đồ án điện tử công suất trình bày về luyện thép và nguyên lý hoạt động của nó

Đồ án : Điện Tử Cơng Suất

SV: Hồng Ngọc Tú

GVHD:

Đặng Xuân Quyền

Đồ án: Điện
tử công
suất

1


Đồ án : Điện Tử Cơng Suất

SV: Hồng Ngọc Tú

GVHD:

Đặng Xn Quyền

Mục Lục
Lời nói đầu……………………………………………………………….

Chương 1:Giới thiệu cơng nghệ và u cầu kỹ
thuật……
I.
II.

Tìm hiểu về lị nấu thép……………………………………………
Tìm hiểu về đề tài…………………………………………………

Chương 2: Đề xuất phương án và lựa chọn mạch
lực…
I.
II.

Phương án mạch lực………………………………………………
Tính tốn lựa chọn van……………………………………………
Chương 3: Mạch điều khiển……………………………………
I.
Nguyên lý điều khiển………………………………………………
II.
Thiết kế mạch điều khiển
Chương 4: Kết quả mô phỏng…………………………………
Tài liệu tham khảo…………………………………………………….

2


Đồ án : Điện Tử Cơng Suất

SV: Hồng Ngọc Tú

GVHD:

Đặng Xuân Quyền

Lời Nói Đầu

Trong sự phát triển từng ngày của thế giới, trên từng lĩnh
vực của cuộc sống, như nông nghiệp,du lịch, điện tử, công nghệ thông
tin…Ngành công nghiệp nặng chiếm một vị trí hết sức quan trọng, là
tiền đề của các cơng trình lớn, của sự phát triển cơ sở hạ tầng. Ngày
nay, đã và đang đánh dấu những thành quả to lớn của ngành cơng
nghiệp: như đóng tầu, sản xuất ơtơ, luyện kim… Trong đó luyện kim
chiếm vai trị quan trọng, nó tạo ra rất nhiều ngun liệu cho các
ngành khác sử dụng. Để tìm hiểu thêm về vấn đề này, Dưới đây là một
số trình bày về ngành luyện thép và nguyên lý hoạt động của nó.
Trong đề tài, có sự tham gia của hai sinh viên Hoàng Ngọc
Tú và Đặng xuân quyền với sự giúp đỡ của thầy.
Thiếu sót của báo cáo là khơng thể tránh khỏi, chúng tôi xin
chân thành cảm ơn và chân trọng những ý kiến dóng góp và phê bình
của các bạn, để đề tài này được hoàn thiện hơn…

CHƯƠNG 1.GIỚI THIỆU CHUNG VỀ LỊ NẤU THÉP
I.Tìm hiểu về lị nấu thép
3


Đồ án : Điện Tử Cơng Suất

SV: Hồng Ngọc Tú

GVHD:

Đặng Xuân Quyền

- Ngành luyện kim ra đời từ rất lâu, sản phẩm của nó đáp ứng được nhu
cầu trong moi lĩnh vực. Trong thời gian đầu, các phưong pháp luyện thép

