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 là mắc nối tiếp với tải một điện trở hoặc điện kháng, được gọi là Zf, và điều chỉnh điện áp thông qua 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 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 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 Ở 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 được điều chỉnh thông qua biến trở VR, ảnh hưởng đến việc nạp tụ C và thời điểm mở thông diac, cũng như thời điểm Triac dẫn Khi điện áp trên tụ đạt điểm dẫn thông diac, Triac sẽ mở ra Để tăng tốc độ quạt, cần giảm điện trở của VR để tụ nạp nhanh hơn, khiến Triac dẫn sớm hơn và điện áp ra lớn hơn Ngược lại, nếu điện trở của VR lớn, tụ sẽ nạp chậm hơn, làm cho Triac mở chậm lại, dẫn đến điện áp và tốc độ quạt giảm.
* 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 áp dụng cho các tải khác, như điều chỉnh độ sáng của đèn sợi đốt và kiểm soát 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 có cấu trúc tương tự như hai Thyristor nối song song ngược, nhưng chỉ sử dụng một cực điều khiển Thiết bị này có ba cực và bốn lớp, cho phép điều khiển 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 dương 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 Hầu hết các điện tử này bị trường nội tại EE1 hút vào, trong khi điện áp ngoài được đặt lên J2, làm cho Barie tăng lên mức 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 khu vực, dẫn đến một phản ứng dây chuyền và 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 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 điện áp một chiều, cực dương nối với A nốt và cực âm nối với Katốt 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 J2 Điện trường Ei của J2 hướng từ N1 đến P2, và điện trường bên ngoài cũng tác động cùng chiều với Ei Kết quả là vùng chuyển tiếp, vốn là vùng cách điện, ngày càng mở rộng, không cho phép dòng điện chảy qua thysistor mặc dù đã có điện áp được áp dụng.
Để mở thyristor, cần áp dụng một xung điện áp Ug vào cực G (dương so với K), khiến các điện tử từ N2 chuyển sang P2, một phần nhỏ chảy vào nguồn Ug tạo thành dòng điều khiển ig Các điện tử này chịu tác động của điện trường tại mặt ghép J2, tăng tốc và va chạm vào vùng chuyển tiếp, làm J2 bị thủng và cho phép nhiều điện tử chảy vào N1 qua P1 Khi điện tử đến cực dương của nguồn điện ngoài, hiện tượng dẫn điện ồ ạt xảy ra, khiến J2 trở thành mặt ghép dẫn điện từ một điểm gần cực G và lan tỏa 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 Sau khi thysistor đã được mở, tín hiệu điều khiển ig không còn cần thiết nữa.
Có hai cách để khóa thysistor:
Để khóa thysistor, cách đầu tiên là giảm dòng điện ở A nốt xuống mức giá trị của dòng điện duy trì Khi thysistor được phân áp thuận, lớp J2 sẽ 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, khi điện áp ngược được áp dụng với UAk < 0, hai mặt ghép J1 và J3 sẽ bị phân cực ngược, trong khi J2 được phân cực thuận Trước thời điểm đảo cực tính UAk, các electron đã có mặt tại P1 và N1.
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 J1 và J3, hiện tượng khuếch tán làm chúng giảm dần cho đến khi hết, và J2 khôi phục lại tính chất của mặt điều khiển Thời gian khóa toff được tính từ lúc 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 sẽ không mở Không bao giờ được đặt T dưới điện áp thuận khi T chưa bị khóa, vì điều này có thể gây ra ngắn mạch nguồn Việc khóa Thyristor bằng cách đặt điện áp ngược được thực hiện bằng cách 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 Quá trình này diễn ra khi điện tử tự do từ cực E đi qua lớp J1 và lỗ trống di chuyển từ cực B sang cực E.
Lớp J2 phân cực ngược do E2 lớn hơn E1, dẫn đến điện trường từ E2 khóa mạch, khiến 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 đến cực góp C, trở về cực dương của nguồn Điều này tạo ra dòng điện cực góp ic qua tải R, được biểu thị bằng iE = iC + iB, trong đó dòng iB còn đóng vai trò là dòng điều khiển Khi điện áp tăng, dòng điện cũng sẽ thay đổi theo.
Trong mạch điện, khi dòng iB tăng, dòng iC cũng tăng theo và ngược lại Sự thay đổi nhỏ ở dòng iB có thể dẫn đến sự thay đổi lớn ở dòng iC, cho thấy transistor có khả năng khuếch đại hiệu quả.
