3.3.1. Khỏi niệm về mạch điều khiển.
a. Nguyờn lý:
Đối với chỉnh lưu Thyristor thỡ mạch điều khiển cú vai trũ rất quan trọng, vỡ nú quyết định đến chất lượng và độ tin cậy của bộ biến đổi. Thyristor chỉ mở khi cú điện ỏp dương đặt vào anốt và cú xung dương đặt vào cực điều khiển. Sau khi Thyristor mở xung điều khiển khụng cũn tỏc dụng nữa.
Điều khiển Thyristor trong sơ đồ chỉnh lưu hiện nay thường gặp là điều khiển theo nguyờn tắc thẳng đứng tuyến tớnh. Nội dung của nguyờn tắc này cú thể mụ tả theo giản đồ (hỡnh 3 - 8) như sau:
Khi điện ỏp xoay chiều hỡnh sin đặt vào anốt của Thyristor, để cú thể điều khiển được gúc mở của Tiristo trong vựng điện ỏp + anốt, ta cần tạo
Hình 3-19. Nguyên lý điều khiển chỉnh l-u.
Udf Urc Uđk ud Xđk u urc t1 t2 t3 t4 t5 t t t t uđk o o o o
68
một điện ỏp tựa dạng tam giỏc, ta thường gọi là điện ỏp tựa là điện ỏp răng cưa Urc. Như vậy, điện ỏp tựa cần cú trong vựng điện ỏp dương anốt.
Dựng một điện ỏp một chiều Uđk so sỏnh với điện ỏp tựa. Tại thời điểm (t1,t4) điện ỏp tựa bằng điện ỏp điều khiển (Urc = Uđk), trong vựng điện ỏp dương anốt, thỡ phỏt xung điều khiển Xđk. Thyristor được mở từ thời điểm cú xung điều khiển (t1,t4) cho tới cuối bỏn kỳ (hoặc tới khi dũng điện bằng 0).
b. Chức năng của mạch điều khiển.
+ Điều chỉnh được vị trớ xung điều khiển trong phạm vi nửa chu kỳ dương của điện ỏp đặt trờn anốt – catốt của van.
+ Tạo ra được cỏc xung đủ điều kiện mở Thyristor. Độ rộng của xung: dt di I t dt x
Idt : là dũng duy trỡ của van. dt
di
: tốc độ tăng trưởng của dũng.
3.3.2. Một số yờu cầu đối với mạch điều khiển.
a. Xung điều khiển phải đảm bảo yờu cầu về độ lớn của điện ỏp và dũng điều khiển.
- Giỏ trị nhỏ nhất khụng vượt quỏ giỏ trị cho phộp của nhà sản xuất. - Giỏ trị nhỏ nhất cũng phải đảm bảo mở được Thyristor trong mọi điều kiện. - Tổn hao cụng suất trờn cỏc cực điều khiển phải nhỏ hơn giỏ trị cho phộp.
b. Độ lớn xung điều khiển.
Khi tải của mạch cú điện cảm lớn thỡ dũng điện chậm nờn phải tăng độ rộng xung điều khiển. Thụng thường độ rộng xung điều khiển khụng nhỏ hơn 0,5 s.
Chia độ dốc.
Người ta chia độ dốc xung điều khiển làm hai phần: Độ dốc sườn trước và độ dốc sườn sau. Để mở Thyristor cú thể dựng sườn phớa nào cũng được
69
nhưng người ta thường sử dụng sườn sau để mở Thyristor. Vỡ vậy, độ dốc sườn trước xung điều khiển càng cao thỡ Thyristor càng tốt.Thụng thường yờu cầu độ dốc của xung điều khiển là: d 0,1
dt dik
( A/ s).
Độ đối xứng của xung trong cỏc kờnh điều khiển.
Trong bộ biến đổi nhiều pha, nhiều van, độ đối xứng của cỏc xung điều khiển giữa cỏc kờnh sẽ quyết định đến đặc tớnh ra của hệ. Nếu xung điều khiển khụng đối xứng thỡ dũng điện trong cỏc pha sẽ cú giỏ trị và hỡnh dạng khỏc nhau làm mất cõn bằng sức từ động của mỏy biến ỏp. Do đú làm tăng cụng suất mỏy biến ỏp.
