Đô án: Xây dựng bộ điều khiển cho cho bộ điều áp xoay chiều một pha điều khiển động cơ xoay chiều 1 pha

ĐỒ ÁN 1: CƠ SỞ NGÀNH ĐIỀU KHIỂN VÀ
TỰ
ĐỘNG HÓA
Xây dựng bộ điều khiển cho bộ biến đổi điều áp
xoay chiều một pha điều khiển động cơ xoay
chiều một pha

HÀ NỘI – 2022


Mục lục
Chương 1: Tổng quan đối tượng nghiên cứu
1.1. Tổng quan động cơ xoay chiều một
pha…………………………….
1.1.1. Tổng quan nguyên
lý………………………………………………….
1.1.2. Các phương pháp điều khiển tốc độ động
cơ……………………
1.2. Bộ biến đổi điều áp xoay chiều một
pha…………………………….
1.2.1. Sơ đồ mạch lực bộ biến
đổi…………………………………………
1.2.2. Các phương pháp điều khiển bộ biến
đổi………………………...
1.3. Đặt bài tốn
……………………………………………………………….

Chương 2: Tính tốn, thiết kế mạch
lực…………………………..
2.1. Tính tốn, thiết kế mạch lực
…………………………………………..

2.1.1. Tính tốn, thiết kế sơ đồ mạch
lực…………………………………
2.1.2. Tính tốn, lựa chọn các phần tử mạch lực
………………………
2.2. Mơ phỏng mạch lực 2.2.1. Xây dựng mơ hình mơ
phỏng………..
2.2.2. Kết quả mơ phỏng
…………………………………………………….

Chương 3: Tính tốn thiết kế mạch điều
khiển…………………
2


3.1. Tính tốn, thiết kế mạch điều khiển
………………………………….
3.1.1. Tính tốn, lựa chọn mạch điều
khiển……………………………...
3.1.2. Tính tốn, lựa chọn các phần tử trong mạch điều
khiển ………
3.2. Mô phỏng mạch điều khiển
……………………………………………
3.2.1. Xây dựng sơ đồ mô phỏng
………………………………………….
3.2.2. Kết quả mô
phỏng……………………………………………………..

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
Thế giới hiện nay đang phát triển một cách chóng mặt, đặc
biệt là mảng công nghệ đang dần thay đổi hoàn toàn cuộc
sống của chúng ta. Ban đầu là lao động chân tay đến giờ thì
phần lớn cơng việc đã được thực hiện bằng máy móc, và nhờ
có sự hỗ trợ của robot mà khối lượng cơng việc được hồn
thành nhiều hơn với chất lượng tốt hơn, và hơn nữa là cơng
nghệ cịn đem lại cho con người nhiều sự giải trí khiến cuộc
sống trở lên vui vẻ thoải mái hơn rất nhiều. Trong đó ngành
điện nói chung, ngành cơng nghệ kĩ thuật điều khiển và tự
động hóa nói riêng chính là cốt lõi và thiết yếu cho sự phát
triển của thế giới hiện nay. Vì muốn đóng góp vào sự phát
triển của xã hội và quan trọng hơn là có một cơng việc tốt
trong tương lai nên em đã chọn theo học khối ngành kĩ thuật.
Sau một thời gian dài học tập tại trường xyz, nhờ có sự giúp
đỡ của các thầy cô giáo và được sử dụng các thiết bị máy
3


móc tiến tiến của trường mà em đã có được nhiều kiến thức
về công nghệ để áp dụng vào công việc trong tương lai. Hiện
nay em đang được nhà trường tạo điều kiện cho làm khóa
luận để có thể tìm hiểu sâu hơn về kiến thức chuyên ngành
và áp dụng vào thực tế công việc, đề tài 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 khơng 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 cơ này người ta thường cần điều
chỉnh tốc độ ví dụ như quạt bàn, quạt trần.
- Hiện tại có một số loại động cơ như

4


•

Động cơ điện khơng đồng bộ một pha có vịng ngắn
mạch (cơng suất dưới 150w).

•

Động cơ khơng đồng bộ một phat dùng tụ điện hoặc
có vịng dây chập ngược.

•

Các kiểu động cơ này đều dùng rơto lồng sóc để chạy
các máy gia dụng.

