TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN

Nhiệm vụ của mạch điều khiển là tạo ra các xung vào ở những thời điểm mong muốn để mở các van động lực của bộ chỉnh lưu.. - Chức năng của mạch điều khiển : + Điều chỉnh được vị trí xung

TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN

I.Yêu cầu đối với mạch điều khiển

- Mạch điều khiển là khâu rất quan trọng trong bộ biến đổi Tiristo vì nó đóngvai trò chủ đạo trong việc quyết định chất lượng và độ tin cậy của BBĐ Yêucầu của mạch điều khiển có thể tóm tắt trong 6 điểm chính sau:

+ Yêu cầu về độ rộng xung điều khiển

+ Yêu cầu về độ lớn xung điều khiển

+ Yêu cầu về độ dốc sườn trước của xung (càng cao thì việc mở càngtốt thông thường

diDK

dt ≥0,1A/μsμss )

+ Yêu cầu về sự đối xứng của xung trong các kênh điều khiển

+ Yêu cầu về độ tin cậy

Điện trở kênh điều khiển phải nhỏ để Tiristor không tự mở khi dòng ròtăng

.Xung điều khiển ít phụ thuộc vào dao động nhiệt độ, dao động điện ápnguồn

Cần khử được nhiễu cảm ứng để tránh mở nhầm

+ Yêu cầu về lắp ráp vận hành

Thiết bị thay thế dễ lắp ráp và điều chỉnh

Dễ lắp lẫn và mỗi khối có khả năng làm việc độc lập

II Nguyên lý chung của mạch điều khiển.

1 Nhiệm vụ của mạch điều khiển là tạo ra các xung vào ở những thời điểm

mong muốn để mở các van động lực của bộ chỉnh lưu

- Tiristor chỉ mở cho dòng điện chảy qua khi có điện áp dương đặt trên Anốt

và có xung áp dương đătj vào cực điều khiển không còn tác dụng gì nữa

- Chức năng của mạch điều khiển :

+ Điều chỉnh được vị trí xung điều khiển trong phạm vi nửa chu kỳdương của điện áp đặt trên anốt – katốt của tiristor

+ Tạo ra được các xung đủ điều kiện mở tiristor độ rộng xung tx < 10s.Biểu thức độ rộng xung:

t x=Idt

di dt

Trong đó: Iđt là dòng duy trì của tiristor

di/dt : tốc độ tăng trưởng của dòng tải

Đối tượng cần điều khiển được đặc trưng bởi đại lượng điều khiển là góc .2

Cấu trúc của mạch điều khiển tiristor

Uđk là điện áp điều khiển , điện áp một chiều.

Ur là điện áp đồng bộ, điện áp xoay chiều hoặc biến thể của nó, đồng bộ vớiđiện áp anốt – catốt của tiristor

Hiệu điện áp Uđk – Ur dưa vào khâu so sánh (1) làm việc như một Trigơ Khi Uđk – Ur = 0 thì trigơ lật trạng thái, ở đầu ra nhận được một chuỗi xung(sinUs chữ nhật )

Khâu 2 : là đa hài một trạng thái ổn định

Khâu 3 : là khâu khuyếch đại xung

Khâu 4 : là biến áp xung

Tác động vào Uđk có thể điều chỉnh được vị trí xung điều khiển tức là điềukhiển góc 

3 Nguyên tắc điều khiển

* Mạch điều khiển tiristor có thể phân loại theo nhiều cách Song các mạchđiều khiển đều dựa theo nguyên lý thay đổi góc pha và theo đó ta có hainguyên lý khống chế “ngang” và khống chế “đứng”

- Khống chế “ngang “ là phương pháp tạo góc  thay đổi bằng cách dịchchuyển điện áp ra hình sin theo phương ngang so với điện áp tựa

+ Nhược điểm của phương pháp khống chế này là góc  phụ thuộc vàodạng điện áp và tần số lưới, do đó độ chính xác của góc điều khiển thấp

- Khống chế “đứng” là phương pháp tạo góc  thay đổi bằng cách dịchchuyển điện áp chủ đạo theo phương thẳng đứng so với điện áp tựa răng cưa

+ Phương pháp khống chế “đứng” có độ chính xác cao và khoảng điềukhiển rộng ( từ 0 -> 1800 )

+ Có hai phương pháp điều khiển “đứng “:

across tuyến tínha) Nguyên tắc điều khiển thẳng đứng tuyến tính

Tổng đại số của Ur + Uđk đưa đến đầu vào của một khâu so sánh Bằng cáchlàm biến đổi Uđk ta có thể điều chỉnh được thời điểm xuất hiện xung ra tức làđiều chỉnh được góc .

