Khâu so sánh

IV. Tính toán và chọn thiết bị cho mạch lực

3. Giải thích hoạt động mạch điều khiển

3.2. Khâu so sánh

Hình 4

Khâu này tạo ra xung vuông góc có tần số bằng tần số của điện áp lới bằng cách so sánh Uv hình Sin với 0v. KhiUv > 0 thì Ur = 15V Uv<0 thì Ur =-15V Ta dùng IC thuật toán TL084 Đồ thị mô phỏng nh sau Hình 5 3.3. Khâu vi phân

Khâu vi phân tạo ra xung kim từ xung vuông góc.

Hình 6

Giả sử Ur = 0 V theo đồ thị ta có Uv = -15V. Lúc này điện áp trên 2 bản tụ là 15V. Tại thời điểm 30ms Uv tăng đột ngột lên +15V điện áp trên tụ không thể thay đổi đột ngột đợc nên điện áp ở bản tụ bên phải sẽ tăng lên +30V để đảm bảo điện áp trên 2 bản tụ vẫn là 15V sau đó nó sẽ giảm dần về 0V.

Tại t=40 ms Uv giảm đột ngột từ +15V xuống –15V, trớc thời điểm này đIện áp trên 2 bản tụ là -15V và nó không thể thay đổi đột ngột đợc nên tại thời điểm đó điện thế ở bản cực bên phải sẽ giảm đột ngột xuống –30V để đảm bảo điện áp trên 2 bản cực vẫn là -15V. Sau đó nó sẽ tăng từ từ lên 0V.

Nh vậy ta có xung kim nh đồ thị mô phỏng bên trên.

3.4. Tạo điện áp tựa răng ca

Hình 7

Đầu tiên ta phải tạo ra xung vuông góc có chu kì 10ms trong đó có 1 ms xung âm và 9 ms xung dơng.

Mạch này thực chất là sự kết hợp của mạch cộng và mạch so sánh xung kim với 1 mức điện áp đợc điều chỉnh từ trớc thông qua phân áp R6,R7.

Nếu xung kim âm D2 mở D1 khoá. Lúc này ta có mạch so sánh xung kim âm với 1 điện áp ít âm hơn. Ta thấy Uv > 0 nên Ur =-15V

Nếu xung kim dơng D1 mở D2 đóng lúc này ta có mạch so sánh 0V với1 xung âm. Ta thấy Uv < 0 nên Ur = +15V

Chọn R6 = 5,6 KΩ, R7 = 27 KΩ. Ta có đồ thị mô phỏng nh sau

Tính toán mạch tạo răng ca

Khi Uđk = -15v D thông. IR2 = Uđk / R2 = -15/R2

Chọn UDZ = 6V ta phải chọn điện trở sao cho dòng qua tụ C trong khoảng 1ms đạt đến giá trị UDZ.

Nếu dòng qua tụ có giá trị không đổi điện áp trên tụ thay đổi theo quy luật tuyến tính Uc = (Ic/C)t do đó Ic/C = Uc/t = 6.103. Suy ra Ic = c.6.103. Chọn C = 0,22àF Ic = 0,22.10-6.6.103 =1,32 (mA) R2 = 15/Ic = 15/(1,32.10-3) = 11,36.103 Ω Chọn R2 = 11 kΩ

Trong khoảng 9ms còn lai dòng qua tụ C bằng dòng qua điện trở Rx+R10

Phải chọn tụ sao cho trong 9ms còn lạitụ vừa phóng điên về 0v. Uc = Uc0 – (Ic/C)t vớiUco = 6V

0 = 6 – (Ic/C)9.10-3 hay Ic = (C.6)/(9.10-3) =(0,22.10-6.6)/(9.10-3) = 0,147.10-3 (A)

Chọn R1 = 51kΩ. Ta thay đổi Rx để điện áp trên tụ đúng bằng 0V sau 9ms

3.5 Tạo xung điều khiển

Điện áp răng ca tạo ra sẽ đợc so sánh vớiUđk là điện áp cố định. Bằng cách thay đổiUđk ta có thể điều chỉnh đợc góc mở α. Khi tăng Uđk góc mở α sẽ giảm. Uđk đợc thay đổi bằng cách dùng 1 biến trở.

