THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU ÁP XOAY CHIỀU MỘT PHA ĐIỀU KHIỂN ĐÈN

TRƯỜNG ĐHSPKT HƯNG YÊNKHOA ĐIỆN ĐIỆN TỬCỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAMĐộc lậpTự do Hạnh phúc ĐỒ ÁN MÔN HỌCTHIẾT KẾ CHẾ TẠO MẠCH ĐIỀU ÁP XOAY CHIỀU MỘT PHA ĐIỀU KHIỂN ĐỘ SÁNG BÓNG ĐÈNGiảng viên hướng dẫn: Nguyễn Văn VĩnhNhóm sinh viên thực hiện:Vũ Mạnh TiếnNguyễn Thị Minh Trang Khóa học: 2015 2019 Ngành học: Điện tử công nghiệp Lớp: 112152A Hưng Yên, ngày…tháng…năm 2017 NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………Hưng Yên, Ngày…Tháng… Năm 2017 Giáo viên hướng dẫn:MỤC LỤCLỜI NÓI ĐẦU……………………………………………………………………...4CHƯƠNG I : GIỚI THIỆU TỔNG QUAN51.1Giới thiệu về bài toán điều khiển51.2 Đặt vấn đề51.3 Giới thiệu mạch điều khiển tải Rt đơn giản61.4 Một số van công suất71.4.1 Transistor công suất71.4.2 Thysistor111.4.3 Triac14CHƯƠNG II: BỘ ĐIỀU ÁP XOAY CHIỀU MỘT PHA172.1 Giới thiệu một số sơ đồ mạch lực172.2 Điều chế xoay chiều một pha ứng với tải Rt202.3 Nguyên lý chung của mạch tạo xung212.4. Giới thiệu về TCA 785232.5. Chọn van động lực282.6. bảo vệ30CHƯƠNG III : THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO MẠCH343.1. Sơ đồ khối343.2.Sơ đồ nguyên lý toàn mạch393.3. Sơ đồ board403.4. Sơ đồ mạch thực413.5. Lắp ráp ,chạy thử và hiểu chỉnh41KẾT LUẬN43TÀI LIỆU THAM KHẢO ……………………………………………………......44LỜI NÓI ĐẦU Cùng với sự phát triển của nền kinh tế và khoa học kỹ thuật trên con đường công nghiệp hóa và hiện đại đất nước ngành điện –điện tử nói chung, hay điện tử công suất nói riêng đã có những bước tiến vượt bậc và mang lại những thành quả đáng kể. Trong chương trình đào tạo có điện tử công suất và truyền động điên là một phần hay và lý thú, cuốn hút được nhiều sinh viên theo đuổi nghiên cứu. Là những sinh viên chuyên ngành điên điện tử, 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 chế tạo bộ điều áp xoay chiều một pha điều khiển độ sáng bóng đèn”. 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 Nguyễn Văn Vĩnh , sự góp ý của các thầy cô trong khoa cùng 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 các bạn trong các đồ án sau này. Chúng em xin chân thành cảm ơnSinh viên thực hiện: Vũ Mạnh Tiến Nguyễn Thị Minh Trang CHƯƠNG I : GIỚI THIỆU TỔNG QUANGiới thiệu về bài toán điều khiển 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 Thisister và Triac vào điều khiển, người ta có thể điều khiển động cơ một pha bằng van bán dẫn. Hình 1.1 Điều khiển động cơHình 1.2 Điều khiển tốc độ động cơ bằng điện trở phụ biến áp tự ngẫu Ở đây chúng ta điều khiển độ sáng tối của bóng đèn cũng tương tự như điều khiển tốc độ đông cơ.1.2 Đặt vấn đề 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 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 suất cao vì tổn thất trên các phân tử điện tử công suất rất nhỏ. Điều áp xoay chiều thường được sử dụng trong điều khiển chiếu sáng, đốt nóng, trong khởi động mềm và điều chỉnh tốc độ quạt gió hay máy bơm, đông cơ xoay chiều một pha.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.1.3 Giới thiệu mạch điều khiển tải Rt đơn giảnMột trong những ứng dụng rất rộng rãi của điều áp xoay chiều là điều khiển độ sáng bóng đèn. Hình 1.3: Mạch điều khiển tải RtChức năng của các linh kiện trong sơ đồ : T Triac điều khiển điện áp trên bóng đèn VR biến trở để điều chỉnh khoảng thời gian dẫn của Triac. Diac định ngưỡng điện áp để Triac dẫn. C Tụ điện tạo điện áp ngưỡng để mở thông diac.Độ sáng của bóng đèn có thể được điều khiển 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 độ sáng của bóng đèn ta cần giảm điện trở của VR để tụ nạp nhanh hơn, Triac dẫn sớm hơn điện áp ra lớn hơn. Ngược lại điện trở của VR càng lớn tụ nạp càng chậm Triac mở càng chậm lại điện áp vào, độ sáng bóng đèn giảm xuống. Mạch điều khiển trên đây có ưu điểm: Có thể điều khiển liên tục độ sáng bóng đèn sợi đốt có thể sử dụng cho các loại tải khác như điều khiển tốc độ quay của đông cơ xoay chiều một pha, điều khiển bếp điện rất có hiệu quả.Kích thước mạch điều khiển nhỏ, gọn. Nhược điểm:Mạch hoạt động có độ ổn định không cao sai số lớn dẫn