thiết kế bộ điều chỉnh điện áp xoay chiều cho lò nhiệt

TRƯỜNG ĐẠI HỌC HÀNG HẢI VIỆT NAM
KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ TÀU BIỂN
THIẾT KẾ MÔN HỌC
MÔN : ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT
Đề bài : Đề số 45
Tên đề bài : Thiết kế bộ điều khiển lò nhiệt
Yêu cầu về công nghệ Thông số thiết kế
Thiết kế bộ điều chỉnh điện áp xoay
chiều
Điện áp cho lò 3 .380V ,Dải công
suất cần điều chỉnh P =5 – 75KW
Giáo viên hướng dẫn : ĐOÀN VĂN TUÂN
Sinh viên : LÊ NGỌC NAM


Hải Phòng , năm 2012
1
Mục lục
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ
1.1. Giới thiệu chung về lò nhiệt……………………………… trang 1
1.2. Cấu tạo lò nhiệt…………………………………………… trang 2
1.3. Yêu cầu của lò nhiệt…………………………………….… trang 5
CHƯƠNG 2: TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ MẠCH ĐỘNG LỰC
2.1. Các phương án mạch động lực………………………….… trang 8
+ Mạch điều áp xoay chiều 1 pha…………………………….…trang 10
+ Mạch điều áp xoay chiều 3 pha……………………………….trang 12
2.2. Lựa chọn phương án……………………………………… trang 19
2.3. Tính chọn van và các thiết bị bảo vệ…………………… …trang 20
CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN
3.1. Nguyên lý chung của mạch điều khiển…………………… trang 27
3.2. Cấu trúc của mạch điều khiển…………………………….…trang 28

3.3. Các phương pháp điều khiển……………………………… trang 28
3.4. Tính toán mạch điều khiển………………………………….trang 29
+ Khâu đồng pha……………………………………………… trang 30
+ Khâu tạo điện áp răng cưa…………………………………… trang 30
+ Khâu so sánh ………………………………………………… trang 31
+ Khâu phát xung chùm………………………………………….trang 34
+ Khâu khuếch đại xung và biến áp xung………………… ……trang 36
+ Khối nguồn………………………………………………….…trang 40
2
CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ
1.1. GIỚI THIỆU CHUNG VỀ LÒ NHIỆT.
* Lò nhiệt 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
* Ưu điểm của lò nhiệt so với các lò sử dụng nhiên liệu
Lò nhiệt so với các lò sử dụng nhiên liệu có những ưu điểm sau :
- 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 hoá và tự động hoá quá trình chất dỡ nguyên liệu và
vận chuyển vật phẩm.
- Đảm bảo điều khiện lao động hợp vệ sinh, điều kiện thao tác tốt, thiết bị
gọn nhẹ
* Nhược điểm của lò nhiệt.
- Năng lượng điện đắt.
- Yêu cầu có trình độ cao khi sử dụng.
1.1.1 . NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC CỦA LÒ NHIỆT.
Lò nhiệt làm việc dựa trên cơ sở khi có một dòng điện chạy qua một dây
3

