ĐỘNG CƠ ĐIỆN XOAY CHIỀU MỘT PHA
Khái niệm
Động cơ điện xoay chiều một pha (động cơ một pha) là loại động cơ không cổ góp, hoạt động bằng điện một pha, và được ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp cũng như trong đời sống hàng ngày, như trong các động cơ bơm nước và quạt Để điều chỉnh tốc độ của động cơ một pha, người ta có thể áp dụng nhiều phương pháp khác nhau, đặc biệt trong các thiết bị như quạt bàn và quạt trần.
- 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 điện kháng, được gọi 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 điện áp ngưỡng để kích hoạt diac Việc điều chỉnh điện áp và tốc độ quạt có thể thực hiện thông qua biến trở VR, như thể hiện trong hình a Tuy nhiên, sơ đồ điều khiển này không hoàn hảo, vì ở mức 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, với tốc độ quay của quạt có thể điều chỉnh thông qua biến trở VR Khi điều chỉnh trị số VR, việc nạp tụ C cũng được điều chỉnh, ảnh hưởng đến thời điểm mở thông diac và thời điểm Triac dẫn Triac sẽ được mở khi điện áp trên tụ đạt điểm dẫn 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 lớn hơn Ngược lại, nếu điện trở của VR lớn hơn, tụ sẽ nạp chậm hơn, Triac mở chậm hơn, làm giảm điện áp và tốc độ của quạt.
* Mạch điều khiển trên đây có ưu điểm:
Bạn có thể điều chỉnh liên tục tốc độ quạt, đồng thời ứng dụng công nghệ này cho các thiết bị khác như 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
Các bộ biến đổi điện áp xoay chiều được sử dụng để điều chỉnh điện áp hiệu dụng cung cấp cho tải Nguyên lý hoạt động của các bộ biến đổi này dựa trên việc sử dụng các phần tử van bán dẫn để kết nối tải với nguồn trong khoảng thời gian t1, sau đó ngắt kết nối trong khoảng thời gian t0, và quy 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.
Có hai loại bộ điều chỉnh điện áp dựa vào số pha nguồn cấp: 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 mạch điều áp xoay chiều sử dụng điện kháng hoặc điện trở phụ (tổng trở phụ) biến thiên để điều khiển Mặc dù sơ đồ mạch điều chỉnh này đơn giản và dễ thực hiện, nhưng hiện nay, nó ít được sử dụng do hiệu suất thấp khi Zf là điện trở hoặc cos φ 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 thay đổi 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 lớn hơn điện áp vào Tuy nhiên, khi dòng tải lớn, việc điều chỉnh điện áp bằng biến áp tự ngẫu gặp khó khăn, đặc biệt là trong việc đạt được điều chỉnh liên tục do khó khăn trong việc chế tạo chổi than để tiếp xúc chỉ trên một vòng dây của biến áp.
Giải pháp điều áp xoay chiều như trong hình 1a và 1b đều có ưu điểm là cung cấp điện áp hình sin 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 sử dụng sơ đồ bán dẫn để điều chỉnh xoay chiều có thể giúp khắc phục những nhược điểm này.
Các sơ đồ điều áp xoay chiều bằng bán dẫn được sử dụng rộng rãi, với sự lựa chọn tùy thuộc vào dòng điện, điện áp tải và khả năng cung cấp linh kiện bán dẫn Dưới đây là một số gợi ý khi lựa chọn sơ đồ phù hợp từ hình 1c.
Sơ đồ điều áp xoay chiều một pha bằng bán dẫn có thể được thực hiện bằng nhiều cách khác nhau, bao gồm: a sử dụng hai tiristor song song ngược để điều chỉnh điện áp; b áp dụng triac cho việc điều khiển dòng điện; c kết hợp một tiristor và một diod để tạo ra sự điều chỉnh; d hoặc sử dụng bốn diod và một tiristor để đạt hiệu quả tối ưu trong việc điều áp.
