Thiết kế chế tạo mạch điều áp xoay chiều một pha

TRƯỜNG CAO ĐẲNG KỸ THUẬT CAO THẮNG KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP -o0o - ĐỒ ÁN MÔN HỌC Đề tài: Thiết kế chế tạo mạch điều áp xoay chiều pha GVHD: Th.s NGUYỄN HỮU PHƯỚC SVTH: Nguyễn Hoàng Nguyên ,Võ Thanh Tâm LỚP: CĐ ĐKTĐ 19A MSSV: Tp HCM, tháng 05 năm 2021 MỤC LỤC CHƯƠNG I: ĐỘNG CƠ ĐIỆN XOAY CHIỀU MỘT PHA VÀ MỘT SỐ VAN BÁN DẪN Khái niệm 1.1 Nguyên lý điều khiển động xoay chiều pha 1.2 Một số mạch điều khiển động pha .6 Một số van bán dẫn 2.1 Giới thiệu phần tử bán dẫn Triac 2.2 Giới thiệu phần tử bán dẫn Thysistor 2.3 Giới thiệu phần tử bán dẫn Transistor .12 CHƯƠNG II: BỘ ĐIỀU ÁP XOAY CHIỀU MỘT PHA 15 Đặt vấn đề 15 Phân tích lựa chọn sơ đồ 15 2.1 Giới thiệu số sơ đồ mạch động lực 15 2.2 Điều áp xoay chiều pha ứng với tải R-L 19 CHƯƠNG III: THIẾT KẾ MẠCH 21 3.1 Sơ đồ khối.(*) 21 3.2 Phân tích khối 21 CHƯƠNG IV: THIẾT KẾ CHẾ TẠO MẠCH 31 4.1 Tính tốn thiết kế để chế tạo mơ hình 31 4.2 Sơ đồ nguyên lý toàn mạch 35 4.3 Phương hướng phát triển đề tài 38 LỜI KẾT .41 Tài liệu tham khảo: 41 Nhận xét GV LỜI NĨI ĐẦU LỜI NĨI ĐẦU Điện tử cơng suất môn học hay lý thú, hút nhiều sinh viên theo đuổi Là sinh viên chuyên ngành tự động hóa, chúng em muốn tiếp cận hiểu sâu môn điện tử công suất.Vì vậy, đồ án mơn học chế tạo sản phẩm điều kiện tốt giúp chúng em kiểm chứng lý thuyết học Trong đồ án điện tử công suất lần này, chúng em nhận đề tài “Nghiên cứu,thiết kế điều áp xoay chiều pha” Sau thời gian nghiên cứu, chúng em chế tạo thành công điều khiển điện áp xoay chiều pha đáp ứng yêu cầu đề tài Trong suốt thời gian thực đề tài, chúng em gặp số vướng mắc lý thuyết khó khăn việc thi cơng sản phẩm Tuy nhiên, chúng em nhận giải đáp hướng dẫn kịp thời thầy Nguyễn Hữu Phước, góp ý kiến bạn sinh viên lớp Đựơc chúng em xin chân thành cảm ơn mong muốn nhận nhiều giúp đỡ, bảo cô giáo bạn đồ án sau Chúng em xin chân thành cảm ơn! Nhóm sv thực hiện: NGUYỄN HỒNG NGUN VÕ MINH TÂM Trang Đồ án môn học: Điện tử công suất GVHD: Nguyễn Hữu Phước CHƯƠNG I CHƯƠNG I: ĐỘNG CƠ ĐIỆN XOAY CHIỀU MỘT PHA VÀ MỘT SỐ VAN BÁN DẪN Khái niệm - Động điện xoay chiều pha (gọi tắt động pha) động điện xoay chiều khơng cổ góp chạy điện pha Loại động điện sử dụng rộng rãi công nghiệp đời sống động bơm nước động quạt động hệ thống tự động Khi sử dụng loại động người ta thường cần điều chỉnh tốc độ ví dụ quạt bàn, quạt trần Để điều khiển tốc độ động pha người ta sử dụng phương pháp sau: - Thay đổi số vòng dây Stator - Mắc nối tiếp với động điện trở hay cuộn dây điện cảm - Điều khiển điện áp đưa vào động 1.1 Nguyên lý điều khiển động xoay chiều pha Trước điều khiển tốc độ động điều khiển điện áp xoay chiều đưa vào động cơ, người ta