(TIỂU LUẬN) đề tài THIẾT kế bộ điều áp XOAY CHIỀU một PHA điều KHIỂN tốc độ ĐỘNG cơ điện

TRƯỜNG ĐHSPKT HƯNG YÊN CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU ÁP XOAY CHIỀU MỘT PHA ĐIỀU 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 sở lý 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.

GV hướng dẫn: Nguyễn Thị Thanh Tâm Trang 2

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

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

GV hướng dẫn: Nguyễn Thị Thanh Tâm Trang 4

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 “Nghiên

cứu,thiết kế bộ điều áp xoay chiều một pha điều khiển tốc độ động cơ” Sau thời gian

nghiên 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 sự

giải đáp và hướng dẫn kịp thời của cô Nguyễn Thị Thanh Tâm, sự góp ý kiến của các

bạn 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 SơnTrần Văn Thoại

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

GV hướng dẫn: Nguyễn Thị Thanh Tâm Trang 6

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 như điều 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 hiện tiếng ù do thành phần một chiều của dòng điện.

GV hướng dẫn: Nguyễn Thị Thanh Tâm Trang 8

CHƯƠNG II: BỘ ĐIỀU ÁP XOAY CHIỀU MỘT PHA 2.1 Đặt vấn đề

Các 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, trong khởiđộng 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 lực

Hình 1 giới thiệu một số mạch điều áp xoay chiều một pha Hình 1a là điều áp xoaychiều 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).

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 hìnhsin, đơn giản Có chung nhược điểm là quán tính điều chỉnh chậm và không điều chỉnhliên tục khi dòng tải lớn Sử dụng sơ đồ bán dẫn để điều chỉnh xoay chiều, có thể khắcphục được 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:

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

GV hướng dẫn: Nguyễn Thị Thanh Tâm Trang 10

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.

i 21

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

b- Không mong muốn

Để khắc phục nhược điểm vừa nêu về việc ghép hai tiristor song song ngược, triac rađời 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

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, nhưngchỉ 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.

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.

Hình7: Hình dángdòng điện và điện áp đối

với tải R-L

Khi tiristor T1 mở có phương trình:

L + Ri = sinti = sin() + Ae-

Hình5: Đặc tuyếnV-A của

Triac có đườngđặc tính V-A

đối xứngnhận góc mởtrong cả haichiều

2.4 Đ iều áp xoay chiều một pha ứng với tải R-L

2

dtRV2R2 L( L)2

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

với tảithuầntrở vàthuầncảm

Điều đónói lên rằng,ngay cả trường hợp tải thuần trở, lưới điện xoay chiều vẫn phải cung cấp một lượng côngsuất phản kháng.

Giá trị hiệu dụng của điện áp trên tải:

Uc = = V.

12 2 sin 2

Giá trị hiệu dụng của dòngtải:

GV hướng dẫn: Nguyễn Thị Thanh Tâm Trang 14

Đồ án 3: Điện Tử Công Suất-TĐĐ

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

R

c.Nguyên lýhoạt 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 tạođiện 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 lực

Với yêu cầu của đề tài là thiết kế bộ điều áp xoay chiều cho động cơ (tải R+L) nênchúng 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

a Sơ đồ mạch

b.Nguyên lýlàm việc

Tín hiệu đượcđưa vào chân điềukhiển G của Triac.Triac có nhiệm vụđiều khiển mở dẫndòng từ đó ta nhậnđược giá trị điện áptrên tải tương ứng vớigóc mở của triac khi ta điều chỉnh biến trở V11 để điều chỉnh độ rộng xung vuông tương ứng tải ở trên sơ đồ 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 tathấy do tải có tính cảmkhám nên khi tắt vẫn cómột phần điện áp trả lạicủa động cơ Nên có thể

GV hướng dẫn: Nguyễn Thị Thanh Tâm Trang 17

xuất hiện một vùng không hoạt động nếu diện cảm lớn thì 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 thuận

và 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 tảicó điện cảm lớncỡ nào mà ta thiếtkế chọn độ rộngxung cho hợp lý

1.2.3.Mạch điều khiển1.2.3.1.Phân tích

Điều khiển Triac trong sơ đồ chỉnh lưu hiện nay có rất nhiều phương pháp khácnhau 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 áp tựarăng cưa Urc) Dùng một điện áp một chiều Uđk để so sánh với điện áp tựa Tại thời điểmhai 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 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 sangtầng 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 racủa 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 phát

GV hướng dẫn: Nguyễn Thị Thanh Tâm Trang 19