Thiết kế xây dựng mạch điều khiển

Chương 5 Xây dựng mạch điều khiển 5.1 Yêu cầu mạch điều khiển *. Điều kiện Thyristor làm việc - Có điện áp dương đặt nên Anot - Có xung áp dương đặt vào cực điều khiển - Sau khi Thyristor đã mở thì xung điều khiển không còn tác dụng, dòng điện chạy qua Thyristor do thông số của mạch quyết định. *. Chức năng của mạch điều khiển - Điều chỉnh được vị trí xung điều khiển trong một nửa chu kỳ dương của điện áp đặt lên Anot-Catot - Tạo ra được các xung đủ điều kiện mở được Thyristor + Biên độ xung thường từ 2 đến 10V Độ rộng xung tX = 20 á100 ms (đối với thiết bị chỉnh lưu) tX 10 ms (đối với thiết bị biến đổi tần số cao) 5.2. Nguyên tắc điều khiển Trong việc điều khiển chỉnh lưu thì việc tạo thời điểm để phát xung mở Thyristor là một khâu rất quan trọng. Việc điều khiển chỉnh lưu thường sử dụng hai nguyên tắc đó là. Nguyên tắc điều khiển thẳng đứng tuyến tính. Nguyên tắc điều khiển thẳng đứng Arccos *. Nguyên tắc điều khiển thẳng đứng tuyến tính (Hình 5.1) a a Uđk Us Us Uđk p 0 Usm 2p t Hình 5.1. Nguyên lý điều khiển thẳng đứng tuyến tính. Đối với nguyên tắc điều khiển thẳng đứng tuyến tính thì tại thời điểm xuất hiện sự cân bằng giữa điện áp điều khiển (Uđk) và điện áp tựa (US cũng chính là điện áp cùng pha trùng pha với điện áp đặt trên A-K của Thyristor và thường đặt vào đầu đảo của bộ so sánh). Thông thường điện áp tựa có dạng răng cưa. Như vậy bằng cách thay đổi Uđk người ta có thể điều chỉnh được thời điểm xuất hiện xung ra Theo đồ thị nguyên tắc điều khiển thẳng đứng tuyến tính thì góc điều khiển a được xác định: a = . p Trong đó : a góc mở của Thyristor Uđk-Điện áp điều khiển Usm- Điện áp đồng bộ cực đại Thông thường người ta lấy Uđk max = Usm. Ta nhận thấy rằng góc a là một hàm tuyến tính của điện áp điều khiển Uđk. Vậy ta có thể điều khiển góc a thông qua điều khiển điện áp một chiều. *. Nguyên tắc điều khiển thẳng đứng Arccos (Hình 5.2) U U s p Uak 0 a 2p Uđk t Hình 5.2 . Nguyên lý điều khiển thẳng đứng Arccos Điện áp đồng bộ US vượt trước điện áp UAK = UmSinwt của Thyristor một góc bằng , vậy Us = Um Coswt Điện áp điều khiển là điện áp một chiều có thể điều chỉnh được biên độ theo 2 chiều ( dương và âm). Nếu đặt US vào cổng đảo và Uđk vào cổng không đảo của một khâu so sánh thì ta sẽ nhận đựoc một xung rất mảnh ở đầu ra của khâu so sánh khi khâu này lật trạng thái Góc a được xác định a = arcCos() Khi Uđk = Um thì a =0 Uđk = 0 thì a= Uđk = -Um thì a = p Như vậy khi điều chỉnh Uđk từ trị Uđk = + Um đến trị Uđk = -Um ta có thể điều chỉnh được góc a từ 0 đến p Nguyên tắc điều khiển thẳng đứng Arccos được sử dụng trong các thiết bị chỉnh lưu đòi hỏi chất lượng cao. Trong mạch điều khiển sau đây ta chọn nguyên tắc điều khiển thẳng đứng Arccos. 