thường sử dụng hai cách phổ biến mắc nối tiếp với tải điện trở hay điện kháng mà ta coi Zf  điều khiển điện áp biến áp survolter hay ổn áp Hai cách có nhược điểm kích thước lớn khó điều khiển liên tục dòng điện lớn Ngày với việc ứng dụng Tiristor Triac vào điều khiển, người ta điều khiển động pha bán dẫn Trang Đồ án môn học: Điện tử cơng suất GVHD: Nguyễn Hữu Phước CHƯƠNG I Hình 1: Nguyên lí điều khiển động 1.2 Một số mạch điều khiển động pha Một ứng dụng rộng rãi điều áp xoay chiều điều khiển động điện pha mà điển hình điều khiển tốc độ quay quạt điện.  Chức linh kiện sơ đồ hình 15 - 4:        T - Triac điều khiển điện áp quạt        VR - biến trở để điều chỉnh khoảng thời gian dẫn 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 tốc độ quạt điều khiển cách điều chỉnh biến trở VR hình a Tuy nhiên sơ đồ điều khiển không triệt để, vùng điện áp nhỏ Triac dẫn khó điều khiển Sơ đồ hình b có chất lượng điều khiển tốt Tốc độ quay quạt điều khiển biến trở VR Khi điều chỉnh trị số VR ta điều chỉnh việc nạp tụ C lúc điều chỉnh thời điểm mở thông diac thời điểm Triac dẫn Như Triac mở thông điện áp tụ đạt điểm dẫn thông diac Kết muốn tăng tốc độ quạt ta cần giảm điện trở VR để tụ nạp nhanh hơn, Triac dẫn sớm điên áp lớn Ngược lại điên trở VR lớn tụ nạp chậm Triac mở chậm lại điện áp tốc độ quạt nhỏ xuống * Mạch điều khiển có ưu điểm: - Có thể điều khiển liên tục tốc độ quạt - sử dụng cho loại tải khác điều khiển độ sáng đèn sợi đốt, điều khiển bếp điện có hiệu -Kích thước mạch điều khiển nhỏ, gọn * Nhược điểm: Trang Đồ án môn học: Điện tử công suất GVHD: Nguyễn Hữu Phước CHƯƠNG I   Nếu chất lượng Triac, diac khơng tốt vùng tốc độ thấp quạt xuất tiếng ù thành phần chiều dòng điện Một số van bán dẫn 2.1 Giới thiệu phần tử bán dẫn Triac 2.1.1 Cấu tạo ký hiệu , T E2 P2 N3 B1 (+) (-) G (-) J1 (+) N2 N1 P2 E1.2 J3 J2 N1 N2 P1 (-) (+) B2 P1 T Trang Đồ án môn học: Điện tử công suất GVHD: Nguyễn Hữu Phước CHƯƠNG I T1 G T2 Hình 2: Cấu tạo ký hiệu triac Triac linh kiện bán dẫn tương tự hai Thyristor mắc song song ngược, có cực điều khiển Triac thiết bị bán dẫn ba cực, bốn lớp Có thẻ điều khiển cho mở dẫn dòng xung dương (dòng vào cực điều khiển) lẫn xung dòng âm (dòng khỏi cực điều khiển) Tuy nhiên xung dòng điều khiển âm có độ nhạy hơn, nghĩa mở Triac cần dòng điều khiển âm lớn so với dịng điểu khiển dương Vì thực tế để đảm bảo tính đối xứng dịng điện qua Triac sử dụng dịng điều khiển âm tốt *Nguyên lý hoạt động Có tổ hợp điện mở Triac cho dịng chảy qua: B2 + + - G + + Trường hợp MT2 (+), G(+) Thyristor T mở cho dòng chảy qua Thyristor thông thường Trường hợp MT2 (-), G(-) Các điện tử từ N phóng vào P2 Phần lớn bị trường nội EE1 hút vào, điện áp đặt lên J khiến