Kích thước, diện tích lắp đặt giảm đi rấtnhiều so với các hệ truyền động thông thường như: khuếch đại từ, máy phát - độngcơ ...Xuất phát từ yêu cầu thực tế đó, trong nội dung môn học
Nhiệm vụ nghiên cứu
Dựa vào quy trình công nghệ và hệ thống máy cắt có sẵn để nghiên cứu. Đưa ra chương trình và thử nghiệm hệ thống.
Phương pháp nghiên cứu
Tổng hợp, phân tích và đánh giá.
Tìm lỗi, khắc phục lỗi.
Khái quát chung về điện tử công suất
1.1.1 Khái niệm về điện tử công suất Điện tử công suất là công nghệ biến đổi điện năng từ dạng này sang dạng khác trong đó các phần tử bán dẫn công suất đóng vai trò trung tâm Điện tử công suất có thể được hiểu như một ngành khoa học kỹ thuật chuyên nghiên cứu về quá trình phát triển và ứng dụng các thiết bị điện tử công suất. Điện tử công suất là sự kết hợp giữa điện tử và kỹ thuật điện công suất cao, trong đó hoạt động của các thiết bị được sử dụng tương tự như các thiết bị điện tử, nhưng hoạt động ở mức điện áp và dòng điện cao.
Hệ thống điện tử công suất bao gồm một hoặc nhiều bộ chuyển đổi điện tử công suất Khả năng điều khiển và đặc tính của các thiết bị bán dẫn cho phép bộ chuyển đổi xử lý đầu vào đến mức yêu cầu ở đầu ra.
1.1.2 Nhiệm vụ về điện tử công suất Điện tử công suất có nhiệm vụ chính là xử lý và điều khiển dòng năng lượng điện bằng cách cung cấp điện áp và dòng điện ở dạng thích hợp cho các tải Tải sẽ quyết định các thông số về điện áp, dòng điện, tần số, và số pha tại ngõ ra của bộ biến đổi Các bộ biến đổi bán dẫn công suất đóng vai trò trung tâm trong quá trình này.
Nhiệm vụ của điện tử công suất là giúp tạo ra các thiết bị điện tử công suất và ứng dụng chúng vào các ngành công nghiệp khác nhau Nó đảm bảo dòng điện phù hợp với tải trọng người dùng Nhằm mục đích đạt được hiệu quả và độ tin cậy tối đa với chi phí, trọng lượng và kích thước thấp nhất có thể. Điện tử công suất được sử dụng trong điều khiển, chỉnh lưu, đảo ngược,chuyển đổi công suất điện cao với mục đích là vận hành hệ thống một cách hiệu quả.
1.1.3 Ứng dụng về điện tử công suất Điện tử công suất được ứng dụng rộng rãi trong hầu hết các ngành công nghiệp hiện đại Có thể kể đến các ngành kỹ thuật mà trong đó có những ứng dụng tiêu biểu của các bộ biến đổi bán dẫn công suất như truyền động điện, giao thông đường sắt, nấu luyện thép, gia nhiệt cảm ứng, điện phân nhôm từ quặng mỏ, các quá trình điện phân trong công nghiệp hóa chất, trong rất nhiều các thiết bị công nghiệp và dân dụng khác nhau.
Trong những năm gần đây công nghệ chế tạo các phần tử bán dẫn công suất đã có những tiến bộ vượt bậc và ngày càng trở nên hoàn thiện dẫn đến việc chế tạo các bộ biến đổi ngày càng nhỏ gọn, nhiều tính năng và sử dụng ngày càng dễ dàng hơn. Điện tử công suất có nhiều ứng dụng trong các ngành công nghiệp hiện đại.
