THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN.DOC

- Xung điều khiển phải có độ đối xứng cao và đảm bảo đợc phạm vi điều chỉnh góc mở van, độ rộng đủ để cho dòng qua van vợt trị số dòng duy trì Id của nó để khi ngắt xung van vẫn dẫn.. Đa

Thiết kế mạch điều khiển

Yêu cầu với mạch điều khiển.

- Phát xung điều khiển chính xác và đúng thời điểm mà ngời thiết kế đãtính toán sẵn

- Các xung điều khiển phát ra phải đủ lớn về biên độ và độ rộng để mởvan

- Xung điều khiển phải có độ đối xứng cao và đảm bảo đợc phạm vi

điều chỉnh góc mở van, độ rộng đủ để cho dòng qua van vợt trị số dòng duy trì

Id của nó để khi ngắt xung van vẫn dẫn

- Dạng xung đợc điều chỉnh thích hợp và tác động nhanh

- Đảm bảo hoạt động tốt độ tin cậy cao khi điện áp nguồn thay đổi giátrị biên độ

- Có khả năng chống nhiễu từ lới điện

- Độ tác động nhanh dới 1ms

Ngoài ra hệ thống điều khiển phải có nhiệm vụ ổn định dòng điện ra tải

và bảo vệ hệ thống khi xảy ra sự cố quá dòng hay ngắn mạch tải

Nhiệm vụ chức năng mạch điều khiển.

Nh đã biết thyristor chỉ mở cho dòng chạy qua khi điện áp dơng đặt lênanốt và có xung điều khiển đặt vào cực điều khiển, sau khi mở van xong thìxung điều khiển không còn tác dụng nữa Dòng điện chạy qua van lúc này dothông số mạch lực quyết định

Mạch điều khiển điều chỉnh đợc vị trí xung điều khiển trong phạm vinửa chu kỳ dơng của điện áp đặt lên anôt - catôt của thyristor

I Cấu trúc chung của mạch điều khiển.

Hình 4.1

Uc: Điện áp điều khiển đây là điện áp một chiều.

Ur: Điện áp đồng bộ, điện áp xoay chiều hoặc biến thế của nó động bộvới điện áp anot - catot của tristor

Khâu 1: Hiệu điện áp Uc - Ur đợc chuyển vào khâu so sánh làm việc

nh một trigiơ, khi Uc - Ur = 0 thì trigơ lật trạng t hái ở đầu ra của nó nhận đợcmột chuỗi xung dạng chữ nhật

Khâu 2: Là đa hài một trạng thái ổn định.

Khâu 3: Là khâu khuếch đại xung.

Khâu 4: Là khâu biến áp xung.

Bằng cách tác động vào Uc ta có thể điều chỉnh đợc α

II Nguyên tắc điều khiển xung điều khiển.

1 Nguyên tắc điều khiển ngang.

* Khâu tạo xung (TX) ở thời điểm khi điện áp dịch pha Udp qua điểm O

* Khâu khuếch đại xung (KĐX) để tăng đủ công suất gửi tới cực điềukhiển của van

Nh vậy góc điều khiển α thay đổi thời điểm phát xung mở van thay đổinhờ sự tác động của Uđk làm điện áp Udf di chuyển theo chiều ngang của trụcthời gian

2 Nguyên tắc điều khiển dọc.

Ut: Khâu tạo điện áp tựa có dạng cố định theo chu kỳ do nhịp đồng bộcủa Uđb

Khâu so sánh (SS) xác định điểm cân bằng của điện áp điều khiển Uđk

và Ut để phát động khâu tạo xung

Trong nguyên tắc này thời điểm phát xung mở van hay góc điều khiểnthay đổi do sự thay đổi trị số của Uđk nên đồ thị là sự di chuyển theo chiều dọccủa trục biên độ Đa số trên thực tế sử dụng nguyên tắc này

Hình 4.3

3 Mạch điều khiển một kênh và nhiều kênh.

Các mạch chỉnh lu công suất thờng có số van cần điều khiển lớn hơn 1.Vì vậy ngời ta cho MĐK thành 2 loại

a Mạch điều khiển nhiều kênh (hình 4.3a)

Trong loại này có nhiều kênh điều khiển giống nhau về sơ đồ và nguyên

lý làm việc, mỗi một kênh này phụ trách phát xung mở cho một van hoặc haivan cùng pha của mạch lực Loại này rất thông dụng vì độ tác động nhanh n0

có độ đối xứng điều khiển thấp, cùng một giá trị Uđk có góc α ở các kênh khácnhau độ sai lệch lên tới vài độ điện

b Mạch điều khiển một kênh (hình 4.3b)

Mạch này chỉ có một khối xác định một hay hai lần trong một chu kỳ

điện áp lực Một bộ phận phát xung PPX đảm bảo nhiệm vụ phát xung lần lợt

đến các van bằng cách dịch xung đi một góc cần thiết (thờng bằng 2

n

π với n

là số van lực)

Các mạch điều khiển có thể sử dụng kỹ thuật tơng tự hoặc kỹ thuật số(digital).

