Đồ án 1 điện tử công suất và ứng dụng đề 6 xây dựng bộ điều khiển cho bộ biến đổi điều áp xoay chiều một pha điều khiển động cơ xoay chiều 1 pha

Hiện nay em đang đượcnhà trường tạo điều kiện cho làm đồ án để có thể tìm hiểu sâu hơn về kiến thứcchuyên ngành và áp dụng vào thực tế công việc, đề tài của em là “ xây dựng bộđiều khiển

  TRƯỜNG ĐẠI HỌC KINH TẾ KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

  KHOA : ĐIỆN

  - 

 - 

ĐỒ ÁN 1 : Điện Tử Công Suất Và Ứng Dụng

Đề 6 : XÂY DỰNG BỘ ĐIỀU KHIỂN CHO BỘ BIẾN ĐỔI ĐIỀU ÁP XOAY CHIỀU MỘT

PHA ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ XOAY CHIỀU 1 PHA

  Điệp áp định mức :220 (VAC)   Đòng điện định mức : 13,7 (A)   Tốc độ định mức : 2800 (v/phút)

Mã Sinh Viên : 21104300168

-Đề 6 : XÂY DỰNG BỘ ĐIỀU KHIỂN CHO BỘ BIẾN ĐỔI ĐIỀU ÁP XOAY CHIỀU MỘT PHA ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ XOAY CHIỀU 1 PHA

Lời Nói Đầu – Lời Cảm Ơn :

Thế giới hiện nay đang phát triển một cách chóng mặt, đặc biệt là mảngcông nghệ đang dần thay đổi hoàn toàn cuộc sống của chúng ta Ban đầu là laođộng chân tay đến giờ thì phần lớn công việc đã được thực hiện bằng máy móc,

và nhờ có sự hỗ trợ của robot mà khối lượng công việc được hoàn thành nhiềuhơn với chất lượng tốt hơn, và hơn nữa là công nghệ còn đem lại cho con ngườinhiều sự giải trí khiến cuộc sống trở lên vui vẻ thoải mái hơn rất nhiều Trong

đó ngành điện nói chung, ngành công nghệ kĩ thuật điều khiển và tự động hóanói riêng chính là cốt lõi và thiết yếu cho sự phát triển của thế giới hiện nay Vìmuốn đóng góp vào sự phát triển của xã hội và quan trọng hơn là có một côngviệc tốt trong tương lai nên em đã chọn theo học khối ngành kĩ thuật Sau mộtthời gian dài học tập tại trường Đại Học Kinh Tế Kỹ Thuật Công Nghiệp Hà Nội, nhờ có sự giúp đỡ của các thầy cô giáo mà em đã có được nhiều kiến thức

về công nghệ để áp dụng vào công việc trong tương lai Hiện nay em đang đượcnhà trường tạo điều kiện cho làm đồ án để có thể tìm hiểu sâu hơn về kiến thứcchuyên ngành và áp dụng vào thực tế công việc, đề tài của em là “ xây dựng bộđiều khiển cho bộ biến đổi điều áp xoay chiều một pha điều khiển động cơ xoaychiều một pha”

Do là lần đầu em thực hiện làm đồ án nếu có gì không đúng hay thiếu sót mongthầy cô châm trước Em xin trân thành cảm ơn !

