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

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập-Tự do- Hạnh phúc
ĐỒ ÁN MÔN HỌC
Khóa học: 2010-2014
Ngành học: Đo lường-Điều khiển tự động
Lớp: Đ- ĐT K8.4
ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU ÁP XOAY CHIỀU MỘT PHA ĐIỀU
KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ ĐIỆN.
Giảng viên hướng dẫn: Nguyễn Thị Thanh Tâm
Nhóm sinh viên thực hiện: Hoàng Lương Thái Sơn
Trần Văn ThoạiHưng Yên ngày 11 tháng 11 năm 2012
GV hướng dẫn: Nguyễn Thị Thanh Tâm Trang 1
Đồ án 3: Điện Tử Công Suất-TĐĐ
ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU ÁP XOAY CHIỀU MỘT PHA
ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ TẢI R-L.
I-Số liệu cho trước:
-Dòng xoay chiều với các thông số:
-Đông cơ với các thông số: U
đm
=220V; P
đm

2.2. Giới thiệu một số sơ đồ mạch động lực 9
2.3. Giới thiệu về phần tử bán dẫn triac 12
2.3.1 Cấu tạo và ký hiệu 12
2.3.2 Đặc tính V-A 13
2.4. Điều áp xoay chiều một pha ứng với tải R-L 14
PHẦN II: THIẾT KẾ MẠCH 17
CHƯƠNG I: THIẾT KẾ 17
1.1. Sơ đồ khối 17
1.2. Phân tích từng khối 17
1.2.1. Khối nguồn 17
1.2.2 .Mạch lực 18
1.2.3.Mạch điều khiển 20
1.2.3.1.Phân tích 20
1.2.3.2. Nguyên lý hoạt động 21
1.2.3.3.Giới thiệu TCA 785 22
1.2.3.4.Sơ đồ 26
CHƯƠNG II: CHẾ TẠO MẠCH 27
GV hướng dẫn: Nguyễn Thị Thanh Tâm Trang 3
Đồ án 3: Điện Tử Công Suất-TĐĐ
2.1. Tính toán thiết kế để chế tạo mô hình 27
2.1.1. Tính chọn van động lực 27
2.1.2. Chọn thiết bị bảo vệ 28
2.1.2.1. Bảo vệ quá nhiệt 28
2.1.2.2. Bảo vệ quá dòng điện cho van 29
2.1.2.3. Bảo vệ quá điện áp cho van 29
2.3. Sơ đồ board 34
2.4. Sơ đồ bố trí thiết bị 35
2.5. Phương hướng phát triển của đề tài 35
GV hướng dẫn: Nguyễn Thị Thanh Tâm Trang 4
Đồ án 3: Điện Tử Công Suất-TĐĐ

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.
1.2. 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
GV hướng dẫn: Nguyễn Thị Thanh Tâm Trang 6
Đồ án 3: Điện Tử Công Suất-TĐĐ
1.3. 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

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.
2.2. Giới thiệu một số sơ đồ mạch động lực
Hình 1 giới thiệu một số mạch điều áp xoay chiều một pha. Hình 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 cosϕ
thấp(nếu Z
f
là điện cảm ).
Hình 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 1b. Điều chỉnh bằng biến áp tự ngẫu có ưu điểm là có thể điều chỉnh điện áp U
2
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
GV hướng dẫn: Nguyễn Thị Thanh Tâm Trang 9
U
1
Z
f

Hình 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 kinh điển hình 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
GV hướng dẫn: Nguyễn Thị Thanh Tâm Trang 10
T
2
Z
T
1
U
1
Z
T
U
1
a.
D
2
Z
T
U
1
D
1
Hình 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.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 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 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).
GV hướng dẫn: Nguyễn Thị Thanh Tâm Trang 11
U
U
Tả
i
t
b
α
1
α
2
U
U
Tả
i

GV hướng dẫn: Nguyễn Thị Thanh Tâm Trang 12
Đồ án 3: Điện Tử Công Suất-TĐĐ
Trường hợp MT
2
(+), G(+). Thyristor T mở cho dòng chảy qua như một Thyristor
thông thường.
Trường hợp MT
2
(-), G(-). Các điện tử từ N
2
phóng vào P
2
. Phần lớn bị trường nội
tại E
E1
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.
2.3.2 Đặc tính

V-A.
Hình 5: Đặc tuyến V-A của triac
Triac có đường đặc tính V-A đối xứng nhận góc mở

