THIẾT kế bộ điều áp XOAY CHIỀU một PHA điều KHIỂN tốc độ ĐỘNG cơ

sdwfthkulj

- Đồ án môn học số 3- TRƯỜNG ĐHSPKT HƯNG YÊN CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM KHOA ĐIỆN - ĐIỆN TỬ Độc lập-Tự do- Hạnh phúc ------------ ------------ ĐỒ ÁN MÔN HỌC Khóa học : 2009-2013 Ngành học : Tự động hóa công nghiệp Lớp : ĐK7.1 ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU ÁP XOAY CHIỀU MỘT PHA ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ Giảng viên hướng dẫn: Nguyễn Trung Thành Nhóm sinh viên thực hiện: Nguyễn Văn Đông Nguyễn Quang Đức Phạm Đình Giáp Hưng Yên, ngày 06 tháng 06 năm 2011 1 - Đồ án môn học số 3- ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU ÁP XOAY CHIỀU MỘT PHA I-Số liệu cho trước: -Dòng xoay chiều với các thông số: U=220V; I=5A; f=50Hz -Đông cơ với các thông số: P=370w 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. Ngày giao đề tài: 24/03/2011 Ngày hoàn thành :06/06/2011 2 - Đồ án môn học số 3- MỤC LỤC LỜI MỞ ĐẦU 4 PHẦN I.CƠ SỞ LÝ THUYẾT 5 1.1 .Động cơ điện xoay chiều một pha …………………………………………5 1.2 .Bộ điều áp xoay chiều một pha…………………………………………… .7 1.2.1.Giới thiệu một số sơ đồ mạch động lực……………………………………7 1.2.2.Giới thiệu về phần tử bán dẫn triac……………………………………… 11 1.2.3.Điều áp xoay chiều một pha ứng với các loại tải………………………….12 PHẦN II.LỰA CHỌN SƠ ĐỒ THIẾT KẾ MẠCH 2.1.Chọn mạch động lực…………………………………………………………18 2.2.Chọn mạch điều khiển……………………………………………………….18 2.2.1.Giới thiệu về TCA785…………………………………………………… .20 PHẦN III.TÍNH TOÁN THIẾT KẾ CHẾ TẠO MÔ HÌNH 3.1.Sơ đồ khối…………………………………………………………………….25 3.1.1Khối nguồn………………………………………………………………… 25 3.1.2.Mạch điều khiển…………………………………………………………….26 3.1.3.Chọn phần tử cách ly……………………………………………………… 26 3.1.4.Tính chọn van động lực…………………………………………………… 29 3.1.5.Chọn thiết bị bảo vệ…………………………………………………………31 3.2.Sơ đồ nguyên lý toàn mạch………………………………………………… .33 3.3.Sơ đồ bố trí linh kiện……………………………………………………… 35 LỜI KẾT 36 3 - Đồ án môn học số 3- LỜI NÓI ĐẦU Điện tử công suất là một môn học hay và lý thú, cuốn hút được nhiều sinh viên theo đuổi. Là những sinh viên chuyên ngành tự động hóa, 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 được lý thuyết đã được học. Trong đồ án điện tử công suất lần này, chúng em đã được nhận đề tài “Nghiên cứu,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 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 và hướng dẫn kịp thời của thầy hướng dẫn , 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 thầy giáo và bạn trong các đồ án sau này. Chúng em xin chân thành cảm ơn! Nhóm sinh viên: Nguyễn Văn Đông Nguyễn Quang Đức Phạm Đình Giáp 4 - Đồ án môn học số 3- PHẦN I: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 1.1.Động cơ điện 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 cơ điện xoay chiều không cổ góp được chạy bằng điện một pha. Loại động cơ điện này 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 dụng loại động cơ này người ta thường cần điều chỉnh tốc độ ví dụ như quạt bàn ,quạt trần. Để điều khiển tốc độ động cơ một pha người ta có thể sử dụng các phương pháp 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. 1.1.2. Nguyên lý điều khiển động cơ xoay chiều một pha Trước đây điều khiển tốc độ động cơ bằng điều khiển điện áp xoay chiều đưa vào động cơ, người ta thường sử dụng hai cách phổ biến là mắc nối tiếp với tải một điện trở hay một điện kháng mà ta coi là Zf hoặc là điều khiển điện áp bằng biến áp như là survolter hay các ổn áp. Hai cách trên đây đều có nhược điểm là kích thước lớn và khó điều khiển liên tục khi dòng điện lớn. Ngày nay với việc ứng dụng Tiristor và Triac vào điều khiển, người ta có thể điều khiển động cơ một pha bằng bán dẫn 5 - Đồ án môn học số 3- 1.1.3.Một số mạch điều khiển động cơ một pha Một trong những ứng dụng rất rộng rãi của điều áp xoay chiều là điều khiển động cơ điện một pha mà điển hình là điều khiển tốc độ quay của quạt điện. 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 chỉnh biến trở VR trên hình a. Tuy nhiên sơ đồ điều khiển này không triệt để, vì ở vùng 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 có thể được điều khiển cũng bằng biến trở VR. Khi điều chỉnh trị số VR ta điều chỉnh việc nạp tụ C lúc đó điều chỉnh được thời điểm mở thông diac và thời điểm Triac dẫn. Như vậy Triac được mở thông khi điện áp trên tụ đạt điểm dẫn thông 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 trở của VR càng lớn tụ nạp càng chậm Triac mở càng chậm lại điện áp và tốc độ của 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 tải khác như điều khiển độ sáng của đèn sợi đốt, điều khiển bếp điện rất có hiệu quả. 6 - Đồ án môn học số 3- -Kích thước mạch điều khiển nhỏ, gọn. * Nhược điểm: Nếu chất lượng Triac, diac không tốt thì ở vùng tốc độ thấp quạt sẽ xuất hiện tiếng ù do thành phần một chiều của dòng điện. 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 kháng hay điện trở phụ (tổng trở phụ ) biến thiên. Sơ đồ mạch điều chỉnh này đơn giản dễ thực hiện. Tuy nhiên, mạch điều chỉnh kinh điển này hiện nay ít được dùng, do hiệu suất thấp (nếu Z f là điện trở ) hay cosϕ thấp(nếu Z f là điện cảm ). 7 - Đồ án môn học số 3- 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 U 2 như trên hình 1b. Điều chỉnh bằng biến áp tự ngẫu có ưu điểm là có thể điều chỉnh điện áp U 2 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, thì phương án phải dùng biến áp là tất yếu. Tuy nhiên, khi dòng tải lớn, sử dụng biến 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 tiếp xúc 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 và không điều chỉnh liên tục khi dòng tải lớn. Sử dụng sơ đồ bán dẫn để điều chỉnh xoay 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 phổ biến. 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: 8 U 1 Z f U 2 i Z a U 2 b TBB§ U 2 U 1 C U 1 i Z Z i - Đồ án môn học số 3- Sơ đồ kinh điển hình 2.A thường được sử dụng nhiều hơn, do có thể điều khiển được với mọi công suất tải. Hiện nay Tiristor được 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 được Tuy nhiên, việc điều khiển hai tiristor song song ngược đôi khi có chất lượng 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 như 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 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, sẽ làm cho 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 xuyên làm 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. 9 T 2 Z T 1 U 1 Z T U 1 a. D 2 Z T U 1 D 1 D 3 D 4 d. b. Hình 2 Sơ đồ điều áp xoay chiều một pha bằng bán dẫn a. bằng hai tiristor song song ngược; b. bằng triac; c. bằng một tiristor một diod; d. bằng bốn diod một tiristor Z U 1 c. D 1 T 1 T 2 D 2 - Đồ án môn học số 3- Để khắc phục nhược điểm vừa nêu về việc ghép hai tiristor song song ngược,triac ra đời và có thể mắc theo sơ đồ hình 2.B. Sơ đồ này có ưu điểm là các đường cong điện áp ra gần như mong muốn như hình 3.a, nó còn có ưu điểm hơn khi lắp ráp. Sơ đồ mạch này hiện nay được sử dụng khá phổ biến trong công nghiệp. Tuy nhiên triac hiện nay được 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 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 các cực 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 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 lượng tiristor ít hơn, có thể sẽ có ưu điểm hơn khi van điều khiển còn hiếm. Tuy nhiên, việc điều khiển theo sơ đồ này dẫn đến tổn 10 U U Tả i t b α 1 α 2 U U Tả i t a α α Hình 3. Hình dạng đường cong điện áp điều khiển a- Mong muốn b- Không mong muốn . - Điều khiển điện áp đưa vào động cơ. 1.1.2. Nguyên lý điều khiển động cơ xoay chiều một pha Trước đây điều khiển tốc độ động cơ bằng điều khiển điện áp. Giáp 4 - Đồ án môn học số 3- PHẦN I: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 1.1 .Động cơ điện xoay chiều một pha 1.1.1.Khái niệm Động cơ điện xoay chiều một pha (gọi tắt là động