Nghiên Cứu, Thiết Kế Bộ Điều Áp Xoay Chiều Một Pha

Đồ án 3: Điện Tử Công Suất

ĐỒ ÁN MÔN HỌC
Nhóm sinh viên thực hiện :
Khoá học

: 2010-2014

Ngành đào tạo

: Tự động hóa

Tên đề tài: Thiết kế chế tạo mạch điều áp xoay chiều một pha.
Yêu cầu:
- Ur = 0V~220V AC.
- P = 2500W
- Bảo vệ các sự cố: Quá tải, ngắn mạch.
 Số liệu cho trước:
- Các trang thiết bị.
- Nguồn điện xoay chiều 220v/50Hz.
- Động cơ xoay chiều: Pđm=2500W, Uđm=220V, Iđm=11,36A, Cosφ=1,
fđm=50Hz.
- Tài liệu chuyên môn.
 Nội dung cần hoàn thành:
1. Phân tích, lựa chọn phương án
2. Lý thuyết và các vấn đề liên quan .
3. Phân tích, tính toán và lựa chọn thiết bị.
4. Sản phẩm của đề tài : Quyển thuyết minh, sản phẩm.

GV hướng dẫn: ĐỖ CÔNG THẮNG

Trang 1


Đồ án 3: Điện Tử Công Suất

MỤC LỤC:
CHƯƠNG I: ĐỘNG CƠ ĐIỆN XOAY CHIỀU MỘT PHA VÀ MỘT SỐ VAN
BÁN DẪN..................................................................................................................5
1. Khái niệm..........................................................................................................5
1.1. Nguyên lý điều khiển động cơ xoay chiều một pha....................................5
1.2. Một số mạch điều khiển động cơ một pha..................................................6
2.Một số van bán dẫn...........................................................................................7
2.1. Giới thiệu về phần tử bán dẫn Triac...........................................................7
2.2. Giới thiệu về phần tử bán dẫn Thysistor.....................................................9
2.3. Giới thiệu về phần tử bán dẫn Transistor..................................................12
CHƯƠNG II: BỘ ĐIỀU ÁP XOAY CHIỀU MỘT PHA...................................16
1.Đặt vấn đề........................................................................................................16
2. Phân tích và lựa chọn sơ đồ...........................................................................16
2.1. Giới thiệu một số sơ đồ mạch động lực..................................................16
2.2. Điều áp xoay chiều một pha ứng với tải R-L............................................19
CHƯƠNG III: THIẾT KẾ MẠCH......................................................................23
3.1. Sơ đồ khối.................................................................................................23
3.2. Phân tích từng khối...................................................................................23
3.2.1.Khối nguồn..........................................................................................23
3.2.2.Mạch lực..............................................................................................24
3.2.3.Mạch điều khiển..................................................................................26
CHƯƠNG IV: THIẾT KẾ CHẾ TẠO MẠCH..................................................35
4.1 Tính toán thiết kế để chế tạo mô hình........................................................35
4.1.1. Tính chọn van động lực....................................................................35
GV hướng dẫn: ĐỖ CÔNG THẮNG

Trang 2


Đồ án 3: Điện Tử Công Suất

4.1.2. Chọn thiết bị bảo vệ...........................................................................36
4.2. Sơ đồ nguyên lý toàn mạch ..........................................................43
4.3. Phương hướng phát triển của đề tài..........................................................45
LỜI KẾT..........................................................46
Tài liệu tham khảo:................................................................................................47

