Tải bản đầy đủ

THIẾT KẾ CHẾ TẠO MÔ HÌNH THÍ NGHIỆM MẠCH KÍCH ĐỒNG BỘ ỨNG DỤNG ĐIỀU KHIỂN THYRISTOR, TRIAC

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC NÔNG LÂM THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP

THIẾT KẾ CHẾ TẠO MÔ HÌNH THÍ NGHIỆM MẠCH KÍCH
ĐỒNG BỘ ỨNG DỤNG ĐIỀU KHIỂN THYRISTOR, TRIAC

Họ và tên sinh viên
Ngành
Niên Khóa

: NGUYỄN THÀNH NHÂN
VÕ THÀNH LUÂN
: CƠ ĐIỆN TỬ
: 2013 - 2017

Tháng 6 năm 2017


THIẾT KẾ CHẾ TẠO MÔ HÌNH MẠCH KÍCH ĐỒNG BỘ ỨNG DỤNG

ĐIỀU KHIỂN THYRISTOR, TRIAC

Tác giả

NGUYỄN THÀNH NHÂN
VÕ THÀNH LUÂN

Khóa luận được đệ trình để đáp ứng yêu cầu
cấp bằng Kỹ sư ngành
cơ- điện tử

Giảng viên hướng dẫn :
Th.S Nguyễn Đăng Khoa

Tháng 6 năm 2017

1


CẢM TẠ
Em xin trân trọng cảm ơn tất cả quý thầy cô ở trường Đại học Nông Lâm TP.Hồ
Chí Minh và quý Thầy Cô trong khoa Cơ Khí - Công Nghệ đã trang bị cho em những
kiến thức quý báu cũng như đã giúp đỡ em trong suốt quá trình học tập tại trường.
Em xin chân thành cảm ơn các thầy cô trong bộ môn Cơ Điện Tử đã giúp đỡ
chúng em nhiệt tình trong thời gian thực hiện đề tài.
Em cũng xin bày tỏ sự biết ơn chân thành đối với thầy Nguyễn Đăng Khoa đã
tận tình hướng dẫn em trong suốt quá trình làm Luận văn tốt nghiệp.
Đặc biệt, em xin cảm ơn quý thầy cô trong hội đồng đã dành thời gian nhận xét
và góp ý để luận văn của em hoàn thiện hơn.
Cuối cùng, em xin gửi lời cảm ơn đến những người thân cũng như bạn bè đã
động viên, ủng hộ và luôn tạo cho em mọi điều kiện thuận lợi trong suốt quá trình
hoàn thành luận văn.

TPHCM, ngày 18 tháng 06 năm 2017
Sinh viên thực hiện
NGUYỄN THÀNH NHÂN
VÕ THÀNH LUÂN

2


TÓM TẮT
Đề tài nghiên cứu “Thiết kế, chế tạo mô hình thí nghiệm mạch kích đồng bộ
ứng dụng điều khiển Thyristor, Triac” được thực hiện tại trường Đại Học Nông Lâm
Thành Phố Hồ Chí Minh, thời gian từ tháng 2 đến tháng 6 năm 2017.
Kết quả của đề tài bao gồm :
Thiết kế và chế tạo thành công mô hình thí nghiệm biến đổi điện áp xoay
chiều và chỉnh lưu có điều khiển ( bán phần và toàn phần ) bao gồm :
Module điều khiển đồng bộ
Module cách li : cách li quang và cách li biến áp xung.
Module công suất : Triac , Thyristor, Diode.
Module tải : điện trở công suất, cuộn cảm, đèn.
Module nguồn : nguồn xoay chiều và nguồn 1 chiều.
Xây dựng các mô hình thí nghiệm
Mô hình thí nghiệm biến đổi điện áp xoay chiều dùng Triac và Thyristor
Mô hình thí nghiệm chỉnh lưu có điều khiển (bán phần và toàn phần) dùng
Thyristor và Diode
Viết chương trình điều khiển hoạt động của thiết bị cho vi điều khiển

3


MỤC LỤC
Trang
CẢM TẠ............................................................................................................................ ii
TÓM TẮT........................................................................................................................ iii
MỤC LỤC........................................................................................................................ iv
DANH SÁCH CÁC CHỬ VIẾT TẮT............................................................................viii
DANH SÁCH CÁC HÌNH...............................................................................................ix
CHƯƠNG 1.MỞ ĐẦU....................................................................................................1
1.1 Đặt vấn đề...................................................................................................................1
1.2 Mục đích đề tài............................................................................................................ 2
CHƯƠNG 2.TỔNG QUAN............................................................................................4
2.1 Triac và Thyristor........................................................................................................4
2.1.1 Triac(Triode Alternative Current)...........................................................................4
2.1.1.1 Khái niệm.............................................................................................................. 4
2.1.1.2 Đặc điểm...............................................................................................................4
2.1.1.3 Đặc tuyến và phương pháp điều khiển.................................................................5
2.1.1.4 Ứng dụng............................................................................................................... 6
2.1.2 Thyristor(Thyratron và Transistor)..........................................................................6
2.1.2.1 Khái niệm.............................................................................................................. 6
2.1.2.2 Cấu tạo..................................................................................................................7
2.1.2.3 Nguyên lí hoạt động..............................................................................................8
2.1.2.4 Đặc tuyến và sơ đồ điều khiển.............................................................................9
2.2 Phương pháp điều khiển điện áp xoay chiều...........................................................10
2.2.1 Điều khiển bằng Thyristor.....................................................................................10
2.2.1.1 Sơ đồ cấu trúc.....................................................................................................10
2.2.1.2 Nguyên tắc điều khiển........................................................................................11
2.2.1.3 Kết luận............................................................................................................... 12
2.2.2 Điều khiển bằng Triac............................................................................................12
2.2.3 Sơ đồ mạch lực biến đổi điện áp xoay chiều........................................................14
4