dẫn hoặc vật dẫn thì ở đó sẽ toả ra một lượng nhiệt theo định luật Jun-
Lenxơ:
Q=I2RT
Q - Lượng nhiệt tính bằng Jun (J)
I - Dòng điện tính bằng Ampe (A)
R - Điện trở tính bằng Ôm
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 nhiệt không thể không đề cập đến vật liệu để làm dây nung, bộ
phận phát nhiệt của lò.
1.2. CẤU TẠO LÒ NHIỆT.
Lò nhiệt thông thường gồm ba phần chính : vỏ lò, lớp lót và dây nung.
4
a) Vỏ lò
- Vỏ lò nhiệt 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, cần thiết vỏ lò phải hoàn toàn kín,
còn đối với các lò nhiệt bình thường, sự kín của vỏ lò chỉ cần giảm tổn thất
nhiệt và tránh sự lùa của không khí lạnh vào lò, đặc biệt theo chiều cao lò.
- Trong những trường hợp riêng, lò nhiệt có thể làm vỏ lò không bọc kín.
Khung vỏ lò cần cứng vững đủ để chịu 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 thườnng 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
5
cầu kín của lò. Phương pháp gia công vỏ lò loại này chủ yếu là hàn và tán.
b) Lớp lót
* Lớp lót lò nhiệt 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 dết 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.
+ 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
6
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
+ Ôn 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.
c) 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 nhiệt dùng phổ biến là dây nung kim loại.
Để đảm bảo yêu cầu của dây nung, trong hầu hết các lò nhiệt 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
7
+ Bị ôxy hoá mạnh trong môi trường khí quyễn 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 dùng phổ biến là SiC, grafit và than
* PHẠM VI ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ.
- Lò nhiệt 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 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 công nghiệp nhẹ và thực phẩm, lò nhiệt được dùng để sất, mạ vật
phẩm và chuẩn bị thực phẩm
+ Trong các lĩnh vực khác, lò nhiệt được dùng để sản xuất các vật phẩm
thuỷ tinh, gốm sứ, các loại vật liệu chịu lửa v.v
Lò nhiệt 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
8
1.3. YÊU CẦU CÔNG NGHỆ.
• 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 yều cầu sau :
+ Chịu nóng tốt, ít bị ôxy hoá ở nhiệt độ cao
+ 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
• 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 cọn 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 nhiệt 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
9
khi các thông số của nó xác định ( kích thước ngoài, công suất, trọng lượng
giá thành v.v ). 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 v.v là
các chỉ tiêu cơ bản của hiệu quả 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 v.v 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 nhiệt. 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 suất chung.
Điều này đặc biệt quan trọng đối với các lò nhiệt làm việc liên tục trong dây
chuyền sản xuất tự động. Ngay đối với các lò nhiệt làm việc chu kỳ, lò
ngừng cũng làm thiệt hại rõ rệt cho sản xuất vì khi ngừng lò đột ngột ( nghĩa
là phá huỷ chế độ làm việc bình thường của lò ) có thể dẫn đến làm hư hỏng
sản phẩm, lãng phí nguyên vật liêu 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
nhiệt là khả năng thay thế nhanh hoặc khả nằng dự trữ lớn khi lò làm việc
bình thường. Theo quan điểm chắc chắn, trong thiết bị cần chú ý đến các bộ
10
phận quan trọng nhất, quyết định sự làm việc liên tục của lò. Thí dụ : dây
nung, băng tải v.v
+ 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 như sau :
- Tiêu hao vật liệu ít nhất, đặc biệt là các vật liệu quí và hiếm ( các kim loại
mầu, các hợp kim có hàm lượng niken cao v.v )
- Công nghệ chế tạo đơn giản nghĩa là khả năng chế tạo phải sao cho ngày
công ít nhất và tận dụng đưọc các thiết bị, dụng cụ thông thường có sẵn
trong các nhà máy chế tạo để gia công.
- Các loại vật liệu và thiết bị yêu cầu để chế tạo phải ít nhất.
11
- 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 coi. Tuy vậy 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 cuối như sơn có vai trò đặc biệt quan trọng
đối với hình dáng bề ngoài của lò điện. Song cũng cần tránh sự trang trí
không cần thiết.
CHƯƠNG 2: TÍNH TOÁN MẠCH CÔNG SUẤT

2.1. Các phương án mạch động lực
2.1.1. Các bộ chỉnh lưu 3 pha
a) Chỉnh lưu 3 pha hình tia
12
U
d
=
π
2
3
∫
+
+
θ
π
θ
π
6
5
6
2
U
2
sinθ.dθ=
π
2
63
2
U
cosα

I
d
=
R
U
d
Ưu điểm:
- Do điện áp ngược trên van lớn cho nên nó được sử dụng cho tải có yêu cầu điện áp
thấp và dòng điện lớn dễ dàng cho việc chọn van.
- Do chỉ có một van dẫn nên sụt áp trên van là nhỏ cho nên công suất tiêu thụ của van
là nhỏ
- Việc điều khiển mở van là dễ dàng.
13
Nhc im:
- iờn ỏp ra cú p mch ln cho nờn xut hin nhiu thnh phn iu ho bc cao.
- Hiu sut s dng mỏy bin ỏp khụng cao. Vỡ in ỏp chy trờn van khụng i xng
qua trc honh, do vy khi khai trin chui Furie thỡ xut hin thnh phn mt chiu
v thnh phn xoay chiu. Tuy nhiờn mỏy bin ỏp ch lm vic vi thnh phn xoay
chiu nờn lm gim hiu sut mỏy bin ỏp.
b)Chnh lu cu 3 pha
U
d
=