GV hướng dẫn: ĐỖ CÔNG THẮNG

Trang 3


Đồ án 3: Điện Tử Công Suất

LỜI NÓI ĐẦU
Điện tử công suất là một môn học hay và lý thú, cuốn hút được nhiều sinh
viên theo đuổi. Là những sinh viên chuyên ngành tự động hóa, chúng em muốn
được tiếp cận và hiểu sâu hơn nữa bộ môn điện tử công suất.Vì vậy, đồ án môn học
chế tạo sản phẩm là điều kiện tốt giúp chúng em kiểm chứng được lý thuyết đã
được học.
Trong đồ án điện tử công suất lần này, chúng em đã được nhận đề tài “Nghiên
cứu,thiết kế bộ điều áp xoay chiều một pha”. Sau thời gian nghiên cứu, chúng
em đã chế tạo thành công bộ điều khiển điện áp xoay chiều 1 pha đáp ứng được cơ
bản yêu cầu của đề tài.
Trong suốt thời gian thực hiện đề tài, chúng em đã gặp một số vướng mắc về

lý thuyết và khó khăn trong việc thi công sản phẩm. Tuy nhiên, chúng em đã nhận
được sự giải đáp và hướng dẫn kịp thời của thầy Đỗ Công Thắng, sự góp ý kiến
của các bạn sinh viên trong lớp. Đựơc như vậy chúng em xin chân thành cảm ơn và
mong muốn nhận được nhiều hơn nữa sự giúp đỡ, chỉ bảo của cô giáo và bạn trong
các đồ án sau này.
Chúng em xin chân thành cảm ơn!

GV hướng dẫn: ĐỖ CÔNG THẮNG

Trang 4


Đồ án 3: Điện Tử Công Suất

CHƯƠNG I: ĐỘNG CƠ ĐIỆN XOAY CHIỀU MỘT PHA VÀ MỘT
SỐ VAN BÁN DẪN.
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 sử 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.
- Mắc nối tiếp với động cơ một điện trở hay cuộn dây điện cảm.
- Điều khiển điện áp đưa vào động cơ.
1.1.

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 đưa
vào động cơ, người ta thường sử dụng hai cách phổ biến là mắc nối tiếp với tải một
điện trở hay một điện kháng mà ta coi là Z f 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 kích thước lớn và khó điều khiển liên
tục khi dòng điện lớn.
Ngày nay với việc ứng dụng Tiristor và Triac vào điều khiển, người ta có thể
điều khiển động cơ một pha bằng bán dẫn

GV hướng dẫn: ĐỖ CÔNG THẮNG

Trang 5


Đồ án 3: Điện Tử Công Suất

Hình 1: Nguyên lí điều khiển động cơ.
1.2.

Một số mạch điều khiển động cơ một pha

Một trong những ứng dụng rất rộng rãi của điều áp xoay chiều là điều khiển
động cơ điện một pha mà điển hình là điều khiển tốc độ quay của quạt điện.
Chức năng của các linh kiện trong sơ đồ hình 15 - 4:
T - Triac điều khiển điện áp trên quạt.
VR - biến trở để điều chỉnh khoảng thời gian dẫn của Triac.
R - điện trở đệm.
D - diac - định ngưỡng điện áp để Triac dẫn.
C - Tụ điện tạo điện áp ngưỡng để mở thông diac.

Điện áp và tốc độ của quạt có thể được 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 cũng 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 điên áp ra lớn hơn. Ngược lại điên trở của VR càng lớn tụ nạp
càng chậm Triac mở càng chậm lại điện áp và tốc độ của quạt nhỏ xuống.
GV hướng dẫn: ĐỖ CÔNG THẮNG

Trang 6


Đồ án 3: Điện Tử Công Suất

* Mạch 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 có 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.