2.3 Phân tích bộ biến đổi điện áp...................................................................................16
2.4 Phân tích bộ chỉnh lưu..............................................................................................18
2.4.1 Chỉnh lưu điều khiển bán phần..............................................................................19
2.4.2 Chỉnh lưu điều khiển toàn phần............................................................................22
2.4.2.1 Trường hợp tải là thuần trở R.............................................................................22
2.4.2.2 Trường hợp tải thuần trở R mắc nối tiếp tải cảm RL.........................................23


2.5 Khảo sát mô hình thí nghiệm VIELINA..................................................................26
2.5.1 Sơ đồ mạch điều khiển..........................................................................................26
2.5.2 Sơ đồ mạch cách li.................................................................................................26
2.5.3 Sơ đồ moduel công suất.........................................................................................27
2.5.4 Sơ đồ moduel tải....................................................................................................28
2.6 Đề xuất nhiệm vụ đề tài............................................................................................28
CHƯƠNG 3.NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU.............................30
3.1Vật liệu....................................................................................................................... 30
3.2 Nội dung của đề tài...................................................................................................30
3.3 Phương pháp điều khiển...........................................................................................31
3.3.1 Phương pháp lí thuyết............................................................................................31
3.3.2 Phương pháp điều khiển........................................................................................31
CHƯƠNG 4. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN...............................................................32
4.1 Thiết kế mô hình thí nghiệm bộ biến đổi AC-AC....................................................32
4.1.1 Module điều khiển (Control moduel)....................................................................33
4.1.1.1 Lưu đồ thuật toán................................................................................................34
4.1.1.2 Sơ đồ của moduel điều khiển.............................................................................34
4.1.1.3 Nguyên lí hoạt động...........................................................................................35
4.1.1.4 Kết quả................................................................................................................35
4.1.2 Module cách li ( Isolated module)........................................................................39
4.1.2.1 Cách li quang( Opto- coupler)..............................................................................39
4.1.2.1.1 Sơ đồ cách li quang...........................................................................................39
4.1.2.1.2 Nguyên lí hoạt động........................................................................................40
4.1.2.1.3 Kết quả.............................................................................................................40
4.1.2.2 Cách li dùng biến áp xung ( Isolation transformer ).............................................41
4.1.2.2.1 Sơ đồ cách li biến áp xung..............................................................................41
4.1.2.2.2 Nguyên lí hoạt động........................................................................................41
4.1.2.2.3 Kết quả.............................................................................................................42
4.1.3 Module công suất( Capaticy module )...................................................................43
4.1.3.1 Sơ đồ module công suất......................................................................................43
4.1.3.2 Nguyên lí hoạt động...........................................................................................43
4.1.3.3 Kết quả................................................................................................................44
4.1.4 Module tải ( Load module)....................................................................................44
5


4.1.4.1 Sơ đồ module tải.................................................................................................44
4.1.4.2 Kết quả................................................................................................................45
4.1.5 Module nguồn (Power supply module).................................................................45
4.1.5.1 Sơ đồ module nguồn...........................................................................................45
4.1.5.2 Kết quả................................................................................................................46
4.2 Xây dựng mô hình thí nghiệm..................................................................................46
4.2.1 Mô hình thí nghiệm biến đổi điện áp xoay chiều dùng Thyristor, Triac..............46
4.2.1.1 Sơ đồ điều khiển đồng bộ pha cho Triac............................................................46
4.2.1.1.1 Thiết bị sử dụng...............................................................................................47
4.2.1.1.2 Tiến hành thí nghiệm.......................................................................................47
4.2.1.1.3 Kết quả đạt được..............................................................................................47
4.2.1.2 Sơ đồ điều áp xoay chiều dùng 2 Thyristor mắc song song ngược...................53
4.2.1.2.1 Thiết bị sử dụng...............................................................................................54
4.2.1.2.2 Tiến hành thí nghiệm.......................................................................................54
4.2.1.2.3 Kết quả đạt được..............................................................................................54
4.2.2 Mô hình thí nghiệm chỉnh lưu...............................................................................57
4.2.2.1 Mô hình thí nghiệm chỉnh lưu điều khiển bán phần..........................................57
4.2.2.1.1 Sơ đồ chỉnh lưu điều khiển bán phần .............................................................57
4.2.2.1.2 Thiết bị sử dụng...............................................................................................57
4.2.2.1.3 Tiến hành thí nghiệm.......................................................................................58
4.2.2.1.4 Kết quả đạt được..............................................................................................58
4.2.2.2 Mô hình thí nghiệm chỉnh lưu điều khiển toàn phần ........................................60
4.2.2.2.1 Sơ đồ chỉnh lưu điều khiển toàn phần.............................................................60
4.2.2.2.2 Thiết bị sử dụng...............................................................................................61
4.2.2.2.3 Tiến hành thí nghiệm.......................................................................................61
4.2.2.2.4 Kết quả nhận được...........................................................................................61
CHƯƠNG 5.KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ................................................................65
5.1 Kết luận..................................................................................................................... 65
5.2 Kiến nghị................................................................................................................... 65
TÀI LIỆU THAM KHẢO............................................................................................66
PHỤ LỤC....................................................................................................................... 67

