Nguyên tắc điều khiển

ơng IV Thiết kế và tính toán mạch điều khiển

3. Nguyên tắc điều khiển

Trong thực tế ngời ta thờng dùng 2 nguyên tắc điều khiển: thẳng đứng tuyến tính và thẳng đứng “arccos” để thực hiện việc điều chỉnh vị trí xung trong nửa chu kỳ dơng của điện áp đặt trên Tiristor

a. Nguyên tắc điều khiển thẳng đứng tuyến tính

Theo nguyên tắc này, ngời ta thờng dùng 2 điện áp:

- Điện áp điều khiển Uđk là điện áp 1 chiều có thể điều chỉnh đợc biên

độ

- Điện áp đồng bộ Urc có dạng răng ca,đồng bộ với điện áp Anod-Catod Tổng đại số của Urc + Uđk đa đến đầu vào của một khâu so sánh. Bằng cách làm biến đổi Uđk ta có thể điều chỉnh đợc thời điểm xuất hiện xung ra tức là

điều chỉnh đợc góc .

Khi U®k = 0 ta cã  = 0.

Khi U®k < 0 ta cã  > 0.

Quan hệ giữa  và Uđk nh sau:

max .

.

rc dk

U

 U

 

b. Nguyên tắc điều khiển thẳng đứng “arccos”

20 UAK

  

Urc

U®mk­+­Urc

t 0 t

0

U®mk

UAK U®mk

Ur

U®mk

t

 0

Urc

Theo nguyên tắc này cũng có 2 điện áp:

- Điện áp đồng bộ Urc vợt trớc điện áp Anod-Catod Tiristor một góc bằng /2 ( Nếu UAK = Asinwt thì Ur = Bcoswt)

- Điện áp điều khiển Uđk là điện áp 1 chiều có thể điều chỉnh đợc theo 2 híng

Trên hình vẽ đờng nét đứt là điện áp anốt – catốt tiristor, từ điện áp này ngời ta tạo ra Urc . Tổng đại số Urc + Uđk đợc đa đến đầu vào của khâu so sánh .

Khi Urc + Uđk = 0 ta nhận đợc một xung ở đầu ra của khâu so sánh : U®k + B.cos = 0

Do đó  = arccos(-Uđk/B) Thêng lÊy B = U®k max

Khi U®k = 0 th×  =/2 Khi U®k = - U®k max th× = 0

Nh vậy khi cho Uđk biến thiên từ - Uđk max đến + Uđkmax thì  biến thiên từ 0 đến .

Nguyên tắc này đợc sử dụng trong các thiết bị chỉnh lu đòi hỏi chất lợng cao.

Nhận xét: Theo yêu cầu thiết kế mạch điều khiển ta thấy nguyên tắc

điều khiển thẳng đứng tuyến tính là phù hợp, ta chọn nguyên tắc điều khiển này.

4.Giới thiệu các khâu a)Khuyếch đại thuật toán

21

V- E+ +

-

S E-

V

p p

M

+

2

V-

V

d +

M V

+

1 +

U

+

E -

1

O A

E

V1

Ud Vsat

Vsat

Chế độ làm việc

 Chế độ tuyến tính

V2 = A.ud; A = 104105 là hệ số khuếch đại điện áp.

Để thực hiện chế độ này phải có

 ud 

A Vsat

 Chế độ bão hoà:

 ud >

A Vsat

; V2 = Vsat

 ud <

A Vsat

; V2 = -Vsat

ứng dụng:

OA đợc sử dụng rộng rãi trong kỹ thuật điều khiển tự động: tạo hàm số, tạo các bộ điều chỉnh P, PI, PID, tạo các đa hài, các trigơ, các khâu so sánh, v.v..

b)Khâu tạo xung đồng bộ

U1: điện áp nguồn xoay chiều Uđb: điện áp xung đồng bộ

PT: transistor quang, phototransistor

Trong nửa chu kỳ dơng của điện áp nguồn:

22 U1

U®mb E





1 R

R

T

1

D 0

+E

D 1 R

3

®mb U

0 i

~

c 1

U 2

PT i

1 1

1 R

i U ,

2

2 R

i E , U®b = 0

Trong nửa chu kỳ âm, điôt D1 dẫn dòng, D0 bị khoá, Uđb = E Sơ đồ này cho phép loại bỏ máy biến áp đồng bộ

a) Khuyếch đại và biến áp xung

d)Khâu tạo điện áp răng ca đồng bộ

Uđb- xung đồng bộ điểm không của điện áp nguồn xoay chiều Urc- điện áp răng ca đồng bộ

Urc = E.( 1- e-t/RC ) e- Khâu phát xung ” sinus chữ nhật”

23 U®mb

Urc

t

t Urc

T2 T1 Ue

t

e

T h

U

B A X

D

g

T C

2

r

R

L 1 + E

R

1 D R

C +E

R

U®mb

0A

-E +E

+ R1

R2

R C UC

Ur

U2

Trong sơ đồ này OA thực hiện so sánh hai tính hiệu UC và Ur =

B.Tính toán mạch điều khiển

1)Biến áp xung và khuyếch đại xung a) Khuyếch đại xung

 Với T chọn là loại TL 500-10 với các thông số : Ug=8(V)

Ig=400(mA)

 Biến áp xung chọn là loại có tỷ số biến đổi :

2 1

U U =1

Điện áp thứ cấp của máy biến áp xung U2 = Ug + 0,6 = 8,6 (V)

Điện áp sơ cấp :

U1=mU2=1.8,6=8,6(V) I1=

1 Ig

=0,04(A)

(Dòng I1 chính là dòng đi vào cực C của T3)

 Điện áp rơi trên điện trở R10: UR=E2-U1=15,4(V)

24 R10

R11

R12

BAX

T1

T2 D

D

D

T +24­V

kV t

sat

Vsat

UC

-Vsat

T1 T

2

-kVsat

 Giá trị điện trở R10 cần chọn : R10=

400 4 , 15

1

I  UR

.103=56,22() (Chọn R10=60 )

 Căn cứ vào dòng colectơ ta chọn bóng T3 loại KI-6U với các thông số kỹ thuật sau:

IC E2 =3A UCE2 =60V

 =100

 Dòng điện badơ củaT3 là dòng qua đèn T2: IB1(T1)=

30 1 , 297 )

( 3

  T IC

=9,72(mA)

 Dòng vào cực badơ của T2 là dòng ra của bộ so sánh . Dòng này có trị số thờng nhỏ

 Chọn Tranzito T2là loại C828 có các thông số kỹ thuật sau:

UEC =40v Ic = 0,3A

 =100

 Dòng điện vào cực badơ của T2là : IB(T2)=

10 40 ) 2

( 

 T IB

=4(mA)

Nh vậy hệ số khuếch đại của mạch là :=10.10=100 lần

 R11: điện trở tạo thiên áp cho T3 đảm bảo tạo ra một điện áp khoảng 0,65V mở bão hoà T3. Chọn R11=1K

 Chọn các điôt D6,D8, D7 là loại D1011

 R8 : điện trở hạn chế dòng vào cực badơ T2.Chọn R8=1K b)Tính biến áp xung

Biến áp xung để truyền tín hiệu điều khiển có các đặc điểm sau:

 Tạo đợc biên độ xung ra theo yêu cầu

 Dễ thay đổi cực tính của xung ra

 Cách ly về điện giữa mạch điều khiển và mạch lực

*Chọn tỷ số biến áp xung n=1,2

*Chọn vật liệu sắt từ 330 ,lõi sắt từ có dạng hình chữ E làm việc rrên một phần của đặc tính từ hoá .

