Tính chọn các khâu trong mạch điều khiển

3.2.1. Khâu đồng pha

Chọn điện áp xoay chiều 415V từ mạch lực qua biến áp TI1 có số hệ số Kba= 30. Điện trở R1để hạn chế dòng điện đi vào khuyếch đại thuật toán OA1, thường chọn R1 sao cho dòng vào khuyếch đại thuật toán Iv< 1 mA.

1 415 13,833V 30 U   (3.1) Do đó : 1 1 3 13,833 13,833(k ) 1.10 v U R I      , chọn R1=15 (k) (3.2)

32

TT Tên thiết bị Số lượng Thông số

1 Điện trở R 6 15k

Bảng 3.1 Chọn thông số thiết bị khâu đồng pha

Hình 3.3 Sơ đồ khâu đồng pha

 Đồ thị điện áp khâu đồng pha

Hình 3.4 Đồ thị điện áp khâu đồng pha

3.2.2. Khâu tạo điện áp răng cưa

 Nguyên lý làm việc:

Điện áp V có dạng hình sin qua khuếch đại thuật toán 1 cho ta chuỗi xung chữ nhật đối xứng Udb. Phần áp dương của điện áp chữ nhật Udb qua điốt D1 tới khuếch đại thuật toán 2 tích phân thành điện áp tựa Urc. Điện áp âm của điện áp Udb làm mở thông zener diode kết quả là 2 bị ngắn mạch (với Urc = 0) trong vùng Udb âm.

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

- Thời gian tụ C1 phóng điện chính là thời gian tương ứng phạm vi điều chỉnh góc điều khiển α.

33 - Chọn diode ổn áp Dz1 là loại: BZX79A10 có UDz = 10V.

- Chọn tụ C1 = 4,7 nF. - Chọn R2 = 3,3 kΩ.

TT Tên thiết bị Số lượng Thông số

1 Tụ C1 6 4,7 nF

2 Ổn áp DZ1 6 10 V

3 Điện trở R2 6 3,3 kΩ

Bảng 3.2 Thông số chọn khâu tạo điện áp răng cưa

Hình 3.5 Sơ đồ khâu tạo điện áp răng cưa

 Đồ thị khâu tạo điện áp răng cưa

Hình 3.6 Đồ thị khâu tạo điện áp răng cưa

3.2.3. Khâu so sánh

 Điều kiện làm việc của OA:

 Các điện áp đưa vào so sánh (Urc và Uđk) phải cùng dấu (cùng “-” hoặc cùng “+”) thì mới có hiện tượng thay đổi trạng thái ở đầu ra (Uss).

 Độ chênh lệch tối đa giữa hai cửa trong khi làm việc không được vượt quá giới hạn cho phép của OA.

34

 Các điện trở ở hai cửa vào của OA có thể không cần đúng, nếu OA cho phép chênh lệch điện áp giữa các đầu vào của nó ΔUvOA lớn hơn chênh lệch điện áp lớn nhất của Utựa với Uđk trong trường hợp (Utựa – Uđk) vượt quá mức cho phép của OA thì buộc phải có các điện trở, kết hợp với hai điốt đấu song song ngược để bảo vệ đầu vào cho OA.

- Trong sơ đồ điều khiển này, ta dùng kiểu so sánh hai cửa, do đó điện áp ra sẽ tuân theo quy luật :

Ura = Uss = Ko∆U = Ko(U+ - U-) với Ko là hệ số khuếch đại của OA. - Do đó ta được: Uss = Ura = Ko(Uđk – Urc)

Hình 3.7 Sơ đồ khâu so sánh

 Đồ thị khâu so sánh điện áp

Hình 3.8 Đồ thị điện áp khâu so sánh giữa Urc và Uđk

3.2.4. Khâu tạo xung

Tạo dao động xung dùng 3 IC logic NOT và mạch RC để tạo thành dao động xung với chu kì T 1,4RC tần số dao động khoảng 10kHz.

Tần số 10kHz tương đương chu kỳ là :

3 1 1 100 10.10 T s f     (3.3)

35 Chọn tụ C =100nF 6 9 100.10 714 1, 4 1, 4.100.10 T R C       ; Chọn R1kΩ (3.4)

TT Tên thiết bị Số lượng Thông số

1 Tụ C 1 100nF

2 Điện trở R 1 1kΩ

Bảng 3.3 Thông số chọn khâu tạo xung

Chọn IC4081 họ CMOS có 6 cổng AND với các thông số: - Nguồn nuôi: 3 15 V; chọn Vcc = 15 V.

- Công suất tiêu thụ: P = 2,5 nW/1 cổng. - Dòng làm việc: Ilv < 1 mA

- Điện áp ứng với mức logic “1” là 2 4,5 V

Hình 3.9 Sơ đồ khâu tạo xung

 Đồ thị khâu tạo xung

36

3.2.5. Khâu khuếch đại và biến áp xung

Khi tín hiệu từ khâu tạo xung chùm và tầng so sánh được đưa vào bộ cộng AND rồi đưa vào chân tranzitor để khuếch đại xung.

Trong thực tế người ta dùng tranzitor để giảm sự phức tạp của tầng khuếch đại, trong trường hợp người ta dùng 2 tranzitor mắc nối tiếp tương đương với 1 tranzitor có hệ số khuếch đại  = 1 + 2; 1, 2 là hệ số khuếch đại của Tr3 và Tr4.

Khi chưa có xung vào Tr3 va Tr4 chưa làm việc nên chưa có dòng chạy qua cuộn sơ cấp BA, nên không có xung. Điện áp điều khiển Uđk trên đầu ra của cuộn thứ cấp BA. Giả sử tại một thời điểm nào đó, trên đầu ra mạch sửa xung có tín hiệu điều khiển dẫn đến có xung ra. Dẫn đến Tr3 và Tr4 đều mở, giả thiết mở bão hoà nên cuộn sơ cấp được đặt điện áp +Ucc nên xuất hiện dòng điện chạy trong cuộn sơ cấp của BA, theo chiều +Ucc sơ cấp Tr4 mát. Dòng này tăng dần và có dấu như hình 3.11 cuộn thứ cấp BA xuất hiện một xung có cực tính như hình vẽ và xung ra qua D truyền đến cực điều khiển của T để mở T. Với mạch điều áp tải có công suất nhỏ như đề bài thì ta có thể bỏ qua khâu này cho tín hiệu điều xung đi thẳng vào biến áp xung. Như hình vẽ sau:

Hình 3.11 Sơ đồ khuếch đại xung

 Tính biến áp xung

Chọn vật liệu làm lõi sắt Ferit HM. Lõi có dạng hình xuyến, làm việc trên một phần đặc tính từ hoá có B = 0,3T; H = 30 (A/m) không có kẽ hở không khí.

+ Tỉ số biến áp xung chọn m = 3

+ Điện áp thứ cấp máy biến áp xung: U2= Udk= 3 (V)

+ Điện áp đặt lên cuộn sơ cấp máy biến áp xung: U1= m.U2= 3.3= 9 (V) + Dòng điện thứ cấp máy biến áp xung: I2= Idk= 0,1 (A)

+ Dòng điện sơ cấp máy biến áp xung: I1= I2

m =

0,1

3 = 0,033 (A)

+ Độ từ thẩm trung bình tương đối của lõi sắt:

 TB= 0. B H    = 6 0,3 1, 25.10 = 8.10 3 (H/m) (3.5)

37 Với 0= 1,25.106 (H/m) là độ từ thẩm của không khí.

+ Thể tích lõi thép cần có: V = Q.l = 0 1 1 2 . . . . . tb t S U Ix x B    (3.6) V = 3 6 6 2 8.10 .1, 25.10 .1,67.10 .0,15.9.0,033 0,3   V = 0,838.107(m3) = 0,0838 (cm3) Chọn mạch từ có thể tích V = 1,4 (cm3). Với thể tích đó, ta có các kích thước mạch từ như sau: a = 4,5 mm; b = 6 mm; Q = 27 mm2; d = 12 mm; D = 21 mm. Chiều dài trung bình mạch từ l = 5,2 cm.

+ Số vòng dây sơ cấp máy biến áp xung: Theo định luật cảm ứng điện từ có:

U1 = W1.QdB dt = W1.Q. x B t  (3.7) + Số vòng dây sơ cấp: W1 = 1. . x U t B Q  = 6 6 9.167.10 0,3.27.10   = 186 (vòng) (3.8) + Số vòng dây thứ cấp: W2 = m W1 = 186 3 = 62 (vòng) (3.9)

Tất cả các điôt trong mạch điều khiển đều dùng loại 1N4009 có các thông số: Dòng điện định mức: Idm = 10 mA

Điện áp ngược lớn nhất: UN = 25 V Điện áp để cho điôt mở thông: Um = 1

38

 Đồ thị khâu biến áp xung

Hình 3.13 Đồ thi điện áp khâu biến áp xung

3.2.6. Khâu tạo điện áp điều khiển

Khâu tạo điện áp điều khiển đảm bảo điều chỉnh mềm qúa trình khởi động. Điện áp khởi động ban đầu từ 20% đến 50% điện áp định mức, trong khoảng thời gian 20s.

Vì biên độ điện áp răng cưa là 4,23V, suy ra pham vị điều chỉnh định mức ban đầu: U0= 0,846 ÷ 2,115 (V).

Chọn điện áp vào Uv = 1V

Điện áp tích phân tăng ít nhất khi khởi động là 2,115V, vì vậy ta có quan hệ:

1 1 . 1 1.20 10 0max 4, 23 2,115 0max U tv kd Uv t Um U CR s kd CR Um U           (3.10) Chọn tụ C = 100μF, suy ra: 1 10 100kΩ 6 100.10 R    Chọn điện trở R1 = R2 =100kΩ

39

 Đồ thị khâu tạo điện áp điều khiển

40

CHƯƠNG IV: MÔ PHỎNG KIỂM CHỨNG 4.1. Thiết kế mạch lực và mạch điều khiển

a. Sơ đồ thiết kế mạch điều khiển

41

b. Sơ đồ thiết kế mạch lực

42

4.2. Mô phỏng bằng phần mềm Psim

43

44

45 Nhận xét: Nhìn vào đồ thị điện áp và dòng điện ra tải trên hình 4.3, hình 4.4 và hình 4.5 nhận thấy các kết quả mô phỏng trên các pha tải với góc = 45οđã đáp ứng được với yêu cầu của đề bài với các thông số điện áp hiệu dụng và dòng điện ra tải trên Simview là Uhd = 230V, I tải = 18,1 A (sai số khoảng 10%) gần đúng với các thông số đề tài cho.

4.3. Kiểm chứng đồ thị trong một số trường hợp

Ở công thức (2.3) ta đã tính được Ztai 12,26. Chọn R = 10,5, L = 20mH.

3 L Z 2πf.L=2.3,14.50.20.10 6,33     (4.6) arctan(ZL ) 31 R      (4.7)

Ta có quan hệ giữa Udk và Urc: Udk 180 Urc

 



Ở phần trước ta đã biết được Urc = 4,23 V; Udk = 3 V max 127 (4.8) Như vậy, phạm vi điều chỉnh có tác dụng của góc điều khiển α nằm trong khoảng từ 31° đến 127°.

46

 Với Uđk = 0.846V ta xác định được góc α = 36°

Hình 4.9 Đồ thi điện áp pha A với α = 36°

Nhận xét: Từ kết quả mô phỏng ở trên, ta thấy điện áp và dòng điện của tải ở pha A với góc α = 36° đáp ứng được với yêu cầu của đề bài với các thông số điện áp hiệu dụng và dòng điện ra tải là Uza = 236,9V và Iza = 19,18 A (sai số khoảng 10%) như đề bài cho.

47

 Từ đồ thị với Uđk = 2.115V ta xác định được góc α = 90°

Hình 4.10 Đồ thi điện áp pha A với α = 90°

Nhận xét: Từ kết quả mô phỏng ở trên, ta thấy điện áp và dòng điện của tải ở pha A với góc α = 90° đáp ứng được với yêu cầu của đề bài với các thông số điện áp hiệu dụng và dòng điện ra tải là Uza = 153,3V và Iza = 9,8 A (sai số khoảng 10%) như đề bài cho.

48

KẾT LUẬN

Trong quá trình làm đồ án chúng em đã thực hiện các công việc sau:

- Tìm hiểu các phần mềm mô phỏng mạch điện tử công suất (Matlab, PSPICE, TINA, PSIM).

- Sử dụng thành thạo phần mềm mô phỏng PSIM.

- Tìm hiểu cấu tạo, nguyên lý hoạt động của mạch điều áp xoay chiều ba pha. - Giới thiệu phương pháp điều khiển mạch điều áp xoay chiều ba pha.

- Thiết kế mạch lực và mạch điều khiển điều áp xoay chiều ba pha. Mô phỏng mạch điều khiển điều áp xoay chiều ba pha bằng phần mềm PSIM.

Tuy nhiên, do thời gian có hạn nên chúng em chưa thể hoàn thành phần cứng của mạch điều khiển này và một số kết quả mô phỏng chỉ mang tính tương đối so với lý thuyết đã học.

Vì vậy, sau khi hoàn thành đồ án này chúng em sẽ tiếp tục nghiên cứu và hoàn thiện đề tài này. Mục đích của chúng em là phát triển đề tài này ứng dụng vào giảng dạy và học tập, từ đó giúp sinh viên nắm bắt và hiểu rõ hơn trong việc mô phỏng mạch điện tử công suất.

49

TÀI LIỆU THAM KHẢO

- Sách “Hướng dẫn thiết kế Điện tử công suất” tác giả Phạm Quốc Hải, Nhà xuất bản Khoa học và kỹ thuật.

- Sách “Giáo trình điện tử công suất”, Trần Trọng Minh, NXB Khoa học và kỹ thuật.