CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ ĐỘNG CƠ ĐIỆN VẠN NĂNG
Các phương pháp điều chỉnh tốc độ quay động cơ
Trước đây, việc điều khiển tốc độ động cơ chủ yếu dựa vào điện áp xoay chiều, với hai phương pháp phổ biến là mắc nối tiếp với tải một điện trở hoặc điện kháng, và điều khiển bằng biến áp như survolter hay ổn áp Tuy nhiên, cả hai phương pháp này đều gặp nhược điểm về kích thước lớn và khó khăn trong việc điều khiển liên tục khi dòng điện lớn Hiện nay, nhờ vào sự phát triển của Tiristor và Triac, việc điều khiển động cơ một pha đã trở nên dễ dàng hơn thông qua công nghệ bán dẫn.
Hình 1.5: Nguyên lí điều khiển động cơ 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.
- 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 mô tả phương pháp điều áp xoay chiều được thực hiện bằng cách kết nối tiếp với tải một điện kháng hoặc điện trở phụ.
Mạch điều chỉnh với tổng trở phụ biến thiên là một phương pháp đơn giản và dễ thực hiện Tuy nhiên, mạch điều chỉnh kinh điển này 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 thể được sử dụng để điều chỉnh điện áp xoay chiều U2, như thể hiện trong hình 1.6b Ưu điểm của việc điều chỉnh điện áp bằng biến áp tự ngẫu là khả năng linh hoạt trong việc thay đổi giá trị điện áp U2.
Để điều chỉnh điện áp ra từ 0 đến trị số bất kỳ, khi vùng điều chỉnh lớn hơn điện áp vào, việc sử dụng biến áp là cần thiết Tuy nhiên, trong trường hợp dòng tải lớn, việc sử dụng biến áp tự ngẫu gặp khó khăn trong việc đạt yêu cầu điều chỉnh liên tục, do chổi than khó chế tạo để tiếp xúc chính xác trên một vòng dây của biến áp.
Giải pháp điều áp xoay chiều như hình 1.6a,b có ưu điểm là tạo ra điện áp hình sin đơn giản, nhưng cũng gặp 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 giúp khắc phục những nhược điểm này.
Các sơ đồ điều áp xoay chiều bằng bán dẫn, như hình 1.6c, rất phổ biến trong ứng dụng hiện nay 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 hữu ích khi lựa chọn các sơ đồ được trình bày trong hình 1.7 sẽ giúp tối ưu hóa hiệu suất hệ thống.
Hình 1.7 trình bày sơ đồ điều áp xoay chiều một pha bằng bán dẫn, bao gồm các phương pháp khác nhau: a) Sử dụng hai tiristor song song ngược, b) Sử dụng triac, c) Sử dụng một tiristor kết hợp với một diod, và d) Sử dụng bốn diod cùng với một tiristor.
THIẾT KẾ MẠCH
Khái quát chung
Để điều chỉnh động cơ điện, việc lựa chọn mạch lực điều khiển là rất quan trọng Tùy thuộc vào yêu cầu điều chỉnh và công suất của động cơ, cần đưa ra phương án chọn mạch lực hợp lý và tối ưu Bài viết này sẽ giới thiệu một số mạch động lực 1 pha dùng Thyristor để điều chỉnh động cơ điện vạn năng.
Chọn sơ đồ mạch động lực
Hình 2.1: Sơ đồ mạch động lực dùng 2 thyristor song song ngược
Lựa chọn mạch điều khiển
Phương án 1: Sử dụng mạch gồm các khâu sau:
Khâu tạo điện áp răng cưa.(RC)
Khâu tạo xung chùm.(TX)
Khâu khuếch đại và biến áp xung (KĐ&Truyền xung ) ĐF RC SS
Thyrist or Ưu điểm: Giá thành rẻ.
Mạch phức tạp phải thông qua nhiều khâu.
Chất lượng điều khiển không cao
Phương án 2 sử dụng vi mạch tích hợp TCA 785 để điều khiển điện áp một chiều giúp đơn giản hóa mạch điều khiển Vi mạch này mang lại nhiều ưu điểm nổi bật, giúp tối ưu hóa hiệu suất và giảm thiểu độ phức tạp trong thiết kế mạch.
Mạch đơn giản, ít khâu điều khiển.
Tạo ra điện áp đối xứng.
Chất lượng điện áp ra như mong muốn.
Nhược điểm :Giá thành đắt.
Từ việc so sánh ưu nhược điểm của 2 phương án trên chúng em chọn phương pháp 2 (Sử dụng mạch tích hợp TCA 785).
Giới thiệu về vi mạch TCA 785
Vi mạch TCA 785 là một vi mạch phức hợp, thực hiện bốn chức năng chính trong mạch điều khiển, bao gồm tạo điện áp đồng bộ, tạo điện áp răng cưa, so sánh và tạo xung ra.
Khối nguồn mạch điều khiển
Khối động lực Đặc trưng:
Dễ phát hiện việc chuyển qua điểm không.
Phạm vi ứng dụng rộng rãi
Có thể hoạt động 3 pha (3 IC).
Mạch thiết kế đơn giản, thi công nhanh dễ điều khiển và hiệu chỉnh.
Dải điều chỉnh và góc điều khiển rộng.
2.4.1.Giới thiệu về cấu tạo nguyên lý của TCA 785
Hình 2.2 : Sơ đồ chân TCA785 Chức năng:
Chân Kí hiệu Chức năng
5 VSYNC Tín hiệu đồng bộ
9 R9 Điện áp tạo xung răng cưa
12 C12 Tụ tạo độ rộng xung
13 L Tín hiệu điều khiển xung ngắn, xung rộng
14 Q1 Xung ra ở nửa chu kỳ âm
15 Q2 Xung ra ở nửa chu kỳ dương
16 VS Điện áp nguồn nuôi
Hình 2.3 : Sơ đồ cấu tạo của TCA 785
Hình 2.4 : Dạng sóng dòng điện của TCA785
Các thông số của TCA 785:
Thông số Giá trị min
Giá trị max Đơn vị
Dòng tiêu thụ IS 4,5 6,5 10 MA Điện áp vào điều khiển , chân 11trở kháng vào
Thời gian sườn ngăn của xung răng cưa tP 3 300 Ms
Tín hiệu cấm vào, chân 6
V Độ rộng xung ra, chân 13
V Xung ra chân 14,15 Điện áp mức cao Điện áp mức thấp Độ rộng xung hẹp Độ rộng xung rộng
V V μs μs/n F Điện áp điều khiển Điện áp chuẩn
Góc điều khiển ứng với điện áp chuẩn
Nguyên ký làm việc của vi mạch TCA 785
Vi mạch TCA 785 thực hiện bốn chức năng chính trong mạch điều khiển, bao gồm tạo điện áp răng cưa đồng bộ, so sánh và phát xung ra Nguồn nuôi được cấp qua chân 16, trong khi tín hiệu đồng bộ được lấy từ chân 5 và 1 Tín hiệu điều khiển vào chân 11 sẽ được một bộ nhận biết điện áp 0 kiểm tra và chuyển trạng thái đến bộ phận đồng bộ Bộ phận này điều khiển tụ C10, nạp đến điện áp không đổi do R9 xác định Khi điện áp V10 đạt V11, tín hiệu sẽ vào khâu logic, cho phép góc mở α thay đổi từ 0 đến 180 độ Mỗi nửa chu kỳ tạo ra một xung dương tại Q1, Q2 với độ rộng từ 30-80μs, có thể kéo dài đến 180 độ thông qua tụ C12.
Nếu chân 12 nối đất thì sẽ có xung trong khoảng α đến 180 o
Nguyên lí hoạt động của khâu tạo xung điều khiển:
Hình 2.5 mô tả quá trình tạo xung điều khiển cho thyristor Điện áp lưới 220VAC được đưa vào chân số 5 qua điện trở R2 Tín hiệu điều khiển Vdk tại chân 11 được so sánh với điện áp răng cưa từ tụ C10, tạo ra xung điều khiển với góc mở α tăng dần ở đầu ra chân 14 và 15 Khi xảy ra ngắn mạch, chân 16 sẽ nhận tín hiệu cấm, dẫn đến việc không còn tín hiệu đầu ra tại chân 14 và 15.
Từ yêu cầu thực tiễn ta chọn IC TCA 785 do hãng SIMEN sản xuất cùng các linh kiện đi kèm sau: C10= 683, C12= 473, R9= 22kΩ ,R2= 1MΩ,VR1= 100k VR2= 10k
Tính toán chọn các phần tử trong mạch
Việc lựa chọn thiết bị trong các hệ thống truyền động điện đóng vai trò quan trọng, nhằm đảm bảo đáp ứng các yêu cầu kỹ thuật với mức vốn đầu tư tối thiểu Trong đó, việc chọn công suất động cơ là yếu tố then chốt; nếu chọn công suất lớn hơn nhu cầu thực tế, sẽ dẫn đến tăng chi phí đầu tư và động cơ có thể hoạt động trong trạng thái non tải.
Sơ đồ nguyên lý
Hình 2.6: Sơ đồ nguyên lý
Khối nguồn mạch điều khiển
2.6.1 Sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển
Hình 2.7: Sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển
2.6.2 Sơ đồ mạch cách ly và mạch lực
Hình 2.8: Sơ đồ mạch động lực
Nguyên lý hoạt động cuả mạch:
Nguồn 15VDC ổn định được cung cấp cho IC785, trong khi nguồn 220VAC được kết nối tiếp với chân 5 của IC785 thông qua điện trở 1M, theo khuyến nghị của nhà sản xuất.
Trong nửa chu kỳ âm của điện áp nguồn 220VAC, cực Anot của T1 được phân cực thuận, cho phép T1 hoạt động Điện áp được so sánh đồng bộ qua chân 5 của IC 785, từ đó chân 14 của IC 785 phát xung điều khiển vào chân 1 của MOC3020, tạo ra sự cách ly quang Kết quả là điện áp được dẫn từ chân 6 sang chân 4 của MOC3020, kích thích góc mở cho T1 Ngoài ra, diode D6 được đặt thuận chiều nối tiếp với cực G của T1, giúp ngăn chặn dòng ngược gây hỏng Thyristor.
Khi nửa chu kỳ dương của điện áp nguồn 220VAC được đưa vào cực Anot của T2, T2 sẽ được phân cực thuận Lúc này, điện áp được so sánh đồng bộ cùng pha thông qua chân 5 của IC 785, dẫn đến việc chân 15 của IC 785 phát xung điều khiển vào chân 1 của MOC3020.
Để điều chỉnh tốc độ động cơ, người điều khiển chỉ cần vặn biến trở tại chân 11, với giá trị điện áp tương ứng; khi góc mở nhỏ, điện áp trên tải sẽ lớn hơn và ngược lại Biến trở tại chân 9 được sử dụng để điều chỉnh độ mịn cho góc mở bằng cách điều chỉnh biên độ của xung răng cưa.
* Kết luận và hướng phát triển
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, lý tưởng cho các xí nghiệp nhỏ Nó khắc phục hiện tượng không mở khi có tải điện cảm lớn và cho phép điều chỉnh tốc độ mượt mà với dải điều chỉnh rộng Ngoài ra, mạch còn được ứng dụng trong việc điều khiển nhiệt độ của lò điện trở và trong kỹ thuật chiếu sáng Đặc biệt, nó có thể chuyển đổi thành mạch điều áp xoay chiều 3 pha khi 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 rất lớn, và mạch điều khiển này mang lại ưu điểm về giá thành hợp lý, kích thước nhỏ gọn, dễ vận hành và sửa chữa.
Tính toán chọn van động lực
Các thông số của động cơ điện vạn năng SE2662-3E như sau :
Uđm = 220 (V); Pđm = 0,25 (kW); Iưđm =2,2(A) ; nđm = 3000(v/p)
Các thông số còn lại của động cơ:
Dòng điện phần ứng định mức động cơ: Iưđm = 2,2 (A)
Điện trở mạch phần ứng động cơ:
Điện cảm mạch phần ứng động cơ:
Trong đó: = 0,25 là hệ số lấy cho động cơ có cuộn bù
Khi chọn Thyristor, cần xem xét các yếu tố như dòng tải, sơ đồ mạch đã chọn, điều kiện tản nhiệt và điện áp làm việc Các thông số của van sẽ được tính toán dựa trên những yếu tố này để đảm bảo hiệu suất hoạt động tối ưu.
Dòng trung bình qua van:
Dòng trung bình qua van:
Iđm chọn >= Kđt Itbmax =4.1,1=4,4(A) Điện áp ngược lớn nhất mà Thyristor phải chịu là:
UthmaxT= U2= 220 = 311.13 (V) Điện áp chọn van: ku =2 : Hệ số dự trữ điện áp (1.5 -2.5)
U2: điện áp thứ cấp máy biến áp
Chọn Thyristor loại BT151-650R có các thông số như sau :
Ung max= 650V ; Iđm= 7,5A ; Ug = 1,5V : Ig max = 15mA
2.7.2 Bảo vệ quá nhiệt cho van
Khi dòng điện chạy qua van bán dẫn, sẽ xảy ra sụt điện áp và gây tổn thất công suất ∆P, dẫn đến việc sinh nhiệt và làm nóng van Các van bán dẫn chỉ có thể hoạt động trong một nhiệt độ cho phép Tcp nhất định, nếu vượt quá mức này, chúng sẽ bị hư hỏng Để đảm bảo van bán dẫn hoạt động an toàn và không bị chọc thủng do nhiệt, việc lựa chọn và thiết kế hệ thống tản nhiệt hợp lý là rất cần thiết.
Tổn hao công suất trên mỗi Thyristor là:
Diện tích bề mặt tỏa nhiệt là: S m =
: là tổn hao công suất trên van
: độ chênh lệch nhiệt độ so với môi trường.
Chọn nhiệt độ môi trường Tmt= 40 0 C Nhiệt độ làm việc cho phép Tcp= 125 0 C, chọn nhiệt độ cánh tản nhiệt tỏa nhiệt Tlv= 80 0 C.
Km hệ số tỏa nhiệt bằng đối lưu và bức xạ chọn Km= 8 (W/m 2 o C)
Dùng cầu chảy tác động nhanh để bảo vệ ngắn mạch đầu ra của bộ chỉnh lưu, dòng điện định mức của dây chảy nhóm 2CC là:
Chọn cầu chảy nhóm 2CC loại 2 (A)
2.7.4.Tính toán mạch điều khiển
Mạch điều khiển được tính xuất phát từ yêu cầu về xung mở Thyristor: Điện áp điều khiển: Uđk= Ug= 1,5(V)
Dòng điện điều khiển: Iđk= 15 (mA) Độ rộng xung điều khiển tx= 100 ( )
Mức độ sụt biên độ xung: Sx= 0,1 Độ mất đối xứng cho phép: = 4 0 Điện áp nguồn nuôi mạch điều khiển: Unguồn= 15 (V)
Tính toán các phần tử mạch điều khiển
=>1 chu kì xung răng cưa : T1 = 10ms.
Dòng nạp tụ I10 và điện áp trên tụ V10 được điều khiển bởi TCA 785, một sản phẩm của hãng SIEMENS, dùng để điều khiển các thiết bị chỉnh lưu và 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 là: Điện áp nguồn nuôi: US= 15V
Dòng điện tiêu thụ IS là 10mA, trong khi điện áp ra I đạt 50mA Điện áp răng cưa tối đa URC max được tính bằng (US - 2) V Điện trở trong mạch tạo điện áp răng cưa R9 có giá trị là 20 500 Cuối cùng, điện áp điều khiển U11 được xác định là -0,5 (US – 2) V.
Dòng điện đồng bộ: IS = 200 ( A)
Tần số xung ra: f = (10 500) Hz
Chọn giỏ trị ngoài thực tế: C10=0,1(àF); C12 = 4,7nF ;
Biến trở điều chỉnh xung răng cưa: VR1= 100kΩ.
Biến trở điều chỉnh chân 11(điện áp điều khiển):VR2 = 10kΩ.
Khâu đồng pha chọn R2 = 1MΩ.(giá trị điện trở do nhà sản xuất khuyên chọn)
Nguyên lý hoạt động của mạch điện này bắt đầu bằng việc tạo ra điện áp đồng bộ, từ đó tạo ra điện áp răng cưa đồng bộ để so sánh và tạo xung ra Nguồn nuôi được kết nối qua chân 16, trong khi tín hiệu đồng bộ được lấy từ chân 5 và chân 1 Tín hiệu điều khiển được đưa vào chân 11 và một bộ nhận biết điện áp 0 sẽ kiểm tra điện áp đầu vào, chuyển trạng thái và gửi tín hiệu đến bộ phận đồng bộ Bộ phận này sẽ điều khiển tụ C10, nạp đến điện áp không đổi do R9 quyết định Khi điện áp V10 đạt đến điện áp V11, một tín hiệu sẽ được gửi vào khâu logic Tùy thuộc vào biên độ điện áp điều khiển V11, góc mở α có thể thay đổi từ 0 đến 180 độ, dẫn đến việc mỗi nửa chu kỳ sẽ tạo ra một xung dương tại Q1 và Q2.
Tính chọn khuếch đại cách ly.
Hình 2.9 : Sơ đồ của cách ly quang
Để điều khiển BT151, cần dòng điều khiển 15mA, vì vậy cần chọn phần tử cách ly có khả năng cung cấp dòng lớn hơn 15mA MOC3020 là lựa chọn hoàn hảo vì nó đáp ứng đầy đủ các yêu cầu này.
