Khi thyristor chuyển sang trạng thái dẫn thì cực điều khiển không còn tác dụng. Thyristor chỉ trở về trạng thái khoá nếu dòng điện IA < IH ( IH : dòng điện duy trì )
Chức năng của mạch điều khiển :
+ Điều chỉnh được vị trí xung trong phạm vi nửa chu kỳ dương của điện áp đặt lên A-K của thyristor.
+ Tạo ra được các xung đủ diều kiện mở thyristor, độ rộng xung tx được tính theo biểu thức : dt di I t H x / = ( 3.1 )
: tốc độ biến thiên dòng tải
3.2. Cấu trúc mạch điều khiển
Các nguyên tắc điều khiển trong hệ đồng bộ :
• Nguyên tắc điều khiển ngang :
Hình 3.1: Nguyên tắc điều khiển ngang
Khâu đồng bộ ĐB thường tạo điện áp ra điện áp hình sin có góc lệch pha cố định so với điện áp lực. Khâu dịch pha DF có nhiệm vụ thay đổi góc pha của điện áp ra dưới tác động của điện áp điều khiển Uđk. Xung điều khiển được tạo thành ở khâu tạo xung TX vào thời điểm khi điện áp dịch pha Udf qua điểm 0. Xung này nhờ khâu khuếch đại xung KĐK được tăng đủ công suất được gửi tới cực điều khiển của van. Như vậy góc điều khiển α hay thời điểm phát xung mở
van thay đổi được nhờ sự tác động của Uđk làm điện áp Udf di chuyển theo chiều ngang của trục thời gian.
Hình 3.2 : Đồ thị minh họa nguyên tắc điều khiển ngang
• Nguyên tắc điều khiển dọc :
Hình 3.3: Nguyên tắc điều khiển dọc
Ở đây khâu Utựa tạo ra điện áp tựa có dạng cố định (thường có dạng răng cưa, đôi khi có dạng hình sin) theo chu kỳ do nhịp đồng bộ của Uđb. Khâu so sánh SS xác định điểm cân bằng của hai điện áp Utựa và Uđk để phát động khâu tạo xung TX. Như vậy trong nguyên tắc này thời điểm phát xung mở van hay góc điều khiển thay đổi do sự thay đổi trị số của Uđk, trên đồ thị đó là sự di chuyển theo chiều dọc của trục biên độ. Đa số mạch điều khiển trên thực tế sử dụng nguyên tắc dọc này.
Từ mạch lực và yêu cầu của xung điều khiển ta đi đến thiết lập sơ đồ cấu trúc cho mạch điều khiển. Ta có thể dùng nguyên tắc điều khiển dọc vì nó đơn giản và đáp ứng được yêu cầu mạch lực :
Hình 3.4: Cấu trúc các khâu trong mạch điều khiển
Đồ thị minh họa :
Hình 3.5 : Đồ thị minh họa nguyên tắc điều khiển dọc
3.2.1. Khâu đồng bộ
Khi sử dụng biến áp đồng pha cho phép đạt hai mục tiêu là :
- Chuyển đổi điện áp lực thường có giá trị cao sang giá trị phù hợp mới mạch điều khiển thường là điện áo thấp.
- Cách ly hoàn toàn về điện giữa mạch điều khiển với mạch lực. Điều này đảm bảo an toàn cho người sử dụng cũng như các linh kiện trong mạch điều khiển.
Trong khâu này sử dụng biến áp đồng pha trên một pha có đầu vào đấu với một cuộn dây, đầu ra là hai cuộn dây đấu ngược cực tính để nối vào một cặp thyristor song song ngược.
Hình 3.6 : Biến áp đồng pha mạch điều áp xoay chiều
Khi cuộn sơ cấp và thứ cấp cùng đấu sao, điện áp đồng bộ UđbA lấy theo điện áp pha A của lưới, do đó điểm đi qua 0 của điện áp này sớm pha hơn 300 so với điển tương ứng góc α = 00. Như vậy phạm vi điều chỉnh giảm xuống chỉ còn 1500, tức là phạm vi điều chỉnh nằm trong khoảng α = 00 ÷ 1500 và tồn tại một khoảng không sử dụng được do điện áp trên van chưa dương. Muốn mở rộng phạm vi điều chỉnh cần thêm một khâu trễ pha đi một góc 300. Trong thực tế vẫn dùng theo kiểu này.
