ĐỒ ÁN MÔN HỌC 3 THIẾT KẾ CHẾ TẠO MẠCH ĐIỀU ÁP XOAY CHIỀU MỘT PHA ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ MỤC LỤC DANH MỤC HÌNH ẢNH ...........................................................................................................4 LỜI NÓI ĐẦU...............................................................................................................................5 CHƯƠNG 1 : CƠ SỞ LÝ THUYẾT..........................................................................................6 1.1. Động cơ điện xoay chiều 1 pha...................................................................................... 6 1.2. Bộ điều áp xoay chiều một pha. ..................................................................................... 8 1.3.Nguyên tắc điều khiển ...................................................................................................13 1.4.Giới thiệu vi mạch TCA 785.........................................................................................14 1.5.Giới thiệu van công suất Triac ......................................................................................20 CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ MẠCH..............................................................................................22 2.1. Sơ đồ khối và chức năng từng khối. ...........................................................................22 2.2.Tính chọn thông số mạch động lực và bảo vệ.............................................................29 2.3.Tính chọn mạch điều khiển ...........................................................................................33 CHƯƠNG 3 : CHẾ TẠO MẠCH .............................................................................................34 3.1.Sơ đồ thiết kế nguyên lý ................................................................................................34 3.2.Sơ đồ mạch Board. .........................................................................................................35 3.3.Hình ảnh mô phỏng 3D..................................................................................................35 3.4.Sơ đồ bố trí chân.............................................................................................................36 3.6.Danh mục các linh kiện sử dụng trong đề tài..............................................................37 3.7.Các kết quả khảo sát.......................................................................................................38 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ...................................................................................................43
CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Động cơ điện xoay chiều 1 pha
1.1.1 Giới thiệu về động cơ xoay chiều 1 pha Động cơ điện xoay chiều một pha (gọi tắt là động cơ một pha) là động cơ điện xoay chiều không cổ góp được chạy bằng điện một pha Loại động cơ điện này được sử dụng khá rộng rãi trong công nghiệp và trong đời sống như động cơ bơm nước động cơ quạt động cơ trong các hệ thống tự động Khi sử dụng loại động cơ này người ta thường cần điều chỉnh tốc độ ví dụ như quạt bàn, quạt trần
1.1.2 Các phương pháp điều chỉnh tốc độ 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
Trước đây, việc điều khiển tốc độ động cơ chủ yếu thông qua việc điều chỉnh điện áp xoay chiều Hai phương pháp phổ biến được sử dụng là mắc nối tiếp với tải 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 Thyristor và Triac vào điều khiển, người ta có thể điều khiển động cơ một pha bằng bán dẫn
Hình 1.1: Các phương pháp điều khiển động cơ
1.1.3 Một số mạch điều khiển động cơ một pha
Một ứng dụng phổ biến của điều áp xoay chiều là trong việc điều khiển động cơ điện một pha, đặc biệt là để điều chỉnh tốc độ quay của quạt điện.
Hình 1.2: Các mạch điều khiển động cơ một pha
Chức năng của các linh kiện trong sơ đồ:
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 để kích hoạt diac Việc điều chỉnh điện áp và tốc độ quạt có thể thực hiện thông qua biến trở VR như trong hình a Tuy nhiên, sơ đồ điều khiển này không hoàn hảo, vì trong vùng điện áp thấp, khi Triac dẫn ít, việc điều khiển trở nên khó khăn.
Sơ đồ hình b mang lại chất lượng điều khiển tốt hơn cho hệ thống Tốc độ quay của quạt có thể được điều chỉnh thông qua biến trở VR, giúp kiểm soát việc nạp tụ khi thay đổi giá trị của VR.
C điều chỉnh thời điểm mở thông diac và thời điểm Triac dẫn, cho phép Triac mở khi điện áp trên tụ đạt điểm dẫn Để tăng tốc độ quạt, cần giảm điện trở của VR để tụ nạp nhanh hơn, giúp Triac dẫn sớm hơn và điện áp ra lớn hơn Ngược lại, nếu điện trở của VR lớn, tụ nạp chậm, Triac mở chậm, dẫn đến điện áp và tốc độ quạt giảm.