Mạch điều khiển analog có tác động nhanh chế tạo đơn giản, dễ thựchiện và phổ biến hơn mạch digital Song có nhợc điểm ở chỗ nhạy nhiễu vàphải chỉnh định nhiều, khó đồng nhất các kênh điều khiển

Mạch điều khiển digital phức tạp có độ tác động không nhanh bằngmạch điều khiển analog vì thời gian xử lý tín hiệu còn chậm, song khả năngchống nhiễu tốt mạch ít phải chỉnh định và dễ đồng nhất các kênh nên thờng

có chất lợng điều chỉnh cao hơn

III Các khâu chính trong mạch điều khiển.

1 Khâu đồng bộ.

Theo sơ đồ cấu trúc, khâu này phải tạo ra một điện áp có góc lệch pha

cố định với điện áp đặt lên van lực, phù hợp nhất cho mục đích này là máybiến áp đồng pha Dùng máy biến áp không nhng cho phép thoả mãn yêu cầutrên mà còn đạt hai mục tiêu quan trọng là:

- Chuyển đổi điện áp lới thờng có trị số cao sang giá trị phù hợp vớimạch điều khiển thờng là điện áp thấp

- Cách ly hoàn toàn về điện giữa mạch điều khiển và mạch lực điều này

đảm bảo an toàn cho ngời sử dụng cũng nh các linh kiện điện tử

ở đây ta dùng máy biến áp một pha Tuy nhiên mạch điều khiển cónhiều khâu cũng cần dùng biến áp nên thờng chỉ dùng chung một máy biến áp

có nhiều cuộn thứ cấp mỗi cuộn thực hiện một chức năng riêng, trong đó cócuộn cho khâu đồng bộ này

2 Khâu tạo điện áp tựa.

Hiện nay sử dụng chủ yếu hai dạng điện áp tựa là dạng hình sin và dạngrăng ca

a Điện áp tựa dạng hàm cosin.

Trong mạch điều khiển ta có Ud = Ud0.cosα

Nếu điện áp tựa có dạng hàm cosin: Ut = Umcosωt thì điểm phát xung

mở van tơng ứng góc điều khiển ωt = α là khi điện áp tựa cân bằng với điện áp

điều khiển Uđk = Umcosα suy ra cosα = đk

Nhợc điểm chung của mạch tạo điện áp tựa dạng hình sin là phụ thuộcvào điện áp xoay chiều Khi điện áp này tăng lên hay giảm xuống thì điện áptựa cũng giảm theo làm cho góc điều khiển và điện áp chỉnh lu biến độngtheo Mặt khác nếu tần số xoay chiều cũng thay đổi thì góc dịch pha sẽ khôngcòn giữ ở 900 nữa mà bị lệch khỏi giá trị này và do đó nó cũng gây hậu quả t-

ơng tự nh khi điện áp nguồn thay đổi Vì vậy mạch tạo điện áp tựa loại này ítdùng trong thực tế.

b Điện áp tựa dạng răng ca.

Đa số các mạch điện áp tựa trong mạch điều khiển chỉnh lu hiện thời

đều dùng dạng răng ca vì nó khắc phục đợc những nhợc điểm của dạng hìnhsin có nghĩa là nó ít bị ảnh hởng của điện áp và tần số nguồn điện xoay chiều.Tuy nhiên nhợc điểm của nó là không đạt đợc quan hệ tuyến tính giữa điện áp

điều khiển và điện áp chỉnh lu nên sẽ khó khăn hơn khi tiến hành quá trình tự

động hoá điều chỉnh và ổn định các thông số của mạch chỉnh lu nói riêng haycủa thiết bị nói chung có thể chia nó làm hai loại chính là răng ca phi tuyến

và răng ca tuyến tính, có hai phơng pháp cơ bản tạo hàm răng ca

- Dùng tranzito và tụ điện

- Dùng khuếch đại thuật toán và tụ điện

Tạo răng ca tuyến tính Đa số các bộ tạo răng ca tuyến tính đều dựa trênnguyên tắc nạp cho tụ C, bằng dòng điện không đổi Ic, vì thực chất quan hệgiữa điện áp và dòng điện của tụ điện

Vậy để chế tạo điện áp răng ca trong đồ án này sử dụng mạch KĐTT

OA để tạo điện áp răng ca tuyến tính

Dùng mạch KĐTT OA để tạo điện áp răng ca tuyến tính vì mạch nàyhạn chế đợc sự phụ thuộc của thời gian đóng mở các bóng tranzito, khắc phụcnhững biến động theo điện áp lới xoay chiều nên α ít bị ảnh hởng.

