Mạch điều áp xoay chiều 1 pha có điều khiển

Một số mạch điều khiển động cơ xoay chiều một pha...9 Chương II: GIỚI THIỆU CÁC LINH KIỆN ĐIỆN TỬ ĐƯỢC SỬ DỤNG TRONG MẠCH...13 2.1... Để các sinh viên tăng khả năng tư duy và làm quen vớ

NHẬN XÉT GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN

MỤC LỤC

NHẬN XÉT GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN 1

LỜI NÓI ĐẦU 4

Chương 1 : TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ ĐIỆN XOAY CHIỀU 5

1.1 Giới thiệu về động cơ điện xoay chiều một pha 5

1.1.1 Khái niệm 5

1.1.2 Cấu tạo động cơ 5

1.1.3 Nguyên lý hoạt động của động cơ 8

1.1.4 Thông số động cơ 8

1.2 Các phương pháp điều chỉnh tốc độ quay động cơ 9

1.2.1 Nguyên lý điều khiển động cơ xoay chiều một pha 9

1.2.2 Một số mạch điều khiển động cơ xoay chiều một pha 9

Chương II: GIỚI THIỆU CÁC LINH KIỆN ĐIỆN TỬ ĐƯỢC SỬ DỤNG TRONG MẠCH 13

2.1 Điện trở 13

2.1.1 Khái niệm 13

2.1.2 Phân loại 13

2.1.3 Cách đọc giá trị các điện trở 15

2.2 Tụ điện 16

2.2.1 Khái niệm 16

2.2.2 Phân loại 16

2.3 IC-TCA785 17

2.5 Triac 21

2.5.1 Cấu tạo và ký hiệu 21

2.5.2 Nguyên lý hoạt động 22

2.5.3 Đặc tính V-A 22

2.6 Diode 23

2.6.1 Khái niệm: 23

2.6.2 Tiếp giáp P - N và Cấu tạo của Diode bán dẫn: 23

2.6.3 Hoạt động 24

2.6.4 Phân cực cho Diode 25

2.7 Cách ly quang MOC3020 27

Chương III: THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO MÔ HÌNH 28

3.1 Sơ đồ khối 28

3.2 Sơ đồ nguyên lý 29

3.2.1 Sơ đồ nguyên lý mạch nguồn cung cấp cho khối điều khiển 29

3.2.2 Sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển, cách ly và mạch lực 29

3.2.3 Sơ đồ nguyên lý toàn mạch 30

3.3 Tính toán linh kiện và mạch in 31

3.3.1 Tính chọn van động lực 31

3.3.2 Chọn thiết bị bảo vệ 32

3.3.2.1 Bảo vệ quá nhiệt 32

3.3.2.2 Bảo vệ quá dòng điện cho van 33

3.3.2.3 Bảo vệ quá điện áp cho van 33

3.3.2.4 Tính chọn phần tử cách ly 34

3.3.3 Tính toán bộ nguồn cho mạch điều khiển 35

3.4.4 Mạch in 37

3.5 Hình ảnh thực tế 37

LỜI KẾT 40

LỜI NÓI ĐẦU

Cùng với sự phát triển của nền kinh tế và khoa học kỹ thuật trên con đườngcông nghiệp hóa và hiện đại đất nước,ngành điện tử nói chung đã có những bướctiến vượt bậc và mang lại những thành quả đáng kể.Để thúc đẩy nền kinh tế của đấtnước ngày càng phát triển đòi hỏi phải nâng cao chất lượng đào tạo trong giáodục.Trường ĐHSPKT Hưng Yên là một trong số những trường đã rất trú trọng đếnviệc hiện đại hoá trang thiết bị nhằm nâng cao hiệu quả trong giảng dạy cũng nhưgiúp sinh viên có khả năng thực tế cao

Để các sinh viên tăng khả năng tư duy và làm quen với công việc thiết

kế,chế tạo chúng em đã được giao cho thực hiện đồ án: “Thiết kế chế tạo mạch điều áp xoay chiều 1 pha điều khiển động cơ một pha” nhằm củng cố về mặt

kiến thức thực tế, tổng hợp và nâng cao kiến thức chuyên ngành

Sau khi nhận đề tài, nhờ sự giúp đỡ, hướng dẫn tận tình của thầy giáo,giảng viên: Đỗ Công Thắng cùng với sự nỗ lực cố gắng của cả nhóm, sự tìm tòi, nghiên

cứu tài liệu, đến nay đồ án của chúng em về mặt cơ bản đã hoàn thành Trong quátrình thực hiện dù đã rất cố gắng nhưng do trình độ còn hạn chế,kinh nghiệm còn ítnên không thể tránh khỏi sai sót Chúng em mong nhận được sự chỉ bảo giúp đỡ vàđóng góp ý kiến của các thầy cô giáo trong khoa để đồ án của chúng em ngày cànghoàn thiện hơn

Chúng em xin chân thành cảm ơn !

