Tính chọn mạch điều khiển

Chương IV TÍNH CHỌN MẠCH ĐIỀU KHIỂN 4.1.1. Sơ đồ nguyên lý: ĐIỆN ÁP TỰA KĐ XUNG ĐP SS Uc T Hình 4-1: Sơ đồ khối điều khiển thyristor.4.2. Nguyên tắc điều khiển: Trong thực tế người ta thường dùng hai nguyên tắc điều khiển sau: “ Thẳng đứng tuyến tính và thẳng đứng arccos ” , để thực hiện vị trí xung trong nửa chu kỳ dương của điện áp đặt trên thyristor .4.2.1. Nguyên tắc điều khiển thẳng đứng tuyến tính: Theo nguyên tắc này người ta thường dùng hai điện áp: - Điện áp đồng bộ ( Us ) , đồng bộ với điện áp đặt trên anôt – catôt của thyristor , thường đặt vào đầu đảo của khâu so sánh . - Điện áp điều khiển ( Ucm ) , là điện áp một chiều , có thể điều chỉnh được biên độ . Thường đặt vào đầu không đảo của khâu so sánh. Do vậy hiệu điện thế đầu vào của khâu so sánh là: Ud = Ucm – Us ; Khi Us = Ucm thì khâu so sánh lật trạng thái, ta nhận được sường xuống của điện áp đầu ra của khâu so sánh . Sườn xuống này thông qua đa hài một trạng thái bền ổn định tạo ra xung điều khiển. Us -Usm Ucm ωt Ucm α π 2π α Us  Hình 4-2 : Nguyên tắc điều khiển thẳng đứng tuyến tính : Như vậy bằng cách làm biến đổi Ucm , ta có thể điều chỉnh được thời điểm xuất hiện xung ra , tức là điều chỉnh góc α . Giữa α và Ucm có quan hệ sau : α = ; Người ta lấy Ucmmax = Usmax ; 4.2.2. Nguyên tắc điều khiển thẳng đứng arccos : Theo nguyên tắc này người ta dùng hai điện áp : - Điện áp đồng bộ Us , vượt trước UAK = Um Sinωt của thyristor một góc Us = Um Cosωt . - Điện áp điều khiển Ucm là điện áp một chiều , có thể điều chỉnh được biên độ theo hai chiều dương và âm . Nếu đặt Us vào cổng đảo và Ucm vào cổng không đảo của khâu so sánh thì : Khi Us = Ucm , ta sẽ nhận được một xung rất mảnh ở đầu ra của khâu so sánh khi khâu này lật trạng thái . Um Cosα = Ucm ; (3-1) Do đó α = arccos( ) ; (3-2) Khi Ucm = Um thì α = 0 ; Khi Ucm = 0 thì α = ; Khi Ucm = - Um thì α = π ; Ucm ωt π UAK 0 Us α UAK Us 2π Um -Um Hình 4-3 : Nguyên tắc điều khiển thẳng đứng arcoss Như vậy , khi điều chỉnh Ucm từ trị Ucm = +Um , đến trị Ucm = -Um ta có thể điều chỉnh được góc α từ 0 đến α . Nguyên tắc điều khiển thẳng đứng “arcos” được sử dụng trong các thiết bị chỉnh lưu đòi hỏi chất lượng cao . 4.3. Các khâu cơ bản của mạch điều khiển : 4.3.1. Khâu đồng pha : Sơ đồ ở hình 4–4a là sơ đồ đơn giản , dể thực hiện với số linh kiện ít nhưng chất lượng điện áp tựa không tốt . Độ dài của phần biến thiên tuyến tính của điện áp tựa không phủ hết 1800 . Do đó , góc mở van lớn nhất bị giới hạn . Hay nói cách khác , nếu theo sơ đồ này điện áp tải không điều khiển được từ 0 tới cực đại mà từ một trị số khác đến trị số cực đại . Để khắc phục nhược điểm trên về dãi điều chỉnh của sơ đồ ở hình 4–4a người ta sử dụng sơ đồ tạo điện áp tựa bằng sơ đồ trên hình 4-4b . Theo sơ đồ này , điện áp tựa có phần biến thiên tuyến tính phủ hết nửa chu kỳ điện áp . Do vậy khi cần điều khiển điện áp từ không tới cực đại là hoàn toàn có thể đáp ứng được . Dưới đây ta gới thiệu một số khâu đồng pha cơ bản và ta chọn hình d; u1 u1 ura u2 D1 D2 R1 R2 C -E A B C Hình -a R2 R1 D1 A C ura Tr Hình-b +E Ghép quang uv R1 D R2 ura C Hình-c -E Ura u1 D1 A2 R1 A B R2 Tr C C AP Hình-d A1 -12 +12 +12 -12 _ + + _ Hình 4-4 : Một số khâu đồng pha điển hình . Với sự ra đời của các linh kiện ghép quang , ta có thể sử dụng sơ đồ tạo điện áp tựa bằng bộ ghép quang như hình 4-4c . Nguyên lý và chất lượng của hai sơ đồ trên hình 4-4b và 4-4c tương đối giống nhau . Ưu điểm của sơ đồ trên hình 4-4c ở chổ không cần biến áp đồng pha , do đó có thể đơn giản hơn trong việc chế tạo và lắp đặt . Các sơ đồ trên đều có chung nhược điểm là việc mở , khoá các tranzitor trong vùng điện áp lân cận 0 là thiếu chính xác , làm cho việc nạp , xã tụ trong vùng điện áp lưới gần 0 không được như ý muốn . Ngày nay các vi mạch được chế tạo ngày càng nhiều , chất lượng ngày càng cao , kích thước ngày càng gọn , ứng dụng các vi mạch vào thiết kế mạch đồng pha có thể cho ta chất lượng điện áp tựa tốt . Trên sơ đồ 4-4d mô tả việc taọ điện áp tựa dùng khếch đại thuật toán . UA ωt ωt ωt UC π 2π 3π 4π UA UB Uđk Urc α α Hình 4-5 : Giản đồ của khâu đồng pha từ hình 4-4d là . 