* 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 áp dụng cho các tải khác như điều chỉnh 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
Bộ biến đổi điện áp xoay chiều được sử dụng để điều chỉnh điện áp hiệu dụng trên tải Nguyên lý hoạt động của nó dựa vào việc sử dụng các phần tử van bán dẫn để nối tải với nguồn trong khoảng thời gian t1 và ngắt kết nối trong khoảng thời gian t0 theo chu kỳ lặp lại T Bằng cách thay đổi độ rộng của t1 hoặc t0 trong khoảng T, ta có thể điều chỉnh giá trị điện áp trung bình trên tải Ưu điểm của phương pháp này là khả năng điều chỉnh điện áp ra một cách linh hoạt và hiệu suất cao, nhờ vào tổn thất thấp trên các phân tử điện tử công suất Bộ biến đổi điện áp xoay chiều thường được ứng dụng trong điều khiển chiếu sáng, đốt nóng, khởi động mềm, và điều chỉnh tốc độ cho quạt gió hoặc máy bơm nước.
1.2.2 Một số phương pháp đi ều chỉnh điện áp xoay chiều
Hình 1.3 trình bày một số mạch điều áp xoay chiều một pha, trong đó Hình 1.3a mô tả mạch điều áp xoay chiều được điều khiển bằng cách mắc nối tiếp với tải một điện kháng hoặc điện trở phụ (tổng trở phụ) có thể biến thiên Mặc dù sơ đồ mạch điều chỉnh này đơn giản và dễ thực hiện, nhưng mạch điều chỉnh kinh điển này ngày nay ít được sử dụng do hiệu suất thấp khi Zf là điện trở và cosφ thấp khi Zf là điện cảm.
Hình 1.3: Các phương pháp điều áp xoay chiều một pha
Biến áp tự ngẫu có khả năng điều chỉnh điện áp xoay chiều U2, như minh họa trong hình 1.4b Ưu điểm của việc sử dụng biến áp tự ngẫu là khả năng điều chỉnh điện áp một cách linh hoạt.
U2 có khả năng điều chỉnh từ 0 đến bất kỳ trị số nào, lớn hơn hoặc nhỏ hơn điện áp đầu vào Khi cần điều chỉnh điện áp ra và vùng điều chỉnh có thể lớn hơn điện áp đầu vào, việc sử dụng biến áp là cần thiết Tuy nhiên, khi dòng tải lớn, việc sử dụng biến áp tự ngẫu để điều chỉnh thường gặp khó khăn trong việc đạt yêu cầu, đặc biệt là không thể điều chỉnh liên tục do chổi than khó chế tạo để chỉ tiếp xúc trên một vòng dây của biến áp.
Giải pháp điều áp xoay chiều được trình bày trong hình 1.3a, b mang lại ưu điểm là điện áp hình sin và thiết kế đơn giản Tuy nhiên, cả hai giải pháp này đều gặp phải nhược điểm 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 khả năng khắc phục những nhược điểm này.
Các sơ đồ điều áp xoay chiều bằng bán dẫn, như được trình bày trong hình 1.3c, rất phổ biến trong ứng dụng Việc lựa chọn sơ đồ phù hợp phụ thuộc vào dòng điện, điện áp tải và khả năng cung cấp của các linh kiện bán dẫn Một số gợi ý hữu ích cho việc chọn lựa các sơ đồ trong hình 1.3c bao gồm việc xem xét các yếu tố này một cách cẩn thận.
Sơ đồ điều áp xoay chiều một pha bằng van bán dẫn có thể được thực hiện theo nhiều cách khác nhau, bao gồm: a sử dụng hai thyristor song song ngược; b sử dụng triac; c sử dụng một tiristor kết hợp với một diode; và d sử dụng bốn diode kết hợp với một thyristor.
Sơ đồ kinh điển hình 1.4.a được sử dụng phổ biến nhờ khả năng điều khiển với mọi công suất tải Hiện tại, thyristor 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 thyristor song song ngược có thể gặp khó khăn trong việc duy trì chất lượng điều khiển, đặc biệt khi cần điều khiển điện áp đối xứng cho các tải như biến áp hoặc động cơ xoay chiều Sự mất đối xứng điện áp tải thường xảy ra do sai số từ linh kiện trong mạch điều khiển thyristor, dẫn đến điện áp tải không đối xứng, như thể hiện trong hình 1.6b Tình trạng này tạo ra thành phần dòng điện một chiều cho tải, gây ra hiện tượng bão hòa cuộn dây, dẫn đến quá nhiệt và cháy nổ Do đó, việc kiểm tra và hiệu chỉnh định kỳ mạch là rất cần thiết Tuy nhiên, đối với các tải có dòng điện lớn, sơ đồ này vẫn được xem là lựa chọn tối ưu.