70
Độ tin cậy.
Mạch điều khiển phải đảm bảo làm việc tin cậy trong mọi điều kiện như khi nhiệt độ mụi trường thay đổi, tớn hiệu nhiều tầng…
Xung điều khiển phải ớt phụ thuộc vào sự dao động của nhiệt độ, dao động của điện ỏp nguồn, khử được nhiễu cảm ứng và khụng để Thyristor mở ngoài ý muốn.
Lắp rỏp và vận hành.
Mạch điều khiển cũng như mạch điện phải sử dụng hết cỏc thiết bị cú sẵn, dễ thay thế, dễ lắp rỏp, dễ điều chỉnh, lắp lẫn và mỗi khối cú khả năng làm việc độc lập.
3.3.3. Sơ đồ cấu trỳc của hệ thống điều khiển.
Cỏc hệ thống điều khiển xung pha được chia ra làm hai loại dựa trờn nguyờn lý đồng bộ và khụng đồng bộ.
Sơ đồ cấu trỳc của hệ thống điều khiển như sau:
Chức năng của cỏc khõu như sau:
a. Khối đồng bộ.
Khối đồng bộ hay cũn gọi là khối điện ỏp chuẩn sẽ tạo ra điện ỏp Uo thay đổi theo thời gian cú dạng hỡnh sin, vuụng, răng cưa... Nhờ khối so sỏnh điện ỏp chuẩn Uo sẽ được so sỏnh với Uđk của bộ biến đổi. Khi điện ỏp ra Uo = Uđk ở đầu ra của bộ so sỏnh sẽ xuất hiện xung và sau đú xung này sẽ được khuếch đại lờn và đưa vào cực điều khiển Thyristor.
Đồng bộ Răng c-a So sánh xung Tạo Khuếch đại xung Biến áp xung Uđk
71
Điện ỏp chuẩn thay đổi theo thời gian được tạo ra với điện ỏp lưới, chớnh vỡ thế điện ỏp chuẩn và xung được tạo ra đồng bộ theo thời gian bộ biến đổi với điện ỏp lưới xoay chiều. Bằng cỏch thay đổi giỏ trị điện ỏp Uđk ta cú thể thực hiện được sự dịch chuyển theo thời gian xung ra bộ biến đổi điều chỉnh gúc kớch , tức là điều chỉnh điện ỏp ra của bộ biến đổi.
b. Khối tạo điện ỏp răng cưa.
Khõu này để tạo ra điện ỏp răng cưa so sỏnh với Uđk điểm cõn bằng là thời điểm phỏt xung. Hỡnh dạng của Urc phụ thuộc vào nguyờn tắc điều khiển, ở đõy ta chọn nguyờn tắc điều khiển thẳng đứng tuyến tớnh. Điện ỏp Urc là điện ỏp đồng pha ỏp lưới.
Cú nhiều phương phỏp để tạo ra Urc: + Sơ đồ dựng điốt và tụ điện
+ Sơ đồ dựng tranzitor + Sơ đồ dựng vi mạch
c. Khối so sỏnh.
Nhiệm vụ của khõu so sỏnh là tạo ra điện ỏp Urc với Uđk để xỏc định thời điểm phỏt xung mở Thyristor.
Để so sỏnh cỏc tớn hiệu tương tự, người ta cú thể dựng tranzitor hoặc KĐTT. KĐTT cú những ưu điểm sau:
- Điện trở vào vụ cựng lớn : Rv = ∞ - Hệ số khuếch đại : K = ∞ - Điện trở ra : Rr = 0. Nờn ngày nay, chủ yếu dựng KĐTT
d. Khối tạo xung.
Bộ tạo xung cú nhiệm vụ tạo ra xung cú dạng độ dài và cụng suất đủ để mở Thyristor.
72
- Bộ tạo xung đơn là cỏc bộ khuếch đại xung cú nhiệm vụ tạo ra cỏc xung đơn cú độ dài ổn định.
- Bộ tạo xung cú độ dài tuỳ ý và được trộn với xung cú tần số ccấu trỳc. - Bộ tạo xung tạo ra cỏc số lượng khỏc nhau tuỳ theo chế độ hoặc sơ đồ. Bộ tạo xung đơn cú sơ đồ đơn giản nhất, độ tin cậy cao và thường được dựng cho mạch điều khiển đơn giản.
Bộ tạo xung cú trộn xung với tần số cao chụ phộp sử dụng cỏc xung cú độ dài tuỳ ý, nhưng vẫn đảm bảo kớch thước mỏy biến ỏp xung gọn nhẹ. Bộ tạo xung kiểu này thớch hợp với những xung cú độ dài Tx > 60o.
Bộ tạo xung cú số lượng xung đơn tuỳ ý cho phộp giảm được nhược điểm của bộ phỏt xung rộng. Bộ này hay được dựng cho bộ biến đổi ở chế độ dũng giỏn đoạn và khi khụng muốn đưa xung lờn cực điều khiển kyhi điện ỏp anot õm hơn so với catốt, do đú tăng độ tin cậy của sơ đồ.
e. Khuếch đại xung
Sơ đồ nguyờn lý D1 D2 D3 Dth R2 R1 T
Hỡnh 3-21. Mạch khuếch đại xung
Chức năng
Khuếch đại cú nhiệm vụ khuếch đại tớn hiệu điều khiển đưa đến để điều khiển cỏc van bỏn dẫn cụng suất đảm bảo cỏc tham số cơ bản như biờn độ, độ
73
rộng và cụng suất. Hơn nữa, nú cũn cú nhiệm vụ cỏch ly giữa mạch điều khiển và mạch lực.
Nguyờn lý hoạt động
Sơ đồ gồm một khoỏ Tranzitor T được điều khiển bởi một xung cú độ rộng xung Tx. Khi T mở bóo hoà, gần như toàn bộ điện ỏp nguồn +E được đặt lờn cuộn sơ cấp của biến ỏp xung. Điện ỏp cảm ứng bờn phớa thứ cấp cú cực tớnh tương ứng mở điốt D2, đưa dũng điều khiển vào giữa cực điều khiển và catốt của Thyristor Dth. Điốt D3 cú tỏc dụng là giảm điện ỏp ngược đặt lờn K và cực điều khiển của Thyristor Dth khi điện ỏp catốt dương hơn anốt. Điều này đảm bảo an toàn cho tiếp giỏp G – K của Thyristor T khoỏ lại, dũng colector – emitor của nú bằng 0
f. Biến ỏp xung.
Biến ỏp xung để cỏch ly giữa mạch lực và mạch điều khiển, phối hợp trở khỏng giữa tầng KĐX và cực điều khiển của Thyristor, Nhõn thành nhiều xung (BAX nhiều cuộn thứ cấp) cho cỏc van cần mở đồng thời như trường hợp phải mắc nối tiếp hoặc song song nhiều van. Yờu cầu lớn nhất của biến ỏp xung là truyền xung từ mạch điều khiển lờn cực điều khiển của Thyristor với độ mộo phi tuyến ớt nhất.
3.3.4. Tớnh toỏn cỏc khối trong mạch điều khiển. a. Khối đồng pha. a. Khối đồng pha.
74
Mạch tạo tớn hiệu đồng bộ dựng chỉnh lưu nửa chu kỳ cú điểm trung tớnh (D1, D2) để tạo ra điện ỏp chỉnh lưu U(1) hỡnh (3 - 9).
Điện ỏp U(1) được so sỏnh với Uo để tạo ra cỏc tớn hiệu tương ứng với điểm mà điện ỏp nguồn đi qua điểm khụng.
Uo càng nhỏ thỡ xung U(2) càng hẹp và phạm vi điều chỉnh càng lớn. Nếu chọn max = 175o thỡ: Uo = o 2sin5 U . 2
Theo yờu cầu thiết kế đồ ỏn. BAĐF dựng lừi thộp kỹ thuật điện hỡnh chữ E cú tiết diện lừi thộp là:
S = 12 cm2 với cụng suất bằng tương ứng là P = 122 / 1,44 = 100 (W) Điện ỏp thứ cấp lấy bằng 12 V, cũn điện ỏp cuộn sơ cấp là 240 V để nối vào lưới điện.