2
6

+
+

6
5
6
2
2U
sin.d=

2
63 U
cos
I
d
=
R
U
d
u im:
- Cho phộp u thng vo li in 3 pha;
- p mch rt nh (5,7%)
- Cụng sut mỏy bin ỏp cng ch xp x cụng sut ti, ng thi gõy mộo li in ớt
hn cỏc loi khỏc.
Nhc im:
- St ỏp trờn van gp hai ln s hỡnh tia vỡ luụn cú hai van dn a dũng ra ti,
nờn s khụng phự hp vi cp in ỏp ra ti di 10V.
2.2.2. B iu ỏp mt pha :
14
=

U
ủk
Taỷi




T
1
T
2
Hỡnh 3.1: Sụ ủo boọ ủieu aựp moọt pha
Nguyên lý:
Tiristor chỉ được mở thông khi thoả mãn hai điều kiện là phải có điện áp
dương Anot và có xung điều khiển tác động lên cực điều khiển của Tiristor. Đối với
điện áp xoay chiều, nếu chỉ sử dụng một Tiristor thì nó chỉ có thể làm việc được trong
một nửa chu kỳ của điện áp. Do đó, người ta mắc 2 Tiristor song song ngược để có thể
làm việc được trong cả chu kỳ. Lúc này, để thay đổi điện áp ra ta chỉ cần tác động lên
điện áp điều khiển nghóa là làm thay đổi góc mở α của Tiristor thì điện áp ra sẽ thay
đổi.
Để thấy rõ sự làm việc của điều áp một pha ta có dạng đường cong điện áp ra
khi tải là điện trở như hình dưới đây:
15
α
t
XT
1
XT
2
U

1
U
L
U
Hình 3.2: Đường cong điện áp ra khi tải trở
Π
2Π
t
t
Như trên hình 3.2 ta có thể thấy rõ nguyên lý làm việc của bộ điều áp một
pha. Trong thời gian chưa phát lệnh mở Tiristor (từ thời điểm ban đầu đến thời điểm
α), điện áp ra bằng 0. Trong nửa chu kỳ dương của điện áp nguồn, khi có lệnh mở
Tiristor , Tiritor T
1
sẽ dẫn cho đến cuối nửa chu kỳ với điện áp ra bằng điện áp nguồn.
Còn Tiristor sẽ dẫn dòng ở nửa chu kỳ còn lại khi có lệnh mở Tiristor.
Đối với trường hợp tải cảm, các Tiristor sẽ dẫn dòng từ khi có lệnh mở và vượt
qua cuối nửa chu kỳ một đoạn ϕ do tính chất của tải điện cảm (trong điều kiện điện áp
dương Anot).
Người ta cũng có thể sử dụng Triac để thay thế cho cặp Tiristor mắc song song
ngược với chất lượng điện áp ra tốt hơn. Nhưng hiện tại chất lượng Triac chưa thật cao
và việc sử dụng cặp Tiristor mắc song song ngược vẫn là phổ biến. Do đó trong phần
đồ án này sẽ không đề cập đến điều áp bằng Triac.
2.1.3. Mạch điều áp xoay chiều 3 pha
Như đã nói ở trên, cơng suất ra tải của lò được tính theo cơng thức:
P = 3.
t
2
f
R