cổ điển như: lò cao, lò Mactanh đây là những loại lò dùng nhiên liệu đốt
như củi than… Ngày nay, với sự sử dụng rộng rãi của điện năng thì
phương pháp nấu luyện thép bằng điện chiếm ưu thế.
- Nấu luyện thép bằng lò điện là phương pháp nhanh nhất, mang lại hiệu
quả kinh tế cao vì phương pháp này biến đổi điện năng thành nhiệt năng.
- Điều chỉnh nhiệt độ dễ dàng, khả năng tự động hoá cao và có khả năng
luyện, nấu được nhiều loại thép khác nhau, dùng cho mục đích khác
nhau.
- Ít gây ơ nhiễm mơi trường.
- Có các loại lị phổ biến sau: lị hồ quang, lò điện trở, lò cảm ứng.
- Trong các loại lị điện trên thì lị cảm ứng có các ưu điểm nổi trội hơn
cả.
- Nấu chảy được kim loại sạch nhất, vận hành đơn giản và có thể nấu
chảy trong chân không hay trong môi trường đặc biệt. So với lị điện trở
và lị hồ quang thì hiệu quả nhiệt của lò điện cảm ứng là 80% so với
60%-75% của 2 lò kia và hiệu suât nhiệt lên tới 96%.
- Tuy nhiên lị cảm ứng có hệ số cơng suất giảm khi điện trở của vật liệu
giảm và để tăng nhiệt số này thường người ta mắc các tụ điện song song
với lò. Nhiệt độ của xỉ thấp cho nên khó có thể tinh luyện thép.
- Một điểm chú ý trong lò điện cảm ứng là tần số lò càng cao khi khối
lượng phối liệu nấu trong nòi mẻ thấp:
- 500 000Hz đối với lị nhỏ, nấu thí nghiệm 10g - 100g.
- 8000Hz - 4000Hz đối với lị thí nghiệm nấu vài kg.
- 2000Hz đối với lị cơng nghiệp nhỏ, một mẻ 50 kg - 500kg.
- 1000Hz đối với lò một mẻ 250kg-2000kg.
- 50Hz (tần số công nghiệp) với các lị nấu lớn trong cơng nghiệp

Nói riêng về lị cảm ứng

4

Đồ án : Điện Tử Cơng Suất

SV: Hồng Ngọc Tú

GVHD:

Đặng Xn Quyền

- Lị cảm ứng Theo ứng dụng có thể chia làm 2 loại là: lị có lõi sắt và
khơng có lõi sắt.
- Loại lị có lõi sắt ở giữa: xuất hiện sức điện động hỗ cảm vào nguyên
liệu rắn:
E2 = 4,44.f.W2. φ .10-8
f
W2
φ

: tần số (Hz), chu kỳ (s)
: số vịng cuộn dây thứ cấp
: từ thơng sinh ra ở lõi sắt (Wb)

- Nhờ dòng xoay chiều gây ra cho từ trường nam châm của lõi sắt mà
kim loại rắn được nung nóng dần, cuối cùng chảy vào rãnh và có thể lấy
ra ngồi. Loại này ít thơng dụng vì năng suất khơng cao, xỉ ln ln bị
nguội.
- Loại khơng có lõi sắt rất thơng dụng hiện nay: Đặc điểm của loại lò này
là từ trường từ cuộn dây cảm ứng được dẫn thẳng vào kim loại. Tại đây
sinh ra dịng điện hỗ cảm có cường độ khơng đều trên dây đồng. Mật độ

dòng điện tập trung ở mặt ngồi dây, ở giữa giảm dần.
Cấu tạo của lị
Gồm hai bộ phận chính là vịng cảm ứng và nồi lị:
- Vòng cảm ứng làm bằng đồng hoặc ống sắt dẹt. Vì dịng qua vịng cảm
ứng cỡ hàng ngàn ampe nên tổn hao điện chiếm tới 25 ÷30% cơng suất
hữu ích của thiết bị. Do vậy cần làm mát vòng cảm ứng. Làm mát bằng
khơng khí cho phép mật độ dịng điện 2 ÷ 5A/mm2. Làm mát bằng nước
trong vịng cảm ứng rỗng cho phép dịng điện tới 50 ÷ 70A/mm2.
- Nồi lị làm bằng vật liệu chịu lửa.
II.Tìm hiểu về tải
1.Đặc tính tải trong q trình nấu thép
- Tải lị nấu thép là tải có tính cảm kháng.Đầu tiên ta dễ nhận thấy tải phụ
thuộc nhiệt độ theo công thức:
Rt = R0 *(1 + α *t)
- Tải lò nấu thép là tải có tính biến động, thơng qua đồ thị dưới:

5


Đồ án : Điện Tử Cơng Suất

SV: Hồng Ngọc Tú

GVHD:

Đặng Xn Quyền

Hình 1.1: Đồ thị tính biến động của tải lò
Μ : là độ từ thẩm của thép
Ρ : là suất điện trở của thép(Ωcm)