•

Động cơ điện vạn năng: cả stato và rơto đều có dây
quấn.

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): 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 máy thường 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 giảm tổn hao, các lõi thép được ghép từ các lá
thép kĩ thuật dày từ 0,35mm hoặc 0,5mm, khi đường kính
ngồi lớn hơn 990mm phải dùng những tấm hình rẻ quạt để
5


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. Dây quấn 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
ngồi lõi thép có các rãnh để đặt dây quấn, ở giữa có lỗ để

6


lắp trục, có thể cịn có các lỗ thơng 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 thanh đồng, hai đầu nối ngắn mạch bằng hai
vòng đồng tạo thành lồng sóc. Ở động cơ cơng suất nhỏ
vịng đồng được chế tạo bằng cách đúc nhôm vào các
rãnh lõi thép roto tạo thành thanh nhơm hai đầu đúc
vịng ngắn mạch

Hình 1.4: roto lồng sóc
•

Roto dây quấn: Trong các rãnh lõi thép đặt dây quấn
thường nối thanh hình 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.

7


Hình 1.5: roto dây quấn
c. nguyên lý làm việc
- Động cơ không đồng bộ làm việc dựa trên hiện tượng cảm
ứng điện từ, khi cuộn dây trên stato được nối với nguồn điện
xoay chiều một pha, dòng điện này đi qua dây quấn sẽ tạo ra
từ trường quay.
- Trong quá trình quay, từ trường sẽ quét qua các thanh dẫn
của roto làm xuất hiện sức điện động cảm ứng. Vì dây quấn
roto là kín mạch nên sức điện động này tạo dòng điện trong
các thanh dẫn hoặc dây quấn của roto. Các thanh dẫn có
dịng điện lại nằm trong từ trường nên sẽ tương tác với nhau
tạo ra lực điên từ đặt vào các thanh dẫn. Tổng hợp các lực
này sẽ tạo ra momen quay đối với trục roto làm cho roto quay
theo chiều của từ trường.
d. Ứng dụng của động cơ điện xoay chiều một pha
Động cơ điện xoay chiều một pha chỉ đạt được cơng suất
nhỏ, nó chủ yếu được dùng trong các dụng cụ gia đình như
quạt điện, máy hút bụi, máy bơm nước…

8

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 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.

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:
a.


 Công suất cơ trên trục động cơ khi vận hành tại tốc độ thấp:
Vậy :
 Moment động cơ ở tốc độ cao:

9


 Moment động cơ ở tốc độ thấp:
Với :

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:

-

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

Vậy:
Suy ra:

b.

Điều khiển tần số dòng điện đưa vào động cơ.

Với:
là điện áp, moment lúc tần số .
là điện áp, moment lúc tần số .
 Khi yêu cầu moment không đổi (như trong máy cắt gọt kim loại):

 Khi yêu cầu đảm bảo công suất cơ Pcơ không thay đổi (như trong máy
điện):

10

 Khi yêu cầu moment tỷ lệ với bình phương của tốc độ (trong quạt gió):

c.

Điều khiển điện áp đưa vào động cơ.

Hình 1.7: sơ đồ điều khiển điện áp
+ Chức năng các linh kiện:
- T_ Triac: điều khiển điện áp trên quạt
- VR_ biến trở: điều chỉnh khoảng thời gian dẫn của triac
- R : điện trở hạn chế
- Da_ Diac: định ngưỡng điện áp để triac dẫn
- C_ tụ điện tạo điện áp ngưỡng để mở thông Diac
+ Nguyên lý làm việc:
- Điện áp và tốc độ đông cơ có thể thay đổi bằng cách
điều chỉnh biến trở RV
- Khi chỉnh trị số VR ta chỉnh việc nạp tụ C lúc đó điều
chỉnh thời điểm mở thơng Diac và thời điểm Triac dẫn
- Như vậy Triac được mở thông khi điện áp trên tụ đạt
điểm dẫn thông Diac
- Khi đó muốn tăng tốc độ động cơ ta cần giảm điện trở
của VR để tụ nạp nhanh hơn, Triac dẫn sớm hơn, điện áp
ra sớm hơn.
- Ngược lại nếu tăng điện trở của VR thi tụ nạp càng
chậm, Triac mở càng chậm, điện áp và tốc độ động cơ
giảm xuống.
+ Ưu nhược điểm