Và đây là một số ứng dụng tiêu biểu của điện tử công suất: được sử dụng trong hệ thống truyền tải điện năng điện áp cao (HVDC), động cơ một chiều, xoay chiều,nguồn liên tục (UPS), điều khiển máy điện một chiều không có cổ góp, máy điện tích hợp nam châm vĩnh cửu, hệ thống cấp nguồn…
Tổng quan về điều áp xoay chiều
BBĐ xoay chiều- xoay chiều là thiết bị biến đổi điện năng sử dụng các dụng cụ bán dẫn có điều khiển Nguyên tắc hoạt động của BBĐ là sử dụng tính chất có điều khiển của các dụng cụ bán dẫn để cắt đi một phần trong mỗi nửa chu kỳ của điện áp nguồn xoay chiều hình sin làm cho điện áp ra có giá trị hiệu dụng nhỏ hơn điện áp nguồn BBĐ này có ưu điểm là kết cấu cũng gọn nhẹ, hiệu suất cao, làm việc tin cậy, có khả năng điều chỉnh trơn điện áp ra trong phạm vi rộng với mọi cấp công suất Nhưng BBĐ này cũng có một số nhược điểm là độ tin cậy không bằng máy biến áp, thiết bị điều khiển tương đối phức tạp, bị hạn chế về công suất do khả năng chịu dòng và áp của các dụng cụ bán dẫn bị giới hạn, và đặc biệt là khi điện áp nguồn hình sin thì điện áp ra không còn dạng hình sin nữa.
1.2.2 Công dụng của điều áp xoay chiều
Các BBĐ xoay chiều - xoay chiều được ứng dụng trong một số trường hợp như sau: Để điều khiển tốc độ của các động cơ xoay chiều không đồng bộ công suất nhỏ bằng phương pháp thay đổi điện áp nguồn cung cấp cho mạch stato của động cơ.
Khởi động các động cơ xoay chiều không đồng bộ rô to lồng xóc công suất trung bình và lớn.
Cung cấp cho cuộn sơ cấp của máy biến áp tăng áp khi có yêu cầu điều chỉnh trơn điện áp ra, ví dụ máy biến áp cung cấp cho bộ nắn điện cao áp cấp cho lò tần số dùng đèn phát điện tử loại 3 cực.
Các sơ đồ mạch điều áp xoay chiều
Hình 1.1 Các sơ đồ (phần lực) BBĐ xoay chiều – xoay chiều một pha
Trên các Hình 1.1 là các sơ đồ mạch động lực BBĐ điện áp xoay chiều một pha Hình 1.1a là sơ đồ dùng 2 thyristor mắc song song ngược Hình 1.1b là sơ đồ
D2 D1 b it ut Zt c ung it ut d ung
T it ung D ut Zt e dùng 2 điôt và 2 thyristor với mục đích là để cho katôt 2 thyristor nối chung Hình
1.1c là sơ đồ dùng triac, triac là dụng cụ bán dẫn cho dòng điện qua cả hai chiều nhưng điều khiển được, về phần động lực thì nó tương đương như 2 thyristor mắc song song ngược nhưng chỉ có một điện cực điều khiển nên kết cấu gọn hơn dùng 2 thyristor mắc song song ngược cả về mạch lực cũng như mạch tạo tín hiệu điều khiển Hình 1.1e là sơ đồ BBĐ xoay chiều-xoay chiều 1 pha không đối xứng, trong sơ đồ này ta sử dụng một điôt và một thyristor nên khi sơ đồ làm việc trong đường cong điện áp trên tải có thành phần một chiều, vì vậy sơ đồ này chỉ sử dụng để cung cấp cho loại phụ tải sử dụng được cả điện áp một chiều và điện áp xoay chiều ví dụ như là dây điện trở của lò điện trở. t t t ut it
Hình 1.2 Nguyên lí hoạt động của sơ đồ hình 1.1 Để hiểu rõ nguyên lý làm việc của BBĐ ta xét nguyên lý hoạt động của một sơ đồ (ví dụ: sơ đồ Hình 1.1a) trong trường hợp đơn giản nhất là khi tải thuần trở.
Giả thiết điện áp nguồn như đồ thị Hình 1.2a, đồ thị tín hiệu điều khiển của T1 và T2 như Hình 1.2b và Hình 1.2c.
