Để điều khiển tốc độ động cơ một pha chúng ta có thể sử dụng các phươngpháp sau: - Thay đổi số vòng dây của Stator.. Hình 1.1: Điều khiển động cơ một pha sơ đồ khối mạch điện tử Một số đ
TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ ĐIỆN XOAY CHIỀU MỘT PHA VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐỂ ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ
Tổng quan về động cơ điện xoay chiều một pha
Động cơ điện xoay chiều 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 nước trong các hệ thống tự động, Khi sử dụng loại động cơ này thường cần điều khiển tốc độ, mở máy , đảo chiều , hãm, Để điều khiển tốc độ động cơ một pha chúng ta có thể sử dụng các phương pháp sau:
- Thay đổi số vòng dây của Stator.
- Mắc nối tiếp với động cơ một điện trở hay cuộn dây điện cảm.
- Điều khiển điện áp đưa vào động cơ.
1.1.1 Nguyên lý điều khiển động cơ điện xoay chiều một pha Động cơ điện xoay chiều một pha hoạt động dựa trên nguyên lý tương tác giữa trường từ xoay tạo bởi stator (phần cố định) và rotor (phần quay) Khi một nguồn điện xoay chiều được cấp cho cuộn dây trên stator, nó tạo ra một trường từ xoay
Hình 1.1: Điều khiển động cơ một pha sơ đồ khối mạch điện tử
Một số điểm quan trọng về động cơ điện xoay chiều một pha:
Dòng điện xoay chiều 1 pha: Sử dụng nguồn điện 1 pha 220V và tạo công suất phổ biến trong khoảng 0.12kW đến 5.5kW.
Pha 1: Từ trường của rotor cùng cực với stator, sẽ đẩy nhau tạo ra chuyển động quay của rotor.
Pha 2: Rotor tiếp tục quay.
Pha 3: Bộ phận chỉnh điện sẽ đổi cực sao cho từ trường giữa stator và rotor cùng dấu, trở lại pha 1. Động cơ điện xoay chiều một pha thường được sử dụng trong các ứng dụng như quạt điện, máy cơ khí và các thiết bị vận hành trong ngành công nghiệp. Động cơ điện xoay chiều 1 pha hiện đang được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực, chẳng hạn như:
- Trong các ngành công nghiệp: Thường dùng để làm băng truyền, băng tải, cho máy móc.
- Trong ngành nông nghiệp: Sử dụng để làm máy ấp trứng, máy đổ thức ăn cho gà ăn,…
- Sử dụng để chế tạo các loại máy móc nhằm phục vụ cho đời sống sinh hoạt hằng ngày như máy vặt lông gà vịt, máy quay vịt gà,
Cấu tạo của động cơ điện xoay chiều một pha
Động cơ điện xoay chiều 1 pha ( Hình 1.2 hay còn được gọi là motor điện AC 1 pha hay động cơ AC 1 pha) là loại động cơ điện mà dây quấn stator chỉ bao gồm 1 cuộn dây pha Và đối với nguồn cấp chính cấu tạo gồm 1 dây pha và 1 dây nguội(có thể có thêm tụ điện để làm lệch pha) Tuy nhiên, nếu chỉ có 1 cuộn dây pha thì động cơ không thể tự khởi động được vì từ trường 1 pha lại chính là từ trường đập mạch
Hình 1.2: Động cơ điện xoay chiều 1 pha Để động cơ AC 1 pha có thể tự khởi động được, có nhiều phương pháp khác nhau để thực hiện được điều này Ví dụ như sử dụng một số thiết bị phụ trợ như tụ đề hoặc bộ khởi động động cơ
Hình 1.3: Cấu tạo động cơ điện xoay chiều 1 pha
Cấu tạo của động cơ điện xoay chiều 1 pha bao gồm 7 bộ phận chính được thể hiện như hình 1.3 ở phía trên như sau:
- Giá đỡ mặt bích (Flange bracket): được làm bằng vật liệu nhôm đúc khuôn được gia công hoàn thiện, lắp vào vỏ động cơ.
- Stator: lõi thép của stator có dạng trụ rỗng, được ghép từ các tấm thép kỹ thuật điện, được dập theo hình vành khăn, phía trong có xẻ rãnh để có thể đặt dây quấn và được sơn phủ kín Dây quấn được làm bằng dây đồng hoặc dây nhôm và được đặt trong các rãnh của lõi thép.
- Vỏ động cơ (Motor case): Thường được chế tạo từ tấm thép, nhôm đúc hoặc gan.
- Rotor: Lõi thép rotor được chế tạo từ các lá tôn silic, các rãnh của lõi thép rotor được dập nghiêng để giảm tiếng ồn Cuộn dây của rotor thường được đúc bằng nhôm
- Trục quay của động cơ (Output shaft): có 2 loại là trục tròn và loại trục bánh răng Vật liệu được sử dụng cho trục động cơ là loại thép cacbon 45, thép cacbon 65 hoặc các loại thép đặc biệt khác.