b) Nguyên tắc điều khiển thẳng đứng “acrcoss”

Nguyên tắc này dùng hai điện áp:

+ Điện áp đồng bộ Ur vượt trước điện áp anốt – catốt một góc bằng /2(Nếu UAK = A.sinwt thì Ur = B.coswt )

+ Điện áp điều khiển được Uđk là điện áp một chiều có thể điều chỉnhđược biên độ theo hai hướng (dương và âm)

Trên hình vẽ đường nét đứt là điện áp anốt – catốt tiristor, từ điện áp nàyngười ta tạo ra Ur Tổng đại số Ur + Uđk được đưa đến đầu vào của khâu sosánh

Khi Ur + Uđk = 0 ta nhận được một xung ở đầu ra của khâu so sánh :

III Tính toán các thông số của mạch điều khiển

A Nguyên tắc điều khiển riêng.

A Nguyên lý hoạt động của sơ đồ điều khiển:

Khi cấp nguồn điện 380V vào sơ cấp của BA nguồn phía thứ cấp của BA

hạ áp qua cuộn dây W2-1 qua cầu chỉnh lưu hai nửa chu kì D9 và D10 điện áptại điểm (I) U1 là điện áp một chièu hình sin láy phần dương và đặt vào cửađảo của thuật toán A1 tại đây so sánh với điện áp U đặt được đưa vào cửatrừ của A1

Nếu Ur <Uđ thì Ura trên OA1là điện áp dương điốt D11 mở lúc này tụ C8

được phóng điện từ C8 đến R5 -> D11 qua OA1 về âm nguồn

Do sự đóng mở của D11làm trên tụ C8 phóng nạp tạo ra trên (III) một điện

áp hình răng cưa Độ dốc của răng cưa có thể thay đổi qua triết áp VR2

Do đó điốt zơle (Dz) nên diện áp trên tụ max khi nạp luôn bằng điện ápngưỡng trên điốt zơle Điện áp răng cưa được đưa vào cửa đảo của OA7 và

so sánh với điện áp điều khiển.Điện áp điều khiển này được lấy từ điện ápphản hồi đưa vào so sánh với điện áp đặt qua bộ cộng đảo dấu Khi tốc độtrên mạch lực thay đổi , tốc độ phản hồi cũng thay đổi tỉ lệ thuận với điện

áp trên mạch lực và đưa vào khâu so sánh để khuyếch đại đưa đến tín hiệuđiều khiển để điều khiển sự thay đổi góc mở  Trong mạch vòng phản hồi

có mạch vòng phản hồi dòng điện Dòng điện qua sun thay đổi thì điện ápphản hồi qua sun thay đổi.Tín hiệu điều khiển đưa vào cửa cộng của khâu

so sánh Nếu Urc>Uđhthì đầu ra của OA3 là xung âm.Nếu Urc<Uđk thì đầu racủa OA3 là xung dương Khi đó bộ phát xung chùm dưới sự phóng nạp của

tụ C9 tạo ra chuỗi xung hình chữ nhật.Vì tín hiệu ra nhỏ được khuếch đạiqua đèn Ts , xung qua điốt Đ13 chỉ giữ lại phần âm được trộn lẫn với xung

ra từ khâu so sánh A3 tạo thành từng chùm xung dương Nhưng tín hiệuxung vẫn chưa đủ lớn để kích mở Tiristo do đó được đưa qua bộ khuếchđại xung Các transisto mắc theo kiểu Dalingtơn Xung dương được đặtvào bazơ của T1làm T1 mở và T2 mở theo khi đó có xung đi vào biến ápxung.Trên cuộn thứ cấp của biến áp xung có xung để kích mở tiristo Khixung tắt T1vàT2 bị khoá ,điện áp trên biến áp xung giảm đột ngột ,cuộn dâycủa biến áp xung xuất hiện sức điện động cảm ứng ngược dấu lúc đó điốt

D15và D19 thông dập tắt sức điện động để bảo vệ các transistor

B Tính toán các khâu của mạch điều khiển

Theo như trên ta đã tính toán cho mạch lực:

Ud=440(v) Id= 68,18 (A)

Ơ đây mạch điều khiển sẽ điều khiển điện áp cũng như dòng điện ở mạchlực cho phù hợp với yêu cầu

Để tính toán cụ thể cho mạch điều khiển ta điều khiển điện áp mạch lựcđểcung cấp cho động cơ điện một chiều

1.Tính toán khối đồng pha

Nguyên lý hoạt động của khối đồng pha:

Khi cấp nguồn 220v vào sơ cấp của biến áp đồng pha,phía thứ cấp của biến

áp được hạ áp.Giả sử tại thời điểm ban đầu t=0,nửa chu kỳ đầu điện ápdương đặt trên D1 ,D1 sẽ thông và D2 sẽ bị khoá,nửa chu kỳ sau tại thờiđiểm t2=  điện áp xoay đảo dấu và thế dương được đặt vào anốt D2 ,D2sẽthông và D1bị khoá.Vậy điện áp trên điểm (I) là điện áp xoay chiều đươcđưa qua chỉnh lưu thành điện áp một chiều nửa hình sin

Điện áp một chiều nửa hình sin liên tiếp tại (I) được đưa vào cửa cộng củakhâu so sánh OA1.Điện áp được đưa vào cửa đảo của OA1 là điện áp mộtchiều phẳng Uđ có giá trị :Uimin <Uđ< UImax Khi điện áp đặt vào cửa cộngcủa OA1 lớn hơn điện áp Uđ trên cửa đảo của OA1thì tại cửa ra của OAmột điện áp dương.Còn khi điện áp trên cửa cộng của OA nhỏ hơn điện áptrên cửa đảo thì điện áp ra của OA1 sẽ là một điện áp âm đặt lên điốt

D35.Như vậy OA1 có nhiệm vụ so sánh điện áp nửa hình sin của U1 với Uđtrên cửa đảo và tạo ra trên đầu ra một điện áp dương ,âm liên tiếp dạng âmTính toán khối đồng pha:

+E

Chọn R1 = R2 = U/I =9/10-3 = 9(k)

Chọn R1 = R2 = 10k

2.Khâu tạo điện áp răng cưa

Nguyên lý hoạt động của khâu tạo điện áp răng cưa :

Mạch làm nhiệm vụ tạo điện áp răng cưa đưa vào cửa đảo của A3.Khi

Uđf>0 thì D11 mở tụ C8 phóng theo đường

+E -> VR2 -> R4 -> C8 -> A2 về âm nguồn

+ Tính chọn khâu răng cưa :

Điện áp tựa được hình thành do sự nạp của tụ C1 , mặt khác để dảm bảo điện

áp tựa có trong một nửa chu kỳ điện áp lưới là tuyến tính thì hằng số thời gian

tụ nạp được :

T1 = R.C = 0,005 (s)

Chọn tụ C1 = 0,47F thì R3 = T/C = 0,005/0,47.10-6 = 10.103() = 10(k) Giá trị điện tích trên tụ C8:

U0 là điện áp trên tụ khi bắt đầu nạp tụ C8.

U0 = UD 7 ta chọn điốt rơle có điện áp ngưỡng :

Ung D 7 = 9,1 (V) Chọn nguồn nạp :  12V

Chọn R5 = 1,7k

3 Khâu so sánh

Điện áp răng cưa đưa vào cửa đảo của A7

Điện áp điều khiển đưa vào cửa cộng của A7

Nếu Urc>Uđkđầu ra của A7là xung âm

Nếu Urc>Udk đầu ra của A7 là xung dương

Khi đó đầu ra của A7 có chuỗi xung vuông liên tiếp Phần tử chính củakhâu so sánh là IC thuật toán A7

Nguyên lý hoạt động của khâu phát xung chùm

Đóng nguồn cho A8 sau một pha quá độ ở đầu ra của thuật toán A8 sẽcho một chuỗi xung hình chữ nhật xen kẽ nhau ta chọn giá trị của tụ C vàcác điện trở phù hợp cho các xung ra xuất hiện với tần số cao thì các xung

ở đầu ra thể hiện như dạng chùm xung

Giả sử tại thời điểm ta xét tụ C được nạp đầy tức là U2>Uc điện áp lúcnày ở đầu ra của A8 sẽ là điện áp âm sau một thời gian khi điện áp ra qua

R8 về tụ hết phóng điện(được nạp theo chiều ngược lai )U2<0.Khi đó Ud>0

và điện áp đầu ra thay đổi thành điên áp dương.Như vậy do đặc tính phóngnạp của tụ C9 tạo trên A8 một điện áp ra dạng xung vuông liên tiếp,tín hiệu

ra nhỏ do đó được khuếch đại qua transistoT5 qua xung điốt D13 chỉ làchùm xung giữ lại phần âm

Chọn đèn T5 loại P – N – P ký hiệu A564 có thông số :

