TÍNH CHỌN MẠCH ĐIỀU KHIỂN

ĐỒ ÁN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT - THẾT KẾ CHỈNH LƯU CẦU 3 PHA ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ ĐIỆN 1 CHIỀU KÍCH TỪ ĐỘC LẬP ..CHƯƠNG 4

Chương IV TÍNH CHỌN MẠCH ĐIỀU KHIỂN

4.1.1 Sơ đồ nguyên lý:

Hình 4-1 : Sơ đồ khối điều khiển thyristor

4.2 Nguyên tắc điều khiển :

Trong thực tế người ta thường dùng hai nguyên tắc điều khiển sau : “ Thẳng đứng tuyến tính và thẳng đứng arccos ” , để thực hiện vị trí xung trong nửa chu kỳ dương của điện áp đặt trên thyristor

4.2.1.Nguyên tắc điều khiển thẳng đứng tuyến tính :

Theo nguyên tắc này người ta thường dùng hai điện áp :

- Điện áp đồng bộ ( Us ) , đồng bộ với điện áp đặt trên anôt – catôt của thyristor , thường đặt vào đầu đảo của khâu so sánh

- Điện áp điều khiển ( Ucm ) , là điện áp một chiều , có thể điều chỉnh được biên độ Thường đặt vào đầu không đảo của khâu so sánh

Do vậy hiệu điện thế đầu vào của khâu so sánh là :

Ud = Ucm – Us ;Khi Us = Ucm thì khâu so sánh lật trạng thái , ta nhận được sường xuống của điện áp đầu ra của khâu so sánh Sườn xuống này thông qua

đa hài một trạng thái bền ổn định tạo ra xung điều khiển

Hình 4-2 : Nguyên tắc điều khiển thẳng đứng tuyến tính :

Như vậy bằng cách làm biến đổi Ucm , ta có thể điều chỉnh được thời điểm xuất hiện xung ra , tức là điều chỉnh góc α

GVHD: TRƯƠNG THỊ BÍCH THANH SVTH: LÊ XUÂN TRUNG

Ucm

Us

Giữa α và Ucm có quan hệ sau :

U

π ; Người ta lấy Ucmmax = Usmax ;

4.2.2 Nguyên tắc điều khiển thẳng đứng arccos :

Theo nguyên tắc này người ta dùng hai điện áp :

- Điện áp đồng bộ Us , vượt trước UAK = Um Sinωt của thyristor một góc π2

Khi Us = Ucm , ta sẽ nhận được một xung rất mảnh ở đầu ra của khâu

so sánh khi khâu này lật trạng thái

U

) ;(3-2)

Khi Ucm = Um thì α = 0 ;Khi Ucm = 0 thì α = π2

;Khi Ucm = - Um thì α = π ;

Hình 4-3 : Nguyên tắc điều khiển thẳng đứng arcoss

Như vậy , khi điều chỉnh Ucm từ trị Ucm = +Um , đến trị Ucm = -Um ta

Ucm

ωt π

Để khắc phục nhược điểm trên về dãi điều chỉnh của sơ đồ ở hình 3–5a người ta sử dụng sơ đồ tạo điện áp tựa bằng sơ đồ trên hình 3-5b Theo

sơ đồ này , điện áp tựa có phần biến thiên tuyến tính phủ hết nửa chu kỳ điện áp Do vậy khi cần điều khiển điện áp từ không tới cực đại là hoàn toàn có thể đáp ứng được

Dưới đây ta gới thiệu một số khâu đồng pha cơ bản và ta chọn hình d;

Hình 4-4 : Một số khâu đồng pha điển hình

Với sự ra đời của các linh kiện ghép quang , ta có thể sử dụng sơ đồ tạo điện áp tựa bằng bộ ghép quang như hình 3-5c Nguyên lý và chất lượng của hai sơ đồ trên hình 3-5b và 3-5c tương đối giống nhau Ưu điểm của sơ đồ trên hình 3-5c ở chổ không cần biến áp đồng pha , do đó

có thể đơn giản hơn trong việc chế tạo và lắp đặt

GVHD: TRƯƠNG THỊ BÍCH THANH SVTH: LÊ XUÂN TRUNG

Ghép quang

uv

R1D

R2

uraC

+12

+12

-12 _

+

+ _

Các sơ đồ trên đều có chung nhược điểm là việc mở , khoá các

tranzitor trong vùng điện áp lân cận 0 là thiếu chính xác , làm cho việc nạp, xã tụ trong vùng điện áp lưới gần 0 không được như ý muốn