Mục Lục

Chương 1 : Tổng quan đối tượng nghiên cứu 9

1.1.2 Các phương pháp điều khiển tốc độ động cơ xoay chiều 1

CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN 27

50

 Hình 1.5: roto dây quấn

 Hình 1.6: các thiết bị sử dụng động cơ điện xoay chiều một pha

 Hình 1.7: C ác sơ đồ điều áp xoay chiều một pha

Chương 2 : Tính Toán Thiết Kế Mạch Lực

 Hình 2.1 : sơ đồ mạch lực

 Hình 2.2: cánh nhôm tản nhiệt 

 Hình 2.3: Sơ đồ bảo vệ quá áp cho van mạch lực

 Hình 2.4: Điều áp xoay chiều một pha tải thuần trở 

 Hình 2.5: mạch biến đổi điện áp xoay chiều tải thuần trở 

 Hình 2.6: điều áp xoay chiều một pha tải RL

 Hình 2.7: Biến đổi điện áp xoay chiều tải RL với góc α>φ

Chương 3 : Tính Toán Thiết Kế Mạch Điều Khiển

 Hình 3.1: sơ đồ cấu trúc nguyên tắc điều khiển dọc

 Hình 3.2: Đồ thị dạng xung điều khiển

 Hình 3.3: Mạch tạo xung đồng bộ

 Hình 3.4: Dạng điện áp mạch tạo xung đồng bộ

 Hình 3.5: Mạch tạo xung răng cưa

 Hình 3.6: dạng điện áp mạch tạo xung răng cưa

 Hình 3.12: Dạng xung ra khâu tách xung 

 Hình 3.13: Mạch khuếch đại xung 

 Hình 3.14: Sơ đồ chân IC 741

 Hình 3.15Sơ đồ chân  IC TL084

 Hình 3.16 Sơ đồ chân IC CD4081

 Hình 3.17: Sơ đồ mô phỏng 

 Hình 3.18: Các kết quả sau khi mô phỏng 

Chương 1 : Tổng quan đối tượng nghiên cứu

1.1Tổng quan động cơ xoay chiều một pha

1.1.1 Tổng quan nguyên lý – Cấu Tạo

+) Khái Niệm :

  Động cơ điện xoay chiều một pha là loại động cơ thường có công suất nhỏkhông quá vài kW trở xuống sử dụngđiện xoay chiều 1 pha , được dùng phổ biến trong sản xuất nhỏ (máy dụng cụ cầm tay) và trong đời sống (các loại quạt

điện, đồ điện gia dụng), vì máy có cấu tạo đơn giản, gọn nhẹ nên chỉ cần sửdụng nguồn điện có hai dây Thường có một số loại như:

● Động cơ điện không đồng bộ một pha có vòng ngắn mạch (công suất dưới150w)

● Động cơ không đồng bộ một phat dùng tụ điện hoặc có vòng dây chậpngược

● Các kiểu động cơ này đều dùng rôto lồng sóc để chạy các máy gia dụng

● Động cơ điện vạn năng: cả stato và rôto đều có dây quấn

+) Cấu tạo :

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

- Phần tĩnh (stato): bao gồm vỏ máy, lõi thép và phần dây quấn

+ Vỏ máy: dung để cố định lõi thép và dây quấn chứ không dẫn từ, vỏ máythường được làm bằng gang

 Hình 1.1: vỏ động cơ 

+ Lõi thép: để dẫn từ, vì từ trường đi qua lõi thép là từ trường quay nên để giảmtổn hao, các lõi thép được ghép từ các lá thép kĩ thuật dày từ 0,35mm hoặc0,5mm, khi đường kính ngoài lớn hơn 990mm phải dùng những tấm hình rẻquạt để ghép, để giảm tổn hao do dòng điện xoay,mỗi lá thép kĩ thuật đều được phủ sơn cách điện.

 Hình 1.2: lõi thép

+ Dây quấn: được đặt vào các rãnh của lõi thép và cách điện vơi lõi này Dâyquấn gồm một cuộn khởi động và một cuộn làm việc

 Hình 1.3: dây quấn

- Phần quay ( roto ): bao gồm lõi thép, trục và dây quấn.

+ Lõi thép roto gồm các lá thép kĩ thuật điện ghép lại mặt ngoài lõi thép có cácrãnh để đặt dây quấn, ở giữa có lỗ để lắp trục, có thể còn có các lỗ thông gió.Trục máy gắn với lõi thép roto, trục được đỡ trên nắp máy nhờ ổ bi

+ Dây quấn: tùy theo cấu tạo dây quấn phần quay động cơ không đồng bộ một pha chia làm hai loại là động cơ roto dây quấn và động cơ roto lồng sóc

