ĐỘNG CƠ ĐIỆN XOAY CHIỀU MỘT PHA
Khái niệm
Động cơ điện xoay chiều một pha, hay còn gọi là động cơ một pha, là loại động cơ không cổ góp chạy bằng điện một pha, được ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp và đời sống như trong động cơ bơm nước, quạt, và các hệ thống tự động Đặc biệt, khi sử dụng động cơ này, người dùng thường cần điều chỉnh tốc độ, ví dụ như trong quạt bàn và quạt trần Để kiểm soát tốc độ của động cơ một pha, có thể áp dụng một số phương pháp điều khiển khác nhau.
- 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.
Nguyên lý điều khiển động cơ xoay chiều một pha
Trước đây, việc điều khiển tốc độ động cơ thường được thực hiện bằng cách điều chỉnh điện áp xoay chiều cung cấp cho động cơ Hai phương pháp phổ biến là mắc nối tiếp với tải thông qua một điện trở hoặc một điện kháng được coi là Zf, và điều chỉnh điện áp bằng biến áp như survolter hoặc các ổn áp.
Hai cách trên đây đều có nhược điểm là kích thước lớn và khó điều khiển liên tục khi dòng điện lớn.
Ngày nay với việc ứng dụng Tiristor và Triac vào điều khiển, người ta có thể điều khiển động cơ một pha bằng bán dẫn
Một số mạch điều khiển động cơ một pha
Điều áp xoay chiều được ứng dụng phổ biến trong việc điều khiển động cơ điện một pha, đặc biệt là trong việc điều chỉnh 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.
D - diac - định ngưỡng điện áp để Triac dẫn.
C - Tụ điện tạo ra điện áp ngưỡng cần thiết để kích hoạt thông diac Việc điều chỉnh điện áp và tốc độ của quạt có thể thực hiện thông qua biến trở VR như trong hình a Tuy nhiên, phương pháp điều khiển này không hoàn toàn hiệu quả, vì trong vùng điện áp thấp, việc điều khiển Triac trở nên khó khăn do nó dẫn ít.
Sơ đồ hình b cho thấy chất lượng điều khiển tốt hơn, cho phép điều chỉnh tốc độ quạt thông qua biến trở VR Khi thay đổi giá trị của VR, ta điều chỉnh quá trình nạp tụ C, từ đó ảnh hưởng đến thời điểm mở thông diac và Triac dẫn Triac sẽ được mở khi điện áp trên tụ đạt ngưỡng dẫn của thông diac Để tăng tốc độ quạt, cần giảm điện trở của VR, giúp tụ nạp nhanh hơn và Triac dẫn sớm hơn, dẫn đến điện áp ra cao hơn Ngược lại, nếu điện trở của VR lớn, tụ sẽ nạp chậm hơn, Triac mở chậm lại, làm giảm điện áp và tốc độ quạt.
* Mạch điều khiển trên đây có ưu điểm:
Có khả năng điều chỉnh liên tục tốc độ quạt, thiết bị này cũng có thể được sử dụng để điều khiển độ sáng của đèn sợi đốt và hiệu quả trong việc điều khiển bếp điện.
-Kích thước mạch điều khiển nhỏ, gọn.
Nếu chất lượng Triac, diac không tốt thì ở vùng tốc độ thấp quạt sẽ xuất hiện tiếng ù do thành phần một chiều của dòng điện.
BỘ ĐIỀU ÁP XOAY CHIỀU MỘT PHA
Đặt vấn đề
Bộ biến đổi điện áp xoay chiều được sử dụng để điều chỉnh điện áp hiệu dụng cho tải Nguyên lý hoạt động của bộ biến đổi này dựa trên việc sử dụng các phần tử van bán dẫn, cho phép kết nối tải với nguồn điện trong khoảng thời gian t1, sau đó ngắt kết nối trong khoảng thời gian t0, và quá trình này lặp lại theo chu kỳ.
