Thiết kế bộ điều áp xoay chiều một pha ứng dụng trong điều khiển động cơ

Thiết kế bộ điều áp xoay chiều một pha sử dụng TCA 785. Với mạch điều áp sử dụng IC tích hợp này chúng ta có thể điều khiển hầu hết các loại động cơ một pha công suất nhỏ và vừa trong gia đình hoặc một số nhà xưởng nhỏ. Cách khắc phục hiện tượng không mở khi có tải là điện cảm lớn chúng em đã trình bày ở trên. Với ưu điểm là gần như điều khiển trơn được tốc độ và dải điều chỉnh mở rộng. Mạch còn ứng dụng để điều khiển nhiệt độ của lò điện trở và ứng dụng trong kỹ thuật chiếu sáng. Mạch có thể chuyển thành mạch điện áp xoay chiều 3 pha khi ta nhân 3 mạch điều khiển dùng cho các động cơ ba pha công suất lớn. Thực tế thì nhu cầu điều khiển tốc độ động cơ trong thực tế là khá lớn. Với mạch điều khiển này chúng ta có thể điều khiển hầu hết các loại động cơ. Ưu điểm của mạch là giá thành hợp lý, nhỏ gọn và rất dễ vận hành

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT HƯNG YÊN

KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ

- -

ĐỒ ÁN MÔN HỌC

ĐỀ TÀI:

THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU ÁP XOAY CHIỀU 1 PHA ỨNG DỤNG

TRONG ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ

Hưng Yên, tháng 5 năm 2022

LỜI NÓI ĐẦU

Điện tử công suất và truyền động điên là một môn học hay và lý thú, cuốn hút

được nhiều sinh viên theo đuổi Là những sinh viên chuyên ngành “điện tử công nghiệp” chúng em muốn được tiếp cận và hiểu sâu hơn nữa bộ môn điện tử công suất

và truyền động điện Vì vậy, đồ án môn học chế tạo sản phẩm là điều kiện tốt giúp

chúng em có thêm kiến thức về môn học và được thực hành lý thuyết đã học

Trong đồ án điện tử công suất lần này, chúng em đã được nhận đề tài “Thiết kế chế tạo mạch công suất darlington ứng dụng khuếch đại âm thanh” Sau thời gian

nghiên cứu, chúng em đã chế tạo thành công bộ khu

Trong quá trình hoàn thành đề tài này em xin chân thành cảm ơn thầy cô trong

khoa Điện - Điện Tử và đặc biệt là cô đã giúp đỡ chúng em Do thời gian và kiến

thức còn hạn chế nên chắc chắn không tránh khỏi những thiếu sót và chưa hợp lý, em rất mong được ý kiến đóng góp của thầy cô và bạn bè để đề tài này được hoàn thiện hơn

Chúng em xin chân thành cảm ơn!

Hưng Yên, Ngày 6 tháng 5 năm 2022

MỤC LỤC

LỜI NÓI ĐẦU i

MỤC LỤC HÌNH ẢNH iv

CHƯƠNG I: ĐỘNG CƠ XOAY CHIỀU MỘT PHA 1

1.1 Khái niệm 1

1.2 Nguyên lý điều khiển tốc độ động cơ xoay chiều một pha 1

1.3 Một số mạch điều khiển động cơ một pha 2

CHƯƠNG II: BỘ ĐIỀU ÁP XOAY CHIỀU MỘT PHA 5

2.1 Tổng quan về bộ điều áp xoay chiều một pha 5

2.2 Giới thiệu một số sơ đồ mạch động lực 5

2.3 Giới thiệu về phần tử bán dẫn triac 8

2.3.1 Cấu tạo và ký hiệu 8

2.3.2 Đặc tính V-A 10

2.4 Điều áp xoay chiều một pha ứng với tải R-L 10

CHƯƠNG III: THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU ÁP XOAY CHIỀU MỘT PHA ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ 13

