CHƯƠNG IV: THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN YÊU CẦU VỚI MẠCH ĐIỀU KHIỂN - Phát xung điều khiển xác thời điểm mà người thiết kế tính toán sẵn - Các xung điều khiển phát phải đủ lớn biên độ độ rộng để mở van - Xung điều khiển phải có độ đối xứng cao đảm bảo phạm vi điều chỉnh góc mở van, độ rộng đủ dòng qua van vượt trị số dịng trì Id để ngắt xung van dẫn - Dạng xung điều chỉnh thích hợp tác động nhanh - Đảm bảo hoạt động tốt độ tin cậy cao điện áp nguồn thay đổi giá trị biên độ - Có khả chống nhiễu từ lưới điện - Độ tác động nhanh 1ms Ngoài hệ thống điều khiển phải có nhiệm vụ ổn định dịng điện tải bảo vệ hệ thống xảy cố dòng hay ngắn mạch tải NHIỆM VỤ CHỨC NĂNG MẠCH ĐIỀU KHIỂN Như biết thyristor mở cho dòng chạy qua điện áp dương đặt lên anốt có xung điều khiển đặt vào cực điều khiển, sau mở van xong xung điều khiển khơng tác dụng Dòng điện chạy qua van lúc thông số mạch lực định Mạch điều khiển điều chỉnh vị trí xung điều khiển phạm vi nửa chu kỳ dương điện áp đặt lên anôt - catôt thyristor I CẤU TRÚC CHUNG CỦA MẠCH ĐIỀU KHIỂN Hình 4.1 Uc: Điện áp điều khiển điện áp chiều Ur: Điện áp đồng bộ, điện áp xoay chiều biến động với điện áp anot - catot tristor Khâu 1: Hiệu điện áp Uc - Ur chuyển vào khâu so sánh làm việc trigiơ, Uc - Ur = trigơ lật trạng t hái đầu nhận chuỗi xung dạng chữ nhật Khâu 2: Là đa hài trạng thái ổn định Khâu 3: Là khâu khuếch đại xung Khâu 4: Là khâu biến áp xung Bằng cách tác động vào Uc ta điều chỉnh α II NGUYÊN TẮC ĐIỀU KHIỂN XUNG ĐIỀU KHIỂN Nguyên tắc điều khiển ngang Hình 4.2 * Khâu đồng (ĐB) thường tạo điện áp hình sin có góc lệch pha cố định với điện áp lực * Khâu dịch pha (DF) làm thay đổi góc lệch pha điện áp theo tác động Uđk * Khâu tạo xung (TX) thời điểm điện áp dịch pha Udp qua điểm O * Khâu khuếch đại xung (KĐX) để tăng đủ công suất gửi tới cực điều khiển van Như góc điều khiển α thay đổi thời điểm phát xung mở van thay đổi nhờ tác động Uđk làm điện áp Udf di chuyển theo chiều ngang trục thời gian Nguyên tắc điều khiển dọc Ut: Khâu tạo điện áp tựa có dạng cố định theo chu kỳ nhịp đồng Uđb Khâu so sánh (SS) xác định điểm cân điện áp điều khiển Uđk Ut để phát động khâu tạo xung Trong nguyên tắc thời điểm phát xung mở van hay góc điều khiển thay đổi thay đổi trị số Uđk nên đồ thị di chuyển theo chiều dọc trục biên độ Đa số thực tế sử dụng nguyên tắc Hình 4.3 Mạch điều khiển kênh nhiều kênh Các mạch chỉnh lưu cơng suất thường có số van cần điều khiển lớn Vì người ta cho MĐK thành loại a Mạch điều khiển nhiều kênh (hình 4.3a) Trong loại có nhiều kênh điều khiển giống sơ đồ nguyên lý làm việc, kênh phụ trách phát xung mở cho van hai van pha mạch lực Loại thơng dụng độ tác động nhanh n0 có độ đối xứng điều khiển thấp, giá trị Uđk có góc α kênh khác độ sai lệch lên tới vài độ điện b Mạch điều khiển kênh (hình 4.3b) Mạch có khối xác định hay hai lần chu kỳ điện áp lực Một phận phát xung PPX đảm bảo nhiệm vụ phát xung đến van cách dịch xung góc cần thiết (thường với n số van lực) 2π n Các mạch điều khiển sử dụng kỹ thuật tương tự kỹ thuật số (digital) Mạch điều khiển analog có tác động nhanh chế tạo đơn giản, dễ thực phổ biến mạch digital Song có nhược điểm chỗ nhạy nhiễu phải chỉnh định nhiều, khó đồng kênh điều khiển Mạch điều khiển digital phức tạp có độ tác động khơng nhanh mạch điều khiển analog thời gian xử lý tín hiệu cịn chậm, song khả chống nhiễu tốt mạch phải chỉnh định dễ đồng kênh nên thường có chất lượng điều chỉnh cao III CÁC KHÂU CHÍNH TRONG MẠCH ĐIỀU KHIỂN Khâu đồng Theo sơ đồ cấu trúc, khâu phải tạo điện áp có góc lệch pha cố định với điện áp đặt lên van lực, phù hợp cho mục đích máy biến áp đồng pha Dùng máy biến áp không cho phép thoả mãn yêu cầu mà đạt hai mục tiêu quan trọng là: - Chuyển đổi điện áp lưới thường có trị số cao sang giá trị phù hợp với mạch điều khiển thường điện áp thấp - Cách ly hoàn toàn điện mạch điều khiển mạch lực điều đảm bảo an toàn cho người sử dụng linh kiện điện tử Ở ta dùng máy biến áp pha Tuy nhiên mạch điều khiển có nhiều khâu cần dùng biến áp nên thường dùng chung máy biến áp có nhiều cuộn thứ cấp cuộn thực chức riêng, có cuộn cho khâu đồng Khâu tạo điện áp tựa Hiện sử dụng chủ yếu hai dạng điện áp tựa dạng hình sin dạng cưa a Điện áp tựa dạng hàm cosin Trong mạch điều khiển ta có Ud = Ud0.cosα Nếu điện áp tựa có dạng hàm cosin: Ut = Umcosωt điểm phát xung mở van tương ứng góc điều khiển ωt = α điện áp tựa cân với điện áp điều khiển Uđk = Umcosα suy cosα = U ®k ⇒ Ud = K Uđk Um Như điện áp chỉnh lưu tỉ lệ thuận với điện áp điều khiển, nói cách khác chúng có quan hệ tuyến tính, quan hệ cho phép dễ dàng thực mạch vòng điều chỉnh để đảm bảo tiêu kỹ thuật Nhược điểm chung mạch tạo điện áp tựa dạng hình sin phụ thuộc vào điện áp xoay chiều Khi điện áp tăng lên hay giảm xuống điện áp tựa giảm theo làm cho góc điều khiển điện áp chỉnh lưu biến động theo Mặt khác tần số xoay chiều thay đổi góc dịch pha khơng cịn giữ 900 mà bị lệch khỏi giá trị gây hậu tương tự điện áp nguồn thay đổi Vì mạch tạo điện áp tựa loại dùng thực tế b Điện áp tựa dạng cưa Đa số mạch điện áp tựa mạch điều khiển chỉnh lưu thời dùng dạng cưa khắc phục nhược điểm dạng hình sin có nghĩa bị ảnh