Khái niệm
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 cung cấp cho động cơ Hai phương pháp phổ biến được sử dụng là mắc nối tiếp với tải qua một điện trở hoặc điện kháng, được gọi là Zf, và điều chỉnh điện áp bằng cách sử dụng 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
Hình 1: Nguyên lí điều khiển động cơ.
Một số mạch điều khiển động cơ một pha
Một trong những ứng dụng phổ biến của điều áp xoay chiều là 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 điện áp ngưỡng để kích hoạt diac Việc điều chỉnh điện áp và tốc độ quạt có thể thực hiện thông qua biến trở VR, nhưng phương pháp này không hoàn toàn hiệu quả, vì trong vùng điện áp thấp, việc điều khiển Triac trở nên khó khăn khi nó dẫn ít.
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 và thời điểm mở thông diac cũng như Triac Khi điện áp trên tụ đạt điểm dẫn của thông diac, Triac sẽ mở Để tăng tốc độ quạt, cần giảm điện trở của VR, giúp tụ nạp nhanh hơn và Triac dẫn sớm hơn, từ đó làm tăng điện áp ra Ngược lại, nếu điện trở của VR lớn hơn, tụ sẽ nạp chậm, dẫn đến Triac mở chậm, làm giảm điện áp và tốc độ quạt.
* Mạch điều khiển trên đây có ưu điểm:
Thiết bị cho phép điều khiển liên tục tốc độ quạt, đồng thời có thể áp dụng cho nhiều loại tải khác như điều chỉnh độ sáng của đèn sợi đốt và điều khiển bếp điện một cách hiệu quả.
-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.
Một số van bán dẫn
Giới thiệu về phần tử bán dẫn Triac
2.1.1 Cấu tạo và ký hiệu
Hình 2: Cấu tạo và ký hiệu của triac.
Triac là linh kiện bán dẫn giống như hai Thyristor mắc song song ngược, nhưng chỉ có một cực điều khiển Đây là thiết bị bán dẫn ba cực, bốn lớp, có khả năng mở dẫn dòng bằng cả xung dương và xung âm Tuy nhiên, xung dòng điều khiển âm có độ nhạy kém hơn, yêu cầu dòng điều khiển âm lớn hơn so với dòng điều khiển dương để mở Triac Do đó, trong thực tế, để đảm bảo tính đối xứng của dòng điện qua Triac, việc sử dụng dòng điều khiển âm là lựa chọn tối ưu.
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 bị trường nội tại EE1 thu hút Khi điện áp ngoài được áp lên J2, Barie tăng cao, hút các điện tích thiểu số (các điện tử của P1) và cung cấp đủ động năng để phá vỡ các liên kết của nguyên tử Sillic trong khu vực Kết quả là một phản ứng dây chuyền được kích hoạt, cho phép dòng chảy qua.
Hình 3: Đặc tuyến V-A của triac
Triac có đường đặc tính V-A đối xứng nhận góc mở trong cả hai chiều.
Giới thiệu về phần tử bán dẫn Thysistor
- 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.
Khi thysistor được kết nối với nguồn điện một chiều, anode nối với cực dương và cathode nối với cực âm Trong trường hợp này, J1 và J3 được phân cực thuận trong khi J2 bị phân cực ngược, dẫn đến hầu hết điện áp nguồn được đặt lên mặt ghép của J2 Điện trường Ei của J2 hướng từ N1 đến P2, và điện trường bên ngoài tác động cùng chiều với Ei, làm cho vùng chuyển tiếp trở thành vùng cách điện, mở rộng ra và không có dòng điện chảy qua thysistor.
Để mở thyristor, ta áp dụng một xung điện áp Ug vào cực G, tạo ra dòng điều khiển ig chảy qua mạch G-J3-K-G Các điện tử từ N2 sang P2 và một số ít chảy vào nguồn Ug, trong khi phần còn lại bị điện trường hút vào vùng chuyển tiếp J2, làm tăng tốc và phá vỡ vùng này Kết quả là ngày càng nhiều điện tử di chuyển vào N1 qua P1, gây ra hiện tượng dẫn điện ồ ạt J2 trở thành mặt ghép dẫn điện, bắt đầu từ một điểm xung quanh cực G và dần lan rộng ra toàn bộ mặt ghép, dẫn đến việc thyristor được mở.