- Bạc đạn (Ball bearing): Dùng để đỡ cho trục quay của rotor
1.2.2 Nguyên lí hoạt động của động cơ điện xoay chiều 1 pha
Nguyên lý hoạt động của động cơ điện xoay chiều 1 pha khá đơn giản như sau:
- Nguồn điện xoay chiều được cấp cho stator của động cơ Lúc này dòng điện chạy qua dây quấn stato và tạo nên một từ trường quay với tốc độ là 60f/p. Trong đó f chính là tần số của nguồn điện, p là số cặp cực của phần dây quấn Stator.
- Trong quá trình quay, từ trường sẽ liên tục quét qua các thanh dẫn của rotor và xuất hiện một sức điện động cảm ứng Do dây quấn stator đang kín mạch nên suất điện động này sẽ tạo ra dòng điện ở trong các dây dẫn của rotor. Các thanh dây dẫn có dòng điện và được đặt trong từ trường vì vậy chúng sẽ tương tác lực điện từ lên nhau
- Tổng hợp các lực trên sẽ tạo ra momen quay đối với trục rotor khiến cho nó quay cùng chiều với từ trường Khi động cơ làm việc thì tốc độ của rotor sẽ luôn nhỏ hơn tốc độ của từ trường.
1.2.3 Ứng dụng của động cơ AC 1 pha Động cơ điện xoay chiều 1 pha hiện nay được sử dụng rộng rãi trong dân dụng và công nghiệp Một số ứng dụng của động cơ điện xoay chiều 1 pha có thể kể đến như sau:
- Trong các máy móc gia đình: Động cơ AC 1 pha được sử dụng trong nhiều loại máy gia đình như máy giặt, máy hút bụi, máy cắt cỏ, máy cưa xích, và các loại máy khác.
- Trong các thiết bị điện tử: Động cơ điện AC 1 pha được ứng dụng trong các thiết bị điện tử như máy tính, máy in, máy quay phim và các loại thiết bị khác.
- Trong y tế: Động cơ điện AC 1 pha được sử dụng trong các thiết bị y tế như máy xạ trị, máy chụp CT, và các loại thiết bị khác.
- Trong công nghiệp: Động cơ điện 1 pha được sử dụng trong nhiều ứng dụng công nghiệp, bao gồm máy nén khí, máy nghiền, máy bơm nước, máy cắt, máy kéo, và các loại máy khác.
- Trong năng lượng mặt trời: Động cơ AC 1 pha được sử dụng để chuyển đổi năng lượng mặt trời thành năng lượng điện.
Trong nông nghiệp: Động cơ AC 1 pha được sử dụng trong các máy móc nông nghiệp như máy bơm nước, máy cày, máy cắt cỏ, và các loại máy khác.
- Trong lĩnh vực thực phẩm và đồ uống: Động cơ điện 1 pha được sử dụng trong các máy móc thực phẩm và đồ uống như máy xay sinh tố, máy làm kem, máy ép trái cây, và các loại máy khác.
Hình 1.4: Ứng dụng của động cơ điện xoay chiều 1 pha
1.2.4 Ưu nhược điểm của động cơ điện xoay chiều 1 pha a Ưu điểm
- Cấu tạo đơn giản, dễ sử dụng và lắp đặt.
- Động cơ điện xoay chiều 1 pha sử dụng nguồn điện trực tiếp từ lưới điện mà không cần phải chỉnh lưu.
- Động cơ AC 1 pha có khả năng điều khiển tốc độ quay đa dạng.
- Động cơ xoay chiều 1 pha có kết cấu bền vững, chắc chắn, khả năng chịu quá tải tốt nhờ cơ chế bảo vệ.
- Giá thành thấp hơn so với truyền động dùng cho động cơ một chiều. b Nhược điểm
- Momen khởi động của động cơ AC 1 pha nhỏ, không thích hợp sử dụng được cho các ứng dụng cần momen khởi động lớn.
- Tiêu tốn nhiều nguồn điện năng hơn so với động cơ một chiều.
Các thông số định mức
Chế độ làm việc định mức của máy điện một chiều là chế độ làm việc trong những điều kiện mà xưởng chế tạo đã quy định Chế độ đó đươc đặc trưng bằng những đại lượng ghi trên nhãn máy và gọi là những đại lượng định mức Trên nhãn máy thường ghi những đại lượng sau:
- Công suất định mức: Pđm (KW hay W): phổ biến là motor từ 0.37KW- 160KW phổ biến là motor từ 0.37 kW đến 160 kW.
- Điện áp định mức: Uđm (V) Điện 1 pha hạ thế thường là 220V, còn điện 3 pha hạ thế có thể là 380V, 400V, 415V, hoặc 660V.
- Dòng điện định mức: Iđm (A);
- Tốc độ định mức: n đm (vg/ph).
- Tần số lưới điện(Hz): Thường là 50 Hz hoặc 60 Hz.