4.3.2. Khâu so sánh : Một số sơ đồ khâu so sánh thường gặp như sau ta chọn hình 3-6b . R1 R2 urc udk Ura A3 Hình - b + _ -12 +12 Hình - a -E R3 R1 R2 urc udk Ura R1 R2 urc udk Hình - c Ura A3 Hình 4-6 : Các khâu so sánh thường gặp . a) Bằng tranzitor ; b) Bằng một cổng đảo của khếch đại thuật toán ; c) Hai cổng khếch đại thuật toán ; Để xác định được thời điểm cần mở thyristor , cần so sánh hai tín hiệu Udk và Urc, việc so sánh hai tín hiệu đó có thể được thực hiện bằng tranzitor (Tr) như trên hình 4-6a . Tại thời điểm Udk = Urc đầu vào Tr lật trạng thái khoá sang mở ( hay ngược lại từ mở sang khoá ) , làm cho điện áp ra cũng bị lật trạng thái , tại đó ta đánh dấu được thời điểm cần mở thyristor . Với mức độ mở bảo hoà của Tr phụ thuộc vào hiệu Udk ± Urc = Ub , hiệu này có một vùng điện áp nhỏ hàng vài mV , làm cho Tr không làm việc ở chế độ đóng cắt như mong muốn , do đó nhiều khi làm thời điểm mở thyristor bị lệch khá xa so với điểm cần mở tại Udk = Urc . U -Vsat +Vsat 0 Udk Urc θ θ Khếch đại thuật toán có hệ số khếch đại vô cùng lớn , chỉ cần một tín hiệu rất nhỏ (cỡ µV) ở đầu vào , đầu ra đã có điện áp nguồn nuôi , nên việc ứng dụng khếch đại thuộc toán làm khâu so sánh là hợp lý . Các sơ đồ so sánh dùng khếch đại thuật toán như hình 4-6b, c rất thường gặp trong các sơ đồ hiện nay . Ưu điểm hơn hẳn của các sơ đồ này là có thể phát xung điều khiển chính xác tại Udk = Urc . Hình 4-7 : Sơ đồ so sánh hai tín hiệu khác dấu . 4.3.3. Khâu khếch đại :Với nhiện vụ tạo xung phù hợp để mở thyristor tầng khếch đại cuối cùng thường được thiết kế bằng tranzitor công suất , như hình 4-8a . Để có xung dạng kim gửi tới thyristor ta dùng biến áp xung , để có khếch đại công suất ta dùng Tr , điot D bảo vệ Tr và cuộn dây sơ cấp biến áp xung khi Tr khoá đột ngột . Mặt dù với ưu điểm đơn giản , nhưng sơ đồ này không được dùng rộng rãi , bởi lẽ hệ số khếch đại của Tranzitor loai này nhiều khi không đủ lớn , để khếch đại được tín hiệu từ khâu so sánh đưa sang . Tầng khếch đại cuối cùng bằng sơ đồ Darlington như hình 4-8b , Thường hay được dùng trong thực tế . Sơ đồ này hoàn toàn có thể đáp ứng được yêu cầu về khếch đại công suất , khi hệ số khếch đại được nhân lên theo thông số của các Tranzitor . Trong thực tế xung điều khiển chỉ cần có độ rộng bé ( cỡ khoảng 10 đến 200 µs ), mà thời gian mở thông các Tranzitor công suất dài tối đa một nửa chu kỳ cỡ 0,01s , làm cho công suất toả nhiệt dư của Tr quá lớn và kích thước dây quấn sơ cấp biến áp dư lớn . Để giảm nhỏ công suất toả nhiệt Tr và kích thước dây quấn sơ cấp máy biến áp xung , ta có thể thêm tụ nối tầng như hình 4-8c . Theo sơ đồ này , Tr chỉ mở cho dòng điện chạy qua trong khoảng thời gian nạp tụ , nên dòng điện hiệu dụng của chúng bé hơn nhiều lần . .+E uv R D Tr BAX a) +E uv R D Tr BAX b) Tr1 +E uv R D Tr BAX Tr1 D C c) Hình 4-8 : Sơ đồ các khâu khếch đại và phân phối xung : Bằng tranzitor công suất , b) Bằng sơ đồ Darlington , c) Sơ đồ có tụ nối tầng ; 4.3.4. Khâu tạo xung chùm : Đối với sơ một đồ mạch , để giảm dòng công suất cho tầng khếch đại và tăng số lượng cho xung kích mở , nhằm đảm bảo cho thyristor mở một cách chắc chắn , người ta hay phát xung chùm cho các thyristor . Nguyên tắc phát xung chùm là trước khi vào tầng khếch đại , ta đưa chèn thêm một cổng AND ( & ) với tín hiệu vào nhận từ tầng so sánh và từ bộ phát xung chùm như hình 4-9.  