6


DANH SÁCH CÁC CHỮ VIẾT TẮT
PEC :
PE

:

PEL :
TF :
OP :
SCR :

Power Electronics Controller
Bộ điều khiển điện tử công suất
Power Electronics
Năng lượng điện (nguồn)
Power Electronics Load
Điện tải
Isolation Transformer
Biến áp cách li
Opto Coupler
Biến áp cách li quang
Silicon Controlled Rectifier

7


DANH SÁCH CÁC HÌNH
Trang
Hình 2.1 Cấu trúc (a) và ký hiệu Triac (b)..................................................................4
Hình 2.2 Đặc tuyến của Triac...........................................................................................5
Hình 2.3 Một số phương pháp mở thông Triac...............................................................6
Hình 2.4 Sơ đồ điều khiển Triac........................................................................................6
Hình 2.5 Hình dạng Thyristor............................................................................................7
Hình 2.6 Cấu tạo Thyristor...............................................................................................7
Hình 2.7 Đặc tuyến Thyristor............................................................................................9
Hình 2.8 Sơ đồ điều khiển Thyristor................................................................................10
Hình 2.9 Sơ đồ khối mạch điều khiển Thyristor..............................................................11
Hình 2.10 Nguyên tắc điều khiển thẳng đứng “arccos”...................................................11
Hình 2.11 Sơ đồ điều khiển Triac....................................................................................12
Hình 2.12 Sơ đồ mạch lực biến đổi điện áp xoay chiều ..................................................14
Hình 2.13 Đồ thị minh họa nguyên lí làm việc của hình đối với tải trở...........................15
Hình 2.14 Sơ đồ bộ biến đổi điện áp xoay chiều 1 pha.................................................16
Hình 2.15 Giản đồ tín hiệu bộ biến đổi điện áp xoay chiều tải trở R............................17
Hình 2.16 Giản đồ tín hiệu bộ biến đổi điện áp xoay chiều tải trở RL.........................18
Hình 2.17 Sơ đồ chỉnh lưu cầu.......................................................................................19
Hình 2.18 Sơ đồ chỉnh lưu bán phần................................................................................19
Hình 2.19 Giản đồ tín hiệu mạch chỉnh lưu điều khiển bán phần với tải R......................20
Hình 2.20 Sự phụ thuộc giữa điện áp chỉnh lưu bán phần với giá trị góc điều khiển.......21
Hình 2.21 Giản đồ tín hiệu mạch chỉnh lưu điều khiển bán phần với tải RL...................21
Hình 2.22 Sơ đồ chỉnh lưu điều khiển toàn phần.............................................................22
Hình 2.23 Giản đồ tín hiệu mạch chỉnh lưu toàn phần với tải R......................................23
Hình 2.24 Giản đồ chỉnh lưu điều khiển toàn phần với tải RL dòng tải liên tục..............24
Hình 2.25 Giản đồ chỉnh lưu điều khiển toàn phần với tải RL dòng tải gián đoạn..........25
Hình 2.26 Sơ đồ điều khiển đồng bộ SCR , Triac dùng TCA785..................................26
Hình 2.27 Sơ đồ mạch cách li..........................................................................................26
Hình 2.28 Sơ đồ module công suất..................................................................................27
Hình 2.29 Sơ đồ module tải.............................................................................................28
Hình 4.1 Sơ đồ mô hình thí nghiệm thực tế.....................................................................32
Hình 4.2 Sơ đồ khối mô hình thí nghiệm.........................................................................33
8


Hình 4.3 Sơ đồ khối module điều khiển..........................................................................33
Hình 4.4 Lưu đồ thuật toán mạch điều khiển ..................................................................34
Hình 4.5 Sơ đồ điều khiển nguyên lí...............................................................................34
Hình 4.6 Sơ đồ điều khiển thực tế mặt trước...................................................................35
Hình 4.7 Sơ đồ điều khiển thực tế mặt sau .....................................................................36
Hình 4.8 Xung điều khiển góc kích (0- 2π) trên oscilloscope..........................................37
Hình 4.9 Xung điều khiển góc kích (0- π) trên oscilloscope............................................37
Hình 4.10 Xung điều khiển góc kích (π - 2π) trên oscilloscope.......................................38
Hình 4.11 Xung kích tạo ra trước khi vào vi điều khiển..................................................38
Hình 4.12 Sơ đồ cách li quang dùng Opto Moc 3020......................................................39
Hình 4.13 Sơ đồ cách li quang dùng Opto Moc 3020 thực tế mặt trước..........................40
Hình 4.14 Sơ đồ cách li quang dùng Opto Moc 3020 thực tế mặt sau............................40
Hình 4.15 Sơ đồ cách li dùng biến áp xung.....................................................................41
Hình 4.16 Sơ đồ cách li dùng biến áp xung mặt trước.....................................................42
Hình 4.17 Sơ đồ cách li dùng biến áp xung mặt sau........................................................42
Hình 4.18 Sơ đồ module công suất..................................................................................43
Hình 4.19 Sơ đồ module công suất thực tế......................................................................44
Hình 4.20 Sơ đồ module tải.............................................................................................44
Hình 4.21 Sơ đồ module tải thực tế.................................................................................45
Hình 4.22 Sơ đồ module nguồn.......................................................................................45
Hình 4.23 Sơ đồ module nguồn thực tế...........................................................................46
Hình 4.24 Sơ đồ điều khiển đồng bộ pha cho Triac.........................................................46
Hình 4.25 Tín hiệu dạng sóng hiển thị tại điểm TP1.......................................................48
Hình 4.26 Tín hiệu dạng sóng hiển thị tại điểm TP2.......................................................48
Hình 4.27 Đồ thị dạng sóng điện áp trên tải R.................................................................49
Hình 4.28 Đồ thị dạng sóng điện áp trên tải R.................................................................49
Hình 4.29 Đồ thị dạng sóng điện áp trên tải RL..............................................................50
Hình 4.30 Đồ thị dạng sóng điện áp trên tải RL..............................................................50
Hình 4.31 Đồ thị dạng sóng điện áp trên tải R.................................................................51
Hình 4.32 Đồ thị dạng sóng điện áp trên tải R.................................................................52
Hình 4.33 Đồ thị dạng sóng điện áp trên tải RL..............................................................52
9