3.2.2. Khâu tạo điện áp tựa
Khi sử dụng dạng răng cưa đi lên thì sẽ cho quan hệ giữa điện áp răng cưa và góc điều khiển α tỉ lệ thuận: điện áp này lớn thì góc α cũng lớn. Mặt khác ta biết rằng quan hệ giữa góc điều khiển và điện áp nhận được trên tải lại tuân theo qui luật tỉ lệ nghịch dẫn đến α tăng thì Ud lại giảm. Như vậy tương ứng
việc tăng điện áp điều khiển sẽ dẫn đến giảm điện áp trong mạch, điều này không thuận lợi cho mạch điều khiển tự động. Để cho quan hệ này thuận, nghĩa là tương ứng giá trị điện áp điều khiển lớn thì điện áp mạch cũng lớn, cần phải tạo ra răng cưa có dạng đi xuống.
Sơ đồ tạo răng cưa tuyến tính đi xuống :
Hình 3.7 : Tạo răng cưa tuyến tính đi xuống [1]
• Nguyên lý hoạt động :
Khi điện áp đồng bộ ở nửa chu kỳ dương sẽ làm T1 mở, dòng qua T1 phải chảy từ nguồn E đi qua R2 và R3, gây sụt áp trên R2 tạo điện áp thuận để mở T2
cho nên T2 cũng dẫn theo. Dòng qua T2 sẽ nạp cho tụ C với hằng số thời gian nạp là R2C (nạp phi tuyến), tụ C được nạp cho đến trị số của ổn áp Đôa thì dừng lại, đến đây hết giai đoạn chuẩn bị cho việc tạo răng cưa. Nửa chu kỳ sau, khi điện áp đồng bộ chuyển sang âm sẽ làm cho transistor T1 khóa nên dòng qua T1(dòng qua R2,R3) bằng không, do đó sụt áp trên R2 bằng không dẫn đến T2
cũng khóa theo. Như vậy trạng thái của các tranzitor T1 và T2 luôn giống nhau. Từ lúc này tụ C bắt đồng phóng điện qua bóng T3. Bóng T3 đấu theo kiểu mạch êmite lặp: điện thế trên êmite sẽ lặp lại điện thế bazơ nhưng thấp hơn 0,7V do có sụt áp trên quá độ bazơ – êmite ; vì bazơ T3 nối với điển diểm 0V của mạch điều
khiển nên điện thế êmite sẽ cố định và bằng – 0,7V. Từ đây ta thấy rằng điện áp trên điện trở R5 là (E= - 0,7V), vậy dòng điện qua R5 cũng là dòng qua bóng T3
và chính là dòng phóng của tụ C ( giá trị dòng này là không đổi vì E là R5 cố định).
3.2.3. Khâu so sánh
Khâu này có chức năng so sánh điện áp điều khiển với điện áp tựa ( dạng răng cưa hoặc hình sin ) để định thời điểm phát xung điều khiển, thông thường đó là thời điểm khi hai điện áp này bằng nhau. Nói cách khác, đây là khâu xác định góc điều khiển α. Trong khâu này sử dụng phương pháp so sánh dùng khuếch đại thuật toán. Lý do sử dụng so sánh dùng khuếch đại thuật toán ( OA ) vì các lý do sau đây :
- Tổng trở vào của OA rất lớn nên không gây ảnh hưởng đến các điện áp đưa vào so sánh, nó có thể tách biệt hoàn toàn chúng để không tác động sang nhau.
- Tầng vào của OA cũng là loại khuếch đại vi sai, mặt khác số tầng nhiều nên hệ số khuếch đại rất lớn ( có thể đến một triệu ). Vì thế độ chính xác so sánh rất cao, độ trễ không quá vài micro giây.
