[Đồ Án Điện Tử] Thiết Kế Máy Phát 3 Pha - Bộ Ổn Dòng phần 9 pptx

Qua trên ta chọn khâu tạo xung khuếch đại hình III.15 là sơ đồ tạo xung khuếch đại có tụ nối tầng.. Bởi vì sơ đồ này có ưu điểm hơn các sơ đồ khác như dòng hiệu dụng qua Tranzitor bé, cô

Hình III.15 Sơ đồ tạo xung khuếch đại có tụ nối tầng

Theo sơ đồ này, Tranzitor chỉ mở cho dòng chạy qua trong khoảng thời gian nạp tụ nên dòng hiệu dụng của chúng bé hơn nhiều lần

Qua trên ta chọn khâu tạo xung khuếch đại hình III.15 là sơ đồ tạo xung khuếch đại có tụ nối tầng Bởi vì sơ đồ này có ưu điểm hơn các sơ đồ khác như dòng hiệu dụng qua Tranzitor bé, công suất tỏa nhiệt của Tranzitor không lớn, kích thước dây sơ cấp biến áp xung bé hơn

III.4.2 Xây dựng mạch điều khiển

Với yêu cầu điều khiển có chất lượng tốt ta chọn khâu đồng pha hình III.8 tức là dùng bộ ghép quang Với khâu đồng pha dùng bộ ghép quang sẽ rất đơn giản và thuận tiện cho lắp ráp Không cần tính toán máy biến áp đồng pha

R2

+E

D2

D3

Tr2

UV

R1

T BAX

Tr1

C

D1

ic(tu)ï

Xđk

t

t

t

UV

U 0 0

t

t

0 0 0

ib

ic(Tr) i

Xđk

90

Khâu so sánh chọn sơ đồ cộng hai cổng đảo khuếch đại thuật toán hình III.12b vì với sơ đồ này có ít nhiễu nhất đối với các kênh khác Hơn nữa tín hiệu vào hai cổng độc lập nên không xảy ra hiện tượng mạch giả

Tầng tạo xung khuếch đại dùng sơ đồ tụ nối tầng hình III.15 Với sơ đồ này

sẽ giảm được dòng đưa vào bộ khuếch đại

Ta có sơ đồ điều khiển một kênh như sau :

Hình III.16 Sơ đồ một kênh mạch điều khiển Thyristor

Nguyên tắc hoạt động của sơ đồ III.18 :

A

B

DQ

UAT

R1

1

+

TrQ

R2

D

C1

Urc

Uđk

R3

+Ung

-Ung

R5

+

Tr2

R4

T BAX

Tr1

C

D1

U'A

U

t

t

UAT

Urc

0

0

π

t

t

t

UB

Uđk

ib

Xđk

0

0

0

Hình III.17 Giản đồ các đường cong dòng điện và điện áp

Giải thích hoạt động : khâu đồng pha cho ta điện điện áp UA' Đó là điện áp

Urc dương Điện áp tựa này được so sánh với điện áp điều khiển đưa vào Uđk Hai tín hiệu này giao nhau tại t1, t2 , t3 , t4

Từ 0 ÷ t1 : điện áp tựa Urc nhỏ hơn điện áp điều khiển Uđk Điện áp ra sẽ là

Ura = +Ubh (điện áp bão hòa dương)

Từ t1 ÷ t2 : Urc lớn hơn Uđk Điện áp ra sẽ nhận giá trị dấu của Urc Vì tín hiệu

Urc đưa vào cổng trừ (-) của khuếch đại thuật toán nên tín hiệu ra sẽ đảo dấu Tương tự như vậy, các chu kỳ kế tiếp lặp lại ta có điện áp UB

Ở đây chúng ta sử dụng bóng ngược (Tranzitor ) cho nên khi UB đổi dấu từ

âm sang dương thì sẽ có dòng ib (trên hình vẽ bỏ qua chu kỳ đầu tiên) Khi UB

mang dấu dương, bên trái tụ mang dấu dương Lúc này tụ C sẽ được nạp Khi UB

đổi dấu dương sang âm, tụ C xả năng lượng qua Diod D Do đó có dòng ib và dòng ic tương ứng với các xung điều khiển đưa vào để kích mở Thyristor