- Nhận thấy khi nhiệt độ khoảng 800-9000c thì tải mất tính cảm kháng chỉ
cịn tính thuần trở (do μ giảm mạnh ,còn ρ tăng mạnh).
- Tải lò nấu thép là tải ngắn mạch , nên nguồn cấp cho tải phải làm việc ở
chế độ ngắn mạch, do đó ta chọn nguồn cấp cho tải là nghịch lưu nguồn
dịng.
2.Quan hệ f,p,U
- Nhiệt đốt nóng kim lọai được tính theo cơng thức:
d
h

W= I12.n2. π 2. . p.µ. f .10 −9 (W)
Trong đó:
I1 : dịng điện trong cuộn cảm ứng (A)
n : số vòng dây cuộn cảm ứng
d : đường kính trong lị
h : chiều cao mẻ liệu (cm)
I1.n : số ampe vịng
Từ cơng thức trên ta thấy:
- Năng lượng biến thành điện năng ở trong mẻ liệu tỉ lệ thuận với bình
phương ampe vịng, tức tỉ lệ với cường độ từ trường và căn bình phương
điện trở riêng và tần số.

Wnhiệt ≈ H2 ≈ I2
Wnhiệt ≈ f
- Như vậy để tăng lượng nhiệt cung cấp cho vật liệu có thể tăng cường độ
dịng điện hoặc tần số. Nhưng trong thực tế khơng thể tăng dịng điện lên

6

Đồ án : Điện Tử Cơng Suất

SV: Hồng Ngọc Tú

GVHD:

Đặng Xn Quyền

mãi vì dây phải rất lớn và q nóng, có thể nóng chảy (dù có nước làm
mát).
- Thường dùng phương pháp tăng tần số, do vậy lò cảm ứng còn gọi là lò
cao tần.
- Mặt khác tần số còn ảnh hưởng đến kích thước của cục nguyên liệu.
Năng lượng truyền từ nguồn điện (tần số), qua vòng cảm ứng, biến đổi
thành năng lượng trường điện từ. Trong vật gia nhiệt điện năng dịng
xốy cảm ứng được chuyển thành nhiệt năng. Khi truyền sâu trong kim
loại, độ lớn của các vectơ E, H (hai thành phần của trường điện từ) bị
giảm dần và năng lượng trường điện từ cũng giảm dần (theo độ sâu
truyền z).
Độ sâu thẩm thấu:
δ=

2
p
= 503.
(m)
ω.γ .µ a
µ. f

Trong đó:

ω
µ a = µ .µ 0
µ
µ 0 0 μ = 4. µ .10-7 H/m
γ=

1
p

: tần số (rad)
: hệ số từ thẩm tuyệt đối của kim loại.
: hệ số từ thẩm tương đối của kim loại
: hệ số từ thẩm chân khơng ρ
: điện dẫn của kim loại

- Tính toán và thực tế cho thấy khi z = δ thì 0,864 phần năng lượng điện
từ có ở bề mặt kim loại bị tiêu tán để đốt nóng lớp kim loại dày δ, còn
0.316 phần năng lượng tiếp tục truyền sâu vào lớp kim loại bên trong.
Tần số càng lớn thì δ càng nhỏ và năng lượng điện từ càng tập trung đốt
nóng ở lớp mặt ngồi của kim loại. Do đó để giảm năng lượng điện mất
mát trên một tấm kim loại và quá trình nấu chảy nguyên vật liệu cần thiết
phải tính tốn một cách hợp lý và tỉ mỉ những kích thước cục nguyên liệu
và chất khít chặt với tần số tương ứng.
- Để có hiệu suất nấu chảy kim loại cao, khi tần số càng lớn thì kích
thước cục ngun liệu càng phải nhỏ, cịn đối với tần số thấp hơn kích
thước cục ngun liệu có thể to hơn.

