Giới thiệu tính toán thiết kế mạch điều khiển toàn hệ thống

Đồ án điện tử công suất
Chơng IV
Giới thiệu - tính toán - thiết kế mạch điều khiển toàn hệ
thống
I. Nhiệm vụ chức năng mạch điều khiển :
Nh ta đã biết Thyristo chỉ để mở cho dòng chạy qua khi có điện áp dơng đặt
lên anốt và có xung điều khiển đặt vào cực điều khiển. Sau khi Thyristo đã mở thì
xung điều khiển không còn có tác dụng gì nữa. Dòng điện chạy qua Thyristo do
thông số ở mạch lực quyết định.
1.Mạch điều khiển có chức năng sau:
- Điều chỉnh đợc vị trí xung điều khiển trong phạm vi nửa chu kì dơng của
điện áp đặt lên a-k của T.
- Tạo các xung điều khiển có thể mở đợc Thyristo. Xung điều khiển có độ
rộng 2 ữ10V; độ rộng xung t
x
= 20 ữ 100às.
Dộ rộng xung điều khiển có thể tính đợc theo công thức:
I
dt
: dòng duy trì của Thyristo
di/dt: tốc đọ tăng trởng của dòng điện tải.
2.Cấu trúc chung của mạch điều khiển nghịch lu:
3.Yêu cầu về mạch điều khiển:
Mạch điều khiển là một khâu quan trọng trong hệ thống điều khiển Thyrisro, nó là
bộ phận chủ yếu quyết định chất lợng và độ tin cậy của bộ biến đổi.
1
dt
di
t
dt
I

x
=
FX
chủ đạo
Chia
xung
KĐSX NLĐL
ND
Tín hiệu phản hồi
Đồ án điện tử công suất
Yêu cầu về bộ biến đổi có thể tóm tắt nh sau: Mỗi thyristo có 1 đặc tính là quan
hệ giữa điện áp trên cực điều khiển và dòng điện chạy qua cực điều khiển U
đk
= f(I
đk
).
Quan hệ giữa chúng đợc biểu diễn nh sau:
Do sai lệch về thông số chế tạo và điều kiện làm việc ngay cả T cùng loại
cũng có đặc tính đầu vaò khác nhau. Với mỗi loại thyristo ta có các đặc tính này dao
động giữa 2 đặc tính giới hạn a và b.
- Yêu cầu độ lớn của điện áp và dòng điều khiển có 3 yêu cầu chủ yếu sau:
+ Các giá trị lớn nhất không vợt quá giá trị cho phép.
+ Giá trị nhỏ nhất cũng phải đảm bảo đợc tất cả các Thyristo cùng loại ở mọi
điều kiện làm việc.
+ Tổn hao công suất trung bình ở cực điều khiển nhỏ hơn giá trị cho phép.
- Yêu cầu về tính đối xứng của xung trong kêng điều khiển: Trong các bộ biến
đổi có nhiều pha, tính đối xứng của xung điều khiển rất quan trọng, nếu xung điều
khiển mất tính đối xứng sẽ làm cho dòng anốt của các pha có hìh dạng khác nhau và
giá trị khác nhau làm mất cân bằng cảu máy biến áp xung do đó giảm công suất
MBAX.