B=0,7Tesla

H=50A/m -Từ thẩm lõi sắt từ :

= 10 .50 7 , 0

6

 

 H B

o =1,4.104

-Vì mạch từ có khe hở nên phải tính từ thẩm trung bình .Sơ bộ ta chọn chiều dài trung bình của đờng sức từ l=0,1m , khe hở lkh=10-

5m.

tb=

4 5

10 . 4 , 1

1 , 10 0

1 , 0





 

 l l

l

kh =5,8.103

25

-Thể tích lõi sắt từ:

V=Q.l= . . .2 . . 2

B I U s tx

o tb







Tx: độ rộng xung ,chọn tx=600s S: Mức độ sụt biên độ xung,S=0,15

I2':dòng điện thứ cấp quy đổi sang sơ cấp ,I2'=01,,352 =0,3A

V= 2

4 7

3

) 7 . 0 (

3 , 0 . 12 , 9 . 15 , 0 ).

10 . 6 ).(

10 .(

4 ( 10 . 8 , 5

(   

=6,18 cm3

Chọn loại BAX có thể tích V=9,22 cm2 có các thông số : Q=0,92 cm2

l=10,03 cm a=1,2 cm c= 1,2 cm C=4,8 cm H=4,2 cm B=1 cm -Số vòng cuộn sơ cấp BAX:

W1=

76 , 0 ).

10 . 92 , 0 .(

7 , 0

) 10 . 6 .(

12 , 9 .

. .

4 4





BQK  t U x

=112 vòng -Số vòng cuộn dây thứ cấp BAX:

W2= 

12 , 9

112 .

7 86 vòng

2)Tính toán khối đồng pha

26 UA

UB



 Uref

w2-1

A

B D1

D2 R1 a

a’ +E

R4 VR1 A1

-E +E

R3 R2

Điện áp sau khi từ đầu ra a, a’ của biến áp đồng pha qua điôt D1,D2 ta đợc dạng điện áp tại A nh hình vẽ, điện áp tại A sau khi so sánh với một điện áp chuẩn lấy trên R2 ta đợc dạng ra ở B là các xung chữ nhật

Chọn E+ = 12.

.sin 2 U

Uref A.max 1





víi UAmax = 12V

chọn 1 = 400 -> Uref = 12 2.sin

2

1 = 12 2.sin

2

400 = 5,8(V)

Ta cã :

5,8 R .R

VR 12

5,8(V) R .VR

VR E

4 4 1

1 2 1

1

 



 

->VR1 = 1,08.R4

Để có thể điều chỉnh U ta chọn VR1 là biến trở loại 5K, R4 là điện trở cố

định 5K

Thờng chọn điện trở R2 và R3 sao cho dòng vào khuyếch thuật toán IV<1mA.

Chọn R2 = R3 = U/I =9/10-3 = 9(k) Chọn R2 = R3 = 10k.

3.Khâu tạo điện áp răng c a

27 DZ

D3 C VR2

+E C1

A2

-E +E R5

R6

R7

Nguyên lý hoạt động của khâu tạo điện áp răng c a :

Mạch làm nhiệm vụ tạo điện áp răng ca đa vào cửa đảo của A3. Xung chữ nhật UB đợc đa vào đầu đảo của A2

Khi UB = - UB.max , điôt D3 thông có dòng IC1= UC.max/R6 nạp cho tụ C1 qua R6

Khi UB = UB.max , điôt D3 khoá, tụ C1 phóng điện theo đờng +E -> VR2 -> R5 -> C1 -> A2 về âm nguồn -E

+ Tính chọn khâu răng ca :

Điện áp tựa đợc hình thành do sự nạp của tụ C1 , mặt khác để đảm bảo điện

áp tựa có trong một nửa chu kỳ điện áp lới là tuyến tính thì : + Thời gian tụ nạp

) ( 22 , 2 40 180. . 10 180

1

1 T ms

T    

+Thêi gian tô phãng;

T2 = T - T1 = 40 - 2,22 = 37,78 (ms) Coi dòng qua tụ C1 không đổi

 

3 1

3 3

1 1

1 1

10 . 05 , 4 .

10 . 05 , 10 4

. 22 , 2

9 .