Nhóm sinh viên thực hiện

Nguyễn Văn Hiếu Trần Văn Dũng

Chương 1 : TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ ĐIỆN XOAY

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

- Thay đổi số vòng dây của Stator

- Mắc nối tiếp với động cơ một điện trở hay cuộn dây điện cảm

- Điều khiển điện áp đưa vào động cơ

Hình 1.1: Động cơ điện xoay chiều một pha

1.1.2 Cấu tạo động cơ

Động cơ điện KĐB 1 pha gồm 2 phần:

- Phần cố định gồm có: vỏ máy, lõi sắt, nắp máy, cuộn dây stato và chụp chequạt…

Hình 1.2: Cấu tạo stato

- Phần quay gồm có: lõi thép quay, cuộn dây rôto (thông thường có dạnglồng sóc), trục quay, ổ trục, cánh quạt và công tắc ly tâm hoặc rơle Ngoài ra, còn

có tụ điện (tụ điện khởi động hoặc tụ điện quay và động cơ điện hai trị số điệndung), biển nhãn hiệu và tổ hợp nối dây của động cơ,

Hình 1.3: Sơ đồ cấu tạo rôto.

+ Vỏ máy

Vật liệu vỏ máy của phần cố định thường chế tạo bởi tấm thép, nhôm đúchoặc gang Tác dụng của vỏ máy dùng để giữ lõi sắt của stato, chụp đầu và mômen

ngược chịu phụ tải, vỏ máy làm thành dạng có hình đậy kín, mở ra và phòng hộ.Vật liệu chế tạo vỏ máy thường dùng tấm thép dày 1,2÷2mm cuốn thành, mục đích

là để giảm giá thành sản phẩm, ưu điểm của vỏ máy đúc bằng nhôm là có trọnglượng nhẹ Đối với những vỏ máy có kích thước lớn thường dùng vỏ gang, tiện lợikhi gia công, giảm được chấn động, tăng được tính ổn định của vỏ máy

+ Lõi thép stato

Lõi thép stato được cấu tạo bởi những lá tôn silic dày khoảng 0,35÷0,5mmxếp chồng lên nhau Đầu tiên dùng cách dập nguội những lá tôn silic đó Sau đó,xếp các tấm đó lại với nhau rồi dùng đinh rivê tán ép chặt lại; cũng có thể dùngbiện pháp hàn hồ quang khí Ác-gông Arg để cố định các lá tôn silic vào nhau hoặccòn có cách ép dập trực tiếp các lá tôn silic chặt trong vỏ hợp kim nhôm (Dura)

+ Cuộn dây stato

Thông thường có hai bối dây, một bối dây chính gọi là cuộn dây làm việc vàmột bối dây phụ, còn gọi là cuộn dây khởi động, chúng được đặt lệch nhau trongkhông gian một góc 90º Như động cơ điện trong máy giặt quần áo, yêu cầu vềđường kính, số vòng dây và cuộn dây của hai cuộn dây chính và phụ hoàn toàn nhưnhau để khi động cơ điện quay thuận và quay ngược thì hai cuộn dây này đổi chonhau Khi quay thuận (theo chiều kim đồng hồ) thì cuộn dây chính làm việc, cuộndây phụ khởi động, khi quay ngược, cuộn dây chính biến thành cuộn dây phụ vàcuộn dây phụ biến thành cuộn dây chính

Thông thường đối với động cơ điện một pha, số vòng của dây êmay các cuộndây chính và phụ không giống nhau, đường kính của cuộn dây phụ thường nhỏ hơn

+ Nắp máy

Vật liệu dùng làm nắp máy và vỏ máy giống nhau, yêu cầu dung sai lắp ghépcủa nắp máy phải chính xác, độ đồng tâm cao phải phù hợp với yêu cầu, ngoài ra,phải cứng vững (độ chắc chắn) bảo đảm cho rôto hoạt động

Khe hở (giữa rôto và stato) của động cơ điện không đồng bộ một pha là0,2÷0,3mm Khi lắp ráp và sửa chữa nếu không chính xác hoặc khi tháp lắp bị vađập vào nắp máy làm cho biến dạng đều sẽ ảnh hưởng tới mức độ của khe hở Từ