Ta có : Từ t = 0 đến t < 1 = thì ung > 0 và đặt điện áp thuận lên T1 và đặt điện áp ngược lên T2, do vậy van T2 phải khoá nhưng T1 còn chưa mở vì chưa có tín hiệu điều khiển Như vậy trong khoảng này dòng qua tải bằng không nên điện áp trên tải cũng bằng không (ut = Rt.it , trong đó Rt là điện trở phụ tải), điện áp trên các van: uT1 = ung và uT2 = -ung Tại t = 1 = xuất hiện xung điều khiển trên điện cực điều khiển của T1, do vậy T1 có đủ 2 điều kiện để mở nên T1 mở Van T1 mở, dẫn đến sụt áp trên nó giảm về bằng không, ta có ut = ung và xuất hiện dòng qua tải it = ut/ Rt = ung/Rt , lúc này uT1 = uT2 = 0. Đến t = thì ung = 0 và bắt đầu chuyển sang âm, dòng qua T1 và tải cũng bằng không và có xu hướng đổi chiều nên T1 sẽ khoá lại (do van không cho dòng đi theo chiều ngược) Lúc này T2 cũng chưa mở nên dòng tải lại bằng không và điện áp trên tải cũng bằng không.
Tại t = 2 = + xuất hiện tín hiệu điều khiển trên điện cực điều khiển của T2 và van T2 sẽ mở do đang có điện áp thuận, điện áp trên T2 giảm về bằng không nên ut = ung , lại có dòng tải it = ut/Rt = ung/Rt Đến t = 2 thì ung = 0 và bắt đầu chuyển sang dương, nó sẽ tác động ngược chiều dòng qua T2 Lúc đó it cũng bằng không và có xu hướng đổi chiều nhưng T2 không cho dòng đi theo chiều ngược lại nên T2 khoá lại mà T1 còn chưa mở vì chưa có tín hiệu điều khiển nên dòng tải lại bằng không và ut = Rt.it = 0. Đến t=2=2+ thì van T1 lại có tín hiệu điều khiển, T1 lại mở và sự làm việc của sơ đồ diễn ra giống như chu kỳ vừa xét. Đồ thị điện áp nguồn ung ; điện áp điều khiển các van uđkT1, uđkT2 ; điện áp và dòng trên tải ut , it được biểu diễn trên các đồ thị Hình 1.1 Điện áp trên phụ tải là điện áp xoay chiều không hình sin có giá trị hiệu dụng nhỏ hơn điện áp nguồn và giá trị hiệu dụng điện áp trên tải sẽ càng nhỏ khi góc càng tăng Sóng hài bậc nhất điện áp tải có tần số bằng tần số nguồn cung cấp
Góc trong BBĐ này được gọi là góc điều chỉnh hay điều khiển.
Các thông số của điều áp xoay chiều
1.4.1 Biểu thức dòng tải tổng quát
Do tính đối xứng của sơ đồ nên ta chỉ cần xét trong thời gian một nửa chu kỳ và suy ra nửa chu kỳ kia Ta giả thiết cho sơ đồ làm việc với một góc điều chỉnh
, chọn mốc thời gian xét t = 0 là thời điểm truyền xung điều khiển đến mở một van của sơ đồ, ví dụ là mở T1 Lúc đó do T1 mở nên uT1=0 và ta có phương trình vi phân:
(1.1) Để giải phương trình vi phân (1.1) ta đặt:
(1.2) Trong đó i * là giá trị tương đối dòng phụ tải ; Im là giá trị cực đại dòng tải khi Lt=0, nó được chọn làm đại lượng cơ bản ; là hằng số thời gian mạch tải Thế (1.2) vào (1.1) ta được phương trình:
(1.3) Từ nguyên lý sơ bộ của BBĐ đã nêu trong mục trước ta có nhận xét rằng:
Nếu dòng qua tải là liên tục thì hai van trong sơ đồ phải luân phiên thay nhau làm việc, lúc đó nếu ta bỏ qua sụt áp rất nhỏ trên thyristor dẫn dòng thì điện áp giữa 2 điểm A và B trên sơ đồ Hình 1.3 luôn luôn bằng không (vì luôn có một trong hai van dẫn dòng), do vậy điện áp trên tải luôn luôn bằng điện áp nguồn Muốn có điện áp trên tải khác điện áp nguồn thì phải cắt đi một phần trong mỗi nửa chu kỳ điện áp nguồn, điều này có nghĩa là dòng qua tải phải gián đoạn Như vậy loại trừ trường hợp điện áp ra trùng với điện áp nguồn thì chế độ làm việc của BBĐ điện áp pha là chế độ dòng gián đoạn, tức là tại thời điểm bắt đầu mở van thì dòng qua tải đang bằng không Giải phương trình (1.3) với điều kiện đầu i * 0=i * |( t=0)=0 ta được:
Ta đặt = arctgt là góc lệch pha của sóng hài bậc nhất dòng và áp trên tải.
