Xõy dựng mạch điều khiển để đảm bảo cho mạch lực hoạt động tốt trong mọi trờng hợp.
I. Cỏc yờu cầu cơ bản đối với hệ thống điều khiển :
1. Đảm bảo phỏt xung với đầy đủ cỏc yờu cầu để mở van : + Đủ độ rộng tx
+ Đủ biờn độ Ux
+ Sờn xung ngắn ts =0,5ữ1às
2. Đảm bảo tớnh đối xứng của cỏc kờnh
3. Đảm bảo cỏch ly giữa mạch lực và mạch điều khiển, Vớ dụ đối với MBAX thờng đợc sử dụng nh một khõu truyền xung cuối cựng ở tầng khuyếch đại xung.
4. Đảm bảo đỳng quy luật về pha điều khiển. Đõy là yờu cầu về đảm bảo phạm vi điều chỉnh gúc α .
6. Khụng gõy nhiễu đối với cỏc hệ thống điều khiển điện tử khỏc ở xung quanh.
7. Cú khả năng bảo vệ quỏ ỏp, quỏ dũng và bỏo hiệu khi cú sự cố.
II. Sơ đồ cấu trỳc của hệ thống điều khiển .
Khõu đồng pha cú nhiệm vụ tạo ra điện ỏp tựa đồng bộ với điện ỏp l- ới. Nghĩa là cho phộp xỏc định giỏ trị ban đầu của goỏc điều khiển α .
Khõu so sỏnh cú nhiệm vụ so sỏnh giữa điện pỏ tựa và điện ỏp điều khiển. Tại thời điểm hai điện ỏp này bằng nhau thỡ phỏt xung gửi sang tần khuyếch đại.
Khõu khuyếch đại : tạo ra xung và khuyếch đại xung tạo ra xung cú độ rộng cần thiết và đur cụng suất để đa đến điều khiển thyistor trong mạch lực.
• Trong thực tế ngời ta thờng dựng hai nguyờn tắc điều khiển : thẳng đứng tyuến tớnh và thẳng đứng arccos để thực hiện điều chỉnh vị trớ xung trong nửa chu kỳ dơng của điện ỏp đặt trờn tiristor.
III. Giới thiệu cỏc phõn tử cơ bản đợc dựng trong mạch điều khiển :
SS BAX
Udk
Ur 1 2 3 4
Khuyếch đại thuật toỏn cú kớ hiệu nh sau :
1. Một số ứng dụng của khuyếch đại thuật toỏn : a. Mạch khuyếch đại đảo : sơ đồ nh sau
Ta cú : o Ui R R U . 1 2 − = b. Mạch so sỏnh một cổng :
ở dầu vào khuyếch đại thuật toỏn tổng trở Ri rất lớn nờn dũng đI vào KĐTT là khụng đỏng kể, nờn 2 2 1 1 1 2 1 2 ) ( ( ) ( )U R R R U R R R Ui + + + = −
Nếu Ui(−) > 0 thỡ U3 sẽ bóo hoà ở –Un Nếu Ui(−)<0 thỡ U3 sẽ bóo hoà ở +Un
c. Mạch so sỏnh hai cổng :
Nếu : U1<U2 thỡ U3= +Un d. Mạch tạo tớn hiệu răng ca :
* Dựng nguồn dũng transistor :
IV. Thiết kế mạch điều khiển :
A. Nguyờn lý hoạt động của sơ đồ điều khiển :
Khi cấp nguồn điện 380V vào sơ cấp của BA nguồn phớa thứ cấp của BA hạ ỏp qua cuộn dõy W2-1 qua cầu chỉnh lu hai nửa chu kỡ D1 và D2 điện ỏp tại điểm (I) U1 là điện ỏp một chiốu hỡnh sin lấy phần dơng và đặt vào cửa đảo của thuật toỏn A1 tại đõy so sỏnh với điện ỏp U đặt đợc đa vào cửa cộng của A1
Nếu Ur <Uđ thỡ Ura trờn OA1là điện ỏp dơng điốt D11 mở lỳc này tụ C8 đ- ợc phúng điện từ C8 đến R5 -> D11 qua OA1 về õm nguồn .