Phương pháp điều chỉnh tốc độ
Nguyên lý: Thay đổi tần số cung cấp điện áp đầu vào của động cơ Vì tốc độ của động cơ xoay chiều tỷ lệ thuận với tần số nguồn cấp, nên điều chỉnh tần số sẽ thay đổi tốc độ động cơ. Ưu điểm: Hiệu suất cao, điều chỉnh mượt mà, tiết kiệm năng lượng. Ứng dụng: Rộng rãi trong các hệ thống băng tải, bơm, quạt, và các ứng dụng công nghiệp khác.
Nguyên lý: Thay đổi điện áp cung cấp cho động cơ Đối với động cơ không đồng bộ, tốc độ quay tỷ lệ với điện áp cung cấp. Ưu điểm: Phương pháp đơn giản, chi phí thấp.
Hạn chế: Hiệu suất không cao, không thích hợp cho các ứng dụng yêu cầu điều chỉnh tốc độ chính xác.
Nguyên lý: Thay đổi số cực từ trường của động cơ Động cơ không đồng bộ có thể thiết kế với số cực thay đổi để điều chỉnh tốc độ. Ưu điểm: Cấu trúc đơn giản, không cần thiết bị điện tử phức tạp.
Hạn chế: Không thể điều chỉnh tốc độ liên tục, chỉ có một số mức tốc độ cố định.
1.4.4 Phương pháp thay đổi số cuộn dây
Nguyên lý: Thay đổi cấu hình cuộn dây của động cơ để thay đổi tốc độ Phương pháp này thường được sử dụng với động cơ đa tốc độ. Ưu điểm: Đơn giản, không cần thiết bị điện tử phức tạp.
Hạn chế: Giới hạn ở các mức tốc độ cố định, không thể điều chỉnh liên tục.
ĐỘNG CƠ XOAY CHIỀU MỘT PHA VÀ MỘT SỐ VAN BÁN DẪN
Khái niệm bộ mạch điều áp xoay chiều
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. 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.
2.1.1 Nguyên lý điều khiển động cơ xoay chiều một pha
Trước đây điều khiển tốc độ động cơ bằng điều khiển điện áp xoay chiều đưa 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 2.1: Nguyên lí điều khiển động cơ
2.1.2 Một số mạch điều khiển động cơ một pha
Một trong những ứng dụng rất rộng rãi của điều áp xoay chiều là điều khiển động cơ điện một pha mà điển hình là điều khiển tốc độ quay của quạt điện
Hình 2.2: Một số mạch điều khiển động cơ một pha
Chức năng của các linh kiện trong sơ đồ hình 2.2:
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 mở thông diac. Điện áp và tốc độ của quạt có thể được điều khiển bằng cách điều chỉnh biến trở VR trên hình a Tuy nhiên sơ đồ điều khiển này không triệt để, vì ở vùng điện áp nhỏ khi Triac dẫn ít rất khó điều khiển.
Sơ đồ hình b có chất lượng điều khiển tốt hơn Tốc độ quay của quạt có thể được điều khiển cũng bằng biến trở VR Khi điều chỉnh trị số VR ta điều chỉnh việc nạp tụ C lúc đó điều chỉnh được thời điểm mở thông diac và thời điểm Triac dẫn. Như vậy Triac được mở thông khi điện áp trên tụ đạt điểm dẫn thông diac Kết quả là muốn tăng tốc độ của quạt ta cần giảm điện trở của VR để tụ nạp nhanh hơn, Triac dẫn sớm hơn điên áp ra lớn hơn Ngược lại điên trở của VR càng lớn tụ nạp càng chậm Triac mở càng chậm lại điện áp và tốc độ của quạt nhỏ xuống.
Mạch điều khiển trên đây có ưu điểm:
- Có thể điều khiển liên tục tốc độ quạt.
- Có thể sử dụng cho các loại tải khác như điều khiển độ sáng của đèn sợi đốt, điều khiển bếp điện rất có hiệu quả.
- Kích thước mạch điều khiển nhỏ, gọn.
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.
Phân tích và lựa chọn sơ đồ
2.2.1 Giới thiệu một số sơ đồ mạch động lực
Hình 2.3: Các phương án điều áp một pha
- Hình 2.3a: 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 Mạch điều chỉnh kinh điển này hiện nay ít được dùng, do hiệu suất thấp (nếu Zf là điện trở ) hay cos thấp(nếu Zf là điện cảm ).
- Hình 2.3b: người ta có thể dùng biến áp tự ngẫu để điều chỉnh điện áp xoay chiều U2 Điều chỉnh bằng biến áp tự ngẫu có ưu điểm là có thể điều chỉnh điện áp
U2 từ 0 đến trị số bất kì, lớn hay nhỏ hơn điện áp vào Nếu cần điện áp ra có điều chỉnh, mà vùng điều chỉnh có thể lớn hơn điện áp vào, thì phương án phải dùng biến áp là tất yếu Tuy nhiên, khi dòng tải lớn, sử dụng biến áp tự ngẫu để điều chỉnh, khó đạt được yêu cầu như mong muốn, đặc biệt là không điều chỉnh liên tục được, do chổi than khó chế tạo để có thể chỉ tiếp xúc trên một vòng dây của biến áp.
