Thiết kế mạch động lực

CHƯƠNG I : CƠ SỞ LÝ THUYẾT

c, Trường hợp tải R+ L

2.2 Thiết kế sơ đồ nguyên lý và nguyên tắc hoạt đông của từng mạch

2.2.1 Thiết kế mạch động lực

Với yêu cầu của đề tài là thiết kế bộ điều áp xoay chiều sử dụng hai SCR nên chúng em chọn sơ đồ dùng 2 THYRISTOR(SCR) mắc song song ngược để điều khiển.

Hình 14: Mạch động lực.

2.2.2 Thiết kế mạch điều khiển

• Khái niệm mạch điều khiển

Như ta đã biết để các van có thể mở đúng các thời điểm mong muốn, thì ngoài điều kiện phải đặt điện áp thuận thì trên điện cưc điều khiển và Catot phải có một điện áp điều khiển. Để có hệ thống các tín hiệu điều khiển xuất hiện đúng theo yêu cầu thì ta phải có một mạch điện để tạo ra các tín hiệu dố và được gọi là mạch điều khiển. điện áp điều khiển phải đáp ứng các yêu cầu cần thiết như công suất, biên độ, thời gian tồn tại. Các thông số cần thiết của tín hiệu điều khiển đã được cho sẵn trong các tài liệu nghiên cứu về van. Đặc điểm của triac là khi van mở thì việc còn tín hiệu điều khiển nữa hay không, không ảnh hưởng tói dòng qua van. Vì vậy, người ta tạo ra tín hiệu điều khiển có dạng xung để hạn chế công suất và tổn thất.

- Hệ thống điều khiển đồng bộ: Các xung ĐK xuất hiện đúng thời điểm cần mở van và lặp đi lặp lại mang tính chu kỳ.

- Hệ thống ĐK không đồng bộ: Các xung ĐK không tuân theo giá trị của góc ĐK.

• Phân tích mạch điều khiển

Điều khiển thyristor 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 α

của Triac ta tạo ra một điện áp tựa dạng tam giác (điện áp tựa răng cưa 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 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 15: 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 (cực G) của 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 củacTriac). Cách ly giữa mạch điều khiển và mạch động lực (nếu điện áp động lực quá lớn) đủ công suất.

• Nguyên lý mạch điều khiển:

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 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 một chiều điều chỉnh lấy từ ngoài. Hai tín hiệu này được mắc với cực tính sao cho tác động của chúng lên mạch so sánh là ngược chiều nhau. Khối so sánh làm nhiệm vụ so sanh 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.

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 vậy,cơ sở lý thuyết của nó đã được giới thiệu ở phần trên.

- Sơ đồ mạch điều khiển:

- Các thông số của TCA 785. Thông số Giá trị nhỏ nhất Giá trị tiêu biều F =50Hz Vs = 5v Giá trị lớn nhất Đơn vị

Dòng tiêu thụ I.S 4,5 6,5 10 mA

Điện áp vào điều khiển chân 11 Trở kháng vào V11 R11 0,2 15 V10max V KΩ Mạch tạo răng cưa

Dòng nạp tụ

Biên độ của răng cưa Điện trở mạch nạp

Thời gian sườn ngắn của xung răng cưa

I10 V10 R9 TP 10 3 80 1000 VS-2 300 µ A V KΩ µ S Tín hiệu cấm vào, chân 6

Cấm Cho phép V6I V6H 4 3,3 3,3 2,5 V V

Độ rộng xung ra, chân13 Xung hẹp Xung rộng V13H V13L 3,5 2,5 3,5 2,5 V V Xung ra, chân 14, 15

Điện áp ra mức cao Điện áp ra mức thấp Độ rộng xung hẹp Độ rộng xung rộng V14/15L V14/15L tp tp VS-3 0,3 20 530 VS-2,5 0,8 30 620 VS- 1,0 2 40 760 V V µ S µ S/nF Điện áp điều khiển

Điện áp chuẩn

Góc điều khiển ứng với điện áp chuẩn Vref α ref 2,8 3,1 2 x10-4 3,4 5x10-4 V 1/K

- Tính toán các phần tử bên ngoài: Tụ răng cưa: C10 Min = 500pF; Max = 1µ

F

Thời điểm phát xung: tTr = V K

C R V REÌ. . . 9 10 11 Dòng nạp tụ: I10 = R9 K VREÌ Điện áp trên tụ:

V10 = 9. 10 . . C R t K VREÌ

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 α

từ 00 đến 1800 điện. Thông số chủ yếu của TCA 785: + Điện áp nuôi: US = 18V

+ 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 = 20KΩ ÷ 500KΩ + Điện áp điều khiển: U11 = -0,5 ÷ (US-2)V

+ Dòng điện đồng bộ: IS = 200µ A + Tụ điện: C10 = 0,5µ F + Tần số xung ra: f = 10 ÷ 500 Hz 2.2.3 Thiết kế mạch cách ly.