Máy biến áp tạo điện áp đồng pha với điện áp đặt vào mạch lực Điện

áp hình sin sau khi qua chỉnh lu đợc đa vào khâu so sánh OA, tạo điện ápxung hình chữ nhật ở nửa chu kỳ khi UOA1 < 0 thì diôt Đ3 dẫn Điện áp trên tụ

điện C bằng điện áp ở đầu ra của OA2: UC = Ub Điện áp trên điện trở R3 bằng

điện áp trở ở đầu ra của OA1

Mạch thiết kế với điều kiện R2 << R3, dẫn đến iR3 << iR2 nên để đơn giảnkhi phân tích có thể bỏ qua dòng iR3 trong giai đoạn này Nh vậy dòng qua tụ

điện iC bằng dòng iR2 vì dòng vào cửa (-) của OA không đáng kể Vậy ta có

Nh vậy điện áp trên tụ C cũng nh đầu ra tăng trởng tuyến tính Khi điện

áp này đạt trị số ngỡng của điốt ổn áp ĐZ thì nó thông và giữ điện áp ra ở trị sốnày (nếu không có ĐZ thì điện áp tăng tới trị số +Ubh

ở nửa chu kỳ sau điện áp Ua > 0 Đi ốt Đ3 khoa nên dòng qua R2 bằngkhông Lúc này dòng qua tụ C, bằng dòng qua điện trở R3, dòng điện này ng-

ợc chiều với dòng đi qua tụ C, ở nửa chu kỳ trớc có nghĩa là tụ C, phóng điện

Do đó điện áp ra cũng nh điện áp trên tụ C cũng giảm tuyến tính Khi

điện áp giảm đến không rời âm xuống thì ĐZ dẫn theo chiều thuận nh các diốtthờng Giữ cho điện áp ở giá trị xấp xỉ bằng 0V

Từ đây mạch trở lại trạng thái ban đầu và điện áp nhận đợc trong nửachu kỳ lới điện xoay chiều có dạng răng ca đi xuống

Tính toán các phần tử

Chọn Đ1, Đ2, Đ3 loại 1N007

Chọn khuếch đại thuật toán loại àA741 có các thông số sau:

Zvào = 300KΩ; En = ± 15V; t0 = 550ữ 1250C

Chän tô lo¹i C1 = 0,02µF, chän §z lo¹i 9,1V.

0

2.U C =2.9,1.0,22.10−R3 = 75K

TÝnh R2: Ta cã c«ng thøc:

bh 2

Chän thêi gian n¹p ®iÖn cho tô ®iÖn tn = 5ms

Thêi gian tô phãng ®iÖn tp = 1µs

Ta cã: UC = Ub = bh

n 2

UtC.R

2

c

U tR

13,5.5.10

33,7.109,1.0,22.10

0

E.t 15.1.10R

thời điểm hai điện áp này bằng nhau Nói cách khác đây là khâu để xác địnhgóc điều khiển α.

Khâu so sánh có thể thực hiện bằng các phần tử, khuếch đại từ, tranzitohay khuếch đại thuật toán OA Sử dụng nhiều nhất hiện nay là các OA vì nócho phép đảm bảo độ chính xác cao nhất là khi sử dụng OA chuyên dụngComparator, có giá thành hạ, không cần chỉnh định phức tạp ở đồ án này sửdụng khuếch đại thuật toán để làm chức năng so sánh vì KĐTT là phần tử sosánh lý tởng

- Tỏng trở vào rất lớn nên không gây ảnh hởng đến các điện áp đa vào

so sánh, nó có thể tách biệt hoàn toàn chúng để không tác động sang nhau

- Tầng vào của OA cũng thờng là khuếch đại vi sai mặt khác số tầngnhiều nên hệ số khuếch đại rất lớn vì thế so sánh có độ chính xác rất cao, độtrễ không quá vài às Sờn dốc đứng nếu so sánh với tần số f = 50Hz

Khâu so sánh dùng OA cũng có hai kiểu đấu các điện áp so sánh là sosánh hai cửa và so sánh 1 cửa