Chuyển về đơn vị tuyệt đối ta có:
(1.5) Đây là biểu thức tổng quát dòng qua phụ tải của BBĐ điện áp xoay chiều- xoay chiều một pha Sau đây ta sẽ tìm biểu thức dòng tải trong một số trường hợp đặc biệt.
1 2 ut(nét đậm) it(nét mảnh) ut it ut it ut it t
Hình 1.3 Đồ thị áp và dòng trên tải của BBĐ xoay chiều – xoay chiều một pha
1.4.2 Dòng qua tải khi tải thuần trở
Khi phụ tải thuần trở hoặc khi Rt>>Lt thì 0 và 0, do vậy biểu thức dòng tải có dạng đơn giản như sau:
1.4.3 Dòng qua tải khi tải thuần cảm
Trong trường hợp phụ tải thuần cảm Rt = 0 hoặc khi Rt .
1.4.4 Điện áp trên phụ tải BBĐ xoay chiều-xoay chiều
Giá trị tức thời của điện áp trên tải được xác định như sau: khi có một van nào đó trong hai van dẫn dòng thì ut =ung , khi cả hai van đều khoá thì ut=0 Vậy trong thời gian một chu kỳ nguồn cung cấp (bắt đầu tính từ lúc mở T1) ta có:
-Từ t = 0 t = : T1 mở nên ut = ung. -Từ t = t = : T1 và T2 đều khoá nên ut = 0.
-Từ t = t = + : T2 mở nên ut = ung.
-Từ t = + t = 2: T1 và T2 đều khoá nên ut = 0.
*Giá trị hiệu dụng của điện áp trên tải, ký hiệu là Ut, được xác định theo biểu thức:
(1.8) Trong đó Um là biên độ điện áp nguồn cung cấp cho BBĐ Tuỳ thuộc vào đặc tính cũng như giá trị phụ tải và giá trị ta sẽ xác định được giá trị góc và thay vào (4.8) ta sẽ tìm được giá trị hiệu dụng điện áp trên tải Giá trị tương đối Ut * Ut/Ung theo góc điều khiển biểu diễn bằng đồ thị Hình 1.4. Đường 1 là khi tải thuần trở ; Đường 2 là khi tải điện trở - điện cảm có giá trị Lt và Rt sao cho arctg(Lt/ Rt)=, còn đường 3 là trường hợp tải thuần cảm.
