PHẦN III: THIẾT KẾ SƠ ĐỒ NGUYÊN LÝ MẠCH ĐIỀU KHIỂN

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KINH TẾ KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

- Khối 1 là khối đồng bộ hoá (ĐBH): Tín hiệu điện áp đưa vào khối này

cũng chính là tín hiệu cấp cho mạch động lực của bộ chỉnh lưu (u1). Khối này ta

thường sử dụng biến áp đồng bộ hoá để điện áp ra sau khối này có dạng sin với

tần số bằng tần số điện áp nguồn cung cấp cho sơ đồ chỉnh lưu và trùng pha

hoặc lệch pha 1 góc xác định so với điện áp nguồn

- Khối 2 là khối tạo sóng răng cưa (điện áp tựa): Sau khối 1, điện áp đồng

bộ (uđb) được đưa vào khối 2 để tạo ra điện áp dạng xung răng cưa (urc). Điện áp

răng cưa urc là điện áp chuẩn để so sánh với Uđk của khối 3.

- Khối 3 là khối so sánh: Qua khối này urc và Uđkđược so sánh với nhau.

Uđk là điện áp 1 chiều. Giao điểm của điện áp này với urc quyết định góc điều

khiển α.

- Khối 4 là khối tạo xung: Tín hiệu ra sau khối so sánh có dạng số (có tín

hiệu “1” và không có tín hiệu “0”). Tuy nhiên xung này hầu như chưa đáp ứng

được yêu cầu về biên độ xung, độ rộng xung, độ dốc xung,... Vì vậy cần phải có

khối tạo xung để điều chỉnh các thông số này cho phù hợp.

- Khối 5 là khối phân chia xung: Khối này để dẫn xung và phân chia xung

cho Thyristor. Ta thường dùng biến áp xung (BAX) để thực hiện việc này.

Trên thực tế lắp ráp mạch điều khiển theo pha đứng này người ta thường

ghép khối 1 với khối 2 và khối 4 với khối 5. Vậy sơ đồ lắp ráp thực tế như

khối1

u1



khối3



khối 2



ĐBH &

PSRC



So sánh



Tạo xung &

phân chia xung

UGT



Uđk



Hình 20. Sơ đồ khối điều khiển theo pha đứng thực tế

ul



: điện áp lưới (nguồn) xoay chiều cung cấp cho sơ đồ chỉnh lưu



uđk : điện áp điều khiển đây là điện áp một chiều lấy từ đầu ra của khối(THKĐTG) dùng để điều khiển giá trị góc α .

26



TRƯỜNG ĐẠI HỌC KINH TẾ KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

uđkT:Điện áp điều khiển Tiristo là chuỗi các xung điều khiển lấy từ đầu ra hệ

thống điều khiển và được truyền đến cực điều khiển (G) và Katôt (K) của

Tiristo .

b.Nguyên lý cơ bản của hệ thống điều khiển theo nguyên tắc pha đứng

Tín hiệu điện áp cung cấp cho mạch động lực chỉnh lưu được đưa đến

mạch đồng bộ hoá của khối 1 và trên đầu ra của mạch đồng bộ hoá ta có các

điện áp thường có dạng hình sin với tần số bằng tần số điện áp nguồn cung cấp

cho sơ đồ chỉnh lưu và trùng pha hoặc lệnh pha một góc pha xác định nào đó so

với điện áp nguồn .Điện áp này gọi là điện áp đồng bộ và ký hiệu là uđb .

Các điện áp đồng bộ được đưa vào mạch phát điện áp răng cưa để khống

chế sự làm việc của mạch điện này, kết quả là trên đầu ra của mạch phát điện áp

răng cưa có một hệ thống các điện áp dạng hình răng cưa đồng bộ về tần số và

góc pha với các điện áp đồng bộ .Các điện áp này gọi là điện áp răng cưa urc .

Các điện áp răng cưa được đưa vào khối so sánh (SS) và ở đó còn có một

tín hiệu khác nữa gọi là điện áp điều khiển uđk .

Hai tín hiệu này được mắc với cực tính sao cho tác động của chóng lên

mạch SS là ngược chiều nhau .Khối SS làm nhiệm vụ so sánh hai tín hiệu này và

tại những thời điểm 2 tín hiệu này có giá trị tuyệt đối bằng nhau thì đầu ra khối

SS sẽ thay đổi trạng thái .

Như vậy khối SS là một mạch điện hoạt động theo nguyên tắc biến đổi

tương tự-số(Analog-Digital) .Do tín hiệu ra của mạch SS là dạng tín hiệu số nên

chỉ có hai giá trị có ‘1’ hoặc không ‘0’.Tín hiệu ra của khối SS là các xung xuất

hiện với chu kỳ bằng chu kỳ điện áp răng cưa ,nếu thời điểm bắt đầu xuất hiện

của một xung nằm trong vùng sườn xung nào của urc tại sườn xung ấy của urc

được gọi là sườn sử dụng .