Do sự đúng mở của D11làm trờn tụ C8 phúng nạp tạo ra trờn (III) một điện ỏp hỡnh răng ca . Độ dốc của răng ca cú thể thay đổi qua triết ỏp VR2. Do đú điốt zơle (Dz) nờn diện ỏp trờn tụ max khi nạp luụn bằng điện ỏp ng- ỡng trờn điốt zơle. Điện ỏp răng ca đợc đa vào cửa đảo của OA7 và so sỏnh với điện ỏp điều khiển. Điện ỏp điều khiển này đợc lấy từ điện ỏp phản hồi đa vào so sỏnh với điện ỏp đặt qua bộ cộng đảo dấu. Trong mạch vũng phản hồi cú mạch vũng phản hồi dũng điện . Dũng điện qua sun thay đổi thỡ điện ỏp phản hồi qua sun thay đổi. Tớn hiệu điều khiển đa vào cửa cộng của khõu so sỏnh . Nếu Urc>Uđhthỡ đầu ra của OA3 là xung õm. Nếu Urc<Uđk thỡ đầu ra của OA3 là xung dơng Khi đú bộ phỏt xung chựm dới sự phúng nạp của tụ C9 tạo ra chuỗi xung hỡnh chữ nhật. Vỡ tớn hiệu ra nhỏ đợc khuếch đại qua đốn Ts, xung qua điốt Đ13 chỉ giữ lại phần õm đợc trộn lẫn với xung ra từ khõu so sỏnh A3 tạo thành từng chựm xung dơng. Nhng tớn hiệu xung vẫn cha đủ lớn để kớch mở Tiristo do đú đợc đa qua bộ khuếch đại xung. Cỏc transisto mắc theo kiểu Dalingtơn. Xung dơng đợc đặt vào bazơ của T1làm T1 mở và T2 mở theo khi đú cú xung đi vào biến ỏp xung. Trờn cuộn thứ cấp của biến ỏp xung cú xung để kớch mở tiristo. Khi xung tắt T1vàT2 bị khoỏ, điện ỏp trờn biến ỏp xung giảm đột ngột, cuộn dõy của biến ỏp xung xuất hiện sức điện động cảm ứng ngợc dấu lỳc đú điốt D15và D19 thụng dập tắt sức điện động để bảo vệ cỏc transistor.
B. Tớnh toỏn cỏc khõu của mạch điều khiển
Sơ dồ nguyờn lý khõu đồng pha Nguyờn lý hoạt động của khối đồng pha:
Khi cấp nguồn 380V vào sơ cấp của biến ỏp đồng pha, phớa thứ cấp của biến ỏp đợc hạ ỏp. Giả sử tại thời điểm ban đầu t = 0, nửa chu kỳ đầu điện ỏp dơng đặt trờn D1, D1 sẽ thụng và D2 sẽ bị khoỏ, nửa chu kỳ sau tại thời điểm t2= π điện ỏp xoay đảo dấu và thế dơng đợc đặt vào anốt D2, D2sẽ thụng và D1bị khoỏ. Vậy điện ỏp trờn điểm (I) là điện ỏp xoay chiều đơc đa qua chỉnh lu thành điện ỏp một chiều nửa hỡnh sin.
Điện ỏp một chiều nửa hỡnh sin liờn tiếp tại (I) đợc đa vào cửa õm của khõu so sỏnh OA1. Điện ỏp đợc đa vào cửa dơng của OA1 là điện ỏp một chiều phẳng Uđ cú giỏ trị :Uimin <Uđ< UImax. Khi điện ỏp đặt vào cửa õm của OA1 lớn hơn điện ỏp Uđ trờn cửa dơng của OA1thỡ tại cửa ra của OA một điện ỏp dơng. Cũn khi điện ỏp trờn cửa õm của OA1 nhỏ hơn điện ỏp trờn cửa dơng thỡ điện ỏp ra của OA1 sẽ là một điện ỏp õm. Nh vậy OA1 cú nhiệm vụ so sỏnh điện ỏp nửa hỡnh sin của U1 với Uđ trờn cửa đảo và tạo ra trờn đầu ra một điện ỏp dơng, õm liờn tiếp dạng xung vuụng nh hỡnh vẽ ở dới đõy.