Hình 1.4 Đặc tính điều chỉnh của BBĐ xoay chiều-xoay chiều
Sơ đồ khối của mạch điều áp xoay chiều một pha
Sau khi phân tích mạch ta có sơ đồ khối
Hình 1.5 Sơ đồ khối mạch điều áp xoay chiều một pha
Khối Công Suất Khối Điều Khiển
Thông số phụ tải Uđm = 650 V; IA
Với yêu cầu của đề tài là thiết kế bộ điều áp xoay chiều nên chúng em chọn sơ đồ dùng Triac (Hình 2.1) để điều khiển vì sơ đồ dùng Triac có những ưu điểm sau:
- 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
Hình 1.6 Sơ đồ mạch sử dụng Triac b) Nguyên lý làm việc
Tín hiệu được đưa vào chân điều khiển G của Triac Triac có nhiệm vụ điều khiển mở dẫn dòng từ đó ta nhận được giá trị điện áp trên tải tương ứng với góc mở của triac khi ta điều chỉnh biến trở V11 để điều chỉnh độ rộng xung vuông tương ứng tải ở trên sơ đồ có thể đặt trước hoặc sau van đều được :
Dưới đây là sơ đồ dạng sóng đầu ra của Triac khi điều chỉnh góc mở:
Hình 1.7 Sơ đồ dạng sóng đầu ra của Triac khi điều chỉnh góc mở
Nhìn từ hình trên ta thấy do tải có tính cảm khám nên khi tắt vẫn có một phần điện áp trả lại của động cơ Nên có thể 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 : Chúng em xin trình bày với 2 thyristor 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 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
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 sơ đồ dưới đây Từ thời điểm mở van cho tới cuối bán kỳ:
Tuỳ theo tải có điện cảm lớn cỡ nào mà ta thiết kế chọn độ rộng xung cho hợp lý.
Dưới đây là sơ đồ:
Hình 1.8 Sơ đồ tạo xung gián đoạn bằng chùm xung liên tiếp
1.5.3 Khối điều khiển 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 α 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 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 5 khâu cơ bản:
Nhiệm vụ của các khâu trong sơ đồ khối như sau:
Van động lực Khuếch đại Tạo
Khâu xung so sánh Khâu đồng bộ
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: 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 thời gian mở củacTriac) Cách ly giữa mạch điều khiển và mạch động lực (nếu điện áp động lực quá lớn) đủ công suất.
Tín hiệu điện áp cung cấp cho mạch điều khiển được đưa đến khối đồng pha. Đầu ra của khối này có điện áp thường là hình sin cùng tần số và có thể lệch pha một góc xác định so với điện áp nguồn Điện áp này gọi là điện áp đồng bộ Vđb Đầu ra của mạch phát điện răng cưa ta có các điện áp răng cưa đồng bộ về tần số và góc pha với điện áp đồng bộ Các điện áp này gọi là điện áp răng cưa Vrc Điện áp răng cưa Vrc được đưa vào đầu vào của khối so sánh Tại đó có một tín hiệu khác nữa là điện áp một chiều điều chỉnh lấy từ ngoài Hai tín hiệu này được mắc với cực tính sao cho tác động của chúng lên mạch so sánh là ngược chiều nhau Khối so sánh làm nhiệm vụ so sánh hai tín hiệu này Tại thời điểm hai tín hiệu này bằng nhau thì tín hiệu đầu ra khối so sánh là các xung xuất hiện với chu kỳ của Vrc Xung răng cưa có hai sườn trong đó có một sườn mà tại đó thì đầu ra khối so sánh xuất hiện một xung điện áp thì sườn đó là sườn sử dụng Vậy ta có thể thay đổi thời điểm của xung xuất hiện tại đầu ra khối so sánh bằng cách thay đổi Vđk khi giữ nguyên dạng của Vrc
Trong một số trường hợp xung ra khối so sánh được đưa ngay đến đầu cực của thiết bị cần điều khiển nhưng trong đa số các trường hợp thì tín hiệu ra khối so sánh chưa đủ yêu cầu cần thiết Người ta phải thực hiện việc khuếch đại thay đổi lại hình dáng xung Các nhiệm vụ này được thực hiên bởi một mạch gọi là mạch xung. Đầu ra của khối tạo xung và khuếch đại xung sẽ được một chuỗi xung điều khiển có đủ các thông số yêu cầu về công suất, độ dài, độ dốc mặt đầu của xung Tại thời điểm bắt đầu xuất hiện các xung hoàn toàn trùng với thời điểm xuất hiện xung trên đầu ra khối so sánh.