Ví dụ:
Tần số (Hz)

Kích thước cục nguyên liệu (mm)
7


Đồ án : Điện Tử Cơng Suất

SV: Hồng Ngọc Tú

GVHD:

Đặng Xuân Quyền

500
1000
10000

≥ 20

10
5

- Nếu khi tấn số rất lớn hơn nữa thì kích thước cục ngun liệu nhỏ hơn
5mm.
- Tấn số cũng có quan hệ chặt chẽ với bản chất cuă vật liệu và cơng suất
của lị. Cơng thức gần đúng để tính tần số dịng điện là:

fmin

25.10 8. p
=

d2

- Cơng thức trên cho thấy rằng khi cơng suất lị lớn, nghĩa là khi bán kính
liệu hoặc dung tích của lò lớn cũng như khi điện trở của liệu nhỏ, tần số
của dịng điện cung cấp có thể lấy thấp hơn.
- Đối với những kim loại như sắt, niken, crôm cũng như hợp kim của
chúng người ta thường dùng tàn số trong giới hạn 1000 ÷ 3000 Hz. Đối
với bạc, đồng, đồng thanh, đồng đỏ, hợp kim bạc niken, đồng niken tần
số có thể dùng từ 50 ÷ 500 Hz.
- Để đảm bảo cả yêu cầu kinh tế và kỹ thuật, việc lựa chọn tần số phụ
thuộc rất nhiều vào cơng suất của lị. Quan hệ giũă tần số và cơng suất
của lị được thể hiện qua những số liệu sau:
Cơng suất lị (kW)
Tần số (Hz)
<150
2000 ÷ 3000
250 ÷ 500
1000
750 ÷ 1000
500
>1200
150
- Hiện nay việc lựa chọn tần số dòng điện cung cấp cho lị khơng có lõi
sắt để luyện thép vẫn được lựa chọn như trên.

3. Sơ đồ và nguyên lý cấu tạo của thiết bị
Sơ đồ khối của bộ biến tần cấp cho lò nấu thép:

8

Đồ án : Điện Tử Cơng Suất

SV: Hồng Ngọc Tú

GVHD:

U21

Đặng Xuân Quyền

Chỉnh
Lưu
3 Pha

Lọc

Ud1

Ud2

Nghịch
Lưu
1 Pha

U22 =Ura

Hình 1: Sơ đồ khối của bộ biến tần
Trong đó:
U21

Ud1 =Kcl*U21 *cosα
Ud2 = Knl*U22 ∗ cosβ
U2

: điện áp vào bộ chỉnh lưu.
: điện áp ra bộ chỉnh lưu (điện áp vào bộ lọc)
: điện áp vào bộ nghịch lưu (sau bộ lọc)
: điện áp ra bộ nghịch lưu (điện áp tải)

- Phương trình cân bằng điện áp Ud1 = Ud2
Kcl*U21 *cosα = Knl*U22 *cos φt
α
: là góc mở chỉnh lưu.
φt
: là góc tải
- Từ lí luận trên , ta thấy yêu cầu với mạch chỉnh lưu
- Mạch chỉnh lưu có chức năng cấp nguồn cho mạch nghịch lưu dòng 1
chiều cho mạch nghịch lưu, tức là giữ cho Id= const
- Mạch chỉnh lưu điều chỉnh công suất trong q trình nấu chảy vật
liệu,vì khi góc tải φt thay đổi thì α cũng phải thay đổi cho phù hợp.

9


Đồ án : Điện Tử Cơng Suất

SV: Hồng Ngọc Tú

GVHD:

Đặng Xuân Quyền

Chương II :Đề xuất phương án và lựa chọn mạch lực
Do đặc điểm của lị luyện thép, ta có thể chọn phương án dùng mạch
điều áp hoặc chỉnh lưu. Dưới đây là trình bày một số phương án…
I. Phương án mạch lực
- Từ yêu cầu ta suy ra mạch chỉnh lưu phải là chỉnh lưu có điều khiển.
Cơng suất của lò nấu là P = 140 kW, nguồn điện sử dụng là nguồn điện 3
pha nên chúng ta dùng chỉnh lưu điều khiển 3 pha (nếu dùng chỉnh lưu
điều khiển 1 pha công suất tải lớn sẽ làm xấu lưới điện).
- Ta có các phương án:
• Chỉnh lưu hình tia 3 pha
• Chỉnh lưu cầu 3 pha
• Chỉnh lưu hình tia 6 pha
- Nhưng chúng ta thấy rằng:
• Chỉnh lưu hình tia 3 pha có nhược điểm: chất lượng điện áp thấp, hệ số
đập mạch nhỏ nếu công suất tải lớn sẽ ảnh hưởng xấu đến hệ số cosϕ của
lưới điện, làm méo lưới điện và buộc phải dùng đến biến áp lực.
• Chỉnh lưu hình tia 6 pha tuy chất lượng điện áp tốt nhưng việc chế tạo
máy biến áp lực 6 pha tốn kém, phức tạp, giá thành cao nên phương án
này cũng không khả thi.
- Như vậy chúng ta sẽ thiết kế phần chỉnh lưu cho bộ nguồn lò nấu thép
dùng sơ đồ chỉnh lưu cầu 3 pha có điều khiển, bao gồm:
+ Chỉnh lưu cầu 3 pha điều khiển đối xứng
+ Chỉnh lưu cầu 3 pha điều khiển không đối xứng
1. Chỉnh lưu cầu 3 pha điều khiển khơng đối xứng
• Sơ đồ ngun lý:

Hình 2: Sơ Đồ Chỉnh lưu cầu 3 pha điều khiển không đối xứng
10

Đồ án : Điện Tử Cơng Suất

SV: Hồng Ngọc Tú

GVHD:

Đặng Xn Quyền

• Dạng điện áp và dịng điện:

Hình 3: Dạng điện áp và dịng điện
Phân tích sơ đồ:
Sơ đồ cầu 3 pha không đối xứng gồm 3 tiristor và 3 diode chia làm 2
nhóm:
- Nhóm catot chung : T1, T3, T5
11


Đồ án : Điện Tử Cơng Suất

SV: Hồng Ngọc Tú

GVHD:

Đặng Xuân Quyền

- Nhóm anod chung : D2, D4, D6
Điện áp các pha:

Ua = 2 U2sin θ

2π
)
3
4π
)
2 U2sin( θ 3

Ub = 2 U2sin( θ Uc =

- Khi làm việc các diode chuyển mạch tự nhiên còn các tiristo chuyển
mạch ở các thời điểm cấp xung điều khiển theo góc điều khiển α. Khi
α<60o thì điện áp Ud ln dương. Nhưng khi α > 600 sẽ xuất hiện các giai
đoạn 2 van thẳng hàng cùng dẫn điện đồng thời T1-D4, T3-D6,T5-D2;
khi đó dòng điện Id = 0 chỉ chảy trong tải mà không chảy về nguồn nên
năng lượng được giữ ở tải khơng trả về nguồn.
- Ta có thể coi sơ đồ chỉnh lưu cầu 3 pha không đối xứng tương đương 2
mạch chỉnh lưu hình tia:
- Chỉnh lưu hình tia 3 pha điều khiển gồm T1, T3, T5 có:
UK = Udotia∗ cosα = 1,17U2cosα
- Chỉnh lưu hình tia 3 pha khơng điều khiển gồm D2, D4, D6 có:
UA = Udotia ∗ cosα = 1,17U2
Tổng hợp lại ta có: Chế độ và chức năng điện áp trên mạch tải:
Ud = UK + UA = 1,17U2(1 + cosα) = 2,34U2.

1 + cos α
1 + cos α
=Udmax.
2

2

Chế độ hoạt động: chế độ chỉnh lưu với α = 0 ÷ π, Ud = 0 ÷ Udmax
Chức năng: Ổn định điện áp và dòng ra tải bằng cách thay đổi α
• Thơng số chọn van:
Điện áp ngược lớn nhất đặt lên van: Ungmax =

π
.Udmax
3

Dịng trung bình qua van: Iv = Id/3
• Ưu nhược điểm của sơ đồ:
- Ưu điểm: Mạch điều khiển đơn giản
Hệ số cosϕ lớn
- Nhược điểm: + Khơng hồn trả năng lượng về nguồn được khi 2 van
thẳng hàng cùng dẫn điện

12


Đồ án : Điện Tử Cơng Suất

SV: Hồng Ngọc Tú

GVHD:

Đặng Xuân Quyền

+ Chất lượng điện áp thấp, hệ số đập mạch nhỏ (m đm=3) nên yêu cầu cao

về bộ lọc.
+ Làm lệch pha lưới điện khi thay đổi góc điều khiển
2. Chỉnh lưu điều khiển 3 pha đối xứng
• Sơ đồ nguyên lý:

Hình 4: Sơ Đồ Chỉnh lưu điều khiển 3 pha đối xứng
• Dạng điện áp và dịng điện

13


Đồ án : Điện Tử Cơng Suất

SV: Hồng Ngọc Tú

GVHD:

Đặng Xn Quyền

Hình 5: Dạng điện áp và dịng điện
Phân tích sơ đồ:
Sơ đồ cầu 3 pha đối xứng gồm 6 Tiristor, chia làm 2 nhóm :
- Nhóm catot chung: T1, T3, T5
- Nhóm anod chung: T2, T4, T6
Điện áp các pha:
Ua = 2 U2sin θ
2π
)
3
4π

)
2 U2sin( θ 3

Ub = 2 U2sin( θ Uc =

Hoạt động của sơ đồ:
Giả thiết T5, T6 đang cho dòng chảy qua VK = UC; VA = UB
- Khi θ =

π
+ α cho xung điều khiển mở T1. Thyristor này mở vì U a>0.
6

Sự
mở của T1 làm cho T5 bị khoá lại một cách tự nhiên vì Ua > Uc. Lúc này
T6 và T1 cho dịng đi qua. Điện áp ra trên tải: Ud=Uab=Ua-Ub
- Khi θ =

3π
+ α cho xung điều khiển mở T2. Thyristor này mở vì T6 dẫn
6

dịng, nó đặt Ub lên catot T2 mà Ub > Uc. Sự mở của T2 làm cho T6 khóa
lại một cách tự nhiên vì Ub > Uc. Lúc này T2 và T1 cho dòng đi qua.
Điện áp trên tải: Ud=Uac=Ua-Uc

14


Đồ án : Điện Tử Cơng Suất

SV: Hồng Ngọc Tú

GVHD:

Đặng Xuân Quyền

Các xung điều khiển lệch nhau

π
được lần lượt đưa đến các cực điều
3

khiển của các thyristor theo thứ tự 1, 2, 3, 4, 5, 6, 1,….Trong mỗi nhóm,
khi 1 thyristor mở thì nó sẽ khố ngay thyristor trước nó, như trong bảng
sau:
Thời Điểm

Mở

Khố

θ1 =

T1

T5

θ1

T2

T6

T3

T1

T4

T2

T5

T3

T6

T4

θ1

θ1
θ1
θ1

π
+α
6
3π

=
+α
6
5π
=
+α
6
7π
=
+α
6
9π
=
+α
6
11π
=
+α
6

Hình : Bảng thời điểm đóng mở của thyristor
Điện áp trên tải Ud = VK - VA là khoảng cách thẳng đứng giữa hai
đường bao:
Ud =

6
2π

5π
+α

6

∫
π
6

+α

2U 2 sin θdθ = 3 6U 2 cos α
π

• Chế độ và chức năng:
Điện áp trên mạch tải:
Chế độ hoạt động:

π
2

- Chế độ chỉnh lưu với α = 0 ÷ , Ud = 0 ÷ Udmax
- Chế độ nghịch lưu phụ thuộc với α =

π
÷ π ,Ud = -Udmax ÷ 0
2

Chức năng: Ổn định điện áp và dòng ra tải bằng cách thay đổi α
• Thơng số chọn van:
Điện áp ngược lớn nhất đặt lên van: Ungmax =
Dịng trung bình qua van: Iv = Id/3
Ưu điểm:

15

π
Udmax
3


Đồ án : Điện Tử Cơng Suất

SV: Hồng Ngọc Tú

GVHD:

Đặng Xuân Quyền

- Chất lượng điện áp tốt nên việc thiết kế bộ lọc đơn giản, tiết kiệm.
- Có khả năng hồn trả năng lượng về lưới tốt khi tải có tính chất cảm
kháng.
- Dịng điện máy biến áp đối xứng khi thay đơỉ góc α
Nhược điểm:
- Mạch điều khiển phức tạp nhưng có thể khắc phục được.
- Dải điều chỉnh Ud hẹp
- Hệ số sử dụng máy biến áp thấp hơn vì cosφba = cos α
Với máy biến áp, ta có:
Với máy biến áp điều chỉnh cơng suất Sba = 1,05*Pđmax
Với máy biến áp có chức năng nguồn áp một chiều
S ba =1,05* Pđmax* 1 + tg 2α max

3. Điều áp xoay chiều ba pha

M¹ch xoay chiỊu ba pha hiƯn nay trong thực tế thờng gặp gồm 3 sơ đồ
nh sau: Hình 6 a, b, c

a

b

c
Hình 6: Sơ đồ điều áp xoay chiều ba pha bằng cặp Tiristo
mắc song song ngỵc
16


Đồ án : Điện Tử Cơng Suất

SV: Hồng Ngọc Tú

GVHD:

Đặng Xuõn Quyn

Các loại sơ đồ ny bao gồm, tải đấu sao có trung tính (a),tải đấu sao
không trung tính (b), tải đấu tam giác (c). Tải đấu sao có trung tính, có
nhiều điểm l sơ đồ giống hệt ba mạch điều áp một pha điều khiển dịch
pha theo điện áp lới, do đó điện áp trên các van bán dẫn nhỏ hơn vì điện
áp đặt vo van bán dẫn l điện áp pha. Nhợc điểm của sơ đồ l trên dây
trung tính có tồn tại dòng điện điều ho bậc cao, khi góc mở các van khác
0 có dòng tải gián đoạn v loại sơ đồ nối ny chỉ thích hợp với loại tải ba
pha có bốn đầu dây ra.
Các sơ đồ không trung tính Hình b, c có nhiều điểm khác so với sơ đồ

có trung tính. ở đây dòng điện chạy giữa các pha với nhau, nên đồng thời
phải cấp xung điều khiển cho hai Tiristo của hai pha một lúc. Việc cấp
xung điều khiển nh thế, đôi khi gặp khó khăn trong mạch điều khiên,
ngay cả việc ®ỉi thø tù pha ngn líi cịng cã thĨ lμm cho sơ đồ không
hoạt động.
Thiết kế sơ đồ mạch động lực của bộ điều áp xoay chiều ba pha chúng
ta phải thực hiện hng loạt các bi toán tổng hợp. Ngay cả ở chế độ xác
lập thì dòng điện v điện áp trên các van bán dẫn cũng chỉ l chế độ gần
với xác lập. Trong phần thiết kế ny chúng ta chỉ xét bộ điều áp l m việc
ở chế độ xác lập.
mch ba pha khụng trung tính dịng điện chạy qua tải là dịng chạy
giữa các pha với nhau. Tại mỗi thời điểm phải có hai hoặc ba pha có van
bán dẫn, khơng khi nào chỉ có một pha có van bán dẫn cả.
Cấp xung điều khiển cho điện áp xoay chiều có thể cấp bằng xung đơn
hoặc xung chum. Cấp xung điều khiển loại nào tùy thuộc vào chế độ làm
việc của tải. Thường gặp hiện nay trong điều áp ba pha là có hai loại.
- Xung điều khiển cấp đơn nhưng phải đệm xung điều khiển.
- Xung điều khiển cấp bằng xung chùm.
Trong đề tài này ta sử dụng tải là tải thuần trở như hình 7, nên ta sẽ chọn
phương án điền khiển là điều khiển điều áp ba pha bằng xung đơn.