choBarie cao đến mức hút vào điện tích thiểu số(các điện tử P 1) làm động chúng đủ lớn để bẻ gãy liên kết nguyên tử Sillic vùng Kết phản ứng dây chuyền T’ mở cho dịng chảy qua Trang Đồ án môn học: Điện tử công suất GVHD: Nguyễn Hữu Phước CHƯƠNG I 2.1.2 Đặc tính Volt-Ampe + I U O Hình 3: Đặc tuyến V-A triac Triac có đường đặc tính V-A đối xứng nhận góc mở hai α chiều 2.2 Giới thiệu phần tử bán dẫn Thysistor 2.2.1 Cấu tạo, ký hiệu - Cấu tạo: Thysistor thiết bị gồm lớp bán dẫn P 1,N1,P2,N2 ghép lại tạo ba lớp tiếp xúc J1,J2,J3 - Ký hiệu: A P1 N1 P2 N2 K G A K G 2.2.2 Nguyên lý làm việc - Khi đặt thysistor vào điện áp chiều, A nốt nối vào cực dương, Katốt nối vào cực âm nguồn Khi J 1, J3 phân cực thuận J2 bị phân cực ngược, gần toàn điện áp nguồn đặt lên mặt ghép J Điện trường Ei J2 có chiều từ N1 sang P2 Điện trường tác dụng chiều với E i, vùng Trang Đồ án môn học: Điện tử công suất GVHD: Nguyễn Hữu Phước CHƯƠNG I chuyển tiếp vùng cách điện mở rộng ra, khơng có dịng chảy qua thysistor, dược đặt điện áp - Để mở thysistor ta đặt xung điện áp Ug tác động vào cực G (dương so với K) điện tử từ N sang P2 số chúng chảy vào nguồn U g hình thành dịng điều khiển ig chảy theo mạch G-J3-K-G, phần điện tử chịu sức hút điện trường tỏng hợp mặt ghép J lao vào vùng chuyển tiếp này, chúng tăng tốc bắn phá J 2, vùng chuyển tiếp J2 bị trọc thủng làm xuất ngày nhiều điện tử chảy vào N1 qua P1 đến cực dương nguồn điện gây nên tượng dẫn điện ạt, J2 trở thành mặt ghép dẫn điện điểm xung quanh cực G phát tán toàn mặt ghép nên thysistor mở A P1 N1 P2 K N2 Rt R1 G Rt K + _E T _ + E R2 Hình 4: mở thysistor Mở thysistor cách ấn công tắc K đơn giản thysistor mở diện tín hiệu điều khiển ig khơng cịn cần thiết - Khóa Thysistor Có hai cách để khóa thysistor: + Cách 1: Giảm dịng điện A nốt xuống đến giá trị dòng điện trì thysistor phân áp thuận lớp J2 có điện trở lớn làm cho dịng qua Thysistor nhỏ lúc thysistor bị khóa lại + Cách 2: Đặt điện áp ngược lên thysistor ( biện pháp thường dùng) đặt điện áp ngược lên T có UAk< hai mặt ghép J1 J3 bị phân cực ngược J2 phân cực thuận Những điện tử trước thời điểm đảo cực tính Uak có mặt P1,N1, P2 đảo chiều hình thành nên dòng điện ngược chảy từ Katốt A nốt cực âm nguồn điện Lúc đầu q trình từ t đến t1 dịng điện ngược lớn sau J 1,J2 trở nên cách điện, cịn lại điện tử Trang 10 Đồ án môn học: Điện tử công suất GVHD: Nguyễn Hữu Phước CHƯƠNG III a Ký hiệu chức TCA 785 Chân 10 11 12 Kí hiệu GND 13 L 14 15 16 Q1 Q2 VS Chức Chân nối đất Đầu đảo Dầu U Đầu đảo Tín hiệu đồng Tín hiệu cấm Đầu z Điện áp chuẩn Điện áp tạo xung cưa Tụ tạo xung cưa Điện áp điều khiển Tụ tạo độ rộng xung Tín hiệu điều khiển xung ngắn, Q2 QU Q1 VSYNC I QZ VREF R9 C10 V11 