Mở thysistor chỉ cần ấn công tắc K, đây là cách đơn giản nhất Khi thysistor đã được mở, tín hiệu điều khiển ig không còn cần thiết nữa.
Có hai cách để khóa thysistor:
Để khóa thysistor, giảm dòng điện tại A nốt xuống mức dòng điện duy trì Khi thysistor hoạt động ở chế độ phân áp thuận, lớp J2 có điện trở lớn, dẫn đến dòng qua thysistor trở nên rất nhỏ, từ đó thysistor sẽ bị khóa lại.
Để thực hiện biện pháp đặt điện áp ngược lên thyristor, cần đảm bảo rằng UAk < 0 Khi đó, hai mặt ghép J1 và J3 sẽ bị phân cực ngược, trong khi J2 sẽ phân cực thuận Những điện tử có mặt tại P1 và N1 trước thời điểm đảo cực tính UAk sẽ tiếp tục hoạt động trong điều kiện này.
P2 hiện đang đảo chiều, tạo ra dòng điện ngược chảy từ Katốt về A nốt và cực âm của nguồn điện ngoài Trong giai đoạn đầu từ t0 đến t1, dòng điện ngược khá lớn, nhưng sau đó J1 và J2 trở nên cách điện, chỉ còn lại một ít điện tử giữa hai mặt ghép J1 và J3, dẫn đến hiện tượng khuếch tán làm chúng giảm dần cho đến khi hết J2 sau đó khôi phục lại tính chất của mặt điều khiển Thời gian khóa toff tính từ khi bắt đầu có điện áp ngược cho đến khi dòng điện ngược bằng 0 (t2) Trong khoảng thời gian này, nếu đặt điện áp thuận lên T thì T cũng không mở Cần lưu ý không được đặt T dưới điện áp thuận khi T chưa bị khóa, vì điều này có thể gây ra ngắn mạch nguồn Việc khóa Thysistor bằng cách đặt điện áp ngược được thực hiện thông qua việc ấn nút K.
2.2.3 Đặc tính vôn-ampe của Thysistor
Hình 6: Đặc tính vôn-ampe của Thysistor
- Đoạn 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 điện
- Đoạn 4: Thysistor bị đặt điện áp ngược => Thysistor bị đánh thủng (do U tăng lên ing cũng tăng lên).
Giới thiệu về phần tử bán dẫn Transistor
+ Vì có hai loại lớp bán dẫn P và N nên ghi ghép 3 lớp bán dẫn liên tiếp với nhau, có hai khả năng : P-N-P (phân cực thuận) và N-P-N (phân cực ngược)
- Transistor ngược: Xét mạch cực phát E chung:
+ E2 phân cực thuận cho J1, phân cực ngược cho J2.
Hình 7: Phân cực ngược cho Transistor
Lớp J1 có đặc điểm phân cực thuận, dẫn đến điện trở tiếp giáp nhỏ, cho phép dòng điện iB di chuyển từ cực B sang cực E Trong quá trình này, điện tử tự do di chuyển từ cực E sang cực B, trong khi lỗ trống di chuyển từ cực B sang cực E.
Lớp J2 phân cực ngược do E2 lớn hơn E1, khiến điện trường E2 khóa mạch và cho phép một số điện tử tự do di chuyển từ cực E sang cực B Phần lớn điện tử sẽ đi qua lớp P, tiếp xúc J2 và tới cực góp C, trở về cực dương của nguồn Điều này tạo ra dòng điện cực góp ic qua tải R, được biểu diễn bởi iE = iC + iB, trong đó dòng iB là dòng điều khiển Khi điện áp được tăng lên, dòng điện cũng sẽ thay đổi.