Ngày nay các mạch cổ điển như trên thường được thay thế bằng các IC tích hợp đầy đủ các khâu, với kết cấu nhỏ gọn, giá thành rẻ và đạt được độ chính xác rất cao IC TCA 785 là một vi mạch như vậy. a) Giới thiệu TCA 785
Vi mạch TCA 785 là vi mạch phức hợp thực hiện được 4 chức năng của một mạch điều khiển: tạo điện áp đồng bộ, tạo điện áp răng cưa đồng bộ, so sánh và tạo xung ra Sau đây là ký hiệu và chức năng của TCA 785.
Bảng 1.1 Sơ đồ chân 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
16 VS Điện áp nguồn nuôi
Hình 1.9 Dạng sóng và chức năng của các chân TCA785 b) Các thông số của TCA785
Giá trị tiêu biều F PHz Vs = 5v
Giá trị lớn nhất Đơn vị
Dòng tiêu thụ I.S 4,5 6,5 10 mA Điện áp vào điều khiển, chân 11
Dòng nạp tụ Biên độ của răng cưa Điện trở mạch nạp
Thời gian sườn ngắn của xung răng cưa
3 80 300 K Ω μ 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
V V μ S μ 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 = 1 μ F (1.9)
(1.12) 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 α từ 00 đến 1800 điện.
Thông số chủ yếu của TCA 785:
+ Điện áp nuôi: US = 18V + Dòng điện tiêu thụ: IS = 10mA + Dòng điện ra: I = 250mA + Điện áp răng cưa: Ur max = (US - 2)V + Điện trở trong mạch tạo điện áp răng cưa: R9 = 20K Ω ¿ 500K Ω + Điện áp điều khiển: U11 = -0,5 ¿ (US-2)V
+ Dòng điện đồng bộ: IS = 200 μ A + Tụ điện: C10 = 0,5 μ F
+ Tần số xung ra: f = 10 ¿ 500 Hz
Hình 1.10 Khối nguồn bộ điều áp xoay chiều 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 qua cầu chỉnh lưu 1A làm biến đổi từ dòng xoay chiều thành dòng một chiều.Khi qua IC ổn áp 7815 sẽ cho dòng điện có điện áp15V ổn định.Sau khối chỉnh lưu cầu điện ỏp 15v được cho qua tụ 2200àF đờ̉ san phẳng điện áp tạo điện áp ổn định cho IC ổn áp 7815 và mắc song với một tụ gốm để loại bỏ thành phần sóng hài của điện áp xoay chiều sau IC 7815 ta mắc song song với một led để báo mạch điều khiển có nguồn
Tính toán thiết kế để chế tạo mô hình
2.1.1 Tính chọn thiết bị bán dẫn
Khi lựa chọn bán dẫn công suất ta dựa vào hai thông số cơ bản và quan trọng nhất là dòng điện qua thiết bị bán dẫn và điện áp ngược lớn nhất mà thiết bị bán dẫn chịu được
1) Điện áp ngược đặt lên bán dẫn công suất Điện áp ngược đặt lên bán dẫn công suất được tính theo công thức dưới đây:
Ung max = Knv.U2, với U2= Udt
√ 2 Ku (2.1) Trong đó Knv =√2 là hệ số điện áp ngược; Ku = 0, 9 là hệ số điện áp tải;
Udt là điện áp trên tải sau lọc; U 2là điện áp nguồn xoay chiều.
Vậy điện áp ngược đặt lên bán dẫn công suất bằng:
65 0 0.9 = 722,222 (A) Điện áp ngược của bán dẫn công suất ta cần chọn:
U ng = K dtU U ng max (2.2) Với KdtU=1,6 ÷ 2 : Là hệ số dự trữ điện áp, chọn KdtU =1,6
Vậy điện áp ngược của bán dẫn công suất ta cần chọn bằng:
2) Dòng làm việc của bán dẫn công suất
I lm = I hd = K hd I d (2.3) trong đó, I hd là dòng hiệu dụng qua bán dẫn công suất; Khd= 1
√ 2 là hệ số hiệu dụng ứng với sơ đồ cầu một pha; Id là dòng điện trung bình trên tải.