2. Một số van bán dẫn.
2.1. Giới thiệu về phần tử bán dẫn Triac.
2.1.1. Cấu tạo và ký hiệu

GV hướng dẫn: ĐỖ CÔNG THẮNG

Trang 7


Đồ án 3: Điện Tử Công Suất

Hình 2: 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 thẻ
điều khiển cho mở dẫn dòng bằng cả xung dương (dòng đi vào cực điều 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.
*Nguyên lý hoạt động.
Có 4 tổ hợp điện thế có thể mở Triac cho dòng chảy qua:
B2

G

+

+

+

-

-

-

-

+

Trường hợp MT2 (+), G(+). Thyristor T mở cho dòng chảy qua như một
Thyristor thông thường.
Trường hợp MT2 (-), G(-). Các điện tử từ N 2 phóng vào P2. Phần lớn bị trường
nội tại EE1 hút vào, điện áp ngoài được đặt lên J 2 khiến choBarie này cao đến mức
hút vào những điện tích thiểu số(các điện tử của P 1) và làm động năng của chúng
đủ lớn để bẻ gãy các liên kết của các nguyên tử Sillic trong vùng. Kết quả là một
phản ứng dây chuyền thì T’ mở cho dòng chảy qua.
GV hướng dẫn: ĐỖ CÔNG THẮNG

Trang 8


Đồ án 3: Điện Tử Công Suất

2.1.2. Đặc tính V-A.

Hình 3: Đặc tuyến V-A của triac
Triac có đường đặc tính V-A đối xứng nhận góc mở α trong cả hai chiều.
2.2.

Giới thiệu về phần tử bán dẫn Thysistor.

2.2.1. Cấu tạo, ký hiệu.
- Cấu tạo: Thysistor là thiết bị gồm 4 lớp bán dẫn P 1,N1,P2,N2 ghép lại tạo ra ba lớp

tiếp xúc J1,J2,J3.
- Ký hiệu:
A

P1

N

P2

1

N

K

G
A

K

2

G

2.2.2. Nguyên lý làm việc
- Khi đặt thysistor vào điện áp một chiều, A nốt nối vào cực dương, Katốt nối
vào cực âm của nguồn. Khi đó J1, J3 được phân cực thuận J2 bị phân cực ngược, gần
như toàn bộ điện áp nguồn đặt lên mặt ghép J 2. Điện trường Ei của J2 có chiều từ N1
sang P2. Điện trường ngoài tác dụng cùng chiều với E i, vùng chuyển tiếp cũng là

vùng cách điện càng mở rộng ra, không có dòng chảy qua thysistor, mặc dù nó
dược đặt điện áp.
GV hướng dẫn: ĐỖ CÔNG THẮNG

Trang 9


Đồ án 3: Điện Tử Công Suất

- Để mở thysistor ta đặt một xung điện áp U g tác động vào cực G (dương so
với K) các điện tử từ N2 sang P2 và một số ít chúng chảy vào nguồn U g và hình
thành dòng điều khiển ig chảy theo mạch G-J3-K-G, còn phần điện tử chịu sức hút
của điện trường tỏng hợp của mặt ghép J 2 lao vào vùng chuyển tiếp này, chúng
được tăng tốc bắn phá J2, vùng chuyển tiếp J2 bị trọc thủng làm xuất hiện ngày càng
nhiều điện tử chảy vào N1 qua P1 và đến cực dương của nguồn điện ngoài gây nên
hiện tượng dẫn điện ồ ạt, J2 trở thành mặt ghép dẫn điện bắt đầu từ một điểm nào
đó ở xung quanh cực G rồi phát tán ra toàn bộ mặt ghép nên thysistor được mở.

A

P1

N
1

P2
G

N

K
Rt

_

+

Rt

R1

2

K

+
_E

T

R2

E
Hình 4: mở thysistor

Mở thysistor bằng cách ấn công tắc K là đơn giản nhất. một thysistor đã
mở thì sự hiện diện của tín hiệu điều khiển ig là không còn cần thiết nữa.
- Khóa Thysistor
Có hai cách để khóa thysistor:
+ Cách 1: Giảm dòng điện ở A nốt xuống đến giá trị của dòng điện duy trì khi

thysistor được phân áp thuận thì lớp J2 có điện trở lớn làm cho dòng qua Thysistor
rất nhỏ lúc đó thysistor sẽ bị khóa lại.