Dòng điện vào (DC) là 50(mA)
Năng lượng tổn hao ở 25 0 là : 100mW
Dòng ra điều khiển (50Hz ≤ f ≤ 60Hz)
Tổn hao năng lượng (TA% 0 C): 300mW Điện áp ra của TCA là Umax=VccV Sụt áp tại diode lúc này điện áp còn lại là:U=Vcc - 0.7= 15-(0.7*2),6( V).
MOC3020 có dòng vào chân 1 là IgtPmA, lúc này ta có điện trở cần trong mạch là:
Chọn trở R8 với giá trị R8=R930Ω, vì chế độ làm việc không liên tục cho phép chọn điện trở nhỏ hơn hoặc lớn hơn so với R5,6 Điện áp sụt tại đầu ra của MOC là Us=3V, và dòng điện vào để điều khiển BT151 dẫn là
2.7.5 Chọn và tính toán mạch nguồn
Yêu cầu : Điện áp một chiều ổn định, đáp ứng yêu cầu về dòng điện và điện áp của mạch điều khiển.
Do yêu cầu điện áp nguồn nuôi của TCA785 là 15 (V), sử dụng IC 7815 ổn áp.
Với chỉ tiêu đầu Ura V, và đặc tính kĩ thuật của IC 7815 thì điện áp vào IC cần thỏa mãn từ +5V > +24V.
Chọn biến áp : 220VAC/15VAC
Chọn chỉnh lưu: U1v"0V, điện áp đặt ngược nên diode chỉnh lưu
Dòng điện qua diode: có I2=1(A)
Tần số của biến áp ra bộ chỉnh lưu :f= 50Hz
Chọn loại diode: 1N5408 Ổn áp chọn: IC 7815 để có điện áp ra Ura(V)
Chọn tụ lọc: do điện áp lớn nhất là 24(V) nên chọn tụ lọc có điện áp Umax= 47(V) hoặc cao hơn.
Chọn độ gợn sóng sau khối chỉnh lưu là K=5%= 0.05
Ta chọn tụ lọc C3 : 2200àF / 47V
Sử dụng một tụ khụng phõn cực C4 mắc song song (C4=0,1àF)
Hiển thị: mắc led nối tiếp với R6 để báo hiệu mạch điều khiển có nguồn.
CHẾ TẠO MẠCH
Sơ đồ board
Hình 3.1: Sơ đồ board mạch
Hình 3.2 Hình ảnh thực tế
Phương hướng mở rộng đề tài
Đề tài "Thiết kế, chế tạo mạch điều áp AC để điều chỉnh tốc độ động cơ điện vạn năng" mang lại ứng dụng thực tiễn cao trong đời sống Hệ thống mạch này có độ linh hoạt, chính xác và giá thành hợp lý, phù hợp cho các xưởng thực hành, xí nghiệp, nhà máy và khu chế xuất Chúng tôi dự định mở rộng nghiên cứu về các khâu trong mạch điều khiển, thay thế cho TCA 785, mặc dù trình độ hiện tại còn hạn chế Dù vậy, mạch được thiết kế vẫn đạt độ chính xác và tính ổn định cao, đồng thời có khả năng chống nhiễu tốt.
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
Sau một thời gian nghiên cứu và nhờ sự hỗ trợ nhiệt tình từ thầy Đỗ Công Thắng, chúng tôi đã hoàn thành Đồ án môn học điện tử công suất và truyền động điện Qua quá trình thực hiện, chúng tôi đã tích lũy được nhiều kiến thức quý giá về cách thay đổi điện áp phần ứng của động cơ điện xoay chiều, cũng như các phương pháp đảo chiều quay của động cơ Đồng thời, chúng tôi cũng đã rèn luyện được nhiều kinh nghiệm và quy trình tác phong trong việc thực hiện đồ án.
Mặc dù đồ án của chúng em đã hoàn thành, nhưng vẫn còn nhiều thiếu sót do hạn chế về thời gian, kiến thức và kinh nghiệm Chúng em rất mong nhận được sự góp ý từ các thầy cô và bạn bè để hoàn thiện đồ án hơn nữa.
Chúng em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến thầy giáo hướng dẫn và các thầy cô trong khoa đã tận tình hỗ trợ, giúp đỡ chúng em hoàn thành xuất sắc đồ án này.
Chúng em xin chân thành cảm ơn!
Nhóm sinh viên thực hiện:
Ngô Công Minh Nguyễn Công Nam