thiết kế hệ thống điều khiển tốc độ động cơ điện xoay chiều một pha dùng tca 785

Luận văn, khóa luận tốt nghiệp, báo cáo là sản phẩm kiến thức, là công trình khoa học đầu tay của sinh viên, đúc kết những kiến thức của cả quá trình nghiên cứu và học tập một chuyên đề, chuyên ngành cụ thể. Tổng hợp các đồ án, khóa luận, tiểu luận, chuyên đề và luận văn tốt nghiệp đại học về các chuyên ngành: Kinh tế, Tài Chính & Ngân Hàng, Công nghệ thông tin, Khoa học kỹ thuật, Khoa học xã hội, Y dược, Nông - Lâm - Ngữ... dành cho sinh viên tham khảo. Kho đề tài hay và mới lạ giúp sinh viên chuyên ngành định hướng và lựa chọn cho mình một đề tài phù hợp, thực hiện viết báo cáo luận văn và bảo vệ thành công đồ án của mình.

ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ

ĐIỆN XOAY CHIỀU MỘT PHA DÙNG TCA 785

ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ

ĐIỆN XOAY CHIỀU MỘT PHA DÙNG TCA 785 I-Số liệu cho trước:

-Dòng xoay chiều với các thông số:

-Đông cơ với các thông số: Uđm=220V; Pđm=0.2kw ,nđm=1420vg/ph,I

dđm=1.9A, đm=60%, Cosφđm=0.8; fđm=50Hz.

II-Nội dung cần hoàn thành:

Báo cáo về tiến độ thực hiện các công việc theo từng tuần

Thuyết minh đề tài: ( Phân tích yêu cầu, trình bày các phương pháp thực hiện, cơ sở lý thuyết, quá trình thực hiện đồ án,…)

Các bản vẽ thiết kế cho từng khối, cho toàn bộ mạch đầy đủ chính xác

 Phải đảm bảo tính khả thi, tính ổn định khi làm việc của sản phẩm

Sản phẩm còn phải đảm bảo tính mỹ quan mà vẫn đảm bảo tính kỹ thuật đáp ứng được yêu cầu của giáo viên hướng dẫn

Trình bày được hướng phát trển của đề tài

LỜI NÓI ĐẦU

Điện tử công suất và truyền động điên là một môn học hay và lý thú, cuốn hút được nhiều sinh viên theo đuổi Là những sinh viên chuyên ngành đo lường điều khiển, chúng em muốn được tiếp cận và hiểu sâu hơn nữa bộ môn điện tử công suất và truyền động điện.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

“Thiết kế hệ thống điều khiển tốc độ động cơ điện xoay chiều một pha dùng TCA 785” 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

Trong suốt thời gian thực hiện đề tài, chúng em đã gặp một số vướng mắc

về lý thuyết và khó khăn trong việc thi công sản phẩm Tuy nhiên, chúng em đã nhận được sự giải đáp nhiệt tình của cô hướng dẫn cùng sự góp ý kiến của các bạn sinh viên trong lớp Đựơc như vậy chúng em xin chân thành cảm ơn và

mong muốn nhận được nhiều hơn nữa sự giúp đỡ, chỉ bảo của cô giáo và bạn trong các đồ án sau này

Chúng em xin chân thành cảm ơn!

NNhóm thực hiện:

NNguyễn Tiến Mạnh

Hoàng Văn Nguyên

ê

Lê Mạnh Tưởng

PHẦN I: CƠ SỞ LÝ THUYẾT CHƯƠNG I: ĐỘNG CƠ ĐIỆN XOAY CHIỀU MỘT PHA

1.1 Khái niệm

Động cơ điện xoay chiều một pha (gọi tắt là động cơ một pha) là động cơđiện xoay chiều không cổ góp được chạy bằng điện một pha Loại động cơ điệnnày 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 dụngloại động cơ này người ta thường cần điều chỉnh tốc độ ví dụ như quạt bàn ,quạttrần

Để điều khiển tốc độ động cơ một pha người ta có thể sử dụng các phươngpháp 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

1.2 Nguyên lý điều khiển động cơ xoay chiều một pha

Trước đây điều khiển tốc độ động cơ bằng điều khiển điện áp xoay chiềuđưa vào động cơ, người ta thường sử dụng hai cách phổ biến là mắc nối tiếp vớitải một điện trở hay một điện kháng mà ta coi là Zf hoặc là điều khiển điện ápbằng biến áp như là survolter hay các ổn áp