Tuy nhiên theo yêu cầu điều khiển Thyristor là phải điều khiển Thyristor mở

ở phần dương điện áp UAT Nhưng ở đây thời điểm mở Thyristor không đúng vì thời điểm mở Thyristor tại t1 lại không thực hiện được Trong khi đó có lệnh mở Thyristor tại t2 và t4 Muốn có xung điều khiển mở Thyristor tại t1 và t3 ta phải ra lệnh tại sườn xuống của UB Có nhiều cách để thay đổi UB, ở đây ta mắc thêm vào mạch điều khiển một khuếch đại đảo vào sau UB (hoặc sử dụng khuếch đại đảo logic vì UB là sóng vuông) Khi đó ta sẽ có dòng ib tại sườn xuống của UB nên có xung điều khiển kích mở Thyristor tại t1 và t3

Đối với việc điều chỉnh : khi thay đổi Uđk thì ta thay đổi được điện áp kích từ

và dòng điện kích từ Nguyên lý điều chỉnh điện áp là khi thay đổi Uđk từ 0 đến

Ubh thì độ rộng của điện áp kích từ Ukt sẽ tăng từ 0 đến π hay điện áp kích từ sẽ tăng từ 0 đến Uktmax

92

Hình III.18 Giản đồ các đường cong dòng điện, điện áp và điện áp tải

U

t

t

UAT

Urc

0

0

π

t

t

t

UB

Uđk

ib

Xđk

0

0

0

t

t

UD

0

0 t

Ud

Rd

Ld

TA TB TC

DA DB DC

Hình III.19 Sơ đồ mạch điều chỉnh kích từ tổng quát

III.5 Tính chọn thông số của mạch điều khiển

Việc tính toán mạch điều khiển thường được tiến hành từ tầng khuếch đại ngược trở lên Mạch điều khiển được tính xuất phát từ yêu cầu về mở xung Thyristor Các thông số cơ bản để tính mạch điều khiển :

+Điện áp điều khiển Thyristor : Ug = Uđk = 2,5(V)

+Dòng điện điều khiển Thyristor : Ig = Iđk = 0,05(A)

94

III.5.1 Tính chọn biến áp xung

Chọn vật liệu làm lõi sắt Ferit HM Lõi có dạng hình xuyến, làm việc trên một phần của đặc tính từ hóa có mật độ từ cảm bé, không có khe hở không khí +Tỷ số biến áp xung : thường máy biến áp m = 2 ÷ 3 Chọn m = 3

+Điện áp cuộn thứ cấp máy biến áp xung : U2 = Uđk = 2,5(V)

+ Điện áp cuộn sơ cấp máy biến áp xung : U1 = m.U2 = 3.2,5 = 7,5(V)

+Dòng điện thứ cấp máy biến áp xung : I2 = Iđk = 0,05(A)

+Dòng điện sơ cấp máy biến áp xung : I1 = I2/m = 0,05/3 = 0,017(A)

III.5.2 Tính tầng khuếch đại cuối cùng

Chọn Tranzitor công suất Tr2 loại 2SC9111 làm việc ở chế độ xung có các thông số :

+Tranzitor loại npn, vật liệu bán dẫn là Si

+Điện áp giữa Colecto và Bazơ khi hở mạch là : UCBO = 40V

+Điện áp giữa Emitơ và Bazơ khi hở mạch là : UEBO = 4V

+Dòng điện lớn nhất ở Colectơ có thể chịu đựng : ICmax = 500mA

+Nhiệt độ lớn nhất ở mặt tiếp giáp : Tmax = 1750C

+Hệ số khuếch đại : β = 50

+Dòng làm việc của Colectơ : IC2 = I1 = 0,05.1000 = 50mA

+Dòng làm việc của Bazơ : IB2 = IC2/β = 50/50 = 1mA

Ta thấy rằng với loại Thyristor đã chọn có công suất điều khiển khá bé Uđk = 2,5V và Iđk = 0,05A nên dòng Colectơ - Bazơ của Tr2 khá bé

Chọn nguồn cấp cho biến áp xung : E = UN = +12V Ta phải mắc thêm điện trở R7 nối tiếp với cực Emitơ của Tr2

1 7

1

265 ( )