tới làm bóng đèn dễ hư hỏng , tuổi thọ thấp đối với tải động cơ hoạt động không êm ái tỏa nhiệt lớn. 1.4 Một số van công suất 1.4.1 Transistor công suất a.Cấu tạo, ký hiệu Cấu tạo:Hình 1.4: Cấu tạo của Transistor+ Transistor được cấu tạo từ ba miền bán dẫn, miền giữa luôn khác hai miền bên cạnh, tạo lên hai lớp tiếp giáp PN. Tùy vào các miền bán dẫn được ghép với nhau mà người ta phân transistor ra làm PNP (phân cực thuận) và NPN (phân cực ngược)Ký hiệu: Transistor thuận Transistor ngượcHình 1.5: Ký hiệu của TransistorTransistor công suất khác với transistor thường là transistor công suất thường được sử dụng như một khóa đóng – cắt điện tử, khi điều khiển mở phải thỏa mãn điều kiện:IB > ICβVới β là hệ số khuếch đại của transistor.b.Nguyên lý làm việc Transistor ngược: Xét mạch cực phát E chung: + JE phân cực thuận, JC phân cực ngượcHình 1.6: Phân cực ngược cho Transistor Lớp JE phân cực thuận nên điện trở tiếp giáp nhỏ và dòng iB chuyển từ B sang E. Lớp JC phân cực ngược nên điện trường do E2 tạo ra khóa mạch làm cho một số điện tử tự do từ cực E sang cực B còn phần lớn qua lớp P qua lớp tới cực góp C để về cực dương của nguồn vì vậy tạo ra dòng điện cực góp ic qua tải R là iE = iC+iB. Dòng iB còn là dòng điều khiển. Khi tăng điện áp UBE thì dòng iB, iC tăng và ngược lại, lượng thay đổi dòng iB nhỏ cũng gây ra một sự thay đổi lớn một lượng dòng iC. Hệ số khuếch đại dòng: là độ tăng của dòng góp với độ tăng của dòng gốc khi cực phát E chung. Hệ số khuếch đại điện áp: Hệ số công suất: Kp Nếu đảo cực tính UBE tức là B nối vào cực âm nguồn điều khiển, E nối vào cực dương nguồn thì Transistor không thể làm việc được do lớp JE bị phân cực ngược. Nguyên lý hoạt động của Transistor thuận tương tự.c.Đặc tính Vônampe Hình 1.7: Đặc tính vônampe của transistor Đặc tính ra: iC = f(UCE) khi iB = const. Đặc tính truyền đạt: iC = f(iB) khi UCE = const. Đặc tính vào iB = f(UBE) khi UCE = const. Đặc tính điện áp phản hồi: UBE = f(UCE) khi iB = const. Trong đặc tính của transistor đặc tính ra được lưu ý đặc biệt, nó phân biệt bởi ba vùng làm việc:Vùng tuyến tính (c): ic tăng tỷ lệ với UB khi UCE = const.Vùng bão hòa (b): iB tăng nhiều iC tăng ítVùng bão hòa (a): iB tăng nhưng iC = constĐường thẳng ∆ phân giới hạn vùng (a) và (b)Đường thẳng ∆’ phân giới hạn vùng (b) và (c)Từ đặc tính ra có thể tính được trở kháng ra: Zra = Hệ số khuếch đại dòng: Cũng có thể tính hệ số khuếch đại dòng điện từ họ đặc tính truyền đạt. Từ đặc tính vào có thể tính được trở kháng vào: Zvào = Đặc tính phản hồi cho phép tính được hệ số khuếch đại điện áp: β = Các chế độ làm việc của Transistor với hai chế độ: Chế độ khuếch đại và chế độ xung.1.4.2 Thysistor a.Cấu tạo, ký hiệu Cấu tạo: Thysistor là thiết bị gồm 4 lớp bán dẫn P1,N1,P2,N2 ghép lại tạo ra ba lớp tiếp xúc J1,J2,J3. Ký hiệu: Hình 1.8: Cấu tạo kí hiệu của thysistorb.Nguyên lý làm việc Khi đặt thysistor vào điện áp một chiều, A nốt nối vào cực dương, Katốt nối vào cực âm của nguồn. Khi đó J1, J3 được phân cực thuận J2 bị phân cực ngược, gần như toàn bộ điện áp nguồn đặt lên mặt ghép J2. Điện trường Ei của J2 có chiều từ N1 sang P2. Điện trường ngoài tác dụng cùng chiều với Ei, vùng chuyển tiếp cũng là vùng cách điện càng mở rộng ra, không có dòng chảy qua thysistor, mặc dù nó được đặt điện áp. Để mở thysistor ta đặt một xung điện áp Ug tác động vào cực G (dương so với K) các điện tử từ N2 sang P2 và một số ít chúng chảy vào nguồn Ug và hình thành dòng điều khiển ig chảy theo mạch GJ3KG, còn phần điện tử chịu sức hút của điện trường tổng hợp của mặt ghép J2 lao vào vùng chuyển tiếp này, chúng được tăng tốc bắn phá J2, vùng chuyển tiếp J2 bị trọc thủng làm xuất hiện ngày càng nhiều điện tử chảy vào N1 qua P1 và đến cực dương của nguồn điện ngoài gây nên hiện tượng dẫn điện ồ ạt, J2 trở thành mặt ghép dẫn điện bắt đầu từ một điểm nào đó ở xung quanh cực G rồi phát tán ra toàn bộ mặt ghép nên thysistor được mở.Hình 1.9: Sơ đồ nguyên lý mở thysistorKhóa Thysistor Hình 1.10: Sơ đồ nguyên lý khóa ThysistorCó hai cách để khóa thysistor: + Cách 1: Giảm dòng điện ở A nốt xuống đến giá