T Bằng cách thay đổi độ rộng của t1 hay t0 trong khoảng T ta thay đổi được giá trị điện áp trung bình ra trên tải Nguyên lý này có ưu điểm là điều chỉnh điện áp ra trong một phạm vi 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, trong khởi động mềm và điều chỉnh tốc độ quạt gió hoặc máy bơm.
Bộ điều chỉnh điện áp được phân loại dựa vào số pha nguồn cấp, bao gồm Điều áp xoay chiều một pha và Điều áp xoay chiều ba pha.
Giới thiệu một số sơ đồ mạch động lực
Hình 1 trình bày một số mạch điều áp xoay chiều một pha, trong đó Hình 1a mô tả cách điều áp xoay chiều bằng cách mắc nối tiếp với tải một điện kháng hoặc điện trở phụ biến thiên Mặc dù sơ đồ mạch điều chỉnh này đơn giản và dễ thực hiện, nhưng mạch điều chỉnh kinh điển hiện nay ít được sử dụng do hiệu suất thấp khi Zf là điện trở và cosφ thấp khi Zf là điện cảm.
Hình 1 Các phương án điều áp một pha
Biến áp tự ngẫu có thể được sử dụng để điều chỉnh điện áp xoay chiều U2, cho phép điều chỉnh từ 0 đến bất kỳ giá trị nào lớn hơn hoặc nhỏ hơn điện áp vào Việc sử dụng biến áp là cần thiết khi yêu cầu điều chỉnh điện áp ra vượt quá điện áp vào Tuy nhiên, khi dòng tải lớn, việc điều chỉnh bằng biến áp tự ngẫu gặp khó khăn, đặc biệt là không thể điều chỉnh liên tục do chổi than khó chế tạo để tiếp xúc chính xác trên một vòng dây của biến áp.
Các giải pháp điều áp xoay chiều như hình 1a và 1b đều mang lại ưu điểm là điện áp hình sin và thiết kế đơn giản Tuy nhiên, chúng cũng gặp phải nhược điểm chung là quán tính điều chỉnh chậm và không thể điều chỉnh liên tục khi dòng tải lớn Việc áp dụng sơ đồ bán dẫn trong điều chỉnh xoay chiều có thể giúp khắc phục những nhược điểm này.
Sơ đồ điều áp xoay chiều bằng bán dẫn, như thể hiện trong hình 1c, được sử dụng rộng rãi và sự lựa chọn giữa các sơ đồ này phụ thuộc vào dòng điện, điện áp tải và khả năng cung cấp linh kiện bán dẫn Dưới đây là một số gợi ý hữu ích khi lựa chọn các sơ đồ trong hình 1c.
Sơ đồ điều áp xoay chiều một pha bằng bán dẫn có thể được thực hiện theo nhiều cách khác nhau, bao gồm: a) sử dụng hai tiristor song song ngược, b) sử dụng triac, c) sử dụng một tiristor kết hợp với một diod, và d) sử dụng bốn diod kết hợp với một tiristor Các phương pháp này giúp điều chỉnh điện áp trong mạch xoay chiều hiệu quả.
Sơ đồ kinh điển hình 2.A được ưa chuộng vì khả năng điều khiển với mọi công suất tải Hiện nay, tiristor có thể chế tạo với dòng điện lên đến 7000A, cho phép điều khiển xoay chiều đạt hàng chục nghìn ampe một cách hiệu quả.
Việc điều khiển hai tiristor song song ngược có thể gặp khó khăn trong chất lượng điều khiển, đặc biệt khi cần điều chỉnh đối xứng điện áp trong quá trình cung cấp.
Sơ đồ D2 cho tải yêu cầu thành phần điện áp đối xứng, như biến áp hay động cơ xoay chiều Việc mất đối xứng điện áp tải khi điều khiển do linh kiện tiristor gây ra sai số, dẫn đến điện áp tải không đối xứng Điều này có thể tạo ra thành phần dòng điện một chiều, khiến cuộn dây bị bão hòa, phát nóng và thậm chí cháy Do đó, việc kiểm tra và hiệu chỉnh định kỳ mạch là rất cần thiết Mặc dù vậy, với dòng điện tải lớn, sơ đồ này vẫn là lựa chọn tối ưu.
Triac được phát triển để khắc phục nhược điểm khi ghép hai tiristor song song ngược, với ưu điểm là đường cong điện áp ra gần như mong muốn và dễ dàng lắp ráp hơn Sơ đồ mạch này hiện đang được sử dụng phổ biến trong công nghiệp Tuy nhiên, triac hiện chỉ có thể chế tạo với dòng điện tối đa dưới 400A, do đó, đối với các tải có dòng điện lớn hơn 400A, việc ghép song song các triac trở nên phức tạp và khó điều khiển, dẫn đến việc sơ đồ hình 2.B ít được áp dụng trong những trường hợp này.
Sơ đồ hình 2.C bao gồm hai tiristor và hai điốt, cho phép kết nối các cực điều khiển một cách đơn giản Sơ đồ này thích hợp sử dụng khi điện áp nguồn cấp lớn, giúp phân bổ điện áp trên các van bằng cách mắc nối tiếp chúng.
Sơ đồ hình 2D đã được sử dụng phổ biến để điều khiển đối xứng điện áp trên tải, do chỉ cần một tiristor và một mạch điều khiển, giúp đơn giản hóa quá trình điều khiển đối xứng.
Điện áp dễ dàng hơn với số lượng tiristor ít hơn, mang lại ưu điểm khi van điều khiển khan hiếm Tuy nhiên, việc điều khiển theo sơ đồ này gây ra tổn hao lớn trên các van bán dẫn, làm giảm hiệu suất hệ thống điều khiển Hơn nữa, tổn hao năng lượng nhiệt lớn cũng khiến việc làm mát hệ thống trở nên khó khăn hơn.
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 một linh kiện bán dẫn có cấu tạo tương tự như hai Thyristor mắc song song ngược, nhưng chỉ sử dụng một cực điều khiển Thiết bị này có ba cực và bốn lớp, cho phép điều khiển dòng điện bằng cả xung dương và xung âm Tuy nhiên, xung âm có độ nhạy kém hơn, do đó, để mở Triac, cần một dòng điều khiển âm lớn hơn so với dòng điều khiển dương.
Vì vậy trong thực tế để đảm bảo tính đối xứng của dòng điện qua Triac thì sử dụng dòng điều khiển âm là tốt hơn cả.
Có 4 tổ hợp điện thế có thể mở Triac cho dòng chảy qua:
Trường hợp MT2 (+), G(+) Thyristor T mở cho dòng chảy qua như một Thyristor thông thường.
Trong trường hợp MT2 (-) và G(-), các điện tử từ N2 được phóng vào P2 Phần lớn các điện tử này bị trường nội tại EE1 thu hút, trong khi điện áp ngoài được áp dụng lên J2 làm tăng Barie, đủ mạnh để hút các điện tích thiểu số (các điện tử của P1) Điều này tạo ra động năng lớn, dẫn đến việc bẻ gãy các liên kết nguyên tử Sillic trong vùng, gây ra một phản ứng dây chuyền.
T ’ mở cho dòng chảy qua.
Hình 5: Đặc tuyến V-A của triac
Triac có đường đặc tính V-A đối xứng nhận góc mở trong cả hai chiều
2.4 Đ iều 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:
Hằng dạng số tích phân A được xác định: Khi thì i = 0 Biểu thức dòng tải i có dạng: i = [ sin() - sin()e]
Biểu thức này đúng trong khoảng đến
Góc được thay đổi bằng cách thay và đặt i= 0
Trong biểu thức sin() - sin().e = 0, tiristor T1 cần được khoá lại trước khi cung cấp xung mở cho T2 Nếu không thực hiện điều này, T2 sẽ không thể mở được Để đảm bảo điều kiện này được thoả mãn, cần có những bước chuẩn bị phù hợp.