đó, dẫn tới làm cho rôto và stato khi làm việc sẽ cọ sát vào nhau

+ Lõi thép rôto

Lõi thép rôto cũng được chế tạo bằng cách ép chồng những lá tôn silic màthành, khác với lõi thép stato là ở chỗ các rãnh được dập nghiêng để giảm thiểu sựchấn động và tiếng ồn; đối với rãnh kín yêu cầu cách điện của các lá tôn silic khôngcao lắm, có thể không cần phải quét lớp sơn cách điện

+ Trục quay

Yêu cầu kỹ thuật đối với trục quay phải đảm bảo các kích thước, hình dángnhất định, lại còn phải đảm bảo độ cứng bề mặt, nếu không trong khi làm việc trụcquay sinh ra độ cong quá lớn làm cho khe hở không đều, thậm chí còn sinh ra sự cố(cọ sát) Thông thường trục quay được chế tạo bằng thép cacbon số 45, thép cacbon

số 65 hoặc các loại thép đặc biệt khác

1.1.3 Nguyên lý hoạt động của động cơ

Phụ thuộc vào cấu tạo của mỗi loại động cơ điện mà chúng có nguyên lýhoạt động khác nhau Đối với động cơ điện xoay chiều cũng có cấu tạo và nguyên

lý hoạt động rõ rang Về phần cấu tạo, động cơ điện xoay chiều gồm có hai phầnchính: stator và rotor Stato gồm các cuộn dây của ba pha điện quấn trên các lõi sắt

bố trí trên một vành tròn để tạo ra từ trường quay Rôto hình trụ có tác dụng nhưmột cuộn dây quấn trên lõi thép Khi mắc động cơ vào mạng điện xoay chiều, từtrường quay do stato gây ra làm cho rôto quay trên trục Chuyển động quay củarôto được trục máy truyền ra ngoài và được sử dụng để vận hành các máy công cụhoặc các cơ cấu chuyển động khác

1.2 Các phương pháp điều chỉnh tốc độ quay động cơ

1.2.1 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 đưavào 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

áp như là survolter hay các ổn áp.Hai cách trên đây đều có nhược điểm là kíchthước lớn và khó điều khiển liên tục khi dòng điện lớn.Ngày nay với việc ứng dụngTiristor và Triac vào điều khiển, người ta có thể điều khiển động cơ một pha bằngbán dẫn

Hình 1.5: Nguyên lí điều khiển động cơ

1.2.2 Một số mạch điều khiển động cơ xoay chiều một pha

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

 Thay đổi số vòng dây của Stator

 Mắc nối tiếp với động cơ một điện trở hay cuộn dây điện cảm

 thay đổi số đôi cực của động cơ

 thay đổi tần số nguồn điện cấp cho động cơ

 Điều khiển điện áp đưa vào động cơ

Hình 1.6: Các phương án điều áp một pha

Hình 1.6 giới thiệu một số mạch điều áp xoay chiều một pha Hình 1.6a làđiều áp xoay chiều điều khiển bằng cách mắc nối tiếp với tải một điện kháng hayđiện trở phụ (tổng trở phụ) biến thiên Sơ đồ mạch điều chỉnh này đơn giản dễ thựchiện Tuy nhiên, mạch điều chỉnh kinh điển này hiện nay ít được dùng, do hiệu suấtthấp (nếu Zf là điện trở) hay cos thấp (nếu Zf là điện cảm). thấp (nếu Zf là điện cảm)

Người ta có thể dùng biến áp tự ngẫu để điều chỉnh điện áp xoay chiều U2như trên hình 1.6b Điều chỉnh bằng biến áp tự ngẫu có ưu điểm là có thể điềuchỉnh 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 ánphải 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 chỉnhliên tục được, do chổi than khó chế tạo để có thể chỉ tiếp xúc trên một vòng dây củabiến áp.