0, 017

E U R

I

Tất cả các Diod trong mạch điều khiển đều dùng loại 1N4009 có tham số : +Dòng điện định mức : Iđm = 1,0A

+Điện áp ngược lớn nhất : UNmax = 25V

+Điện áp để cho Diod mở thông : Um = 1V

Chọn tụ C2 và R6

Điện trở R6 dùng để hạn chế dòng điện đưa vào Bazơ của Tr2, chọn R6 thỏa mãn điều kiện :

6 2

12

0, 001

B

U

I

Tụ C2 được chọn phụ thuộc vào độ rộng xung điều khiển Nó được tính :

2. 6 x

6

x

t

=

III.5.3 Chọn tầng so sánh

Mỗi kênh điều khiển phải dùng hai khuếch đại thuật toán, ta chọn loại TL084

do hãng TexasInstrument chế tạo Mỗi IC này có 4 khuếch đại thuật toán Thông

số của TL084 :

+Điện áp nguồn nuôi : Vcc = ±18V Chọn điện áp nguồn nuôi mạch điều khiển : UN = E = ±12V

+Hiệu điện thế giữa hai đầu vào : ±30V

+Nhiệt độ làm việc : Tlv = -25 ÷ 850C

+Công suất tiêu thụ : P = 680(mW) = 0,68W

+Tổng trở đầu vào : Rin = 106MΩ

+Dòng điện đầu ra : Ira = 30pA

+Tốc độ biến thiên điện áp cho phép : dU 13 ( /V s)

Dòng điện vào tốt nhất nên chọn nhỏ hơn 3mA Vì tín hiệu ở tầng so sánh đưa sang tối đa là 3mA sau khi khuếch đại nó sẽ đủ công suất để cho Tranzitor

mở bão hòa Ở đây chọn dòng vào IV = 1mA

Khuếch đại thuật toán đã chọn TL084

12

12 ( ) 1.10

V V

U

Hình III.20 Sơ đồ

chân IC TL084

14

7

6 5 4

3 2 1

10 9 8

- Vcc

+Vcc

96

Trong đó với nguồn nuôi Vcc = ±12V thì điện áp vào A1 là UV ≈ 12V Dòng điện vào được hạn chế để Ilv < 1mA Do đó ta chọn R3 = R4 = 15KΩ Khi đó

0,8 ( ) 15.10

V Vmax

U

R

12

12 ( ) 1.10

V ht V

U

= = = = Ω Tương tự như trên nên ta chọn

R5 = Rht = 15KΩ

III.5.4 Tính chọn khâu đồng pha

Điện áp tụ được hình thành do sự nạp của tụ C Mặt khác để đảm bảo điện áp

tụ có trong một nửa chu kỳ điện áp lưới là tuyến tính thì hằng số thời gian tụ nạp được Tr = R2.C = 0,005s

Chọn tụ C = 0,1μF thì điện trở R2 = Tr/C = 0,005/0,1.10-6 = 50.103Ω

Vậy R2 = 50KΩ

Điện áp ra bão hòa của khuếch đại thuật toán : Ubh = ±E ± 1 = ± 11V

Chọn bộ ghép quang DQ - TQ loại 4N35 có các thông số sau :

Điện thế cách điện : 3350V

Điện thế : Vcc = 30V

Dòng điện qua Diod quang lớn nhất là : Imax = 10mA

Chọn dòng làm việc chạy qua Diod quang : IDQ = 3mA

Vậy R1 = UV/IDQ = 30,15/3.10-3 = 10,05KΩ

III.5.5 Tạo nguồn nuôi

Tính chọn máy biến áp tạo nguồn nuôi, chọn kiểu máy biến áp ba pha ba trụ, trên mỗi trụ có bốn cuộn dây gồm một cuộn sơ cấp và ba cuộn thứ cấp

*Cuộn cấp thứ nhất

Tạo ra nguồn điện áp ±12V (có ổn áp) để cấp cho nuôi IC , các bộ điều chỉnh dòng điện, tốc độ, điện áp Nguồn này được cấp bởi cuộn dây thứ cấp a1,b1, c1

Ta dùng mạch chỉnh lưu cầu ba pha dùng Diod , điện áp thứ cấp máy biến áp nguồn nuôi : U2 = 12/2,34 = 5,13V, ta chọn U2 = 9V