C12 xung rộng Đầu Đầu Điện áp nguồn nuôi b.Các thông số TCA 785 Giá trị Giá trị Giá trị Đơn vị nhỏ Thơng số tiêu lớn biều F =50Hz Dịng tiêu thụ Điện áp vào I.S điều V11 khiển,chân11 4,5 0,2 R11 Vs = 5v 6,5 15 10 V10max mA V K Ω Trở kháng vào Trang 28 Đồ án môn học: Điện tử công suất GVHD: Nguyễn Hữu Phước CHƯƠNG III Mạch tạo cưa Dòng nạp tụ I10 Biên độ cưa V10 10 μ 1000 A VS-2 V 300 K Ω Điện trở mạch nạp Thời gian sườn ngắn xung R9 cưa 80 μ TP S Tín hiệu cấm vào, chân Cấm V6I 3,3 Cho phép Độ rộng xung ra, chân13 V6H Xung hẹp V13H 3,5 2,5 Xung rộng V13L 3,5 2,5 3,3 V V 2,5 V V Xung ra, chân 14, 15 Điện áp mức cao V14/ VS-3 VS-2,5 VS-1,0 V Điện áp mức thấp 15L 0,3 0,8 V Độ rộng xung hẹp V14/ 20 30 40 μ S Độ rộng xung rộng 15L 530 620,m 760 μ S/n F Điện áp điều khiển Điện áp chuẩn Góc điều khiển ứng với điện Vref 2,8 α ref 3,1 3,4 V x10-4 5x10-4 1/K áp chuẩn TCA 785 hãng Siemen chế tạo, sử dụng để điều khiển thiết bị chỉnh lưu, thiết bị chỉnh dịng điện áp xoay chiều Thơng số chủ yếu TCA 785: + Điện áp nguồn: US = 18V + Dòng điện tiêu thụ: IS = 10mA + Dòng điện ra: I = 250mA Trang 29 Đồ án môn học: Điện tử công suất GVHD: Nguyễn Hữu Phước CHƯƠNG III + Điện áp cưa: Ur max = (US - 2)V + Điện trở mạch tạo điện áp cưa: R9 = 20K Ω + Điện áp điều khiển: U11 = -0,5 ¿ ¿ 500K Ω (US-2)V + Dòng điện đồng bộ: IS = 200 μ A + Tụ điện: C10 = 0,5 μ F + Tần số xung ra: f = 10 ¿ 500 Hz b Sơ đồ chức chân vi mạch TCA785 Hình 15: Sơ đồ khối chức chân tca785 3.2.3.4.Sơ đồ Trang 30 Đồ án môn học: Điện tử công suất GVHD: Nguyễn Hữu Phước CHƯƠNG III Trang 31 Đồ án môn học: Điện tử công suất GVHD: Nguyễn Hữu Phước CHƯƠNG IV CHƯƠNG IV: THIẾT KẾ CHẾ TẠO MẠCH 4.1 Tính tốn thiết kế để chế tạo mơ hình Nhiệt độ làm việc cực đại: T0C = 1100C Trên thông số em chọn ứng với tải động điện pha công suất nhỏ.các giá trị nguồn khó vượt qua giá trị nên chúng em định sử dung BTA41-600 làm van mạch lực Các giá trị em lấy datasheet triac Trang 32 Đồ án môn học: Điện tử công suất GVHD: Nguyễn Hữu Phước CHƯƠNG IV Với giá trị van đáp ứng sát thông số yêu cầu đông nên chúng em định sử dụng van mạch 4.1.2 Chọn thiết bị bảo vệ 4.1.2.1 Bảo vệ nhiệt Triac làm việc với dòng điện tối đa Imax = 1.165A chịu tổn hao van ( Δ P1) chuyển mạch ( Δ P2) Tổng tổn hao là: Δ P= Δ P1 + Δ P2 Δ ¿ P1 = Δ U.Ilv = 1,6.11,364 = 18,1824 W Tổn hao công suất sinh nhiệt Mặt khác van làm việc tới nhiệt độ tối đa cho phép T = 1100C Do phải bảo vệ van cách gắn van bán dẫn lên cánh toả nhiệt Khi van bán dẫn mắc vào cánh toả nhiệt đồng nhôm, nhiệt độ van toả môi trường xung quanh nhờ bề mặt cánh toả nhiệt Sự toả nhiệt nhờ vào chênh lệch nhiệt cánh toả nhiệt 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 mơi trường khơng