ĐỘNG CƠ ĐIỆN XOAY CHIỀU MỘT PHA
Khái niệm
Động cơ điện xoay chiều một pha, hay còn gọi là động cơ một pha, là loại động cơ không có cổ góp và hoạt động bằng nguồn điện một pha Loại động cơ này được ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp và đời sống hàng ngày, như trong các động cơ bơm nước, quạt, và hệ thống tự động Để điều chỉnh tốc độ của động cơ một pha, người sử dụng có thể áp dụng nhiều phương pháp khác nhau, đặc biệt là trong các thiết bị như quạt bàn và quạt trần.
- 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.
Nguyên lý điều khiển động cơ xoay chiều một pha
Trước đây, việc điều khiển tốc độ động cơ thường được thực hiện bằng cách điều chỉnh điện áp xoay chiều cấp vào động cơ Hai phương pháp phổ biến được sử dụng là mắc nối tiếp với tải thông qua một điện trở hoặc điện kháng, được coi là Zf, và điều chỉnh điện áp bằng biến áp, như survolter hoặc 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
Một số mạch điều khiển động cơ một pha
Điều áp xoay chiều được sử dụng phổ biến trong việc điều khiển động cơ điện một pha, đặc biệt là trong việc điều chỉnh 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
D - diac - định ngưỡng điện áp để Triac dẫn.
C - Tụ điện tạo ra điện áp ngưỡng cần thiết để kích hoạt diac Việc điều chỉnh điện áp và tốc độ quạt có thể thực hiện thông qua biến trở VR như trong hình a Tuy nhiên, sơ đồ điều khiển này không hoàn hảo, vì ở mức điện áp thấp, khi Triac dẫn ít, việc điều khiển trở nên khó khăn.
Sơ đồ hình b cho phép điều khiển chất lượng tốt hơn cho quạt Tốc độ quay của quạt được điều chỉnh thông qua biến trở VR, ảnh hưởng đến việc nạp tụ C Khi điều chỉnh trị số VR, thời điểm mở thông diac và Triac cũng được điều chỉnh Triac sẽ mở khi điện áp trên tụ đạt đến điểm dẫn thông diac Để tăng tốc độ quạt, cần giảm điện trở của VR, giúp tụ nạp nhanh hơn và Triac dẫn sớm hơn, dẫn đến điện áp ra cao hơn Ngược lại, nếu điện trở của VR lớn hơn, tụ nạp sẽ chậm hơn, Triac mở chậm lại, làm giảm điện áp và tốc độ quạt.
* Mạch điều khiển trên đây có ưu điểm:
Có khả năng điều khiển liên tục tốc độ quạt, thiết bị này cũng có thể được sử dụng hiệu quả cho các tải khác như điều chỉnh độ sáng của đèn sợi đốt và điều khiển bếp điện.
-Kích thước mạch điều khiển nhỏ, gọn.
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.
BỘ ĐIỀU ÁP XOAY CHIỀU MỘT PHA
Đặt vấn đề
Các bộ biến đổi điện áp xoay chiều được sử dụng để điều chỉnh điện áp hiệu dụng cung cấp cho tải Nguyên lý hoạt động của các bộ biến đổi này là sử dụng các phần tử van bán dẫn để kết nối tải với nguồn điện trong khoảng thời gian t1, sau đó ngắt kết nối trong khoảng thời gian t0, tạo thành 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 hoặc máy bơm.
Dựa vào số pha nguồn cấp, bộ điều chỉnh điện áp được phân loại thành hai loại chính: Điều áp xoay chiều một pha và Điều áp xoay chiều ba pha.
Giới thiệu một số sơ đồ mạch động lực
Hình 1 trình bày một số mạch điều áp xoay chiều một pha, trong đó Hình 1a mô tả mạch điều áp xoay chiều điều khiển bằng cách mắc nối tiếp với tải một điện kháng hoặc điện trở phụ có tổng trở thay đổi Mặc dù sơ đồ mạch điều chỉnh này đơn giản và dễ thực hiện, nhưng mạch điều chỉnh kinh điển hiện nay ít được sử dụng do hiệu suất thấp khi Zf là điện trở và cosφ thấp khi Zf là điện cảm.
