3.3.1. Khâu đồng bộ
Hình 3-7: Mạch tạo xung đồng bộ bằng biến áp điểm giữa kết hợp chỉnh lưu và dạng điện áp ra
- Nguyên lý hoạt động:
+ Điện áp xoay chiều 220V được đưa vào cuộn sơ cấp máy biến áp đồng pha có điểm trung tính qua mạch chỉnh lưu hai nửa chu kỳ. Sụt áp trên điện trở R2, R11 (U2) chính là điện áp cấp vào cổng đảo của khuếch đại thuật toán (OA).
Nửa chu kỳ đầu UBA2 > 0 và UBA2’ < 0 => Diode dẫn.
+ Điện áp U2 được đưa vào cổng đảo so sánh với điện áp U0 đưa vào cực đảo của khuếch đại thuật toán.
Nếu U2 < UP thì U3 = +Ubh (V)
Nếu U2 > UP thì U3 = -Ubh (V)
+ Điện áp ra U3 là xung đồng bộ có dạng xung chữ nhật.
+ Điều chỉnh Rp để thay đổi điện áp Ung đưa vào cực không đảo từ đó thay đổi độ rộng xung dương của xung đồng bộ. Ta điều chỉnh biến trở Rp để độ rộng xung dương là nhỏ nhất.
- Tính toán thông số các linh kiện trong mạch
21
+ Tính toán thông số các linh kiện trong mạch:
Nhóm chỉnh lưu cầu 1 pha với Diode D có điện áp đồng pha với giá trị hiệu dụng 8V, nên điện áp ngược lớn nhất đặt trên van là:
Ung max=2 √2 Udp=2.1,414=2,83 V . Chọn diode D theo phụ lục loại 1N4007 với tham số: Itb = 1A; Ung max = 1000V
Mạch so sánh tạo xung đồng bộ. Chọn OA loại TL081 Chọn điện trở R2 = 15kΩ, R11 = 15kΩ
Chọn dòng qua phân áp (P3 + R12) là 1mA. Vậy tổng trở của cả bộ phân áp: R ∑ = E i = 1.15 10−3 =15 k Ω
Từ đây chọn phân áp gồm điện trở R12 = 12kΩ và biến trở P3 = 2kΩ.
3.3.2. Khâu tạo điện áp tựa
Hình 3-8: Sơ đồ mạch tạo điên áp răng cưa dùng OA
- Nguyên lý hoạt động:
+Khi Uđb = Ubh làm transistor T1 loại ngược dẫn, nối ngắn mạch tụ C nên điện táp trên tụ cũng chính là điện áp đầu ra OA bằng không. Như vậy T1 làm nhiệm vụ phóng điện cho tụ C.
+ Điện áp ra bằng điện áp tụ C và bằng:
22
Urc =UC=
+ Khi điện áp Uđb = -Ubh sẽ làm transistor khóa. Lúc này tụ C được nạp nhờ chính điện áp ra của OA mà không trực tiếp từ nguồn E làm cho điện áp trên tụ có dấu với quy luật:
Uc (t)=
U c(tn)=U RC max= CU.bhR4tn
Để xác định giá trị R4, R13 ta chọn trị số tụ C rồi theo đó tính R3 theo công thức:
R3= Ubh tx
R . Cmax
Như vậy điện áp trên tụ C tăng trưởng tuyến tính tạo nên sường lên của xung răng cưa. Ta điều chỉnh biến trở R4 để thay đổi điện áp ngưỡng từ đó thay đổi độ dốc sườn lên của xung răng cưa. Transistor có tác dụng không cho dòng điện chạy về phía URC.
+Khi Ubh > 0, transistor mở điện áp từ cực dương của tụ (U4) xả nhanh về cực âm tạo nên độ dốc thẳng đứng của sường xuống.
- Tính chọn các linh kiện trong mạch
+URC max = 10,5V
+Chọn tụ C = 220 nF
+Tính R4, với thời gian tạo răng của tn = 9,4 ms, ta có:
R4 ¿R13=
Vậy chọn một điện trở R4 = R13 = 57kΩ.
