Tài liệu Thiết kế mạch điều khiển P2 doc

CHƯƠNG IV: THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN

YÊU CẦU VỚI MẠCH ĐIỀU KHIỂN.
- Phát xung điều khiển chính xác và đúng thời điểm mà người thiết kế
đã tính toán sẵn.
- Các xung điều khiển phát ra phải đủ lớn về biên độ và độ rộng để mở
van.
- Xung điều khiển phải có độ đối xứng cao và đảm bảo được phạm vi
điều chỉnh góc mở van, độ rộng đủ để cho dòng qua van vượt trị số dòng duy
trì I
d
của nó để khi ngắt xung van vẫn dẫn.
- Dạng xung được điều chỉnh thích hợp và tác động nhanh.
- Đảm bảo hoạt động tốt độ tin cậy cao khi điện áp nguồn thay đổi giá
trị biên độ.
- Có khả năng chống nhiễu từ lưới điện.
- Độ tác động nhanh dưới 1ms.
Ngoài ra hệ thống điều khiển phải có nhiệm vụ ổn định dòng đi
ện ra tải
và bảo vệ hệ thống khi xảy ra sự cố quá dòng hay ngắn mạch tải.
NHIỆM VỤ CHỨC NĂNG MẠCH ĐIỀU KHIỂN.
Như đã biết thyristor chỉ mở cho dòng chạy qua khi điện áp dương đặt
lên anốt và có xung điều khiển đặt vào cực điều khiển, sau khi mở van xong
thì xung điều khiển không còn tác dụng nữa. Dòng điện chạy qua van lúc này
do thông số mạch lực quyết định.
Mạch điều khiển điều chỉnh được vị trí xung điều khiển trong phạm vi
nửa chu kỳ
dương của điện áp đặt lên anôt - catôt của thyristor.

I. CẤU TRÚC CHUNG CỦA MẠCH ĐIỀU KHIỂN.

Hình 4.1
U
c
: Điện áp điều khiển đây là điện áp một chiều.
U
r
: Điện áp đồng bộ, điện áp xoay chiều hoặc biến thế của nó động bộ
với điện áp anot - catot của tristor.
Khâu 1
: Hiệu điện áp U
c
- U
r
được chuyển vào khâu so sánh làm việc
như một trigiơ, khi U
c
- U
r
= 0 thì trigơ lật trạng t hái ở đầu ra của nó nhận
được một chuỗi xung dạng chữ nhật.
Khâu 2
: Là đa hài một trạng thái ổn định.
Khâu 3
: Là khâu khuếch đại xung.
Khâu 4
: Là khâu biến áp xung.
Bằng cách tác động vào U

c
ta có thể điều chỉnh được α.
II. NGUYÊN TẮC ĐIỀU KHIỂN XUNG ĐIỀU KHIỂN.
1. Nguyên tắc điều khiển ngang.


Hình 4.2
* Khâu đồng bộ (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 của điện áp ra theo tác
động U
đk
.
* Khâu tạo xung (TX) ở thời điểm khi điện áp dịch pha U
dp
qua điểm
O.
* Khâu khuếch đại xung (KĐX) để tăng đủ công suất gửi tới cực điều
khiển của van.
Như vậy góc điều khiển α thay đổi thời điểm phát xung mở van thay
đổi nhờ sự tác động của U
đk
làm điện áp U
df
di chuyển theo chiều ngang của
trục thời gian.
2. Nguyên tắc điều khiển dọc.
U

t
: Khâu tạo điện áp tựa có dạng cố định theo chu kỳ do nhịp đồng bộ
của U
đb
.
Khâu so sánh (SS) xác định điểm cân bằng của điện áp điều khiển U
đk

và U
t
để phát động khâu tạo xung.
Trong nguyên tắc này thời điểm phát xung mở van hay góc điều khiển
thay đổi do sự thay đổi trị số của U
đk
nên đồ thị là sự di chuyển theo chiều dọc
của trục biên độ. Đa số trên thực tế sử dụng nguyên tắc này.

