Thiết kế bộ điều áp xoay chiều một pha điều khiển tốc độ quạt điện

Đồ Án 3: Điện Tử Công Suất-TĐĐ
TRƯỜNG ĐHSPKT HƯNG YÊN
KHOA ĐIỆN - ĐIỆN TỬ
------------

GVHD : Chu Thị Thanh Thơ
CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập-Tự do- Hạnh phúc
------------

ĐỒ ÁN MÔN HỌC
Khóa học: 2015-2016
Ngành học: Điện Tử Công Nghiệp
Lớp: Đ- ĐT K12.2

ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU ÁP XOAY CHIỀU MỘT PHA
ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ QUẠT ĐIỆN.

Giảng viên hướng dẫn: Chu Thị Thanh Thơ
Nhóm sinh viên thực hiện: Đào Trọng Hưng
Đào Ngọc Tú
Phạm Văn Việt

Hưng Yên , tháng 4 năm 2016

Trang 1


Đồ Án 3: Điện Tử Công Suất-TĐĐ

GVHD : Chu Thị Thanh Thơ

ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU ÁP XOAY CHIỀU MỘT PHA ĐIỀU KHIỂN
TỐC ĐỘ QUẠT ĐIỆN.
I-Nội dung cần hoàn thành:
 Thuyết minh đề tài: (Phân tích yêu cầu, trình bày các phương pháp thực hiện,
cơ sở lý thuyết, quá trình thực hiện đồ án,…)
 Các bản vẽ thiết kế cho từng khối, cho toàn bộ mạch đầy đủ chính xác.
 Phải đảm bảo tính khả thi, tính ổn định khi làm việc của sản phẩm.
 Sản phẩm còn phải đảm bảo tính mỹ quan mà vẫn đảm bảo tính kỹ thuật đáp
ứng được yêu cầu của giáo viên hướng dẫn.
 Trình bày được hướng phát trển của đề tài.

Trang 2


Đồ Án 3: Điện Tử Công Suất-TĐĐ

GVHD : Chu Thị Thanh Thơ

MỤC LỤC
MỤC LỤC......................................................................................................................... 3
LỜI NÓI ĐẦU...................................................................................................................4
CHƯƠNG I: ĐỘNG CƠ ĐIỆN XOAY CHIỀU MỘT PHA..........................................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...........................................................5
CHƯƠNG II: BỘ ĐIỀU ÁP XOAY CHIỀU MỘT PHA...............................................7
2.1. Các phương án điều áp một pha...........................................................................7
2.2. Đặt vấn đề.............................................................................................................. 9
2.3. Giới thiệu về phần tử bán dẫn triac...................................................................10

2.3.1 Cấu tạo và ký hiệu...........................................................................................10
2.3.2 Đặc tính V-A...................................................................................................11
2.4. Điều áp xoay chiều một pha ứng với tải R-L.....................................................11
2.5 Giới thiệu TCA 785...............................................................................................13
CHƯƠNG III : TÍNH CHỌN THIẾT BỊ......................................................................17
3.1. Tính toán thiết kế để chế tạo mô hình................................................................17
3.1.1 Tính chọn van động lực..................................................................................17
3.1.2. Chọn thiết bị bảo vệ........................................................................................18
3.1.2.1. Bảo vệ quá nhiệt......................................................................................18
3.1.2.2. Bảo vệ quá dòng điện cho van.................................................................19
3.1.2.3. Bảo vệ quá điện áp cho van.....................................................................19
3.2. Sơ đồ khối.............................................................................................................21
3.2.1 Phân tích từng khối..........................................................................................22
3.2.1.1 . Khối nguồn.............................................................................................22
3.2.1.2 .Mạch lực.................................................................................................22
3.2.1.3.Mạch điều khiển.......................................................................................24
3.3. Sơ đồ nguyên lý toàn mạch.................................................................................26
CHƯƠNG IV : CÁC BƯỚC THỰC HIỆN..................................................................28
4.1. Sơ đồ bố trí thiết bị..............................................................................................28
4.2. Sơ đồ board..........................................................................................................29
4.3. Phương hướng phát triển của đề tài...................................................................30
LỜI KẾT.........................................................................................................................31
TÀI LIỆU THAM KHẢO..............................................................................................32