+ Chọn transistor ngược loại C1815 cho sơ đồ mạch tạo xung răng cưa.
23
+ Điện trở R5 cần đảm bảo mở bão hòa bóng trong thời gian ngắn cho tụ C xả hết năng lượng, thời gian này bằng T2 −tRC =10−9,4=0,6
ms, nên có thể chọn đơn giản R5≈R4, chọn R5 = 47kΩ, R14≈R13,
chọn R14 = 47kΩ
3.3.3. Khâu so sánh
Hình 3-9: Sơ đồ nguyên lý khâu so sánh dùng OA
Do Uđk dùng trong mạch điều khiển không âm nên ta chọn mạch so sánh sử dụng khuếch đại thuật toán làm khâu so sánh với điện áp răng cưa được đưa vào đầu không đảo và điện áp điểu khiển đưa vào đầu vào đảo.
- Nguyên lý hoạt động:
+Điện áp răng cưa URC được đưa vào cửa không đảo của khuếch đại thuật toán, còn điện áp điều khiển Uđk được đưa vào cửa đảo. Khi đó điện áp ra là:
U ra=k0 (U RC−Uđk)
+Khi Uđk < U4 thì điện áp ra là dương bão hòaU ss=Ura=+Ubh
+Khi Uđk > U4 thì điện áp ra là âm bão hòaU ss=−Ubh do đó có diode D2 nên lúc này Uss = 0V
- Tính chọn các linh kiện trong mạch:
24
Mạch điều khiển sử dụng dụng 6 khuếch đại thuật toán nên chọn IC TL081 là một vi mạch tishc hợp một khuếch địa thuật toán trong một vỏ với các thông số sau:
+Điện áp nguồn cấp: Vcc = ±18V
Tuy nhiên trong mạch điều khiển sử dụng nguồn cấp cho TL081 là Vcc= ±12V
+Dòng điện nguồn cấp: I = 2,5mA
+Điện áp tiến hiệu vào: UI = ±12V, Ubh = ±10,5V +Chọn R6 = R15 = 220kΩ, chọn R7 = R17 = 220 kΩ +Nhiệt độ làm việc: -40℃ đến 85℃
+Công suất: 680mW
1 - Offset N1 2 - đầu vào đảo
3 - đầu vào không đảo 4 - –Vcc
Hình 3-10: Sơ đồ chân IC TL081
25
3.3.4. Khâu tạo xung đơn
Hình 3-11: Khâu tạo xung đơn
- Điện áp trên tụ:
uc (t)=Ubh .(1−2. e¿¿ −
xτ );¿ vớiτ =R.C
- Điện áp đầu ra mạch vi phân chính là điện áp trên điện trở R10:
u10=u9−uc=U bh−Ubh . (1−2.e
Do vậy dòng điện có quy luật:
i(t¿¿x )=
Như vậy điện áp suy giảm theo hàm mũ với hằng số thời gian τ , do đó sau thời gian khoảng 3τ thì có thể cho rằng điện áp ra về không. Vậy độ rộng xung đươn ra theo phương pháp này làtx=3 τ
- Tính chọn linh kiện trong mạch:
+Chọn trị số dòng đỉnh không qua 8mA, coi UBE = 0,7 và Ubh=10,5V. Vậy:
R8 ≥ 2 Ubh−U BE
I max
26
Coi độ rộng xung hiệu quả là khoảng thời gian dòng điện giảm đến trị số 1mA ta có: 2U −U −t i(t¿¿x )= bh BEe τ =1 m¿A, vớiτ =R8C=R18C R8 Rút ra: C= tx R8 ln ¿¿ Chọn C2 = C4 = 22nF
3.3.5. Khâu khuếch đại xung
Hình 3-12: Khâu khếch đại xung một nửa chu kỳ sử dụng biến áp xung
- Sơ đồ nối darlingron 2 transistor T3, T4 có nhiệm vụ khuếch đại xung điều khiển nhằm đáp ứng đủ yêu cầu về công suất xung điều khiển kích mở Thyristor.