Triac ra đời để khắc phục nhược điểm của việc ghép hai thyristor song song ngược, mang lại ưu điểm với các đường cong điện áp ra gần như mong muốn và dễ lắp ráp hơn Sơ đồ mạch này hiện đang được sử dụng phổ biến trong công nghiệp Tuy nhiên, triac hiện nay chỉ được chế tạo cho dòng điện nhỏ (I < 400A), do đó, khi cần sử dụng cho tải lớn hơn 400A, cần phải ghép song song các triac, dẫn đến sự phức tạp trong lắp ráp và điều khiển Vì vậy, sơ đồ hình 1.4.b ít được áp dụng cho những tải có dòng điện trên 400A.
Sơ đồ hình 1.4.c bao gồm hai thyristor và hai diode, được thiết kế để kết nối các cực điều khiển một cách đơn giản Sơ đồ này thích hợp cho việc sử dụng với nguồn điện áp lớn, giúp phân bổ điện áp trên các van một cách hiệu quả, tương tự như việc mắc nối tiếp các van.
Hình 1.5: Hình dạng đường cong điện áp điều khiển a) Mong muốn b) Không mong muốn
Sơ đồ hình 1.4.d trước đây thường được sử dụng để điều khiển đối xứng điện áp trên tải nhờ vào việc chỉ cần một thyristor và một mạch điều khiển, giúp đơn giản hóa quá trình điều khiển Mặc dù số lượng thyristor ít có thể mang lại ưu điểm trong bối cảnh van điều khiển hiếm, nhưng phương pháp này dẫn đến tổn hao lớn trên các van bán dẫn, làm giảm hiệu suất của hệ thống điều khiển Hơn nữa, tổn hao năng lượng nhiệt lớn cũng gây khó khăn cho hệ thống làm mát.
Sau khi phân tích các sơ đồ, chúng tôi đã chọn phương án điều áp xoay chiều sử dụng van bán dẫn triac, vì phương án này mang lại nhiều ưu điểm vượt trội.
- Đường cong điện áp gần như mong muốn
- Công suất của tái không quá lớn nên triac có thể đáp ứng
- Mạch điều khiển đơn giản
- Giá thành rẻ, vận hành đơn giản Điều áp xoay chiều một pha ứng với tải R-L
Hình 1.6: Hình dáng dòng điện và điện áp đối với tải R-L
Khi thyristor 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 = 2
Biểu thức này đúng trong khoảng đến
Góc được thay đổi bằng cách thay và đặt i= 0
Trong biểu thức trên: tg R
Thyristor T1 phải được khoá lại trước khi cho xung mở T2, nếu không thì không thể mở được T2, tức Để thoả mãn điều kiện này ta phải có:
Hình 1.7 minh họa mối quan hệ giữa dòng điện và điện áp khi tải là thuần trở và thuần cảm Điều này cho thấy rằng, ngay cả trong trường hợp tải thuần trở, lưới điện xoay chiều vẫn cần cung cấp một lượng công suất phản kháng.
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 :
Nguyên tắc điều khiển
Điều khiển triac trong sơ đồ điều áp hiện nay có rất nhiều phương pháp khác nhau thường gặp là điều khiển theo nguyên tắc thẳng đứng tuyến tính
Để điều khiển góc mở α của Triac, chúng ta cần tạo ra một điện áp tựa dạng tam giác, được gọi là điện áp tựa răng cưa Urc Sử dụng một điện áp một chiều Uđk để so sánh với điện áp tựa Khi hai điện áp này bằng nhau (Uđk = Urc), góc mở của Triac sẽ được điều chỉnh.
Trong vùng điện áp dương anot thì phát xung điều khiển cho tới cuối bán kỳ
(hoặc tới khi dòng điện bằng 0) Để thực hiện ý đồ trên mạch điều khiển bao gồm 3 khâu cơ bản:
Hình 1.8: Sơ đồ khối các khâu trong mạch điều khiển.
Nhiệm vụ của các khâu trong sơ đồ khối như sau:
Khâu đồng bộ: Có nhiệm vụ tạo ra điện áp tựa Urc tuyến tính trùng pha với điện áp Anot (cực G) của Triac
Khâu so sánh có nhiệm vụ nhận tín hiệu điện áp tựa và điện áp điều khiển Uđk, từ đó so sánh hai điện áp này Khi điện áp điều khiển Uđk bằng với điện áp tựa (Uđk = Urc), khâu so sánh sẽ phát xung điều khiển ở đầu ra Xung này sau đó được gửi đến tầng tạo xung và khuếch đại xung để tiếp tục xử lý.