Điều này có nghĩa là :

Tại thời điểm urc=uđkở phần sườn sử dụng trong một chu kỳ của điện

áp răng cưa thì trên đầu ra của khối SS sẽ bắt đầu xuất hiện một xung điện áp

.Từ đó ta thấy có thể thay đổi được thời điểm xuất hiện xung đầu ra của khối so

sánh bằng cách thay đổi giá trị của uđk khi giữ nguyên dạng của urc .

27



TRƯỜNG ĐẠI HỌC KINH TẾ KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

Trong một số trường hợp thì xung ra của khối SS được đưa đến cực điều

khiển của Tiristo nhưng đa số các trường hợp thì xung ra của khối SS chưa đủ

các yêu cầu cần thiết đối với tín hiệu điều khiển Tiristo .Để có tín hiệu đủ yêu

cầu thì người ta phải thực hiện việc sửa xung ,khuyếch đại xung ..vv .

Các nhiệm vụ này được thực hiện ở mạch tạo xung (TX) cuối cùng trên

đầu ra khối TX là một chuỗi xung điều khiển uđkT có đủ thông số yêu cầu về

công suất ,biên độ ,độ dài xung vv…mà thời điểm bắt đầu xuất hiện của các

xung thì hoàn toàn trùng với thời điểm xuất hiện xung trên đầu ra khối SS .

Vậy thời điểm xuất hiện của tín hiệu điều khiển trên điện cực điều khiển

và Katôt của Tiristo cũng chính là thời điểm xuất hiện xung đầu ra khối SS , tức

là khối SS đóng vai trò xác định giá trị góc điều khiển α .

Như đã nêu ở trên ,ta có thể thay đổi thời điểm xuất hiện xung ra khối so

sánh bằng cách thay đổi giá trị uđk .Vậy điều khiển giá tri điện áp điều khiển uđk

ta điều khiển được giá trị góc mở α .

Hệ thống điều khiển pha đứng tuy có mạch phát xung khá phức tạp nhưng

các xung được tạo ra đáp ứng được yêu cầu như:

Phạm vi điều chỉnh góc mở α rộng α = (0 ÷ 1800)

Tổng hợp tín hiệu dễ dàng

Công suất ,biên độ ,độ rộng xung đảm bảo yêu cầu mở Tiristo

Dễ tự động hoá và tự động hoá ở trình độ cao

Có thể điều khiển được hệ thống công suất lớn.

1.2 Hệ thống điều khiển pha ngang.

-



Ở phương pháp này người ta tạo ra điện áp điều khiển hình sin có tần số

bằng tần số của điện áp nguồn và góc pha điều khiển được.Thời điểm xuất hiện

xung trùng với góc pha đầu của điện áp điều khiển.Phương pháp này có mạch

điều khiển khá đơn giản nhưng lại có một số nhược điểm sau :

Phạm vi điều chỉnh góc mở α hẹp α<1800

Khó tổng hợp tín hiệu

Rất nhạy với sự thay đổi của điện áp nguồn

1.3 Hệ thống điều khiển dùng điốt 2 cực gốc ( tranzitor một tiếp giáp ).

-



28



TRƯỜNG ĐẠI HỌC KINH TẾ KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

Phương pháp này cũng tạo ra các xung nhờ việc so sánh giữa điện áp răng

cưa xuất hiện theo chu kỳ điện áp nguồn xoay chiều với điện áp mở của

BJT.Phương pháp này khá đơn giản tuy nhiên nó có một số nhược điểm sau:

-



Phạm vi điều chỉnh góc mở α hẹp α<1800

Trong một chu kỳ điện áp nguồn hệ thống thường tạo ra nhiều xung điều



-



khiển gây tổn thất phụ trong mạch điều khiển

Đảo chiều khó khăn chỉ phù hợp hệ thống có công suất nhỏ

 Đánh giá chọn hệ thống điều khiển.

Từ những phân tích cụ thể đối với từng hệ thống điều khiển .Em thấy hệ



thống điều khiển pha đứng có nhiều ưu điểm phù hợp với công nghệ của đề tài

được giao .Do đó em chọn hệ thống điều khiển pha đứng để thiết kế cho hệ

thống .

2.Thiết kế mạch điều khiển.

2.1.Khối đồng bộ hoá và phát sóng răng cưa (ĐBH-FSRC)

a. Nhiệm vụ

Tạo ra hệ thống các xung điện áp ra có dạng răng cưa xuất hiện lặp đi lặp

lại với chu kỳ của điện áp đồng bộ (xoay chiều) cung cấp cho sơ đồ chỉnh

lưu.đồng thời điều khiển được thời điểm xuất hiện của chóng trong mỗi chu kỳ.

b. Sơ đồ nguyên lý:



Có nhiều cách để thiết kế khối này .Dưới đây là 3 cách dựa trên cơ sở linh

kiên thiết kế :

- Đ + C : điôt và tụ .

