Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Đồ án môn học "Thiết kế chế tạo mạch điều áp xoay chiều" (thuộc học phần Điện tử công suất và truyền động điện 1) được thực hiện bởi nhóm sinh viên Vũ Xuân Nam và Bùi Thanh Tâm, dưới sự hướng dẫn của giảng viên Phan Thị Tươi tại Khoa Điện – Điện tử, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Hưng Yên vào năm 2024.

Về bối cảnh thực tiễn, tác giả chỉ ra rằng các hệ thống truyền động điện ứng dụng điện tử công suất đang thay thế dần các hệ thống truyền động truyền thống (như khuếch đại từ, hệ máy phát - động cơ) nhờ ưu thế về kích thước nhỏ gọn của phần tử bán dẫn, hiệu suất vận hành cao và khả năng tự động hóa dây chuyền sản xuất. Đồng thời, chương trình đào tạo kỹ sư ngành Kỹ thuật Điện – Điện tử (chuyên ngành Điện tử công nghiệp) của nhà trường được xây dựng theo định hướng tích hợp giữa lý thuyết và thực hành, đòi hỏi sinh viên phải nắm vững kỹ năng thiết kế phần cứng và tuân thủ các quy tắc an toàn khi làm việc trực tiếp với lưới điện có điện áp và dòng điện lớn.

Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu của đề tài được xác định theo ba bước:

  1. Nhiệm vụ đặt ra: Thiết kế và chế tạo hoàn chỉnh mạch điều áp xoay chiều một pha ứng dụng linh kiện bán dẫn công suất để điều chỉnh điện áp ra trên tải.
  2. Khảo sát lý thuyết: Nghiên cứu các giáo trình điện tử cơ bản, giáo trình điện tử công suất; khảo cứu đặc tính các linh kiện bán dẫn công suất (Transistor, MOSFET, IGBT, Diode, Thyristor, GTO, Triac); khảo sát các sơ đồ mạch điều áp xoay chiều từ tài liệu kỹ thuật và các khóa trước.
  3. Thực hiện thực nghiệm: Tính toán thông số kỹ thuật, lựa chọn linh kiện, thiết kế sơ đồ mạch in (PCB), lắp ráp và đo đạc khảo sát hoạt động thực tế của mạch điều áp một pha.

Đối tượng nghiên cứu là bộ biến đổi điện áp xoay chiều một pha (AC-AC) sử dụng van bán dẫn Thyristor điều khiển bằng vi mạch tích hợp chuyên dụng. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào nguồn điện xoay chiều một pha 220V/50Hz, công suất định mức tải tính toán từ 1000W đến 2000W (ứng dụng cho các phụ tải thuần trở như lò sấy, nồi điện gia dụng hoặc phụ tải có tính cảm như động cơ xoay chiều công suất nhỏ). Đề tài được hoàn thành trong khung thời gian 2 tháng (nghiệm thu vào tháng 5 năm 2024).

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Về cơ sở lý thuyết, tác giả hệ thống hóa các nguyên lý cơ bản của kỹ thuật biến đổi điện áp xoay chiều:

  • Nguyên lý điều áp xoay chiều một pha: Biến đổi trị số hiệu dụng của điện áp trên tải bằng cách đóng ngắt các van bán dẫn công suất nối giữa nguồn và phụ tải trong các khoảng thời gian nhất định theo chu kỳ nguồn điện. Phương pháp này cho phép điều chỉnh điện áp liên tục, vô cấp, dải điều chỉnh rộng và hiệu suất cao do tổn hao trên van dẫn nhỏ.
  • Lý thuyết điều khiển theo nguyên tắc thẳng đứng tuyến tính: Để kiểm soát góc mở $\alpha$ của Thyristor từ $0^\circ$ đến $180^\circ$, mạch điều khiển tạo ra một điện áp tựa dạng răng cưa tuyến tính ($U_{rc}$) đồng bộ với tần số và pha của điện áp anod, sau đó so sánh với điện áp điều khiển một chiều ($U_{đk}$). Tại thời điểm $U_{rc} = U_{đk}$, mạch so sánh kích hoạt phát xung điều khiển đến cực điều khiển G của van.
  • Khảo sát đặc tính linh kiện bán dẫn: Đồ án phân tích cấu tạo, ký hiệu, đặc tuyến V-A và nguyên lý kích mở/khóa của ba linh kiện van: Triac (bán dẫn 3 cực 4 lớp, dẫn dòng hai chiều bằng cả xung dòng âm và dương); Thyristor (cấu tạo 4 lớp P-N-P-N tạo 3 tiếp giáp J1, J2, J3, kích mở bằng xung dương cực G và khóa bằng cách giảm dòng về dưới dòng duy trì $I_h$ hoặc đặt điện áp ngược $U_{AK} < 0$); Transistor BJT (khảo sát chế độ khuếch đại, chế độ xung, các hệ số khuếch đại dòng $\alpha$, khuếch đại áp $\beta$ và ba vùng làm việc: tuyến tính, bão hòa, khóa).
  • Mô hình toán học cho tải trở - cảm (R-L): Tác giả thiết lập phương trình vi phân mô tả quá trình phóng nạp năng lượng của tải: $$L \frac{di}{dt} + Ri = \sqrt{2}V \sin(\omega t)$$ Nghiệm dòng tải xác định thời điểm tắt dòng $\beta$ thông qua điều kiện $\beta \le \pi + \alpha$ và yêu cầu góc mở phải thỏa mãn $\alpha \ge \psi$ (với $\tan\psi = \omega L / R$) nhằm đảm bảo Thyristor khóa hoàn toàn trước khi cấp xung mở cho van ở bán kỳ kế tiếp.
Phương án mạch lực Ưu điểm theo phân tích của tác giả Nhược điểm theo phân tích của tác giả
Biến trở / tổng trở phụ biến thiên Mạch đơn giản, điện áp ra hình sin chuẩn Hiệu suất thấp, tổn hao công suất lớn, hệ số công suất $\cos\varphi$ thấp
Biến áp tự ngẫu Điện áp sin, có thể chỉnh điện áp lớn hơn điện áp vào Quán tính điều chỉnh lớn, khó điều chỉnh liên tục ở dòng tải cao do tiếp xúc chổi than
Hai Thyristor song song ngược Đáp ứng dải dòng điện rất lớn (van thực tế đến 7000A), mạch điều khiển đơn giản Linh kiện điều khiển có thể tạo sai số gây mất đối xứng điện áp, sinh dòng DC gây bão hòa từ tải
Triac Kích thước gọn gàng, lắp ráp đơn giản, góc mở đối xứng Dòng định mức chế tạo không lớn ($I < 400A$), khó ghép song song khi dùng cho tải lớn
Một Thyristor kết hợp một Diode Sơ đồ nối cực điều khiển đơn giản Phù hợp khi điện áp cao, nhưng phân bố dòng không đồng đều
Bốn Diode kết hợp một Thyristor Dễ đảm bảo tính đối xứng điện áp (chỉ dùng 1 Thyristor) Tổn hao trên các van lớn do dòng luôn chạy qua nhiều diode, sinh nhiệt cao, hiệu suất thấp

Phương pháp nghiên cứu thực tế gồm: phương pháp phân tích - tổng hợp lý thuyết điện tử công suất; phương pháp tính toán tham số giải tích (xác định điện áp, dòng điện làm việc của van, điện trở cách ly, tụ lọc); phương pháp thiết kế mạch nguyên lý và mạch in trên máy tính; phương pháp chế tạo thực nghiệm phần cứng và khảo sát trực tiếp tín hiệu trên mô hình thực tế. Nguồn dữ liệu phục vụ nghiên cứu bao gồm giáo trình chuyên ngành của trường đại học, đồ án các khóa trước và datasheet chính hãng của nhà sản xuất linh kiện bán dẫn (Siemens, STMicroelectronics, Motorola).

Thiết kế và chế tạo hệ thống

Hệ thống điều áp xoay chiều một pha được nhóm tác giả thiết kế theo cấu trúc module hóa gồm 4 khối chức năng: khối nguồn nuôi, khối mạch điều khiển, khối cách ly và khối mạch lực.

