Khái niệm
Nguyên lý điều khiển động cơ xoay chiều một pha
Trước đây, việc điều khiển tốc độ động cơ chủ yếu thông qua điều khiển điện áp xoay chiều được đưa vào động cơ Hai phương pháp phổ biến được sử dụng là mắc nối tiếp với tải một điện trở hoặc điện kháng, được gọi 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
Hình 1: Nguyên lí điều khiển động cơ.
Một số mạch điều khiển động cơ một pha
Điều áp xoay chiều được ứng 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 mở thông diac Việc điều chỉnh điện áp và tốc độ quạt có thể thực hiện qua biến trở VR, như mô tả trong hình a Tuy nhiên, sơ đồ điều khiển này không hiệu quả hoàn toàn, vì trong vùng 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 có thể được điều chỉnh thông qua biến trở VR, giúp điều chỉnh quá trình nạp tụ C Khi thay đổi giá trị của VR, ta có thể điều chỉnh thời điểm mở thông diac và thời điểm Triac dẫn Triac sẽ mở khi điện áp trên tụ đạt ngưỡng dẫn của thông diac Để tăng tốc độ quạt, cần giảm điện trở của VR, cho phép tụ nạp nhanh hơn và Triac dẫn sớm hơn, từ đó làm tăng điện áp ra.
VR càng lớn tụ nạp càng chậm Triac mở càng chậm lại điện áp và tốc độ của quạt nhỏ xuống.
* Mạch điều khiển trên đây có ưu điểm:
Có thể điều khiển liên tục tốc độ quạt, đồng thời ứng 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 ba cực, bốn lớp, hoạt động giống như hai Thyristor mắc song song ngược nhưng chỉ có một cực điều khiển Nó cho phép mở dẫn dòng bằng cả xung dương và xung âm, tuy nhiên, xung âm có độ nhạy kém hơn, đòi hỏi dòng điều khiển lớn hơn để mở Triac Do đó, 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 Đa số các điện tử này bị trường nội tại EE1 hút vào, trong khi điện áp ngoài được đặt lên J2, làm cho Barie tăng cao đủ để thu hút các điện tích thiểu số từ P1 Điều này tạo ra động năng đủ lớn để phá vỡ các liên kết của nguyên tử Sillic trong khu vực, dẫn đến một phản ứng dây chuyền mở ra dòng chảy qua T’.
Hình 3: Đặc tuyến V-A của triac
Triac có đường đặc tính V-A đối xứng nhận góc mở α 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 đặt thyristor vào điện áp một chiều, anode kết nối với cực dương và cathode kết nối với cực âm Lúc 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 J2 Điện trường Ei của J2 hướng từ N1 đến P2, và điện trường bên ngoài tác động cùng chiều với Ei.
G chuyển tiếp cũng là vùng cách điện càng mở rộng ra, không có dòng chảy qua thysistor, mặc dù nó dược đặt điện áp.
Để mở thysistor, cần 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 sẽ bị hút vào vùng chuyển tiếp J2, nơi chúng được tăng tốc và va chạm, làm cho J2 bị trọc thủng Kết quả là, ngày càng nhiều điện tử chảy vào N1 qua P1, dẫn đến hiện tượng dẫn điện ồ ạt J2 sẽ trở thành mặt ghép dẫn điện, bắt đầu từ một điểm xung quanh cực G và lan tỏa ra toàn bộ mặt ghép, khiến thysistor được mở.
Mở thysistor dễ dàng nhất bằng cách ấn công tắc K Khi thysistor đã được mở, tín hiệu điều khiển ig không còn cần thiết nữa.
Có hai cách để khóa thysistor:
Để giảm dòng điện ở A nốt xuống mức dòng điện duy trì khi thyristor được phân áp thuận, lớp J2 sẽ có điện trở lớn, dẫn đến dòng qua thyristor trở nên rất nhỏ Kết quả là thyristor sẽ bị khóa lại.
