Đề tài " Thiết kế chỉnh lưu cầu 3 pha điều kiển tốc độ động cơ điện một chiều kích từ độc lập " Chương 4 ppt

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 , thườ

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: “ Thẳngđứng 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 củađiện 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

Giữa α và Ucm có quan hệ sau :

Ucm

Us

 ; 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 Sinωtt của thyristor một góc

2



Us = Um Cosωtt

- Điện áp điều khiển Ucm là điện áp một chiều , có thể điều chỉnh được biên

độ theo hai chiều dương và âm

Nếu đặt Us vào cổng đảo và Ucm vào cổng không đảo của khâu so sánh thì :Khi Us = Ucm , ta sẽ nhận được một xung rất mảnh ở đầu ra của khâu so sánh khi khâu này lật trạng thái

Do đó α = arccos(

m

cm U

U

(3-2)

Khi Ucm = Um thì α = 0 ;Khi Ucm = 0 thì α = 2 ;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 có thể điều chỉnh được góc α từ 0 đến α

Nguyên tắc điều khiển thẳng đứng “arcos” được sử dụng trong các thiết bị chỉnhlưu đòi hỏi chất lượng cao

4.3 Các khâu cơ bản của mạch điều khiển :

4.3.1 Khâu đồng pha :

Sơ đồ ở hình 4–4a là sơ đồ đơn giản , dể thực hiện với số linh kiện ít nhưngchất lượng điện áp tựa không tốt Độ dài của phần biến thiên tuyến tính của điện áp tựa không phủ hết 1800 Do đó , góc mở van lớn nhất bị giới hạn Hay nói cách khác , nếu theo sơ đồ này điện áp tải không điều khiển được từ 0 tới cực đại mà từ một trị số khác đến trị số cực đại

Để khắc phục nhược điểm trên về dãi điều chỉnh của sơ đồ ở hình 4–4a người ta sử dụng sơ đồ tạo điện áp tựa bằng sơ đồ trên hình 4-4b 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

Ucm

ωtt π

UAK0

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 4-4c Nguyên lý và chất lượng của hai sơ đồ trên hình 4-4b và 4-4c tương đối giống nhau Ưu điểm của sơ đồ trên hình 4-4c ở chổ không cần biến áp đồng pha , do đó có thể đơn giản hơn trong việc chế tạo và lắp đặt

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 4-4d mô tả việc taọ điện áp tựa dùng khếch đại thuật toán

Ghép quang

uv

R1D

R2

uraC

+12

+12

-12 _

+

+ _

Hình 4-5 : Giản đồ của khâu đồng pha từ hình 4-4d 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) nhưtrên

hình 4-6a 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 dụngkhếch đại thuộc toán làm khâu so sánh là hợp lý Các sơ đồ so sánh dùng khếchđại thuật toán như hình 4-6b, 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

Udk

Urc

θ θ

= 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 4-8a Để có xung dạngkim 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 khoá đột 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 4-8b , Thường hay được dùng trong thực tế Sơ đồ này hoàn toàn có thể đáp ứng được yêu cầu

về khếch đại công suất , khi hệ số khếch đại được nhân lên theo 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 4-8c Theo sơ đồ này , Tr chỉ mở cho dòng điện chạy 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 một cổng AND ( & ) với tín hiệu vào nhận từ tầng so sánh và từ bộ phát xung chùm như hình 4-

BAX

a)

+E

uvR

D Tr

BAX

Tr1

D C

Vi mạch 555 tạo xung đồng hồ ( hình 4-10 ) 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

R1

_ + +12

-12 A

Hình 4-11 : 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 4-11b,c Tuy nhiên ở đây sơ đồ dao động đa hài (hình 4-11b) 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 4-11b

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 4-12

Hoạt động của mạch điều khiển ở hình 4-12 được giải thích như sau:

Điện áp vào tại điểm A (UA) có dạng hình sin , trùng pha với anôt của thyristor , 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 A2 tích 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 UD lật 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 4-12 Dao động đa hài có tần số hàng chục kHz , ở đây chỉ mô tả định 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

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

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 đạingược trở lên

UA

ωtt

ωtt ωtt

ωtt

ωtt

ωtt ωtt

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

3 , 0

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

2 2

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 mA ;Công suất tiêu tán ở colectơ : PC = 1,7 W ;

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

Dòng làm việc của colectơ : IC3 = I1 = 50 mA ;Dòng làm việc của bazơ : IB3 = 3 50

1 50

C

I

   mA ;

Ta thấy rằng với loại thyristor đã chọn có công suất điều khiển khá bé :

Udk = 1,4 (V), Idk = 150 mA = 0,15 A , nên dòng colectơ – bazơ của tranzitor Tr3khá 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

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 :

- Công suất tiêu thụ : P = 2,5 nW/1 cổng ;

Hình 4-15 : Sơ đồ chân của IC 4081

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

7 5

4 3 2

1

6

Các thông số của TL 084 :

- Điện áp nguồn nuôi : Vcc = ± 12 V ;

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

U

= 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 :

Ivmax = 15 10 3

12 = 0,8 mA;

5 4 3 2

1

11

_

_ _

_

+ +

Điện áp tựa được hình thành do sự nạp của tụ C1 Mặt khác để bảo đảm điện áp tựa có trong nữa chu kỳ điện áp lưới là tuyến tính thì hằng số thời gian

tụ nạp được

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 ;

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 ;

4.5.8 Tính nguồn nuôi

Ta cần tạo ra nguồn điện áp U ± 12 V để cấp cho máy biến áp xung nuôi IC,

các bộ điều chỉnh dòng điện , tốc độ và điện áp đặt tốc độ

Ta chọn mạch chỉnh lưu cầu ba pha không điều khiển dùng 12 con điôt để tạo ra điện áp – 12 V , và + 12 V như hình 3-16

Điện áp thứ cấp máy biến áp nguồn nuôi là :

U2 = 212,34 = 5,1 V , ta chọn U2 = 9 V ;Việc xây dựng nguồn ổn áp một chiều bằng thyristor có nhược điểm 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 , vìvậy 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

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