TÍNH CHỌN MẠCH ĐIỀU KHIỂN

ĐỒ ÁN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT - THẾT KẾ CHỈNH LƯU CẦU 3 PHA ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ ĐIỆN 1 CHIỀU KÍCH TỪ ĐỘC LẬP ..CHƯƠNG 4

TRƯỜNG ĐHBK-ĐÀ NẴNG 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 : “ Thẳng đứng 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 ( U s ) , đồng bộ với điện áp đặt trên anôt – catôt của thyristor , thường đặt vào đầu đảo của khâu so sánh . - Điện áp điều khiển ( U cm ) , 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 : U d = U cm – U s ; Khi U s = U cm thì khâu so sánh lật trạng thái , ta nhận được sường xuống của điện 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 U cm , ta có thể điều chỉnh được thời điểm xuất hiện xung ra , tức là điều chỉnh góc α . GVHD: TRƯƠNG THỊ BÍCH THANH SVTH: LÊ XUÂN TRUNG -11D1CLC ĐIỆN ÁP TỰA KĐ XUNG ĐP SS U c T U s -U sm U cm ωt U cm α π 2π α U s TRƯỜNG ĐHBK-ĐÀ NẴNG Giữa α và U cm có quan hệ sau : α = max . s cm U U π ; Người ta lấy U cmmax = U smax ; 4.2.2. Nguyên tắc điều khiển thẳng đứng arccos : Theo nguyên tắc này người ta dùng hai điện áp : - Điện áp đồng bộ U s , vượt trước U AK = U m Sinωt của thyristor một góc 2 π U s = U m Cosωt . - Điện áp điều khiển U cm là điện áp một chiều , có thể điều chỉnh được biên độ theo hai chiều dương và âm . Nếu đặt U s vào cổng đảo và U cm vào cổng không đảo của khâu so sánh thì : Khi U s = U cm , ta sẽ nhận được một xung rất mảnh ở đầu ra của khâu so sánh khi khâu này lật trạng thái . U m Cosα = U cm ; (3- 1) Do đó α = arcos( m cm U U ) ; (3-2) Khi U cm = U m thì α = 0 ; Khi U cm = 0 thì α = 2 π ; Khi U cm = - U m thì α = π ; Hình 4-3 : Nguyên tắc điều khiển thẳng đứng arcoss Như vậy , khi điều chỉnh U cm từ trị U cm = +U m , đến trị U cm = -U m 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 chỉnh lưu 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 3–5a là sơ đồ đơn giản , dể thực hiện với số linh kiện ít nhưng chất lượng điện áp tựa không tốt . Độ dài của phần biến thiên tuyến tính của điện áp tựa không phủ hết 180 0 . 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 . GVHD: TRƯƠNG THỊ BÍCH THANH SVTH: LÊ XUÂN TRUNG -11D1CLC U cm ωt π U AK 0 U s α U AK U s 2π U m -U m TRƯỜNG ĐHBK-ĐÀ NẴNG Để khắc phục nhược điểm trên về dãi điều chỉnh của sơ đồ ở hình 3– 5a người ta sử dụng sơ đồ tạo điện áp tựa bằng sơ đồ trên hình 3-5b . 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 . 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 3-5c . Nguyên lý và chất lượng của hai sơ đồ trên hình 3-5b và 3-5c tương đối giống nhau . Ưu điểm của sơ đồ trên hình 3-5c ở chổ không cần biến áp đồng pha , do đó có thể đơn giản hơn trong việc chế tạo và lắp đặt . GVHD: TRƯƠNG THỊ BÍCH THANH SVTH: LÊ XUÂN TRUNG -11D1CLC u 1 u 1 u ra u 2 D 1 D 2 R 1 R 2 C -E A B C Hình -a R 2 R 1 D 1 A C u ra Tr Hình-b +E Ghép quang u v R 1 D R 2 u ra C Hình-c -E U ra u 1 D 1 A 2 R 1 A B R 2 Tr C C A P Hình-d A 1 -12 +12 +12 -12 _ + + _ TRƯỜNG ĐHBK-ĐÀ NẴNG 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 3-5d mô tả việc taọ điện áp tựa dùng khếch đại thuật toán . Hình 4-5 : Giản đồ của khâu đồng pha từ hình 3-5d 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 U dk và U rc , việc so sánh hai tín hiệu đó có thể được thực hiện bằng tranzitor (Tr) như trên GVHD: TRƯƠNG THỊ BÍCH THANH SVTH: LÊ XUÂN TRUNG -11D1CLC Hình - a -E R 3 R 1 R 2 u rc u dk U ra R 1 R 2 u rc u dk Hình - c U ra A 3 U A ωt ωt ωt U C π 2π 3π 4π U A U B U đk U rc α α R 1 R 2 u rc u dk U ra A 3 Hình - b + _ -12 +12 TRƯỜNG ĐHBK-ĐÀ NẴNG hình 3-6a . Tại thời điểm U dk = U rc 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 U dk ± U rc = U b , 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 U dk = U rc . 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 dụng khếch đại thuộc toán làm khâu so sánh là hợp lý . Các sơ đồ so sánh dùng khếch đại thuật toán như hình 3-6b, 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 U dk = U rc . 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 3-8a . Để có xung dạng kim 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 3-8b , 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 hteo 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 8-3c . Theo sơ đồ này , Tr chỉ mở cho dòng điện chạy GVHD: TRƯƠNG THỊ BÍCH THANH SVTH: LÊ XUÂN TRUNG -11D1CLC U -V sat +V sat 0 U dk U rc θ θ TRƯỜNG ĐHBK-ĐÀ NẴNG 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 4-9. GVHD: TRƯƠNG THỊ BÍCH THANH SVTH: LÊ XUÂN TRUNG -11D1CLC +E u v R D Tr BAX a) +E u v R D Tr BAX b) Tr 1 +E u v R D Tr BAX Tr 1 D C c) AND Từ so sánh Từ chùm xung Tới khếch đại TRƯỜNG ĐHBK-ĐÀ NẴNG Hình 4-9 : Sơ đồ phối hợp tạo xung chùm . Vi mạch 555 tạo xung đồng hồ ( hình 3-11 ) 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 . . GVHD: TRƯƠNG THỊ BÍCH THANH SVTH: LÊ XUÂN TRUNG -11D1CLC U c R 2 R 1 _ + +12 -12 A R 2 R 3 R 1 R 3 A 1 A 2 R 4 C a ) a ) b ) c ) C t U ra 0 kV sat -kV sat V sat -V sat u c T 1 T 2 0’ +U +U rc C 2 C 1 R 2 R 1 555 7 2 1 3 8 4 TRƯỜNG ĐHBK-ĐÀ NẴNG Hình 3-11 : 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 3-11b,c . Tuy nhiên ở đây sơ đồ dao động đa hài (hình 3-11b) 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 3-11b . 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 3-13 . Hoạt động của mạch điều khiển ở hình 3-13 được giải thích như sau : Điện áp vào tại điểm A (U A ) có dạng hình sin , trùng pha với anôt của thyristor , qua khếch đại thuật toán A 1 cho ta chuổi xung chữ nhật đối xứng U B . Phần điện áp dương của điện áp chữ nhật U B qua điôt D 1 tới A 2 tích phân thành điện áp tựa U rc . Phần áp âm của điện áp U B làm mở thông Tranzitor Tr 1 , kết quả là A 2 bị ngắn mạch ( Với U rc = 0 ) trong vùng U B âm . Trên đầu ra của A 2 ta có chuổi điện áp răng cưa U rc gián đoạn . Điện áp U rc được so sánh với điện áp điều khiển U dk tại đầu vào của A 3 . Tổng đại số U rc + U dk quyết định dấu điện áp đầu ra của khếch đại thuật toán A 3 . Trong khoảng thời gian từ 0 → t 1 với U dk > U rc , điện áp U D âm . Trong khoảng t 1 → t 2 , điện áp U dk và U rc đổi ngược lại , làm cho U D lật lên dương . Các khoảng thời gian tiếp theo giải thích điện áp U D tương tự . Mạch đa hài tạo xung chùm A 4 cho ta chuổi xung tần số cao , với điện áp U E trên hình 3-13 . Dao động đa hài có tần số hàng chục kHz , ở đây chỉ mô tả điịnh tính . Hai tín hiệu U D và U E cùng được đưa tới khâu “AND ” hai cổng vào . Khi đồng thời có cả hai tín hiệu dương U D , U E ( Trong các khoảng t 1 → GVHD: TRƯƠNG THỊ BÍCH THANH SVTH: LÊ XUÂN TRUNG -11D1CLC t U ra 0 kV sat -kV sat V sat -V sat u c T 1 T 2 0’ TRƯỜNG ĐHBK-ĐÀ NẴNG t 2 , t 4 → t 5 ) ta sẽ có xung U F làm mở thông các Tranzitor, kết quả là ta nhận được chuổi xung nhọn X dk trên biến áp xung , để đưa tới mở thyristor T . Điện áp U d sẽ suất hiện trên tải từ thời điểm có xung điều khiển đầu tiên , tai các thời điểm t 2 , t 4 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 . GVHD: TRƯƠNG THỊ BÍCH THANH SVTH: LÊ XUÂN TRUNG -11D1CLC TRƯỜNG ĐHBK-ĐÀ NẴNG GVHD: TRƯƠNG THỊ BÍCH THANH SVTH: LÊ XUÂN TRUNG -11D1CLC R 8 u 1 A D 1 A 1 A 2 A 3 A N D C 3 R 9 R 7 R 6 A C 2 R 2 R 5 R 3 D 2 D 3 D 4 R 1 B C D T r 1 T r 2 T 1 B A X + E C 2 U d k u r c R 4 + _ + _ + + _ _ H ì n h 4 - 1 2 : S ơ đ ồ n g u y ê n l ý m ộ t k ê n h đ i ề u k h i ể n T r 3 M B A E F D 5 R 0 . 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. trở lên . 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