+ Cách 2: Đặt một điện áp ngược lên thysistor ( biện pháp thường dùng) khi đặt điện áp ngược lên T có UAk< 0 hai mặt ghép J1 và J3 bị phân cực ngược
J2 phân cực thuận tạo ra dòng điện ngược khi các điện tử trước thời điểm đảo cực tính Uak tại P1, N1, P2 đảo chiều và chảy từ Katốt về.
Nốt và cực âm của nguồn điện ngoài đóng vai trò quan trọng trong quá trình hoạt động Trong giai đoạn đầu từ t0 đến t1, dòng điện ngược có cường độ lớn, sau đó J và J trở thành cách điện, chỉ còn lại một lượng nhỏ điện tử.
CHƯƠNG I giữa hai mặt ghép J1 và J3 hiện tượng khuếch tán sẽ làm chúng ít dần đi cho đến hết và J2 khôi phục lại tính chất của mặt điều khiển Thời gian khóa toff tính từ khi bắt đầu có điện áp ngược cho tới dòng điện ngược bằng 0 (t2) Đó là khoảng thời gian mà ngay sau đó nếu đặt điện áp thuận lên T thì T cũng khong mở. Trong bất kì trường hợp nào cũng không được đặt T dưới điện áp thuận khi T chưa bị khóa, nếu không có thể gây ra ngắn mạch nguồn Việc khóa Thysistor bằng cách đặt điện áp ngược được thực hiện bằng cách ấn nút K.
Hình 5: Khóa Thysistor 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).
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, hoạt động dựa trên nguyên lý cắt và nối tải với nguồn qua các phần tử van bán dẫn trong khoảng thời gian t1 và t0 theo chu kỳ T Bằng cách thay đổi độ rộng của t1 và t0, giá trị điện áp trung bình trên tải có thể được điều chỉnh trong một phạm vi rộng và liên tục, mang lại hiệu suất cao với tổn thất điện năng rất nhỏ Bộ biến đổi này thường được áp dụng trong điều khiển chiếu sáng, đốt nóng, khởi động mềm, và điều chỉnh tốc độ của quạt gió hay máy bơm.
Bộ điều chỉnh điện áp được phân loại dựa trên số pha nguồn cấp, bao gồm hai loại chính: Điều áp xoay chiều một pha và Điều áp xoay chiều ba pha.
THIẾT KẾ MẠCH
THIẾT KẾ CHẾ TẠO MẠCH
Tính toán thiết kế để chế tạo mô hình
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 công suất nhỏ, vì các giá trị của nguồn khó có thể vượt qua ngưỡng này.
Các giá trị trên em lấy trên datasheet của triac
Chúng tôi đã quyết định sử dụng van này trong mạch vì các giá trị của van đáp ứng và phù hợp với các thông số yêu cầu của động cơ.
4.1.2 Chọn thiết bị bảo vệ
Triac hoạt động với dòng điện tối đa Imax = 1.165A, gây ra tổn hao trên van là (Δ P1) và khi chuyển mạch (Δ P2) Tổng tổn hao được tính bằng công thức Δ P = Δ P1 + Δ P2, trong đó Δ P1 = Δ U.Ilv = 1,6.11,364 = 18,1824 W Tổn hao công suất này tạo ra nhiệt, trong khi van chỉ có thể hoạt động ở nhiệt độ tối đa cho phép là T = 110 °C Do đó, cần bảo vệ van bằng cách lắp đặt van bán dẫn lên cánh tỏa nhiệt.
Khi van bán dẫn được kết nối với cánh tản nhiệt bằng đồng hoặc nhôm, nhiệt độ của van sẽ được truyền ra môi trường xung quanh thông qua bề mặt của cánh tản nhiệt.
Sự tỏa nhiệt diễn ra do 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 theo, dẫn đến việc tốc độ dẫn nhiệt ra không khí bị giảm Diện tích bề mặt tỏa nhiệt sẽ được tính toán để tối ưu hóa hiệu quả tỏa nhiệt.
Hình 16: Hình dạng cánh tản nhiệt cho triac
4.1.2.2 Bảo vệ quá dòng điện cho van
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 kết nối một mạch R-C song song Khi chuyển mạch, các điện tích trong các lớp bán dẫn phóng ra, tạo ra dòng điện ngược trong thời gian ngắn Sự thay đổi 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, việc sử dụng mạch R-C song song giúp tạo ra mạch vòng phóng điện, từ đó ngăn chặn tình trạng quá điện áp cho triac (hoặc thyristor).
