TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN

TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN
I.Yêu cầu đối với mạch điều khiển
- Mạch điều khiển là khâu rất quan trọng trong bộ biến đổi Tiristo vì nó đóng
vai trò chủ đạo trong việc quyết định chất lượng và độ tin cậy của BBĐ. Yêu
cầu của mạch điều khiển có thể tóm tắt trong 6 điểm chính sau:
+ Yêu cầu về độ rộng xung điều khiển.
+ Yêu cầu về độ lớn xung điều khiển.
+ Yêu cầu về độ dốc sườn trước của xung (càng cao thì việc mở càng
tốt thông thường
0,1A/μ,
dt
di
DK
≥
).
+ Yêu cầu về sự đối xứng của xung trong các kênh điều khiển.
+ Yêu cầu về độ tin cậy.
. Điện trở kênh điều khiển phải nhỏ để Tiristor không tự mở khi dòng rò
tăng.
.Xung điều khiển ít phụ thuộc vào dao động nhiệt độ, dao động điện áp
nguồn.
. Cần khử được nhiễu cảm ứng để tránh mở nhầm.
+ Yêu cầu về lắp ráp vận hành.
. Thiết bị thay thế dễ lắp ráp và điều chỉnh.
. Dễ lắp lẫn và mỗi khối có khả năng làm việc độc lập.
II. Nguyên lý chung của mạch điều khiển.
1. Nhiệm vụ của mạch điều khiển là tạo ra các xung vào ở những thời điểm
mong muốn để mở các van động lực của bộ chỉnh lưu.
- Tiristor chỉ mở cho dòng điện chảy qua khi có điện áp dương đặt trên Anốt
và có xung áp dương đătj vào cực điều khiển không còn tác dụng gì nữa.
- Chức năng của mạch điều khiển :

+ Điều chỉnh được vị trí xung điều khiển trong phạm vi nửa chu kỳ
dương của điện áp đặt trên anốt – katốt của tiristor.
+ Tạo ra được các xung đủ điều kiện mở tiristor độ rộng xung t
x
< 10µs.
Biểu thức độ rộng xung:
dt
di
I
t
dt
x
=
Trong đó: I
đt
là dòng duy trì của tiristor.
di/dt : tốc độ tăng trưởng của dòng tải.
Đối tượng cần điều khiển được đặc trưng bởi đại lượng điều khiển là góc α.
2. Cấu trúc của mạch điều khiển tiristor .
1 1
U
đk
là điện áp điều khiển , điện áp một chiều.
U
r
là điện áp đồng bộ, điện áp xoay chiều hoặc biến thể của nó, đồng bộ với
điện áp anốt – catốt của tiristor.
Hiệu điện áp U
đk
– U

r
dưa vào khâu so sánh (1) làm việc như một Trigơ.
Khi U
đk
– U
r
= 0 thì trigơ lật trạng thái, ở đầu ra nhận được một chuỗi xung
(sinU
s
chữ nhật ).
Khâu 2 : là đa hài một trạng thái ổn định.
Khâu 3 : là khâu khuyếch đại xung.
Khâu 4 : là biến áp xung.
Tác động vào U
đk
có thể điều chỉnh được vị trí xung điều khiển tức là điều
khiển góc α.
3. Nguyên tắc điều khiển.
* Mạch điều khiển tiristor có thể phân loại theo nhiều cách. Song các mạch
điều khiển đều dựa theo nguyên lý thay đổi góc pha và theo đó ta có hai
nguyên lý khống chế “ngang” và khống chế “đứng”.
- Khống chế “ngang “ là phương pháp tạo góc α thay đổi bằng cách dịch
chuyển điện áp ra hình sin theo phương ngang so với điện áp tựa.
+ Nhược điểm của phương pháp khống chế này là góc α phụ thuộc vào
dạng điện áp và tần số lưới, do đó độ chính xác của góc điều khiển thấp.
- Khống chế “đứng” là phương pháp tạo góc α thay đổi bằng cách dịch
chuyển điện áp chủ đạo theo phương thẳng đứng so với điện áp tựa răng cưa.
+ Phương pháp khống chế “đứng” có độ chính xác cao và khoảng điều
khiển rộng ( từ 0 -> 180
0

).
+ Có hai phương pháp điều khiển “đứng “:
. across
. tuyến tính
a) Nguyên tắc điều khiển thẳng đứng tuyến tính
2 2
Tổng đại số của U
r
+ U
đk
đưa đến đầu vào của một khâu so sánh. Bằng cách
làm biến đổi U
đk
ta có thể điều chỉnh được thời điểm xuất hiện xung ra tức là
điều chỉnh được góc α.
Khi U
đk
= 0 ta có α = 0.
Khi U
đk
< 0 ta có α > 0.
Quan hệ giữa α và U
đk
như sau:
rmax
dk
U
U
π.α =
b) Nguyên tắc điều khiển thẳng đứng “acrcoss”.

