Tổng quan đối tượng nghiên cứu
Tổng quan động cơ xoay chiều một pha
1 1.1.1 Tổng quan nguyên lý a Khái niệm động cơ xoay chiều một pha
Động cơ điện xoay chiều một pha là loại động cơ với stato chỉ có một cuộn dây pha, được cấp điện qua một dây pha và một dây nguồn, kèm theo tụ điện để tạo độ lệch pha Thiết bị này được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực như sản xuất máy nén khí, tời kéo, và máy bơm nước Với cấu tạo đơn giản và gọn nhẹ, động cơ này chỉ cần nguồn điện hai dây để hoạt động.
+ Động cơ điện không đồng bộ một pha có vòng ngắn mạch (công suất dưới
+ Động cơ không đồng bộ một pha dùng tụ điện hoặc có vòng dây chập ngược.
Các kiểu động cơ điện sử dụng rotor lồng sóc thường được áp dụng cho các máy gia dụng Động cơ điện vạn năng có cấu tạo với cả stator và rotor đều được quấn dây Cấu trúc của động cơ điện xoay chiều một pha cũng rất quan trọng trong việc hiểu rõ về hoạt động của nó.
Gồm hai phần chính: Stator (phần tĩnh) và Rotor (phần quay)
Hình 1 Cấu tạo của động cơ không đồng bộ 1 pha
- Stator: bao gồm vỏ máy, lõi sắt và dây quấn.
Vỏ máy có chức năng cố định lõi sắt và dây quấn, thường được làm bằng gang Đối với các máy có công suất lớn hơn 1000 kW, vỏ máy thường được chế tạo từ thép tấm hàn lại để đảm bảo độ bền và ổn định.
Hình 1.2 Vỏ của động cơ không đồng bộ 1 pha
Lõi thép được sử dụng để giảm tổn hao trong từ trường quay, thường được ghép từ các lá thép kỹ thuật điện dày 0,35 mm hoặc 0,5 mm Đối với các lõi thép có đường kính ngoài lớn hơn 990 mm, cần sử dụng các tấm hình rẻ quạt để ghép Để hạn chế tổn hao do dòng điện xoáy, mỗi lá thép đều được phủ một lớp sơn cách điện.
Dây quấn Stator được lắp đặt trong các rãnh của lõi sắt và được cách điện với lõi này Hệ thống dây quấn Stator bao gồm một cuộn khởi động (cuộn đề) và một cuộn làm việc (cuộn đề).
– Rotor: bao gồm lõi thép, trục và dây quấn
Lõi thép Rotor được cấu thành từ các lá thép kỹ thuật điện được ghép lại với nhau Bề mặt ngoài của lõi thép có các rãnh để lắp dây quấn, trong khi ở giữa có lỗ để lắp trục, đôi khi còn có các lỗ thông gió Trục máy được gắn với lõi thép Rotor và được chế tạo từ thép chất lượng cao, được đỡ trên nắp máy thông qua ổ lăn hoặc ổ bi.
Động cơ không đồng bộ 1 pha được phân loại thành hai loại dựa trên cấu tạo dây quấn phần quay, bao gồm động cơ Rotor dây quấn và động cơ Rotor lồng sóc.
Rotor lồng sóc được cấu tạo từ các thanh đồng đặt trong các rãnh của lõi thép, với hai đầu nối ngắn mạch bằng hai vòng đồng Đối với động cơ công suất nhỏ, lồng sóc thường được chế tạo bằng cách đúc nhôm vào các rãnh của lõi thép rôto, tạo thành thanh nhôm và hai đầu đúc vòng ngắn mạch.
Rotor dây quấn (Wound Rotor) được thiết kế với dây quấn trong các rãnh của lõi thép, thường nối thành hình sao Ba đầu ra của dây quấn kết nối với ba vành trượt bằng đồng trên trục Rotor, và các vành trượt này cách điện với nhau cũng như với trục Trên mỗi vành trượt có ba chổi than, giúp kết nối mạch điện với điện trở bên ngoài, có thể là điện trở mở máy hoặc điện trở điều chỉnh tốc độ.