hưởng điện áp tần số nguồn điện xoay chiều Tuy nhiên nhược điểm khơng đạt quan hệ tuyến tính điện áp điều khiển điện áp chỉnh lưu nên khó khăn tiến hành q trình tự động hố điều chỉnh ổn định thơng số mạch chỉnh lưu nói riêng hay thiết bị nói chung chia làm hai loại cưa phi tuyến cưa tuyến tính, có hai phương pháp tạo hàm cưa - Dùng tranzito tụ điện - Dùng khuếch đại thuật toán tụ điện Tạo cưa tuyến tính Đa số tạo cưa tuyến tính dựa nguyên tắc nạp cho tụ C, dịng điện khơng đổi Ic, thực chất quan hệ điện áp dòng điện tụ điện Uc(t) = Uc(0) + i e dt C∫ Mạch tạo cưa dùng KĐTT OA Nhược điểm sơ đồ tạo điện áp cưa dùng tranzito phụ thuộc rõ thời điểm mở khố bóng vào điện áp đồng pha Do điện áp cưa nhiều bị biến động theo điện áp lưới xoay chiều Điều làm ảnh hưởng tới góc α phạm vi điều chỉnh Mặt khác độ tuyến tính cưa không thật cao Hiện mạch tạo cưa sử dụng OA ngày ứng dụng nhiều khắc phục nhược điểm trên, mặt khác giá thành lại rẻ Vậy để chế tạo điện áp cưa đồ án sử dụng mạch KĐTT OA để tạo điện áp cưa tuyến tính Hình 4.4a U®p π 2/π θ UCL θ UCL θ UCL θ Hình 4.4b * Nguyên lý hoạt động (hình 4.4a) Dùng mạch KĐTT OA để tạo điện áp cưa tuyến tính mạch hạn chế phụ thuộc thời gian đóng mở bóng tranzito, khắc phục biến động theo điện áp lưới xoay chiều nên α bị ảnh hưởng Máy biến áp tạo điện áp đồng pha với điện áp đặt vào mạch lực Điện áp hình sin sau qua chỉnh lưu đưa vào khâu so sánh OA, tạo điện áp xung hình chữ nhật nửa chu kỳ UOA1 < diơt Đ3 dẫn Điện áp tụ điện C điện áp đầu OA2: UC = Ub Điện áp điện trở R3 điện áp trở đầu OA1 Mạch thiết kế với điều kiện R2 10V (trong phạm vi 15 ÷ 30V), đồng thời biên độ điện áp xung vào nguồn điều khiển định chọn 10V chọn KU ≅ * Hệ số khuếch đại dòng điện Tạo dạng xung sử dụng cao OA chúng mang tải dòng điện vài miliampe (gái trị hay dùng 3mA) Đối chiếu với dòng yêu cầu là: KI = Ig Iv = 0,3 ÷ 0,6 = 100 ÷ 200 >> 3.10 −3 Như nhiệm vụ KĐX thực chất khuếch đại dòng sơ đồ khuếch đại xung biến áp xung mắc sau: Hình 4.7 * Tính chọn biến áp xung Trong khâu khuếch đại xung tầng cuối khâu biến áp xung có chức sau: - Tạo biên độ xung phù hợp với tải - Cách ly mạch lực mạch điều khiển - Dễ phân phối xung điều khiển cho kênh Ta có: Ug = 10V; Ig = 0,42A Trong Ug, Ig áp dịng chạy qua dây quấn thứ cấp BAX Chọn biến áp xung có tỷ số cuộn dây Kba = Vậy điện áp dòng điện sơ cấp máy biến áp xung U1ba = K Ug = 10 = 20V I1ba = Ig K ba = 0,42 = 0,21 A Ta chọn vật liệu lõi thép làm biến áp xung lõi thép pherit, làm việc phần đặc tính từ hoá - Từ cảm: BS = 0,45T - Từ thấm: μ = 6000A/m2 Diện tích lõi thép: S = cm2 = 10-4m2 * Số