XÂY DỰNG bộ điều KHIỂN CHO bộ BIẾN đổi điều áp XOAY CHIỀU một PHA điều KHIỂN ĐỘNG cơ XOAY CHIỀU một PHA

Đề tài khóa luận của em là “Xây dựng bộ điều khiển cho bộ biến đổi điều áp xoay chiều một pha điều khiển động cơ xoay chiều một pha”.. Trước đây điều khiển tốc độ động cơ bằng điều khiển

BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC KINH TÊ - KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

MỤC LỤC

MỤC LỤC 1

LỜI NÓI ĐẦU 2

CHƯƠNG I : TỔNG QUAN VỀ BỘ BIẾN ĐỔI ĐIỀU ÁP XOAY CHIỀU MỘT PHA VÀ ĐỘNG CƠ XOAY CHIỀU MỘT PHA 3

1.1 Tổng quan về động cơ xoay chiều một pha 3

1.2 Bộ biến đổi điều áp xoay chiều một pha 7

1.3 Đặt bài toán 11

CHƯƠNG II: TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ MẠCH LỰC CHO BỘ BIẾN ĐỔI ĐIỀU ÁP XOAY CHIỀU MỘT PHA ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ XOAY CHIỀU MỘT PHA 12

2.1 Tính toán, thiết kế mạch lực 12

2.2 Mô phỏng mạch lực 14

LỜI NÓI ĐẦU

Trong cuộc sống, điện có một vai trò rất quan trọng Việc đào tạo ra các kỹ sưngành điện có vai trò quan trọng không kém Ngày nay theo đà phát triển của xãhội mà điều kiện học tập của sinh viên nói chung và sinh viên ngành điện nóiriêng đã có nhiều cải thiện rất thuận lợi Ngành điện là một ngành có rất nhiềutriển vọng trong xã hội hiện tại cũng như trong tương lai Chính vì vậy em cùngrất nhiều bạn sinh viên khác đã chọn ngành điện là nghề nghiệp của mình saunày Sinh viên trường Đại học Kinh Tế Kỹ Thuật Công Nghiệp Hà Nội là sinhviên của một trường kỹ thuật do vậy điều kiện thực hành và nghiên cứu là rấtquan trọng và cần thiết hơn cả Chính vì vậy trước khi tốt nghiệp sinh viên chúng

em đã được nhà trường tạo điều kiện cho làm khóa luận để tích lũy thêm vốnkiến thức thực tế cũng như được áp dụng những kiến thức mình được học ở nhà

trường vào thực tế công việc Đề tài khóa luận của em là “Xây dựng bộ điều khiển cho bộ biến đổi điều áp xoay chiều một pha điều khiển động cơ xoay chiều một pha”.

Em xin chân thành cảm ơn!

CHƯƠNG I : TỔNG QUAN VỀ BỘ BIẾN ĐỔI ĐIỀU ÁP XOAY CHIỀU

MỘT PHA VÀ ĐỘNG CƠ XOAY CHIỀU MỘT PHA

1.1 Tổng quan về động cơ xoay chiều một pha

1.1.1 Tổng quan về nguyên lý

a Khái niệm động cơ xoay chiều một pha

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 cơnày người ta thường cần điều chỉnh tốc độ ví dụ như quạt bàn ,quạt trần

b Cấu tạo động cơ điện xoay chiều một pha

Cấu tạo của động cơ điện xoay chiều một pha gốm 2 bộ phận chính là :

 Phần tĩnh (stato): có các cực từ là những lá thép Silic ghép lại (khác với máy điện một chiều nhỏ dùng thép đúc) để giảm nhỏ tổn hao sắt cho máy khỏi nóng quá Thường có hai cực lồi (giống quạt điện vòng chập) để quấnhai cuộn dây kích từ Trên mặc cực không có vòng chập mạch như quạt điện xoay chiều, số vòng dây quấn thì ít hơn máy điện một chiều

 Phần quay (rôto): cũng có cổ góp điện và lõi dẫn từ bằng thép lá Silic được dập các rãnh để quấn dây dẫn ra cổ góp điện và chổi than như máyđiện một chiều

Hình 1.1 : Stato và rôt của động cơ điện xoay chiều một pha

c Nguyên lý điều khiển động cơ xoay chiều một pha

Trước đây điều khiển tốc độ động cơ bằng điều khiển điện áp xoay chiều đưa vào động cơ, người ta thường sử dụng hai cách phổ biến là mắc nối tiếp với tải mộtđiện trở hay một điện kháng mà ta coi là Zf hoặc là điều khiển điện áp bằng biến ápnhư là survolter hay các ổn áp.

