Đồ án Điện tử công suất

m nhiệm vụ phân phối xung cho từng Tiristor trong cùng 1 pha *Tín hiệu cao tần sẽ được trộn với tín hiệu điều khiển sau khâu so sánh và với các tín hiệu phân phối để tạo ra tín hiệu cho từng Tiristor riêng biệt. Những tín hiệu này được khuyếch đại và thông qua biến áp xung đưa trực tiếp lên cực điều khiển của Tiristor. *Trên đây là nguyên lý của một kênh điều khiển.Ta cần thiết kế 3 kênh A,B,C tương tự nhau. 4.4 .Tính toán các khâu mạch điều khiển * Các thông số cần đạt được của mạch điều khiển là: + Điện áp điều khiển tyristor :Udk =4 V + Dòng điện điều khiển : Idk =300 mA + Tần số xung chùm : fxc = 10kHz + Độ rộng xung : Tx ≥ 3,5 ms + Độ sụt áp đỉnh xung : ΔUx = 0,1V + Điện áp nguồn nuôi MĐK : Vcc = 12V 4.4.1. Khâu khuyếch đại tạo xung. Đồ án điện tử công suất SV: Kim Văn Tư Lớp - TĐH3 – K48 28 Đồ thị mô phỏng: a. Tính toán máy biến áp xung : Chọn biến áp xung có Kba = 2 Æ U1 =2.U2 = 2.Udk = 2.4 = 8V I1 =Idk / 2 = 0,3 / 2 =0,15A Chọn vật liệu làm lõi là sắt ferit HM .Do chế độ làm việc của BAX là từ hoá 1 phần nên ta chọn ∆B = 0,25T ∆H = 30A/m Do khâu tạo xung chùm là xung đối xứng có tn = tx = sxcT 610.502 610.100 2 −=−= Nên ta coi rằng trị số dòng hiệu dụng cuộn thứ cấp bằng một nửa dòng điều khiển I2 =0,5Idk=0,15A Vậy thể tích lõi biến áp là : A K D11 T1 T2 D14 D13 BAX1 C3D12 E R16 R R17 0.000ms 5.000ms 10.00ms 15.00ms 20.00ms 25.00ms 30.00ms 35.00ms 40.00ms 45.00ms 50.00ms I: u3b_9 5.500 V -0.500 V J: d9_1 4.500 V -0.500 V K: d17[id] 350.0mA -50.00mA Đồ án điện tử công suất SV: Kim Văn Tư Lớp - TĐH3 – K48 29 V= 38,03710.830.25,0 1,0.610.50.15,0.4.2 . ..2.2. cmmHB xUxtIUbaK =−=−=ΔΔ Δ Chọn V = 1,12 cm3 Æ Tra trong tài liệu ( 1) cho trường hợp từ hoá 1 phần chọn lõi hình trụ ký hiệu 1811 ( tức là đường kính ngoài 18mm , đường kính trong 11mm ) có tiết diện bằng 0,443cm2. Vậy số vòng dây cuộn sơ cấp là : W1 36410.443,0.25,0 610.50.8 . .1 =− −=Δ= baSB xtU vòng Lấy W1=40 vòng Æ W2 = 40/2 = 20 vòng b. Tính toán khâu khuếch đại ; Chọn E = 12V Æ Từ đây ta chọn bóng T1 loại TIPP31 có tham số UCE=40V ,ICmax=2A , βmin =20 Ta có : R17 > Ω== 62 12 1cI E Chọn R17 = 10Ω ( loại điện trở có công suất 2,5W ) Kiểm tra độ sụt áp trên điện trở này khi bóng dẫn ∆UR17 =I1.R17 =0,15.10 =1,5 V Æđiện áp còn trên BAX : U1 =E - ∆UR17 =12-1,5 =10,5V (đạt yêu cầu ) Tụ C3 nhằm tăng cường điện áp được chọn như sau : C < 67.1610.67,110.3 610.50 17.3 =−=−= FR nt μF Chọn C = 1 μF Bóng T2 chọn loại 2N3904 có tham số UCE=40V , ICmax=0,2A , βmin =100 Ta có : R16 ≤ Ω== 10000 100.20 2.2,1 12 . . 