Hình 1 Các phương án điều áp một pha
Biến áp tự ngẫu có khả năng điều chỉnh điện áp xoay chiều U2 từ 0 đến bất kỳ giá trị nào, lớn hoặc nhỏ hơn điện áp đầu vào Việc sử dụng biến áp là cần thiết khi điện áp ra cần điều chỉnh và vùng điều chỉnh lớn hơn điện áp vào Tuy nhiên, khi dòng tải lớn, việc điều chỉnh điện áp bằng biến áp tự ngẫu gặp khó khăn, đặc biệt là không thể điều chỉnh liên tục do vấn đề chế tạo chổi than chỉ tiếp xúc với một vòng dây của biến áp.
Các giải pháp điều áp xoay chiều trong hình 1a và 1b đều có ưu điểm là tạo ra điện áp hình sin đơn giản Tuy nhiên, chúng cũng gặp phải nhược điểm là quán tính điều chỉnh chậm và không thể điều chỉnh liên tục khi dòng tải lớn Để khắc phục những nhược điểm này, việc sử dụng sơ đồ bán dẫn trong điều chỉnh xoay chiều là một giải pháp hiệu quả.
Các sơ đồ điều áp xoay chiều bằng bán dẫn, như hình 1c, rất phổ biến và việc lựa chọn sơ đồ phù hợp phụ thuộc vào dòng điện, điện áp tải cũng như khả năng cung cấp linh kiện bán dẫn Dưới đây là một số gợi ý hữu ích khi chọn lựa các sơ đồ trong hình 1c.
Sơ đồ điều áp xoay chiều một pha bằng bán dẫn có thể được thực hiện theo nhiều cách, bao gồm: sử dụng hai tiristor song song ngược, áp dụng triac, kết hợp một tiristor với một diod, hoặc sử dụng bốn diod kết hợp với một tiristor Mỗi phương pháp này đều có những ưu điểm riêng, phù hợp với các ứng dụng khác nhau trong hệ thống điện.
Sơ đồ kinh điển hình 2.A là lựa chọn phổ biến vì khả năng điều khiển với mọi công suất tải Hiện nay, tiristor có thể chế tạo với dòng điện lên đến 7000A, cho phép điều khiển xoay chiều đạt hàng chục nghìn ampe một cách hiệu quả.
Việc điều khiển hai tiristor song song ngược có thể gặp khó khăn trong việc duy trì chất lượng điều khiển, đặc biệt khi cần điều khiển đối xứng điện áp trong quá trình cung cấp.
Sơ đồ mạch cho tải yêu cầu điện áp đối xứng, như biến áp hoặc động cơ xoay chiều Việc mất đối xứng điện áp tải do linh kiện tiristor trong mạch điều khiển gây ra sai số, dẫn đến điện áp không đối xứng như hình 3b Điều này tạo ra thành phần dòng điện một chiều trong tải, khiến cuộn dây bị bão hòa, nóng lên và có nguy cơ cháy nổ Do đó, việc kiểm tra và hiệu chỉnh định kỳ mạch là cần thiết Tuy nhiên, đối với dòng điện tải lớn, sơ đồ này vẫn là lựa chọn tối ưu.
Triac được phát triển để khắc phục nhược điểm của việc ghép hai tiristor song song ngược, với ưu điểm là đường cong điện áp ra gần như đạt yêu cầu mong muốn Sơ đồ mạch triac, như hình 2.B, hiện đang được sử dụng phổ biến trong công nghiệp nhờ vào tính dễ lắp ráp Tuy nhiên, triac chỉ được chế tạo cho dòng điện nhỏ hơn 400A, do đó, với các tải có dòng điện lớn hơn, việc ghép song song nhiều triac trở nên phức tạp và khó điều khiển Vì vậy, sơ đồ hình 2.B ít được áp dụng cho những tải có dòng điện trên 400A.
Sơ đồ hình 2.C bao gồm hai tiristor và hai điốt, cho phép kết nối các cực điều khiển một cách đơn giản Sơ đồ này thích hợp cho việc sử dụng với nguồn điện áp lớn, giúp phân bổ điện áp trên các van một cách hiệu quả, tương tự như việc mắc nối tiếp các van.
