dieu ap xoay chieu mot pha dk7lc1

điều áp xoay chiều một pha

Lời nói đầu -*** -

Điện tử công suất là một môn học hay và lý thú, cuốn hút đợc nhiều sinhviên 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 tự động, chúng em muốn đợc tiếpcận và hiểu sâu hơn nữa bộ môn điện tử công suất, vì vậy đồ án môn học chếtạo sản phẩm là điều kiện tốt giúp chúng em kiểm chứng đợc lý thuyết đã đợchọc Trong đồ án điện tử công suất lần này, chúng em đã đợc thầy giáo NguyễnTrung Thành giao đề tài “ Thiết kế chế tạo bộ điều áp xoay chiều một pha”.Sau thời gian nghiên cứu, chúng em đã chế tạo thành công bộ điều khiển điện

áp xoay chiều đáp ứng đợc cơ bản yêu cầu của đề tài

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

về lý thuyết và khó khăn trong việc thi công sản phẩm Tuy nhiên, chúng em đãnhận đợc sự giải đáp và hớng dẫn kịp thời của thầy Nguyễn Trung Thành, sựgóp ý kiến của các bạn sinh viên trong lớp Đựơc nh vậy chúng em xin chânthành cảm ơn và mong muốn nhận đợc nhiều hơn nữa sự giúp đỡ, chỉ bảo củacác thầy, các bạn trong các đồ án sau này

Trân trọngNhóm sinh viên:

Nguyễn Đức ThànhLơng Viết MạnhNguyễn Tài Thạnh

Mục lụcPhần I cơ sở lý thuyết

1.1 Giới thiệu bộ điều áp xoay chiều………3

1.2.Bộ điều áp xoay chiều một pha……… ……3

1.2.1Giới thiệu một số sơ đồ mạch động lực………3

1.2.2 Giới thiệu về phần tử bán dẫn triac……… 6

1.2.3 Điều áp xoay chiều một pha ứng với các loại tải………… …7

Phần ii lựa chọn sơ đồ thiết kế 2.1 Chọn mạch động lực……….13

2.2 Chọn mạch điều khiển……….…13

Phần Iii Lựa chọn các khâu trong mạch điều khiển 3.1 Khâu đồng bộ và tạo xung răng ca 16

3.2.Khâu so sánh 16

3.3 Khâu khuếch đại và tạo xung 17

3.4 Giới thiệu và khảo sát vi mạch tca785 18

Phần iv tính toán thiết kế chế tạo mô hình 4.1 Tính chọn van động lực……….…23

4.2 Chọn thiết bị bảo vệ 24

4.3 Tính chọn mạch điều khiển 26

4.3 Chế tạo hộp thiết bị 28

Kết luận

Phần I cơ sở lý thuyết

1.1 Giới thiệu bộ điều áp xoay chiều

Các bộ biến đổi điện áp xoay chiều dùng để biến đổi điện áp hiệu dụng

đặt lên tải Nguyên lý của bộ biến đổi này là dùng các phần tử van bán dẫn nối tải với nguồn trong một khoảng thời gian t1 rồi lại cắt đi trong một khoảng thời gian t0 theo một chu kỳ lặp lại T Bằng cách thay đổi độ rộng của t1 hay t0 trong khoảng T ta thay đổi đợc giá trị điện áp trung bình ra trên tải Nguyên lý này

có u điểm là điều chỉnh điện áp ra trong một phạm vi rộng và vô cấp, hiệu suất cao vì tổn thất trên các phân tử điện tử công suất rất nhỏ Điều áp xoay chiều

Giáo viên hớng dẫn: Nguyễn Trung Thành

thờng đợc 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 áp

khác nhau là Điều áp xoay chiều một pha, Điều áp xoay chiều ba pha.