Hình 4.34 Đồ thị dạng sóng điện áp trên tải RL..............................................................53
Hình 4.35 Sơ đồ điều khiển 2 Thyristor mắc song song ngược.......................................53
Hình 4.36 Đồ thị dạng sóng điện áp trên tải R.................................................................55
Hình 4.37 Đồ thị dạng sóng điện áp trên tải R.................................................................55
Hình 4.38 Đồ thị dạng sóng điện áp trên tải RL..............................................................56
Hình 4.39 Đồ thị dạng sóng điện áp trên tải R.................................................................56
Hình 4.40 Sơ đồ điều khiển chỉnh lưu bán phần tải R.....................................................57
Hình 4.41 Đồ thị dạng sóng điện áp trên tải R.................................................................58
Hình 4.42 Đồ thị dạng sóng điện áp trên tải R.................................................................59
Hình 4.43 Đồ thị dạng sóng điện áp trên tải RL..............................................................59
Hình 4.44 Đồ thị dạng sóng điện áp trên tải RL..............................................................60
Hình 4.45 Sơ đồ chỉnh lưu điều khiển toàn phần tải R....................................................60
Hình 4.46 Đồ thị dạng sóng điện áp trên tải R.................................................................62
Hình 4.47 Đồ thị dạng sóng điện áp trên tải R.................................................................62
Hình 4.48 Đồ thị dạng sóng điện áp trên tải RL..............................................................63
Hình 4.49 Đồ thị dạng sóng điện áp trên tải RL..............................................................63

10


Chương 1
MỞ ĐẦU

1.1 Đặt vấn đề
Ngày nay cùng với sự phát trển mạnh mẽ của các ứng dụng khoa học kĩ thuật
trong công nghiệp, đặc biệt là trong công nghiệp điện tử thì biến đổi điện tử công suất
luôn phải nghiên cứu tìm ra giải pháp tối ưu nhất. Đặc biệt với chủ trương công nghiệp
hóa – hiện đại hóa của Nhà nước. Các nhà máy , xí nghiệp đã ứng dụng ngày càng nhiều
những thành tựu của công nghiệp điện tử công suất. Do đó đòi hỏi phải có thiết bị điều
khiển an toàn và chính xác. Đó là nhiệm vụ của ngành điện tử công suất nói chung và
chuyên ngành Cơ điện tử nói riêng cần phải giải quyết.
Do yêu cầu của nền công nghiệp cũng như nhu cầu đời sống thì các bộ biến đổi
(AC-AC, AC-DC) còn phải đáp ứng được rất nhiều yêu cầu ngày càng khắt khe, như
kích thước phải nhỏ, mật độ công suất phải lớn, độ tin cậy cao.
Khảo sát bộ biến đổi AC –AC
Mạch xoay chiều có thể điều chỉnh thay đổi áp hiệu dụng cấp đến tải bằng cách
dùng cặp SCR mắc song song ngược chiều hay Triac
Đây là phương pháp điều khiển công suất tác dụng cấp đến tải. Mạch điều khiển
công suất này chỉ thay đổi áp hiệu dụng cấp đến tải nhưng không điều chỉnh thay đổi
tần số.
Bộ biến đổi này được ứng dụng để điều chỉnh thay đổi tốc độ động cơ không
đồng bộ, điều khiển nguồn nhiệt trong công nghiệp, điều khiển độ sáng của bóng đèn,
điều khiển đầu điều áp dưới tải của các máy biến áp.
Khảo sát bộ biến đổi AC –DC ( chỉnh lưu)
Chỉnh lưu là biến đổi điện áp xoay chiều thành điện áp một chiều, nghĩa là biến
đổi dòng điện xoay chiều thành dòng điện một chiều trên tải. Sự biến đổi đó được
thực hiện nhờ các thiết bị bán dẫn. Chỉ cho dòng điện đi qua theo một chiều nhất
định như: Diod, Thyristor…
Có 2 loại chỉnh lưu:
1


