Đồ án điện tử công suất
CHƯƠNG IV
GIỚI THIỆU - TÍNH TOÁN - THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN TOÀN HỆ
THỐNG
I. Nhiệm vụ chức năng mạch điều khiển :
Như ta đã biết Thyristo chỉ để mở cho dòng chạy qua khi có điện áp dương
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 được vị trí xung điều khiển trong phạm vi nửa chu kì dương
của điện áp đặt lên a-k của T.
- Tạo các xung điều khiển có thể mở được Thyristo. Xung điều khiển có
độ rộng 2 ÷10V; độ rộng xung t
x
= 20 ÷ 100µs.
Dộ rộng xung điều khiển có thể tính được theo công thức:
I
dt
: dòng duy trì của Thyristo
di/dt: tốc đọ tăng trưởng của dòng điện tải.
2.Cấu trúc chung của mạch điều khiển nghịch lưu:
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 lượng và độ tin cậy của bộ biến đổi.
1
dt
di
t
dt
I

- Yêu cầu về độ rộng xung điều khiển: Thông thường độ rộng xung không
nhỏ hơn 5 µs 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 trường 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 nhưng 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 như 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 đưa 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

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

1
chon loại c828 có U
ce
=30V; I
cmax
=300mA; β=30÷100; 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
trường. Muốn có ta phỉa tạo ra từ các Flip-Flop khác. ở đây ta tạo ra từ D – Flìplop
không đồng bộ theo sườn lên của xung nhịp ta có thể tạo ra được T-FF tích cực
cao lật trạng thái ở sườn 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
=100µs = 10
-4
s
Sơ đồ khối bộ tạo độ rông xung:
4
D Q
C Q
Ra
R
1
T
t
T

 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
được 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

-Dễ dàng tạo được 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

n
W
W ===
mm
jπ
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
.π
2
1
1
===
Ω
I
E

=
0,45T; độ từ thẩm µ = 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 , thường chọn t
x
từ 10÷ 600µs, ở đây ta
chọn t
x
=100µs
*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
⇒ Đương kính cuộn thứ cấp:
Đường kính cuộn sơ cấp:
*Chọn R
4
=2k, chọn tranditocó I
c2mã
=I
1

m
=100V;
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 π do đó ta phải thiết kế khâu dịch pha:
Đây là mạch trễ pha toàn thông , để tạo ra tín hiệu dịch pha π ta mắc nối tiếp 2
bộ dịch pha 90
0
Chọn R
8
= 10kΩ. Ta có độ lệch pha :θ(ω) = -2tg
-1
. ωRC
Với ω =2π.10
3
(rad/s) ⇒ -2arctg(2π.10
3
R
9
C
10
) = -90

ra
R
8
R
8
D
4
R
9
)(17551.
2,0
351
.1;
1
2
1
21
1
2
2
1
vßngWWW
I
I
W
W
I
I
===⇒==
U

=10/0,2 =50Ω.
Tín hiệu lấy về có dạng:
 Muốn có dạng xung vuông ta cho tín hiệu qua IC thuật toán
Chọn loại OA TL081 có V
cc
= ±15V
8
-Vcc
+V
cc
U
d
Më T
1
T
4
U
r
t
t
Uv
Đồ án điện tử công suất
U
d
= ±30V
Đồ thị tín hiệu vào ra theo thời gian:
Ta có xung điều khiển của T
1
và T
4

,T
3
ta dùng mạch gim trên song song
U
v
> 0 ⇒ U
A
> U
K
⇒ D
6
thông U
r
= 0
U
v
< 0 ⇒ U
A
< U
K
⇒ D
6
khoá U
r
= U
v
9
T
1
T

Tín hiệu ở chân 10 của 4047 chính là tín hiệu qua BAX và di điều khiển
T2,T3.
7. Khâu để ngắt máy phát xung:
Sau khi tín hiệu dòng và áp ra tải ổn định thì ta ngắt máy phát xung ra khỏi
mạch điều khiển, do đó ta có thể sử dụng rơ le thời gian có hai tiếp điểm, một tiếp
điểm thường đóng mở chậm và một tiếp điểm thường mở đóng chậm. Chon rơ le
thời gian do liên xô cũ chế tạo loại ∃B201 có các thông số kỹ thuật:
+ Diện áp định mức U
đm
=24V
+ Khoảng điều chỉnh thời gian 0,25÷ 4s.
Theo số liệu trong bài ta điều chỉnh thời gian của rơle là 1s
 Tổng hợp mạch điều khiển:
10
U
v
D
6
204
10
11
5 7 912
3
1 2
8
1464
CMOS 4047
R
6
C






=
=
=
VU
VU
VU
r
v
r
38
27
24
max
min
2220
V
UU
U
vv
m
75,23
2
305,17
2
minmax

3
21
LM7815
+15V
C
6
C
5
C
4
U
1
=220V
U
2
D
8
7
75,23.2
2220
2
2
1
===
m
vm
U
U
a
V

Ta có:
⇒ Tỷ số biến áp:
Sơ đồ mạch tao nguồn +24V:
Chọn D
7
, D
8
, D
9
, D
10
, cùng loại π204 có I
tb
=800mA, U
im
=100V.
 Thiết kế nguồn cung cấp -15V:
Sơ đồ nguồn cung cấp -15V như sau:
12
D
9
3
21
LM7815
+24V
C
9
C
8
C

2. Nguyên lý hoạt động của toàn hệ thống:
13
Đồ án điện tử công suất
+ Vi mạch 555 phát xung hình chữ nhật có tần số 2000Hz sau khi qua bộ
chia xung Fliplop ta được xung vuông có tần số 1000Hz.
+ Xung tần số f =1000Hz qua bộ tạo độ rộng xung ta được xung có độ rộng
t
x
=100µs, tần số f=1000Hz, xung này qua BAX được khuyếch đại , sau đó được
đưa vào cực G
1
,G
4
của các Thyristo T
1
, T
4
.
+ Xung ở đầu ra của bộ tạo độ rộng, muốn kích mở được T
2
, T
3
ta cho qua
bộ dịch pha 1 góc π. Xung này có dạng dống xung ở đầu ra của bộ tạo độ rộng
xung nhưng dịch pha 1 góc π. Xung này qua BAX để khuyếch đại sau đó đưa vào
cực G
2
, G
3
của thyristo T

Đồ án điện tử công suất

15
A
B
C
D
E
F
G
5V
10V
i
ra
t
x
2T
T
Đồ án điện tử công suất
16
i
ra
H
M
P
D
F
N
Q
E