21 max1 ββ CIs E ( ở đây ta lấy s = 1,2) Chọn R16 =8kΩ *Các Điode trong mạch điều khiển chọn loại 1N5401 có:Ung=100V, Imax=3A. 4.4.2. Khâu phát xung chùm Đồ án điện tử công suất SV: Kim Văn Tư Lớp - TĐH3 – K48 30 Đồ thị mô phỏng : * Dùng mạch phát xung Relaxation oscilator sử dụng 0pAm LM 318 sử dụng như bộ so sánh. - Tần số xung chùm tạo ra fxc = 10khz =>Txc = mss 1,0310.1,0410 1 =−= Có công thức tinh chu kì dao động: T=2R11 .C2 .ln( 1 + 13 122 R R ) (1) Chọn R12 =22kΩ ,R13=22 kΩ , ta có (1) Ù T=2R11 .C2 .ln(1+2) =>T =2,2 .R11 .C2 => R11.C2=45,4510-6 Chọn C2 = 47nf => R11 = 0,967 kΩ Chọn R11 là một biến trở 2 kΩ Chọn R14 =15 kΩ D9 -12V 12V +C2 R14 R11 R12 R13 82.00ms 83.00ms 84.00ms 85.00ms 86.00ms 87.00ms 88.00ms G: d18_k 11.00 V -1.000 V Đồ án điện tử công suất SV: Kim Văn Tư Lớp - TĐH3 – K48 31 4.4.3. Khâu đồng pha Đồ thị mô phỏng *Chọn sơ đồ hai nhịp để tạo ra điện áp đồng bộ.Tức một pha đã tạo ra 2 tín hiệu điều khiển cho 2 Tiristor. Sơ đồ sử dụng chỉnh lưu một pha 2 nửa chu kỳ có điểm trung tính để tạo ra điện áp chỉnh lưu Ub. * Điện áp Ub được so sánh với điện áp Ua để tạo ra các tín hiệu tương ứng với thời điểm mà điện áp nguồn đi qua điểm không. * Ua càng nhỏ thì xung Udb càng hẹp và phạm vi điều chỉnh càng lớn. Tính toán: • Chọn MBA điện áp sơ cấp 380V xoay chiều , điện áp thứ cấp Ud =10V do đó Ub=0,9 .Ud = 9V (chỉnh lưu không điều khiển 2 nửa chu kỳ ). • Chọn αmin =175 ˚ ta có Ua = 9sin5˚ = 0,78 V. • Mà: 065,012 78,0 4343 4 4 ==+=>=+ RRE aU RR R R Chọn R3=15kΩ thì R4 =1,04 kΩ . Ua Ub Udb E 12V 12V -12V 50 Hz + D1 D2 R3 R7 R4 R0 0.000ms 10.00ms 20.00ms 30.00ms 40.00ms 50.00ms 60.00ms 70.00ms 80.00ms 90.00ms 100.0ms A: d2_2 B: v2_1 11.00 V -1.000 V C: u1a_6 10.00 V -10.00 V Đồ án điện tử công suất SV: Kim Văn Tư Lớp - TĐH3 – K48 32 Ta chọn R4 là biến trở 2k • chọn R0 =15kΩ • Khuyết đại thuật toán OA1 chọn IC LM318 ,với các thông số sau: 4.4.4. Khâu Dịch Pha. a. Khâu tạo điện áp tựa Răng cưa . *Ta sử dụng mạch tạo điện áp tựa dạng răng cưa dùng Khuyếch đại