Theo kinh nghiệm ta chọn số vũng vol là no = K/ S
Trong đú:
K - là hệ số biến ỏp: 36 42 (vũng) no = 40 : 12 = 3,3 (vũng/ vol) Số vũng dõy cuộn sơ cấp :
W1 = no . U1 = 3,3 . 240 = 792 (vũng) BADP D D - A1 + +12 R1 R4 R3 VR1 +12 -12 UB UA
Hình 3-22. Sơ đồ tạo điện áp đồng pha
75 Số vũng dõy cuộn thứ cấp :
W2 = no . U2 = 3,3 . 12 = 40 (vũng) Tại điểm A.
Điện ỏp đồng pha lấy từ cuộn thứ cấp MBA qua một mạch lọc R1 , C1 đưa đến đầu vào của KĐTT U1A.
Ta chọn :
R1 = R2 = R3 = R4 = 10 K VR1 = 50 K
b. Mạch tạo điện ỏp tựa (điện ỏp răng cưa).
Ta thường chọn sơ đồ tạo điện ỏp tựa dựng khuếch đại thuật toỏn. Sơ đồ này
được xõy dựng trờn nguyờn tắc sử dụng mạ ạp
của tụ được thực hiện nhờ nguồn nạp cho tụ là nguồn hai cực tớnh. Khi điện ỏp đầu vào U(1) mang dấu dương (+E), điện ỏp trờn tụ (U2) sẽ được nạp theo cụng thức như sau: U2 = UC = 1 2 T . C . R E
Điện ỏp trờn tụ theo phương trỡnh là đường tuyến tớnh dốc xuống phớa dưới. Nếu điện ỏp đầu vào mang dấu õm (-E), điện ỏp ra sẽ được tớnh theo cụng thức: - A2 + C1 R 5 R 6 +12 -12
Hình 3-23. Sơ đồ tạo điện áp tựa
U c VR 6 +12 Dz1 R 4
76 U2 = UC = 2 2 T . C . R E
Điện ỏp trờn tụ lỳc này là đường đi lờn phớa trờn.
Bằng cỏch thay đổi thời gian phúng (T1), thời gian nạp (T2) và cỏc giỏ trị VR2, VR3 một cỏch tương ứng, ta cú thể thay đổi được dạng điện ỏp răng cưa.
Ta chọn: VR2 = 10 K VR3 = 50 K R5 = 1 K R6 = 56 K R7 = 330 R8 = 10 K D2, D3 loại 1ờ C1 = 0,1 F c. Khõu so sỏnh.
KĐTT U1A làm việc trong chế độ so sỏnh nờn đầu ra điện ỏp dạng xung hỡnh chữ nhật đối xứng.
Gọi điện ỏp qua trở R2 là U1 Gọi điện ỏp qua trở R3 là U2
Nếu U1 > U2 thỡ điện ỏp tại điểm B bị lật xuống õm nguồn U1 < U2 thỡ điện ỏp tại điểm B lật lờn trờn dương nguồn.
Ta chọn :
R9 = R10 = 10 K
d. Khõu tạo xung.
- A3 + R9 R10 Uc Uđk Hình 3-24. Sơ đồ khâu so sánh
77
Khõu so sỏnh 1 ta đó nhận được xung vuụng rộng kộo dài từ khi xuất hiện đến nửa chu kỳ đang xột của điện ỏp chỉnh lưu. Nếu xung điều khiển xuất hiện từ thời điểm kộo dài cho đến hết nửa chu kỳ mới kết thỳc sẽ làm hỏng cực điều khiển.
Để tạo xung với vài s ta dựng mạch vi phõn R12, C2 .
Tụ C2 và R12 là để vi phõn xung vuụng sau khõu so sỏnh thành xung đơn cú biờn độ bằng hai lần biờn độ hỡnh chữ nhật
tD = R12. C2 = 100 s = 10- 4 (s) chọn C2 = 0,047 F = 0.047 . 10-6 F => R12 = 2,13K 10 . 047 , 0 10 6 4
Khi điện ỏp đưa từ khõu so sỏnh ở mức thấp (-Ubh) thỡ tụ C2 được nạp bằng nguồn õm lờn đến trị số bằng Ubh.