vòng dây cuộn sơ cấp máy biến áp là: W1 = → T = 100μs → tx = tn = 50μs 20.50.10 −6 = 22 vòng Vậy: W1 = 0,45.10 −4 * Số vòng dây cuộn thứ cấp W2 = W1 22 = = 11 vịng K ba * Đường kính dây quấn sơ cấp là: U1ba t x B s S d1 = I1ba π.f Trong f = 3A/mm2 mật độ dòng điện cuộn dây Vậy ta thay số vào tính d1 d1 = 0,21 = 0,29 mm π.3 * Đường kính dây quấn thứ cấp là: d2 = Ig π.f = 0,42 = 0,42mm 3.π ™ Tính chọn T1 T2 Coi điện trở cuộn dây sơ cấp máy BAX nhỏ bỏ qua, dịng chảy qua T2 mở dịng chảy qua BAX IC2 = I1ba = 0,21A Chọn nguồn ECS = 24V Từ IC2 ECS ta chọn bóng T2 loại H1061 có thơng số sau: UCE2 = 40V IC2max = 1,5A β2 = 20 ÷ 60 → I β2 = I C2 0,21 = = 0,01A βmin 20 Chọn T1 Có IC1 = Iβ2 = 0,01A Vậy chọn bóng T1 loại C828 có thơng số sau: UCE1 = 40 IC1 = 50mA β1 = 35 ÷ 60 Iβ1 = I C1 50.10 −3 = = 1,42mA βmin 35 Vậy hệ số khuếch đại toàn mạch là: β = β1 β2 = 20 35 = 700 Điốt D5 ngăn chặn xung áp Điốt D4 dùng để bảo vệ tranzito Sđđ cảm ứng cuộn sơ cấp biến áp xung gây Chọn D4, D5 loại 1N007 * Điện trở R8 có tác dụng tiêu tán lượng cuộn sơ cấp máy biến áp xung R8 chọn sau: E − U 1ba E ≤ R8 ≤ I C2 I1ba 24 24 − 20 ≤ R8 ≤ 1,5 0,21 16 ≤ R8 ≤ 20 → R8 = 18Ω * Điện trở R7 có tác dụng dẫn dòng mở tranzitor R7 ≤ 10 = 6,67K → R7 = 6K 1,5.10 −3 Khâu tạo điện áp điều khiển Để xác định điện áp điều khiển Uđk ta phải tổng hợp mạch vòng điều chỉnh dòng điện điều chỉnh tốc độ Theo đặc điểm đại lượng, điện áp điều khiển tạo theo sơ đồ hình 4.7 U ω® Rω Uω Hình 4.8 Trong đó: Rω, RI điều chỉnh tốc độ dòng điện ™ Tự động điều chỉnh Trong hệ truyền động đại, mạch vòng điều chỉnh nối theo cấp, độc lập tương nhau, việc phân vùng tác dụng ổn định tốc độ hạn chế dòng điện thực dạng phi tuyến đặc tính điều chỉnh Uω Rω δi δω Hình 4.10 Sơ đồ đơn giản gồm hai vòng điều chỉnh, vòng điều chỉnh dòng điện có điều chỉnh dịng điện RI, vịng điều chỉnh tốc độ có điều chỉnh tốc độ Rω, điều chỉnh có đặc tính khuếch đại có vùng bão hồ Điện áp đầu Rω điện áp đặt dòng điện Uiđ, giá trị bão hoà Uiđmax ... mạch điều khiển thường điện áp thấp - Cách ly hoàn toàn điện mạch điều khiển mạch lực điều đảm bảo an toàn cho người sử dụng linh kiện điện tử Ở ta dùng máy biến áp pha Tuy nhiên mạch điều khiển. .. nhiều, khó đồng kênh điều khiển Mạch điều khiển digital phức tạp có độ tác động khơng nhanh mạch điều khiển analog thời gian xử lý tín hiệu cịn chậm, song khả chống nhiễu tốt mạch phải chỉnh định... dụng nguyên tắc Hình 4.3 Mạch điều khiển kênh nhiều kênh Các mạch chỉnh lưu cơng suất thường có số van cần điều khiển lớn Vì người ta cho MĐK thành loại a Mạch điều khiển nhiều kênh (hình 4.3a)