Điện áp giữa colectơ và bagơ khi hở mạch emitơ UCbo = 25V

Điện áp giữa emito và bazơ khi hở mạch colectơ UBeo = 7V

Dòng điện qua Colectơ I=100mA

5.Khâu khuếch đại xung và biến áp xung

a)Đặc điểm và ứng dụng của biến áp xung

- BAX dễ truyền tín hiệu điều khiển

- Tạo ra được biên độ xung theo yêu cầu

- Cách ly về điện giữa mạch lực và mạch điều khiển

- Dễ thay đổi cực tính xung ra

- Dễ phân bố các xung đi các kênh điều khiển

b )Tính toán máy biến áp xung

- Việc tính toán mạch điều khiển thường được tiến hành từ tầng điều khiểnngược trở lên

- Mạch điều khiển được tính suất phát từ yêu cầu về xung mở Tiristor Cácthông số cơ bản trong mạch điều khiển :

+ Điện áp điều khiển Tiristor Uđk = 3,0 (V)

+ Dòng điện điều khiển Tiristor Iđk = 0,1 (A)

+ Thời gian mở Tiristor tm = 80 s

+ Độ vòng xung điều khiển tx = 167 s

+ Tần số xung điều khiển x = 3 (khz)

+ Tỉ số biến áp xung thường m = 2 3 chọn m =3

+ Điện áp thứ cấp máy biến áp xung

U2 = Uđk =3,0 (V) + Điện áp đặt lên cuộn sơ cấp MBA

U1 = mU2 = 3.3 = 9 (V) + Dòng điện thứ cấp biến áp xung

- Số vòng dây sơ cấp máy biến áp xung :

- Theo định luật cảm ứng điện từ

9.167 10−60,3 27 10−6=186 (vòng)

+ Đường kính dây cuốn thứ cấp

d2 = √4 S1

Π =√4 0 , 0056 Π =0 , 084 (mm)Chọn d =0,1 (mm)

Tiết diện dây cuốn thứ cấp

+ Đường kính dây cuốn thứ cấp

d2 = √4 S2

Π =√4 0 , 0025 Π =0 , 178 (mm) Chọn dây có đường kính d2 = 0,18 (mm)

Kiểm tra lại hệ số lấp đầy

Như vậy cửa sổ đủ diện tích cần thiết

c)Tính khâu khuếch đại xung

Chọn Tranzito công suất loại Tr3 loại 2SC9111 Tranzito loại npn vật liệubán dẫn là Si

Điện áp giữa colecto và bazơ khi hở mạch Emitơ UCB0 =40 (V)

Điện áp giữa Emito và bazơ khi hở mạch Colecto UEB0 =4 (V)

Dòng điện lớn nhất mà colecto có thể chịu đựng Imax = 500 (mA)

Công suất tiêu tán ở colecto Pc = 1,7 (W)

Nhiệt độ lớn nhất của mặt tiếp giáp T1 = 1750C

Hệ số KĐ  = 50

Dòng điện làm việc của colecto Ic3 = I1= 33,3 (mA)

Dòng điện làm việc của bazơ Ib =

- Chọn nguồn cấp cho biến áp xung E = 12(V) , với nguồn E =12 (V) ta phảimắc thêm điện trở R10 nối tiếp với cực Emito của Ir3 , R1

Điện áp ngược lớn nhất Un = 25 (V)

Điện áp để cho Diod mở thông Um = 1(V)

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

7912, các thông số chung của vi mạch này:

Điện áp đầu vào : UV = 7 -> 35V

Điện áp đầu ra : UR = 12V với IC 7812

UR = - 12V với IC 7912

Dòng điện đầu ra : IR = 0-> 1A

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

Chọn C4 = C5 =C6 = C7 =470F

7.Tính toán máy BA nguồn nuôi và đồng pha :

- Ta thiết kế MBA dùng cho cả 3 việc tạo điện áp đồng pha và tạo nguồnnuôi Chọn kiểu MBA 3 pha 3 trụ, trên mỗi trụ có 3 cuộn dây : 1 cuộn sơ cấp

và 2 cuộn thứ cấp

C B A

- Điện áp lấy ra ở thứ cấp MBA làm điện áp đồng pha:

- Chọn d = 0,1mm để dảm bảo độ bền cơ Đường kính có kể cách điện là0,12mm.