[ Nguồn xoay chiều 220V ] ---> [ Biến áp 220V/15V ] ---> [ Cầu chỉnh lưu + 7815 ] ---> Nguồn 15VDC
           |                                                      |
           |                                                      v
           |                                             [ Vi mạch TCA 785 ] <--- [ Biến trở chỉnh góc mở ]
           |                                                      |
           v                                                      v
     [ Mạch lực ] <===================================== [ Cách ly quang MOC3020 ]
(2x Thyristor TYN1225)
           |
           v
       [ Phụ tải ]

1. Khối nguồn nuôi mạch điều khiển

Khối nguồn có chức năng hạ áp lưới xoay chiều 220V xuống 15VAC nhờ biến áp cách ly. Điện áp 15VAC sau đó được đưa qua cầu diode 1A (sử dụng 4 diode 1N4007 có $U_{ng} = U_2\sqrt{2} = 21V$, dòng $I_d = 1A$) để biến đổi thành dòng một chiều. Tụ hóa dung lượng $1000\mu F$ (và tụ tính toán $2200\mu F/25V$) kết hợp cùng tụ gốm mắc song song có nhiệm vụ san phẳng điện áp và lọc sóng hài bậc cao. Điện áp được ổn định ở mức +15VDC thông qua IC ổn áp tích hợp LM7815 cấp nguồn nuôi cho mạch điều khiển, đồng thời gắn một LED báo hiệu trạng thái có nguồn.

2. Khối mạch điều khiển phát xung (IC TCA 785)

Mạch điều khiển sử dụng vi mạch tích hợp chuyên dụng TCA 785 (do Siemens chế tạo). Vi mạch hoạt động với các thông số định mức: nguồn nuôi cực đại $U_S = 18V$, dòng tiêu thụ $I_S = 4,5 \div 10mA$, dòng ra $I = 250mA$, dải tần số xung $10 \div 500Hz$, cho phép kiểm soát góc mở $\alpha$ từ $0^\circ$ đến $180^\circ$.

  • Tín hiệu đồng bộ: Lấy điện áp 15VAC từ biến áp đưa vào chân 5 ($V_{SYNC}$) để tạo điểm mốc đồng pha với mạch lực.
  • Tạo xung răng cưa: Chân 10 nối với tụ điện $C_{10} = 68nF$ (dải cho phép $500pF \div 1\mu F$), chân 9 nối biến trở $R_9$ điều chỉnh dòng nạp tụ nhằm kiểm soát biên độ và độ dốc của điện áp tựa răng cưa $V_{10} = V_{S} - 2V$.
  • Điều chỉnh góc mở $\alpha$: Sử dụng biến trở phân áp đưa điện áp điều khiển một chiều vào chân 11 ($V_{11}$, dải $0,2V \div V_{10max}$). Khi $V_{11} = V_{10}$, bộ so sánh nội sẽ kích hoạt phát xung.
  • Định dạng độ rộng xung: Chân 12 kết nối tụ $C_{12} = 22nF$ để thiết lập độ rộng xung ra. Tác giả cấu hình phát chùm xung liên tục hoặc mở rộng độ rộng xung để khắc phục hiện tượng van không tự giữ dẫn khi đóng ngắt tải có điện cảm lớn.
  • Đầu ra xung điều khiển: Xung kích dương lấy từ chân 14 ($Q_1$) để điều khiển van dẫn ở bán kỳ dương, và xung kích âm lấy từ chân 15 ($Q_2$) để điều khiển van dẫn ở bán kỳ âm.

3. Khối cách ly quang (Optocoupler)

Nhằm ngăn cách an toàn giữa mạch lực mang điện áp cao (220VAC) và mạch điều khiển điện áp thấp (15VDC), đồ án sử dụng hai IC cách ly quang MOC3020 (hoặc MOC3021) kết hợp với diode chống dòng ngược.

  • Phía đầu vào (LED phát): Nối với chân ra của TCA 785 ($U_{max} = 15V$). Với dòng kích $I_{gt} = 7mA$ và điện áp sụt trên diode, tác giả tính chọn điện trở hạn dòng $R_{in} = 2200\Omega$ (thực tế mạch chọn trở chuẩn $1,8k\Omega \div 2,2k\Omega$).
  • Phía đầu ra (TRIAC cảm quang): Đấu nối trực tiếp vào cực điều khiển G của Thyristor công suất. Với điện áp sụt tại đầu ra MOC $U_s = 3V$ và dòng kích mở Thyristor $I_{gt} = 10mA$, giá trị điện trở cực G được tính toán: $$R_{out} = \frac{U - U_s}{I_{gt}} = \frac{220 - 3}{0,01} = 21700\Omega \approx 22k\Omega$$ Tác giả chọn điện trở hạn dòng $R_k = 22k\Omega$.