Hình dáng dòng điện và điện áp trong tải thuần trở và thuần cảm cho thấy rằng, ngay cả khi sử dụng tải thuần trở, lưới điện xoay chiều vẫn cần cung cấp một lượng công suất phản kháng nhất định.
Giá trị hiệu dụng của điện áp trên tải:
Giá trị hiệu dụng của dòng tải:
Công suất tác dụng cung cấp cho mạch tải:
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
Dưới đây là bảng góc mở α ứng với từng loại tải :
Điều áp xoay chiều một pha ứng với tải R-L
1.2.1 Khối nguồn a.Sơ đồ b.Chức năng
Biến đổi dòng xoay chiều điện áp 15V thành dòng một chiều cấp cho chân vào của TCA785. c.Nguyên lý hoạt động
Dòng điện 15V xoay chiều được chuyển đổi thành dòng một chiều qua cầu chỉnh lưu 3A Sau khi qua IC ổn áp 7815, điện áp đầu ra ổn định ở mức 15V Để tạo điện áp ổn định cho IC, điện áp 15V sau khối chỉnh lưu được đưa qua tụ 2200µF nhằm làm phẳng điện áp Đồng thời, một tụ gốm được mắc song song để loại bỏ thành phần sóng hài Cuối cùng, một LED được kết nối song song để báo hiệu rằng mạch điều khiển đã có nguồn.
THIẾT KẾ MẠCH
1.2.1 Khối nguồn a.Sơ đồ b.Chức năng
Biến đổi dòng xoay chiều điện áp 15V thành dòng một chiều cấp cho chân vào của TCA785. c.Nguyên lý hoạt động
Dòng điện 15V xoay chiều được chuyển đổi thành dòng một chiều thông qua cầu chỉnh lưu 3A Sau khi đi qua IC ổn áp 7815, điện áp được ổn định ở mức 15V Để tạo ra điện áp ổn định cho IC 7815, điện áp 15V sau khối chỉnh lưu được đưa qua tụ 2200µF nhằm làm phẳng điện áp, đồng thời mắc song song với một tụ gốm để loại bỏ thành phần sóng hài Để báo hiệu rằng mạch điều khiển đã có nguồn, một LED cũng được mắc song song.
THIẾT KẾ
Phân tích từng khối
1.2.1 Khối nguồn a.Sơ đồ b.Chức năng
Biến đổi dòng xoay chiều điện áp 15V thành dòng một chiều cấp cho chân vào của TCA785. c.Nguyên lý hoạt động
Dòng điện 15V xoay chiều được biến đổi thành dòng một chiều qua cầu chỉnh lưu 3A Sau khi qua IC ổn áp 7815, điện áp sẽ ổn định ở mức 15V Điện áp 15V sau khối chỉnh lưu được đưa qua tụ 2200µF để làm phẳng điện áp, đảm bảo nguồn điện ổn định cho IC 7815 Đồng thời, một tụ gốm được mắc song song để loại bỏ thành phần sóng hài, và một đèn LED cũng được kết nối song song để báo hiệu mạch điều khiển có nguồn.
Với yêu cầu thiết kế bộ điều áp xoay chiều cho động cơ tải R+L, chúng tôi đã chọn sơ đồ điều khiển bằng TRIAC do những ưu điểm nổi bật của nó Sơ đồ này không chỉ giúp điều chỉnh điện áp hiệu quả mà còn đảm bảo tính ổn định và tiết kiệm năng lượng trong quá trình vận hành.
- 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 vào chân điều khiển G của Triac cho phép điều khiển dòng điện, từ đó tạo ra điện áp trên tải tương ứng với góc mở của Triac Việc điều chỉnh biến trở V11 giúp điều chỉnh độ rộng xung vuông, có thể áp dụng cho tải ở vị trí trước hoặc sau van.