11

-

-



Ưu điểm: có thể điều khiển liên tục tốc độ động cơ, có
thể sử dụng cho các loại tải khác như điều khiển độ sáng
bóng đèn sợi đốt, điều khiển bếp điện… kích thước nhỏ
gọn
Nhược điểm: nếu chất lượng diac và triac khơng tốt thì ở
tốc độ thấp động cơ sẽ xuất hiện tiếng ù do thành phần
một chiều của dịng điện
Trong ba phương pháp trên thì phương pháp điều khiển
điện áp đưa vào động cơ là phương pháp dễ làm và phổ
biến nhất, giá thành cũng rẻ hơn so với sử dụng biến tần
rất nhiều.

1.2. BỘ BIẾN ĐỔI ĐIỀU ÁP XOAY CHIỀU MỘT PHA
Các bộ biến đổi xung áp xoay chiều (ký hiệu xung áp AC XAAC) được dùng để điều chỉnh giá trị điện áp xoay chiều với
hiệu suất cao, trong khi tần số của sóng hài cơ bản thì giữ
ngun khơng đổi, bằng tần số của điện áp lưới. XAAC chủ
yếu sử dụng các tiristo mắc song song ngược hoặc triăc để
thay đổi giá trị điện áp trong mỗi nửa chu kỳ điện áp lưới theo
góc mở α , từ đó mà thay đổi được giá trị hiệu dụng của điện
áp ra tải.
Nhược điểm của XAAC là dạng điện áp ra bị méo, nghĩa là
ngồi sóng hài cơ bản có tần số bằng tần số lưới, xuất hiện
các thành phần sóng hài bậc cao. Tuy nhiên do cấu trúc rất

đơn giản, độ tin cậy cao nên các sơ đồ loại này vẫn được ứng
dụng, đặc biệt trong các trường hợp mà độ méo điện áp
không ảnh hưởng nhiều đến phụ tải.
Có thể kể ra hai trường hợp mà XAAC có những ứng dụng
quan trọng. Một là đối với tải thuần trở, ví dụ như cần điều
chỉnh điện áp cấp cho sợi đốt của các lò điện trở, một pha
hoặc ba pha. Rõ ràng là đối với các tải trở thì dạng điện áp
khơng hề ảnh hưởng đến khả năng phát nhiệt của chúng.
Cũng là tải thuần trở có thể kể đến các loại đèn sợi đốt cần
điều chỉnh áng sáng trong một phạm vi rộng, ví dụ trong nhà
hát hay các rạp chiếu phim, ở đó đèn sợi đốt là loại có thể
điều chỉnh ánh sáng bằng điều chỉnh điện áp. Trường hợp thứ
hai ứng dụng XAAC là khi quá trình điều chỉnh chỉ diễn ra
trong một thời gian ngắn hoặc trong một phạm vi hẹp. Các bộ
12


khởi động mềm động cơ không đồng bộ thuộc loại này, trong
đó do thời gian khởi động chỉ diễn ra một vài giây nên độ méo
điện áp có thể chấp nhận được. Sau khi đã khởi động có thể
cần điều chỉnh tốc độ hoặc mômen của động cơ trong một dải
hẹp nhờ điều chỉnh điện áp xoay chiều, khi đó độ méo điện áp
là không lớn lắm.
Ngay cả khi XAAC phát sinh các thành phần sóng hài bậc
cao nhưng do tính chất đơn giản, tin cậy của nó người ta vẫn
sử dụng những thiết bị này như trong các cuộn cảm có điều
khiển (Thyristor Controlled Reactor – TCR), đặc biệt với cơng
suất rất lớn và điện áp cao. Khi đó cần phối hợp với các mạch
lọc thụ động để giảm ảnh hưởng của sóng hài lên lưới điện.
XAAC cịn có ứng dụng trong các bộ chỉnh lưu điều khiển