GV hướng dẫn: ĐỖ CÔNG THẮNG

Trang 10


Đồ án 3: Điện Tử Công Suất

+ Cách 2: Đặt một điện áp ngược lên thysistor ( biện pháp thường dùng) khi
đặt điện áp ngược lên T có UAk< 0 hai mặt ghép J1 và J3 bị phân cực ngược J2 phân
cực thuận. Những điện tử trước thời điểm đảo cực tính Uak đang có mặt tại P 1,N1,
P2 bây giờ đảo chiều hình thành nên dòng điện ngược chảy từ Katốt về A nốt và về
cực âm của nguồn điện ngoài. Lúc đầu của quá trình từ t 0 đến t1 dòng điện ngược
khá lớn sau đó J1,J2 trở nên cách điện, còn lại một ít điện tử ở giữa hai mặt ghép J 1
và J3 hiện tượng khuếch tán sẽ làm chúng ít dần đi cho đến hết và J 2 khôi phục lại
tính chất của mặt điều khiển. Thời gian khóa toff tính từ khi bắt đầu có điện áp
ngược cho tới dòng điện ngược bằng 0 (t2). Đó là khoảng thời gian mà ngay sau đó
nếu đặt điện áp thuận lên T thì T cũng khong mở. Trong bất kì trường hợp nào
cũng không được đặt T dưới điện áp thuận khi T chưa bị khóa, nếu không có thể
gây ra ngắn mạch nguồn. Việc khóa Thysistor bằng cách đặt điện áp ngược được
thực hiện bằng cách ấn nút K.

A

P1

J1

N
1

P2

J3

N

K

R

R

2

G

_

+

J2

Rt

T

+

_E

K

In

E
Hình 5: Khóa Thysistor

2.2.3. Đặc tính vôn-ampe của Thysistor.

GV hướng dẫn: ĐỖ CÔNG THẮNG

Trang 11


Đồ án 3: Điện Tử Công Suất

Hình 6: Đặc tính vôn-ampe của Thysistor
- Đoạn 1: Trạng thái khóa của T. Khi U tăng đến U ch bắt đầu quá trình tăng
dòng điện T chuyển sang trạng thái mở.
- Đoạn 2: Giai đoạn ứng với phân cực thuận J 2, mỗi một lượng tăng nhỏ của
dòng điện ứng với một lượng giảm lớn của điện áp đặt lên Thysistor.
- Đoạn 3: Trạng thái mở của thysistor J1,J2,J3 trở thành mặt ghép dẫn điện
- Đoạn 4: Thysistor bị đặt điện áp ngược => Thysistor bị đánh thủng (do U
tăng lên ing cũng tăng lên).
2.3.

Giới thiệu về phần tử bán dẫn Transistor.

2.3.1. Cấu tạo, ký hiệu
- Cấu tạo:
C

P

N

P

E

C

N

B

P

N

E

B

+ Vì có hai loại lớp bán dẫn P và N nên ghi ghép 3 lớp bán dẫn liên tiếp với
nhau, có hai khả năng : P-N-P (phân cực thuận) và N-P-N (phân cực ngược)

-Ký hiệu:

E
B

E
B

C

C

GV hướng dẫn: ĐỖ CÔNG THẮNG

Trang 12


Đồ án 3: Điện Tử Công Suất

Transistor thuận

Transistor ngược

2.3.2. Nguyên lý làm việc
- Transistor ngược: Xét mạch cực phát E chung:
+ E1 phân cực thuận cho J1.
+ E2 phân cực thuận cho J1, phân cực ngược cho J2.

C
+
E1_

B

N
P J
J
N 1
E

R

2

_

+
E2

Hình 7: Phân cực ngược cho Transistor
- Lớp J1 phân cực thuận nên điện trở tiếp giáp nhỏ và dòng i B chuyển từ B
sang E ( Điện tử tự do từ cực E sang cực B qua lớp J 1 và lỗ trống từ cực B sang cực
E qua J1). Lớp J2 phân cực ngược vì E2>> E1 nên điện trường do E2 tạo ra khóa
mạch làm cho một số điện tử tự do từ cực E sang cực B còn phần lớn qua lớp P qua
lớp tiếp xúc J2 tới cực góp C để về cực dương của nguồn vì vậy tạo ra dòng điện
cực góp ic qua tải R là iE = iC+iB. Dòng iB còn là dòng điều khiển. Khi tăng điện áp
UBE thì dòng iB, iC tăng và ngược lại, lượng thay đổi dòng iB nhỏ cũng gây ra một sự
thay đổi lớn một lượng dòng iC nên transistor có tác dụng khuếch đại.
- Hệ số khuếch đại dòng: là độ tăng của dòng góp với độ tăng của dòng gốc
khi cực phát E chung.

GV hướng dẫn: ĐỖ CÔNG THẮNG

Trang 13


Đồ án 3: Điện Tử Công Suất

- Hệ số khuếch đại điện áp:

- Hệ số công suất:
Kp

Nếu đảo cực tính U BE tức là B nối vào cực âm nguồn điều khiển, E nối vào
cực dương nguồn thì Transistor không thể làm việc được do lớp J 1 bị phân cực
ngược.
- Nguyên lý hoạt động của Transistor thuận tương tự.
2.3.3. Đặc tính Vôn-ampe
- Đặc tính ra: iC = f(UCE) khi iB = const.
- Đặc tính truyền đạt: iC = f(iB) khi UCE = const.
- Đặc tính vào iB = f(UBE) khi UCE = const.
- Đặc tính điện áp phản hồi: UBE = f(UCE) khi iB = const.
Trong đặc tính của transistor đặc tính ra được lưu ý đặc biệt, nó phân biệt bởi ba
vùng làm việc:
- Vùng tuyến tính (c): ic tăng tỷ lệ với UB khi UCE = const.
GV hướng dẫn: ĐỖ CÔNG THẮNG

Trang 14


Đồ án 3: Điện Tử Công Suất

-

Vùng bão hòa (b): iB tăng nhiều iC tăng ít
Vùng bão hòa (a): iB tăng nhưng iC = const
Đường thẳng ∆ phân giới hạn vùng (a) và (b)
Đường thẳng ∆’ phân giới hạn vùng (b) và (c)
Từ đặc tính ra có thể tính được trở kháng ra:

Zra =

- Hệ số khuếch đại dòng:

- Cũng có thể tính hệ số khuếch đại dòng điện từ họ đặc tính truyền đạt. Từ
đặc tính vào có thể tính được trở kháng vào:

Zvào =

- Đặc tính phản hồi cho phép tính được hệ số khuếch đại điện áp:

β=

 Các chế độ làm việc của Transistor với hai chế độ: Chế độ khuếch đại và
chế độ xung.

GV hướng dẫn: ĐỖ CÔNG THẮNG

Trang 15


Đồ án 3: Điện Tử Công Suất

CHƯƠNG II: BỘ ĐIỀU ÁP XOAY CHIỀU MỘT PHA
1. Đặt vấn đề.
Các bộ biến đổi điện áp xoay chiều dùng để biến đổi điện áp hiệu dụng đặt lên
tải. Nguyên lý 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 t 0 theo
một chu kỳ lặp lại T. Bằng cách thay đổi độ rộng của t 1 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 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. Phân tích và lựa chọn sơ đồ.
2.1. Giới thiệu một số sơ đồ mạch động lực.

Zf
U1

TBB§
U2 i

Z

a

U1

i

b

Z U2

i

U1

Z U2

C

Hình 8: Các phương án điều áp một pha.
- Hình 1a là điều áp xoay chiều điều khiển bằng cách mắc nối tiếp với tải
mộtđiện 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 ).