Trang 3


Đồ Án 3: Điện Tử Công Suất-TĐĐ

GVHD : Chu Thị Thanh Thơ

LỜI NÓI ĐẦU
Điện tử công suất và truyền động điên là một môn học hay và lý thú, cuốn hút
được nhiều sinh viên theo đuổi. Là những sinh viên chuyên ngành Điện Tử Công
Nghiệp, chúng em muốn được tiếp cận và hiểu sâu hơn nữa bộ môn điện tử công suất
và truyền động điện.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 “ Thiết Kế
Bộ Điều Áp Xoay Chiều Một Pha Điều Khiển Tốc Độ Quạt Điện”. 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 tận tình của cô Chu Thị Thanh Thơ, 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 thầy cô giáo và bạn trong các
đồ án sau này.
Chúng em xin chân thành cảm ơn!
Nhóm thực hiện:
Đào Trọng Hưng
Đào Ngọc Tú
Phạm Văn Việt

Trang 4


Đồ Án 3: Điện Tử Công Suất-TĐĐ

GVHD : Chu Thị Thanh Thơ

CHƯƠNG I: ĐỘNG CƠ ĐIỆN XOAY CHIỀU MỘT PHA
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 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 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

Hình 1.1 : a_Điều khiển động cơ 1 pha bằng tổng trở phụ
b_ Điều khiển động cơ 1 pha bằng biến áp tự ngẫu
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 1.2:
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.

Trang 5


Đồ Án 3: Điện Tử Công Suất-TĐĐ

GVHD : Chu Thị Thanh Thơ

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 1.2a. 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 1.2b 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 điện áp ra lớn hơn. Ngược lại điện trở của VR càng lớn tụ nạp càng chậm Triac
mở càng chậm lại điện áp và tốc độ của quạt nhỏ xuống.
* 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.

Hình 1.2 Sơ đồ mạch điều khiển quạt

Hình 1.3 Mạch điều khiển động cơ 1 pha bằng
a_triristor
b_triac

Trang 6


Đồ Án 3: Điện Tử Công Suất-TĐĐ

GVHD : Chu Thị Thanh Thơ

CHƯƠNG II: BỘ ĐIỀU ÁP XOAY CHIỀU MỘT PHA
2.1. Các phương án điều áp một pha
Hình 2.1 giới thiệu một số mạch điều áp xoay chiều một pha. Hình 2.1a là điều
áp xoay chiều điều khiển bằng cách mắc nối tiếp với tải một điện 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 Z f
là điện trở) hay cos thấp (nếu Zf là điện cảm).

Z
f
U1

TBB§
U2 i

a

Z

U1

i
b

Z U2

i

U1

Z U2

C

Hình 2.1 Các phương án điều áp một pha
Người ta có thể dùng biến áp tự ngẫu để điều chỉnh điện áp xoay chiều U 2 như
trên hình 2.1b. 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 2.1a,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 2.1c 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.

Trang 7


Đồ Án 3: Điện Tử Công Suất-TĐĐ

GVHD : Chu Thị Thanh Thơ

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 2.2: Sơ đồ điều áp xoay chiều một pha bằng bán dẫn
a. bằng hai tiristor song song ngược
b. bằng triac
c. bằng một tiristor một diod
d. bằng bốn diod một tiristor
Sơ đồ hình 2.2.a 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 2.3.b.
Điện áp và dòng điện không đối xứng như hình 2.3.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.

Trang 8


Đồ Án 3: Điện Tử Công Suất-TĐĐ

U

UTải

GVHD : Chu Thị Thanh Thơ



t



a

UTải

U
1

2

t
b

Hình2.3: 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 2.2.b. Sơ đồ này có ưu điểm là các
đường cong điện áp ra gần như mong muốn như hình 2.3.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 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 2.2.b ít dùng.
Sơ đồ hình 2.2.c 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 2.2.d 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
2.2. 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 t 1 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 t1 hay t0 trong khoảng T

Trang 9


Đồ Án 3: Điện Tử Công Suất-TĐĐ

GVHD : Chu Thị Thanh Thơ

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.
2.3. Giới thiệu về phần tử bán dẫn triac.
2.3.1 Cấu tạo và ký hiệu

Hình 2.4: 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

Trang 10


Đồ Án 3: Điện Tử Công Suất-TĐĐ

GVHD : Chu Thị Thanh Thơ

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.