3.1 Sơ đồ khối 13

3.2 Phân tích đặc điểm các khối 13

3.2.1 Khối nguồn 13

3.2.2 Mạch lực 14

3.3 Mạch điều khiển 16

3.3.1 Nguyên lý hoạt động 17

3.4 Giới thiệu TCA 785 18

3.4.1 Đặc trưng của TCA 785 18

3.4.2 Kí hiệu và chức năng của IC TCA 785 19

3.4.3 Các thông số của TCA 785 21

3.5 Thiết kế mạch sản phẩm 25

3.5.1 Tính toán thiết kế mạch 25

3.5.2 Chọn thiết bị bảo vệ 26

3.6 Sơ đồ nguyên lý toàn mạch 30

3.7 Sơ đồ mạch in PCB 31

3.8 Sơ đồ bố trí linh kiện 32

3.9 Phương hướng phát triển của đề tài 32

LỜI KẾT 33

DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO 34

MỤC LỤC HÌNH ẢNH

Hình 1 1 Sơ đồ khối mạch điện tử điều khiển động cơ 1

Hình 1 2 Điều khiển động cơ bằng Triac 2

Hình 2 1 Một số phương án điều áp một pha 5

Hình 2 2 Sơ đồ điều áp xoay chiều một pha bằng bán dẫn 6

Hình 2 3 Hình dạng đường cong điên áp điều khiển 7

Hình 2 4 Cấu tạo và ký hiệu của triac 8

Hình 2 5 Đặc tuyến V-A của Triac 10

Hình 2 6 Hình dáng dòng điện và điện áp đối với tải R-L 10

Hình 2 7 Hình dáng dòng điện và điện áp đối với tải thuần trở và thuần cảm 11

Hình 3 1 Sơ đồ chân IC TCA 785 19

Hình 3 2 Cấu trúc IC TCA 785 19

Hình 3 3 Dạng sóng và các chức năng chân TCA 785 24

Hình 3 4 Hình dạng cánh tỏa nhiệt cho Triac 27

Hình 3 5 Hình ảnh và sơ đồ khối của MOC 3020 29

Hình 3 6 Sơ đồ nguyên lý của MOC 3020 30

CHƯƠNG I: ĐỘNG CƠ XOAY CHIỀU MỘT PHA 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 dử 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

− Điều khiển điện áp đưa vào động cơ

− Điều khiển tần số nguồn điện đưa vào động cơ (trong trường hợp này điện áp cũng phải thay đổi cho phù hợp)

− Điều khiển điện áp đưa và tần số đưa vào động cơ là những phương pháp thường sử dụng

1.2 Nguyên lý điều khiển tốc độ động cơ xoay chiều một pha

Mạch điện tử điều khiển tốc độ động cơ một pha được sử dụng khá phổ biến là hai loại mạch điện tử có sơ đồ khối như hình 1.1

Điều khiển tốc độ bằng cách thay đổi điện áp như hình (1.1a) Tốc độ được điều khiển bằng mạch điện tử thay đổi trị số điện áp đặt vào động cơ

Điều khiển tốc độ bằng cách thay đổi điện áp đưa vào động cơ (hình 1.1b) Mạch điện có nhiệm vụ điều khiển tần số f1 và điện áp U1 thành tần số f2 và điện áp U2 đưa vào động cơ

Hình 1 1 Sơ đồ khối mạch điện tử điều khiển động cơ

1.3 Một số mạch điều khiển động cơ một pha

Hình 1 2 Điều khiển động cơ bằng Triac

1.2a: Sơ đồ nguyên lí điều khiển mạch Triac dùng R, C

1.2b: Giản đồ các đường cong điện áp hình 1.2a

1.2c: Sơ đồ nguyên lí mạch điều kiển Triac dùng R, C và diac

1.2d: Giản đồ các đường cong của điện áp hình 1.2c

Một trong những ứng dụng rất rộng rãi của điều áp xoay chiều là điều khiển động cơ điện một pha mà điện hình là điều khiển tốc độ quay của quạt điện Chức năng của các linh kiện trong sơ đồ hình

