BÁO CÁO-Chương 3. Thiết kế mạch điều khiển

Trong mạch điều khiển gồm các khâu sau: - Khâu đồng pha: có nhiệm vụ tạo ra điện áp Urc thượng gặp là điện áp răng cưa tuyến tính trùng pha với điện áp anod của Thyristor.. - Khâu so sán

Chương 3 Thiết kế mạch điều khiển 3.1 Giới thiệu vác khâu điều khiển cần thiết

Để mạch động lực hoạt động thì cần có mạch điều khiển Trong mạch điều khiển gồm các khâu sau:

- Khâu đồng pha: có nhiệm vụ tạo ra điện áp Urc thượng gặp là điện

áp răng cưa tuyến tính) trùng pha với điện áp anod của Thyristor

- Khâu so sánh: nhận tín hiệu điện áp răng cưa và điện áp điều khiển, có nhiệm vụ so sánh giữa điện áp tựa với điện áp điều khiển Udk, tìm thời điểm với điện áp này bằng nhau (Udk = Urc) Tại thời điểm hai điện áp này bằng nhau thì phát xun ở đầu ra để gửi sang tầng khuyếch đại

- Khâu tạo xung: có nhiệm vụ tạo xung phù hợp để mở Thyristor Xung để mở Thyristor cần phải: sườn trước dốc thẳng đứng để đảm bảo yêu cầu Thyristor mở tức thời khi có xung điều khiển; đủ độ rộng; đủ công suất; cách ly giữa mạch điều khiển và mạch động lực( khi điện áp quá lớn)

- khâu khuyếch đại: với nhiệm vụ tạo xung phù hợp để mở Thyristor, tầng này thường được thiết kế bằng Tranzitor công suất

3.2 Tính toán các khâu điều khiển

Viêc tính toán mạch điều khiển thường được tiến hành từ tầng khuyếch đại ngược trở lên

Mạch điều khiển được tính xuất phát từ yêu cầu chung để mở Thyristor

3.2.1 Tính biến áp xung

- Chọn vật liệu làm bằng lõi thép Ferit HM Lõi có dạng hình xuyến, làm việc trên một phần của đặc tính từ hóa có: ∆B = 0,3 T, ∆H = 30 A/m, không có khe hở không khí

- Tỷ số biến áp xung: thường m = 23, chọn m = 3

- Điện áp cuộn thứ cấp máy biến áp xung: U2 = Udk = 2,5 V

- Điện áp đặt lên cuộn sơ cấp máy biến áp xung: U1= m.U2 = 3.2,5 =

7 V

- Dòng điện thứ cấp biến áp xung: I2 = Idk = 0,06 A

- Dòng điện thứ cấp biến áp xung: I1 = I2/m = 0,06/3 = 0,02 A

- Độ từ thẩm trung bình tương đối của lõi sắt: µtb = ∆B/µ0 ∆H = 8.103

Thể tích của lõi thép cần có:

V = Q.L = (µtb µ0 tx sx U1 I1)/ ∆B2

Thay số vào ta được:

V = ( 8.103 1,25.10-6 100.10-3 0,5 7 0,02)/0,32 = 3,47.10-6 m3 = 0,9

cm3

Chọn mạch từ OA-25/40-5 có thể tích V = Q.l = 0,375.10,2 = 3,38

cm3, với thể tích đó ta có kích thước mạch từ như sau:

a = 7,5 mm; b = 5mm; Q = 0,375 cm3 = 37,5 cm3; Qcs = 4,9 cm2; d =

25 mm; D = 40 mm Chiều dài trung bình mạch từ l = 10,2 cm

Số vòng quấn dây sơ cấp biến áp xung:

Theo định luật cảm ứng điện từ:

U1 = w1.Q dB/dt = w1.Q ∆B/tx

w1 = U1.tx/∆B.Q = 9.100.10-3

/0,3.37,5 = 80 vòng

Số vòng dây thứ cấp: W2 = w1/m = 80/3 = 27 vòng

Tiết diện dây quấn thứ cấp:

S1 = I1/J1 = 66,6.10-3/6 = 0,0112 mm2

Chọn mật độ dòng điện J1 = 6 (A/mm2)