2.3.2 Đặc tính V-A.

Hình 2.5: Đặc tuyến V-A của triac
Triac có đường đặc tính V-A đối xứng nhận góc mở  trong cả hai chiều
2.4. Điều áp xoay chiều một pha ứng với tải R-L

Hình2.6: Hình dáng dòng điện và điện áp đối với tải R-L
Khi tiristor T1 mở có phương trình:
L
i=

2

di
+ Ri =
dt

2 sin  t

R




- L
2
2 sin(
)
+
Ae

R  (L)
V

Hằng dạng số tích phân A được xác định: Khi   thì i = 0. Biểu thức dòng tải
i có dạng:

Trang 11


Đồ Án 3: Điện Tử Công Suất-TĐĐ
i=

2

GVHD : Chu Thị Thanh Thơ

V
2

R  (L)

[ sin(    ) - sin(    )e

2


]
tg

Biểu thức này đúng trong khoảng   đến   

Góc  được thay đổi bằng cách thay    và đặt i= 0
Sin(



)- sin(




).e- tg = 0

L
Trong biểu thức trên: tg =
R

Tiristor T1 phải được khoá lại trước khi cho xung mở T 2, nếu không thì không thể
mở được T2, tức    
Để thoả mãn điều kiện này ta phải có:  

Hình 2.7: 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:


Uc =

1
2  2  sin 2

( 2V sin  )2.d = V.


2

Giá trị hiệu dụng của dòng tải:
Ic =

V
2  2  sin 2
.(
)
R
2

Công suất tác dụng cung cấp cho mạch tải:
2  2  sin 2
V2
).(
)
2
R
Như vậy bằng cách làm biến đổi góc  từ 0 đến  , người ta có thể điều chỉnh

P = UcIc = (

V2
được công suất tác dụng từ giá trị cực đại P =(
) đến 0
R

Trang 12


Đồ Án 3: Điện Tử Công Suất-TĐĐ

GVHD : Chu Thị Thanh Thơ

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

2.5 Giới thiệu TCA 785
Vi mạch TCA 785 là vi mạch phức hợp thực hiện được 4 chức năng của một
mạch điều khiển: tạo điện áp đồng bộ, tạo điện áp răng cưa đồng bộ, so sánh và tạo
xung ra.

a. Ký hiệu và chức năng của TCA 785.
Chân

Ký hiệu

Chức năng

Chân

Ký hiệu

Chức năng

1

OS

Chân nối đất

9

R9

Điện trở tạo mạch răng
cưa

2

Q *2*

Đầu ra 2 đảo

10

C10

Tụ tạo mạch răng cưa

3

QU

Đầu ra U

11

V11

Điện áp điều khiển

4

Q 1*

Đầu ra 1 đảo

12

C12

Tụ tạo độ rộng xung

5

VSYNC

Điện áp đồng bộ

13

L

Tín hiệuđiều khiển xung
ngắn, xung rộng

6

I

Tín hiệu cấm

14

Q1

Đầu ra 1

7

QZ

Đầu ra z

15

Q2

Đầu ra 2

8

VREF

Điện áp chuẩn

16

Vs

Điện áp nguồn nuôi

Trang 13


Đồ Án 3: Điện Tử Công Suất-TĐĐ

GVHD : Chu Thị Thanh Thơ

Hình 2.8: dạng sóng và chức năng của các chân TCA785

Trang 14


Đồ Án 3: Điện Tử Công Suất-TĐĐ

GVHD : Chu Thị Thanh Thơ

b.Các thông số của TCA 785.

Thông số

Giá trị tiêu
Giá trị
biều
Giá trị

Đơn vị
nhỏ nhất F =50Hz
lớn nhất
Vs = 5v
4,5
6,5
10
mA

Dòng tiêu thụ

I.S

Điện áp vào
điềukhiển,chân11
Trở kháng vào

V11
R11

0,2

I10
V10

10

R9
TP

3

4

Mạch tạo răng cưa
Dòng nạp tụ
Biên độ của răng cưa
Điện trở mạch nạp
Thời gian sườn ngắn của
xung răng cưa

V10max

V
K

A

1000
VS-2

V

80

300

K
S

3,3
3,3

2,5

V
V

3,5

2,5
3,5

2,5

V
V

V14/15L
V14/15L
tp
tp

VS-3
0,3
20
530

VS-2,5
0,8

30
620,m

VS-1,0
2
40
760

V
V
S
 S/nF

Vref
 ref

2,8

3,1
2 x10-4

3,4
5x10-4

V
1/K

Tín hiệu cấm vào, chân 6
Cấm
V6I

Cho phép
V6H
Độ rộng xung ra, chân13
Xung hẹp
V13H
Xung rộng
V13L
Xung ra, chân 14, 15
Điện áp ra mức cao
Điện áp ra mức thấp
Độ rộng xung hẹp
Độ rộng xung rộng
Điện áp điều khiển
Điện áp chuẩn
Góc điều khiển ứng với
điện áp chuẩn

15

Tính toán các phần tử bên ngoài:
Tụ răng cưa: C10
Min = 500pF; Max = 1  F
Thời điểm phát xung:

tTr =

V11 .R9 .C10
V REÌ .K

Trang 15

Đồ Án 3: Điện Tử Công Suất-TĐĐ

GVHD : Chu Thị Thanh Thơ

Dòng nạp tụ:

I10 =

Điện áp trên tụ:

V10 =

V REÌ K
R9
V REÌ .K .t
R9 .C10

TCA 785 do hãng Siemen chế tạo, được sử dụng để điều khiển các thiết bị chỉnh
lưu, thiết bị chỉnh dòng điện áp xoay chiều.
Có thể điều chỉnh góc  từ 00 đến 1800 điện.
Thông số chủ yếu của TCA 785:
+ Điện áp nuôi: US = 18V
+ Dòng điện tiêu thụ: IS = 10mA
+ Dòng điện ra: I = 50mA
+ Điện áp răng cưa: Ur max = (US - 2)V
+ Điện trở trong mạch tạo điện áp răng cưa: R9 = 20K   500K 
+ Điện áp điều khiển: U11 = -0,5  (US-2)V
+ Dòng điện đồng bộ: IS = 200  A

+ Tụ điện: C10 = 0,5  F
+ Tần số xung ra: f = 10  500 Hz
c. Sơ đồ chức năng chân của vi mạch TCA785

Hình 2.8: sơ đồ khối chức năng chân của tca785

Trang 16


Đồ Án 3: Điện Tử Công Suất-TĐĐ

GVHD : Chu Thị Thanh Thơ

CHƯƠNG III : TÍNH CHỌN THIẾT BỊ
3.1. Tính toán thiết kế để chế tạo mô hình
3.1.1 Tính chọn van động lực
Dựa vào các yếu tố cơ bản dòng tải, sơ đồ cần chọn, điều kiện tản nhiệt, điện áp
làm việc.
P: Công suất định mức của tải Pđm=0.2 Kw
U: Điện áp định mức U=220V
cos: Hệ số công suất tải lấy cos =0,8
Khi đó:
Điện áp làm việc cực đại của triac
U = K .U =

2 .220 = 311,13V

Điện áp của van cần chọn
U = K . U = 1.8.311,13 = 560,034 V
K là hệ số dự trữ điện áp .Với phần tính toán này chúng em lấy điện áp dự trữ

của van là Kdt=1.8
Dòng điện làm việc của van được tính theo dòng hiệu dụng
Itải=1.136 A
Với I Tai =