Hai giải pháp điều áp xoay chiều trên hình 1.6a,b có chung ưu điểm là điện

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

Các sơ đồ điều áp xoay chiều bằng bán dẫn trên hình 1.6c được sử dụng phổbiến Lựa chọn sơ đồ nào trong các sơ đồ trên tuỳ thuộc dòng điện, điện áp tải vàkhả năng cung cấp các linh kiện bán dẫn Có một số gợi ý khi lựa chọn các sơ đồhình 1.7 như sau:

Hình 1.7: Sơ đồ điều áp xoay chiều một pha bằng bán dẫn

a) Bằng hai tiristor song song ngược

7000A, thì việc điều khiển xoay chiều đến hàng chục nghìn ampe theo sơ đồ này làhoàn toàn đáp ứng được

Tuy nhiên, việc điều khiển hai tiristor song song ngược đôi khi có chất lượngđiều khiển không tốt lắm, đặc biệt là khi cần điều khiển đối xứng điện áp, nhất làkhi cung cấp cho tải đòi hỏi thành phần điện áp đối xứng (chẳng hạn như biến áphay động cơ xoay chiều) Khả năng mất đối xứng điện áp tải khi điều khiển là dolinh kiện mạch điều khiển tiristor gây nên sai số Điện áp tải thu được gây mất đốixứng như so sánh trên hình 1.7a

Điện áp và dòng điện không đối xứng như hình 1.7a cung cấp cho tải, sẽ làmcho 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 là việc nên thường xuyênlàm đối với sơ đồ mạch này Tuy vậy, đối với dòng điện tải lớn thì đây là sơ đồ tối

ưu hơn cả cho việc lựa chọn

Hình 1.8: Hình dạng đường cong điện áp điều khiển

a) Mong muốn

b) 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 1.7b 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 lắpráp Sơ đồ mạch này hiện nay được sử dụng khá phổ biến trong công nghiệp Tuynhiên triac hiện nay được chế tạo với dòng điện không lớn (I < 400A), nên vớinhững 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 đồhình 1.7b ít dùng

Sơ đồ hình 1.7c có hai tiristor và hai điốt có thể được dùng chỉ để nối các cựcđiều khiển đơn giản, sơ đồ này có thể được dùng khi điện áp nguồn cấp lớn (cầnphân bổ điện áp trên các van, đơn thuần như việc mắc nối tiếp các van)

Sơ đồ hình 1.7d 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 việc điềukhiển đối xứng điện áp dễ dàng hơn Số lượng tiristor ít hơn, có thể sẽ có ưu điểmhơn khi van điều khiển còn hiếm Tuy nhiên, việc điều khiển theo sơ đồ này dẫnđến 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

Chương II: GIỚI THIỆU CÁC LINH KIỆN ĐIỆN TỬ ĐƯỢC SỬ DỤNG TRONG MẠCH

- Điện trở dây quấn : được chế tạo bằng cách quấn một đoạn dây không phải

là chất dẫn điện tốt (Nichrome) quanh một lõi hình trụ Trở kháng phụ thuộc vào

vật liệu dây dẫn, đường kính và độ dài của dây dẫn Điện trở dây quấn có giá trịnhỏ, độ chính xác cao và có công suất nhiệt lớn Tuy nhiên nhược điểm của điệntrở dây quấn là nó có tính chất điện cảm nên không được sử dụng trong các mạchcao tần mà được ứng dụng nhiều trong các mạch âm tần.

- Điện trở màng mỏng: Được sản xuất bằng cáchlắng đọng Cacbon, kim loạihoặc oxide kim loại dưới dạng màng mỏng trên lõi hình trụ Điện trở màng mỏng

có giá trị từ thấp đến trung bình, và có thể thấy rõ một ưu điểm nổi bật của điện trởmàng mỏng đó là tính chất thuần trở nên được sử dụng trong phạm vi tần số cao,tuy nhiên có công suất nhiệt thấp và giá thành cao

b) Điện trở có giá trị thay đổi

- Biến trở(Variable Resistor) có cấu tạo gồm một điện trở màng than hoặc dâyquấn có dạng hình cung, có trục xoay ở giữa nối với con trượt Con trượt tiếp xúcđộng với với vành điện trở tạo nên cực thứ 3, nên khi con trượt dịch chuyển điệntrở giữa cực thứ 3 và 1 trong 2 cực còn lại có thể thay đổi Biến trở được sử dụngđiều khiển điện áp (potentiometer: chiết áp) hoặc điều khiển cường độ dòng điện(Rheostat)

- Nhiệt trở Là linh kiện có giá trị điện trở thay đổi theo nhiệt độ Có 2 loạinhiệt trở:

Nhiệt trở có hệ số nhiệt âm: Giá trị điện trở giảm khi nhiệt độ tăng (NTC),thông thường các chất bán dẫn có hệ số nhiệt âm do khi nhiệt độ tăng cung cấp đủnăng lượng cho các electron nhảy từ vùng hóa trị lên vùng dẫn nên số lượng hạtdẫn tăng đáng kể, ngoài ra tốc độ dịch chuyển của hạt dẫn cũng tăng nên giá trịđiện trở giảm