U
Như vậy, để thay đổi cơng suất đưa ra tải , ta có thể thay đổi
t
R
hoặc
f
U
. Tuy
nhiên, trong thực tế, người ta thường chọn cách thay đổi
f
U
để có thể thay đổi cơng suất
ra tải.
Khi có sẵn một nguồn điện xoay chiều, để có thể thay đổi điện áp ra tải ta có thể
dùng bộ điều chỉnh điện áp xoay chiều ( ĐAXC ) dùng van bán dẫn. Việc điều chỉnh điện
áp ra tải dựa theo ngun tắc tương tự như ở các bộ chỉnh lưu tức là thay đổi điểm mở
của van so với điểm qua khơng của điện áp nguồn, vì vậy còn gọi là phương pháp điều
khiển pha (thay đổi góc mở van ).
Do diot chỉ có thể dẫn dòng theo một chiều mà ta lại u cầu điện áp ra tải là xoay
chiều nên trong mạch điều áp xoay chiều người ta khơng dùng diot mà dùng triac vì đây
16
là loại van bán dẫn duy nhất cho phép dòng điện xoay chiều đi qua nó. Tuy nhiên, do
triac không thông dụng bằng tiristor nên thực tế người ta thường dùng sơ đồ 2 thyristor
đấu song song ngược nhau thay cho triac như hình dưới :
Các van T1, T2 lần lượt dẫn dòng theo 1 chiều xác định nên dòng qua cặp tiristor đấu
song song ngược này là dòng xoay chiều. Các van tiristor được phát xung điều khiển lệch
nhau góc 180 độ điện để đảm bảo dòng qua cặp van là hoàn toàn đối xứng.
Một ưu điểm của việc sử dụng hai van thyristor đấu song song ngược nhau thay
thế cho triac trong mạch điều áp xoay chiều là khả năng điều khiển để mở và khoá tiristor
dễ dàng hơn nhiều so với triac.

Các mạch điều áp xoay chiều có nhược điểm cơ bản là trong quá trình điều chỉnh,
mạch luôn làm việc ở chế độ dòng điện gián đoạn, cả dạng dòng điện và điện áp ra tải
đều không sin nên chỉ phù hợp với các tải loại điện trở như lò điện trở , bóng đèn loại sợi
đốt v v Dòng điện sẽ liên tục và đồng thời trở thành hình sin hoàn chỉnh chỉ khi điện
áp ra tải lấy bằng điện áp nguồn. Như vậy, khi điều chỉnh trên tải nhận được một dải n
sóng hài hình sin. Mặc dù vậy, với tải là điện trở thuần thì việc dạng điện áp ra tải không
sin cũng không ảnh hưởng đến chế độ làm việc của lò. Các mạch điều áp xoay chiều
không phù hợp với tải dạng cảm kháng như biến áp hoặc động cơ điện, nên chỉ dùng
khi phạm vi điều chỉnh điện áp không lớn. Trong thực tế công nghiệp, các mạch điều áp
xoay chiều thường sử dụng là các mạch điều áp xoay chiều ba pha, tải mắc hình sao( Y )
hoặc tải hình tam giác (
∆
). Quá trình làm việc của mạch điều áp xoay chiều ba pha phức
tạp hơn nhiều so với mạch một pha vì ở đây các pha ảnh hưởng mạnh sang nhau và nó
còn tuỳ thuộc vào nhiều yếu tố như sơ đồ đấu van, góc điều khiển cụ thể, tính chất tải
17
Hình trên là sơ đồ thường dùng nhất, đó là sơ đồ có sáu tiristor đấu thành ba cặp
song song ngược.
Quan hệ giữa góc điều khiển và công suất ra tải
Khi phân tích hoạt động của sơ đồ ta cần xác định rõ xem trong các giai đoạn sẽ
có bao nhiêu van dẫn và nhờ các quy luật dưới đây ta có thể có được biểu thức điện áp
của từng giai đoạn, từ đó mới tiến hành tính toán. Dưới đây là các quy luật dẫn dòng của
van trong mạch điều áp xoay chiều ba pha:
+Nếu mỗi pha có một van dẫn thì toàn bộ điện áp ba pha nguồn đều nối ra
tải.
+Nếu chỉ hai pha có van dẫn thì một pha nguồn bị ngắt ra khỏi tải, do đó
điện áp đưa ra tải là điện áp dây nào có van đang dẫn.
+Không thể có trường hợp chỉ có một pha dẫn dòng.
Dựa vào quy luật dẫn dòng của van trong từng giai đoạn mà ta có thể xây dựng
được đồ thị điện áp ra của mạch điều áp xoay chiều ba pha. Tiếp theo, từ những biểu thức

điện áp của từng giai đoạn đó ta lại có thể tính toán được các đại lượng cần tính như điện
áp, dòng điện, công suất
Ta xét hoạt động của mạch điều áp xoay chiều ba pha dùng sáu thyristor đấu song
song ngược, tải thuần trở đấu hình sao ở trên và dựng đồ thị quan hệ giữa công suất tải và
góc α :
18
Công suất tải là :
R.I.3P
2
=
trong đó I là trị số hiệu dụng của dòng điện tải.
Dòng điện này biến thiên theo hai trong ba quy luật dẫn dòng của van như sau :
• Nếu mỗi pha có một van dẫn ( hay toàn mạch có ba van dẫn) :
)sin(
R3
U
i
dm
ϕ+θ=
• Nếu chỉ có hai van dẫn (hay toàn mạch có hai van dẫn ) :
)sin(
R2
U
i
dm
ϕ+θ=
Tong đó :
dm
U
là biên độ điện áp dây.