Khâu tạo xung và khuếch đại xung đóng vai trò quan trọng trong việc tạo xung điều khiển để mở Triac Để mở Triac một cách tức thời, xung điều khiển cần có sườn trước dốc thẳng đứng và độ rộng đủ lớn, vượt quá thời gian mở của Triac Ngoài ra, cần đảm bảo cách ly giữa mạch điều khiển và mạch động lực, đặc biệt khi điện áp động lực cao, nhằm bảo vệ mạch điều khiển khỏi các tác động không mong muốn.
Giới thiệu vi mạch TCA 785
Vi mạch TCA 785 là một vi mạch phức hợp với bốn chức năng chính: tạo điện áp đồng bộ, tạo điện áp răng cưa, so sánh và phát xung ra Được sản xuất bởi hãng Siemens, TCA 785 thường được sử dụng để điều khiển các thiết bị chỉnh lưu và thiết bị điều chỉnh dòng xoay chiều.
- Dễ phát hiện việc chuyển qua điểm không
- Phạm vi ứng dụng rộng rãi
- Có thể hoạt động 3 pha (3 IC)
- Mạch thiết kế đơn giản, thi công nhanh dễ điều khiển và hiệu chỉnh
- Dải điều chỉnh và góc điều khiển rộng
Nhiệm vụ: Tạo ra xung điều khiển mở thyristor với góc mở α giảm dần để tăng điện áp tải đến điện áp phóng điện
Hình 1.9: Sơ đồ chân TCA 785
Chức năng chân của TCA 785
Chân Kí hiệu Chức năng
5 VSYNC Tín hiệu đồng bộ
9 R9 Điện áp tạo xung răng cưa
10 C10 Tụ tạo xung răng cưa
12 C12 Tụ tạo độ rộng xung
13 L Tín hiệu điều khiển xung ngắn, xung rộng
14 Q1 Xung ra ở nửa chu kỳ âm
15 Q2 Xung ra ở nửa chu kỳ dương
16 VS Điện áp nguồn nuôi
Dạng sóng dòng đi ện
Hình 1.10: Dạng sóng dòng điện ,điện áp TCA 785
Các thông số của TCA 785
Thông số Giá trị nhỏ nhất
Giá trị lớn nhất Đơn vị
Dòng tiêu thụ I.S 4,5 6,5 10 mA Điện áp vào điều khiển chân 11
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
V Xung ra, chân 14, 15 Điện áp ra mức cao Điện áp ra mức thấp
V Độ rộng xung hẹp Độ rộng xung rộng tp tp
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 K V
V REÌ Điện áp trên tụ: V10 10
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
1.4.3 Sơ đồ cấu tạo của TCA 785
Hình 1.11: Sơ đồ cấu tạo TCA785
Nguyên lý làm việc của vi mạch TCA 785
Vi mạch TCA 785 thực hiện bốn chức năng chính trong mạch điều khiển, bao gồm tạo điện áp răng cưa đồng bộ và so sánh để tạo xung ra Nguồn nuôi được cấp qua chân 16, trong khi tín hiệu đồng bộ được lấy từ chân 5 và chân 1 Tín hiệu điều khiển được đưa vào chân 11, với bộ nhận biết điện áp 0 kiểm tra điện áp đầu vào và chuyển tín hiệu đến bộ phận đồng bộ Bộ phận này điều khiển tụ C10, giúp tụ nạp đến điện áp ổn định do R9 quyết định Khi điện áp V10 đạt đến V11, tín hiệu được gửi vào khâu logic, cho phép góc mở α thay đổi từ 0 đến 180 độ tùy thuộc vào biên độ điện áp điều khiển V11 Mỗi nửa chu kỳ sẽ tạo ra một xung dương tại Q1, Q2 với độ rộng từ 30-80μs, có thể kéo dài đến 180 độ thông qua tụ C12.
Nếu chân 12 nối đất thì sẽ có xung trong khoảng α đến 180 o
Nguyên lý hoạt động của khâu tạo xung điều khiển bắt đầu khi điện áp lưới được hạ xuống 15VAC qua máy biến áp và đưa vào chân số 5 và chân số 1 qua điện trở R Tín hiệu điều khiển Vdk được đưa vào chân 11, nơi nó được so sánh với điện áp răng cưa từ tụ C10, tạo ra xung điều khiển thyristor với góc mở α tăng dần ở đầu ra chân 14 và 15 Trong trường hợp xảy ra ngắn mạch, chân 16 sẽ nhận tín hiệu cấm, dẫn đến việc không còn tín hiệu đầu ra tại chân 14 và 15.