Trong mạch điện, khi dòng điện vào (iB) của transistor tăng, dòng điện ra (iC) cũng sẽ tăng theo và ngược lại Sự thay đổi nhỏ trong dòng iB có thể dẫn đến sự thay đổi lớn trong dòng iC, cho thấy khả năng khuếch đại của transistor.
- 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:
Nếu đảo cực tính UBE, tức là B nối vào cực âm và E nối vào cực dương của nguồn điều khiển, transistor sẽ không hoạt động do lớp J1 bị phân cực ngược.
- Nguyên lý hoạt động của Transistor thuận tương tự.
- 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 ít
- Vùng bão hòa (a): iB tăng nhưng iC = const
- Đường 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:
- 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:
Đặc tính phản hồi của transistor cho phép tính toán hệ số khuếch đại điện áp β Transistor hoạt động chủ yếu trong hai chế độ: chế độ khuếch đại và chế độ xung.
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 trên tải bằng cách sử dụng các phần tử van bán dẫn Nguyên lý hoạt động của chúng là kết nối tải với nguồn trong khoảng thời gian t1 và ngắt kết nối trong khoảng t0, theo chu kỳ lặp lại T Bằng cách điều chỉnh độ rộng của t1 và t0, giá trị điện áp trung bình trên tải có thể được thay đổi Ưu điểm của phương pháp này là khả năng điều chỉnh điện áp ra trong phạm vi rộng và liên tục, đồng thời đạt hiệu suất cao nhờ vào tổn thất thấp trên các linh kiện điện tử công suất Điều áp xoay chiều thường được áp dụng trong các lĩnh vực như điều khiển chiếu sáng, đốt nóng, khởi động mềm, và điều chỉnh tốc độ quạt gió hoặc máy bơm.
Có hai loại bộ điều chỉnh điện áp dựa trên số pha nguồn cấp: Điều áp xoay chiều một pha và Điều áp xoay chiều ba pha.
Phân tích và lựa chọn sơ đồ
2.1 Giới thiệu một số sơ đồ mạch động lực.
Hình 8: Các phương án điều áp một pha.
Hình 1a mô tả điều áp xoay chiều được điều khiển bằng cách kết nối tiếp với tải điện kháng hoặc điện trở phụ, tạo ra tổng trở phụ biến thiên Mạch điều chỉnh này có thiết kế đơn giản và dễ thực hiện, nhưng hiện nay ít được sử dụng do hiệu suất thấp khi Zf là điện trở hoặc cosφ thấp khi Zf là điện cảm.
Biến áp tự ngẫu có khả năng điều chỉnh điện áp xoay chiều U2, mang lại ưu điểm nổi bật trong việc thay đổi điện áp một cách linh hoạt.
U2 có thể điều chỉnh từ 0 đến bất kỳ trị số nào, lớn hay nhỏ hơn điện áp vào Khi cần điện áp ra có thể điều chỉnh, đặc biệt nếu vùng điều chỉnh lớn hơn điện áp vào, việc sử dụng biến áp trở thành lựa chọn cần thiết Tuy nhiên, trong trường hợp dòng tải lớn, việc sử dụng biến áp tự ngẫu để điều chỉnh gặp khó khăn, đặc biệt là không thể điều chỉnh liên tục do chổi than khó chế tạo, không đảm bảo chỉ tiếp xúc trên một vòng dây của biến áp.
Giải pháp điều áp xoay chiều được trình bày trong hình 1a và 1b đều có ưu điểm là cung cấp điện áp hình sin đơn giản Tuy nhiên, cả hai phương pháp này đều gặp phải nhược điểm là quán tính điều chỉnh chậm và không thể điều chỉnh liên tục khi dòng tải lớn Việc sử dụng sơ đồ bán dẫn để điều chỉnh xoay chiều có khả năng khắc phục những nhược điểm này.
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 và khả năng cung cấp linh kiện bán dẫn Một trong những gợi ý khi lựa chọn sơ đồ là sử dụng hai tiristor song song ngược.
Hình 9: Sơ đồ điều áp xoay chiều một pha bằng bán dẫn
2 c bằng một tiristor một diode d bằng bốn diod một tiristor
Hình 2A được ưa chuộng vì khả năng điều khiển với mọi công suất tải, với tiristor có dòng điện lên tới 7000A, cho phép điều khiển xoay chiều hàng chục nghìn ampe Tuy nhiên, việc điều khiển hai tiristor song song ngược có thể gặp vấn đề về chất lượng, đặc biệt khi cần điều khiển điện áp đối xứng cho tải như biến áp hoặc động cơ xoay chiều Sự mất đối xứng điện áp tải do sai số từ linh kiện mạch điều khiển tiristor dẫn đến điện áp không ổn định, như minh họa trong hình 3b Điện áp và dòng điện không đối xứng có thể gây ra thành phần dòng điện một chiều, làm cuộn dây bị bão hòa, nóng lên và có nguy cơ cháy Do đó, việc kiểm tra và hiệu chỉnh định kỳ mạch là cần thiết, mặc dù sơ đồ này vẫn là lựa chọn tối ưu cho dòng điện tải lớn.
Hình 10: Hình dạng đường cong điện áp điều khiển a- Mong muốn b- Không mong muốn
Để khắc phục nhược điểm khi ghép hai tiristor song song ngược, triac đã ra đời và có thể được mắc theo sơ đồ hình 2.B Sơ đồ này mang lại lợi ích với các đường cong điện áp ra gần như đạt yêu cầu như hình 3.A, đồng thời còn dễ dàng hơn trong quá trình lắp ráp Hiện nay, sơ đồ mạch này được sử dụng phổ biến trong ngành công nghiệp.
Hiện nay, triac được sản xuất với dòng điện tối đa dưới 400A, do đó khi sử dụng cho các tải có dòng điện lớn hơn 400A, cần phải ghép song song nhiều triac Việc này làm cho quá trình lắp ráp trở nên phức tạp hơn và khó khăn trong việc điều khiển đồng thời Do đó, sơ đồ hình 2.B ít được áp dụng cho các tải có dòng điện trên 400A.
Sơ đồ hình 2C bao gồm hai tiristor và hai điốt, có khả năng kết nối các cực điều khiển một cách đơn giản Sơ đồ này thích hợp cho các 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 trước đây thường được sử dụng để điều khiển đối xứng điện áp trên tải do chỉ cần một tiristor và một mạch điều khiển, giúp việc điều khiển trở nên dễ dàng hơn Mặc dù số lượng tiristor ít hơn mang lại một số lợi thế, nhưng 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 trong việc làm mát hệ thống.
Sau khi phân tích một số sơ đồ, chúng tôi đã chọn phương án điều áp xoay chiều sử dụng van bán dẫn triac, vì phương án này có nhiều ưu điểm nổi bật.
- Đường cong điện áp gần như mong muốn.
- Công suất của tái không quá lớn nên triac có thể đáp ứng.
- Mạch điều khiển đơn giản.
- Giá thành rẻ, vận hành đơn giản.
2.2 Điều áp xoay chiều một pha ứng với tải R-L
Hình 11: Hình dáng dòng điện và điện áp đối với tải R-L
Khi tiristor T1 mở có phương trình:
Hằng dạng số tích phân A được xác định : Khi thì i = 0 Biểu thức dòng tải i có dạng: i = [ sin() - sin()e]
Biểu thức này đúng trong khoảng đến
Góc được thay đổi bằng cách thay và đặt i= 0
Trong biểu thức sin() - sin().e = 0, tiristor T1 cần được khoá lại trước khi cung cấp xung mở cho T2 Nếu không thực hiện điều này, T2 sẽ không thể mở được Để đảm bảo điều kiện này được thỏa mãn, cần phải có các yếu tố nhất định.
Dòng điện và điện áp trong hệ thống tải thuần trở và thuần cảm 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:
It = () 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 =() đến 0.
Dưới đây là bảng góc mở α ứng với từng loại tải :
THIẾT KẾ MẠCH
Phân tích từng khối
3.2.1 Khối nguồn a.Sơ đồ b.Chức năng
Biến đổi dòng xoay chiều điện áp 15V thành dòng một chiều cấp cho chân vào của TCA785. c.Nguyên lý hoạt động
Dòng điện xoay chiều 15V được chuyển đổi thành dòng một chiều 1A thông qua cầu chỉnh lưu Sau khi đi qua IC ổn áp 7815, dòng điện này sẽ có điện áp ổn định.
Khối nguồn mạch điều khiển
Khối nguồn mạch điều khiển
Mạch điều khiển và mạch cách ly đóng vai trò quan trọng trong việc tạo điện áp ổn định cho IC ổn áp 7815 Để giảm thiểu thành phần sóng hài của điện áp xoay chiều, cần mắc song song một tụ gốm với IC 7815 Ngoài ra, việc kết nối thêm một LED song song giúp báo hiệu rằng mạch điều khiển đang có nguồn điện hoạt động.
Chúng em đã chọn sơ đồ điều khiển bằng TRIAC cho thiết kế bộ điều áp xoay chiều cho động cơ (tải R+L) vì những ưu điểm nổi bật của nó Sơ đồ này không chỉ giúp điều chỉnh điện áp một cách hiệu quả mà còn đảm bảo độ bền và độ ổn định cao cho hệ thống.
- 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, cho phép Triac điều khiển dòng điện, từ đó tạo ra giá trị điện áp trên tải tương ứng với góc mở của Triac Việc điều chỉnh biến trở V11 sẽ giúp điều chỉnh độ rộng xung vuông, có thể đặt trước hoặc sau van để phù hợp với sơ đồ tải.
Dưới đây là sơ đồ dạng sóng đầu ra của van khi điều chỉnh góc mở:
Khi quan sát hình ảnh, ta nhận thấy rằng do tải có tính cảm kháng, nên khi tắt, động cơ vẫn tạo ra một phần điện áp trả lại Điều này có thể dẫn đến sự xuất hiện của một vùng không hoạt động; nếu điện 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 chuyển dấu nhưng cuộn dây điện cảm vẫn chưa xả hết năng lượng, T1 sẽ vẫn dẫn từ π đến φ1, cho thấy T1 đang phân cực thuận với điện áp Ua1a2>0 Ngược lại, khi T1 phân cực thuận, T2 sẽ phân cực ngược Do đó, trong khoảng thời gian từ φ1 đến π, nếu có tín hiệu điều khiển T2, thì T2 sẽ không dẫn được.
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 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.
3.2.3.1.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 khi dòng điện đạt giá trị bằng 0 Để thực hiện điều này, mạch điều khiển bao gồm ba khâu cơ bản.
Tạo xung và khuếch đại ð
Hình 13: 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: 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.
Điện áp cung cấp cho mạch điều khiển được đưa đến khối đồng pha, tạo ra điện áp đồng bộ Vđb có hình sin cùng tần số và lệch pha so với điện áp nguồn 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 Vrc được đưa vào khối so sánh cùng với một điện áp một chiều điều chỉnh từ bên ngoài, với cực tính ngược chiều nhau Khối so sánh sẽ so sánh hai tín hiệu này, và khi chúng bằng nhau, đầu ra sẽ phát ra các xung với chu kỳ của Vrc Trong đó, một sườn của xung răng cưa sẽ tạo ra xung 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 dạng của Vrc.
Trong nhiều trường hợp, tín hiệu đầu ra từ khối so sánh không đáp ứng đủ yêu cầu cần thiết, do đó cần thực hiện khuếch đại và điều chỉnh hình dáng xung Công việc này được thực hiện bởi một mạch chuyên dụng gọi là mạch xung Đầu ra từ khối tạo xung và khuếch đại xung sẽ tạo ra một chuỗi xung điều khiển với các thông số cần thiết về công suất, độ dài và độ dốc Thời điểm bắt đầu xuất hiện các xung sẽ hoàn toàn trùng khớp với thời điểm xuất hiện xung ở đầu ra khối so sánh.
Hiện nay, các mạch cổ điển thường được thay thế bằng các IC tích hợp, mang lại kết cấu nhỏ gọn, giá thành hợp lý và độ chính xác cao Một ví dụ điển hình cho loại vi mạch này là IC TCA 785.
Vi mạch TCA 785 là một vi mạch phức hợp với khả năng thực hiện bốn chức năng chính trong mạch điều khiển, bao gồm tạo điện áp đồng bộ, tạo điện áp răng cưa đồng bộ, so sánh và tạo xung ra Ký hiệu của vi mạch này là TCA 785, thể hiện các chức năng quan trọng trong các ứng dụng điện tử.
Chân Kí hiệu Chức năng
5 VSYNC Tín hiệu đồng bộ
9 R9 Điện áp tạo xung răng cưa
10 C10 Tụ tạo xung răng cưa
12 C12 Tụ tạo độ rộng xung
13 L Tín hiệu điều khiển xung ngắn, xung rộng
16 VS Điện áp nguồn nuôi
Hình 14: 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
K S Tín hiệu cấm vào, chân 6
V Độ rộng xung ra, chân13
V Xung ra, chân 14, 15 Điện áp ra mức cao V14/ VS-3 VS-2,5 VS-1,0 V Điện áp ra mức thấp Độ rộng xung hẹp Độ rộng xung rộng
V S S/nF Điện áp điều khiển Điện áp chuẩn
Góc điều khiển ứng với điện áp chuẩn
Tính toán các phần tử bên ngoài:
Tụ răng cưa: C10 Min = 500pF; Max = 1F
KẾ CHẾ TẠO MẠCH
Tính toán thiết kế để chế tạo mô hình
4.1.1 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 việc
P: Công suất định mức của tải Pđm=2,5 KW
U: Điện áp định mức U"0V cosφ : Hệ số công suất tải cosφ =1
- Điện áp làm việc cực đại của triac:
- Điện áp của van cần chọn:
Kdt là hệ số dự trữ điện áp Chọn Kdt=1,7
- Dòng điện làm việc của van được tính theo dòng hiệu dụng
I== 2500/(220×1),36 A 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 41-600B có các thông số sau:
Dòng điện định mức: Iđm = 40 A Điện áp điều khiển: Uđk = 2,5V
Dòng điện điều khiển: Iđk = 50 m
Dòng điện rò: Ir = 4 mA
Dòng điện duy trì: Ih = 80 mA.
Sụt trên van khi mở: U = 1,6 V.
Thời gian giữ xung điều khiển: tx = 2,5
Tốc độ tăng điện áp: = 150 V/ s.
Nhiệt độ làm việc cực đại: T 0 C = 110 0 C.
Chúng tôi đã chọn BTA41-600 làm van mạch lực cho động cơ điện một pha có công suất nhỏ, vì các giá trị của nguồn không thể vượt quá thông số đã định.
Các giá trị trên em lấy trên datasheet của triac
Với các giá trị của van phù hợp và đáp ứng chính xác các thông số yêu cầu của động cơ, chúng tôi đã quyết định sử dụng van này trong mạch.
4.1.2 Chọn thiết bị bảo vệ
Triac làm việc với dòng điện tối đa Imax = 1.165A chịu một tổn hao trên van là(P1) và khi chuyển mạch (P2) Tổng tổn hao sẽ là:
Tổn hao công suất gây ra nhiệt, trong khi van chỉ hoạt động tối đa ở nhiệt độ 110 °C Do đó, cần phải bảo vệ van bằng cách lắp đặt van bán dẫn trên cánh tỏa nhiệt.
Khi van bán dẫn được kết nối với cánh tỏa nhiệt bằng đồng hoặc nhôm, nhiệt độ của van được truyền ra môi trường xung quanh thông qua bề mặt cánh tỏa nhiệt Sự tỏa nhiệt này xảy ra nhờ 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, dẫn đến việc tốc độ dẫn nhiệt ra không khí bị chậm lại Diện tích bề mặt tỏa nhiệt là yếu tố quan trọng trong quá trình này.
Stn Tổn hao công suất: P = 18,1824W. Độ chênh lệch nhiệt độ so với môi trường: = Tlv – Tmt
Có Tlv = 110 0 C, chọn nhiệt độ môi trường: Tmt = 25 0 C.
Ktn: Hệ số có xét tới điều kiện tỏa nhiệt.
Hình 16: Hình dạng cánh tản nhiệt cho triac
4.1.2.2 Bảo vệ quá dòng điện cho van.
Chọn cầu chì tác động nhanh để bảo vệ ngắn mạch nguồn:
Chọn một cầu chì loại 13A.
4.1.2.3 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 mắc một mạch R-C song song với thiết bị Khi 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 này gây ra sức điện động cảm ứng lớn trong các điện cảm, dẫn đến quá điện áp giữa Anot và Katot Tuy nhiên, nhờ mạch R-C song song, triac (hoặc thyristor) sẽ không bị quá điện áp do tạo ra mạch vòng phóng điện trong quá trình chuyển mạch.
Hình 17: 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 !
4.1.2.4 Tính chọn phần tử cách ly
Có nhiều giải pháp cho việc cách ly, bao gồm việc sử dụng phần tử cách ly quang biến áp xung Đối với mạch công suất nhỏ, chỉ cần sử dụng diode để ngăn chặn dòng ngược.
Chúng tôi quyết định áp dụng phương án sử dụng cách ly quang cho các ứng dụng với tải công suất trung bình và nhỏ Phương pháp này không chỉ hiệu quả mà còn có giá thành rẻ và gọn nhẹ, phù hợp với yêu cầu của đề tài.
C R an toàn giữa mạch lực và mạch điều khiển từ các thông số trên chúng em quyết định sử dụng MOC 3021 để thực hiện khâu cách ly này.
Dưới đây là một số sơ đồ kết nối trong datasheet của MOC 3020, tương ứng với các loại tải khác nhau Những sơ đồ này thể hiện cách kết nối trong quá trình cách ly, giúp người dùng dễ dàng nắm bắt và áp dụng.
Hình 18: Sơ đồ khối và sơ đồ nguyên lý của moc 3020.
- Điện áp ra của TCA là Umax=VccV Sụt áp tại diode lúc này điện áp còn lại là:
-MOC3020 có dòng vào chân 1 là Igt=7mA, lúc này ta có điện trở cần trong mạch là: Rin== 42.8
- Điện áp sụt tại đầu ra của MOC là Us=3V và dòng điện để Triac BTA41 dẫn là
4.1.3 Tính toán bộ nguồn cho mạch điều khiển
Điện áp vào của IC 7815 cần nằm trong khoảng từ +5V đến +24V để đảm bảo hoạt động hiệu quả với dòng điện I=1 Ngoài ra, cần lưu ý rằng điện áp ra trên cuộn thứ cấp U2 được tính bằng Uin cộng với 2 lần điện áp rơi trên diode, dẫn đến U2 = Uin + 2 x 0.7, tương ứng với giá trị 19,4 V.
Xét với điện áp lưới U"0V.
Nên ta chọn biến áp :
- Diện tích tiết diện lõi biến áp: S = 6 cm 2
- Đường kính dây cuốn biến áp:
+ Sơ cấp: d1=0.53 mm + Thứ cấp: d2=0.65 mm
- Số vòng dây cuộn biến áp:
+ Sơ cấp: n150 vòng + Thứ cấp: n20 vòng
* Chọn chỉnh lưu: U1max$0V, điện áp đặt ngược nên diode chỉnh lưu
Ung=U2 = U 1max $0= 23 V Dòng điện qua diode: Id=I2.
Tần số của biến áp ra bộ chỉnh lưu :f= 100Hz
* Ổn áp chọn: IC7815 để có điện áp ra UraV
* Chọn tụ lọc: do điện áp lớn nhất là 23V nên chọn tụ lọc có Umax= 25V.
Chọn độ gợn sóng sau khối chỉnh lưu là K=5%= 0.05
Ta chọn tụ lọc: 2200àF / 25V
* Hiển thị: mắc led song song để báo hiệu mạch điều khiển có nguồn.
Sơ đồ nguyên lý toàn mạch
Hình 19: Sơ đồ nguyên lí.
Hình 20: Sơ đồ mạch in
Khi cấp nguồn cho mạch điều khiển qua khối chỉnh lưu, điện áp 15V AC được đưa vào các chân 13, 6, 16 của TCA 785, với chân 5 kết nối với điện áp xoay chiều 15V từ máy biến áp để đồng bộ với mạch lực Để tạo xung răng cưa, chân 12 được nối với tụ không phân cực 22nF nhằm tạo độ rộng xung, và tụ 68nF được kết nối vào chân 10 để điều chỉnh biên độ cho mạch điều khiển triac, sử dụng hai biến trở 50k vào chân 11 để điều chỉnh độ rộng xung và góc mở cho triac, từ đó nhận được giá trị điện áp tương ứng trên tải Các chân còn lại không sử dụng được để trống và không nối đất Xung ra từ chân điều khiển 14 điều chỉnh góc mở cho điện áp dương, trong khi chân 15 phát xung điều khiển cho điện áp âm, cho phép mở triac theo ý muốn Để bảo vệ mạch điều khiển khỏi điện áp ngược từ mạch lực, sử dụng hai diode chống ngược dòng và mạch cách ly quang với MOC.
Mạch 3020 được bảo vệ bởi cầu chì 12.5A, giúp đảm bảo an toàn cho hệ thống Để điều chỉnh tốc độ động cơ, người dùng chỉ cần vặn biến trở R11, trong đó giá trị điện áp sẽ tăng lên khi góc mở giảm Ngoài ra, biến trở R9 cho phép điều chỉnh độ mịn của 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 có khả năng điều khiển hầu hết các loại động cơ một pha công suất nhỏ và vừa, phù hợp cho các xí nghiệp vừa và nhỏ Để khắc phục hiện tượng không mở khi có tải do điện cảm lớn, chúng tôi đã trình bày giải pháp trước đó Mạch này cho phép điều chỉnh tốc độ một cách mượt mà với dải điều chỉnh rộng, đồng thời còn được ứng dụng trong việc điều khiển nhiệt độ lò điện trở và kỹ thuật chiếu sáng Ngoài ra, mạch có thể chuyển đổi thành mạch điều áp xoay chiều 3 pha bằng cách kết hợp ba mạch điều khiển, phục vụ cho các động cơ ba pha công suất lớn trong công nghiệp với van bán dẫn là tiristor Nhu cầu điều khiển tốc độ động cơ trong thực tế đang gia tăng, và mạch điều khiển này đáp ứng được hầu hết các yêu cầu, với ưu điểm giá thành hợp lý, nhỏ gọn, dễ vận hành và sửa chữa.
Sau một thời gian nghiên cứu và thực hiện đồ án môn học với đề tài “Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo bộ điều áp xoay chiều AC 1 pha” bằng các phần tử bán dẫn công suất, chúng em đã hoàn thành dự án Nhờ vào nỗ lực cá nhân, sự hỗ trợ từ bạn bè trong lớp và đặc biệt là sự hướng dẫn tận tình của Thầy giáo Đặng Văn Hải, chúng em đã đáp ứng tương đối tốt các yêu cầu cơ bản của đề tài.
Trong quá trình thực hiện đề tài, chúng em nhận thức rằng trình độ kiến thức còn hạn chế nên không tránh khỏi những sai sót Vì vậy, chúng em rất mong nhận được ý kiến đóng góp từ các thầy cô giáo và các bạn để đề tài ngày càng hoàn thiện hơn.
Chúng em cũng xin được cảm ơn tất cả các thầy, các cô giáo thuộc bộ môn
‘Điện tử công suất ’ đã giúp đỡ chúng em, tận tình chỉ bảo để chúng em có thể hoàn thiện được đề tài đồ án này.
Một lần nữa, chúng em xin chân thành cảm ơn!
Hà Nội ngày 28 tháng 7 năm 2021 Nhóm sinh viên thực hiện đồ án :