Dưới đây là sơ đồ dạng sóng đầu ra của van khi điều chỉnh góc mở:
Khi xem xét hình ảnh trên, ta nhận thấy rằng tải có tính cảm kháng nên khi ngắt điện, động cơ vẫn có một phần điện áp trở lại Điều này có thể dẫn đến sự xuất hiện của vùng không hoạt động; nếu điện cảm lớn, 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 đổi dấu nhưng cuộn dây điện cảm chưa xả hết năng lượng, T1 vẫn dẫn từ π đến φ1, cho thấy T1 đang phân cực thuận và điện áp Ua1a2 > 0 Sự phân cực thuận của T1 chứng tỏ T2 đang phân cực ngược Do đó, trong khoảng thời gian từ φ1 đến π, nếu có tín hiệu điều khiển T2, thì T2 sẽ không dẫn được.
Thứ 2 là do khi có điện cảm, dòng điện không biến thiên đột ngột tại thời điểm mở tiristor, điện cảm càng lớn khi dòng điện biến thiên càng chậm Nếu độ rộng xung điều khiển hẹp, dòng điện khi có xung điều khiển không đủ lớn hơn dòng điện duy trì,do đó van bán dẫn không tự giữ dòng điện Kết quả không có dòng điện, van sẽ không mở Hiện tượng này sẽ thấy ở cuối và đầu chu kỳ điện áp, lúc đó điện áp tức thời đặt vào van bán dẫn nhỏ Khi kết thúc xung điều khiển, dòng điện còn nhỏ hơn dòng duy trì nên van bán dẫn khoá luôn Chỉ khi nào điện áp mở ở van đủ lớn hơn dòng dòng điện duy trì, dòng điện mới tồn tại trong mạch Để khắc phục hiện tường này là tạo xung gián đoạn bằng chùm xung liên tiếp như hình 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
1.2.3.1.Phân tích Điều 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 tắc này để điều khiển góc mở của Triac ta tạo ra một điện áp tựa dạng tam giác (điện áp tựa răng cưa Urc) Dùng một điện áp một chiều Uđk để so sánh với điện áp tựa Tại thời điểm hai điện áp này bằng nhau(Uđk= Urc)
Trong vùng điện áp dương của anot, tín hiệu điều khiển được phát cho đến khi kết thúc bán kỳ hoặc khi dòng điện đạt giá trị bằng 0 Để thực hiện điều này, mạch điều khiển cần được thiết kế với ba 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 điện áp Anot (cực G) của Thyristor (triac)
2 Khâu so sánh: Nhận tín hiệu điện áp tựa và điện áp điều khiển Có nhiệm vụ so sánh giữa điện áp tựa với điện áp điều khiển Uđk Tìm thời điểm hai điện áp bằng nhau(Uđk= Urc) Tại thời điểm hai điện áp này bằng nhau thì phát xung điều khiển ở đầu ra để gửi sang tầng tạo xung và khuếch đại xung.
3 Khâu tạo xung và khuếch đại xung:
Để mở Triac, cần tạo ra xung phù hợp với yêu cầu sườn trước dốc thẳng đứng, đảm bảo Triac mở tức thời khi nhận xung điều khiển Xung này thường là xung kim hoặc xung chữ nhật với độ rộng lớn hơn thời gian mở của Triac Ngoài ra, cần có sự cách ly giữa mạch điều khiển và mạch động lực để đảm bảo an toàn, đặc biệt khi điện áp động lực quá lớn.
Điện áp cung cấp cho mạch điều khiển được truyền đến khối đồng pha, nơi đầu ra tạo ra điện áp hình sin cùng tần số, có thể lệch pha một góc xác định so với điện áp nguồn Điện áp này được gọi là điện áp đồng bộ Vđb.
Trong đồ án 3 về Điện Tử Công Suất, điện áp răng cưa Vrc được đồng bộ về tần số và góc pha với điện áp đồng bộ, và được đưa vào đầu vào của khối so sánh Tại đây, tín hiệu điện áp một chiều điều chỉnh từ bên ngoài cũng được kết nối, với cực tính ngược chiều nhau để tạo ra tác động đối kháng Khối so sánh sẽ so sánh hai tín hiệu này, và khi chúng bằng nhau, tín hiệu đầu ra sẽ tạo ra các xung với chu kỳ của Vrc Xung răng cưa có hai sườn, trong đó một sườn sẽ xuất hiện xung điện áp từ khối so sánh, được coi là sườn sử dụng Thời điểm xuất hiện xung đầu ra có thể được điều chỉnh bằng cách thay đổi điện áp điều chỉnh Vđk, trong khi giữ nguyên dạng của Vrc.
