Thiết kế bộ điều khiển lò nhiệt

TRƯỜNG ĐẠI HỌC HÀNG HẢI VIỆT NAM
KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ
BỘ MÔN ĐIỆN TỰ ĐỘNG CÔNG NGHIỆP
==========o0o==========

BÀI TẬP LỚN
ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT
Mã: 13350
Học kỳ: 2 – Năm học: 2020 – 2021
Đề tài: Thiết kế bộ điều khiển lò nhiệt:
-

Điện áp vào: 220V, f = 50Hz.
Điện áp ra: (0 ÷200)V
Dịng tải 10A.

SINH VIÊN

MSV

ĐINH VŨ HẢI ĐĂNG
NGƠ MINH HIẾU
PHẠM THÀNH TRUNG

LỚP
TĐH60Đ
82607
H
TĐH60Đ
83101
H

TĐH60Đ
85315
H

NHIỆM VỤ
Nhóm trưởng
Thành viên
Thành viên

Ngành Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa
Chun ngành Điện tự động cơng nghiệp
Giảng viên hướng dẫn:
Bộ môn:
Khoa:

ThS. Vũ Ngọc Minh
Điện tự động công nghiệp
Điện – Điện tử

HẢI PHÒNG - 5/2021


ĐỀ TÀI BÀI TẬP LỚN

Thiết kế bộ điều khiển lò nhiệt:
-

Điện áp vào: 220V, f = 50Hz.
Điện áp ra: (0 ÷200)V
Dòng tải 10A.

Giáo viên hướng dẫn
Ký và ghi rõ họ tên

MỤC LỤC
2


MỤC LỤC
DANH MỤC HÌNH VẼ
MỞ ĐẦU

Danh mục hình vẽ

3


MỞ ĐẦU
Trong những năm gần đây với sự phát triển ngày càng mạnh mẽ của nền
kinh tế xã hội, các lĩnh vực khoa học, kỹ thuật ứng dụng vào các ngành cơng
nghiệp nói chung và ngành cơng nghiệp điện tử nói riêng, các thiết bị điện tử
cơng suất được ứng dụng và được chế tạo ngày càng nhiều, đặc biệt là ứng dụng
vào các ngành kinh tế quốc dân và đời sống, làm cho yêu cầu về sự hiểu biết và
thiết kế các loại thiết bị này hết sức cần thiết đối với kỹ sư ngành điện.
Trong nhiều lĩnh vực sản xuất công nghiệp hiện nay, nhất là ngành
công nghiệp luyện kim, chế biến thực phẩm…Vấn đề đo và khống chế nhiệt
độ đặc biệt được chú trọng đến vì nó là một yếu tố quyết định đến chất lượng
của sản phẩm. Nắm được tầm quan trọng của vấn đề nên nhóm em đã được phân
nhiệm vụ bài tập lớn:
“Thiết kế bộ điều khiển lị nhiệt”

Mặc dù nhóm em đã rất cố gắng để hồn thành bài taạp lớn của mình nhưng
khơng thể tránh khỏi những thiếu sót em mong thầy đóng góp ý
kiến để nhóm em có thể hồn thiện đề tài của mình hơn.
Nhóm em xin chân thành cảm ơn !

4


CHƯƠNG 1. GIỚI THIỆU VỀ LÒ NHIỆT VÀ BỘ ĐIỀU CHỈNH XUNG
ÁP XOAY CHIỀU 1 PHA
1.1 Tổng quan về lò nhiệt điện trở
1 Giới thiệu chung về lò điện trở
Lò điện là một thiết bị điện biến điện năng thành nhiệt năng dùng trong
các q trình cơng 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
Nhiệt luyện và hoá 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 cơng nghiệp nhẹ và thực phẩm, lị điện được dùng để sấy,

-

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...
Lị điện khơng 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...
2 Cấu tạo của lò điện trở

Lò điện trở thường gồm 3 phần chính là: vỏ lị, lớp lót và dây nung.
1.1.1.1. Vỏ lị
Vỏ lị điện trở là một khung cứng vững, chủ yếu chịu trọng tải trong q
trình làm việc của lị. Mặt khác vỏ lị cũng dùng để giữ lớp cách nhiệt và đảm bảo
sự kín của lị.
Đối với các lị làm việc với khí bảo vệ cần thiết vỏ lị phải hồn tồn kín,
cịn đối với các lị điện trở bình thường, sự kín của vỏ lò chỉ cần giảm tổn thất
nhiệt và tránh sự lùa của khơng khí lạnh vào lị.

5


Khung vỏ lò cần làm cứng vững đủ để chịu trọng tải của lớp lót, phụ tải lị
và các cơ cấu cơ khí gắn trên vỏ lị.
1.1.1.2. Lớp lót
Lớp lót lò điện trở thường gồm 2 phần vật liệu chịu lửa và cách nhiệt.
Phần vật liệu chịu lửa có thể xây bằng gạch tiêu chuẩn, gạch hình hoặc
gạch hình đặc biệt tùy theo hình dáng kích thước của buồng lị. Cũng có khi
người ta đầm bằng các loại bột chịu lửa và các chất kết dính gọi là các khối
đầm. Khối đầm có thể tiến hành ngay trong lị và cũng có thể tiến hành ngồi

nhờ các khn.
Phần cách nhiệt thường nằm giữa vỏ lò và phần 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. Phần cách nhiệt có thể xây bằng gạch
cách nhiệt hoặc các lớp cách nhiệt.
1.1.1.3. Dây nung
Dây nung là bộ phận phát nhiệt của lị, làm việc trong những điều kiện
khắc nhiệt do đó phải đảm bảo được các yêu cầu cần thiết. Theo đặc tính của
vật liệu dùng làm dây nung người ta chia dây nung làm 2 loại: dây nung kim
loại và dây nung phi kim loại. Để đảm bảo yêu cầu của dây nung trong hầu
hết các lị điện trở cơng nghiệp, dây nung kim loại được chế tạo bằng hợp kim
Crôm – Nhôm và Crôm – Niken là hợp kim có điện trở suất lớn.
3 Ưu nhược điểm của lị điện so với các lị sử dụng nhiên liệu
1

Ưu điểm

-

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.
Có khả năng cơ khí hố và tự động hố quá trình chất dỡ nguyên
liệu và vận chuyển vật phẩm.

6


1.1.1.4. Nhược điểm
-

Năng lượng điện đắt.
Yều cầu có trình độ cao khi sử dụng.
4 Nguyên lý làm việc của lò điện trở
Lò điện trở làm việc dựa trên cơ sở khi có một dịng điện chạy qua một

dây dẫn hoặc vật dẫn thì ở đó sẽ toả ra một lượng nhiệt theo định luật Jun –
Lenxơ:
Q = I2.R.t
Q - Lượng nhiệt tính bằng Jun (J)
I - Dịng điện tính bằng Ampe (A)
R - Điện trở tính bằng (Ω )
t - Thời gian tính bằng giây (s)
Từ cơng thức trên ta thấy điện trở R có thể đóng vai trị :
-

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, vng và trịn ).
Trường hợp thứ hai thường gặp nhiều trong thực tế cơng nghiệp. Cho nên

nói đến lị điện trở không thể không đề cập đến vật liệu để làm dây nung, bộ
phận phát nhiệt của lò.

5 Hệ thống điều khiển lò nhiệt
Nhiệt độ là một đại lượng vật lý, nó hiện diện khắp nơi cả trong sản
xuất lẫn sinh hoạt hàng ngày. Quá trình đo và kiểm sốt nhiệt độ trong sản
xuất cơng nghiệp đóng vai trị to lớn trong hệ thống điều khiển tự động, góp
phần quyết định chất lượng sản phẩm. Khi thu thập dữ liệu cho quá trình điều
khiển và giám sát trong nhà máy thì nhiệt độ là một thơng số khơng thể bỏ
qua.
Tùy theo u cầu và tính chất của q trình điều khiển mà ta sử dụng
phương pháp điều khiển thích hợp. Tính chính xác và ổn định nhiệt độ cũng
đặt ra vấn đề cần giải quyết.
7


Hệ thống điều khiển nhiệt độ thường được chia làm hai loại:
-

Hệ thống điều khiển hồi tiếp (feedback control system): thường
xác định và giám sát kết quả điều khiển, so sánh với tín hiệu đặt và tự

-

động điều chỉnh lại cho đúng.
Hệ thống điều khiển tuần tự (sequence control system): thực hiện
từng bước điều khiển tùy theo hoạt động điều khiển trước khi xác định
tuần tự.

Một hệ thống muốn đạt được độ chính xác cần thiết cần thiết phải thực
hiện hồi tiếp, tín hiệu phản hồi về so sánh với tín hiệu vào và sai lệch sẽ được
đưa tới bộ điều chỉnh đầu ra. Hệ thống điều khiển này có nhiều ưu điểm được
sử dụng nhiều trên thực tế trong các hệ thống điều khiển tự động. Dạng tổng quát

của hệ thống điều khiển được mô tả trên nguyên tắc như hình sau:

Hình 1. Nguyên tắc điều khiển hồi tiếp
1.2 Các phương pháp đo nhiệt độ
Nhiệt độ là một trong những thơng số quan trọng nhất ảnh hưởng đến đặc
tính của vật chất nên trong các quá trình kỹ thuật cũng như đời sống hàng ngày
rất hay gặp yêu cầu đo nhiệt độ. Ngày nay hầu hết các quá trình sản xuất cơng
nghiệp, các nhà máy đều có u cầu đo nhiệt độ.
Tùy theo nhiệt độ đo có thể dùng các phương pháp khác nhau, thường phân
loại các phương pháp dựa vào dải nhiệt độ cần đo. Thông thường nhiệt độ đo
được chia thành ba dải: nhiệt độ thấp, nhiệt độ trung bình và cao.
Ở nhiệt trung bình và thấp: phương pháp đo là phương pháp tiếp xúc nghĩa
là chuyển đội được đặt trực tiếp ở ngay môi trường cần đo.
Đối với nhiệt độ cao: đo bằng phương pháp không tiếp xúc, dụng cụ đặt ở
ngồi mơi trường đo.
8


6 Đo nhiệt độ bằng phương pháp tiếp xúc
Phương pháp đo nhiệt độ công nghiệp thường được sử dụng là các nhiệt kế
tiếp xúc. Có hai loại nhiệt kế tiếp xúc gồm: nhiệt kế điện trở và nhiệt kế ngẫu.
Ngoài ra đối với các ứng dụng đơn giản, dải nhiệt độ cỡ -550 0C 20000C
hiện nay người ta thường ứng dụng các IC bán dẫn ứng dụng tính chất nhạy nhiệt
của các Diot, Transistor để đo nhiệt độ.
Cấu tạo của nhiệt kế điện trở và cặp nhiệt ngẫu cũng như cách lắp ghép
chúng phải đảm bảo tính chất trao đổi nhiệt tốt giữa chuyển đổi với môi trường
đo:
Đối với môi trường khí và nước: chuyển đổi được được đặt theo hướng
ngược lại với dịng chảy.
Với vật rắn khí: đặt nhiệt kế sát vào vật, nhiệt lượng sẽ chuyền từ vật sang

chuyển đổi và dễ gây tổn hao vật, nhất là với vật dẫn nhiệt kém. Do vậy điện tiếp
xúc giữa vật đo và nhiệt kế càng lớn càng tốt.
Khi đo nhiệt độ của các chất ở dạng hạt (cát,đất,...): cần phải cắm sâu nhiệt
kế vào một trường cần đo và thường dùng nhiệt điện trở có cáp nối ra ngồi.
7 Đo nhiệt độ cao bằng phương pháp tiếp xúc
Ở môi trường nhiệt độ cao từ 16000C trở lên, các cặp nhiệt ngẫu khơng
chịu được lâu dài, vì vậy để đo nhiệt độ ở các mơi trường đó người ta dựa trên
hiện tượng q trình q độ đốt nóng của cặp nhiệt. Q trình q độ khi đốt
nóng cặp nhiệt có phương trình.
)
Trong đó:
Lượng tăng nhiệt độ của đầu nóng trong thời gian t.
: Hiệu nhiệt độ của môi trường đo và cặp nhiệt.
: Hằng số thời gian của cặp nhiệt ngẫu.
Dựa trên quan hệ này có thể xác định được nhiệt độ của đối tượng đo mà
không cần nhiệt độ đầu công tác của cặp nhiệt ngẫu phải đạt đến nhiệt độ ấy.
Bằng cách nhúng nhiệt ngẫu vào môi trường cần đo trong khoảng 0,4 0,6 s ta sẽ

9


được phần đầu của đặc tính q trình q độ của nhiệt ngẫu và theo đó tính được
nhiệt độ của môi trường.
Nếu nhiệt độ đầu công tác của cặp nhiệt ngẫu trong thời gian nhúng vào
mội trường cần đo đạt nhiệt độ và khoảng nửa nhiệt độ mơi trường thì nhiệt độ
tính được có sai số khơng q hai lần sai số của nhiệt kế nhiệt ngẫu đo trực tiếp.
Phương pháp này thường dùng để đo nhiệt độ của thép nấu chảy.
8 Đo nhiệt độ bằng phương pháp không tiếp xúc
Đây là phương pháp dựa trên định luật bức xạ của vật đen tuyệt đối, tức là
vật hấp thụ năng lượng theo mọi hướng với khả năng lớn nhất. Bức xạ nhiệt của

mọi vật có thể đặc trưng bằng nhiệt độ phổ nghĩa là số năng lượng bức xạ trong
một đơn vị thời gian với một đơn vị diện tích của vật xảy ra trên một đơn vị của
độ dài sóng. Quan hệ giữa mật độ phổ bức xạ của vật đen tuyệt đối với nhiệt độ
và độ dài sóng được biểu diễn bằng cơng thức sau:
= C1. (
Trong đó:
C1, C2 – hằng số
: độ dài sóng
T – nhiệt độ tuyệt đối
C1= Jm2 /s ; C2 = 1,432.10-2 m.độ
1.3 Các loại cảm biến nhiệt độ
9 Nhiệt điện trở
Nguyên lý hoạt động của các loại nhiệt điện trở chủ yếu dựa trên sự thay
đổi giá trị điện trở của các loại vật liệu dẫn điện và bán dẫn khi có sự thay đổi
nhiệt độ của chúng. Chính vì vậy mà người ta sử dụng nhiệt điện trở làm cảm
biến nhiệt độ ; tuy nhiên theo yêu cầu sử dụng mà người ta có thể dùng nhiệt điện
trở kim loại hoặc nhiệt điện trở bán dẫn.
1.3.1.1. Nhiệt điện trở kim loại
Đối với nhiệt điện trở kim loại thì việc chế tạo nó thích hợp hơn cả sử
dụng các kim loại nguyên chất như: platin, đồng, niken. Để tăng độ nhạy cảm
nên sử dụng các kim loại có hệ số nhiệt điện trở càng lớn càng tốt. Tuy nhiên tùy
10


thuộc vào khoảng nhiệt độ cần kiểm tra mà ta có thể sử dụng nhiệt điện trở loại
này hay loại khác. Cụ thể nhiệt điện trở chế tạo từ dây dẫn bằng đồng thường làm
việc trong khoảng nhiệt độ từ -50 0C 1500C với hệ số nhiệt điện trở 4,27.10 -3 ;
Nhiệt điện trở từ dây dẫn platin mảng làm việc trong khoảng nhiệt độ -190 0C
6500C với = 3,968.10-3 ; Nhưng khi làm việc ngắn hạn, cũng như khi đặt điện trở
trong chân khơng hoặc khí trung tính thì nhiệt độ làm việc rất lớn nó có thể cịn

cao hơn.
Cấu trúc của nhiệt điên trở kim loại này bao gồm: Dây dẫn mảnh kép đôi
quấn trên khung cách điện tạo thành phần tử nhạy cảm, nó được đặt trong chiếc
vỏ đặc biệt có các cực đưa ra. Gía trị điện trở được chế tạo từ 10 Ω đến 100 Ω.
Đối với nhiệt điện trở kim loại thì quan hệ giữa điện trở với nhiệt độ có
dạng sau:
RR0( 1+ + .2 + 3 + ...)
Trong đó: R0 điện trở dây dẫn ứng với nhiệt độ ban đầu 00C
- điện trở dây dẫn ứng với nhiệt độ
– Nhiệt độ 0C
, – các hệ số điện trở bằng const
Để thấy rõ hơn bản chất của nhiệt điện trở kim loại, chúng ta có thể xem
qua điện trở xuất của nó tính theo cơng thức:

Trong đó:
n – số điện tử tự do trong một đơn vị thể tích
e – điện tích của điện tử tự do
– tính linh hoạt của điện tử được đặc trưng bởi tốc độ

11
Hình 2 Đặc tính nhiệt (a) và đặc tính vơn – ampe (b)


Các kim loại dung làm điện trở nhiệt thường có điện trở suất nhỏ 10 -5 đến
10-6 Ω/cm, và có mật độ điện tử lớn (không phụ thuộc vào nhiệt độ). Khi nhiệt độ
tăng phụ thuộc vào sự dao động của mang tinh thể kim loại, tức là nó được xác
định bới tính linh hoạt của các điện tử. Như vật khi có sự thay đổi nhiệt độ thì
cũng làm cho tính linh hoạt của các điện tử thay đổi theo. Tuy nhiên tính linh
hoạt của các điện tử cịn phụ thuộc vào mật độ tạp chất trong kim loại. Cụ thể
điện trở suất của kim loại nguyên chất có thể xác định theo dạng:

0

+ ), trong đó 0

khơng phụ thuộc vào nhiệt độ; còn ) là một hàm phụ thuộc không cố định: ứng
với nhiệt độ trong khoảng nào đó thì nó là tuyến tính ) = K.nhưng ứng với nhiệt
độ rất thấp (00C) thì quan hệ đó là hàm bậc năm của nhiệt độ. Trên hình 2.a biểu
diễn mối quan hệ giữa điện trở và nhiệt độ, hình 2.b là dạng đặc tính vơn-ampe
của nhiệt điện trở kim loại.
Độ nhạy cảm của nhiệt điện trở được xác định theo biểu thức:
S= =
Trong đó: – sự thay đổi điện trở khi có sự thay đổi nhiệt độ . Việc sử dụng
nhiệt điện trở kim loại để đo nhiệt độ cao rất tin cậy, đảm bảo độ chính xác cao
đến 0,0010C và sai số đo không quá 0,5 đến 1%; Tuy nhiên khi đó dịng tải qua
nó có giá trị khơng lớn lắm. Nếu như có dịng điện lớn ln chạy qua nhiệt điện
trở, thì sự q nhiệt của nó sẽ lớn hơn rất nhiều so với môi trường xung quanh.
Khi đó độ quá nhiệt xác lập sẽ được xác định bởi điều kiện truyền nhiệt trên bề
mặt của nhiệt điện trở (tốc độ chuyển động của môi trường cần kiểm tra so với
nhiệt điện trở, và tỷ trọng của mơi trường đó). Hiện tượng này được sử dụng để
đo tốc độ thơng lượng (dịng chảy) của chất lỏng và khí, cũng như để đo tỷ trọng
của khí.... Bên cạnh ưu điểm trên thì bản thân nhiệt điện trở kim loại có những
nhược điểm sau:
Thứ nhất nó là khâu phi chu kỳ được mơ tả bằng phương trình vi phân bậc
nhất đơn giản:
12


(TP + 1)R(t) = K
Trong đó hằng số thời gian T của nó có giá trị từ vài giây đến vài trăm

giây. K chính là độ nhạy S.
Thứ hai rất cơ bản đó là kích thước của nhiệt điện trở kim loại lớn nên hạn
chế việc sử dụng nó để đo nhiệt độ ở nơi hẹp.
1.3.1.2. Nhiệt điện trở bán dẫn
Nhiệt điện trở được chế tạo từ vật liệu bán dẫn được gọi là termistor;
Chúng được sử dụng rộng rãi trong các hệ thống tự động kiểm tra và điều khiển.
Termistor được chế tạo từ hợp kim của đồng - măng gan hoặc cô ban - măng gan
dưới dạng thỏi, đĩa trịn hoặc hình cầu. Loại này hồn tồn trái ngược với nhiệt
điện trở kim loại: khi nhiệt độ tăng thì điện trở của nó lại giảm theo quy luật:
R( = R0.= R0(1 - - ...)
Trong đó hệ số nhiệt điện trở của termistor thường có giá trị:
)
Điện trở suất của termistor được tính theo cơng thức:

Trong đó:
A -hằng số phụ thuộc kích thước của termistor
B -hằng số phụ thuộc tạp chất trong chất bán dẫn

Hình 3. Đặc tính nhiệt (a) và đặc tính vơn-ampe (b)

13


Cũng như điện trở nhiệt kim loại, termistor cũng có hai đặc tính: Đặc tính
nhiệt là quan hệ giữa điện trở của termistor với nhiệt độ (hình 3.a) và đặc tính
vơn - ampe là quan hệ giữa điện áp đặt trên termistor với dịng điện chạy qua nó
ứng với nhiệt độ nào đó 0 (hình 3.b). Chúng ta thấy rằng đặc tính vơn - ampe của
termistor có giá trị cực đại của U ứng với I 1 nào đó, là do khi tăng dịng lớn hơn
I1 thì nó sẽ nung nóng termistor và làm cho giá trị điện trở của nó giảm xuống.
Các loại termistor thường được chế tạo từ vài chục Ω đến vài chục K Ω.

Termistor có điện trở lớn cho phép đặt nó ở vị trí cần kiểm tra khá xa so với nơi
bố trí hệ thống đo lường. Chúng có thể làm việc trong khoảng nhiệt độ từ –60 0C
đến +1800C, và cho phép đo nhiệt độ với độ chính xác 0,0005 0C. Để sử dụng
termistor ở nhiệt độ lớn hơn, hoặc nhỏ hơn khoảng nhiệt độ làm việc bình thường
thì người ta phải sử dụng đến các tổ hợp chất bán dẫn khác. So với điện trở nhiệt
kim loại thì termistor có kích thước và trọng lượng nhỏ hơn, do đó cho phép
chúng ta đặt nó ở những nơi chật hẹp để kiểm tra nhiệt độ của đối tượng nào đó.

Hình 4. Sơ đồ cầu điện trở

14


Hình 5. Sơ đồ mạch cầu 2 dây nhiệt kế nhiệt điện trở

Để giảm sai số do nhiệt độ môi trường thay đổi người ta sử dụng cầu ba day
như hình sau:

Hình 6. Sơ đồ mạch cầu ba dây nhiệt kế điện trở
Trong sơ đồ này hai dây mắc vào các nhánh kề của mạch cầu, dây thứ 3
mắc vào nguồn cung cấp. Khi cầu làm việc ở chế độ cân bằng và nếu R 2=R4 ;
Rd1=Rd2 sai số do sự thay đổi điện trở của đường dây sẽ được loại trừ. Khi cầu
làm việc ở chế độ không cân bằng sai số giảm đáng kể so với cầu hai dây. Thực
chất khi cầu làm việc ở chế độ không cân bằng sai số chủ yếu do sự thay đổi điện
áp của nguồn cung cấp gây nên.
10Cảm biến nhiệt ngẫu
Phương pháp đo nhiệt độ bằng cặp nhiệt ngẫu là một trong những phương
pháp phổ biến và thuận lợi nhất.
Cấu tạo của nhiệt kế cặp nhiệt ngẫu như hình:
15

Hình 7. Cấu tạo của nhiệt kế cặp nhiệt ngẫu
1: vỏ bảo vệ
2: mối hàn
3: dây điện cực
4: sứ cách điện
5: bộ phận lắp đặt 6: vít nối dây
7: dây nối
8: đầu nối dây
Đầu làm việc của các điện cực (3) được hàn với nhau bằng hàn khí hoặc
bằng tia điện từ. Đầu tự do nối với dây (7) tới dụng cụ đo nhờ các vít (6) đặt
trong đầu nối dây (8). Để cách ly các điện cực người ta sử dụng ống sứ cách điện
(4), sứ cách điện phải trơ về mặt hóa học và đủ độ bền cơ và nhiệt khi làm việc ở
nhiệt độ làm việc. Để đảm bảo cho các điện cực ta dùng vỏ bảo vệ (1) làm bằng
sứ chịu nhiệt hoặc bằng thép chịu nhiệt.

Hình 8. a) Sơ đồ cặp nhiệt ngẫu, b) Sơ đồ nối cặp nhiệt ngẫu
Bộ cảm biến cặp nhiệt ngẫu là một mạch có từ hai hay nhiều thanh dẫn điện
gồm hai dây dẫn A và B. Chỗ nối giữa hai thanh kim loại này được hàn với nhau.
Nếu nhiệt độ các mối hàn t và t 0 khác nhau thì trong mạch khép kín có một dịng
điện chạy qua. Chiều của dòng nhiệt điện này phụ thuộc vào nhiệt độ tuơng ứng
của mối hàn, nghĩa là t > t0 thì dịng điện chạy theo hướng ngược lại. Nếu để hở
một đầu thì giữa hai cực xuất hiện một sức điện động (sđđ) nhiệt. Như vậy bằng
16


cách đo sức điện động ta có thể tìm được nhiệt độ t của đối tượng đo với t 0 =
const.
Cách đấu dụng cụ đo vào mạch bộ biến đổi nhiệt điện trên hình 8b.

1.4 Đặc điểm của van bán dẫn có điều khiển (Tiristo)
11 Cấu tạo của tiristo
Tiristor (SCR): Tiristor (tên ghép từ Thyratron và Transistor) được cấu tạo
từ 4 lớp bán dẫn p-np-n ( hình 9 ), có các điện cực ra A-nốt (A), Ka-tốt (K) và
điện cực điều khiển (G). Tiristor có thể xem như tương đương hai BJT gồm một
BJT loại NPN và một BJT loại PNP ghép lại.

Hình 9. Cấu tạo ký hiệu của Tiristor (SCR)

Hình 10. Cấu tạo p – n của Tiristor
Khi nối Anode với cực “+” và Kathode 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 Tiristor 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 từ mới (thứ cấp). Các điện từ thứ cấp nhận năng lượng và gây ion hóa
17


tiếp theo. Kết quả là một 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 Tiristor. Tiristor làm việc
trong chế độ này là chế độ mở, có điện trở thuận nhỏ và dòng dẫn I lớn.
Để đưa Tiristor về trạng thái cấm (khóa), cần tiến hành theo 2 cách sau:
-

Giảm dịng I xuống giá trị duy trì dẫn.
Đảo chiều thế phân áp U hoặc tạo thế phân cực ngược cho Tiristor.

Một số đặc điểm chú ý khi sử dụng Tiristor:
Mỗi loại Tiristor chế tạo có các đặc trưng khác nhau, cần lựa chọn loại thích

hợp với u cầu loại sử dụng:
-

Dịng điện định mức: (tùy loại) A 1000A.
Dòng điện rò: mA
Điện áp ngược cực đại Uinmax : (tùy loại) vài trăm Volt -> vài KV.
Dòng điện điều khiển IG.
Tốc độ tăng dòng điện :
Thời gian khóa: vài chục _Thời gian mở: vài .s.
Q trình chuyển từ mở sang khơng mở xảy ra tức thời. Nếu Tiristor chưa
cấm hẳn mà đã xác lập thế U để UAK dương, sẽ làm đoản mạch nguồn và
hỏng Tiristor.
12Nguyên lý hoạt động

Hình 11. Sơ đồ nguyên lý làm việc của Tiristo

 Trường hợp cực G để hở hay VG = 0V
Khi cực G và VG = 0V có nghĩa là transistor T1 khơng có phân cực ở cực B
nên T1 ngưng dẫn. Khi T1 ngưng dẫn IB1 = 0, IC1 = 0 và T2 cũng ngưng dẫn. Như

18


vậy trường hợp này Tiristor khơng dẫn điện được, dịng điện qua Tiristor là I A = 0
và VAK ≈ VCC.
Tuy nhiên, khi tăng điện áp nguồn V CC lên mức đủ lớn là điện áp V AK tăng
theo đến điện thế ngập VBO (Beak over) thì điện áp VAK giảm xuống như diode và
dòng điện IA tăng nhanh. Lúc này Tiristor chuyển sang trạng thái dẫn điện, dòng
điện ứng với lúc điện áp V AK giảm nhanh gọi là dịng điện duy trì I H (Holding).
Sau đó đặc tính của Tiristor giống như một diode nắn điện.

Trường hợp đóng khóa K: VG = VDC – IGRG, lúc này Tiristor dễ chuyển sang
trạng thái dẫn điện. Lúc này transistor T1 được phân cực ở cực B1 nên dịng điện
IG chính là IB1 làm T1 dẫn điện, cho ra IC1 chính là dịng điện I B2 nên lúc đó I2
dẫn điện, cho ra dòng điện IC2 lại cung cấp ngược lại cho T1 và IC2 = IB1.
Nhờ đó mà Tiristor sẽ tự duy trì trạng thái dẫn mà khơng cần có dòng IG liên
tục.
IC1 = IB2 ; IC2 = IB1
Theo nguyên lý này dòng điện qua hai transistor sẽ được khuếch đại lớn
dần và hai transistor chạy ở trạng thái bão hịa. Khi đó điện áp V AK giảm rất nhỏ
(≈ 0,7V) và dòng điện qua Tiristor là:
Thực nghiệm cho thấy khi dòng điện cung cấp cho cực G càng lớn thì áp
ngập càng nhỏ tức Tiristor càng dễ dẫn điện.
 Trường hợp phân cực ngược Tiristor.
Phân cực ngược Tiristor là nối A-nốt vào cực âm, Ka-tốt vào cực dương của
nguồn VCC. Trường hợp này giống như diode bị phân cực ngược. Tiristor sẽ
khơng dẫn điện mà chỉ có dịng rỉ rất nhỏ đi qua. Khi tăng điện áp ngược lên đủ
lớn thì Tiristor sẽ bị đánh thủng và dịng điện qua theo chiều ngược. Điện áp
ngược đủ để đánh thủng Tiristor là UN. Thông thường trị số UN và VBO bằng nhau
và ngược dấu.

19


13Đặc tính Vơn – Ampe của tiristo

Hình 12. Đặc tính Volt – Ampe của Tiristor
-

IG2 > IG1 > 0
IH: Dòng diện duy trì.

UN: Điện áp ngược đánh thủng
Ở góc phần tư thứ nhất: Dòng điện lớn, sụt áp nhỏ. Tiristor được phân cực

-

thuận.
Ở góc phần từ thứ ba: Dịng rị nhỏ, điện áp ngược lớn. Tiristor được phân
cực ngược.
14Các thông số kĩ thuật
Dòng điện thuận cực đại: Đây là trị số lớn nhất dịng điện qua mà Tiristor

có thể chịu đựng liên tục, quá trị số này Tiristor bị hư. Khi Tiristor đã dẫn điện
VAK khoảng 0,7V nên dòng điện thuận qua có thể tính theo cơng thức:
IA=
Điện áp ngược cực đại: Đây là điện áp ngược lớn nhất có thể đặt giữa
Anốt và K mà Tiristor chưa bị đánh thủng, nếu vượt qua trị số này Tiristor sẽ bị
phá hủy. Điện áp ngược cực đại của Tiristor thường khoảng 100V đến 1000V.
Dịng điện kích cực tiểu: I Gmin : Để Tiristor có thể dẫn điện trong trường
hợp điện áp VAK thấp thì phải có dịng điện kích cho cực G của Tiristor. Dịng
IGmin là trị số dịng kích nhỏ nhất đủ để điều khiển Tiristor dẫn điện và dòng
IGmin có trị số lớn hay nhỏ tùy thuộc cơng suất của Tiristor, nếu Tiristor có cơng
suất càng lớn thì IGmin phải càng lớn. Thông thường IGmin từ 1mA đến vài
chục mA.
20


Thời gian mở Tiristor: Là thời gian cần thiết hay độ rộng của xung kích để
Tiristor có thể chuyển từ trạng thái ngưng sang trạng thái dẫn, thời gian mở
khoảng vài µs.
Thời gian tắt: Theo nguyên lý Tiristor sẽ tự duy trì trạng thái dẫn điện sau

khi được kích. Muốn Tiristor đang ở trạng thái dẫn chuyển sang trạng thái ngưng
thì phải cho IG = 0 và cho điện áp VAK = 0. để Tiristor có thể tắt được thì thời gian
cho VAK = 0V phải đủ dài, nếu không VAK tăng lên cao lại ngay thì Tiristor sẽ dẫn
điện trở lại. Thời gian tắt của Tiristor khoảng vài chục µs.
15Ứng dụng của tiristo
Các thiết bị Tiristor đầu tiên được sản xuất cho mục đích thương mại vào năm
1956. Một thiết bị Tiristor nhỏ có thể kiểm sốt một lượng lớn điện áp và năng
lượng. Vì thế nó được ứng dụng trong điều chỉnh ánh sáng, điều khiển công suất
điện và điều khiển tốc độ của động cơ điện. Trước đây, Tiristor được dùng cho
đảo ngược dòng điện để tắt thiết bị. Trên thực tế, nó có dịng điện trực tiếp nên
rất khó sử dụng cho thiết bị. Nhưng bây giờ, bằng cách sử dụng tín hiệu cổng
điều khiển có thể bật và tắt các thiết bị mới, có thể sử dụng Tiristor để bật và tắt
hồn tồn. Vì vậy, Tiristor được sử dụng làm cơng tắc chứ khơng thích hợp làm
bộ khuếch đại analog

-

Một số ưu điểm của Tiristor
Có thể xử lý điện áp, dịng điện và cơng suất lớn.
Có thể được bảo vệ bằng cầu chì.
Rất dễ bật.
Rất đơn giản để kiểm sốt.
Chi phí thấp.
Nó có thể điều khiển nguồn xoay chiều.