trị của dòng điện duy trì khi thysistor được phân áp thuận thì lớp J2 có điện trở lớn làm cho dòng qua Thysistor rất nhỏ lúc đó thysistor sẽ bị khóa lại. + Cách 2: Đặt một điện áp ngược lên thysistor ( biện pháp thường dùng) khi đặt điện áp ngược lên T có UAk< 0 hai mặt ghép J1 và J3 bị phân cực ngược J2 phân cực thuận. Những điện tử trước thời điểm đảo cực tính Uak đang có mặt tại P1,N1, P2 bây giờ đảo chiều hình thành nên dòng điện ngược chảy từ Katốt về A nốt và về cực âm của nguồn điện ngoài. Lúc đầu của quá trình từ t0 đến t1 dòng điện ngược khá lớn sau đó J1,J2 trở nên cách điện, còn lại một ít điện tử ở giữa hai mặt ghép J1 và J3 hiện tượng khuếch tán sẽ làm chúng ít dần đi cho đến hết và J2 khôi phục lại tính chất của mặt điều khiển. Thời gian khóa toff tính từ khi bắt đầu có điện áp ngược cho tới dòng điện ngược bằng 0 (t2). Đó là khoảng thời gian mà ngay sau đó nếu đặt điện áp thuận lên T thì T cũng khong mở. Trong bất kì trường hợp nào cũng không được đặt T dưới điện áp thuận khi T chưa bị khóa, nếu không có thể gây ra ngắn mạch nguồn. Việc khóa Thysistor bằng cách đặt điện áp ngược được thực hiện bằng cách ấn nút K.c.Đặc tính vônampe của ThysistorI(A)U(v)Hình 1.11: Đặc tính vônampe của ThysistorĐoạn 1: Trạng thái khóa của T. Khi U tăng đến Uch bắt đầu quá trình tăng dòng điện T chuyển sang trạng thái mở.Đoạn 2: Giai đoạn ứng với phân cực thuận J2, mỗi một lượng tăng nhỏ của dòng điện ứng với một lượng giảm lớn của điện áp đặt lên Thysistor.Đoạn 3: Trạng thái mở của thysistor J1,J2,J3 trở thành mặt ghép dẫn điệnĐoạn 4: Thysistor bị đặt điện áp ngược => Thysistor bị đánh thủng (do U tăng lên ing cũng tăng lên).1.4.3 Triac a.Cấu tạo và ký hiệu Hình 1.12: Cấu tạo và ký hiệu của triacTriac là linh kiện bán dẫn tương tự như hai Thyristor mắc song song ngược, nhưng chỉ có một cực điều khiển. Triac là thiết bị bán dẫn ba cực, bốn lớp. Có thẻ điều khiển cho mở dẫn dòng bằng cả xung dương (dòng đi vào cực điều khiển) lẫn xung dòng âm (dòng đi ra khỏi cực điều khiển). Tuy nhiên xung dòng 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 dương. Vì vậy trong thực tế để đảm bảo tính đối xứng của dòng điện qua Triac thì sử dụng dòng điều khiển dương là tốt hơn cả.b.Nguyên lý hoạt động.Có 4 tổ hợp điện thế có thể mở Triac cho dòng chảy qua:B2G+++++Nếu G(+), B2 (+) hoặc G(), B2 (+) khi đó dòng điện chạy từ B2 sang B1+ Nếu G(), B2 () hoặc G(+), B2 () khi đó dòng điện chạy từ B1 sang B2. c.Đặc tính VA. Hình 1.13: Đặc tuyến VA của triacTriac có đường đặc tính VA đối xứng nhận góc mở trong cả hai chiều. Ngoài các van công suất đã nêu bên trên còn có các van công suất như IGBT, GTO, IGTC, MCT, MTO,ETO...CHƯƠNG II: BỘ ĐIỀU ÁP XOAY CHIỀU MỘT PHA2.1 Giới thiệu một số sơ đồ mạch lực Hình 2.1: Các phương án điều áp một pha Hình 2.1 giới thiệu một số mạch điều áp xoay chiều một pha. Hình 2.1a 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 Zf là điện trở) hay cosα thấp (nếu Zf là điện cảm). Người ta có thể dùng biến áp tự ngẫu để điều chỉnh điện áp xoay chiều U2 như trên hình 2.1b. Điều chỉnh bằng biến áp tự ngẫu có ưu điểm là có thể điều chỉnh 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, 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 2.1a,b có chung ưu điểm là điện áp hình sin, đơn giản. Lại có cùng 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 2.1c 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 2.1c như sau: Hình 2.2: Sơ đồ điều áp xoay chiều một pha bằng bán dẫn a. Bằng hai thyristor song song ngược b. bằng triacc. Bằng hai thyristor hai dioded. Bằng bốn diode một thyristorSơ đồ kinh điển hình 2.2.a thường được sử dụng nhiều hơn, do có thể điều khiển được với mọi công suất tải. Hiện nay Thyristor 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 đượcTuy nhiên, việc điều khiển hai thyristor song song ngược đôi khi có chất lượng điều khiển không được tốt, 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 thyristor gây nên sai số. Điện áp tải thu được gây mất đối xứng như so sánh trên hình 2.3.