phía sơ cấp máy biến áp như đã đề cập đến ở chương V. Hai
trường hợp đặc trưng cho các ứng dụng này. Một là, trong các
chỉnh lưu cao áp, trong đó phần một chiều yêu cầu điện áp
rất cao, 50 – 100 kV, nhưng dòng điện lại rất nhỏ, cỡ 0,5 đến
2 A, như trong phần nguồn cho các bộ lọc bụi tĩnh điện. Khi
đó điều chỉnh phía thứ cấp sẽ bất lợi và nguy hiểm vì điện áp
khá cao. Giải pháp tốt hơn là điều chỉnh phía sơ cấp máy biến
áp với điện áp thấp và dịng điện khơng lớn lắm. Hai là, ngược
lại trường hợp trên, một số nguồn chỉnh lưu yêu cầu dòng rất
lớn, cỡ 10.000 đến 100.000 A nhưng điện áp lại nhỏ, cỡ 12 –
24 VDC. Khi đó điều chỉnh phía thứ cấp cũng bất lợi vì nhiều
van phải mắc song song để chịu được dịng điện lớn. Do đó
giải pháp điều chỉnh phía sơ cấp với dịng điện tương đối nhỏ
sẽ có lợi hơn.
1.2.1. Sơ đồ mạch lực bộ biến đổi
Công suất của tải P = 2,2Kw < 10kW nên ta chọn lựa các sơ
đồ một pha

13


a)

Bằng hai tiristor song song ngược

c) Bằng hai tiristor hai diod

b) Bằng triac

d) Bằng bốn diod một

tiristor

1.8: các sơ đồ điều áp xoay chiều một pha
1.2.2. Các phương pháp điều khiển bộ biên đổi
Sơ đồ hình 1.8a thường được sử dụng rộng rãi hơn, do có thể
điều khiển được với mọi cơng suất tải. Hiện nay Thyristor
được chế tạo có dịng điện đến 7000A, thì việc điều khiển
xoay chiều đến hàng chục nghìn ampe theo sơ đồ này là hồn
tồn đáp ứng được.
Tuy nhiên, việc điều khiển hai Thyristor song song ngược đơi
khi có chất lượng điều khiển khơng 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 (chẳng hạn như biến áp
hay động cơ xoay chiều). Khả năng mất đối xứng điện áp tải
khi điều khiển là do linh kiện mạch điều khiển Thyristor gây
nên sai số. Điện áp tải thu được gây mất đối xứng như so
sánh trên hình 1.9.b
Điện áp và dịng điện khơng đối xứng như hình 1.9b cung
cấp cho tải, sẽ làm cho tải có thành phần dịng điện một
chiều, các cuộn dây bị bão hồ, 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, đối với dòng điện
tải lớn thì đây là sơ đồ tối ưu hơn cả cho việc lựa chọn.

14


Hình 1.9: 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 2 thiristor song song ngược,
triac ra đời và có thể mắc theo sơ đồ 1.8b. sơ đồ này có ưu điểm là các đường
cong điện áp ra gần như mong muốn như hình 1.9a, nó cịn có ưu điểm hơn
khi nắp ráp. sơ đồ mạch này hiện nay được sử dụng khá phổ biến trong công
nghiệp. tuy nhiên triac hiện nay được chế tạo vơi dòng điện khơng lớn
(I<400A) nên với những dịng điện tải lớn cần ghép song song các triac, lúc
đó sẽ phức tạp hơn về lắp ráp và khó điều khiển song song. Những tải có
dịng điện trên 400 A thì sơ đồ hình 1.8b ít dùng
Sơ đồ hình 1.8c có hai thiristor và hai diod 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 các van, đơn thuần như việc mắc nối tiếp các
van )
Sơ đồ hình 1.8d trước đây thường được dùng khi cần điều khiển đối xứng
điện áp trên tải, vì ở đây chỉ có một thiristor một mạch điều khiển nên việc
điều khiển đối xứng điện áp sẽ dễ dàng hơn. Số lượng thiristor ít hơn có thể
sẽ có ưu điểm hơn khi van điều khiển cịn 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.

15


1.3: ĐẶT BÀI TOÁN
Đề tài của em trong đồ án 1 lần này là “Thiết kế bộ điều khiển cho bộ
biến đổi điều áp xoay chiều một pha điều khiển động cơ xoay chiều một
pha” với các thông số như sau :
-

Công suất : 2,2 (kW)

-

Điệp áp định mức :220 (VAC)

-

Đòng điện định mức : 13,7 (A)

-

Tốc độ định mức : 2800 (v/phút)

-

Cặp cực : 2p=2

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 thơng và dễ dàng thực hiện.