5.3. Sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển *. Sơ đồ khối gồm các khâu như Hình 5.3 DF TXM BAX PH Uđk (3) 1 2 4 5 6 ĐF Th Hình 5.3. Sơ đồ khối mạch điều khiển 1. Khâu đồng pha (Hình 5.4) Biến áp đồng pha là một biến áp có điện áp đầu vào là điện áp của Thyristor (UAK) điện áp ra được chỉnh lưu hai nửa chu kỳ có điểm giữa nhờ hai diode D4 và D5 Các dioê D4 và D5 được chọn theo kinh nghiệm, ta chọn loại có mã hiệu IN4007 có các số liệu Dòng tải qua diode 3A Điện áp ngược đặt lên Diode: 700 V U1 0 p 2p t U2 U’2 D5 U1 6 7 8 T1 11 220v U1m 10 D4 Ura U2 0 p 2p wt U’2 U2 U’2 p 2p wt 0 Ura U2m U2m Hình 5.4. Khâu biến áp đồng pha 2.Khâu dịch pha (Tạo hàm Cos): Hình 5.5 Khâu này được lấy điện trực tiếp từ đầu ra ( chưa qua chỉnh lưu) của biến áp đồng pha. Sau đó đưa qua mạch tích phân R3 và hai tụ C4 mắc song song với tụ C4’ có tác dụng làm dịch pha và đưa vào biến áp T2 điện áp ra của biến áp T2 là một tín hiệu dịch pha so với điện áp trên AK của Thyristor ( Đây là điện áp đồng pha tín hiệu để mở Thyristor TH1) T2 R8 ~ C4 C’4 Hình 5.5. Khâu dịch pha Điện trở và tụ điện trên sơ đồ được chọn theo kinh nghiệm thực tế R8 có trị số 1K5 3w Tụ C4, C4’ có trị số 105= 1mF Nguồn điện áp điều khiển (Điện áp một chiều) (Hình 5.6) Gồm một biến áp một pha. Điện áp đầu ra của biến áp này được chỉnh lưu theo phương pháp hai nửa chu kỳ có điểm giữa. Sau đó được chỉnh lưu bởi hai Diode. D10 và D11. Điện áp một chiều được lọc qua bộ lọc hình p bao gồm tụ C7, R10 và tụ C8. Sau đó được sụt áp trên điện trở R11 và ổn định bằng diode ổn áp Dz1 đưa ra điện áp ổn định 13V. Điện áp này được đưa qua biến trở 5VR (chiết áp điều chỉnh tốc độ). Đầu ra của biến trở là điện áp điều khiển ( điện áp một chiều) Tuy nhiên điện áp này còn đựơc đưa qua bộ tạo mạch bởi R11, 4VR ( điều chỉnh thời gian trễ) và tụ C9 tạo thiên áp cho Transistor mở. Thời gian trễ được tính. t = R.C = ( R14 + 4 VR ). C9 Với 4VRmin =0 thì t = R14. C9 = 2,2.103 .470 .10-6 = 1 (s) Với 4VRmax = 50K thì t = (R14 + 4RVmax)C9= = (2,2 + 50 ). 103 .470. 10-6 = 24,5 (s) Tín hiệu ra lấy từ chân E của Q2 là tín hiệu điều khiển. D11 D10 Uđk C7 + R10 R14 C8 + DZ1 5VR R14 Q2 4VR C9 + Hình 5.6 Nguồn điện áp điều khiển Các linh kiện chọn theo kinh nghiệm Diode D10, D11 : IN4007 ; Diode Dz1 : Z13 Tụ điện : C7 : 50/160V C8 : 47/63 C9 : 470/50V Điện trở : R10, R11 : 470W R14 : 2K2 4VR : 50K Transistor : Q2 : C1384 4. Khâu tạo xung mở (Hình 5.7) Nguồn cung cấp cho khâu tạo xung là được lấy từ biến áp đồng pha sau khi chỉnh lưu qua D4, D5 được lọc qua tụ C6, sụt áp trên R3, rồi ổn áp nhờ DZ2, tín hiệu này được đưa qua 1VR (chỉnh xung) và R4 mắc song song với S200 (điện trở ổn định nhiệt). Điện áp lấy trên 1VR được đưa vào cực G của Thyristor Th1 để mở Thyristor này. Hình 5.7. Khâu tạo xung mở Trị số các linh kiện chọn theo kinh nghiệm: Diode: D3 : IN 4007 Dz2 : Z6 Tụ điện: C6 : 47/50 V Điện trở: R3 : 470 W R4 : 100 W 1 VR : 2 K ( Biến trở) S : 200 W ( Điện trở ổn định nhiệt) Th 1 : FOR3G Khâu biến áp xung ( Hình 5.8) IKT CC1 CC2 AC 220 D Th C2 D1 T3 3 4 12 11 2 1 Để cách ly mạch điều khiển và mạch lực người ta dùng biến áp xung khi có một xung dòng điện ở cuộn dây sơ cấp thì từ thông móc vòng sang cuộn thứ cấp. Do đó trong mạch thứ cấp cũng sinh ra một dòng điện (Ig) của Thyristor. Diode D1 ngăn chặn xung áp âm có thể có, khi Th bị khóa, tụ C2 giữ sự ổn định biên độ và sườn xung ra, Diode D để chống ngược pha Hình 5.8. Khâu biến áp xung Tính toán biến áp xung (T3) Thông số của