Điện tử công suất là một môn học hay và lý thú, cuốn hút được nhiều sinh viên theo đuổi. Là những sinh viên chuyên ngành tự động hóa, chúng em muốn được tiếp cận và hiểu sâu hơn nữa bộ môn điện tử công suất.Vì vậy, đồ án môn học chế tạo sản phẩm là điều kiện tốt giúp chúng em kiểm chứng được 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”. Sau thời gian nghiên cứu, chúng em đã chế tạo thành công bộ điều khiển điện áp xoay chiều 1 pha đáp ứng được cơ bản yêu cầu của đề tài.
CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Động cơ xoay chiều 1 pha
1.1.1 Khái niệm 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.
Hình 1 1 Động cơ điện xoay chiều 1 pha và cấu tạo 1.1.2 Cấu tạo Động cơ gồm có hai phần chính là stator và rotor Stato gồm các cuộn dây của ba pha điện quấn trên các lõi sắt bố trí trên một vành tròn để tạo ra từ trường quay Rôto hình trụ có tác dụng như một cuộn dây quấn trên lõi thép. a) Phần quay (rotor)
Gồm các bộ phận sau:
Lõi thép của phần ứng máy điện được làm từ thép kỹ thuật điện, nhằm dẫn từ Thường sử dụng các lá thép mỏng được phủ cách điện ở đầu và được ép chặt lại với nhau Trên các lá thép này có các hình dạng rãnh để đặt dây quấn vào sau khi hoàn thành quá trình ép.
Dây quấn phần ứng, làm bằng đồng bọc cách điện, là bộ phận quan trọng trong máy điện, đóng vai trò sinh ra suất điện động và dẫn dòng điện Trong máy điện nhỏ, dây có tiết diện tròn được sử dụng, còn ở máy điện vừa và lớn, dây tiết diện hình chữ nhật được ưa chuộng Để đảm bảo cách điện, dây quấn được cách ly với rãnh của lõi thép.
- Trục máy: Trên đó đặt lõi sắt phần ứng, cổ góp, cánh quạt và ổ bi Trục máy thường làm bằng thép Cacbon tốt b) Phần tĩnh ( stato )
- Cực từ chính: được ghép từ các miếng thép kỹ thuật điện và dây quấn kích từ lồng ngoài.
+Cực từ chính tạo nên từ trường chính trong máy và phân bố từ trường trên bề mặt phần ứng.
+Dây quấn kích từ là dây đồng hoặc dây nhôm Các cuộn dây kích từ đặt trên các cực từ này được nối tiếp với nhau.
Các cực từ phụ đặt xen giữa các cực từ chính để hạn chế các tia lửa điện và cải thiện đổi chiều.
Lõi thép cực từ phụ thường làm bằng thép, dây quấn bằng đồng hoặc nhôm được bọc cách điện mắc nối tiếp với phần ứng.
1.1.3 Nguyên lý a) Nguyên lý hoạt động
Khi mắc động cơ vào mạng điện xoay chiều, từ trường quay do stato gây ra làm cho rôto quay trên trục Chuyển động quay của rôto được trục máy truyền ra ngoài và được sử dụng để vận hành các máy công cụ hoặc các cơ cấu chuyển động khác. b) Nguyên lý điều khiển
Trước đây điều khiển tốc độ động cơ bằng điều khiển điện áp xoay chiều đưa vào động cơ, người ta thường sử dụng hai cách phổ biến là mắc nối tiếp với tải một điện trở hay một điện kháng mà ta coi là Zf hoặc là điều khiển điện áp bằng biến áp như là survolter hay 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
Hình 1 2 : Nguyên lí điều khiển động cơ.
1.1.4 Các phương pháp điều khiển tốc độ động cơ một pha 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.
Bộ điều áp xoay chiều
Bộ điều chỉnh điện áp xoay chiều, gọi tắt là điều áp xoay chiều, là thiết bị có chức năng biến đổi điện áp xoay chiều về độ lớn và dạng sóng, nhưng tần số vẫn giữ nguyên Nhờ đó, điều áp xoay chiều giúp điều khiển và ổn định điện áp cung cấp cho các thiết bị điện, đảm bảo hoạt động bình thường và kéo dài tuổi thọ của chúng.