AND Từ so sánh Từ chùm xung Tới khếch đại Hình 4-9 : Sơ đồ phối hợp tạo xung chùm . Vi mạch 555 tạo xung đồng hồ ( hình 4-10 ) cho ta chất lượng xung khá tốt và sơ đồ cũng đơn giản . Sơ đồ này thường hay gặp trong các mạch tạo xung . Uc R2 R1 _ + +12 -12 A R2 R3 R1 R3 A1 A2 R4 C a ) a ) b ) c ) C +U +Urc C2 C1 R2 R1 555 7 2 1 3 8 4 Hình 4-10 : a ) :Sơ đồ tạo xung chùm dùng vi mạch 555 . b ) Sơ đồ tạo xung chùm đa hài bằng khếch đại thuật toán . c ) Sơ đồ tạo xung chùm tạo bằng mạch khếch đại thuật toán . .t Ura 0 kVsat -kVsat Vsat -Vsat uc T1 T2 0’ Hình 4-11 : Đồ thị dạng sóng của khâu tạo xung chùm . Trong thiết kế mạch điều khiển , thường hay sử dụng khếch đại thuật toán . Do đó để đồng dạng về linh kiện , khâu tạo xung chùm cũng có thể sử dụng khếch đại thuật toán như các sơ đồ trên hình 4-11b,c . Tuy nhiên ở đây sơ đồ dao động đa hài (hình 4-11b) có ưu điểm hơn về mức độ đơn giản do đó được sử dụng khá rộng rãi trong các mạch tạo xung chữ nhật , ta chọn hình 4-11b .4.4. Sơ đồ mạch điều khiển và nguyên lý hoạt động . Từ các khâu đã giớ thiệu ở trên ta chọn được sơ đồ điều khiển một kênh như hình 4-12 . Hoạt động của mạch điều khiển ở hình 4-12 được giải thích như sau: Điện áp vào tại điểm A (UA) có dạng hình sin , trùng pha với anôt của thyristor , qua khếch đại thuật toán A1 cho ta chuổi xung chữ nhật đối xứng UB . Phần điện áp dương của điện áp chữ nhật UB qua điôt D1 tới A2 tích phân thành điện áp tựa Urc . Phần áp âm của điện áp UB làm mở thông Tranzitor Tr1 , kết quả là A2 bị ngắn mạch ( Với Urc = 0 ) trong vùng UB âm . Trên đầu ra của A2 ta có chuổi điện áp răng cưa Urc gián đoạn . Điện áp Urc được so sánh với điện áp điều khiển Udk tại đầu vào của A3 . Tổng đại số Urc + Udk quyết định dấu điện áp đầu ra của khếch đại thuật toán A3. Trong khoảng thời gian từ 0 → t1 với Udk > Urc , điện áp UD âm . Trong khoảng t1 → t2 , điện áp Udk và Urc đổi ngược lại , làm cho UD lật lên dương . Các khoảng thời gian tiếp theo giải thích điện áp UD tương tự . Mạch đa hài tạo xung chùm A4 cho ta chuổi xung tần số cao , với điện áp UE trên hình 4-12 . Dao động đa hài có tần số hàng chục kHz , ở đây chỉ mô tả định tính . Hai tín hiệu UD và UE cùng được đưa tới khâu “AND ” hai cổng vào . Khi đồng thời có cả hai tín hiệu dương UD , UE ( Trong các khoảng t1 → t2 , t4 → t5 ) ta sẽ có xung UF làm mở thông các Tranzitor, kết quả là ta nhận được chuổi xung nhọn Xdk trên biến áp xung , để đưa tới mở thyristor T . Điện áp Ud sẽ suất hiện trên tải từ thời điểm có xung điều khiển đầu tiên , tai các thời điểm t2 , t4 trong chuổi xung điều khiển , của mổi chu kỳ điện áp nguồn cấp , cho tới cuối bán kỳ điện áp dương anôt .  Hiện nay đã có nhiều hãng chế tạo các vi xử lý chuyên dụng để điều khiển các thyristor rất tiện lợi . Tuy nhiên những linh kiện loại này chưa được phổ biến trên thị trường . R8 u1 A D1 A1 A2 A3 AND C3 R9 R7 R6 A C2 R2 R5 R3 D2 D3 D4 R1 B C D Tr1 Tr2 T1 BAX +E C2 Udk urc R4 + _ + _ + + _ _ Hình 4-12 : Sơ đồ nguyên lý một kênh điều khiển Tr3 MBA E F D5 R0 UA ωt ωt ωt ωt ωt ωt ωt ωt t2 t1 t3 t4 t5 t6 UE UF VT π 2π 3π 4π Urc1 VT Udk1 UA UB UC1 α1 α1 ωt Urc2 Udk2 α2 α2 UD UC2 Xdk Hình 4-13 : Giản đồ các đường cong mạch điều khiển . 4.5.Tính toán các thông số mạch điều khiển : Sơ đồ một kênh điều khiển chỉnh lưu cầu ba pha được thiết kế theo sơ đồ hình 3-13 . Tính toán mạch điều khiển thường được tiến hành từ tầng khếch đại ngược trở lên . Mạch điều khiển được tính xuất phát từ yêu cầu về xung mở thyristor .  