Đồ án môn học Điện tử công suất: Thiết kế bộ biến đổi xoay chiều một chiều tự động duy trì điện áp ra theo lượng đặt trước

Đồ án môn học Điện tử công suất Thiết kế bộ biến đổi xoay chiều một chiều tự động duy trì điện áp ra theo lượng đặt trước gồm có 5 chương, trình bày cụ thể như sau Thiết kế sơ đồ mạch động lực; Thiết kế mạch điều khiển; Tính chọn thiết bị; Xây dựng các quan hệ cơ bản; Thuyết minh nguyên lý toàn hệ thống. Mời các bạn cùng tham khảo!

LỜI NÓI ĐẦU

Ngày nay cùng với việc phát triển mạnh mẽ các ứng dụng của khoa học kỹ thuật trong công nghiệp, đặc biệt là trong công nghiệp điện tử thì các thiết bị điện tử có công suất lớn cũng được chế tạo ngày càng nhiều Và đặc biệt các ứng dụng của nó vào các ngành kinh tế quốc dân và đời sống hàng ngày đã và đang được phát triển hết sức mạnh mẽ.

Tuy nhiên để đáp ứng được nhu cầu ngày càng nhiều và phức tạp của công nghiệp thì ngành điện tử công suất luôn phải nghiên cứu để tìm ra giải pháp tối

ưu nhất Đặc biệt với chủ trương công nghiệp hoá - hiện đại hoá của Nhà nước, các nhà máy, xí nghiệp cần phải thay đổi, nâng cao để đưa công nghệ tự động điều khiển vào trong sản xuất Do đó đòi hỏi phải có thiết bị và phương pháp điều khiển an toàn, chính xác Đó là nhiệm vụ của ngành điện tử công suất cần

phải giải quyết

Chính vì vậy đồ án môn học điện tử công suất là một yêu cầu cấp thiết cho mỗi sinh viên TĐH Nó là bài kiểm tra khảo sát kiến thức tổng hợp của mỗi sinh viên, và cũng là điều kiện để cho sinh viên ngành TĐH tự tìm hiểu và nghiên cứu kiến thức về điện tử công suất Với chương trình đào tạo của nhà trường cùng với yêu cầu của khoa em được phân công thiết kế đồ án môn học điện tử

công suất có đề tài: “Thiết kế BBĐ xoay chiều một chiều tự động duy trì

điện áp ra theo lượng đặt trước”.

Đồ án này gồm 6 chương:

Chương 1 Thiết kế sơ đồ mạch động lực

Chương 2 Thiết kế mạch điều khiển

Chương 3 Tính chọn thiết bị

Chương 4 Xây dựng các quan hệ cơ bản

Chương 5 Thuyết minh nguyên lý toàn hệ thống

Sau đây là phần tính toán, thiết kế đồ án môn học của em.

đồ chỉnh lưu (bộ biến đổi xoay chiều – một chiều) là các bộ biến đổi ứng dụng tính chất dẫn dòng một chiều của các phần tử điện tử bán dẫn để biến đổi điện

áp xoay chiều thành điện áp một chiều một cách trực tiếp

Hiện nay các phần tử điện tử hầu như không được dùng trong các sơ đồ chỉnh lưu vì có kích thước lớn, hiệu suất thấp Các phần tử chủ yếu được sử dụng hiện nay là các thyristor và các điôt bán dẫn Các sơ đồ chỉnh lưu có nhiều dạng khác nhau và được ứng dụng cho nhiều mục đích khác nhau, ví dụ như là

để điều chỉnh tốc độ động cơ một chiều, cung cấp điện áp một chiều cho các thiết bị mạ điện, điện phân, cung cấp điện áp một chiều cho các thiết bị điều khiển, các đèn phát trung tâm và cao tần… Các sơ đồ chỉnh lưu cũng được dùng

từ công suất rất nhỏ đến công suất rất lớn

1.2 Chọn bộ biến đổi.

Bộ nguồn chỉnh lưu thường được phân loại theo các cách như sau:

* Theo cách nối dây : Mạch chỉnh lưu hình tia, hình cầu

* Theo số pha: Mạch chỉnh lưu 1 pha, 2 pha, 3 pha

* Theo cách điều khiển: Không điều khiển, có điều khiển, bán điều khiển

Với yêu cầu của đề tài có một số phương án sau:

1.2.1 Sơ đồ chỉnh lưu hình tia hai pha.

a Sơ đồ nguyên lý.

