0 1 #2 3i.vietnamdoc.net/data/file/2015/Thang06/04/thiet-ke-bo...v I 6 I ) J # 1 K 6 L (- $ 33333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333M N1 0 #

Đồ án 3: Điện Tử Công Suất-TĐĐ

GV hướng dẫn: Nguyễn Thị Thanh Tâm Trang 1

TRƯỜNG ĐHSPKT HƯNG YÊN

KHOA ĐIỆN - ĐIỆN TỬ

------------

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc lập-Tự do- Hạnh phúc

------------

ĐỒ ÁN MÔN HỌC

Khóa học: 2010-2014

Ngành học: Đo lường-Điều khiển tự động

Lớp: Đ- ĐT K8.4

ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU ÁP XOAY CHIỀU MỘT PHA ĐIỀUKHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ ĐIỆN.

Giảng viên hướng dẫn: Nguyễn Thị Thanh Tâm

Nhóm sinh viên thực hiện: Hoàng Lương Thái Sơn

Trần Văn Thoại

Hưng Yên ngày 11 tháng 11 năm 2012



ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU ÁP XOAY CHIỀU MỘT PHAĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ TẢI R-L.

I-Số liệu cho trước:

-Dòng xoay chiều với các thông số:

-Động cơ với các thông số: Uđm=220V; Pđm=0.2kw ,nđm=1420vg/ph,I dđm=1.9A,đm=60%, Cosφđm=0.8; fđm=50Hz.

II-Nội dung cần hoàn thành:

Báo cáo về tiến độ thực hiện các công việc theo từng tuần.

Thuyết minh đề tài: (Phân tích yêu cầu, trình bày các phương pháp thực hiện, cơ sởlý thuyết, quá trình thực hiện đồ án,…)

Các bản vẽ thiết kế cho từng khối, cho toàn bộ mạch đầy đủ chính xác.

Phải đảm bảo tính khả thi, tính ổn định khi làm việc của sản phẩm.

Sản phẩm còn phải đảm bảo tính mỹ quan mà vẫn đảm bảo tính kỹ thuật đáp ứngđược yêu cầu của giáo viên hướng dẫn.

Trình bày được hướng phát trển của đề tài.



MỤC LỤC:

PHẦN I: CƠ SỞ LÝ THUYẾT................................................................................7

CHƯƠNG I: ĐỘNG CƠ ĐIỆN XOAY CHIỀU MỘT PHA............................ 7

1.1. Khái niệm................................................................................................. 7

1.2. Nguyên lý điều khiển động cơ xoay chiều một pha................................ 7

1.3. Một số mạch điều khiển động cơ một pha............................................... 8

CHƯƠNG II: BỘ ĐIỀU ÁP XOAY CHIỀU MỘT PHA............................... 10

2.1. Đặt vấn đề...............................................................................................10

2.2. Giới thiệu một số sơ đồ mạch động lực................................................. 10

2.3. Giới thiệu về phần tử bán dẫn triac........................................................ 13

2.3.1 Cấu tạo và ký hiệu................................................................................13

2.3.2 Đặc tính V-A........................................................................................14

2.4. Điều áp xoay chiều một pha ứng với tải R-L.........................................14

PHẦN II: THIẾT KẾMẠCH................................................................................ 18

CHƯƠNG I: THIẾT KẾ.................................................................................... 18

1.1. Sơ đồ khối...............................................................................................18

1.2. Phân tích từng khối.................................................................................18

1.2.1. Khối nguồn.......................................................................................... 18

1.2.2 .Mạch lực..............................................................................................19

1.2.3.Mạch điều khiển................................................................................... 21

1.2.3.1.Phân tích........................................................................................ 21

1.2.3.2. Nguyên lý hoạt động.................................................................... 22

1.2.3.3.Giới thiệu TCA 785.......................................................................23

1.2.3.4.Sơ đồ..............................................................................................27



CHƯƠNG II: CHẾ TẠO....................................................................................28

2.1. Tính toán thiết kế để chế tạo mô hình....................................................28

2.1.1. Tính chọn van động lực.......................................................................28

2.1.2. Chọn thiết bị bảo vệ............................................................................ 29

2.1.2.1. Bảo vệ quá nhiệt...........................................................................29

2.1.2.2. Bảo vệ quá dòng điện cho van..................................................... 30

2.1.2.3. Bảo vệ quá điện áp cho van......................................................... 30

2.3. Sơ đồ board.............................................................................................34

2.4. Sơ đồ bố trí thiết bị.................................................................................36

2.5. phương hướng phát triển của đề tài........................................................36



LỜI NÓI ĐẦU

Điện tử công suất và truyền động điên là một môn học hay và lý thú, cuốn hút đượcnhiều sinh viên theo đuổi. Là những sinh viên chuyên ngành đo lường điều khiển, chúngem muốn được tiếp cận và hiểu sâu hơn nữa bộ môn điện tử công suất và truyền độngđiện.Vì vậy, đồ án môn học chế tạo sản phẩm là điều kiện tốt giúp chúng em kiểm chứngđược lý thuyết đã được học.

Trong đồ án điện tử công suất lần này, chúng em đã được nhận đề tài “Nghiêncứu,thiết kế bộ điều áp xoay chiều một pha điều khiển tốc độ động cơ”. Sau thời giannghiên cứu, chúng em đã chế tạo thành công bộ điều khiển điện áp xoay chiều 1 pha đápứng được cơ bản yêu cầu của đề tài.

Trong suốt thời gian thực hiện đề tài, chúng em đã gặp một số vướng mắc về lýthuyết và khó khăn trong việc thi công sản phẩm. Tuy nhiên, chúng em đã nhận được sựgiải đáp và hướng dẫn kịp thời của cô Nguyễn Thị Thanh Tâm, sự góp ý kiến của cácbạn sinh viên trong lớp. Đựơc như vậy chúng em xin chân thành cảm ơn và mong muốnnhận được nhiều hơn nữa sự giúp đỡ, chỉ bảo của cô giáo và bạn trong các đồ án sau này.