4. Khối mạch lực và bảo vệ

Mạch lực sử dụng 2 van Thyristor TYN1225 mắc song song ngược chiều. Các thông số tính chọn van và bảo vệ được tổng hợp cụ thể:

Hạng mục linh kiện Thông số tính toán / Tiêu chuẩn Thông số thực tế linh kiện được chọn (TYN1225 / Phụ trợ)
Điện áp định mức van $U_{lvmax} = 311,13V$; $U_{van} = 1,7 \times 311,13 = 528,92V$ $U_{đm} = 1200V$ (đạt hệ số dự trữ an toàn)
Dòng điện làm việc $I_{tải} = \frac{P}{U \times \cos\varphi} = \frac{1000}{220 \times 1} \approx 5,09A$ $I_{đm} = 25A$ (dòng định mức của TYN1225)
Tham số kích mở van Dòng kích và áp kích của Thyristor $U_{đk} = 2,5V$; $I_{đk} = 50mA$; thời gian giữ xung $t_x = 2,5\mu s$
Tham số chuyển mạch Dòng rò, dòng duy trì, sụt áp thuận $I_r = 4mA$; $I_h = 80mA$; $\Delta U = 1,6V$; $du/dt = 150V/\mu s$
Bảo vệ quá nhiệt Nhiệt độ làm việc cực đại $T_{max} = 110^\circ C$ Cánh tản nhiệt bằng nhôm định hình, làm mát tự nhiên
Bảo vệ quá dòng / ngắn mạch $I_{cc} = 1,1 \times I_{lv}$ Cầu chì tác động nhanh loại 10A (trên sơ đồ mạch in dùng 12,5A)

Nội dung chính theo từng chương

Chương I: Tổng quát

Chương này tập trung trình bày tính cấp thiết của đề tài trong bối cảnh công nghiệp hóa và cấu trúc chương trình đào tạo tích hợp lý thuyết - thực hành ngành Điện – Điện tử tại Đại học Sư phạm Kỹ thuật Hưng Yên. Nội dung phân loại 4 dạng biến đổi cơ bản của điện tử công suất: AC-DC (chỉnh lưu), DC-DC (biến đổi điện áp một chiều), DC-AC (nghịch lưu) và AC-AC (điều áp xoay chiều và biến tần). Tác giả phân tích chi tiết ứng dụng của bộ điều chỉnh AC-AC trong việc gia nhiệt lò nung, hệ thống sấy, chiếu sáng, khởi động mềm và điều tốc động cơ công suất nhỏ. Phần cuối chương xác định phương pháp tiếp cận gồm 3 bước: xác định nhiệm vụ, khảo sát tài liệu và thực hiện thực nghiệm chế tạo.

Chương II: Cơ sở lý thuyết

Nội dung chương II đi sâu vào lý thuyết linh kiện và cấu trúc mạch biến đổi:

  1. Cấu tạo và nguyên lý van bán dẫn: Phân tích chi tiết ba phần tử bán dẫn chính gồm Triac, Thyristor và Transistor. Với Triac, chương phân tích 4 tổ hợp điện thế mở van ($MT2^+/G^+$, $MT2^+/G^-$, $MT2^-/G^+$, $MT2^-/G^-$) và khẳng định xung điều khiển âm cho độ đối xứng dòng điện tốt hơn. Với Thyristor, tác giả mô tả cơ chế chuyển mạch qua 4 vùng trên đặc tuyến V-A và 2 phương pháp khóa van (giảm dòng về dưới $I_h$ hoặc đặt điện áp ngược $U_{AK} < 0$). Với Transistor, chương phân tích sơ đồ cực phát chung (E chung), họ đặc tính ra, đặc tính truyền đạt và các công thức xác định trở kháng vào/ra.
  2. Bộ điều áp xoay chiều một pha: Phân tích và so sánh 4 sơ đồ mạch lực bán dẫn (hai Thyristor song song ngược, dùng Triac, một Thyristor kết hợp một Diode, và bốn Diode kết hợp một Thyristor). Tác giả quyết định lựa chọn sơ đồ hai Thyristor song song ngược nhờ khả năng đáp ứng công suất lớn và độ bền cao.
  3. Phân tích dạng sóng trên các loại tải: Thiết lập các biểu thức giải tích tính toán điện áp hiệu dụng trên tải: $$U_t = V\sqrt{\frac{1}{\pi}\left(\pi - \alpha + \frac{\sin 2\alpha}{2}\right)}$$ và dòng điện hiệu dụng $I_t = U_t / R$. Đối với tải thuần cảm và trở - cảm, tác giả chứng minh lưới điện luôn phải cung cấp công suất phản kháng và chỉ ra điều kiện để van khóa an toàn trước khi kích mở van đối diện.

