3.1.1 Yêu cầu đối với mạch điều khiển
Mạch điều khiển chỉnh lưu cần thực hiện các nhiệm vụ chính sau:
1. Phát xung điều khiển (xung để mở van) đến các van lực theo đúng pha và góc điều khiển α cần thiết.
2. Đảm bảo phạm vi điều chỉnh góc điều khiển αmin ÷ αmax tương ứng với phạm vi thay đổi điện áp ra tải của mạch lực.
3. Cho phép bộ chỉnh lưu làm việc bình thường với các chế độ khác nhau do tải yêu cầu như chế độ khởi động, chế độ nghịch lưu, các chế độ dòng điện liên tục hay gián đoạn, chế độ hãm hay đảo chiều điện áp…
4. Có độ đối xứng xung điều khiển tốt, không vượt quá 1˚÷ 3˚ điện, tức là góc điều khiển với mọi van không được lệch quá giá trị trên.
5. Đảm bảo mạch hoạt động ổn định và tin cậy khi lưới điện xoay chiều dao động cả về giá trị điện áp và tần số.
6. Có khả năng chống nhiễu công nghiệp tốt.
7. Độ tác động của mạch điều khiển nhanh, dưới 1ms.
8. Thực hiện các yêu cầu về bảo vệ bộ chỉnh lưu từ phía điều khiển, nếu cần, như ngắt xung điều khiển khi sự cố, thông báo các hiện tượng không bình thường của lưới và bản thân bộ chỉnh lưu…
9. Đảm bảo xung điều khiển phát tới các van lực phù hợp để mở chắc chắn van, có nghĩa là phải thỏa mãn các yêu cầu:
- Đủ công suất thể hiện ở điện áp và dòng điện điều khiển Uđk, Iđk (hay Ug, Ig). - Có sườn xung dốc đứng để mở van chính xác vào thời điểm quy định, thường
tốc độ tăng áp điều khiển phải đạt 10 V/µs, tốc độ tăng dòng điều khiển 0,1 A/µs. - Độ rộng xung điều khiển đủ cho dòng qua van kịp vượt trị số dòng điện duy trì
Idt của nó, để khi ngắt xung van vẫn giữ được trạng thái dẫn.
- Có dạng phù hợp với sơ đồ chỉnh lưu và tính chất tải. Có bốn dạng xung điều khiển phổ biến là xung đơn, xung kép, xung rộng và xung chùm.
3.1.2 Cấu trúc
Hình 3.1. Nguyên tắc điều khiển dọc
Nguyên tắc điều khiển dọc: sơ đồ cấu trúc và đồ thị minh họa trên hình 3.1 ở đây khâu Utựa tạo ra điện áp tựa có dạng cố định (thường có dạng răng cưa, đôi khi có dạng hình sin) theo chu kỳ do nhịp đồng bộ của Uđb. Khâu so sánh SS xác định điểm cân bằng của hai điện áp Utựa và Uđk để phát động khâu tạo xung TX. Như vậy trong nguyên tắc này thời điểm phát xung mở van hay góc điều khiển thay đổi trị số của Uđk, trên đồ thị đó là sự di chuyển theo chiều dọc của trục biên độ. Đa số mạch điều khiển thực tế sử dụng nguyên tắc dọc này.
3.2. Sơ đồ nguyên lý mạch tạo xung điều khiển
Hình 3.2 Sơ đồ tạo xung điều khiển cho 2 van T1 và T4
3.2.1. Khâu đồng bộ
a. Chức năng
Đảm bảo quan hệ về góc và pha cố định với điện áp của nhằm xác định gốc để tính góc điều khiển α , và mạch có tên là mạch đồng pha.
Hình thành điện áp có dạng phù hợp làm xung nhịp cho hoạt động của khâu tạo điện áp tựa.
b. Khâu đồng bộ dùng MBA đồng pha
Chuyển đổi điện áp lực thường có giá trị cao sang giá trị phù hợp với MĐK thường là điện áp thấp, theo quy chuẩn về an toàn dưới 36V.
