-
Thông tin
-
Hỏi đáp
Đồ án điện tử công suất - Tự động hóa | Trường đại học Điện Lực
Đồ án điện tử công suất - Tự động hóa | Trường đại học Điện Lực được sưu tầm và soạn thảo dưới dạng file PDF để gửi tới các bạn sinh viên cùng tham khảo, ôn tập đầy đủ kiến thức, chuẩn bị cho các buổi học thật tốt. Mời bạn đọc đón xem!
Môn: Nhập môn Tự động hóa 6 tài liệu
Trường: Đại học Điện lực 313 tài liệu
Thông tin:
Tác giả:
Preview text:
TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC
KHOA ĐIỀU KHIỂN & TỰ ĐỘNG HÓA
BÁO CÁO ĐỒ ÁN MÔN HỌC
ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT
Đề tài: Thiết kế lò điện trở sử dụng điều áp xoay chiều ba pha
Giảng viên hướng dẫn: TS. Nguyễn Duy Trung
Sinh viên thực hiện: Nguyễn Huy Hiệu-18810430178
Nguyễn Đức Hùng - 18810430239
Nguyễn Hữu Anh Hoàng -18810430129 Lớp: D13TDH&DKTBCN2 Hà Nội, 2022 MỤC LỤC
Chương 1: GIỚI THIỆU CHUNG VỀ LÒ ĐIỆN TRỞ VÀ BỘ ĐIỀU ÁP XOAY
CHIỀU........................................................................................................................... 1
1.1. Tổng quan về lò điện trở...................................................................................... 1
1.1.1. Giới thiệu chung về lò điện...........................................................................1
1.1.2. Giới thiệu chung về lò điện trở......................................................................2
1.1.3. Cấu tạo lò điện trở.........................................................................................3
1.2. Giới thiệu chung về bộ điều áp xoay chiều..........................................................7
1.2.1. Các đặc điểm chung về bộ điều áp xoay chiều..............................................7
1.2.2. Van điều khiển thyristor................................................................................9
1.2.3. Phân tích và chọn sơ đồ điều áp xoay chiều ba pha.....................................14
Chương 2: TÍNH TOÁN THIẾT KẾ MẠCH LỰC......................................................25
2.1. Thiết kế mạch lực..............................................................................................25
2.2. Tính chọn van mạch lực (Van thyristor)............................................................26
2.3. Tính chọn các phần tử bảo vệ van.....................................................................27
2.3.1. Bảo vệ quá dòng..........................................................................................28
2.3.2. Bảo vệ quá áp..............................................................................................29
Chương 3: TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN................................30
3.1. Yêu cầu chung của mạch điều khiển..................................................................30
3.2. Cấu trúc mạch điều khiển..................................................................................30
3.2.1. Khâu đồng pha............................................................................................32
3.2.2. Khâu tạo điện áp răng cưa...........................................................................32
3.2.3. Khâu so sánh...............................................................................................33
3.2.4. Khâu tạo xung.............................................................................................34
3.2.5. Khâu khuếch đại và biến áp xung................................................................35
3.2.6. Khâu tạo điện áp điều khiển........................................................................37
Chương 4: MÔ PHỎNG KIỂM CHỨNG....................................................................39
4.1. Sơ đồ mạch lực và mạch điều khiển..................................................................39
4.2.Mô phỏng và kiểm chứng mạch điều khiển trong các trường hợp......................41
KẾT LUẬN.................................................................................................................48
TÀI LIỆU THAM KHẢO...........................................................................................49
Danh sách các bảng, hình
Bảng 2.1. Các thông số kỹ thuật của van thyristor T10-12 của Nga............................27
Bảng 3.1. Bảng thông số các thiết bị khâu đồng pha...................................................32
Bảng 3.2. Bảng thông số các thiết bị khâu tạo điện áp răng cưa..................................33
Bảng 3.3. Bảng thông số các thiết bị khâu tạo dao động..............................................34
Bảng 3.4. Bảng thông số các thiết bị khâu khuếch đại bằng biến áp xung...................37 Y
Hình 1.1. Hình ảnh lò điện trở dạng lò giếng.................................................................6
Hình 1.2. Cấu trúc bán dẫn và ký hiệu của thyristor....................................................10
Hình 1.3. Đặc tính volt-ampere của thyristor...............................................................10
Hình 1.4. Hiệu ứng dU/dt tác dụng như dòng điều khiển.............................................14
Hình 1.5. Sơ đồ đấu sao có trung tính..........................................................................15
Hình 1.6. Sơ đồ tải đấu tam giác..................................................................................16
Hình 1.7. Sơ đồ đấu sao không trung tính....................................................................17
Hình 1.8. Đồ thị điện áp ra tải, với trường hợp 0 < α < 60˚.........................................19
Hình 1.9. Đồ thị điện áp ra tải, với trường hợp 60˚ < α < 90˚......................................21
Hình 1.10. Đồ thị điện áp ra tải, với trường hợp 90˚ < α < 150˚..................................22
Hình 2.1. Sơ đồ mạch lực khi đã có các phần tử bảo vệ dòng và áp............................25
Hình 2.2. Mạch bảo vệ quá dòng La.............................................................................28
Hình 2.3. Mạch RC bảo vệ quá điện áp của thyristor...................................................29
Hình 3.1. Sơ đồ cấu trúc nguyên tắc điều khiển dọc....................................................30
Hình 3.2. Sơ đồ mạch khâu đồng pha..........................................................................32
Hình 3.3. Sơ đồ khâu tạo điện áp răng cưa..................................................................32
Hình 3.4. Sơ đồ khâu so sánh.......................................................................................33
Hình 3.5. Sơ đồ mạch tạo dao động dùng IC logic......................................................34
Hình 3.6. Sơ đồ khâu tạo xung chùm...........................................................................35
Hình 3.7. Sơ đồ khuếch đại xung ghép biến áp xung dạng xung chùm........................35
Hình 4.1.Sơ đồ mạch lực.............................................................................................39
Hình 4.2.Sơ đồ mạch điều khiển..................................................................................40
Hình 4.3. Mạch điều khiển với trường hợp U = 1,43 (~45)........... đk ...........................41
Hình 4.4. Đồ thị điện áp ra tải của cả 3 pha.................................................................42
Hình 4.5. Mạch điều khiển với trường hợp U = 2,22V ().... đk
......................................43
Hình 4.6. Đồ thị điện áp ra tải của cả 3 pha................................................................44
Hình 4.7. Mạch điều khiển với trường hợp U = 3,2V ().... đk
........................................45
Hình 4.8. Đồ thị điện áp ra tải của cả 3 pha.................................................................46
Đồ án điện tử công suất
Chương 1: GIỚI THIỆU CHUNG VỀ LÒ ĐIỆN TRỞ VÀ BỘ ĐIỀU ÁP XOAY CHIỀU
1.1. Tổng quan về lò điện trở
1.1.1. Giới thiệu chung về lò điện a. Định nghĩa
Lò điện là một thiết bị điện biến điện năng thành nhiệt năng dùng trong các quá
trình công nghệ khác nhau như nung hoặc nấu luyện các vật liệu, các kim loại và các hợp kim khác nhau v.v…
- Lò điện được sử dụng rộng rãi trong các lĩnh vực kỹ thuật:
+ Sản xuất thép chất lượng cao
+ Sản xuất các hợp kim phe-rô
+ Nhiệt luyện và hóa nhiệt luyện
+ Nung các vật phẩm trước khi cán, rèn dập, kéo sợi
+ Sản xuất đúc và kim loại bột
- Trong các lĩnh vực công nghiệp khác:
+ Trong công nghiệp nhẹ và thực phẩm, lò điện được dùng để sất, mạ vật phẩm
và chuẩn bị thực phẩm
+ Trong các lĩnh vực khác, lò điện được dùng để sản xuất các vật phẩm thuỷ tinh,
gốm sứ, các loại vật liệu chịu lửa v.v…
Lò điện không những có mặt trong các ngành công nghiệp mà ngày càng được
dùng phổ biến trong đời sống sinh hoạt hàng ngày của con người một cách phong phú
và đa dạng: Bếp điện, nồi nấu cơm điện, bình đun nước điện, thiết bị nung rắn, sấy điện v.v…
b. Ưu điểm của lò điện so với các lò sử dụng nhiên liệu
- Có khả năng tạo được nhiệt độ cao
- Đảm bảo tốc độ nung lớn và năng suất cao
- Đảm bảo nung đều và chính xác do dễ điều chỉnh chế độ điện và nhiệt độ - Kín 1
Đồ án điện tử công suất
- Có khả năng cơ khí hoá và tự động hoá quá trình chất dỡ nguyên liệu và vận chuyển vật phẩm
- Đảm bảo điều kiện lao động hợp vệ sinh, điều kiện thao tác tốt, thiết bị gọn nhẹ
c. Nhược điểm của lò điện
- Năng lượng điện đắt
- Yêu cầu có trình độ cao khi sử dụng
1.1.2. Giới thiệu chung về lò điện trở
a. Nguyên lý làm việc của lò điện trở
Lò điện trở làm việc dựa trên cơ sở khi có một dòng điện chạy qua một dây dẫn
hoặc vật dẫn thì ở đó sẽ tỏa ra một lượng nhiệt theo định luật Jun-Lenxơ: Q = I R 2 T (1. ) 0 Trong đó:
Q - Lượng nhiệt tính bằng Jun (J)
I - Dòng điện tính bằng Ampe (A)
R - Điện trở tính bằng Ôm (Ω)
T - Thời gian tính bằng giây (s)
- Từ công thức trên ta thấy điện trở R có thể đóng vai trò:
+ Vật nung: Trường hợp này gọi là nung trực tiếp.
+ Dây nung: Khi dây nung được nung nóng nó sẽ truyền nhiệt cho vật nung bằng
bức xạ, đối lưu, dẫn nhiệt hoặc phức hợp. Trường hợp này gọi là nung gián tiếp.
Trường hợp thứ nhất ít gặp vì nó chỉ dùng để nung những vật có hình dạng đơn
giản (tiết diện chữ nhật, vuông và tròn).