Hình 1.6 Rotor dây quấn c Nguyên lý hoạt động:
Khi cuộn dây trên Stator được nối với nguồn điện xoay chiều 1 pha, dòng điện đi qua dây quấn sẽ tạp ra từ trường quay
Trong quá trình quay từ trường này sẽ quét qua các thanh dwn của Rotor, làm xuất hiện sức điện động cảm ứng.
Vì dây quấn Rotor là kín mạch nên sức điện động này tạo dòng điện trong các thanh dwn (hoặc dây quấn) của Rotor
Các thanh dwn có dòng điện lại nằm trong từ trường, nên sẽ tương tác với nhau, tạo ra lực điện từ đặc vào các thanh dwn
Tổng hợp các lực này sẽ tạo ra moment quay đối với trục Rotor, làm cho Rotor quay theo chiều của từ trường. d Ứng dụng:
Động cơ điện một pha, với các tính năng nổi bật, được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực như công nghiệp, nông nghiệp và thiết bị công nghệ quảng cáo.
Động cơ điện 1 pha được sử dụng rộng rãi trong việc chế tạo các thiết bị gia dụng như quạt điện, máy bơm nước, đầu đĩa, radio, máy xay sinh tố và lò vi sóng Trong lĩnh vực công nghiệp, động cơ này cũng đóng vai trò quan trọng trong việc sản xuất các thiết bị băng truyền và băng tải cho các loại máy móc.
Và còn rất nhiều những ứng dụng khác của động cơ điện 1 pha mà có thể bạn chưa khám phá ra hết.
Hình 1.7: 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 Để điều khiển tốc độ động cơ một pha người ta có thể sử dụng các phương pháp sau:
- 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.
Trước đây, việc điều khiển tốc độ động cơ thường được thực hiện bằng cách điều chỉnh điện áp xoay chiều đưa vào động cơ Hai phương pháp phổ biến bao gồm mắc nối tiếp với tải là một điện trở hoặc một điện kháng (Z), 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 Thyristor và Triac vào điều khiển, người ta có thể điều khiển động cơ một pha bằng bán dwn
2 1.2 Bộ biến đổi điều áp xoay chiều một pha.
4 1.2.1 Sơ đồ mạch lực bộ biến đổi
Hình 2.1 mô tả sơ đồ mạch điều áp xoay chiều, bao gồm các phương pháp khác nhau như: a) Sử dụng hai thyristor mắc song song ngược; b) Kết hợp hai điốt và hai thyristor; c) Áp dụng sơ đồ triac; d) Sử dụng bốn điốt và một thyristor; e) Kết hợp một điốt và một thyristor.
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 )
Xây dựng bộ điều khiển cho bộ biến đổi điều áp xoay chiều một pha điều khiển động cơ xoay chiều một pha.
Thông số động cơ một pha:
Công suất: 0.18(kW); Điện áp định mức 220(VAC); Dòng điện định mức: 2,5(A); Tốc độ định mức: 1400(v/phut); Cặp cực: 2p=4.
Đặt bài toán
Xây dựng bộ điều khiển cho bộ biến đổi điều áp xoay chiều một pha điều khiển động cơ xoay chiều một pha.
Thông số động cơ một pha:
Công suất: 0.18(kW); Điện áp định mức 220(VAC); Dòng điện định mức: 2,5(A); Tốc độ định mức: 1400(v/phut); Cặp cực: 2p=4.
Tính toán, thiết kế mạch lực
Tính toán, thiết kế mạch lực
Các bộ điều áp xoay chiều (ĐAXC) được sử dụng để điều chỉnh hoặc thay đổi điện áp xoay chiều cung cấp cho tải từ một nguồn điện xoay chiều cố định Tần số của điện áp đầu ra luôn bằng với tần số của điện áp nguồn.