1.2.Bộ điều áp xoay chiều một pha

1.2.1 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 khánghay điện trở phụ (tổng trở phụ ) biến thiên Sơ đồ mạch điều chỉnh này đơngiản dễ thực hiện Tuy nhiên, mạch điều chỉnh kinh điển này hiện nay ít đợcdùng, do hiệu suất thấp (nếu Zf là điện trở ) hay cos thấp(nếu Zf là điện cảm )

Hình 1 Các phơng án điều áp một pha

Ngời ta có thể dùng biến áp tự ngẫu để điều chỉnh điện áp xoay chiều U2

nh trên hình 1b Điều chỉnh bằng biến áp tự ngẫu có u điểm là có thể điềuchỉnh 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, thìphơng án phải dùng biến áp là tất yếu Tuy nhiên, khi dòng tải lớn, sử dụngbiến áp tự ngẫu để điều chỉnh, khó đạt đợc yêu cầu nh mong muốn, đặc biệt làkhông điều chỉnh liên tục đợc, do chổi than khó chế tạo để có thể chỉ tiếp xúctrên một vòng dây của biến áp

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

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

Các sơ đồ điều áp xoay chiều bằng bán dẫn trên hình 1c đợc 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 cácsơ đồ hình 1c nh sau:

U1

Zf

U2 i Za

Sơ đồ kinh điển hình 2.A thờng đợc sử dụng nhiều hơn, do có thể điềukhiển đợc với mọi công suất tải Hiện nay Tiristor đợc 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 đợc

Tuy nhiên, việc điều khiển hai tiristor song song ngợc đôi khi có chất lợng

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 nh 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 đ ợc gâymất đối xứng nh so sánh trên hình 3b

Điện áp và dòng điện không đối xứng nh hình 3.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 thờngxuyên làm đối với sơ đồ mạch này Tuy vậy, đối với dòng điện tải lớn thì đây làsơ đồ tối u hơn cả cho việc lựa chọn

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

a bằng hai tiristor song song ng ợc; b bằng triac; c bằng một

tiristor một diod; d bằng bốn diod một tiristor

ZU

Để khắc phục nhợc điểm vừa nêu về việc ghép hai tiristor song song ngợc,triac ra đời và có thể mắc theo sơ đồ hình 2.B Sơ đồ này có u điểm là các đ-ờng cong điện áp ra gần nh mong muốn nh hình 3.a, nó còn có u điểm hơnkhi lắp ráp Sơ đồ mạch này hiện nay đợc sử dụng khá phổ biến trong côngnghiệp Tuy nhiên triac hiện nay đợc 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 códòng điện trên 400A thì sơ đồ hình 2.B ít dùng

Sơ đồ hình 2.C có hai tiristor và hai điốt có thể đợc dùng chỉ để nối cáccực điều khiển đơn giản, sơ đồ này có thể đợc dùng khi điện áp nguồn cấp lớn(cần phân bổ điện áp trên các van, đơn thuần nh việc mắc nối tiếp các van) Sơ đồ hình 2D trớc đây thờng đợc 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 lợng tiristor ít hơn, có thể sẽ có u điểm hơnkhi 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 khiểnthấp Ngoài ra, tổn hao năng lợng nhiệt lớn làm cho hệ thống làm mát khó khănhơn

1.2.2 Giới thiệu về phần tử bán dẫn triac

1.2.2.a Cấu tạo và ký hiệu

E2 T, E1.2

T

J1 J2 J3 (+)

(-)

T1

T2 G

Hình 4: Cấu tạo và ký hiệu của triac.

Hình 3 Hình dạng đờng cong điện áp điều khiển a- Mong

muốn b- Không mong muốn

Triac là linh kiện bán dẫn tơng tự nh hai Thyristor mắc song song ngợc,nhng chỉ có một cực điều khiển Triac là thiết bị bán dẫn ba cực, bốn lớp Cóthẻ điều khiển cho mở dẫn dòng bằng cả xung dơng (dòng đi vào cực điềukhiển) lẫn xung dong 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 dòng

điều khiển âm lớn hơn so với dòng điểu khiển dơng Vì vậy trong thực tế để

đảm bảo tính đối xứng của dòng điện qua Triac thì sử dụng dòng điều khiển âm

1.2.2.c Đặc tính V-A

Giáo viên hớng dẫn: Nguyễn Trung Thành

O U+I

-Hình 5: Đặc tuyến V-A của triac

Triac có đờng đặc tính V-A đối xứng nhận góc mở  trong cả hai chiều

1.2.3 Điều áp xoay chiều một pha ứng với các loại tải

Hai tiristor đấu song song ngợc cho phép điều chỉnh dòng điện xoaychiều Vì anôt T1 nối với catot T2 và anôt T2 nối với catôt T1 nên trong mạch

điều khiển nhất thiết phải dùng một biến áp xung có hai cuộn dây thứ cấp cách

li với nhau Các điôt dùng để khoá chặt các xung âm

Hình 6: Sơ đồ bộ điều áp xoay chiều 1 pha

Giả thiết điện áp nguồn : v = 2Vsint

1.2.3.1 Trờng hợp tải thuần trở

Khi T1 mở thì một phần của nửa chu kỳ dơng điện áp nguồn điện đặt lênmạch tải, còn khi T2 mở thì một phần của nửa chu kỳ âm của v đợc đặt lênmạch tải

Góc mở  đợc tính từ điểm đi qua giá trị 0 của điện áp nguồn v

2  

)

Nh vậy bằng cách làm biến đổi góc  từ 0 đến  , ngời ta co thể điều

chỉnh đợc công suất tác dụng từ giá trị cực đại P =(

R

V2) đến 01.2.3.2 Trờng hợp tải L, thuần cảm

Khi  =  cho xung mở T1 Dòng điện tải i tăng dần lên và đạt giá trịcực đại, sau đó giảm xuống và đạt giá trị 0 khi  = 

Hằng số tích phân I0 đợc xác định : khi  =  thì i=0 Cuối cùng nhận

đ-ợc biểu thức của dòng điện tải

Góc  đợc xác định bằng cách thay =  và đặt i=0

 = 2 - 

Khi  =  +  cho xung mở T2

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

  +  Do đó góc  phải lằm trong giới hạn

Giá trị hiệu dụng của dòng điện tải

Hằng dạng số tích phân A đợc xác định : Khi    thì i = 0 Biểu thứcdòng tải i có dạng:

Góc  đợc thay đổi bằng cách thay    và đặt i= 0

Sin(  )- sin(  ).e- 





tg

 = 0Trong biểu thức trên: tg =

Để thoả mãn điều kiện này ta phải có:   

Hình 8: Hình dáng dòng điện và điện áp đối với tải thuần trở và thuần cảm

Điều đó nói lên rằng, ngay cả trờng hợp tải thuần trở, lới điện xoay chiềuvẫn phải cung cấp một lợng công suất phản kháng

Giá trị hiệu dụng của điện áp trên tải:

2   )

Công suất tác dụng cung cấp cho mạch tải:

Giáo viên hớng dẫn: Nguyễn Trung Thành

2  

)

Nh vậy bằng cách làm biến đổi góc  từ 0 đến  , ngời ta có thể điều

chỉnh đợc công suất tác dụng từ giá trị cực đại P =(

R

V2) đến 0

Phần ii lựa chọn sơ đồ thiết kế

2.1 Chọn mạch động 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 lợi 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

2.2 Chọn mạch điều khiển

Điều khiển Triac trong sơ đồ chỉnh lu hiện nay có rất nhiều phơng phápkhác nhau thờng gặp là điều khiển theo nguyên tắc thẳng đứng tuyến tính.Theo nguyên tắc này để điều khiển góc mở  của Triac ta tạo ra một điện áptựa dạng tam giác (điện áp tựa răng ca 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 dơng 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:

Khầu đồng bộ Khầu so sánh Tạo xung &

khuyếch đại

Van động lực

Hình 9: Sơ đồ khối các khâu trong mạch điều khiển

* Nhiệm vụ của các khâu trong sơ đồ khối nh 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 va khuếch đại xung:

Có nhiệm vụ tạo xung phù hợp để mở Triac Xung để mở Triac cần có cácyêu cầu: Sờn trớc dốc thẳng đứng để đảm bảo mở Triac tức thời khi có xung

điều khiển (Thờng gặp là xung kim hoặc xung chữ nhật) đủ độ rộng (với độrộng xung lớn hơn thời gian mở củacTriac) Cách ly giữa mạch điều khiển vàmạch động lực (nếu điện áp động lực quá lớn) đủ công suất

2.2.1 Nguyên lý hoạt động.

Tín hiệu điện áp cung cấp cho mạch điều khiển đợc đa đến khối đồng pha

Đầu ra của khối này có điện áp thờng là hình sin cùng tần số và có thể lệch phamột 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 ca ta có các điện áp răng ca đồng bộ vềtần số và góc pha với điện áp đồng bộ Các điện áp này gọi là điện áp răng ca

Vrc Điện áp răng ca Vrc đợc đa vào đầu vào của khối so sánh Tại đó có một tínhiệu khác nữa là điện áp một chiều điều chỉnh lấy từ ngoài Hai tín hiệu này đ-