Trường hợp thứ hai thường gặp nhiều trong thực tế công nghiệp. Cho nên nói đến
lò điện trở không thể không đề cập đến vật liều để làm dây nung, bộ phận phát nhiệt của lò.
b. Những vật liệu dùng làm dây nung
Yêu cầu của vật liệu dùng làm dây nung
Dây nung là bộ phận phát nhiệt của lò, làm việc trong những điều kiện khắc
nghiệt do đó đòi hỏi phải đảm bảo các yêu cầu sau:
- Chịu nóng tốt, ít bị oxy hóa ở nhiệt độ cao 2
Đồ án điện tử công suất
- Phải có độ bền cơ học cao, không bị biến dạng ở nhiệt độ cao
- Điện trở suất phải lớn
- Hệ số nhiệt điện trở phải nhỏ
- Các tính chất điện phải cố định hoặc ít thay đổi
- Các kích thước phải không thay đổi khi sử dụng
- Dễ gia công, dễ hàn hoặc dễ ép khuôn Dây nung kim loại
Để đảm bảo yêu cầu của dây nung, trong hầu hết các lò điện trở công nghiệp, dây
nung kim loại đều được chế tạo bằng các hợp kim Crôm-Nhôm và Crôm-Niken là các
hợp kim có điện trở lớn. Còn các kim loại nguyên chất được dùng để chế tạo dây nung
rất hiếm vì các kim loại nguyên chất thường có những tính chất không có lợi cho việc chế tạo dây nung như: - Điện trở suất nhỏ
- Hệ số nhiệt điện trở lớn
- Bị oxy hóa mạnh trong môi trường khí quyển bình thường
Dây nung kim loại thường được chế tạo ở dạng tròn và dạng băng.
Dây nung phi kim loại
Dây nung phi kim loại dung phổ biến là SiC, Grafit và than.
1.1.3. Cấu tạo lò điện trở
a. Những yêu cầu cơ bản đối với cấu tạo lò điện
Hợp lý về công nghệ
Hợp lý về công nghệ có nghĩa là cấu tạo lò không những phù hợp với quá trình
công nghệ yêu cầu mà còn tính đến khả năng sử dụng nó đối với quá trình công nghệ
khác nếu như không làm phức tạp quá trình gia công và làm tăng giá thành một cách
rõ rệt. Cấu trúc lò đảm bảo được các điều kiện như thế mới coi là hợp lý nhất. Điều
này đặc biệt quan trọng trong khi nhu cầu về lò điện vượt xa khả năng sản xuất ra nó.
Hiệu quả về kỹ thuật
Hiệu quả về kỹ thuật là khả năng biểu thị hiệu suất cực đại của kết cấu khi các
thông số của nó xác định (kích thước ngoài, công suất, trọng lượng, giá thành, …).
Đối với một thiết bị hoặc một vật phẩm sản xuất ra, năng suất trên một đơn vị
công suất định mức, suất tiêu hao điện để nung… là các chỉ tiêu cơ bản của hiệu quả 3
Đồ án điện tử công suất
kỹ thuật. Còn đối với từng phần riêng biệt của kết cấu hoặc chi tiết, hiệu quả kỹ thuật
được đánh giá bằng công suất dẫn động, mô men xoắn, lực… ứng với trọng lượng,
kích thước hoặc giá thành kết cấu.
Chắc chắn khi làm việc
Chắc chắn khi làm việc là một trong những chỉ tiêu quan trọng nhất của chất
lượng kết cấu của các lò điện. Thường các lò điện làm việc liên tục trong một ca, hai
ca và ngay cả ba ca một ngày. Nếu trong khi làm việc, một bộ phận nào đó không hoàn
hảo sẽ ảnh hưởng đến quá trình sản xuất chung. Điều này đặc biệt quan trọng đối với
các lò điện làm việc liên tục trong dây chyền sản xuất tự động. Ngay đối với các lò
điện làm việc chu kỳ, lò ngừng cũng làm thiệt hại rõ rệt cho sản xuất vì khi lò ngừng
đột ngột (nghĩa là phá hủy chế độ làm việc bình thường của nó) có thể dẫn đến làm hư
hỏng sản phẩm, lãng phí nguyên liệu và làm tăng giá thành sản phẩm.
Một chỉ tiêu phụ về sự chắc chắn khi làm việc của một bộ phận đó của lò điện là
khả năng thay thế nhanh hoặc khả năng dự trữ lớn khi lò làm việc bình thường. Theo
quan điểm chắc chắn, trong thiết bị cần chú ý đến các bộ phận quan trọng nhất, quyết
định sự làm việc liên tục của lò. Thí dụ: dây nung, băng tải…
Tiện lợi khi sử dụng
Tiện lợi khi sử dụng nghĩa là yêu cầu:
- Số nhân viên phục vụ tối thiểu.
- Không yêu cầu trình độ chuyên môn cao, không yêu cầu sức lực và sự dẻo dai của nhân viên phục vụ.
- Số lượng các thiết bị hiếm và quí bị hao mòn nhanh yêu cầu tối thiểu.
- Bảo quản dễ dàng. Kiểm tra và sửa chữa tất cả các bộ phận của thiết bị thuận lợi.
- Theo quan điểm an toàn lao động, điều kiện làm việc phải hợp vệ sinh và tuyệt đối an toàn.
Rẻ và đơn giản khi chế tạo Về mặt này yêu cầu:
- Tiêu hao vật liệu ít, đặc biệt là các vật liệu quí và hiếm (các kim loại màu, các
hợp kim có hàm lượng niken cao…)
- Công nghệ chế tạo đơn giản nghĩa là khả năng chế tạo phải sao cho ngày công ít
nhất và tận dụng được các thiết bị, dụng cụ thông thường có sẵn trong các nhà
máy chế tạo để gia công. 4
Đồ án điện tử công suất
- Các loại vật liệu và thiết bị yêu cầu để chế tạo phải ít nhất.
- Sử dụng đến mức tối đa các kết cấu giống nhau và cùng loại để dễ dàng đổi lẫn
và thuận tiện khi lắp ráp.
- Chọn hợp lý các dạng gia công để phù hợp với điều kiện chế tạo (đúc, hàn,
dập). Bỏ các chi tiết và các khâu gia công cơ khí không hợp lý.
Hình dáng bề ngoài đẹp
Mỗi kết cấu của thiết bị, vật phẩm, các khâu và các chi tiết phải có hình dáng và
tỷ lệ các cạnh phù hợp, dễ nhìn. Tuy nhiên cũng cần chú ý rằng, độ bền của kết cấu khi
trọng lượng nhỏ và hình dáng bề ngoài đẹp có quan hệ khăng khít với nhau.
Việc gia công lần chót như sơn có vai trò đặc biệt quan trọng đối với hình dáng
bên ngoài của lò điện. Song cũng cần tránh sự trang trí không cần thiết.
b. Cấu tạo lò điện trở
Hình 1.1. Hình ảnh lò điện trở dạng lò giếng
Hình 1.1 thể hiện hình ảnh và kết cấu lò điện trở dạng lò giếng. Lò điện trở thông
thường gồm ba phần chính: vỏ lò, lớp lót và dây nung. Vỏ lò 5
Đồ án điện tử công suất
Vỏ lò điện trở là một khung cứng vững, chủ yếu để chịu tải trọng trong quá trình
làm việc của lò. Mặt khác vỏ lò cũng dùng để giữ lớp cách nhiệt rời và đảm bảo sự kín
hoàn toàn hoặc tương đối của lò.
Đối với các lò làm việc với khí bảo vệ, cấn thiết vỏ lò phải hoàn toàn kín, còn đối
với các lò điện trở bình thường, sự kín của vỏ lò chỉ cần giảm tổng thất nhiệt và tránh
sự lùa của không khí lạnh vào lò, đặc biệt theo chiều cao lò.
Trong những trường hợp riêng, lò điện trở có thể làm vỏ lò không bọc kín.
Khung vỏ lò cần cứng vững đủ để chị được tải trọng của lớp lót, phụ tải lò (vật
nung) và các cơ cấu cơ khí gắn trên vỏ lò.
- Vỏ lò chữ nhật thường dùng ở lò buồng, lò liên tục, lò đáy rung v.v…
- Vỏ lò tròn dùng ở các lò giếng và một vài lò chụp v.v…
- Vỏ lò tròn chịu lực tác dụng bên trong tốt hơn vỏ lò chữ nhật khi cùng một
lượng kim loại để chế tạo vỏ lò. Khi kết cấu vỏ lò tròn, người ta thường dùng
thép tấm dày 3 – 6 mm khi đường kính vỏ lò là 1000 – 2000 mm và 8 – 12 mm
khi đường kính vỏ lò là 2500 – 4000 mm và 14 – 20 mm khi đường kính vỏ lò khoảng 4500 – 6500 mm.
Khi cần thiết tăng độ cứng vững cho vỏ lò tròn, người ta dùng các vòng đệm tăng
cường bằng các loại thép hình.
Vỏ lò chữ nhật được dựng lên nhờ các thép hình U, L và thép tấm cắt theo hình
dáng thích hợp. Vỏ lò có thể được bọc kín, có thể không tuỳ theo yêu cầu kín của lò.
Phương pháp gia công vỏ lò loại này chủ yếu là hàn và tán. Lớp lót
Lớp lót lò điện trở thường gồm hai phần: vật liệu chịu lửa và cách nhiệt.
Phần vật liệu chịu lửa có thể xây bằng gạch tiêu chuẩn, gạch hình và gạch hình
đặc biệt tuỳ theo hình dáng và kích thước đã cho của buồng lò. Cũng có khi người ta
đầm bằng các loại bột chịu lửa và các chất dính kết gọi là các khối đầm. Khối đầm có
thể tiến hành ngay trong lò và cũng có thể tiến hành ở ngoài nhờ các khuôn.
- Phần vật liệu chịu lửa cần đảm bảo các yêu cầu sau:
+ Chịu được nhiệt độ làm việc cực đại của lò.
+ Có độ bền nhiệt đủ lớn khi làm việc.
+ Có đủ độ bền cơ học khi xếp vật nung và đặt thiết bị vận chuyển trong điều kiện làm việc. 6
Đồ án điện tử công suất
+ Đảm bảo khả năng gắn dây nung bền và chắc chắn.
+ Có đủ độ bền hoá học khi làm việc, chịu được tác dụng của khí quyển lò và ảnh hưởng của vật nung.
+ Đảm bảo khả năng tích nhiệt cực tiểu. Điều này đặc biệt quan trọng đối với lò làm việc chu kỳ.
Phần cách nhiệt thường nằm giữa vỏ lò và phần vật liệu chịu lửa. Mục đích chủ
yếu của phần này là để giảm tổn thất nhiệt. Riêng đối với đáy, phần cách nhiệt đòi hỏi
phải có độ bền cơ học nhất định còn các phần khác nói chung không yêu cầu.
- Yêu cầu cơ bản của phần cách nhiệt là:
+ Hệ số dẫn nhiệt cực tiểu
+ Khả năng tích nhiệt cực tiểu
+ Ổn định về tính chất lý, nhiệt trong điều kiện làm việc xác định.
Phần cách nhiệt có thể xây bằng gạch cách nhiệt, có thể điền đầy bằng bột cách nhiệt. Dây nung
Theo đặc tính của vật liệu dùng làm dây nung, người ta chia dây nung làm hai
loại: dây nung kim loại và dây nung phi kim loại.
Trong công nghiệp, các lò điện trở dùng phổ biến là dây nung kim loại.
1.2. Giới thiệu chung về bộ điều áp xoay chiều
1.2.1. Các đặc điểm chung về bộ điều áp xoay chiều
a. Khái niệm và phân loại
Bộ điều áp xoay chiều là thiết bị dùng để đóng ngắt hoặc thay đổi điện áp xoay
chiều ra tải từ một nguồn xoay chiều cố định, trong đó tần số điện áp ra bằng tần số nguồn.
Điện áp xoay chiều được phân loại theo một số cách như sau:
- Phân loại theo số pha nguồn cấp cho mạch van:
+ Điều áp xoay chiều một pha
+ Điều áp xoay chiều ba pha
- Phân loại theo van bán dẫn trong mạch: + Mạch dùng thyristor + Mạch dùng triac 7
Đồ án điện tử công suất
+ Mạch dùng thyristor và diode
b. Ưu, nhược điểm của bộ điều áp xoay chiều Ưu điểm
- Dễ điều chỉnh và tự động hóa - Làm việc ổn định
- Phản ứng nhanh với các đột biến điều khiển
- Độ tin cậy và tuổi thọ cao - Kích thước gọn - Dễ thay thế
- Thích hợp với quá trình hiện đại hóa
- Tập trung hóa các quá trình công nghệ Nhược điểm
Nhược điểm chung và cơ bản nhất của điều áp xoay chiều là điện áp ra tải không
sin trong toàn dải điều chỉnh, (điện áp trên tải chỉ đạt hình sin hoàn chỉnh khi đưa toàn
bộ điện áp nguồn ra tải), điều chỉnh càng sâu – càng giảm điện áp ra, thì độ méo càng
lớn, tức là thành phần sóng hài bậc cao (là bội số của tần số vào) cũng càng lớn. Với
những tải yêu cầu nghiêm ngặt về độ méo và thành phần sóng hài có thể không ứng
dụng được điều áp xoay chiều.
c. Phạm vi ứng dụng của bộ điều áp xoay chiều
- Điều chỉnh ánh sáng đèn sợi đốt và ổn định độ phát quang của hệ chiếu sáng.
- Điều chỉnh và ổn định nhiệt độ các lò điện trở bằng cách tự động khống chế
công suất điện đưa vào lò.
- Điều áp xoay chiều cũng được sử dụng để điều chỉnh tốc độ động cơ điện
không đồng bộ, nhưng chỉ phù hợp với phụ tải của động cơ dạng quạt gió hoặc
máy bơm li tâm với phạm vi điều chỉnh không lớn. Điều áp xoay chiều thích hợp
với các chế độ như khởi động, đóng – ngắt nguồn cho động cơ điện xoay chiều.
- Điều áp xoay chiều cũng được dùng để điều chỉnh điện áp sơ cấp các biến áp
lực và thông qua đó điều chỉnh điện áp ra tải, phụ tải có thể dùng dòng điện xoay
chiều hoặc một chiều (chỉnh lưu diode phía thứ cấp) khi rơi vào hai trường hợp sau:
+ Điện áp thứ cấp thấp hơn nhiều điện áp sơ cấp nhưng dòng điện thứ cấp rất lớn,
thí dụ như thiết bị hàn tiếp xúc 8
Đồ án điện tử công suất
+ Điện áp thứ cấp mà tải yêu cầu cao hơn nhiều lần điện áp nguồn, thí dụ như hệ
thống nguồn cho điện phân, lọc bụi tĩnh điện...
1.2.2. Van điều khiển thyristor
a. Cấu tạo, ký hiệu Thyristor
Hình 1.2. Cấu trúc bán dẫn và ký hiệu của thyristor
Thyristor là phần tử bán dẫn cấu tạo từ bốn lớp bán dẫn p-n-p-n, tạo ra ba tiếp
giáp p-n: J1, J2, J3. Thyristor có ba cực: anode A, katot K, cực điều khiển G được biểu diễn trên hình 1.2.
b. Đặc tính Volt-Ampere của thyristor
Đặc tính volt-ampere của một thyristor gồm 2 phần (hình 1.3). Phần thứ nhất
nằm trong góc phần tư thứ I là đặc tính thuận tương ứng với trường hợp điện áp UAK >
0; phần thứ hai nằm trong góc phần tư thứ III, gọi là đặc tính ngược, tương ứng với trường hợp UAK < 0. 9
Đồ án điện tử công suất
Hình 1.3. Đặc tính volt-ampere của thyristor
Trường hợp dòng điện vào cực điều khiển bằng không (IG = 0)
Khi dòng vào cực điều khiển của thyristor bằng 0 hay khi hở mạch cực điều
khiển thyristor sẽ cản trở dòng điện ứng với cả hai trường hợp phân cực điện áp giữa
anode - cathode. Khi điện áp UAK < 0, theo cấu tạo bán dẫn của thyristor, hai tiếp giáp
J1, J3 đều phân cực ngược, lớp J2 phân cực thuận, như vậy thytistor sẽ giống như 2
diode mắc nối tiếp bị phân cực ngược. Qua thyristor sẽ chỉ có một dòng điện rất nhỏ
chạy qua, gọi là dòng rò. Khi UAK tăng đạt đến một giá trị điện áp lớn nhất Ung.max sẽ
xảy ra hiện tượng thyristor bị đánh thủng, dòng điện có thể tăng lên rất lớn. Giống như
ở đoạn đặc tính ngược của diode, quá trình bị đánh thủng là quá trình không thể đảo
ngược được, nghĩa là nếu có giảm điện áp UAK xuống dưới mức Ung.max thì dòng điện
cũng không giảm được về mức dòng rò. Thyristor đã bị hỏng.
Khi tăng điện áp anode - cathode theo chiều thuận, UAK > 0, lúc đầu cũng chỉ có
một dòng điện rất nhỏ chạy qua, gọi là dòng rò. Điện trở tương đương mạch anode -
cathode vẫn có giá trị rất lớn. Khi đó tiếp giáp J , 1
J 3 phân cực thuận, J2 phân cực
ngược. Cho đến khi UAK tăng đạt đến giá trị điện áp thuận lớn nhất, Uth.max, sẽ xảy ra
hiện tượng điện trở tương đương mạch anode - cathode đột ngột giảm, dòng điện chạy
qua thyristor sẽ chỉ bị giới hạn bởi điện trở mạch ngoài. Nếu khi đó dòng qua thyristor
lớn hơn một mức dòng tối thiểu, gọi là dòng duy trì Idt , thì khi đó thyristor sẽ dẫn dòng
trên đường đặc tính thuận, giống như đường đặc tính thuận ở diode. Đoạn đặc tính
thuận được đặc trưng bởi tính chất dòng có thể có giá trị lớn nhưng điện áp rơi trên
anode - cathode nhỏ và hầu như không phụ thuộc vào giá trị của dòng điện.
Trường hợp có dòng điện vào cực điều khiển (IG > 0) 10
Đồ án điện tử công suất
Nếu có dòng điều khiển đưa vào giữa cực điều khiển và cathode, quá trình
chuyển điểm làm việc trên đường đặc tính thuận sẽ xảy ra sớm hơn, trước khi điện áp
thuận đạt đến giá trị lớn nhất, Uth.max. Điều này được mô tả trên hình 1.2 bằng những
đường nét đứt, ứng với các giá trị dòng điều khiển khác nhau, IG1, IG2, IG3,...nói chung,
nếu dòng điều khiển lớn hơn thì điểm chuyển đặc tính làm việc sẽ xảy ra với UAK nhỏ hơn.
Quá trình xảy ra trên đường đặc tính ngược sẽ không có gì khác so với trường
hợp dòng điều khiển bằng 0.
c. Mở, khóa thyristor
Thyristor có đặc tính giống như diode, nghĩa là chỉ cho phép dòng chạy qua theo
một chiều, từ anode đến cathode, và cản trở dòng chạy theo chiều ngược lại. Tuy nhiên
khác với diode, để thyristor có thể dãn dòng, ngoài điều kiện phải có điện áp UAK > 0
còn cần thêm một số điều kiện khác. Do đó thyristor được coi là phần tử bán dẫn có
điều khiển để phân biệt với diode là phần tử không điều khiển được. Mở thyristor
Khi được phân cực thuận, UAK > 0, thyristor có thể mở bằng hai cách. Thứ nhất,
có thể tăng điện áp anode - cathode cho đến khi đạt đến giá trị điện áp thuận lớn nhất,
Uth.max, 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 có
thể tăng được điện áp đến giá trị Uth.max. Vả lại như vậy sẽ 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, phương pháp được áp dụng thực tế, là đưa một xung dòng
điện có giá trị nhất định vào giữa 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 anode - cathode nhỏ. Khi đó nếu dòng qua anode - cathode lớn hơn một giá trị
nhất định, gọi là dòng duy trì (Idt) thì 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. Khóa thyristor
Một thyristor đang dẫn dòng sẽ trở về trạng thái khóa (điện trở tương đương
mạch anode - cathode tăng cao) nếu dòng điện giảm xuống, nhỏ hơn giá trị dòng duy
trì, Idt. Tuy nhiên để thyristor vẫn ở trạng thái khóa, với trở kháng cao, khi điện áp 11
Đồ án điện tử công suất
anode - cathode lại dương (UAK > 0), cần phải có một thời gian nhất định để các lớp
tiếp giáp phục hồi hoàn toàn tính chất cản trở dòng điện của mình.
Khi thyristor dẫn dòng theo chiều thuận, UAK > 0, hai lớp tiếp giáp J1, J ,3 phân
cực thuận, các điện tích đi qua hai lớp này dễ dàng và lấp đầy tiếp giáp J2 đang bị phân
cực ngược. Vì vậy mà dòng điện có thể chảy qua ba lớp tiếp giáp J1, J , 2 J3. Để khóa
thyristor lại cần giảm dòng anode - cathode về dưới mức dòng duy trì (Idt) bằng cách
hoặc là đối chiếu dòng điện hoặc áp một điện áp ngược lên giữa anode và cathode
của thyristor. Sau khi dòng về bằng không phải đặt một điện áp ngược lên anode -
cathode (UAK < 0) trong một khoảng thời gian tối thiểu, gọi là thời gian phục hồi, tr ,
chỉ sau đó thyristor mới có thể cản trở dòng điện theo cả hai chiều. Trong thời gian
phục hồi có một dòng điện ngược chạy giữa anode và cathode. Dòng điện ngược này
di chuyển các điện tích ra khỏi tiếp giáp J 2và nạp điện cho tụ điện tương đương của
hai tiếp giáp J1, J3 được phục hồi. Thời gian phục hồi phụ thuộc vào lượng điện tích
cần được di chuyển ra ngoài cấu trúc bán dẫn của thyristor và nạp điện cho tiếp giáp J1 J
, 3 đến điện áp ngược tại thời điểm đó.
Quá trình khóa một thyristor có dạng gần giống như khóa một diode.
Thời gian phục hồi là một trong những thông số quan trọng của thyristor. Thời
gian phục hồi xác định dải tần số làm việc của thyristor. Thời gian phục hồi tr có giá trị
cỡ 550 µs đối với các thyristor tần số cao và cỡ 50200 µs đối với các thyristor tần số thấp.
d. Các thông số cơ bản của thyristor
Các thông số cơ bản là các thông số dựa vào đó ta có thể lựa chọn một thyristor
cho một ứng dụng cụ thể nào đó.
Giá trị dòng trung bình cho phép chạy qua thyristor, Iv
Đây là giá trị trung bình cho phép chạy qua thyristor với điều kiện nhiệt độ của
cấu trúc tinh thể bán dẫn của thyristor không vượt quá một giá trị cho phép. Trong thực
tế dòng điện cho phép chạy qua thyristor còn phụ thuộc vào các điều kiện làm mát và
nhiệt độ môi trường. Thyristor có thể được gắn lên các bộ tản nhiệt tiêu chuẩn và làm
mát tự nhiên. Ngoài ra thyristor có thể phải được làm mát cưỡng bức nhờ quạt gió
hoặc dùng nước để tải nhiệt lượng tỏa ra nhanh hơn. Có thể lựa chọn dòng điện theo
các điều kiện làm mát theo kinh nghiệm như sau:
- Làm mát tự nhiên: dòng sử dụng cho phép đến một phần ba dòng I .v
- Làm mát cưỡng bức bằng quạt gió: dòng sử dụng bằng hai phần ba dòng Iv.
- Làm cưỡng bức bằng nước: có thể sử dụng 100% dòng I .v
Điện áp ngược cho phép lớn nhất, Ung.max 12
Đồ án điện tử công suất
Đây là giá trị điện áp ngược lớn nhất cho phép đặt lên thyristor. Trong các ứng
dụng phải đảm bảo rằng, tại bất kỳ thời điểm nào điện áp giữa anode - cathode UAK
luôn nhỏ hơn hoặc bằng Ung.max. Ngoài ra phải đảm bảo một độ dự trữ nhất định về điện
áp, nghĩa là phải được chọn ít nhất là bằng 1,2 đến 1,5 lần giá trị biên độ lớn nhất của
điện áp trên sơ đồ đó.
Thời gian phục hồi tính chất khóa của thyristor, tr (µs)
Đây là thời gian tối thiểu phải đặt điện áp âm lên giữa anode - cathode của
thyristor sau khi dòng anode - cathode đã về bằng không trước khi lại có thể có điện áp
dương mà thyristor vẫn khóa. Thời gian phục hồi tr là một thông số rất quan trọng của
thyristor, nhất là trong các bộ nghịch lưu phụ thuộc hoặc nghịch lưu độc lập, trong đó
phải luôn đảm bảo rằng thời gian dành cho quá trình khóa phải bằng 1,5 đến 2 lần tr.
Tốc độ tăng điện áp cho phép, dU/dt (V/µs)
Thyristor được sử dụng như một phần tử có điều khiển, nghĩa là mặc dù được
phân cực thuận (UAK > 0) nhưng vẫn phải có tín hiệu điều khiển thì nó mới cho phép
dòng điện chạy qua. Khi thyristor được phân cực thuận, phần lớn điện áp rơi trên lớp
tiếp giáp J như được chỉ ra trên hì 2 nh 1.4.
Hình 1.4. Hiệu ứng dU/dt tác dụng như dòng điều khiển
Lớp tiếp giáp J2 bị phân cực ngược nên độ dày của nó nở ra, tạo ra vùng không
gian nghèo diện tích, cản trở dòng điện chạy qua. Vùng không gian này có thể coi như
một tụ điện có điện dung CJ2. Khi có điện áp biến thiên với tốc độ lớn, dòng điện của
tụ có thể có giá trị đáng kể, đóng vai trò như dòng điều khiển. Kết quả là thyristor có
thể mở ra khi chưa có tín hiệu điều khiển vào cực điều khiển G.
Tốc độ tăng điện áp là một thông số phân biệt thyristor tần số thấp với các
thyristor tần số cao. Ở thyristor tần số thấp, dU/dt vào khoảng 50 đến 200 (V/µs) với
các thyristor tần số cao dU/dt có thể đạt 500 đến 2000 (V/µs). 13
Đồ án điện tử công suất
Tốc độ tăng dòng cho phép, dI/dt (A/µs)
Khi thyristor bắt đầu mở, không phải mọi điểm trên tiết diện tinh thể bán dẫn của
nó đều dẫn dòng đồng đều. dòng điện sẽ chạy qua bắt đầu ở một số điểm, gắn với cực
điều khiển nhất, sau đó sẽ lan tỏa dần sang các điểm khác trên toàn bộ tiết diện. Nếu
tốc độ tăng dòng quá lớn có thể dẫn đến mật độ dòng điện ở các điểm dẫn ban đầu quá
lớn, sự phát nhiệt cục bộ quá mãnh liệt có thể dẫn đến hỏng cục bộ, từ đó dẫn đến
hỏng toàn bộ tiết diện tinh thể bán dẫn.
Tốc độ tăng dòng cũng phân biệt thyristor tần số thấp, có dI/dt cỡ 50 – 100
(A/µs), với các thyristor tần số cao với dI/dt cỡ 500 – 2000 (A/µs). Trong các ứng
dụng phải luôn đảm bảo tốc độ tăng dòng dưới mức cho phép. Điều này đạt được nhờ
mắc nối tiếp các van bán dẫn với các cuộn kháng trị số nhỏ. Cuộn kháng có thể lõi
không khí hoặc lõi ferit. Có thể dùng những xuyến ferit lồng lên thanh dẫn để tạo các
điện kháng giá trị khác nhau tùy theo số lượng xuyến sử dụng. xuyến ferit tạo nên các
điện kháng có tính chất của cuộn kháng bão hòa. Khi dòng qua thanh dẫn nhỏ, điện
kháng sẽ có giá trị lớn để hạn chế tốc độ tăng dòng; khi dòng điện lớn, cuộn kháng bị
bão hòa, điện cảm giảm gần như bằng không. Như vậy cuộn kháng kiểu này không
gây sụt áp trong chế độ dòng định mức qua thanh dẫn.
1.2.3. Phân tích và chọn sơ đồ điều áp xoay chiều ba pha
a. Các sơ đồ điều áp xoay chiều ba pha thường gặp
Các bộ điều chỉnh điện áp xoay chiều dùng để điều chỉnh giá trị điện áp xoay
chiều với hiệu suất cao. Để điều chỉnh điện áp pha có thể sử dụng ba sơ đồ.
Bộ điều áp xoay chiều chủ yếu sử dụng các thyristor mắc ngược hoặc Triac để
thay đổi giá trị điện áp trong nửa chu kỳ của điện áp lưới theo góc mở α, từ đó đổi
được giá trị hiệu dụng của điện áp ra tải.
- Nối tam giác ba bộ điều áp một pha.
- Nối hỗn hợp ba thyristor và ba diode.
Dưới đây trình bày các bộ điều chỉnh điện áp dòng xoay chiều hay sử dụng nhất.
Sơ đồ đấu sao có trung tính
Thông thường trong thực tế người ta hay sử dụng bộ điều chỉnh xung áp ba pha
(điều khiển động cơ không đồng bộ ba pha) điều khiển nhiệt độ của các lò điện trở.
Nếu bộ biến đổi xung áp ba pha được ghép từ ba bộ biến đổi một pha và có dây trung
tính (hình 1.5) thì dòng qua mỗi pha sẽ không phụ thuộc vào dòng của các pha khác. 14
Đồ án điện tử công suất
Hình 1.5. Sơ đồ đấu sao có trung tính
Khi tăng góc điều chỉnh α sẽ làm giảm thời gian dẫn dòng qua thyristor. Ứng với
một giá trị α nào đó, dòng trong một pha sẽ giảm về không trước khi mở thyristor của
pha sau. Như vậy sẽ xuất hiện những khoảng thời gian không có dòng tải và khoảng
dẫn của thyristor sẽ bị giảm đến giới hạn nhỏ hơn 60˚.
- Ưu, nhược điểm của sơ đồ: Ưu điểm:
+ Điện áp ngược trên các van dẫn nhỏ vì điện áp đặt vào van bán dẫn là điện áp pha.
+ Hoạt động tương tự như bộ điều áp 1 pha, các pha hoạt động độc lập với nhau,
do đó việc tính toán hoàn toàn tương tự như điều áp xoay chiều một pha nên sẽ đơn giản hơn. Nhược điểm:
+ Các van đấu ở điện trung tính có tồn tại dòng điện điều hòa bậc cao
+ Khi góc mở các van khác 0 có dòng tải gián đoạn.
Kết luận: trong thực tế loại sơ đồ này sử dụng rất ít và loại sơ đồ nối này chỉ thích hợp
các loại tải 3 pha có 4 đầu dây ra.
Sơ đồ tải đấu tam giác 15
Đồ án điện tử công suất
Hình 1.6. Sơ đồ tải đấu tam giác
Sơ đồ hình 1.6 là sơ đồ tải đấu tam giác, nó có nhiều điều khác so với sơ đồ có
dây trung tính. Ở đây dòng điện chạy giữa các pha với nhau nên đồng thời phải cấp
xung điều khiển cho 2 thyristor của 2 pha 1 lúc. Nhược điểm:
Việc cấp xung điều khiển như thế đôi khi gặp khó khăn trong mạch điều khiển,
ngay cả khi việc đổi thứ tự pha nguồn cũng có thể làm cho sơ đồ không hoạt động.
Sơ đồ đấu sao không trung tính
Hình 1.7. Sơ đồ đấu sao không trung tính 16
Đồ án điện tử công suất
Hoạt động của bộ điều chỉnh điện áp xoay chiều 3 pha nối sao không dây trung
tính (hình 1.7) là sự hoạt động tổng hợp của các pha. Việc điều chỉnh điện áp bộ điều
áp 3 pha không dây trung tính phụ thuộc vào góc α.
Trường hợp tổng quát sẽ có 6 đoạn điều khiển và 6 đoạn điều khiển không đối
xứng, đối xứng khi cả 3 Thyristor dẫn, không đối xứng khi 2 Thyristor dẫn.
Việc xác định điện áp phải căn cứ vaod chương trình làm việc của các Thyristor.
Giả thiết rằng tải đối xứng và sơ đồ điều khiển đảm bảo tạo ra các xung mở và góc mở lệch nhau 120˚
Khi đóng hoặc mở 1 Thyristor của một pha nào đó sẽ làm thay đổi dòng của 2
pha còn lại, ta lưu ý rằng trong hệ thống điện áp 3 pha hoặc chỉ qua 2 pha. Không có
trường hợp chỉ có 1 pha dẫn dòng.
Khi dòng chảy qua cả 3 pha thì điện áp trên tải đúng bằng điện áp pha.
Khi dòng chảy qua cả 2 pha thì điện áp trên tải bằng 1/2 điện áp dây của hai pha
mà có hai thyristor dẫn điện.
- Ưu, nhược điểm của sơ đồ: Ưu điểm:
+ Điện áp ngược trên các van dẫn lớn hơn vì điện áp đặt vào van bán dẫn là điện áp dây.
+ Hoạt động của bộ điều chỉnh điện áp xoay chiều 3 pha nối sao không dây trung
tính là sự hoạt động tổng hợp của các pha. Việc điều chỉnh điện áp bộ điều áp 3
pha không dây trung tính phụ thuộc vào góc α. Nên dễ dàng hơn trong việc điều khiển. Nhược điểm:
+ Việc tính toán các van sẽ phức tạp hơn.
+ Dạng dòng điện và điện áp ra tải đều không sin, nhưng với tải điện trở thuần
của lò điện trở thì việc điện áp ra tải không sin cũng không ảnh hưởng đến chế độ làm việc của lò.
Kết luận: trong thực tế loại sơ đồ này sử dụng rất phổ biến.
b. Lựa chọn và phân tích sơ đồ điều áp xoay chiều ba pha Lựa chọn sơ đồ
Từ việc giới thiệu các ưu điểm và nhược điểm của các sơ đồ trên, có thể đi đến
lựa chọn sơ đồ để thiết kế mạch lực và mạch điều khiển của bộ điều chỉnh nhiệt độ lò 17
Đồ án điện tử công suất
điện trở là: Bộ điều áp xoay chiều ba pha sáu thyristor đấu song song ngược tải thuần trở không dây trung tính. Phân tích sơ đồ
Sau đây là phân tích hoạt động của sơ đồ với tải thuần trở R:
- Mạch hoạt động theo quy luật chung:
+ Trường hợp 3 van dẫn: Mỗi pha có 1 van dẫn => Utải = U . nguồn
+ Trường hợp 2 van dẫn: Có 2 pha có van dẫn và 1 pha không van nào dẫn =>
điện áp pha tải = 1/2 điện áp dây nguồn và có 1 pha không có điện áp.
+ Trường hợp không có van dẫn: Toàn bộ tải bị ngắt khỏi nguồn (Utải = 0).
- Giá trị hiệu dụng của điện áp trên tải được tính theo biểu thức sau: UZa = (1. ) 0
UZa – giá trị hiệu dụng; uZa – giá trị tức thời.
- Do giá trị trong căn là giá trị bình phương nên: UZa= (1. ) 0
uA – giá trị tức thời của điện áp pha; uAB, uAC – giá trị tức thời của điện áp dây.
Các trường hợp dẫn của van phụ thuộc vào góc điều khiển α. Gồm 3 vùng điều khiển:
Với 0 < α < 60˚
Hình 1.8. Đồ thị điện áp ra tải, với trường hợp 0 < α < 60˚
Trong vùng này (hình 1.8) có các khoảng 3 van dẫn và 2 van dẫn xen kẽ nhau 18
Đồ án điện tử công suất
Các khoảng van dẫn trong một chu kỳ:
- Khoảng 0 ÷ 30˚: Khoảng có hai van T5, T6 cùng dẫn + U = 0 Za + UZb = UBC/2 + U = U Zc CB/2
- Khoảng 30˚ ÷ 60˚: Khoảng có hai van T1, T5, T6 cùng dẫn + U = U Za A + UZb = UB + U = U Zc C
- Khoảng 60˚ ÷ 90˚: Khoảng có hai van T1, T cùng dẫn 6 + U = U Za AB/2 + UZb = UBA/2 + U = 0 Zc
- Khoảng 90˚ ÷ 120˚: Khoảng có hai van T1, T2, T6 cùng dẫn + U = U Za A + UZb = UB + U = U Zc C
- Khoảng 120˚ ÷ 150˚: Khoảng có hai van T1, T cùng dẫn 2 + U = U Za AC/2 + UZb = 0 + U = U Zc CA/2
- Khoảng 150˚ ÷ 180˚: Khoảng có hai van T1, T2, T3 cùng dẫn + U = U Za A + UZb = UB + U = U Zc C
- Khoảng 180˚ ÷ 210˚: Khoảng có hai van T2, T cùng dẫn 3 + U = 0 Za + UZb = UBC/2 19
Đồ án điện tử công suất + U = U Zc CB/2
- Khoảng 210˚ ÷ 240˚: Khoảng có hai van T2, T3, T4 cùng dẫn + U = U Za A + UZb = UB + U = U Zc C
- Khoảng 240˚ ÷ 270˚: Khoảng có hai van T3, T cùng dẫn 4 + U = U Za AB/2 + UZb = UBA/2 + U = 0 Zc
- Khoảng 270˚ ÷ 300˚: Khoảng có hai van T3, T4, T5 cùng dẫn + U = U Za A + UZb = UB + U = U Zc C
- Khoảng 300˚ ÷ 330˚: Khoảng có hai van T4, T cùng dẫn 5 + U = U Za AC/2 + UZb = 0 + U = U Zc CA/2
- Khoảng 330˚ ÷ 360˚: Khoảng có hai van T4, T5, T6 cùng dẫn + U = U Za A + UZb = UB + U = U Zc C
Góc dẫn van λ = (180˚ - α)
Van ngắt khi điện áp nguồn bằng không.
Giá trị hiệu dụng của dòng điện áp ra tải: Uhd = Um , (1. ) 0
Với 60˚ < α < 90˚ 20
Đồ án điện tử công suất
Hình 1.9. Đồ thị điện áp ra tải, với trường hợp 60˚ < α < 90˚
Vùng điều khiển này (hình 1.9) luôn chỉ có các khoảng 2 van dẫn và không phụ
thuộc vào góc điều khiển α. Các khoảng 2 van dẫn: - T1, T d 2 ẫn & T , 4 T5 dẫn: + U = U Za AC/2 + UZb = 0 + U = U Zc CA/2 - T2, T d 3 ẫn & T , 5 T6 dẫn: + U = 0 Za + UZb = UBC/2 + U = U Zc CB/2 - T3, T d 4 ẫn & T , 6 T1 dẫn: + U = U Za AB/2 + UZb = UBA/2 + U = 0 Zc
Van trong cùng nhóm (chẵn hoặc lẻ) thay nhau dẫn, van sau mở thì van trước mới
khóa lại. lúc đó góc dẫn của van λ = 120˚ 21
Đồ án điện tử công suất
Điện áp ra tải không còn đoạn bằng điện áp nguồn mà chỉ có thể bằng 1/2 điện áp dây
Giá trị hiệu dụng của điện áp ra tải: Uhd = Um , (1. ) 0
Với 90˚ < α < 150˚
Hình 1.10. Đồ thị điện áp ra tải, với trường hợp 90˚ < α < 150˚
Trong vùng điều khiển này (hình 1.10), trong một chu kỳ có 2 trạng thái thay thế
nhau là khoảng 2 van dẫn và khoảng không van nào dẫn.