Chúng em xin chân thành cảm ơn!

Nhóm thực hiện:

Hoàng Lương Thái Sơn

Trần Văn Thoại



PHẦN I: CƠ SỞ LÝ THUYẾT

CHƯƠNG I: ĐỘNG CƠ ĐIỆN XOAY CHIỀU MỘT PHA

1.1. Khái niệm

Động cơ điện xoay chiều một pha (gọi tắt là động cơ một pha) là động cơ điện xoaychiều không cổ góp được chạy bằng điện một pha. Loại động cơ điện này được sử dụngkhá rộng rãi trong công nghiệp và trong đời sống như động cơ bơm nước động cơ quạtđộng cơ trong các hệ thống tự động... Khi sử dụng loại động cơ này người ta thường cầnđiều chỉnh tốc độ ví dụ như quạt bàn, quạt trần.

Để điều khiển tốc độ động cơ một pha người ta có thể sử dụng các phương pháp sau:

- Thay đổi số vòng dây của Stator.

- Mắc nối tiếp với động cơ một điện trở hay cuộn dây điện cảm.

- Điều khiển điện áp đưa vào động cơ.

1.2. Nguyên lý điều khiển động cơ xoay chiều một pha

Trước đây điều khiển tốc độ động cơ bằng điều khiển điện áp xoay chiều đưa vàođộng cơ, người ta thường sử dụng hai cách phổ biến là mắc nối tiếp với tải một điện trởhay một điện kháng mà ta coi là Zf hoặc là điều khiển điện áp bằng biến áp như làsurvolter hay các ổn áp.

Hai cách trên đây đều có nhược điểm là kích thước lớn và khó điều khiển liên tụckhi dòng điện lớn.

Ngày nay với việc ứng dụng Tiristor và Triac vào điều khiển, người ta có thể điềukhiển động cơ một pha bằng bán dẫn



1.3. Một số mạch điều khiển động cơ một pha

Một trong những ứng dụng rất rộng rãi của điều áp xoay chiều là điều khiển động cơđiện một pha mà điển hình là điều khiển tốc độ quay của quạt điện.

Chức năng của các linh kiện trong sơ đồ hình 15 - 4:

T - Triac điều khiển điện áp trên quạt.

VR - biến trở để điều chỉnh khoảng thời gian dẫn của Triac.

R - điện trở đệm.

D - diac - định ngưỡng điện áp để Triac dẫn.

C - Tụ điện tạo điện áp ngưỡng để mở thông diac.

Điện áp và tốc độ của quạt có thể được điều khiển bằng cách điều chỉnh biến trở VRtrên hình a. Tuy nhiên sơ đồ điều khiển này không triệt để, vì ở vùng điện áp nhỏ khiTriac dẫn ít rất khó điều khiển.

Sơ đồ hình b có chất lượng điều khiển tốt hơn. Tốc độ quay của quạt có thể đượcđiều khiển cũng bằng biến trở VR. Khi điều chỉnh trị số VR ta điều chỉnh việc nạp tụ Clúc đó điều chỉnh được thời điểm mở thông diac và thời điểm Triac dẫn. Như vậy Triacđược mở thông khi điện áp trên tụ đạt điểm dẫn thông diac. Kết quả là muốn tăng tốc độcủa quạt ta cần giảm điện trở của VR để tụ nạp nhanh hơn, Triac dẫn sớm hơn điên áp ralớn hơn. Ngược lại điên trở của VR càng lớn tụ nạp càng chậm Triac mở càng chậm lạiđiện áp và tốc độ của quạt nhỏ xuống.

* Mạch điều khiển trên đây có ưu điểm:

- Có thể điều khiển liên tục tốc độ quạt - có thể sử dụng cho các loại tải khác nhưđiều khiển độ sáng của đèn sợi đốt, điều khiển bếp điện rất có hiệu quả.

-Kích thước mạch điều khiển nhỏ, gọn.

* Nhược điểm:

Nếu chất lượng Triac, diac không tốt thì ở vùng tốc độ thấp quạt sẽ xuất hiệntiếng ù do thành phần một chiều của dòng điện.





CHƯƠNG II: BỘ ĐIỀU ÁP XOAY CHIỀU MỘT PHA

2.1. Đặt vấn đềCác bộ biến đổi điện áp xoay chiều dùng để biến đổi điện áp hiệu dụng đặt lên tải.

Nguyên lý của bộ biến đổi này là dùng các phần tử van bán dẫn nối tải với nguồn trongmột khoảng thời gian t1 rồi lại cắt đi trong một khoảng thời gian t0 theo một chu kỳ lặp lạiT. Bằng cách thay đổi độ rộng của t1 hay t0 trong khoảng T ta thay đổi được giá trị điện áptrung bình ra trên tải. Nguyên lý này có ưu điểm là điều chỉnh điện áp ra trong một phạmvi rộng và vô cấp, hiệu suất cao vì tổn thất trên các phân tử điện tử công suất rất nhỏ.Điều áp xoay chiều thường được sử dụng trong điều khiển chiếu sáng, đốt nóng, trongkhởi động mềm và điều chỉnh tốc độ quạt gió hoặc máy bơm.

-Phân loại: Dựa vào số pha nguồn cấp mà ta có các bộ điều chỉnh điện áp khác nhaulà Điều áp xoay chiều một pha, Điều áp xoay chiều ba pha.

2.2. Giới thiệu một số sơ đồ mạch động lựcHình 1 giới thiệu một số mạch điều áp xoay chiều một pha. Hình 1a là điều áp xoay

chiều điều khiển bằng cách mắc nối tiếp với tải một điện kháng hay điện trở phụ (tổng trởphụ) biến thiên. Sơ đồ mạch điều chỉnh này đơn giản dễ thực hiện. Tuy nhiên, mạch điềuchỉnh kinh điển này hiện nay ít được dùng, do hiệu suất thấp (nếu Zf là điện trở) hay costhấp (nếu Zf là điện cảm).

U1

Zf

U2 i Z

a

U2

b

TBB§

U2U1

C

U1 i Z Zi

Hình 1 Các phương án điều áp một pha

Người ta có thể dùng biến áp tự ngẫu để điều chỉnh điện áp xoay chiều U2 như trênhình 1b. Điều chỉnh bằng biến áp tự ngẫu có ưu điểm là có thể điều chỉnh điện áp U2 từ 0đến trị số bất kì, lớn hay nhỏ hơn điện áp vào. Nếu cần điện áp ra có điều chỉnh, mà vùngđiều chỉnh có thể lớn hơn điện áp vào, thì phương án phải dùng biến áp là tất yếu. Tuynhiên, khi dòng tải lớn, sử dụng biến áp tự ngẫu để điều chỉnh, khó đạt được yêu cầu nhưmong muốn, đặc biệt là không điều chỉnh liên tục được, do chổi than khó chế tạo để cóthể chỉ tiếp xúc trên một vòng dây của biến áp.



Hai giải pháp điều áp xoay chiều trên hình 1a,b có chung ưu điểm là điện áp hình sin,đơn giản. Có chung nhược điểm là quán tính điều chỉnh chậm và không điều chỉnh liêntục khi dòng tải lớn. Sử dụng sơ đồ bán dẫn để điều chỉnh xoay chiều, có thể khắc phụcđược những nhược điểm vừa nêu.

Các sơ đồ điều áp xoay chiều bằng bán dẫn trên hình 1c được sử dụng phổ biến. Lựachọn sơ đồ nào trong các sơ đồ trên tuỳ thuộc dòng điện, điện áp tải và khả năng cung cấpcác linh kiện bán dẫn. Có một số gợi ý khi lựa chọn các sơ đồ hình 1c như sau:

T2 Z

T1

U1 Z

T

U1

a.D2

Z

T

U1

D1

D3D4

d.

b.

ZU1

c.

D1T1

T2D2

Hình 2: Sơ đồ điều áp xoay chiều một pha bằng bán dẫna. bằng hai tiristor song song ngược

b. bằng triacc. bằng một tiristor một diodd. bằng bốn diod một tiristor

Sơ đồ kinh điển hình 2.A thường được sử dụng nhiều hơn, do có thể điều khiểnđược với mọi công suất tải. Hiện nay Tiristor được chế tạo có dòng điện đến 7000A, thìviệc điều khiển xoay chiều đến hàng chục nghìn ampe theo sơ đồ này là hoàn toàn đápứng được

Tuy nhiên, việc điều khiển hai tiristor song song ngược đôi khi có chất lượng điềukhiển không tốt lắm, đặc biệt là khi cần điều khiển đối xứng điện áp, nhất là khi cung cấp



cho tải đòi hỏi thành phần điện áp đối xứng (chẳng hạn như biến áp hay động cơ xoaychiều). Khả năng mất đối xứng điện áp tải khi điều khiển là do linh kiện mạch điều khiểntiristor gây nên sai số. Điện áp tải thu được gây mất đối xứng như so sánh trên hình 3b.

Điện áp và dòng điện không đối xứng như hình 3.b cung cấp cho tải, sẽ làm cho tảicó thành phần dòng điện một chiều, các cuộn dây bị bão hoà, phát nóng và bị cháy. Vìvậy việc định kì kiểm tra, hiệu chỉnh lại mạch là việc nên thường xuyên làm đối với sơ đồmạch này. Tuy vậy, đối với dòng điện tải lớn thì đây là sơ đồ tối ưu hơn cả cho việc lựachọn.

Hình 3: Hình dạng đường cong điện áp điều khiểna- Mong muốn

b- Không mong muốnĐể khắc phục nhược điểm vừa nêu về việc ghép hai tiristor song song ngược, triac ra

đời và có thể mắc theo sơ đồ hình 2.B. Sơ đồ này có ưu điểm là các đường cong điện ápra gần như mong muốn như hình 3.a, nó còn có ưu điểm hơn khi lắp ráp. Sơ đồ mạch nàyhiện nay được sử dụng khá phổ biến trong công nghiệp. Tuy nhiên triac hiện nay đượcchế tạo với dòng điện không lớn (I < 400A), nên với những dòng điện tải lớn cần phảighép song song các triac, lúc đó sẽ phức tạp hơn về lắp ráp và khó điều khiển song song.Những tải có dòng điện trên 400A thì sơ đồ hình 2.B ít dùng.

Sơ đồ hình 2.C có hai tiristor và hai điốt có thể được dùng chỉ để nối các cực điềukhiển đơn giản, sơ đồ này có thể được dùng khi điện áp nguồn cấp lớn (cần phân bổ điệnáp trên các van, đơn thuần như việc mắc nối tiếp các van).