Để chống ngược dòng giữa các khối có chênh lệch nhau về điện áp, dòng điện và công suất, ta cần có phần tử cách ly giữa hai mạch điều khiển và mạch động lực.

Có 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 diot để chống ngược dòng.

Trong phạm vi đề tài là ứng dụng với tải công suất như vậy để đáp ứng được tính an toàn, gọn nhẹ và giá thành của mạch, phương án sử dụng cách ly quang được chúng em quyết định sử dụng vì 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 trong datasheet :

Hình 18: Sơ đồ khối và sơ đồ nguyên lý của MOC 3020

2.2.4 Thiết kế mạch nguồn.

Hình 20: Sơ đồ mạch nguồn 15V.

- Nguyên lý hoạt động:

Nguồn điện lưới xoay chiều 220V qua biến áp hạ áp xuống 15V. Dòng điện 15V xoay chiều qua cầu chỉnh lưu 3A làm biến đổi từ dòng xoay chiều thành dòng một chiều.Khi qua IC ổn áp 7815 sẽ cho dòng điện có điện áp 15V ổn định.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 sau IC 7815 ta mắc song song với một led để báo mạch điều khiển có nguồn.

2.3.1 Thiết kế sơ đồ nguyên lý toàn mạch

Hình 21: Sơ đồ nguyên lý toàn mạch.

2.3.2 Nguyên lý hoạt động toàn mạch.

Khi cấp nguồn cho mạch điều khiển qua khối chỉnh lưu điện áp 15V DC vào các chân 13,6,16,11 cho TCA 785, chân 5 của mạch nối với điện áp xoay chiều 15V

sau máy biến áp để tạo điện áp đồng với mạch lực (mạch lực và mạch điều khiển chung nguồn).

- IC TCA 785 (có tích hợp các khâu dồng pha, so sánh, tạo xung, sửa xung, khuyếch đại) tạo ra 2 xung điều khiển đến kích mở cho Thyristor BT151 ( T1 và T2).

- Chân 11 của TCA là chân nhận điện đáp điều khiển ( từ 0 đến 11V) để thay dổi góc kích mở của Thyristor từ 0 đến 180 độ.

- Mạch lực ta dùng mạch cầu chỉnh lưu bán điều khiển.

Giả sử ta đạt một điện áp diều khiển có thể thay đổi từ 0 đến 11V vào chân 11 của IC TCA785, ở chân 14 và 15 của IC TCA785 sẽ xuất ra một chuỗi xung có thể thay đổi từ 0 đến 180 độ.

- Nguyên lí hoạt động của mạch động lực:

+ Giả sử khi X2-1 có điện áp dương và X2-2 có điện áp âm. Có 1 xung điều khiển từ chân 14 của TCA785 đến T1 lúc này T1 sẽ dẫn. Dòng điện đi từ X2-1 qua T1 qua động cơ rồi về X2-2.

+ Giả sử khi X2-1 có điện áp âm và X2-2 có điện áp dương. Có 1 xung điều khiển từ chân 15 của TCA785 kích mở T2 lúc này T2 sẽ dẫn. Dòng điện đi từ X2-2 qua động cơ qua T2 rồi về X2-1.

Để điều khiển tốc độ động cơ người điều khiển chỉ cần vặn biến trở R3 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 R4 để điều chỉnh độ mịn cho góc mở nhờ điều chỉnh biên độ của xung răng cưa.

TCA 785 là một vi mạch phức hợp thực hiện 4 chức năng của một mạch điều khiển: “tề đầu” điện áp đồng bộ tạo điện áp răng cưa đồng bộ, so sánh và tạo xung ra.

Nguồn nuôi qua chân 16. Tín hiệu đồng bộ đượclấy qua chân số 5 và số 1. Tín hiệu điều khiển được đưa vào chân 11.