Các khoảng van dẫn trong một chu kỳ:
- Khoảng 0 ÷ 30˚: Khoảng có hai van T4, T cùng dẫn 5 + U = U Za AC/2 + UZb = 0 + U = U Zc CA/2
- Khoảng 30˚ ÷ 60˚: Khoảng này không có van nào dẫn + U = 0 Za + UZb = 0 + U = 0 Zc
- Khoảng 60˚ ÷ 90˚: Khoảng có hai van T5, T cùng dẫn 6 + U = 0 Za 22
Đồ án điện tử công suất + UZb = UBC/2 + U = U Zc CB/2
- Khoảng 90˚ ÷ 120˚: Khoảng này không có van nào dẫn + U = 0 Za + UZb = 0 + U = 0 Zc
- Khoảng 120˚ ÷ 150˚: Khoảng có hai van T1, T cùng dẫn 6 + U = U Za AB/2 + UZb = UBA/2 + U = 0 Zc
- Khoảng 150˚ ÷ 180˚: Khoảng này không có van nào dẫn + U = 0 Za + UZb = 0 + U = 0 Zc
- Khoảng 180˚ ÷ 210˚: Khoảng có hai van T1, T cùng dẫn 2 + U = U Za AC/2 + UZb = 0 + U = U Zc CA/2
- Khoảng 210˚ ÷ 240˚: Khoảng này không có van nào dẫn + U = 0 Za + UZb = 0 + U = 0 Zc
- Khoảng 240˚ ÷ 270˚: Khoảng có hai van T2, T cùng dẫn 3 + U = 0 Za + UZb = UBC/2 + U = U Zc CB/2
- Khoảng 270˚ ÷ 300˚: Khoảng này không có van nào dẫn + U = 0 Za 23
Đồ án điện tử công suất + UZb = 0 + U = 0 Zc
- Khoảng 300˚ ÷ 330˚: Khoảng có hai van T3, T cùng dẫn 4 + U = U Za AB/2 + UZb = UBA/2 + U = 0 Zc
- Khoảng 330˚ ÷ 360˚: Khoảng này không có van nào dẫn + U = 0 Za + UZb = 0 + U = 0 Zc
Van không dẫn liên lục mà dẫn thành 2 giai đoạn xen giữa một khoảng nghỉ.
Van ngắt dòng mỗi khi điện áp dây nguồn về 0V.
Giá trị hiệu dụng của điện áp ra tải: Uhd = , (1. ) 0
Chương 2: TÍNH TOÁN THIẾT KẾ MẠCH LỰC 24
Đồ án điện tử công suất
2.1. Thiết kế mạch lực
Hình 2.11. Sơ đồ mạch lực khi đã có các phần tử bảo vệ dòng và áp
Ta có sơ đồ mạch lực khi đã có các phần tử bảo vệ như hình 2.1.
Do tải của lò điện là tải thuần trở nên khi van có tín hiệu điều khiển mở thì dòng
qua van sẽ tăng đột ngột với tốc độ tăng dòng rất lớn. Đặc điểm của thyristor khi bắt
đầu dẫn không cho phép dòng qua nó tăng nhanh vượt giới hạn cho phép, nếu không
van sẽ bị thủng, hỏng.
Để bảo vệ van, sẽ phải có điện cảm phía xoay chiều nhằm hạn chế tốc độ tăng dòng.
Thực chất về nguyên lý chỉ cần tụ điện C, song vì khi van dẫn sẽ xuất hiện dòng
phóng từ tụ qua van làm nóng thêm cho van nên cần phải có điện trở R để hạn chế dòng điện này. 25
Đồ án điện tử công suất
Do đó, khi dùng mạch RC mắc song song với van sẽ giúp bảo vệ quá áp cho van.
2.2. Tính chọn van mạch lực (Van thyristor) - Theo đề bài:
+ Nhiệt độ lò từ 400˚C đến 500˚C
+ Công suất 8kW, hiệu suất 0,95
+ Nguồn xoay chiều ba pha 3x380V; 50Hz
Tính toán các thông số chọn van
- Đầu tiên, tính dòng điện mỗi pha của phụ tải theo công suất tải: It = = = 10,1 (A)
- Tính điện trở pha của tải: Upha = Rt = = = 21,78 (Ω)
- Chọn chỉ tiêu dòng van dựa vào trị số trung bình:
Itbvan = 0,45It = 0,45.10,1 = 4,54 (A)
Vậy cần chọn thyristor với trị số dòng điện cỡ:
Itbmax = 2Itbvan = 2.4,54 = 9.08 (A) - Chỉ tiêu điện áp:
UThymax = 1,5Upha max = 1,5..220 = 466,7 (V)
Vậy cần chọn thyristor chịu được điện áp khoảng:
Uthyristor = 2. UThymax = 2.466,7 = 933,4 (V)
Tính toán điều kiện làm mát cho van
Khi chọn van cần phải chú ý tới điều kiện làm mát cho van vì khi hoạt động, van
tỏa nhiệt rất lớn nên điều kiện làm mát cho van sẽ ảnh hưởng đến hiệu quả cũng như tuổi thọ của van.
Nếu van hoạt động trong điều kiện làm mát bằng không khí nhờ cánh tản nhiệt
thì van có thể làm việc tốt với 25% dòng định mức. Nếu van làm việc trong điều kiện
làm mát bằng quạt gió cưỡng bức thì van có thể chịu được 30% - 60% dòng định mức.
Nếu làm mát bằng nước thì van có thể chịu được đến 80% dòng định mức.
Trong nhiệm vụ thiết kế điều chỉnh nhiệt độ lò điện trở này thì dòng qua van
không quá lớn nên có thể lựa chọn phương pháp làm mát tự nhiên cho van. 26
Đồ án điện tử công suất Lựa chọn van thyristor
Từ những thông số tính toán ở trên, tra phụ lục 2 chọn được loại T10-12 do Nga chế
tạo với các thông số kỹ thuật sau:
Bảng 2.1. Các thông số kỹ thuật của van thyristor T10-12 của Nga Các tham số Chú giải Trị số
Dòng điện trung bình tối đa cho phép chạy qua van Itb (A) 12 trong điều kiện chuẩn
Trị số biên độ dòng điện dạng sin cho phép một lần qua Iđỉnh (A) 200
van, sau đó phải ngắt điện áp đặt lên van Irò (mA)
Dòng điện rò khi van ở trạng thái khóa 3
Điện áp tối đa mà van chịu được lâu dài ở cả hai chiều Điện áp 100-1200 thuận và ngược
du/dt (V/μs) Tốc độ tăng điện áp thuận lớn nhất đặt lên van 50-1000 tph (μs)
Thời gian phục hồi tính chất khóa cho van 150-70
di/dt (A/μs) Tốc độ tăng dòng cực đại cho phép qua van 40-200 ΔU (V)
Sụt áp thuận trên van ở dòng định mức 1,85
Điện áp điều khiển nhỏ nhất đảm bảo dòng điều khiển Uđk (V) 3 mở van Iđk (mA)
Dòng điều khiển nhỏ nhất vẫn đảm bảo mở được van 75
2.3. Tính chọn các phần tử bảo vệ van
Trong quá trình hoạt động thì van phải được làm mát để van không bị phá hỏng
vì nhiệt, phần này đã được tính toán cụ thể cho van rồi. Tuy nhiên, van cũng có thể bị
phá hỏng khi van phải chịu tốc độ tăng dòng, tăng áp quá lớn. Để tránh hiện tượng quá
dòng, quá áp trên van dẫn đến hỏng van vẫn phải có những biện pháp thích hợp để bảo
vệ van. Biện pháp bảo vệ van thường dùng nhất là mắc mạch R, C song song van để
bảo vệ quá áp và mắc nối tiếp cuộn kháng để hạn chế tốc độ tăng dòng.
Mạch bảo vệ van gồm các phần tử La, R, C tham số của Thyristor T10-16 có Itbmax
= 12 A, Ung.max = 1200 V, du/dt là cấp 4, di/dt là cấp 2: du/dt = 200 V/µs; di/dt = 40 A/µs.
Chọn độ dự trữ điện áp k u= 1,5, điện áp tối đa cho phép đặt lên van khi hoạt động là: Ung.maxLV = = = 800 (V) 27
Đồ án điện tử công suất 2.3.1. Bảo vệ quá dòng
- Vì van được mắc trực tiếp vào lưới điện mà không qua biến áp do đó cần phải
có cuộn cảm để bảo vệ cho van trong trường hợp quá dòng. Tốc độ di/dt sẽ lớn nhất
khi dòng qua van là cao nhất. Giả sử điện áp lưới không ổn định mà dao động trong
khoảng ±10%, vậy U2max lúc này sẽ tương đương: U2max = = 342,24 (V)
Hình 2.12. Mạch bảo vệ quá dòng La
- Vì tải thuần trở nên cần có điện cảm La bảo vệ tốc độ tăng dòng qua thyristor
- Tốc độ tăng dòng cho phép phụ thuộc vào điện áp đặt lên van và chỉ đúng với
trị số tra cứu nếu điện áp trên van khi làm việc nhỏ hơn 67% điện áp lớn nhất cho
phép. Trường hợp này điện áp lớn nhất khi làm việc U2max = 342,24 V, điện áp tối đa
cho phép đặt lên van 1200 V, vậy có quan hệ:
Vậy tốc độ tăng dòng cho phép được lấy bằng trị số tra cứu di/dt = 40 A/.
- Từ đây có trị số điện cảm La để bảo vệ bằng: La
Chọn điện cảm bảo vệ với giá trị La = 10 µH 2.3.2. Bảo vệ quá áp
Hình 2.13. Mạch RC bảo vệ quá điện áp của thyristor
Biện pháp bảo vệ thông dụng nhất hiện nay là dùng mạch RC mắc song song với
van và phải đặt càng gần van càng tốt sao cho dây nối ngắn tối đa. Việc xác định trị số
RC ở đây cũng phức tạp do đó có hai phương pháp xác định trị số RC: 28
Đồ án điện tử công suất
- Chọn theo kinh nghiệm thực tế: Điện trở nằm trong khoảng chục đến trên một
trăm ohm, còn tụ điện từ 0,1 đến 2µF (van càng lớn thì tụ lớn hơn và điện trở nhỏ đi).
- Phương pháp tính toán: Phương pháp này đòi hỏi phải có các đồ thị đặc tính cụ
thể của van mới có thể tiến hành. Tuy nhiên, trong thực tế, khi tính toán thiết kế bảo vệ
van thì rất khó có thể có đầy đủ tất cả các đường cong đặc tính cần thiết nên người ta
thường chọn giá trị R, C theo kinh nghiệm
Theo tính toán, dòng qua van bằng 8,62 A là nhỏ nên giá trị của R, C được chọn
theo giá trị chuẩn như sau: R = 68Ω C = 0,1µF 29
Đồ án điện tử công suất
Chương 3: TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN
3.1. Yêu cầu chung của mạch điều khiển
- Phát xung điều khiển đến các van lực theo đúng thứ tự pha và theo đúng góc điều khiển α cần thiết.
- Đảm bảo phạm vi điều khiển αmin ÷ αmax tương ứng với phạm vi thay đổi điện áp ra tải của mạch lực.
- Cho phép bộ điều áp làm việc bình thường với các chế độ khác nhau do tải yêu cầu.
- Góc điều khiển mọi van không được lệch quá (1 ÷ 3)˚ điện.
- Đảm bảo mạch hoạt động ổn định và tin cậy khi lưới điện xoay chiều dao động cả về
giá trị điện áp và tần số.
- Có khả năng chống nhiễu công nghiệp tốt.
- Độ tác động của mạch điều khiển nhanh, dưới 1ms.
- Đảm bảo xung điều khiển phát tới các van phù hợp để mở chắc chắn van.
3.2. Cấu trúc mạch điều khiển
Nguyên tắc điều khiển dọc
Hình 3.14. Sơ đồ cấu trúc nguyên tắc điều khiển dọc
Tín hiệu điện áp cung cấp cho mạch động lực chỉnh lưu được đưa đến mạch đồng
pha (như hình 3.1). Đầu ra của mạch đồng pha có các điện áp thường là dạng hình sin,
cùng tần số và có thể lệch pha một góc xác định so với điện áp nguồn, gọi là điện áp
đồng pha. Các điện áo đồng pha được đưa vào mạch phát triển điện răng cưa. Đầu ra
của điện áp răng cưa được đưa vào đầu vào của khâu so sánh. Tại đó còn có một tín
hiệu khác là điện áp phản hồi tương đương với nhiệt độ của lò. Tín hiệu đầu ra khối so
sánh là các xung xuất hiện với chu kỳ bằng chu kỳ Urc. Xung răng cưa có hai sườn
trong đó có một sườn tại đó |Urc|=|U |
dk thì đầu ra của khối xuất hiện một xung điện áp, 30
Đồ án điện tử công suất
sườn đó là sườn sử dụng. Vậy có thể thay đổi thời điểm xuất hiện xung đầu ra khối so
sánh bằng cách thay đổi Uđk khi giữ nguyên dạng của Urc. Nhưng trong đa số các
trường hợp tín hiệu ra từ khối so sáng chưa đủ yêu cầu cần thiết, người ta cần thực
hiện việc khuếch đai, sửa xung... Các nhiệm vụ này được thực hiện gọi là mạch tạo
xung. Đầu ra khối tạo xung ta sẽ được chuỗi xung điều khiển Thyristor có đủ yêu cầu
về công suất, độ dốc, độ dài...Thời điểm bắt đầu xuất hiện các xung hoàn toàn trùng
với thời điểm xuất hiện xung trên đầu ra khối so sánh. Khối so sánh xác định góc điều khiển α. Thay đổi U
đk có thể điều chỉnh được vị trí xung điều khiển tức là điều chỉnh được góc α.
Chức năng của từng khâu
- Khâu đồng bộ (hay đồng pha): có nhiệm vụ tạo ra điện áp tựa đồng bộ với điện
áp lưới, cho phép xác định được góc điều khiển α.
- Khâu tạo điện áp tựa: có nhiệm vụ tạo ra điện áp tựa (U ) đp dạng thích hợp sao
cho trong mỗi nửa chu kỳ của điện áp ra theo quy luật giống nhau.
Có 2 dạng điện áp tựa:
+ Dạng răng cưa: (răng cưa sườn trước; răng cưa sườn sau)
+ Dạng hình sin: dạng hình sin cho điện áp chỉnh lưu tuyến với điện áp điều
khiển nhưng có nhược điểm là phụ thuộc và lưới điện và bị nhiễm theo nguồn.
Trong thực tế người ta hay dùng điện áp tựa dạng hình răng cưa hơn.
- Khâu so sánh: thực hiện nhiệm vụ so sánh điện áp tựa với điện áp điều khiển để
phát động tạo xung có độ rộng thích hợp để điều khiển tới van.
- Khâu tao xung: vì xung dương sau khối so sánh là một xung vuông có độ rộng
kéo dài từ khi xuất hiện cho đến hết nửa chu kì đang xét của điện áp chỉnh lưu, xung
này chưa thích hợp để mở thyristor. Do vậy khâu tạo xung này có nhiệm vụ:
+ Chế biến xung ra thành dạng thích hợp cho việc mở thyristor (dạng xung kim đơn hoặc xung chùm)
+ Khuếch đại đủ công suất mở thyristor
+ Chia xung cấp cho các thyristor
- Khâu khuếch đại xung có nhiệm vụ khuếch đại để đảm bảo về: + Độ lớn của xung
+ Công suất xung điều khiển
+ Cách ly mạch lực với mạch điều khiển 31
Đồ án điện tử công suất 3.2.1. Khâu đồng pha
Hình 3.15. Sơ đồ mạch khâu đồng pha
Chọn điện áp xoay chiều 380V từ mạch lực qua biến áp có số hệ số Kba = 30.
Điện trở R 1để hạn chế dòng điện đi vào khuyếch đại thuật toán OA1, thường chọn R1
sao cho dòng vào khuyếch đại thuật toán Iv < 1 mA. Sơ đồ khâu đồng pha được thể hiện trên hình 3.2. Chọn R1 = 15 (kΩ)
Bảng 3.2. Bảng thông số các thiết bị khâu đồng pha Số TT Tên thiết bị Số lượng Thông số 1 Điện trở R 1 15kΩ
3.2.2. Khâu tạo điện áp răng cưa
Hình 3.16. Sơ đồ khâu tạo điện áp răng cưa Nguyên lý làm việc
Điện áp V có dạng hình sin qua khuếch đại thuật toán OA 1tạo chuỗi xung chữ
nhật đối xứng Udb. Phần áp dương của điện áp chữ nhật Ud bqua diode D1 tới khuếch
đại thuật toán OA tích phân thành 2
điện áp tựa Urc. Điện áp âm của điện áp U làm mở db
thông zener diode kết quả là 2 bị ngắn mạch (với Urc = 0) trong vùng U âm. db 32
Đồ án điện tử công suất
Điện áp răng cưa được hình thành do sự nạp của tụ C. Mặt khác để bảo đảm điện
áp tựa có trong nửa chu kỳ điện áp lưới là tuyến tính thì hằng số thời gian tụ nạp được.
Thời gian tụ C1 phóng điện chính là thời gian tương ứng phạm vi điều chỉnh góc điều khiển α.
Chọn diode ổn áp Dz1 có UDz = 20V. Chọn tụ C = 4,7 nF 1 . Chọn R2 = 3,3 kΩ.
Bảng 3.3. Bảng thông số các thiết bị khâu tạo điện áp răng cưa Số TT Tên thiết bị Số lượng Thông số 1 Tụ C 1 4,7nF 2 Ổn áp DZ 1 20V 3 Điện trở R 1 3,3kΩ 3.2.3. Khâu so sánh
Hình 3.17. Sơ đồ khâu so sánh
Trong sơ đồ điều khiển hình 3.4, ta dùng kiểu so sánh hai cửa (U+ = Utựa, U- =
Uđk) do đó điện áp ra sẽ tuân theo quy luật: U -
ra = Uss = Ko(U+ - U ) = Ko(Utựa – U ) đk Do đó, khi U
đk > Utựa thì Ura = Uss = -U , bh khi U
đk < Utựa thì ngược lại Ura = Uss = +Ubh.
Các điện áp đưa vào so sánh (Urc và U ) phải đk
cùng dấu (cùng “-” hoặc cùng “+”)
thì mới có hiện tượng thay đổi trạng thái ở đầu ra (Uss).
Độ chênh lệch tối đa giữa hai cửa trong khi làm việc không được vượt quá giới hạn cho phép của OA. 33
Đồ án điện tử công suất
Các điện trở ở hai cửa vào của OA có thể không cần dùng, nếu OA cho phép
chênh lệch điện áp giữa các đầu vào của nó ΔUvOA lớn hơn chênh lệch điện áp lớn nhất của Utựa với U . T đk
rong trường hợp (Utựa – U ) vượt quá mức cho phép của OA đk thì buộc
phải có các điện trở này, kết hợp với hai diode đấu song song ngược để bảo vệ đầu vào
cho OA. Thực tế hiện nay các OA thường có ΔUvmax = ±18V nên có thể bỏ các điện trở
đầu vào, tuy nhiên để an toàn người ta vẫn mắc các điện trở này trong mạch thực. 3.2.4. Khâu tạo xung
a. Tạo dao động dùng IC logic
Hình 3.18. Sơ đồ mạch tạo dao động dùng IC logic
Hình 3.5 là một sơ đồ dùng 3 logic “NOT” và mạch RC để tạo thành dao động xung với chu kỳ T 1,4RC.
Tạo tần số dao động khoảng 10kHz.
Tần số 10kHz tương đương chu kỳ là: Chọn C = 100nF = 0,1µF Chọn R = 1kΩ
Bảng 3.4. Bảng thông số các thiết bị khâu tạo dao động Số TT Tên thiết bị Số lượng Thông số 1 Điện trở R 1 1kΩ 2 Tụ điện C 1 0,1µF
b. Khâu tạo xung chùm 34
Đồ án điện tử công suất
Hình 3.19. Sơ đồ khâu tạo xung chùm
Trong sơ đồ hình 3.6, do khâu so sánh nối tới cửa vào logic “AND” nên chỉ trong
khoảng điện áp ra của Uss ở mức cao tương ứng logic “1” xung từ bộ dao động tần số
cao mới đi qua được mạch “AND” để tới khâu khuếch đại xung (KĐX). Bản thân mức
“1” này lại phụ thuộc góc α nên kết quả có độ rộng xung chùm bằng (180˚ - α).