C I

T U C

I

C T U I

C

C C

C C



















chọn C1 = 1F  IC = 4,05.103(A)

 

 



  272

10 . 05 , 4

1 12

3 max

. 6

C B

I R U

chọn R6 = 300()

khi tụ C1 phóng điện qua R5, VR2 ta chọn R5, VR2 sao cho T2 = 37,78(ms)

Ta cã:

) ( 10 . 24 , 10 0

. 78 , 37

10 . 9 10

. 78 , 37

. 9

10 . 78 , 37 C . 9 0

C .

3 3

6 3

1

3 1

C 2 1 C 0

C A I

I I T U U

C C





























Víi UC = UDZ = 9V

28 UB

UC 9­V





2

1

Mặt khác 5  2   3 50.103  10

. 24 , 0

12 12

IC

VR R

Ta chọn R5 = 33K còn VR2 là biến trở loại 10 K

4. Khâu so sánh

Điện áp răng ca đa vào cửa đảo của A3

Điện áp điều khiển đa vào cửa cộng của A3

Nếu Urc>Uđk đầu ra của A3là xung âm Nếu Urc>Udk đầu ra của A3 là xung dơng

Khi đó đầu ra của A3 có chuỗi xung vuông liên tiếp .Phần tử chính của khâu so sánh là A3 loại TL084 do hãng Texas Intruments chế tạo .

Chọn R8 = R9 =15k

5)Kh©u logic AND

 Đầu ra của mạch AND là xung chùm có độ rộng của xung dùng ở mạch so sánh

 chọn AND là vi mạch CMOSTC085 của Nhật có nguồn cấp 15V

29 U®mk

UD

Uc



 A3

-E Urc +E

U®mk

R8

R9 D

6)Khâu phát xung chùm

Khâu phát xung chùm dùng bằng vi mạch 555 ldo hãng Signetíc chế tạo, bao gồm khuếch đại thuật toán OA1, OA2 thực hiện chức năng so sánh, một trigơ, một transistor và điện trở, mỗi cái 5k

Vi mạch 555 gồm 8 chân.

- Chân 1: Nối với cực âm của nguồn nuôi.

- Chân 2: Kích lật trạng thái khi V2 = 23E thì V3 = 0

- Chân 3: Cổng ra V3 (min) = 0,1 (v). V3 max = E - 0,5 (v) ; I3min = OA; I3max = 0,2A.

- Chân 4: Khi V1 = 0 thì V3 = 0 nếu không cần khoá thì 1 nối với 8 - Chân 5: Lọc nhiễu thờng có nối tự 0,01F đầu giữa chân 5 và 1 - Ch©n 6: Ngìng lËt V6= 23E th× V3 = 0.

- Chân 7: Chân phóng điện thờng đấu với trị C của mạch ngoài

- Chân 8: Nối với cực dơng của nguồn nuôi E = 5 đến 18 (v) tiêu thụ dòng

điện 0,7m A/1V nguồn nuôi.

* Hoạt động của sơ đồ:

- Giả thiết Uc =E3 ; S = "0" ; R = "1" ; U3 = "1" ; Z = "0"

T khoá; Tụ C nạp điện; Uctăng theo hàm mũ

30

555

7 6 2

8 4

3 1

R10

R11

C2

+E

Ura

- Khi Uc = 23E ; R = "0" ; Z = "1" ; U3 = "0"  T mở; Tụ C phóng điện qua. R2,5 và T3điện áp trên tụ C giảm dần

- Khi Uc = 2E3 ; S = "0" ; U3 = 1; Z = 0 ; T khoá

Ta cã chu kú ra: T = T1+ T2 = 0,693 (R24 + R25) Nh ở trên ta chọn f = 1,25 kHz  T = 800S T1 = T2  R24 = R25 = 15,6 (k )

7)Khối phản hồi và khối tạo điện áp điều khiển

8.Khối nguồn nuôi

- Mạch điều khiển đợc cung cấp từ 1 máy biến áp nguồn 3 pha có chung lõi sắt với biến áp đồng pha. Trong đó:

+ Cuộn dây W1 là cuộn dây sơ cấp nối với nguồn xoay chiều 3 pha + Cuộn W2 cung cấp năng lợng để phát tín hiệu xung đồng bộ.

