Giới thiệu tính toán thiết kế mạch điều khiển toàn hệ thống

Nhiệm vụ chức năng mạch điều khiển : Như ta đã biết Thyristo chỉ để mở cho dòng chạy qua khi có điện áp dương đặt lên anốt và có xung điều khiển đặt vào cực điều khiển.

Chơng IV Giới thiệu - tính toán - thiết kế mạch điều khiển toàn hệ

thống

I Nhiệm vụ chức năng mạch điều khiển :

Nh ta đã biết Thyristo chỉ để mở cho dòng chạy qua khi có điện áp dơng đặt lên anốt và có xung điều khiển đặt vào cực điều khiển Sau khi Thyristo đã mở thì xung điều khiển không còn có tác dụng gì nữa Dòng điện chạy qua Thyristo do thông số ở mạch lực quyết định

1.Mạch điều khiển có chức năng sau:

- Điều chỉnh đợc vị trí xung điều khiển trong phạm vi nửa chu kì dơng của

điện áp đặt lên a-k của T

- Tạo các xung điều khiển có thể mở đợc Thyristo Xung điều khiển có độ rộng 2 10V; độ rộng xung tV; độ rộng xung tx = 20V; độ rộng xung t  10V; độ rộng xung t0V; độ rộng xung ts

Dộ rộng xung điều khiển có thể tính đợc theo công thức:

Idt: dòng duy trì của Thyristo

di/dt: tốc đọ tăng trởng của dòng điện tải

2.Cấu trúc chung của mạch điều khiển nghịch lu:

3.Yêu cầu về mạch điều khiển:

Mạch điều khiển là một khâu quan trọng trong hệ thống điều khiển Thyrisro, nó là

bộ phận chủ yếu quyết định chất lợng và độ tin cậy của bộ biến đổi

Yêu cầu về bộ biến đổi có thể tóm tắt nh sau: Mỗi thyristo có 1 đặc tính là quan hệ giữa điện áp trên cực điều khiển và dòng điện chạy qua cực điều khiển

Uđk= f(Iđk) Quan hệ giữa chúng đợc biểu diễn nh sau:

dt di

tx Idt

FX

chủ đạo

Chia xung

ND

Tín hiệu phản hồi

Do sai lệch về thông số chế tạo và điều kiện làm việc ngay cả T cùng loại cũng có đặc tính đầu vaò khác nhau Với mỗi loại thyristo ta có các đặc tính này dao động giữa 2 đặc tính giới hạn a và b

- Yêu cầu độ lớn của điện áp và dòng điều khiển có 3 yêu cầu chủ yếu sau: + Các giá trị lớn nhất không vợt quá giá trị cho phép

+ Giá trị nhỏ nhất cũng phải đảm bảo đợc tất cả các Thyristo cùng loại ở mọi

điều kiện làm việc

+ Tổn hao công suất trung bình ở cực điều khiển nhỏ hơn giá trị cho phép

- Yêu cầu về tính đối xứng của xung trong kêng điều khiển: Trong các bộ biến đổi có nhiều pha, tính đối xứng của xung điều khiển rất quan trọng, nếu xung

điều khiển mất tính đối xứng sẽ làm cho dòng anốt của các pha có hìh dạng khác nhau và giá trị khác nhau làm mất cân bằng cảu máy biến áp xung do đó giảm công suất MBAX

- Yêu cầu về độ rộng xung điều khiển: Thông thờng độ rộng xung không nhỏ hơn 5 s và tăng độ rộng của xung điều khiển sẽ cho phép giảm nhỏ xung điều khiển Khi mạch tải có điện cảm lớn thì dòng điện tải it tăng chậm nên phải tăng độ rộng của xung điều khiển

-Yêu cầu về độ tin cậy của mạch điều khiển: Mạch điều khiển phải làm việc tin cậy trong mọi trờng hợp nhiẹt độ thay đổi

-Yêu cầu về lắp ráp vân hành: Sử dụng thiết bị dễ thay thế, dễ lắp ráp, điều chỉnh, thiết bi thay thế dễ dàng giữa các khối cho nhau nhng mối khối phải có khả năng làm việc đập lập

II Tính toán mạch điều khiển:

1.Khối phát xung chủ đạo: Ta dùng vi mạch 555 đây là khối phát xung chữ nhật.