khí bị chậm lại Diện tích bề mặt toả nhiệt tính: ΔP Stn = K tn τ a b ho h h1 c z Hình 16: Hình dạng cánh tản nhiệt cho triac Trang 33 Đồ án môn học: Điện tử công suất GVHD: Nguyễn Hữu Phước CHƯƠNG IV 4.1.2.2 Bảo vệ dòng điện cho van 4.1.2.3 Bảo vệ điện áp cho van Bảo vệ q điện áp q trình đóng cắt Triac thực cách mắc R-C song song với triac(hoặc thyristor) Khi có chuyển mạch điện tích tích tụ lớp bán dẫn, phóng ngồi tạo dịng điện ngược khoảnh thời gian ngắn Sự biến thiên nhanh chóng dịng điện ngược gây sức điện động cảm ứng lớn điện cảm làm cho điện áp Anot Katot triac (hoặc thyristor) Khi có mạch R - C mắc song song với triac (hoặc Thyristor) tạo mạch vịng phóng điện q trình chuyển mạch nên triac (hoặc thyristor) không bị điện áp C R Hình 17: sơ đồ mạch động lực lựa chọn 4.1.2.4 Tính chọn phần tử cách ly Có nhiều phương án cho khâu cách ly dung phần tử cách ly quang biến áp xung hay với mạch công suất nhỏ cần dùng diot để chống ngược dòng Trong phạm vi đề tài ứng dụng với tải cơng suất trung bình nhỏ để đáp ứng tính gọn nhẹ gái thành mạch phương án sử dụng cách ly quang chúng em định sử dụng hiệu giá thành rẻ gọn nhẹ cách ly an toàn mạch lực mạch điều khiển từ thông số chúng em định sử dụng MOC 3021 để thực khâu cách ly Trang 34 Đồ án môn học: Điện tử công suất GVHD: Nguyễn Hữu Phước CHƯƠNG IV Sau số sơ đồ kết nối datasheet : Trang 35 Đồ án môn học: Điện tử công suất GVHD: Nguyễn Hữu Phước CHƯƠNG IV 4.2 Sơ đồ ngun lý tồn mạch Hình 19: Sơ đồ ngun lí Trang 36 Đồ án mơn học: Điện tử công suất GVHD: Nguyễn Hữu Phước CHƯƠNG IV Trang 37 Đồ án môn học: Điện tử công suất GVHD: Nguyễn Hữu Phước CHƯƠNG IV Hình 20: mạch in Hình 21: Sơ đồ mạch in * Nguyên lý hoạt động Trang 38 Đồ án môn học: Điện tử công suất GVHD: Nguyễn Hữu Phước CHƯƠNG IV Khi cấp nguồn cho mạch điều khiển qua khối chỉnh lưu điện áp 15V AC vào chân 13,6,16 cho TCA 785 chân mạch nối với điện áp xoay chiều 15V sau máy biến áp để tạo điện áp đồng với mạch lực (mạch lực mạch điều khiển chung nguồn) Để tạo xung cưa sau tham khảo sơ đồ chân datasheet chúng em nối chân 12 với tụ không phân cực 22nF để tạo độ rộng xung tụ 68nF vào chân 10 để tạo biên độ cho mạch điều khiển để điều khiển triac dùng biến trở 50k 50k vào chân 11 để diều khiển độ rộng xung qua điều chỉnh góc mở cho triac từ nhận giá trị điện áp tương ứng tải (các chân cịn lại khơng dùng chúng em chọn giải pháp để trống không nối mát) Xung 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 nhận giá trị điện áp tương ứng đặt cho tải từ điều chỉnh tốc độ động theo ý muốn Để an toàn cho mạch điều khiển không bị điện áp ngược từ mạch lực sử dụng diot chống ngược dòng qua mạch cách ly quang sử dụng MOC 3020 chúng em giới thiệu Mạch lực