- 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 ngược 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, hoạt động dựa trên nguyên lý sử dụng các phần tử van bán dẫn để nối tải với nguồn trong khoảng thời gian t1 và cắt đi trong khoảng thời gian t0 theo chu kỳ T Bằng cách thay đổi độ rộng của t1 và t0, ta có thể điều chỉnh giá trị điện áp trung bình trên tải một cách linh hoạt Nguyên lý này mang lại ưu điểm điều chỉnh điện áp ra trong phạm vi rộng, hiệu suất cao với tổn thất điện năng tối thiểu Bộ biến đổi điện áp xoay chiều thường được ứng dụng trong điều khiển chiếu sáng, đốt nóng, 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 nguồn cấp, bao gồm 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 mắc nối tiếp với tải điện kháng hoặc điện trở phụ, tạo ra tổng trở phụ biến thiên Sơ đồ mạch điều chỉnh này 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 lợi ích trong việc điều chỉnh điện áp một cách linh hoạt.
U2 có thể điều chỉnh từ 0 đến bất kỳ trị số nào, lớn hoặc nhỏ hơn điện áp đầu vào Khi cần điện áp ra có khả năng điều chỉnh, và vùng điều chỉnh lớn hơn điện áp vào, việc sử dụng biến áp là cần thiết Tuy nhiên, khi tải lớn, việc sử dụng biến áp tự ngẫu để điều chỉnh gặp khó khăn trong việc đạt yêu cầu, đặc biệt là không thể điều chỉnh liên tục do chổi than khó chế tạo để tiếp xúc chính xác trên một vòng dây của biến áp.
Các giải pháp điều áp xoay chiều như trong hình 1a và 1b đều có ưu điểm là tạo ra điện áp hình sin và thiết kế 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 Việc sử dụng sơ đồ bán dẫn để điều chỉnh xoay chiều có thể giúp 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 số gợi ý cho việc chọn sơ đồ bao gồm việc sử dụng hai tiristor song song ngược hoặc sử dụng triac.
Hình 9: Sơ đồ điều áp xoay chiều một pha bằng bán dẫn
D 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, đặc biệt khi tiristor có thể đạt dòng điện lên đến 7000A, cho phép điều khiển xoay chiều lên đến hàng chục nghìn ampe Tuy nhiên, việc điều khiển hai tiristor song song ngược có thể dẫn đến chất lượng điều khiển không tốt, đặc biệt khi cần điều khiển điện áp đối xứng cho các tải như biến áp hay động cơ xoay chiều Sự mất đối xứng điện áp tải, như thể hiện trong hình 3b, do sai số từ linh kiện mạch điều khiển tiristor, có thể gây ra dòng điện một chiều, dẫn đến hiện tượng cuộn dây bị bão hòa, phát nóng và 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 được phát triển và có thể mắc theo sơ đồ hình 2.B Sơ đồ này mang lại ưu điểm với các đường cong điện áp ra gần như mong muốn như hình 3.A, đồng thời cũng dễ dàng hơn trong quá trình lắp ráp Hiện nay, sơ đồ mạch này đang 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, cần phải ghép song song nhiều triac Việc này không chỉ làm tăng độ phức tạp trong lắp ráp mà còn gây khó khăn trong việc điều khiển Đối với các tải có dòng điện vượt quá 400A, sơ đồ hình 2.B ít được áp dụng.
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 sử dụng khi điện áp nguồn cấp lớn, giúp phân bổ điện áp một cách hiệu quả trên các van, 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, nhờ vào việc 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 có thể mang lại ưu điểm trong bối cảnh van điều khiển còn khan hiếm, nhưng phương pháp này gây ra tổn hao lớn trên các van bán dẫn, dẫn đến hiệu suất hệ thống điều khiển thấp Hơn nữa, tổn hao năng lượng nhiệt cao cũng làm cho việc làm mát hệ thống trở nên khó khăn hơn.
Sau khi phân tích các sơ đồ, chúng tôi đã chọn phương án điều áp xoay chiều với van bán dẫn triac, nhờ vào những ưu điểm vượt trội của nó trong việc điều khiển.