Hai cách trên đây đều có nhược điểm là kích thước lớn và khó điều khiểnliên tục khi dòng điện lớn

Ngày nay với việc ứng dụng Tiristor và Triac vào điều khiển, người ta cóthể điều khiển động cơ một pha bằng bán dẫn

1.3 Một số mạch điều khiển động cơ một pha

Một trong những ứng dụng rất rộng rãi của điều áp xoay chiều là điềukhiển động cơ điện một pha mà điển hình là điều khiển tốc độ quay của quạtđiện

Chức năng của các linh kiện trong sơ đồ hình 15 - 4:

T - Triac điều khiển điện áp trên quạt

VR - biến trở để điều chỉnh khoảng thời gian dẫn của Triac

R - điện trở đệm

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 chỉnhbiến trở VR trên hình a Tuy nhiên sơ đồ điều khiển này không triệt để, vì ởvùng 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 cóthể được điều khiển cũng bằng biến trở VR Khi điều chỉnh trị số VR ta điềuchỉnh việc nạp tụ C lúc đó điều chỉnh được thời điểm mở thông diac và thờiđiểm Triac dẫn Như vậy Triac được mở thông khi điện áp trên tụ đạt điểm dẫnthông 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 trởcủa VR càng lớn tụ nạp càng chậm Triac mở càng chậm lại điện áp và tốc độcủa 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 tảikhác như điều khiển độ sáng của đèn sợi đốt, điều khiển bếp điện rất có hiệuquả

-Kích thước mạch điều khiển nhỏ, gọn

* Nhược điểm:

Nếu chất lượng Triac, diac không tốt thì ở vùng tốc độ thấp quạt sẽ xuấthiện tiếng ù do thành phần một chiều của dòng điện

CHƯƠNG II: BỘ ĐIỀU ÁP XOAY CHIỀU MỘT PHA 2.1 Đặt vấn đề

Các bộ biến đổi điện áp xoay chiều dùng để biến đổi điện áp hiệu dụng đặtlên tải Nguyên lý của bộ biến đổi này là dùng các phần tử van bán dẫn nối tảivới nguồn trong một khoảng thời gian t1 rồi lại cắt đi trong một khoảng thờigian t0 theo một chu kỳ lặp lại T Bằng cách thay đổi độ rộng của t1 hay t0 trongkhoảng T ta thay đổi được giá trị điện áp trung bình ra trên tải Nguyên lý này

có ưu điểm là điều chỉnh điện áp ra trong một phạm vi rộng và vô cấp, hiệu suấtcao vì tổn thất trên các phân tử điện tử công suất rất nhỏ Điều áp xoay chiềuthường được sử dụng trong điều khiển chiếu sáng, đốt nóng, trong khởi độngmềm và điều chỉnh tốc độ quạt gió hoặc máy bơm

-Phân loại: Dựa vào số pha nguồn cấp mà ta có các bộ điều chỉnh điện ápkhác nhau là Điều áp xoay chiều một pha, Điều áp xoay chiều ba pha

2.2 Giới thiệu một số sơ đồ mạch động lực

Hình 1 giới thiệu một số mạch điều áp xoay chiều một pha Hình 1a là điều

áp xoay chiều điều khiển bằng cách mắc nối tiếp với tải một điện kháng hayđiện trở phụ (tổng trở phụ ) biến thiên Sơ đồ mạch điều chỉnh này đơn giản dễthực hiện Tuy nhiên, mạch điều chỉnh kinh điển này hiện nay ít được dùng, dohiệu suất thấp (nếu Zf là điện trở ) hay cos thấp(nếu Zf là điện cảm )

Hình 1 Các phương án điều áp một pha

Người ta có thể dùng biến áp tự ngẫu để điều chỉnh điện áp xoay chiều U2như trên hình 1b Điều chỉnh bằng biến áp tự ngẫu có ưu điểm là có thể điềuchỉnh điện áp U2 từ 0 đến trị số bất kì, lớn hay nhỏ hơn điện áp vào Nếu cầnđiện áp ra có điều chỉnh, mà vùng điều chỉnh có thể lớn hơn điện áp vào, thìphương án phải dùng biến áp là tất yếu Tuy nhiên, khi dòng tải lớn, sử dụngbiến 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 tiếpxúc trên một vòng dây của biến áp

Hai giải pháp điều áp xoay chiều trên hình 1a,b có chung ưu điểm là điện

áp hình sin, đơn giản Có chung nhược điểm là quán tính điều chỉnh chậm vàkhông điều chỉnh liên tục khi dòng tải lớn Sử dụng sơ đồ bán dẫn để điều chỉnhxoay chiều, có thể khắc phục được những nhược điểm vừa nêu

Các sơ đồ điều áp xoay chiều bằng bán dẫn trên hình 1c được sử dụng phổbiến 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:

U UTải

ta

Hình 2: Sơ đồ điều áp xoay chiều một pha bằng bán dẫn

a bằng hai tiristor song song ngược

đồ này là hoàn toàn đáp ứng được

Tuy nhiên, việc điều khiển hai tiristor song song ngược đôi khi có chấtlượng 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 hạnnhư biến áp hay động cơ xoay chiều) Khả năng mất đối xứng điện áp tải khiđiều khiển là do linh kiện mạch điều khiển tiristor gây nên sai số Điện áp tảithu 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, sẽlàm cho tải có thành phần dòng điện một chiều, các cuộn dây bị bão hoà, phátnóng và bị cháy Vì vậy việc định kì kiểm tra, hiệu chỉnh lại mạch là việc nênthường xuyên làm đối với sơ đồ mạch này Tuy vậy, đối với dòng điện tải lớnthì đây là sơ đồ tối ưu hơn cả cho việc lựa chọn

U UTải

tb

Để khắc phục nhược điểm vừa nêu về việc ghép hai tiristor song songngược, triac ra đời và có thể mắc theo sơ đồ hình 2.B Sơ đồ này có ưu điểm làcác đường cong điện áp ra gần như mong muốn như hình 3.a, nó còn có ưuđiểm hơn khi lắp ráp Sơ đồ mạch này hiện nay được sử dụng khá phổ biếntrong công nghiệp Tuy nhiên triac hiện nay được chế tạo với dòng điện khônglớn (I < 400A), nên với những dòng điện tải lớn cần phải ghép song song cáctriac, 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.B ít dùng

Sơ đồ hình 2.C có hai tiristor và hai điốt có thể được dùng chỉ để nối cáccực 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 2D trước đây thường được dùng, khi cần điều khiển đối xứngđiện áp trên tải, vì ở đây chỉ có một tiristor một mạch điều khiển nên việc điềukhiển đối xứng điện áp dễ dàng hơn Số lượng tiristor ít hơn, có thể sẽ có ưuđiểm 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 điềukhiển thấp Ngoài ra, tổn hao năng lượng nhiệt lớn làm cho hệ thống làm mátkhó khăn hơn

2.3 Giới thiệu về phần tử bán dẫn triac.

2.3.1 Cấu tạo và ký hiệu

T1

T2 G

Hình 4: Cấu tạo và ký hiệu của triac.

Triac là linh kiện bán dẫn tương tự như hai Thyristor mắc song songngược, nhưng chỉ có một cực điều khiển Triac là thiết bị bán dẫn ba cực, bốnlớp Có thẻ điều khiển cho mở dẫn dòng bằng cả xung dương (dòng đi vào cựcđiều khiển) lẫn xung dòng âm (dòng đi ra khỏi cực điều khiển) Tuy nhiên xungdòng điều khiển âm có độ nhạy kém hơn, nghĩa là mở Triac sẽ cần một dòngđiều khiển âm lớn hơn so với dòng điểu khiển dương Vì vậy trong thực tế đểđảm bảo tính đối xứng của dòng điện qua Triac thì sử dụng dòng điều khiển âm

là tốt hơn cả

*Nguyên lý hoạt động

Có 4 tổ hợp điện thế có thể mở Triac cho dòng chảy qua:

Triac có đường đặc tính V-A đối xứng nhận góc mở α trong cả haichiều

2.4 Điều áp xoay chiều một pha ứng với tải R-L

Hình7: Hình dáng dòng điện và điện áp đối với tải R-L

Khi tiristor T1 mở có phương trình:

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 thìkhông thể mở được T2, tức β≤π+α

Để thoả mãn điều kiện này ta phải có: α≥ψ

Hình 8: 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 xoaychiều vẫn phải cung cấp một lượng công suất phản kháng

Giá trị hiệu dụng của điện áp trên 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 =(

V2

R ) đến 0Dưới đây là bảng góc mở α ứng với từng loại tải :

PHẦN II: THIẾT KẾ MẠCH CHƯƠNG I: THIẾT KẾ

Mạch điều khiển

Mạch cách ly

Mạch cách ly Mạc lực

Biến đổi dòng xoay chiều điện áp 15V thành dòng một chiều cấp cho chânvào của TCA785.

c.Nguyên lý hoạt động

Dòng điện 15V xoay chiều qua cầu chỉnh lưu 3A làm biến đổi từ dòngxoay chiều thành dòng một chiều.Khi qua IC ổn áp 7815 sẽ cho dòng điện cóđiện áp 15V ổn định.Sau khối chỉnh lưu cầu điện áp 15v được cho qua tụ2200µF để san phẳng điện áp tạo điện áp ổn định cho IC ổn áp 7815 và mắcsong 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

1.2.2 Mạch lực

Với yêu cầu của đề tài là thiết kế bộ điều áp xoay chiều cho động cơ (tảiR+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 suấtđáp ứng

- Mạch điều khiển Triac đơn giản

- Giá thành rẻ, vận hành đơn giản

a Sơ đồ mạch

b.Nguyên lý làm việc

Tín hiệu được đưa vào chân điều khiển G của Triac Triac có nhiệm vụđiều khiển mở dẫn dòng từ đó ta nhận được giá trị điện áp trên tải tương ứngvới góc mở của triac khi ta điều chỉnh biến trở V11 để điều chỉnh độ rộng xungvuông 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 khám nên khi tắt vẫn có mộtphần điện áp trả lại của động cơ Nên có thể xuất hiện một vùng không hoạtđộng 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 phâncực ngược Do đó trong vùng từ φ1 cho đến π nếu có phát xung điều khiển T2thì 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 thờiđiểm mở tiristor,điện cảm càng lớn khi dòng điện biến thiên càng chậm Nếu độrộng xung điều khiển hẹp, dòng điện khi có xung điều khiển không đủ lớn hơndòng điện duy trì,do đó van bán dẫn không tự giữ dòng điện Kết quả không códòng 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 điềukhiển, dòng điện còn nhỏ hơn dòng duy trì nên van bán dẫn khoá luôn Chỉ khinào điện áp mở ở van đủ lớn hơn dòng dòng điện duy trì, dòng điện mới tồn tạitrong mạch

Để khắc phục hiện tường này là tạo xung gián đoạn bằng chùm xung liêntiếp 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 chohợp lý

1.2.3.Mạch điều khiển

1.2.3.1.Phõn tớch

Điều khiển Triac trong sơ đồ chỉnh lưu hiện nay cú rất nhiều phương phỏpkhỏc nhau thường gặp là điều khiển theo nguyờn tắc thẳng đứng tuyến tớnh.Theo nguyờn tắc này để điều khiển gúc mở α của Triac ta tạo ra một điện ỏptựa dạng tam giỏc (điện ỏp tựa răng cưa Urc) Dựng một điện ỏp một chiều Uđk

để so sỏnh với điện ỏp tựa Tại thời điểm hai điện ỏp này bằng nhau(Uđk= Urc) Trong vựng điện ỏp dương anot thỡ phỏt xung điều khiển cho tới cuối bỏn

kỳ (hoặc tới khi dũng điện bằng 0)

Để thực hiện ý đồ trờn mạch điều khiển bao gồm 3 khõu cơ bản:

Khầu đồng bộ Khầu so sánh Tạo xung &

khuyếch đại

Van động lực

Hỡnh 9: Sơ đồ khối cỏc khõu trong mạch điều khiển

* Nhiệm vụ của cỏc khõu trong sơ đồ khối như sau:

1 Khõu đồng bộ: Cú nhiệm vụ tạo ra điện ỏp tựa Urc tuyến tớnh trựng phavới điện ỏp Anot (cực G) của Thyristor (triac)

2 Khõu so sỏnh: Nhận tớn hiệu điện ỏp tựa và điện ỏp điều khiển Cú

nhiệm vụ so sỏnh giữa điện ỏp tựa với điện ỏp điều khiển Uđk Tỡm thời điểm haiđiện ỏp bằng nhau(Uđk= Urc) Tại thời điểm hai điện ỏp này bằng nhau thỡ phỏtxung điều khiển ở đầu ra để gửi sang tầng tạo xung và khuếch đại xung

3 Khõu tạo xung và khuếch đại xung: