Đồ án THIẾT KẾ, CHẾ TẠO MẠCH ĐIỀU ÁP XOAY CHIỀU ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ MỘT PHA là một trong những đề tài rất khả khoản trong thực tế hàng ngày.
TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ ĐIỆN XOAY CHIỀU KHÔNG ĐỒNG BỘ MỘT PHA
Tổng quan về động cơ điện xoay chiều một pha
1.1.1 Khái niệm Động cơ điện xoay chiều một pha (gọi tắt là động cơ một pha) là động cơ điện xoay chiều không cổ góp được chạy bằng điện một pha Loại động cơ điện này được sử dụng khá rộng rãi trong công nghiệp và trong đời sống như động cơ bơm nước động cơ quạt động cơ trong các hệ thống tự động Khi sử dụng loại động cơ này người ta thường cần điều chỉnh tốc độ ví dụ như quạt bàn, quạt trần. Để điều khiển tốc độ động cơ một pha người ta có thể sử dụng các phương pháp sau:
- 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.
Hình 1.1: Động cơ điện xoay chiều một pha
1.1.2 Cấu tạo động cơ Động cơ điện KĐB 1 pha gồm 2 phần:
- Phần cố định gồm có: vỏ máy, lõi sắt, nắp máy, cuộn dây stato và chụp che quạt…
Phần quay của động cơ bao gồm lõi thép quay, cuộn dây rôto dạng lồng sóc, trục quay, ổ trục, cánh quạt, và công tắc ly tâm hoặc rơle Ngoài ra, còn có tụ điện khởi động hoặc tụ điện quay, động cơ điện với hai trị số điện dung, biển nhãn hiệu, và tổ hợp nối dây của động cơ.
Hình 1.3: Sơ đồ cấu tạo rôto.
Vỏ máy của phần cố định thường được chế tạo từ tấm thép, nhôm đúc hoặc gang, có chức năng giữ lõi sắt của stato, chụp đầu và mômen ngược chịu phụ tải Vỏ máy được thiết kế kín để bảo vệ các bộ phận bên trong Vật liệu vỏ máy thường là tấm thép dày từ 1,2 đến 2mm cuốn thành, giúp giảm giá thành sản phẩm, trong khi vỏ máy đúc bằng nhôm nhẹ hơn Đối với vỏ máy kích thước lớn, gang là lựa chọn phổ biến do tiện lợi trong gia công, giảm chấn động và tăng tính ổn định.
Lõi thép stato được chế tạo từ các lá tôn silic dày khoảng 0,35÷0,5mm, được xếp chồng lên nhau Quá trình sản xuất bắt đầu bằng việc dập nguội các lá tôn silic, sau đó các tấm này được xếp lại và sử dụng đinh rivê để cố định Ngoài ra, có thể áp dụng phương pháp hàn hồ quang khí Arg để liên kết các lá tôn silic hoặc ép dập trực tiếp chúng trong vỏ hợp kim nhôm (Dura).
Trong động cơ điện, thường có hai bối dây: cuộn dây chính (cuộn dây làm việc) và cuộn dây phụ (cuộn dây khởi động), được đặt lệch nhau 90º Đối với máy giặt quần áo, yêu cầu về đường kính, số vòng dây và cấu trúc của hai cuộn dây này phải hoàn toàn giống nhau để đảm bảo khi động cơ quay thuận hoặc quay ngược, chúng có thể đổi vị trí cho nhau Khi động cơ quay theo chiều kim đồng hồ, cuộn dây chính hoạt động trong khi cuộn dây phụ khởi động, và khi quay ngược, vai trò của hai cuộn dây sẽ hoán đổi cho nhau.
Đối với động cơ điện một pha, cuộn dây chính và cuộn dây phụ thường có số vòng khác nhau, trong đó đường kính cuộn dây phụ thường nhỏ hơn.
Nắp máy và vỏ máy được làm từ cùng một loại vật liệu, yêu cầu dung sai lắp ghép của nắp máy cần phải chính xác và có độ đồng tâm cao Điều này không chỉ đảm bảo sự phù hợp với yêu cầu kỹ thuật mà còn cần đảm bảo độ cứng vững để rôto hoạt động hiệu quả.
Khe hở giữa rôto và stato của động cơ điện không đồng bộ một pha thường dao động từ 0,2 đến 0,3mm Việc lắp ráp và sửa chữa không chính xác, hoặc va chạm của tháp lắp vào nắp máy có thể gây biến dạng, ảnh hưởng đến độ chính xác của khe hở Hệ quả là rôto và stato có thể cọ sát vào nhau trong quá trình hoạt động, gây hư hỏng cho động cơ.
Lõi thép rôto được chế tạo bằng cách ép chồng các lá tôn silic, khác với lõi thép stato nhờ vào thiết kế rãnh dập nghiêng giúp giảm chấn động và tiếng ồn Đối với rãnh kín, yêu cầu cách điện của các lá tôn silic không cao, do đó có thể không cần quét lớp sơn cách điện.
Trục quay cần đáp ứng các yêu cầu kỹ thuật về kích thước và hình dáng, đồng thời phải đảm bảo độ cứng bề mặt để tránh hiện tượng cong vênh trong quá trình làm việc, gây ra khe hở không đều và có thể dẫn đến sự cố cọ sát Thông thường, trục quay được sản xuất từ thép cacbon số 45, thép cacbon số 65 hoặc các loại thép đặc biệt khác.
1.1.3 Nguyên lý hoạt động của động cơ
Để động cơ điện 1 pha hoạt động, stato cần được cung cấp dòng điện xoay chiều Dòng điện này đi qua dây quấn stato, tạo ra từ trường quay với tốc độ n = 60f/p (vòng/phút), trong đó f là tần số của nguồn điện và p là số đôi cực của dây quấn stato.
Trong quá trình quay, từ trường liên tục quét qua các thanh dẫn của rôto, tạo ra sức điện động cảm ứng Khi dây quấn rôto kín mạch, sức điện động này sẽ sinh ra dòng điện trong các thanh dẫn Dòng điện trong các thanh dẫn tương tác với từ trường, tạo ra lực điện từ tác động lên các thanh dẫn.
Tổng hợp các lực tác động lên roto tạo ra mô men quay, khiến roto quay theo chiều của từ trường Trong quá trình hoạt động, tốc độ của roto (n) luôn nhỏ hơn tốc độ của từ trường (n1).
Khi rôto quay chậm hơn tốc độ từ trường, động cơ được gọi là động cơ không đồng bộ Độ sai lệch giữa tốc độ rôto và tốc độ từ trường được gọi là hệ số trượt, ký hiệu là S, thường nằm trong khoảng từ 2% đến 10%.
Các phương pháp điều chỉnh tốc độ quay động cơ
1.2.1 Nguyên lý điều khiển động cơ xoay chiều một pha
Trước đây, việc điều khiển tốc độ động cơ thường sử dụng điện áp xoay chiều thông qua hai phương pháp chính: mắc nối tiếp với tải một điện trở hoặc điện kháng, và điều chỉnh điện áp bằng biến áp như survolter hay ổn áp Tuy nhiên, cả hai phương pháp này đều có nhược điểm về kích thước lớn và khó khăn trong việc điều khiển liên tục khi dòng điện lớn Hiện nay, nhờ vào ứng dụng của Tiristor và Triac, việc điều khiển động cơ một pha đã trở nên hiệu quả hơn thông qua công nghệ bán dẫn.
Hình 1.4: Điều khiển động cơ 1 pha bằng tổng trở phụ
Để điều khiển tốc độ động cơ xoay chiều một pha, có thể áp dụng một số phương pháp khác nhau, bao gồm việc sử dụng biến áp tự ngẫu Các mạch điều khiển này giúp điều chỉnh hiệu quả hoạt động của động cơ, đảm bảo hiệu suất và tính ổn định trong quá trình vận hành.
Thay đổi số vòng dây của Stator.
Mắc nối tiếp với động cơ một điện trở hay cuộn dây điện cảm.
thay đổi số đôi cực của động cơ
thay đổi tần số nguồn điện cấp cho động cơ
Điều khiển điện áp đưa vào động cơ
Hình 1.6: Các phương án điều áp một pha
Hình 1.6 trình bày một số mạch điều áp xoay chiều một pha, trong đó Hình 1.6a thể hiện mạch điều áp xoay chiều được điều khiển bằng cách mắc nối tiếp với tải một điện kháng hoặc điện trở phụ có tổng trở biến thiên Mặc dù sơ đồ mạch điều chỉnh này đơn giản và dễ thực hiện, nhưng mạch điều chỉnh kinh điển này hiện nay ít được sử dụng do hiệu suất thấp khi Zf là điện trở và hệ số công suất (cos) thấp khi Zf là điện cảm.
Biến áp tự ngẫu là thiết bị hữu ích để điều chỉnh điện áp xoay chiều U2, cho phép điều chỉnh từ 0 đến mức bất kỳ, lớn hoặc nhỏ hơn điện áp vào Khi cần điện áp ra có thể điều chỉnh vượt quá điện áp vào, việc sử dụng biến áp là cần thiết Tuy nhiên, trong trường hợp dòng tải lớn, việc điều chỉnh bằng biến áp tự ngẫu gặp khó khăn, đặc biệt là không thể điều chỉnh liên tục do việc chế tạo chổi than chỉ tiếp xúc trên một vòng dây của biến áp.
Giải pháp điều áp xoay chiều như trong hình 1.6a,b có ưu điểm là cung cấp điện áp hình sin và đơn giản trong thiết kế Tuy nhiên, cả hai đều gặp nhược điểm về quán tính điều chỉnh chậm và không thể điều chỉnh liên tục với dòng tải lớn Việc sử dụng sơ đồ bán dẫn để điều chỉnh xoay chiều sẽ giúp khắc phục những nhược điểm này.
Các sơ đồ điều áp xoay chiều bằng bán dẫn, như hình 1.6c, được sử dụng rộng rãi 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 số gợi ý cho việc chọn lựa sơ đồ trong hình 1.7 có thể giúp tối ưu hóa hiệu suất.
Sơ đồ điều áp xoay chiều một pha bằng bán dẫn có thể được thực hiện theo nhiều cách khác nhau, bao gồm: a) Sử dụng hai tiristor song song ngược, b) Sử dụng triac, c) Kết hợp một tiristor với một diode, và d) Sử dụng bốn diode kết hợp với một tiristor.
Sơ đồ kinh điển hình 1.7.a là lựa chọn phổ biến nhờ khả năng điều khiển với mọi công suất tải Hiện nay, Tiristor có thể được 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 cho các tải yêu cầu thành phần điện áp đối xứng như biến áp hay động cơ xoay chiều Sự mất đối xứng điện áp tải thường do sai số từ linh kiện mạch điều khiển tiristor, dẫn đến điện áp và dòng điện không đối xứng, gây ra thành phần dòng điện một chiều ở tải, làm cho các cuộn dây bị bão hòa, phát nóng và có nguy cơ cháy Do đó, việc kiểm tra và hiệu chỉnh định kỳ mạch là rất cần thiết Tuy nhiên, trong trường hợp tải có dòng điện lớn, sơ đồ này vẫn là lựa chọn tối ưu.
Triac ra đời để khắc phục nhược điểm của việc ghép hai tiristor song song ngược, cho phép mắc theo sơ đồ hình 1.7b Sơ đồ này mang lại ưu điểm với các đường cong điện áp ra gần như mong muốn, giống như hình 1.6.a, và dễ lắp ráp hơn Hiện nay, sơ đồ mạch này được sử dụng phổ biến trong công nghiệp Tuy nhiên, triac hiện chỉ được chế tạo với dòng điện không lớn (I < 400A), do đó, khi cần tải lớn hơn 400A, việc ghép song song các triac trở nên phức tạp và khó điều khiển, khiến sơ đồ hình 1.7b ít được áp dụng trong trường hợp này.
Sơ đồ hình 1.7c bao gồm hai tiristor và hai điốt, cho phép kết nối các cực điều khiển một cách đơn giản Sơ đồ này thích hợp sử dụng khi điện áp nguồn cấp lớn, giúp phân bổ điện áp trên các van thông qua việc mắc nối tiếp.
Sơ đồ hình 1.7d trước đây thường được sử dụng để điều khiển đối xứng điện áp trên tải nhờ vào việc chỉ cần một tiristor và một mạch điều khiển, giúp đơn giản hóa quá trình này Mặc dù số lượng tiristor ít hơn mang lại ưu điểm trong bối cảnh van điều khiển còn hiếm, nhưng việc điều khiển theo sơ đồ này lại 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 lớn cũng gây khó khăn cho hệ thống làm mát.
BỘ ĐIỀU ÁP XOAY CHIỀU MỘT PHA VÀ THIẾT BỊ ĐIỀU KHIỂN
Đặt vấn đề
Các bộ biến đổi điện áp xoay chiều được sử dụng để điều chỉnh điện áp hiệu dụng 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, với chu kỳ lặp lại liên tục.
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.
Bộ điều chỉnh điện áp được phân loại dựa vào số pha của nguồn cấp, bao gồm Điều áp xoay chiều một pha và Điều áp xoay chiều ba pha.
Đặc tính V-A
Hình 2.1: Đặc tuyến V-A của triac
Triac có đường đặc tính V-A đối xứng nhận góc mở α trong cả hai chiều.
Điều áp xoay chiều một pha ứng với các loại tải
Thyristor đấu song song ngược cho phép điều chỉnh dòng điện xoay chiều hiệu quả Trong mạch điều khiển, anot T1 nối với catot T2 và anot T2 nối với catot T1, do đó cần sử dụng một biến áp xung với hai cuộn dây thứ cấp cách ly nhau Để đảm bảo hoạt động ổn định, các diot được sử dụng để khóa chặt các xung âm.
Hình 2.2: Sơ đồ bộ điều áp xoay chiều 1 pha
Giả thiết điện áp nguồn: U= √ 2 sin ω t
2.3.1 Điều áp xoay chiều một pha ứng với tải thuần trở
Khi T1 mở, nửa chu kỳ dương của điện áp nguồn được đưa vào mạch tải, trong khi khi T2 mở, nửa chu kỳ âm của điện áp V được áp dụng lên mạch tải Góc mở π được xác định từ điểm mà điện áp nguồn V đi qua giá trị 0.
Dòng điện tải 1 lệch sau điện áp nguồn V một góc φ, cho thấy rằng ngay cả trong trường hợp tải thuần trở, lưới điện xoay chiều vẫn cần cung cấp một lượng công suất phản kháng.
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 α từ 0 đến π , người ta có thể điều chỉnh được công suất tác dụng từ giá trị cực đại P¿( V 2
2.3.2 Điều áp xoay chiều một pha ứng với tải R-L
Hình 2.3: Hình dáng dòng điện và điện áp đối với tải R-L
Khi tiristor T1 mở có phương trình:
L di dt + Ri = √ 2 sin ω t i = √ 2 √ R 2 +( V ωL ) 2 sin( θ−ψ ) + Ae - ωL R θ
Hằng dạng số tích phân A được xác định: Khi θ=α thì i = 0 Biểu thức dòng tải i có dạng: i = √ 2 √ R 2 +( V ωL) 2 [ sin( θ−ψ ) - sin( α −ψ )e θ−α tg ψ ]
Biểu thức này đúng trong khoảng θ=α đến θ=β
Góc β được thay đổi bằng cách thay θ =β và đặt i= 0
Trong biểu thức trên: tg ψ = ω L R
Tiristor T1 phải được khoá lại trước khi cho xung mở T2, nếu không thì không thể mở được T2, tức β ≤ π +α Để thoả mãn điều kiện này ta phải có: α ≥ ψ
Hình 2.4 minh họa mối quan hệ giữa dòng điện và điện áp đối với 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:
R ).( 2 π −2 α 2 π + sin 2 α ) Như vậy bằng cách làm biến đổi góc α từ 0 đến π , người ta có thể điều chỉnh được công suất tác dụng từ giá trị cực đại P =( V 2
R ) đến 0 Dưới đây là bảng góc mở α ứng với từng loại tải :
Thiết bị điều khiển IC TCA 785
Vi mạch TCA 785 là một vi mạch phức hợp, đảm nhiệm 4 chức năng chính trong mạch điều khiển, bao gồm: tạo điện áp đồng bộ, tạo điện áp răng cưa đồng bộ, so sánh và phát xung ra Ký hiệu TCA 785 thể hiện rõ ràng vai trò quan trọng của nó trong các ứng dụng điện tử hiện đại.
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
C 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 2.5: Dạng sóng và chức năng của các chân TCA785 b) Các thông số của TCA 785.
Thông số Giá trị nhỏ nhất
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
Xung ra, chân 14, 15 Điện áp ra mức cao Điện áp ra mức thấp Độ rộng xung hẹp Độ rộng xung rộng
V V μS μS/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 = 1 μ F
Thời điểm phát xung: tTr = V 11 V R 9 C 10
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 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 Ω ÷ 500K Ω
+ Điện áp điều khiển: U11 = -0,5 ÷ (US-2)V
+ Dòng điện đồng bộ: IS = 200 μ A
+ Tần số xung ra: f = 10 ÷ 500 Hz c) Sơ đồ chức năng chân của vi mạch TCA785
Hình 2.6: Sơ đồ khối chức năng chân của TCA 785
THIẾT KẾ CHẾ TẠO MẠCH
Sơ đồ khối
Hình 3.1: Sơ đồ khối nguồn 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 mạch nguồn
Dòng điện 15V xoay chiều qua cầu chỉnh lưu 3A chuyển đổi thành dòng một chiều, sau đó được đưa qua IC ổn áp 7815 để cung cấp điện áp ổn định 15V Để làm phẳng điện áp, dòng điện 15V sau khối chỉnh lưu được kết nối với tụ 1000µF, đồng thời mắc song song với một tụ gốm nhằm loại bỏ sóng hài Ngoài ra, một đèn LED cũng được mắc song song để báo hiệu rằng mạch điều khiển đã có nguồn.
3.1.2 Mạch điều khiển a) 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 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 của anot, phát xung điều khiển sẽ được duy trì 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 3.2: 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(U đk= 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:
Mạch điều khiển có nhiệm vụ tạo ra xung phù hợp để mở Triac, yêu cầu xung mở Triac phải có sườn trước dốc thẳng đứng để đảm bảo Triac được kích hoạt ngay lập tức khi có tín hiệu điều khiển Xung thường được sử dụng là xung kim hoặc xung chữ nhật với độ rộng lớn hơn thời gian mở của Triac Đồng thời, cần có cách ly giữa mạch điều khiển và mạch động lực, đặc biệt khi điện áp động lực cao, để đảm bảo an toàn và đủ công suất.
Tín hiệu điện áp cung cấp cho mạch điều khiển được đưa đến khối đồng pha, tạo ra điện áp đồng bộ Vđb với hình sin cùng tần số và có thể lệch pha so với điện áp nguồn Đầu ra của mạch phát điện răng cưa tạo ra các điện áp răng cưa Vrc đồng bộ về tần số và góc pha với Vđb Điện áp răng cưa Vrc được đưa vào đầu vào của khối so sánh, nơi có tín hiệu điện áp một chiều điều chỉnh từ bên ngoài Hai tín hiệu này được mắc với cực tính ngược chiều nhau, và khối so sánh sẽ so sánh chúng Khi hai tín hiệu bằng nhau, đầu ra khối so sánh sẽ xuất hiện các xung với chu kỳ của Vrc Trong đó, một sườn của xung răng cưa là sườn sử dụng, cho phép thay đổi thời điểm xung xuất hiện tại đầu ra khối so sánh bằng cách điều chỉnh Vđk trong khi giữ nguyên dạng của Vrc.
Trong nhiều trường hợp, tín hiệu từ khối so sánh không đủ mạnh để điều khiển thiết bị, do đó cần thực hiện khuếch đại và thay đổi hình dáng xung Nhiệm vụ này được thực hiện bởi mạch xung, giúp tạo ra chuỗi xung điều khiển với các thông số cần thiết về công suất, độ dài và độ dốc Các xung này sẽ bắt đầu xuất hiện đồng thời với xung đầu ra từ khối so sánh.
Hiện nay, các mạch cổ điển thường được thay thế bằng các IC tích hợp, mang lại nhiều ưu điểm như kích thước nhỏ gọn, chi phí thấp và độ chính xác cao IC TCA là một trong những lựa chọn phổ biến trong lĩnh vực này.
785 là một vi mạch như vậy.
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 mang lại độ bền cao và khả năng xử lý tải lớn, từ đó tối ưu hóa hiệu suất hoạt động của động cơ.
- 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
Hình 3.3: Sơ đồ mạch lực
Tín hiệu điều khiển được đưa vào chân G của Triac, giúp điều chỉnh dòng điện qua tải Khi điều chỉnh biến trở VR6, góc mở của Triac sẽ thay đổi, từ đó ảnh hưởng đến giá trị điện áp trên tải Việc điều chỉnh này có thể thực hiện trước hoặc sau van, tùy thuộc vào sơ đồ mạch.
Dưới đây là sơ đồ dạng sóng đầu ra của van khi điều chỉnh góc mở:
Hình 3.4: Dạng sóng đầu ra của van khi điều chỉnh góc mở
Khi xem xét hình ảnh trên, ta nhận thấy rằng do tải có tính cảm kháng, khi tắt nguồn, động cơ vẫn sẽ trả lại một phần điện áp Điều này có thể dẫn đến việc xuất hiện một vùng không hoạt động; nếu điện trở cảm kháng lớn, mạch có thể không hoạt động hoàn toàn.
Nguyên nhân của hiện tượng này như sau :
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 Điều này cũng chứng tỏ T2 đang phân cực ngược Do đó, trong khoảng từ φ1 đến π, nếu có phát xung 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 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:
Hình 3.5: Tạo xung gián đoạn bằng chùm xung liên tiếp
Tuỳ theo tải có điện cảm lớn cỡ nào mà ta thiết kế chọn độ rộng xung cho hợp lý
Sơ đồ nguyên lý
3.2.1 Sơ đồ nguyên lý mạch nguồn cung cấp cho khối điều khiển
3.2.2 Sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển, cách ly và mạch lực
Hình 3.7: Sơ đồ nguyên lý
3.2.3 Sơ đồ nguyên lý toàn mạch
Hình 3.8: Sơ đồ toàn mạch
Mô tả nguyên lý hoạt động của mô hình:
Khi cấp nguồn cho mạch điều khiển qua khối chỉnh lưu, điện áp 15V AC được nối vào các chân 13, 6, 16 của TCA 785, chân 5 của mạch kết nối với điện áp xoay chiều 220V qua điện trở 1M, nhằm tạo điện áp đồng bộ cho mạch lực và mạch điều khiển Để tạo xung răng cưa, chúng tôi đã tham khảo sơ đồ chân trong datasheet và nối chân 12 với một tụ không phân cực 473 để điều chỉnh độ rộng xung.
Để điều khiển triac, chúng ta sử dụng chân 10 để tạo biên độ cho mạch điều khiển, kết hợp với hai biến trở 100k và 50k ở chân 9 và 11 nhằm điều chỉnh độ rộng xung và góc mở triac, từ đó nhận được giá trị điện áp tương ứng trên tải Chân 14 phát xung điều khiển cho phần điện áp dương, trong khi chân 15 điều khiển phần điện áp âm, giúp điều chỉnh tốc độ động cơ theo ý muốn Để bảo vệ mạch điều khiển khỏi điện áp ngược, chúng ta sử dụng hai diot chống ngược dòng và mạch cách ly quang MOC 3020 Mạch lực được bảo vệ bằng cầu chì 2A Người điều khiển chỉ cần vặn biến trở R5 để điều chỉnh điện áp, với góc mở nhỏ tương ứng với điện áp lớn trên tải Biến trở R9 giúp điều chỉnh độ mịn cho góc mở thông qua việc điều chỉnh biên độ của xung răng cưa.
Tính chọn thiết bị
3.3.1 Tính chọn van động lực
- 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
- 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 BT136-600D có các thông số sau:
- Điện áp định mức: Uđm = 600 V.
- Dòng điện định mức: Iđm = 4 A Điện áp điều khiển: Uđk = 1,5V.
- Dòng điện điều khiển: Iđk = 10 mA
- Dòng điện rò: Ir = 2 mA
- Dòng điện duy trì: Ih = 10 mA.
- Sụt trên van khi mở: U = 1,6 V.
- Thời gian giữ xung điều khiển: tx = 2
- Tốc độ tăng điện áp: = 50 V/ s.
- Nhiệt độ làm việc cực đại: T 0 C = 1250C.
Chúng tôi đã chọn thông số phù hợp cho tải là động cơ điện một pha có công suất nhỏ Do các giá trị của nguồn khó có thể vượt qua mức này, chúng tôi quyết định sử dụng BT136-600D làm van mạch lực.
Các giá trị trên lấy trên datasheet của triac
Chúng tôi đã quyết định sử dụng van này trong mạch do các giá trị của van đáp ứng đầy đủ và chính xác các thông số yêu cầu của động cơ.
3.3.2 Chọn thiết bị bảo vệ
Triac làm việc với dòng điện tối đa Imax = A 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, vì vậy cần bảo vệ van bằng cách lắp đặt van bán dẫn trên cánh tỏa nhiệt, khi van chỉ hoạt động hiệu quả ở nhiệt độ tối đa cho phép là 1100C.
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 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 gia tăng, dẫn đến việc tốc độ dẫn nhiệt ra không khí bị chậm lại Diện tích bề mặt tỏa nhiệt đóng vai trò quan trọng trong quá trình này.
- Độ chênh lệch nhiệt độ so với môi trường: = Tlv – Tmt
- Có Tlv = 1250C, chọn nhiệt độ môi trường: Tmt = 250 0 C = 125 - 25 = 100 0 C
- Ktn: Hệ số có xét tới điều kiện tỏa nhiệt.
- Chọn Ktn = 8.10-4 W/cm2 0C Stn = = 267,39 cm2
Hình 3.9: Hình dạng cánh tản nhiệt cho triac
Bảo vệ quá dòng điện cho van:
- Chọn cầu chì tác động nhanh để bảo vệ ngắn mạch nguồn:
- Chọn một cầu chì loại 2A.
Bảo vệ quá điện áp cho van:
Bảo vệ quá điện áp do quá trình đóng cắt Triac được thực hiện bằng cách mắc R-
Triac (hoặc thyristor) hoạt động bằng cách chuyển mạch các điện tích trong các lớp bán dẫn, tạo ra dòng điện ngược trong thời gian ngắn Sự biến thiên nhanh chóng của dòng điện ngược này gây ra sức điện động cảm ứng lớn trong các điện cảm, dẫn đến quá điện áp giữa Anot và Katot Tuy nhiên, khi có mạch R - C mắc song song với triac (hoặc thyristor), nó tạo ra mạch vòng phóng điện trong quá trình chuyển mạch, giúp triac (hoặc thyristor) không bị quá điện áp.
Hình 3.10: 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 !
Tính chọn phần tử cách ly:
Có nhiều phương án 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.
Trong nghiên cứu ứng dụng cho tải công suất trung bình và nhỏ, chúng tôi đã lựa chọn phương án sử dụng cách ly quang MOC 3021 Giải pháp này không chỉ hiệu quả mà còn có giá thành rẻ và kích thước gọn nhẹ, đảm bảo an toàn trong việc cách ly giữa mạch lực và mạch điều khiển.
MOC 3020 là một linh kiện quan trọng trong việc kết nối với các loại tải khác nhau Hình 3.11 minh họa sơ đồ kết nối của MOC 3020, thể hiện cách thức hoạt động trong khâu cách ly Sơ đồ này giúp người dùng hiểu rõ hơn về cách sử dụng MOC 3020 trong các ứng dụng thực tế.
Hình 3.12: 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`mA, lúc này ta có điện trở cần trong mạch là: Rin = Igt U = 14.3 60 K Ω =238,3 Ω
- Điện áp sụt tại đầu ra của MOC là Us=3V và dòng điện để Triac BTA41 dẫn là IgtPmA, nên ta có:
3.3.3 Tính toán bộ nguồn cho mạch điều khiển
Để đảm bảo hoạt động hiệu quả của IC 7815 với đầu vào Ura V, điện áp vào cần nằm trong khoảng từ +5V đến +24V và dòng I là 1A Cần lưu ý rằng điện áp ra trên cuộn thứ cấp được tính bằng công thức U2 = Uin + 2 x 0.7, dẫn đến kết quả là 19,4V Do đó, nên chọn biến áp có đầu ra là 24V để đáp ứng yêu cầu này.
- U1max$0V, điện áp đặt ngược nên diode chỉnh lưu
- 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: 1000àF / 25V
Hiển thị: mắc led song song để báo hiệu mạch điều khiển có nguồn
Chế tạo mạch
a) Chuẩn bị thiết bị, dụng cụ
- Một tấm bảng nhựa, một phíp đồng
- Một IC TCA 785, một opto cách ly quang MOC3020112Q
- Hai chiết áp hay (biến trở chia áp)
- Hai tụ hóa 1000 μ F 25V, 1 tụ hóa 2.2 μ F 50V, 2 tụ gốm, 2 tụ mica xanh lá, 4 diode, 7 điện trở, 1 led b) Hình ảnh mạch thực tế
Hình 3.13: Sản phẩm hoàn thành