Diode D3 dùng để chặn điện áp âm làm cho xung ra luôn dơng.

Sau đó cho xung này vào bộ trigger 74LS76. Với mỗi sờn âm của xung trigger sẽ lật trạng thái.

Sơ đồ nguyên lý nh sau

Tín hiệu ở 2 đầu ra là nghịch đảo của nhau. Ta cho 2 tín hiệu này And với tín hiệu vào CLK ta sẽ đợc 2 xung mở sole nhau trễ 1 khoảng α

3.6. Băm xung tạo xung điều khiển dới dạng chùm xung

Xung tạo ra ở đây là xung vuông sẽ không thuận lợi cho viêc truyền và khuếch đại xung. Ta phải tiến hành băm xung đó thành các xung có tần số rất cao khoảng 8-10 khz.

Để thực hiện điều này ta phải tạo ra đợc 1 xung chuẩn có tần số nh vậy sau đó sẽ đem AND với xung điều khiển ở trên. Tuy nhiên cách làm nh vậy sẽ không thể băm đều đợc. Ta sẽ dùng 1 IC NAND CD4093 phát ra 1 xung có tần số khoảng từ 16-20 Khz cho đi vào CLK của FlipFlop 74LS76 còn xung điều khiển sẽ đi vào J K. Bàng cách nh vậy ở đầu ra Q ta sẽ thu đợc xung chùm rất đều có tần số bằng 1/2 tần số của NAND (8-10Khz)

Đặc tuyến ra Tính toán mạch dao động Giả sử T1+T2 >> TPHL+TPLH ta có To = RC ln [VDD/VT-] T1 = RC ln [ (VDD/VT-)/(VDD-VT+)] T2 = RC ln [VT+/VT-]

Trong đó VT+ và VT- là các hằng số phụ thuộc nhiệt độ ở 25oC và VDD =15V thì VT+ = 9V

VT- = 6,3V

Chọn f = 20 Khz thì ta có RC = 6,866.10-5. Chọn C = 100ηF thì R=680 Ω.

Với các linh kiện nh trên ta sẽ tạo ra đợc xung có tần số 20Khz. Sơ đồ mạch băm xung nh sau

3.7. Khuếch đại xung

Sau khi tạo đợc xung chùm nh trên ta đa qua máy biến áp xung Sơ đồ biến áp xung

Khi có xung đa vào Base của Transistor nó sẽ mở, khi đó Colector nối đất điện áp +24V đợc đặt vào sơ cấp máy biến áp và điện trở treo tạo ra 1 xung có độ rộng đúng bằng xung chùm đa vào ở thứ cấp máy biến áp.

Diode dùng để khép vòng dòng quá độ bảo vệ cực Colector. Điện trở treo giúp giảm điện áp đặt vào sơ cấp máy biến áp.

3.8. Kết quả mô phỏng

A. Mạch điều khiển (hình vẽ trên)

B. Mạch lực Hình vẽ

Kết quả mô phỏng mạch lực với α =540

3.9. Tính biến áp xung

+ Chọn vật liệu làm lõi là sắt Ferit HM. Lõi có dạng hình xuyến, làm việc trên một phần của đặc tính từ hoá có: ∆B = 0,3 T, ∆H = 30 A/m [1], không có khe hở không khí.

+ Tỷ số biến áp xung: thờng m = 2ữ3, chọn m= 3

+ Điện áp cuộn thứ cấp máy biến áp xung: U2 = Udk =3,0 V + Điện áp đặt lên cuộn sơ cấp máy biến áp xung:

U1 = m. U2 = 3.3 = 9 V

+ Dòng điện thứ cấp biến áp xung: I2 = Idk =0,1 A

+ Dòng điện sơ cấp biến áp xung: I1 = I2 /m =0,1/3=0,033A

+ Độ từ thẩm trung bình tơng đối của lõisắt: àtb =∆B/à0. ∆H = 8.103

Trong đó:

à0=1,25.10-6 (H/ m) là độ từ thẩm của không khí

d D a

b

Hình 1.79 .Hình chiếu lõi biến áp xung . V= Q.L = (àtb. à0. tx. sx. Ul. Il )/ ∆B2 Thay số V= 0,834.10-6 m3 = 0,834 cm3. Chọn mạch từ OA-20/25-6,5 có thể tích V= Q.l = 0,162.7,1 = 1,15 cm3. Với thể tích đó ta có kích thớc mạch từ nh sau: a = 2,5 mm; b = 6,5 mm; Q = 0,162 cm2 = 16,2 mm2; Qcs = 3,14 cm2

d = 20 mm; D = 25 mm. Chiều dài trung bình mạch từ: l = 7,1 cm + Số vòng quấn dây sơ cấp biến áp xung:

Theo định luật cảm ứng điện từ: U1 =w1. Q. dB/dt = w1. Q. ∆B/tx w1 = U1 tx / ∆B.Q = 227 vòng;

+ Số vòng dây thứ cấp: W2 = w1 / m = 227/3 = 75 (vòng )

+ Tiết diện dây quấn thứ cấp: S1 = I1 /J1 = 33,3.10-3 /6 = 0,0056 mm2

Chọn mật độ dòng điện j1 = 6 ( A/mm2 )

+ Đờng kính dây quấn sơ cấp: d1 = 4πS1= 0,084 mm

Chọn d = 0,1 mm S2 = 0,00785 mm2

+ Tiết diện dây quấn thứ cấp: S2 = I2 / J2 = 0,1/4 = 0,025 mm2

+ Đờng kính dây quấn thứ cấp: d2 = π 2 S 4 = 0,178 mm Chọn dây có đờng kính d2 =0,18 mm S2 = 0,02545 mm2

+ Kiểm tra hệ số lấp đầy:

Klđ = 0,0117 314 75 . 02545 , 0 227 . 00785 , 0 Q W . S W . S cs 2 2 1 1 + = + =

Nh vậy, cửa sổ đủ diện tích cần thiết

4. Thiết kế mạch tạo nguồn

Mạch điều khiển cần các nguồn 1 chiều +24V và +15V. Ta phải chỉnh lu điện áp lới để có đợc các nguồn đó. Đặc biệt +15V yêu cầu độ ổn định rất cao nên phải dùng IC ổn áp LM7915C và LM78L15AC.

Sơ đồ nguyên lý nh sau

Nguồn +24V chỉ cấp cho máy biến áp xung nên không cần ổn định cao, nên không cần đa qua ổn áp xung.

Cực G sẽ đợc nói đến ở phần bảo vệ mất pha.

5. Tính toán công suất biến áp nguồn nuôi và đồng pha

1. Điện áp lấy ra ở thứ cấp cuộn dây nguồn nuôi IC: U21= 10 V.

2. Công suất tiêu thụ ở 6 IC TL 084 sử dụng làm khuếch thuật toán ta chọn hai IC TL 084 để tạo 6 kênh điều khiển và 2 cổng AND.

PIC = 8. PIC = 8.0,68= 5,12 W

3. Công suất BAX cấp cho cực điều khiển Tiristor. Px = 6. Udk. Idk = 6.3.0,1= 1,8 = 6,976 W

4. Điện áp pha thứ cấp cuộn dây nguồn nuôi biến áp xung U 20,4V 34 , 2 48 22 = =

5. Điện áp lấy ra ở thứ cấp cuộn dây đồng pha (a3, b3, c3 a4, b4, c4) U23= 5 V

6. Dòng điện chạy qua cuộn dây đồng pha chọn 10 mA Pđf = 3. Ux. Ix = 6.5.0,01 = 0,15W

7. Công suất sử dụng cho việc tạo nguồn nuôi PN = Pđf +PIC +Px

PN = 0,15 +5,12+ 6,976 = 12,126 W

8. Công suất của máy biến áp có kể đến 5% tổn thất trong máy: S= 1,05. PN = 1,05. 12,126 = 12,73 VA.

9- Dòng điện sơ cấp máy biến áp: I1 = S/ 3.U2 = 12.73/3. 220 ≈ 0,02A

10. Tiết diện trụ của máy biến áp đợc tính theo công thức kinh nghiệm:

Trong đó: kQ= 6- hệ số phụ thuộc phơng thức làm mát. m= 3- số trụ của biến áp.

f = 50- tần số điện áp lới.

Vì kích thớc này quá nhỏ nên ta chọn chuẩn hoá tiết diện trụ theo bảng Qt= 1,63 cm2. kích thớc mạch từ lá thép dày σ = 0,5 mm Số lợng lá thép: 68 lá c h H a a a C Hình 1.84 .Kích thước mạch từ biến áp a a=12mm b=16mm h=30mm hệ số ép chặt kc= 0,85.

11. Chọn mật độ từ cảm B =1T ở trong trụ ta có số vòng dây sơ cấp: w1 = 4,44U.f1.B.Qt =6080 vòng

12. Chọn mật độ dòng điện J1= J2= 2,75 A/mm2

Tiết diện dây quấn sơ cấp:

đờng kính dây quấn sơ cấp:

d1= 4π.S1 = 0,091 mm

Chọn d1= 0,1 mm để đảm bảo độ bền cơ. Đờng kính có kể cách điện: dlcd = 0,12 mm.

13. Số vòng dây quấn thứ cấp nguồn nuôi:

563 220 4 , 20 . 6080 . 1 2 1 21 = = = U U W W vòng 14. Số vòng dây quấn thứ cấp W23: 138 220 5 . 6080 U U . W W 1 23 1 23 = = = vòng

15. Đờng kính dây quấn các cuộn thứ cấp vì kích thớc nhỏ không đáng kể chọn 0,26 mm:

6. Thiết kế hệ thống bảo vệ chống mất pha và quá tải lâu dài

6.1. Bảo vệ mất pha

Khi có hiện tợng mất 1 pha dòng điện trên phần ứng động cơ của 2 pha còn lại sẽ tăng lên rất lớn và có thể gây cháy động cơ.

Ta sẽ lấy điện áp ở G qua 1 mạch đo, nếu nó nhỏ hơn mức Uđăt tính toán trớc trong 3,3ms (1/6 chu kỳ) thì phải cắt cầu dao đóng mạch.

Diode dùng để chặn xung âm

Nếu UG <Udat thì sẽ có xung ra khỏi IC TL084

Với mục đích xác định khoảng thời gian mất pha lớn hơn 3ms ta phải tạo ra 1 xung ở đầu ra Qcó độ rộng 3ms sau đó dùng 1 IC AND nh hình vẽ để trừ 2 xung cho nhau.

Đặc tính của CD4528 nh sau

Trong đó PWout = 0,2.RXCXln Vdd

Thay PWout = 3ms và Vdd = 15 vào ta có RXCX = 5,5.10-3

Chọn CX = 100ηF Rx= 56 Ω

Nếu độ rộng xung vào A lớn hơn 3 ms thì ở đầu ra Q and A sẽ có xung làm đóng cầu dao cắt toàn bộ hệ thống.

6.2. Bảo vệ chống quá tải lâu dài

Quá tải xảy ra khi cánh quạt bị vớng vào vật khác không quay đợc hoặc khi thiếu dầu mỡ bôi trơn. Khi quá tải dòng điện trong động cơ tăng lên cao, nếu kéo dài sẽ dẫn đến cháy động cơ.

Hệ thống bảo vệ quá tải làm việc trên nguyên tắc đo dòng điện trên động cơ, nếu nó lớn hơn 1 ngỡng đợc tính toán trớc thì cắt Rơle ngừng toàn bộ hệ thống.

Để đo dòng sử dụng biến dòng dể đo dòng điện chạy qua động cơ. Sơ đồ nh sau

Dùng 2 biến dòng đo dòng của 2 pha ta sẽ đợc điện áp U1, U2, U3 tơng ứng. Đa 3 điện áp này vào chỉnh lu cầu 3 pha nh hình vẽ, ta thu đợc điện áp 1 chiều tơng ứng. Khi quá tải dòng điện trên 3 pha tăng lên làm cho điện áp 1 chiều này cũng tăng theo. Nếu nó tăng lên quá 1 giá trị ngỡng đợc tính toán trớc trong 1 khoảng thời gian đủ lớn thì cắt Rơle ngừng toàn bộ hệ thống.

Để tính thời gian trễ ta vẫn dùng IC CD4528 nh phần bảo vệ mất pha. Hoạt động của 2 mạch là nh nhau chỉ khác ở chỗ thời gian trễ của mạch bảo vệ quá tải (s) lớn hơn nhiều so với mạch bảo vệ mất pha (ms). Ta chỉ cần tăng Rx

lên thì thời gian trễ cũng tăng tuyến tính theo.

7. Thiết kế khâu khởi động cho động cơ không đồng bộ

Lý do thiết kế

Động cơ công suất lớn khi khởi động mômen cản của trục động cơ lớn nên không thể khởi động trực tiếp bằng điện áp lới đợc do đó ta phải áp dụng phơng pháp tăng dần điện áp phần ứng của động cơ

Ta có thể dùng phơng pháp thay đổi biến trở làm điện áp tăg dần, trong khoảng 2 dến 3 giây điện áp đặt vào phần ứng động cơ sẽ đạt giá trị định mức. phơng pháp này tuy đơn giản nhng không tiện dụng nhát là đối với những ngời dùng không có chuyên môn.

Một phơng pháp khác hiện đại hơn đó là tác dụng vào mạch điều khiển. Ngời sử dụng chỉ cần khởi động bằng cách ấn nút, quá trình mở máy đợc thực hiện tự động bằng mạch điều khiển.

Thiết kế

Ta đã biết để giảm điện áp chỉ cần tăng góc điều khiển α . Để tăng điện áp từ Ukđ đến Uđm ta sẽ tăng α từ α 1 đến α 2.

Tính toán α 1 và α 2. Uhd = Uđm. 2       + + Π Π α cos2α 4 3 2 sin . 4 3 3 4 3 . thay Uhd = Ukđ =1/2 Uđm ta có α =79o

Nh vậy ta sẽ tăng điện áp từ 0.5 Uđm đến Uđm bằng cách giảm góc điều khiển α từ 79o xuống 0o.

Giải phơng trình bằng phơng pháp đồ thị cho ta kết quả Uđko = 3.73V

Tính dạng đồ thị của Uđk

Đồ thị Uđk là đờng thẳng đi qua điểm (0;3.72) và (3000;6)

Sơ đồ

Giải thích hoạt động

Khâu này tạo ra điện áp tăng dần theo hàm số mũ với hệ số nạp điện là τ = R.C = 22.44 s

Phơng trình nạp điện của tụ U=5. (1- τ

t

e − )

Phải hơn 100s tụ mới nạp đầy điện nên trong khoảng từ 0s đến 3 s ta coi đồ thị điện áp là tuyến tính. Tại t=3s ta có U = 0,626 V.

Dùng khuếch đại thuật toán khuếch đại tín hiệu này lên với hệ số khuếch đại 4 để có điện áp 2,48V.Sơ đồ khuếch đại thuận ghép với mạch ghim điện áp ở mức 2,4 V với Diode Zener BZX79

Cuối cùng cộng điện áp sau Diode Zener với điện áp 3.8V lấy ra từ phân áp ta đợc điện áp Uđk.

Kết quả mô phỏng nh sau