Dựa vào số pha nguồn cấp mà ta có các bộ điều chỉnh điện áp khác nhau là:
+ Điều áp xoay chiều một pha
+ Điều áp xoay chiều ba pha.
Các bộ biến đổi diện áp xoay chiều dùng để biến đổi diện áp hiệu dụng dặt 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 t, rồi lại cắt đi trong một khoảng thời gian to theo một chu kỳ lặp lại T Bằng cách thay đổi độ rộng của t, hay to 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 diện 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, trongkhởi động mềm và điều chỉnh tốc độ quạt gió hoặc máy bơm.
1.2.3 Một số phương pháp điều chỉnh điện áp xoay chiều
Hình 1 3: Các phương án điều áp một pha
- Hình a là điều áp xoay chiều điều khiển bằng cách mắc nối tiếp với tải một điện kháng hay điện trở phụ (tổng trở phụ) biến thiên Sơ đồ mạch điều chỉnh này đơn giản dễ thực hiện Tuy nhiên, mạch điều chỉnh kinh điển này hiện nay ít được dùng, do hiệu suất thấp (nếu Z f là điện trở) hay cosj thấp(nếu Z f là điện cảm )
Biến áp tự ngẫu là thiết bị hiệu quả để điều chỉnh điện áp xoay chiều U2, cho phép thay đổi điện áp từ 0 tới bất kỳ giá trị nào, lớn hơn hoặc nhỏ hơn điện áp đầu vào Khi cần điều chỉnh điện áp trong phạm vi rộng hơn điện áp đầu vào, biến áp tự ngẫu là lựa chọn lý tưởng Tuy nhiên, khi tải lớn, việc sử dụng biến áp tự ngẫu để điều chỉnh sẽ gặp khó khăn, đặc biệt là khả năng điều chỉnh không liên tục do hạn chế trong việc chế tạo chổi than chỉ tiếp xúc với một vòng dây của biến áp.
Hai giải pháp điều áp xoay chiều trên hình a,b có chung ưu điểm là điện áp hình sin, đơn giản Có chung nhược điểm là quán tính điều chỉnh chậm và không điều chỉnh liên tục khi dòng tải lớn Sử dụng sơ đồ bán dẫn để điều chỉnh xoay chiều, có thể khắc phục được những nhược điểm vừa nêu
- Các sơ đồ điều áp xoay chiều bằng bán dẫn trên hình c được sử dụng phổ biến Lựa chọn sơ đồ nào trong các sơ đồ trên tuỳ thuộc dòng điện, điện áp tải và khả năng cung cấp các linh kiện bán dẫn Có một số gợi ý khi lựa chọn các sơ đồ hình 1c như sau:
Hình 1 4 Sơ đồ điều áp xoay chiều một pha bằng bán dẫn a sd hai thyristor song song ngược b sd triac c sd một thyristor một diod d sd bốn diod một thyristor
- Hình 1.3a thường được sử dụng nhiều hơn, do có thể điều khiển được với mọi công suất tải Hiện nay Thyristor được chế tạo có dòng điện đến 7000A, thì việc điều khiển xoay chiều đến hàng chục nghìn ampe theo sơ đồ này là hoàn toàn đáp ứng được. Tuy nhiên, việc điều khiển hai thyristor song song ngược đôi khi có chất lượng điều khiển không tốt lắm, đặc biệt là khi cần điều khiển đối xứng điện áp, nhất là khi cung cấp cho tải đòi hỏi thành phần điện áp đối xứng (chẳng hạn như biến áp hay động cơ xoay chiều) Khả năng mất đối xứng điện áp tải khi điều khiển là do linh kiện mạch điều khiển thyristor gây nên sai số Điện áp tải thu được gây mất đối xứng như so sánh trên hình 1.4a Điện áp và dòng điện không đối xứng như hình 1.4b cung cấp cho tải, sẽ làm cho tải có thành phần dòng điện một chiều, các cuộn dây bị bão hoà, phát nóng và bị cháy Vì vậy việc định kì kiểm tra, hiệu chỉnh lại mạch là việc nên thường xuyên làm đối với sơ đồ mạch này Tuy vậy, đối với dòng điện tải lớn thì đây là sơ đồ tối ưu hơn cả cho việc lựa chọn
Hình 1 5: Hình dạng đường cong điện áp điều khiển a- Mong muốn b- Không mong muốn
- Để khắc phục nhược điểm vừa nêu về việc ghép hai tiristor song song ngược, triac ra đời và có thể mắc theo sơ đồ hình 1.4.b Sơ đồ này có ưu điểm là các đường cong điện áp ra gần như mong muốn như hình 1.5a, nó còn có ưu điểm hơn khi lắp ráp Sơ đồ mạch này hiện nay được sử dụng khá phổ biến trong công nghiệp Tuy nhiên triac hiện nay được chế tạo với dòng điện không lớn (I < 400A), nên với những dòng điện tải lớn cần phải ghép 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 1.4b ít dùng.