CHƯƠNG III: Thiết kế mạch

Chương III trình bày toàn bộ quá trình tính toán, thiết kế và chế tạo phần cứng:

  • Phân tích sơ đồ khối: Thuyết minh nhiệm vụ của khối nguồn (hạ áp, chỉnh lưu cầu, lọc phẳng bằng tụ $1000\mu F$, ổn áp 7815 cấp 15V), khối điều khiển theo nguyên tắc thẳng đứng tuyến tính, khối cách ly quang và khối mạch động lực.
  • Thiết kế mạch điều khiển bằng vi mạch TCA 785: Khảo sát chi tiết chức năng 16 chân của vi mạch; tính toán tham số tạo răng cưa ($C_{10} = 68nF$, $R_9$), tụ định độ rộng xung ($C_{12} = 22nF$) và phân áp biến trở chân 11. Tác giả phân tích hiện tượng "vùng không hoạt động" khi tải có tính cảm do sườn tăng dòng $di/dt$ chậm khiến dòng tải chưa kịp đạt giá trị dòng duy trì $I_h = 80mA$ thì xung kích đã kết thúc; từ đó đưa ra giải pháp phát chùm xung liên tục từ TCA 785 để duy trì mở van chắc chắn.
  • Tính toán và chọn lựa linh kiện: Tính toán dòng, áp làm việc để chọn Thyristor TYN1225 ($1200V - 25A$); chọn linh kiện cách ly quang MOC3020 với điện trở phân cực $R_{in} = 2,2k\Omega$ và $R_k = 22k\Omega$; tính dung lượng tụ lọc nguồn $2200\mu F/25V$; chọn cánh tản nhiệt nhôm để bảo vệ van không vượt quá $110^\circ C$ và cầu chì tác động nhanh 10A/12,5A chống ngắn mạch.
  • Bản vẽ thiết kế: Xuất sơ đồ nguyên lý toàn mạch và thiết kế mạch in (layout PCB) để phục vụ gia công, hàn lắp linh kiện thực tế.
  • Phương hướng phát triển: Mở rộng ứng dụng cho tải công nghiệp và phương án ghép 3 kênh điều khiển để tạo thành bộ điều áp xoay chiều ba pha.

Kết quả và đóng góp

Về kết quả kỹ thuật, đồ án đã hoàn thành thiết kế và chế tạo thành công mạch điều áp xoay chiều một pha với các thông số thực tế được kiểm chứng:

  • Mạch lực hoạt động ổn định ở điện áp lưới xoay chiều 220V/50Hz, cho phép điều khiển phụ tải có công suất định mức lên tới $1000W \div 2000W$.
  • Hệ thống điều khiển tích hợp vi mạch TCA 785 cho phép thay đổi trơn tru và liên tục góc mở $\alpha$ của hai van Thyristor TYN1225 trong dải từ $0^\circ$ đến $180^\circ$ thông qua biến trở chân 11, từ đó điều chỉnh mượt mà điện áp hiệu dụng đưa ra trên tải.
  • Tác giả đưa ra giải pháp xử lý triệt để hiện tượng mất đối xứng và hiện tượng không kích dẫn được khi nối với tải có tính điện cảm lớn thông qua việc nạp xung răng cưa tối ưu và tạo chuỗi xung kích liên tiếp tại chân ra của TCA 785.
  • Thiết kế mạch in hoàn chỉnh, đảm bảo cách ly quang an toàn giữa khối điều khiển 15VDC và khối động lực 220VAC nhờ MOC3020, tích hợp bảo vệ nhiệt bằng cánh tản nhiệt nhôm và bảo vệ quá dòng bằng cầu chì nhanh.

Về mặt đóng góp, đề tài chuyển đổi thành công sơ đồ điều khiển kinh điển (vốn cồng kềnh với nhiều tầng linh kiện rời rạc như khâu đồng bộ, khâu so sánh, khâu khuếch đại xung bằng biến áp xung) thành một hệ thống nhỏ gọn, tích hợp cao nhờ vi mạch chuyên dụng TCA 785 kết hợp cách ly quang MOC3020. Giải pháp này giúp giảm thiểu đáng kể kích thước bo mạch, hạ giá thành chế tạo, đơn giản hóa quy trình căn chỉnh và nâng cao độ an toàn điện trong môi trường đào tạo thực hành.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Về mặt hạn chế, văn bản đồ án chỉ ra một số điểm tồn tại:

  • Sơ đồ mạch lực sử dụng hai Thyristor mắc song song ngược có nhược điểm cố hữu là dễ bị mất đối xứng điện áp tải nếu các linh kiện trong mạch điều khiển phát sinh sai số hoặc các thông số kích mở giữa hai bán kỳ không hoàn toàn đồng nhất. Sự bất đối xứng này tạo ra thành phần dòng điện một chiều chạy qua tải, dễ gây bão hòa từ, phát nóng và nguy cơ cháy cuộn dây khi cấp nguồn cho biến áp hoặc động cơ xoay chiều. Do đó, mạch đòi hỏi phải được kiểm tra và căn chỉnh định kỳ bằng thiết bị đo chuyên dụng.
  • Mô hình chế tạo trong đồ án mới chỉ dừng lại ở phạm vi mạch điều chỉnh điện áp xoay chiều một pha công suất nhỏ và trung bình, sử dụng điều khiển bằng biến trở vặn tay thủ công, chưa tích hợp vòng điều khiển phản hồi tự động (như phản hồi dòng điện hoặc tốc độ quay).

Về hướng phát triển được tác giả đề xuất:

  • Mở rộng cấu trúc điều khiển thành bộ điều áp xoay chiều 3 pha bằng cách nhân ba khối mạch điều khiển (hoặc phối hợp 3 vi mạch TCA 785 lệch pha nhau $120^\circ$) để ứng dụng điều khiển trực tiếp các hệ thống động cơ không đồng bộ ba pha công suất lớn và các hệ thống lò nhiệt điện trở công nghiệp.
  • Hoàn thiện module điều khiển với dải bảo vệ mở rộng, nâng cao chất lượng xung điều khiển để ứng dụng rộng rãi trong các xí nghiệp vừa và nhỏ.

Giá trị tham khảo

Đồ án là tài liệu kỹ thuật hữu ích đối với sinh viên chuyên ngành Kỹ thuật Điện, Điện – Điện tử, Tự động hóa và Điện tử công nghiệp đang thực hiện đồ án môn học Điện tử công suất, Truyền động điện hoặc đồ án tốt nghiệp liên quan đến điều khiển công suất.

Các nội dung có giá trị tham khảo cao nhất trong tài liệu gồm:

  1. Quy trình tính chọn van bán dẫn công suất: Phương pháp tính toán điện áp làm việc cực đại, hệ số dự trữ điện áp ($K_{dt} = 1,7$), dòng điện làm việc định mức và điều kiện tản nhiệt để lựa chọn linh kiện thương mại phù hợp (TYN1225).
  2. Mạch ứng dụng vi mạch TCA 785: Toàn bộ sơ đồ kết nối ngoại vi cho IC TCA 785 (cách phối ghép chân đồng bộ 5, tính toán tụ nạp răng cưa chân 10, tụ độ rộng xung chân 12 và phân áp chân 11).
  3. Module cách ly quang mạch lực: Sơ đồ phối ghép và công thức tính toán trở phân cực cho Optocoupler MOC3020 giao tiếp giữa IC điều khiển và cực G của Thyristor.
  4. Bản vẽ sơ đồ nguyên lý và layout mạch in: Nguồn mẫu trực quan cho sinh viên tham khảo cách phân bố linh kiện, đường mạch công suất và đường mạch tín hiệu trên bo mạch một lớp.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao đề tài lựa chọn phương án hai Thyristor song song ngược thay vì dùng Triac cho mạch lực?

Mặc dù Triac có ưu điểm là chỉ dùng một linh kiện duy nhất và đóng cắt đối xứng hai chiều, nhưng linh kiện Triac thương mại trên thị trường bị giới hạn về khả năng chịu dòng điện ($I < 400A$) và rất khó ghép song song khi nâng công suất tải. Trong khi đó, Thyristor đơn có thể chế tạo với dòng định mức lên đến hàng nghìn ampe (đến 7000A), mạch điều khiển đơn giản, giá thành hợp lý và độ bền cao, đáp ứng tốt hơn yêu cầu mở rộng dải công suất tải.