Một bộ nhận biết điện áp 0 sẽ kiểm tra điện áp lấy vào chuyển trạng thái và sẽ chuyển tín hiệu này đến bộ phận đồng bộ. Bộ phận đồng bộ này sẽ điều khiển tụ C10; Tụ C10 sẽ được nạp đến điện áp không đổi (quyết định bởi R9). Khi điện áp V10 đạt đến điện áp V11 thì một tín hiệu sẽ được đưa vào khâu logic. Tuỳ thuộc vào biên độ điện áp điều khiển V11, góc mở α có thể thay đổi từ 0 đến 180°. Với mỗi nửa chu kì song một xung dương xuất hiện ở Q1, Q2. Độ rộng trong khoảng 30-80μs. Độ rộng xung có thể kéo dài đến 180° thông qua tụ C12. Nếu chân 12 nối đất thì sẽ có xung trong khoảng α đến 180°.

2.3.3 Sơ đồ mạch in

Hình 23: Sơ đồ mạch in. 2.3.4 Sản phẩm thực tế

2.4 Tính chọn mạch điều khiển.

Thông số mạch điều khiển:

C1 = 2A683j ; C2 = 2A473j ; VR1 = 100KΩ

; VR2 = 50KΩ

; R5=220Ω ; R6=220Ω ; R8=1MΩ ; R9=2,2kΩ ; R10=R11=4,7KΩ

;

- Chọn tất cả Diode trong mạch điều khiển dùng loại 1N4007 có thông số: Dòng điện định mức: Iđm = 1 A.

Điện áp giữa A-K lớn nhất: UAK = 1000 V. Sụt áp trên Diode: ∆

U = 1,1 V.

2.5.Tính chọn van động lực

Dựa 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 P=1800W U: Điện áp định mức U=220V

Cosφ : Hệ số công suất tải lấy cosφ =0.67 Khi đó :

- Điện áp làm việc cực đai của van: Umax = 2xU = 2x 220 = 311,13V Điện áp của thyristor cần chọn: U = K . U = 1,8 x 311,13 = 560,034 V K là hệ số dự trữ điện áp lấy bằng 1,8

Dòng điện tối đa chạy qua tải và qua thyristor: Itải=12,21 A

Với Itải=U.cosϕ

P

= = 12,21 A

Chọn điều kiện làm việc của van: có cánh tản nhiệt không có quạt đối lưu =30% = 3,66A

Với các thông số trên theo datasheet cũng như độ phổ biến ngoài thị trường chúng em quyết định lựa chọn loại van sau :

- BT-151có các thông số sau:

• Điện áp định mức: Uđm = 800 V.

• Dòng điện định mức: Iđm = 100 A.

• Dòng điện điều khiển: Iđk = 15mA.

• Điện áp điều khiển: Uđk = 12V.

• Dòng điện rò: Ir = 0.5mA.

• Dòng điện duy trì: Ih = 0.1A.

• Sụt trên van khi mở: ∆U = 1.75 V.

• Thời gian giữ xung điều khiển: tx = 2µs • Tốc độ tăng điện áp: dt

du

= 1000 V/µ

• Nhiệt độ làm việc cực đại: T0C = 1250C.

Trên đây là thông số em chọn ứng với tải là động cơ điện một pha công suất tương đối lớn các giá trị của nguồn khó có thể vượt qua giá trị này nên chúng em quyết định sử dụng BT – 151 làm van mạch lực.

Các giá trị trên em lấy trên datasheet của thyrister.

Với các giá trị của van đều đáp ứng và sát các thông số yêu cầu của động cơ nên chúng em quyết định sử dụng van này trong mạch.

Hình 23: BT – 151.

2.6 Tính chọn thiết bị bảo vệ.

2.6.1 Bảo vệ quá dòng điện cho van.

*Chọn cầu chì tác động nhanh để bảo vệ ngắn mạch nguồn: Icc = 1,1Ilv = 1,1.12,21 = 13.431A.

Chọn một cầu chì loại 15A

2.6.2 Bảo vệ quá điện áp cho van.

Bảo vệ quá điện áp do quá trình đóng cắt thyristor được thực hiện bằng cách mắc R-C song song với 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

thyristor Khi có mạch R - C mắc song song với thiristor tạo ra mạch vòng phóng điện trong quá trình chuyển mạch nên thyristor không bị quá điện áp.

Thông thường chọn R = 10 ÷ 100Ω, C = 0,1÷1000µ

F.

KẾT LUẬN.

Đề tài "Thiết kế chế tạo bộ điều chỉnh tốc độ động cơ điện "là một đề tài hết sức hấp dẫn nó có ứng dụng thực tế trong cuộc sống. Được sự hướng dẫn tận tình của thầy Nguyễn Viết Ngưvà các thầy cô trong khoa chúng em đã thiết kế và