Điện áp và dòng điện không đối xứng khi 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. Hình 2.3: Hình dạng đường cong điện áp điều khiển a Đối xứng b Mất đối xứng Để khắc phục nhược điểm vừa nêu về việc ghép hai thyristor song song ngược, triac ra đời và có thể mắc theo sơ đồ hình 2.2b Sơ đồ này có ưu điểm là các đường cong điện áp ra gần như mong muốn như hình 2.2a, 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.Sơ đồ hình 2.2c có hai thyristor 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 2.2d 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 thyristor 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 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.2.2 Điều chế xoay chiều một pha ứng với tải RtHình 2.4: Dạng sóng dòng điện và điện áp đối với tải thuần trở và thuần cảm Dạng sóng trên cho thấy, ngay cả trường hợp tải thuần trở, lưới điện xoay chiều vẫn phải cung cấp một lượng công suất phản kháng.Giá trị hiệu dụng của điện áp trên tải:Uc = = V. Giá trị hiệu dụng của dòng tải:Ic = .( )Công suất tác dụng cung cấp cho mạch tải:P = UcIc = ( ).( )Như vậy bằng cách làm biến đổi góc từ 0 đến , người ta có thể điều chỉnh được công suất tác dụng từ giá trị cực đại P =( ) đến 0Bảng 2.1: Góc mở α ứng với từng loại tải : 2.3 Nguyên lý chung của mạch tạo xungĐiều khiển Triac trong sơ đồ chỉnh lưu hiện nay có rất nhiều phương pháp khác nhau thường 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 áp tựa dạng tam giác (điện áp tựa răng cưa Urc). Dùng một điện áp xoay chiều Uđk để so sánh với điện áp tựa. Tại thời điểm hai điện áp này bằng nhau(Uđk= Urc) thì sẽ tạo ra xung.Trong vùng điện áp dương 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:Hình 2.5: Sơ đồ khối các khâu trong mạch điều khiển Nhiệm vụ của các khâu trong sơ đồ khối như sau:1. Khâu đồng bộ: Có nhiệm vụ tạo ra điện áp tựa Urc tuyến tính trùng pha với điện áp Anot 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 và khuếch đại xung: Có nhiệm vụ tạo xung phù hợp để mở Triac. Xung để mở Triac cần có các yêu cầu: Sườn trước dốc thẳng đứng để đảm bảo mở Triac tức thời khi có xung điều khiển (Thường gặp là xung kim hoặc xung chữ nhật) đủ độ rộng (với độ rộng xung lớn hơn thời gian mở của Triac). Cách ly giữa mạch điều khiển và mạch động lực (nếu điện áp động lực quá lớn) đủ công suất.Nguyên lý hoạt động.Tín hiệu điện áp cung cấp cho mạch điều khiển được đưa đến khối đồng pha. Đầu ra của khối này có điện áp thường là hình sin cùng tần số và có thể lệch pha một góc xác định so với điện áp nguồn. Điện áp này gọi là điện áp đồng bộ Vđb . Đầu ra của mạch phát điện áp răng cưa ta có các điện áp răng cưa đồng bộ về tần số và góc pha với điện áp đồng bộ. Các điện áp này gọi là điện áp răng cưa Vrc. Điện áp răng cưa Vrc được đưa vào đầu vào của khối so sánh. Tại đó có một tín hiệu khác nữa là điện áp xoay chiều điều chỉnh lấy từ ngoài. Khối so sánh làm nhiệm vụ so sánh hai tín hiệu này. Tại thời điểm hai tín hiệu này bằng nhau thì tín hiệu đầu ra khối so sánh là các xung xuất hiện với chu kỳ của Vrc . Xung răng cưa có hai sườn trong đó có một sườn mà tại đó thì đầu ra khối so sánh xuất hiện một xung điện áp thì sườn đó là sườn sử dụng . Vậy ta có thể thay đổi thời điểm của xung xuất hiện tại đầu ra khối so sánh bằng cách thay đổi Vđk khi giữ nguyên dạng của Vrc .Trong một số trường hợp xung ra khối so sánh được đưa ngay đến đầu cực của thiết bị cần điều khiển nhưng trong đa số các trường hợp thì tín hiệu ra khối so sánh chưa đủ yêu cầu cần thiết. Người ta phải thực hiện việc khuếch đại thay đổi lại hình dáng xung. Các nhiệm vụ này được thực hiên bởi một mạch gọi là mạch xung. Đầu ra của khối tạo xung và khuếch đại xung sẽ được một chuỗi xung điều khiển có đủ các thông số yêu cầu về công suất, độ dài, độ dốc mặt đầu của xung. Tại thời điểm bắt đầu xuất hiện các xung hoàn toàn trùng với thời điểm xuất hiện xung trên đầu ra khối so sánh. Sau đó được chuyển vào bộ logic chuyển thành xung điều khiển để đưa ra điều khiển mạch lực.Ngày nay các mạch cổ điển như trên thường được thay thế bằng các IC tích hợp đầy đủ các khâu, với kết cấu nhỏ gọn, giá thành rẻ và đạt được độ chính xác