Chỉnh lưu không điều khiển (Diode): Không thay đổi được điện áp trên tải.
Chỉnh lưu có điều khiển (Thyristor): Thay đổi được điện áp trên tải.
Bộ biến đồi này được ứng dụng để cấp nguồn cho các tải một chiều, động cơ
điện một chiều bộ nạp accu, mạ điện phân, máy hàn một chiều, nam châm điện, truyền
tải điện một chiều cao áp
Thực tế thì sinh viên cần phải hiểu rõ nguyên lí và cách thức hoạt động của các
bộ điều áp để vận hành và sửa chữa các bộ điều áp này. Dựa trên những yêu cầu thực
tế ngày nay trong lĩnh vực điện tử công suất. Từ đó đề xuất tên đề tài là “ Thiết kế, chế
tạo mô hình thí nghiệm mạch kích đồng bộ ứng dụng điều khiển Thyristor, Triac ” với
mụch đích để hiểu rõ các nguyên lí điều khiển điện áp duy tri hay là phương pháp
chỉnh lưu có điều khiển.
Trong đồ án điện tử công suất lần này, chúng em đã được nhận đề tài “ Thiết kế,
chế tạo mô hình thí nghiệm mạch kích đồng bộ ứng dụng điều khiển Thyristor,
Triac”. Sau thời gian nghiên cứu chúng em đã chế tạo thành công mô hình thí nghiệm
đáp ứng được cơ bản yêu cầu của đề tài. chúng em đã cố gắng tìm hiểu kĩ về các phương
án công nghệ sao cho bản thiết kế vừa đảm bảo yêu cầu kĩ thuật , vừa đảm bảo yêu cầu
kinh tế . Với hy vọng đồ án điện tử công suất này là một bản thiết kế kĩ thuật có thể áp
dụng được trong thực tế nên chúng em đã cố gắng mô tả cụ thể , tỉ mỉ và tính toán cụ thể
các thông số em nhiều hơn của các sơ đồ mạch.
1.2 Mục đích của đề tài
Khảo sát một số phương pháp biến đổi AC sang AC
Khảo sát phương pháp biến đổi điện áp xoay chiều
Khảo sát phương pháp chỉnh lưu có điều khiển
Với việc khảo sát một số mô hình thí nghiệm đã có, từ đó thiết kế lên một mô hình
thí nghiệm điều khiển đồng bộ Triac, Thyristor gồm các module thí nghiệm
Module điều khiển dùng cầu Diode, PC817, LM358 và board vi điều khiển aruduino
Module cách li gồm cách li quang dùng các Opto cách li và cách li dùng biến áp
xung
Module công suất gồm 2 Triac, 4 Thyristor và 2 Diode
Module tải gồm các tải R L và tải đèn đùng để so sánh tác động của tải đối với bộ
điều khiển
Xây dựng các chương trình điều khiển cho nguyên lí biến đổi áp AC-AC, nguyên lí
biến đổi áp AC-DC với các mạch chỉnh lưu điều khiển bán phần và điều khiển toàn phần.
2


Sản phẩm của đề tài được ứng dụng cho sinh viên ngành cơ điện tử và điều khiển tự
động cũng như khối ngành điện điện tử để làm rõ nguyên lí hoạt động của các mạch chỉnh
lưu có điều khiển cũng như trạng thái kích của Triac và Thyristor đối với các tải R và RL.

Chương 2
TỔNG QUAN

2.1 Triac và Thyristor.
2.1.1 Triac
2.1.1.1 Khái niệm
Triac là dụng cụ tương đương với 2 Thyristor song song ngược chiều nhau có
chung một cực điều khiển. Do làm việc với cả nguồn phân cực dương và âm, khái
niệm Anode và Cathode của Triac không phù hợp. Được quy ước sử dụng ký hiệu T2
(hoặc B2) và T1 (hoặc B1) cho các cực lối ra và cực điều khiển G ở gần T1.

3


Hình 2.1 Cấu trúc (a) và ký hiệu Triac (b)
2.1.1.2 Đặc điểm
Cấu trúc bán dẫn của Triac có thể mô tả bằng 2 cấu trúc 4 lớp tiếp xúc bán dẫn Ta
và Tb. Trong trường hợp nối T2 với nguồn “+” và T1 với nguồn ”-“, G với “+”, nửa Ta
của Triac làm việc như một Thyristor thông thường. Nếu phân cực nguồn ngược lại,
điện tử từ N3 sẽ phóng vào P2, gây ra quá trình thác lũ do va chạm làm dẫn Tb.
Khác với Thyristor, Triac có thể làm việc với điện thế điều khiển âm và không
đổi trạng thái khi đảo cực nguồn thế nuôi.
2.1.1.3 Đặc tuyến và phương pháp điều khiển
 Đặc tuyến

4


Hình 2.2 Đặc tuyến của Triac
 Phương pháp điều khiển.
Triac điều khiển mở có thể bằng xung dương (đi vào cực G) hoặc xung âm (Đi ra
cực G). Do khó khăn tạo được nguồn kích xung âm, không thực tế nên do đó trong
các mạch thực tế đều dùng kích xung dương.
Tổ hợp điện áp trên các chân điều khiển Triac
+ Nếu G(+), B2 (+) hoặc G(-), B2 (+) khi đó dòng điện chạy từ B2 sang B1
+ Nếu G(-), B2 (-) hoặc G(+), B2 (-) khi đó dòng điện chạy từ B1 sang B2
Chú ý :
+ Để điều khiển mở được Triac thì dòng điều khiển phải lớn hơn dòng điều khiển
danh định của Triac, mỗi loại Triac có dòng điều khiển danh định khác nhau. Do
đo tải phải có công suất > dòng kích mở của Triac.
+ Nguồn một chiều không đóng mở được Triac vì không có điểm 0 và Triac sẽ mở
mãi.
 Các phương pháp mở thông Triac

5


Hình 2.3 Một số phương pháp mở thông Triac
a . Cấp xung dương cho cực G của Triac, nguồn dương cho cực T2 và nguồn âm
cho cực T1 của Triac
b . Cấp xung dương cho cực G của Triac, nguồn dương cho cực T1 và nguồn âm
cho cực T2 của Triac
Ngoài ra còn một số phương pháp như :
Phương pháp mở bằng nguồn ngoài
Phương pháp mở bằng dòng điện nguồn 24VAC
 Sơ đồ điều khiển Triac

Hình 2.4 Sơ đồ điều khiển Triac
2.1.1.4 Ứng dụng
 Dùng cho điều khiển bóng đèn, bơm, quạt...
 Điều khiển tốt với những tải thuần trở và gây tổn hao với những tải cảm.
2.1.2 Thyristor (Thyratron và Transistor)
2.1.2.1 Khái niệm
Thyristor gồm bốn lớp bán dẫn P-N ghép xen kẽ và được nối ra ba chân:
A : anode : cực dương
K : Cathode : cực âm
G : Gate : cực khiển (cực cổng)

6


Hình 2.5 Hình dạng Thyristor
2.1.2.2 Cấu tạo
Thyristor có thể xem như tương đương hai BJT gồm một BJT loại NPN và một
BJT loại PNP ghép lại như hình vẽ sau:

Hình 2.6 Cấu tạo Thyristor
 Các phương pháp mở và khóa Thyristor
Khi được phân cực thuận, Uak>0, Thyristor có thể mở bằng hai cách. Thứ nhất, có
thể tăng điện áp anode-cathodecho đến khi đạt đến giá trị điện áp thuận lớn nhất, Uthmax.
Điện trở tương đương trong mạch anode-cathode sẽ giảm đột ngột và dòng qua thyristor
sẽ hoàn toàn do mạch ngoài xác định. Phương pháp này trong thực tế không được áp dụng
do nguyên nhân mở không mong muốn và không phải lúc nào cũng tăng được điện áp đến

7


giá trị Uthmax. Hơn nữa như vậy xảy ra trường hợp Thyristor tự mở ra dưới tác dụng của
các xung điện áp tại một thời điểm ngẫu nhiên, không định trước.
Phương pháp thứ hai, được áp dụng trong thực tế, là đưa một xung dòng điện có giá
trị nhất định vào các cực điều khiển và cathode. Xung dòng điện điều khiển sẽ chuyển
trạng thái của Thyristor từ trở kháng cao sang trở kháng thấp ở mức điện áp anodecathode nhỏ. Khi đó nếu dòng qua anode-cathode lớn hơn một giá trị nhất định gọi là
dòng duy trì (Idt) Thyristor sẽ tiếp tục ở trong trạng thái mở dẫn dòng mà không cần đến
sự tồn tại của xung dòng điều khiển. Điều này nghĩa là có thể điều khiển mở các Thyristor
bằng các xung dòng có độ rộng xung nhất định, do đó công suất của mạch điều khiển có
thể là rất nhỏ, so với công suất của mạch lực mà Thyristor là một phần tử đóng cắt, khống
chế dòng điện.
2.1.2.3 Nguyên lí hoạt động
Khi nối Anode với cực “+” và Cathode với cực “-” của nguồn một chiều, J1 và J3
được phân cực thuận và J2 phân cực ngược. Kết quả là gần như toàn bộ điện thế nguồn
đặt lên lớp tiếp xúc J2. Nếu tác động vào cực G một điện thế dương so với K (tín hiệu
xung kích) thì Thysistor nhận năng lượng đủ lớn của điện trường tổng cộng. Các điện
trường này sẽ ion hóa các nguyên tử bán dẫn, tạo ra các điện tử mới (thứ thác lũ điện
tử được tạo ra trong lớp tiếp xúc J2 và chảy vào N1, sau đó qua P1 để tới cực A tạo
thành dòng qua Thyristor. Thyristor làm việc trong chế độ này là chế độ mở, có điện
trở thuận nhỏ và dòng dẫn I lớn.
Để đưa Thyristor về trạng thái cấm (khóa), cần tiến hành theo 2 cách sau:
 Giảm dòng I xuống giá trị duy trì dẫn.
 Đảo chiều thế phân áp U hoặc tạo thế phân cực ngược cho Thyristor.
 Một số đặc điểm cần lưu ý khi sử dụng Thyristor:
 Mỗi loại Thyristor chế tạo có các đặc trưng khác nhau, cần lựa chọn loại thích
hợp với yêu cầu sử dụng:
 Dòng điện định mức In: (tùy loại) ~ A ÷ 1000A.
 Dòng điện rò ~ mA.
 Điện áp ngược cực đại Uin.max : ( Tùy loại) vài trăm Volt ÷ vài kV.
8









Dòng điện điều khiển IG.
Tốc độ tăng dòng điện dI/dt: A/µs.
Tốc độ tăng điện áp dV/dt: V/µs.
Thời gian khóa: vài chục µs.
Thời gian mở: vài µs.
Quá trình chuyển từ mở sang cấm không xảy ra tức thời. Nếu khi Thyristor chưa
cấm hẳn mà đã xác lập thế U để UA-K dương, sẽ làm đoản mạch nguồn và hỏng

Thyristor.
2.1.2.4 Đặc tuyến và sơ đồ điều khiển
 Đặc tuyến

Hình 2.7 Đặc tuyến Thyristor
 Sơ đồ điều khiển

Hình 2.8 Sơ đồ điều khiển Thyristor
 Ứng dụng
Thiết kế cách mạch chỉnh lưu điểu khiển bán phần và toàn phần
Thay đổi cường độ dòng điện
2.2 Phương pháp điều khiển điện áp xoay chiều
2.2.1 Điều khiển bằng Thyristor
9


Thyristor chỉ mở cho dòng điện chạy qua khi có điện áp dương đặt lên anôt và xung
điện áp dương đặt lên cực điều khiển. Sau khi Thyristor đã mở thì xung điều khiển không
còn tác dụng, dòng điện chảy qua Thyristor do thông số của mạch động lực quyết định.
2.2.1.1 Sơ đồ cấu trúc
Sơ đồ khối mạch điều khiển Thyristor
Mạch điều khiển có các chức năng sau:
Điều chỉnh được vị trí xung điều khiển trong phạm vi nửa chu kỳ dương của điện áp
trên anôt- catôt của Thyristor.
Tạo ra được các xung có đủ điều kiện mở được Thyristor. Xung điều khiển thường
có biên độ từ 2 đến 10V, độ rộng xung tx= 20-100μs đối với thiết bị chỉnh lưu hoặc cặp
Thyristor đấu song song ngược.
Độ rộng xung được xác định theo biểu thức:

Trong đó:
Idt là dòng duy trì của Thyristor;
di/dt là tốc độ tăng trưởng của dòng tải.
Cấu trúc của một mạch điều khiển Thyristor gồm 3 khâu chính sau đây:
- Khâu đồng bộ (ĐB): tạo tín hiệu đồng bộ với điện áp anôt-catôt của Thyristor cần
mở. Tín hiệu này là điện áp xoay chiều, thường lấy từ biến áp có sơ cấp nối song song với
Thyristor cần mở.
- Khâu so sánh-tạo xung (SS-TX): làm nhiệm vụ so sánh giữa điện áp đồng bộ
thường đã được biến thể với tín hiệu điều khiển một chiều để tạo ra xung kích mở
Thyristor.
- Khâu khuếch đại xung (KĐ): tạo ra xung mở có đủ điều kiện để mở Thyristor.
Uđb
ĐB

SS-TX



Uđk

Hình 2.9 Sơ đồ khối mạch điều khiển Thyristor
Khi thay đổi giá trị điện áp một chiều Uđk thì góc mở α sẽ thay đổi.
10


2.2.1.2 Nguyên tắc điều khiển
Sử dụng nguyên tắc điều khiển thẳng đứng “arccos” như hình 2 để thực hiện điều
chỉnh vị trí đặt xung trong nửa chu kỳ dương của điện áp đặt trên Thyristor.
Theo nguyên tắc này, ở khâu so sánh có hai điện áp đặt vào:
- Điện áp đồng bộ sin, sau khi ra khỏi khâu ĐB được tạo thành tín hiệu cos
- Điện áp điều khiển là áp một chiều có thể biến đổi được

Uc
Ud
b
Ud
k

Ud
b

U
c
Л

Ud
k
2
Л

ω
t

α

Hình 2.10 Nguyên tắc điều khiển thẳng đứng “arccos”
Điện áp uđb= Um sinωt thì: Uc = Um cosωt
Giá trị α được tính theo phương trình sau: Umcosα = Uđk
Do đó:

α = arccos(Udk/Um)

- khi Udk = Um thì

α=0

- khi Udk = 0 thì

α =Л/2

- khi Udk = -Um thì α = Л
Như vậy, khi điều chỉnh U dk từ trị -Um đến +Um, ta có thể điều chỉnh được góc α từ 0
đến Л.
2.2.1.3 Kết luận
Sơ đồ phát xung điều khiển cho một cặp Thyristor nối song song ngược có cấu trúc
đơn giản, làm việc tin cậy, dễ thực hiện. Sơ đồ có thể thực hiện điều khiển đóng cắt cuộn
kháng TCR, đóng cắt tụ điện TSC, đóng cắt tụ nối tiếp TSSC hoặc SSSC… Tuỳ theo số
lượng các thiết bị cần điều chỉnh hoặc đóng cắt, ta thực hiện số lượng mạch điều khiển
tương ứng.
2.2.2 Điều khiển bằng Triac
11


Khác với SCR, Triac tắt trong một khoảng thời gian rất ngắn lúc dòng điện tải đi qua
điểm O. Nếu mạch điều khiển của Triac có tải là điện trở thuần thì việc ngắt mạch không
có gì khó khăn. Nhưng nếu tải là một cuộn cảm thì vấn đề làm tắt triac trở nên khó khăn
vì dòng lệch pha trễ.
Triac có thể điều khiển cho mở dẫn dòng bằng cả xung dương (dòng đi vào cực điều
khiển) lẫn xung âm (dòng đi ra khỏi cực điều khiển). Tuy nhiên xung dòng điều khiển âm
có độ nhạy kém hơn, nghĩa là để mở được Triac sẽ cần một dòng điều khiển âm lớn hơn
so với dòng điều khiển dương. Vì vậy trong thực tế để đảm bảo tính đối xứng của dòng
điện qua Triac thì sử dụng dòng điện dương là tốt hơn cả.

