BÁO CÁO-Chương 3. Thiết kế mạch điều khiển

Chương 3. Thiết kế mạch điều khiển
3.1. Giới thiệu vác khâu điều khiển cần thiết
Để mạch động lực hoạt động thì cần có mạch điều khiển. Trong
mạch điều khiển gồm các khâu sau:
- Khâu đồng pha: có nhiệm vụ tạo ra điện áp U
rc
thượng gặp là điện
áp răng cưa tuyến tính) trùng pha với điện áp anod của Thyristor.
- Khâu so sánh: nhận tín hiệu điện áp răng cưa và điện áp điều
khiển, có nhiệm vụ so sánh giữa điện áp tựa với điện áp điều khiển U
dk
, tìm
thời điểm với điện áp này bằng nhau (U
dk
= U
rc
). Tại thời điểm hai điện áp
này bằng nhau thì phát xun ở đầu ra để gửi sang tầng khuyếch đại.
- Khâu tạo xung: có nhiệm vụ tạo xung phù hợp để mở Thyristor.
Xung để mở Thyristor cần phải: sườn trước dốc thẳng đứng để đảm bảo
yêu cầu Thyristor mở tức thời khi có xung điều khiển; đủ độ rộng; đủ công
suất; cách ly giữa mạch điều khiển và mạch động lực( khi điện áp quá lớn).
- khâu khuyếch đại: với nhiệm vụ tạo xung phù hợp để mở Thyristor,
tầng này thường được thiết kế bằng Tranzitor công suất.
3.2. Tính toán các khâu điều khiển
Viêc tính toán mạch điều khiển thường được tiến hành từ tầng
khuyếch đại ngược trở lên
Mạch điều khiển được tính xuất phát từ yêu cầu chung để mở
Thyristor.
3.2.1. Tính biến áp xung
- Chọn vật liệu làm bằng lõi thép Ferit HM. Lõi có dạng hình xuyến,

làm việc trên một phần của đặc tính từ hóa có: ∆B = 0,3 T, ∆H = 30 A/m,
không có khe hở không khí.
- Tỷ số biến áp xung: thường m = 2

3, chọn m = 3
- Điện áp cuộn thứ cấp máy biến áp xung: U
2
= U
dk
= 2,5 V
- Điện áp đặt lên cuộn sơ cấp máy biến áp xung: U
1
= m.U
2
= 3.2,5 =
7 V
- Dòng điện thứ cấp biến áp xung: I
2
= I
dk
= 0,06 A
- Dòng điện thứ cấp biến áp xung: I
1
= I
2
/m = 0,06/3 = 0,02 A
- Độ từ thẩm trung bình tương đối của lõi sắt: µ
tb
= ∆B/µ
0

. ∆H = 8.10
3

Thể tích của lõi thép cần có:
V = Q.L = (µ
tb.
µ
0
. t
x
. s
x
. U
1
. I
1
)/ ∆B
2

Thay số vào ta được:
V = ( 8.10
3
. 1,25.10
-6
. 100.10
-3
. 0,5. 7. 0,02)/0,3
2
= 3,47.10
-6

m
3
= 0,9
cm
3

Chọn mạch từ OA-25/40-5 có thể tích V = Q.l = 0,375.10,2 = 3,38
cm
3
, với thể tích đó ta có kích thước mạch từ như sau:
a = 7,5 mm; b = 5mm; Q = 0,375 cm
3
= 37,5 cm
3
; Q
cs
= 4,9 cm
2
; d =
25 mm; D = 40 mm. Chiều dài trung bình mạch từ l = 10,2 cm.
Số vòng quấn dây sơ cấp biến áp xung:
Theo định luật cảm ứng điện từ:
U
1
= w
1
.Q. dB/dt = w
1
.Q. ∆B/t
x

w
1
= U
1
.t
x
/∆B.Q = 9.100.10
-3
/0,3.37,5 = 80 vòng
Số vòng dây thứ cấp: W
2
= w
1
/m = 80/3 = 27 vòng
Tiết diện dây quấn thứ cấp:
S
1
= I
1
/J
1
= 66,6.10
-3
/6 = 0,0112 mm
2

Chọn mật độ dòng điện J
1
= 6 (A/mm
2

)
- Đường kính dây quấn sơ cấp:

mm
S
d 119,0
4
1
1



Chọn d
1
= 0,12mm, S
1
= 0,0113mm
2

Tiết diện dây quấn thứ cấp: S
2
= I
2
/J
2
= 0,2/4 = 0,05mm
2

Chọn mật độ dòng điện J
2

=4 A/mm
2

Đường kính dây quấn thứ cấp:
mm
S
d 252,0
4
2
2



Chọn dây có đường kính d
2
=0,27 mm, S
2
= 0,0575 mm
2

Kiểm tra hệ số lấp đầy:

005,0
490
27.0572,080.0113,0

2211






cs
ld
Q
WSWS
K

Như vậy, của sổ đủ diện tích cần thiết
3.2.2. Tính tầng khuyếch đại cuối cùng
Chọn Tranzitor công suất Tr
3
loại 2SC9111 làm việc ở chế độ xung
có các thông số:
Tranzitor loại npn, vật liệu bán dẫn Si
Điện áp giữa Colecto và Bazơ khi hở mạch Emito: U
CBO
= 40 V
Điện áp giữa Emito và Bazơ khi hở mạch Colecto: U
EBO
= 4 V
Dòng điện lớn nhất của Colecto có thể chịu đựng I
cmax
= 500 mA
Công suất tiêu tán của Colecto: P
c
= 1,7 W
Nhiệt độ lớn nhất ở mặt tiếp giáp: T
1
= 175

0
C
Hệ số khuyếch đại: β = 50
Dòng làm việc của Colecto: I
c3
= 33,3 A
Dòng làm việc của Bazơ: I
B3
= I
c3
/ β = 33,3/50 = 0,66 mA
Chọn nguồn cấp cho biến áp xung: E = +12 V ta mắc thêm điện trở
R
10
nối tiếp với cực Emito của Tr
3

R
10
= (E-U
1
)/I
1
= 92 Ω
Tất cả các diode trong mạch điều khiển đều dùng loại 1N4009 có
tham số:
- Dòng điện định mức: I
dm
= 10 A
- Điện áp ngược lớn nhất: U

N
= 25 V
- Điện áp để cho diode mở thông: U
m
= 1 V
3.2.3. Chọn cổng AND
Toàn bộ mạch điện phải dùng 6 cổng AND nên ta chọn hai IC 4081
họ CMOS. Mỗi IC 4081 có 4 cổng NAD, có các thông số:
Nguồn nuôi IC: V
cc
= (3

18) V, ta chọn: V
cc
= 12 V
Nhiệt độ làm việc: -40
0
C

80
0
C
Điện áp ứng với logic: "1": 2

4,5 V
Dòng điện nhỏ hơn 1mA
Công suất tiêu thụ P = 2,5 mW/1 cổng
3.2.4. Chọn tụ C
3
và R

9

Điện trở R
9
dùng để hạn chế dòng đưa vào Bazơ của Tranzitor Tr
3
,
chọn R
9
thỏa mãn diều kiện:



k
I
U
R
b
6
10.2
12
3
3
9

Trong đó:
U = 12 V; I
b3
= 2mA< 10mA
Chọn C

3
.R
9
= t
x
=100. Suy ra C
3
= t
x
/R
9

C = 100/6,8.10
3
= 0,014µF. Chọn C
3
= 0,0 µF
3.2.5. Tính chọn bộ tạo xung chùm
Mỗi kênh điều khiển phải dùng 4 khuyếch đại thuật toán, do đó ta
chon 6 IC loại TL084 do hãng Texas Instruments chế tạo, mỗi IC này có 4
khuyếch đại thuật toán. Thông số củ TL048:
Điện áp nguồn nuôi: V
cc
= ± 18 V, chọn V
cc
= ± 12 V
Hiệu điện thế giữa hai đầu vào: ± 30 V
Nhiệt độ làm việc: T = -25

85

0
C
Công suất tiêu thụ: P = 680 mW = 0,68 W
Tổng trở đầu vào: R
in
= 10
6
MΩ
Dòng điện đầu ra: I
ra
= 30 pA
Tốc độ biến thiên điện áp cho phép: du/dt = 13 V/µs
Mạch tạo chùm xung có tần số: f
x
= 1/2t
x
= 1/2.100 = 5 kHz hay tru kỳ
của xung trùm.
T = 1/f = 200 µs; ta c ó: T = 2.R
8
C
2
.ln( 1+2.R
8
/R
7
)
Chọn R
6
= R

7
= 33 kΩ thì T = 2,2.R
8
.C
2
= 200 µs
Vậy: R
8
.C
2
= 90 µs
Chọn tụ C
2
= 0,1 µF có điện áp U = 16 V; R
8
= 0,9Ω.
Đểm thuận tiện cho việc điều chỉnh khi lắp mạch thì ta chọn R
8
là
biến trở 1 kΩ.
3.2.6. Tính chọn tầng so sánh
Khuyếch đại thuật toán đã chọn loại TL084
Trong đó nếu nguồn nuôi V
cc
= ± 12 V. Thì điện áp vào A
3
là U
v
= 12
V.