Nguyên tắc này dùng hai điện áp:
+ Điện áp đồng bộ U
r
vượt trước điện áp anốt – catốt một góc bằng π/2
(Nếu U
AK
= A.sinwt thì U
r
= B.coswt )
+ Điện áp điều khiển được U
đk
là điện áp một chiều có thể điều chỉnh
được biên độ theo hai hướng (dương và âm).
Trên hình vẽ đường nét đứt là điện áp anốt – catốt tiristor, từ điện áp này
người ta tạo ra U
r
. Tổng đại số U
r
+ U
đk
được đưa đến đầu vào của khâu so
sánh .
Khi U
r
+ U
đk
= 0 ta nhận được một xung ở đầu ra của khâu so sánh :
U
đk
+ B.cosα = 0

Do đó α = arccos(-U
đk
/B)
Thường lấy B = U
đk max
Khi U
đk
= 0 thì α =π/2
Khi U
đk
= - U
đk max
thì α= 0
Như vậy khi cho U
đk
biến thiên từ - U
đk max
đến + U
đkmax
thì α biến thiên từ
0 đến π.
Nguyên tắc này được sử dụng trong cscs thiết bị chỉnh lưu đòi hỏi chất
lượng cao.
3 3
Nhận xét: Theo yêu cầu thiết kế mạch điều khiển ta thấy nguyên tắc
điều khiển thẳng đứng tuyến tính là phù hợp, ta chọn nguyên tắc điều khiển
này.
III. Tính toán các thông số của mạch điều khiển
A. Nguyên tắc điều khiển riêng.
A. Nguyên lý hoạt động của sơ đồ điều khiển:

Khi cấp nguồn điện 380V vào sơ cấp của BA nguồn phía thứ cấp của BA
hạ áp qua cuộn dây W
2-1
qua cầu chỉnh lưu hai nửa chu kì D
9
và D
10
điện áp
tại điểm (I) U
1
là điện áp một chièu hình sin láy phần dương và đặt vào cửa
đảo của thuật toán A
1
tại đây so sánh với điện áp U đặt được đưa vào cửa
trừ của A
1
Nếu U
r
<U
đ
thì U
ra
trên OA
1
là điện áp dương điốt D
11
mở lúc này tụ C
8
được phóng điện từ C
8

đến R
5
-> D
11
qua OA
1
về âm nguồn .
Do sự đóng mở của D
11
làm trên tụ C
8
phóng nạp tạo ra trên (III) một điện
áp hình răng cưa .Độ dốc của răng cưa có thể thay đổi qua triết áp VR
2
.
Do đó điốt zơle (D
z
) nên diện áp trên tụ max khi nạp luôn bằng điện áp
ngưỡng trên điốt zơle. Điện áp răng cưa được đưa vào cửa đảo của OA
7
và
so sánh với điện áp điều khiển.Điện áp điều khiển này được lấy từ điện áp
phản hồi đưa vào so sánh với điện áp đặt qua bộ cộng đảo dấu. Khi tốc độ
trên mạch lực thay đổi , tốc độ phản hồi cũng thay đổi tỉ lệ thuận với điện
áp trên mạch lực và đưa vào khâu so sánh để khuyếch đại đưa đến tín hiệu
điều khiển để điều khiển sự thay đổi góc mở α. Trong mạch vòng phản hồi
có mạch vòng phản hồi dòng điện . Dòng điện qua sun thay đổi thì điện áp
phản hồi qua sun thay đổi.Tín hiệu điều khiển đưa vào cửa cộng của khâu
so sánh .Nếu U
rc

>U
đh
thì đầu ra của OA
3
là xung âm.Nếu U
rc
<U
đk
thì đầu ra
của OA
3
là xung dương Khi đó bộ phát xung chùm dưới sự phóng nạp của
tụ C
9
tạo ra chuỗi xung hình chữ nhật.Vì tín hiệu ra nhỏ được khuếch đại
qua đèn T
s
, xung qua điốt Đ
13
chỉ giữ lại phần âm được trộn lẫn với xung
ra từ khâu so sánh A
3
tạo thành từng chùm xung dương. Nhưng tín hiệu
xung vẫn chưa đủ lớn để kích mở Tiristo do đó được đưa qua bộ khuếch
đại xung. Các transisto mắc theo kiểu Dalingtơn. Xung dương được đặt
vào bazơ của T
1
làm T
1
mở và T