- 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:
L dt di + Ri = 2 sint i = 2 R 2 V ( L ) 2 sin( ) + Ae - L
Hằng dạng số tích phân A được xác định : Khi thì i = 0 Biểu thức dòng tải i có dạng: i = 2 R 2 ( L ) 2
[ sin( ) - sin( )e tg ] Biểu thức này đúng trong khoảng đến
Góc được thay đổi bằng cách thay và đặt i= 0
Trong biểu thức trên: tg = R 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 12 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:
It = U R ( 2 2 2 sin 2 ) Công suất tác dụng cung cấp cho mạch tải:
).( 2 2 2 sin 2 ) 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 =(
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 15V xoay chiều qua cầu chỉnh lưu 1A chuyển đổi thành dòng một chiều Sau khi qua IC ổn áp 7815, điện áp đầu ra được ổn định ở mức 15V Để làm phẳng điện áp, dòng điện 15V sau khối chỉnh lưu được đưa qua tụ 2200µF, giúp cung cấp điện áp ổn định cho IC 7815 Đồng thời, một tụ gốm được mắc song song để loại bỏ thành phần sóng hài của điện áp Cuối cùng, một LED được kết nối song song để báo hiệu rằng mạch điều khiển đã có nguồn.
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 nó mang lại nhiều ưu điểm vượt trội.
- 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 vào chân điều khiển G của Triac cho phép điều khiển dòng điện, từ đó tạo ra điện áp trên tải tương ứng với góc mở của Triac Việc điều chỉnh biến trở V11 giúp thay đổi độ rộng xung vuông, có thể áp dụng cho tải được kết nối trước hoặc sau van.
Dưới đây là sơ đồ dạng sóng đầu ra của van khi điều chỉnh góc mở:
Khi nhìn vào hình ảnh trên, ta nhận thấy rằng do tải có tính cảm kháng, nên khi tắt, động cơ vẫn có một phần điện áp trả lại Điều này có thể dẫn đến việc xuất hiện 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 chuyển 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 Sự phân cực thuận của T1 đồng nghĩa với việc T2 đang 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 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.
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, xung điều khiển được phát cho đến khi kết thúc bán kỳ hoặc cho đến khi dòng điện giảm xuống bằng 0 Để đạt được điều này, mạch điều khiển cần phải thực hiện ba khâu cơ bản.
Tạo xung và khuếch đại
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.
Tín hiệu 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 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, sau đó được đưa vào khối so sánh Tại đây, điện áp một chiều điều chỉnh từ bên ngoài được kết nối với Vrc theo cực tính ngược chiều, cho phép khối so sánh so sánh hai tín hiệu này Khi hai tín hiệu bằng nhau, đầu ra khối so sánh sẽ tạo ra các xung điện áp với chu kỳ của Vrc Xung răng cưa có hai sườn, và sườn sử dụng là sườn tại đó xung điện áp xuất hiện Thời điểm xuất hiện xung tại đầu ra khối so sánh có thể được điều chỉnh bằng cách thay đổi Vđk trong khi giữ nguyên dạng của Vrc.
Trong nhiều trường hợp, tín hiệu đầu ra từ khối so sánh không đủ mạnh để điều khiển thiết bị, do đó cần phải khuếch đại và thay đổi hình dáng xung Công việc này được thực hiện bởi một mạch 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 như công suất, độ dài và độ dốc mặt đầu Thời điểm xuất hiện các xung này hoàn toàn trùng với thời điểm xuất hiện xung trên đầu ra khối so sánh.
Hiện nay, các mạch cổ điển thường được thay thế bằng các IC tích hợp, mang lại cấu trúc nhỏ gọn, chi phí thấp và độ chính xác cao Một ví dụ điển hình là vi mạch TCA 785.
Vi mạch TCA 785 là một vi mạch phức hợp có 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 phát xung ra.
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
V 5 Đ iện áp đồng bộ Đ iện áp đỉnh dốc Đ iện áp dốc Đ iện áp điều khiển Đ iện áp dốc min
Chân 12 tớ i đất Chân 12 tớ i đất
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
S 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
VV Độ rộng xung hẹp Độ rộng xung rộng
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 = 1 F
Thời điểm phát xung: tTr = V V R K C
V REÌ Điện áp trên tụ: V10 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 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 15: Sơ đồ khối chức năng chân của tca785
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 Tai = U cos P = 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: Điện áp định mức: U = 700 V.
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 s
Tốc độ tăng điện áp: du dt = 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 công suất nhỏ, vì các giá trị của nguồn không thể vượt qua ngưỡng này.
Các giá trị trên em lấy trên datasheet của triac
Với các giá trị van phù hợp với các thông số yêu cầu của động cơ, chúng tôi đã quyết định sử dụng loại 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, và van chỉ hoạt động tối đa ở nhiệt độ 110 độ 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 tỏa nhiệt bằng đồng hoặc nhôm, nhiệt độ của van sẽ 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 được tính toán để tối ưu hóa hiệu quả tỏa nhiệt.