Dòng điện vào được hạn chế để I
lv
< 1 mA
Chọn R
4
= R
5
> U
v
/I
v
= 12/1.10
-3
= 12 kΩ
Do đó ta chọn R
4
= R
5
= 15 kΩ khi có dòng vào A
3
:
I
vmax
= 12/(15.10
9
) = 0,8 mA
3.2.7. Tính chọn khâu đồng pha
Điện áp tụ được hình thành do sự nạp của tụ C
1
, mặt khác để đảm

bảo điện áp tụ có trong một nửa chu kỳ điện áp lưới là tuyến tính thì hằng
số thời gian tụ nạp được T
r
= R
3
.C
1
= 0,005s.
Chọn tụ C
1
= 0,1 µs thì điện trở R
3
= T
r
/C
1
= 0,005/0,1.10
-6

Vậy R
3
= 50.10
3
Ω = 50 kΩ
Để thuận tiện ch điều chỉnh khi lắp ráp mạch R
3
, thường chọn là biến
trở lớn hơn 50 kΩ chọn Tranzito Tr
1
loại A564 có các thông số:

Tranzito loại NPN làm bằng Si
Điện áp giữa Colecto và Bazơ khi hở mạch Emito: U
CBO
= 25 V
Điện áp giữa Emito và Bazơ khi hở mạch Colecto: U
EBO
= 7 V
Dòng điện lớn nhất của Colecto có thể chịu đựng I
cmax
= 100 mA
Nhiệt độ lớn nhất ở mặt tiếp giáp: T
cp
= 150
0
C
Hệ số khuyếch đại: β = 250
Dòng cực đại của Bazơ: I
B3
=I
c
/β = 100/250 = 0,4 mA
Điện trở R
2
để hạn chế dòng điện đi vào Bazơ Tranzito Tr
1
được
chọn như sau:
Chọn R
2
thỏa mãn điều kiện: R

2
> U
Nmax
/I
B
= 12/0,4.10
-3
= 30 kΩ
Chọn R
2
= 30 kΩ
Chọn điện áp xoay chiều đồng pha: U
A
= 9 V
Điện trở R
1
để hạn chế dòng điện khuyếch đại thuật toán A
1
, thường
chọn R
1
sao cho dòng vào khuyếch đại thuật toán I
V
< 1 mA. Do đó:
R
1
> U
A
/I
V

= 9/1.10
-3
= 9 kΩ. Chọn R
1
= 10 kΩ
3.2.8. Tạo nguồn nuôi
Thiết kế máy biến áp dùng cho cả việc tạo điện áp đồng pha và tạo
nguồn nuôi, chọn kiểu biến áp 3 pha 3 trụ, trên mỗi trụ có 5 cuộn dây, một
cuộn sơ cấp và bốn cuộn thứ cấp.
Cuộn thứ cấp thứ nhất
Cấu tạo ra nguồn điện áp ± 12 V để cấp cho nuôi IC, các bộ điều
chỉnh dòng điện, tốc độ và điện áp đặt tốc độ. Nguồn này được cấp bởi ba
cuộn dây thứ cấp.
Hai chỉnh lưu tia 3 pha để tạo điện áp nguồn nuôi đối xứng cho IC.
Điện áp đầu ra của ổn áp chọn 12V. Điện áp vào của IC ổn áp chọn 20V.
Điện áp thứ cấp các cuộn chọn là:

VU 18,14
2
20
21


Chọn U
21
= 14V
Để ổn định điện áp ra của nguồn nuôi ta dùng 2 vi mạch ổn áp 7812
và 7912, các thông số chung của vi mạch này như sau:
Điên áp đầu vào: U
V