2
mở theo khi đó có xung đi vào biến áp
xung.Trên cuộn thứ cấp của biến áp xung có xung để kích mở tiristo. Khi
xung tắt T
1
vàT
2
bị khoá ,điện áp trên biến áp xung giảm đột ngột ,cuộn dây
của biến áp xung xuất hiện sức điện động cảm ứng ngược dấu lúc đó điốt
D
15
và D
19
thông dập tắt sức điện động để bảo vệ các transistor.
B. Tính toán các khâu của mạch điều khiển
Theo như trên ta đã tính toán cho mạch lực:
Ud=440(v) Id= 68,18 (A)
4 4
Ơ đây mạch điều khiển sẽ điều khiển điện áp cũng như dòng điện ở mạch
lực cho phù hợp với yêu cầu.
Để tính toán cụ thể cho mạch điều khiển ta điều khiển điện áp mạch lựcđể
cung cấp cho động cơ điện một chiều.
2-1
b
D10
w
a
D10
R2
R3

VR1
R1
A1
-E
+E
+E
1.Tính toán khối đồng pha
Nguyên lý hoạt động của khối đồng pha:
Khi cấp nguồn 220v vào sơ cấp của biến áp đồng pha,phía thứ cấp của biến
áp được hạ áp.Giả sử tại thời điểm ban đầu t=0,nửa chu kỳ đầu điện áp
dương đặt trên D
1
,D
1
sẽ thông và D
2
sẽ bị khoá,nửa chu kỳ sau tại thời
điểm t
2
= π điện áp xoay đảo dấu và thế dương được đặt vào anốt D
2
,D
2
sẽ
thông và D
1
bị khoá.Vậy điện áp trên điểm (I) là điện áp xoay chiều đươc
đưa qua chỉnh lưu thành điện áp một chiều nửa hình sin.
Điện áp một chiều nửa hình sin liên tiếp tại (I) được đưa vào cửa cộng của
khâu so sánh OA

1
.Điện áp được đưa vào cửa đảo của OA
1
là điện áp một
chiều phẳng Uđ có giá trị :U
imin
<Uđ< U
Imax
.Khi điện áp đặt vào cửa cộng
của OA
1
lớn hơn điện áp Uđ trên cửa đảo của OA
1
thì tại cửa ra của OA
một điện áp dương.Còn khi điện áp trên cửa cộng của OA nhỏ hơn điện áp
trên cửa đảo thì điện áp ra của OA
1
sẽ là một điện áp âm đặt lên điốt
5 5
D
35
.Như vậy OA
1
có nhiệm vụ so sánh điện áp nửa hình sin của U
1
với Uđ
trên cửa đảo và tạo ra trên đầu ra một điện áp dương ,âm liên tiếp dạng âm
Tính toán khối đồng pha:
Chọn E
+

= 12.
.sinθUU
dfmaxd
=→
với U
đf max
= 12V.
θ = 8
0
-> U
d
= 12.sinθ
0
= 12.sin8
0
= 1,7(V)
I.R
3
= 1,7V -> Chọn R
3
= 1,5 (kΩ)
Ta có :
1,7(V).R
RVR
E
3
31
=
+
-> VR

1
= 10,6(kΩ)
Thường chọn điện trở R
1
và R
2
sao cho dòng vào khuyếch thuật toán
I
V
<1mA.
Chọn R
1
= R
2
= U/I =9/10
-3
= 9(kΩ)
Chọn R
1
= R
2
= 10kΩ.
2.Khâu tạo điện áp răng cưa
R8
+E
R8
D10
-E
A2
+E

D10
III
D11
R1
Nguyên lý hoạt động của khâu tạo điện áp răng cưa :
Mạch làm nhiệm vụ tạo điện áp răng cưa đưa vào cửa đảo của A
3
.Khi
U
đf
>0 thì D
11
mở tụ C
8
phóng theo đường
+E -> VR2 -> R
4
-> C
8
-> A
2
về âm nguồn
+ Tính chọn khâu răng cưa :
Điện áp tựa được hình thành do sự nạp của tụ C
1
, mặt khác để dảm bảo điện
áp tựa có trong một nửa chu kỳ điện áp lưới là tuyến tính thì hằng số thời gian
tụ nạp được :
T
1

= R.C = 0,005 (s)
6 6
Chọn tụ C
1
= 0,47µF thì R
3
= T/C = 0,005/0,47.10
-6
= 10.10
3
(Ω) = 10(kΩ)
Giá trị điện tích trên tụ C
8
:
0n
42
c
θ
θ
0
42
θ
θ
0nc
U.I
RVR
E
.
C
1