Sơ đồ khối phát xung nh sau:

Để dảm bảo xung ra có T1=T2 tức là đối xứng hoàn toàn thì ta thiết kế vi mạch 555

có tần số băng 2 lần tần số yêu cầu tức là f=20V; độ rộng xung t0V; độ rộng xung t0V; độ rộng xung tHz sua đó đầu ra của 555 đa vào mạch đếm logic chia 2 ( Một flip-flipTrigơ) Vậy ta có chu kỳ đầu ra của vi mạch 555:

T=0V; độ rộng xung t,639C(R1+R2+2P1+P2=; để xung đối xứng T1T2 ta chon R1=R2; x=1/2 khi đó T=0V; độ rộng xung t,693C(2R1+2P1+P2)

Chon C= 0V; độ rộng xung t,0V; độ rộng xung t1F ta có:

T= 0V; độ rộng xung t,693.0V; độ rộng xung t,0V; độ rộng xung t1.10V; độ rộng xung t-6.(2R+2P1+P2)=1/f=1/20V; độ rộng xung t0V; độ rộng xung t0V; độ rộng xung t = 0V; độ rộng xung t,0V; độ rộng xung t0V; độ rộng xung t0V; độ rộng xung t5

 2R + 2P1+P2 = 72150V; độ rộng xung t; Chon R =27k  2P1+P2 =1,82k

Chon P1= 5,7k  P2 = 6,8k Vậy thiết kế mạch xung có f=20V; độ rộng xung t0V; độ rộng xung t0V; độ rộng xung tHz dung

555 thì C = 0V; độ rộng xung t,0V; độ rộng xung t1F; R1 = R2 =27K; P1= 5,7k; P2=18,2k

D1 ,D2 là hai điốt chọn cùng loại có ký hiệu 20V; độ rộng xung t4 Itb=80V; độ rộng xung t0V; độ rộng xung tmA; Uđm=10V; độ rộng xung t0V; độ rộng xung tV Tranzito Tr1 chon loại c828 có Uce=30V; độ rộng xung tV; Icmax=30V; độ rộng xung t0V; độ rộng xung tmA; =30V; độ rộng xung t10V; độ rộng xung t0V; độ rộng xung t; Ic =10V; độ rộng xung tA;

Z

V3

s R

5k

5k

C1

xP2

27k

5k

R1

+E 15V

P1

5,7k

0

27k

Uc 1

2 Thiết kế bộ chia xung:

Ta dùng 1 Flip-flop Trigơ loại T-FF tuy nhiên T-FF không bán trên thị trờng Muốn có ta phỉa tạo ra từ các Flip-Flop khác ở đây ta tạo ra từ D – Flìplop không

đồng bộ theo sờn lên của xung nhịp ta có thể tạo ra đợc T-FF tích cực cao lật trạng thái ở sờn lên của xung nhịp)

Vậy xung sau khi ra khỏi bbộ chia xung có tần số f = 10V; độ rộng xung t0V; độ rộng xung t0V; độ rộng xung tHz

3.Thiết kế bộ tạo độ rông xung:

Tạo ra xung đơn ( xung kim) có độ rọng tx =10V; độ rộng xung t0V; độ rộng xung ts = 10V; độ rộng xung t-4s

Sơ đồ khối bộ tạo độ rông xung:

 Hoạt động của sơ đồ:

Khi x =’0V; độ rộng xung t’; z1 =’0V; độ rộng xung t’; z2 =’0V; độ rộng xung t’; z3 =’0V; độ rộng xung t’; z4 =’1’; y=’0V; độ rộng xung t’