Nhiệt trở có hệ số nhiệt dương: Giá trị điện trở tăng khi nhiệt độ tăng, cácnhiệt trở được làm bằng kim loại có hệ số nhiệt dương (PTC) do khi nhiệt độ tăng,các nguyên tử nút mạng dao động mạnh làm cản trở quá trình di chuyển của

electron nên giá trị điện trở tăng.Nhiệt trởđược sử dụng để điều khiển cường độdòng điện, đo hoặc điều khiển nhiệt độ: ổn định nhiệt cho các tầng khuếch đại, đặcbiệt là tầng khuếch đại công suất hoặc là linh kiện cảm biến trong các hệ thống tựđộng điều khiển theo nhiệt độ.

- Điện trở quang :Quang trở là linh kiện nhạy cảm với bức xạ điện từ quanhphổ ánh sáng nhìn thấy Quang trở có giá trị điện trở thay đổi phụ thuộc vào cường

độ ánh sáng chiếu vào nó Cường độ ánh sáng càng mạnh thì giá trị điện trở cànggiảm và ngược lại

Quang trở thường được sử dụng trong các mạch tự động điều khiển bằng ánhsáng: (Phát hiện người vào cửa tự động; Điều chỉnh độ sáng, độ nét ở Camera; Tựđộng bật đèn khi trời tối; Điều chỉnh độ nét của LCD;

2.1.3 Cách đọc giá trị các điện trở

- Thông thường cũng được phân làm 2 cách đọc, tuỳ theo các ký hiệu có trên điệntrở Dưới đây là hình về cách đọc điện trở theo vạch màu trên điện trở

 Đối với điện trở 4 vạch màu

- Vạch màu thứ nhất: Chỉ giá trị hàng chục trong giá trị điện trở

- Vạch màu thứ hai: Chỉ giá trị hàng đơn vị trong giá trị điện trở

- Vạch màu thứ ba: Chỉ hệ số nhân với giá trị số mũ của 10 dùng nhân với giá trịđiện trở

- Vạch màu thứ 4: Chỉ giá trị sai số của điện trở

 Đối với điện trở 5 vạch màu

- Vạch màu thứ nhất: Chỉ giá trị hàng trăm trong giá trị điện trở

- Vạch màu thứ hai: Chỉ giá trị hàng chục trong giá trị điện trở

- Vạch màu thứ ba: Chỉ giá trị hàng đơn vị trong giá trị điện trở

- Vạch màu thứ 4: Chỉ hệ số nhân với giá trị số mũ của 10 dùng nhân với giá trịđiện trở

- Vạch màu thứ 5: Chỉ giá trị sai số của điện trở

Hình 2.2: ảnh điện trở và bảng vạch màu

2.2 Tụ điện

2.2.1 Khái niệm

- Tụ đện là một linh kiện điện tử thụ động có khả năng tích trữ và giải phóngnăng lượng dưới dạng điện trường

2.2.2 Phân loại

- Tụ điện tích hợp

- Tụ điện cố định: Tụ điện gốm (Ceramic), Tụ điện màng (film), Tụ điện mica,

Tụ hóa, Tụ hóa tantali, Tụ polyme

- Siêu tụ điện: Siêu tụ điện Nanoionic, Siêu tụ điện Li ion

- Tụ điện biến đổi: tụ thay đổi được điện dung

- Varicap: Điốt bán dẫn làm việc ở chế độ biến dung

2.3 IC-TCA785

- 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 và tạoxung ra

Hình 2.1 hình ảnh của IC TCA 785

a) Sơ đồ chân IC TCA 785

b) Bảng ký hiệu và chức năng của TCA 785.

Hình 2.2: Dạng sóng và chức năng của các chân TCA785

c) Bảng các thông số của TCA 785

Thông số

Giá trị nhỏ nhất

Giá trị tiêu biều F

=50Hz

Vs = 5v

Giá trị lớn nhất

Đơn vị

Điện áp vào

điềukhiển,chân11

Thời gian sườn ngắn của

xung răng cưa

I10V10

R9TP

10

1000VS-2

300

μ

AV

2,5

VV

Độ rộng xung ra, chân13

Xung hẹp

Xung rộng

V13HV13L

3,5

2,53,5

2,5

VV

Xung ra, chân 14, 15

15Ltp

VS-30,320530

VS-2,50,830620,m

VS-1,0240760

VV