Cách ly hoàn toàn về điện giữa MĐK với mạch lực. Điều này đảm bảo an toàn cho người sử dụng cũng như cho linh kiện điều khiển. Sử dụng biến áp ba pha vì mạch chỉnh lưu là cầu ba pha. Khi sử dụng biến áp đồng bộ ba pha cần lưu ý rằng cách đấu các cuộn dây sơ cấp ảnh hưởng rõ rệt tới phạm vi điều chỉnh góc điều khiển. Vì van không mở ngay ngay được khi điện áp pha dưới bắt đầu dương mà chậm hơn thời điểm này 30°.
Cuộn sơ cấp và thứ cấp của máy biến áp đồng pha cùng đấu sao (Y/Y) phạm vi điều chỉnh góc từ 0° đến 150°.
Hình 3.3 Tạo điện áp đồng pha bằng biến áp đồng pha.
c. Tạo xung đồng bộ
Mạch đồng bộ nhằm tạo ra điện áp có hình dạng và tần số phù hợp theo yêu cầu hoạt động của khâu tạo điện áp tựa. Thường chia thành đồng bộ nửa chu kì (hình a) hoặc đồng bộ hai nửa chu kì (hình b). (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Hình 3.4 Các dạng xung đồng bộ Tạo xung nhịp đồng bộ hai nửa chu kì:
Hình 3.5 Mạch tạo xung đồng bộ kết hợp chỉnh lưu và OA Giới thiệu
Sơ đồ gồm có máy biến áp đồng pha (bađp), chỉnh lưu hai nửa chu kỳ, khuếch đại thuật toán OA1.
Nguyên lý
Mạch chỉnh lưu hai nửa chu kì có điểm giữa (tia hai pha) dùng hai diode và tải cho chỉnh lưu này là điện trở R0.
Điện áp đồng pha có dạng hình sin, sau khi chỉnh lưu bằng chỉnh lưu hai nửa chu kỳ có được điện áp chỉnh lưu Ucl có dạng 2 nửa sin dương như hình vẽ.
Điện áp chỉnh lưu Ucl được đưa tới cực (+) của khuếch đại thuật toán OA1 để so sánh với điện áp ngưỡng Ung lấy từ mạch phân áp với chiết áp P1. Điện áp đồng bộ sẽ tuân theo qui luật sau:
𝑈𝑑𝑏 = 𝐴. (𝑈+− 𝑈−) = 𝐴. (𝑈𝑐𝑙− 𝑈𝑛𝑔)
Do đó trong khoảng 0 đến θ1 𝑈𝑐𝑙 < 𝑈𝑛𝑔 => 𝑈𝑑𝑏 < 0 và bằng điện áp bão hòa của OA1: 𝑈𝑑𝑏 = −𝑈𝑏ℎ
Trong khoảng θ1 ÷ θ2 có: 𝑈𝑐𝑙 > 𝑈𝑛𝑔 suy ra 𝑈𝑑𝑏 > 0 và 𝑈𝑑𝑏 = + 𝑈𝑏ℎ.
Điểm giao của 𝑈𝑐𝑙 và 𝑈𝑛𝑔 là điểm chuyển trạng thái của điện áp ra, hai điểm này sẽ là điểm giới hạn góc điều khiển ∝𝑚𝑖𝑛 và ∝𝑚𝑎𝑥.
Do đó: thay đổi điện áp 𝑈𝑛𝑔 làm thay đổi góc phạm vi điều khiển góc điều khiển . Kết luận
Tín hiệu ra của khâu động bộ là một dãy xung chữ nhật.
3.2.2. Khâu tạo điện áp tựa
Hình 3.6 Tạo điện áp tựa dạng răng cửa hai nửa chu kỳ bằng OA
a. Giới thiệu
Sơ đồ gồm khuếch đại thuật toán kết hợp với tụ điện C. Có chức năng tạo điện áp tựa dạng răng cưa để đưa đến khâu so sánh nhằm xác định thời điểm phát xung.
Tín hiệu vào của khâu tạo điện áp tựa là tín hiệu ra của khâu đồng bộ (Uđb).
b. Nguyên lý
Trong quá trình phóng nạp của tụ xuất hiện 2 dòng điện IC1 và IC2 có hướng như sau:
- IC1: đất – tụ C – R2 – D3 – Uđb. - IC2: +E – P1 – R3 – tụ C – đất.
Trong khoảng θ2 ÷ θ3 xảy ra quá trị nạp của tụ C
𝑈𝐶 = 1 𝐶∫ (𝐼𝐶1 − 𝐼𝐶2)𝑑𝑡 𝜃3 𝜃2 Trong đó: 𝐼𝐶1 =𝑈𝑏ℎ 𝑅2 𝐼𝐶2 = 𝐸 𝑃1+ 𝑅3
Trong khoảng θ1 ÷ θ2 xảy ra quá trình phóng điện của tụ C
𝑈𝐶 = 1 𝐶∫ (−𝐼𝐶2)𝑑𝑡 𝜃2 𝜃1 Trong đó: 𝐼𝐶2 = 𝐸 𝑃1+ 𝑅3 c. Kết luận
3.2.3. Khâu so sánh
Hình 3.7 So sánh kiểu hai cửa dùng khuếch đại thuật toán
a. Giới thiệu
Sơ đồ gồm có một khuếch đại thuật toán OA.
Tín hiệu vào của khâu so sánh là điện áp tựa dạng răng cưa Utựa và điện áp điều khiển Uđk. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
b. Nguyên lý
Khâu so sánh có chức năng so sánh điện áp điều khiển với điện áp tựa (điện áp răng cưa) để định thời điểm phát xung điều khiển, thông thường đó là thời điểm khi hai điện áp này bằng nhau, đây chính là khâu xác định góc điều khiển α.
Điện áp ra sẽ tuân theo quy luật:
𝑈𝑟𝑎 = 𝐾0(𝑈+− 𝑈−)
Trong đó:
- K0 là hệ số khuếch đại của khuếch đại thuật toán Trong khoảng 0 ÷ θ1 có Utựa > Uđk. Suy ra Ura = + Ubh. Trong khoảng θ1 ÷ θ2 có Utựa < Uđk. Suy ra Ura = - Ubh.
c. Kết luận
3.2.4. Khâu tạo xung chùm
Hình 3.8 Mạch tạo dao động sử dụng khuếch đại thuật toán.
a. Giới thiệu
Xung chùm là dạng thông dụng nhất vì cho phép mở tốt van lực trong mọi trường hợp, mới mọi dạng tải và nhiều sơ đồ chỉnh lưu khác nhau. Xung chùm thực chất là một chùm các xung có tần số cao gấp nhiều lần lưới điện (fxc= 6 ÷ 12 kHz). Độ rộng của một chùm xung có thể được hạn chế trong khoảng (100 ÷ 130) độ điện, về nguyên tắc nó phải kết thúc khi điện áp trên van lực mà nó điều khiển đổi dấu sang âm.
Các phần tử có trong sơ đồ: - Khuếch đại thuật toán; - Tụ điện C;
- Mạch phân áp Up.
b. Nguyên lý tạo xung của mạch tạo dao động
Nguyên lý làm việc của mạch:
Giả sử ở thời điểm 0, điện áp ra của khuếch đại thuật toán đạt giá trị cực đại UR= Umax ≈ +E.
Thông qua mạch phản hồi R1, R2 đầu vào “+” của khuếch đại thật toán sẽ có phản hồi:
𝑈1(+) = 𝐸 𝑅1+ 𝑅2𝑅3
Tín hiệu ra này duy trì cho khuếch đại thuật toán nằm ở chế độ bão hoà dương. Lúc này tụ C được náp thông qua điện trở R tới giá trị Umax. Khi t= t1, điện áp UC đạt giá trị U0, khuếch đại thuật toán lật trạng thái và UR = - Umax ≈ -E. Điện áp trên tụ C không thể thay đổi đột ngột và lúc này tụ C phóng điện qua R1. Ở thời điểm t = t2, khi:
𝑈𝐶 = 𝑈1(−) = − 𝐸
𝑅1+ 𝑅2𝑅3
Khuếch đại thuật toán lật trạng thái và UR = Umax ≈ +E và sau đó quá trình sẽ lặp lại.
Thời gian phóng tụ C:
𝑡𝑥 = 𝑅. 𝐶. ln (𝑈𝑚𝑎𝑥 + 𝑈1(+) 𝑈𝑚𝑎𝑥 + 𝑈1(−))
Thay giá trị U1(+),U1(-) vào biểu thức trên ta có:
𝑡𝑥 = 𝑅. 𝐶. ln (1 +2𝑅1 𝑅2 ) Chu kỳ máy phát sẽ là: 𝑇 = 2𝑡𝑥 = 2𝑅𝐶. ln (1 +2𝑅1 𝑅2 ) c. Kết luận
Tín hiệu ra của khâu tạo xung chùm là một dãy xung chữ nhật
Hình 3.9 Mạch tách xung sử dụng khuếch đại thuật toán OA.
a. Giới thiệu và chức năng của khâu tách xung
Trong nhiều mạch điều khiển chỉnh lưu, điện áp tựa tạo ra trong cả hai nửa chu kỳ bằng một mạch duy nhất. Lúc khâu so sánh sẽ xác định góc điều khiển cho cả hai van thuộc cùng một pha của mạch lực; một van làm việc trong nửa chu kỳ dương, van còn lại làm việc ở nửa chu kỳ âm của lưới điện xoay chiều. Như vậy sau khâu tạo dạng xung ta nhận được hai xung điều khiển và do đó trong một chu kỳ điện áp xoay chiều mỗi van sẽ nhận hai xung điều khiển ở cả hai nửa chu kỳ này. Tuy nhiên việc phát xung điều khiển cho van khi điện áp trên van âm là có thể được, nhưng không mong muốn. Để tránh điều này cần có thêm khâu tách xung, lúc van lực nhận xung điều khiển chỉ ở giai đoạn khi điện áp trên nó là dương uAK > 0. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
b. Nguyên lý mạch tách xung sử dụng OA
Điện áp từ khâu đồng pha tạo ra có đạng hình sin được đưa tới khâu tách xung. Mạch tách xung hoạt động theo nguyên lý của một mạch so sánh (cực N của OA được nối với đất). Do đó:
Khi Uđp > 0 thì Ura = + Ubh. Khi Uđp < 0 thì Ura = - Ubh.
Tín hiệu ra của khâu tách xung được đưa tới khâu trộn xung, trong bài này mạch trộn xung sử dụng IC logic AND (được nói ở mục 3.2.6 bên dưới). Nên cần chặn các xung âm đưa từ OA đến cửa vào của IC logic bằng cách sử dụng mạch ghép RD (điện trở - điốt). Sử dụng mạch R1-D1 được ghép như hình 3.7 sẽ cho ra mức logic như sau: mức “0”= -0,6V; mức “1” = + Ubh.
c. Kết luận
Tín hiệu ra của khâu tách xung là 1 dãy xung chữ nhật.
Hình 3.10 Mạch trộn xung sử dụng IC logic AND.
a. Giới thiệu
Mạch trộn xung sử dụng 1 IC logic là phần tử logic AND.
Tín hiệu vào là điện áp từ 3 khâu: khâu tách xung (Utx), khâu so sánh (Uss) và khâu tạo xung chùm (Uxc).
b. Nguyên lý
Mạch hoạt động theo nguyên lý của phần tử logic AND. Nghĩa là khi cả 3 tín hiệu đầu vào có mức logic là “1” thì Ura mới có mức logic là “1”; còn nếu chỉ cần 1 trong 3 tín hiệu vào có mức logic “0” Ura sẽ có mức logic “0”.
c. Kết luận
Tín hiệu ra của khâu trộn xung là các đơn xung.
3.2.7. Khuếch đại xung – Biến áp xung
a. Khuếch đại xung
Khuếch đại xung (KĐX) có nhiệm vụ tăng công suất xung do khâu tạo dạng xung DX hình thành đến mức đủ mạnh để mở van lực. Đa số tiristor mở chắc chắn khi xung điều khiển có UGK = (5 ÷ 10) V; và IG = (0,3 ÷ 1) A trong thời gian cỡ 100µs. Đầu ra của KĐX sẽ nối với các cực G-K của tiristor, còn đầu vào nối với khối tạo dạng xung. Do đó ta có thể sơ bộ xem xét hệ số khuếch đại công suất KP= KU.KI thông qua hệ số khuếch đại áp KU và dòng KI như sau.
Hệ số khuếch đại điện áp KU
Các tầng khuếch đại xung bao giờ cũng làm việc ở chế độ khoá, vì vậy điện áp ra tải của nó luôn có thể đạt trị số nguồn công suất ECS cung cấp cho KĐX. Nguồn ECS luôn được chọn có trị số trên 10V, đồng thời biên độ điện áp xung vào do nguồn điều khiển quyết định cũng được chọn hơn 10V. Như vậy có thể coi hệ số KU ≈ 1.
Hệ số khuếch đại dòng điện KI
Tạo dạng xung DX sử dụng transistor công suất nhỏ và chủ yếu là các loại IC. Vì vậy chúng chỉ mang được tải với dòng điện vài mA (giá trị hay dùng là 3 mA). Đối chiếu với dọng Ig yêu cầu ta có:
𝐾𝐼 =𝐼𝑔 𝐼𝑣 =
0,3 ÷ 0,6
3. 10−3 = (100 ÷ 200) ≫ 1
Nhiệm vụ của KĐX thực chất là khuếch đại dòng điện vì KI khá lớn.
Hình 3.11 Khuếch đại xung ghép biến áp xung (dạng xung chùm).
Hai bóng T1, T2 đều được chọn theo điều kiện điện áp như nhau là chịu được trị số nguồn ECS. Về dòng điện, bóng T1 chọn theo dòng điện cuộn sơ cấp I1 của biến áp xung:
𝐼𝑐 = 𝐼1 =𝐼𝑔 𝑘
Trong đó:
- Ig là dòng điện mở van; (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
- k là tỉ số vòng dây giữa sơ cấp và thứ cấp biến áp xung thường nằm trong phạm vi (1÷3).
Sau khi chọn được T1 để có hệ số khuêch đại β1 sẽ chọn được T2 vì dòng qua colector T2 chính là dòng bazơ T1, như vậy bóng T2 luôn nhỏ hơn T1 do chịu dòng nhỏ hơn β1 lần.
Chọn điện trở R2 theo công thức:
𝑈𝑣𝑚𝑎𝑥 𝐼𝑣𝑚𝑎𝑥 ≤ 𝑅1 ≤ 𝛽1𝛽2𝐸𝐶𝑆 𝑠𝐼1𝑚𝑎𝑥 𝑅2 >𝐸𝐶𝑆 𝐼𝑐𝑝 𝐶 = 𝑡𝑛 3𝑅2 Trong đó:
- β1, β2 là hệ số khuếch đại của hai bóng T1, T2; - ECS điện áp đầu vào;
- tn là thời gian nghỉ giữa 2 xung liền nhau của xung chùm.
3.3. Tính toán mạch điều khiển
3.3.1. Khâu khuếch đại xung – biến áp xung
Hình 3.12 Khuếch đại xung bằng biến áp xung Van T6-10 có các thông số: U đk= 6V; I đk= 70mA.
Chọn biến áp xung có tỉ số k = 2, vậy tham số dòng điện cuộn sơ cấp là:
𝑈1 = 𝑈2𝐵𝐴𝑋. 𝑘
𝐼1 =𝐼𝑔 𝑘
Trong đó điện áp thứ cấp máy biến áp xung được tính theo công thức:
𝑈2𝐵𝐴𝑋 = 𝑈đ𝑘 + ∆𝑈𝑑𝑖𝑜𝑡 𝑈1 = (𝑈đ𝑘+ ∆𝑈𝑑𝑖𝑜𝑡). 𝑘 = (3 + 0,5). 2 = 7 (𝑉). 𝐼1 =𝐼𝑔 𝑘 = 70. 10−3 2 = 0,035 (𝐴).
Nguồn công suất phải có trị số lơn hơn U1 để bù sụt áp trên điện trở vì vậy chọn ECS= 10 (V). Từ hai giá trị ECS và I1 chọn bóng T1 loại 2N3903 có tham số Uce = 40V; Icmax = 0,2A; βmin= 50.
R2 được chọn theo công thức:
𝑅2 >𝐸𝐶𝑆 𝐼𝑐𝑝 =
10
0,2= 50 (𝛺), 𝑐ℎọ𝑛 𝑅2 = 51 (𝛺).
Kiểm tra độ sụt áp trên điện trở R2 khi bóng dẫn dòng:
𝑈𝑅2 = 𝐼1. 𝑅2 = 0,035.51 = 1,79 (𝑉).
Điện áp còn trên biến áp xung phải là:
𝑈1 = 𝐸𝐶𝑆− 𝑈𝑅2 = 10 − 1,79 = 8,21 (𝑉).
Điện áp này lớn hơn 7V nên đạt yêu cầu. Tuy nhiên để tăng mạnh xung kích cho van vẫn có thể dùng thêm tụ C tăng cường điện áp.