Trong nhiều trường hợp, tín hiệu từ khối so sánh cần được khuếch đại và điều chỉnh hình dáng trước khi được gửi đến thiết bị điều khiển Nhiệm vụ này được thực hiện bởi mạch xung, giúp tạo ra chuỗi xung điều khiển với các thông số cần thiết như công suất, độ dài và độ dốc Thời điểm bắt đầu xuất hiện các xung điều khiển hoàn toàn trùng khớp với thời điểm xung trên đầu ra khối so sánh.
Hiện nay, các mạch cổ điển thường được thay thế bằng IC tích hợp, mang lại kết cấu nhỏ gọn, chi phí thấp và độ chính xác cao IC TCA là một ví dụ tiêu biểu cho xu hướng này.
785 là một vi mạch như vậy
Vi mạch TCA 785 là một vi mạch phức hợp có khả năng thực hiện bốn chức năng chính của một mạch điều khiển, bao gồm tạo điện áp đồng bộ, tạo điện áp răng cưa đồng bộ, so sánh và phát xung ra Ký hiệu và chức năng của TCA 785 rất quan trọng trong các ứng dụng điện tử hiện đại.
Chân Ký hiệu Chức năng Chân Ký hiệu Chức năng
1 OS Chân nối đất 9 R9 Điện trở tạo mạch răng cưa
2 Q Đầu ra 2 đảo 10 C10 Tụ tạo mạch răng cưa
3 QU Đầu ra U 11 V11 Điện áp điều khiển
4 Q Đầu ra 1 đảo 12 C12 Tụ tạo độ rộng xung
5 VSYNC Điện áp đồng bộ 13 L Tín hiệuđiều khiển xung ngắn, 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
Giá trị lớn nhất Đơn vị
Dòng tiêu thụ I.S 4,5 6,5 10 mA Điện áp vào điềukhiển,chân11
Biên độ của răng cưa Điện trở mạch nạp
Thời gian sườn ngắn của xung răng cưa
S Tín hiệu cấm vào, chân 6
V Độ rộng xung ra, chân13
Xung ra, chân 14, 15 Điện áp ra mức cao Điện áp ra mức thấp Độ rộng xung hẹp Độ rộng xung rộng
S/nF Điện áp điều khiển Điện áp chuẩn
Góc điều khiển ứng với điện áp chuẩn
Tính toán các phần tử bên ngoài:
Tụ răng cưa: C10 Min = 500pF; Max = 1F
Thời điểm phát xung: tTr Dòng nạp tụ: I10 Điện áp trên tụ:
V10 TCA 785 do hãng Siemen chế tạo, được sử dụng để điều khiển các thiết bị chỉnh lưu, thiết bị chỉnh dòng điện áp xoay chiều.
Có thể điều chỉnh góc từ 0 0 đến 180 0 điện.
Thông số chủ yếu của TCA 785:
+ Dòng điện tiêu thụ: IS = 10mA
+ 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 = 200A
+ 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
CHẾ TẠO
Tính toán thiết kế để chế tạo mô hình
2.1.1 Tính chọn van động lực
Dựa 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"0V cos: Hệ số công suất tải lấy cos =0,8
- Điện áp làm việc cực đại của triac
U = K U = 220 = 311,13V Điện áp của van cần chọn
K là hệ số dự trữ điện áp Với phần tính toán này chúng em lấy điện áp dự trữ của van là Kdt=1.8
- Dòng điện làm việc của van được tính theo dòng hiệu dụng
Chọn điều kiện làm việc của van: có cánh tản nhiệt không có quạt đối lưu
Dòng điện định mức của van cần chọn
Với các thông số trên theo datasheet cũng như độ phổ biến ngoài thị trường chúng em 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 duy trì: Ih = 15 mA.