Từ yêu cầu thực tiễn ta chọn IC TCA 785 do hãng SIMEN sản xuất cùng các linh kiện đi kèm sau: C10= 104, C12= 473, R9= 33kΩ ,R5= 1MΩ,VR1= VR2= 10kΩ
Hình 1.12: Khâu tạo xung điều khiển TCA 785
Giới thiệu van công suất Triac
Cấu tạo và ký hiệu
Hình 1.13: 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 Là thiết bị bán dẫn ba cực với bốn lớp, Triac có khả năng mở dẫn dòng qua cả xung dương và xung âm, tuy nhiên xung âm có độ nhạy kém hơn Điều này có nghĩa là để mở Triac, cần một dòng điều khiển âm lớn hơn so với dòng điều khiển dương Do đó, trong thực tế, việc sử dụng dòng điều khiển dương là phương pháp tối ưu để đảm bảo tính đối xứng của dòng điện qua Triac.
- Có 4 tổ hợp điện thế có thể mở Triac cho dòng chảy qua:
Nếu G(+), B2 (+) hoặc G(-), B2 (+) khi đó dòng điện chạy từ B2 sang B1
Nếu G(-), B2 (-) hoặc G(+), B2 (-) khi đó dòng điện chạy từ B1 sang B2
Hình 1.14: Đặc tuyến V-A của triac
Triac có đường đặc tính V-A đối xứng nhận góc mở trong cả hai chiều
Ngoài các van công suất đã nêu bên trên còn có các van công suất như IGBT, GTO, IGTC, MCT, MTO,ETO
THIẾT KẾ MẠCH
Sơ đồ khối và chức năng từng khối
Hình 2 1: Sơ đồ khối tổng quan
- Khối nguồn: Cung cấp nguồn điện cho toàn mạch hoạt động
- Khối mạch điều khiển: Điều khiển mọi hoạt động của mạch
- Khối mạch cách ly: Chống ngược dòng giữa các khối có chênh lệch nhau về điện áp hay công suất
- Khối mạch động lực: Làm động cơ điện một pha hoạt động theo sự điều khiển của khối điều khiển
Hình 2 2: Sơ đồ khối mạch nguồn 15V
Nguồn điện lưới xoay chiều 220VAC qua biến áp hạ áp xuống 15VAC
Dòng điện 15VAC khi đi qua cầu chỉnh lưu 3A sẽ được chuyển đổi từ dòng AC thành dòng DC Sau đó, khi qua IC ổn áp 7815, điện áp sẽ được điều chỉnh thành 15VDC ổn định.
Sau khi điện áp 15V được chỉnh lưu qua cầu chỉnh lưu, nó sẽ được đưa qua tụ 2200μF để làm phẳng điện áp, tạo ra nguồn điện ổn định cho IC ổn áp 7815 Đồng thời, tụ gốm được mắc song song nhằm loại bỏ thành phần sóng hài của điện áp xoay chiều Cuối cùng, một đèn LED được kết nối song song với IC 7815 để báo hiệu rằng mạch điều khiển đang có nguồn.
- Sơ đồ mạch điều khiển:
Hình 2 3: Sơ đồ nguyên lý khối mạch điều khiển
- Khái niệm mạch điều khiển:
Để các van hoạt động đúng thời điểm, ngoài điện áp thuận, cần có điện áp điều khiển trên điện cực và catot Hệ thống tín hiệu điều khiển phải được thiết lập qua một mạch điện, gọi là mạch điều khiển, nhằm tạo ra các tín hiệu đúng yêu cầu Điện áp điều khiển cần đáp ứng các tiêu chí về công suất, biên độ và thời gian tồn tại, các thông số này đã được cung cấp trong tài liệu nghiên cứu về van Triac có đặc điểm là khi van mở, tín hiệu điều khiển không còn nữa cũng không ảnh hưởng đến dòng qua van, do đó, tín hiệu điều khiển thường được thiết kế dưới dạng xung để giảm thiểu công suất và tổn thất.