• Động cơ roto lồng sóc: Trong các rãnh của lõi thép được đặt các thanhđồng, hai đầu nối ngắn mạch bằng hai vòng đồng tạo thành lồng sóc Ởđộng cơ công suất nhỏ vòng đồng được chế tạo bằng cách đúc nhôm vàocác rãnh lõi thép roto tạo thành thanh nhôm hai đầu đúc vòng ngắn mạch

 Hình 1.4: roto lồng sóc

• Roto dây quấn: Trong các rãnh lõi thép đặt dây quấn thường nối thanhhình sao, ba đầu ra của nó nối với ba vành trượt bằng đồng trên trục roto,

 ba vành đồng này cách điện với nhau và với trục.Tỳ trên ba vành trượt là

 ba chổi than để nối mạch điện với điện trở bên ngoai( điện trở này có thể

là điện trở mở máy hoặc điện trở điều chỉnh tốc độ

 Hình 1.5: roto dây quấn

+) Nguyên lý :

Từ trường của cực từ chính φc tác dụng với dòng điện ở cuộn dây phần ứng

Iư tạo thành mômen quay Vì mạch điện vào động cơ qua rôto và stato nối tiếpnhau, do đó có thể coi φc và Iư cùng pha và mô men do chúng sinh ra có chiềutác dụng không đổi làm cho động cơ quay

Động cơ điện vạn năng có khả năng làm việc cả ở nguồn điện một chiều lẫnnguồn điện xoay chiều một pha Khi làm việc với điện 1 chiều thì số vòng cuộnkích từ nhiều hơn và hiệu suất cũng cao hơn

+) 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…

 Hình 1.6: các thiết bị sử dụng động cơ điện xoay chiều một pha

1.1.2 Các phương pháp điều khiển tốc độ động cơ xoay chiều 1 pha

* Các phương pháp điều khiển tốc độ động cơ điện xoay chiều một pha:

  - Thay đổi số vòng dây stato ( Thay đổi số đôi cực )

  - Điều khiển điện áp đưa vào động cơ

  - Điều khiển tần số dòng điện đi vào động cơ

  * Mạch điều khiển tốc độ động cơ xoay chiều một pha (điều khiển quạt) bằngtriac : là phương pháp “Điều khiển điện áp đưa vào động cơ” vì triac không thểthay đổi số vòng dây stato và cũng không thể điều khiển tần số đi vào động cơ.1.2 Bộ biến đổi điều áp xoay chiều một pha

1.2.1 Sơ đồ mạch lực bộ biến đổi

 Hình 1.7: C ác sơ đồ điều áp xoay chiều một phaTrên các hình là các sơ đồ mạch động lực BBĐ điện áp pha một pha.

- Hình a là sơ đồ dùng 2 thyristor mắc song song ngược

-Hình b là sơ đồ dùng 2 điôt và 2 thyristor với mục đích là để cho katôt 2

thyristor nối chung

-Hình c là sơ đồ dùng triac, triac là dụng cụ bán dẫn cho dòng điện qua cả haichiều nhưng điều khiển được, về phần động lực thì nó tương đương như 2thyristor mắc song song ngược nhưng chỉ có một điện cực điều khiển nên kếtcấu gọn hơn dùng 2 thyristor mắc song song ngược cả về mạch lực cũng nhưmạch tạo tín hiệu điều khiển

 -Sơ đồ d là kết hợp của 2 sơ đồ trước nó , các thyristro cũng không phải chịuđiện áp ngược nhờ có diot đấu song song , điểm khác biệt là thyristor đất katotchung nên có thể đấu trực tiếp điều khiển với lực

-Hình e là sơ đồ BBĐ xoay chiều-xoay chiều 1 pha không đối xứng, trong sơ

đồ này ta sử dụng một điôt và một thyristor nên khi sơ đồ làm việc trong đường

cong điện áp trên tải có thành phần một chiều, vì vậy sơ đồ này chỉ sử dụng đểcung cấp cho loại phụ tải sử dụng được cả điện áp một chiều và điện áp xoaychiều ví dụ như là dây điện trở của lò điện trở 