GV hướng dẫn: ĐỖ CÔNG THẮNG

Trang 16


Đồ án 3: Điện Tử Công Suất

- Hình 1b người ta có thể dùng biến áp tự ngẫu để điều chỉnh điện áp xoay
chiều U2. 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 điều áp xoay chiều trên hình 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 nhược điểm vừa nêu.
- Các sơ đồ điều áp xoay chiều bằng bán dẫn trên hình 1c được sử dụng phổ
biến. Lựa chọn sơ đồ nào trong các sơ đồ trên tuỳ 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 1c như sau:

T1
U1

T
T2

T1

a. D
1

D2

T2

U1

b.
D2

D1
Z

c.

Z

U1

Z

U1

T

D4

D3

Z

d.

Hình 9: Sơ đồ điều áp xoay chiều một pha bằng bán dẫn
a. bằng hai tiristor song song ngược
b. bằng triac
GV hướng dẫn: ĐỖ CÔNG THẮNG

Trang 17


Đồ án 3: Điện Tử Công Suất

c. bằng một tiristor một diode
d. bằng bốn diod một tiristor
- Hình 2A thường được sử dụng nhiều hơn, do có thể điều khiển được với mọi
công suất tải. Hiện nay Tiristor được chế tạo có dòng điện đến 7000A, thì việc điều
khiển xoay chiều đến hàng chục nghìn ampe theo sơ đồ này là hoàn toàn đáp ứng
được. Tuy nhiên, việc điều khiển hai tiristor song song ngược đôi khi có chất lượng
điều khiển không 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 tiristor gây nên sai số. Điện áp tải thu được gây mất đối
xứng như so sánh trên hình 3b.
Điện áp và dòng điện không đối xứng như hình 3.b cung cấp cho tải, sẽ làm
cho 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 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.

U
α

U
Tả
α
i

t
a

U
α1

UTả
i α2

t
b

Hình 10: 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 2.B. Sơ đồ này có ưu điểm là các đường
cong điện áp ra gần như mong muốn như hình 3.A, 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
GV hướng dẫn: ĐỖ CÔNG THẮNG

Trang 18


Đồ án 3: Điện Tử Công Suất

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.B ít dùng.
- Sơ đồ hình 2C có hai tiristor và hai điốt 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 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 lượng 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.
Sau khi phân tích một số sơ đồ trên chúng em đã lựa chọn phương án điều áp
xoay chiều sử dụng van bán dẫn triac để điều khiển có ưu điểm:
- Đường cong điện áp gần như mong muốn.
- Công suất của tái không quá lớn nên triac có thể đáp ứng.
- Mạch điều khiển đơn giản.
- Giá thành rẻ, vận hành đơn giản.
2.2.

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

GV hướng dẫn: ĐỖ CÔNG THẮNG

Trang 19


Đồ án 3: Điện Tử Công Suất

Hình 11: Hình dáng dòng điện và điện áp đối với
tải R-L
Khi tiristor T1 mở có phương trình:

L

di
+ Ri =
dt

2 sin ω t

R
θ
θ
−
ψ
ωL
2
2 sin(
)
+
Ae
R + (ωL)
V

i= 2

Hằng dạng số tích phân A được xác định : Khi θ = α thì i = 0. Biểu thức dòng
tải i có dạng:
i= 2

V

θ −α

[ sin( θ − ψ ) - sin( α − ψ )e tgψ ]
R + (ωL)
2

2

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
Sin(

β −ψ

Trong biểu thức trên: tgψ =

)- sin(

α −ψ

β −α
).e- tgψ = 0

ωL
R

Tiristor T1 phải được khoá lại trước khi cho xung mở T 2, nếu không thì không
thể mở được T2, tức β ≤ π + α . Để thoả mãn điều kiện này ta phải có: α ≥ ψ