- Biến áp xung có nhiệm vụ cách ly mạch điều khiển và mạch lực về điện, đả bảo an toàn cho các linh kiện điện tử.
27
- Diode D3 có nhiệm vụ khép mạch hai đầu sơ cấp BAX tiêu tán dòng điện khi T3, T4 khóa từ đó bảo vệ cuộn sơ cấp BAX.
- Ug điện áp đặt vào 2 cực G-K của Thyristor
- Tính chọn các linh kiện trong mạch:
Mạch điều khiển được tính xuất phát từ yêu cầu về xung mở Thyristor. Các thông số cơ bản để tính mạch điều khiển:
+ Điện áp điều khiển Thyristor: Uđk = 5V
+ Dòng điện điều khiển: Iđk = 180mA
+ Điện áp nguồn cấp cho mạch điều khiển: ±12V - Tính biến áp xung:
+ Chọn vật liệu làm lõi là sắt ferit. Lõi có hình trụ làm việc trên một phần của đặc tính từ hóa có:
Độ biến thiên cường độ từ trường:∆ B = 0,3T
Độn biên thiên mật độ từ cảm:∆H = 30H/m
+ Tỷ số biến áp xung: kBA = 2÷3 nên chọn kBA = 2
+ Điện áp cuộng thứ cấp máy biến áp xung: U2 = Uđk = 5V
+ Điện áp đặt lên cuộn sơ cấp máy biến áp xung: U1 = kBA.U2 = 5.2 = 10V
+ Dòng điện thứ cấp biến áp xung: I2 = Iđk = 0,18A
+ Dòng điện sơ cấp biến áp xung:I 1= I2
= 0,18
=0,06 A
kBA 3
+Độ từ thẩm trung bình tương đối của lõi sắt:
μ = tb Trong đóμ0 = 1,25.10−6H/m +Thể tích lõi thép: V =Q. l= μtb . μ 0 . t x . S x .U 1 . I 1 ∆ B2 ¿ 8.103 .1,25 .10−6 .0,15 .167 . 10 −6 .10.0 .06 0,32 download by : skknchat@gmail.com
28
¿ 1.67 .10−6m3
Trong đó:
Sx: Độ sụt áp cho phép, thông thường Sx = (0,1÷0,2) nên chọn Sx = 0,15
tx: độ rộng của một xung, khi coi như Thyristor là lý tưởng thì ta chọn tx = tph = 0,167ms
Dựa vào bảng tra cứu ta lựa chọn được mạch từ có thể tích V = 1,93(cm3) và có kích thước cụ thể như sau:
Diện tích lõi từ Q = 0,395cm2
Diện tích cửa sổ: 0,581 cm2
+Số vòng dây quấn swo cấp biến áp xung tích theo định luật cảm ứng điện từ: Chọn w1 = 141 vòng +Số vòng dây cuộn thứ cấp: w2= w m1 = 141 2 =70,5 vòng Chọn w2 = 71 vòng
+Tiết diện dây quấn sơ cấp:
S
1
Trong đó chọn mật độ dòng điện là J1 = 6A/mm2 +Đường kính dây quấn sơ cấp:
d 1=√4 S 1 =√4.0,01
=0,013 mm
π π
29
S2= I2 = 0,018 =0,045 mm2
J2 4
Trong đó chọn mật độ dòng điện là J2 = 4A/mm2
+Đường kính dây quấn thứ cấp:
d2=√ 4 S 2 =√4.0,045
=0,057 mm
π π
Chọn dây dẫn có đường kính d2 = 0,057mm - Tính tầng khuếch đại Transistor:
Chọn Transistor T3 là loại Transistor C1815 có các thông số như sau:
- Transistor loại NPN, vật liêu: Si
- Điện áp giữa colector và bazo khi hở mạch emitor: UCBO = 60V