2. Vi mạch TCA 785 đảm nhiệm những vai trò gì trong mạch điều khiển?

TCA 785 là vi mạch tích hợp phức hợp thay thế toàn bộ các khối linh kiện rời của mạch điều khiển kinh điển. Vi mạch đảm nhiệm đồng thời 4 chức năng: (1) Nhận tín hiệu và tạo điện áp đồng bộ với lưới điện xoay chiều thông qua chân 5; (2) Tạo điện áp tựa răng cưa tuyến tính thông qua mạch nạp xả của tụ chân 10 và biến trở chân 9; (3) So sánh điện áp răng cưa với điện áp điều khiển một chiều từ chân 11; (4) Khuếch đại và phân chia xung kích ra chân 14 (cho bán kỳ dương) và chân 15 (cho bán kỳ âm) với độ rộng xung tùy chỉnh qua chân 12.

3. Khâu cách ly giữa mạch điều khiển và mạch động lực được tính chọn như thế nào?

Để đảm bảo an toàn tuyệt đối cho mạch điều khiển 15VDC trước điện áp lưới 220VAC của mạch lực, nhóm tác giả sử dụng IC cách ly quang MOC3020 kết hợp diode chống dòng ngược. Điện trở đầu vào được tính chọn $R_{in} = 2200\Omega$ dựa trên điện áp nguồn 15V và dòng định mức qua LED kích ($I_{gt} = 7mA$). Điện trở đầu ra nối vào chân G của Thyristor được tính chọn $R_k = 22k\Omega$ dựa trên độ sụt áp của MOC ($U_s = 3V$) và dòng kích mở yêu cầu của TYN1225 ($I_{gt} = 10mA$).

4. Tác giả giải quyết hiện tượng van không dẫn khi đóng điện vào tải có tính cảm lớn bằng cách nào?

Khi tải có tính điện cảm lớn, dòng điện tăng chậm ($di/dt$ nhỏ) và năng lượng từ trường chưa xả hết khi điện áp đảo chiều, dẫn đến dòng tải chưa kịp đạt mức dòng điện duy trì ($I_h = 80mA$) thì xung kích đã kết thúc, làm van tự khóa lại. Tác giả đã khắc phục hiện tượng này bằng cách kết nối tụ $C_{12} = 22nF$ vào chân 12 của TCA 785 để mở rộng độ rộng của xung kích, hoặc cấu hình tạo chùm xung liên tiếp từ thời điểm mở van cho tới cuối bán kỳ, đảm bảo Thyristor luôn duy trì trạng thái dẫn.

5. Các thông số kỹ thuật cốt lõi của van bán dẫn TYN1225 được lựa chọn là gì?

Van TYN1225 được chọn theo các thông số: điện áp định mức $U_{đm} = 1200V$ (vượt xa mức tính toán $528,92V$ với hệ số dự trữ $1,7$); dòng điện định mức $I_{đm} = 25A$ (vượt mức dòng làm việc hiệu dụng $5,09A$); điện áp điều khiển mở $U_{đk} = 2,5V$; dòng điều khiển mở $I_{đk} = 50mA$; dòng duy trì $I_h = 80mA$; dòng rò $I_r = 4mA$; sụt áp thuận khi mở $\Delta U = 1,6V$; tốc độ tăng áp cho phép $du/dt = 150V/\mu s$ và nhiệt độ làm việc tối đa cho phép $110^\circ C$.

Kết luận

Đồ án môn học "Thiết kế chế tạo mạch điều áp xoay chiều" của sinh viên Vũ Xuân Nam và Bùi Thanh Tâm đã giải quyết trọn vẹn yêu cầu từ nghiên cứu lý thuyết đến thiết kế, tính toán và chế tạo thành công phần cứng mạch điều áp một pha công suất $1000W \div 2000W$. Bằng việc ứng dụng vi mạch tích hợp TCA 785 kết hợp tầng cách ly quang MOC3020 và cặp van công suất Thyristor TYN1225, hệ thống đạt độ ổn định cao, khả năng điều chỉnh góc mở trơn tru từ $0^\circ$ đến $180^\circ$ và có giải pháp tin cậy cho phụ tải có tính cảm. Đây là tài liệu kỹ thuật có giá trị thực tiễn cao, đóng góp một mô hình mẫu hoàn chỉnh phục vụ công tác giảng dạy, học tập và phát triển đồ án chuyên ngành Điện tử công suất.