Hình 4.3
3. Mạch điều khiển một kênh và nhiều kênh.
Các mạch chỉnh lưu công suất thường có số van cần điều khiển lớn hơn
1. Vì vậy người ta cho MĐK thành 2 loại.
a. Mạch điều khiển nhiều kênh (hình 4.3a)


Trong loại này có nhiều kênh điều khiển giống nhau về sơ đồ và
nguyên lý làm việc, mỗi một kênh này phụ trách phát xung mở cho một van
hoặc hai van cùng pha của mạch lực. Loại này rất thông dụng vì độ tác động
nhanh n0 có độ đối xứng điều khiển thấp, cùng một giá trị U
đk
có góc α ở các

kênh khác nhau độ sai lệch lên tới vài độ điện.
b. Mạch điều khiển một kênh (hình 4.3b)
Mạch này chỉ có một khối xác định một hay hai lần trong một chu kỳ
điện áp lực. Một bộ phận phát xung PPX đảm bảo nhiệm vụ phát xung lần
lượt đến các van bằng cách dịch xung đi một góc cần thiết (thường bằng
2
n
π

với n là số van lực).




Các mạch điều khiển có thể sử dụng kỹ thuật tương tự hoặc kỹ thuật số
(digital).
Mạch điều khiển analog có tác động nhanh chế tạo đơn giản, dễ thực
hiện và phổ biến hơn mạch digital. Song có nhược điểm ở chỗ nhạy nhiễu và
phải chỉnh định nhiều, khó đồng nhất các kênh điều khiển.
M
ạch điều khiển digital phức tạp có độ tác động không nhanh bằng
mạch điều khiển analog vì thời gian xử lý tín hiệu còn chậm, song khả năng
chống nhiễu tốt mạch ít phải chỉnh định và dễ đồng nhất các kênh nên thường
có chất lượng điều chỉnh cao hơn.
III. CÁC KHÂU CHÍNH TRONG MẠCH ĐIỀU KHIỂN.
1. Khâu đồng bộ.
Theo sơ đồ cấu trúc, khâu này phải tạo ra một điện áp có góc lệch pha
cố định với điện áp đặt lên van lực, phù hợp nhất cho mục đích này là máy
biến áp đồng pha. Dùng máy biến áp không nhưng cho phép thoả mãn yêu
cầu trên mà còn 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 là
điện áp thấp.


- Cách ly hoàn toàn về điện giữa mạch điều khiển và mạch lực điều này
đảm bảo an toàn cho người sử dụng cũng như các linh kiện điện tử.
Ở đây ta dùng máy biến áp một pha. Tuy nhiên mạch điều khiển có
nhiều khâu cũng cần dùng biến áp nên thường chỉ dùng chung một máy biến
áp có nhiều cuộn thứ cấp mỗi cuộn thực hiện một ch
ức năng riêng, trong đó
có cuộn cho khâu đồng bộ này.
2. Khâu tạo điện áp tựa.
Hiện nay sử dụng chủ yếu hai dạng điện áp tựa là dạng hình sin và dạng
răng cưa.
a. Điện áp tựa dạng hàm cosin.
Trong mạch điều khiển ta có U
d
= U
d0
.cosα.
Nếu điện áp tựa có dạng hàm cosin: U
t
= U
m
cosωt thì điểm phát xung
mở van tương ứng góc điều khiển ωt = α là khi điện áp tựa cân bằng với điện
áp điều khiển. U
đk
= U

m
cosα suy ra cosα =
®k
m
U
U
⇒ U
d
= K. U
đk
.
Như vậy điện áp chỉnh lưu tỉ lệ thuận với điện áp điều khiển, nói cách
khác chúng có quan hệ tuyến tính, quan hệ này cho phép dễ dàng hơn khi thực
hiện các mạch vòng điều chỉnh để đảm bảo các chỉ tiêu kỹ thuật.
Nhược điểm chung của mạch tạo điện áp tựa dạng hình sin là phụ thuộc
vào điện áp xoay chiều. Khi đ
iện áp này tăng lên hay giảm xuống thì điện áp
tựa cũng giảm theo làm cho góc điều khiển và điện áp chỉnh lưu biến động
theo. Mặt khác nếu tần số xoay chiều cũng thay đổi thì góc dịch pha sẽ không
còn giữ ở 90
0
nữa mà bị lệch khỏi giá trị này và do đó nó cũng gây hậu quả
tương tự như khi điện áp nguồn thay đổi. Vì vậy mạch tạo điện áp tựa loại này
ít dùng trong thực tế.
b. Điện áp tựa dạng răng cưa.