− Ta: Triac điều khiển điện áp trên quạt

− VR: Biến trở để điều chỉnh khoảng thời gian dẫn của Triac

− R: Điện trở đệm

− Da (Diac): Định ngưỡng điện áp để triac dẫn

− C: Tụ điện tạo điện áp ngưỡng để mở thông triac và diac

− K: Công tắc

Nguyên lí điều khiển của mạch hình (1.2a) được giải thích như sau

Khi đóng khóa K nguồn cấp u1 hình sin, tại thời điểm điện áp u1 đổi dấu triac chưa dẫn, tụ C được nạp Điện áp trên tụ tăng dần (theo đường uC hình 1.2b) Khi nào đủ điều khiện, triac được dẫn từ đó tới cuối bán kì (phần gạch chéo trên hình 1.2b) Như vậy, việc dẫn của triac phụ thuộc sự biến thiên điện áp uC và đặc tính triac Trong quá trình làm việc, đặc tính của triac có thể thay đổi điện trở VR, hằng số thời gian nạp

tụ thay đổi, thời điểm mở triac thay đổi, khoảng thời gian dẫn dẫn dòng điện của triac thay đổi, điện áp và dòng điện đưa vào động cơ được điều chỉnh Ví dụ, giảm điện trở VR, tụ nạp nhanh hơn, triac dẫn nhiều hơn, điện áp đưa vào động cơ lớn hơn, động cơ quay với tốc độ cao hơn và ngược lại

Điện áp và tốc độ của quạt có thể được điều khiển bằng cách điều khiển bằng cách điều chỉnh biến trở VR trên hình a Tuy nhiên sơ đồ điều khiển này không triệt để, vì

ở vùng điện áp nhỏ khi Triac dẫn ít rất khó điều khiển

Sơ đồ hình b có chất lượng điều khiển tốt hơn Tốc độ quay của quạt có thể được điều khiển bằng biến trở VR Khi điều chỉnh trị số VR ta điều chỉnh việc nạp tụ C lúc

đó điều chỉnh được thời điểm mở thông diac và thời điểm Triac dẫn Như vậy Triac được mở thông khi điện áp trên tụ đạt điểm dẫn thông diac Kết quả là muốn tăng tốc

độ của quạt ta cần giảm điện trở của VR để tụ nạp nhanh hơn, Triac dẫn sớm hơn điện áp ra lớn hơn Ngược lại điện trở của VR càng lớn tụ nạp càng chậm Triac mở càng chậm lại điện áp và tốc độ của quạt nhỏ xuống Mạch điều khiển này có nhược điểm là triac được mở do việc phối hợp điện áp đặt vào và dòng điện điều khiển theo đường đặc tính của triac, nên có thể bị thiếu chính xác khi triac sử dụng lâu ngày

Để khắc phục nhược điểm trên, đưa thêm điac vào như hình (1.2c) Khi điện áp

tụ uC tăng tới ngưỡng điện áp thông (UDA) của điac Da có dòng điều khiển chạy vào cực điều khiển triac, triac được mở từ thời điểm đó tới khi dòng điện của nó bằng 0 (điện áp tải là phần gạch chéo trên hình (1.2d)

Mạch điều khiển hình 1.2 có thể sử dụng cho các loại tải khác nhau như điều khiển

độ sáng của đèn sợi đốt, điều khiển bếp điện rất hiệu quả Trong những trường hợp tải khác nhau cần thay đổi triac có công suất khác nhau

Các mạch điều khiển ở trên có chất lượng điều khiển không tốt Điện áp có thể bị thay đổi do thông số triac và diac thay đổi Mặt khác, điều khiển theo cách này khó

tự động hóa Khi cần điều khiển điện áp tải có chất lượng cao, đòi hỏi mạch điều khiển phức tạp hơn

 Mạch điện điều khiển trên đây có ưu điểm:

Có thể điều khiển liên tục tốc độ quạt – có thể sử dụng cho các loại tải khác như điều khiển độ sáng của đèn sợi đốt, điều khiển bếp điện rất hiệu quả

Kích thước mạch điều khiển nhỏ, gọn

 Nhược điểm:

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

CHƯƠNG II: BỘ ĐIỀU ÁP XOAY CHIỀU MỘT PHA

2.1 Tổng quan về bộ điều áp xoay chiều một pha

Các bộ biến đổi điện áp xoay chiều dùng để biến đổi điệp áp hiệu dụng đặt lên tải Nguyên lí của bộ biến đổi này là dùng các phần tử van bán dẫn nối tải với nguồn trong một khoảng thời gian t1 rồi lại cắt đi trong một khoảng thời gian t0 theo một chu

kỳ lặp lại 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 phần mềm và điều chỉnh tốc độ quạt gió hoặc máy bơm

Phân loại: dựa vào số pha nguồn cấp mà ta có các bộ điều chỉnh điện áp khác nhau là:

− Điều áp xoay chiều một pha

− Điều áp xoay chiều ba pha

2.2 Giới thiệu một số sơ đồ mạch động lực

Hình 2.1 giới thiệu một số mạch điều áp xoay chiều một pha Hình (2.1a) là điều

áp xoay chiều điều khiển bằng cách mắc nối tiếp với tải một điện kháng hay điện trở phụ (tổng trở phụ) biến thiên Sơ đồ mạch điều chỉnh này đơn giản dễ thực hiện Tuy nhiên, mạch điều chỉnh kinh điển này hiện nay ít được dùng, do hiệu suất thấp (Nếu

Zf là điện trở) hay cos𝜑 thấp (nếu Zf là điện cảm)

Hình 2 1 Một số phương án điều áp một pha

1

C

U1

Người ta có thể dùng biến áp tự ngẫu để điều chỉnh điện áp xoay chiều U2 như trên hình (2.1b) 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 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 dòng tải 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 xoay chiều trên hình (2.1a, b) có chung ưu điểm là điện áp hình sin, đơn giản Có chung nhược điểm là quán tính điều chỉnh chậm và không điều chỉnh liên tục khi dòng tải lớn Sử dụng sơ đồ bán dẫn để điều chỉnh xoay chiều, có thể khắc phục được những ưu điểm vừa nếu

Các sơ đồ điện áp xoay chiều bằng bán dẫn trên hình (2.1c) được sử dụng phổ biến Lựa chọn sơ đồ nào trong các sơ đồ trên tùy thuộc dòng điện, điện áp tải và khả năng cung cấp các linh kiện bán dẫn Có một số gợi ý khi lựa chọn các sơ đồ hình (2.1c) như sau:

a) bằng hai tiristor song song ngược

Tuy nhiên, việc điều khiển hai tiristor song song ngược, đôi khi có chất lượng điều khiển không đạt được hiệu quả tốt nhất, 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 (chẳng hạn như biến áp hay động cơ xoay chiều) Khả năng mất đối xứng điện áp 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 bình (2.3b)

Điện áp và dòng điện không đối xứng như hình (2.3b) cung cấp cho tải, sẽ làm cho tải có thành phần dòng điện một chiều, các cuộn dây bị bão hòa, phát nóng và bị cháy Vì vậy việc định kì kiểm tra, hiệu chỉnh lại mạch là việc nên thường xuyên làm đối với sơ đồ mạch này Tuy vậy, với dòng điện tải lớn thì đây là sơ đồ tối ưu hơn cả cho việc lựa chọn

b) Không mong muốn

Để khắc phục nhược điểm vừa nếu về việc ghép hai tiristor song song ngược, triac

ra đời và và có thể mắc theo sơ đồ hình (2.2b) Sơ đồ này có ưu điểm là các đường cong điện áp ra gần như mong muốn như hình (2.3a) 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 dòng điện trên 400A thì sơ đồ hình (2.2b)