BA là máy biến áp cung cấp cho sơ đồ chỉnh lưu, BA có nhiệm vụ như sau:Tạo ra hệ thống điện áp xoay chiều hai pha không có trong lưới điện công nghiệp BA có một cuộn sơ cấp được đặt điện áp nguồn xoay chiều một pha u1, hai cuộn dây thứ cấp là W21 và W22 có số vòng bằng nhau và được đấu như hình

1 Như vậy trên W21 và W22 ta có các điện áp u21 và u22 thoả mãn quan hệ u21 =

u22, đây là hệ thống điện áp xoay chiều hai pha cần thiết

Đảm bảo sự cách ly về điện giữa mạch động lực của sơ đồ chỉnh lưu với nguồn điện áp xoay chiều trong một số trường hợp cần thiết để đảm bảo an toàn cho người vận hành và sửa chữa

Giá trị điện cảm tản của BA tham gia làm giảm tối đa tăng của dòng qua van khi mở van làm hạn chế được giá trị diT/dt để bảo vệ van, vì vậy khi đã sử dụng máy biến áp để cung cấp cho sơ đồ chỉnh lưu thì không cần phải đưa điện cảm vào mạch nguồn mà chỉ cần lựa chọn máy biến áp có giá trị điện áp ngắn mạch phần trăm lớn ( uN % = 7 – 10 % )

Các Thyristor T1, T2 biến điện áp xoay chiều thành một chiều

- Ed, Ld, Rd các phần tử phụ tải

b Giản đồ dòng điện, điện áp của các phần tử

Với sơ đồ chỉnh lưu hình tia 2 pha ứng với trường hợp tải Ld = ∞

U22

iT2 i2

2

i 1

v10

- BA là máy biến áp một pha cung cấp điện áp cho mạch chỉnh lưu

- W1 là cuộn dây sơ cấp có điện áp sơ cấp u1

- W2 là cuộn dây thứ cấp có điện áp thứ cấp u2

- Các Thyritor T1,T2 T3,T4 làm nhiệm vụ biến điện áp xoay chiều thành điện

áp môt chiều, 4 van này được phân làm 2 nhóm : +T1,T3 được đấu Katot chung +T2,T4 được đấu Anot chung

- Ed, Ld, Rd là các phần tử phụ tải

Giản đồ điện áp và dòng điện như hình 1.2

Rd

LdEd

b Giản đồ điện áp và dũng điện

c Các đại lượng được tính như sau

Ud = Udo Cosá ,Với Udo = 0,9U2

ùt

0

i1

ùt0

v1

-u2

ud(nét đậm)

Với sơ đồ chỉnh lưu hình cầu 1 pha có chất lượng điện áp ra hoàn toàn giống với sơ đồ hình tia 1 pha (ở biến áp trung tính) Hình dạng các đường cong điện áp, dòng điện tải, dòng điện các van bán dẫn và điện áp của một van tiêu biểu gần tựa nhau Trong 2 sơ đồ dòng điện chạy qua van giống hệt nhau, nhưng điện áp ngược van phải chịu nhỏ hơn UNV = 2u2.

* Nói chung sơ đồ chỉnh lưu hình cầu một pha có nhiều ưu điểm hơn, các nhược điểm có thể khắc phục dễ dàng Sơ đồ này có thể đáp ứng được yêu cầu phụ tải như đề tài, vì thế chọn sơ đồ này

1.3 Thiết kế sơ đồ mạch động lực.

a Giới thiệu sơ đồ

Trong sơ đồ này:

- BA- là máy biến áp cung cấp, với sơ đồ cầu một pha thì có thể dùng hoặc không dùng máy biến áp

- Các van điều khiển T1 đến T4 dùng để biến điện áp xoay chiều thành một chiều Bốn van này được phân thành 2 nhóm: Nhóm katôt chung gồm T1 và T3, nhóm anôt chung gồm T2 và T4

- Ed, Ld, Rd là các phần tử của phụ tải

- u1, u2 là điên áp trên cuộn dây sơ cấp (điện áp lưới) và điện áp cuộn thư cấp

- i1, i2 là dòng điên cuộn dây sơ cấp (dòng điện lưới) và dòng điện thứ cấp

- Mạch bảo vệ RC

- Cuộn kháng CK

b Nguyên lý làm việc của sơ đồ.

* Ta xét nguyên lý làm việc của sơ đồ trong trường hợp giả thiết phụ tải có

Ld = ∞ và xem rằng sơ đồ đã làm việc xác lập trước thời điểm ta bắt đầu xét Với đồ thị điện áp nguồn va giá trị góc điều khiển như trên hình vẽ, ta có nguyên lý làm việc của sơ đồ như sau:

* *

Rd

Ld

Edid

T1 1

T3 1

T4 1

T2 1

Giả thiết trong khoảng lân cận phía trước thời điểm ωt = v1 = á Thì trong

sơ đồ 2 van T3 và T4 đang dẫn dòng Tại ωt = v1 = á thì 2 van T1 và T2 đồng thời

có tín hiệu điều khiển, lúc đó điện áp trên 2 van này đều thuận (uT1 = uT2 = u2) do vậy cả 2 van đều mở Hai van T1 và T2 mở nên sụt áp trên chúng giảm về bằng không và ta có: ud = u2 , uT3 = uT4 = - u2 Và tại ωt = v1 = á thì u2 > 0 tức là T3,T4

bị đặt điện áp ngược và khoá lại Tại thời điển này (ωt = v1) trong sơ đồ có 2

van T1 và T2 dẫn dòng, khi 2 van T1 và T2 làm việc thì:

ud = u2 ; iT3 = iT4 = 0 ; uT1 = uT2; uT3 = uT4 = -u2; iT1= iT2 = id = Id

Đến ωt = đ thì u2 = 0 và bắt đầu chuyển xang nửa chu kỳ âm nên nó tác

động ngược với chiều dòng qua T1 và T2 , đồng thời T3 và T4 lúc này có điện áp thuận , nhưng T3 và T4 chưa mở vì chưa có tín hiệu điều khiển, vì vậy mà T1 và

T2 tiếp tục dẫn dòng bởi s.đ.đ tự cảm sinh ra trong Ld do dòng tải có xu hướng giảm

Do T1 và T2 vẫn mở nên các biểu thức điện áp và dòng điện trên các phần

tử của sơ đồ vẫn giữ nguyên như trên

Tại ωt = v2 = đ +á thì T3 và T4 đồng thời có tín hiệu điều khiển, trên 2 van

đang có điện áp thuận nên T3 và T4 cùng mở Hai van T3 và T4 mở nên sụt áp trên chúng giảm về bằng không và ta có:

ud = - u2 ; uT1 = uT2 = u2;

Và tại ωt = v2 = đ +á thì u2< 0, tức là T1 và T2 bị đặt điện áp ngược và khoá lại

Từ thời điểm này (ωt = v2) trong sơ đồ chỉ có 2 van T3 và T4 dẫn dòng, khi 2 van

T3 và T4 làm việc thì:

ud = - u2 ; iT1 = iT2 = 0 ; uT1 = uT2 = u2 ; uT3 = uT4 = 0; iT3= iT4 = id = Id

Đến ωt = 2đ thì u2 = 0 và bắt đầu chuyển xang nửa chu kỳ dương và nó tác

động ngược với chiều dòng qua T3 và T4, đồng thời trên T1 và T2 có điện áp thuận nhưng T1 và T2 vẫn chưa mở vì chưa có tín hiệu điều khiển, nên s.đ.đ tự cảm sinh ra trong Ld vẫn làm T3 và T4 tiếp tục dẫn dòng

Đến ωt = v3 = 2đ + á thì T1 và T2 đồng thời có tín hiệu điều khiển và T1 và

T2 lại cùng làm, T3 và T4 bị đặt điện áp ngược và khoá lại Từ thời điểm này sơ

đồ lặp lại trạng thái làm việc như từ ωt = v1.

Giai đoạn ωt = 0 đến v1 có thể suy ra từ giai đoạn ωt = 2đ đến v3 do tính

chất lặp lại khi sơ đồ làm việc, ta thấy rằng nó hoàn toàn phù hợp với giả thiết ban đầu là T3 và T4 dẫn dòng

kba

v10

Uthmax =Ungmax = 2U2

IT = Id/ 2

CHƯƠNG 2.THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN

* Ở chương trước chúng ta đã nghiên cứu sự hoạt động của sơ đồ mạch

động lực bộ biến đổi có điều khiển dùng các thyristor Để các van của bộ chỉnh lưu có thể mở tại các thời điểm mong muốn thì ngoài điều kiện hiện tại thời điểm đó ta vẫn phải có điện áp thuận đặt lên A, K thì trên điện cực điều khiển (tín hiệu điều khiển) Để có tín hiệu điều khiển xuất hiện đúng theo yêu cầu mở van đã nêu, người ta sử dụng một mạch điện tạo ra các tín hiệu đó được gọi là mạch điều khiển hay hệ thống điều khiển bộ chỉnh lưu Điện áp điều khiển của các thyristor phải đáp ứng được các yêu cầu cần thiết về công suất, cũng như thời gian tồn tại Do đặc điểm của thyristor là khi van đã mở thì việc còn tín hiệu điều khiển hay không điều khiển ảnh hưởng đến dòng qua van, vì vậy để hạn chế công suất của mạch phát tín hiệu người ta thường tạo ra các tín hiệu điều khiển thyristor có dạng các xung, do đó mạch điều khiển còn được gọi là mạch phát xung điều khiển

* Các hệ thống phát xung điều khiển bộ chỉnh lưu hiện đang sử dụng có thể phân ra làm 2 nhóm:

+ Nhóm các hệ thống điều khiển đồng bộ

+ Nhóm các hệ thống điều khiển không đồng bộ

Nhóm các hệ thống điều khiển đồng bộ được sử dụng phổ biến nhất hiện nay Đây là nhóm các hệ thống điều khiển mà các xung điều khiển xuất hiện trên điện cực điều khiển các thyristor đúng thời điểm cần mở van và lặp đi lặp lại mang tính chất chu kỳ với chu kỳ thường bằng chu kỳ mạch xoay chiều cung cấp cho sơ đồ chỉnh lưu

* Các hệ thống điều khiển đồng bộ thường được sử dụng hiện nay bao gồm:

+ Hệ thống điều khiển chỉnh lưu theo nguyên tắc khống chế pha đứng

+ Hệ thống điều khiển chỉnh lưu theo nguyên tắc khống chế pha ngang+ Hệ thống điều khiển chỉnh lưu dùng điôt 2 cực gốc

2.1 Phân tích, lựa chọn phương án điều khiển bộ biến đổi

1 Mạch điều khiển bộ chỉnh lưu theo nguyên tắc khống chế pha ngang

a Nội dung phương pháp:

Để tạo xung điều khiển cho các van chỉnh lưu trước trên người ta tạo ra các tín hiệu điều khiển hình sin có tần số bằng tần số xung điều khiển các thyristor tức là bằng tần số nguồn cung cấp xoay chiều và có biên độ không đổi

Có xung điều khiển các van sẽ được tạo ra tại các thời điểm bằng không và bắt đầu chuyển sang dương của các điện áp điều khiển hình sin đã nêu Việc thay đổi giá trị góc điều khiển được thực hiện bằng cách thay đổi góc pha của các điện áp điều khiển hình sin

Như vậy đối với hệ thống điều khiển này thì việc trước tiên ta phải tạo ra được bộ điện áp điều khiển hình sin với biên độ không đổi và góc pha điều khiển được Để thực hiện nhiệm vụ này, hiện nay người ta sử dụng các sơ đồ cầu dịch pha dùng điện trở, tụ điện (cầu R – C) hoặc điện trở, điện cảm (cầu R – L) Khi đã có dạng điện áp điều khiển hình sin như đã nêu thì việc tạo ra các xung điều khiển cho các thyristor tại những thời điểm bằng không và bắt đầu chuyển sang dương của các điện áp hình sin có thể thực hiện bằng nhiều sơ đồ khác nhau, đơn giản nhất là dùng các điôt, ngoài ra có thể sử dụng mạch biến đổi tương tự, số bằng vi mạch Sau khi đã có các xung xuất hiện đúng thời điểm cần thiết thì tuỳ thuộc vào dạng và công suất xung đã có và xung yêu cầu cần có mà

ta có thể sử dụng các mạch của xung và khuếch đại xung

* Một hệ thống điều khiển theo pha ngang thường bao gồm 5 khối cơ bản sau:

+ Khối 1: Khối đồng bộ hoá phát xung răng cưa (đồng bộ hoá và phát sóng răng cưa)

+ Khối 2: Khối dịch pha

+ Khối 3: Khối tạo xung

+ Khối 4: Khối khuếch đại xung

+ Khối 5: Khối điện áp điều khiển được đưa vào

Khối đồng bộ hoá thường tạo ra điện áp hình sin có lệch pha cố định so với điện áp tựa

Khối dịch pha có nhiệm vụ thay đổi góc mở á của điện áp theo tác động của điện áp điều khiển xung điều khiển được tạo ra ở khâu tạo xung vào thời điểm khi điện áp dịch pha qua điểm không Xung này nhờ khâu khuếch đại xung tăng đủ công suất gửi tới cực điều khiển của van Như vậy góc mở á hay thời

điểm phát xung mở của van thay đổi được là do sự tác động của điện áp điều khiển làm cho điện áp dịch pha di chuyển theo chiều ngang của trục thời gian

Vì vậy ta gọi phương pháp này là phương pháp khống chế theo pha ngang

* Ưu nhược điểm của phương pháp điều khiển bộ chỉnh lưu theo nguyên tắc khống chế pha ngang: phương pháp này có ưu điểm là hệ thống hoạt động ổn định, thực hiện dễ dàng song nhược điểm là phạm vi thay đổi góc mở á không rộng, rất nhạy với sự thay đổi dạng của điện áp nguồn, khó tổng hợp nhiều tín hiệu điều khiển nên rất ít được sử dụng

b Hệ thống điều khiển dùng điôt hai cực gốc (còn gọi là tranzitor một tiếp giáp UJT).

* Nội dung của phương pháp điều khiển điôt hai cực gốc

Phương pháp này tạo ra các xung nhờ việc so sánh giữa điện áp răng cưa xuất hiện theo chu kỳ nguồn xoay chiều với việc điều chỉnh sự mở của điôt hai cực gốc (tranzito một tiếp giáp UJT)

* Ưu nhược điểm của phương pháp:

Phương pháp này có ưu điểm là: Mạch tương đối đơn giản, xung ra đủ để

mở các thyristor có công suất nhỏ

Nhược điểm của phương pháp này là: góc mở á có phạm vi điều chỉnh hẹp,

vì ngưỡng mở của tranzitor một tiếp giáp UJT phụ thuộc vào điện áp lưới mạch thường đưa ra những xung điều khiển gây tổn thất phụ trong mạch điều khiển

c Hệ thống điều khiển theo nguyên tắc khống chế pha đứng.

* Sơ đồ khối hệ điều khiển theo pha đứng:

Khối 1 khối 2 khối 3 khối 4 khối 5

- Khối 1: Khối đồng bộ hoá

- Khối 2: Khối tạo ra điện áp tựa, tạo ra điện áp dưới dạng sóng răng cưa

- Khối 3: Khối so sánh, so sánh điện áp tựa với điện áp điều khiển

- Khối 4: Khối tạo xung

- Khối 5: Khối phân chia xung

+ u1 – là điện áp lưới(nguồn) xoay chiều cung cấp cho sơ đồ chỉnh lưu.+ urc – là điện áp tựa thường có dạng hình răng cưa lấy từ đầu khối ĐBH – FSRC

Uđk

° urc

+ uđk – là điện áp điều khiển, đây là điện áp một chiều được đưa từ ngoài và

để điều khiển giá trị góc á

+ uđKt – là điện áp điều khiển thyristor, là chuỗi các xung điều khiển lấy từ đầu ra hệ điều khiển( cũng là đầu ra khối tạo xung), và được truyền đến điện cực điều khiển( G) và katot(K) của thyristor

* Nguyên lý cơ bản của hệ điều khiển theo nguyên tắc khống chế pha đứng Tín hiệu điện áp cung cấp cho mạch động lực bộ chỉnh lưu được đưa đến mạch đồng bộ hoá của khối 1 và trên đầu ra của mạch đồng bộ ta có các điẹn áp thường có dạng hình sin với tần số bằng tần số điện áp nguồn cung cấp cho sơ

đồ chỉnh lưu và trùng pha hoặc lệch pha một góc pha xác định so với điện áp nguồn Điện áp này được gọi là điện áp đồng bộ và được ký hiệu là: uđb.

Các điện áp đồng bộ được đưa vào mạch phát điện áp răng cưa để khống chế sự làm việc của mạch điện này kết quả là trên đầu ra mạch phát điện áp răng cưa ta có một hệ thống các điện áp dạng hình răng cưa đồng bộ về tần số, về góc pha các điện áp đồng bộ Được gọi là điện áp răng cưa urc Các điện áp răng cưa được đưa vào khối so sánh và ở đó còn một tín hiệu khác nữa là điện aps điều khiển, điều chỉnh được và người ta đưa từ ngoài vào, hai tín hiệu này đợc mắc vào cực tính sao cho tác động của chúng lên mạch vào khối so sánh là ngợc chiều nhau Khối so sánh làm nhiệm vụ so sánh hai tín hiệu này và tại những thời điểm hai tín hiệu này có giá trị tuyệt đối bằng nhau thì đầu ra của khối so sánh sẽ thay đổi trạng thái Như vậy khối so sánh là một mạch điện hoạt động theo nguyên tắc biến đổi tương tự – số Do tín hiệu ra của mạch so sánh là dạng tín hiệu số nên chỉ có hai giá trị có hoặc không Tín hiệu trên đầu ra khối so sánh

là các xung xuất hiện với chu kỳ bằng chu kỳ của urc Nếu thời điểm bắt đầu của một xung nằm trong vùng sườn xung nào của urc thì sườn xung ấy của urc được gọi là sườn sử dụng Điều này có nghĩa rằng: tại thời điểm u rc = u dk ở phần

sườn sử dụng trong một chu kỳ của điện áp răng cưa thì trên đầu ra khối so sánh

sẽ bắt đầu xuất hiện một xung điện áp Từ đó ta thấy: có thế thay đổi thời điểm xuất hiện của xung đầu ra khối so sánh bằng cách thay đổi giá trị của uđk khi giữa nguyên dạng urc Trong một số trường hợp thì xung ra từ khối so sánh được đưa đến điện cực điều khiển của thyristor, nhưng trong đa số các trường hợp thì tín hiệu ra khối so sánh chưa đủ các yêu cầu cần thiết đối với tín hiệu điều khiển thyristor Để có tín hiệu đủ yêu cầu người ta thực hiện việc khuếch đại, thay đổi lại hình dạng của xung v v Các nhiệm vụ này được thực hiện bởi một mạch

điện gọi là mạch tạo xung( TX), cuối cùng trên đầu ra khối tạo xung ta có chuỗi xung điều khiển (uđkT), có đủ các thông số yêu cầu về công suất, độ dài, độ dốc mặt đầu của xung …v v Nhưng thời điểm bắt đầu xuất hiện của các xung thì hoàn toàn trùng với thời điểm xuất hiện xung trên đầu ra khối so sánh Vậy thời điểm xuất hiện của tín hiệu điều khiển trên điện cực điều khiển và katot của thyristor cũng chính là thời điểm xuất hiện xung đầu ra khối so sánh, tức là khối

so sánh đóng vai trò xác định giá trị góc điều khiển á

* Ưu nhược điểm của phương pháp:

Hệ thống này có nhược điểm là khá phức tạp song có những ưu điểm nổi bật: Khoảng điều chỉnh góc mở á là rộng, ít phụ thuộc vào sự thay đổi của điện

áp nguồn, dễ tự động hoá Mỗi chu kỳ điện áp anot của thyristor chỉ có một xung đưa đến mở nên giảm tổn thất trong mạch điều khiển Do đó phương pháp này được sử dung rông rãi

* Tóm lại: Từ các phân tích trên ta thấy rằng phương pháp điều khiển chỉnh lưu theo nguyên tắc khống chế pha đứng là ưu điểm hơn cả Vì vậy ở đây ta chọn phương pháp này để điều khiển chỉnh lưu Để cấp xung điều khiển cho bộ chỉnh lưu hình cầu một pha ta thiết mạch điều khiển gồm hai kênh tạo xung, hai kênh tạo xung này giống hệt nhau chỉ khác nhau tín hiệu điện áp lưới

Sau đây ta thiết kế cho một kênh tạo xung, kênh còn lại tương tự

2.2.Sơ đồ khối mạch tạo xung và thiết kế sơ đồ nguyên lý cho các khối.

Sơ đồ khối mạch tạo xung theo phương pháp khống chế pha đứng như ta đã phân tích ở trên

1 Khối đồng bộ hoá và phát xung răng cưa.

Người ta sử dụng một máy biến áp có công suất nhỏ thường là biến áp

hạ áp để tạo ra điện áp đồng bộ Điện áp lưới u1 được đặt vào cuộn sơ cấp còn bên thứ cấp ta lấy ra điện áp đồng bộ uđb Trong thực tế người ta chủ yếu sử dụng mạch đồng bộ dùng máy biến áp cách ly về điện giữa mạch động lực và mạch điều khiển

Kiểu mạch này có ưu điểm: an toàn mạch điều khiển, phối hợp với biên

độ đầu ra dễ, tổn hao ít, số lượng uđb tuỳ ý

Do các yêu cầu công nghệ em chọn kiểu mạch đồng bộ dùng máy biến áp

Mạch D – R – C nạp cho tụ bằng nguồn một chiều có ưu điểm hơn so với sơ đồ mạch D – R – C Song ngày nay nó ít được sử dụng vì chất lượng điện

áp ra kém, độ dài sườn xung sử dụng của điện áp răng cưa nhỏ hơn 180 0 điện

Ưu điểm nổi trội là mạch D – IC – C (điôt - KĐTT – tụ) Sơ đồ này có dung lượng điện áp ra hầu như không phụ thuộc vào tải mắc ở đầu ra mạch phát sóng răng cưa, dung lượng tụ chỉ cần nhỏ( khoảng 220 nF) nên chọn tụ dễ dàng

và sườn để so sánh dạng tuyến tính nhất trong các sơ đồ đã nêu, độ dài sườn trước đạt 180 0 điện Mặt khác tụ phóng rất nhanh nên an toàn tranzitor và điện

áp rất gần với dạng răng cưa lý tưởng

Sơ đồ gồm có máy biến áp đồng bộ hoá BAĐ để tạo ra điện áp đồng bộ

uđb Phần mạch tạo điện áp răng cưa sử dụng điôt, tranzitor, các điện trở, tụ điện

và ở đây để tạo ra dòng nạp tụ ổn định ta ứng dụng tính chất đặc biệt của các bộ khuếch đại thuật toán vi điện tử.

* Nguyên lý làm việc:

Trong sơ đồ này ta sử dụng khuếch đại thuật toán IC ghép với tụ C tạo thành một mạch tích phân, nguyên lý hoạt động của khâu này như sau: giả thiết tranzitor khoá thì tụ C được nạp điện bởi dòng đâu ra của IC, dòng nạp tụ được xác định:

ic = -i1 + iv-

Nếu IC lý tưởng thì điện trở vào của nó bằng vô cùng, dẫn đến dòng vào iv-

và iv+ bằng không, do vậy ic = -i1, mặt khác i1 = -ucc / (WR + R) = I = const

Điều này có nghĩa là khi tranzitor khoá thì tụ C được nạp bởi dòng không đổi có giá trị I

Vậy ta có: từ ωt = 0 thì uđb = 0 và bắt đầu chuyển sang nửa chu kỳ dương,

đẫn đến D mở nên mạch phát gốc tranzitor bị đặt điện áp ngược Tranzitor khoá,

tụ C được nạp điện bởi dòng không đổi Điện áp trên tụ tăng dần theo qui luật

IC

– +

tuyến tính Đến ωt = đ và bắt đầu chuyển sang âm D khoá, tranzitor mở nên tụ

C phóng điện nhanh qua tranzitor đến điện áp bằng không và giữ nguyên giá trị bằng không và bắt đầu chuyển sang dương, D lại mở, tranzitor lại khoá, tụ C lại được nạp như từ ωt = 0.

Với giả thiết IC là lý tưởng thì hệ số khuếch đại là vô cùng lớn, vậy nếu

IC đang ở chế đố khuếch đại tuyến tính thì điện áp giữa hai đầu vào được xem là bằng không(uv = 0) Từ sơ đồ ta có: urc = uc + uv = uc Tức là điện áp răng cưa đầu ra của sơ đồ bằng điện áp trên tụ C Đồ thị điện áp răng cưa như trên hình

vẽ Do điện áp răng cưa đầu ra của IC nên có nội trở rất nhỏ vì vậy dạng điện áp

ra hầu như không phụ thuộc vào tải mắc ở đầu ra mạch phát sóng răng cưa

2 Khối so sánh.

Để tạo ra một hệ thống các xung xuất hiện cùng chu kỳ với chu kỳ của điên

áp răng cưa và điều khiển được thời điểm xuất hiện của mỗi xung ta sử dụng các mạch so sánh Có nhiều mạch so sánh khác nhau nhưng phổ biến nhất hiện nay

là các sơ đồ dùng tranzitor và KĐTT bằng vi điện tử Trong các sơ đồ so sánh thường coa 2 tín hiệu vào là điện áp răng cưa lầy từ đầu ra mạch ĐBH- FSRC(urc) và điện áp điều khiển một chiều (uđk).Hai điệ áp này được mắc sao cho tác dụng của chúng đối với đầu vào mạch so sánh là ngược nhau.Có 2 cách nối các điện áp này trên đầu vào mạch so sánh là:

+ Nối nối tiếp urc và uđk gọi là tổng hợp nối tiếp

+ Nối song song qua các điện trở tổng hợp gọi là tổng hợp song song

Ta xét một số sơ đồ thường dùng sau:

Sơ đồ dùng Tranzitor tổng hợp nối tiếp(hình 1.9)

r

Mạch này cho kết quả chính xác nhưng nếu có nhiều tín hiệu đầu vào thì gặp khó khăn khi đó ta phải tổng hợp về một tín hiệu rồi mới so sánh nên ít được sử dụng.

Sơ đồ dùng Tranzitor tổng hợp song song (hình 1.10)

Rk

urss

Tr

-ucc

R3

Ta chọn sơ đồ dùng IC khuếch đại thuật toán tổng hợp song song để thiết kế mạch vì nó có ưu điểm là cho kết quả chính xác, đầu ra thu được dạng xung điện áp

Nguyên lý làm việc của mạch như sau:

+ Trong khoảng ùt = 0 đến t1thì u rc u dk nên điện áp đặt vào IC là

uv= -uđk- urc<0,vì điện áp đưa tới đầu vào đảo nên ura>0 do đó xung ra là xung dương

+ Trong khoảng ùt = t1 đến t2thì u rc u dk nên điện áp đặt vào IC là uv= -uđk-

urc>0,vì điện áp đưa tới đầu vào đảo nên ura<0 do đó xung ra là xung âm Quá trình cứ lặp đi lặp lại như vậy ở đầu ra xuất hiện một dãy xung làm điện áp tựa để thay đổi góc mở á.Quá trình được biểu diễn bằng giản đồ điện áp như hình vẽ

Từ nguyên lý hoạt động của khâu so sánh ta thấy rằng khi giá trị của uđk

thay đổi để thay đổi góc á thì độ rộng xung ra thay đổi theo, không đảm bảo yêu cầu công nghệ.Vì vậy ta sẽ đưa vào hệ thống điều khiển một mạch điện có tác dụng đưa ra xung có độ dài không đổi mặc dù đầu vào thay đổi gọi là mạch sửa xung Các mạch sửa xung hoạt động theo nguyên tắc khi có các xung vào với độ dài khác nhau mạch vẫn cho ra các xung có độ dài giống nhau theo yêu cầu và giữ nguyên thời điểm bắt đầu xuất hiện của mỗi xung Phụ thuộc vào từng trường hợp cụ thể mà mạch chỉnh sửa xung có thể có kết cấu tương đối phức tạp hoặc rất đơn giản, ví dụ có trường hợp mạch sửa xung chỉ là một mạch R – C ghép giữa khâu so sánh và mạch khuếch đại xung Sau đây ta xét sơ đồ sửa xung lựa chọn cho hệ thống điều khiển

Giản đồ mạch sửa xung

* Nguyên lý hoạt động.

Tại thời điểm ωt < t1 thì D2 khóa nên cực gốc Tr2 có thể là dương đặt

vào nhờ có R8 định thiên nên Tr2 mở bão hoà Sụt áp trên Tr2 rất nhỏ uTr2 ; 0 nên ura ; 0 Tụ C2 nạp theo đường từ +uV R6 C2 Tr2 -uV Tụ C2 nạp đầy đến giá trị uc2 = uV

Tại thời điểm ωt = t1 có xung âm xuất hiện ở đầu vào của khối này Tụ

C2 phóng điện theo đường từ +C2 +uV -uV D2 -C2 Lúc này, cực gốc của Tr2 bị đặt điện áp ngược nên có gía trị | uc2| < 2| ucc| nên Tr2 khoá lại Khi C2

phóng hết nhưng chưa đúng thời điểm mở, đầu vào có xung dương xuất hiện để

mở Tr2 nên ura = 0

Tại thời điểm ωt = t2 đầu vào xuất hiện xung dương quá trình lặp lại như

ban đầu

4 Mạch khuếch đại xung.

Để khuếch đại xung ta có thể dùng tranzitor hay thyristor Các mạch dùng thyristor thường đòi hỏi công suất xung đầu ra lớn