Tổn hao công suất: P = 18,1824W. Độ chênh lệch nhiệt độ so với môi trường: = T lv – T mt
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 Khi triac chuyển mạch, các điện tích trong lớp bán dẫn 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, dẫn đến quá điện áp giữa Anot và Katot Tuy nhiên, mạch R-C song song giúp tạo ra vòng phóng điện, ngăn chặn triac (hoặc thyristor) khỏi hiện tượng quá điện áp.
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 phương án cho việc cách ly, bao gồm việc sử dụng phần tử cách ly quang biến áp xung hoặc với mạch công suất nhỏ, chỉ cần dùng diode để ngăn chặn dòng ngược.
Trong ứng dụng với tải công suất trung bình và nhỏ, chúng tôi lựa chọn sử dụng cách ly quang để đảm bảo tính gọn nhẹ và chi phí thấp 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 khâu cách ly này, chúng tôi quyết định sử dụng MOC 3021.
Dưới đây là một số sơ đồ kết nối trong datasheet của MOC 3020, tương ứng với các loại tải khác nhau, cùng với sơ đồ kết nối trong khâu cách ly mà chúng em đã thực hiện.
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= U Igt = 14.3 7 42.8 .
- Điện áp sụt tại đầu ra của MOC là Us=3V và dòng điện để Triac BTA41 dẫn là
R out = U Igt - Us = 11.3 50 - 3 "6 => Chọn trở là R5"0
4.1.3 Tính toán bộ nguồn cho mạch điều khiển
Điện áp đầu vào cho IC 7815 cần nằm trong khoảng từ +5V đến +24V với dòng I = 1 Do đó, điện áp đầu vào Uin phải tính đến điện áp rơi trên diode, dẫn đến điện áp ra trên cuộn thứ cấp được tính là U2 = Uin + 2 x 0.7 = 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
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 vào các chân 13, 6, 16 cho TCA 785, chân 5 của mạch nối với điện áp xoay chiều 15V sau máy biến áp để tạo điện áp đồng với mạch lực 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 Sử dụng 2 biến trở 50k vào chân 11 để điều chỉnh góc mở triac, từ đó nhận được giá trị điện áp tương ứng trên tải Xung ra từ chân điều khiển 14 điều chỉnh góc mở phần điện áp dương, trong khi chân 15 phát xung điều khiển mở phần điện áp âm, cho phép điều chỉnh tốc độ động cơ Để bảo vệ mạch điều khiển khỏi điện áp ngược từ mạch lực, sử dụng 2 diot chống ngược dòng và mạch cách ly quang MOC.
Mạch lực 3020 được bảo vệ bởi cầu chì 12.5A, cho phép người điều khiển điều chỉnh tốc độ động cơ bằng cách vặn biến trở R11 Khi góc mở nhỏ, điện áp trên tải sẽ lớn hơn và ngược lại Biến trở R9 được sử dụng để 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, lý tưởng cho các xí nghiệp vừa và nhỏ Nó khắc phục hiện tượng không mở khi có tải lớn và mang lại khả năng điều chỉnh tốc độ mượt mà với dải rộng Ngoài ra, mạch còn được ứng dụng trong việc điều khiển nhiệt độ lò điện trở và kỹ thuật chiếu sáng Đặc biệt, mạch có thể chuyển đổi thành mạch điều áp xoay chiều 3 pha, 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 có giá thành hợp lý, kích thước nhỏ gọn, dễ vận hành và sửa chữa.
Sau hai tháng thực hiện đồ án 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 công việc Nhờ vào nỗ lực cá nhân, sự hỗ trợ từ bạn bè trong lớp, và đặc biệt là sự giúp đỡ tận tâm của Thầy Đỗ Công Thắng, chúng em đã đáp ứng tương đối tốt các yêu cầu cơ bản của đề tài.
Trong quá trình thực hiện đề tài, chúng tôi nhận thấy rằng với kiến thức còn hạn chế, không thể tránh khỏi những sai sót Vì vậy, chúng tôi 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 cũng xin được cảm ơn tất cả các thầy, các cô giáo thuộc bộ môn
Chúng em xin chân thành cảm ơn sự hỗ trợ và chỉ bảo tận tình từ bộ môn 'Điện tử công suất và truyền động điện', nhờ đó chúng em đã hoàn thiện được đề tài đồ án này.
Một lần nữa, chúng em xin chân thành cảm ơn!
Hưng yên, tháng 10 năm 2014 Nhóm sinh viên thực hiện đồ án :
Nguyễn Văn Hiếu Đặng Thị Thu Hà