Ngày nay các vi mạch được chế tạo ngày càng nhiều , chất lượng ngày càng cao , kích thước ngày càng gọn , ứng dụng các vi mạch vào thiết kế mạch đồng pha có thể cho ta chất lượng điện áp tựa tốt Trên sơ

đồ 3-5d mô tả việc taọ điện áp tựa dùng khếch đại thuật toán

Hình 4-5 : Giản đồ của khâu đồng pha từ hình 3-5d là

4.3.2 Khâu so sánh :

Một số sơ đồ khâu so sánh thường gặp như sau ta chọn hình 3-6b

Hình 4-6 : Các khâu so sánh thường gặp a) Bằng tranzitor ; b) Bằng một cổng đảo của khếch đại thuật toán ;

c) Hai cổng khếch đại thuật toán ;

Để xác định được thời điểm cần mở thyristor , cần so sánh hai tín hiệu Udk và Urc, việc so sánh hai tín hiệu đó có thể được thực hiện bằng tranzitor (Tr) như trên

hình 3-6a Tại thời điểm Udk = Urc đầu vào Tr lật trạng thái khoá sang mở( hay ngược lại từ mở sang khoá ) , làm cho điện áp ra cũng bị lật trạng thái , tại đó ta đánh dấu được thời điểm cần mở thyristor

Với mức độ mở bảo hoà của Tr phụ thuộc vào hiệu Udk ± Urc = Ub , hiệu này có một vùng điện áp nhỏ hàng vài mV , làm cho Tr không làm việc ở chế độ đóng cắt như mong muốn , do đó nhiều khi làm thời điểm

mở thyristor bị lệch khá xa so với điểm cần mở tại Udk = Urc

Khếch đại thuật toán có hệ số khếch đại vô cùng lớn , chỉ cần một tín hiệu rất nhỏ (cỡ µV) ở đầu vào , đầu ra đã có điện áp nguồn nuôi , nên việc ứng dụng khếch đại thuộc toán làm khâu so sánh là hợp lý Các sơ đồ

so sánh dùng khếch đại thuật toán như hình 3-6b, c rất thường gặp trong các sơ đồ hiện nay Ưu điểm hơn hẳn của các sơ đồ này là có thể phát xung điều khiển chính xác tại Udk = Urc

Hình 4-7 : Sơ đồ so sánh hai tín hiệu khác dấu

4.3.3 Khâu khếch đại :

Với nhiện vụ tạo xung phù hợp để mở thyristor tầng khếch đại cuối cùng thường được thiết kế bằng tranzitor công suất , như hình 3-8a Để có xungdạng kim gửi tới thyristor ta dùng biến áp xung , để có khếch đại công suất

ta dùng Tr , điot D bảo vệ Tr và cuộn dây sơ cấp biến áp xung khi Tr khoáđột ngột Mặt dù với ưu điểm đơn giản , nhưng sơ đồ này không được dùng rộng rãi , bởi lẽ hệ số khếch đại của Tranzitor loai này nhiều khi không đủ lớn , để khếch đại được tín hiệu từ khâu so sánh đưa sang

Tầng khếch đại cuối cùng bằng sơ đồ Darlington như hình 3-8b , Thường hay được dùng trong thực tế Sơ đồ này hoàn toàn có thể đáp ứngđược yêu cầu về khếch đại công suất , khi hệ số khếch đại được nhân lên hteo thông số của các Tranzitor

Trong thực tế xung điều khiển chỉ cần có độ rộng bé ( cỡ khoảng 10 đến 200 µs ), mà thời gian mở thông các Tranzitor công suất dài tối đa một nửa chu kỳ cỡ 0,01s , làm cho công suất toả nhiệt dư của Tr quá lớn

và kích thước dây quấn sơ cấp biến áp dư lớn Để giảm nhỏ công suất toả nhiệt Tr và kích thước dây quấn sơ cấp máy biến áp xung , ta có thể thêm

tụ nối tầng như hình 8-3c Theo sơ đồ này , Tr chỉ mở cho dòng điện chạy

GVHD: TRƯƠNG THỊ BÍCH THANH SVTH: LÊ XUÂN TRUNG

U

-Vsat

+Vsat0

Udk

Urc

θ θ

qua trong khoảng thời gian nạp tụ , nên dòng điện hiệu dụng của chúng bé hơn nhiều lần

Hình 4-8 : Sơ đồ các khâu khếch đại và phân phối xung :

a)Bằng tranzitor công suất , b) Bằng sơ đồ Darlington , c) Sơ đồ có tụ nối tầng ;