3.2.5. Khâu khuếch đại và biến áp xung
Hình 3.20. Sơ đồ khuếch đại xung ghép biến áp xung dạng xung chùm
Biến áp xung có tính vi phân nên phải có điện trở để kịp tiêu tán năng lượng tích
lũy ở các cuộn dây trong giai đoạn khóa của các bóng bán dẫn, nếu không biên độ của
các xung sẽ giảm đi đáng kể do điểm làm việc của lõi biến áp bị đẩy dần lên vùng bão
hòa. Vì vậy trên hình 3.7 có điện trở R làm nhiệm vụ này 2
, khi T nhỏ khóa dòng điện 1 35
Đồ án điện tử công suất
qua biến áp xung sẽ chảy vòng qua D2 – R nên năng lượng sẽ tiêu tán 2 trên điện trở
này. Giá trị R2 thường chọn từ khả năng dẫn dòng tối đa cho phép của T1.
Tuy nhiên do R2 mắc nối tiếp với cuộn sơ cấp với biến áp xung nên khi dẫn R2 sẽ
làm giảm áp đặt vào biến áp xung, để vẫn giữ điện áp ban đầu trên biến áp xung bằng
nguồn Ecs có thể đưa thêm tụ C vào, lúc đó trong giai đoạn T khóa tụ điện phải kịp 1
nạp đến trị số bằng nguồn.
Thyristor đã chọn là T10-12 có U = 3V đk và I = 75mA đk R = U đk / I đk = đk 3/0,075 = 40Ω
Chọn biến áp xung có tỉ số k = 2, vậy tham số điện áp và dòng điện cuộn sơ cấp là: U1 = Uđk.k = 3.2 = 6V I1 = I /k = 0,075/2 = 0,0375A đk
Tham số điện áp và dòng điện cuộn thứ cấp là: U2 = Uđk = 3V I2 = I = 75mA đk
Nguồn công suất phải có trị số lớn hơn U để bù sụt áp trên điện trở vì v 1 ậy, chọn
Ecs = 15V. Từ Ecs và I1 chọn T loại BD135 1
có tham số Uce = 45V; Icmax = 1,5A; β = 40 1 R > E 2 cs / Icp = 15/1,5 = 10Ω Chọn R2 = 12Ω
Kiểm tra độ sụt áp trên điện trở này khi bóng dẫn dòng:
U1 = Ecs – UR2 = 15 – I1.R2 = 15 – 0,0375.12 = 14,55V và lớn hơn 6V nên đạt yêu
cầu. Tuy nhiên để tăng mạch xung kích cho van vẫn có thể dùng thêm tụ C tăng cường áp được tính như sau:
Tần số xung chùm 10kHz Txc = 100µs Chọn C = 1µF
Chọn T2 loại BC107 có Uce = 45V; Icmax = 0,1A; β2 = 110
= 45,8kΩ Chọn R1 = 15kΩ; Chọn R = 15kΩ 3
Bảng 3.5. Bảng thông số các thiết bị khâu khếch đại bằng biến áp xung Số TT Tên thiết bị Số lượng Thông số 36
Đồ án điện tử công suất 15kΩ (*2) 1 Điện trở R 4 40Ω (*1) 12Ω (*1) 2 Tụ điện C 1 1µF Tính biến áp xung
Chọn máy biến áp có hệ số biến áp xung là kba = 2
Do chế độ làm việc của biến áp xung là từ hóa một phần Chọn ΔB = 0,2T; ΔH = 30 H/m. Thể tích của lõi là: V = = (m3) = 0,375 cm3
Tra bảng cho trường hợp từ hóa một phần chọn lõi ferit loại 1408 có tiết diện lõi tương ứng S 2 ba = 0,251 cm
Số vòng dây cuộn sơ cấp là: Lấy w = 60 vòng 1 w2 = 60/2 = 30 vòng.
3.2.6. Khâu tạo điện áp điều khiển
Theo yêu cầu của đồ án: Nhiệt độ lò từ 400˚C đến 500˚C Chọn cặp nhiệt điện
để đo nhiệt độ với độ phân giải khoảng 100˚C thì tăng 0,64mV Khoảng từ 400˚C
đến 500˚C sẽ tương ứng với khoảng 2,56mV đến 3,2mV
Do điện áp đo được rất nhỏ (Chỉ khoảng mV) nên sẽ phải khuếch đại điện áp, do
đó khoảng U tương ứng là U đk = 2,56V đk ÷ 3,2V
Đồ án không yêu cầu hệ kín nên sẽ không có khâu phản hồi Với hệ hở thì Uđặt = Uđk
Vì răng cưa của khâu tạo điện áp tựa là tuyến tính nên góc α kéo dài từ 0˚ đến
180˚, do đó mối quan hệ giữa U và góc điều khiển α l đk à:
Vậy với giới hạn điện áp điều khiển Uđk = 2,56V ÷ 3,2V thì tương đương góc
điều khiển α là α = 80˚ ÷ 102˚. 37
Đồ án điện tử công suất
Chương 4: MÔ PHỎNG KIỂM CHỨNG
4.1. Sơ đồ mạch lực và mạch điều khiển a. Sơ đồ mạch lực
Hình 4.1.Sơ đồ mạch lực 38
Đồ án điện tử công suất
b. Sơ đồ mạch điều khiển
Hình 4.2.Sơ đồ mạch điều khiển 39
Đồ án điện tử công suất
4.2.Mô phỏng và kiểm chứng mạch điều khiển trong các trường hợp
Vì răng cưa của khâu tạo điện áp tựa là tuyến tính nên góc kéo dài từ đến 180, do
đó mối quan hệ giữa U và góc điều khiển l đk à:
Với Uđk = 1,43 có thể xác định được α ~ 45˚
Hình 4.3. Mạch điều khiển với trường hợp U = 1,43 (~45) đk 40
Đồ án điện tử công suất
Từ đồ thị trên rút ra được:
Giá trị hiệu dụng của điện áp tải là: U = 204.68332 (V) hd
Giá trị hiệu dụng của dòng điện qua tải là: I = hd 9.3300346 (A)
Hình 4.4. Đồ thị điện áp ra tải của cả 3 pha 41
Đồ án điện tử công suất
Với Uđk = 2,22V có thể xác định được α = 70˚ 42
Đồ án điện tử công suất Udp3 0 Udb3 0 Udk Urc3 5 0 Us3 0.8 0.4 0 Ud 3 0.8 0.4 0 Uxc3 0.8 0.4 0 Ubax3 8 4 0 Izb 0 Uzb 0 0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 Time (s)
Hình 4.5. Mạch điều khiển với trường hợp U = 2,22V đk () 43
Đồ án điện tử công suất
Từ đồ thị trên rút ra được:
Giá trị hiệu dụng của điện áp tải là: U = 171.151 hd 19 (V)
Giá trị hiệu dụng của dòng điện qua tải là: I = hd 7.7795995 (A) Uza Uzb Uzc 300 200 100 0 -100 -200 -300 0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 Time (s)
Hình 4.6. Đồ thị điện áp ra tải của cả 3 pha
Với Uđk = 3,2V có thể xác định được α = 102˚ 44
Đồ án điện tử công suất Udp3 0 Udb3 0 Udk Urc3 5 0 Us3 0.8 0.4 0 Ud 3 0.8 0.4 0 Uxc3 0.8 0.4 0 Ubax3 8 4 0 Izb 10 0 -10 Uzb 0 0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 Time (s)
Hình 4.7. Mạch điều khiển với trường hợp U = 3,2V đk () 45
Đồ án điện tử công suất
Từ đồ thị trên rút ra được:
Giá trị hiệu dụng của điện áp tải là: U = 105.07928 (V) hd
Giá trị hiệu dụng của dòng điện qua tải là: I = hd 4.7763308 (A) Uza Uzb Uzc 300 200 100 0 -100 -200 -300 0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 Time (s)
Hình 4.8. Đồ thị điện áp ra tải của cả 3 pha
Nhận xét về kết quả mô phỏng mạch điều khiển và đồ thị điện áp ra tải
- Mạch điều khiển:
+ Các khâu trong mạch điều khiển có dạng sóng tương đối giống so với lý thuyết
+ Khâu tạo điện áp răng cưa có dạng tuyến tính nên có giới hạn góc mở từ 0 đến 180
+ Khâu tạo xung: Tạo xung chùm phù hợp mở van thyristor
+ Khâu khuếch đại và biến áp xung: Tạo được xung có điện áp đủ lớn để mở van
- Đồ thị điện áp ra tải:
+ Đồ thị điện áp ra tải trong các trường hợp khác nhau có dạng sóng tương đối so với lý thuyết.
+ Nhận thấy đồ thị điện áp ra tải của cả 3 trường hợp đều là điện áp xoay chiều 3 pha đối xứng. 46
Đồ án điện tử công suất KẾT LUẬN
Sau một học kỳ thực hiện đồ án, chúng em đã hoàn thành đồ án môn học Điện Tử
Công Suất. Trong quá trình làm đồ án chúng em đã thực hiện các công việc sau:
- Tìm hiểu về cấu tạo và nguyên lý hoạt động của lò điện trở.
- Tìm hiểu về mạch điều áp xoay chiều ba pha.
- Mô phỏng mạch điều khiển bằng phần mềm PSIM.
Tuy nhiên, do thời gian có hạn và trình độ còn nhiều hạn chế nên chúng em chưa
thể hoàn thành phần cứng của mạch điều khiển này và một số kết quả mô phỏng chỉ
mang tính tương đối so với lý thuyết đã học. Chúng em mong sẽ nhận được sự góp ý
từ các thầy cô để có thể hoàn thiện hơn bản đồ án này. 47
Đồ án điện tử công suất TÀI LIỆU THAM KHẢO
1. Sách “Hướng dẫn thiết kế Điện tử công suất” của tác giả Phạm Quốc Hải, Nhà xuất
bản Khoa học và kỹ thuật.
2. Giáo trình “Điện tử công suất”, Võ Minh Chính (Chủ biên), Phạm Quốc Hải, Trần
Trọng Minh, Nhà xuất bản Khoa học và kỹ thuật.
3. Sách “ Phân tích và giải mạch điện tử công suất”,Phạm Quốc Hải, Dương Văn Nghi,
Nhà xuất bản Khoa học và kỹ thuật. 48