- Sơ đồ hình 1.4c có hai thyristor và hai điốt có thể được dùng chỉ để nối các cực điều khiển đơn giản, sơ đồ này có thể được dùng khi điện áp nguồn cấp lớn (cần phân bổ điện áp trên các van, đơn thuần như việc mắc nối tiếp các van)
- Sơ đồ hình 1.4d trước đây thường được dùng, khi cần điều khiển đối xứng điện áp trên tải, vì ở đây chỉ có một thyristor một mạch điều khiển nên việc điều khiển đối xứng điện áp dễ dàng hơn Số lượng thyristor ít hơn, có thể sẽ có ưu điểm hơn khi van điều khiển còn hiếm Tuy nhiên, việc điều khiển theo sơ đồ này dẫn đến tổn hao trên các van bán dẫn lớn, làm hiệu suất của hệ thống điều khiển thấp Ngoài ra, tổn hao năng lượng nhiệt lớn làm cho hệ thống làm mát khó khăn hơn.
Sau khi phân tích một số sơ đồ trên chúng em đã lựa chọn phương án điều áp xoay chiều sử dụng van bán dẫn triac để điều khiển có ưu điểm:
- 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.
1.2.4 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 tiristor T1 mở có phương trình:
Hằng dạng số tích phân A được xác định : Khi θ=α thì i = 0 Biểu thức dòng tải i có dạng: i = √ 2
Biểu thức này đúng trong khoảng θ=α đến θ=β
Góc β được thay đổi bằng cách thay θ=β và đặt i= 0
Trong biểu thức trên: tg ψ ωL R
Tiristor T1 phải được khoá lại trước khi cho xung mở T2, nếu không thì không thể mở được T2, tức β≤π+α Để thoả mãn điều kiện này ta phải có: α≥ψ
Hình 1.7: Hình dáng dòng điện và điện áp đối với tải thuần trở và thuần cảm Điều đó nói lên rằng, ngay cả trường hợp tải thuần trở, lưới điện xoay chiều vẫn phải 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 α từ 0 đến π , 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 :
Van bán dẫn Triac
TRIAC (viết tắt của triode for alternating current) là phần tử bán dẫn gồm năm lớp bán dẫn, tạo nên cấu trúc p-n-p-n như ở thyristor theo cả hai chiều giữa các cực T1 và T2, do đó có thể dẫn dòng theo cả hai chiều giữa T1 và T2
TRIAC có thể coi tương đương với hai thyristor đấu song song song ngược Để điều khiển Triac ta chỉ cần cấp xung cho chân G của Triac
Hình 1 8: Triac và cấu tạo chân b) Nguyên lí hoạt động của triac Điều kiện để cho Triac đóng điện là đưa xung kích vào cổng điều khiển trong điều kiện tồn tại điện áp trên linh kiện khác 0 (zero).
Quá trình ngắt Triac tương tự như Thyristor ở chỗ không thể điều khiển ngắt dòng qua nó Triac ngắt theo quy luật chung của Thyristor: triệt tiêu dòng điện đang dẫn bằng cách thay đổi cực điện áp giữa A1 và A2, rồi chờ một thời gian để khôi phục khả năng khóa của Triac và chuyển nó về trạng thái khóa.