So sánh hai cửa: Trong kiểu này hai điện áp cần so sánh đợc đa tới haicực khác nhau của OA điện áp ra sẽ thực hiện theo qui luật

Us = K0∆U = K0 (U+ - U-)

→ Us = K0 (Uđk - Ut)

Do đó khi Uđk > Uf suy ra điện áp ra là dơng

Uđk < Uf suy ra điện áp ra là âm

4 Khâu tạo xung chùm.

Dạng xung chùm là dạng thông dụng nhất vì nó cho phép mở tất cả cácvan lực trong mọi trờng hợp, với mọi dạng tải và nhiều sơ đồ chỉnh lu khácnhau Xung chùm thực chất là một chùm các xung có tần số cao gấp nhiều lầnlới điện fXC = 8 ữ 12KHz Độ rộng của chùm xung có thể đợc hạn chế trongkhoảng 1000 ữ 1300 điện về nguyên tắc nó phải kết thúc khi điện áp trên van

mà nó điều khiển sang dấu âm

Nguyên tắc tạo xung chùm thờng là coi tín hiệu do bộ so sánh đa ra nhmột tín hiệu cho phép hay cấm khâu khuếch đại xung đợc nhận xung tần sốcao phát từ một bộ dao động đa hài tới nó Trớc đây còn dùng một nguyên tắckhác: Bộ tạo dao động đồng thời thực hiện chức năng khuếch đại xung và do

đó nó làm việc ở chế độ đợi kích song loại này làm việc dễ bị kích nhiễu hoặclại khó kích vì vậy không nên dùng và hiện nay bị loại bỏ

Dễ dàng nhận thấy rằng để thực hiện tạo xung chùm theo nguyên tắc

đầu ra chỉ cần một mạch logic “AND”

Loại có độ rộng xung chùm phụ thuộc hoàn toàn vào góc điều khiển α

Có sơ đồ cấu trúc và đồ thị minh hoạ (hình 4.5a; 4.5b)

Do khâu so sánh nối thẳng với cửa vào của logic AND nên chỉ trongkhaỏng điện áp ra của SS ở mức “1” xung từ bộ dao động tần số cao mới điqua đợc để tới khâu khuếch đại Bản thân mức “1” này phụ thuộc vào góc α

nên kết quả ta có độ rộng xung chùm 1800 - α

Trong các mạch điều khiển hiện nay việc tạo các dao động dạng xungvới tần số cố định đợc thực hiện bằng rất nhiều cách khác nhau tùy theo sởthích của ngời thiết kế hoặc xu hớng ứng dụng các phần tử giống nhau trongmạch điều khiển ở đây em dùng khuếch đại thuật toán OA để tạo dao động(hình 4.6)

Hình 4.6

Đây là mạch rất thông dụng hiện nay OA đợc dùng nh bộ so sánh haicửa tụ C liên tục đợc phóng nạp làm cho OA đảo trạng thái mỗi lần điện áptrên tụ điện đạt trị số của bộ chi điện áp R10, R11

Ta có chu kỳ dao động

T = 2R12 C2 Ln 11

10

2R1R

Tổng trở bộ phân áp (R10 + R11) cỡ 20K, chọn R10 = R11 = 10K để tạo radạng xung đối xứng

5 Khâu khuếch đại xung.

Mạch điều khiển chỉnh lu thờng làm việc trong điều kiện nhiều mạch dobản thân mạch lực của nó gây ra Các nhiễu này có thể truyền theo đờng dâytới nguồn tới đầu vào của mạch điều khiển và lan đến tận khâu khuếch đạixung (KĐX) Nếu KĐX có hệ số lớn, đặc biệt dùng mạch KĐX có phản hồi d-

ơng sẽ rất dễ gây ra hiện tợng khuếch đại giả làm mở van không đúng thời

điểm Vì vậy nói chung không nên dùng các mạch KĐX với phản hồi dơng

mạch thực tế thờng dùng mạch có hệ số khuếch đại không lớn để đảm bảochống nhiễu tốt.

KĐX có nhiệm vụ tăng công suất xung do khâu tạo dạng xung hìnhthành đủ mạnh để mở van lực Đại đa số các van đợc chế tạo có thể mở chắcchắn với xung điều khiển có UGK = 5 ữ 10V; Ig = 0,3 ữ 1A trong thời gian cỡ

100às

Đầu ra của KĐX sẽ nối với cực G - R của van còn đầu vào nối với khốitạo dạng xung Do đó ta có thể sơ bộ xem xét hệ số khuếch đại công suấtKP=KU KI thông qua hệ số khuếch đại áp Ku và dòng II nh sau:

* Hệ số khuếch đại áp

Các tầng KĐX bao giờ cũng làm việc ở chế độ khoá, vì vậy điện áp ratải của nó luôn có thể đạt trị số nguồn công suất ECS cung cấp cho KĐX.Nguồn ECS luôn đợc chọn trị số > 10V (trong phạm vi 15 ữ 30V), đồng thờibiên độ điện áp xung vào do nguồn điều khiển quyết định cũng đợc chọn hơn10V nh vậy có thể chọn KU ≅ 1

* Hệ số khuếch đại dòng điện.