- Sườn xung dốc đứng nếu so với tần số 50Hz.
Hình 3.8 : So sánh hai cửa dùng khuếch đại thuật toán OA [1]
Nếu điện áp điều khiển đưa vào cửa (+), còn điện áp tựa vào (-) như hình trên thì u– ≡utựa, và u+ ≡uđk thì điện áp ra tuân theo quy luật :
Ura = Ko( u+ - u-) = Ko( uđk - utựa ) (3.1)
Do đó uđk > ut thì ura = +Ubh; khi uđk < ut thì ngược lại ura = -Ubh
Có hai điểm cần lưu ý khi dùng so sánh hai cửa.
- Một là các điện áp đưa vào so sánh phải cùng dấu ( cùng dương hoặc cùng âm) thì mới có hiện tượng thay đổi trạng thái đầu ra.
- Hai là độ chênh lệch tối đa giữa hai cửa trong khi làm việc không được vượt giới hạn cho phép của loại OA đã chọn.
Ngoài ra các điện trở ở hai cửa vào của OA có thể không cần dùng, nếu OA cho phép chênh lệch điện áp giữa các đầu vào của nó có ΔuvOA lớn hơn chênh lệch điện áp lớn nhất của utựa với uđk.Trong trường hợp (utựa – uđk) vượt quá mức cho phép của OA thì buộc phải có các điện trở này, kết hợp với 2 điot đấu song song – ngược để bảo vệ đầu vào cho OA. Thực tế hiện nay các OA thường có Δuvmax= ±18V nên có thể bỏ các điện trở đầu vào, tuy nhiên để an toàn người ta vẫn mắc các điện trở này trong mạch thực.
3.2.4. Khâu tạo xung đơn
Xung đơn là dạng xung điều khiển có độ rộng ngắn, thường dưới 100µs. Xung này thích hợp với các mạch chỉnh lưu tải thuẩn trở hoặc tải có tính cảm kháng nhưng trị số điện cảm nhỏ. Đôi khi cũng dùng cho cả tải sức điện động nhưng cần có khâu hạn chế góc điều khiển phù hợp mới dễ điều chỉnh trơn, không bị hiện tượng nhảy điện áp ra. Ưu điểm của dạng xung đơn là công suất tiêu thụ mạch điều khiển nhỏ, phần khuếch đại xung làm việc nhẹ nhàng, kích thước gọn nên có thể vi mạch hóa, dễ truyền xung bằng biến áp.
Nhìn chung sau khâu só sánh ta nhạn được xung có sườn dốc đứng, nhưng độ rộng của nó lớn và thường phụ thuộc vào góc điều khiển. Để tạo xung đơn với thời gian vài chục micro giây thì có thể thực hiện bằng hai cách:
- Dùng mạch vi phân RC (mạch chặt xung)
- Dùng mạch tạo độ rộng xung cố định bằng bộ đa hài đợi kích (mạch monostable).
Hình 3.9: Sơ đồ và đồ thị mạch tại xung đơn bằng mạch vi phân RC
Đây là mạch đơn giản, chỉ gồm một tụ điện và một điện trở mắc như hình 3.9a. Khi điện áp đưa từ khâu so sánh Uss ở mức thấp – Ubh thì tụ C được nạp bằng nguồn âm theo đường 0 -> R => C=>OAss => (-E) => 0 đến trị số bằng Ubh
với dấu điện áp ở hình 3.9b. Khi Uss chuyển lên mức cao +Ubh, ở thời điểm bạn đầu trên điện trở R xuất hiện một xung điện áp có giá trị bằng tổng điện áp có sẵn trên tụ (đang bằng Ubh) cộng với điện áp đầu ra của khâu so sánh( cũng bằng Ubh) do chúng mắc nối tiếp nhau nên sẽ có +2Ubh (hình 3.9c). Sau đó tụ C bắt đầu quá trình nạp đảo để cuối cùng lại đến trị số Ubh nhưng ngược dấu ban đầu.