ít dùng

Sơ đồ hình (2.2c) có hai tiritor và hai diode có thể được dùng chỉ để nối các cực điều khiển đơn giản, sơ đồ này có thể được dùng khi điện áp nguồn cấp lớn (cần phân

bổ điện áp trên van, đơn thuần như việc mắc nối tiếp các van)

Sơ đồ hình (2.2d) trước đây thường được dùng khi cần điều khiển đối xứng điện

áp trên tải, vì ở đây chỉ có một tiristor một mạch điều khiển nên việc điều khiển đối xứng điện áp dễ dàng hơn Số lương 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 hệ thống điều khiển thấp Ngoài ra, tổn hao năng lượng nhiệt lớn làm cho hệ thống làm mát khó khăn hơn

2.3 Giới thiệu về phần tử bán dẫn triac

2.3.1 Cấu tạo và ký hiệu

Hình 2 4 Cấu tạo và ký hiệu của triac

Triac là linh kiện bán dẫn tương tự như hai Thyristor mắc song song ngược, nhưng chỉ có một cực điều khiển Triac là thiết bị bán dẫn ba cực, bốn lớp Có thể điều khiển

cho mở dẫn dòng bằng cả xung dương (dòng đi vào cực điểu khiển) lẫn xung dòng

âm (dòng đi ra khỏi cực điều khiển) Tuy nhiên xung dòng điều khiển âm có độ nhạy kém hơn, nghĩa là mở Triac sẽ cần một dòng điều khiển âm lớn hơn so với dòng điểu khiển dương Vì vậy trong thực tế để đảm bảo tính đối xứng của dòng điện qua Triac thì sử dụng dòng điều khiển âm là tốt hơn cả

để bẻ gãy các liên kết của các nguyên tử Sillic trong vùng Kết quả là một phản ứng dây chuyển T’ mở cửa cho dòng chảy qua

2.3.2 Đặc tính V-A

Hình 2 5 Đặc tuyến V-A của Triac

Triac có đường đặc tính V-A đối xứng nhận góc mở 𝛼 trong cả hai chiều

2.4 Điều áp xoay chiều một pha ứng với tải R-L

Hình 2 6 Hình dáng dòng điện và điện áp đối với tải R-L

Khi tiristor T1 mở ta có phương trình khi:

2 sin

i i

( )

( ) ( )

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

Để thỏa mãn điều kiện này cần phải có: 𝛼 ≥ 𝜓

Hình 2 7 Hình dáng dòng điện và điện áp đối với tải thuần trở và thuần cảm

Điều đó nói lên rằng, ngay cả trường hợp tải thuần trở, lưới điện xoay chiều vẫn phải cung cấp một lượng công suất phản kháng

Giá trị hiệu dụng của điện áp trên tải:

Giá trị hiệu dụng của dòng tải:

2 2 sin 2 2

c

V I R

2

V P R

CHƯƠNG III: THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU ÁP XOAY CHIỀU MỘT PHA

ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ 3.1 Sơ đồ khối

3.2 Phân tích đặc điểm các khối

áp tạo điện áp ổn định cho IC ổn áp 7815 và mắc song song với một tụ gốm để loại

bỏ thành phần sống hài của điện áp xoay chiều IC 7815 ta mắc song song với một led

để đảm bảo mạch điều khiển có nguồn

Khối nguồn

mạch điều

khiển

Mạch điều khiển

Mạch cách

3.2.2 Mạch lực

Với yêu cầu của đề tài là thiết kế bộ điều áp xoay chiều cho động cơ (Tải R + L) nên chúng em chọn sơ đồ TRIAC để điều khiển vì sơ đồ dùng Triac có những ưu điểm sau:

− 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 được đưa vào chân điều khiển G Triac Triac có nhiệm vụ điều khiển mở dẫn dòng từ đó ta nhận được được giá trị điện áp trên tương ứng với góc mở của triac khi ta điều chỉnh biến trở V11 để chiều chỉnh độ rộng xung vuông tương ứng tải ở trên sơ đồ có thể đặt trước hoặc sau van đều được

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