thuật toán kết hợp với MosFet. + Nguyên lý cơ bản của nó là dùng mạch tích phân và khoá k (MosFet). Khoá được diều khiển bởi tín hiệu đồng bộ (tần số fdb=50Hz). + Chọn khoá Q1 là MosFet 2N7000 có thông số : Udb Urc -12V 12V E C1 + R8 0.000ms 10.00ms 20.00ms 30.00ms 40.00ms 50.00ms 60.00ms 70.00ms 80.00ms 90.00ms 100.0ms C: r3_2 12.50 V -12.50 V D: u1b_6 E: v18_1 12.50 V -2.500 V Đồ án điện tử công suất SV: Kim Văn Tư Lớp - TĐH3 – K48 33 + Khi khoá mở thì tụ C1 được nạp theo CT : UC= tCR E . 1.8 − => TCR E CU 18 max −= với T = 10 - 180 10 =9,4ms Chọn UCmax=10V ÆR8.C1 = 310.28,1110 310.4,9.12 · . −=−=− CmU TE Lấy C1=0,33μF ÆR8 =34,2 kΩ Chọn R8 gồm 1 điện trở 30 kΩ và 1 biến trở 10 kΩ b. Khâu so sánh. * Có chức năng so sánh điện áp điều khiển với điện áp răng cưa tạo ra tín hiệu phù hợp điều khiển Tiristor. Đây là khâu xác định góc điều khiển α. Urc Udk -12V 12V D10 + R15R9 R10 Udk Tx 10 Đồ án điện tử công suất SV: Kim Văn Tư Lớp - TĐH3 – K48 34 => Chọn R9 =R10 = R15 =15 kΩ *Ta có: 4,6104,9 4,31010 10 =−==>=− dkUT xTdkU V. Từ đây ta thây Udk ≥6,4V .Từ đó ta cũng thấy góc αmax=175 - 180.10 4,3 =113,80 4.4.5.Khâu tạo điện áp điều khiển Mục đích điện áp điều khiển được tạo bởi khâu điều khiển, với đầu vào là Uph và Ud Khâu phản hồi Khâu phản hồi có nhiệm vụ biến đổi đại lượng nhiệt độ thành đại lượng điện áp , điện áp này được khuyếc đại sau đó đem so sánh với điện áp đặt tạo tín hiệu điều khiển , tín hiệu này điều chỉnh góc mở van α . Ta phải giải quyết hai việc : Chuyển đổi nhiệt độ thành điện áp. Khuếch đại điện áp tạo tín hiệu điều khiển a. Chuyển đổi nhiệt độ thành điện áp Dùng cặp nhiệt , cặp nhiệt hoạt động theo nguyên tắc : Khi 2 dây dẫn M và N hàn với nhau bởi hai mối hàn có nhiệt độ T1, T2. M có mật độ điện tích lớn, N có mật độ điện tích nhỏ. Khi T1 = T2 , e = 0 Khi T1 > T2 mạch có e = e1- e2 = k( T1-T2) 0.000ms 10.00ms 20.00ms 30.00ms 40.00ms 50.00ms 60.00ms 70.00ms 80.00ms 90.00ms 100.0ms D: u1b_6 E: v18_1 12.50 V -2.500 V F: d3_k 11.00 V -1.000 V Đồ án điện tử công suất SV: Kim Văn Tư Lớp - TĐH3 – K48 35 Mạch cầu R1,R2,R3,R4, dùng để bù sai số do nhiệt độ môi trường. R2,R3,R4 là các điện trở không đổi theo nhiệt độ , riêng R1 có thể Mạch cầu chỉ cân bằng ở 00C ứng với R1/R3 = R2/R4. Khi nhiệt độ môI trường là T chênh lệch