- Yêu cầu về độ rộng xung điều khiển: Thông thờng độ rộng xung không nhỏ
hơn 5 às và tăng độ rộng của xung điều khiển sẽ cho phép giảm nhỏ xung điều
khiển. Khi mạch tải có điện cảm lớn thì dòng điện tải i
t
tăng chậm nên phải tăng độ
rộng của xung điều khiển.
-Yêu cầu về độ tin cậy của mạch điều khiển: Mạch điều khiển phải làm việc
tin cậy trong mọi trờng hợp nhiẹt độ thay đổi.
2
Đồ án điện tử công suất
-Yêu cầu về lắp ráp vân hành: Sử dụng thiết bị dễ thay thế, dễ lắp ráp, điều
chỉnh, thiết bi thay thế dễ dàng giữa các khối cho nhau nhng mối khối phải có khả
năng làm việc đập lập.
II. Tính toán mạch điều khiển:
1.Khối phát xung chủ đạo: Ta dùng vi mạch 555 đây là khối phát xung chữ nhật.
Sơ đồ khối phát xung nh sau:
Để dảm bảo xung ra có T
1
=T
2
tức là đối xứng hoàn toàn thì ta thiết kế vi mạch 555
có tần số băng 2 lần tần số yêu cầu tức là f=2000Hz sua đó đầu ra của 555 đa vào
mạch đếm logic chia 2 ( Một flip-flipTrigơ). Vậy ta có chu kỳ đầu ra của vi mạch
555:
T=0,639C(R
1
+R
2
+2P
1

+P
2
=; để xung đối xứng T
1
T
2
ta chon R
1
=R
2
; x=1/2 khi
đó T=0,693C(2R
1
+2P1+P
2
)
Chon C= 0,01àF ta có:
3
Z
V
3
s
R
5k
5k
C
1
xP
2
P

2
D
2
27kD
1
Tr
1
5k
R
1
+E 15V
P
1
5,7k
0
27k
U
c
1
Đồ án điện tử công suất
T= 0,693.0,01.10
-6
.(2R+2P
1
+P
2
)=1/f=1/2000 = 0,0005
2R + 2P
1
+P

2
= 72150; Chon R =27k 2P
1
+P
2
=1,82k
Chon P
1
= 5,7k P
2
= 6,8k. Vậy thiết kế mạch xung có f=2000Hz dung
555 thì C = 0,01àF; R
1
= R
2
=27K; P
1
= 5,7k; P
2
=18,2k.
D
1
,D
2
là hai điốt chọn cùng loại có ký hiệu 204 I
tb
=800mA; U
đm
=100V.
Tranzito Tr

1
chon loại c828 có U
ce
=30V; I
cmax
=300mA; =30ữ100; I
c
=10A;
2. Thiết kế bộ chia xung:
Ta dùng 1 Flip-flop Trigơ loại T-FF tuy nhiên T-FF không bán trên thị trờng.
Muốn có ta phỉa tạo ra từ các Flip-Flop khác. ở đây ta tạo ra từ D Flìplop không
đồng bộ theo sờn lên của xung nhịp ta có thể tạo ra đợc T-FF tích cực cao lật trạng
thái ở sờn lên của xung nhịp).
Vậy xung sau khi ra khỏi bbộ chia xung có tần số f = 1000Hz.
3.Thiết kế bộ tạo độ rông xung:
Tạo ra xung đơn ( xung kim) có độ rọng t
x
=100às = 10
-4
s
Sơ đồ khối bộ tạo độ rông xung:
4
D Q
C Q
Ra
R
1
T
t
T

Q
t

E
2
+24V
D
z
D
3
D
4
D
5
Tr
2
R
5
R
4
C828
2k
120
204
204
G
K
204
Đồ án điện tử công suất

Hoạt động của sơ đồ:
Khi x =0; z
1
=0; z
2
=0; z
3
=0; z
4
=1; y=0
Khi x =1; z
1
=0; z
2
=1; tụ điện C
2
đợc nạp điên qua điện trở R
2
. Lúc đầu
U
R3
=1 do đó z
4
=0, y =1, sau thời gian t=R
3
C
2
thì U
R2
=0 thì z

4
=1 và
y =0. Trong đó múc lôgic o khoảng 0,4 đến 0,6V.
Độ rộng xung ra là t
x
= R
3
C
2
, thờng chọn R
3
=1k t
x
=10
-4
= 1000C
2

C
2
= 0,1àF.
Vậy khâu tạo xung có sơ đồ nh hình vẽ và chọn
C
2
= 0,1àF; R
3
= 1k.
4 phần tử NAND trong sơ đồ nằm trong con IC4011 có sơ đồ chân nh sau:
4. Thiết kế máy biến áp xung:
Sử dung BAX với mục đích sau:

-Dễ dàng tạo đợc xung với biên độ phù hợp với
tải.
-Cách ly về điện giữa mạch điều khiển và hệ thống động
lực.
5
&
&
& &
y
x
z
2
z
1
z
4
z
3
C
2
CMOS 4011
14
Vcc
13 12 11 10 9 8
76
5
4321
2,0
5,1
3,0

1
===
n
I
I
dk
SB
tU
W
s
x
.
1
1
=
)(23
10.45,0
10.100.5,10
4
4
1
vòngW
==


)(15
5,1
23
1
2

vòng
n
W
W
===
mm
j
I
d 357,0
3.14,3
3,0
2
.
2
2
2
===
mm
j
I
d 28,0
3.14,3
2,0
2
.
2
1
1
===

I
E
R
c
120
2,0
24
max
2
2
5
===
Đồ án điện tử công suất
-Dễ dàng thay đổi cực tính của xung ra.
Khi chọn van điều khiển thì giá trị dòng và áp:
I
đk
=0,3A
U
đk
=7V
Điện áp điều khiển và dòng điện điều khiển chính là giá trị dòng và áp thứ cấp
của BAX. Theo kinh nghiệm tỷ số BAX thờng chọn từ 1ữ3 là tốt nhất. Do đó ta chọn
n=1,5. Nh vây điện áp đặt lên cuộn sơ cấp phải là:
U
1
= n.U
đk
=1,5.7 =10,5V.
Dòng điệ sơ cấp:

Ta chọn vật liệu lõi thép là pherit, làm việc trên 1 phần đặc tính từ hoá B
s
=
0,45T; độ từ thẩm à = 6000A/m
2
, có diện tích lõi thép là 1cm
2
.
*Số vòng dây cuộn sơ cấp :
t
x: Chiều
dài xung điều truyền qua BAX , thờng chọn t
x
từ 10ữ 600às, ở đây ta
chọn t
x
=100às
*S diện tích lõi pherit lấy S =10
-4
mm
2
*Số vòng dây cuộn thứ cấp:
*Chọn mật độ dòng điện j=3A/mm
2
Đơng kính cuộn thứ cấp:
Đờng kính cuộn sơ cấp:
*Chọn R
4
=2k, chọn tranditocó I
c2mã

=I
1
=0,2A

Chọn Tr
2
là C828 có U
ce
=30V; I
c2max
=300mA; =30ữ100; D
3
, D
4
, D
5
, chọn
loại điốt 204 có I
tb
=800mA;U
m
=100V;
6
kR 6,1
10.1,0
10.16,0
6
3
9
==

Bộ dịch pha
Đồ án điện tử công suất
5. Lựa chọn khâu lệch pha:
Xung điều khiển T
1
T
4
muốn điều khiển T
3
T
2
thì ta phải dich xung đó đi một
góc do đó ta phải thiết kế khâu dịch pha:
Đây là mạch trễ pha toàn thông , để tạo ra tín hiệu dịch pha ta mắc nối tiếp 2
bộ dịch pha 90
0
Chọn R
8
= 10k. Ta có độ lệch pha :() = -2tg
-1
. RC
Với =2.10
3
(rad/s) -2arctg(2.10
3
R
9
C

10
) = -90
0
R
9
C
10
= 1/2.10
3
= 0,16.10
-3
. Chọn tụ C
10
có dung lợng C
10
= 0,1àF
Chọn R
9
là chiết áp 3k.
Ký hiệu bộ dịch pha :
6. Khâu lấy tín
hiệu về:
Tín hiệu về có hai nhiệm vụ:
- Sau khi tín hiêu dòng và áp của bộ nghịch lu ra tải ổn định thì ngắt máy phát
xung chủ đạo.
7
U
v
TL081
+15

V
-
15V
u
ra
R
8
R
8
D
4
R
9