Sụt trên van khi mở: U = 1.7 V.
Thời gian giữ xung điều khiển: tx = 2
Tốc độ tăng điện áp: = 500 V/ s.
Nhiệt độ làm việc cực đại: T 0 C = 125 0 C.
Chúng tôi đã chọn thông số phù hợp cho động cơ điện một pha công suất nhỏ, với các giá trị nguồn khó có thể vượt qua Do đó, chúng tôi quyết định sử dụng TCA để đảm bảo hiệu suất tối ưu.
Các giá trị trên em lấy trên datasheet của triac
Với các giá trị của van phù hợp và đáp ứng đúng các thông số yêu cầu của động cơ, chúng tôi đã quyết định sử dụng van này trong mạch.
2.1.2 Chọn thiết bị bảo vệ
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:
Tổn hao công suất sinh ra nhiệt, do đó cần bảo vệ van hoạt động ở nhiệt độ tối đa cho phép là 125°C Để đảm bảo an toàn cho van, cần gắn van bán dẫn lên cánh tỏa nhiệt.
Khi van bán dẫn được kết nối với cánh tỏa nhiệt bằng đồng hoặc nhôm, nhiệt độ của van được truyền ra môi trường xung quanh thông qua bề mặt cánh tỏa nhiệt Quá trình tỏa nhiệt xảy ra nhờ vào sự chênh lệch nhiệt độ giữa cánh tỏa nhiệt và không khí xung quanh Khi cánh tỏa nhiệt nóng lên, nhiệt độ của môi trường xung quanh cũng tăng, dẫn đến việc tốc độ dẫn nhiệt ra không khí bị giảm Diện tích bề mặt tỏa nhiệt đóng vai trò quan trọng trong hiệu quả tỏa nhiệt này.
Stn Tổn hao công suất: P = 1,82W. Độ chênh lệch nhiệt độ so với môi trường: = Tlv – Tmt
Có Tlv = 125 0 C, chọn nhiệt độ môi trường: Tmt = 40 0 C.
Ktn: Hệ số có xét tới điều kiện tỏa nhiệt.
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:
Chọn một cầu chì loại 1 A.
2.1.2.3 Bảo vệ quá điện áp cho van
Bảo vệ quá điện áp cho Triac trong quá trình đóng cắt có thể được thực hiện bằng cách sử dụng mạch R-C mắc song song với triac hoặc thyristor Khi chuyển mạch, các điện tích trong lớp bán dẫn sẽ phóng ra, tạo ra dòng điện ngược trong thời gian ngắn Sự biến thiên nhanh chóng của dòng điện ngược này sẽ tạo ra sức điện động cảm ứng lớn trong các điện cảm, dẫn đến quá điện áp giữa Anot và Katot của triac hoặc thyristor.
R - C mắc song song với triac (hoặc Thyristor) tạo ra mạch vòng phóng điện trong quá trình chuyển mạch nên triac (hoặc thyristor) không bị quá điện áp.
Hình 16: sơ đồ mạch động lực được lựa chọn
Trên đây chúng em xin trình bày cách tính chọn van và mạch dộng lực cho mạch điều khiển !
3 tính chọn phần tử cách ly
Có nhiều phương án cho việc cách ly, bao gồm việc sử dụng phần tử cách ly quang biến áp xung Đối với các mạch công suất nhỏ, chỉ cần sử dụng diode để ngăn ngừa dòng điện ngược.
Trong nghiên cứu về ứng dụng cho tải công suất trung bình và nhỏ, chúng tôi đã chọn sử dụng cách ly quang để đảm bảo tính gọn nhẹ và giá thành hợp lý Mạch cách ly quang không chỉ hiệu quả về chi phí mà còn cung cấp sự an toàn giữa mạch lực và mạch điều khiển Dựa trên các thông số đã phân tích, chúng tôi quyết định sử dụng MOC 3021 để thực hiện chức năng cách ly này.