Vậy dòng điện hiệu dụng đặt lên bán dẫn công suất bằng:
Dòng điện làm việc của bán dẫn công suất ta cần chọn:
Với KdtI =3,3 : Là hệ số dự trữ dòng điện, chọn KdtI = 4 Vậy dòng điện làm việc của bán dẫn công suất ta cần chọn:
Dựa vào hai thông số Idmv và Ung ta chọn ta chọn thiết bị bán dẫn BTW69-1200 có thông số như dưới đây: Điện áp ngược cực đại của bán dẫn: Ungmax = 1200 (V) Dòng điện làm việc cực đại của bán dẫn: Ihdmax = 50 (A) Điện áp của xung điều khiển: Uđk = 1.3 (A)
Dòng điện của xung điều khiển: Iđk = 80 (mA) Dòng điện duy trì: Ih = 150 (mA)
Nhiệt độ làm việc cực đại cho phép: Tmax = 125 o C Độ sụt áp lớn nhất trên Thyristor: ΔU = 2 (V)
Hình 2.2 Sơ đồ chân của BTW69-1200
Hình 2 3 Hình ảnh của BTW69-1200.
2.1.2 Tính toán khối tạo nguồn điều khiển
- Yêu cầu tạo ra nguồn 15VDC - Tính và thiết kế
Yêu cầu : Điện áp một chiều ổn định, đáp ứng yêu cầu về dòng điện và điện áp của mạch điều khiển.
Do yêu cầu điện áp nguồn nuôi của TCA785 là 15 (V), sử dụng IC 7815 ổn Chọn máy biến áp:
Với chỉ tiêu đầu Ura V, và đặc tính kĩ thuật của IC 7815 thì điện áp IC cần thỏa mãn từ +5V==> +24V.
Chọn biến áp: 220VAC/15VAC.
Chọn chỉnh lưu: Ulv = 220V, điện áp đặt ngược nên diode chỉnh lưu.
= 20,5 V Dòng điện qua diode: có I2=1(A)
Tần số của biến áp ra bộ chỉnh lưu : f= 50Hz
Chọn loại cầu diode: Ổn áp chọn: IC 7815 để có điện áp ra Ura(V) Chọn tụ lọc: do điện áp lớn nhất là 20,5(V) nên chọn tụ lọc có điện áp Umax= 25(V) hoặc cao hơn.
Chọn độ gợn sóng sau khối chỉnh lưu là K=5%= 0.05
3RK =0,0013F Ta chọn tụ lọc C1: 1000àF / 35V Sử dụng hai tụ không phân cực 104 mắc song song để lọc nhiễu, loại bỏ dòng xoay chiều gây ra bởi song điện áp.
Hiển thị: mắc led nối tiếp với điện trở 2.2kΩ để báo hiệu mạch điều khiển có nguồn.
2.1.3 Tính toán cho khối tạo xung PWM
- Yêu cầu dựa vào tham số của Van Mạch điều khiển được tính xuất phát từ yêu cầu về xung mở Thyristor: Điện áp điều khiển: Uđk= 2.5(V) Dòng điện điều khiển: Iđk= 50 (mA) Độ rộng xung điều khiển tx= 100 ( μA )
Mức độ sụt biên độ xung: Sx= 0,1 Độ mất đối xứng cho phép: Δα = 4 0 Điện áp nguồn nuôi mạch điều khiển: Unguồn= 15 (V) - Tính toán các tham số cho TCA785
=> 1 chu kì xung răng cưa : T1 = 10ms.