Thyristor Th : Ug = 2V Ig =20mA = 0,02A Diode D1, D2 : IN4007 có : Ung = 700 V DU=0,7 V Điện trở R2 =470 W Thyristor Th1 lấy DU = 1V Các thông số lấy theo kinh nghiệm Dự tính sụt áp trên cuộn thứ cấp của T3 : DU2T3 = 0,3(V) E2T3 = Ug + DUD1 + DU2T3 = 2 + 0.7 + 0.3 = 3(v) Ta chọn máy biến áp xung có tỷ lệ biến áp m= = = Suất điện động do cuộn sơ cấp của biến áp T3 sinh ra E1T3 = 2 . E2T3 = 2.3 = 6 (v) Dự tính điện áp sụt trên cuộn sơ cấp của biến áp T3 là DU1T3 = 0.5 (v) Vậy điện áp đặt vào cuộn sơ cấp của biến áp T3 U1T3 = E1T3 + DU1T3 = = 6 + 0,5 = 6,5(v) Công suất của máy biến áp xung T3 PT3 = E2T3 . I2T3 = E2T3 . Ig = = 3. 0.02 = 0,06 (W) Vậy ta chọn máy biến áp (T3) có thông số Điện áp : Vào/ Ra = 6,5/3 (V) Công suất : P = 0,06 (W) Chọn tụ C2 ( Theo kinh nghiệm) C2 = 1/250 V Diode : Có Ungmax = 300V ; ID = 10 A Khâu phản hồi tốc độ Để ổn định tốc độ động cơ người ta thiết kế thêm khâu phản hồi tốc độ. Bao gồm một máy phát tốc gắn đồng trục với ly hợp. Khi trục động cơ quay thì máy phát tốc (TG) sẽ phát ra một điện áp xoay chiều. Điện áp này được chỉnh lưu qua cầu Diode D6 á D9 và được lọc qua tụ C5 Thành điện áp một chiều. Điện áp này kết hợp với tín hiệu điều khiển để điều khiển tốc độ động cơ. Hình 5.9 Khâu phản hồi tốc độ. Các số liệu lấy theo kinh nghiệm Diode : D6 á D9 = IN4007 Tụ điện : C5 = 47/50V Điện trở : R5 = R6 = 100 W 3RV = 500 W (Biến trở) 5.4 Nguyên lý hoạt động của mạch điều khiển. Sơ đồ mạch điều khiển của ly hợp điện từ như hình 5.10. * Chức năng các khối trong mạch. - Biến áp T1 là biến áp cung cấp các tín hiệu điều khiển, định thiên và cung cấp tín hiệu điều khiển TH bao gồm các cuộn điện áp: + Cuộn 1-2-3: Điện áp trên cuộn này được chỉnh lưu theo phương pháp hai nửa chu kỳ có điểm giữa biến áp qua hai đi ốt D10 và D11 điện áp một chiều được lọc qua bộ lọc hình P bao gồm tụ C7 R10 và tụ C8 sau đó được sụt áp trên điện trở R11 và ổn áp bằng đi ốt ổn áp DZ1 đưa ra điện áp ổn định 13V. Điện áp này được đưa qua biến trở 5VR (chiết áp điều chỉnh tốc độ). Đầu ra của biến trở là điện áp điều khiển. + Điện áp này được đưa qua bộ định thiên R14 , 4VR và tụ C9 tạo thiên áp cho Tranzitor Q2 (C1384) mở. Mặt khác R14, 4VR và C9 còn tạo thành mạch tạo trễ. Thời gian trễ có thể tính bằng: t = RC = (R14+4VR).C9 Hình 5.10 Sơ đồ mạch điều khiển ly hợp điện từ Với 4VR min: t =R14.C9 = 2,2.103.470.10-6 = 1 (s) Với 4VR max: t= (R14 + 4VRmax) = (2,2+50).103.470.10-6 =24,5(s) Tín hiệu ra của điều khiển lấy từ chân E của Tranzitor Q 2 và đưa vào giữa điện trở R6 và R5. + Cuộn 6-7-8: Điện áp trên cuộn này cũng được chỉnh lưu theo phương pháp hai nửa chu kỳ có điểm giữa biến áp đi qua đi ốt D4 và D5 sau đó được lọc qua tụ C6, sụt áp trên R3 và ổn áp bằng đi ốt DZ2 (6V). Điện áp này đưa qua 1VR và 4R mắc song song với S 200 (điện trở ổn định nhiệt ). Điện áp đưa ra lấy trên 1VR và được đưa vào cực G của thyristor Th1 (FOR3G) để mở thyristor này. Ngoài ra điện áp trên cuộn 6-7- 8 này còn được đưa ra mạch tích phân R8 và hai tụ C4 mắc song song C4’ có tác dụng làm dịch pha và đưa vào biến áp T2 đầu 8-10 (biến áp này có tác dụng là biến áp đồng pha