Quá trình đóng triac: Đóng triac theo cả hai chiều thực hiện được nhờ vào 1 cổng
G duy nhất và xung dòng kích vào cổng G có chiều bất kỳ Vì triac dẫn điện cả hai chiều nên chỉ có hai trạng thái, trạng thái dẫn và trạng thái khóa Ta có thể định nghĩa triac có chiều thuận và chiều nghịch. c) Đặc tính Volt – Ampere Đặc tính Volt – Ampere của Triac gồm hai giai đoạn đặc tính ở góc phần tư thứ I và thứ III, mỗi đoạn đều giống đặc tính thuận của một thyristor được biểu diễn như hình dưới đây:
Hình 1 9: Đặc tính Volt-Ampere của triac
Triac có thể điều khiển mở dẫn dòng bằng xung dòng dương ( là dòng đi vào cực điều khiển) hoặc bằng xung dòng âm (là dòng đi ra khỏi cực điều khiển) Nhưng xung dòng điều khiển âm có độ nhạy kém hơn, tức là chỉ dòng chỉ có thể chạy qua triac khi điện áp giữa T1 và T2 cần phải lớn hơn một giá trị nhất định, lớn hơn khi dùng dòng điều khiển dương.
IC TCA785
1.4.1 Giới thiệu chung về IC TCA 785
TCA785 là IC điều khiển pha dùng để điều khiển các thyristor, triac và transistor. Xung kích hoạt có thể được dịch chuyển trong một góc pha từ 0 ˚ đến 180 ˚ Các ứng dụng điển hình bao gồm mạch chuyển đổi, bộ điều khiển xoay chiều và bộ điều khiển dòng điện ba pha.
IC này thay thế cho các loại TCA 780 và TCA 780
Đặc tính, thông số kỹ thuật TCA785
+ Dòng điện tiêu thụ: IS = 10mA
+ Điện áp răng cưa: Ur max = (US - 2) V
+ Điện trở trong mạch tạo điện ỏp răng cưa: R9 = 20KWáá500KWá
+ Điện ỏp điều khiển: U11 = -0,5 á (US-2) V
+ Dòng điện đồng bộ: IS = 200 m A
+ Tần số xung ra: f = 10 á 500 Hz
Tín hiệu đồng bộ hóa thu được thông qua điện trở ohmic cao từ điện áp đường dây (điện áp V5) Một bộ dò điện áp không đánh giá các đoạn không và chuyển chúng vào thanh ghi đồng bộ hóa
Thanh ghi đồng bộ hóa này điều khiển một máy phát dốc, tụ điện C10 của tụ điện này được sạc bằng dòng điện không đổi (được xác định bởi R9) Nếu điện áp dốc V10 vượt quá điện áp điều khiển V11 (góc kích hoạt ϕ), một tín hiệu sẽ được xử lý theo logic Phụ), một tín hiệu sẽ được xử lý theo logic Phụ thuộc vào độ lớn của điện áp điều khiển V11, góc kích hoạt ϕ), một tín hiệu sẽ được xử lý theo logic Phụ có thể thay đổi trong một góc pha từ 0˚ đến 180˚. Đối với mỗi nửa súng, một xung dương khoảng thời lượng 30 às xuất hiện ở đầu ra Q 1 và Q 2 Thời lượng xung có thể được kéo dài lên đến 180˚ thông qua tụ điện C12 Nếu chân 12 được kết nối ground, sẽ tạo ra các xung có khoảng thời gian từ ϕ), một tín hiệu sẽ được xử lý theo logic Phụ đến 180˚. Đầu ra Q1’ và Q2’ cung cấp tín hiệu nghịch đảo của Q 1 và Q 2.
Tín hiệu ϕ), một tín hiệu sẽ được xử lý theo logic Phụ + 180˚ có thể được sử dụng để điều khiển logic bên ngoài, có sẵn ở chân 3. Tín hiệu tương ứng với liên kết NOR của Q 1 và Q 2 có sẵn ở đầu ra Q Z (chân 7). Đầu vào ức chế có thể được sử dụng để vô hiệu hóa các đầu ra Q1, Q2 và Q1’, Q2’.