- Tr + C : tranzitor và tụ.

- IC +C : IC và tụ .

Dưới đây là phân tích khối đồng bộ hóa và tạo sóng răng cưa dùng IC + tụ.

c. Sơ đồ mạch .

-



BAĐBH : tạo ra điện áp đồng bộ hóa.

Bộ KĐTT sử dụng điôt, IC, các điện trở, tụ điện .tạo ra dòng nạp ổn định .



29



TRƯỜNG ĐẠI HỌC KINH TẾ KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP



Hình 21.Khâu đồng bộ hóa – Tạo sóng răng cưa

d. Nguyên lý hoạt động:



Sơ đồ này sử dụng khuếch đại thuật toán(KĐTT) ghép với tụ C tạo thành

một mạch tích phân,hoạt động của khâu này như sau:

Điện áp đồng pha dạng hình sin sau khi qua diot D1 ta thu được dạng

sóng ở nửa chu kỳ dương cấp vào chân dương của IC1.IC1 so sánh điện áp đặt

vào tại 2 cực dương và âm cho đầu ra xung vuông của Udb.

Khi ở nửa chu kì điện áp Udb<0 , diot D3 dẫn. Tụ C1 được nạp với dòng

nạp đi từ +Ucc qua VR2 tới R4 vào tụ C1. Điện áp nạp của tụ C1 được giới

hạn bởi DZ 10v.

Khi ở nửa chu kỳ điện áp Udb > 0, D3 ngưng dẫn ,IC2 mở làm tụ C1

ngưng nạp và phóng điện qua IC2 cho đến khi điện áp trên tụ =0 và được duy trì

cho đến khi Udb chuyển trạng thái sang chu kỳ tiếp theo và lại được lặp lại như

cũ.

Do Urc là điện áp ra của IC2 có điện trở rất nhỏ .vì vậy điện áp ra có giá

trị không phụ thuộc vào tải.Với sơ đồ này dung lượng tụ C chỉ cần rất nhỏ

(200nF) nên chọn tụ dễ dàng và điện áp ra rất gần với dạng răng cưa lý tưởng.

e. Giản đồ điện áp .



30



TRƯỜNG ĐẠI HỌC KINH TẾ KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP



Hình 22. Sơ đồ dạng sóng khâu đồng bộ hóa – Tạo sóng răng cưa



2.2. Khối so sánh.

Khối so sánh dựng để so sánh tín hiệu điện áp ra sau khi ĐBH&PSRC (urc)

với điện áp điều khiển một chiều (Uđk). Hai tín hiệu này đựơc mắc sao cho tác

dụng của chóng đối với đầu vào khâu so sánh là ngược chiều nhau.

Chính qua khối này sẽ quyết định thời điểm xuất hiện xung để kích mở

Thyristor. Cụ thể thực hiện khối so sánh theo nhiều mạch khác nhau nhưng phổ

biến nhất hiện nay là các sơ đồ so sánh dùng Transistor và dùng bộ khuếch đại

thuật toán bằng vi điện tử. Ta có mạch so sánh sau:

Kết quả đầu ra khối so sánh ta thu được dạng xung điện áp ra



31



TRƯỜNG ĐẠI HỌC KINH TẾ KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP



Hình . Khối so sánh



Hình 23. Dạng sóng điện áp khối so sánh



32



TRƯỜNG ĐẠI HỌC KINH TẾ KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

2.3.Khối tạo xung và phân chia xung (TX - PCX).

Xung ra của khâu so sánh thường chưa đủ các thông số yêu cầu của cực

điều khiển . Để có xung có đầy đủ các thông số yêu cầu đó ta phải khuếch đại

xung , thay đổi độ dài xung, trong một số trường hợp phải phân chia xung và

cuối cùng là truyền xung từ đầu ra của mạch phát xung tới cực điều khiển và cực

K của Thiristor .

a.Mạch sửa xung.



Hình 24. Mạch sửa xung dùng IC555 và 4081



Hình 25 .Giản đồ điện áp mạch sủa xung

33



TRƯỜNG ĐẠI HỌC KINH TẾ KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

b. Mạch khuyếch đại và truyền xung .

 Sơ đồ nguyên lý (H.38)

- PC 817 :Cách ly quang dùng cách ly điện áp mạch điều khiển và mạch động

lực.