Đa số các mạch điện áp tựa trong mạch điều khiển chỉnh lưu hiện thời
đều dùng dạng răng cưa vì nó khắc phục được những nhược điểm của dạng
hình sin có nghĩa là nó ít bị ảnh hưởng của điện áp và tần số nguồn điện xoay

chiều. Tuy nhiên nhược điểm của nó là không đạt được quan hệ tuyến tính
gi
ữa điện áp điều khiển và điện áp chỉnh lưu nên sẽ khó khăn hơn khi tiến
hành quá trình tự động hoá điều chỉnh và ổn định các thông số của mạch
chỉnh lưu nói riêng hay của thiết bị nói chung có thể chia nó làm hai loại
chính là răng cưa phi tuyến và răng cưa tuyến tính, có hai phương pháp cơ
bản tạo hàm răng cưa.
- Dùng tranzito và tụ điện.
- Dùng khuếch đạ
i thuật toán và tụ điện.
Tạo răng cưa tuyến tính. Đa số các bộ tạo răng cưa tuyến tính đều dựa
trên nguyên tắc nạp cho tụ C, bằng dòng điện không đổi I
c
, vì thực chất quan
hệ giữa điện áp và dòng điện của tụ điện.
U
c
(t) = U
c
(0) +
e
1
idt
C
∫

Mạch tạo răng cưa dùng KĐTT OA.
Nhược điểm của các sơ đồ tạo điện áp răng cưa dùng tranzito là sự phụ
thuộc khá rõ thời điểm mở và khoá các bóng vào điện áp đồng pha. Do vậy
điện áp răng cưa cũng ít nhiều bị biến động theo điện áp lưới xoay chiều.

Điều này làm ảnh hưởng tới góc α cũng như phạ
m vi điều chỉnh nó. Mặt
khác độ tuyến tính của răng cưa cũng không thật cao. Hiện nay mạch tạo răng
cưa sử dụng OA ngày càng được ứng dụng nhiều hơn do khắc phục được các
nhược điểm trên, mặt khác giá thành lại rẻ.
Vậy để chế tạo điện áp răng cưa trong đồ án này sử dụng mạch KĐTT
OA để tạo đ
iện áp răng cưa tuyến tính.



Hình 4.4a

Hình 4.4b

* Nguyên lý hoạt động (hình 4.4a)
θ
U
®p
π2/π
U
CL
θ
0
0
0
U
CL
θ
θ

U
CL
0


Dùng mạch KĐTT OA để tạo điện áp răng cưa tuyến tính vì mạch này
hạn chế được sự phụ thuộc của thời gian đóng mở các bóng tranzito, khắc
phục những biến động theo điện áp lưới xoay chiều nên α ít bị ảnh hưởng.
Máy biến áp tạo điện áp đồng pha với điện áp đặt vào mạch lực. Điện
áp hình sin sau khi qua chỉnh l
ưu được đưa vào khâu so sánh OA, tạo điện áp
xung hình chữ nhật ở nửa chu kỳ khi U
OA1
< 0 thì diôt Đ
3
dẫn. Điện áp trên tụ
điện C bằng điện áp ở đầu ra của OA
2
: U
C
= U
b
. Điện áp trên điện trở R
3
bằng
điện áp trở ở đầu ra của OA
1
.
Mạch thiết kế với điều kiện R
2

<< R
3
, dẫn đến i
R3
<< i
R2
nên để đơn
giản khi phân tích có thể bỏ qua dòng i
R3
trong giai đoạn này. Như vậy dòng
qua tụ điện i
C
bằng dòng i
R2
vì dòng vào cửa (-) của OA không đáng kể. Vậy
ta có.