- Đường kính dây quấn sơ cấp:

mm

S

d 4 1 0 , 119



Chọn d1 = 0,12mm, S1 = 0,0113mm2

Tiết diện dây quấn thứ cấp: S2 = I2/J2 = 0,2/4 = 0,05mm2

Chọn mật độ dòng điện J2 =4 A/mm2

Đường kính dây quấn thứ cấp: d 4S2 0 , 252mm



Chọn dây có đường kính d2 =0,27 mm, S2 = 0,0575 mm2

Kiểm tra hệ số lấp đầy:

005 , 0 490

27 0572 , 0 80 0113 , 0

. 1 2 2



cs ld

Q

W S W S K

Như vậy, của sổ đủ diện tích cần thiết

3.2.2 Tính tầng khuyếch đại cuối cùng

Chọn Tranzitor công suất Tr3 loại 2SC9111 làm việc ở chế độ xung

có các thông số:

Tranzitor loại npn, vật liệu bán dẫn Si

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

Điện áp giữa Emito và Bazơ khi hở mạch Colecto: UEBO = 4 V

Dòng điện lớn nhất của Colecto có thể chịu đựng Icmax = 500 mA

Công suất tiêu tán của Colecto: Pc = 1,7 W

Nhiệt độ lớn nhất ở mặt tiếp giáp: T1 = 1750C

Hệ số khuyếch đại: β = 50

Dòng làm việc của Colecto: Ic3 = 33,3 A

Dòng làm việc của Bazơ: IB3 = Ic3/ β = 33,3/50 = 0,66 mA

Chọn nguồn cấp cho biến áp xung: E = +12 V ta mắc thêm điện trở

R10 nối tiếp với cực Emito của Tr3

R10 = (E-U1)/I1 = 92 Ω

Tất cả các diode trong mạch điều khiển đều dùng loại 1N4009 có tham số:

- Dòng điện định mức: Idm = 10 A

- Điện áp ngược lớn nhất: UN = 25 V

- Điện áp để cho diode mở thông: Um = 1 V

3.2.3 Chọn cổng AND

Toàn bộ mạch điện phải dùng 6 cổng AND nên ta chọn hai IC 4081

họ CMOS Mỗi IC 4081 có 4 cổng NAD, có các thông số:

Nguồn nuôi IC: Vcc = (318) V, ta chọn: Vcc = 12 V

Nhiệt độ làm việc: -400

C800C Điện áp ứng với logic: "1": 24,5 V

Dòng điện nhỏ hơn 1mA

Công suất tiêu thụ P = 2,5 mW/1 cổng

3.2.4 Chọn tụ C 3 và R 9

Điện trở R9 dùng để hạn chế dòng đưa vào Bazơ của Tranzitor Tr3, chọn R9 thỏa mãn diều kiện:







I

U

R

b

6 10 2

12

3 3

9

Trong đó:

U = 12 V; Ib3 = 2mA< 10mA

Chọn C3.R9 = tx =100 Suy ra C3 = tx/R9

C = 100/6,8.103 = 0,014µF Chọn C3 = 0,0 µF

3.2.5 Tính chọn bộ tạo xung chùm

Mỗi kênh điều khiển phải dùng 4 khuyếch đại thuật toán, do đó ta chon 6 IC loại TL084 do hãng Texas Instruments chế tạo, mỗi IC này có 4 khuyếch đại thuật toán Thông số củ TL048:

Điện áp nguồn nuôi: Vcc = ± 18 V, chọn Vcc = ± 12 V

Hiệu điện thế giữa hai đầu vào: ± 30 V

Nhiệt độ làm việc: T = -25850C

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

Tổng trở đầu vào: Rin = 106MΩ

Dòng điện đầu ra: Ira = 30 pA

Tốc độ biến thiên điện áp cho phép: du/dt = 13 V/µs

Mạch tạo chùm xung có tần số: fx = 1/2tx = 1/2.100 = 5 kHz hay tru kỳ của xung trùm

T = 1/f = 200 µs; ta c ó: T = 2.R8C2.ln( 1+2.R8/R7)

Chọn R6 = R7 = 33 kΩ thì T = 2,2.R8.C2 = 200 µs

Vậy: R8.C2 = 90 µs

Chọn tụ C2 = 0,1 µF có điện áp U = 16 V; R8 = 0,9Ω

Đểm thuận tiện cho việc điều chỉnh khi lắp mạch thì ta chọn R8 là biến trở 1 kΩ

3.2.6 Tính chọn tầng so sánh

Khuyếch đại thuật toán đã chọn loại TL084

Trong đó nếu nguồn nuôi Vcc = ± 12 V Thì điện áp vào A3 là Uv = 12

V

Dòng điện vào được hạn chế để Ilv < 1 mA

Chọn R4 = R5 > Uv/Iv = 12/1.10-3 = 12 kΩ

Do đó ta chọn R4 = R5 = 15 kΩ khi có dòng vào A3:

Ivmax = 12/(15.109) = 0,8 mA

3.2.7 Tính chọn khâu đồng pha

Điện áp tụ được hình thành do sự nạp của tụ C1, 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 = R3.C1 = 0,005s

Chọn tụ C1 = 0,1 µs thì điện trở R3 = Tr/C1 = 0,005/0,1.10-6

Vậy R3 = 50.103 Ω = 50 kΩ

Để thuận tiện ch điều chỉnh khi lắp ráp mạch R3, thường chọn là biến trở lớn hơn 50 kΩ chọn Tranzito Tr1 loại A564 có các thông số:

Tranzito loại NPN làm bằng Si

Điện áp giữa Colecto và Bazơ khi hở mạch Emito: UCBO = 25 V

Điện áp giữa Emito và Bazơ khi hở mạch Colecto: UEBO = 7 V

Dòng điện lớn nhất của Colecto có thể chịu đựng Icmax = 100 mA

Nhiệt độ lớn nhất ở mặt tiếp giáp: Tcp = 1500C

Hệ số khuyếch đại: β = 250

Dòng cực đại của Bazơ: IB3 =Ic /β = 100/250 = 0,4 mA

Điện trở R2 để hạn chế dòng điện đi vào Bazơ Tranzito Tr1 được chọn như sau:

Chọn R2 thỏa mãn điều kiện: R2 > UNmax/IB = 12/0,4.10-3 = 30 kΩ

Chọn R2 = 30 kΩ

Chọn điện áp xoay chiều đồng pha: UA = 9 V

Điện trở R1 để hạn chế dòng điện khuyếch đại thuật toán A1, thường chọn R1 sao cho dòng vào khuyếch đại thuật toán IV < 1 mA Do đó:

R1 > UA/IV = 9/1.10-3 = 9 kΩ Chọn R1 = 10 kΩ

3.2.8 Tạo nguồn nuôi

Thiết kế máy biến áp dùng cho cả việc tạo điện áp đồng pha và tạo nguồn nuôi, chọn kiểu biến áp 3 pha 3 trụ, trên mỗi trụ có 5 cuộn dây, một cuộn sơ cấp và bốn cuộn thứ cấp

Cuộn thứ cấp thứ nhất

Cấu tạo ra nguồn điện áp ± 12 V để cấp cho nuôi IC, các bộ điều chỉnh dòng điện, tốc độ và điện áp đặt tốc độ Nguồn này được cấp bởi ba cuộn dây thứ cấp

Hai chỉnh lưu tia 3 pha để tạo điện áp nguồn nuôi đối xứng cho IC Điện áp đầu ra của ổn áp chọn 12V Điện áp vào của IC ổn áp chọn 20V Điện áp thứ cấp các cuộn chọn là:

V

2 20

Chọn U21 = 14V

Để ổn định điện áp ra của nguồn nuôi ta dùng 2 vi mạch ổn áp 7812

và 7912, các thông số chung của vi mạch này như sau:

Điên áp đầu vào: UV = 735 V

Điện áp đầu ra: IC 7812 có Ura = 12V

IC 7912 có Ura = -12V Dòng điện đầu ra: Ira = 01 A

Tụ điện C1, C2 dùng để lọc phần song hài bậc cao

Chọn tụ C1 = C2= C3= C4= 470 µF; U = 35 V

Cuộn thứ cấp thứ 2: 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 lên nguồn này không cần ổn áp Mỗi khi phát xung điều khiển công suất xung đáng kể, nên cần tạo cuộn dây này riêng rẽ với cuộn dây cấp nguồn IC, để tránh gây sụt áp nguồn nuôi IC