Sườn lên : 9.5 ms Sườn xuống : 0.5ms Chọn tụ răng cưa:
Thời điểm phát xung: tTr = V V 11 R 9 C 10 ref K
9 Điện áp trên tụ: V10 = V R ref K t
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 α từ 0 0 đến 180 0 điện Thông số chủ yếu của TCA là: Điện áp nguồn nuôi: US= 15V Dòng điện tiêu thụ: IS= 10mA Điện áp ra chân 14,15: U 14,15=U s V
Dòng đầu ra chân 14,15: I= (-10 ÷ 400) mA Điện áp răng cưa: URC max = (US- 2) V Điện trở trong mạch tạo điện áp răng cưa: R7= (20 ¿ 500) k Ω Điện áp điều khiển: U11 = - 0,5 ¿ (US – 2) V
Dòng điện đồng bộ: IS = 200 ( μ A) Tụ điện: C6 = 0,5 ( μ F) Tần số xung ra: f = (10 ¿ 500) Hz Chọn giá trị ngoài thực tế: C6h3 C5 = 473 ; R9 = 22kΩ.
Biến trở điều chỉnh xung răng cưa: VR1= 10kΩ.
Biến trở điều chỉnh chân 11(điện áp điều khiển): VR2 = 100kΩ.
2.1.4 Tính toán cho khối cách ly
Trong phạm vi đề tài là ứng dụng với tải công suất trung bình và nhỏ để đáp ứng được tính gọn nhẹ và giá thành của mạch phương án sử dụng cách ly quang được chúng em quyết định sử dụng vì khá hiệu quả giá thành rẻ, gọn nhẹ và cách ly an toàn giữa mạch lực và mạch điều khiển từ các thông số trên chúng em quyết định sử dụng MOC 3020 để thực hiện khâu cách ly này
Yêu cầu: đối với MOC 3020 Input:
Dòng điện vào (DC) chân 1(hình 2.3) là 50(mA)
Hình 2.4 Sơ đồ chân MOC 3020
Năng lượng tổn hao ở 25 0 là : 100mW Output: Điện áp vào điều khiển : 250V Dòng vào điều khiển : 1,5A Dòng ra điều khiển (50Hz ≤ f ≤ 60Hz) T = 25 0 : I = 100mA
T = 70 0 : I = 50mA Tổn hao năng lượng (TA% 0 C): 300mW Điện áp ra của TCA là Umax=VccV.
Sụt áp tại diode lúc này điện áp còn lại là:
MOC3020 có dòng vào chân 1 là IgtPmA, lúc này ta có điện trở cần trong mạch là: Rin=I>¿ ¿ U 13,6 50 10 -3 Ω
=> Chọn trở là R5=R6"0 Ω Điện áp sụt tại đầu ra của MOC là Us=3V và dòng điện vào để điều khiểnBCR30AM-12 dẫn là IđkPmA,
Tính toán cho khối đóng cắt và bảo vệ
Triac làm việc với dòng điện tối đa Imax = 9 A chịu một tổn hao trên van là ( Δ P1) và khi chuyển mạch ( Δ P2) Tổng tổn hao sẽ là:
Tổn hao công suất này sinh ra nhiệt Mặt khác van chỉ làm việc tới nhiệt độ tối đa cho phép là T = 125 0 C Do đó phải bảo vệ van bằng cách gắn van bán dẫn lên cánh toả nhiệt.
Khi van bán dẫn được mắc vào cánh toả nhiệt bằng đồng hoặc nhôm, nhiệt độ của van được toả ra môi trường xung quanh nhờ bề mặt của cánh toả nhiệt Sự toả nhiệt này là nhờ vào sự chênh lệch nhiệt giữa cánh toả nhiệt và môi trường xung quanh Khi cánh toả nhiệt nóng lên, nhiệt độ xung quanh cánh toả nhiệt nóng lên.
Nhiệt độ xung quanh cánh toả nhiệt tăng lên Làm cho tốc độ dẫn nhiệt ra môi trường không khí bị chậm lại Diện tích bề mặt toả nhiệt được tính:
Tổn hao công suất: P 14,4 W Độ chênh lệch nhiệt độ so với môi trường: τ = Tlv – Tmt
Có Tlv = 125 0 C, chọn nhiệt độ môi trường: Tmt = 40 0 C.
⇒ τ = 125 - 40 = 85 0 C Ktn: Hệ số có xét tới điều kiện tỏa nhiệt.
Hình 2.3 Hình dạng cánh tản nhiệt cho triac
