THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU ÁP XOAY CHIỀU MỘT PHA SỬ DỤNG HAI SCR.

Điện tử công suất là một môn học hay và lý thú, cuốn hút được nhiều sinh viên theo đuổi, tìm hiểu bởi những tiện ích và khả năng ứng dụng mạnh mẽ mà nó mang lại cho sự phát triển của nhiều ngành, đặc biệt là điện tự động hoá. Là những sinh viên chuyên nghành điện tử công nghiệp, 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 và củng cố lý thuyết đã được học.Trong đồ án điện tử công suất lần này, chúng em đã được thầy giáo Nguyễn Đình Hùng giao đề tài “ Thiết kế chế tạo bộ điều áp xoay chiều một pha sử dụng hai SCR ”. Sau thời gian nghiên cứu, chúng em đã chế tạo thành công bộ điều khiển điện áp xoay chiều đáp ứng được cơ bản yêu cầu của đề tài.

LỜI NÓI ĐẦU 4

CHƯƠNG 1 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 5

1.1 Giới thiệu về động cơ xoay chiều một pha 5

1.1.1 Khái niệm 5

1.1.2 Cấu tạo của động cơ xoay chiều một pha 5

1.1.3 Nguyên lý hoạt động của động cơ một pha 6

1.1.4 Các phương pháp điều khiển tốc độ động cơ một pha 6

1.2 Giới thiệu bộ điều áp xoay chiều 7

1.2.1 Khái niệm, phân loại 7

1.2.2 Nguyên lý hoạt động 7

1.2.3 Một số phương pháp điều chỉnh điện áp xoay chiều 7

1.2.4 Bộ biến đổi điện áp xoay chiều sử dụng hai SCR 11

a, Trường hợp tải thuần trở 11

b, Trường hợp tải L, thuần cảm 12

c, Trường hợp tải R + L 13

1.3 Nguyên tắc điều khiển bộ biến đổi điện áp xoay chiều 14

1.3.1 Giới thiệu về vi mạch TCA 785 14

1.3.2 Kí hiệu của TCA 785 15

1.3.3 Chức năng chân của TCA 785 15

1.3.4 Dạng sóng dòng điện 16

1.3.5 Sơ đồ cấu tạo của TCA 785 17

1.3.6 Nguyên ký làm việc của vi mạch TCA 785 17

1.3.7 Sơ đồ mạch ứng dụng TCA785 điều khiển Thyristor trong mạch điều áp 18

CHƯƠNG II: TÍNH TOÁN THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU ÁP XOAY CHIỀU MỘT PHA SỬ DỤNG HAI SCR 19

2.1 Thiết kế sơ đồ khối và chức năng từng khối 19

2.2 Thiết kế sơ đồ nguyên lý và nguyên tắc hoạt đông của từng mạch 19

2.2.1 Thiết kế mạch động lực 19

2.2.2 Thiết kế mạch điều khiển 20

2.2.3 Thiết kế mạch cách ly 24

2.2.4 Thiết kế mạch nguồn 26

2.3 Thiết kế sơ đồ nguyên lý,nguyên tắc hoạt động toàn mạch 27

2.3.1 Thiết kế sơ đồ nguyên lý 27

2.3.2 Nguyên lý hoạt động toàn mạch 27

2.3.3 Sơ đồ mạch in 28

2.4.Tính chọn van động lực 28

2.5 Tính chọn mạch điều khiển 30

2.6 Tính chọn thiết bị bảo vệ 30

2.6.1 Bảo vệ quá nhiệt 30

2.6.2 Bảo vệ quá dòng điện cho van 31

2.6.3 Bảo vệ quá điện áp cho van 31

2.7 Phương hướng phát triển của đề tài 31

CHƯƠNG III: KHẢO SÁT VÀ ĐÁNH GIÁ 33

KẾT LUẬN 33

Nhận xét của giáo viên hướng dẫn

Ngày Tháng Năm 2017

Giáo viên hướng dẫn

LỜI NÓI ĐẦU

Điện tử công suất là một môn học hay và lý thú, cuốn hút được nhiều sinhviên theo đuổi, tìm hiểu bởi những tiện ích và khả năng ứng dụng mạnh mẽ mà nómang lại cho sự phát triển của nhiều ngành, đặc biệt là điện tự động hoá

-*** -Là những sinh viên chuyên nghành điện tử công nghiệp, chúng em muốnđược tiếp cận và hiểu sâu hơn nữa bộ môn điện tử công suất, vì vậy đồ án môn họcchế tạo sản phẩm là điều kiện tốt giúp chúng em kiểm chứng và củng cố lý thuyết

đã được học.Trong đồ án điện tử công suất lần này, chúng em đã được thầy giáo

Nguyễn Đình Hùng giao đề tài “ Thiết kế chế tạo bộ điều áp xoay chiều một pha

sử dụng hai SCR ” Sau thời gian nghiên cứu, chúng em đã chế tạo thành công bộ

điều khiển điện áp xoay chiều 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 và hướng dẫn kịp thời của thầy Nguyễn Đình Hùng, sự góp ý kiến

của các thầy cô trong khoa và các bạn sinh viên trong lớp Đựơc như vậy chúng emxin chân thành cảm ơn và mong muốn nhận được nhiều hơn nữa sự giúp đỡ, chỉ bảocủa các thầy,cô và các bạn trong các đồ án sau này

Nhóm sinh viên thực hiện:

Nguyễn Văn Hiếu Nguyễn Văn Hoàng

CHƯƠNG 1 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 1.1 Giới thiệu về động cơ xoay chiều một pha.

1.1.1 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 điện nàyđược sử dụng khá rộng rãi trong công nghiệp và trong đời sống như động cơ bơmnước động cơ quạt động cơ trong các hệ thống tự động Khi sử dụng loại động cơnày người ta thường cần điều chỉnh tốc độ ví dụ như quạt bàn ,quạt trần

Hình 1: Động cơ điện xoay chiều 1 pha

1.1.2 Cấu tạo của động cơ xoay chiều một pha.

Động cơ gồm có hai phần chính là stator và rotor Stato gồm các cuộn dâycủa ba pha điện quấn trên các lõi sắt bố trí trên một vành tròn để tạo ra từ trườngquay Rôto hình trụ có tác dụng như một cuộn dây quấn trên lõi thép.

- Dây quấn phần ứng:

Dây quấn phần ứng là phần sinh ra suất điện động và có dòng điện chạy qua.Thường làm bằng dây đồng có bọc cách điện.Trong máy điện nhỏ thường dùngdây có tiết diện tròn, trong máy điện vừa và lớn thường dùng dây tiết diện hìnhchữ nhật Dây quấn được cách điện với rãnh của lõi thép.

- Trục máy: Trên đó đặt lõi sắt phần ứng, cổ góp, cánh quạt và ổ bi Trục máythường làm bằng thép Cacbon tốt

Hình 2: Roto và stato

1.1.3 Nguyên lý hoạt động của động cơ một pha.

Khi mắc động cơ vào mạng điện xoay chiều, từ trường quay do stato gây ralàm cho rôto quay trên trục Chuyển động quay của rôto được trục máy truyền rangoài và được sử dụng để vận hành các máy công cụ hoặc các cơ cấu chuyển độngkhác

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 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 Giới thiệu bộ điều áp xoay chiều.

1.2.1 Khái niệm, phân loại.

- Bộ điều chỉnh điện áp xoay chiều gọi tắt là điều áp xoay chiều thực hiệnbiến đổi điện áp xoay chiều về độ lớn và dạng sóng nhưng tần số không thay đổi( AC.voltage controler)

- 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

1.2.2 Nguyên lý hoạt động.

Các bộ biến đổi điện áp xoay chiều dùng để biến đổi điện áp hiệu dụng đặt lêntải Nguyên lý của bộ biến đổi này là dùng các phần tử van bán dẫn nối tải vớinguồn trong một khoảng thời gian t1 rồi lại cắt đi trong một khoảng thời gian t0 theomột chu kỳ lặp lại T Bằng cách thay đổi độ rộng của t1 hay t0 trong khoảng T tathay đổi được giá trị điện áp trung bình ra trên tải Nguyên lý này có ưu điểm làđiều chỉnh điện áp ra trong một phạm vi rộng và vô cấp, hiệu suất cao vì tổn thấttrên các phân tử điện tử công suất rất nhỏ

Điều áp xoay chiều thường được sử dụng trong điều khiển chiếu sáng, đốtnóng, trong khởi động mềm và điều chỉnh tốc độ quạt gió hoặc máy bơm nước

1.2.3 Một số phương pháp điều chỉnh điện áp xoay chiều.

Hình 3 giới thiệu một số mạch điều áp xoay chiều một pha Hình 3a là điều

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

Hình 3: Các phương pháp điều áp xoay chiều một pha

Người ta có thể dùng biến áp tự ngẫu để điều chỉnh điện áp xoay chiều U2như trên hình 3b Điều chỉnh bằng biến áp tự ngẫu có ưu điểm là có thể điều chỉnhđiện áp U2 từ 0 đến trị số bất kì, lớn hay nhỏ hơn điện áp vào Nếu cần điện áp ra cóđiều chỉnh, mà vùng điều chỉnh có thể lớn hơn điện áp vào, thì phương án phải dùngbiến áp là tất yếu Tuy nhiên, khi dòng tải lớn, sử dụng biến áp tự ngẫu để điềuchỉnh, khó đạt được yêu cầu như mong muốn, đặc biệt là không điều chỉnh liên tụcđược, 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 3a,b có chung ưu điểm là điện áphình sin, đơn giản Có chung nhược điểm là quán tính điều chỉnh chậm và khôngđiều chỉnh liên tục khi dòng tải lớn Sử dụng sơ đồ bán dẫn để điều chỉnh xoaychiều, có thể khắc phục được những nhược điểm vừa nêu

Các sơ đồ điều áp xoay chiều bằng bán dẫn trên hình 3c được sử dụng phổbiến.Lựa chọn sơ đồ nào trong các sơ đồ trên tuỳ thuộc dòng điện, điện áp tải vàkhả năng cung cấp các linh kiện bán dẫn Có một số gợi ý khi lựa chọn các sơ đồhình 3c như sau:

U 1

Zf

U 2 i Z a

- Sơ đồ kinh điển hình 4.a: Thường được sử dụng rộng rãi hơn, do có thểđiều khiển được với mọi công suất tải Hiện nay Tiristor được chế tạo có dòng điệnđến 7000A, thì việc điều khiển xoay chiều đến hàng chục nghìn ampe theo sơ đồnày là hoàn toàn đáp ứng được

Tuy nhiên, việc điều khiển hai tiristor song song ngược đôi khi có chất lượngđiều khiển không tốt lắm, đặc biệt là khi cần điều khiển đối xứng điện áp, nhất làkhi cung cấp cho tải đòi hỏi thành phần điện áp đối xứng (chẳng hạn như biến áp

D1

D3D4

d

b

Hình 4: Sơ đồ điều áp xoay chiều một pha bằng van bán dẫn

a bằng hai tiristor song song ngược; b bằng triac

c bằng một tiristor một diod; d bằng bốn diod một tiristor

ZU1

c

D1T1

T2D2

hay động cơ xoay chiều) Khả năng mất đối xứng điện áp tải khi điều khiển là dolinh kiện mạch điều khiển tiristor gây nên sai số Điện áp tải thu được gây mất đốixứng như so sánh trên hình 4.b.

Điện áp và dòng điện không đối xứng như hình 5.b cung cấp cho tải, sẽ làmcho 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 xuyênlàm 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

- Sơ đồ hình 4.b: Để khắc phục nhược điểm vừa nêu về việc ghép hai tiristorsong song ngược, triac ra đời Sơ đồ này có ưu điểm là các đường cong điện áp ragần như mong muốn như hình 5.a, nó còn có ưu điểm hơn khi lắp ráp Sơ đồ mạchnày hiện nay được sử dụng khá phổ biến trong công nghiệp.Tuy nhiên triac hiện nayđược chế tạo với dòng điện không lớn (I < 400A), nên với những dòng điện tải lớncần phảighép song song các triac, lúc đó sẽ phức tạp hơn về lắp ráp và khó điềukhiển song song.Những tải có dòng điện trên 400A thì sơ đồ hình 4.b ít dùng

- Sơ đồ hình 4.c: Có hai tiristor và hai điốt có thể được dùng chỉ để nối các cựcđiều khiển đơn giản, sơ đồ này có thể được dùng khi điện áp nguồn cấp lớn (cầnphân bổ điện áp trên các van, đơn thuần như việc mắc nối tiếp các van)

- Sơ đồ hình 4.d: 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 ưu điểmhơn khi van điều khiển còn hiếm Tuy nhiên, việc điều khiển theo sơ đồ này dẫn

tb

ta

Hình 5 Hình dạng đường cong điện áp điều khiển

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.

1.2.4 Bộ biến đổi điện áp xoay chiều sử dụng hai SCR.

Hình 6: Sơ đồ bộ điều áp xoay chiều 1 pha sử dụng hai SCR

a, Trường hợp tải thuần trở.

Khi T1 mở thì một phần của nửa chu kỳ dương điện áp nguồn điện đặt lênmạch tải, còn khi T2 mở thì một phần của nửa chu kỳ âm của v được đặt lên mạchtải

Góc mở π được tính từ điểm đi qua giá trị 0 của điện áp nguồn v

b, Trường hợp tải L, thuần cảm.

Khi θ = α cho xung mở T1 Dòng điện tải i tăng dần lên và đạt giá trị

cực đại, sau đó giảm xuống và đạt giá trị 0 khi θ = β

Khi tiristor T1 mở, ta có phương trình:

L

dθi dθt = √2 Vsin ω tI= -

Để sơ đồ làm việc được nghiêm chỉnh khi tải thuần cảm thoả mãn

β ¿ π + α Do đó góc π phải nằm trong giới hạn

Hình 7: Hình dáng dòng điện và điện áp đối với tải R-L.

Phương trình mô tả quá trình thay đổi dòng điện khi tiristo dẫn điện trongkhoảng      

 - khoảng dẫn điện của tiristo.

Giải phương trình trên ta có:

Tính A và thay vào biểu thức (4.6) biểu thức dòng tải sẽ có dạng:

1.3 Nguyên tắc điều khiển bộ biến đổi điện áp xoay chiều.

Như ta đã biết để các van có thể mở đúng các thời điểm mong muốn, thì ngoài điềukiện phải đặt điện áp thuận thì trên điện cưc điều khiển và Catot phải có một điện ápđiều khiển Để có hệ thống các tín hiệu điều khiển xuất hiện đúng theo yêu cầu thì

ta phải có một mạch điện để tạo ra các tín hiệu dố và được gọi là mạch điều khiển.Điện áp điều khiển phải đáp ứng các yêu cầu cần thiết như công suất, biên độ , thờigian tồn tại Các thông số cần thiết của tín hiệu điều khiển đã được cho sẵn trongcác tài liệu nghiên cứu về van

+ Dùng IC tích hợp TCA 785

Đối với việc điều khiển điện áp một chiều ta có thể sử dụng vi mạch tích hợp TCA

785 để đơn giản mạch điều khiển

+ Ưu điểm:

-Mạch đơn giản, ít khâu điều khiển.

-Tạo ra điện áp đối xứng

-Chất lượng điện áp ra như mong muốn

+ Nhược điểm :Giá thành đắt

1.3.1 Giới thiệu về vi mạch TCA 785.

Vi mạch TCA 785 là vi mạch phức hợp thực hiện 4 chức năng của một mạch điềukhiển: Tạo điện áp đồng bộ, tạo điện áp răng cưa, so sánh và tạo xung ra TCA 785

do hang Simen chế tạo được sử dụng để điều khiển các thiết bị chỉnh lưu, thiêt bịđiều chỉnh dòng xoay chiều

- Mạch thiết kế đơn giản, thi công nhanh dễ điều khiển và hiệu chỉnh.

- Hoạt động tin cậy

- Dải điều chỉnh và góc điều khiển rộng

1.3.2 Kí hiệu của TCA 785.

Hình 8: Sơ đồ chân TCA 785

1.3.3 Chức năng chân của TCA 785.

6 I Tín hiệu cấm

13 L Tín hiệu điều khiển xung ngắn, xungrộng

1.3.4 Dạng sóng dòng điện.

Hình 9: Dạng sóng dòng điện ,điện áp

1.3.5 Sơ đồ cấu tạo của TCA 785.

Hình 10: Sơ đồ cấu tạo TCA785

1.3.6 Nguyên ký làm việc của vi mạch TCA 785

TCA 785 là một vi mạch phức hợp thực hiện 4 chức năng của một mạch

điều khiển: “tề đầu” điện áp đồng bộ tạo điện áp răng cưa đồng bộ, so sánh và tạoxung ra Nguồn nuôi qua chân 16 Tín hiệu đồng bộ được lấy qua chân số 5 và số 1.Tín hiệu điều khiển được đưa vào chân 11 Một bộ nhận biết điện áp 0 sẽ kiểm trađiện áp lấy vào chuyển trạng thái và sẽ chuyển tín hiệu này đến bộ phận đồng bộ

Bộ phận đồng bộ này sẽ điều khiển tụ C10; Tụ C10 sẽ được nạp đến điện áp khôngđổi (quyết định bởi R9) Khi điện áp V10 đạt đến điện áp V11 thì một tín hiệu sẽđược đưa vào khâu logic Tuỳ thuộc vào biên độ điện áp điều khiển V11, góc mở α

có thể thay đổi từ 0 đến 180o Với mỗi nửa chu kì song một xung dương xuất hiện ở

Q1, Q2 Độ rộng trong khoảng 30-80μs.s

Độ rộng xung có thể kéo dài đến 180o thông qua tụ C12

Nếu chân 12 nối đất thì sẽ có xung trong khoảng α đến 180o

Nguyên lí hoạt động của khâu tạo xung điều khiển:

Điện áp lưới sau khi qua máy biến áp được hạ xuống 15VAC đưa vào chân số 5 vàchân số 1 qua điện trở R Tín hiệu điều khiển Vdk được đưa vào chân 11 so sánh vớiđiện áp răng cưa tạo bởi tụ C10 cho ta xung điều khiển thyristor có góc mở α tăngdần ở đầu ra chân 14 và 15 Khi xảy ra ngắn mạch chân 16 nhận được tín hiệu cấm,tại chân 14 và 15 không còn tín hiệu đầu ra

Từ yêu cầu thực tiễn ta chọn IC TCA 785 do hãng SIMEN sản xuất cùng cáclinh kiện đi kèm sau: C10= 104, C12= 473, R9= 33kΩ ,R5= 1MΩ,VR1= VR2= 10kΩ

Hình 11: Khâu tạo xung điều khiển

1.3.7 Sơ đồ mạch ứng dụng TCA785 điều khiển Thyristor trong mạch điều áp.

Hình 12: Sơ đồ mạch ứng dụng TCA785

CHƯƠNG II: TÍNH TOÁN THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU ÁP XOAY CHIỀU

MỘT PHA SỬ DỤNG HAI SCR.

2.1 Thiết kế sơ đồ khối và chức năng từng khối.

Hình 13: Sơ đồ khối toàn mạch

- 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 Thiết kế sơ đồ nguyên lý và nguyên tắc hoạt đông của từng mạch.

2.2.1 Thiết kế mạch động lực.

Với yêu cầu của đề tài là thiết kế bộ điều áp xoay chiều sử dụng hai SCR nênchúng em chọn sơ đồ dùng 2 THYRISTOR(SCR) mắc song song ngược để điềukhiển