Dưới đây là một số sơ đồ kết nối từ datasheet của MOC 3020, phù hợp với các loại tải khác nhau Các sơ đồ này thể hiện cách thức kết nối trong quá trình cách ly mà chúng tôi đã thực hiện.
Sơ đồ khối và sơ đồ nguyên lý của moc 3020
Sơ đồ nguyên lý toàn mạch
Khi cấp nguồn cho mạch điều khiển, điện áp 15V AC được đưa vào các chân 13, 6, 16 của TCA 785, với chân 5 kết nối với điện áp xoay chiều 15V từ máy biến áp, nhằm tạo nguồn chung cho mạch lực và mạch điều khiển Để tạo xung răng cưa, chân 12 được nối với tụ không phân cực 22nF để điều chỉnh độ rộng xung, và tụ 68nF được kết nối vào chân 10 để điều chỉnh biên độ cho mạch điều khiển, cho phép điều khiển triac bằng hai biến trở 50k.
Để điều khiển độ rộng xung và điều chỉnh góc mở cho triac, ta nhận được giá trị điện áp tương ứng trên tải Xung ra từ chân điều khiển 14 điều chỉnh góc mở cho điện áp dương, trong khi chân 15 phát xung cho điện áp âm, giúp mở triac và điều chỉnh tốc độ động cơ Để bảo vệ mạch điều khiển khỏi điện áp ngược, sử dụng 2 diode chống ngược dòng và mạch cách ly quang MOC 3020 Mạch lực được bảo vệ bởi cầu chì 1A Người điều khiển có thể điều chỉnh tốc độ động cơ bằng cách vặn biến trở R11, với góc mở nhỏ hơn tương ứng với điện áp lớn hơn trên tải Biến trở R9 giúp điều chỉnh độ mịn cho góc mở thông qua việc điều chỉnh biên độ của xung răng cưa.
phương hướng phát triển của đề tài
Mạch điều khiển sử dụng IC tích hợp cho phép điều khiển hiệu quả các loại động cơ một pha công suất nhỏ và vừa trong các xí nghiệp Để khắc phục hiện tượng không mở khi có tải do điện cảm lớn, mạch này cung cấp khả năng điều chỉnh tốc độ mượt mà và dải điều chỉnh rộng Ngoài ra, nó còn được ứng dụng trong việc điều khiển nhiệt độ của lò điện trở và kỹ thuật chiếu sáng Mạch có thể dễ dàng chuyển đổi thành mạch điều khiển xoay chiều 3 pha, phù hợp cho động cơ ba pha công suất lớn trong công nghiệp, sử dụng van bán dẫn tiristor Nhu cầu điều khiển tốc độ động cơ trong thực tế rất lớn, và mạch này đáp ứng được hầu hết các loại động cơ với ưu điểm là giá thành hợp lý, thiết kế nhỏ gọn, dễ vận hành và sửa chữa.
Sau hai tháng làm việc với đề tài “Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo bộ điều chỉnh điện áp xoay chiều điều khiển động cơ một pha” bằng các phần tử bán dẫn công suất, chúng em đã hoàn thành dự án Nhờ vào nỗ lực cá nhân, sự hỗ trợ từ bạn bè trong lớp, và đặc biệt là sự hướng dẫn tận tình của cô Nguyễn Thị Thanh Tâm, chúng em đã đáp ứng được các yêu cầu cơ bản của đề tài một cách tương đối tốt.
Trong quá trình thực hiện đề tài, chúng em nhận thức được rằng kiến thức của mình còn hạn chế, dẫn đến không tránh khỏi một số sai sót Vì vậy, chúng em rất mong nhận được ý kiến đóng góp từ các thầy cô giáo và bạn bè để đề tài của mình ngày càng hoàn thiện hơn.
Chúng em xin chân thành cảm ơn các thầy cô giáo bộ môn 'Điện tử công suất và truyền động điện' đã tận tình hỗ trợ và hướng dẫn chúng em, giúp chúng em hoàn thiện 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 SơnTrần Văn Thoại