rất cao IC TCA 785 là một vi mạch như vậy2.4. Giới thiệu về TCA 785Vi mạch TCA 785 là vi mạch phức hợp thực hiện được 4 chức năng của một mạch điều khiển: tạo điện áp đồng bộ, tạo điện áp răng cưa đồng bộ, so sánh và tạo xung ra.Bảng 2.2: ký hiệu và chức năng của TCA 785ChânKý hiệuChức năngChânKý hiệuChức năng1OSChân nối đất9R9Điện trở tạo mạch răng cưa2Q Đầu ra 2 đảo10C10Tụ tạo mạch răng cưa3QUĐầu ra U11V11Điện áp điều khiển4Q Đầu ra 1 đảo12C12Tụ tạo độ rộng xung5VSYNCĐiện áp đồng bộ13LTín hiệuđiều khiển xung ngắn, xung rộng6ITín hiệu cấm14Q1Đầu ra 17QZĐầu ra z15Q2Đầu ra 28VREFĐiện áp chuẩn16VsĐiện áp nguồn nuôi Hình 2.6: Dạng sóng và chức năng của các chân TCA785b.Bảng 2.3: Các thông số của TCA 785.Thông sốGiá trị nhỏ nhấtGiá trị tiêu biềuF =50HzVs = 15vGiá trị lớn nhấtĐơn vịDòng tiêu thụI.S4,56,510mAĐiện áp vào điềukhiển,chân11Trở kháng vàoV11R110,215V10maxVK Mạch tạo răng cưaDòng nạp tụBiên độ của răng cưaĐiện trở mạch nạpThời gian sườn ngắn của xung răng cưaI10V10R9TP103801000VS2300 AVK STín hiệu cấm vào, chân 6CấmCho phépV6IV6H43,33,32,5VVĐộ rộng xung ra, chân13Xung hẹpXung rộngV13HV13L3,52,53,52,5VVXung ra, chân 14, 15Điện áp ra mức caoĐiện áp ra mức thấpĐộ rộng xung hẹpĐộ rộng xung rộngV1415LV1415LtptpVS30,320530VS2,50,830620,mVS1,0240760VV S SnFĐiện áp điều khiểnĐiện áp chuẩnGóc điều khiển ứng với điện áp chuẩnVref ref2,83,12 x1043,45x104V1KTính toán các phần tử bên ngoài: Tụ răng cưa: C10 Min = 500pF; Max = 1 FThời điểm phát xung: tTr = Dòng nạp tụ: I10 = Điện áp trên tụ: V10 = TCA 785 do hãng Siemen chế tạo, được sử dụng để điều khiển các thiết bị chỉnh lưu, thiết bị chỉnh dòng điện áp xoay chiều.Có thể điều chỉnh góc từ 00 đến 1800 điện. Thông số chủ yếu của TCA 785:+ Điện áp nuôi: US = 1518V+ Dòng điện tiêu thụ: IS = 10mA+ Dòng điện ra: I = 50mA+ Điện áp răng cưa: Ur max = (US 2)V+ Điện trở trong mạch tạo điện áp răng cưa: R9 = 20K 500K + Điện áp điều khiển: U11 = 0,5 (US2)V+ Dòng điện đồng bộ: IS = 200 A+ Tụ điện: C10 = 0,5 F+ Tần số xung ra: f = 10 500 Hzc. Sơ đồ chức năng chân của vi mạch TCA785 Hình 2.7: Sơ đồ khối chức năng của tca7852.5. Chọn van động lựcDựa vào các yếu tố cơ bản dòng tải, sơ đồ cần chọn, điều kiện tản nhiệt, điện áp làm việc. P: Công suất định mức của tải Pđm=200wU: Điện áp định mức U=220Vcos: Hệ số công suất tải lấy cos =1Khi đó:Điện áp làm việc cực đại của triacU = .220 = 311,13V Điện áp của van cần chọnU = 1.8.311,13 = 560,034 VK là hệ số dự trữ điện áp .Với phần tính toán này chúng em lấy điện áp dự trữ của van là Kdt=1.8Dòng điện làm việc của van được tính theo dòng hiệu dụngItải=1 AVới I = = 200(220×1)=1 AChọn điều kiện làm việc của van: có cánh tản nhiệt không có quạt đối lưu Dòng điện định mức của van cần chọn Ilv =30%Iđmvan = 3.786 AVới các thông số trên theo datasheet cũng như độ phổ biến ngoài thị trường chúng em quyết định lựa chọn loại van sau :BT136 có các thông số sau:Điện áp định mức: Uđm = 600 V.Dòng điện định mức: Iđm = 4 A.Dòng điện điều khiển: Iđk = 50 m A.Điện áp điều khiển: Uđk = 1.5V.Dòng điện rò: Ir = 500 .Dòng điện duy trì: Ih = 15 mA.Sụt trên van khi mở: U = 1.7 V.Thời gian giữ xung điều khiển: tx = 2 Tốc độ tăng điện áp: = 500 V s.Nhiệt độ làm việc cực đại: T0C = 1250C. Hình 2.8:sơ đồ chân và hình ảnh thực tế BT136Trên đây là thông số em chọn ứng với tải là bóng đèn công suất nhỏ.các giá trị của nguồn khó có thể vượt qua giá trị này nên chúng em quyết định sử dụng BT136 làm van mạch lực.Các giá trị trên em lấy trên datasheet của triac BT136.Với các giá trị của van đều đáp ứng và sát các thông số yêu cầu của đông cơ nên chúng em quyết định sử dụng van này trong mạch.2.6. Bảo vệ a.Bảo vệ quá nhiệt.Triac làm việc với dòng điện tối đa Imax = 1 A chịu một tổn hao trên van là ( và khi chuyển mạch ( P2). Tổng tổn hao sẽ là: P = P1 + P2 P1 = U.Ilv = 1,6.0.22 = 0.352W.Tổn hao công suất này sinh ra nhiệt. Mặt khác van chỉ làm việc tới nhiệt độ tối đa cho phép là T = 1250C. Do đó phải bảo vệ van bằng cách gắn van bán dẫn lên cánh toả nhiệt.Khi van bán dẫn được mắc vào cánh toả nhiệt bằng đồng hoặc nhôm, nhiệt độ của van được toả ra môi trường xung quanh nhờ bề mặt của cánh toả nhiệt. Sự toả nhiệt này là nhờ vào sự chênh lệch nhiệt giữa cánh toả nhiệt và môi trường xung quanh. Khi cánh toả nhiệt nóng lên, nhiệt độ xung quanh cánh toả nhiệt nóng lên. Nhiệt độ xung quanh cánh toả nhiệt tăng lên. Làm cho tốc độ dẫn nhiệt ra môi trường không khí bị chậm lại. Diện tích bề mặt toả nhiệt được tính:Stn = Tổn hao công suất: P = 0.352W.