θ
ω
L
R
Hằng dạng số tích phân A được xác định : Khi
αθ
=
thì i = 0. Biểu thức dòng tải i
có dạng:
i =
2
22
)( LR
V
ω
+
[ sin(
ψθ
−
) - sin(
ψα
−
)e
ψ
αθ
tg
−
]
Biểu thức này đúng trong khoảng
αθ

Đồ án 3: Điện Tử Công Suất-TĐĐ
Tiristor T
1
phải được khoá lại trước khi cho xung mở T
2
, nếu không thì không thể
mở được T
2
, tức
απβ
+≤
Để thoả mãn điều kiện này ta phải có:
ψα
≥
Hình 8: 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:
U
c
=
θθ
π
π
α
dV .2)sin2(
1
∫
= V.
π

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 =(
R
V
2
) đến 0
GV hướng dẫn: Nguyễn Thị Thanh Tâm Trang 15
Đồ án 3: Điện Tử Công Suất-TĐĐ
Dưới đây là bảng góc mở α ứng với từng loại tải :

GV hướng dẫn: Nguyễn Thị Thanh Tâm Trang 16
Đồ án 3: Điện Tử Công Suất-TĐĐ
PHẦN II: THIẾT KẾ MẠCH
CHƯƠNG I: THIẾT KẾ
1.1. Sơ đồ khối
1.2. Phân tích từng khối
1.2.1. 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 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
GV hướng dẫn: Nguyễn Thị Thanh Tâm Trang 17
Đồ án 3: Điện Tử Công Suất-TĐĐ

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
GV hướng dẫn: Nguyễn Thị Thanh Tâm Trang 19
Đồ án 3: Điện Tử Công Suất-TĐĐ
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:
Dưới đây là sơ đồ:
Tuỳ theo tải có điện cảm lớn cỡ nào mà ta thiết kế chọn độ rộng xung cho hợp lý
1.2.3.Mạch điều khiển
1.2.3.1.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 tắc
này để điều khiển góc mở
α
của Triac ta tạo ra một điện áp tựa dạng tam giác (điện áp
tựa răng cưa U
rc
). Dùng một điện áp một chiều U
đk
để so sánh với điện áp tựa. Tại thời
điểm hai điện áp này bằng nhau(U
đk
= U
rc

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 V
đk
khi giữ
nguyên dạng của V
rc
GV hướng dẫn: Nguyễn Thị Thanh Tâm Trang 21
Đồ án 3: Điện Tử Công Suất-TĐĐ
Trong một số trường hợp xung ra khối so sánh được đưa ngay đến đầu cực của thiết
bị cần điều khiển nhưng trong đa số các trường hợp thì tín hiệu ra khối so sánh chưa đủ
yêu cầu cần thiết. Người ta phải thực hiện việc khuếch đại thay đổi lại hình dáng xung.
Các nhiệm vụ này được thực hiên bởi một mạch gọi là mạch xung. Đầu ra của khối tạo
xung và khuếch đại xung sẽ được một chuỗi xung điều khiển có đủ các thông số yêu cầu

Hình 13: dạng sóng và chức năng của các chân TCA785
b.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
Dòng tiêu thụ I.S 4,5 6,5 10 mA
GV hướng dẫn: Nguyễn Thị Thanh Tâm Trang 23
Đồ án 3: Điện Tử Công Suất-TĐĐ
Điện áp vào điềukhiển,chân11
Trở kháng vào
V11
R11
0,2
15
V
10max
V
K
Ω
Mạch tạo răng cưa
Dòng nạp tụ
Biên độ của răng cưa
Điện trở mạch nạp

V13H
V13L
3,5 2,5
3,5
2,5 V
V
Xung ra, chân 14, 15
Điện áp ra mức cao
Điện áp ra mức thấp
Độ rộng xung hẹp
Độ rộng xung rộng
V14/1
5L
V14/1
5L
tp
tp
VS-3
0,3
20
530
VS-2,5
0,8
30
620,m
VS-1,0
2
40
760
V

REÌ
.

10911
Dòng nạp tụ: I
10
=
9
R
KV
REÌ
Điện áp trên tụ: V
10
=
109
.

CR
tKV
REÌ
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
α
từ 0
0
đến 180
0
điện.
Thông số chủ yếu của TCA 785:

b. Sơ đồ chức năng chân của vi mạch TCA785
GV hướng dẫn: Nguyễn Thị Thanh Tâm Trang 25

Trích đoạn Chọn thiết bị bảo vệ

---