Thiết kế mạch điều khiển

Xây dựng mạch điều khiển để đảm bảo cho mạch lực hoạt động tốt trong mọi trờng hợp.

Các yêu cầu cơ bản đối với hệ thống điều khiển :

- Đảm bảo phát xung với đầy đủ các yêu cầu để mở van : + Đủ độ rộng tx

+ Đủ biên độ Ux

+ Sờn xung ngắn ts =0,5ữ1às

- Đảm bảo tính đối xứng của các kênh

- Đảm bảo cách ly giữa mạch lực và mạch điều khiển, Ví dụ đối với MBAX thờng đợc sử dụng nh một khâu truyền xung cuối cùng ở tầng khuyếch đại xung.

- Đảm bảo đúng quy luật về pha điều khiển. Đây là yêu cầu về đảm bảo phạm vi điều chỉnh góc α .

- Có thể hạn chế phạm vi góc điều khiển không sự thay đổi của điện áp lới.

- Không gây nhiễu đối với các hệ thống điều khiển điện tử khác ở xung quanh.

- Có khả năng bảo vệ quá áp, quá dòng và báo hiệu khi có sự cố.

Sơ đồ cấu trúc của hệ thống điều khiển .

Udk

Khâu đồng pha có nhiệm vụ tạo ra điện áp tựa đồng bộ với điện áp lới.

Nghĩa là cho phép xác định giá trị ban đầu của goác điều khiển α.

Khâu so sánh có nhiệm vụ so sánh giữa điện pá tựa và điện áp điều khiển. Tại thời điểm hai điện áp này bằng nhau thì phát xung gửi sang tần khuyếch đại.

Khâu khuyếch đại : tạo ra xung và khuyếch đại xung tạo ra xung có độ rộng cần thiết và đur công suất để đa đến điều khiển thyistor trong mạch lực.

K.đồng pha K. So sánh K.Tạo xung

Trong thực tế ngời ta thờng dùng hai nguyên tắc điều khiển : thẳng đứng tyuến tính và thẳng đứng arccos để thực hiện điều chỉnh vị trí xung trong nửa chu kỳ dơng của điện áp đặt trên thyristor.

* Giới thiệu các phần tử cơ bản đợc dùng trong mạch điều khiển : - Khuyếch đại thuật toán :

KĐTT là phần tử cơ bản đợc sử dụng rộnh rãI trong các mạch điện tủ với chức năng xử lý các tín hiệu tơng tự .

Khuyếch đại thuật toán có kí hiệu nh sau :

- + +

A

Một số ứng dụng của khuyếch đại thuật toán :

Mạch khuyếch đại đảo : sơ đồ nh sau

- +A2

R2 R1

R3 Uo

Ui

Ta cã : o Ui

R

U R .

1

− 2

=

- Khâu so sánh

+ Mạch so sánh một cổng :

R4 - +A3 R5

Udk Ura

ở dầu vào khuyếch đại thuật toán tổng trở Ri rất lớn nên dòng đI vào KĐTT là không đáng kể, nên

( ) 5 1 4 2

4 5 4 5

( ) ( )

i

R R

U U U

R R R R

− = +

+ +

Nếu Ui(−) > 0 thì U3 sẽ bão hoà ở –Un Nếu Ui(−)<0 thì U3 sẽ bão hoà ở +Un

+ Mạch so sánh hai cổng :

R4 - +A3 R5

Udk Ura

NÕu : U1>U2 th× U3 = -Un NÕu : U1<U2 th× U3= +Un

- Mạch khuếch đại tín hiệu + Dùng khuyếch đại thuật toán :

D1

T1 C1

- +A2 VR3

R2

* Sơ đồ mạch điều khiển sử dụng trong thiết kế

- +A1

D1

T1 T2

R1 C1 AND

N1 N2 TR1

- +A2

R4 - +A3 R5

- +A4

R6 R7 C2

R8

C3

D2

T3

D3 N1 N2

TR2

R10

VR3

R2 R9

Udk

Uv Udf

Sơ đồ mạch điều khiển một kênh của chỉnh lu cầu 3 pha kđx Nguyên lý hoạt động của sơ đồ điều khiển :

- Khâu đồng pha và tạo xung răng ca

- +A1

D1

T1

R1 C1

N1 N2 TR1

- +A2 VR3

R2

Uac Udf

Tín hiệu điện áp xoay chiều có dạng hình sin, trùng pha với điện áp của Tiristor từ cuộn thứ cấp của biến áp TR1 qua điện trở R1 đợc đa vào cửa đảo của khuếch đại thuật toán A1. Khi tín hiệu điện áp đa vào cửa âm của khâu so sánh A1 lớn hơn điện áp trên cửa dơng của A1 thì tại cửa ra của A1 là một điện áp dơng. Còn khi điện