ϕ là góc lệch pha giữa điện áp và dòng điện ở giai đoạn đang xét.
Tuỳ thuộc vào góc điều khiển mà các giai đoạn có ba van dẫn hoặc hai van dẫn
cũng thay đổi theo. Ta thấy có ba khoảng điều khiển chính :
1) Khoảng dẫn của van ứng với α = 0 ÷ 60
0
:
Trong phạm vi này sẽ có các giai đoạn ba van và hai van dẫn xen kẽ nhau như đồ
thị dưới đây :
19
Dựa vào đồ thị ta có thể xác định được biểu thức liên quan giữa công suất ra tải P
và góc điều khiển α :
R.I.3P
2
=
=
)d
3
sin
d
4
sin
d
3
sin
d
4
sin
d
3
sin

(
R
U3
3
2
2
3
2
3
2
2
3
2
3
2
3/
3
3
22
2
dm
θ
θ
+θ
θ
+θ
θ
+θ
θ
+θ

θ
π
∫∫∫∫ ∫
π
α+
π
α+
π
π
π
α+
π
π
α
α+
π
π
=
]
8
2sin
46
[
R
U3
2
dm
α
+
α

−
π
π
(1)
2) Khoảng van dẫn ứng với α = 60
0
÷ 90
0
Trong phạm vi này luôn chỉ có các giai đoạn hai van dẫn. Ta có đồ thị điện áp ra ở
dưới :
20
Dựa vào đồ thị ta có thể xác định được biểu thức liên quan giữa công suất ra tải P
và góc điều khiển α :
R.I.3P
2
=
=
]d
4
sin
d
4
sin
[
R
U3
36
5
32
36

5
32
22
2
dm
θ
θ
+θ
θ
π
∫ ∫
α+
π
−
π
α+
π
−
π
α+
π
−
π
α+
π
−
π
=
]2cos
16

3
2sin
16
3
12
[
R
U3
2
dm
α+α+
π
π
(2)
3) Khoảng van dẫn ứng với α = 90 ÷ 150
0
:
Trong phạm vi này chỉ có các giai đoạn hai van dẫn hoặc không có van nào dẫn
xen kẽ nhau. Ta có đồ thị điện áp ra như ở dưới :
Dựa vào đồ thị ta có thể xác định được biểu thức liên quan giữa công suất ra tải P và góc
điều khiển α :
R.I.3P
2
=
21
=
∫ ∫
π
α+
π

−
π
π
α+
π
−
π
θ
θ
+θ
θ
π
32 32
22
2
dm
]d
3
sin
d
4
sin
[
R
U3
=
]2sin
16
1
2cos

16
3
424
5
[
R
U3
2
dm
α+α+
α
−
π
π
(3)
Theo ba biểu thức (1), (2), (3) và cho các giá trị α khác nhau và lấy P ở α = 0 là
100% ta có bảng các giá trị và đồ thị biểu diễn quan hệ giữa công suất ra tải P và góc điều
khiển α :
α
P%
α
P%
0 100 90 29,3
20 98,6 100 18,1
30 95,6 110 9,7
40 90,2 120 4,3
50 81,8 130 1,3
60 70,6 140 0,1
70 57,16 150 0
80 42,8

2.2. Lựa chọn phương án
Nhận xét : công suất đưa ra tải là lớn nhất khi góc điều khiển α = 0 nhưng với α
=30 thì công suất ra tải cũng xấp xỉ khi α = 0.
22
Trong mạch điều áp xoay chiều ba pha sáu tiristor đấu song song ngược tải thuần
trở đấu tam giác, dạng điện áp từng pha cũng như vậy. Tuy nhiên, do tải đấu tam giác nên
khi mạch có ba van dẫn thì điện áp rơi trên điện trở tải là điện áp dây, khi mạch có hai
van dẫn thì điện áp rơi trên điện trở tải giữa hai dây đó là điện áp dây còn điện áp rơi trên
hai điện trở còn lại bằng một nửa điện áp dây.
2.3. TÍNH CHỌN VAN BÁN DẪN.
Trong mạch điều áp xoay chiều ba pha dùng cho lò nhiệt ta sử dụng
mạch điều áp xoay chiều ba pha sáu thyristor đấu song song ngược, tải thuần
trở đấu sao.Các biểu thức thể hiện quan hệ giữa công suất ra tải P và góc
điều khiển α
Với α = 0 ÷
o
60
:
P =
]
8
2sin
46
[
R
U3
2
dm
α
+