Tớnh toỏn khối đồng pha:
Chọn gúc duy trỡ và thoỏt năng lợng θ =5o thỡ điện ỏp Uđ đặt vào cửa (+) của bộ so sỏnh là: Uθ= 2.U.sin 5o = 2.12.sin 5o = 1,48(V) Chọn E+ = 12. Chọn Rhc1 =2 kΩà giỏ trị của VR1 là: .Rhc1 1,48(V) Rhc1 VR E 1 = + àVr1=14,2 kΩ
Để dũng vào cửa đảo của khuyếch đại thuật toỏn nhỏ hơn 1mA thỡ ta chọn R sao cho U/R1<1.10−3àR1>12kΩ chọn R1=15kΩ
2.Tớnh toỏn khõu tao điện ỏp răng c a
Sơ đồ nguyờn lý mạch tạo điện ỏp răng ca
Đồ thị điện ỏp răng ca theo thời gian a,Nguyờn lý làm việc của khõu tạo điện ỏp răng ca
Điện ỏp dạng xung vuụng sau khi đợc tao ra ở khõu so sỏnh trớc đú đợc đa vào khõu làm điện ỏp điều khiển của khõu tạo điện ỏp răng ca.Khi Uđk >0 thỡ búng T1
đợc mở thế emiter đợc giữ cố định nhờ diode ổn ỏp Dz,ở đõy ta chọn Uz=3V thỡ
UE,T2=+E-Uz =12-3=9(V).Khi Uđk<0 T1 khoỏ UC,T1=12 do đú T2 cũng bị khoỏ vỡ thế của bazơ cao hơn thế của emiter.Khi T1 mở Uc,T1≈0 phõn ỏp R2 ,R3 sẽ làm cho bazơ của T2 õm hơn emiter ,do vậy T2 mở tụ C1 đợc nạp
Điện ỏp của tụ tăng rất nhanh đến giỏ trị Uc,T2≈Ue,T2 =9V,sau đú khụng thể tăng cao hơn đợc nữa vỡ nh vậy thỡ nh vậy T2 sẽ bị khoỏ lỳc này tụ C1 sẽ phúng điện qua nguồn dũng tạo bởi T3 kết quả tạo đợc sờn sau của điện ỏp trờn tụ cú dạng giảm tuyến tớnh.
Từ tớnh toỏn khõu đồng pha ta cú:
Chu kỡ của điện ỏp lúi la:T=1/f=1/50=20ms tơng ứng với 3600
à Chu kỡ của điện ỏp răng ca là :Trc=T/2=10ms tơng ứng với 1800
Mặt khỏc Trc=tp+tn
Trong đú :tp- thời gian phúng của tụ C1 tn-thời gian nạp của tụ C1
Nh trờn ta đó chọn θ=50tức là tn=100àtp=1800-100=1700
Tơng ứng với thời gian là: tp= x 9,4ms
180 10 170 0 '' 0 = tn= x 0,6ms 180 10 10 0 '' 0 = Chọn giỏ trị của tụ C1=0,47àF
Gọi dũng địờn trong quỏ trỡnh phúng là Ip.Sau khoảng thời gian t=tp=9,2 ms thỡ điện ỏp trờn tụ về giỏ trị 0 vậy ta cú
Ucp= Ipdt C Uco− 0∫,94 0 1 =0 ← →9-1/C.Ip.tp=0 -->Ip=(C.Uco)/tp=(0,47.10−6.9)/9,4.10−3 Ip=0,45 mA
-->Vr2+R6= (UVR2+R6)/Ip = (E-UBE,T3)/Ip =(12- 0,6)/0,45.10−3
Vr2+R6=25333Ω =25,333 kΩ
Chọn R6=15 kΩ là điện trở cố định cũn Vr2=10,333kΩ là biến trở điều chỉnh đợc
Gọi dũng điện trong quỏ trỡnh nạp là In.Sau khoảng thời gian t=tn=0,6 ms thỡ điện ỏp trờn tụ đợc nạp từ 0 đến 9V.Vởy ta cú:
Ucn= Indt Uco C0∫,6 + 0 1 =9 ← → 1/C.In.tn =9 --> In=9.C1/tn=(9.0,47.10−6)/0,6.10−3=7,05mA --> R5=UE,T2/In=9/7,05.10−3=1276,5Ω=1,276kΩ
Chọn dũng qua R3,R 4 bằng 2mA là đủ khi cần cung cung dũng cho bazơ của T2
Để đảm bảo khi T1 mở thỡ điện ỏp rơi trờn R4 nhỏ hơn 9V để cho T2 cú thể mở đựoc thỡ ta chọn R4=4kΩ,R3=2kΩ.