bảo vệ cầu chì 12.5A Để điều khiển tốc độ động người điều khiển cần vặn biến trở R11 để nhận giá trị điện áp tương ứng góc mở nhỏ điện áp đặt tải lớn ngược lại Biến trở R9 để điều chỉnh độ mịn cho góc mở nhờ điều chỉnh biên độ xung cưa 4.3 Phương hướng phát triển đề tài Với mạch điều áo sử dụng IC tích hợp điều khiển hầu hết loại động pha công suất nhỏ vừa xí nghiệp vừa nhỏ Cách khắc phục tượng khơng mở có tải điện cảm lớn chúng em trình bày Với ưu điểm gần điều khiển trơn tốc độ dải điều chỉnh rộng Mạch ứng dụng để điều khiển nhiệt độ lò điện trở ứng dụng kỹ thuật chiếu sang Mạch chuyển thành mạch điều áp xoay chiều pha ta nhân mạch điều khiển.dùng cho động ba pha công Trang 39 Đồ án môn học: Điện tử công suất GVHD: Nguyễn Hữu Phước CHƯƠNG IV suất lớn công nghiệp (lúc van bán dẫn tiristor).Thực tế nhu cầu điều khiển tốc độ đơng thực tế lớn Với mạch điều khiển điều khiển hầu hết loại động Ưu điểm mạch giá thành hợp lý nhỏ gọn dễ vận hành sửa chữa Trang 40 Đồ án môn học: Điện tử công suất GVHD: Nguyễn Hữu Phước CHƯƠNG IV Trang 41 Đồ án môn học: Điện tử công suất GVHD: Nguyễn Hữu Phước LỜI KẾT Như vậy, sau hai tháng nhận thực đồ môn học với đề tài : “Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo điều điều áp xoay chiều AC pha” phần tử bán dẫn công suất chúng em hoàn thành Cùng với nỗ lực cố gắng thân, giúp đỡ bạn bè lớp, đặc biệt với giúp đỡ nhiệt tình, tận tâm Thầy giáo: Nguyễn Hữu Phước chúng em thực cách tương đối tốt yêu cầu mà đề tài đặt Nhưng bên cạnh đó, thời gian thực đề tài, với trình độ kiến thức cịn có hạn nên khơng tránh khỏi sai sót Do chúng em mong nhận ý kiến đóng góp thầy, cô giáo bạn để đề tài chúng em ngày hoàn thiện Chúng em xin cảm ơn tất thầy, cô giáo thuộc môn ‘Điện tử công suất’ giúp đỡ chúng em, tận tình bảo để chúng em hồn thiện đề tài đồ án Một lần nữa, chúng em xin chân thành cảm ơn! Nhóm sinh viên thực đồ án : Nguyễn Hoàng Nguyên Võ Minh Tâm Tài liệu tham khảo: Điện tử công suất-Nguyễn Văn Doanh Giáo trình truyền động điện-Đỗ Cơng Thắng-Nguyễn Phương Thảo Một số webside: www.alldatasheet.com/ www.dientuvietnam.net/ www.hoiquandientu.com/ Trang 42 Đồ án môn học: Điện tử công suất GVHD: Nguyễn Hữu Phước ... ĐỘNG CƠ ĐIỆN XOAY CHIỀU MỘT PHA VÀ MỘT SỐ VAN BÁN DẪN Khái niệm 1.1 Nguyên lý điều khiển động xoay chiều pha 1.2 Một số mạch điều khiển động pha .6 Một số van bán... nóng, khởi động mềm điều chỉnh tốc độ quạt gió máy bơm - Phân loại: Dựa vào số pha nguồn cấp mà ta có điều chỉnh điện áp khác Điều áp xoay chiều pha, Điều áp xoay chiều ba pha Phân tích lựa chọn... 19 CHƯƠNG III: THIẾT KẾ MẠCH 21 3.1 Sơ đồ khối.(*) 21 3.2 Phân tích khối 21 CHƯƠNG IV: THIẾT KẾ CHẾ TẠO MẠCH 31 4.1 Tính tốn thiết kế để chế tạo mơ hình