4.3.4 Khâu tạo xung chùm :

Đối với sơ một đồ mạch , để giảm dòng công suất cho tầng khếch đại

và tăng số lượng cho xung kích mở , nhằm đảm bảo cho thyristor mở một cách chắc chắn , người ta hay phát xung chùm cho các thyristor Nguyên tắc phát xung chùm là trước khi vào tầng khếch đại , ta đưa chèn thêm mộtcổng AND ( & ) với tín hiệu vào nhận từ tầng so sánh và từ bộ phát xung chùm như hình 4-9

BAX

a)

+E

uvR

D Tr

BAX

Tr1

D C

Hình 4-9 : Sơ đồ phối hợp tạo xung chùm

Vi mạch 555 tạo xung đồng hồ ( hình 3-11 ) cho ta chất lượng xung khá tốt và sơ đồ cũng đơn giản Sơ đồ này thường hay gặp trong các mạch tạo xung

Hình 4-10 : a ) :Sơ đồ tạo xung chùm dùng vi mạch 555

b ) Sơ đồ tạo xung chùm đa hài bằng khếch đại thuật toán

c ) Sơ đồ tạo xung chùm tạo bằng mạch khếch đại thuật toán

-12 A

Hình 3-11 : Đồ thị dạng sóng của khâu tạo xung chùm Trong thiết kế mạch điều khiển , thường hay sử dụng khếch đại thuật toán Do đó để đồng dạng về linh kiện , khâu tạo xung chùm cũng có thể

sử dụng khếch đại thuật toán như các sơ đồ trên hình 3-11b,c Tuy nhiên

ở đây sơ đồ dao động đa hài (hình 3-11b) có ưu điểm hơn về mức độ đơn giản do đó được sử dụng khá rộng rãi trong các mạch tạo xung chữ nhật ,

ta chọn hình 3-11b

4.4 Sơ đồ mạch điều khiển và nguyên lý hoạt động

Từ các khâu đã giớ thiệu ở trên ta chọn được sơ đồ điều khiển một kênh như hình 3-13

Hoạt động của mạch điều khiển ở hình 3-13 được giải thích như sau :Điện áp vào tại điểm A (UA) có dạng hình sin , trùng pha với anôt củathyristor , qua khếch đại thuật toán A1 cho ta chuổi xung chữ nhật đối xứng UB Phần điện áp dương của điện áp chữ nhật UB qua điôt D1 tới A2tích phân thành điện áp tựa Urc Phần áp âm của điện áp UB làm mở thông Tranzitor Tr1 , kết quả là A2 bị ngắn mạch

( Với Urc = 0 ) trong vùng UB âm Trên đầu ra của A2 ta có chuổi điện áp răng cưa Urc gián đoạn

Điện áp Urc được so sánh với điện áp điều khiển Udk tại đầu vào của

A3 Tổng đại số Urc + Udk quyết định dấu điện áp đầu ra của khếch đại thuật toán A3 Trong khoảng thời gian từ 0 → t1 với Udk > Urc , điện áp UD

âm Trong khoảng t1 → t2 , điện áp Udk và Urc đổi ngược lại , làm cho UDlật lên dương Các khoảng thời gian tiếp theo giải thích điện áp UD tương

tự

Mạch đa hài tạo xung chùm A4 cho ta chuổi xung tần số cao , với điện áp UE trên hình 3-13 Dao động đa hài có tần số hàng chục kHz , ở đây chỉ mô tả điịnh tính

Hai tín hiệu UD và UE cùng được đưa tới khâu “AND ” hai cổng vào Khi đồng thời có cả hai tín hiệu dương UD , UE ( Trong các khoảng t1 →

t2, t4 → t5 ) ta sẽ có xung UF làm mở thông các Tranzitor, kết quả là ta nhận được chuổi xung nhọn Xdk trên biến áp xung , để đưa tới mở thyristor

T

Điện áp Ud sẽ suất hiện trên tải từ thời điểm có xung điều khiển đầu tiên , tai các thời điểm t2 , t4 trong chuổi xung điều khiển , của mổi chu kỳ điện áp nguồn cấp , cho tới cuối bán kỳ điện áp dương anôt

Hiện nay đã có nhiều hãng chế tạo các vi xử lý chuyên dụng để điều khiển các thyristor rất tiện lợi Tuy nhiên những linh kiện loại này chưa được phổ biến trên thị trường

GVHD: TRƯƠNG THỊ BÍCH THANH SVTH: LÊ XUÂN TRUNG

Hình 4-13 : Giản đồ các đường cong mạch điều khiển

GVHD: TRƯƠNG THỊ BÍCH THANH SVTH: LÊ XUÂN TRUNG

UA

ωt

ωt ωt

ωt

ωt

ωt ωt

4.5.Tính toán các thông số mạch điều khiển :

Sơ đồ một kênh điều khiển chỉnh lưu cầu ba pha được thiết kế theo sơ đồ hình 3-13 Tính toán mạch điều khiển thường được tiến hành từ tầng khếch đại ngược trở lên

Mạch điều khiển được tính xuất phát từ yêu cầu về xung mở thyristor Các thông số cơ bản để tính mạch điều khiển :

+ Điện áp điều khiển thyristor : Udk = 1,4 V ;

+ Dòng điện điều khiển thyristor : Idk = 150 mA :

+ Thời gian mở thyristor : tm = 180 µs ;

+ Độ rộng xung điều khiển : tx = 360 µs ;

1,389

2 2.360.10

x x

- Tỷ số biến áp xung : thường m = 2 ÷ 3 ta chọn m = 3 ;

- Điện áp cuộn thứ cấp máy biến áp xung U2 = Udk = 1,4 V ;

- Điện áp đặt lên cuộn sơ cấp máy biến áp xung :

150 50( ) 0,05( ) 3

t x x

tb

∆

µ µ

Q= 0,27cm2=27mm2 ;

Hình 4 –14 Lỏi máy biến áp xung

+ Số vòng dây quấn sơ cấp máy biến áp xung:

Theo định luât cảm ứng điện tử:

6 1

W W 360.10 4, 2

0, 27.0,3.10

x x

50.10

0,0083 6

2

2

150.10

0, 0375( ) 4

Tranzitor loại N-P-N , vật liệu bán dẫn là silic

Điện áp giữa colectơ và bazơ khi hở mạch emitơ là : UCBO = 40 V ;Điện áp giữa emitơ và bazơ khi hở mạch colectơ là : UEBO = 4 V;Dòng điện lớn nhất ở colectơ có thể chịu đựng : ICmax = 500

Dòng làm việc của colectơ : IC3 = I1 = 50

mA ;

Dòng làm việc của bazơ : IB3 = 3 50

1 50

Udk = 1,4 (V), Idk = 150 mA = 0,15 A , nên dòng colectơ – bazơ của

tranzitor Tr3 khá bé , trong trường hợp này ta có thể không cần tranzitor Tr2

mà vẫn có cùng công suất điều khiển tranzitor

Chọn nguồn cấp cho máy biến áp xung : E = +12 V Với nguồn E =

12 V ta phải mắc thêm điện trở R10 nối tiếp với cực emitơ của Tr3

R10 = 1

3 1

12 4, 2

156 50.10

E U

Ω ;Tất cả các điôt trong mạch điều khiển dùng loại 1N4009 , có các tham số :

- Dòng điện định mức : Idm = 10 mA ;

- Điện áp ngược lớn nhất : UN = 25 V ;

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

4.5.3 Chọn cổng AND :

Toàn bộ mạch điều khiển phải dùng 12 cổng AND nên ta chọn hai IC

4081 họ CMOS Mổi IC 4081 có 4 cổng AND Các thông số của cổng AND là :

4 3 2

1

Hình 4-15 : Sơ đồ chân của IC 4081

4.5.5 Tính chọn bộ tạo xung chùm :

Mổi kênh điều khiển phải dùng bốn khếch đại thuật toán , do đó ta chọn IC loại TL 084 do hãng Texas Intruments chế tạo các IC này có khếch đại toán

Các thông số của TL 084 :

- Điện áp nguồn nuôi : Vcc = ± 12 V ;

- Hiệu điện thế giữa hai đầu vào : U = ± 30 V ;

GVHD: TRƯƠNG THỊ BÍCH THANH SVTH: LÊ XUÂN TRUNG

14

Ucc

7 6

5 4 3 2

1

11

_

_ _

_

+ +

= 6 kΩ ;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

Do đó ta chọn R4 = R5 = 15 kΩ , khi đó dòng điện vào A3 là :

Tr = R3.C1 = 0,005 s Chọn tụ C1 = 0,1 µF , thì điện trở R3 = 6

1 0 , 1 10

005 , 0

Để thuận tiện cho việc điều chỉnh khi lắp ráp mạch , R3 thường chọn

là biến trở lớn hơn 50 kΩ Chọn tranzitor Tr1 loại A564 có các thông số sau :

- Tranzitor loại P-N-P , làm bằng silic

- Điện áp giữa colectơ và bazơ khi hở mạch emitơ là : UCBO = 25 V ;

- Điện áp giữa emitơ và bazơ khi hở mạch colectơ là : UEBO = 7 V;

- Dòng điện lớn nhất ở colectơ có thể chịu đựng : ICmax = 100 mA ;

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

- Hệ số khếch đại : β = 250 ;

- Dòng điện làm việc cực đại của bazơ : IB3 = IβC =100250

= 0,4 mA ;Điện trở R2 để hạn chế dòng điện đi vào bazơ của tranzitor Tr1 , và được chọn như sau :

Chọn R2 sao cho R2 ≥ 3

max

10 4 , 0

U

= 30 kΩ ;Chọn R2 = 30 kΩ ;

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

Điện trở R1 để hạn chế dòng điện đi vào khếch đại thuật toán A1 ,

thường chọn R1 sao cho dòng vào khếch đại thuật toán IV < 1 mA

U

= 9 kΩ ;Chọn R1 = 10 kΩ ;

là chọn và tính toán phức tạp đòi hỏi phải có kỹ thuật chuyên môn cao Sự

ra đời của các vi mạch ổn áp họ 7812 và 7912 cho phép đơn giản hoá quá trình này , vì vậy nó được sử dụng rộng rãi trong thực tế

Vi mạch IC 7812 thường có ba chân , chân đầu vào , chân đầu ra và chân nối đất

Do có nhiều hãng sản xuất ra loại IC này do đó hình dáng bên ngoài và thứ tự của các chân có khác nhau

Vì vậy để ổn định điện áp ra của nguồn nuôi , ta dùng hai vi mạch ổn

áp là 7812 và 7912 , các thông số chung của vi mạch này như sau :

Điện áp đầu vào : UV = 7 ÷ 35 V ;

Điện áp ra : Với IC 7812 thì Ura = + 12 V ;

Với IC 7912 thì Ura = - 12 V ;Dòng điện đầu ra : Ira = 0 ÷ 1 A ;

Tụ điện C4 , C5 , C6 , C7 dùng để lọc thành phần sóng hài bật cao Chọn C4 = C5 = C6 = C7 = 470 µF ; U = 35 V

GVHD: TRƯƠNG THỊ BÍCH THANH SVTH: LÊ XUÂN TRUNG -11D1CLC

Hình 4-17 : Sơ đồ nguyên lý tạo nguồn nuôi ± 12 V

4.5.9 Tính toán máy biến áp nguồn nuôi và đồng pha

- Ta thiết kế máy biến áp dùng cho cả việc tạo điện áp đồng pha và

tạo nguồn nuôi Chọn kiểu máy biến áp ba pha ba trụ , trên mổi trụ có ba cuộn dây , một cuộn sơ cấp và hai cuộn thứ cấp

- Điện áp lấy ra ở thứ cấp máy biến áp làm điện áp đồng pha , và làm điện áp của nguồn nuôi

- Công suất tiêu thụ ở 6 IC TL 084 sử dụng làm khếch đại thuật toán ,

ta chọn hai IC TL 084 để tạo 6 cổng AND

Trong đó: K Q = 6là hệ số phụ thuộc phương thức làm mát.

m= 3 là số trụ của máy biến áp;

f= 50 tần số của điện áp lưới

Chuẩn hóa tiết diện trụ theo tài lieu:”ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT VÀ ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ (LÊ VĂN DOANH DỊCH): Q T = 1,63cm2.Kích thước mạch lá thép dày:δ =0,5mm.

4.5.10 Tính chọn điôt cho bộ chỉnh lưu nguồn nuôi

- Dòng điện hiệu dụng qua điôt

- Chọn điôt có điện áp ngược lớn nhất

GVHD: TRƯƠNG THỊ BÍCH THANH SVTH: LÊ XUÂN TRUNG

Un = Ku.UNmax = 2.22 = 44 V ;Vậy chọn điôt loại KIT 208A có các thông số sau :

4.6.2 Bảo vệ quá nhiệt cho các van bán dẫn.

Khi làm việc với dòng điện chạy qua trên van có sụt áp, do đó có tổn hao công suất ∆P, tổn hoa này sinh ra nhiệt độ đốt nóng van bán dẫn Mặt khác van bán dẩn chỉ được làm việc dưới nhiệt độ cho phép Tcp nào đó, nếu quá nhiệt độ cho phép thì các van bán dẩn sẻ bị phá hỏng Để van bán dân làm việc an toàn, không bị chọc thủng ta phải thiết kế hệ thống tản nhiệt hợp lý

m m

P S

K T

∆

∆