GV hướng dẫn: ĐỖ CÔNG THẮNG

Trang 20


Đồ án 3: Điện Tử Công Suất

Hình 12: 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:
π

Ut=

1
2π − 2α + sin 2α
( 2V sin θ )2.dθ = U.
∫
πα
2π

Giá trị hiệu dụng của dòng tải:
It =

U
2π − 2α + sin 2α
.(
)
R

2π

Công suất tác dụng cung cấp cho mạch tải:
2π − 2α + sin 2α
U2
P = UtIt = (
).(
)
2π
R

Như vậy bằng cách làm biến đổi góc α từ 0 đến π , người ta có thể điều chỉnh
được công suất tác dụng từ giá trị cực đại P =(

U2
) đến 0.
R

Dưới đây là bảng góc mở α ứng với từng loại tải :

GV hướng dẫn: ĐỖ CÔNG THẮNG

Trang 21


Đồ án 3: Điện Tử Công Suất

GV hướng dẫn: ĐỖ CÔNG THẮNG

Trang 22

Đồ án 3: Điện Tử Công Suất

CHƯƠNG III: THIẾT KẾ MẠCH
3.1. Sơ đồ khối.

3.2.

Phân tích từng khối

3.2.1. Khối nguồn.
a.Sơ đồ

b.Chức năng
Biến đổi dòng xoay chiều điện áp 15V thành dòng một chiều cấp cho chân vào
của TCA785.
c.Nguyên lý hoạt động
Dòng điện 15V xoay chiều qua cầu chỉnh lưu 1A làm biến đổi từ dòng xoay
chiều thành dòng một chiều.Khi qua IC ổn áp 7815 sẽ cho dòng điện có điện áp
15V ổn định.Sau khối chỉnh lưu cầu điện áp 15v được cho qua tụ 2200µF để san
GV hướng dẫn: ĐỖ CÔNG THẮNG

Trang 23


Đồ án 3: Điện Tử Công Suất

phẳng điện áp tạo điện áp ổn định cho IC ổn áp 7815 và mắc song với một tụ gốm
để loại bỏ thành phần sóng hài của điện áp xoay chiều sau IC 7815 ta mắc song

song với một led để báo mạch điều khiển có nguồn
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 dùng 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.

GV hướng dẫn: ĐỖ CÔNG THẮNG

Trang 24


Đồ án 3: Điện Tử Công Suất

Tín hiệu được đưa vào chân điều khiển G của Triac. Triac có nhiệm vụ điều
khiển mở dẫn dòng từ đó ta nhận được giá trị điện áp trên tải tương ứng với góc
mở của triac khi ta điều chỉnh biến trở V11 để điều 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:

Nhìn từ hình trên ta thấy do tải có tính cảm khám nên khi tắt vẫn có một phần
điện áp trả lại của động cơ .Nên có thể xuất hiện một vùng không hoạt động nếu
diện cảm lớn thì mạch có thể không hoạt động hoàn toàn

Nguyên nhân của hiện tượng này như sau :
Em xin trình bày với 2 tiristor mắc song song ngược (tương tự 1 triac)
Khi điện áp nguồn U1 đã đổi dấu mà cuộn dây điện cảm chưa xả hết năng
lượng, làm cho T1 vẫn dẫn từ π cho đến φ1 nếu T1 đang dẫn chứng tỏ T1 đang
phân cực thuận và điện áp Ua1a2>0.Khi T1 phân cực thuận chứng tỏ T2 phân cực
ngược. Do đó trong vùng từ φ1 cho đến π nếu có phát xung điều khiển T2 thì T2
không dẫn được .Phần này em cũng đã trình bày ở trên .
Thứ 2 là do khi có điện cảm, dòng điện không biến thiên đột ngột tại thời
điểm mở tiristor,điện cảm càng lớn khi dòng điện biến thiên càng chậm. Nếu độ
rộng xung điều khiển hẹp, dòng điện khi có xung điều khiển không đủ lớn hơn
dòng điện duy trì,do đó van bán dẫn không tự giữ dòng điện. Kết quả không có
GV hướng dẫn: ĐỖ CÔNG THẮNG

Trang 25