Trường Đại học Sư phạm kỹ thuật Hưng YênKhoa: Điện- Điện Tử ĐỒ ÁN MÔN HỌC ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ CHẾ TẠO MẠCH ĐIỀU ÁP XOAY CHIỀU MỘT PHA SỬ DỤNG TRIAC ỨNG DỤNG ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ QUAY ĐỘNG CƠ
Tổng quan về động cơ điện xoay chiều 1 pha
Giới thiệu về động cơ điện 1 pha
1.1 Khái niệm Động cơ điện 1 pha (còn được gọi là motor điện 1 pha) là loại động cơ mà dây quấn stato chỉ bao gồm có 1 cuộn dây pha, còn nguồn cấp chính là 1 dây pha và 1 dây nguội (có thêm tụ điện để làm lệch pha) Tuy nhiên, nếu chỉ có 1 cuộn dây pha thì khi đó động cơ sẽ không thể tự mở máy được, vì từ trường 1 pha lại chính là từ trường đập mạch Để động cơ 1 pha có thể mở máy lên được, các bạn có thể dùng nhiều phương pháp khác nhau Động cơ điện không đồng bộ (ký hiệu là KDB) 1 pha motor điện 1 pha thường được ứng dụng rất nhiều trong cuộc sống, trở thành 1 phần không thể thiếu trong nhiều lĩnh vực khác nhau, chẳng hạn như: máy nén khí, tời kéo, máy bơm nước, dụng cụ cầm tay,…
Hình 1.1: Động cơ điện một pha
Cơ cấu của động cơ không đồng bộ (ĐCKĐB) 1 pha còn tùy theo kiểu loại vỏ bọc là loại kín hoặc hở, là do hệ thống làm mát sử dụng cánh quạt thông gió đặt ở bên trong hay đưa ra bên ngoài động cơ.
Nhìn chung, motor điện 1 pha có 2 phần chính, đó là phần tĩnh và phần quay. + phần tĩnh hay còn gọi là stato
+ phần quay hay còn gọi là roto
Hình 1.2 Cấu tạo động cơ 1 pha
Trên stato có vỏ máy, lõi thép và dây quấn
Hình 1.3 Phần tĩnh động cơ không đồng bộ 1 pha a, vỏ máy
Vỏ máy có tác dụng cố định lõi thép và dây quấn Vỏ máy thường làm bằng gang.Đối với vỏ máy có công suất lớn ( 1000kw ) thường dùng thép tấm hàn lại làm vỏ máy,tùy theo cách làm máy và dạng vỏ máy cũng khác nhau Ngoài ra còn có nắp máy và bạc đạn.
Hình 1.4 Vỏ máy động cơ không đồng bộ ba pha roto lồng sóc b, Lõi thép
Lõi thép có nhiệm vụ dẫn từ
Lõi thép stato hình trụ do các lá thép kỹ thuật điện được dập rãnh bên trong ghép lại với nhau tạo thành các rãnh Mỗi lá thép kỹ thuật đều được phủ sơn cách điện để giảm hao tổn do dòng xoáy gây nên Mặt trong của lõi thép có xẻ rãnh để đặt dây quấn.
Hình 1.5 Lõi thép động cơ c, Dây quấn Được làm bằng dây đồng bọc cách điện, đặt bên trong dãnh của lõi thép Dây quấn là bộ phận quan trọng nhất của động cơ vì nó trực tiếp tham gia vào quá trình biến đổi năng lượng từ điện năng thành cơ năng Đồng thời về mặt kinh tế thì giá thành của dây quấn cũng chiếm tỉ lệ khá cao trong toàn bộ giá thành của máy.
Bao gồm các thanh đồng hoặc các thanh nhôm được đặt trong rãnh và bị ngắn mạch bởi 2 vành ngắn mạch được thiết kế ở hai đầu Với động cơ nhỏ, phần dây quấn rotor sẽ được đúc nguyên khối, bao gồm có các bộ phận như vành ngắn mạch, thanh dẫn, cánh tản nhiệt và cả cánh quạt để làm mát Các động cơ KĐB có công suất trên 100kW thì có thêm thanh dẫn làm bằng đồng được đặt vào giữa các rãnh rotor rồi gắn chặt vào phần vành ngắn mạch.
Hình 1.7: Cấu tạo roto lồng sóc động cơ không đồng bộ ba pha
1.5 Nguyên lý hoạt động động cơ một pha Động cơ 1 pha nếu chỉ có dây cuốn 1 pha thì tự nó không khởi động được vì từ trường của dây cuốn 1 pha là từ trường đập mạch Để cho động cơ quay được người ta phải sử dụng thêm dây cuốn phụ, đối với động cơ vòng chập thì dây cuốn phụ chính là các dòng ngắn mạch được gắn ở trên bề mặt của các cực từ Với động cơ chạy tụ thì dây cuốn phụ chính là cuộn khởi động được đặt lệch pha với dây quấn chính (cuộn làm việc) một góc là 90 o , cuộn khởi động còn được nối tiếp với một tụ điện để tạo Mômen mở máy ban đầu cho động cơ Khi có them vòng ngắn mạch (động cơ vòng chập) hoặc dây cuốn khởi động (động cơ chạy tụ) thì từ trường sinh ra trong lõi thép Stator sẽ là từ trường quay và Rotor của động cơ 1 pha có thể tự quay được.
Tốc độ quay của động cơ được xác định: nđ/cơ 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
22 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:
Hình 3.5 Sơ đồ dạng sóng Tuỳ theo tải có điện cảm lớn cỡ nào mà ta thiết kế chọn độ rộng xung cho hợp lý.
3.1.3.1 Phân tích Điều khiển Triac trong sơ đồ chỉnh lưu hiện nay có rất nhiều phương pháp khác nhau thường gặp là điều khiển theo nguyên tắc thẳng đứng tuyến tính Theo nguyên tắc này để điều khiển góc mở 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
Hình 3.6: 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.
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
24 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.
Sơ đồ nguyên lí
Hình 3.9: Sơ đồ nguyên lí.
Tính toán chọn thiết bị
3.3.1 Tính chọn van động lực
Dựa vào các yếu tố cơ bản dòng tải, sơ đồ cần chọn, điều kiện tản nhiệt, điện áp làm việc
P: Công suất định mức của tải Pđm=2,5 KW
U: Điện áp định mức U"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
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 :
BTA 41-600B có các thông số sau: Điện áp định mức: Uđm = 700 V.
Dòng điện định mức: Iđm = 40 A Điện áp điều khiển: Uđk = 2,5V
Dòng điện điều khiển: Iđk = 50 m
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 = 150 V/ μ s.
Hình 3.10 Hình ảnh BTA 41-600B Nhiệt độ làm việc cực đại: T 0 C = 110 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 BTA41-600 làm van mạch lực.
Các giá trị trên em lấy trên datasheet của triac
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
3.3.2 Chọn thiết bị bảo vệ
Triac làm việc với dòng điện tối đa Imax = 1.165A 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 = 1,6.11,364 = 18,1824 W. Tổn hao công suất này sinh ra nhiệt Mặt khác van chỉ làm việc tới nhiệt độ tối đa cho phép là T = 110 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 = 18,1824W. Độ chênh lệch nhiệt độ so với môi trường: τ = Tlv – Tmt
Có Tlv = 110 0 C, chọn nhiệt độ môi trường: Tmt = 25 0 C.
Ktn: Hệ số có xét tới điều kiện tỏa nhiệt.
Hình 3.11: Hình dạng cánh tản nhiệt cho triac
3.3.2.2 Bảo vệ quá dòng điện cho van
Chọn cầu chì tác động nhanh để bảo vệ ngắn mạch nguồn:
Chọn một cầu chì loại 13A.
3.3.2.3 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 3.12: sơ đồ mạch động lực được lựa chọn
Trên đây chúng em xin trình bày cách tính chọn van và mạch dộng lực cho mạch điều khiển !
3.3.3 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 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 :
Hình 3.13 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 3.14: Sơ đồ khối và sơ đồ nguyên lý của moc 3020.
- 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 Igt=7mA, lúc này ta có điện trở cần trong mạch là:
- Điện áp sụt tại đầu ra của MOC là Us=3V và dòng điện để Triac BTA41 dẫn là IgtPmA, nên ta có:
3.3.4 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 dơi 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: n150 vòng + Thứ cấp: n20 vòng
* 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.
Sơ đồ mạch in
Hình 3.15 Hình ảnh sơ đồ mạch in
Nguyên lí hoạt động
Nguyên lí hoạt động: Khi cấp nguồn cho mạch điều khiển qua khối chỉnh lưu điện áp 15V AC vào các chân 13,6,16 cho TCA 785 chân 5 của mạch nối với điện áp xoay chiều 15V sau máy biến áp để tạo điện áp đồng với mạch lực (mạch lực và mạch điều khiển chung nguồn) Để tạo được xung răng cưa sau khi tham khảo sơ đồ chân của datasheet chúng em nối chân 12 với một tụ không phân cực 47nF để tạo độ rộng xung và một tụ 68nF vào chân 10 để tạo biên độ cho mạch điều khiển để điều khiển được triac dùng 2 biến trở 10k và 100k vào chân 11 để diều khiển độ rộng xung qua đó điều chỉnh góc mở cho triac và từ đó nhận được một giá trị điện áp tương ứng trên tải (các chân còn lại không dùng chúng em chọn giải pháp để trống không nối mát). Xung ra từ chân điều khiển 14 để điều chỉnh góc mở phần điện áp dương, chân 15 để phát xung điều khiển mở phần điện áp âm để mở cho triac ta có thể nhận được giá trị điện áp tương ứng đặt cho tải từ đó điều chỉnh được tốc độ động cơ theo ý muốn Để an toàn cho mạch điều khiển không bị điện áp ngược từ mạch lực sử dụng 2 diot
38 chống ngược dòng và qua mạch cách ly quang sử dụng MOC 3020 như chúng em đã giới thiệu Mạch lực được bảo vệ bởi cầu chì 12.5A Để điều khiển tốc độ động cơ người điều khiển chỉ cần vặn biến trở RV1 để nhận được giá trị điện áp tương ứng góc mở càng nhỏ thì điện áp đặt trên tải càng lớn và ngược lại Biến trở RV2 để điều chỉnh độ mịn cho góc mở nhờ điều chỉnh biên độ của xung răng cưa.
Mô hình sản phẩm
Hình 3.16 Hình ảnh sản phẩm thực tế
Kết luận và hướng phát triển
Qua quá trình thực hiện đề tài: “Thiết kế, chế tạo mạch điều áp xoay chiều 1 pha sử dụng triac ứng dụng điều khiển tốc độ quay động cơ điện” đã giúp chúng em củng cố lại kiến thức đã học, hiểu thêm được kiến thức mới và rèn luyện thêm về kỹ năng thiết kế, vẽ mạch, làm mạch Đồng thời qua đó chúng em tự đánh giá được năng lực của bản thân Qua thời gian thực hiện đề tài mỗi người trong chúng em đã quen dần với việc làm việc độc lập cũng như làm việc theo nhóm, biết cách tổ chức công việc và thời gian hợp lý Đó là một thành quả lớn trong quá trình học tập mà chúng em đã đạt được. ̶¨ Với kết quả đã đạt được qua đề tài này có thể được ứng dụng thiết thực trong thực tế trong đời sống, trong các tiết học tại trường ĐHSPKT Hưng Yên, xa hơn là được sử dụng trong các lĩnh vực sản xuất đơn giản, … Giúp nâng cao nâng cáo, là cơ sở để phát triển tư duy nghiên cứu của sinh viên về các đề tài thiết kế chế tạo mạch điện nâng cao sau này.
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 áo 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.