U
U.dt
RVR
E
C
1
U.dti
C
1
U
1
0
1
0
+
+
=
+
+
=+=
∫∫
U
0
là điện áp trên tụ khi bắt đầu nạp tụ C
8
.
U
0
= U
D 7

ta chọn điốt rơle có điện áp ngưỡng :
U
ng D 7
= 9,1 (V)
Chọn nguồn nạp : ± 12V.
Để cuối quá trình nạp U
c
= 0 ta cần chọn :
VR
4
+ R
4
sao cho :
9,1.C
12.9,2.10
RVR
0U
).CR(VR
E.T
3-
42
0
42
n
=+
=+
+
Chọn C
8
= 0,47 µF thì VR

4
+ R
4
= 26.10
3
(Ω) = 26 (kΩ)
Giá trị của dòng nạp:
(A)0,46.10
26
12
RVR
E
I
3
42
n
−
==
+
=

Giá trị điện áp trên tụ sau khi phóng :
1,7(kΩ,
0,47.10
0,8.10
R
0,8(ms).RC
I
)U.(UC
T

.I.t
C
1
UU
U.T.I
C
1
UI.dt.
C
1
U
6
3
5
58
P
0C8
P
Pp
8
0c
θ
θ
0PP
8
0
8
c
1
2

==
==
+
=
=+
−=−=
−
−
∫
Chọn R
5
= 1,7kΩ.
3. Khâu so sánh
7 7
A7
R25
-E
R6
+E
Điện
áp răng cưa đưa vào cửa đảo của A
7
Điện áp điều khiển đưa vào cửa cộng của A
7
Nếu U
rc
>U
đk
đầu ra của A
7

là xung âm
Nếu U
rc
>U
dk
đầu ra của A
7
là xung dương
Khi đó đầu ra của A
7
có chuỗi xung vuông liên tiếp .Phần tử chính của
khâu so sánh là IC thuật toán A
7
.
Chọn R
6
= R
25
=10kΩ
4.Khâu phát xung chùm
R9
-E
R11
A8
+E
R10
D12
T5
D13
R8

R6
-E
Nguyên lý hoạt động của khâu phát xung chùm
8 8
Đóng nguồn cho A
8
sau một pha quá độ ở đầu ra của thuật toán A
8
sẽ
cho một chuỗi xung hình chữ nhật xen kẽ nhau ta chọn giá trị của tụ C và
các điện trở phù hợp cho các xung ra xuất hiện với tần số cao thì các xung
ở đầu ra thể hiện như dạng chùm xung
Giả sử tại thời điểm ta xét tụ C được nạp đầy tức là U
2
>U
c
điện áp lúc
này ở đầu ra của A
8
sẽ là điện áp âm sau một thời gian khi điện áp ra qua
R
8
về tụ hết phóng điện(được nạp theo chiều ngược lai )U
2
<0.Khi đó Ud>0
và điện áp đầu ra thay đổi thành điên áp dương.Như vậy do đặc tính phóng
nạp của tụ C
9
tạo trên A
8

một điện áp ra dạng xung vuông liên tiếp,tín hiệu
ra nhỏ do đó được khuếch đại qua transistoT
5
qua xung điốt D
13
chỉ là
chùm xung giữ lại phần âm.
+ Tính chọn phát xung :
T = 2,2 . R
8
. C
9
.
Chọn R
7
= R
9
.
Chọn tần số phát xung chùm f = 5kHz.
T = 1/ 5.10
-3
= 0,2 . 10
-3
= 2.10
-4
(s)
Chọn C
9
= 0,02µF = 0,02.10
-6

F.
)Ω4545(
02,2.0,02.1
2.10
R
6
4
8
==
−
−
Chọn R
8
= 4,5kΩ.
Chọn R
7
= R
9
= 5kΩ.
Chọn đèn T
5
loại P – N – P ký hiệu A564 có thông số :
Điện áp giữa colectơ và bagơ khi hở mạch emitơ U
Cbo
= 25V.
Điện áp giữa emito và bazơ khi hở mạch colectơ U
Beo
= 7V.
Dòng điện qua Colectơ I=100mA.
Nhiệt độ T

0
= 150
0
C.
Hệ số khuyếch đại β = 250.
0,4(A)
250
100
β
I
I
C
β
===

Chọn R
6
= - E/I
R6
= 12/0,1 = 120(Ω)
5.Khâu khuếch đại xung và biến áp xung
9 9