16


CHƯƠNG 2: TÍNH TỐN, THIẾT KẾ MẠCH LỰC
2.1: TÍNH TỐN, 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 chiều xác định nên dòng qua cặp thyristor đấu
song song ngược này là dòng xoay chiều. Các van thyristor
được phát xung điều khiển lệch nhau góc 180 0 độ điện để
đảm bảo dịng qua cặp van là hồn tồn đối xứng
+ Tải thuần trở
+ Mạch bảo vệ RC: Trong quá trình van hoạt động thì van
phải được làm mát để van khơng bị phá hỏng về nhiệt vì
vậy ta đã tính tốn chế độ làm mát cụ thể cho van rồi. Tuy
nhiên, van cũng có thể bị hỏng khi van phải chịu tốc độ
tăng dòng, tăng áp quá lớn. Để tránh hiện tượng quá dòng,
quá áp trên van dẫn 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 vệ quá
áp và mắc nối tiếp cuộn kháng để hạn chế tốc độ tăng
dịng.
+ Aptomat có chức năng bảo vệ ngắn mạch và q tải.
2.1.1: Tính tốn, thiết kế sơ đồ mạch lực
2.1.1.1: Lựa chọn van
-

- Thông tin thiết bị

17


STT

Cơng suất
(kW)

8

2,2

Điện áp
định
mức
(VAC)
220

Dịng
điện
định
mức (A)
13,7

Tốc độ
định
mức
(v/phút)
2800

Cặp cực

2p=2

Bảng 2.1: Thơng tin hệ thống
Dịng 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 tỏa nhiệt, khơng cần quạt đối lưu khơng khí.
Với điều kiện đó, dịng 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 thơng số đã tính tốn kể trên, em chọn được van
Thyristor T10-16 do Nga sản xuất có thơng số như sau:
Dịng trung bình qua van
Itb = 16A
Cấp điện áp
Uv = 1000V
Sụt áp thuận trên van ở dòng
∆U = 1,85V
định mức
Điện áp điều khiển
Udk = 3V
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 2.2: 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 dịng điện chạy qua, trên van
có sụt áp ΔU, do đó có tổn hao cơng suất Δp. Tổn hao này
sinh nhiệt, đốt nóng van bán dẫn. Mặt khác, van bán dẫn chỉ
18


được phép làm việc dưới nhiệt độ cho phép (Tcp), nếu quá
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 nhiệt hợp lí.
+ Tính tốn cánh tản nhiệt
Thơng số cần có
•
•

Tổn thất cơng 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 cơng suất
: Độ chênh lệch nhiệt độ so với môi trường
Chọn nhiệt độ môi trường Tmt = 40ºC
Nhiệt độ làm việc cho phép của thyristor T cp = 125ºC
Chọn nhiệt độ trên cánh tỏa nhiệt Tlv = 80ºC
= Tlv - Tmt = 80-40 = 40ºC
Km: Hệ số tỏa nhiệt bằng đối lưu bức xạ. Chọn Km = 8 ( W/m²
ºC )
Vậy STN = = 792,03 (cm²)

Hình 2.2: cánh nhơm tản nhiệt
Chọn loại cánh tản nhiệt có 12 cánh, kích thước mỗi cánh
19


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 kinh nghiệm 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 đến
2μF.

Hình 2.3: Sơ đồ bảo vệ quá áp cho van mạch lực
Bảo vệ quá điện áp do trong q 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 ngồi tạo dịng điện ngược trong
khoảng thời thời gian ngắn, sự biến thiên nhanh chóng của
dòng điện tạo ra suất diện động cảm ứng rất lớn trong các
điện cảm, làm cho quá điện á giữa anot và katot trên
thyristor. Khi có mạch RC mắc song song với thyristor tạo
ra mạch vịng phóng điện tích trong q trình chuyển
mạch nên thyristor khơng bị q điện áp
Ta chọn R = 60 Ω; C = 0,4μF
+ Bảo vệ ngắn mạch
Aptomat được lựa chọn có dịng điện: I AT = (1,1 1,3 ).Iv =

1113A

20


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

ST
T
1

Tên thiết bị

Thông số

Thyristor

Số
lượng
2

2

R

2

60

3

C

2

0,4μF

4

Aptomat

1

E408 110/3

T10-16

Hãng sản
xuất
Nga

Clipsal

Bảng 2.3: 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
với tải R thông qua bộ biến đổi điện áp. Bộ biến đổi điện áp xoay chiều một

pha gồm hai thyristor mắc song song và đối đầu với nhau. Trong trường hợp
cơng suất nhỏ có thể thay thế bằng một triac.