1.2.2 Các phương pháp điều khiển bộ biến đổi

- Phương pháp điều khiển pha :+) Điều Khiển pha thông thường+) điều khiển pha với quá trình chuyển mạch cưỡng bức

- Điều khiển tỉ lệ thời gian ( Time duty ratio Control : Cycle Control )1.3 Đặt bài toán

CHƯƠNG 2: TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ MẠCH LỰC 2.1: TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ MẠCH LỰC

 Hình 2.1 : sơ đồ mạch lực

- Phân tích chức năng của từng phần tử trong mạch+ Hai thyristor đấu song song ngược: Cặp van lần lượt dẫn dòng theo 1 chiềuxác định nên dòng qua cặp thyristor đấu song song ngược này là dòng xoaychiều Các van thyristor được phát xung điều khiển lệch nhau góc 1800  độđiện để đảm bảo dòng qua cặp van là hoàn toàn đối xứng

+ Tải thuần trở 

+ Mạch bảo vệ RC: Trong quá trình van hoạt động thì van phải được làm mát

để van không bị phá hỏng về nhiệt vì vậy ta đã tính toán chế độ làm mát cụthể cho van rồi Tuy nhiên, van cũng có thể bị hỏng khi van phải chịu tốc độtăng dòng, tăng áp quá lớn Để tránh hiện tượng quá dòng, quá áp trên vandẫn đến hỏng van ta phải có những biện pháp thích hợp để bảo vệ van Biện pháp bảp vệ van thường dùng nhất là mắc mạch R, C song song van để bảo vệquá áp và mắc nối tiếp cuộn kháng để hạn chế tốc độ tăng dòng

+ Aptomat có chức năng bảo vệ ngắn mạch và quá tải

2.1.1: Tính toán, thiết kế sơ đồ mạch lực

Dòng điệnđịnh mức(A)

Tốc độđịnh mức(v/phút)

Cặp cực

 Bảng 2.1: Thông tin hệ thống Dòng điện chạy qua các thyristor T1, T2 được tính:

It1 = It2 = = 6,85 (A)Chọn Thyristor làm việc với điều kiện có cánh tản nhiệt và đầy đủ diện tích tỏanhiệt, không cần quạt đối lưu không khí

Với điều kiện đó, dòng điện định mức của Thyristor cần chọn:

Idmv = Ki.Ilv = 4.6,85 = 27,4 (A)

Điện áp làm việc của cac van cần chọn theo biên độ điện áp nguồn xoay chiều:

Ung max = 220 = 311,12 (V)Chọn hệ sô dự trữ điện áp Ku = 2

Chọn van có điện áp làm việc:

Udmv = Ku.Ung max = 2.311,12 = 622,24 (V)Với những thông số đã tính toán kể trên, em chọn được van Thyristor T10-16

do Nga sản xuất có thông số như sau:

Dòng trung bình qua van Itb = 16A

Sụt áp thuận trên van ở dòng định mức ∆U = 1,85V

Dòng điện điều khiển Idk = 75mA

Tốc độ tăng dòng cho phép di/dt = 50A/

Tốc độ tăng áp cho phép du/dt = 300V/ 

 Bảng 2.1: Thông số van thyristor 

2.1.1.2: Lựa chọn phần tử bảo vệ

- Bảo vệ quá tải nhiệt độ cho các van dẫn

Khi van bán dẫn làm việc, có dòng điện chạy qua, trên van có sụt áp ΔU, do đó

có tổn hao công suất Δp Tổn hao này sinh nhiệt, đốt nóng van bán dẫn Mặtkhác, van bán dẫn chỉ được phép làm việc dưới nhiệt độ cho phép (Tcp), nếuquá nhiệt độ cho phép các van bán dẫn sẽ bị phá hỏng Để van bán dẫn làm việc

an toàn, không bị chọc thủng về nhiệt, phải chọn và thiết kế hệ thống toả nhiệthợp lí

+ Tính toán cánh tản nhiệt

  Thông số cần có

• Tổn thất công suất trên một thyristor 

∆p = ∆U.Idm = 1,85.13,7 = 25,345

• Diện tích bề mặt tỏa nhiệt

STN = ∆p/Km.