P
= 200/(220×0.8)=1.136 A
U . cos 

Chọn điều kiện làm việc của van: có cánh tản nhiệt không có quạt đối lưu
Dòng điện định mức của van cần chọn
Ilv =30%Idmvan = 3.786 A
Với các thông số trên theo datasheet cũng như độ phổ biến ngoài thị trường
chúng em quyết định lựa chọn loại van sau :
BT-136 600E có các thông số sau:
Điện áp định mức: Uđm = 600 V.
Dòng điện định mức: Iđm = 4 A.
Dòng điện điều khiển: Iđk = 50 m A.
Điện áp điều khiển: Uđk = 1.5V.
Dòng điện rò: Ir = 500 A .
Dòng điện duy trì: Ih = 15 mA.
Sụt trên van khi mở:  U = 1.7 V.
Thời gian giữ xung điều khiển: tx = 2 s
Tốc độ tăng điện áp:

du
= 500 V/  s.
dt

Nhiệt độ làm việc cực đại: T0C = 1250C.

Trang 17


Đồ Án 3: Điện Tử Công Suất-TĐĐ

GVHD : Chu Thị Thanh Thơ

Trên đây là thông số em chọn ứng với tải là động cơ điện một pha công suất
nhỏ.các giá trị của nguồn khó có thể vượt qua giá trị này nên chúng em quyết định sử
dung TCA 600E làm van mạch lực.
Các giá trị trên em lấy trên datasheet của triac
Với các giá trị của van đều đáp ứng và sát các thông số yêu cầu của đông cơ nên
chúng em quyết định sử dụng van này trong mạch
3.1.2. Chọn thiết bị bảo vệ.
3.1.2.1. Bảo vệ quá nhiệt.
Triac làm việc với dòng điện tối đa I max = 1.136 A chịu một tổn hao trên van là ( 
P1) và khi chuyển mạch (  P2). Tổng tổn hao sẽ là:
 P =  P1 +  P2   P1 =  U.Ilv = 1,6.1.136 = 1,82W.
Tổn hao công suất này sinh ra nhiệt. Mặt khác van chỉ làm việc tới nhiệt độ tối đa
cho phép là T = 1250C. Do đó phải bảo vệ van bằng cách gắn van bán dẫn lên cánh toả
nhiệt.
Khi van bán dẫn được mắc vào cánh toả nhiệt bằng đồng hoặc nhôm, nhiệt độ
của van được toả ra môi trường xung quanh nhờ bề mặt của cánh toả nhiệt. Sự toả
nhiệt này là nhờ vào sự chênh lệch nhiệt giữa cánh toả nhiệt và môi trường xung
quanh. Khi cánh toả nhiệt nóng lên, nhiệt độ xung quanh cánh toả nhiệt nóng lên.
Nhiệt độ xung quanh cánh toả nhiệt tăng lên. Làm cho tốc độ dẫn nhiệt ra môi trường
không khí bị chậm lại. Diện tích bề mặt toả nhiệt được tính:
Stn =

P
K tn .

Tổn hao công suất:  P = 1,82W.
Độ chênh lệch nhiệt độ so với môi trường:  = Tlv – Tmt
Có Tlv = 1250C, chọn nhiệt độ môi trường: Tmt = 400C.
  = 125 - 40 = 85 0C
Ktn: Hệ số có xét tới điều kiện tỏa nhiệt.
Chọn Ktn = 8.10-4 W/cm2 0C.
 Stn =

1,82
= 26,76 cm2
8.10  4.85

Trang 18


Đồ Án 3: Điện Tử Công Suất-TĐĐ

GVHD : Chu Thị Thanh Thơ

Hình 3.1: hình dạng cánh tản nhiệt cho triac
3.1.2.2. Bảo vệ quá dòng điện cho van.
*Chọn cầu chì tác động nhanh để bảo vệ ngắn mạch nguồn:
Icc = 1,1Ilv = 1,1.1,136 = 1,25 A.
Chọn một cầu chì loại 1 A.
3.1.2.3. Bảo vệ quá điện áp cho van.
a. Bảo vệ quá điện áp do quá trình đóng cắt Triac được thực hiện bằng cách mắc
R-C song song với triac (hoặc thyristor). Khi có sự chuyển mạch các điện tích tích tụ