Hình 2.11 Sơ đồ điều khiển Triac
Với mạch điện ở trên, ta có thể sử dụng điện áp nhỏ để điều khiển các thiết bị cao
áp. Ví dụ, sử dụng vi điều khiển để điều khiển bóng đèn 220V hoặc các thiết bị khác chạy
ở điện áp cao.
Khi điện áp 5V được đặt vào chân 1&2 của opto-coupler, mạch zero-crossing được
built-in trong MOC3020 sẽ tự động phát hiện khi sóng hình sin của điện áp xoay chiều đi
qua điểm 0 để mở thông 2 chân 4&6. Khi chân 4&6 thông sẽ dẫn dòng vào cực GATE của
Triac và Triac sẽ bắt đầu dẫn dòng chính giữa 2 chân 2&1, đèn sáng.
Bây giờ khi ta thực hiện tắt đèn, điện áp 0V được đặt vào 2 chân 1&2, chân 6&4
không thông dẫn đến không có dòng vào cực GATE của Triac. Trac ngừng dẫn dòng giữa
2&1, đèn tắt
Một số điểm cần lưu ý:
Dòng ra vi điều khiển để kích opto phải đủ lớn, ít nhất phải đạt 20mA. Nếu vi điều
khiển của bạn không thỏa mãn thì có thể sử dụng transistor như trên hình.

12


Công suất đóng cắt tải phụ thuộc vào công suất của Triac. Do đó cần phải xem
công suất đóng cắt và lựa chọn triac cho hợp lý.
Opto lựa chọn phải là loại Opto có chức năng zero-crossing được tích hợp bên
trong Opto ( Moc 3020 , 3021 …)
Lợi ích của mạch đóng cắt bằng Triac:
Sử dụng đóng cắt các mạch điện xoay chiều.
Không tạo tiếng ồn.
Không gây nhiễu sóng hài.
An toàn điện do được cách li giữa khối điều khiển và khối công suất bằng opto
Có thể sử dụng cho các ứng dụng yêu cầu việc đóng cắt nhanh (fast switching).

2.2.3 Sơ đồ mạch lực biến đổi điện áp xoay chiều
Trên các hình 2.12 là các sơ đồ mạch lực bộ biến đổi xoay chiều - điện áp xoay
chiều một pha (bộ biến đổi điện áp pha một pha).

Hình 2.12 Sơ đồ mạch lực biến đổi điện áp xoay chiều
a . Sơ đồ dùng 2 Thyristor mắc song song ngược
b . Sơ đồ dùng 2 Diode và 2 Thyristor
c . Sơ đồ dùng 1 Triac
d . Sơ đồ dùng 1 Thyristor và 4 Diode
13


e . Sơ đồ dùng 1 Thyristor và 1 Diode
Để hiểu rõ nguyên lý làm việc của bộ biến đổi ta xét nguyên lý hoạt động của
một số sơ đồ trong trường hợp đơn giản nhất là khi tải thuần trở.
Từ các đồ thị ung, uđkT1, uđkT2 có thể mô tả vắn tắt nguyên lý làm việc của sơ đồ
như sau: Từ ωt = 0 đến ωt = ψ (ψ được gọi là góc điều chỉnh hay điều khiển của bộ
biến đổi xoay chiều - xoay chiều), điện áp nguồn u ng dương đặt điện áp thuận lên T 1 và
ngược lên T 2, do T1 chưa có tín hiệu điều khiển nên T 1 chưa mở, như vậy cả hai van
T1 và T2 đều khóa, dòng quả tải bằng không (i t = 0), điện áp trên tải cũng bằng không
(ut = Rt .i = 0). Đến thời điểm ωt = ψ, xuất hiện tín hiệu điều khiển trên cực điều khiển
của T1 (có u đkT1), T1 mở và xuất hiện dòng điện tải (i t = u ng/Rt ) và điện áp trên tải u t
= ung (bỏ qua sụt áp trên T 1 mở). Đến ωt = ψ, u ng giảm về bằng không và bắt đầu
chuyển sang nửa chu kỳ âm, nên i t = 0 và có xu hướng đổi chiều, do thyristor chỉ dẫn
dòng theo một chiều nên T 1 khóa lại, T 2 chưa có tín hiệu điều khiển nên chưa mở, tức
là cả hai van T 1,T2 đều khóa, dòng và áp trên tải đều bằng không. Đến ωt = ψ+ π, van
T2 có tín hiệu điều khiển và lúc này u T2= –ung > 0, dẫn đến T 2 mở, lại xuất hiện dòng
qua tải và điện áp trên tải (i t=ung /Rt , ut=ung). Đến ωt = 2π điện áp nguồn lại bằng
không và bắt đầu đổi sang nửa chu kỳ dương, có xu hướng chống lại dòng qua T 2
và đặt thuận lên T 1, van T2 khóa lại, còn T 1 vẫn khóa. Đến ωt = 2π+ ψ,

T1

có tín hiệu

điệu khiển, T1 lại mở và sơ đồ lạp lại trạng thái làm việc như từ ωt = ψ. Đồ thị điện áp
và dòng điện trên tải được biểu diễn trên hình 2.13d (u nét đậm, i nét mảnh).

14


Tài liệu bạn tìm kiếm đã sẵn sàng tải về

Tải bản đầy đủ ngay

×

×