 9 D5 204 T 2T 3
Khi Uv >0  UA < UK  D khoá  Ur = Uv Khi Uv UK  D thông  Ur = 0  Để tạo xung điều khiển T2,T3 ta dùng mạch gim trên song song Uv Uv Ur D6 t 204 Ur Uv > 0  UA > UK  D6 thông Ur = 0 t Uv < 0  UA < UK  D6 khoá Ur = Uv Vì xung điều khiển đẻ mở van là xung dương nên ta phải cho qua 1 phần tử bán dẫn đó là vi mạch: § Ç vµo OA u R6 + V cc C3 t 3 1 2 4 6 14 10 8 CM OS 4047 TÝ hiÖ sau D 6 n u Uv 11 5 7 9 12 D6 204 t TÝ hiÖ ra ch© n u n 10 cña 4047 t Tín hiệu ở chân 10 của 4047 chính là tín hiệu qua BAX và di điều khiển T2,T3. 7. Khâu để ngắt máy phát xung: 10
Sau khi tín hiệu dòng và áp ra tải ổn định thì ta ngắt máy phát xung ra khỏi mạch điều khiển, do đó ta có thể sử dụng rơ le thời gian có hai tiếp điểm, một tiếp điểm thường đóng mở chậm và một tiếp điểm thường mở đóng chậm. Chon rơ le thời gian do liên xô cũ chế tạo loại B201 có các thông số kỹ thuật: + Diện áp định mức Uđm =24V + Khoảng điều chỉnh thời gian 0,25 4s. Theo số liệu trong bài ta điều chỉnh thời gian của rơle là 1s  Tổng hợp mạch điều khiển: Sau khi chọn các khâu và các phần tử ta gép nối các khâu lại với nhau và được sơ đồ tổng quát của mạch điều khiển. 8. Thiết kế bộ nguồn cung cấp cho các vi mạch, cho biến áp xung: Ta cần có nguồn một chiều có điện áp 15V và +24V. Do đó ta thiết kế bộ chỉnh lưu, sau bộ chỉnh lưu đặt một ổn áp để ổn định điện áp ra : Chọn dùng IC ổn áp LM7815 có:  U r  15V  U v min  17,5V U  r max  30V  U r  24V  Và IC LM7824 có : U v min  27V U  r max  38V  Thiết kế mạch nguồn 15V 11
Ta dùng sơ đồ chỉnh lưu 2 nữa chu kỳ biếnáp điểm giữa: D7 LM7815 U2 +15V U 1 =220V 1 2 3 D8 C4 C5 C6 Chọn tụ C4 là tụ một chiều 1000F; C5 = 330nF; C6 = 10nF ; Để xác định tỷ số máy biến áp ta xét điện áp vào cho phép của 7815. Nếu điện áp vào là 220V, 50Hz thì ta có biến độ điện áp cuộn sơ cấp là 220 2 Cuộn thứ cấp có điểm giưã phải có biên độ: U v max  U v min 17,5  30 U 2m    23,75V 2 2 Vậy tỷ số biến áp : U vm 220 2 a1   7 2U 2m 2.23,75  Thiết kế mạch tạo nguồn +24V Ta có: U v max  U v min 28  38 U 2m    32,5V 2 2  Tỷ số biến áp: U vm 220 2 a2   5 2U 2m 2.32,5 12
Sơ đồ mạch tao nguồn +24V: D9 LM 7 81 5 U2 +2 4V U 1 =22 0V 1 2 3 D 10 C7 C8 C9 Chọn D7, D8, D9, D10, cùng loại 204 có Itb =800mA, Uim =100V.  Thiết kế nguồn cung cấp -15V: Sơ đồ nguồn cung cấp -15V như sau: D9 LM7815 U2 +24V U 1 =220V 1 2 3 D 10 C7 C8 C9 II. Tổng hợp mạch điều khiển cho tàon hệ thống: 1. Sơ đồ mạch điều khiển cho toàn hệ thống: 13
2. Nguyên lý hoạt động của toàn hệ thống: + Vi mạch 555 phát xung hình chữ nhật có tần số 2000Hz sau khi qua bộ chia xung Fliplop ta được xung vuông có tần số 1000Hz. + Xung tần số f =1000Hz qua bộ tạo độ rộng xung ta được xung có độ rộng t x =100s, tần số f=1000Hz, xung này qua BAX được khuyếch đại , sau đó được đưa vào cực G1,G4 của các Thyristo T1, T4. + Xung ở đầu ra của bộ tạo độ rộng, muốn kích mở được T2, T3 ta cho qua bộ dịch pha 1 góc . Xung này có dạng dống xung ở đầu ra của bộ tạo độ rộng xung nhưng dịch pha 1 góc . Xung này qua BAX để khuyếch đại sau đó đưa vào cực G2, G3 của thyristo T2,T3. + Khi các thyristo T1, T2, T3, T4 được kích mở thì bộ nghịch lưu hoạt động cấp dòng và áp cho tải. Dạng dòng điện gần sin, có tần số f=1000Hz, biên độ dòng và áp thoả mãn yêu cầu. + Để bộ nghịch lưu có thể tự hoạt động ta lấy tín hiệu dong điện về để kích mở các van. Khi đó ta ngắt máy phát xung chủ đạo 555. Để làm việc này ta dùng rơ le thời gian. Khi tải có tín hiệu cuộn hút của rơ le Rth có điện, sau 1 khoảng thời gian tiếp điểm thường đóng mở chậm mở ra, ngắt máy phát xung 555 còn tiếp điểm thường mở đóng chậm cũng sau một khoảng thời 14
gian thì đóng lại, tín hiệu lấy từ tải được đưa vào bộ tạo độ rộng xung sau đó qua BAX và điều khiển quá trình đóng mở các van thay cho bộ phát xung 555, chỉnh định thời gian đóng mở các tiếp điểm của rơ le thời gian thì ta sẽ quy định được thời gian màbộ phát xung chủ đạo hoạt động. 3. Dạng dòng điên và điên áp tại các điểm: Dựa vào sơ đồ nguyên lý và những phân tích trên ta có dạng dòng điện và điên áp tại các nút như sau: A 10V 5V B T C 2T D E F tx G ira 15
ira 2 H M P D F N tx Q E tx G 16
Kết luận Sau một quá trình học tập và nghiên cứu, cùng với sự hướng dẫn tận tình của thầy giáo và sự giúp đỡ của các bạn cùng lớp, chúng em đã hoàn thành các nhiệm vụ được giao của bản đồ án: Thiết kế bộ biến tần cho lò nấu thép, phần nghịch lưu. Trong quá trình thực hiện, chắc chắn bản thân chúng em không thể tránh khỏi những thiếu sót, chúng em rất mong nhận được những ý kiến đóng góp của các thầy và các bạn để bản đồ án này hoàn thiện hơn. Chúng em xin chân thành cảm ơn! Hà Nội ngày 20 tháng 12năm 2001 Sinh viên Tài liệu tham khảo 1. điện tử công suất - Nguyễn Bính 2. Phân tích và giải mạch điện tử công suất Dương Văn Nghi - Phạm Quốc Hải 3. Bài giảng điện tử công suất của thầy Phạm Quốc Hải. 4. Bài giảng điện tử công suất của thầy Dương Văn Nghi 5. Khí cụ điện - Tô Đằng 6. Điện luyện thép - ĐHBK 7. Điện tử số - Nhà xuất bản giáo dục 17