Hai cách trên đây đều có nhược điểm là kích thước lớn và khó điều khiểnliên 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 1.1 : Điều khiển động cơ một Hình 1.2 : Điều khiển động cơ mộtpha bằng tổng trở phụ pha bằng biến áp tự ngẫu

d Ứng dụng của động cơ điện xoay chiều một pha

Động cơ điện xoay chiều một pha chỉ đạt được công suất nhỏ, nó chủ yếuđược dùng trong các dụng cụ gia đình như quạt điện, máy hút bụi, máy bơmnước…

1.1.2 Các phương pháp điều khiển tốc độ động cơ xoay chiều một pha

Để điều khiển tốc độ động cơ một pha người ta có thể sử dụng các phương pháp sau:

 Điều khiển bằng cách thay đổi số đôi cực

 Điều khiển tần số dòng điện đưa vào động cơ

 Điều khiển điện áp đưa vào động cơ.

a Điều khiên tốc độ bằng cách thay đổi số đôi cực.

 Trường hợp thay đổi tốc độ (M = const)

 Công suất cơ trên trục động cơ khi vận hành tại tốc độ cao:

𝑃𝑐 = 2√3 (𝑈 𝑑 𝐼)𝑛𝐶 𝑐𝑜𝑠 𝜑𝐶

 Công suất cơ trên trục động cơ khi vận hành tại tốc độ thấp:

Vậy :

 Trường hợp thay đổi tốc độ, moment và công suất thay đổi.

 Công suất cơ trên trục động cơ khi vận hành tại tốc độ cao:

𝑝𝐶 = 2√3 (𝑈𝑑 𝐼)𝑛𝐶 𝑐𝑜𝑠 𝜑𝐶

 Công suất cơ trên trục động cơ khi vận hành tại tốc độ thấp:

𝑝𝑡ℎ = 3(𝑈𝑑 𝐼)𝑛𝑡ℎ 𝑐𝑜𝑠 𝜑𝑡ℎVậy:

𝑃𝑡ℎ

= 0,5 (𝑛𝑡ℎ 𝑐𝑜𝑠 𝜑𝑡ℎ)Suy ra: 𝑃𝑐 𝑛𝐶𝑐𝑜𝑠 𝜑𝐶

c Điều khiển điện áp đưa vào động cơ.

Nếu điện áp 𝑈1 giảm x lần (x<1) thì :

U1

TBB§

1.2 Bộ biến đổi điều áp xoay chiều một pha

1.2.1 Giới thiệu về bộ điều áp xoay chiều một pha

Các bộ biến đổi điện áp xoay chiều dùng để biến đổi điện áp hiệu dụng đặtlên tải Nguyên lý của bộ biến đổi này là dùng các phần tử van bán dẫn nốitải với nguồn trong một khoảng thời gian t1 rồi lại cắt đi trong một khoảngthời gian t0 theo một chu kỳ lặp lại T Bằng cách thay đổi độ rộng của t1 hayt0 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 rấtnhỏ 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 máybơm

Phân loại: Dựa vào số pha nguồn cấp mà ta có các bộ điều chỉnh điện ápkhác nhau là Điều áp xoay chiều một pha, Điều áp xoay chiều ba pha