ĐAXC sử dụng van bán dẫn mang lại nhiều lợi ích vượt trội, bao gồm khả năng điều chỉnh và tự động hóa dễ dàng, hoạt động ổn định, phản ứng nhanh với các biến đổi điều khiển, độ tin cậy và tuổi thọ cao Ngoài ra, kích thước gọn nhẹ và dễ thay thế của van bán dẫn rất phù hợp với quá trình hiện đại hóa và tập trung hóa công nghệ.
Nhược điểm chính của ĐAXC là điện áp ra tải không sin trong toàn bộ dải điều chỉnh, với độ méo tăng lên khi điều chỉnh sâu hơn Tuy nhiên, do đề án chỉ tập trung vào việc khởi động động cơ trong khoảng thời gian 3 đến 30 giây và tải là động cơ bơm, nên phương án này vẫn có thể chấp nhận được.
+Do tải yêu cầu là dòng điện xoay chiều nên valve bán dwn ở đây có thể dùng là:
TRIAC là một loại van bán dẫn đặc biệt cho phép dòng điện di chuyển theo cả hai chiều Mặc dù có khả năng này, TRIAC thường có công suất nhỏ và giá thành tương đối cao.
Ghép hai valve chỉ cho phép dòng điện chạy một chiều, hay còn gọi là thyristor, bằng cách đấu song song ngược nhau giúp mỗi valve đảm nhận một chiều của dòng tải Phương pháp này cho phép kết hợp hai thyristor hoặc một thyristor với một diode, tạo ra sự linh hoạt trong việc điều khiển dòng điện.
Để thiết kế bộ điều áp xoay chiều một pha cho động cơ xoay chiều một pha, tôi đã chọn sử dụng valve Triac do những ưu điểm nổi bật của nó.
Động lực của thiết bị tương đương với hai thyristor mắc song song ngược, nhưng chỉ cần một điện cực điều khiển, giúp đơn giản hóa kết cấu của mạch lực và mạch điều khiển.
- Do công suất động cơ nhỏ nên Triac đáp ứng đầy đủ về công suất đáp ứng.
- Mạch điều khiển đơn giản.
- Có giá thành rẻ, vận hành đơn giản.
Hình 2.1 cấu tạo và kí hiệu của triac.
Triac là một linh kiện bán dẫn có cấu trúc tương tự như hai Thyristor mắc song song ngược, nhưng chỉ có một cực điều khiển Thiết bị này có ba cực và bốn lớp, cho phép điều khiển dòng điện bằng cả xung dương và xung âm Tuy nhiên, xung âm có độ nhạy kém hơn, đòi hỏi dòng điều khiển âm phải lớn hơn so với dòng dương để mở Triac Do đó, trong thực tế, việc sử dụng dòng điều khiển âm sẽ đảm bảo tính đối xứng của dòng điện qua Triac tốt hơn.
Có 4 tổ hợp điện thế có thể mở Triac cho dòng chảy qua:
Trường hợp MT (+), G(+) Thyristor T mở cho dòng chảy qua2 như một Thyristor thông thường.
Trong trường hợp MT (-) và G(-), các điện tử từ N được phóng vào P Khi phần lớn bị trường nội tại E hút vào, điện áp ngoài được đặt lên J làm cho E1 2 tăng cao, dẫn đến việc hút các điện tích thiểu số (các điện tử của P) và tạo ra động năng đủ lớn để bẻ gãy các liên kết của nguyên tử Sillic trong vùng Kết quả là một phản ứng dây chuyền xảy ra, mở đường cho dòng chảy qua triac Đặc tuyến V-A của triac cũng phản ánh quá trình này.
Triac có đường đặc tính V-A đối xứng nhận góc mở trong cả hai chiều.
Hình 2.2 Sơ đồ mạch dùng Triac
-Phân tích chức năng của từng phần tử trong mạch
Van Triac nhận tín hiệu điều khiển từ chân G, giúp điều chỉnh dòng điện và điện áp trên tải tương ứng với góc mở của Triac Bằng cách điều chỉnh xung vuông, người dùng có thể đặt tải ở vị trí trước hoặc sau van trong sơ đồ.
Mạch bảo vệ RC là giải pháp hiệu quả để bảo vệ van khỏi hỏng hóc do tốc độ tăng dòng và áp suất quá lớn trong quá trình hoạt động Để ngăn ngừa hiện tượng quá dòng và quá áp, cần thực hiện các biện pháp bảo vệ phù hợp Một trong những biện pháp phổ biến là mắc mạch R, C song song với van để bảo vệ khỏi quá áp, đồng thời mắc cuộn kháng nối tiếp nhằm 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
Công suất (kW) Điện áp định mức (VAC)
Tốc độ định mức (v/phút)
Bảng 2.3: Thông tin hệ thống
Dòng điện chạy qua Triac được tính:
Chọn Thyristor làm việc với điều kiện có cánh tản nhiệt và đầy đủ diện tích tỏa nhiệt, không cần quạt đối lưu không khí
Với điều kiện đó, dòng điện định mức của Thyristor cần chọn:
Idmv = Ki.It = 4.2,5 = 10 (A) Điện áp làm việc của các van cần chọn theo biên độ điện áp nguồn xoay chiều:
Ungmax = 220 = 311,12 (V) Chọn hệ sô dự trữ điện áp K = 1,8 (K = 1,51,8)u u
Chọn van có điện áp làm việc:
Với những thông số đã tính toán kể trên, em chọn được van Triac BT136- 600E TO220 TRIAC 4A 600V do WeEn Trung Quốc sản xuất có thông số như sau:
Dòng trung bình qua van I = 4Atb
Sụt áp thuận trên van ở dòng định mức ∆U = 1,85V Điện áp điều khiển U = 1.4Vdk
Dòng điện điều khiển I = 10mAdk
Tốc độ tăng dòng cho phép di/dt = 50A/
Tốc độ tăng áp cho phép du/dt = 300V/
Bảng 2.4: Thông số van triac
2.1.1.2: Lựa chọn phần tử bảo vệ
- Bảo vệ quá tải nhiệt độ cho các van dwn
Khi van bán dwn hoạt động, dòng điện chạy qua gây ra sụt áp ΔU và tổn hao công suất Δp, dẫn đến sinh nhiệt và đốt nóng van Để đảm bảo an toàn, van chỉ nên hoạt động dưới nhiệt độ cho phép (Tcp), vì nếu vượt quá, van sẽ bị hỏng Do đó, việc lựa chọn và thiết kế hệ thống tỏa nhiệt hợp lý là rất quan trọng để ngăn chặn tình trạng quá nhiệt và đảm bảo hiệu suất hoạt động của van bán dwn.
+ Tính toán cánh tản nhiệt
• Tổn thất công suất trên một thyristor
• Diện tích bề mặt tỏa nhiệt
: Độ chênh lệch nhiệt độ so với môi trường
Chọn nhiệt độ môi trường T = 40ºCmt
Nhiệt độ làm việc cho phép của thyristor T = -40ºC đến 125ºCcp
Chọn nhiệt độ trên cánh tỏa nhiệt Tlv = 80ºC
= T - Tlv mt = 80-40 = 40ºC Km: Hệ số tỏa nhiệt bằng đối lưu bức xạ Chọn Km = 8 ( W/m² ºC )
Vậy diện tích tỏa nhiệt S = = 144,6 (cm²)TN
Hình 2.5: cánh nhôm tản nhiệt
Chọn loại cánh tản nhiệt có 8 cánh, kích thước mỗi cánh axb = 3.4,3 (cmxcm) Tổng diện tích tỏa nhiệt của cánh: S = 8.2.3.4,3 = 206,4 (cm²)TN
+Bảo vệ quá áp cho van
Chọn phần tử bảo vệ quá áp R-C mắc song song với van dựa trên kinh nghiệm cho thấy van lớn sẽ đi kèm với tụ lớn và điện trở nhỏ Cụ thể, điện trở nên nằm trong khoảng vài chục đến 100 Ω, trong khi tụ điện nên có trị số từ 0,1 đến 2μF.
Hình 2.6: Sơ đồ bảo vệ quá áp cho van mạch lực
Để bảo vệ triac khỏi quá điện áp trong quá trình đóng cắt, mạch RC được mắc song song với triac Khi chuyển mạch xảy ra, điện tích trong các lớp bán dẫn phóng ra, tạo ra dòng điện ngược trong thời gian ngắn Sự biến thiên nhanh chóng của dòng điện này tạo ra suất diện động cảm ứng lớn trong các điện cảm, dẫn đến quá điện áp giữa anot và katot của triac Tuy nhiên, với mạch RC song song, nó tạo ra mạch vòng phóng điện tích, giúp triac không bị quá điện áp.
Aptomat được lựa chọn có dòng điện:
Chọn aptomat E408 110/3 do hãng Clipsal chế tạo có thông số I = 25A,đm
Uđm = 220 V có bảo vệ ngắn mạch, quá tải Bảng liệt kê thiết bị mạch lực
STT Tên thiết bị Số lượng
Thông số Hãng sản xuất
Bảng 2.7: Bảng liệt kê thiết bị mạch lực
Mô Phỏng Mạch Lực
2.2.1 Xây dựng sơ đồ mô phỏng
● Vì đối tượng điều khiển là động cơ nên tải sẽ là trở cảm
Hình 2.8: điều áp xoay chiều một pha tải RL
- Trường hợp góc điều khiển α>φ
Hình 2.9: Biến đổi điện áp xoay chiều tải RL với góc α>φ
+ Ở đâu bán k‚ khi chưa xuất hiện góc kích dòng tải và áp tải đều bằng không.
Khi xung kích xuất hiện tại chân G, Triac sẽ đóng, dẫn đến điện áp tải bằng với điện áp nguồn Unguon = Ud Do tải có tính cảm, dòng điện sẽ tăng từ 0 đến cực đại rồi giảm, tuy nhiên, vào cuối bán kỳ dương, dòng điện vẫn lớn hơn 0.
Đầu chu kỳ âm (-φ) của Triac bị áp ngược dẫn đến việc ngưng dẫn, nhưng do tải có tính cảm, năng lượng vẫn duy trì Triac tiếp tục dẫn Do đó, Unguon = Ud 0 thì D khoá, điện áp từ cực dương của tụ (U ) xả nhanh về cực âmdb 31 rc tạo nên độ dốc thẳng đứng của sườn xuống
Hình 3.6: dạng điện áp mạch tạo xung răng cưa
3.1.1.4: Khâu tạo dao động tần số cao
Hình 3.9: Mạch dao động tần số cao
Hình 3.10: Dạng xung ra khâu tạo xung
Nguyên lý hoạt động của OA hoạt động như một bộ so sánh hai cửa, với tụ C liên tục được phóng và nạp Điều này dẫn đến việc OA đảo trạng thái mỗi khi điện áp trên tụ đạt giá trị của bộ chia điện áp R15, R16.
Tổng trở của bộ phân áp (R15+R16) khoảng 20 kΩ, trong đó điện trở R15 thường nhỏ hơn R16 để giảm độ chênh lệch giữa hai đầu vào OA Để đạt được sườn xung dốc đứng, nên sử dụng OA có tham số tốc độ tăng áp lớn như LF351 hoặc các comparator như LM301, LM339 Các loại thông dụng như UA741 và LM324 không phù hợp cho xung có độ dốc cao ở tần số trên 10 kHz.