W2 có điểm giữa nối đất Uaa' = Ubb' = Ucc' = 12v.

+ Cuộn W3 cung cấp điện cho bộ chỉnh lu 3 pha đầu ra của mạch chỉnh lu đa

đến vị trí vi mạch ổn áp để cuối cùng có điện áp ra =  12V + Cuộn W4 cung cấp cho bộ chỉnh lu tạo điện áp ra E=12V.

31

- +

+E

+E +E

R1 R1

D2

+E

R1 C1

FT

D3

+E

D1

- + R1

R1 -

+

R1

R1

+E

R1 D4

R1 R2

R1

+E

+

w 1

C 7 0

D 2 5

7 9 1 2 B

b

w 2 1

D 3 2

C 2

2 4 A

D 2 6

- 1 2 1 2

D 3 4

-

D 2 2 w 2 2

C 5 b '

7 8 1 2

C 1

C 4 a '

D 3 6 D 2 3

C C 6

D 3 5

c ' 1 2

C 3

w 2 3

L 1

a c

D 2 1

D 3 1

+ 1 2

D 2 4

D 3 3

* Khối ổn áp :

 Vi mạch 7812: -đầu vào U=35V - ®Çu ra U=+12V

 Vi mạch 7912:-đầu vào U=35V -®Çu ra U=-12V Tính biến áp nguồn :

U2-1=17V I2-1=500mA U2-2=10V I2-2=1000mA U2-3=12-0-12V I2-3=100mA Tính công suất :

P2-1=3.U2-1.I2-1=3.17.0,5=25,5W P2-2=3.U2-2.I2-2=3.10.1=30W P2-3=3U2-3.I2-3=3.24.0,1=7,2W Tổng công suất : P=P2-1+P2-2+P2-3=62,7W

32

Chọn máy BA có P=65W

Trên thực tế đối với loại MBA có công suất nhỏ ta có tiết diện lõi sắt : S=1,2 S 1,2 65=9,6cm2

(S-thiết diện lõi sắt.)

Theo sách điện tử công suất Bảng B2-2, chọn lõi thép từ III 32x40.Có các số

liệu kỹ thuật sau: a=32 mm

h=80 mm c=32 mm C=128 mm H=112 mm B=20 mm

*Tính số vòng dây:

_Số vòng vôn:

0 4

10 . . . . 44 , 4

1

 

S B W f

m

Chọn Bm 1,1tesla

76 , 10 3

. 88 , 10 . 1 , 1 . 50 . 44 , 4

1

0  4 

W vòng /V

_Số vòng dây mỗi pha cuộn sơ cấp:

W1=3,76.220=827 vòng/V _Số vòng dây mỗi pha cuộn thứ cấp:

W2-1=3,76.17=64 vòng W2-2=3,17.10=38 vòng W2-3=3,17.24=90 vòng

*Tính thiết diện dây dẫn:

Chọn mật độ dòng điện J=2,5 A/mm2 _Thiết diện dây dẫn sơ cấp:

J d I

. . 4 1

1  

Trong đó: A

U

I P 0,095

380 . 3

7 , 62 .

1  3  

mm

d 0,22

1 , 1 .

095 , 0 . 4

1 

 

_Thiết diện dây dẫn thứ cấp:

J mm d I

J mm d I

J mm d I

23 , 1 0 , 1 .

1 , 0 . 4 .

. 4

71 , 1 0 , 1 .

1 . 4 .

. 4

5 , 1 0 , 1 .

5 , 0 . 4 .

. 4

3 2 3

2

2 2 2

2

1 2 1

2

 

 



 

 



 

 















*Chọn dây:

33