Chọn R1=10kΩ
3.Khõu so sỏnh
Nguyên lý hoạt động của khâu so sánh :
So sánh điện áp điều khiển với điện áp răng ca để tạo ra điện áp ở cửa ra có dạng chuỗi các xung vuông liên tiếp.
Điện áp răng ca đa vào cửa đảo của OA,còn điện áp điều khiển đa vào cửa cộng của OA.Để đảm bảo cho dòng điện đi vào các cửa của OA nhỏ hơn 1mA ta chọn
R7=R8=10kΩ
Sơ đồ nguyên lý khâu phát xung chùm
• Chức năng của khõu phỏt xung chựm :
Phỏt ra xung cú tần số cao để trộn với xung ra ở khõu so sỏnh trớc khi cho vào biến ỏp xung .
• Nguyờn tắc hoạt động của khõu phỏt xung chựm là:
Giả sử tại thời điểm ta xột tụ C đợc nạp đầy tức là UN>UP điện ỏp lỳc này ở đầu ra của OA sẽ là điện ỏp õm sau một thời gian khi điện ỏp ra qua R9 về tụ hết phúng điện(đợc nạp theo chiều ngợc lai )UN<0. Khi đú UP >0 và điện ỏp đầu ra thay đổi thành điờn ỏp dơng. Nh vậy do đặc tớnh phúng nạp của tụ C3 tạo trờn OA một điện ỏp ra dạng xung vuụng liờn tiếp, tớn hiệu ra nhỏ do đú đợc khuếch đại qua transistoT4 qua xung điốt D13 chỉ là chựm xung giữ lại phần õm.
+ Tớnh chọn phỏt xung : T = 2, 2 . R9. C2 Chọn R10 = R11 . Chọn tần số phỏt xung chựm f = 5kHz. T = 1/ 5. 10-3 = 0, 2 . 10-3 = 2. 10-4(s) Chọn C2 = 0, 02àF = 0, 02. 10-6F. ) Ω 4545( 0 2,2.0,02.1 2.10 R 6 4 9 = − − = Chọn R9 = 4, 5kΩ. Chọn R10 = R11 = 5kΩ.
Điện ỏp giữa colectơ và bagơ khi hở mạch emitơ UCbo = 25V. Điện ỏp giữa emito và bazơ khi hở mạch colectơ UBeo = 7V. Dũng điện qua Colectơ I=100mA.
Nhiệt độ T0 = 1500C. Hệ số khuyếch đại β = 250. 0,4(A) 250 100 β I I C β = = = Chọn R12 = - E/IR12 = 12/0, 1 = 120(Ω)
5.Tớnh toỏn mỏy biến ỏp xung
Sơ đồ nguyờn lý mỏy biến ỏp xung
• Đặc điểm và ứng dụng của biến ỏp xung - BAX dễ truyền tớn hiệu điều khiển
- Tạo ra đợc biờn độ xung theo yờu cầu
- Cỏch ly về điện giữa mạch lực và mạch điều khiển - Dễ thay đổi cực tớnh xung ra
- Việc tớnh toỏn mạch điều khiển thờng đợc tiến hành từ tầng điều khiển ngợc trở lờn .
- Mạch điều khiển đợc tớnh xuất phỏt từ yờu cầu về xung mở Tiristor . Cỏc thụng số cơ bản trong mạch điều khiển :
+ Điện ỏp điều khiển Tiristor Uđk = 8 (V) + Dũng điện điều khiển Tiristor Iđk = 0,4 (A) + Thời gian mở Tiristor tm = 80 às
+ Độ rộng xung điều khiển tx = 600 às + Tần số xung điều khiển Ưx = 5 (khz) + Độ mất đối xứng cho phộp ∆α = 40
+ Điện ỏp nguồn nuụi mạch điều khiển En = 24V
+ Mức sụt biờn độ xung Sx = 0, 15
- Tớnh biến ỏp xung
Chọn vật liệu sắt từ lừi cú dạng hỡnh ,chọn tỷ số mỏy biến ỏp xung là m=1,2
+Điện ỏp thứ cấp mỏy biến ỏp xung là:U2=8V +Điện ỏp đặt lờn cuộn sơ cấp mỏy :
U1= mU2=1,2x8=9,6V + Dũng điện sơ cấp biến ỏp xung
I1 =
m I2
= 10,,24 = 0,33 (A) +Cụng suất của biến ỏp xung :