Khi điện ỏp so sỏnh chuyển lờn mức (+ Ubh ) vào thời điểm này R4 xuất hiện 1 xung điện ỏp cú giỏ trị bằng điện ỏp cú sẵn trờn tụ ( Ubh ) cộng điện ỏp ra của khõu so sỏnh cũng bằng Ubh. Do chỳng mắc nối tiếp nhau nờn tổng bằng +2Ubh. Sau đú tụ C2 bắt đầu quỏ trỡnh nạp đảo để cuối cựng đạt trị số Ubh nhưng ngược dấu ban đầu.
Xung vi phõn được đưa đến KĐTT U1B
- A4 + R12 D2 R13 R16 R15 R14 C2 UD
78
Đầu vào (-) U1B đặt dưới điện ỏp do phõn ỏp R6, R7 tạo nờn. Như vậy, điện ỏp tại điểm C = 0 V, điốt D1 thụng làm đầu vào (-) của KĐTT õm hơn đầu vào (+) nờn đầu ra của KĐTT sẽ bóo hoà ở gần (+) nguồn.
Khi xung nhọn ở điểm C cú giỏ trị (-). Điốt D1 khoỏ, D2 thụng làm đầu vào (+) của KĐTT õm hơn so với đầu vào (-). Kết quả đầu ra cũng bị lật xuống õm nguồn. Như vậy, tại D cú dạng xung với phần (-) rất hẹp tại thời điểm này điện ỏp anot đi qua giỏ trị bằng 0. Đõy là tớn hiệu điều khiển cho mạch tạo xung răng cưa trờn KĐTT U1C.
Chọn R5, R6, R7, R8 dựa trờn điều kiện sau:
B 1 U B 1 U U U 8 6 6 8 5 5 8 6 6 C 8 5 5 C R R R R R R R R R . U R R R . U Vậy chọn :
R5 = R8 = R7 = 10 K => (thoả món điều kiện ) R6 = 5 K - A1 + D1 D2 R6 R2 U1B R7 R8 -U D
79
e. Tớnh biến ỏp xung.
+ Chọn vật liệu làm lừi là sắt Ferit HM. Lừi cú dạng hỡnh xuyến, làm việc trờn một phần của đặc tớnh từ hoỏ cú: B = 0,3 (T), H = 30 ( A/m ) [1], khụng cú khe hở khụng khớ.
+ Tỷ số biến ỏp xung : thường m = 2 3, chọn m = 3
+ Điện ỏp cuộn thứ cấp mỏy biến ỏp xung: U2 = Udk = 3,0 (v) + Điện ỏp đặt lờn cuộn sơ cấp mỏy biến ỏp xung:
U1 = m. U2 = 3.3 = 9 (v) + Dũng điện thứ cấp biến ỏp xung:
I2 = Idk = 0,1 (A) + Dũng điện sơ cấp biến ỏp xung:
I1 = I2 / m = 0,1/ 3 = 0,033(A) + Độ từ thẩm trung bỡnh tương đối của lừi sắt:
tb = B/ 0 . H = 8.103 trong đú : 0 = 1,25 . 10-6 (H/ m) - là độ từ thẩm của khụng khớ Thể tớch của lừi thộp cần cú: V = Q . L = ( tb . 0 . tx . sx . Ul . Il )/ B2 Thay số V = 0,834 . 10-6 (m3 ) = 0,834 ( cm3 ). Chọn mạch từ cú thể tớch V= 1,4 (cm3 ). Với thể tớch đú ta cú kớch thước mạch từ như sau: [1] a = 4,5 mm b = 6 mm Q = 0,27 cm2 = 27 mm2 d = 12 mm D = 21 mm
Chiều dài trung bỡnh mạch từ : l = 5,2 (cm) + Số vũng quấn dõy sơ cấp biến ỏp xung: Theo định luật cảm ứng điện từ :
80
U1 = w1 . Q. dB/ dt = w1 . Q. B/tx w1 = U1 tx / B.Q = 186 ( vũng ) + Số vũng dõy thứ cấp
W2 = w1 / m = 186/ 3 = 62 (vũng ) + Tiết diện dõy quấn thứ cấp:
S1 = I1 /J1 = 33,3.10-3 / 0.5 = 0,066 (mm2 ). Chọn mật độ dũng điện: j1 = 0.5 ( A/mm2 ). + Đường kớnh dõy quấn sơ cấp :
d1 = 4S1 = 0,084 (mm) Chọn: d = 0,1 (mm).