1.2.2 Các phương pháp điều khiển bộ biến đổi.

Hình 1.4 giới thiệu một số mạch điều áp xoay chiều một pha Hình 1.4a làđiều áp xoay chiều điều khiển bằng cách mắc nối tiếp với tải một điện

kháng hay điện trở phụ (tổng trợ phụ) biến thiên Sơ đồ mạch điều chỉnh nàytdùng, do hiệu suất thấp (nếu Zf là điện trở) hay cos 𝜑 thấp (nếu Zf là điện

cảm)

Hình 1.4 : Các phương án điều áp một pha

Người ta có thể dùng biến áp tự ngẫu để điều chỉnh điện áp xoay chiều

U2 như hình 1.4b Điều chỉnh bằng biến áp tự ngẫu có ưu điểm là có thể

điều chỉnh điện áp U2 từ 0 đến trị số bất kì, lớn hơn hay nhỏ hơn điện áp

vào Nếu cần điện áp ra có điều chỉnh, mà vùng điều chỉnh có thể lớn hơn

điện áp vào, thì phương án phải dùng biến áp là tất yếu Tuy nhiên, khi dòngtải lớn, sử dụng biến áp tự ngẫu để điều chỉnh, khó đạt được yêu cầu như

mong muốn, đặc biệt là không điều chỉnh liên tục được, do chổi than khó chế

tạo để có thể chỉ tiếp xúc trên một vòng dây của biến áp.

Hai giải pháp điều áp xoay chiều trên hình 1a,b có chung ưu điểm là điện

áp hình sin, đơn giản Có chung nhược điểm là quán tính điều chỉnh chậm vàkhông điều chỉnh liên tục khi dòng tải lớn Sử dụng sơ đồ bán dẫn để điềuchỉnh xoay chiều, có thể khắc phục được những nhược điểm vừa nêu

Các sơ đồ điều áp xoay chiều bằng bán dẫn trên hình 1c được sử dụngphổ biến Lựa chọn sơ đồ nào trong các sơ đồ trên tuỳ thuộc dòng điện, điện

áp tải và khả năng cung cấp các linh kiện bán dẫn Có một số gợi ý khi lựachọn các sơ đồ hình 1.4c như sau:

Hình 1.5 : Sơ đồ điều áp xoay chiều một pha bằng bán dẫn

a) Bằng hai tiristor song song ngược

b) Bằng triacc) Bằng một tiristor một diodd) Bằng bốn diod một tiristor

Sơ đồ kinh điển hình 1.5a thường được sử dụng nhiều hơn, do có thể điều

Tuy nhiên, việc điều khiển hai tiristor song song ngược đôi khi có chấtlượng điều khiển không tốt lắm, đặc biệt là khi cần điều khiển đối xứng điện

áp, nhất là khi cung cấp cho tải đòi hỏi thành phần điện áp đối xứng (chẳnghạn như biến áp hay động cơ xoay chiều) Khả năng mất đối xứng điện áptải khi điều khiển là do linh kiện mạch điều khiển tiristor gây nên sai số.Điện áp tải thu được gây mất đối xứng như so sánh trên hình 1.6b

Điện áp và dòng điện không đối xứng như hình 1.6.b cung cấp cho tải, sẽlàm cho tải có thành phần dòng điện một chiều, các cuộn dây bị bão hoà,

phát nóng và bị cháy Vì vậy việc định kì kiểm tra, hiệu chỉnh lại mạch làviệc nên thường xuyên làm đối với sơ đồ mạch này Tuy vậy, đối với dòngđiện tải lớn thì đây là sơ đồ tối ưu hơn cả cho việc lựa chọn

Hình 1.6 : Hình dạng đường cong điện áp điều khiển

a) Mong muốnb) Không mong muốn

Để khắc phục nhược điểm vừa nêu về việc ghép hai tiristor song song ngược, triac ra đời và có thể mắc theo sơ đồ hình 1.5.b Sơ đồ này có ưu điểm là các đường cong điện áp ra gần như mong muốn như hình 1.6.a, nó còn có ưu điểm hơn khi lắp ráp Sơ đồ mạch này hiện nay được sử dụng khá phổ biến trong công nghiệp Tuy nhiên triac hiện nay được chế tạo với dòng điện không lớn (I < 400A), nên với những dòng điện tải lớn cần phải ghép song song các triac, lúc đó

sẽ phức tạp hơn về lắp ráp và khó điều khiển song song Những tải có dòngđiện trên 400A thì sơ đồ hình 1.5.b ít dùng.