Chân 13 có thể được sử dụng để mở rộng đầu ra Q1’và Q2’ tới độ dài xung đầy đủ (180˚
- ϕ), một tín hiệu sẽ được xử lý theo logic Phụ)
1.4.2 Sơ đồ chân IC TCA 785
Hình 1.11: Sơ đồ chân của IC TCA 785 1.4.3 Sơ đồ cấu tạo của TCA 785
Hình 1.12: Sơ đồ cấu tạo của TCA 785 1.4.3 Dạng sóng dòng điện, điện áp của TCA 785
Hình 1.13: Dạng sóng dòng điện, điện áp của TCA 785
1.4.4 Các thông số của TCA 785
Bảng 1 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 điều khiển chân
Biên độ của răng cưa Điện trở mạch nạp
Thời gian sườn ngắn của xung răng cưa
K Wá 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
- Tính toán các phần tử bên ngoài:
Tụ răng cưa: C10 = 500pF( min ); 1 μ F ( max)
Thời điểm phát xung: tTr = V 11 V 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 785: + Điện áp nuôi: US = 15V
+ Dòng điện tiêu thụ: IS = 10mA
+ Điện áp răng cưa: URC max = (US - 2)V
+ Điện trở trong mạch tạo điện ỏp răng cưa: R9 = 20k Wá ¿ 500k Wá
+ Điện áp điều khiển: U11 = -0,5 ¿ (US - 2)V
+ Dòng điện đồng bộ: IS = 200( μ A )
+ Tần số xung ra: f = (10 ¿ 500) Hz
MOC 3021
MOC3021 thường được sử dụng để điều khiển thiết bị AC, như độ sáng của bóng đèn, tốc độ của động cơ, Dù bằng cách nào, bộ ghép quang sẽ không được phép điều khiển tải trực tiếp do định mức dòng điện hạn chế của nó Nó thường được kết nối với một công tắc nguồn khác như TRIAC TRIAC này sẽ có thể cung cấp đủ dòng điện để điều khiển tải và sẽ được điều khiển bằng cách sử dụng bộ ghép nối quang Dưới đây là một sơ đồ mạch đơn giản trong đó bóng đèn xoay chiều được điều khiển bằng vi điều khiển.
Vì đầu ra được điều khiển bởi TRIAC, chúng ta có thể điều khiển tải lên đến 400V và triac có thể dẫn theo cả hai hướng do đó việc kiểm soát tải AC sẽ không thành vấn đề. Cũng vì nó có khả năng phát hiện điểm 0 nên khi bật tải AC, TRIAC sẽ bắt đầu dẫn điện sau khi sóng AC đạt đến 0V, theo cách này chúng ta có thể tránh điện áp đỉnh trực tiếp đến tải và do đó ngăn nó bị hỏng Nó cũng có thời gian tăng và giảm khá và do đó có thể được sử dụng để kiểm soát điện áp đầu ra
Các tính năng của MOC3021 khiến nó trở thành lựa chọn lý tưởng để điều khiển tải AC điện áp cao bằng các bộ điều khiển kỹ thuật số như MPU/MCU.
Vì đầu ra được kiểm soát, chúng ta có thể kiểm soát cường độ của ánh sáng hoặc tốc độ của động cơ AC Vì vậy, nếu bạn đang tìm kiếm một bộ cách ly quang để điều khiển một ứng dụng AC thông qua DC thì IC này là lựa chọn phù hợp cho bạn.
THIẾT KẾ MẠCH
2.1 Thiết kế sơ đồ khối và chức năng từng khối a Sơ đồ
Khối b Chức năng của từng khối
- 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.
2.2 Tính chọn các phần tử trong mạch
Với chỉ tiêu đầu Ura V, và đặc tính kĩ thuật của IC 7815 thì điện áp vào IC cần thỏa mãn từ +5V > +24V Dòng I=1 Nên Uin V, mặt khác còn lượng điện áp dơi trên diode. Điện áp ra trên cuộn thứ cấp: U2= Uin+ 2x 0.7= 19,4 V.
- Chọn chỉnh lưu: U1max $0V, điện áp đặt ngược nên diode chỉnh lưu
- Tần số của biến áp ra bộ chỉnh lưu :f= 50Hz
- Ổn áp chọn: IC7815 để có điện áp ra Ura V
- Chọn tụ lọc: do điện áp lớn nhất là 23V nên chọn tụ lọc có Umax = 25V.
- Chọn độ gợn sóng sau khối chỉnh lưu là K=5%= 0.05
Ta chọn tụ lọc: 1000àF / 25V
- Tụ điện C1 và C2 lọc cao tần là tụ gốm 104nF vì tụ này có tần số lọc lớn.
- Hiển thị: mắc led song song để báo hiệu mạch điều khiển có nguồn.
Dựa vào các yếu tố cơ bản dòng tải, sơ đồ chọn, điện áp làm việc điều kiện tản nhiệt:
- Điện áp làm việc cực đại của Triac:
- Điện áp van cần chọn:
Trong đó: Ku = (1 – 1,5) : hệ số dự trữ điện áp
- Dòng điện làm việc của van:
- Dòng điện định mức qua van:
Với các thông số trên theo datasheet cũng như độ phổ biến ngoài thị trường chúng em quyết định lựa chọn loại van sau :
BT136 - 600B có các thông số sau:
- Điện áp định mức: U đm `0V
- Điện áp điều khiển mở van: Uđk = 1,4V
- Dòng điện định mức: Iđm = 4A
- Dòng điện duy trì: Ih = 6A
* Chọn chỉnh lưu: U1max$0V, điện áp đặt ngược nên diode chỉnh lưu
= 23 V Dòng điện qua diode: Id=I2.
Tần số của biến áp ra bộ chỉnh lưu :f= 100Hz
* Ổn áp chọn: IC7815 để có điện áp ra UraV
* Chọn tụ lọc: do điện áp lớn nhất là 23V nên chọn tụ lọc có Umax= 25V.
Chọn độ gợn sóng sau khối chỉnh lưu là K=5%= 0.05
Ta chọn tụ lọc: 2200àF / 25V
* Hiển thị: mắc led song song để báo hiệu mạch điều khiển có nguồn.
2.3.4 Mạch cách ly ( mạch bảo vệ )
Tính chọn phần tử cách ly
Có rất nhiều phương án cho khâu cách ly đó có thể dung phần tử cách ly quang biến áp xung hay với mạch công suất nhỏ chỉ cần dùng diot để chống ngược dòng.
Trong thiết kế ứng dụng với tải công suất trung bình và nhỏ, chúng tôi lựa chọn phương án sử dụng cách ly quang để đáp ứng yêu cầu gọn nhẹ và giá thành thấp Giải pháp này đảm bảo hiệu quả cao, tính gọn nhẹ và cách ly an toàn giữa mạch lực và mạch điều khiển Sau khi cân nhắc các thông số, chúng tôi quyết định sử dụng MOC 3021 để thực hiện nhiệm vụ cách ly này.
Sau đây là một số sơ đồ kết nối trong datasheet : Đây là một số sơ đồ kết nối của MOC 3020 ứng với các loại tải khác nhau sau đây là sơ đồ kết nối trong khâu cách ly
Hình 2 1 : Sơ đồ khối và sơ đồ nguyên lý của moc 3020
- Điện áp ra của TCA là U max =V cc V
Sụt áp tại diode lúc này điện áp còn lại là:
-MOC3020 có dòng vào chân 1 là I gt =7mA, lúc này ta có điện trở cần trong mạch là: R in =
42.8 Wá => Chọn trở là R in "00 Wá =2.2k Wá
- Điện áp sụt tại đầu ra của MOC là U s =3V và dòng điện để Triac BT136 dẫn là
I gt PmA , nên ta có:
50 "6 Wá => Chọn trở là R 5 "0 Wá
2.3 Thiết kế sơ đồ nguyên lý và nguyên tắc hoạt đông của từng mạch
2.3.1 Thiết kế mạch nguồn a) Sơ đồ
Hình 2 2: Sơ đồ mạch nguồn 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
Nguồn điện lưới xoay chiều 220V qua biến áp hạ áp xuống 15V Dòng điện 15V xoay chiều qua cầu chỉnh lưu 3A làm biến đổi từ dòng xoay chiều thành 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 ỏp 15V được cho qua tụ 1000àF để san phẳng điện ỏp tạo điện ỏp ổn định cho IC ổn áp 7815 và mắc song với một tụ gốm 104nF 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.
2.3.2 Thiết kế mạch động lực a Sơ đồ mạch
Hình 2 3: Sơ đồ mạch lực 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 van khi điều chỉnh góc mở:
Hình 2 4:Sơ đồ dạng sóng đầu ra
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 :
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
2.3.3 Thiết kế mạch 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 3 khâu cơ bản:
Tạo xung và khuếch đại ð
Hình 2.5: Sơ đồ khối các khâu trong mạch điều khiển
* Nhiệm vụ của các khâu trong sơ đồ khối như sau:
1 Khâu đồng bộ: Có nhiệm vụ tạo ra điện áp tựa Urc tuyến tính trùng pha với điện áp Anot (cực G) của Thyristor (triac)
2 Khâu so sánh : Nhận tín hiệu điện áp tựa và điện áp điều khiển Có nhiệm vụ so sánh giữa điện áp tựa với điện áp điều khiển Uđk Tìm thời điểm hai điện áp bằng nhau(Uđk= Urc) Tại thời điểm hai điện áp này bằng nhau thì phát xung điều khiển ở đầu ra để gửi sang tầng tạo xung và khuếch đại xung.
3 Khâu tạo xung và khuếch đại xung: 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.
- Sơ đồ nguyên lí mạch điều khiển
Hình 2 6 : Sơ đồ nguyên lí mạch điều khiển 2.3.4 Thiết kế mạch cách ly (mạch bảo vệ ) Để chống ngược dòng giữa các khối có chênh lệch nhau về điện áp, dòng điện và công suất, ta cần có phần tử cách ly giữa hai mạch điều khiển và mạch động lực.
Có nhiều giải pháp cho công đoạn cách ly, như sử dụng phần tử cách ly quang biến áp xung hoặc sử dụng diot cho mạch công suất nhỏ để chống dòng ngược.
CHẾ TẠO VÀ KHẢO SÁT MẠCH
3.1 Bảng liệt kê các phần tử trong mạch
STT Tên linh kiện Phân loại Số lượng
2 Tụ điện phõn cực 1000 àF
7 IC điều khuyển pha TCA 785 1
12 Máy biến áp Máy biến áp 1
Hình 3.3 : Đường đi dây mạch in
Hình 3.5 : Hình ảnh mạch hoàn chỉnh
Hình 3 6 : Hình ảnh mạch hoàn chỉnh
Hình 3 7 : Mạch chạy với góc điều khiển 0 o
Hình 3.8 : Mạch chạy với góc điều khiển 180 o
Sau khi hoàn thành đề tài mạch chỉnh lưu cầu một pha bán điều khiển dùng TCA
785 đã giúp bọn em có thêm nhiều kiến thức mới Nhờ đó mà chúng em có thêm nhiều kinh nghiệm để sử dụng trong các đề tài tiếp theo
Như vậy, sau hai tháng nhận và thực hiện đồ môn học với đề tài : “Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo bộ điều điều áp xoay chiều AC 1 pha” bằng các phần tử bán dẫn công suất cho đến nay chúng em đã hoàn thành Cùng với sự nỗ lực cố gắng của bản thân, sự giúp đỡ của bạn bè trong lớp, và đặc biệt với sự giúp đỡ nhiệt tình, tận tâm của cô giáo: Nguyễn Phương Thảo chúng em đã thực hiện được một cách tương đối tốt những yêu cầu cơ bản mà đề tài đặt ra.
Bên cạnh những đóng góp của đề tài, nhóm nhận thức được hạn chế về kiến thức và kinh nghiệm, dẫn đến một số thiếu sót không thể tránh khỏi Do vậy, nhóm rất mong nhận được những ý kiến đóng góp, phê bình chân thành từ các thầy, cô giáo cũng như các bạn sinh viên để đề tài ngày càng hoàn thiện hơn về mặt nội dung và hình thức.
Chúng em cũng xin được cảm ơn tất cả các thầy, các cô giáo thuộc bộ môn ‘Điện tử công suất và truyền động điện’ đã giúp đỡ chúng em, tận tình chỉ bảo để chúng em có thể hoàn thiện được đề tài đồ án này.
Một lần nữa, chúng em xin chân thành cảm ơn!
Hưng yên, tháng 6 năm 2024 Nhóm sinh viên thực hiện đồ án :