Độ chênh lệch nhiệt độ so với môi trường: = Tlv – TmtCó Tlv = 1250C, chọn nhiệt độ môi trường: Tmt = 400C. = 125 40 = 85 0CKtn: Hệ số có xét tới điều kiện tỏa nhiệt.Chọn Ktn = 8.104 Wcm2 0C. Stn = = 26,76 cm2 Hình 2.9: Hình dạng cánh tản nhiệt cho triac b.Bảo vệ quá dòng điện cho van.Chọn cầu chì tác động nhanh để bảo vệ ngắn mạch nguồn:Icc = 1,1Ilv = 1,1.1 = 1.1 A.Chọn một cầu chì loại 1 A. c.Bảo vệ quá điện áp cho vanBảo vệ quá điện áp do quá trình đóng cắt Triac được thực hiện bằng cách mắc RC song song với triac (hoặc thyristor). Khi có sự chuyển mạch các điện tích tích tụ trong các lớp bán dẫn, phóng ra ngoài tạo ra dòng điện ngược trong khoảnh thời gian ngắn. Sự biến thiên nhanh chóng của dòng điện ngược sẽ gây ra sức điện động cảm ứng rất lớn trong các điện cảm làm cho quá điện áp giữa Anot và Katot của triac (hoặc thyristor). Khi có mạch R C mắc song song với triac (hoặc Thyristor) tạo ra mạch vòng phóng điện trong quá trình chuyển mạch nên triac (hoặc thyristor) không bị quá điện áp.Hình 2.10: Sơ đồ mạch động lực được lựa chọnThông thường chọn R = 10 100 , C = 0,1 1000 F. d. tính chọn phần tử cách lyCó rất nhiều phương án cho khâu cách ly đó có thể dung phần tử cách ly quang, biến áp xung hay với mạch công suất nhỏ chỉ cần dùng diode để chống ngược dòng.Trong phạm vi đề tài là ứng dụng với tải công suất trung bình và nhỏ để đáp ứng được tính gọn nhẹ và giá thành của mạch. Phương án sử dụng cách ly quang được chúng em quyết định sử dụng vì khá hiệu quả giá thành rẻ, gọn nhẹ và cách ly an toàn giữa mạch lực và mạch điều khiển từ các thông số trên chúng em quyết định sử dụng MOC 3020 để thực hiện khâu cách ly này.Sau đây là một số sơ đồ kết nối : Hình 2.11: Sơ đồ nối chân của MOC3020CHƯƠNG III : THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO MẠCH3.1. Sơ đồ khốiHình 3.1: Sơ đồ khốia.Khối nguồn Hình 3.2: Sơ đồ khối nguồnChức năng: Cung cấp nguồn nuôi cho mạch hoạt động.Nguyên lý hoạt động: Điện áp 220VAC đi qua biến áp hạ áp xuống 15VAC sau đó dòng điện 15V xoay chiều qua cầu chỉnh lưu 3A làm biến đổi từ dòng xoay chiều thành dòng một chiều. Sau khối chỉnh lưu cầu điện áp 15V được cho qua tụ 1000µF để san phẳng điện áp tạo điện áp ổn định cho IC ổn áp 7815 và mắc song với một tụ gốm để loại bỏ thành phần sóng hài của điện áp xoay chiều. Tiếp đó dòng điện đi qua IC ổn áp 7815 để ổn định điện áp ra là 15V – DC và đi qua tụ 470uf để san phẳng điện áp ra, mắc song song với một tụ gốm để loại bỏ xung nhọn của mạch khi quá độ và đưa điện áp ra cung cấp cho mạch.b.Khối điều khiểnMạch điều khiển tạo xung điều khiển góc mở cho triac, ở đây là vi mạch TCA785. Hình 3.3: sơ đồ lắp ghép TCA785c.Mạch lựcĐiều khiển điện áp hiệu dụng đặt lên tải. Hình 3.4: Sơ đồ mạch lựcNguyên lý làm việc: Tín hiệu điều khiển được đưa vào chân điều khiển G của Triac. Triac có nhiệm vụ điều khiển mở dẫn dòng từ đó ta nhận được giá trị điện áp trên tải tương ứng với góc mở của triac khi ta điều chỉnh biến trở để điều chỉnh độ rộng xung điều khiển 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: Hình 3.5: dạng sóng đầu ra của van khi điều chỉnh góc mở Nhìn từ hình trên ta thấy do tải có tính cảm kháng nên khi tắt vẫn có một phần điện áp trả lại của động cơ. Nên có thể xuất hiện một vùng không hoạt động nếu điện 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 phân cực ngược. Do đó trong vùng từ φ1 cho đến π nếu có phát xung điều khiển T2 thì T2 không dẫn được .Thứ 2 là do khi có điện cảm, dòng điện không biến thiên đột ngột tại thời điểm mở thyristor, điện cảm càng lớn khi dòng điện biến thiên càng chậm. Nếu độ rộng xung điều khiển hẹp, dòng điện khi có xung điều khiển không đủ lớn hơn dòng điện duy trì, do đó van