Sơ đồ hình 2D đã từng được sử dụng phổ biến để điều khiển đối xứng điện áp trên tải nhờ vào cấu trúc đơn giản với chỉ một tiristor và một mạch điều khiển, giúp dễ dàng trong việc điều chỉnh Việc sử dụng ít tiristor có thể mang lại lợi thế trong bối cảnh van điều khiển còn khan hiếm Tuy nhiên, phương pháp này dẫn đến tổn hao lớn trên các van bán dẫn, làm giảm hiệu suất của hệ thống điều khiển Hơn nữa, tổn hao năng lượng nhiệt cao cũng gây khó khăn cho việc làm mát hệ thống.
Giới thiệu về phần tử bán dẫn triac
2.3.1 Cấu tạo và ký hiệu
Hình 4: Cấu tạo và ký hiệu của triac.
Triac là linh kiện bán dẫn có cấu trúc tương tự như hai Thyristor mắc song song ngược, nhưng chỉ sử dụng một cực điều khiển Thiết bị này có ba cực và bốn lớp, cho phép điều khiển dòng dẫn bằng cả xung dương và xung âm Tuy nhiên, xung dòng điều khiển âm có độ nhạy thấp hơn, do đó, để mở Triac, cần một dòng điều khiển âm lớn hơn so với dòng điều khiển dương.
Vì vậy trong thực tế để đảm bảo tính đối xứng của dòng điện qua Triac thì sử dụng dòng điều khiển âm là tốt hơn cả.
Có 4 tổ hợp điện thế có thể mở Triac cho dòng chảy qua:
Trường hợp MT2 (+), G(+) Thyristor T mở cho dòng chảy qua như một Thyristor thông thường.
Trong trường hợp MT2 (-) và G(-), các điện tử từ N2 được phóng vào P2 Phần lớn các điện tử này bị trường nội tại EE1 hút vào, và khi điện áp ngoài được đặt lên J2, Barie tăng cao đủ để thu hút các điện tích thiểu số (các điện tử của P1) Điều này tạo ra động năng đủ lớn để phá vỡ các liên kết của nguyên tử Sillic trong vùng, dẫn đến một phản ứng dây chuyền.
T ’ mở cho dòng chảy qua.
Hình 5: Đặc tuyến V-A của triac
Triac có đường đặc tính V-A đối xứng nhận góc mở trong cả hai chiều
Điều áp xoay chiều một pha ứng với tải R-L
Hình7: Hình dáng dòng điện và điện áp đối với tải R-L
Khi tiristor T1 mở có phương trình:
L di + Ri dt sint i = V sin() + Ae - R
Hằng dạng số tích phân A được xác định: Khi thì i = 0 Biểu thức dòng tải i có dạng: i V
Biểu thức này đúng trong khoảng đến
Góc được thay đổi bằng cách thay và đặt i= 0
Trong biểu thức trên: tg= L
Tiristor T1 phải được khoá lại trước khi cho xung mở T2, nếu không thì không thể mở được T2, tức Để thoả mãn điều kiện này ta phải có:
Hình 8 minh họa mối quan hệ giữa dòng điện và điện áp trong tải thuần trở và thuần cảm Điều này cho thấy rằng, ngay cả khi sử dụng tải thuần trở, lưới điện xoay chiều vẫn cần cung cấp một lượng công suất phản kháng nhất định.
Giá trị hiệu dụng của điện áp trên tải:
Giá trị hiệu dụng của dòng tải:
Công suất tác dụng cung cấp cho mạch tải:
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 =( V 2 ) đến 0
Dưới đây là bảng góc mở α ứng với từng loại tải :
THIẾT KẾ MẠCH
Biến đổi dòng xoay chiều điện áp 15V thành dòng một chiều cấp cho chân vào của TCA785. c.
Dòng điện xoay chiều 15V qua cầu chỉnh lưu 3A được chuyển đổi thành dòng điện một chiều Sau đó, dòng điện này đi qua IC ổn áp 7815, tạo ra điện áp 15V ổn định Để làm phẳng điện áp, dòng điện 15V sau khối chỉnh lưu được đưa qua tụ 2200µF.