Trong thực tế người ta dùng tranzitor để giảm sự phức tạp của tầng khuếch đại, trong trường hợp người ta dùng 2 tranzitor mắc nối tiếp tương đương với 1 tranzitor có hệ số khuếch đại dòng β = β1+ β2 ; β1, β2 là hệ số

khuếch đại của Tr3 và Tr4

Khi chưa có xung vào Tr3 va Tr4 chưa làm việc nên chưa có dòng chạy qua cuộn

sơ cấp BAX, nên không có xung Điện áp điều khiển uđk trên đầu ra của cuộn thứ cấp BAX

Gỉa sử tại một thời điểm nào đó, trên đầu ra mạch sửa xung có tín hiệu điều khiển dẫn đến có xung ra Dẫn đến Tr3 và Tr4 đều mở, giả thiết mở bão hoà nên cuộn sơ cấp được đặt điện áp +ucc nên xuất hiện dòng điện chạy trong cuộn

sơ cấp của BAX, theo chiều +ucc sơ cấp Tr4 mát Dòng này tăng dần và

có dấu như hình vẽ cuộn thứ cấp BAX xuất hiện một xung có cực tính như hình vẽ và xung ra qua D truyền đến cực điều khiển của T để mở T

Đồ thị điện áp khi tbh txv Đồ thi điện áp khi tbh < txv

* Nguyên lý hoạt động

Nếu ta gọi thời gian tồn tại của một xung điện áp vào là txv, thời gian tồn tại của một xung điện áp ra là txr, thời gian tính từ lúc đóng một nguồn điện áp một chiều không đổi có giá trị bằng ucc cho đến lúc từ thông lõi thép máy biến áp xung đạt giá trị bão hoà Với giả thiết là không hạn chế về thời gian có nguồn vào phía thứ cấp BAX vẫn mắc vào điện cực điều khiển thyristor là tbh Với sơ

đồ khuếch đại này có thể xảy ra hai trường hợp khác nhau:

đến điện cực điều khiển và katot của thyristor

Đến t = t1 + txv thì mất xung vào, hai Tr3 và Tr4 đều khoá lại dòng qua cuộn sơ cấp giảm về bằng không, do sự giảm của dòng cuộn sơ cấp BAX, nên từ thông trong lõi thép BAX biến thiên theo hướng ngược lại lúc Tr3 và Tr4 mở dẫn

đến trong cuộn dây BAX xuất hiện xung điện áp với cực tính ngược lại Xung trên cuộn thứ cấp làm D4 khoá lại nên uđKt = 0.

Trên sơ đồ ta sử dụng D3 và D5 để bảo vệ cho các tranzitor và cuộn dây BAX tránh được các xung điện áp rất lớn khi đột ngột mất xung điều khiển

Trường hợp 2: tbh < txv

Từ khi t = 0 ữ t < t1 thì chưa có xung vào nên Tr3 và Tr4 đều khoá nên không có dòng chạy qua cuộn sơ cấp BAX dẫn đến chưa có xung điều khiển thyristor nên uđkT = 0

Tại t = t1 xuất hiện một xung vào dương nên Tr3 và Tr4 đều mở (giả thiết

là mở bão hoà) dẫn đến trên cuộn sơ cấp BAX đột ngột đặt điện áp bằng ucc dẫn đến xuất hiện dòng điện chạy qua cuộn w1 tăng dần từ phía dấu (*) đến không có dấu (*) dẫn đến trên cuộn thứ cấp xuất hiện một xung điện áp có chiều từ (*) về không có dầu (*), xung nayfg đặt thuận lên D4 nên D4 dẫn xung đến cực G và K của thyristor

Đến t = t1 + tbh thì mạch từ BAX bị bão hoà, từ thông lõi thép BAX không biến đổi nữa, xung điện áp cảm ứng trên các cuộn dây mất, xung ra mất,

uđKt = 0

Đến t = t1 + txv thì mất xung vào nên Tr3 và Tr4 khoá lại, dòng qua w1

giảm về bằng không do sự giảm dòng nay mà từ thông lõi thép biến thiên theo hướng ngược lại lúc tranzitor mở Các cuộn dây BAX xuất hiện các xung điện

áp có cực tính ngược lại Các xung này cũng được loại bỏ nhờ D3 và D5 Như vậy trong trường hợp này thì độ dài xung ra bằng thời gian bão hoà của BAX:

t

đ

1 '

2.3 Phân tích chọn tín hiệu phản hồi và thiết kế sơ đồ nguyên lý mạch tổng hợp khuếch đại.

Để điều chỉnh và ổn định điện áp đầu ra cho tải ta cần phải thiết ké mạch khuếch đại trung gian Tín hiệu điều khiển được đưa tới khối so sánh Tại đây tín hiệu này được so sánh với điện áp răng cưa và tạo xung điều khiển Tín hiệu đầu ra của mạch này được tổng hợp từ tín hiệu ucđ lấy từ nguồn tiêng có thể điều chỉnh được giá trị ucđ (nhờ khâu phân áp) Với sơ đồ mạch điều khiển này ta lựa chọn mạch vòng phản hồi âm điện áp Với tín hiệu phản hồi âm điện áp (–ă.ud ) được lấy trên điện trở phân áp ở đầu ra bộ chỉnh lưu

25

•IC