- A1013 : Tranzitor thuận khuếch đại điện áp đáp ứng yêu cầu mạch điều khiển

- R 68R/2W : Trở công suất

- PR107 :Điot công suất



Hình 26. Khâu cách ly và khuếch đại

 Nguyên lý làm việc:

- Ở nủa chu kỳ âm của điện áp Usx chưa có xung vào PC817 nên A1013



khóa nên uđkT =0 .

Trong nửa chu kỳ dương có xung vào PC817 đầu ra có điện áp đặt lên



-



tranzitor A1013 làm tranzitor mở và có Udk.

2.4.Khối tổng hợp và khuyếch đại trung gian (KĐTG).

Do yêu cầu công nghệ là phải có chất lượng cao nên ta phải sử dụng các

mạch vòng phản hồi vì vậy cần phải có mạch vòng tổng hợp các tín hiệu .

Mặt khác để nâng cao độ cứng đặc tính cơ hệ kín nên cần phải khuyếch đại tín

hiệu .

Khâu tổng hợp khuyếch đại tín hiệu bao gồm :



34



TRƯỜNG ĐẠI HỌC KINH TẾ KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

-



Khâu tổng hợp mạch vòng phản hồi âm tốc độ: đáp ứng yêu cầu ổn định



-



và điều chỉnh tốc độ động cơ ở mức độ nhất định.

Khâu tổng hợp mạch vòng phản hồi âm dòng có ngắt : dùng để ổn đinh

cũng như hạn chế dòng quá độ .



a. Khâu tổng hợp mạch vòng phản hồi âm tốc độ

 Sơ đồ nguyên lý:

Để lấy tín hiệu phản hồi ta sử dụng máy phát tốc FT nối với động cơ một

chiều Đ và bộ phân áp WR3 và R14 để đo điện áp một chiều như hình vẽ

+ucc



r14



+ucc

r 16



uc®



ic3

r 13



-



r11



ft



+



r15



wr3

r12



wr2



-ucc



Hình 27 .Khâu phản hồi âm tốc độ

Tín hiệu phản hồi này được đưa vào khâu tổng hợp tín hiệu cùng tín hiệu

chủ đạo . Mạch tổng hợp này bao gồm các vi mạch khuyếch đại thuật toán IC3

và các phần tử khác phục vụ cho khâu tổng hợp như hình vẽ

 Nguyên lý làm việc



Đầu vào khâu khuyếch đại bao gồm tín hiệu chủ đạo ucđ và tín hiệu phản hồi

âm tốc độ uph = γn, UvIC3=Ucđ -



.Tín hiệu này được đưa vào đầu vào đảo



IC3sau đó được khuyếch đại .tín hiệu ra IC3ngược dấu với tín hiệu vào IC3.

Tín hiệu ra được đưa đến điều khiển chỉnh lưu uđk .

Vậy ta có:

UvIC3 = Ucđ- γn



; UIC3 = -K3.(ucđ- γn ) = Udk



với K3 là hệ số khuếch đại của IC3.

Với hệ điều tốc vòng kín có phản hồi âm tốc độ(γ ≠ 0) thì độ sụt tốc độ sẽ

giảm khi tăng γ.K, tức tăng hệ số phản hồi hoặc tăng hệ số khuếch đại hệ thống

hở.Nếu đạt điều kiện γ.K →∞ thì ∆n→0 (không còn sai lệch và đặc tính tuyệt

đối cứng).

35



TRƯỜNG ĐẠI HỌC KINH TẾ KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

b. Khâu tổng hợp mạch vòng phản hồi âm dòng.

 Sơ đồ nguyên lý

r19

r 20



+ucc



r17



wr5

+ucc



ic4

d



5



r18

-ucc

ung



wr4



Hình 28 . Khâu phản hồi âm dòng

 Nguyên lý làm việc

-



Khi làm việc bình thường thì (Ud - β.Iư>0) nên điện áp đầu ra IC4 âm làm

D5 khóa . khâu phản hồi dòng không làm việc cho nên không tác động



vào hệ thống .

- Khi xẩy ra quá tải thì β.Iư tăng lên cho Ud - β.Iư<0 , điện áp đầu ra IC4

dương.

Khâu ngắt dòng có thể lấy tín hiệu qua điện trở sun, khuếch đại từ hay

máy biến dòng BI rất hợp với sơ đồ chỉnh lưu.





Với điện trở sun : mạch đơn giản nhưng có nhược điểm là gây tổn thất



cũng như làm giảm độ cứng đặc tính cơ.

 Với khuếch đại từ : do quán tính từ nên ảnh hưởng đến quá trình điều

khiển.

 Dùng máy biến dòng BI : được mắc vào cuộn sơ cấp của BAĐ và qua

sơ đồ chỉnh lưu không điều khiển ta lấy được tín hiệu phản hồi β.Iư .

c.Mạch tổng hợp và khuếch đại tín hiệu.

 Sơ đồ nguyên lý



36