Sơ đồ kinh điển hình 2.A là lựa chọn phổ biến nhờ khả năng điều khiển hiệu quả với mọi công suất tải Hiện nay, với sự phát triển của Tiristor có dòng điện lên đến 7000A, việc điều khiển xoay chiều đạt hàng chục nghìn ampe theo sơ đồ này hoàn toàn khả thi.
Việc điều khiển hai tiristor song song ngược có thể gặp khó khăn trong việc duy trì chất lượng điều khiển, đặc biệt khi yêu cầu điều khiển đối xứng điện áp trong quá trình cung cấp.
Để đảm bảo hiệu suất của các thiết bị tải như biến áp hay động cơ xoay chiều, cần chú ý đến thành phần điện áp đối xứng Sự mất đối xứng điện áp tải trong quá trình điều khiển thường do sai số từ linh kiện mạch điều khiển tiristor gây ra Hệ quả của điện áp và dòng điện không đối xứng là tạo ra thành phần dòng điện một chiều, dẫn đến hiện tượng bão hòa cuộn dây, gây nóng và có nguy cơ cháy nổ Do đó, việc kiểm tra và hiệu chỉnh định kỳ mạch là cần thiết Mặc dù vậy, sơ đồ mạch này vẫn là lựa chọn tối ưu cho các ứng dụng với dòng điện tải lớn.
Triac ra đời để khắc phục nhược điểm của việc ghép hai tiristor song song ngược, cho phép mắc theo sơ đồ hình 2.B Sơ đồ này mang lại đường cong điện áp ra gần như mong muốn (hình 3.a) và có ưu điểm trong việc lắp ráp Hiện nay, triac được sử dụng phổ biến trong công nghiệp, nhưng chỉ có dòng điện tối đa dưới 400A 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 sử dụng.
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 phù hợp khi điện áp nguồn cấp lớn, giúp phân bổ điện áp trên các van một cách hiệu quả, tương tự như việc mắc nối tiếp các van.
Sơ đồ hình 2D trước đây thường được sử dụng để điều khiển đối xứng điện áp trên tải nhờ vào việc chỉ cần một tiristor trong mạch điều khiển, giúp đơn giản hóa quá trình điều khiển Mặc dù số lượng tiristor ít có thể mang lại ưu điểm khi van điều khiển còn hiếm, nhưng phương pháp này gây ra tổn hao lớn trên các van bán dẫn, làm giảm hiệu suất của hệ thống điều khiển Thêm vào đó, tổn hao năng lượng nhiệt cao cũng gây khó khăn cho việc làm mát hệ thống.
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 tương tự như hai Thyristor mắc song song ngược, nhưng chỉ có một cực điều khiển Đây là thiết bị bán dẫn ba cực, bốn lớp, cho phép điều khiển dòng điện bằng cả xung dương và xung âm Tuy nhiên, xung dòng điều khiển 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 MT 2 (+), 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 điện tử bị trường nội tại E E1 hút vào, trong khi điện áp ngoài được đặt lên J2 làm cho Barie này tăng cao, đủ để hút các điện tích thiểu số (các điện tử của P1) Điều này dẫn đến động năng của chúng đủ lớn để bẻ gãy các liên kết của nguyên tử Silicon trong vùng, tạo 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
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:
L di + Ri = dt sin t i = V sin( ) + Ae - R
Hằng dạng số tích phân A được xác định: Khi thì i = 0 Biểu thức dòng tải i có dạng: i = V [ sin( ) - sin( )e ] tg Biểu thức này đúng trong khoảng đến
Góc được thay đổi bằng cách thay và đặt i= 0
Trong biểu thức trên: tg = L
Tiristor T1 phải được khoá lại trước khi cho xung mở T2, nếu không thì không thể mở được T 2 , tức Để thoả mãn điều kiện này ta phải có:
Hình 8 minh họa mối quan hệ giữa dòng điện và điện áp đối với tải thuần trở và thuần cảm Điều này 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:
R 2 2 2 sin 2 ) Công suất tác dụng cung cấp cho mạch tải:
R 2 2 2 sin 2 ) 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 =( V 2 ) đến 0
Dưới đây là bảng góc mở α ứng với từng loại tải :
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 qua cầu chỉnh lưu 3A Sau khi qua IC ổn áp 7815, điện áp ổn định 15V được cung cấp Để làm phẳng điện áp, dòng điện 15V sau khối chỉnh lưu được đưa qua tụ 2200µF.
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 chuyển đổi thành dòng một chiều thông qua cầu chỉnh lưu 3A Sau khi đi qua IC ổn áp 7815, dòng điện sẽ có điện áp ổn định 15V Để làm phẳng điện áp, sau khối chỉnh lưu, điện áp 15V được cấp qua tụ 2200µF, đồng thời mắc song song với một tụ gốm để loại bỏ sóng hài Ngoài ra, một LED được kết nối song song để báo hiệu rằng mạch điều khiển đang có nguồn.
Chúng em đã chọn sơ đồ điều khiển bằng TRIAC cho bộ điều áp xoay chiều của động cơ (tải R+L) vì sơ đồ này mang lại nhiều ưu điểm nổi bật.
- 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 và vận hành đơn giản là những ưu điểm nổi bật của hệ thống điều khiển này Sơ đồ mạch cho thấy tín hiệu được đưa vào chân điều khiển G của Triac, cho phép Triac điều khiển dòng điện Khi điều chỉnh biến trở V11, chúng ta có thể thay đổi độ rộng xung vuông, từ đó tạo ra giá trị điện áp trên tải tương ứng với góc mở của Triac Hệ thống này có thể được lắp đặt trước hoặc sau van, mang lại tính linh hoạt trong ứng dụng.
Dưới đây là sơ đồ dạng sóng đầu ra của van khi điều chỉnh góc mở:
Khi nhìn vào hình trên, ta nhận thấy rằng do tải có tính cảm khám, nên khi tắt, động cơ vẫn có một phần điện áp trả lại Điều này có thể dẫn đến sự xuất hiện của một vùng không hoạt động; nếu diện 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 với điện áp Ua1a2>0 Đồng thời, khi T1 phân cực thuận, T2 sẽ phân cực ngược, dẫn đến việc T2 không thể dẫn nếu có phát xung điều khiển từ φ1 đến π.
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 U rc ) Dùng một điện áp một chiều U đk để so sánh với điện áp tựa Tại thời điểm hai điện áp này bằng nhau(Uđk= Urc)
Trong vùng điện áp dương anot, xung điều khiển được phát cho đến khi kết thúc bán kỳ hoặc cho đến khi dòng điện đạt giá trị bằng 0 Để thực hiện điều này, mạch điều khiển cần có 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(U đk = U rc ) 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 phải dốc thẳng đứng để đảm bảo Triac mở tức thời khi nhận xung điều khiển, thường là xung kim hoặc xung chữ nhật, với độ rộng lớn hơn thời gian mở của Triac Ngoài ra, cần có cách ly giữa mạch điều khiển và mạch động lực để đảm bảo an toàn khi điện áp động lực quá lớn.
Điện áp cung cấp cho mạch điều khiển được đưa đến khối đồng pha, tạo ra điện áp đồng bộ Vđb có hình sin và tần số giống với điện áp nguồn, nhưng có thể lệch pha Đầu ra từ mạch phát điện răng cưa tạo ra các điện áp răng cưa Vrc đồng bộ về tần số và góc pha với Vđb Điện áp răng cưa Vrc được đưa vào khối so sánh, nơi có tín hiệu điện áp một chiều điều chỉnh từ bên ngoài Hai tín hiệu này được kết nối sao cho chúng tác động ngược chiều lên mạch so sánh Khi hai tín hiệu này bằng nhau, đầu ra khối so sánh phát sinh các xung với chu kỳ của Vrc Trong đó, một sườn của xung điện áp tại đầu ra khối so sánh là sườn sử dụng Thời điểm xuất hiện xung tại đầu ra khối so sánh có thể được điều chỉnh bằng cách thay đổi Vđk mà không làm thay đổi dạng của Vrc.
Trong nhiều trường hợp, tín hiệu đầu ra từ khối so sánh không đủ yêu cầu và cần được khuếch đại cũng như điều chỉnh hình dáng Các nhiệm vụ này được thực hiện bởi một mạch gọi là mạch xung Đầu ra của khối tạo xung và khuếch đại xung sẽ tạo ra một chuỗi xung điều khiển với các thông số yêu cầu về công suất, độ dài và độ dốc mặt đầu của xung Thời điểm xuất hiện các xung hoàn toàn trùng khớp với thời điểm xuất hiện xung trên đầu ra khối so sánh.
Ngày nay, các mạch cổ điển thường được thay thế bằng các IC tích hợp, mang lại kết cấu nhỏ gọn và giá thành rẻ Những IC này không chỉ giúp tiết kiệm không gian mà còn đạt được độ chính xác rất cao, nổi bật với IC TCA.
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 trong 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 TCA 785 thể hiện tính năng đa dạng và ứng dụng linh hoạt của vi mạch này trong các hệ thống điện tử.
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 ** 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 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
Dòng nạp tụ 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 hẹp
V 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
Tính toán các phần tử bên ngoài:
Tụ răng cưa: C10 Min = 500pF; Max = 1 F
Thời điểm phát xung: tTr
R 9 Điện áp trên tụ: V10 = V K.t REÌ
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:
+ 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: R 9 = 20K 500K + Điện áp điều khiển: U 11 = -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
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
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 Khi đó:
- 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 Itải=1.136 A
U cos Chọn điều kiện làm việc của van: có cánh tản nhiệt không có quạt đối lưu Dòng điện định mức của van cần chọn
Dựa trên các thông số từ datasheet và độ phổ biến trên thị trường, chúng tôi đã quyết định lựa chọn loại van BTA-136 600E với điện áp định mức là U đm = 600 V.
Dòng điện định mức: I đm = 4 A
Dòng điện điều khiển: Iđk = 50 m
A Điện áp điều khiển: U đk = 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: du = 500 V/ s. dt
Nhiệt độ làm việc cực đại: T 0 C = 125 0 C.
Chúng tôi đã chọn thông số phù hợp với tải của động cơ điện một pha có công suất nhỏ Các giá trị của nguồn điện khó có thể vượt quá mức này, vì vậy chúng tôi quyết định sử dụng TCA.
Các giá trị trên em lấy trên datasheet của triac
Với các giá trị của van phù hợp và đáp ứng chính xác 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 ( P 2 ) Tổng tổn hao sẽ là:
Tổn hao công suất sinh ra nhiệt, vì vậy cần bảo vệ van hoạt động ở nhiệt độ tối đa cho phép là 125°C Để đảm bảo an toàn, van bán dẫn phải được gắn lên cánh tỏa nhiệt.
Khi van bán dẫn kết nối với cánh tỏa nhiệt bằng đồng hoặc nhôm, nhiệt độ của van sẽ được tỏa ra môi trường xung quanh thông qua bề mặt cánh tỏa nhiệt Quá trình tỏa nhiệt diễn ra nhờ sự chênh lệch nhiệt độ giữa cánh tỏa nhiệt và môi trường xung quanh Khi cánh tỏa nhiệt nóng lên, nhiệt độ xung quanh cũng tăng, dẫn đến việc tốc độ dẫn nhiệt ra môi trường không khí bị chậm lại Diện tích bề mặt tỏa nhiệt đóng vai trò quan trọng trong hiệu suất tỏa nhiệt.
K tn Độ chênh lệch nhiệt độ so với môi trường: = Tlv – Tmt
Có Tlv = 1250C, chọn nhiệt độ môi trường: Tmt = 400C.
= 125 - 40 = 85 0 C Ktn: Hệ số có xét tới điều kiện tỏa nhiệt Chọn K tn = 8.10 -4 W/cm 2 0 C.
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 (hoặc thyristor) trong quá trình đóng cắt được thực hiện bằng cách mắc một mạch R-C song song Khi triac 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 khâu 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 chặn dòng điện ngược.
Trong bài viết này, chúng tôi tập trung vào ứng dụng cho tải công suất trung bình và nhỏ, nhằm đáp ứng yêu cầu về tính gọn nhẹ và giá thành Chúng tôi quyết định sử dụng cách ly quang, cụ thể là MOC 3021, vì nó mang lại hiệu quả cao, chi phí thấp, và đảm bảo an toàn trong việc cách ly giữa mạch lực và mạch điều khiển.
Dưới đây là một số sơ đồ kết nối trong datasheet của MOC 3020, tương ứng với các loại tải khác nhau Những sơ đồ này giúp minh họa rõ ràng cách thức kết nối trong khâu cách ly mà chúng tôi đã thực hiện.
Hình 18: Sơ đồ khối và sơ đồ nguyên lý của moc 3020
2.2 Sơ đồ nguyên lý toàn mạch
Khi cấp nguồn cho mạch điều khiển qua khối chỉnh lưu, điện áp 15V AC được nối 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 cho cả mạch lực và mạch điều khiển Để tạo xung răng cưa, chân 12 được kết nối với tụ không phân cực 22nF nhằm điều chỉnh độ rộng xung, trong khi tụ 68nF được nối vào chân 10 để điều chỉnh biên độ cho mạch điều khiển, sử dụng triac với 2 biến trở 50k vào chân.
Để điều khiển độ rộng xung và điều chỉnh góc mở cho triac, từ đó nhận được giá trị điện áp tương ứng trên tải, chúng tôi đã chọn giải pháp không nối mát cho các chân còn lại Xung ra từ chân điều khiển 14 giúp điều chỉnh góc mở phần điện áp dương, trong khi chân 15 phát xung điều khiển mở phần điện áp âm, cho phép triac hoạt động và điều chỉnh tốc độ động cơ theo ý muốn Để bảo vệ mạch điều khiển khỏi điện áp ngược, chúng tôi sử dụng hai 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 để nhận giá trị điện áp tương ứng, với góc mở nhỏ hơn sẽ tạo ra điện áp lớn hơn trên tải và ngược lại Biến trở R9 được sử dụng để 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 Nó khắc phục hiện tượng không mở khi có tải lớn, đồng thời mang lại khả năng điều chỉnh tốc độ mượt mà và dải điều chỉnh rộng Mạch này còn được ứng dụng để điều khiển nhiệt độ lò điện trở và trong kỹ thuật chiếu sáng Đặc biệt, nó có thể chuyển đổi thành mạch điều khiển xoay chiều 3 pha, phục vụ cho các động cơ ba pha công suất lớn trong công nghiệp Nhu cầu điều khiển tốc độ động cơ ngày càng tăng, và mạch điều khiển này đáp ứng được hầu hết các loại động cơ với ưu điểm về giá thành hợp lý, kích thước nhỏ gọn và dễ dàng trong vận hành cũng như sửa chữa.
Sau hai tháng thực hiện đồ án 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 công việc Nhờ vào nỗ lực cá nhân, sự hỗ trợ từ bạn bè và đặc biệt là sự hướng dẫn tận tình của cô giáo Nguyễn Thị Thanh Tâm, chúng em đã đáp ứng tương đối tốt các yêu cầu cơ bản của đề tài.
Trong quá trình thực hiện đề tài, chúng em nhận thức rằng kiến thức của mình còn hạn chế, dẫn đến một số sai sót không thể tránh khỏi Vì vậy, chúng em rất mong nhận được ý kiến đóng góp từ các thầy cô và bạn bè để hoàn thiện đề tài này ngày càng tốt 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 trong quá trình 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 Sơn Trần Văn Thoại