= 7

35 V
Điện áp đầu ra: IC 7812 có U
ra
= 12V
IC 7912 có U
ra
= -12V
Dòng điện đầu ra: I
ra
= 0

1 A
Tụ điện C
1
, C
2
dùng để lọc phần song hài bậc cao.
Chọn tụ C
1
= C
2
= C
3
= C
4
= 470 µF; U = 35 V
Cuộn thứ cấp thứ 2: Tạo nguồn nuôi cho biến áp xung, cấp xung điều
khiển cho các Thyristor + 12V. Do mức độ sụt xung cho phép tương đối

lớn lên nguồn này không cần ổn áp. Mỗi khi phát xung điều khiển công
suất xung đáng kể, nên cần tạo cuộn dây này riêng rẽ với cuộn dây cấp
nguồn IC, để tránh gây sụt áp nguồn nuôi IC.
Cuộn thứ cấp thứ 3,4 là các cuộn dây đồng pha. Các cuộn dây này
cần lấy trung thực điện áp hình sin của lưới, tốt nhất nên quấn biến áp
riêng. Tuy nhiên, theo kinh nghiệm có thê quấn chung với biến áp nguồn
nuôi cũng có thể được. 3.2.9. Tính toán máy biến áp nguồn nuôi và
đồng pha
1) Điện áp lấy ra ở thứ cấp cuộn dây nguồn nuôi IC: U
21
= 14V
2) Công suất tiêu thụ ở 6 IC TL084 sử dụng làm khuyếch đại thuật
toán ta chọn hai IC TL084 để tạo 6 kênh điều khiển và 2 cổng AND.
P
IC
= 8.0,68 = 5,12 W
3) Công suất BAX cấp cho cực điều khiển Thyristor
P
x
= 6.U
NX
.I
dk
= 6.3.0,2 = 3,6 W
4) Điện áp ba pha thứ cấp cuộn dây nguồn nuôi biến áp xung

VU 91,4
32
12
22


; chọn 5V
5) Điện áp lấy ra ở thứ cấp cuộn dây đồng pha U
3,4
= 5V
6) Dòng điện chạy qua cuộn dây đồng pha chọn 10mA
7) Công suất các cuộn dây đồng pha
P
df
= 6. U
df
.I
df
= 6.50.0,1 = 0,3 W
8) Công suất sử dụng cho việc tạo nguồn nuôi
P
N
= P
df
+ P
IC
+ P
x

P
N
= 0,3 + 5,12 + 3,6 = 9,02 W
9) Công suất của máy biến áp có kể đến 5% tổn thất trong máy:
S = 1,05.P
N

= 1,05.9,02 = 9,471 VA
10) Dòng điện sơ cấp máy biến áp:
I
1
= S/3.U
1
= 9,471/3.220 ≈0,01435 A
11) Tiết diện trụ của máy biến áp được tính theo công thức:

2
51,1
50.3
471,9
.6
.
cm
fm
S
kQ
Qt


Ta chọn chuẩn hóa tiết diện trụ theo bảng
Q
t
= 1,63 cm
2

Kích thước mạch từ là thép dày σ = 0,5 mm
Số lượng lá thép: 68 lá

a = 12 mm
b = 16 mm
h = 30 mm
hệ số ép chặt k
c
= 0,85
12) Chọn mật độ từ cảm B= 1T ở trụ ta có số vòng dây sơ cấp:

6080
44,4
1
1

T
QBf
U
W
vòng
13) Chọn mật độ dòng điện J
1
= I
2
= 2,75 A/mm
2

14) Tiết diện dây quấn sơ cấp:
W
11
= 0,0052 mm
2

15) Đường kính dây sơ cấp:
W
12
= 0,081 mm
16) Số vòng dây quấn thứ cấp W
21


940
220
34
.6080.
1
2
121

U
U
WW
vòng
17) Số vòng dây quấn thứ cấp W
22


135
220
91,4
.6080.
1

22
122

U
U
WW
vòng
18) Số vòng dây quấn thứ cấp W
23


138
220
5
.6080.
1
23
123

U
U
WW
vòng
19) Đường kính dây quấn các cuộn thứ cấp vì kích thước nhỏ
không đáng kể chọn 0,26 mm.
Các thông số còn lại của biến áp nguồn nuôi được tính như đã giới
thiệu
20) Tính chọn diode cho bộ chỉnh lưu nguồn nuôi:
- Dòng điện hiệu dụng qua diode:

A
I
I
IC
DHD
123,0
12,2
12,5
.
3
1
3



- Điện áp ngược lớn nhất mà diode phải chịu:
VUU
N
3,3414.45,2.6
21max


- Chọn diode có điện áp ngược lớn nhất:
U
n
= k
u
.U
Nmax
= 2.34,3 = 68,6 V

Chọn diode loại KII208A có các thông số:
- Dòng điện định mức: I
dm
= 1,5 A
- Điện áp ngược cực đại của diode: U
N
= 100 V
3.3. Ghép nối thành sơ đồ hoàn chỉnh