Cuộn thứ cấp thứ 3,4 là các cuộn dây đồng pha Các cuộn dây này

cần lấy trung thực điện áp hình sin của lưới, tốt nhất nên quấn biến áp riêng Tuy nhiên, theo kinh nghiệm có thê quấn chung với biến áp nguồn

nuôi cũng có thể được 3.2.9 Tính toán máy biến áp nguồn nuôi và đồng pha

1) Điện áp lấy ra ở thứ cấp cuộn dây nguồn nuôi IC: U21 = 14V 2) Công suất tiêu thụ ở 6 IC TL084 sử dụng làm khuyếch đại thuật toán ta chọn hai IC TL084 để tạo 6 kênh điều khiển và 2 cổng AND

PIC = 8.0,68 = 5,12 W

3) Công suất BAX cấp cho cực điều khiển Thyristor

Px = 6.UNX.Idk = 6.3.0,2 = 3,6 W

4) Điện áp ba pha thứ cấp cuộn dây nguồn nuôi biến áp xung

3 2

12

22   ; chọn 5V

5) Điện áp lấy ra ở thứ cấp cuộn dây đồng pha U3,4 = 5V

6) Dòng điện chạy qua cuộn dây đồng pha chọn 10mA

7) Công suất các cuộn dây đồng pha

Pdf = 6 Udf.Idf = 6.50.0,1 = 0,3 W

8) Công suất sử dụng cho việc tạo nguồn nuôi

PN = Pdf + PIC + Px

PN = 0,3 + 5,12 + 3,6 = 9,02 W

9) Công suất của máy biến áp có kể đến 5% tổn thất trong máy:

S = 1,05.PN = 1,05.9,02 = 9,471 VA

10) Dòng điện sơ cấp máy biến áp:

I1 = S/3.U1= 9,471/3.220 ≈0,01435 A

11) Tiết diện trụ của máy biến áp được tính theo công thức:

2

51 , 1 50 3

471 , 9 6

m

S k

Ta chọn chuẩn hóa tiết diện trụ theo bảng

Qt = 1,63 cm2

Kích thước mạch từ là thép dày σ = 0,5 mm

Số lượng lá thép: 68 lá

a = 12 mm

b = 16 mm

h = 30 mm

hệ số ép chặt kc = 0,85

12) Chọn mật độ từ cảm B= 1T ở trụ ta có số vòng dây sơ cấp:

6080

44 , 4

1

T Q B f U

13) Chọn mật độ dòng điện J1 = I2 = 2,75 A/mm2

14) Tiết diện dây quấn sơ cấp:

W11 = 0,0052 mm2

15) Đường kính dây sơ cấp:

W12 = 0,081 mm

16) Số vòng dây quấn thứ cấp W21

940 220

34 6080

1

2 1

U

U W

17) Số vòng dây quấn thứ cấp W22

135 220

91 , 4 6080

1

22 1

U

U W

18) Số vòng dây quấn thứ cấp W23

138 220

5 6080

1

23 1

U

U W

19) Đường kính dây quấn các cuộn thứ cấp vì kích thước nhỏ không đáng kể chọn 0,26 mm

Các thông số còn lại của biến áp nguồn nuôi được tính như đã giới thiệu

20) Tính chọn diode cho bộ chỉnh lưu nguồn nuôi:

- Dòng điện hiệu dụng qua diode:

A

I

12 , 2

12 , 5 3

1

 

- Điện áp ngược lớn nhất mà diode phải chịu:

V U

U Nmax 6 21  2 , 45 14  34 , 3

- Chọn diode có điện áp ngược lớn nhất:

Un = ku.UNmax = 2.34,3 = 68,6 V

Chọn diode loại KII208A có các thông số:

- Dòng điện định mức: Idm = 1,5 A

- Điện áp ngược cực đại của diode: UN = 100 V

3.3 Ghép nối thành sơ đồ hoàn chỉnh