áp trên cửa âm của A1 nhỏ hơn điện áp trrên cửa dơng thì điện áp ra của A1 sẽ là một điện áp âm. Nh vậy A1 có nhiệm vụ so sánh điện áp nửa hình sin của TR1 đa vào tạo ra chuỗi xung liên tiếp hình chữ nhật,

Tín hiệu điện áp xung dơng chữ nhật qua điod D1 tới A2 phân tích thành

điện áp tựa răng ca Urc, độ rộng xung phụ thuộc vào tụ C1. Phần âm của điện xung làm mở transitor T1 làm ngắn mạch A2 do đó Urc = 0 trong vùng âm.

Khi đó đầu ra của A2 có chuỗi điện áp răng ca Urc bị gián đoạn.

- Khâu so sánh

R4 - +A3 R5

Udk Ura

Điện áp tựa răng ca Urc đợc so sánh với tín hiệu điện áp điều khiển Uđk

tại đầu vào của A3, tổng đại số Urc + Uđk quyết định dấu điện áp đầu ra của khuếch đại thuật toán A .

Nếu Ur <Ud thì Ur trên A1 là điện áp dơng điốt Dd mở lúc này tụ C1 đợc phóng

điện từ C1 đến R4 -> D1 qua A1 về âm nguồn .

Do sự đóng mở của Dd làm trên tụ C1 phóng nạp tạo ra trên R4 một điện

áp hình răng ca . Độ dốc của răng ca có thể thay đổi qua triết áp VR3. Điện áp răng ca đợc đa vào cửa đảo của A3 và so sánh với điện áp điều khiển. Điện áp

điều khiển này đợc lấy từ điện áp phản hồi đa vào so sánh với điện áp đặt qua bộ cộng đảo dấu. Trong mạch vòng phản hồi có mạch vòng phản hồi dòng

điện . Dòng điện qua sun thay đổi thì điện áp phản hồi qua sun thay đổi. Tín hiệu điều khiển đa vào cửa cộng của khâu so sánh . Nếu Urc >Uđk thì

đầu ra của A3 là xung âm. Nếu Urc < Uđk thì đầu ra của A3 là xung dơng.

- Khâu phát xung chùm

Mạch đa hài tạo xung chùm A4 tạo ra chuỗi xung tần số cao , tần số xung phụ thuộc vào điện áp và trị số phóng nạp của tụ , trở .Do đó bộ phát xung chùm dới sự phóng nạp của tụ C2 tạo ra chuỗi xung hình chữ nhật.

- Khâu khuếch đại

T2 AND

C3

D2

T3

D3

N1 N2 TR2

R10

R9

Tại đầu ra của bộ phát xung A4 và bộ so sánh với xung điều khiển A3, tín hiệu xung đợc đa vào một cổng AND nhằm bảo đảm mở xung một cách chắc chắn. Tín hiệu xung đợc đa vào tầng khuếch đại bằng sơ đồ darlington, tại đây tín hiệu đợc nhân theo hệ số hệ số đáp ứng về yêu cầu khuếch đại công suất

đủ lớn để cấp cho biến áp xung . Trên cuộn thứ cấp của biến áp xung có xung

để kích mở tiristo. Khi xung tắt T2vàT3 bị khoá, điện áp trên biến áp xung giảm đột ngột, cuộn dây của biến áp xung xuất hiện sức điện động cảm ứng ngợc dấu lúc đó điốt D3 thông dập tắt sức điện động để bảo vệ các transistor.

Tính toán các khâu của mạch điều khiển

Sơ đồ một kênh điều khiển chỉnh lu cầu ba pha đợc thiết kế theo sơ đồ (hv).

- +A1

D1

T1 T2

R1 C1 AND

N1 N2 TR1

- +A2

R4 - +A3 R5

- +A4

R6 R7 C2

R8

C3

D2

T3

D3 N1 N2

TR2

R10

VR3

R2 R9

Udk

Uv Udf

Sơ đồ mạch điều khiển một kênh của chỉnh lu cầu 3 pha kđx

Việc tính toán mạch điều khiển thờng đợc tiến hành từ tầng khuyếch đại ngợc trở lên.

Mạch điều khiển đợc tính xuất phát từ yêu cầu về xung mở Tiristor. Các thông số cơ bản để tính mạch điều khiển.