trong các lớp bán dẫn, phóng ra ngoài tạo ra dòng điện ngược trong khoảnh thời gian
ngắn. Sự biến thiên nhanh chóng của dòng điện ngược sẽ gây ra sức điện động cảm
ứng rất lớn trong các điện cảm làm cho quá điện áp giữa Anot và Katot của triac (hoặc
thyristor). Khi có mạch R - C mắc song song với triac (hoặc Thyristor) tạo ra mạch
vòng phóng điện trong quá trình chuyển mạch nên triac (hoặc thyristor) không bị quá
điện áp.

C

R

Hình
3.2 : sơ đồ mạch động lực
được lựa chọn
Thông thường chọn R
= 10  100  , C = 0,1 
1000  F.
Trên đây chúng em xin trình bày cách tính chọn van và mạch dộng lực cho mạch
điều khiển !
b. Tính chọn phần tử cách ly
Có rất nhiều phương án cho khâu cách ly đó có thể dung phần tử cách ly quang
biến áp xung hay với mạch công suất nhỏ chỉ cần dùng diot để chống ngược dòng

Trang 19


Đồ Án 3: Điện Tử Công Suất-TĐĐ

GVHD : Chu Thị Thanh Thơ

Trong phạm vi đề tài là ứng dụng với tải công suất trung bình và nhỏ để đáp ứng
được tính gọn nhẹ và gái thành của mạch phương án sử dụng cách ly quang được
chúng em quyết định sử dụng vì khá hiệu quả giá thành rẻ gọn nhẹ và cách ly an toàn
giữa mạch lực và mạch điều khiển từ các thông số trên chúng em quyết định sử dụng
MOC 3020 để thực hiện khâu cách ly này
Sau đây là một số sơ đồ kết nối trong datasheet :

Hình 3.3 : Các sơ đồ kết nối trong datasheet
Một số sơ đồ kết nối của MOC 3020 ứng với các loại tải khác nhau sau đây là sơ
đồ kết nối trong khâu cách ly của chúng em

Trang 20


Đồ Án 3: Điện Tử Công Suất-TĐĐ

GVHD : Chu Thị Thanh Thơ

Hình 3.4: Sơ đồ khối và sơ đồ nguyên lý của moc 3020

3.2. Sơ đồ khối

Trang 21


Đồ Án 3: Điện Tử Công Suất-TĐĐ

GVHD : Chu Thị Thanh Thơ

3.2.1 Phân tích từng khối

3.2.1.1 . Khối nguồn
a.Sơ đồ

Hình 3.5 : sơ đồ khối nguồn
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 mạch nguồn
Dòng điện 15V xoay chiều qua cầu chỉnh lưu 3A 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 1000µF để san 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
3.2.1.2 .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.

Trang 22


Đồ Án 3: Điện Tử Công Suất-TĐĐ

GVHD : Chu Thị Thanh Thơ

a. Sơ đồ mạch

Hình 3.6 : sơ đồ mạch lực
b.Nguyên lý làm việc
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 VR6 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:

Hình 3.7 : 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

Trang 23


Đồ Án 3: Điện Tử Công Suất-TĐĐ

GVHD : Chu Thị Thanh Thơ

Nguyên nhân của hiện tượng này như sau :
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 dòng điện, van sẽ
không mở. Hiện tượng này sẽ thấy ở cuối và đầu chu kỳ điện áp, lúc đó điện áp tức
thời đặt vào van bán dẫn nhỏ. Khi kết thúc xung điều khiển, dòng điện còn nhỏ hơn
dòng duy trì nên van bán dẫn khoá luôn. Chỉ khi nào điện áp mở ở van đủ lớn hơn
dòng dòng điện duy trì, dòng điện mới tồn tại trong mạch
Để khắc phục hiện tường này là tạo xung gián đoạn bằng chùm xung liên tiếp
như hình vẽ dưới đây. Từ thời điểm mở van cho tới cuối bán kỳ:

Hình 3.8 : tạo xung gián đoạn bằng chùm xung liên tiếp
Tuỳ theo tải có điện cảm lớn cỡ nào mà ta thiết kế chọn độ rộng xung cho hợp lý
3.2.1.3.Mạch điều khiển
a. .Phân tích
Điều khiển Triac trong sơ đồ chỉnh lưu hiện nay có rất nhiều phương pháp khác
nhau thường gặp là điều khiển theo nguyên tắc thẳng đứng tuyến tính. Theo nguyên

Trang 24


Đồ Án 3: Điện Tử Công Suất-TĐĐ

GVHD : Chu Thị Thanh Thơ

tắc này để điều khiển góc mở  của Triac ta tạo ra một điện áp tựa dạng tam giác
(điện áp tựa răng cưa Urc). Dùng một điện áp một chiều Uđk để so sánh với điện áp tựa.
Tại thời điểm hai điện áp này bằng nhau(Uđk= Urc) .
Trong vùng điện áp dương anot thì phát xung điều khiển cho tới cuối bán kỳ
(hoặc tới khi dòng điện bằng 0) .
Để thực hiện ý đồ trên mạch điều khiển bao gồm 3 khâu cơ bản:

Hình 3. 9: Sơ đồ khối các khâu trong mạch điều khiển

* Nhiệm vụ của các khâu trong sơ đồ khối như sau:
1. Khâu đồng bộ: Có nhiệm vụ tạo ra điện áp tựa U rc tuyến tính trùng pha với
điện áp Anot (cực G) của Thyristor (triac)
2. Khâu so sánh: Nhận tín hiệu điện áp tựa và điện áp điều khiển. Có nhiệm vụ
so sánh giữa điện áp tựa với điện áp điều khiển U đk. Tìm thời điểm hai điện áp bằng
nhau(Uđk= Urc). Tại thời điểm hai điện áp này bằng nhau thì phát xung điều khiển ở
đầu ra để gửi sang tầng tạo xung và khuếch đại xung.
3. Khâu tạo xung và khuếch đại xung:
Có nhiệm vụ tạo xung phù hợp để mở Triac. Xung để mở Triac cần có các yêu
cầu: Sườn trước dốc thẳng đứng để đảm bảo mở Triac tức thời khi có xung điều khiển
(Thường gặp là xung kim hoặc xung chữ nhật) đủ độ rộng (với độ rộng xung lớn hơn
thời gian mở củacTriac). Cách ly giữa mạch điều khiển và mạch động lực (nếu điện áp
động lực quá lớn) đủ công suất.
b. Nguyên lý hoạt động mạch điều khiển.
Tín hiệu điện áp cung cấp cho mạch điều khiển được đưa đến khối đồng pha.
Đầu ra của khối này có điện áp thường là hình sin cùng tần số và có thể lệch pha một
góc xác định so với điện áp nguồn. Điện áp này gọi là điện áp đồng bộ V đb. Đầu ra của
mạch phát điện răng cưa ta có các điện áp răng cưa đồng bộ về tần số và góc pha với
điện áp đồng bộ. Các điện áp này gọi là điện áp răng cưa V rc. Điện áp răng cưa V rc
được đưa vào đầu vào của khối so sánh. Tại đó có một tín hiệu khác nữa là điện áp một
chiều điều chỉnh lấy từ ngoài. Hai tín hiệu này được mắc với cực tính sao cho tác động
của chúng lên mạch so sánh là ngược chiều nhau. Khối so sánh làm nhiệm vụ so sánh
hai tín hiệu này. Tại thời điểm hai tín hiệu này bằng nhau thì tín hiệu đầu ra khối so
sánh là các xung xuất hiện với chu kỳ của V rc. Xung răng cưa có hai sườn trong đó có
một sườn mà tại đó thì đầu ra khối so sánh xuất hiện một xung điện áp thì sườn đó là
sườn sử dụng. Vậy ta có thể thay đổi thời điểm của xung xuất hiện tại đầu ra khối so
sánh bằng cách thay đổi Vđk khi giữ nguyên dạng của Vrc
Trang 25