ợc mắc với cực tính sao cho tác động của chúng lên mạch so sánh là ngợcchiều nhau Khối so sánh làm nhiệm vụ so sanh hai tín hiệu này Tại thời điểmhai tín hiệu này bằng nhau thì tín hiệu đầu ra khối so sánh là các xung xuấthiện với chu kỳ của Vrc Xung răng ca có hai sờn trong đó có một sờn mà tại

đó thì đầu ra khối so sánh xuất hiện một xung điện áp thì sờn đó là sờn sửdụng Vậy ta có thể thay đổi thời điểm của xung xuất hiện tại đầu ra khối sosánh bằng cách thay đổi Vđk khi giữ nguyên dạng của Vrc

Trong một số trờng hợp xung ra khối so sánh đợc đa ngay đến đầu cực củathiết bị cần điều khiển nhng trong đa số các trờng hợp thì tín hiệu ra khối sosánh cha đủ yêu cầu cần thiết Ngời ta phải thực hiện việc khuếch đại thay đổilại hình dáng xung Các nhiệm vụ này đợc thực hiên bởi một mạch gọi là mạchxung Đầu ra của khối tạo xung và khuếch đại xung sẽ đợc một chuỗi xung

điều khiển có đủ các thông số yêu cầu về công suất, độ dài, độ dốc mặt đầu củaxung Tại thời điểm bắt đầu xuất hiện các xung hoàn toàn trùng với thời điểmxuất hiện xung trên đầu ra khối so sánh

Phần Iii Lựa chọn các khâu trong mạch điều khiển

3.1 Khâu đồng bộ và tạo xung răng ca

Để tạo điện áp răng ca ngời ta có thể sử dụng tính chất phóng, nạp của tụ

điện Việc kết hợp sử dụng tụ diện với diode, với tranzitor hay với diode quangGiáo viên hớng dẫn: Nguyễn Trung Thành

hình thành nên các bộ đồng pha khác nhau Tuy nhiên chúng có chung một

nh-ợc điểm là việc mở, khoá các tranzitor trong vùng điện áp lân cận 0 là thiếuchính xác Điều đó làm cho việc nạp, xả tụ trong vùng điện áp đồng pha lâncận 0 không đợc nh ý muốn

Để khắc phục nhợc điểm đó ngời ta sử dụng khâu đồng pha có các vimạch chất lợng cao, kích thớc nhỏ gọn và cho chất lợng điện áp tựa tốt

22K 22K

Hình 10: Sơ đồ khâu đồng pha

3.2.Khâu so sánh

Muốn xác định thời điểm mở Triac, tiến hành so sánh hai tín hiệu Uđk và

Urc Việc so sánh các tín hiệu đó có thể đợc thực hiện bằng tranzistor Tuynhiên, do mức độ bão hoà của transistor phụ thuộc vào tổng đại số Uđk+-

Urc=Ub Tổng đại số này có một vùng điện áp nhỏ bằng mV, làm cho tranzistorkhông làm việc ở chế độ đóng cắt nh mong muốn Do đó nhiều khi làm thời

điểm mở Thyristor bị lệch với thời điểm cần mở tại Uđk= Urc

Để khắc phục điều đó các khâu so sánh hiện nay sử dụng KĐTT ,KĐTT

có hệ số khuếch đại vô cùng lớn, chỉ cần một tín hiệu rất nhỏ (có mV) ở đầuvào thì đầu ra đã có điện áp nguồn nuôi Việc ứng dụng KĐTT làm khâu sosánh là hợp lý

22K50K

10K

22K

-12V

Hình 11: Khâu so sánh

3.3 Khâu khuếch đại và tạo xung

Với nhiệm vụ tạo xung phù hợp để mở Triac, tầng khuếch đại cuối cùng

đ-ợc thiết kế bằng tranzistor công suất Để có xung dạng kim gửi tới Triac tadùng biến áp xung Để có thể khuếch đại công suất ta dùng trazistor công suấthoặc dùng 2 tranzistor công suất nối tầng theo sơ đồ Darlington Diode D dùng

để bảo vệ transistor và cuộn dây sơ cấp BAX khi transistor khoá đột ngột

Trong thực tế xung điều khiển chỉ cần có độ rộng bé mà thời gian mởthông của các tranzistor công suất dài (tối đa tới một nửa chu kỳ=0.01s) làmcho công suất toả nhiệt d của tranzistor quá lớn và kích thớc dây quấn sơ cấpbiến áp xung lớn