+ Điện áp điều khiển Tiristor: Uđk = 3,0 V + Dòng điện điều khiển Tiristor: Iđk = 0,2 A + Thời gian mở Tiristor : tm = 80às

+ Độ rộng xung điều khiển: tx= 2.tm = 160 (às) – tơng đơng khoảng 3o

điện

+ TÇn sè xung ®iÒu khiÓn: fx = 3 kHz + Độ mất đối xứng cho phép: ∆α = 4o

+ Điện áp nguồn nuôi mạch điều khiển: U = ±12V + Mức sụt biên độ xung: sx = 0,15

- Tính biến áp xung:

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

+ Tỉ số biến áp xung: thờng m = 2ữ3, chọn m = 3

+ Điện áp cuộn thứ cấp máy biến áp xung: U2 = Uđk = 3,0 V

+ Điện áp đặt lên cuộn máy biến áp xung: U1 = m. U2 = 3.3 = 9 V + Dòng điện thứ cấp máy biến áp xung: I2 = Iđk = 0,2 A

+ Dòng điện sơ cấp biến áp xung: I1 = I2/m = 0,2/3 = 0,066A + Độ từ thẩm trung bình tơng đối của lõi sắt : àtb= ∆B/ào.∆H = 8.103 Trong đó: ào = 1,25 . 10-6 (H/m) là độ từ thẩm của không khí.

Thể tích của lõi thép cần có : V = Q.L = (àtb.ào.tx.sx.U1.I1)/∆B2

Thay sè V = 0,834.10-6 m3 = 0,834 cm3

Chọn mạch từ OA – 20/25 – 6,5 có thể tích V = Q.1 = 0,162.7,1 = 1,15 cm3.

Với thể tích đó ta có kích thớc mạch từ nh sau:

A = 2,5 mm ; b = 6,5mm; Q = 0,162 cm2 = 16,2 mm2; Qcs = 3,14cm2 D = 20mm; D = 25 mm . Chiều dài trung bình mạch từ: l = 7,1 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 = 227 vòng;

+ Số vòng dây thứ cấp: W2 = w1/m = 227/3 = 75 (vòng)

+ Tiết diện dây cuấn thứ cấp: S1 = I1/J1 = 33,3 .1-3/6 = 0,0056 mm2 Chọn mật độ dòng điện j1 = 6 (A/mm2)

+ Đờng kính dây cuấn sơ cấp: d1 4S1 0, 084

= π = cm

Chọn d1 = 0,1 mm; S1 = 0,00785 mm2

+ Tiết diện dây quấn thứ cấp: S2 = I2/J2 = 0,1/4 = 0,025 mm2 Chọn mật độ dòng điện J2 = 4 A/mm2

D

b a

+ Đờng kính dây quấn thứ cấp : 2 4S2 0,178

d = π = mm

Chọn dây có đờng kính d2 = 0,18 mm, S2 = 0,02545 mm2 + Kiểm tra hệ số lấp đầy:

1. 1 0, 00785.227 0.02545.75

0, 0117

ld 314

cs

K S w Q

= = + =

Nh vậy , cửu sổ đủ diện tích cần thiết.

- Tính tầng khuyếch đại cuối cùng:

Chọn Tranzitỏ công suất loại 2SC9111 làm việc ở chế độ xung có các thông sè:

Tranzitor loại npn, vật liệu bán dẫn là 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 = 4V Dòng điện lớn nhất ở Colecto có thể chịu đựng: Icmax= 500mA Công suất tiêu tán ở Colecto : Pc = 1,7W Nhiệt độ lớn nhất ở mặt tiếp giáp: T1 = 175oC Hệ số khuyếch đại : β = 50

Dòng làm việc của Colecto : Ic3 = I1 = 33,3 nA

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

Ta thấy rằng với loại Tiristor T3 đẵ chọn có công suất điều khiển khá bé Uđk = 3,0V, Iđk = 0,1A. nên dòng colecto – Bazơ của Tranzito khá bé , trong trờng hợp này ta có thể không cần Tranzito T2 mà vẫn có đủ công suất

®iÒu khiÓn Tranzito.

Chọn nguồn cấp cho biến áp xung: E = +12V ta phải mắc thêm điện trở R10

nối tiếp với cực emiter của Tr3. R10 = (E – U1)/ I1 = 90 (Ω)

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

+ Dòng điện định mức : Iđm = 10A + Điện áp ngợc lớn nhất : UN = 25V +Điện áp để cho diod mở thông : Um = 1V - Chọn cổng AND:

Toàn bộ mạch điện phải dùng 3 cổng AND nên ta chọn 1 IC 4081 họ CMOS , IC 4081 có 4 cổng AND.

sơ đồ chân:

Vcc 14 1312 11110

& &

& &

Vcc 14 13 11 10 9 8

1 2 3 4 5 6 7

12

các thông số:

Nguồn nuôi IC : Vcc = (3ữ18)V, ta chọn : Vcc = 12V.