Sơ đồ hình 1.5.c có hai tiristor và hai điốt có thể được dùng chỉ để nối cáccực điều khiển đơn giản, sơ đồ này có thể được dùng khi điện áp nguồn cấplớn (cần phân bổ điện áp trên các van, đơn thuần như việc mắc nối tiếp cácvan)

Sơ đồ hình 1.5d trước đây thường được dùng, khi cần điều khiển đối xứngđiện áp trên tải, vì ở đây chỉ có một tiristor một mạch điều khiển nên việcđiều khiển đối xứng điện áp dễ dàng hơn Số lượng tiristor ít hơn, có thể sẽ

có ưu điểm hơn khi van điều khiển còn hiếm Tuy nhiên, việc điều khiển theo

sơ đồ này dẫn đến tổn hao trên các van bán dẫn lớn, làm hiệu suất của hệthống điều khiển thấp Ngoài ra, tổn hao năng lượng nhiệt lớn làm cho hệthống làm mát khó khăn hơn

1.3 Đặt bài toán

Trong đồ án 2 này em được nhận đề bài là “Thiết kế bộ điều khiển cho bộbiến đổi điều áp xoay chiều một pha điều khiển động cơ xoay chiều mộtpha” với các thông số như sau :

Sau khi tìm hiểu về các phương điều khiển tốc độ động cơ xoay chiều

một pha em chọn phương pháp “Đưa điện áp vào động cơ” Vì đây là

phương pháp phổ thông và dễ dàng thực hiện

CHƯƠNG II: TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ MẠCH LỰC CHO BỘ BIẾN ĐỔI ĐIỀU ÁP XOAY CHIỀU MỘT PHA ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ XOAY

CHIỀU MỘT PHA

2.1 Tính toán, thiết kế mạch lực.

2.1.1 Tính toán, thiết kế sơ đồ mạch lực.

Với yêu cầu của đề tài là thiết kế bộ điều áp xoay chiều cho động cơ nên chúng

em chọn sơ đồ dùng Triac để điều khiển vì sơ đồ dùng Triac có những ưu điểmsau:

- 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

Hình 2.1 : Sơ đồ mạch dùng Triac

a, Sơ đồ mạch.

Hình 2.2 : Sơ đồ mạch lực

Dưới đây là sơ đồ dạng sóng đầu ra của van khi điều chỉnh góc mở:

Hình 2.3 : Sơ đồ dạng sóng đầu ra của van khi điều chỉnh góc mở

Nhìn từ hình 2.3 trên ta thấy do tải có tính cảm khám nên khi tắt vẫn có một phần điện áp trả lại của động cơ Nên có thể xuất hiện một vùng không hoạt động nếu diện cảm lớn thì mạch có thể không hoạt động hoàn toàn.Nguyên nhâncủa 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 đã đổi dấu mà cuộn dây điện cảm chưa xả hết năng lượng, làmcho T1 vẫn dẫn từ 𝝅 cho đến 𝜑1 nếu T1 đang dẫn chứng tỏ T1 đang phân cực thuận và điện áp 𝑈𝑎1𝑎2>0.Khi T1 phân cực thuận chứng tỏ T2 phân cực ngược

Do đó trong vùng từ φ1 cho đến π nếu có phát xung điều khiển T2 thì T2 không dẫn được.Phần này em cũng đã trình bày ở trên

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 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, dòngđiện 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:

Hình 2.4 : Sơ đồ 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 hợplý

Khâu

đồng bộ

Khâu so sánh

CHƯƠNG III: TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN CHO BỘ BIẾN ĐỔI ĐIỀU ÁP XOAY CHIỀU MỘT PHA ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ

XOAY CHIỀU MỘT PHA

3.1 Tính toán, thiết kế mạch điều khiển.

3.1.1 Tính toán, lựa chọn mạch điều khiển.

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 Theonguyên tắc này để điều khiển góc mở 𝜑 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 sánhvới điện áp tựa Tại thời điểm hai điện áp này bằng nhau(Uđk= Urc)

Trong vùng điện áp dương anot thì phát xung điều khiển cho tới cuối bán kỳ(hoặc tới khi dòng điện bằng 0)

Để thực hiện ý đồ trên mạch điều khiển bao gồm 3 khâu cơ bản:

Hình 3.1 : Sơ đồ khối các khâu trong mạch điều khiển

 Nhiệm vụ của các khâu trong sơ đồ khối như sau:

- Khâu đồng bộ: Có nhiệm vụ tạo ra điện áp tựa Urc tuyến tính trùng phavới điện áp Anot (cực G) của Thyristor (triac)

- 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 haiđiện áp bằng nhau(Uđk= Urc) Tại thời điểm hai điện áp này bằng nhau thìphát xung điều khiển ở đầu ra để gửi sang tầng tạo xung và khuếch đại xung

- 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 xungkim 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

 Nguyên lí làm việc của mạch điều khiển:

Tín hiệu điện áp cung cấp cho mạch điều khiển được đưa đến khối đồng pha Đầu ra của khối này có điện áp thường là hình sin cùng tần số và có thể lệch pha một góc xác định so với điện áp nguồn Điện áp này gọi là điện áp đồng bộ 𝑉𝑑𝑏 Đầu ra của mạch phát điện răng cưa ta có các điện áp răng cưa đồng bộ về tần số

và góc pha với điện áp đồng bộ Các điện áp này gọi là điện áp răng cưa 𝑉𝑟𝑐 Điện áp răng cưa 𝑉𝑟𝑐được đưa vào đầu vào của khối so sánh Tại đó có một tín hiệu khác nữa là điện áp một chiều điều chỉnh lấy từ ngoài Hai tín hiệu này đượcmắc với cực tính sao cho tác động của chúng lên mạch so sánh là ngược chiều nhau Khối so sánh làm nhiệm vụ so sánh hai tín hiệu này Tại thời điểm hai tín hiệu này bằng nhau thì tín hiệu đầu ra khối so sánh là các xung xuất hiện với chu

kỳ của 𝑉𝑟𝑐 Xung răng cưa có hai sườn trong đó có một sườn mà tại đó thì đầu

ra khối so sánh xuất hiện một xung điện áp thì sườn đó là sườn sử dụng Vậy ta

có thể thay đổi thời điểm của xung xuất hiện tại đầu ra khối so sánh bằng cách thay đổi 𝑉đ𝑘 khi giữ nguyên dạng của 𝑉𝑟𝑐

Trong một số trường hợp xung ra khối so sánh được đưa ngay đến đầu cực củathiết bị cần điều khiển nhưng trong đa số các trường hợp thì tín hiệu ra khối so sánh chưa đủ yêu cầu cần thiết Người ta phải thực hiện việc khuếch đại thay đổi lại hình dáng xung Các nhiệm vụ này được thực hiên bởi một mạch gọi là mạch xung Đầu ra của khối tạo xung và khuếch đại xung sẽ được một chuỗi xung điềukhiển có đủ các thông số yêu cầu về công suất, độ dài, độ dốc mặt đầu của xung Tại thời điểm bắt đầu xuất hiện các xung hoàn toàn trùng với thời điểm xuất hiệnxung trên đầu ra khối so sánh

Ngày nay các mạch cổ điển như trên thường được thay thế bằng các IC tích hợp đầy đủ các khâu, với kết cấu nhỏ gọn, giá thành rẻ và đạt được độ chính xác

rất cao IC TCA 785 là một vi mạch như vậy

 Giới thiệu về IC TCA 785

Vi mạch TCA 785 là vi mạch phức hợp thực hiện được 4 chức năng của mộtmạch điều khiển: tạo điện áp đồng bộ, tạo điện áp răng cưa đồng bộ, so sánh vàtạo xung ra

a, Ký hiệu và chức năng của TCA 785.