- Điện áp giữa emitor và bazo khi hở mạch colector: UEBO = 5V
- Dòng điện lớn nhất ở colector: IC max = 150mA
- Công suất tiêu tán ở colector: Pc = 400mW
- Nhiệt độ lớn nhất ở mặt tiếp giáp T1 = 125℃
- Hệ số khuếch đại:β = 100
- Dòng làm việc của bazo: IB = 50mA
Chọn Transistor T4 là loại transistor H1061 có các thông số như sau:
- Transistor loại NPN, vật liêu: Si
- Điện áp giữa colector và bazo khi hở mạch emitor: UCBO = 100V
- Điện áp giữa emitor và bazo khi hở mạch colector: UEBO = 5V
- Dòng điện lớn nhất ở colector: IC max = 8A
- Công suất tiêu tán ở colector: Pc = 40W
- Nhiệt độ lớn nhất ở mặt tiếp giáp T1 = 150℃
- Hệ số khuếch đại:β = 100
- Dòng làm việc của bazo: IB = 150mA
+Nguồn cấp cho biến áp xung E = +12V
30
+Tất cả các diode trong mạch điều khiển đều dùng loại 1N4007 có tham số:
Dòng điện định mức: Iđm = 1A
Điện áp ngược lớn nhất: Ung max = 1000V
Điện áp cho diode mở thông: 0,7V
3.3.6. Tính toán biến áp đồng pha
- Điện áp thứ cấp máy biến áp đồng pha U12 = U23 = 6V
- Dòng điện thứ cấp máy biến áp đồng pha I2 = 1mA
- Công suất biến áp đồng pha
Pđph=U13. I=12.1 .10−3 =0,012W
- Công suất của máy biến áp có kể đến 5% tổn thất trong máy
S=1,05( Px+ Pđph+Pn )=1,05 (0,054+0,012+2,04 )
→S=2,68 VA
- Dòng điện sơ cấp máy biến áp
I1=US1 = 2,68
220 =0,0122 A
- Tiết diện trụ của máy biến áp:
QT =kQ √mfS =6. √2,68
1.50 =1,38 cm3
KQ: hệ số phụ thuộc phương thức làm mát (kQ = 6 máy biến áp khô)
m: số trụ của máy biến áp (ba pha có m = 3, một pha có m = 1)
f: tần số nguồn điện xoay chiều f = 50Hz chuẩn hóa tiết diện trụ QT = 1,75cm2
31
Hình 3-13: Lõi thép biến áp đồng pha
a = 12mm b = 16mm c = 12mm h = 30mm C = 48mm H = 42mm
- Số vòng dây cuộn sơ cấp
w1=
- Tiết diện dây quấn sơ cấp
S1=
Chọn J1 = J2 = 2,75A/mm2 - Đường kính dây quấn sơ cấp
d 1=√4 S 1 =√4.0,0044
=0,074 mm
π π
Chuẩn hóa đường kính d1 = 0,1mm để đảm bảo độ bền cơ. Đường kính kể cả cách điện: d1cđ = 0,12mm - Số vòng dây cuộn thứ cấp w 2=w1 U2 =4195. 12 =228 vòng U1220
- Tiết diện dây quấn thứ cấp
S =
- Đường kính dây quấn sơ cấp
d 2=√ 4 S 2 =√4.0,081
=0,32 mm
π π
32
Đường kính kể cả cách điện: d2cđ = 0,38mm
3.4. Nguồn cấp mạch điều khiển
- Sơ đồ khối nguồn cấp cho mạch điều khiển được thể hiện trên hình và sơ đồ nguyên lý nguồn cấp cho mạch điều khiển thể hiện trên hình
+Điện áp cấp: ±12V
+Dòng cấp: thay đổi theo tải (I<1A)
U2
BA
U1