bán dẫn không tự giữ dòng điện. Kết quả không có dòng 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 điều khiển, dòng điện còn nhỏ hơn dòng duy trì nên van bán dẫn khoá luôn. Chỉ khi nào điện áp mở ở van đủ lớn hơn dòng dòng điện duy trì, dòng điện mới tồn tại trong mạch Để khắc phục hiện tường này là tạo xung gián đoạn bằng chùm xung liên tiếp như hình vẽ dưới đây. Từ thời điểm mở van cho tới cuối bán kỳ:Dưới đây là sơ đồ: Hình 3.6: tạo xung gián đoạn bằng chum xung liên tiếp3.2.Sơ đồ nguyên lý toàn mạch Hình 3.7: Sơ đồ nguyên lý toàn mạchNguyên lý hoạt động chung của mạch:Khi cấp nguồn cho mạch điều khiển qua khối chỉnh lưu điện áp 15V DC vào các chân 13,6,16 cho TCA785 chân 5 của mạch nối với điện áp xoay chiều 15V AC sau máy biến áp để tạo điện áp đồng với mạch lực. Để tạo được xung răng cưa sau khi tham khảo sơ đồ chân của datasheet chúng em nối chân 12 với một tụ không phân cực 683 để tạo độ rộng xung và một tụ 473 vào chân 10 để tạo biên độ cho mạch điều khiển để điều khiển được triac dùng 2 biến trở 10k và 100k vào chân 11 và chân 9 để điều khiển độ rộng xung qua đó điều chỉnh góc mở cho triac và từ đó nhận được một giá trị điện áp tương ứng trên tải. (các chân còn lại không dùng chúng em chọn giải pháp để trống không nối mát). Xung ra từ chân điều khiển 14 để điều chỉnh góc mở phần điện áp dương, chân 15 để phát xung điều khiển mở phần điện áp âm để mở cho triac ta có thể nhận được giá trị điện áp tương ứng đặt cho tải từ đó điều chỉnh được độ sáng của bóng đèn theo ý muốn .Để an toàn cho mạch điều khiển không bị điện áp ngược từ mạch lực sử dụng 2 diode chống ngược dòng và qua mạch cách ly quang sử dụng MOC 3020. Mạch lực được bảo vệ bởi cầu chì 1A.Để điều khiển độ sang của bóng đèn người điều khiển chỉ cần vặn biến trở R7 để nhận được giá trị điện áp tương ứng góc mở càng nhỏ thì điện áp đặt trên tải càng lớn và ngược lại. Biến trở R6 để điều chỉnh độ mịn cho góc mở nhờ điều chỉnh biên độ của xung răng cưa.3.3. Sơ đồ board Hình 3.8: Sơ đồ board mạch3.4. Sơ đồ mạch thực Hình 3.9: Hình ảnh thực tế của mạch3.5. Lắp ráp ,chạy thử và hiểu chỉnh Qua quá trình thi công và hiệu chỉnh chúng em nhận thấy rằng khi lấy điện áp mẫu cấp vào chân số 5 của IC TDA785 để so sánh. Khi đo kiểm điện áp răng cưa tại chân số 10 thấy rất xấu và không được chuẩn dẫn tới khi đưa xung điều khiển không được chính xác. Do đó chúng em đã chuyển sang lấy điện áp mẫu trực tiếp từ nguồn 220VAC qua một con trở 1M để hạn dòng.Qua đó chúng em thấy rẳng biến áp chất lương kém có thể dẫn tới điện áp ra không còn có dạng hình Sin chuẩn nữa từ đó ta lên lấy điện áp mẫu trực tiếp từ nguồn 220VAC. Hình 3.10: Dạng sóng xung điều khiển và điện áp ra trên tải tương ứng với các góc mở alpha khác nhau.KẾT LUẬNSau một thời gian thực hiện đồ án: “ Thiết kế, chế tạo bộ điều áp xoay chiều một pha điều khiển độ sáng bóng đèn” bằng các phần tử bán dẫn công suất cho đến nay chúng em đã hoàn thành. Cùng với sự nỗ lực cố gắng của bản thân, sự giúp đỡ của bạn bè trong lớp và đặc biệt với sự giúp đỡ nhiệt tình, tận tâm của thầy Nguyễn Văn Vĩnh chúng em đã thực hiện được một cách tương đối tốt những yêu cầu cơ bản mà đề tài đặt ra. Nhưng bên cạnh đó, trong thời gian thực hiện đề tài, do với trình độ kiến thức còn có hạn nên không tránh khỏi những sai sót. Do đó chúng em rất mong sẽ nhận được những ý kiến đóng góp của các thầy cô giáo và các bạn để đề tài của chúng em ngày một được hoàn thiện hơn.Chúng em cũng xin được cảm ơn tất cả các thầy cô giáo thuộc bộ môn ‘Điện tử công suất và truyền động điện’ đã giúp đỡ chúng em tận tình chỉ bảo để chúng em có thể hoàn thiện được đề tài này.Một lần nữa, chúng em xin chân thành cảm ơnHưng yên, ngày…tháng…năm 2017 Sinh viên thực hiện đồ án : Vũ Mạnh TiếnNguyễn Thị Minh TrangTÀI LIỆU THAM KHẢO1 Nguyễn Đình Hùng – Giáo Trình Điện Tử Công Suất – Khoa Điện Điện Tử Trường ĐHSPKT HY 20142 Nguyễn Bính – Điện Tử Công Suất – NXB Khoa Học Kỹ Thuật – năm 20003 Trần Quang Phú – Giáo Trình Thực Tập Máy Điện 1 – Khoa Điện – Điện Tử Trường ĐHSPKT HY 2008www.alldatasheet.comwww.dientuvietnam.netwww.tailieu.vn

THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU ÁP XOAY CHIỀU MỘT PHA ĐIỀU KHIỂN ĐÈN

Thông tin tài liệu

Hình ảnh liên quan

Từ khóa liên quan

Mục lục

CHƯƠNG I : GIỚI THIỆU TỔNG QUAN

1.1 Giới thiệu về bài toán điều khiển

Hình 1.1 Điều khiển động cơ Hình 1.2 Điều khiển tốc độ động cơ

bằng điện trở phụ biến áp tự ngẫu

1.2 Đặt vấn đề

1.3 Giới thiệu mạch điều khiển tải Rt đơn giản

Hình 1.3: Mạch điều khiển tải Rt

1.4 Một số van công suất

1.4.1 Transistor công suất

Hình 1.4: Cấu tạo của Transistor

Hình 1.5: Ký hiệu của Transistor

Hình 1.6: Phân cực ngược cho Transistor

Hình 1.7: Đặc tính vôn-ampe của transistor

1.4.2 Thysistor

Hình 1.8: Cấu tạo kí hiệu của thysistor

Hình 1.9: Sơ đồ nguyên lý mở thysistor

Hình 1.10: Sơ đồ nguyên lý khóa Thysistor

Hình 1.11: Đặc tính vôn-ampe của Thysistor

1.4.3 Triac

Hình 1.12: Cấu tạo và ký hiệu của triac

Hình 1.13: Đặc tuyến V-A của triac

CHƯƠNG II: BỘ ĐIỀU ÁP XOAY CHIỀU MỘT PHA

2.1 Giới thiệu một số sơ đồ mạch lực

Hình 2.1: Các phương án điều áp một pha

Trích đoạn

Tài liệu cùng người dùng

Tài liệu liên quan