α
−
π
π
Với α = 60 ÷ 90
o
:
P =
]2cos
16
3
2sin
16
3
12
[
R
U3
2
dm
α+α+
π
π
Với α = 90 ÷ 150
o
:
P =
]2sin
16
1

2cos
16
3
424
5
[
R
U3
2
dm
α+α+
α
−
π
π
23
Khi α = 0 thì điện áp ra tải là hình sin hoàn toàn và đồng thời công
suất ra tải cũng đạt công suất lớn nhất P =
max
P
vì vậy để đảm bảo đủ bù các
tổn hao đã nói ở trên ta chọn công suất lớn nhất của lò ứng với khi góc điều
khiển α = 0 là :
P =
max
P
=75 (kw)
Dựa vào công thức (1) ta tính được công suất ra tải khi α = 0
t
2

dm
max
R2
U
P =

3
2
max
2
10.75.2
380
2
==
P
U
R
dm
t
= 0,96(Ω)
ta xác định được dây điện trở của lò có giá trị là 0,963 Từ đây, dựa
vào công nghệ chế tạo ta có thể tiến hành thiết kế chi tiết cho dây điện trở để
có thể đảm bảo được các yêu cầu kinh tế kĩ thuật của lò nhiệt.
Tiếp theo, ta tiến hành chọn van thông qua các thông số kỹ thuật của
van là điện áp ngược lớn nhất, dòng trung bình qua van
Như đã nói ở trên, hoạt động của mạch điều áp xoay chiều cũng tương
tự như mạch chỉnh lưu, cụ thể là mạch điều áp xoay chiều ba pha sáu
thyristor đấu song song ngược có nguyên lý hoạt động trong một chu kỳ
cũng giống như nguyên lý của mạch chỉnh lưu ba pha hình tia. Vì vậy, ta có
thể hoàn toàn áp dụng các thông số chọn van của mạch chỉnh lưu ba pha

hình tia cho mạch điều áp xoay chiều ba pha sáu thyristor đấu song song
ngược. Cụ thể :
Điện áp ngược lớn nhất trên van :
dmfmaxng
U2U6U ==

537380.2U
maxng
==
(V)
24
Nhận xét : khi góc điều khiển α = 0 điện áp ra tải là hình sin và như
vậy, dòng trung bình qua van lúc này là lớn nhất. Từ đây ta có thể xác định
được giá trị dòng điện trung bình qua van.
∫
π
θ
π
=
0
maxmaxtb
sinI
2
1
I

(do tải thuần trở nên i trùng pha với u )

)]0cos(cos[
R2

U
I
maxf
maxtb
−−π−
π
=

96.0.
2.220
max
π
=
tb
I
= 103(A)
Khi chọn van ta phải chú ý đến điều kiện làm mát cho van vì khi hoạt
động, van toả 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 được
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 đến 30 ÷ 60% dòng định mức. Nếu
làm mát bằng nước thì van có thể chịu được đến 80% dòng định mức.
Thông thường trong công nghiệp thì van phải được làm mát tốt nhất là
bằng không khí có quạt gió cưỡng bức. Trong nhiệm vụ thiết kế lò nhiệt này
thì dòng qua van không quá lớn nên ta có thể chọn chế độ làm mát cho van
bằng không khí có quạt gió cưỡng bức. Ta chọn các điều kiện thích hợp để
van có thể chịu dòng tới 40% dòng định mức của van.
Khi đó:
tb

I
=
%40
I
maxtb
=
%40
103
= 258 (A )
Để chọn giá trị của điện áp ngược lớn nhất trên van, ta sẽ chọn thêm
hệ số dự trữ điện áp
u
k
= 1,6 ÷ 2
25