Chọn tần số bộ dao động khoảng 8kHz
Chọn tụ C có trị số là 10nF
Chọn R =2.R15, với giá trị cụ thể R = 5k và R = 10k16 15 16
Hình 3.13: Mạch khuếch đại xung
Khuếch đại xung có vai trò quan trọng trong việc tăng cường công suất từ tín hiệu xung DX, nhằm tạo ra mức điện áp đủ mạnh để mở van lực Hầu hết các thyristor sẽ mở khi nhận được xung điều khiển với điện áp trong khoảng từ 5 đến 10 V và dòng điện từ 0,3 đến GK.
Thực chất, nhiệm vụ của KĐX là khuếch đại dòng điện Với cỡ dòng điện
IG sử dụng transistor để thực hiện chức năng khuếch đại, thường là với transistor có dòng 1A và hệ số β < 100, dẫn đến việc thiết kế thường bao gồm 2 tầng khuếch đại Phương pháp này phổ biến vì nó dễ dàng cách ly phần điều khiển và phần lực Tuy nhiên, do tính chất vi phân của biến áp, không cho phép truyền các xung rộng vài mili giây Để đơn giản hóa mạch và đảm bảo hệ số khuếch đại dòng cần thiết, tầng khuếch đại thường được kết nối theo kiểu Dalinton.
3Các thông số ban đầu:
6UG = 2,2V. a/ Phần khuếch đại xung:
7 Chọn biến áp xung (BAX) có tỷ số k = 2, ta có tham số dòng điện sơ cấp như sau:
8 Nguồn công suất, ta lấy chung nguồn 15V sfí dụng cấp cho mạch điều khiển, do đó ta chọn bóng T2 là loại BD135 có các thông số sau:
Mô phỏng mạch điều khiển
3.2.1: Xây đựng sơ đồ mô phỏng
Hình 3.1 sơ đồ mô phỏng mạch điều khiển
Kết luận-Nhận xét- Kiến Nghị
Dưới sự hướng dẫn tận tình của cô giáo Nguyễn Thị Thành, chúng em đã hoàn thành đề tài “Xây Dựng Bộ Điều Khiển Cho Bộ Biến Đổi Điều Áp Xoay Chiều Một Pha Điều Khiển Động Cơ Xoay Chiều Một Pha” Quá trình thực hiện đề tài mang lại cho chúng em nhiều kết quả giá trị.
- Hiểu được cấu tạo c•ng như nguyên lí của bộ biến đổi điều áp xoay chiều một pha điều khiển động cơ xoay chiều một pha
Thông qua thiết kế, tôi đã hiểu rõ hơn về bộ biến đổi điều áp xoay chiều một pha và động cơ xoay chiều một pha Kinh nghiệm này giúp tôi trong việc thiết kế, tính toán mạch lực và các thành phần liên quan, từ đó có khả năng hoàn thành các đề tài khác nhanh chóng hơn.
Thông qua việc mô phỏng mạch điện, người dùng có thể khám phá nhiều phần mềm ứng dụng hữu ích cho việc mô phỏng điện tử công suất, bao gồm Proteus, PSIM và MATLAB.
- Rèn luyện kỹ năng tư duy độc lập, sáng tạo
- Tuy nhiên trong quá trình tính toán do thời gian và khả năng, kinh nghiệm còn hạn chế nên khó có thể tránh khỏi mắc phải các thiếu sót
- Đề tài “ XÂY DỰNG BỘ ĐIỀU KHIỂN CHO BỘ BIẾN ĐỔI ĐIỀU ÁP XOAY CHIỀU MỘT PHA ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ XOAY CHIỀU
1 PHA” là một đề tài hay và có nhiều ứng dụng thực tế trong cuộc sống
Sau quá trình thực hiện đồ án, chúng em đã tích lũy được nhiều kinh nghiệm quý báu và kiến thức chuyên ngành bổ ích Điều này có được là nhờ sự hướng dẫn tận tình của các thầy cô, sự hỗ trợ từ các anh chị trong khoa và những góp ý từ các bạn.
Chúng em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến giáo viên hướng dẫn và các thầy cô trong khoa đã hỗ trợ chúng em hoàn thành đồ án này.