- Hai giải pháp điều áp xoay chiều trên hình 2.3a,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 2.3c 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 2.4: Sơ đồ điều áp xoay chiều một pha bằng bán dẫn a bằng hai Tiristor song song ngược b bằng Triac c bằng một Tiristor một diode d bằng bốn Diode một tiristor
- Hình 2.4a thường được sử dụng nhiều hơn, do có thể điều khiển được với mọi công suất tải Hiện nay Tiristor 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 tiristor 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 tiristor gây nên sai số Điện áp tải thu được gây mất đối xứng như so sánh trên hình 3b.
- Điện áp và dòng điện không đối xứng như hình 3.b cung cấp cho tải, sẽ làm cho 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 2.5: 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 2.5b Sơ đồ này có ưu điểm là các đường cong điện áp ra gần như mong muốn như hình 2.5a, 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 2.5b ít dùng.
- Sơ đồ hình 2.4c có hai tiristor 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 2.4d trước đây thường được dùng, khi cần điều khiển đối xứng điện áp trên tải, vì ở đây chỉ có một tiristor một mạch điều khiển nên việc điều khiển đối xứng điện áp dễ dàng hơn Số lượng tiristor ít hơn, có thể sẽ có ưu điểm hơn khi van điều 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.
2.2.2 Điều áp xoay chiều một pha ứng với tải R-L
Hình 2.6: 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
√ R 2 +( ωL ) 2 [ sin( θ−ψ ) - sin( α −ψ )e θ−α tgψ ] 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
Sin( β−ψ )- sin( α −ψ ).e - β−α tg ψ = 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 2.7: Hình dáng dòng điện, 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 :
Một số van bán dẫn
2.3.1 Giới thiệu về phần tử bán dẫn Triac
2.3.1.1 Cấu tạo và ký hiệu
Hình 2.8: Cấu tạo và ký hiệu của Triac
Triac là linh kiện bán dẫn tương tự như hai Thyristor mắc song song ngược, nhưng chỉ có một cực điều khiển Triac là thiết bị bán dẫn ba cực, bốn lớp Có thẻ điều khiển cho mở dẫn dòng bằng cả xung dương (dòng đi vào cực điều khiển) lẫn xung dòng âm (dòng đi ra khỏi cực điều khiển) Tuy nhiên xung dòng điều khiển âm có độ nhạy kém hơn, nghĩa là mở Triac sẽ cần một dòng điều khiển âm lớn hơn so với dòng điểu khiển dương Vì vậy trong thực tế để đảm bảo tính đối xứng của dòng điện qua Triac thì sử dụng dòng điều khiển âm là tốt hơn cả.
Có 4 tổ hợp điện thế có thể mở Triac cho dòng chảy qua:
Trường hợp MT2 (+), G(+) Thyristor T mở cho dòng chảy qua như mộtThyristor thông thường.
Trường hợp MT2 (-), G(-) Các điện tử từ N2 phóng vào P2 Phần lớn bị trường nội tại EE1 hút vào, điện áp ngoài được đặt lên J2 khiến choBarie này cao đến mức hút vào những điện tích thiểu số(các điện tử của P1) và làm động năng của chúng đủ lớn để bẻ gãy các liên kết của các nguyên tử Sillic trong vùng Kết quả là một phản ứng dây chuyền thì T ’ mở cho dòng chảy qua
Hình 2.9: Đặc tuyến V-A của triac
Triac có đường đặc tính V-A đối xứng nhận góc mở α trong cả hai chiều.
2.3.2 Giới thiệu về phần tử bán dẫn Thysistor
- Cấu tạo: Thysistor là thiết bị gồm 4 lớp bán dẫn P1,N1,P2,N2 ghép lại tạo ra ba lớp tiếp xúc J1,J2,J3.
- Khi đặt thysistor vào điện áp một chiều, A nốt nối vào cực dương, Katốt nối vào cực âm của nguồn Khi đó J1, J3 được phân cực thuận J2 bị phân cực ngược, gần như toàn bộ điện áp nguồn đặt lên mặt ghép J2 Điện trường Ei của J2 có chiều từ N1 sang P2 Điện trường ngoài tác dụng cùng chiều với Ei, vùng chuyển tiếp cũng là vùng cách điện càng mở rộng ra, không có dòng chảy qua thysistor, mặc dù nó dược đặt điện áp.
- Để mở thysistor ta đặt một xung điện áp Ug tác động vào cực G (dương so với K) các điện tử từ N2 sang P2 và một số ít chúng chảy vào nguồn Ug và hình thành dòng điều khiển ig chảy theo mạch G-J3-K-G, còn phần điện tử chịu sức hút của điện trường tỏng hợp của mặt ghép J2 lao vào vùng chuyển tiếp này, chúng được tăng tốc bắn phá J2, vùng chuyển tiếp J2 bị trọc thủng làm xuất hiện ngày càng nhiều điện tử chảy vào N1 qua P1 và đến cực dương của nguồn điện ngoài gây nên hiện tượng dẫn điện ồ ạt, J2 trở thành mặt ghép dẫn điện bắt đầu từ một điểm nào đó ở xung quanh cực G rồi phát tán ra toàn bộ mặt ghép nên thysistor được mở.
Mở thysistor bằng cách ấn công tắc K là đơn giản nhất một thysistor đã mở thì sự hiện diện của tín hiệu điều khiển ig là không còn cần thiết nữa.
Có hai cách để khóa thysistor:
+ Cách 1: Giảm dòng điện ở A nốt xuống đến giá trị của dòng điện duy trì khi thysistor được phân áp thuận thì lớp J2 có điện trở lớn làm cho dòng qua Thysistor rất nhỏ lúc đó thysistor sẽ bị khóa lại.
+ Cách 2: Đặt một điện áp ngược lên thysistor ( biện pháp thường dùng) khi đặt điện áp ngược lên T có UAk< 0 hai mặt ghép J1 và J3 bị phân cực ngược J2 phân cực thuận Những điện tử trước thời điểm đảo cực tính Uak đang có mặt tại P1,N1,
P2 bây giờ đảo chiều hình thành nên dòng điện ngược chảy từ Katốt về A nốt và về cực âm của nguồn điện ngoài Lúc đầu của quá trình từ t0 đến t1 dòng điện ngược khá lớn sau đó J1,J2 trở nên cách điện, còn lại một ít điện tử ở giữa hai mặt ghép J1 và J3 hiện tượng khuếch tán sẽ làm chúng ít dần đi cho đến hết và J2 khôi phục lại tính chất của mặt điều khiển Thời gian khóa toff tính từ khi bắt đầu có điện áp ngược cho tới dòng điện ngược bằng 0 (t2) Đó là khoảng thời gian mà ngay sau đó nếu đặt điện áp thuận lên T thì T cũng khong mở Trong bất kì trường hợp nào cũng không được đặt T dưới điện áp thuận khi T chưa bị khóa, nếu không có thể gây ra ngắn mạch nguồn Việc khóa Thysistor bằng cách đặt điện áp ngược được thực hiện bằng cách ấn nút K.
+_ Đồ án điện tử công suất – Th.S Võ Khánh Thoại
2.3.2.3 Đặc tính vôn-ampe của Thysistor
Hình 2.12: Đặc tính vôn-ampe của Thysistor
- Đoạn 1: Trạng thái khóa của T Khi U tăng đến Uch bắt đầu quá trình tăng dòng điện T chuyển sang trạng thái mở.
- Đoạn 2: Giai đoạn ứng với phân cực thuận J2, mỗi một lượng tăng nhỏ của dòng điện ứng với một lượng giảm lớn của điện áp đặt lên Thysistor.
- Đoạn 3: Trạng thái mở của thysistor J1,J2,J3 trở thành mặt ghép dẫn điện.
- Đoạn 4: Thysistor bị đặt điện áp ngược => Thysistor bị đánh thủng (do U tăng lên ing cũng tăng lên).
2.3.3 Giới thiệu về phần tử bán dẫn Transistor
+ Vì có hai loại lớp bán dẫn P và N nên ghi ghép 3 lớp bán dẫn liên tiếp với nhau, có hai khả năng : P-N-P (phân cực thuận) và N-P-N (phân cực ngược).
- Transistor ngược: Xét mạch cực phát E chung:
+ E2 phân cực thuận cho J1, phân cực ngược cho J2.
Hình 2.13: Phân cực ngược cho Transistor
- Lớp J1 phân cực thuận nên điện trở tiếp giáp nhỏ và dòng iB chuyển từ B sang E ( Điện tử tự do từ cực E sang cực B qua lớp J1 và lỗ trống từ cực B sang cực
E qua J1) Lớp J2 phân cực ngược vì E2>> E1 nên điện trường do E2 tạo ra khóa mạch làm cho một số điện tử tự do từ cực E sang cực B còn phần lớn qua lớp P qua lớp tiếp xúc J2 tới cực góp C để về cực dương của nguồn vì vậy tạo ra dòng điện cực góp ic qua tải R là iE = iC+iB Dòng iB còn là dòng điều khiển Khi tăng điện áp
UBE thì dòng iB, iC tăng và ngược lại, lượng thay đổi dòng iB nhỏ cũng gây ra một sự thay đổi lớn một lượng dòng iC nên transistor có tác dụng khuếch đại.
- Hệ số khuếch đại dòng: là độ tăng của dòng góp với độ tăng của dòng gốc khi cực phát E chung: α =¿ ∆ I ∆ I c
- Hệ số khuếch đại điện áp: β=¿ ∆ U ∆ U c
Nếu đảo cực tính UBE tức là B nối vào cực âm nguồn điều khiển, E nối vào cực dương nguồn thì Transistor không thể làm việc được do lớp J1 bị phân cực ngược.
- Nguyên lý hoạt động của Transistor thuận tương tự.
- Đặc tính ra: iC = f(UCE) khi iB = const.
- Đặc tính truyền đạt: iC = f(iB) khi UCE = const.
- Đặc tính vào iB = f(UBE) khi UCE = const.
- Đặc tính điện áp phản hồi: UBE = f(UCE) khi iB = const.
Trong đặc tính của transistor đặc tính ra được lưu ý đặc biệt, nó phân biệt bởi ba vùng làm việc:
- Vùng tuyến tính (c): ic tăng tỷ lệ với UB khi UCE = const.
- Vùng bão hòa (b): iB tăng nhiều iC tăng ít
- Vùng bão hòa (a): iB tăng nhưng iC = const
- Đường thẳng ∆ phân giới hạn vùng (a) và (b)
- Đường thẳng ∆’ phân giới hạn vùng (b) và (c)
- Từ đặc tính ra có thể tính được trở kháng ra:
- Hệ số khuếch đại dòng: α = ∆ I ∆ I C
- Cũng có thể tính hệ số khuếch đại dòng điện từ họ đặc tính truyền đạt Từ đặc tính vào có thể tính được trở kháng vào:
- Đặc tính phản hồi cho phép tính được hệ số khuếch đại điện áp: β = ∆ U ∆ U C
Các chế độ làm việc của Transistor với hai chế độ: Chế độ khuếch đại và chế độ xung.
THIẾT KẾ VÀ TÍNH CHỌN CÁC PHẦN TỬ MẠCH ĐỘNG LỰC
Mạch động lực
Với yêu cầu của đề tài là thiết kế bộ điều áp xoay chiều cho động cơ (tải R+L) nên chúng em chọn sơ đồ dùng TRIAC 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.
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:
Nhìn từ hình trên ta thấy do tải có tính cảm kháng 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 :
Em xin trình bày với 2 Tiristor mắc song song ngược (tương tự 1 Triac)
Khi điện áp nguồn U1 đã đổi dấu mà cuộn dây điện cảm chưa xả hết năng lượng, làm cho T1 vẫn dẫn từ π cho đến φ1 nếu T1 đang dẫn chứng tỏ T1 đang phân cực thuận và điện áp Ua1a2>0.Khi T1 phân cực thuận chứng tỏ T2 phân cực ngược.
Do đó 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 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.
Thông số của động cơ một chiều :
- Hệ số dự trữ điện áp: Ku= 1,5- 1,8
- Hệ số dự trữ dòng điện: Kd= 1,1- 1,4
Tính chọn Tiristor dựa vào các yếu tố cơ bản sau như: dòng điện tải, sơ đồ chỉnh lưu, điều kiện tản nhiệt, điện áp làm việc
- Điện áp ngược lớn nhất mà Triac phải chịu:
- Điện áp ngược của van cần chọn :
Trong đó Ku- Hệ số dự trữ điện áp, thường chọn Ku=1,8( 1,5-1,8)
- Dòng điện làm việc của van được tính chọn theo dòng hiệu dụng:
Ilv= Ihd= khd.Id= I dm
Chọn Tiristor làm việc với điều kiện có cánh tản nhiệt và đủ diện tích nhiệt, không có quạt đối lưu không khí, với điều kiện có dòng điện định mức của van cần chọn:
Kd :hệ số dự trữ dòng điện, chọn Kd= 1,4 Để chọn Tiristor làm việc với các tham số định mức cơ bản trên, ta tra bảng thông số van, chọn các van có thông số điện áp ngược, dòng điện định mức lớn hơn gần nhất với thông số đã tính.
Hình 3.1: Bảng thông số Triac
Sau khi tính tính ta phải chọn Triac với các thông số I dmv = 53,75A,
U nv A4,689V, ta chọn được Triac loại PT1060 có các thông số sau:
- Dòng điện trung bình cho phép: Itb= 60A
- Điện áp cực đại cho phép: Umax= 1000V
- Điện áp điều khiển mở van: Ug=3V
- Dòng điều khiển mở van: Ig= 100A
- Tốc độ tăng điện áp trên van: 100V/us
- Dòng điện duy trì: Idt= 10A
- Sụt áp thuận trên van: ∆ u= 2V
- Nhiệt độ tối đa của tinh thể bán dẫn: Tj= 125° C
Tính toán máy biến áp chỉnh lưu
Để chọn các thiết bị trong mạch động lực cũng như mạch bảo vệ, trước hết cần xá định điện áp ra của bộ biến đổi Tiristor
Chọn máy biến áp ba pha ba trụ có sơ đồ nối dây ∆/Y, làm mát tự nhiên bằng không khí
Máy biến áp là một bộ phận quan trọng của hệ thống diện, thực hiện các chức năng sau:
- Biến đổi điện áp nguồn cho phù hợp với yêu cầu sơ đồ phụ tải
- Bảo đảm sự cách ly giữa phụ tải với lưới điện để vận hành an toàn và thuận tiện
- Biến đổi số pha cho phù hợp với số pha của sơ đồ phụ tải
- Tạo điểm trung tính cho sơ đồ hình tia
- Hạn chế dòng điện ngắn mạch trong chỉnh lưu và hạn chế mức tăng dòng anot để bảo vệ van
- Cải thiện hình dáng sóng điện lưới làm cho nó đỡ biến dạng so với hình sin, do đó nâng cao chất lượng điện áp lưới.
THIẾT KẾ VÀ TÍNH CHỌN CÁC PHẦN TỬ MẠCH ĐIỀU KHIỂN
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 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 sánh khuếch đại
Hình 4.1: 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.
Nguyên lý hoạt động
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 TCA785 là một vi mạch như vậy
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.
4.3.1 Ký hiệu và chức năng 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
16 VS Điện áp nguồn nuôi
Hình 4.2: Dạng sóng và chức năng của các chân TCA785
4.3.2 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 điều khiển,chân11
Biên độ của răng cưa Điện trở mạch nạp
Thời gian sườn ngắn của xung răng cưa
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
Thời điểm phát xung: tTr V 11 R 9 C 10
R 9 Điện áp trên tụ: V10 V REÌ 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:
+ 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 Ω ¿ 500K Ω
+ 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
4.3.3 Sơ đồ chức năng chân của vi mạch TCA785
Hình 4.3: Sơ đồ khối chức năng chân của TCA 785
MẠCH BẢO VỆ VÀ KẾT LUẬN
Chọn thiết bị bảo vệ
Triac làm việc với dòng điện tối đa Imax = 60A chịu một tổn hao trên van là ( Δ P1) và khi chuyển mạch ( Δ P2) Tổng tổn hao sẽ là: Δ P = Δ P1 + Δ P2 ¿ Δ P1 = Δ U.Ilv = 2.38,39 = 76,78 W.
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: Δ P = 76,78 W. Độ chênh lệch nhiệt độ so với môi trường: τ = 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.
Chọn loại cánh tỏa nhiệt có 12 cánh, kích thước mỗi cánh: a×b =7x7 (cm×cm) Tổng diện tích tỏa nhiệt của cánh STN = 12*2*7*7 = 0.1176 (m 2 ) a b h h1 c z ho
Hình 5.1: Hình dạng cánh tản nhiệt cho Triac
5.1.2 Bảo vệ quá dòng điện cho van
Chọn cầu chì tác động nhanh để bảo vệ ngắn mạch nguồn:
Chọn một cầu chì loại 45A.
Hình 5.2: Hình ảnh cầu chì 45A-690V
5.1.3 Bảo vệ quá điện áp cho van
Bảo vệ quá điện áp do quá trình đóng cắt Triac được thực hiện bằng cách mắc R-C song song với triac(hoặc thyristor) Khi có sự chuyển mạch các điện tích tích tụ trong các lớp bán dẫn, phóng ra ngoài tạo ra dòng điện ngược trong khoảnh thời gian ngắn Sự biến thiên nhanh chóng của dòng điện ngược sẽ gây ra sức điện động cảm ứng rất lớn trong các điện cảm làm cho quá điện áp giữa Anot và Katot của triac (hoặc thyristor) Khi có mạch 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 5.3 : Sơ đồ mạch động lực được lựa chọn
Sử dụng rơle bảo vệ điện áp cho van:
Hình 5.4: Hình ảnh Relay bảo vệ quá áp cho van
Phương hướng phát triển của đề tài
Với mạch điều áo sử dụng IC tích hợp này chúng ta có thể điều khiển hầu hết các loại động cơ một pha công suất nhỏ và vừa trong các xí nghiệp vừa nhỏ Cách khắc phục hiện tượng không mở khi có tải là điện cảm lớn chúng em đã trình bày ở trên Với ưu điểm là gần như điều khiển trơn được tốc độ và dải điều chỉnh rộng Mạch còn ứng dụng để điều khiển nhiệt độ của lò điện trở và ứng dụng trong kỹ thuật chiếu sang.Mạch có thể chuyển thành mạch điều áp xoay chiều 3 pha khi ta nhân 3 mạch điều khiển.dùng cho các động cơ ba pha công suất lớn trong công nghiệp (lúc này van bán dẫn là tiristor).Thực tế thì nhu cầu điều khiển tốc độ đông cơ trong thực tế là khá lớn Với mạch điều khiển này chúng ta có thể điều khiển hầu hết các loại động cơ Ưu điểm của mạch là giá thành hợp lý nhỏ gọn và rất dễ vận hành cũng như sửa chữa.
THI CÔNG MẠCH THỰC TẾ
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 việc
P: Công suất định mức của tải Pđm= 45W
U: Điện áp định mức Uđm"0V cosφ : Hệ số công suất tải cosφ =1
- Điện áp làm việc cực đại của Triac:
- Điện áp của van cần chọn:
Kdt là hệ số dự trữ điện áp Chọn Kdt=1,7
- Dòng điện làm việc của van được tính theo dòng hiệu dụng
U.cosϕ = 45/(220×1)=0.204 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 chúng em quyết định lựa chọn loại van sau :
BT136 có các thông số sau: Điện áp định mức: Uđm = 600 V.
Dòng điện định mức: Iđm = 4A Điện áp điều khiển: Uđk = 2,5V
Dòng điện điều khiển: Iđk = 50 mA
Dòng điện rò: Ir = 4 mA
Dòng điện duy trì: Ih = 80 mA.
Sụt trên van khi mở: Δ U = 1,6 V.
Thời gian giữ xung điều khiển: tx = 2,5 μs
Tốc độ tăng điện áp: du dt = 250 V/ μ s.
Hình 6.1: Cấu tạo và ảnh thực tế của BT136
Nhiệt độ làm việc cực đại: T 0 C = - 40 -150 0 C.
Trên đây là thông số em chọn ứng với tải là động cơ điện một pha công suất nhỏ Các giá trị của nguồn khó có thể vượt qua giá trị này nên chúng em quyết định sử dung BT136 làm van mạch động lực.
Với các giá trị của van đều đáp ứng và sát các thông số yêu cầu của đông cơ nên chúng em quyết định sử dụng van này trong mạch
Tính chọn khâu 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 phạm vi đề tài là ứng dụng với tải công suất trung bình và nhỏ để đáp ứng được tính gọn nhẹ và gái 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 3021 để thực hiện khâu 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 của chúng em.
Hình 6.2: 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 =
- Điện áp sụt tại đầu ra của MOC là U s =3V và dòng điện để Triac BTA41 dẫn là
I gt PmA , nên ta có:
Tính toán bộ nguồn cho mạch điều khiển
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 rơi trên diode. Điện áp ra trên cuộn thứ cấp: U2= Uin+ 2x 0.7= 19,4 V.
Xét với điện áp lưới U"0V.
Nên ta chọn biến áp :
- Diện tích tiết diện lõi biến áp: S = 6 cm 2
- Đường kính dây cuốn biến áp:
+ Sơ cấp: d1=0.53 mm + Thứ cấp: d2=0.65 mm
- Số vòng dây cuộn biến áp:
+ Sơ cấp: n100 vòng + Thứ cấp: n20 vòng
* Chọn chỉnh lưu: U1max$0V, điện áp đặt ngược nên diode chỉnh lưu
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 33.9V nên chọn tụ lọc có Umax= 35V. Chọn độ gợn sóng sau khối chỉnh lưu là K=5%= 0.05
Ta chọn tụ lọc: 2200àF / 35V
* Hiển thị: mắc led song song để báo hiệu mạch điều khiển có nguồn.
Hình 6.3: Sơ đồ nguyên lý của bộ nguồn của mạch điều khiển
Thi công mạch thực tế
Mạch thực tế gồm các linh kiện:
- BT136: Là một linh kiện bán dẫn có khả năng dẫn dòng điện theo cả hai chiều khi được kích hoạt.
- Biến trở 10k, 100k: Được sử dụng để điều chỉnh thời gian kích hoạt của Triac, từ đó điều chỉnh điện áp đầu ra.
- Điện trở 1M, 4.7k, 10k, 50k, 56k, 220, 22k, 2.2k: Giới hạn dòng điện qua Diac.
- Tụ điện 104, 2.2uF, 47nF, 68uF,2200uF: Tạo trễ thời gian để điều chỉnh góc kích của Triac.
Sơ đồ nguyên lý mạch thực tế
1.Chuyển đổi AC đầu vào sang DC: Điện AC đầu vào được cầu chỉnh lưu BR1 chuyển đổi thành điện DC dao động Tụ C5 lọc để làm phẳng điện DC này
2.Ổn áp: IC2 (LM7815) ổn định điện áp đầu ra ở mức 15V DC Các tụ C4 và C8 giúp lọc và ổn định thêm điện áp này LED2 sáng lên khi có điện áp 15V ổn định
3.Mạch điều khiển: IC được cấu hình để tạo ra tín hiệu điều khiển (có thể là xung PWM hoặc tín hiệu khác) dựa trên cấu hình của các điện trở và tụ điện xung quanh
4.Cách ly và chuyển mạch: Optocoupler U1 cách ly mạch điều khiển với mạch công suất Khi nhận tín hiệu từ IC U2, nó điều khiển phần tử chuyển mạch (có thể là TRIAC) để điều khiển tải ở đầu ra
5.Điều khiển tải: Tín hiệu từ optocoupler điều khiển đầu ra AC (AC3), cung cấp điện cho tải ngoại vi Điều này cho phép tải được bật/tắt hoặc điều chỉnh bởi mạch điều khiển
Kết luận mạch này bao gồm hai phần chính: phần cấp nguồn và phần điều khiển. Phần cấp nguồn chuyển đổi điện AC sang DC và ổn định điện áp Phần điều khiển sử dụng một IC để tạo ra tín hiệu điều khiển, sau đó sử dụng optocoupler để cách ly và điều khiển tải ngoại vi bằng điện AC Điều này cho phép mạch điều khiển bật/tắt hoặc điều chỉnh tải một cách an toàn và hiệu quả.
6.5.1 Sơ đồ mạch động lực
6.5.2 Sơ đồ mạch cách ly
6.5.3 Sơ đồ mạch điều khiển
6.5.4 Sơ đồ mạch chỉnh lưu
6.5.5 Sơ đồ mạch nguồn điều khiển
6.5.7 Sơ đồ gắn linh kiện