Hình 3-14: Sơ đồ khối mạch nguồn một chiều
Hình 3-15: Sơ đồ nguyên lý mạch nguồn đối xứng ±12V
- Dùng mạch chỉnh lưu hình tia hai nửa chu kỳ, điện áp thứ cấp máy biến áp nguồn cấp chọn U2 = 18V
+2 IC ổn áp 7812 và 7912 để ổn định điện áp ra của nguồn cấp ở mức ±12V
Điện áp đầu vào: UV = 18V
Điện áp đầu ra: IC7812: Ura = 12V
33
IC 7912: Ura = -12V +Dòng điện đầu ra: Ira = 0 ÷ 1A
+Cầu chỉnh lưu dùng 4 diode D1, D2, D3, D4 loại 1N4007 mắc hình cầu với các thông số: Iđm = 1A, Ung max = 1000V
+Tụ C3, C4: lọc thành phần sóng dài bậc cao:
Chọn C3, C4 là tụ gốm 104 có giá trị C = 0,1 µF +Tụ C1, C2: lọc điện ấp sau chỉnh lưu
Chọn C1, C2 là tụ hóa có giá trị C = 2200 µF; U = 50V
3.5. Tính toán máy biến áp nguồn nuôi
- Điện áp thứ cấp máy biến áp nguồn nuôi U12 = U23 = 18V
- Dòng điện thứ cấp máy biến áp nguồn nuôi I = 500mA
- Công suất biến áp nguồn nuôi
Pđph=U13. I=36.0,5=18 W
- Công suất của máy biến áp có kể đến 5% tổn thất trong máy
S=1,05(Px+ Pđph+Pn )=1,05 (0,054+18+2,04 ) ¿ 21,1 VA
- Dòng điện sơ cấp máy biến áp
I1=US1 = 21,1
220 =0,0959 A
- Tiết diện trụ của máy biến áp:
QT =kQ √mfS =6. √21,1
1.50 =1,38 cm3
KQ: hệ số phụ thuộc phương thức làm mát (kQ = 6 máy biến áp khô)
m: số trụ của máy biến áp (ba pha có m = 3, một pha có m = 1)
f: tần số nguồn điện xoay chiều f = 50Hz Chuẩn hóa tiết diện trụ QT = 3,87cm2
34
Từ các hệ số phụ: m, n, l (m = h/a; n = c/a; l = b/a với h là chiều cao, c là chiều rộng cửa sổ), ta chọn hệ số tối ưu:m = 2,5;n = 0,5; l = 1,25 kết hợp với QFe = a.b = 3,879cm2 ta tính được a = 1,41cm; b = 1,766cm
H h
b
Hình 3-16:C
Cấu tạo mạch từ
- Quy chuẩn theo kích thước chế tạo sẵn ta có {
- Số vòng dây cuộn sơ cấp
w1=
- Tiết diện dây quấn sơ cấp
Chọn J1 = J2 = 2,75A/mm2 - Đường kính dây quấn sơ cấp
d 1=√4 S 1 =√4.0,035 =0,21 mm π π Đường kính kể cả cách điện: d1cđ = 0,25mm - Số vòng dây cuộn thứ cấp w 2=w1 U2 =1468. 24 =160 vòng U1220
- Tiết diện dây quấn thứ cấp
S
2
35 d 2=√4 S2 =√4.0,32 =0,61 mm π π Đường kính kể cả cách điện: d2cđ = 0,65mm download by : skknchat@gmail.com
36
CHƯƠNG 4: CÁC BƯỚC VẠN HÀNH MẠCH
Sơ đồ nguyên lý mạch trên hình
37
Hình 4-17: Sơ đồ mạch chỉnh lưu cầu một pha không đối xứng
38
39
Vận hành mạch
- Trước khi đóng Aptomat tiến hành vặn chiết áp P3 về giá trị nhỏ nhất tương ứng với góc mở ban đầu α = 00
- Quan sát các đồng hồ Vôn mét và Ampe mét và hiệu chỉnh kim đồng