Trong đó:

∆p : Tổn hao công suất

: Độ chênh lệch nhiệt độ so với môi trườngChọn nhiệt độ môi trường Tmt = 40ºC

 Nhiệt độ làm việc cho phép của thyristor Tcp = 125ºC

Chọn nhiệt độ trên cánh tỏa nhiệt Tlv = 80ºC

= Tlv - Tmt = 80-40 = 40ºCKm: Hệ số tỏa nhiệt bằng đối lưu bức xạ Chọn Km = 8 ( W/m² ºC )

Vậy STN = = 792,03 (cm²)

  Hình 2.2: cánh nhôm tản nhiệt 

  Chọn loại cánh tản nhiệt có 12 cánh, kích thước mỗi cánh

axb = 10x10 (cmxcm)Tổng diện tích tỏa nhiệt của cánh: STN = 12.2.10.10 = 2400 (m²)+ Bảo vệ quá áp cho van

Chọn phần tử bảo vệ quá áp R-C mắc song song với van: Chọn theo kinhnghiệm van càng lớn thì tụ càng lớn và điện trở càng nhỏ với các trị số: Điện

trở nằm trong khoảng vài trục đến 100 Ω, điện trở nằm trong khoảng 0,1 đến2μF.

 Hình 2.3: Sơ đồ bảo vệ quá áp cho van mạch lực

Bảo vệ quá điện áp do trong quá trình đóng cắt các thyristor được bảo vệ bằng cách mắc mạch RC song song với thyristor Khi có sự chuyển mạch,các điện tích tụ trong các lớp bán dẫn phóng ra ngoài tạo dòng điện ngượctrong khoảng thời thời gian ngắn, sự biến thiên nhanh chóng của dòng điệntạo ra suất diện động cảm ứng rất lớn trong các điện cảm, làm cho quá điện ágiữa anot và katot trên thyristor Khi có mạch RC mắc song song vớithyristor tạo ra mạch vòng phóng điện tích trong quá trình chuyển mạch nênthyristor không bị quá điện áp

Ta chọn R = 60 Ω; C = 0,4μF+ Bảo vệ ngắn mạch

Aptomat được lựa chọn có dòng điện: IAT = (1,1 1,3 ).Iv = 11 13A

Chọn aptomat E408 110/3 do hãng Clipsal chế tạo có thông số Iđm= 25A,Uđm = 220 V có bảo vệ ngắn mạch, quá tải Bảng liệt kê thiết bị mạch lực

 Bảng 2.4: Bảng liệt kê thiết bị mạch lực

2.2: Mô Phỏng Mạch Lực

2.2.1: Tải thuần trở 

Mạch nguồn xoay chiều có phương trình: U = 220√2.Sin100πt nối tiếp vớitải R thông qua bộ biến đổi điện áp Bộ biến đổi điện áp xoay chiều một phagồm hai thyristor mắc song song và đối đầu với nhau Trong trường hợp côngsuất nhỏ có thể thay thế bằng một triac

 Hình 2.4: Điều áp xoay chiều một pha tải thuần trở 

  Nguyên lý hoạt động:

 – Ở bán kỳ dương: T2 bị phân cực ngược không thể dẫn nên chỉ xét vớiSCR T1

  + Xét trong khoảng từ (0 – α) chưa xuất hiện xung kích nên thyristor T1không dẫn Do đó dòng tải và áp tải trong khoảng này bằng không: Id = 0,Ud =0

+ Tại thời điểm xuất hiện xung kích đưa vào cổng điều khiển của T1 thì T1đóng Dòng điện khép kín qua mạch (nguồn, T1, R) điện áp ngõ ra lúc này bằngvới điện áp nguồn: Ud = Uo

+ Cuối bán kỳ dương dòng điện áp hai đầu thyristor T1 về 0 và chuyển sangđiện áp ngược nên T1 ngưng dẫn

 Hình 2.5: mạch biến đổi điện áp xoay chiều tải thuần trở 

2.2.2: Tải trở cảm

- Trường hợp góc điều khiển α>φ

 Hình 2.6: điều áp xoay chiều một pha tải RL

 Hình 2.7: Biến đổi điện áp xoay chiều tải RL với góc α>φ

không đến vị trí cực đại sau đó về giảm, nhưng cuối bán kỳ dương thì dòng điệnvẫn lớn hơn 0.