Để ổn định điện áp ra của nguồn nuôi ta dùng hai vi mạch ổn áp 7812 và

7912 Thông số chung của vi mạch này :

+Điện áp đầu vào : UV = 7 ÷ 35V

+Điện áp đầu ra : Ura = 12V với IC 7812 và Ura = - 12V với IC 7912

+Dòng điện đầu ra : Ira = 0 ÷ 1A

Tụ C4, C5 dùng để lọc thành phần sóng hài bậc cao Chọn :

C4 = C5 = C6 = C7 = 470μF

*Cuộn cấp thứ hai

97

a2, b2, c2 tạo nguồn nuôi cho biến áp xung, cấp xung điều khiển cho các Thyristor (+12V) Do mức độ sụt xung cho phép tương đối lớn cho nên nguồn này không cần ổn áp Cần chế tạo cuộn dây này riêng rẽ cới cuộn dây cấp nguồn cho

IC để tránh gây sụt áp nguồn nuôi

*Cuộn cấp thứ ba

a3, b3, c3 là cuộn dây cấp điện cho bộ chỉnh lưu cầu ba pha để lấy tín hiệu âm điện áp cung cấp cho khâu phản hồi điện áp

Đối với nguồn cấp cho khâu đồng pha ta có thể sử dụng trực tiếp điện áp thứ cấp của biến áp chỉnh lưu đưa vào khâu đồng pha

7812

7912

+12V

-12V 400V∼

C4

C5

C6

C7

O

c2

b2

a2

c1

b1

a1

C

B

A

RV1

C'

98

Hình III.21 Sơ đồ nguyên lý tạo nguồn nuôi mạch điều khiển

III.6 Tính chọn khâu phản hồi

III.6.1 Sơ đồ khâu phản hồi dòng

III.22 Khâu phản hồi dòng

RV1

Uđặt

U

R8

R9

R11

RV3

Uph.I

DZ2

Hình III.22 Sơ đồ mạch cộng đảo

Khâu đồng pha tạo ra điện áp răng cưa Urc tại nút A là U'A Tín hiệu ra của khâu này cùng pha với tín hiệu vào Điện áp răng cưa được gởi qua khâu so sánh

A2 Tại đây A2 thực hiện phép so sánh giữa điện áp răng cưa Urc và điện áp điều khiển Uđk

Nguyên lý ổn định điện áp trong sơ đồ được mô tả như sau :

Điện áp điều khiển Uđk được lấy từ mạch cộng đảo A3 bởi ba tín hiệu Uđặt,

Uph.U và Uph.I

Hệ thống ổn định điện áp ở đầu cực máy phát xoay chiều không máy phụ Đại lượng cần điều chỉnh là điện áp đầu cực máy phát xoay chiều Umf vàø dòng điện Imf Giá trị chủ đạo của Uđk được phát từ biến trở RV1, đó là giá trị Uđặt có nguồn cung cấp +E được lấy từ nguồn +12V và 0 của vi mạch ổn áp 7812 qua điện trở R8 Xác định giá tri tín hiệu điều khiển :

dk dat ph U ph I

Trong đó :

K : Hệ số điện trở

Uđặt : Điện áp lấy từ chiết áp RV1 qua R8

Uph.U : Điện áp phản hồi tỷ lệ với điện áp máy phát được lấy từ chiết áp RV2 qua R9

Uph.I : Điện áp phản hồi dòng được lấy từ chiết áp RV3 qua điện trở R10

Khi phụ tải của máy phát giảm thì điện áp cuỉa máy phát Umf tăng lên Lúc này nhiệm vụ của mạch ổn định điện áp là phải giảm dòng kích từ (Ikt) tức là giảm

Ukt hoặc giảm Uđk để điện áp của máy phát giảm về mức ổn định cho phép Với

sơ đồ mạch điều khiển được thiết kế có phản hồi âm điện áp, dương dòng điện thì khi Umf tăng dẫn đến Uph.U tăng và Uph.I giảm (có ngắt nên Uph.I = 0) ta

có : Uđk = -K(Uđặt - Uph.U)

Mà Uph.U tăng nên dẫn đến Uđk giảm kéo theo Ukt giảm và Umf giảm về mức

ổn định