Khi x =’1’; z1 =’0V; độ rộng xung t’; z2 =’1’; tụ điện C2 đợc nạp điên qua điện trở R2 Lúc đầu

UR3 =’1’ do đó z4 =’0V; độ rộng xung t’, y =’1’, sau thời gian t=R3C2 thì UR2 =’0V; độ rộng xung t’ thì z4 =’1’ và

y =’0V; độ rộng xung t’ Trong đó múc lôgic ‘o’ khoảng 0V; độ rộng xung t,4 đến 0V; độ rộng xung t,6V

Độ rộng xung ra là tx= R3C2, thờng chọn R3 =1k tx =10V; độ rộng xung t-4 = 10V; độ rộng xung t0V; độ rộng xung t0V; độ rộng xung tC2

 C2 = 0V; độ rộng xung t,1F

Vậy khâu tạo xung có sơ đồ nh hình vẽ và chọn

D Q

C Q

Ra R 1

Q

t 

 

y x

z2 z

1

z4

z3

C2

2 , 0 5 , 1

3 , 0

1  

n

I

I dk

S B

t U W

s x

.

1

1

) ( 23 10

45 , 0

10 100 5 , 10

4

4





) ( 15 5 , 1

23

1

n

W

W   

mm j

π

I

3 14 , 3

3 , 0 2

2 2

E 2 +24V

D z

D 3

D 4

D 5

Tr 2

R 5

R 4

C828 2k 120

204 204 G

K 204

C2 = 0V; độ rộng xung t,1F; R3 = 1k

4 phần tử NAND trong sơ đồ nằm trong con IC40V; độ rộng xung t11 có sơ đồ chân nh sau:

4 Thiết kế máy biến áp xung:

Sử dung BAX với mục đích sau:

-Dễ dàng tạo đợc xung với biên độ phù hợp với

tải

-Cách ly về điện giữa mạch điều khiển và hệ

thống động lực

-Dễ dàng thay đổi cực tính của xung ra

Khi chọn van điều khiển thì giá trị dòng và áp:

Iđk =0V; độ rộng xung t,3A

Uđk=7V

Điện áp điều khiển và dòng điện điều khiển chính là giá trị dòng và áp thứ cấp của BAX Theo kinh nghiệm tỷ số BAX thờng chọn từ 13 là tốt nhất Do đó

ta chọn n=1,5 Nh vây điện áp đặt lên cuộn sơ cấp phải là:

U1= n.Uđk =1,5.7 =10V; độ rộng xung t,5V

Dòng điệ sơ cấp:

Ta chọn vật liệu lõi thép là pherit, làm việc trên 1 phần đặc tính từ hoá Bs= 0V; độ rộng xung t,45T; độ từ thẩm  = 60V; độ rộng xung t0V; độ rộng xung t0V; độ rộng xung tA/m2, có diện tích lõi thép là 1cm2

*Số vòng dây cuộn sơ cấp :

tx: Chiều dài xung điều truyền qua BAX , thờng chọn tx từ 10V; độ rộng xung t 60V; độ rộng xung t0V; độ rộng xung ts, ở đây ta chọn tx =10V; độ rộng xung t0V; độ rộng xung ts

*S diện tích lõi pherit lấy S =10V; độ rộng xung t-4mm2

*Số vòng dây cuộn thứ cấp:

*Chọn mật độ dòng điện j=3A/mm2

 Đơng kính cuộn thứ cấp:

CMOS 4011

14

Vcc

7 6 5 4 3 2 1

mm j

I

3 14 , 3

2 , 0 2 π

2 1

Ω I

E R

c

120 2 , 0

24

max 2

2

Ω k

10 1 , 0

10 16 , 0

6

3





Bộ dịch pha

Đờng kính cuộn sơ cấp:

*Chọn R4 =2k, chọn tranditocó Ic2mã =I1 =0V; độ rộng xung t,2A



Chọn Tr2 là C828 có Uce =30V; độ rộng xung tV; Ic2max =30V; độ rộng xung t0V; độ rộng xung tmA;  =30V; độ rộng xung t10V; độ rộng xung t0V; độ rộng xung t; D3, D4, D5, chọn loại điốt 20V; độ rộng xung t4 có Itb =80V; độ rộng xung t0V; độ rộng xung tmA;Um =10V; độ rộng xung t0V; độ rộng xung tV;

5 Lựa chọn khâu lệch pha:

Xung điều khiển T1T4 muốn điều khiển T3 T2 thì ta phải dich xung đó đi một góc  do đó ta phải thiết kế khâu dịch pha:

Đây là mạch trễ pha toàn thông , để tạo ra tín hiệu dịch pha  ta mắc nối tiếp 2

bộ dịch pha 90V; độ rộng xung t0V; độ rộng xung t

Chọn R8 = 10V; độ rộng xung tk Ta có độ lệch pha :() = -2tg-1 RC

Với  =2.10V; độ rộng xung t3(rad/s)  -2arctg(2.10V; độ rộng xung t3R9C10V; độ rộng xung t) = -90V; độ rộng xung t0V; độ rộng xung t

R9C10V; độ rộng xung t = 1/2.10V; độ rộng xung t3 = 0V; độ rộng xung t,16.10V; độ rộng xung t-3 Chọn tụ C10V; độ rộng xung t có dung lợng C10V; độ rộng xung t = 0V; độ rộng xung t,1F

 Chọn R9 là chiết áp 3k

Ký hiệu bộ dịch pha :

6 Khâu lấy tín hiệu về:

Tín hiệu về có hai nhiệm vụ:

Uv

TL081

+15 V

-15V

ura

R8

R8

D4

R9

) ( 1755 1

2 , 0

351

1

2

1 2 1

1

2 2

I

I W

W

I

I













U i =i.R S

Rs

Biến dòng Tải

- Sau khi tín hiêu dòng và áp của bộ nghịch lu ra tải ổn định thì ngắt máy phát xung chủ đạo

- Tín hiệu về đợc da về bộ khuyếch đại sửa xung để điều khiển quá trình

đóng mở các can của bộ nghịch lu

Ta có Utải = 80V; độ rộng xung t0V; độ rộng xung tV; Itải =351A

Vì bộ nghịch luđộc lập nguồn dòng nên dòng điện tải không phụ thuộc vào tải do đó ta lấy tín hiệu về là tín hiệu dòng và để lấy tín hiêu điều khiển thì ta phải

sử dụng máy biến dòng và điện trở sun Rs

Chọn máy biến dòng có số vòng dây sơ cấp và thứ cấp

Chọn Rs để Ui=i.Rs =10V; độ rộng xung tV Rs =10V; độ rộng xung t/0V; độ rộng xung t,2 =50V; độ rộng xung t

Tín hiệu lấy về có dạng:

 Muốn có dạng xung vuông ta cho tín hiệu qua IC thuật

toán

Chọn loại OA TL0V; độ rộng xung t81 có Vcc = 15V

Ud = 30V; độ rộng xung tV

Đồ thị tín hiệu vào ra theo thời gian:

-Vcc +V cc

U d

Mở T 1 T 4

U r

t

t Uv

Ta có xung điều khiển của T1 và T4 phải có dạng xung dơng do đó để tạo xung điều khiển cho T1 và T4 thì tín hiệu phản hồi sau khi qua bộ khuyếch đại thuật toán ta cho qua điốt

Khi Uv >0V; độ rộng xung t  UA

< UK  D khoá  Ur = Uv

Khi Uv <0V; độ rộng xung t  UA >UK  D thông  Ur = 0V; độ rộng xung t

 Để tạo xung điều khiển T2,T3 ta dùng mạch gim trên song song

Uv > 0V; độ rộng xung t  UA > UK  D6 thông Ur = 0V; độ rộng xung t

Uv < 0V; độ rộng xung t  UA < UK  D6 khoá Ur = Uv

T 1 T 4

T 2 T 3

T 1 T 4

T 2 T 3

Ur

Uv

D5

204

Ur

Uv

D6

204

Vì xung điều khiển đẻ mở van là xung dơng nên ta phải cho qua 1 phần tử bán dẫn đó là vi mạch:

Tín hiệu ở chân 10V; độ rộng xung t của 40V; độ rộng xung t47 chính là tín hiệu qua BAX và di điều khiển

T2,T3

7 Khâu để ngắt máy phát xung:

Sau khi tín hiệu dòng và áp ra tải ổn định thì ta ngắt máy phát xung ra khỏi mạch điều khiển, do đó ta có thể sử dụng rơ le thời gian có hai tiếp điểm, một tiếp

điểm thờng đóng mở chậm và một tiếp điểm thờng mở đóng chậm Chon rơ le thời gian do liên xô cũ chế tạo loại B20V; độ rộng xung t1 có các thông số kỹ thuật:

+ Diện áp định mức Uđm =24V

+ Khoảng điều chỉnh thời gian 0V; độ rộng xung t,25 4s

Theo số liệu trong bài ta điều chỉnh thời gian của rơle là 1s

 Tổng hợp mạch điều khiển:

Sau khi chọn các khâu và các phần tử ta gép nối các khâu lại với nhau và đợc sơ đồ tổng quát của mạch điều khiển

8 Thiết kế bộ nguồn cung cấp cho các vi mạch, cho biến áp xung:

U v

D 6

204

10 11

5 7 912

3 1 2 8

14 6 4

CMOS 4047

R6

C3

+ Vcc

t

t

Đầu vào OA

t

Tín hiệu sau D6

Tín hiệu ra chân 10V; độ rộng xung t của 40V; độ rộng xung t47















V U

V U

V U

r v r

30

5 , 17 15

max min

















V U

V U

V U

r v r

38 27 24

max min

2 220

V U

U

2

30 5 , 17 2

min max

7 75 , 23 2

2 220

2 2

m

vm

U

U a

Ta cần có nguồn một chiều có điện áp 15V và +24V Do đó ta thiết kế bộ chỉnh lu, sau bộ chỉnh lu đặt một ổn áp để ổn định điện áp ra :

Chọn dùng IC ổn áp LM7815 có:

Và IC LM7824 có :

 Thiết kế mạch nguồn 15V

Ta dùng sơ đồ chỉnh lu 2 nữa chu kỳ biếnáp điểm giữa:

Chọn tụ C4 là tụ một chiều 10V; độ rộng xung t0V; độ rộng xung t0V; độ rộng xung tF; C5 = 330V; độ rộng xung tnF; C6 = 10V; độ rộng xung tnF ;

Để xác định tỷ số máy biến áp ta xét điện áp vào cho phép của 7815 Nếu

điện áp vào là 220V; độ rộng xung tV, 50V; độ rộng xung tHz thì ta có biến độ điện áp cuộn sơ cấp là

Cuộn thứ cấp có điểm giã phải có biên độ:

Vậy tỷ số biến áp :

 Thiết kế mạch tạo nguồn +24V

D7

1

LM7815

+15V

C6

C5

C4

D8

V U

U

2

38 28 2

min max

5 5 , 32 2

2 220

2 2

m

vm

U

U a

D9

1

LM7815

+24V

C9

C8

C7

D10

Ta có:

 Tỷ số biến áp:

Sơ đồ mạch tao nguồn +24V:

Chọn D7, D8, D9, D10V; độ rộng xung t, cùng loại 20V; độ rộng xung t4 có Itb =80V; độ rộng xung t0V; độ rộng xung tmA, Uim =10V; độ rộng xung t0V; độ rộng xung tV

 Thiết kế nguồn cung cấp -15V:

Sơ đồ nguồn cung cấp -15V nh sau:

II Tổng hợp mạch điều khiển cho tàon hệ thống:

1 Sơ đồ mạch điều khiển cho toàn hệ thống:

1

LM7815

+24V

2 Nguyên lý hoạt động của toàn hệ thống:

+ Vi mạch 555 phát xung hình chữ nhật có tần số 20V; độ rộng xung t0V; độ rộng xung t0V; độ rộng xung tHz sau khi qua bộ chia xung Fliplop ta đợc xung vuông có tần số 10V; độ rộng xung t0V; độ rộng xung t0V; độ rộng xung tHz

+ Xung tần số f =10V; độ rộng xung t0V; độ rộng xung t0V; độ rộng xung tHz qua bộ tạo độ rộng xung ta đợc xung có độ rộng tx

=10V; độ rộng xung t0V; độ rộng xung ts, tần số f=10V; độ rộng xung t0V; độ rộng xung t0V; độ rộng xung tHz, xung này qua BAX đợc khuyếch đại , sau đó đợc đa vào cực G1,G4 của các Thyristo T1, T4

+ Xung ở đầu ra của bộ tạo độ rộng, muốn kích mở đợc T2, T3 ta cho qua bộ dịch pha 1 góc  Xung này có dạng dống xung ở đầu ra của bộ tạo độ rộng xung nhng dịch pha 1 góc  Xung này qua BAX để khuyếch đại sau đó đa vào cực G2,

G3 của thyristo T2,T3

+ Khi các thyristo T1, T2, T3, T4 đợc kích mở thì bộ nghịch lu hoạt động cấp dòng và áp cho tải Dạng dòng điện gần sin, có tần số f=10V; độ rộng xung t0V; độ rộng xung t0V; độ rộng xung tHz, biên độ dòng và

áp thoả mãn yêu cầu

+ Để bộ nghịch lu có thể tự hoạt động ta lấy tín hiệu dong điện về để kích

mở các van Khi đó ta ngắt máy phát xung chủ đạo 555 Để làm việc này ta dùng rơ le thời gian Khi tải có tín hiệu cuộn hút của rơ le Rth có điện, sau 1 khoảng thời gian tiếp điểm thờng đóng mở chậm mở ra, ngắt máy phát xung 555 còn tiếp điểm thờng mở đóng chậm cũng sau một khoảng thời gian thì đóng lại, tín hiệu lấy từ tải

đợc đa vào bộ tạo độ rộng xung sau đó qua BAX và điều khiển quá trình đóng mở các van thay cho bộ phát xung 555, chỉnh định thời gian đóng mở các tiếp điểm của rơ le thời gian thì ta sẽ quy định đợc thời gian màbộ phát xung chủ đạo hoạt

động

3 Dạng dòng điên và điên áp tại các điểm:

Dựa vào sơ đồ nguyên lý và những phân tích trên ta có dạng dòng điện và

điên áp tại các nút nh sau:

B

C

D

E

F

G

5V 10V

ira

t x

2T T

H

M

P

D

F

N

Q

E

G

tx

tx 2

Kết luận Sau một quá trình học tập và nghiên cứu, cùng với sự hớng dẫn tận tình của thầy giáo và sự giúp đỡ của các bạn cùng lớp, chúng em đã hoàn thành các nhiệm

vụ đợc giao của bản đồ án: Thiết kế bộ biến tần cho lò nấu thép, phần nghịch lu

Trong quá trình thực hiện, chắc chắn bản thân chúng em không thể tránh khỏi những thiếu sót, chúng em rất mong nhận đợc những ý kiến đóng góp của các thầy và các bạn để bản đồ án này hoàn thiện hơn

Chúng em xin chân thành cảm ơn!

Hà Nội ngày 20 tháng 12năm 2001

Sinh viên

Tài liệu tham khảo

1 điện tử công suất - Nguyễn Bính

2 Phân tích và giải mạch điện tử công suất