8 Chọn cổng AND

-Toàn bộ mạch điều khiển phải dùng sáu cổng AND nên ta chọn hai IC4081

họ CMOS Mỗi IC4081 có bốn thông số

Nguồn nuôi 1C Vcc = 3 9 (V) Ta chọn Vcc = 12 (V)

Nhiệt độ làm việc : 40  800C

Điện áp ứng với mức logic (1) : 2 4,5 (V)

Dòng điện nhơ hơn 1mA

Công suất tiêu thụ P = 2,5 (nW/1 cổng)

* Tính chọn IC:

Mỗi kênh điều khiển phải dùng bốn khuyếch đại thuật toán Do đó ta chọn6IC loại TL084 do hãng Texasluctrument chế tạo Mỗi IC này có 4 khuyếchthuật toán

Thông số của TL 084:

Điện áp đầu vào Vcc =12V

Hiệu điẹn thế giữa hai đầu vào  30V

Nhiệt độ làm việc T = -25  850C

Công suất tiêu thụ P = 0,68W

Tổng trở đầu vào Rin = 106M 

Dòng điện đầu ra Ira = 30pA

Tốc độ biến thiên điện áp cho phép :

-Độ ổn định và độ chính xác điểu chỉnh là hai chỉ tiêu kỹ thuật quan trọng bậcnhất của hệ thống tự động Độ chính xác được đánh giá trên cơ sở phân tíchcác sai lệch điểu chỉnh ,các sai lệch này phụ thuộc rất nhiều yếu tố Sự biếnthiên của các tín hiệu đặt gây ra các sai lệch không thể tránh được trong quátrình quá độ và cũng có thể gây sai lệch trong quá trình xác lập.trên cơ sởphân tích các sai lệch điểu chỉnh ta có thể chọn được các bộ điểu chỉnh ,cácmạch bù thích hợp dể nâng cao độ chính xác của hệ thống

-Để đạt được những chỉ tiêu về công nghệ trong điểu chỉnh tự động điểu chỉnh

hệ thống truyền động động cơ một chiều ta sử dụng hai mạch vòng điểu chỉnhtổng hợp mạch vòng dòng điện ,tổng hợp mạch vòng tốc độ

-Sơ đồ cấu trúc:

*Tổng hợp mạch vòng dòng điện :

Trong các hệ thống truyền động tự động cũng như các hệ thống chấp hành thìmạch vòng dòng điện là mạch vòng cơ bản Chức năng cơ bản của mạch vòngdòng điện trong các hệ thống truyền động là trực tiếp hoặc gián tiéep xác định

mô men kéo của động cơ, bảo vệ ,điểu chỉnh gia tốc

-Sơ đồ khối của mạch vòng dòng điện:

+Khâu lọc tín hiệu F: dùng để lọc tín hiệu một chiều hàm truyền là khâu quántính :

1+ p.T1

T1 :là hằng số thời gian của khâu lọc

+Khâu điểu chỉnh dòng điện Ri :là bộ điểu chỉnh có chức năng bù các khâu cóhằng số thời gian tương đối lớn bằng cách đó giảm cấp cho mạch hở ,các khâu

có hằng số thời gian tương đối nhỏ sẽ không được bù Tuỳ theo dạng hàmtruyền của hệ khác nhau mà ta có các bộ điểu chỉnh khác nhau

+ Bộ biến đổi BĐ: đối với các động cơ một chiều bộ biến đổi là bộ chỉnh lưucầu ba pha cấp cho mạch phần ứng của động cơ

Hàm truyền của bộ biến đổi có dạng:

F BD= K cl

(1+ p Tv0)

Với Kcl =

dUddα

TV0 : hằng số thời gian của sự chuyển mạch chỉnh lưu.

+Mạch phần ứng :

Hàm truyền là khâu quán tính có dạng sau:

F u= 1 /R u 1+ pT u

Tu là hằng số thời gian của phần ứng động cơ

+Mạch phản hồi dòng điện:

Hàm truyền là khâu quán tính có dạng:

F i= K i

1+ p T i

trong đó:Ti là hằng số thời gian của xen xơ dòng điện

-Trong trường hợp hệ thống truyền động điện có hằng số thời gian cơ học rấtlớn hơn so với hằng số thời gian điện từ thì ta có thể coi sức điện động củađộng cơ E không ảnh hưởng đến quá trình điểu chỉnh của mạch vòng dòngđiện nên ta bỏ qua sức điện động của động cơ (coi E=0)

Hàm truyền động của mạch dòng điện như sau:

Soi(p )= Kcl K i/μsRu

(1+pTf).(1+ p Tv0).(1+pTu).(1+ p Ti)

trong đó hằng số thời gian Tf, Tv0 ,Ti,là rất nhỏ so với hằng số thời gian Tư

Đặt Ts=Tf +Tv0 +Ti thì có thể viết lại dạng gần đúng sau: