Thiết kế công tắc tơ điện tử

Sơ đồ hình 1.1.c là biến dạng của sơ đồ hình 1.1.b, trong đó một tiristo được thay thếbằng điôt, như vậy ta chỉ có thể điều chỉnh được điện áp của một nửa chu kỳ và sẽ làmmất đối xứng đi

LỜI MỞ ĐẦU

Bài tập lớn này là mốc quan trọng để đánh giá nhận thức của sinh viên cũng như

những kiến thức mà sinh viên tiếp thu được trong thời gian học môn Điện tử công suất tại

trường Đồng thời nó cũng đánh giá được khả năng vận dụng lý thuyết vào trong thực tế,khả năng trao đổi, học hỏi, trau dồi kiến thức của sinh viên

Vì tầm quan trọng của bài tập lớn này nên em đã làm việc nghiêm túc, vận dụng tối

đã các kiến thức đã học, các tài liệu tham khảo, những ý kiến đóng góp của bạn bè, và đặc

biệt là sự hướng dẫn của thầy Vũ Ngọc Minh đang giảng dạy môn Điện tử công suất tại

trường để hoàn thành bài tập lớn này Mặc dù đã có nhiều cố gắng thực hiện bài tập lớnmột cách hoàn chỉnh nhất song do còn nhiều hạn chế về kiến thức cũng như kinh nghiệmnên không thể tránh khỏi những thiếu sót mà bản thân chưa thấy được Em rất mong nhậnđược sự góp ý của thầy để bài tập lớn của em được hoàn thiện hơn

Em xin chân thành cảm ơn! Sinh viên thực hiện

1

MỤC LỤC

Chương 1: Khái quát về điện áp xoay chiều

1.1 Giới thiệu điện áp xoay chiều một pha 3

1.2 Giới thiệu điện áp xoay chiều ba pha 10

1.3 Một số ứng dụng của điện áp xoay chiều 20

Chương 2: Tính toán mạch công suất 2.1 Tính toán các tham số 33

2.2 Chọn van bán dẫn 33

2.3 Datasheet của T86N 34

Chương 3: Mô phỏng 3.1 Mạch tổng quát 35

3.2 Khối mạch lực 35

3.3 Khối nguồn 36

3.4 Khối phát xung 36

3.5 Khối hiển thị 37

3.6 Đồ thị 37

Kết luận Tài liệu tham khảo

2

CHƯƠNG 1 KHÁI QUÁT VỀ ĐIỆN ÁP XOAY CHIỀU

1.1 ĐIỆN ÁP XOAY CHIỀU MỘT PHA

1.1.1 Mạch lực

Điều áp xoay chiều một pha chỉ dùng đến công suất dưới 10 kW, khi công suất lớnhơn phải lấy điện áp nguồn là điện áp dây của lưới điện, hoặc chuyển sang mạch ba pha.Hình 1.1 dưới đây là các sơ đồ mạch lực cơ bản của điều áp xoay chiều một pha

Đơn giản nhất là sử dụng một van TRIAC như hình 1.1.a mà như hiện nay đã chếtạo được đến cỡ dòng điện vài trăm Ampe, tuy nhiên để điều khiển mở tin cậy cho TRIAC

ở cả hai nửa chu kỳ cần lưu ý về cách phát xung mở van này tốt nhất là: điện áp trên vandương thì phát xung điều khiển dương, ngược lại điện áp trên van âm thì xung điều khiểnnên âm

It

Ut Uvào

Hình 1.1 Các sơ đồ điều áp xoay chiều một pha

Sơ đồ hình 1.1.b được ứng dụng rộng rãi trong thực tế vì đáp ứng được các yêu cầu

kỹ thuật kinh tế cơ bản

Sơ đồ hình 1.1.c là biến dạng của sơ đồ hình 1.1.b, trong đó một tiristo được thay thếbằng điôt, như vậy ta chỉ có thể điều chỉnh được điện áp của một nửa chu kỳ và sẽ làmmất đối xứng điện áp trên tải (đây là nhược điểm của sơ đồ) Ưu điểm của sơ đồ này là

3

It

Ut

Uvào

điện áp ngược trên tiristo chỉ bằng sụt áp trên điôt, tức là không đáng kể Tuy nhiên điện

áp thuận đặt lên tiristo khi đang khóa vẫn lớn, thêm nữa là giá thành thấp hơn các loạikhác do điôt rẻ hơn tiristo và lại có độ tin cậy cao hơn Mạch điều khiển sẽ đơn giản vì chỉ

có một tiristo, trong một chu kỳ tiristo chỉ một lần nhận xung điều khiển

Sơ đồ hình 1.1.d là kết hợp của hai sơ đồ trước, các tiristo cũng không phải chịuđiện áp ngược nhờ có điôt đấu song song, điểm khác biệt là tiristo đấu catôt chung nên cóthể đấu trực tiếp điều khiển với lực

Sơ đồ hình 1.1.e có đặc điểm là tiristo luôn làm việc ở điện áp một chiều nhờ cầuchỉnh lưu 4 điôt, tức là cũng không phải chịu điện áp ngược Tuy chỉ có một tiristo nhưmạch hình 1.1.c, song trong một chu kỳ cần phát xung hai lần cho cả hai nửa chu kỳ, vìvậy mạch điều khiển phức tạp hơn so với mạch điều khiển của sơ đồ hình 1.1.c, bù lạiđiện áp ra là đối xứng hai nửa chu kỳ Sơ đồ này có số van lớn nhất: 5 van

Các sơ đồ hình 1.1.c và hình 1.1.d có số lượng van lớn nên giá thành cao, điều nàylàm cho sơ đồ chỉ ứng dụng cho phạm vi công suất nhỏ, thường chỉ với dòng điện đếnmột vài Ampe

Để tính chọn các van trong sơ đồ trên, dựa vào bảng 1.1 Trong 5 sơ đồ này, chỉ có

sơ đồ 1.1.c là dạng điện áp ra tải không đối xứng và không thể ngắt hẳn tải khỏi nguồnnên ít dùng, 4 sơ đồ còn lại có quy luật điều chỉnh điện áp ra tải hoàn toàn giống nhau, do

đó dưới đây đưa ra một số quy luật chung cho chúng Tải của điều áp xoay chiều có haidạng: tải thuần trở R, và tải cảm kháng RL

Bảng 1.1 Các tham số chọn van

Sơ đồ hình

Tham số 1.1.a 1.1.b 1.1.c 1.1.d 1.1.e

1,41 1,41 0 0 1,41Dạng dòng điện

 là điện áp cực đại mà van bán dẫn phải chịu khi đang ở trạng thái khóa (không dẫndòng điện) ở cả hai chiều điện áp.

 là trị số hiệu dụng của điện áp nguồn xoay chiều đưa vào bộ điều áp xoay chiều

 là giá trị trung bình của dòng điện qua van bán dẫn

 là giá trị hiệu dụng của dòng điện qua van bán dẫn

 là giá trị hiệu dụng của dòng điện tải

Cần chú ý rằng dòng điện tải luôn là dòng xoay chiều tồn tại ở cả hai nửa chu kỳ,trong khi đó dòng qua van chủ yếu là dòng một chiều, ngoại trừ sơ đồ hình 1.1.a có dòngvan và dòng tải là một Vì vậy giá trị hiệu dụng và trung bình của dòng qua van bán dẫnkhông bằng nhau, thông thường với cùng một dạng dòng van thì giá trị hiệu dụng là lớnhơn giá trị trung bình Do đó khi chọn van theo bảng tra cứu cần biết rõ tham số của nhàsản xuất đưa ra là giá trị hiệu dụng hay trung bình để tiến hành lực chọn van cho đúng.Phạm vi điều chỉnh góc điều khiển ở các sơ đồ trên phụ thuộc vào tính chất của phụtải:

 Với tải thuần trở:

 Khi có xung điều khiển sẽ có tiristo dẫn và tải được đóng vào nguồn, do đó điện

áp ra tải bằng điện áp nguồn Vì tải thuần trở nên dạng dòng điện giống dạng điện

áp, nên ở thời điểm cuối nửa chu kỳ khi điện áp về 0 thì dòng điện qua tiristocũng bằng không va tiristo khóa lại

5

Hình 1.2 Điều áp xoay chiều một pha tải thuần trở:

dạng điện áp ra tải và phổ sóng hài

Trên hình 1.2 là dạng điện áp ra tải và phổ biên độ sóng hài ở hai góc điều khiểnkhác nhau

Theo đồ thị ta thấy, khi điều chỉnh góc điều khiển , điện áp ra tải chỉ là một phầnhình sin của điện áp nguồn, tức là không sin được nữa và do đó bên cạnh song hài cơ bản(trùng với tần số nguồn) sẽ xuất hiện các song hài bậc cao Góc điều khiển càng lớn, độméo càng tăng và sóng hài bậc cao cũng càng mạnh so với sóng hài cơ bản

Như vậy chỉ khi góc điều khiển bằng không , van mở ngay từ đầu mỗi nửa chu kỳ,thì điện áp ra tải mới nhận được đầy đủ hình dạng điện áp nguồn vào và trở thành hình sinđầy đủ

Biên độ sóng hài bậc cao thứ n phụ thuộc vào các tham số sơ đồ như sau:

Un.max=

nguon.max

U

π a +b2n 2n (1.1) với n=2k+1, k+1,2,3 , và:

2π 2

Khi tải có chứa điện cảm, sẽ làm cho dạng điện áp và dòng điện khác nhau và cũngkhác hẳn trường hợp tải thuần trở Sự hoạt động của mạch sẽ tương tự như mạch chỉnhlưu một pha một nửa chu kỳ với tải RL, vì vậy quy luật dòng điện tuân theo đúng biểuthức đã có của chỉnh lưu này:

X Q=

R (1.6)

Do tác động của điện cảm tải, dòng tải không thể đột biến và luôn biến thiên chậmpha hơn điện áp, và như vậy dòng điện không thể kịp về đến không khi điện áp đã vềkhông, điều này dẫn đến tiristo sẽ dẫn vượt qua điểm và chỉ khóa lại được khi dòng tảibằng không Do van còn dẫn thì điện áp tải còn bám theo điện áp nguồn, nên điện áp tảicũng sẽ kéo dài cho đến khi van khóa thì mới về không Hình 1.3 cho thấy các quy luật

đó, ở đây dạng áp ra tải méo khỏi hình sin nhiều hơn dạng dòng tải, do vậy quan hệ songhài của điện áp khác của dòng điện

Một điểm khác biệt nữa của tải loại RL này là phạm vi điều chỉnh của góc điềukhiển bị thu hẹp lại so với trường hợp tải thuần trở, và phụ thuộc vào tham số tải Tuy gócđiều khiển lớn nhất vẫn bằng , nhưng góc điều khiển nhỏ nhất không phải bằng 0 mà bằnggóc pha tải

Hình 1.3 Điều áp xoay chiều một pha tải RL:

dạng điện áp và phổ Furier

1.1.2 Mạch điều khiển 1.1.2.1 Tải thuần trở

Nên sử dụng mạch phát xung đơn, vì vậy

có thể lấy sơ đồ ở hình 1.4, lúc này mỗi vannhận hai xung trong một chu kỳ, do đó cũngkhông thuận lợi khi phải làm việc với phạm viđiện áp cao

7

Hình 1.4 Sơ đồ điều áp xoay chiều một pha dùng mạch phát xung hai nửa chu kỳ

Nếu muốn các van chỉ nhận xung ở nửa chu kỳ khi điện áp trên van là dương,cầnphải thêm khâu tách xung hoặc sử dụng hai mạch phát xung một nửa chu kỳ Hình 1.5 làứng dụng dùng xung đơn và mỗi biến áp xung chỉ cần một cuộn thứ cấp

Hình 1.5 Mạch phát xung đơn hai nửa chu kỳ có khâu tách xung

1.1.2.2 Tải có điện cảm (tải RL)

Dùng mạch phát xung chùm, ví dụ như trong sơ đồ hình 1.6

8

Hình 1.6 Mạch điều khiển điều áp xoay chiều tải RL

1.2.ĐIỆN ÁP XOAY CHIỀU BA PHA

1.2.1 Mạch lực

Điều áp xoay chiều ba pha cho phép ứng dụng cho phụ tải đến hàng trăm KW

Trường hợp tải đấu ba pha có dây trung tính, hoặc đấu tam giác mà mỗi cụm vanđấu nối tiếp với từng pha của phụ tải, thì các pha hoạt động độc lập với nhau, do đó việctính toán hoàn toàn tương tự như điều áp xoay chiều một pha

9

Hình 1.7 Điều áp xoay chiều ba pha, các pha hoạt động độc lập

a) Phụ tải đấu sao; b) Phụ tải đấu tam giác

Khi tải không dùng dây trung tính, có thể sử dụng các sơ đồ ở hình 1.8, hình 1.13 vàhình 1.15 với các tham số tính chọn van trong bảng 1.2

Theo bảng 1.2 ta thấy phạm vi góc điều khiển của các sơ đồ là khác nhau, góc điềukhiển nhỏ nhất của các sơ đồ là như nhau, nhưng góc điều khiển lớn nhất không giốngnhau, trong đó có 3 sơ đồ có góc điều khiển αmax = 210 lên cần chú ý thiết kế mạch điềukhiển cho phù hợp (thể hiện ở khâu đồng pha và tạo điện áp răng cưa)

Bảng 1.2 Các tham số tính toán cho điều áp xoay chiều ba pha

Sơ đồ hình

Tham số

1.7b 1.8a 1.8b 1.8c 1.13a 1.13b 1.13c 1.15a 1.15b

0,45 0 0,45 0,45 0,45 0,26 0,675 0,45 0,45 1,73 1,5 1,5 1,73 1,5 1,73 1,73 1,5 1,5

180 150 150 210 150 180 210 210 180

Một điểm cần lưu ý cho tất cả các bộ điều áp xoay chiều là khi điều chỉnh với gócđiều khiển lớn hơn 0° thì dòng tải điện luôn ở chế độ gián đoạn, tức là luôn có nhữngkhoảng mà dòng tải bằng không, tải bị ngắt khỏi nguồn và không được cấp năng lượng

Sơ đồ hình 1.8a dùng van TRIAC là sơ đồ có ít van và cho phép điều chỉnh điện áp

ra tải đối xứng các pha, đồng thời hai nửa chu kỳ của một pha cũng đối xứng

Sơ đồ hình 1.8b dùng cách đấu hai thyristor trong tương đương với một TRIAC, loạinày rất thông dụng trong thực tế và có tên là sơ đồ sáu tiristo đấu song song ngược, có đặcđiểm hoàn toàn tương tự sơ đồ 1.8a

10

Hình 1.8 Một số sơ đồ điều áp ba pha

Hai sơ đồ này đôi khi được sử dụng chỉ để đóng/ngắt nguồn ra tải, mà không điềuchỉnh điện áp và được gọi là bộ công – tắc – tơ điện tử

Các sơ đồ hình 1.8a, b, c ứng dụng cho tải đấu sao hoặc tam giác đều được Mạchđiều khiển của các sơ đồ này đều đồng bộ theo điện áp pha của nguồn

Trên hình 1.9 cho dạng điện áp trên một pha của tải là chung cho các sơ đồ hình1.8a; 1.8b và biên độ các sóng hài ở một góc điều khiển khác nhau, với tải thuần trở Qua

đồ thị sóng hài thấy xuất hiện các sóng hài có bậc lẻ, gần nhất là bậc 5 và bậc 7, mặt kháccũng cho thấy khi tăng góc điều khiển thì biên độ sóng hài bậc cao tăng nhanh đến xấp xỉvới sóng hài cơ bản ( bằng tần số nguồn điện, ở đây là 50Hz) Như vậy khi điều chỉnhđiện áp ra sâu, tương ứng góc điều khiển càng lớn, thì điện áp ra sẽ càng méo nhiều hơn

11

Hình 1.9 Điều áp xoay chiều ba pha sáu thyristor đấu song song – ngược,

tải thuần trở đấu sao

(dạng điện áp pha A tải và phổ sóng hài với góc điều khiển khác nhau)

Khi tải có tính cảm kháng, hoạt động của sơ đồ bị ảnh hưởng mạch bởi góc φ của tảinhư đã xét ở mục 1.1, tức là cả phạm vi điều chỉnh và dạng điện áp ra đều không còn nhưtrường hợp tải thuần trở Hình 1.10 là đồ thị minh họa cho tải cảm kháng với α = 30°, ta

có thể so sánh với đồ thị khi tải thuần trở có cùng góc điều khiển ở hình 1.9 để thấy sựkhác biệt giữa chúng Tuy nhiên tải RL dạng dòng điện sữ không bị đột biến theo điện ápnhư tải thuần trở, vì vậy biên độ sóng hài cũng sẽ giảm đi, tức là dạng dòng tải ít méo hơndạng điện áp tải

Hình 1.10 Điều áp xoay chiều ba pha sáu tiristo đấu song song – ngược tải RL

(Dạng điện áp và dòng điện tải với góc điều khiển khác nhau)

Sơ đồ hình 1.8c sử dụng van không đối xứng, mỗi nhánh gồm một thyristor đấusong song ngược với điôt Do các điốt là các van không điều khiển nên chúng có thể dẫn

tự động, làm cho phạm vi góc điều khiển cho thyristor tăng lên 120° mới có thể ngắt tải

12

khỏi nguồn để cắt dòng tải Đồ thị hình 1.5 cho thấy với điện áp trên tải vẫn còn và nhìntheo trục hoành ta thấy cần tăng góc điều khiển thêm 30° nữa mới ngắt được điện áp ratải Như vậy mạch điều khiển cần lưu ý điều này, vì mạch thông dụng thường chỉ có phạm

vi điều chỉnh góc lớn nhất là 180°

Hình 1.11 Điều áp xoay chiều ba pha,sơ đồ thyristor và điện trở

(Dạng điện áp tải và góc điều khiển 180°)

Dạng điện áp trên các pha tải vẫn đảm bảo đối xứng (giống nhau và lệch nhau đúng120° điện), song điện áp của mỗi pha thì không đối xứng ở hai nửa chu kỳ Điều này cóthể thấy trên đồ thị hình 1.12, phổ sóng hài cho thấy nhiều hơn hai sơ đồ trên, ngoài cácsóng hài lẻ bậc 5 và 7… còn có thêm các sóng hài bậc chẵn 2, 4, 8…

Hình 1.12 Điều áp xoay chiều ba pha, sơ đồ thyristor và điôt

song song, tải thuần trở

(Dạng đồ thị điện áp pha A tải và phổ song hài với góc điều khiển khác nhau)

Khi tải đấu sao mà lại có thể đưa ra cả sáu đầu của phụ tải ra ngoài ta có thể đưa bộvan xuống vị trí điểm trung tính như hình 1.13a, lúc đó ta có ba thyristor đấu chung katốt

13

nên có thuận lợi là: giảm được số dây điều khiển hoặc có thể đấu trực tiếp mạch điềukhiển với mạch lực cho nhóm van này; có ba van có thể dùng chung tản nhiệt nên việc gálắp sẽ dễ dàng hơn và giảm được kích thước thiết bị Đặc điểm điều chỉnh và dạng điện áp

ra giống sơ đồ 1.8b, mạch điều khiển cũng đồng bộ theo điện áp pha của nguồn cung cấp

Hình 1.13 Các sơ đồ điều áp xoay chiều ba pha khác

Sơ đồ hình 1.13b,c cũng dùng van ở vị trí dây trung tính, nhưng van đấu khiểu tamgiác Sơ đồ 1.13b dùng sáu van và có các đặc điểm tương tự sơ đồ 1.8b, nhưng cần chú ýmạch điều khiển phải đồng bộ theo điện áp dây:

 Cụm van đấu giữa các cực XY đồng bộ theo điện áp dây UAB

 Cụm van đấu giữa các cực YZ đồng bộ theo điện áp dây UBC

 Cụm van đấu giữa các cực ZX đồng bộ theo điện áp dây UCA

Sơ đồ 1.13c tuy số van giảm được một nửa (chỉ cần ba van), nhưng dòng qua vanlớn hơn các sơ đồ khác và tuy điện áp các pha vẫn đối xứng, song điện áp hai nửa chu kỳcủa một pha lại không đối xứng Phạm vi điều chỉnh góc điều khiển trong sơ đồ này cũngtăng tới 210, riêng mạch đồng bộ khá đặc biệt như sau:

 Thyristor đấu giữa các cực XY đồng bộ theo điện áp ngược pha với UB (tức

giữa 2 cực XY của tải tuy đã trùng với điểm qua không của điện áp dây UAB, song điện áppha ra tải vẫn chưa đạt tới hình sin hoàn chỉnh Vì vậy điện áp đồng bộ cho van này phảisớm hơn điện áp dây UAB tới 30, để khi góc điều khiển bằng không sẽ đảm bảo điện áp ratải là hình sin hoàn chỉnh như điện áp nguồn vào Trên đồ thị, nếu đối chiếu điện áp đồng

bộ này với điện áp nguồn UA thì sớm pha tới 60, và tương ứng ngược pha so với điện ápnguồn của pha UB

Hình 1.14 Điều áp xoay chiều ba pha, cụm van đấu tam giác

ở điểm trung tính tải

(Đồ thị điện áp với góc điều khiển 30 và vấn đề nội bộ)

Trong điều áp xoay chiều ba pha đôi khi người ta dùng mạch van điều khiển chỉ đấu

ở hai pha hoặc thậm chí một pha, các pha còn lại đấu trực tiếp vào lưới điện, như thể hiện

ở hình 1.15a và 1.15b Sơ đồ loại này cấp cho tải hệ điện áp không đối xứng nên phạm viứng dụng hạn chế, thường chỉ được dùng chế độ ngắn hạn như khởi động hoặc dừng

15

Sơ đồ hình 1.15a cho phép điều chỉnh và ngắt hẳn dòng các pha tải khi góc điềukhiển là 180 Trong khi đó sơ đồ hình 1.15b lại không thể cắt hẳn dòng tải, vì ngay cả khi

đã khóa toàn bộ các van thì hai pha còn lại vẫn được nối với nguồn, lúc này mỗi pha tải sẽnhận được điện áp bằng một nửa điện áp dây lưới xoay chiều Hình 1.16 và 1.17 là thí dụ

về dạng điện áp ra tải bị mất đối xứng giữa các pha tải của hai sơ đồ này

pha B nối trực tiếp với nguồn

(Dạng điện áp các pha của tải và phổ song hài với góc điều khiển 90)

Hình 1.17 Điều áp xoay chiều ba pha không đối xứng,

pha B và C nối trực tiếp với nguồn

(Dạng điện áp pha tải và phổ sóng hài với góc điều khiển 90)

1.2.2 Mạch điều khiển

17

Hình 1.18 Sơ đồ điều khiển phát xung kép cho điều áp xoay chiều ba pha sáu

thyristor đấu song song - ngược

Hình 1.19 Sơ đồ phát xung kép chỉ dùng ba kênh cho điều áp xoay chiều ba pha

Hình 1.20 Tạo điện áp răng cưa có độ dài lớn hơn 180

18

1.3 MỘT SỐ ỨNG DỤNG KHÁC CỦA ĐIỆN ÁP XOAY CHIỀU

1.3.1 Công – tắc – tơ điện từ

Công tắc tơ điện tử là thiết bị dùng để đóng/ngắt phụ tải điện, hình 1.24a là sơ đồnguyên lý 1 phụ tải 3 pha được cấp bởi công - tắc - tơ điện từ Đây là loại khí cụ điện sửdụng lực hút của cuộn dây khi có dòng điện đi qua (nam châm điện) để di chuyển bộphận cơ khí, kéo theo các tiếp điểm cho tiếp xúc với nhau để nối nguồn điện vào tải Khiphải đóng/ ngắt các tải dòng điện lớn thường xảy ra hiện tượng đánh lửa ăn mòn về mặttiếp xúc, giảm đáng kể thời gian sử dụng của thiết bị, mặt khác do có di chuyển cơ họcdẫn đến thời gian tác động chậm, nên không thể làm việc với tần suất đóng/ngắt lớn Đây

là các nhược điểm cơ bản của công – tắc – tơ điện từ

Để khắc phục các nhược điểm trên cần thay hệ tiếp điểm cơ khí bằng hệ thống tiếpđiểm, tức là phải sử dụng van điện tử, như vậy vừa loại trừ hiên tượng đánh lửa vừa tăngkhả năng về tốc độ và tần suất đóng/ngắt cũng như tuổi thọ thiết bị Ứng dụng dưới dạngnày của điện áp xoay chiều được gọi là công – tắc – tơ diện tử (hình 1.24b), tất cả các sơ

đồ đã đề cập ở mục 1 và mục 2 đều dùng được cho mục đích này ngoại trừ các mạch dùngthyristor song song điôt

19