Các thông số cơ bản để tính mạch điều khiển : + Điện áp điều khiển thyristor : Udk = 1,4 V ; + Dòng điện điều khiển thyristor : Idk = 150 mA : + Thời gian mở thyristor : tm = 180 µs ; + Độ rộng xung điều khiển : tx = 360 µs ; + Tần số xung điều khiển : ; + Độ mất đối xứng cho phép : ∆α = 40 ; + Điện áp nguồn nuôi mạch điều khiển : U = ± 12 V ; + Mức sụt biên độ xung : Sx = 0,15 :4.5.1. Tính biến áp xung : - Chọn vật liệu làm lõi sắt ferit HM . Lõi có dạng hình xuyến làm việc trên một phần của đặc tính từ hoá có : ∆B = 0,3 T ; ∆H = 30 A/m , không có khe hở không khí . - Tỷ số biến áp xung : thường m = 2 ÷ 3 ta chọn m = 3 ;  - Điện áp cuộn thứ cấp máy biến áp xung U2 = Udk = 1,4 V ; - Điện áp đặt lên cuộn sơ cấp máy biến áp xung : U1 = m . U2 = 3 . 1,4 = 4,2 V ; - Dòng điện thứ cấp máy biến áp xung : I2 = Idk = 150 mA ; - Dòng điện sơ cấp máy biến áp xung : ; - Độ từ thẩm trung bình của lõi sắt : µtb = 8.103 ;Trong đó : µ0 = 1,25.10-6 H/m là độ từ thẩm của không khí . - Thể tích của lõi thép cần có : V = Q.l = Thay số ta có : V =; Theo bảng tài liệu ĐIỀU KHIỂN SỐ MÁY ĐIỆN-LÊ VĂN DOANH. Ta chọn mạch từ có thể tích V=1,4(cm3) Ta có: V =0,645 cm3, a= 4,5mm; b= 6mm; d= 12mm; D =21mm;l= 5,2cm; Q= 0,27cm2=27mm2 ; Hình 4 –14 Lỏi máy biến áp xung + Số vòng dây quấn sơ cấp máy biến áp xung: Theo định luât cảm ứng điện tử: + Số vòng dây thứ cấp: + Tiết diện dây quấn thứ cấp: Chọn mật độ dòng điện: . + đường kính dây quấn sơ cấp: + tiết diện dây quấ tứ cấp Chọn mật độ dòng điện: . + Đường kính dây quấn thứ cấp: + Kiểm tra hệ số lấp đầy: Như vậy cửa sổ đủ diện tích cần thiết. 4.5.2. Tính tầng khếch đại cuối cùng : Chọn Tranzitor công suất Tr3 loại 2SC9111 làm việc ở chế độ xung , có cá thông số sau : Tranzitor loại N-P-N , vật liệu bán dẫn là silic . Điện áp giữa colectơ và bazơ khi hở mạch emitơ là : UCBO = 40 V ; Điện áp giữa emitơ và bazơ khi hở mạch colectơ là : UEBO = 4 V; Dòng điện lớn nhất ở colectơ có thể chịu đựng : ICmax = 500 mA ; Công suất tiêu tán ở colectơ : PC = 1,7 W ;  Nhiệt độ lớn nhất ở mặt tiếp giáp : T1 = 1750C ; Dòng làm việc của colectơ : IC3 = I1 = 50 mA ; Dòng làm việc của bazơ : IB3 = mA ; Ta thấy rằng với loại thyristor đã chọn có công suất điều khiển khá bé : Udk = 1,4 (V), Idk = 150 mA = 0,15 A , nên dòng colectơ – bazơ của tranzitor Tr3 khá bé , trong trường hợp này ta có thể không cần tranzitor Tr2 mà vẫn có cùng công suất điều khiển tranzitor . Chọn nguồn cấp cho máy biến áp xung : E = +12 V . Với nguồn E = 12 V ta phải mắc thêm điện trở R10 nối tiếp với cực emitơ của Tr3 . R10 = Ω ; Tất cả các điôt trong mạch điều khiển dùng loại 1N4009 , có các tham số : - Dòng điện định mức : Idm = 10 mA ; - Điện áp ngược lớn nhất : UN = 25 V ; - Điện áp để cho điốt mở thông : Um = 1 V ;4.5.3. Chọn cổng AND : Toàn bộ mạch điều khiển phải dùng 12 cổng AND nên ta chọn hai IC 4081 họ CMOS . Mổi IC 4081 có 4 cổng AND . Các thông số của cổng AND là : - Nguồn nuôi IC : Vcc = 3 ÷ 9 V , ta chọn Vcc = 12 V ; - Nhiệt độ làm việc : tlv = - 400C ÷ 800C ; - Điện áp ứng với mức logic “1” : 2 ÷ 4,5 V ; - Dòng điện : I < 1 mA ; - Công suất tiêu thụ : P = 2,5 nW/1 cổng ; +Vcc 14 13 12 11 10 9 8 7 5 4 3 2 1 6 AND AND AND AND  Hình 4-15 : Sơ đồ chân của IC 4081 .4.5.4. Chọn tụ C3 và R9 : Điện trở R9 dùng để hạn chế dòng điện đưa vào bazơ của tranzitor Tr3 . Chon R9 thoả mãn điều kiện : R9 ≥ ; Ta chọn R9 = 9 kΩ ; Chọn C3.R9 = tx = 360 µs , suy ra C3 = ; C = , chọn C3 = 0,04 µF . 4.5.5. Tính chọn bộ tạo xung chùm : Mổi kênh điều khiển phải dùng bốn khếch đại thuật toán , do đó ta chọn IC loại TL 084 do hãng Texas Intruments chế tạo các IC này có khếch đại toán . Các thông số của TL 084 : - Điện áp nguồn nuôi : Vcc = ± 12 V ; - Hiệu điện thế giữa hai đầu vào : U = ± 30 V ; - Nhiệt độ làm việc : t = - 25 ÷ 850C ; - Công suất tiêu thụ : P = 680 mW = 0,68 W ; - Tổng trở đầu vào : Rin = 106 MΩ ; - Dòng điện đầu ra : Ira = 30 pA ; - Tốc độ biến thiên điện áp cho phép: = 13 V/µs; 14 Ucc 13 12 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 11 _ _ _ _ + + + + Hình 4-16 :Sơ đồ chân IC TL084 . Mạch tạo xung chùm có tần số f = = 1,389 kHz , hay chu kỳ của xung chùm : T = = 719 µs ; Ta có : T = 2R8.C2.Ln( 1 + 2.) ; Chọn R6 = R7 = 33 kΩ , thì T =2,2. R8.C2 = 719 µs ; Vậy ta có : R8.C2 = 327µs ; Chọn tụ C2 = 0,1 µF , có điện áp U = 16 V suy ra R8 = 3,27 Ω ; Để thuận tiện cho việc điều chỉnh khi lắp mạch , ta chọn R8 là biến trở 4kΩ.4.5.6. Tính chọn khâu so sánh : Khếch đại thuật toán đã chọn loại TL 084 . Chọn R4 = R5 > = 6 kΩ ; Trong đó nếu nguồn nuôi Vcc = ± 12 V thì điện áp vào A3 là UV ≈ 12 V . Dòng điện vào được hạn chế để Ilv < 1 mA . Do đó ta chọn R4 = R5 = 15 kΩ , khi đó dòng điện vào A3 là : Ivmax = = 0,8 mA ;4.4.7. Tính chọn khâu đồng pha : Điện áp tựa được hình thành do sự nạp của tụ C1 . Mặt khác để bảo đảm điện áp tựa có trong nữa chu kỳ điện áp lưới là tuyến tính thì hằng số thời gian tụ nạp được . Tr = R3.C1 = 0,005 s . Chọn tụ C1 = 0,1 µF , thì điện trở R3 = = 50.103 Ω ; Vậy R3 = 50 kΩ ; Để thuận tiện cho việc điều chỉnh khi lắp ráp mạch , R3 thường chọn là biến trở lớn hơn 50 kΩ . Chọn tranzitor Tr1 loại A564 có các thông số sau : - Tranzitor loại P-N-P , làm bằng silic . - Điện áp giữa colectơ và bazơ khi hở mạch emitơ là : UCBO = 25 V ; - Điện áp giữa emitơ và bazơ khi hở mạch colectơ là : UEBO = 7 V; - Dòng điện lớn nhất ở colectơ có thể chịu đựng : ICmax = 100 mA ; - Nhiệt độ lớn nhất ở mặt tiếp giáp : Tcp = 1500C ; - Hệ số khếch đại : β = 250 ; - Dòng điện làm việc cực đại của bazơ : IB3 = = 0,4 mA ; Điện trở R2 để hạn chế dòng điện đi vào bazơ của tranzitor Tr1 , và được chọn như sau : Chọn R2 sao cho R2 ≥ = 30 kΩ ; Chọn R2 = 30 kΩ ; Chọn điện áp xoay chiều đồng pha : UA = 9 V ; Điện trở R1 để hạn chế dòng điện đi vào khếch đại thuật toán A1 , thường chọn R1 sao cho dòng vào khếch đại thuật toán IV < 1 mA .  Do đó : R1 ≥ = 9 kΩ ; Chọn R1 = 10 kΩ ;4.5.8. Tính nguồn nuôi . Ta cần tạo ra nguồn điện áp U ± 12 V để cấp cho máy biến áp xung nuôi IC, các bộ điều chỉnh dòng điện , tốc độ và điện áp đặt tốc độ . Ta chọn mạch chỉnh lưu cầu ba pha không điều khiển dùng 12 con điôt để tạo ra điện áp – 12 V , và + 12 V như hình 3-16 . Điện áp thứ cấp máy biến áp nguồn nuôi là : U2 = = 5,1 V , ta chọn U2 = 9 V ; Việc xây dựng nguồn ổn áp một chiều bằng thyristor có nhược điểm là chọn và tính toán phức tạp đòi hỏi phải có kỹ thuật chuyên môn cao . Sự ra đời của các vi mạch ổn áp họ 7812 và 7912 cho phép đơn giản hoá quá trình này , vì vậy nó được sử dụng rộng rãi trong thực tế . Vi mạch IC 7812 thường có ba chân , chân đầu vào , chân đầu ra và chân nối đất. Do có nhiều hãng sản xuất ra loại IC này do đó hình dáng bên ngoài và thứ tự của các chân có khác nhau .  Vì vậy để ổn định điện áp ra của nguồn nuôi , ta dùng hai vi mạch ổn áp là 7812 và 7912 , các thông số chung của vi mạch này như sau : Điện áp đầu vào : UV = 7 ÷ 35 V ; Điện áp ra : Với IC 7812 thì Ura = + 12 V ; Với IC 7912 thì Ura = - 12 V ; Dòng điện đầu ra : Ira = 0 ÷ 1 A ; Tụ điện C4 , C5 , C6 , C7 dùng để lọc thành phần sóng hài bật cao . Chọn C4 = C5 = C6 = C7 = 470 µF ; U = 35 V . 470 µF A B C 220 V a b c *a *b *c * * * C5 C4 470 µF C7 470 µF C6 470 µF 7812 7912 0 +12 V -12 V Hình 4-17 : Sơ đồ nguyên lý tạo nguồn nuôi ± 12 V . 4.5.9. Tính toán máy biến áp nguồn nuôi và đồng pha . - Ta thiết kế máy biến áp dùng cho cả việc tạo điện áp đồng pha và tạo nguồn nuôi . Chọn kiểu máy biến áp ba pha ba trụ , trên mổi trụ có ba cuộn dây , một cuộn sơ cấp và hai cuộn thứ cấp . - Điện áp lấy ra ở thứ cấp máy biến áp làm điện áp đồng pha , và làm điện áp của nguồn nuôi . U2 = U2đph = UN = 9 V ; - Dòng điện thứ cấp máy biến áp đồng pha . I2đph = 1 mA ; - Công suất nguồn nuôi cấp cho máy biến áp xung . Pđph = 6.U2đph.I2đph = 6.9.1.10-3 = 0,054 W ; - Công suất tiêu thụ ở 6 IC TL 084 sử dụng làm khếch đại thuật toán , ta chọn hai IC TL 084 để tạo 6 cổng AND . P8IC = 8.PIC = 8.0,65 = 5,12 W ; - Công suất máy biến áp xung cấp cho cực điều khiển thyristor . Px = 6.Udk.Idk = 6.1,4.0,15 = 1,26 W ; - Công suất sử dụng cho việc tạo nguồn nuôi . PN = Pđph + P8IC + Px  PN = 0,054 + 5,12 + 1,26 = 6,434 W ; - Công suất của máy biến áp có kể đến 5% tổn thất trong máy . S = 1,05(Pđph + PN) = 1,05(0,054 + 6,434) = 6,812 VA ; - Dòng điện thứ cấp máy biến áp . I2 = A ; - Dòng điện sơ cấp máy biến áp . I1 = A ; Tiết diện trụ của máy biến áp được tính theo công thức kinh nghiệm; Trong đó: là hệ số phụ thuộc phương thức làm mát. m= 3 là số trụ của máy biến áp; f= 50 tần số của điện áp lưới. Chuẩn hóa tiết diện trụ theo tài lieu:”ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT VÀ ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ (LÊ VĂN DOANH DỊCH): . Kích thước mạch lá thép dày:. Số lượng lá thép là 68 lá; a=12mm.b=16mm;h=30mm. Hệ số ép chặt Ke=0,85 Chọn mật độ tự cảm B=1 T ở trong trụ, ta có số vòng dây sơ cấp: vòng Chọn mật đọ dòng điện : . Tiết diện dây quấn sơ cấp: Đường kính dây quấn sơ cấp: . Chọn d1= 0,1 mm để đảm bảo độ bề cơ. Đường kính kể cả cách điện là : . Số vòng dây thứ cấp: vòng. Tiết diện dây quấn thứ cấp: . Đường kính dây quấn thứ cấp: . Dường kính kể cả cách điện là: d2cd=0,31mm Chọn hệ số lấp đây Klđ=0,7. Với: Chiều rộng cửa sổ: . Chọn c= 12mm. Chiều dài mạch từ: . Chiều cao mạch từ: 4.5.10. Tính chọn điôt cho bộ chỉnh lưu nguồn nuôi . - Dòng điện hiệu dụng qua điôt . IDhd = A ; - Điện áp ngược lớn nhất mà điốt phải chịu . UNmax = V ; - Chọn điôt có dòng định mức . Idm ≥ KI.IDdm = 10.0,1 = 1 A ; - Chọn điôt có điện áp ngược lớn nhất . Un = Ku.UNmax = 2.22 = 44 V ;Vậy chọn điôt loại KIT 208A có các thông số sau : + Dòng điện định mức : Idm = 1,5 A ; + Điện áp ngược cực đại của điôt : UN = 100 V ; 4.6.BẢO VỆ MẠCH ĐỘNG LỰC. 4.6.1. Sơ đồ mạch động lực có các thiết bị bảo vệ. Hình 4-18 Mạch lực có các thiết bị bảo vệ 4.6.2 Bảo vệ quá nhiệt cho các van bán dẫn. Khi làm việc với dòng điện chạy qua trên van có sụt áp, do đó có tổn hao công suất , tổn hoa này sinh ra nhiệt độ đốt nóng van bán dẫn. Mặt khác van bán dẩn chỉ được làm việc dưới nhiệt độ cho phép Tcp nào đó, nếu quá nhiệt độ cho phép thì các van bán dẩn sẻ bị phá hỏng. Để van bán dân làm việc an toàn, không bị chọc thủng ta phải thiết kế hệ thống tản nhiệt hợp lý. Tính toán cánh tản nhiệt: + Tổn thất công suất trên một tyristor: + Diện tích bề mặt tỏa nhiệt : Trong đó: +- Tồn hao công suất (W). + .