Tạo dạng xung là sử dụng cao OA vì vậy chúng chỉ mang đợc tải dòng

điện vài miliampe (gái trị hay dùng là 3mA) Đối chiếu với dòng yêu cầu là:

g

v

I 0,3 0,6K

Hình 4.7

* Tính chọn biến áp xung.

Trong khâu khuếch đại xung tầng cuối cùng của khâu này là biến ápxung có chức năng nh sau:

- Tạo biên độ xung ra phù hợp với tải

- Cách ly giữa mạch lực và mạch điều khiển

- Dễ phân phối xung điều khiển cho các kênh

Ta có: Ug = 10V; Ig = 0,42A

Trong khi đó Ug, Ig chính là áp và dòng chạy qua dây quấn thứ cấp củaBAX

Chọn biến áp xung có tỷ số của cuộn dây Kba= 2

Vậy điện áp và dòng điện sơ cấp máy biến áp xung

Ta chọn vật liệu lõi thép làm biến áp xung là lõi thép pherit, làm việctrên một phần đặc tính từ hoá.

I

.f

=π

Trong đó f = 3A/mm2 là mật độ dòng điện trong cuộn dây Vậy ta thay

β1 = 35 ữ 60

Iβ1 =

3 C1

Điốt D4 dùng để bảo vệ tranzito do Sđđ cảm ứng của cuộn sơ cấp biến

áp xung gây ra

8

E UE

16 ≤ R8 ≤ 20 → R8 = 18Ω.

* Điện trở R7 có tác dụng dẫn dòng mở tranzitor

10R

1,5.10−

≤ = 6,67K → R7 = 6K

6 Khâu tạo điện áp điều khiển.

Để xác định điện áp điều khiển Uđk ta phải tổng hợp đợc mạch vòng

điều chỉnh dòng điện và điều chỉnh tốc độ

Theo đặc điểm của từng đại lợng, điện áp điều khiển đợc tạo theo sơ đồtrên hình 4.7

Hình 4.10

Sơ đồ đơn giản nhất gồm hai vòng điều chỉnh, vòng điều chỉnh dòng

điện ở trong có bộ điều chỉnh dòng điện RI, vòng điều chỉnh tốc độ có bộ điềuchỉnh tốc độ Rω, bộ điều chỉnh này có đặc tính khuếch đại có vùng bão hoà

Điện áp đầu ra của Rω là điện áp đặt dòng điện Uiđ, giá trị bão hoà Uiđmax chính

là giá trị đạt cực đại của dòng điện Bộ điều chỉnh dòng điện RI trong mạchvòng có nhiệm vụ gián tiếp duy trì dòng điện phần ứng luôn bằng giá trị đặt(Uiđ), bất kể hệ thống đang làm việc ổn định hay đang trong quá trình quá độ,

RI thờng có cấu trúc là khâu tỷ lệ tích phân PI Nh vậy mạch vòng dòng điện

đã biến bộ biến đổi BA thành một nguồn điện đợc điều khiển bởi tín hiệu Uiđ.Vì dòng điện là đại lợng biến thiên nhanh nên sai lệch δi luôn nhỏ, bộ điềuchỉnh RI luôn làm việc ở vùng tuyến tính của đặc tính điều chỉnh

Khi bắt đầu quá trình thay đổi tốc độ, giả sẻ xét khi khởi động động cơ

Do có sự thay đổi đột ngột của Uωđ trong khi Uω cha thay đổi kịp do quán tínhcơ học của hệ, nên sai lệch đầu vào δω = Uωđ - Uω có giá trị lớn Đặc điểm của

Rω sẽ ở rất sâu trong vùng bão hoà của đặc tính điều chỉnh, tín hiệu ra của Rω

sẽ là Uiđ = Uiđmax = const, mạch vòng tốc độ bị ngắt ra khỏi sơ đồ do hoạt độngcủa mạch vòng dòng điện mà dòng điện phần ứng đợc duy trì ở giá trị I= Iđmaxtơng ứng với tín hiệu vào của mạch vòng là Uiđmax, động cơ bắt đầu đợc tăngtốc tốc độ với gia tốc