Sơ đồ hình 2D trước đây thường được dùng, khi cần điều khiển đối xứng điện áptrên tải, vì ở đây chỉ có một tiristor một mạch điều khiển nên việc điều khiển đối xứng

U UTảt

b

12

U UTảt

a



điện áp dễ dàng hơn. Số lượng tiristor ít hơn, có thể sẽ có ưu điểm hơn khi van điều khiểncòn hiếm. Tuy nhiên, việc điều khiển theo sơ đồ này dẫn đến tổn hao trên các van bán dẫnlớn, làm hiệu suất của hệ thống điều khiển thấp. Ngoài ra, tổn hao năng lượng nhiệt lớnlàm cho hệ thống làm mát khó khăn hơn

2.3. Giới thiệu về phần tử bán dẫn triac.

2.3.1 Cấu tạo và ký hiệu

Hình 4: Cấu tạo và ký hiệu của triac.Triac là linh kiện bán dẫn tương tự như hai Thyristor mắc song song ngược, nhưng

chỉ có một cực điều khiển. Triac là thiết bị bán dẫn ba cực, bốn lớp. Có thẻ điều khiển chomở dẫn dòng bằng cả xung dương (dòng đi vào cực điều khiển) lẫn xung dòng âm (dòngđi ra khỏi cực điều khiển). Tuy nhiên xung dòng điều khiển âm có độ nhạy kém hơn,nghĩa là mở Triac sẽ cần một dòng điều khiển âm lớn hơn so với dòng điểu khiển dương.Vì vậy trong thực tế để đảm bảo tính đối xứng của dòng điện qua Triac thì sử dụng dòngđiều khiển âm là tốt hơn cả.

* Nguyên lý hoạt động.

Có 4 tổ hợp điện thế có thể mở Triac cho dòng chảy qua:

B2 G

+ +

+ -

- -

- +



Trường hợp MT2 (+), G(+). Thyristor T mở cho dòng chảy qua như một Thyristorthông thường.

Trường hợp MT2 (-), G(-). Các điện tử từ N2 phóng vào P2. Phần lớn bị trường nộitại EE1 hút vào, điện áp ngoài được đặt lên J2 khiến choBarie này cao đến mức hút vàonhững điện tích thiểu số(các điện tử của P1) và làm động năng của chúng đủ lớn để bẻ gãycác liên kết của các nguyên tử Sillic trong vùng. Kết quả là một phản ứng dây chuyền thìT’ mở cho dòng chảy qua.

2.3.2 Đặc tính V-A.

Hình 5: Đặc tuyến V-A của triacTriac có đường đặc tính V-A đối xứng nhận góc mở trong cả hai chiều

2.4. Điều áp xoay chiều một pha ứng với tải R-L



Hình7: Hình dáng dòng điện và điện áp đối với tải R-L

Khi tiristor T1 mở có phương trình:

Ldtdi + Ri = 2 sin t

i = 222 )( LR

V

sin( ) + Ae- LR

Hằng dạng số tích phân A được xác định: Khi thì i = 0. Biểu thức dòng tải icó dạng:

i = 222 )( LR

V

[ sin( ) - sin( )e

tg ]

Biểu thức này đúng trong khoảng đến

Góc được thay đổi bằng cách thay và đặt i= 0

Sin( )- sin( ).e-

tg = 0

Trong biểu thức trên: tg =RL

Tiristor T1 phải được khoá lại trước khi cho xung mở T2, nếu không thì không thểmở được T2, tức

Để thoả mãn điều kiện này ta phải có:



Hình 8: Hình dáng dòng điện và điện áp đối với tải thuần trở và thuần cảm

Điều đó nói lên rằng, ngay cả trường hợp tải thuần trở, lưới điện xoay chiều vẫnphải cung cấp một lượng công suất phản kháng.

Giá trị hiệu dụng của điện áp trên tải:

Uc =

dV .2)sin2(1 = V.

22sin22

Giá trị hiệu dụng của dòng tải:

Ic =RV .(

22sin22 )

Công suất tác dụng cung cấp cho mạch tải:

P = UcIc= (RV 2

).(

2

2sin22 )

Như vậy bằng cách làm biến đổi góc từ 0 đến , người ta có thể điều chỉnh được

công suất tác dụng từ giá trị cực đại P =(RV 2

) đến 0

Dưới đây là bảng góc mở α ứng với từng loại tải :





PHẦN II: THIẾT KẾ MẠCH

CHƯƠNG I: THIẾT KẾ

1.1. Sơ đồ khối

1.2. Phân tích từng khối

1.2.1. Khối nguồna.Sơ đồ

b.Chức năng

Biến đổi dòng xoay chiều điện áp 15V thành dòng một chiều cấp cho chân vào củaTCA785.

c.Nguyên lý hoạt động

Dòng điện 15V xoay chiều qua cầu chỉnh lưu 3A làm biến đổi từ dòng xoay chiềuthành dòng một chiều.Khi qua IC ổn áp 7815 sẽ cho dòng điện có điện áp 15V ổn định.Sau khối chỉnh lưu cầu điện áp 15v được cho qua tụ 2200µF để san phẳng điện áp tạo



điện áp ổn định cho IC ổn áp 7815 và mắc song với một tụ gốm để loại bỏ thành phầnsóng hài của điện áp xoay chiều sau IC 7815 ta mắc song song với một led để báo mạchđiều khiển có nguồn

1.2.2 .Mạch lựcVới yêu cầu của đề tài là thiết kế bộ điều áp xoay chiều cho động cơ (tải R+L) nên

chúng em chọn sơ đồ dùng TRIAC để điều khiển vì sơ đồ dùng Triac có những ưu điểmsau:

- Công suất tải là không lớn nên Triac đáp ứng đầy đủ về công suất đáp ứng

- Mạch điều khiển Triac đơn giản.