điện áp giữa A và B là ∆U = Ucc* α*T/4 , α là hệ số nhiệt điện trở Ura = e +∆U = k*Tđo- k*Tmt + Ucc* α* Tmt/4 Hiệu chỉnh sao cho k = Ucc* α/4 Dùng cặp nhiệt Ni-Pt có thông số : GiảI nhiệt 0-1700oC Ura 0-12,426 mV độ chính xác trong khoảng 800-1700oC là 0,5% b. Khuếch đại tín hiệu điều khiển Do tín hiệu ra sau cặp nhiệt là rất nhỏ , ta phải khuếch đại nó lên từ cỡ mV thành cỡ V ta chọn OPAMP loại OP07 , thông số : Nguồn nuôi ± 3V - ± 18V Offset 10μV Tổng trở vào 3MΩ Đồ án điện tử công suất SV: Kim Văn Tư Lớp - TĐH3 – K48 36 Hệ số khuếch đại K = 200000 Mạch khuếch đại Ura Chọn R3 = R1 // R2 nhằm triệt tiêu ảnh hưởng đồng pha Khâu tạo điện áp điều khiển Mạch hồi tiếp âm có tụ C để lọc, Uđặt mang giá trị âm , Uph lấy từ cặp nhiệt qua khuếch đại so sánh với Uđặt sao cho | Uđặt | > Upha để có Udk> 0 Thật vậy Udk = -k*U- = -k( Uph-| Uđặt | ) > 0 nên Uph< | Uđặt | Khi tăng nhiệt độ Uph tăng suy ra (Uph + Ud ) giảm nên UC giảm , Udk giảm suy ra giảm nhiệt độ cung cấp cho lò. Đồ án điện tử công suất SV: Kim Văn Tư Lớp - TĐH3 – K48 37 Khi nhiệt độ giảm tương tự Udk tăng , tăng nhiệt độ cung cấp cho lò 4.4.5. Khâu tạo tạo điện áp phân phối tín hiệu điều khiển Đồ thị mô phỏng • Tín hiệu điện áp từ MBA đồng pha sẽ được so sánh qua KĐTT và đưa ra xung vuông có tần số 50HZ cùng tần số nguồn. • Chọn OpAm là IC LM318 có các thông số như trên. • Chọn R1 =R2 =15 kΩ Chon R5 =R6 =15kΩ 4.4.6.Khâu trộn xung : *Ta dùng cổng AND 3 đầu vào 4073 để làm bộ trộn xung Sơ đồ -12V -12V 12V 12V + D8 D7 D5 D6 + D3 D4 T210to1CT 50 Hz V1 -200/200V R2 R6 R5 R1 0.000ms 10.00ms 20.00ms 30.00ms 40.00ms 50.00ms 60.00ms 70.00ms 80.00ms 90.00ms 100.0ms H: d14_k 11.00 V -1.000 V I 3b 9 5 500 V 0.000ms 10.00ms 20.00ms 30.00ms 40.00ms 50.00ms 60.00ms 70.00ms 80.00ms 90.00ms 100.0ms L: d20_k 11.00 V -1.000 V Đồ án điện tử công suất SV: Kim Văn Tư Lớp - TĐH3 – K48 38 Đồ thị mô phỏng : ¾ thông số sau của 4073 : Uxc Uss Upp 4073 0.000ms 5.000ms 10.00ms 15.00ms 20.00ms 25.00ms 30.00ms 35.00ms 40.00ms 45.00ms 50.00ms F: d3_k 11.00 V -1.000 V G: d18_k 11.00 V -1.000 V H: d14_k 11.00 V -1.000 V I: u3b_9 5.500 V -0.500 V J: d9 1 4.500 V Đồ án điện tử công suất SV: Kim Văn Tư Lớp - TĐH3 – K48 39 4.4.7. Khối nguồn nuôi mạch điều khiển Điện áp nguồn nuôi mach điều khiển là :+12V và -12V. Mạch ổn áp sử dụng IC ổn áp 7812 và 7912 có chất lượng điện áp tốt,rất thông dụng hiện nay. Sơ đồ mạch ổn áp như sau: Đồ thị mô phỏng : -12V 12V T2 10TO1B + C7 10nF + C5 1000nF 50 Hz V2 -220/220V C8 100nF C6 100nF D3 2KBB10 IN COM OUT 79L12 50 Hz V1 -220/220V IN COM OUT 78L12 D1 2KBB10 + C3 10nF C2 100nF C4 100nF T1 10TO1B +C1 1000nF R2 R1 0.000ms 20.00ms 40.00ms 60.00ms 80.00ms 100.0ms 13.00 V 11.00 V 9.000 V 7.000 V 5.000 V A: r1_2 Đồ án điện tử công suất SV: Kim Văn Tư Lớp - TĐH3 – K48 40 • Chọn loại MBA có Kba = 0,1 => U2 = 22V Ud = 0,9 U2 =19,8 v, phù hợp đầu vào 7812 Tụ C1,C3 là các tụ phân cực dùng để san phẳng điện áp nên chọn: C1= 1000nF loại 35V C3 =10 nF loại 50V Tụ C2 và C4: các tụ lọc dùng để lọc các xung cao tần Chọn C2 =C4 =100nF loại 104 Chọn mạch chỉnh lưu là cầu diode tích hơp sẵn loại 2KBB10 : 200V,2A. • Tương tự chọn cho mạch tạo nguồn -12V CHƯƠNG 5 : MÔ PHỎNG MẠCH ĐIỀU KHIỂN Sơ đồ 1 kênh mạch điều khiển. Đồ án SV: K điện tử côn im Văn Tư g suất 41 Lớp - TĐH3 – K48 Đồ án điện tử công suất SV: Kim Văn Tư Lớp - TĐH3 – K48 42 Đồ thị mô phỏng nhận được. Vậy: kết quả mô phỏng hoàn toàn đúng với yêu cầu thực tế. Việc mô phỏng chính xác đã chứng minh công việc thiết kế trên là phù hợp với yêu cầu được giao. 0.000ms 10.00ms 20.00ms 30.00ms 40.00ms 50.00ms 60.00ms 70.00ms 80.00ms 90.00ms 100.0ms A: d2_2 B: oa3a_3 11.00 V -1.000 V C: q1_2 12.50 V -12.50 V D: q1_1 E: v16_1 12.50 V -2.500 V F: d10_2 12.50 V -2.500 V G: d9_2 12.50 V -2.500 V 0.000ms 10.00ms 20.00ms 30.00ms 40.00ms 50.00ms 60.00ms 70.00ms 80.00ms 90.00ms 100.0ms H: d14_k 11.00 V -1.000 V I: u3b_9 5.500 V -0.500 V J: d9_1 4.500 V -0.500 V K: d17[id] 350.0mA -50.00mA L: d20_k 11.00 V -1.000 V M 3 10 5 500 V 0.000ms 10.00ms 20.00ms 30.00ms 40.00ms 50.00ms 60.00ms 70.00ms 80.00ms 90.00ms 100.0ms M: d8_1 1.500 V -0.500 V N: scr1_3 4.500 V -0.500 V O: d10[id] 350.0mA -50.00mA Đồ án điện tử công suất SV: Kim Văn Tư Lớp - TĐH3 – K48 43 CHƯƠNG 6 : MÔ PHỎNG MẠCH LỰC Ta có : Rba= Ω== 07,0310.147 275,417.3%.222.3%.2 baS U Lba H baSf U f baX 310.91,0310.147.50.2 2 275,417.3%.8 ..2 2 2.3%.8 .2 −==== πππ Lloc=10,9 mH Rd=5,1Ω Từ đó ta mô phỏng mạch lực bằng sơ đồ SIMULINK sau : Đồ án điện tử công suất SV: Kim Văn Tư Lớp - TĐH3 – K48 44 Đồ thị mô phỏng ta nhận được :