2
abh
bc c R n
22
UU
11 1
UU idt idt .dt .t
CC CRC.R
== = = =
∫∫ ∫

Như vậy điện áp trên tụ C cũng như đầu ra tăng trưởng tuyến tính. Khi
điện áp này đạt trị số ngưỡng của điốt ổn áp Đ

Z
thì nó thông và giữ điện áp ra
ở trị số này (nếu không có Đ
Z
thì điện áp tăng tới trị số +U
bh
.
Ở nửa chu kỳ sau điện áp U
a
> 0. Đi ốt Đ
3
khoa nên dòng qua R
2
bằng
không. Lúc này dòng qua tụ C, bằng dòng qua điện trở R
3
, dòng điện này
ngược chiều với dòng đi qua tụ C, ở nửa chu kỳ trước có nghĩa là tụ C, phóng
điện.

3
bc0 R 0 0 P
33
1EE
UUU idtU dtU .t
CRC.R
==− =− =−
∫∫

Do đó điện áp ra cũng như điện áp trên tụ C cũng giảm tuyến tính. Khi

điện áp giảm đến không rời âm xuống thì Đ
Z
dẫn theo chiều thuận như các
diốt thường. Giữ cho điện áp ở giá trị xấp xỉ bằng 0V.


Từ đây mạch trở lại trạng thái ban đầu và điện áp nhận được trong nửa
chu kỳ lưới điện xoay chiều có dạng răng cưa đi xuống.
Tính toán các phần tử.
Chọn Đ
1
, Đ
2
, Đ
3
loại 1N007.
Chọn khuếch đại thuật toán loại μA741 có các thông số sau:
Z
vào
= 300KΩ; E
n
= ± 15V; t
0
= 55
0
÷ 125
0
C.
Chọn tụ loại C
1

= 0,02μF, chọn Đ
z
loại 9,1V.
R
3
=
6
0
E.T 15.0,02
2.U .C
2.9,1.0,22.10
−
=

R
3
= 75K.
Tính R
2
: Ta có công thức:

bh
2
0
n3
U0,7
R
C.U
E
tR

−
≤
+

Chọn thời gian nạp điện cho tụ điện t
n
= 5ms.
Thời gian tụ phóng điện t
p
= 1
μ
s.
Ta có: U
C
= U
b
=
bh
n
2
U
t
C.R


→

bh n
2
c

U.t
R
C.U
=

Khi kết thúc thời gian nạp thì:
U
C
= U
ngĐz
= 9,1V.
⇒
R
2
=
3
3
6
13,5.5.10
33,7.10
9,1.0,22.10
−
+
−
=

R
2
= 33,7 K.

Kết thúc thời gian phóng thì:
U
C
= 0
→

3
P
3
6
0
E.t
15.1.10
R
U
9,1.0,22.10
−
−
==
= 60K.
Vậy chọn R
1
= 15K, R
2
= 34K, R
3
= 74K.
3. Khâu so sánh.
KHâu này có chức năng so sánh điện áp điều khiển với điện áp tựa

(dạng răng cưa) để định thời điểm phát xung điều khiển, thông thường đó là
hai thời điểm hai điện áp này bằng nhau. Nói cách khác đây là khâu để xác
định góc điều khiển
α
.
Khâu so sánh có thể thực hiện bằng các phần tử, khuếch đại từ, tranzito
hay khuếch đại thuật toán OA. Sử dụng nhiều nhất hiện nay là các OA vì nó
cho phép đảm bảo độ chính xác cao nhất là khi sử dụng OA chuyên dụng
Comparator, có giá thành hạ, không cần chỉnh định phức tạp. Ở đồ án này sử
dụng khuếch đại thuật toán để làm chức năng so sánh vì KĐTT là phần tử so
sánh lý tưởng.
- Tỏng trở vào rấ
t lớn nên không gây ảnh hưởng đến các điện áp đưa
vào so sánh, nó có thể tách biệt hoàn toàn chúng để không tác động sang
nhau.
- Tầng vào của OA cũng thường là khuếch đại vi sai mặt khác số tầng
nhiều nên hệ số khuếch đại rất lớn vì thế so sánh có độ chính xác rất cao, độ
trễ không quá vài
μ
s. Sườn dốc đứng nếu so sánh với tần số f = 50Hz..
Khâu so sánh dùng OA cũng có hai kiểu đấu các điện áp so sánh là so
sánh hai cửa và so sánh 1 cửa.
So sánh hai cửa: Trong kiểu này hai điện áp cần so sánh được đưa tới
hai cực khác nhau của OA điện áp ra sẽ thực hiện theo qui luật.