tín hiệu để mở thyristor Th1). + Cuộn 4-5 có nhiệm vụ cung cấp tín hiệu mở thyristor TH thông qua biến áp T3. Biến áp T2: Có nhiệm vụ để lấy tín hiệu đồng pha có dịch chuyển. Cuộn 8-9 đóng vai trò như điện trở động, trị số thay đổi theo từng nửa chu kỳ của điện áp nguồn. Biến áp T3: Là biến áp lấy tín hiệu điều khiển thyristor TH Hai điểm 5 và 6 là tín hiệu được lấy từ máy phát tốc tại động cơ. Tín hiệu này là tín hiệu xoay chiều. Sau khi được chỉnh lưu cầu qua D6 – D9 và lọc bằng tụ C5 và được sụt áp bằng điện trở R6. Điện áp này được đưa qua R5, 3VR, R7. Điện áp này kết hợp với điện áp đặt lấy từ chân E của Q2 tạo thành tín hiệu phản hồi. - Vì mạch công suất là mạch chỉnh lưu 1 nửa chu kỳ nên tín hiệu cung cấp cho cực G của TH phải đồng pha với tín hiệu điện áp trên AK của nó. Điện áp trên cuộn 4-5 biến thế T1 được nắn một nửa chu kỳ thông qua D2 và hạn chế dòng qua điện trở R2 (470W) và đưa qua thyristor Th1, đưa vào cuộn 3- 4 của T3. Vậy trên cuộn 3- 4 của T3 chỉ có tín hiệu một nửa chu kỳ tương ứng với nửa chu kỳ của điện áp AK . Cuộn 11-12 của biến áp T3 cảm ứng móc vòng được chỉnh lưu qua D1 và đưa vào cực G của TH. Biến áp T3 còn có tác dụng cách ly giữa mạch điều khiển và mạch công suất. * Nguyên lý hoạt động của mạch: - Khi đóng điện vào máy biến thế T1 có điện qua cuộn 0 - 220V. Tại thời điểm này tín hiệu phát tốc chưa có điện, tụ C9 của mạch định thiên Q2 được nạp, điện áp trên 3VR bằng 0 Lúc này Thyristor được mở bằng tín hiệu lấy trên 1VR và tín hiệu dịch pha trên cuộn 8,9 của biến thế T2. Lúc này điện áp (+) tại đầu 5 (T1) qua D2 đR2 đTh1 đ cuộn 3,4 của T3 đ 4(T1). Do đó cuộn 11,12 của biến áp xung T3 có điện và tạo tín hiệu mở Thyristor(Th) làm cho cuộn dây khớp từ có điện. Khi ở nửa chu kỳ mà điện thế (+) ở 4 (T1) và (-) ở 5 (T1) thì cuộn 3,4 của T3 không có điện do đó Thyristor Th không mở. Như vậy Thyristor chỉ mở ở một nửa chu kỳ của điện áp nguồn tương ứng với điện áp trên AK Sau một thời gian khớp từ chạy, máy phát tốc có điện, tụ C9 đã nạp đầy ( thời gian nạp có thể điều chỉnh được bằng chiết áp 4VR). Do đó Transistor Q2 được mở. Điện áp phát tốc qua mạch phản hồi kết hợp với điện áp đặt trên 5VR tạo thành tín hiệu phản hồi, tín hiệu này đưa qua 2VR và R9 đưa đến đầu K của Thyristor Th1 khi điện áp (+) tại đầu 5 (T1) lớn hơn điện áp Uk(Th1) thì Th1 mở và cuộn 3,4 (T3) có điện do Thyristor Th mở Khi điện áp UA Ê Uk của Thyristor(Th1) thì Th1 không dẫn đến cuộn 3,4 của biến áp T3 không có điện do đó Thyristor bị khóa. Vậy Thyristor Th đã bị khống chế thời gian mở theo tín hiệu phản hồi ngay trong cả chu kỳ tương ứng của nó. Điện áp trên cuộn dây khớp từ sẽ thay đổi và ổn định theo tín hiệu phản hồi về từ máy phát tốc. Nếu vì một lý do nào đó tốc độ khớp từ tăng hoặc giảm thì tín hiệu máy phát tốc cũng tăng hoặc giảm theo, dẫn đến tín hiệu phản hồi thay đổi Uk tăng hoặc giảm thì thời gian phát xung vào Thyristor Th tăng giảm theo dẫn đến điện áp trên cuộn khớp từ tăng giảm để đảm bảo ổn định tốc độ như tốc độ đặt trên 5VR. Sơ đồ đấu dây như hình 5.11. Hình 5.11 Sơ đồ đấu dây thực tế Hình 5.12 Mặt thao tác của hộp điều khiển