- Bộ phát xung điều khiển được chia làm hai nhóm:
Hệ thống điều khiển đồng bộ: Các xung ĐK xuất hiện đúng thời điểm cần mở van và lặp đi lặp lại mang tính chu kỳ
Hệ thống ĐK không đồng bộ: Các xung ĐK không tuân theo giá trị của góc ĐK
- Nguyên lý mạch điều khiển:
Điện áp cung cấp cho mạch điều khiển được đưa đến khối đồng pha, tạo ra điện áp hình sin đồng bộ Vđb với tần số và góc pha xác định Đầu ra của mạch phát điện răng cưa cung cấp điện áp răng cưa Vrc đồng bộ về tần số và góc pha với Vđb Vrc được đưa vào khối so sánh cùng với điện áp một chiều điều chỉnh
Trong nhiều trường hợp, tín hiệu từ khối so sánh không đủ mạnh để điều khiển thiết bị, do đó cần phải khuếch đại và điều chỉnh hình dáng của xung Nhiệm vụ này được thực hiện bởi một mạch xung, giúp tạo ra chuỗi xung điều khiển đáp ứng đầy đủ các yêu cầu về công suất, độ dài và độ dốc Các xung này bắt đầu xuất hiện đồng thời với xung đầu ra từ khối so sánh.
Hiện nay, các mạch cổ điển thường được thay thế bằng các IC tích hợp, mang lại thiết kế nhỏ gọn, chi phí thấp và độ chính xác cao.
IC TCA 785 là một vi mạch như vậy,cơ sở lý thuyết của nó đã được giới thiệu ở phần trên
Để ngăn chặn hiện tượng ngược dòng giữa các khối có sự chênh lệch về điện áp, dòng điện và công suất, cần thiết phải sử dụng một phần tử cách ly giữa mạch điều khiển và mạch động lực.
Có nhiều phương án cho khâu cách ly, bao gồm việc sử dụng phần tử cách ly quang biến áp xung Đối với mạch công suất nhỏ, chỉ cần sử dụng diode để ngăn chặn dòng điện ngược.
Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của Moc3020:
Hình 2 5: Cấu tạo của MOC3020
Moc3020 là một optocoupler hay optoisolator chuyên dụng cho việc điều khiển TRIAC và phát hiện điểm 0, sử dụng ánh sáng để kết nối gián tiếp trong mạch điện Điểm nổi bật của Moc3020 là khả năng phát hiện điểm zero, cho phép điều khiển tải lên đến 400V thông qua TRIAC, có khả năng dẫn điện theo cả hai chiều, giúp kiểm soát tải AC hiệu quả Khi bật tải AC, TRIAC sẽ bắt đầu dẫn điện sau khi sóng AC đạt 0V, giúp ngăn ngừa điện áp đỉnh tác động trực tiếp lên tải, từ đó bảo vệ thiết bị khỏi hư hỏng Ngoài ra, Moc3020 còn có thời gian tăng và giảm ổn định, cho phép điều chỉnh điện áp đầu ra một cách linh hoạt.
Hình 2 6: Thông tin các chân của MOC 3020
Sau đây là một số sơ đồ kết nối trong datasheet :
Hình 2 7: Mạch cách ly sử dụng MOC3020
Hình 2 8: Sơ đồ khối và sơ đồ nguyên lý của MOC 3020
Chúng em đã chọn sơ đồ sử dụng TRIAC để thiết kế bộ điều áp xoay chiều cho động cơ (tải R+L) vì TRIAC mang lại nhiều ưu điểm vượt trội trong việc điều khiển.
- 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 cung cấp cho chân điều khiển G của Triac, cho phép Triac điều khiển dòng điện Điều này giúp nhận được giá trị điện áp trên tải tương ứng với góc mở của Triac Việc điều chỉnh biến trở V11 giúp thay đổi độ rộng xung vuông cho tải, có thể lắp đặt trước hoặc sau van đều khả thi.
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 do tải có tính cảm kháng, nên khi tắt, động cơ vẫn trả lại một phần điện áp Điều này có thể dẫn đến sự xuất hiện của một 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 chuyển dấu nhưng cuộn dây điện cảm chưa xả hết năng lượng, T1 vẫn dẫn từ π đến φ1 Nếu T1 đang dẫn, điều này cho thấy T1 đang phân cực thuận và điện áp Ua1a2 > 0 Ngược lại, khi T1 phân cực thuận, T2 sẽ phân cực ngược.
Do đó trong vùng từ φ1 cho đến π nếu có phát xung điều khiển T2 thì T2 không dẫn được Phần này em cũng đã trình bày ở trên
Khi có điện cảm, dòng điện không biến thiên đột ngột tại thời điểm mở tiristor, và điện cảm càng lớn khi dòng điện biến thiên càng chậm Nếu độ rộng xung điều khiển hẹp, dòng điện không đủ lớn hơn dòng duy trì, dẫn đến việc van bán dẫn không tự giữ dòng điện và không mở Hiện tượng này xảy ra ở cuối và đầu chu kỳ điện áp, khi điện áp tức thời đặt vào van bán dẫn nhỏ Khi xung điều khiển kết thúc, dòng điện nhỏ hơn dòng duy trì, khiến van bán dẫn khóa lại Để khắc phục tình trạng này, cần tạo xung gián đoạn bằng chùm xung liên tiếp 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.
Tính chọn thông số mạch động lực và bảo vệ
- 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 = 250W U: Điện áp định mức Uđm = 230V
Hệ số công suất tải lấy cosđm = 0,65 Khi đó:
- Điện áp làm việc cực đại của triac
K là hệ số dự trữ điện áp Với phần tính toán này chúng em lấy điện áp dự trữ của van là: Kđt = (1,6÷2)
- Điện áp của van cần chọn:
- Dòng điện làm việc của van được tính theo dòng hiệu dụng:
230× 0,65= 1.67 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
Với các thông số trên theo datasheet cũng như độ phổ biến ngoài thị trường thì ta lựa chọn van công suất: BTA-136 có các thông số như 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 = 2s
Tốc độ tăng điện áp: dt du = 500 V/s
Nhiệt độ làm việc cực đại: T 0 C = 125 0 C
Hình 2 9: Sơ đồ chân và hình ảnh thực tế BT136
Chúng tôi đã chọn thông số phù hợp cho tải là bóng đèn công suất nhỏ Các giá trị của nguồn không thể vượt quá mức này, vì vậy chúng tôi quyết định sử dụng BT-136 làm van mạch lực.
Giá trị được lấy từ datasheet của triac BT136 cho thấy các thông số của van đáp ứng tốt với yêu cầu của động cơ Do đó, chúng tôi quyết định sử dụng triac BT136 trong mạch.
2.2.2 Chọn thiết bị bảo vệ a Bảo vệ quá nhiệt
Triac làm việc với dòng điện tối đa Imax = 1,67 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, trong khi van chỉ hoạt động hiệu quả ở nhiệt độ tối đa T = 125 °C Để bảo vệ van, cần lắp đặt van bán dẫn trên 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 của cánh tỏa nhiệt Sự tỏa nhiệt này phụ thuộc vào 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, làm giảm tốc độ dẫn nhiệt ra không khí Diện tích bề mặt tỏa nhiệt đóng vai trò quan trọng trong quá trình này.
Tổn hao công suất : P = 2,84W Độ chênh lệch nhiệt độ so với môi trường : = Tlv – Tmt
Có Tlv = 125 0 C, chọn nhiệt độ môi trường : Tmt = 25 0 C
Ktn : Hệ số có xét tới điều kiện tỏa nhiệt
Hình 2 10: Hình dạng cánh tản nhiệt cho triac b Bảo vệ quá dòng điện cho van
Chọn cầu chì tác động nhanh để bảo vệ ngắn mạch nguồn:
Chọn một cầu chì loại 2 A c Bảo vệ quá điện áp cho van
Bảo vệ quá điện áp trong quá trình đóng cắt Triac được thực hiện bằng cách kết nối R-C song song với triac (hoặc thyristor) Khi chuyển mạch xảy ra, các điện tích trong lớp bán dẫn phóng ra, tạo ra dòng điện ngược trong thời gian ngắn Sự biến thiên nhanh chóng của dòng điện ngược gây ra sức điện động cảm ứng lớn trong các điện cảm, dẫn đến quá điện áp giữa Anot và Katot của triac (hoặc thyristor) Việc sử dụng mạch R-C song song với triac (hoặc thyristor) tạo ra mạch vòng phóng điện trong quá trình chuyển mạch, giúp triac (hoặc thyristor) không bị quá điện áp.
Hình 2 11: Sơ đồ mạch động lực được lựa chọn
Tính chọn mạch điều khiển
2.3.1 Thông số mạch điều khiển:
- Chọn tất cả Diode trong mạch điều khiển dùng loại 1N4007 có thông số:
Dòng điện định mức: Iđm = 1 A Điện áp giữa A-K lớn nhất: UAK = 1000 V
2.3.2 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, hoặc trong trường hợp mạch công suất nhỏ, có thể chỉ cần dùng diode để ngăn chặn dòng 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 hợp lý của mạch Chúng tôi quyết định sử dụng phương án cách ly quang, vì nó mang lại hiệu quả cao, chi phí thấp và đảm bảo an toàn giữa mạch lực và mạch điều khiển Để thực hiện điều này, chúng tôi đã chọn sử dụng MOC.
3020 để thực hiện khâu cách ly này
Hình 2 12: Sơ đồ chân của MOC3020
CHẾ TẠO MẠCH
Sơ đồ thiết kế nguyên lý
Khi cấp nguồn cho mạch điều khiển qua khối chỉnh lưu, điện áp 15V AC được đưa vào các chân 13, 6, 16 của TCA 785, với chân 5 của mạch nối với điện áp xoay chiều 15V sau máy biến áp, nhằm tạo điện áp đồng cho mạch lực và mạch điều khiển chung nguồn Để tạo xung răng cưa, chúng tôi đã nối chân 12 với một tụ không phân cực 22nF để điều chỉnh độ rộng xung, cùng với một tụ 68nF vào chân.
Để tạo biên độ cho mạch điều khiển triac, sử dụng 2 biến trở 50k kết nối vào chân 11 nhằm điều chỉnh độ rộng xung và góc mở cho triac, từ đó nhận được giá trị điện áp tương ứng trên tải Các chân còn lại không sử dụng và được để trống không nối đất Xung ra từ chân điều khiển 14 điều chỉnh góc mở phần điện áp dương, trong khi chân 15 phát xung điều khiển mở phần điện áp âm cho triac, cho phép điều chỉnh tốc độ động cơ theo ý muốn 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 chỉ cần vặn biến trở R11 để nhận giá trị điện áp tương ứng; góc mở càng nhỏ thì điện áp trên tải càng lớn và ngược lại Biến trở R9 giúp điều chỉnh độ mịn cho góc mở bằng cách điều chỉnh biên độ của xung răng cưa.
Sơ đồ bố trí chân
3.5 Hình ảnh mạch thực tế
Danh mục các linh kiện sử dụng trong đề tài
STT Tên linh kiện Mã hiệu Số lượng Ghi chú
11 Máy biến áp 15Vx2, 100mA 1
Các kết quả khảo sát
3.7.1 Điện áp, dòng điều khiển
- Chân 5: Tín hiệu đồng bộ
- Chân 14, 15: Xung điều khiển nửa chu kì âm và dương
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
Mạch điều khiển sử dụng IC tích hợp cho phép điều khiển hầu hết các loại động cơ một pha công suất nhỏ và vừa, rất phù hợp cho các xí nghiệp vừa và nhỏ Để khắc phục hiện tượng không mở khi có tải do điện cảm lớn, chúng tôi đã trình bày các giải pháp Mạch này có ưu điểm điều khiển tốc độ mượt mà và dải điều chỉnh rộng, đồng thời còn ứng dụng trong việc điều khiển nhiệt độ của lò điện trở và kỹ thuật chiếu sáng Ngoài ra, mạch có thể chuyển đổi thành mạch điều áp xoay chiều ba pha khi kết hợp ba mạch điều khiển, thích hợp cho động cơ ba pha công suất lớn trong công nghiệp, sử dụng van bán dẫn thyristor Nhu cầu điều khiển tốc độ động cơ trong thực tế rất lớn, và mạch điều khiển này đáp ứng được hầu hết các loại động cơ với giá thành hợp lý, kích thước nhỏ gọn, dễ vận hành và sửa chữa Đề tài "Thiết kế chế tạo mạch điều áp xoay chiều một pha điều khiển tốc độ động cơ" không chỉ hấp dẫn mà còn có tính ứng dụng cao trong cuộc sống, như điều khiển quạt và máy bơm nước, được thực hiện dưới sự hướng dẫn tận tình của cô Nguyễn Phương Thảo và các thầy cô trong khoa.
Do trình độ còn hạn chế, đồ án của chúng em vẫn còn một số khuyết điểm, như cách làm việc chưa khoa học và việc tìm linh kiện chưa tối ưu Tuy nhiên, mạch được thiết kế có độ chính xác cao, tính ổn định tốt và khả năng chống nhiễu hiệu quả.
Sau một thời gian thực hiện đồ án, chúng em đã tích lũy được nhiều kinh nghiệm quý báu và kiến thức chuyên ngành bổ ích Điều này có được nhờ sự hướng dẫn tận tình của các thầy cô, sự hỗ trợ của các anh chị trong khoa, cùng với những góp ý từ các bạn.
Sau cùng một lần nữa chúng em xin chân thành bảy tỏ lòng biết ơn đối với cô
Nguyễn Phương Thảo và thầy cô trong khoa đã giúp chúng em hoàn thành đồ án này
Chúng em xin chân thành cảm ơn!
Hưng yên, 2022 Sinh viên thực hiện đồ án:
1: Phan Thị Thu Hân 2: Chu Văn Huấn