Nhiệt độ làm việc : -40oC ữ80oC

Điện áp ứng với mức logic “1”:2ữ4,5 v.

Dòng điện nhỏ hơn 1mA

Công suất tiêu thụ P = 2,5 mW/1 cổng.

- Chọn tụ C3 và R9:

Điện trở R9 dùng để hạn chế dòng điện đa vào Bazơ của Tranzitor Tr3 , chọn R9 thoả mãn điều kiện :

9 3

3

12 6

b 2.10

R U k

I −

≥ = = Ω ; chọn R9 = 6,8kΩ

Trong đó : U = 12V ; Ic3 = IAND = 2mA <Iβc3 = 10mA Chọn C3. R9 = tx = 167 às. Suy ra 3 = tx / R9

C = 167/6,8.103 = 0,024 àF . Chọn C3 = 0,022 àF.

- Tính chọn bộ tạo xung chùm:

Mỗi kênh điều khiển phải dùng 4 khuếch đại thuật toán , do đó ta chọn 3 IC loại TL084 do hãng texasInstruments chế tạo, mỗi IC này có 4 khuếch

đại thuật toán sơ đồ chân :

- +

- + -

+

- +

\

Vcc 14 13 11 10 9 8

1 2 3 4 5 6 7

12

&&

1

Thông số của TL084:

điện áp nguồn nuôi : Vcc= ±18V chọn Vcc = ±12V Hiệu điện thế giữa hai đầu vào : ±30V

Nhiệt độ làm việc : T = -25ữ85oC

Công suất tiêu thụ : P = 680 mW = 0,68 W Tổng trở đầu vào : Rin = 106 MΩ

Dòng điện đầu ra : Ira = 30 pA.

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

Mạch tạo chùm xung có tần số fx = 1/2tx = 3 kHz hay chu kỳ của xung chùm T = 1/f = 334 (às) ; ta có: T = 2.R8 .C2 . ln(1+2.R8/R7)

Chọn R6 = R7 = 33(kΩ) thì T = 2,2R8.C2 = 334 (às) Vậy: R8.C2 = 151,8 (às)

Chọn tụ C2 = 0,1às có điện áp U = 16V ; R8 = 1,518 Ω.

Để thuận tiện cho việc điều chỉnh khi lắp mạch thì ta chọn R8 là biến trở 2KΩ

- Tính chọn tầng so sánh:

R4 -

+A3 R5

Udk Ura

Khuếch đại thuật toán đẵ chọn loại TL084

Trong đó nếu nguồn nuôi Vcc = ±12V thì điện áp vào A3 là Uv ≈ 12v Dòng điện vào đợc hạn chế để I1v < 1mA

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

Do đó ta chọn R4 = R5= 15KΩ khi đó dòng điện vào A3: Ivmax = 12/(15.103) = 0,8 mA

- Tính chọn khâu đồng pha:

Điện áp tụ đợc hình thành do sự nạp của tụ C1, mặt khác để đảm bảo điện

áp tụ có trong một nửa chu kì điện áp lới là tuyến tính thì hằng số thời gian tụ hạp đợc Tr = R3.C1 = 0,005 s.

Chọn tụ C1 = 0,1 (àF) thì điện trở R3 = Tr/C1= 0,005 / 0,1. 10-6 VËy R3 = 50.103 Ω = 50 kΩ

Để thuận tiện cho việc điều chỉnh khi lắp mạch R3, thờng chọn là biến trở lớn hơn 50 kΩ chọ Tranzito Tr1 loại A564 có các thông số:

Tranzito loại pnp làm bằng Si

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

Điện áp giữa Emitơ và bazơ khi hở mạch Colectơ : UEBO = 7V Dòng điện lớn nhất ở Colectơ có thể chụi đựng : ICmax = 100 mA Nhiệt độ lớn nhất ở mặt tiếp giáp : TCP = 1500 C Hệ số khuếch đại : β = 250 Dòng điện cực đại của Bazơ : IB = IC/β = 100/250 = 0,4 mA

Điện trở R2 để hạn chế dòng điện đi vào bazơ tranzito Tr1 = đợc chọn nh sau:

Chọn R2 thoả mãn điều kiện : R2 ≥UNmax/IB ≈12/0,4.103 = 30 KΩ

Điện trở R2 = 30 Ω

Điện áp xoay chiều đông pha: UA = 9 V

Điện trở R1 để hạn chế dòng điện đi vào khuếch đại thuật toán A1, thơng chọn R1 sao cho dòng vào khuếch đại thuật toán Iv< 1mA.

Do đó : R1>UA/IV = 9/1.10-3 = 9 KΩ. Chọn R1 = 10 KΩ