- độ chênh lệch nhiệt độ so với môi trường. Chọn nhệt độ môi trường là Tmt =40 0C. Nhiệt độ làm việc cho phép của thyristor là Tcp = 125 0C. chọn nhiệt độ trên cánh tản nhiệt Tlv = 80 0C. + Km- hế số toản nhiệt bằng đối lưu bức xạ. chọn Km= 8W/m2.0C. Chọn cánh tản nhiệt có 12 cánh, kích thước mỗi cánh a.b =10.10(cm.cm). tổng diện tích tản nhiệt của cánh: S= 12.2.10.10=2400(cm2) =0,24m2 Bảo vệ quá dòng điện cho van: Aptomat dùng để đóng cắt mạch động lực, tự động, bảo vệ khi quá tải và ngắn mạch thyristor, nghắn mạch đầu ra bộ biến đổi, ngắn mạch thứ cấp máy biến áp, ngắn mạch ở chế độ nghịch lưu. + Chọn aptomat có: Có ba tiếp điểm chính, có thể đóng cắt bằng tay hoạc bằng nam châm điện. Chỉ định dòng ngắn mạch: Dòng quá tải: + Chọn cầu dao có dòng điện định mức: Cầu dao dùng để tạo khe hở an tào khi sửa chửa hệ truyền động. + Dùng dây dẩn chảy tác động nhanh để bảo vệ ngắn mạch các thyristor, ngắn mach đầu ra của bộ chỉnh lưu.: Nhóm 1CC: Dòng điện định mức dây chảy nhóm 1CC: Nhóm 2CC: Dòng điện định mức dây chảy nhóm 2CC: Nhóm 3CC: Dòng điện định mức dây chảy nhóm 3CC: Vậy cầu chảy nhóm: 1CC loai 60A, 2CC loại 40A, 3CC loại 70A. Bảo vệ quá điện áp cho van. Bảo vệ quá điện áp cho quá trình đóng ngắt thyristor được thực hiệ bằng cách mắc R-C song song với thyristor. Khi có sự chuyển mạch, các điện tích tích tu trong lớp ban dẩn phóng ra ngoài tạo dòng điện ngược trong khoảng thời gian ngắn. Sự biến thiên nhanh chóng của dòng điện ngược gây ra sức điện động cảm ứng cực lớn trong các điện cảm làm cho quá điện áp giửa anot và catot của thyristor, tạo ra mạch vòng phóng điện tích trong quá trình chuyển mạch nên thyristor không bị quá điện áp. Hình 3– 4 Mạch R-C bảo vệ quá điện áp do chuyển mạch Theo kinh nghiệm R1= (5÷30)Ω; C1=(0,25÷4)F Chọn R1 = 5,1 (), C1 = 0,25 () + Bảo vệ sung điện áp từ lưới điện, ta mắc mạch R-C nhờ có mạch này mà đỉnh xung gần như nằm hoàn toàn trên điện trờ đường dây. Hình 3–5 Mạch RC bảo vệ quá điện áp từ lưới + Để bảo vệ van do cắt đột ngột khi khi máy biến áp non tải, người ta thường mắc mạch R-C ở đầu ra cảu mạch chỉnh lưu cầu 3 pha phụ bằng các diot công suất bé. Thông thường giá trị tự chọn trong khoảng 10÷200F Chọn R2 = 12,5 (), C1 = 4 () 4.6.3 Thiết kế cuộn kháng lọc. 4.6.3.1. Xác định góc mở cự tiểu và cự đại. Chọn góc mở cực tiểu = 100. Với góc mở là dự trử ta có thể bù đụơc sự giảm điện áp lưới. Khi góc mở nhỏ nhất điện áp trên tải lớn nhất. và tương ứng với tốc độ động cơ sẻ lớn nhất . Khi góc mở lớn nhất , thì điện áp trên tải là nhỏ nhất: và tương ứng với tốc độ động cơ sẻ nhỏ nhất . Ta có: (3a) Trong đó Udmin được xác định như sau: Thay số vào (3a) ta được: 4.6.3.2 Xác địn các thành phần song hài. Để thuận tiện cho việc khai triển chuổi Fourier, ta chuyển gốc tọa độ sang điểm , khi đó điện áp tức thời trên tải khi thyristor T1 ,T4 dẩn: với Điện áp tưc thời trên tải Ud không sin và tuần hoàn với chu kỳ: Trong đó p=6 là số xung đập mạch trong một chu kỳ điện áp lưới. Khai triển chuổi Fourier của điện áp Ud : Hay: Trong đó: Ta có: Vậy ta có biên độ của điện áp: 4.6.3.3 Xác định điện cảm của cuộn kháng lọc. Từ phân tích trên ta thấy rằng, khi góc mở càng tăng thì biên độ thành phần song dài bậc cao càng lớn, có nghĩa đập mạch của điện áp, dòng điện tăng lên. Sự đập mạch này làm sấu chế độ chuyển mạch của vành góp, đồng thời gây ra tổn hao phụ dưới dạng nhiệt trong động cơ. Để hạn chế sự đập mạch này, ta phải mắc nối tiếp động cơ với một cuộn khang lọc đủ lớn để . Ngoài tác dụng hạn chế thành phần sóng hài bậc cao, cuộn kháng loc còn có tác dụng hạn chế dòng điện gián đoạn. Điện kháng lọc được tính với góc mở .Ta có: Cân bằng hai vế: vì : Trong các thành phần xoay chiều bậc cao, thành phần song bậc k =1 có mức độ lớn nhất, gần đúng ta có: Nên: Vậy: - là số xung đập mạch trong một chu kỳ điện áp lưới. Thay số: Điện cảm phần ứng của động cơ điện 1 chiều kích từ độc lập: . + chọn kd =0,25 đối với động cơ có cuộn kháng bù + số đôi cực từ: . + Điện cảm mạch cuộn kháng lọc; Thiết kế kết cấu của cuộn kháng lọc. Các thông số ban đầu: + Điện cảm yêu cầu của cuộn kháng lọc: Lk = 3,375(mH). + Dòng điện đinh mức của cuộn kháng: Im = 63(A) +biên độ dòng điện xoay chiều bậc 1: Do điện cảm cuộn kháng lớn và điện trở rất bé ta có thể coi tổng trỏ cuộn kháng xấp xỉ bằng điện kháng của cuộn kháng: Với : Điện áp xoay chiều rơi trên cuộn kháng lọc: Công suất cảu cuộn kháng lọc: Tiết diện cực từ của cuộn kháng lọc: hình – Kết cấu mạch từ cuộn kháng lọc : Hệ số phụ thuộc vào phương thức làm mát, khi làm mát bằng không khí tự nhiên =5. Chuẩn hóa tiết diện trụ theo kích thược có sẳn: . Với tiết diện trụ: Ta chọn loại thép 330A bề dày 0,35mm. a= 20mm; b= 25mm. Chọn mật độ tự cảm trong trụ: BT = 0,8 T Khi có thành phần điện xoay chiều chạy qua cuộn kháng thì trong cuộn kháng sẻ suất hiện một suất điện động EK : gần đúng ta có thể viết:. . Lấy W= 63 vòng Ta có dòng điện chạy qua cuộn kháng : . Dòng điện hiệu dụng chạy qua cuộn kháng: . Chọn mật độ dòng điện qua cuộn kháng:. Tiết diện dây quấn kháng: . Chọn dây có tiết diện chử nhật, cách điện cấp B chọn SK=23,1mm2 (theo phụ lục 9 sách “ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT”- LÊ VĂN DOANH) với kích thước dây:. + Tính lại mật độ dòng điện Chọn hệ số lấp đầy : Diện tích cửa sổ: Tính kích thước mạch từ: . Chọn m= h/a = 3 Chiều cao mạch từ : H=h+a=60 + 20 =80mm Chiều dài mạch từ: L = 2c+2a=2.35+ 2.20=110mm Chọn khoảng cách từ gông tới cuộn dây: hg=2mm Tính số vòng dây trên một lớp: Tính số lớp dây quấn: lớp. Có 6 lớp mổi lớp có 7 vòng. Mỗi lớp 10 vòng. Chọn khoảng cách cách điện giữa dây quấn với trụ: a01 = 3 (mm) Cách điện giữa các lớp: cd1 = 0,1 (mm) Bề dày cuộn dây: Bd = (ak + cd1 ) . n1 = (4,7 + 0,1) . 6 = 28,8 (mm) Tổng bề dày cuộn dây: Chiều dài của vòng dây trong cùng: Chiều dài của vòng dây ngoài cùng: Chiều dài trung bình của 1 vòng dây: Điện trở của dây quấn ở 750C: Ta thấy điện trở rất bé nên giả thiết ban đầu bỏ qua điện trở là đúng. Thể tích sắt: VFe = 2 .a . b . h + a . b . L = a . b . (2 . h + L) = 20 . 25 . 10-4 . (2 . 80 + 110) . 10-2 = 0,135 (dm3) Khối lượng sắt: MFe = VFe . mFe = 0,135 . 7,85 = 1,06 (kg) Khối lượng đồng: MCu = VCu . mCu = Sk . ltb . W . mCu = 23 . 199 . 63 . 8,9 . 10-6 = 2,6 (kg) Với: Tài liệu tham khảo: ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT – LÊ VĂN DOANH ( chủ biên). ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT – NGUYỄN BÍNH, nhà suất bản khoa học và kỹ thuật, 2001. THIẾT KẾ MÁY BIẾN ÁP- PHAN TỬ THỤ, NSB khoa học và kỷ thuật, 2001. TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN- BÙI QUỐC KHÁNH,NGUYẾN VĂN LIỄN, NGUYỄN THỊ HIỀN, NSB khoa học và kỹ thuật. KẾT LUẬN Đây là lần đầu tiên em làm đồ án môn học, vì vậy em ngặp khá nhiều khó khăn và bở ngở trong quá trình tìm tòi nghiên cứu tài liệu thực thiện đồ án. Song qua đồ án này em củng học được rất nhiều: dúp em hiều thêm nhiều kiến thức về môn học Điện Tử Công Suất, việc tự tìm tòi, nghiên cứu tài liệu, thiết kế một hệ thống, quen dần với công việc của một người thiết kế, hiểu thêm về công việc thực tế của mình sau này, được làm quen và có thêm nhiều kinh nghiệm khi làm các đồ án sau này. Tuy ngặp khá nhiều khó khăn nhưng được sự giúp đở và chỉ dẩn rất tận tình của giáo viên hướng dẩn TRƯƠNG THỊ BÍCH THANH và Những kiến thức về môn điện tử công suất mà thầy ĐOÀN QUANG VINH đã giang dạy trên lớp. Em đã cố gắng hoàn thành nhiệm vụ của mình một cách tốt nhất. Củng vì lần đầu tiên làm đồ án, kiên thức cón hạn nên không thể tránh khỏi những sai xót. Em rất mong nhận được sự chỉ bảo của các thầy cô giáo để đồ án của em hoàn chỉnh hơn và làm tốt hơn các đồ án sau này. Em xin chân thành cảm ơn! Sinh viên LÊ XUÂN TRUNG