● Ở bán kỳ âm:

+ Đầu chu kỳ âm thyristor T1 bị áp ngược nên ngưng dẫn, nhưng do tải cótính cảm nên phát năng lượng duy trì T1 tiếp tục dẫn, do đó Uo = Ud < 0 Dòngđiện giảm về 0 khi cuộn cảm xả hết năng lượng, lúc này dòng và áp tải bằng 0.+ Đến khi T2 có xung kích ở chân kích G2 thì T2 đóng, Ud = Uo và Id = Io.Dòng điện tải tăng từ 0 đến giá trị cực đại và giảm về 0, dòng điện liên tục khi

đi qua điểm 0

- Trường hợp góc điều khiển α<φ

Khi có xung kích G1 thì thyristor T1 đóng ta có điện áp tải bằng điện ápnguồn Dòng điện tải tăng từ 0 đến cực đại và giảm về 0, dòng liên tục khi quađiểm 0

Trường hợp này góc kích α < φ nên khi xuất hiện xung kích G2 thì lúc nàyT1 vẫn còn dẫn, do đó thyristor T2 không thỏa mãn điều kiện đóng điện Kếtquả là chỉ có thyristor T1 dẫn và dòng tải là dòng một chiều

Do tải RL của chúng ta là các thiết bị động cơ, động cơ hoạt động theonguyên lý cảm ứng điện từ Dòng ngõ ra của mạch này là dòng một chiều không biến thiên làm cho động cơ gia tăng nhiệt độ ở các cuộn dây Và do đó có thểdẫn đến cháy động cơ

Do đó với tải RL ta cần quan tâm đến góc kích α, để khắc phục điều nàyngười ta sử dụng biện pháp sau Ưu điểm của các biện pháp này là xuất hiệntình trạng dòng điện ra một chiều nhưng 2 thyristor sẽ thay phiên dẫn và áp tải bằng với áp nguồn không thể điều khiển được.

+ Mở rộng góc kích, nhược điểm là các bộ điều khiển SCR sẽ hoạt động liêntục, mặc dù SCR chỉ cần kích xung ngắn sẽ tự duy trì trạng thái dẫn nên khôngkhả thi

CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN

3.1: TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN

Thyristor chỉ được mở cho dòng điện chạy qua khi có điện áp dương đặt lêncực anode và có xung điện áp dương đặt vào cực điều khiển, sau khi Thyristor 

đã mở thì xung điều khiển không còn tác dụng nữa, dòng điện chạy quaThyristor do thông số của mạch động lực quyết định và Thyristor sẽ khóa khidòng điện chạy qua nó bằng 0, muốn mở lại ta phải cấp xung điều khiển lại

Do đó, với điện áp hình sin, tùy thuộc vào thời điểm cấp xung điều khiển mà

ta có thể khống chế được dòng điện Thyristor Để thực hiện được các đặc điểmnày ta có thể dùng 2 nguyên tắc là điều khiển ngang và điều khiển dọc

  Điều khiển thyristor trong sơ đồ chỉnh lưu hiện nay người ta thường dùng phương pháp điểu khiển dọc, dưới đây em sẽ trình bày về phương pháp này

 Hình 3.1: sơ đồ cấu trúc nguyên tắc điều khiển dọc1.Khâu tạo điện áp đồng pha

- Có nhiệm vụ tạo điện áp đồng bộ với điện áp lưới Từ điện áp đồng bộ này

ta xác định được điểm gốc để tính góc điều khiển α Ngoài nhiệm vụ đó khâuđồng bộ còn có hai chức năng sau :

+ Giảm áp : tức là giảm điện áp lực có giá trị lớn ở đầu vào và lấy giá trị điện áp

có giá trị phù hợp để điều khiển