3.2.5.Khâu tạo xung kép
Dạng xung kép là hai xung đơn cách nhau 60 độ điện. Do đặc điển : dòng điện cấp từ nguồn xoay chiều buộc phải đi qua hai van lực nên mạch điều khiển phải phát đồng thời vào hai van cần dẫn. Vì vậy để điều khiển mở cho van lực cần hai xung, xung thứ nhất là xung chính được phát động theo góc điều khiển α, xung thứ hai là xung phụ nhằm đảm bảo có hai van cùng dẫn. Được thể hiện rõ ở hình 3.10a.
a) b)
Hình 3.10 : a) Biểu đồ phát xung kép b) Tạo xung kép từ xung đơn sử dụng diot
Theo hình 3.10b cho ta thấy có thể ghép xung đơn thành xung kép bằng điot . Vì các van dẫn lần lượt cách nhau đúng 60 độ điện nên xung thứ hai phải cách xung thứ nhất cũng đúng 60 độ điện. Để tạo dạng xung kép trước tiên phải tạo được các xung chính ( thực chất là các xung đơn được tạo ra ở khâu tạo xung đơn). Sau khi đã có các xung chính ta mới tiến hành ghép các xung đơn thành xung kép bằng phương pháp dùng điot như trên.
3.2.6. Khâu khuếch đại xung
Sử dụng phương pháp khuếch đại xung ghép bằng biến áp xung:
Phương pháp ghép này thông dụng nhất hiện nay vì dễ dàng cách ly điều khiển và lực, tuy nhiên do tính chất vi phân của biến áp nên không cho phép truyền các xung rộng vài mili giây. Chính vì tính chất này mà người ta phải truyền xung rộng dưới dạng xung chùm để biến áp xung hoạt động được bình thường. Để đơn giản mạch, đồng thời vẫn đảm bảo hệ số khuếch đại dòng cần thiết, tầng khuếch đại hay đấu kiểu Dalintơn.
Hình 3.11 : Khuếch đại xung ghép biến áp xung dạng xung đơn và xung kép
Cả hai bóng T1 và T2 đều chọn tho điều kiện điện áp như nhau là chịu được trị số nguồn Ecs, Về dòng điện, Bóng T1 chọn theo dòng điện qua cuộn sơ cấp I1 của biến áp xung: Ic=I1=Ig/k
Sau khi chọn được T1 để có hệ số khuếch đại 1 sẽ chọn được T2 vì dòng
qua colector T2 chính là dòng qua bazo T1, như vậy bóng T2 luôn nhỏ hơn T1
do chịu dòng nhỏ hơn 1 lần. Vì độ rộng xung điều khiển nhỏ hơn nhiều chu kỳ
phát xung nên công suất phát nhiệt trên transistor không đáng kể và không phải quan tâm đến vấn đề này khi tính toán. Điện trở R1 chọn từ điều kiện mở bão hòa cho T1 và T2 đồng thời không gây quá tải cho tầng trước của khâu khuếch đại xung:
Ở phần này vì đã sử dụng một Diot để lọc điện áp âm vậy nên không cần phải mắc điot để bảo vệ transistor. Ngoài ra các điot như D1 dùng để bảo vệ chống quá áp gây hỏng bóng khi chúng chuyển từ dẫn sang khóa do ảnh hưởng của sức điện động tự cảm trên cuộn dây sơ cấp biến áp xung.
Ghép nối các khâu lại với nhau ta được sơ đồ mạch điều khiển hoản chỉnh như sau :
Đồ án môn học là yêu cầu cần thiết và bắt buộc đối với sinh viên ngành tự động hóa. Nó kiểm tra và khảo sát trình độ thực tế của sinh viên và giúp cho sinh viên có tư duy độc lập với công việc. Mặc dù vậy, với sinh viên chưa có nhiều kinh nghiệm thực tế, cần có sự giúp đỡ của các thầy cô giáo nên trong đồ án không tránh khỏi những thiếu sót. Qua đây em xin chân thành cảm ơn thầy giáo hướng dẫn chỉ bảo em tận tình để em hoàn thành phần đồ án này.