1.5 Bộ điều chỉnh xung áp xoay chiều 1 pha
Để thay đổi giá trị của điện áp xoay chiều, ngoài phương pháp cổ điển là
máy biến áp, người ta có thể dùng các bộ tiristor đấu song song ngược. Nhờ biện
pháp này việc điều chỉnh điện áp được linh hoạt hơn (vô cấp, nhanh, dễ tạo các
mạch vịng tự điều chỉnh). Kích thước của bộ biến đổi gọn, nhẹ và có giá thành

hạ hơn nhiều so với dùng biến áp. Nhược điểm cơ bản của phương pháp này là
chất lượng điện áp không được tốt và cần phải sử dụng thêm bộ lọc xoay chiều
để khắc phục nhược điểm này.
21


Việc điều khiểu thời điểm đóng mở của tiristor sẽ tạo ra những xung áp trên
tải nên bộ biến đổi được gọi là bộ điều chỉnh xung áp xoay chiều.
Sơ đồ bộ biến đổi một pha gồm một bộ tiristor đấu song song ngược (T1 và
T2) và được mắc nối tiếp với tải. Đối với bộ biến đổi công suất nhỏ và trung bình
(Khoảng và KW) có thể thay thế bộ tiristor bằng triac.

Hình 13. Sơ đồ bộ điều chỉnh xung áp xoay chiều

Hình 14. Đồ thị dịng điện và điện áp khi tải thuần trở

22


Hình 15. Dồ thị dịng điện và điện áp khi tải trở cảm
Các tiristor T1 và T2 sẽ được mở ra trong từng nửa chu kỳ, khi có xung
điều khiển ứng với thời điểm t1 (mở T1) và t2 (mở T2). Đồ thị dạng dòng điện và
điện áp trên tải tong trường hợp tải là thuần trở và trở cảm tương ứng với hình
hình 14 và hình 15.
Xét trường hợp ở hình 14, ta có giá trị hiệu dụng của điện áp trên tải bằng:
Ut = =
= = = f()
Như vậy, bằng cách thay đổi góc điều khiển (góc mở tiristor). Gía trị hiệu
dụng của điện áp trên tải sẽ được thay đổi tương ứng.
Cơng suất tiêu thụ tích cực là:

P = ()
P là công suất tiêu thụ khi
Công suất phản kháng sẽ là:
Q = P.
Gía trị trung bình của dịng qua van:
It = = (1 + cos)
Gía trị hiệu dụng của dòng tải là:
I= =
23


Gía trị điện áp ngược lớn nhất đặt lên tiristor là
Khi tải mang tính trở cảm (hình 15), dạng dịng điện và điện áp trên tải sẽ
khác nhau.
Phương trình mơ tả q trình thay đổi dịng đện khi tiristor dẫn điện trong
khoảng λ ) như sau:
(3.72)
λ là khoảng dẫn điện của tiristor.
Giải phương trình trên ta được:
i(

(3.73)

Trong đó: Z =;
A là hằng số tích phân, được tính từ điều kiện
Tính A thay vào biểu thức trên ta được biểu thức dịng tải sẽ có dạng:

Khi + λ; i(t) = 0 thay vào phương trình (3.73) ta có:
Sin(λ +

(3.74)

Phương trình (3.74) dùng để xác định thời gian dẫn điện của Tiristor (λ)
Khi , dịng tải mang tính gián đoạn; cịn khi , dòng sẽ liên tục và điện áp
trên tải sẽ không thay đổi. Như vậy khả năng điều chỉnh điện áp chỉ có thể xảy ra
khi góc dẫn của tiristor nằm trong khoảng .
1.6 Bộ điều chỉnh xung áp xoay chiều 3 pha
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 16) thì dịng qua mỗi pha sẽ khơng phụ thuộc vào dịng
của các pha khác.
Các biểu thức tính λ và tương tự như sơ đồ một pha.
Khi tăng góc điều chỉnh sẽ làm giảm thời gian dẫn dòng qua tiristor. Ứng
với một giá trị nào đó, dịng trong một pha sẽ giảm về không trước khi mở
24


tiristor của pha sau. Như vậy sẽ xuất hiện những khoảng thời gian khơng có dịng
tải và khoảng dẫn của tiristor sẽ bị giảm đến giới hạn nhỏ hơn 600.

Hình 16. Bộ biến đổi xung áp có dây trung tính
Bộ biến đổi xung áp có dây trung tính là bộ gồm 3 bộ xoay chiều một pha
với điện áp đặt vào lệch nhau 120 0 vì vậy mọi cơng thức tính tốn được sử dụng
như điều áp xoay chiều một pha.
Khi bộ biến đổi xung áp ba pha được đấu sao, khơng có dây trung tính,
q trình điện từ trong mạch hồn tồn khác với sơ đồ trên hình 16, vì q trình
dẫn dịng trong một pha phải tương thích với q trình dẫn dịng trong pha khác
(hình 17).

Hình 17. Bộ biến đổi xung áp khơng có dây trung tính
Để đảm bảo lượng sóng hài là tối thiểu, các góc mở của tiristor phải bằng
nhau (), do đó mỗi van lần lượt được mở cách nhau 60 0 (xem hình 18 biểu đồ T1,
T2, T3, T4, T5, T6, và có khoảng dẫn điện () bằng nhau.

25