Hình 2.4: Điều áp xoay chiều một pha tải thuần trở
Nguyên lý hoạt động:

21


– Ở bán kỳ dương: D2 bị phân cực ngược không thể dẫn nên chỉ xét với
SCR D1
+ Xét trong khoảng từ (0 – α) chưa xuất hiện xung kích nên thyristor D1
khơng dẫn. Do đó dịng tải và áp tải trong khoảng này bằng không: Io = 0,Vo
= 0.
+ Tại thời điểm xuất hiện xung kích đưa vào cổng điều khiển của D1 thì
D1 đóng. Dịng điện khép kín qua mạch (nguồn, D1, R) điện áp ngõ ra lúc
này bằng với điện áp nguồn: Vo = Vs.
+ Cuối bán kỳ dương dòng điện áp hai đầu thyristor D1 về 0 và chuyển
sang điện áp ngược nên D1 ngưng dẫn.
– Ở bán kỳ âm: Chỉ xét với SCR D2
+ Tương tự như ở bán kỳ dương, trong khoảng từ (π – (π + α)) chưa có
xung kích nên D2 mở. Điện áp và dịng tải đều bằng khơng.
+ Khi có xung kích vào cổng G của D2 thì SCR D2 đóng nên điện áp tải
bằng với áp nguồn Vo = Vs < 0, dòng qua tải ngược dấu với dòng qua
thyristor.
+ Cuối bán kỳ âm điện áp nguồn chuyển từ âm sang dương nên D2 phân
cực ngược nên D2 mở. Chu kỳ lặp lại như trên.

22

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

23


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

•

Ở bán kỳ dương:

+ Ở đâu bán kỳ khi chưa xuất hiện góc kích dịng tải và áp
tải đều bằng khơng.
+ Khi xuất hiện xung kích vào chân G1 thì thyristor D1
đóng, điện áp tải bằng với điện áp nguồn Vo = Vs. Do tải có
tính cảm nên dịng điện tăng từ khơng đến vị trí cực đại sau
đó về giảm, nhưng cuối bán kỳ dương thì dịng điện vẫn lớn
hơn 0.
•

Ở bán kỳ âm:

+ Đầu chu kỳ âm thyristor D1 bị áp ngược nên ngưng dẫn,
nhưng do tải có tính cảm nên phát năng lượng duy trì D1 tiếp
tục dẫn, do đó Vo = Vs < 0. Dòng điện giảm về 0 khi cuộn

cảm xả hết năng lượng, lúc này dòng và áp tải bằng 0.
+ Đến khi D2 có xung kích ở chân kích G2 thì D2 đóng, Vo
= Vs và Io = Is. Dịng điện tải tăng từ 0 đến giá trị cực đại và
giảm về 0, dòng điện liên tục khi đi qua điểm 0.

24


- Trường hợp góc điều khiển α<φ
Khi có xung kích G1 thì thyristor D1 đóng ta có điện áp tải
bằng điện áp nguồn. Dòng điện tải tăng từ 0 đến cực đại và
giảm về 0, dòng liên tục khi qua điểm 0.
Trường hợp này góc kích α < φ nên khi xuất hiện xung
kích G2 thì lúc này D1 vẫn cịn dẫn, do đó thyristor D2 khơng
thỏa mãn điều kiện đóng điện. Kết quả là chỉ có thyristor D1
dẫn và dịng tải là dịng một chiều.

Hình 2.8: Biến đổi điện áp xoay chiều tải RL với góc α<φ
Do tải RL của chúng ta là các thiết bị động cơ, động cơ hoạt động theo
nguyên lý cảm ứng điện từ. Dòng ngõ ra của mạch này là dịng một chiều
khơng biến thiên làm cho động cơ gia tăng nhiệt độ ở các cuộn dây. Và do đó
có thể dẫn đến cháy động cơ.

25