- Giá thành rẻ, vận hành đơn giản.

a. Sơ đồ mạch

b.Nguyên lý làm việc

Tín hiệu được đưa vào chân điều khiển G của Triac. Triac có nhiệm vụ điều khiểnmở dẫn dòng từ đó ta nhận được giá trị điện áp trên tải tương ứng với góc mở của triac



khi ta điều chỉnh biến trở V11 để điều chỉnh độ rộng xung vuông tương ứng tải ở trên sơđồ có thể đặt trước hoặc sau van đều được:

Dưới đây là sơ đồ dạng sóng đầu ra của van khi điều chỉnh góc mở:

Nhìn từ hình trên ta thấy do tải có tính cảm khám nên khi tắt vẫn có một phần điệnáp trả lại của động cơ. Nên có thể xuất hiện một vùng không hoạt động nếu diện cảm lớnthì mạch có thể không hoạt động hoàn toàn

Nguyên nhân của hiện tượng này như sau :

Em xin trình bày với 2 tiristor mắc song song ngược (tương tự 1 triac)

Khi điện áp nguồn U1 đã đổi dấu mà cuộn dây điện cảm chưa xả hết năng lượng,làm cho T1 vẫn dẫn từ π cho đến φ1 nếu T1 đang dẫn chứng tỏ T1 đang phân cực thuậnvà điện áp Ua1a2>0. Khi T1 phân cực thuận chứng tỏ T2 phân cực ngược. Do đó trongvùng từ φ1 cho đến π nếu có phát xung điều khiển T2 thì T2 không dẫn được. Phần nàyem cũng đã trình bày ở trên .

Thứ 2 là do khi có điện cảm, dòng điện không biến thiên đột ngột tại thời điểm mởtiristor, điện cảm càng lớn khi dòng điện biến thiên càng chậm. Nếu độ rộng xung điềukhiển hẹp, dòng điện khi có xung điều khiển không đủ lớn hơn dòng điện duy trì,do đóvan bán dẫn không tự giữ dòng điện. Kết quả không có dòng điện, van sẽ không mở. Hiệntượng này sẽ thấy ở cuối và đầu chu kỳ điện áp, lúc đó điện áp tức thời đặt vào van bándẫn nhỏ. Khi kết thúc xung điều khiển, dòng điện còn nhỏ hơn dòng duy trì nên van bándẫn khoá luôn. Chỉ khi nào điện áp mở ở van đủ lớn hơn dòng dòng điện duy trì, dòngđiện mới tồn tại trong mạch



Để khắc phục hiện tường này là tạo xung gián đoạn bằng chùm xung liên tiếp nhưhình vẽ dưới đây. Từ thời điểm mở van cho tới cuối bán kỳ:

Dưới đây là sơ đồ:

Tuỳ theo tải có điện cảm lớn cỡ nào mà ta thiết kế chọn độ rộng xung cho hợp lý

1.2.3.Mạch điều khiển

1.2.3.1.Phân tíchĐiều khiển Triac trong sơ đồ chỉnh lưu hiện nay có rất nhiều phương pháp khác

nhau thường gặp là điều khiển theo nguyên tắc thẳng đứng tuyến tính. Theo nguyên tắcnày để điều khiển góc mở của Triac ta tạo ra một điện áp tựa dạng tam giác (điện áptựa răng cưa Urc). Dùng một điện áp một chiều Uđk để so sánh với điện áp tựa. Tại thờiđiểm hai điện áp này bằng nhau(Uđk= Urc) .

Trong vùng điện áp dương anot thì phát xung điều khiển cho tới cuối bán kỳ (hoặctới khi dòng điện bằng 0) .

Để thực hiện ý đồ trên mạch điều khiển bao gồm 3 khâu cơ bản:



Hình 9: Sơ đồ khối các khâu trong mạch điều khiển* Nhiệm vụ của các khâu trong sơ đồ khối như sau:

1. Khâu đồng bộ: Có nhiệm vụ tạo ra điện áp tựa Urc tuyến tính trùng pha với điệnáp Anot (cực G) của Thyristor (triac)

2. Khâu so sánh: Nhận tín hiệu điện áp tựa và điện áp điều khiển. Có nhiệm vụ sosánh giữa điện áp tựa với điện áp điều khiển Uđk. Tìm thời điểm hai điện áp bằngnhau(Uđk= Urc). Tại thời điểm hai điện áp này bằng nhau thì phát xung điều khiển ở đầu rađể gửi sang tầng tạo xung và khuếch đại xung.

3. Khâu tạo xung và khuếch đại xung:

Có nhiệm vụ tạo xung phù hợp để mở Triac. Xung để mở Triac cần có các yêu cầu:Sườn trước dốc thẳng đứng để đảm bảo mở Triac tức thời khi có xung điều khiển(Thường gặp là xung kim hoặc xung chữ nhật) đủ độ rộng (với độ rộng xung lớn hơn thờigian mở củacTriac). Cách ly giữa mạch điều khiển và mạch động lực (nếu điện áp độnglực quá lớn) đủ công suất.

1.2.3.2. Nguyên lý hoạt động.Tín hiệu điện áp cung cấp cho mạch điều khiển được đưa đến khối đồng pha. Đầu ra

của khối này có điện áp thường là hình sin cùng tần số và có thể lệch pha một góc xácđịnh so với điện áp nguồn. Điện áp này gọi là điện áp đồng bộ Vđb. Đầu ra của mạch phátđiện răng cưa ta có các điện áp răng cưa đồng bộ về tần số và góc pha với điện áp đồng bộ.Các điện áp này gọi là điện áp răng cưa Vrc. Điện áp răng cưa Vrc được đưa vào đầu vàocủa khối so sánh. Tại đó có một tín hiệu khác nữa là điện áp một chiều điều chỉnh lấy từngoài. Hai tín hiệu này được mắc với cực tính sao cho tác động của chúng lên mạch sosánh là ngược chiều nhau. Khối so sánh làm nhiệm vụ so sánh hai tín hiệu này. Tại thờiđiểm hai tín hiệu này bằng nhau thì tín hiệu đầu ra khối so sánh là các xung xuất hiện vớichu kỳ của Vrc. Xung răng cưa có hai sườn trong đó có một sườn mà tại đó thì đầu rakhối so sánh xuất hiện một xung điện áp thì sườn đó là sườn sử dụng. Vậy ta có thể thayđổi thời điểm của xung xuất hiện tại đầu ra khối so sánh bằng cách thay đổi Vđk khi giữnguyên dạng của Vrc

Trong một số trường hợp xung ra khối so sánh được đưa ngay đến đầu cực của thiếtbị cần điều khiển nhưng trong đa số các trường hợp thì tín hiệu ra khối so sánh chưa đủ



yêu cầu cần thiết. Người ta phải thực hiện việc khuếch đại thay đổi lại hình dáng xung.Các nhiệm vụ này được thực hiên bởi một mạch gọi là mạch xung. Đầu ra của khối tạoxung và khuếch đại xung sẽ được một chuỗi xung điều khiển có đủ các thông số yêu cầuvề công suất, độ dài, độ dốc mặt đầu của xung. Tại thời điểm bắt đầu xuất hiện các xunghoàn toàn trùng với thời điểm xuất hiện xung trên đầu ra khối so sánh.

Ngày nay các mạch cổ điển như trên thường được thay thế bằng các IC tích hợp đầyđủ các khâu, với kết cấu nhỏ gọn, giá thành rẻ và đạt được độ chính xác rất cao. IC TCA785 là một vi mạch như vậy

1.2.3.3.Giới thiệu TCA 785Vi mạch TCA 785 là vi mạch phức hợp thực hiện được 4 chức năng của một mạch

điều khiển: tạo điện áp đồng bộ, tạo điện áp răng cưa đồng bộ, so sánh và tạo xung ra.

a.Ký hiệu và chức năng của TCA 785.

Chân Ký hiệu Chức năng Chân Ký hiệu Chức năng

1 OS Chân nối đất 9 R9Điện trở tạo mạch răngcưa

2 Q **2 Đầu ra 2 đảo 10 C10 Tụ tạo mạch răng cưa

3 QU Đầu ra U 11 V11 Điện áp điều khiển

4 Q *1 Đầu ra 1 đảo 12 C12 Tụ tạo độ rộng xung

5 VSYNC Điện áp đồng bộ 13 LTín hiệuđiều khiển xungngắn, xung rộng

6 I Tín hiệu cấm 14 Q1 Đầu ra 1

7 QZ Đầu ra z 15 Q2 Đầu ra 2

8 VREF Điện áp chuẩn 16 Vs Điện áp nguồn nuôi



Hình 13: dạng sóng và chức năng của các chân TCA785

b.Các thông số của TCA 785.

Thông số

Giá trịnhỏ nhất

Giá trịtiêu biều

F =50Hz

Vs = 5v

Giá trịlớn nhất

Đơn vị

Dòng tiêu thụ I.S 4,5 6,5 10 mA



Điện áp vào điềukhiển,chân11

Trở kháng vào

V11

R11

0,2

15

V10max V

K

Mạch tạo răng cưa

Dòng nạp tụ

Biên độ của răng cưa

Điện trở mạch nạp

Thời gian sườn ngắn của xungrăng cưa

I10

V10

R9

TP

10

3 80

1000

VS-2

300

A

V

K

S

Tín hiệu cấm vào, chân 6

Cấm

Cho phép

V6I

V6H 4

3,3

3,3

2,5 V

V

Độ rộng xung ra, chân13

Xung hẹp

Xung rộng

V13H

V13L

3,5 2,5

3,5

2,5 V

V

Xung ra, chân 14, 15

Điện áp ra mức cao

Điện áp ra mức thấp

Độ rộng xung hẹp

Độ rộng xung rộng

V14/15L

V14/15L

tp

tp

VS-3

0,3

20

530

VS-2,5

0,8

30

620,m

VS-1,0

2

40

760

V

V

S

S/nF

Điện áp điều khiển

Điện áp chuẩn

Góc điều khiển ứng với điện áp

Vref

ref

2,8 3,1

2 x10-4

3,4

5x10-4

V

1/K



chuẩn

Tính toán các phần tử bên ngoài:

Tụ răng cưa: C10 Min = 500pF; Max = 1 F

Thời điểm phát xung: tTr =KVCRV

REÌ ... 10911

Dòng nạp tụ: I10 =9RKVREÌ

Điện áp trên tụ: V10 =109 ...

CRtKVREÌ

TCA 785 do hãng Siemen chế tạo, được sử dụng để điều khiển các thiết bị chỉnhlưu, thiết bị chỉnh dòng điện áp xoay chiều.

Có thể điều chỉnh góc từ 00 đến 1800 điện.

Thông số chủ yếu của TCA 785:

+ Điện áp nuôi: US = 18V

+ Dòng điện tiêu thụ: IS = 10mA

+ Dòng điện ra: I = 50mA

+ Điện áp răng cưa: Ur max = (US - 2)V

+ Điện trở trong mạch tạo điện áp răng cưa: R9 = 20K 500K

+ Điện áp điều khiển: U11 = -0,5 (US-2)V

+ Dòng điện đồng bộ: IS = 200 A

+ Tụ điện: C10 = 0,5 F

+ Tần số xung ra: f = 10 500 Hz

b. Sơ đồ chức năng chân của vi mạch TCA785



Hình 14: sơ đồ khối chức năng chân của tca785

1.2.3.4.Sơ đồ



CHƯƠNG II: CHẾ TẠO MẠCH.

2.1. Tính toán thiết kế để chế tạo mô hình

2.1.1. Tính chọn van động lựcDựa vào các yếu tố cơ bản dòng tải, sơ đồ cần chọn, điều kiện tản nhiệt, điện áp làm

việc.

P: Công suất định mức của tải Pđm=0.2 Kw

U: Điện áp định mức U=220V

cos: Hệ số công suất tải lấy cos =0,8

Khi đó:

- Điện áp làm việc cực đại của triac

U = K .U = 2 .220 = 311,13V

Điện áp của van cần chọn

U = K . U = 1.8.311,13 = 560,034 V

K là hệ số dự trữ điện áp .Với phần tính toán này chúng em lấy điện áp dự trữ củavan là Kdt=1.8

- Dòng điện làm việc của van được tính theo dòng hiệu dụng

Itải=1.136 A

Với I Tai = cos.UP = 200/(220×0.8)=1.136 A

Chọn điều kiện làm việc của van: có cánh tản nhiệt không có quạt đối lưu

Dòng điện định mức của van cần chọn

Ilv =30%Idmvan = 3.786 A

Với các thông số trên theo datasheet cũng như độ phổ biến ngoài thị trường chúngem quyết định lựa chọn loại van sau :

BTA-136 600E có các thông số sau:

Điện áp định mức: Uđm = 600 V.



Dòng điện định mức: Iđm = 4 A.

Dòng điện điều khiển: Iđk = 50 m A.

Điện áp điều khiển: Uđk = 1.5V.

Dòng điện rò: Ir = 500 A .

Dòng điện duy trì: Ih = 15 mA.

Sụt trên van khi mở: U = 1.7 V.

Thời gian giữ xung điều khiển: tx = 2 s

Tốc độ tăng điện áp:dtdu = 500 V/ s.

Nhiệt độ làm việc cực đại: T0C = 1250C.

Trên đây là thông số em chọn ứng với tải là động cơ điện một pha công suất nhỏ.cácgiá trị của nguồn khó có thể vượt qua giá trị này nên chúng em quyết định sử dung TCA600E làm van mạch lực.

Các giá trị trên em lấy trên datasheet của triac

Với các giá trị của van đều đáp ứng và sát các thông số yêu cầu của đông cơ nênchúng em quyết định sử dụng van này trong mạch

2.1.2. Chọn thiết bị bảo vệ.

2.1.2.1. Bảo vệ quá nhiệt.Triac làm việc với dòng điện tối đa Imax = 1.136 A chịu một tổn hao trên van là (P1)

và khi chuyển mạch (P2). Tổng tổn hao sẽ là:

P = P1 +P2 P1 = U.Ilv = 1,6.1.136 = 1,82W.

Tổn hao công suất này sinh ra nhiệt. Mặt khác van chỉ làm việc tới nhiệt độ tối đacho phép là T = 1250C. Do đó phải bảo vệ van bằng cách gắn van bán dẫn lên cánh toảnhiệt.

Khi van bán dẫn được mắc vào cánh toả nhiệt bằng đồng hoặc nhôm, nhiệt độ củavan được toả ra môi trường xung quanh nhờ bề mặt của cánh toả nhiệt. Sự toả nhiệt này lànhờ vào sự chênh lệch nhiệt giữa cánh toả nhiệt và môi trường xung quanh. Khi cánh toảnhiệt nóng lên, nhiệt độ xung quanh cánh toả nhiệt nóng lên. Nhiệt độ xung quanh cánh



toả nhiệt tăng lên. Làm cho tốc độ dẫn nhiệt ra môi trường không khí bị chậm lại. Diệntích bề mặt toả nhiệt được tính:

Stn =.tnKP

Tổn hao công suất: P = 1,82W.

Độ chênh lệch nhiệt độ so với môi trường: = Tlv – Tmt

Có Tlv = 1250C, chọn nhiệt độ môi trường: Tmt = 400C.

= 125 - 40 = 85 0C

Ktn: Hệ số có xét tới điều kiện tỏa nhiệt.

Chọn Ktn = 8.10-4W/cm2 0C.

Stn =85.10.8

82,14 = 26,76 cm2

Hình 15: hình dạng cánh tản nhiệt cho triac

2.1.2.2. Bảo vệ quá dòng điện cho van.*Chọn cầu chì tác động nhanh để bảo vệ ngắn mạch nguồn:

Icc = 1,1Ilv = 1,1.1,136 = 1,25 A.

Chọn một cầu chì loại 1 A.

2.1.2.3. Bảo vệ quá điện áp cho van.



Bảo vệ quá điện áp do quá trình đóng cắt Triac được thực hiện bằng cách mắc R-Csong song với triac (hoặc thyristor). Khi có sự chuyển mạch các điện tích tích tụ trong cáclớp bán dẫn, phóng ra ngoài tạo ra dòng điện ngược trong khoảnh thời gian ngắn. Sự biếnthiên nhanh chóng của dòng điện ngược sẽ gây ra sức điện động cảm ứng rất lớn trong cácđiện cảm làm cho quá điện áp giữa Anot và Katot của triac (hoặc thyristor). Khi có mạchR - C mắc song song với triac (hoặc Thyristor) tạo ra mạch vòng phóng điện trong quátrình chuyển mạch nên triac (hoặc thyristor) không bị quá điện áp.

Hình 16: sơ đồ mạch động lực được lựa chọn

Thông thường chọn R = 10 100 , C = 0,11000 F.

Trên đây chúng em xin trình bày cách tính chọn van và mạch dộng lực cho mạchđiều khiển !

3 tính chọn phần tử cách ly

Có rất nhiều phương án cho khâu cách ly đó có thể dung phần tử cách ly quang biếnáp xung hay với mạch công suất nhỏ chỉ cần dùng diot để chống ngược dòng

Trong phạm vi đề tài là ứng dụng với tải công suất trung bình và nhỏ để đáp ứngđược tính gọn nhẹ và gái thành của mạch phương án sử dụng cách ly quang được chúngem quyết định sử dụng vì khá hiệu quả giá thành rẻ gọn nhẹ và cách ly an toàn giữa mạchlực và mạch điều khiển từ các thong số trên chúng em quyết định sử dụng MOC 3021 đểthực hiện khâu cách ly này.

C R



Sau đây là một số sơ đồ kết nối trong datasheet :



Đây là một số sơ đồ kết nối của MOC 3020 ứng với các loại tải khác nhau sau đây làsơ đồ kết nối trong khâu cách ly của chúng em

Hình 18: Sơ đồ khối và sơ đồ nguyên lý của moc 3020



2.2. Sơ đồ nguyên lý toàn mạch

* Nguyên lý hoạt động

Khi cấp nguồn cho mạch điều khiển qua khối chỉnh lưu điện áp 15V AC vào cácchân 13,6,16 cho TCA 785 chân 5 của mạch nối với điện áp xoay chiều 15V sau máybiến áp để tạo điện áp đồng với mạch lực (mạch lực và mạch điều khiển chung nguồn) .Để tạo được xung răng cưa sau khi tham khảo sơ đồ chân của datasheet chúng em nốichân 12 với một tụ không phân cực 22nF để tạo độ rộng xung và một tụ 68nF vào chân 10để tạo biên độ cho mạch điều khiển để điều khiển được triac dùng 2 biến trở 50k vào chân11 để diều khiển độ rộng xung qua đó điều chỉnh góc mở cho triac và từ đó nhận đượcmột giá trị điện áp tương ứng trên tải. (các chân còn lại không dùng chúng em chọn giảipháp để trống không nối mát). Xung ra từ chân điều khiển 14 để điều chỉnh góc mở phầnđiện áp dương ,chân 15 để phát xung điều khiển mở phần điện áp âm để mở cho triac tacó thể nhận được giá trị điện áp tương ứng đặt cho tải từ đó điều chỉnh được tốc độ độngcơ theo ý muốn. Để an toàn cho mạch điều khiển không bị điện áp ngược từ mạch lực sửdụng 2 diot chống ngược dòng và qua mạch cách ly quang sử dụng MOC 3020 như chúngem đã giới thiệu. Mạch lực được bảo vệ bởi cầu chì 1A



Để điều khiển tốc độ động cơ người điều khiển chỉ cần vặn biến trở R11 để nhậnđược giá trị điện áp tương ứng góc mở càng nhỏ thì điện áp đặt trên tải càng lớn và ngượclại. Biến trở R9 để điều chỉnh độ mịn cho góc mở nhờ điều chỉnh biên độ của xung răngcưa

2.3. Sơ đồ board



2.4. Sơ đồ bố trí thiết bị

2.5. Phương hướng phát triển của đề tàiVới mạch điều áo sử dụng IC tích hợp này chúng ta có thể điều khiển hầu hết các

loại động cơ một pha công suất nhỏ và vừa trong các xí nghiệp vừa nhỏ. Cách khắc phụchiện tượng không mở khi có tải là điện cảm lớn chúng em đã trình bày ở trên. Với ưuđiểm là gần như điều khiển trơn được tốc độ và dải điều chỉnh rộng. Mạch còn ứng dụngđể điều khiển nhiệt độ của lò điện trở và ứng dụng trong kỹ thuật chiếu sang.Mạch có thểchuyển thành mạch điều áo xoay chiều 3 pha khi ta nhân 3 mạch điều khiển dùng cho cácđộng cơ ba pha công suất lớn trong công nghiệp (lúc này van bán dẫn là tiristor). Thực tếthì nhu cầu điều khiển tốc độ đông cơ trong thực tế là khá lớn. Với mạch điều khiển này



chúng ta có thể điều khiển hầu hết các loại động cơ. Ưu điểm của mạch là giá thành hợplý nhỏ gọn và rất dễ vận hành cũng như sửa chữa.



LỜI KẾT

Như vậy, sau hai tháng nhận và thực hiện đồ môn học với đề tài: “Nghiên cứu,thiết kế, chế tạo bộ điều chỉnh điện áp xoay chiều điều khiển động cơ một pha” bằngcác phần tử bán dẫn công suất cho đến nay chúng em đã hoàn thành. Cùng với sự nỗ lựccố gắng của bản thân, sự giúp đỡ của bạn bè trong lớp, và đặc biệt với sự giúp đỡ nhiệttình, tận tâm của cô giáo: Nguyễn Thị Thanh Tâm chúng em đã thực hiện được mộtcách tương đối tốt những yêu cầu cơ bản mà đề tài đặt ra.

Nhưng bên cạnh đó, trong thời gian thực hiện đề tài, do với trình độ kiến thức còncó hạn nên không tránh khỏi những sai sót. Do đó chúng em rất mong sẽ nhận đượcnhững ý kiến đóng góp của các thầy, cô giáo và các bạn để đề tài của chúng em ngàymột được hoàn thiện hơn.

Chúng em cũng xin được cảm ơn tất cả các thầy, các cô giáo thuộc bộ môn ‘Điệntử công suất và truyền động điện’ đã giúp đỡ chúng em, tận tình chỉ bảo để chúng emcó thể hoàn thiện được đề tài đồ án này.

Một lần nữa, chúng em xin chân thành cảm ơn!

Hưng yên, tháng 11 năm 2012

Nhóm sinh viên thực hiện đồ án :

Hoàng Lương Thái Sơn

Trần Văn Thoại



TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tài liệu tham khảo:

Điện tử công suất-Nguyễn Văn Doanh

Điện tử công suất –Nguyễn Bính

Giáo trình truyền động điện-Đỗ Công Thắng-Nguyễn Phương Thảo

www.alldatasheet.com/

www.dientuvietnam.net/

www.tailieu.vn/

www.hoiquandientu.com/

http://www.alldatasheet.com/

http://www.dientuvietnam.net/

http://www.tailieu.vn/

http://www.hoiquandientu.com/

Documents

0 1 #2 3i.vietnamdoc.net/data/file/2015/Thang06/04/thiet-ke-bo...v I 6 I ) J # 1 K 6 L (- $ 33333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333M N1 0 #