S=U1.I1=9,6x0,33=3,168(VA)
Tra bảng số liệu mỏy biến ỏp cụng suất nhỏ ta chọn đợc mỏy biến ỏp chuẩn cú cụng suất 5VA
Với cỏc thụng số kỹ thuật sau:
+a=12 mm ; h=30mm ; c=12mm ; L=48mm ; H=42mm ; B=10mm +Tiết diện trụ giữa S=0,92cm2
+Chiều dài trung bỡnh đờng sức:l=10,03cm +Tớch số diện tớch Sxdiện tớch cửa sổ:4,3cm4
+Thể tớch thộp từ:9,22cm3
Chọn vật liệu sắt từ mật độ từ cảm B=1T Số vũng cuộn sơ cấp biến ỏp xung :
W1= 470 . . . 44 , 4 . 1 = Q B f U (vũng)
Số vũng cuộn thứ cấp mỏy biến ỏp xung: W2=470/1,2=392(vũng)
Chọn mật độ dũng điện chạy trong cỏc dõy dẫn là J=2A/mm2 ,khi đú: +Tiết diện dõy quấn sơ cấp:
Q1= = = 2 33 , 0 1 J I 0,165mm2
Tra bảng chọn dõy chuẩn cú tiết diện Q1=0,1794mm2 tơng ứng với d- ờng kớnh dõy d1=0,47mm
+Tiết diện dõy quấn thứ cấp : Q2= 2 0,2 2 2 4 , 0 mm J I = =
Tớnh khõu khuếch đại xung
• Tớnh toỏn tầng khuyếch đại tr ớc khi đ a vào biến ỏp xung:
Chọn Tranzito cụng suất T7 loại KYG11 Tranzito loại npn vật liệu bỏn dẫn là Si .
Điện ỏp giữa colecto và bazơ khi hở mạch Emitơ UCB0 =35 (V) . Dũng điện lớn nhất mà colecto cú thể chịu đựng Imax = 3 (A) . Hệ số KĐ β = 30
Chọn chế độ làm việc của Transistor với β=10 Dũng điện làm việc của colecto Ic3 = I1= 33, 3 (mA) Dũng điện làm việc của bazơ Ib = 3,33
10 3 , 33 = = βc I (mA)
Giỏ trị của điện trở R16 cần mắc vào mạch để đảm bảo dũng điện qua Collector của T7 cú giỏ trị là 33,3mA là:
R16= − = − −3 = 10 . 3 , 33 6 , 9 24 6 , 9 Ic En 432 (Ω)
Đồng thời dũng Ic6 cũng chớnh là dũng IEC của T5.Chọn T5 loại C828 với cỏc thụng số kỹ thuật
+Điện ỏp giữa colecto và bazơ khi hở mạch Emitơ UCB0 =35 (V) . +Dũng điện lớn nhất mà colecto cú thể chịu đựng Imax = 300 (mA) . +Hệ số KĐ β = 30
Chọn chế độ làm việc của Transistor với β=10 Dũng điện làm việc Bazơ là:
IB =βIEC+1 = = 11 3 , 33 3,03(mA)
Tất cả cỏc Diode trong mạch điều khiển đều dựng loại 1001 cú tham số .
Dũng điện định mức Iđm = 1 (A) Điện ỏp ngợc lớn nhất Un = 220 (V)
Sơ đồ nguyờn lý khối nguồn nuụi
• Chức năng của khối nguồn :
+Cung cấp nguồn cho khõu đồng pha
+Cung cấp nguồn ổn ỏp cho cỏc IC , bộ tạo xung răng,điện ỏp lấy ra để làm điện ỏp so sỏnh
+Cung cấp nguồn cụng suất cho biến ỏp xung hoạt động
Cụng suất cấp cho cỏc khối là rất nhỏ ,thụng thờng ta chọn thụng số của cỏc biến ỏp của cỏc khối nh sau:
Khõu ổn ỏp:U2_1=17V;I2_1=0,5A
-->Cụng suất của khõu ổn ỏp là:S2_1= 3U2_1.I2_1= 3.17.0,5=14,7(VA) Khõu nguồn cụng suất :U2_2=10V;I2_2=1A
-->Cụng suất của nguồn ổn ỏp là:S2_2= 3U2_2.I2_2= 3.10.1=17,32(VA) Khõu đồng pha:U2_3=12V;I2_3=0,1A
-->Cụng suất của nguồn đồng pha là:S2_3=3U2_3.I2_3=3.12.0,1=3,6(VA)