THIẾT KẾ
Phân tích từng khối
Biến đổi dòng xoay chiều điện áp 15V thành dòng một chiều cấp cho chân vào của TCA785. c.
Dòng điện 15V xoay chiều được chuyển đổi thành dòng một chiều qua cầu chỉnh lưu 3A Sau đó, dòng điện này đi qua IC ổn áp 7815, cung cấp điện áp 15V ổn định Để làm phẳng điện áp và tạo nguồn ổn định cho IC 7815, điện áp 15V sau khối chỉnh lưu được đưa qua tụ 2200μF Đồng thời, một tụ gốm được mắc song song để loại bỏ sóng hài Cuối cùng, một LED được kết nối song song để báo hiệu rằng mạch điều khiển đã có nguồn điện.
Chúng em đã chọn sơ đồ điều khiển bằng TRIAC để thiết kế bộ điều áp xoay chiều cho động cơ (tải R+L) do những ưu điểm vượt trội của nó.
- 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. a Sơ đồ mạch b.Nguyên lý làm việc
Tín hiệu được đưa vào chân điều khiển G của Triac, giúp điều khiển dòng điện qua tải Khi điều chỉnh biến trở V11, góc mở của Triac sẽ thay đổi, từ đó điều chỉnh được điện áp trên tải Sơ đồ mạch cho phép đặt tải trước hoặc sau van, tùy theo nhu cầu sử dụng.
Dưới đây là sơ đồ dạng sóng đầu ra của van khi điều chỉnh góc mở:
Khi nhìn vào hình ảnh, ta nhận thấy rằng do tải có tính cảm kháng, khi tắt nguồn, động cơ vẫn có một phần điện áp trả lại Điều này có thể dẫn đến sự xuất hiện của một vùng không hoạt động; nếu diện cảm lớn, 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 đổi dấu nhưng cuộn dây điện cảm chưa xả hết năng lượng, T1 vẫn dẫn từ π đến φ1, cho thấy T1 đang phân cực thuận với điện áp Ua1a2 > 0 Khi T1 phân cực thuận, T2 sẽ phân cực ngược, dẫn đến việc T2 không thể dẫn nếu có tín hiệu điều khiển trong khoảng từ φ1 đến π.
Thứ 2 là do khi có điện cảm, dòng điện không biến thiên đột ngột tại thời điểm mở tiristor, 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:
Tuỳ theo tải có điện cảm lớn cỡ nào mà ta thiết kế chọn độ rộng xung cho hợp lý
1.2.3.1.Phân tích Điều 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 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 của anot, tín hiệu điều khiển được phát cho đến khi kết thúc bán kỳ hoặc cho đến khi dòng điện đạt giá trị bằng 0 Để thực hiện điều này, mạch điều khiển cần được thiết kế với ba khâu cơ bản.
Hình 9: 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 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:
Để mở Triac, cần tạo ra xung phù hợp với yêu cầu như sườn trước dốc thẳng đứng nhằm đảm bảo Triac mở tức thời khi có xung điều khiển Xung điều khiển thường là xung kim hoặc xung chữ nhật, và cần có độ rộng lớn hơn thời gian mở của Triac Ngoài ra, cần có sự cách ly giữa mạch điều khiển và mạch động lực, đặc biệt khi điện áp động lực quá lớn, để đảm bảo an toàn và hiệu suất hoạt động.
Tín hiệu điện áp cung cấp cho mạch điều khiển được đưa đến khối đồng pha, tạo ra điện áp đồng bộ Vđb có dạng hình sin và tần số tương ứng với điện áp nguồn, nhưng có thể lệch pha Đầu ra của mạch phát điện răng cưa cung cấp điện áp răng cưa Vrc đồng bộ về tần số và góc pha với Vđb Điện áp răng cưa này được đưa vào khối so sánh cùng với một điện áp một chiều điều chỉnh từ bên ngoài, với cực tính ngược nhau Khối so sánh sẽ so sánh hai tín hiệu này, và khi chúng bằng nhau, đầu ra sẽ tạo ra các xung với chu kỳ của Vrc Trong đó, một sườn của xung sẽ xuất hiện điện áp tại đầu ra khối so sánh, cho phép thay đổi thời điểm xuất hiện xung bằng cách điều chỉnh Vđk trong khi giữ nguyên hình dạng của Vrc.
Trong nhiều trường hợp, tín hiệu từ khối so sánh không đủ mạnh để điều khiển thiết bị, do đó cần phải khuếch đại và điều chỉnh hình dáng xung Nhiệm vụ này được thực hiện bởi một mạch gọi là mạch xung Đầu ra của khối tạo xung và khuếch đại xung sẽ tạo ra chuỗi xung điều khiển với các thông số cần thiết về công suất, độ dài và độ dốc mặt đầu Các xung này sẽ bắt đầu xuất hiện đồng thời với xung trên đầu ra của khối so sánh.
Hiện nay, các mạch cổ điển thường được thay thế bằng các IC tích hợp, mang lại thiết kế nhỏ gọn, chi phí thấp và độ chính xác cao IC TCA là một ví dụ điển hình cho xu hướng này.
785 là một vi mạch như vậy
Vi mạch TCA 785 là một vi mạch phức hợp có khả năng thực hiện bốn chức năng chính của mạch điều khiển, bao gồm tạo điện áp đồng bộ, tạo điện áp răng cưa đồng bộ, so sánh và phát tín hiệu xung ra.
Chân Ký hiệu Chức năng Chân Ký hiệu Chức năng
1 OS Chân nối đất 9 R9 Điện trở tạo mạch răng cưa
2 Q ** 2 Đầu ra 2 đảo 10 C10 Tụ tạo mạch răng cưa
3 QU Đầu ra U 11 V11 Điện áp điều khiển
4 Q * 1 Đầu ra 1 đảo 12 C12 Tụ tạo độ rộng xung
5 VSYNC Điện áp đồng bộ 13 L Tín hiệuđiều khiển xung ngắn, xung rộng
6 I Tín hiệu cấm 14 Q1 Đầu ra 1
7 QZ Đầu ra z 15 Q2 Đầu ra 2
8 VREF Điện áp chuẩn 16 Vs Điện áp nguồn nuôi
Hình 13: dạng sóng và chức năng của các chân TCA785 b Các thông số của TCA 785
Giá trị lớn nhất Đơn vị
Dòng tiêu thụ I.S 4,5 6,5 10 mA Điện áp vào điềukhiển,chân11
Biên độ của răng cưa Điện trở mạch nạp
Thời gian sườn ngắn của xung răng cưa
Tín hiệu cấm vào, chân 6
V Độ rộng xung ra, chân13
V Xung ra, chân 14, 15 Điện áp ra mức cao Điện áp ra mức thấp Độ rộng xung hẹp Độ rộng xung rộng
S/nF Điện áp điều khiển Điện áp chuẩn
Góc điều khiển ứng với điện áp
Tính toán các phần tử bên ngoài:
Tụ răng cưa: C10 Min = 500pF; Max = 1 F
Thời điểm phát xung: tTr = V
R 9 Điện áp trên tụ: V10 = V K.t REÌ
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 0 0 đến 180 0 điện
Thông số chủ yếu của TCA 785:
+ Dòng điện tiêu thụ: IS = 10mA
+ 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 (US-2)V
+ Dòng điện đồng bộ: IS = 200 A
+ Tần số xung ra: f = 10 500 Hz b Sơ đồ chức năng chân của vi mạch TCA785
Hình 14: sơ đồ khối chức năng chân của tca785 1.2.3.4 Sơ đồ
CHẾ TẠO
Tính toán thiết kế để chế tạo mô hình
2.1.1 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
P: Công suất định mức của tải Pđm=0.2
Kw U: Điện áp định mức U"0V cos: Hệ số công suất tải lấy cos =0,8
- Điện áp làm việc cực đại của triac
U = K U = 220 = 311,13V Điện áp của van cần chọn
K là hệ số dự trữ điện áp Với phần tính toán này chúng em lấy điện áp dự trữ của van là Kdt=1.8
- Dòng điện làm việc của van được tính theo dòng hiệu dụng
Chọn điều kiện làm việc của van: có cánh tản nhiệt không có quạt đối lưu
Dòng điện định mức của van cần chọn
Với các thông số trên theo datasheet cũng như độ phổ biến ngoài thị trường chúng em quyết định lựa chọn loại van sau :
BTA-136 600E 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 duy trì: Ih = 15 mA.
Sụt trên van khi mở: U = 1.7 V Thời gian giữ xung điều khiển: tx = 2 s
Tốc độ tăng điện áp: du = 500 V/ s. dt
Nhiệt độ làm việc cực đại: T 0 C = 125 0 C.
Chúng tôi đã chọn thông số phù hợp cho động cơ điện một pha công suất nhỏ, vì các giá trị của nguồn không thể vượt quá mức này Do đó, chúng tôi quyết định sử dụng TCA.
Các giá trị trên em lấy trên datasheet của triac
Với các giá trị của van phù hợp với các thông số yêu cầu của động cơ, chúng tôi đã quyết định sử dụng van này trong mạch.
2.1.2 Chọn thiết bị bảo vệ
Triac làm việc với dòng điện tối đa Imax = 1.136 A chịu một tổn hao trên van là ( P1) và khi chuyển mạch ( P2) Tổng tổn hao sẽ là:
Tổn hao công suất sinh ra nhiệt, và van chỉ hoạt động hiệu quả ở nhiệt độ tối đa cho phép là 125°C Để đảm bảo an toàn cho van, cần phải bảo vệ nó bằng cách gắn van bán dẫn lên cánh tỏa nhiệt.
Khi van bán dẫn được kết nối với cánh tỏa nhiệt bằng đồng hoặc nhôm, nhiệt độ của van sẽ được tỏa ra môi trường xung quanh thông qua bề mặt của cánh tỏa nhiệt Quá trình tỏa nhiệt này phụ thuộc vào sự chênh lệch nhiệt độ giữa cánh tỏa nhiệt và môi trường xung quanh Khi cánh tỏa nhiệt nóng lên, nhiệt độ xung quanh cũng tăng lên, dẫn đến việc giảm tốc độ dẫn nhiệt ra không khí Diện tích bề mặt tỏa nhiệt có vai trò quan trọng trong hiệu suất tỏa nhiệt.
K tn Độ chênh lệch nhiệt độ so với môi trường: = Tlv – Tmt
Có Tlv = 1250C, chọn nhiệt độ môi trường: Tmt = 400C.
Ktn: Hệ số có xét tới điều kiện tỏa nhiệt Chọn Ktn = 8.10 -4 W/cm 2 0 C.
Hình 15: hình dạng cánh tản nhiệt cho triac
2.1.2.2 Bảo vệ quá dòng điện cho van
*Chọn cầu chì tác động nhanh để bảo vệ ngắn mạch nguồn:
Chọn một cầu chì loại 1 A.
2.1.2.3 Bảo vệ quá điện áp cho van
Bảo vệ quá điện áp cho triac (hoặc thyristor) trong quá trình đóng cắt được thực hiện bằng cách kết nối một mạch R-C song song Khi triac chuyển mạch, các điện tích trong lớp bán dẫn sẽ phóng ra, tạo ra dòng điện ngược trong thời gian ngắn Sự biến thiên nhanh chóng của dòng điện ngược này sẽ tạo ra sức điện động cảm ứng lớn trong các điện cảm, dẫn đến quá điện áp giữa Anot và Katot của triac (hoặc thyristor).
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 16: sơ đồ mạch động lực được lựa chọn
Trên đây chúng em xin trình bày cách tính chọn van và mạch dộng lực cho mạch điều khiển !
3 tính chọn phần tử cách ly
Có nhiều phương pháp cho việc cách ly, bao gồm việc sử dụng phần tử cách ly quang biến áp xung Đối với các mạch công suất nhỏ, chỉ cần sử dụng diode để ngăn chặn dòng ngược.
Trong nghiên cứu ứng dụng cho tải công suất trung bình và nhỏ, chúng tôi đã lựa chọn sử dụng cách ly quang để đảm bảo tính gọn nhẹ và chi phí hợp lý Mạch cách ly quang MOC 3021 được quyết định sử dụng nhờ vào hiệu quả, giá thành thấp, và khả năng cách ly an toàn giữa mạch lực và mạch điều khiển.
Dưới đây là một số sơ đồ kết nối trong datasheet của MOC 3020, tương ứng với các loại tải khác nhau Các sơ đồ này thể hiện cách thức kết nối trong khâu cách ly, giúp người dùng dễ dàng áp dụng trong thực tế.
Hình 18: Sơ đồ khối và sơ đồ nguyên lý của moc 3020
2.2 Sơ đồ nguyên lý toàn mạch
Khi cấp nguồn cho mạch điều khiển qua khối chỉnh lưu, điện áp 15V AC được đưa vào các chân 13, 6, 16 cho TCA 785, với chân 5 nối với điện áp xoay chiều 15V từ máy biến áp, nhằm tạo điện áp đồng cho mạch lực và mạch điều khiển Để tạo xung răng cưa, chúng tôi đã nối chân 12 với một tụ không phân cực 22nF để điều chỉnh độ rộng xung và một tụ 68nF vào chân 10 để tạo biên độ cho mạch điều khiển, sử dụng hai biến trở 50k vào chân.
Để điều khiển độ rộng xung và điều chỉnh góc mở của triac, chúng ta sử dụng chân điều khiển 14 và 15 để tạo ra các xung tương ứng cho điện áp dương và âm, từ đó nhận được giá trị điện áp trên tải và điều chỉnh tốc độ động cơ theo ý muốn Để bảo vệ mạch điều khiển khỏi điện áp ngược, hai diot chống ngược dòng và mạch cách ly quang MOC 3020 được sử dụng Mạch lực được bảo vệ bởi cầu chì 1A Người điều khiển có thể điều chỉnh tốc độ động cơ bằng cách vặn biến trở R11; góc mở càng nhỏ thì điện áp trên tải càng lớn Biến trở R9 giúp điều chỉnh độ mịn cho góc mở thông qua việc điều chỉnh biên độ của xung răng cưa.
phương hướng phát triển của đề tài
Mạch điều khiển sử dụng IC tích hợp cho phép điều khiển hầu hết các loại động cơ một pha công suất nhỏ và vừa trong các xí nghiệp Để khắc phục hiện tượng không mở khi có tải điện cảm lớn, chúng tôi đã trình bày giải pháp cụ thể Mạch này có ưu điểm điều khiển tốc độ mượt mà với dải điều chỉnh rộng, đồng thời ứng dụng trong việc điều khiển nhiệt độ lò điện trở và kỹ thuật chiếu sáng Bên cạnh đó, mạch cũng có thể chuyển đổi thành mạch điều khiển xoay chiều 3 pha bằng cách kết hợp 3 mạch điều khiển cho động cơ ba pha công suất lớn trong công nghiệp, sử dụng van bán dẫn tiristor Nhu cầu điều khiển tốc độ động cơ trong thực tế rất lớn, và mạch điều khiển này mang lại giải pháp hiệu quả với chi phí hợp lý, thiết kế nhỏ gọn và dễ vận hành cũng như sửa chữa.
Sau hai tháng làm việc với đề tài “Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo bộ điều chỉnh điện áp xoay chiều điều khiển động cơ một pha” bằng các phần tử bán dẫn công suất, chúng em đã hoàn thành dự án Nhờ nỗ lực cá nhân, sự hỗ trợ từ bạn bè và đặc biệt là sự tận tình của cô giáo Nguyễn Thị Thanh Tâm, chúng em đã thực hiện tốt các yêu cầu cơ bản của đề tài.
Trong quá trình thực hiện đề tài, chúng em nhận thức được rằng kiến thức còn hạn chế, nên không thể tránh khỏi những sai sót Vì vậy, chúng em rất mong nhận được ý kiến đóng góp từ các thầy cô giáo và bạn bè để hoàn thiện đề tài của mình hơn nữa.
Chúng em xin chân thành cảm ơn các thầy cô giáo bộ môn ‘Điện tử công suất và truyền động điện’ đã hỗ trợ và hướng dẫn chúng em tận tình, giúp chúng em hoàn thiện đề tài đồ án này.
Một lần nữa, chúng em xin chân thành cảm ơn!
Hưng yên, tháng 11 năm 2012 Nhóm sinh viên thực hiện đồ án :
Hoàng Lương Thái SơnTrần Văn Thoại