Hình 17: sơ đồ mạch động lực được lựa chọn
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 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 chọn sử dụng cách ly quang để đảm bảo tính gọn nhẹ và chi phí hợp lý Giải pháp này không chỉ hiệu quả mà còn cung cấp sự cách ly an toàn giữa mạch lực và mạch điều khiển Để thực hiện việc cách ly này, chúng tôi quyết định sử dụng MOC 3021, một linh kiện phù hợp với yêu cầu của dự án.
Sau đây là một số sơ đồ kết nối trong datasheet :
Sơ đồ nguyên lý toàn mạch
Hình 19: Sơ đồ nguyên lí.
Hình 21: Sơ đồ mạch in
Khi cấp nguồn cho mạch điều khiển qua khối chỉnh lưu điện áp 15V AC vào các chân 13, 6, 16 của TCA 785, chân 5 được nối với điện áp xoay chiều 15V từ máy biến áp để tạo điện áp cho mạch lực và mạch điều khiển chung nguồn Để tạo xung răng cưa, chân 12 được nối với tụ không phân cực 22nF và chân 10 với tụ 68nF nhằm điều chỉnh độ rộng và biên độ cho mạch điều khiển triac Hai biến trở 50k được kết nối vào chân 11 để điều chỉnh góc mở của triac, từ đó nhận được giá trị điện áp tương ứng trên tải và điều chỉnh tốc độ động cơ Xung ra từ chân 14 điều chỉnh góc mở cho điện áp dương, trong khi chân 15 phát xung điều khiển cho điện áp âm Để bảo vệ mạch điều khiển khỏi điện áp ngược, sử dụng hai diot chống ngược dòng và mạch cách ly quang MOC 3020 Mạch lực được bảo vệ bằng cầu chì 12.5A, và người điều khiển có thể điều chỉnh tốc độ động cơ bằng cách vặn biến trở R11, với góc mở nhỏ hơn dẫn đến điện áp lớn hơn trên tải Biến trở R9 điều chỉnh độ mịn cho góc mở thông qua 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 hiệu quả 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, chúng tôi đã trình bày giải pháp cho điện cảm lớn Mạch này không chỉ giúp điều chỉnh tốc độ một cách mượt mà với dải điều chỉnh rộng mà còn ứng dụng trong việc điều khiển nhiệt độ lò điện trở và trong kỹ thuật chiếu sáng Bằng cách kết hợp ba mạch điều khiển, chúng ta có thể chuyển đổi thành mạch điều áp xoay chiều ba pha, phục vụ cho các 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 nổi bật với giá thành hợp lý, kích thước nhỏ gọn, dễ vận hành và sửa chữa.
CHƯƠNG IV cứu, thiết kế, chế tạo bộ điều điều áp xoay chiều AC 1 pha” bằng các phần tử bán dẫn công suất cho đến nay chúng em đã hoàn thành Cùng với sự nỗ lực cố gắng của bản thân, sự giúp đỡ của bạn bè trong lớp, và đặc biệt với sự giúp đỡ nhiệt tình, tận tâm của Thầy giáo: Nguyễn Hữu Phước chúng em đã thực hiện được một cách tương đối tốt những yêu cầu cơ bản mà đề tài đặt ra.
Trong quá trình thực hiện đề tài, chúng em nhận thức được rằng kiến thức của mình còn hạn chế, dẫn đến một số sai sót không thể tránh khỏi Vì vậy, chúng em rất mong nhận được ý kiến đóng góp từ các thầy cô giáo và bạn bè để cải thiện chất lượng đề tài của mình.
Chúng em xin chân thành cảm ơn các thầy cô giáo bộ môn Điện tử công suất đã tận tình hỗ trợ và hướng dẫn chúng em trong quá trình hoàn thiện đề tài đồ án này.
Một lần nữa, chúng em xin chân thành cảm ơn!
Nhóm sinh viên thực hiện đồ án :