17


Đồ án : Điện Tử Cơng Suất

SV: Hồng Ngọc Tú

GVHD:

Đặng Xuân Quyền

Hình 7 : Mạch lực điều áp xoay chiều ba pha tải thuần trở.
Khi góc điều khiển α của các van bán dẫn lớn và đồng thời có hai van
cùng dẫn, như vậy xung điều khiển phải được cấp đồng thời cho cả hai
van, hơn nữa hai van được dẫn ấy phải được cấp xung theo kiểu một
xung chính cần mở với một xung đệm, nguyên tắc đệm xung phải theo
đúng thứ tự pha. Như việc cấp xung ở hình 8.

Hình 8: Hình dạng đường cong điện áp tải với các xung điều khiển van
18


Đồ án : Điện Tử Cơng Suất

SV: Hồng Ngọc Tú

GVHD:

Đặng Xuân Quyền

X1 : Một chữ số xung Cần mở T1
X6-1 : Xung đệm từ T6 sang T1
Trên hình 8 vẽ lại đường cong điện áp tải với góc mở van bán dẫn α
lớn ( α =

4π
). Để có đường cong điện áp pha A như hình vẽ, chúng ta cần
6

cấp xung điều khiển theo thứ tự như hình 8. Mỗi thyristor trong một chu
kỳ được cấp hai xung điều khiển, trong đó Xung trước X 1 là xung quyết
định chính góc mở của nó, cịn xung thứ hai X 6-1 là xung đệm được nhận
từ thyristor cần mở của pha khác tới. Điện áp và dòng điện ở đây gián
đoạn, vì vậy khơng có xung đệm X1-4 T1 khơng thể một van trong điều
áp ba pha được.

4π
Tại t2 góc α =
của T1 ( UA>0) phát xung X1 điều khiển T1 đồng thời
6

đệm xung T4 – T1-4 ( xung thứ hai của T4) lúc này với điện áp pha A
dương hơn pha B (UA>>UB). T1 và T4 cùng dẫn, chừng nào UA còn dương
hơn UB, điện á trên tải pha A nếu coi tải đối xứng thì U A=1/2UAB. Đến t 2'
do điện áp UB dương hơn UA ( bỏ qua ảnh hưởng điện cảm, coi góc ϕ
khơng đáng kể) nên T1 và T4 bị khóa tại t 2' .
Đến T3 góc α =

4π
của T6 (UC<0), phát xung X6 điều khiển T6 đồng
6

thời theo đúng thứ tự pha đệm xung X6-1 cùng dẫn. Tương tự như trên,
hai thyristor này sẽ cùng dẫn chừng nào UC còn âm hơn UA. Như vậy, đến
'
t 3 khi điện áp UA trở nên âm hơn U C,T6,T1 phân cực ngược sẽ tự khóa, ta
có điện áp trên tải UA1=1/2UAC.
Tương tự như T1,T2 được mở bởi xung chính tại t 5 cùng với T3 và
được mở với xung đệm của T5 tại t6

Từ những khảo sát trên ta thấy : Tại thời điểm phát lệnh mở thyristor
mà khơng có xung đệm cho thyristor ở pha kế tiếp theo thứ tự pha và ở
nhóm ngược lại, thì các thyristor khơng thể dẫn.
Khi góc mở van nhỏ, dịng điện tải ít gián đoạn hơn, lúc này xung
đệm chỉ có ý nghĩa tại thời điểm khởi động ban đầu thơi. Do dịng điện
liên tục đến cuối chu kỳ, nên xung đệm của các van là khơng có ý nghĩa
khi đã khởi động xong. Điều này có thể giải thích cho một vài trường hợp
thiết kế không đúng, mạch điều khiển không đệm xung điều khiển, nhưng
19


Đồ án : Điện Tử Cơng Suất

SV: Hồng Ngọc Tú

GVHD:

Đặng Xuân Quyền

đôi khi thyristor vẫn dẫn được trong một số lần đóng điện nào đó. Hiện
tượng dẫn khơng bình thường của thyristor là do nhiễu.
“a

Hình 9: Hình dạng đường cong điện áp tải và các xung điều khiển van
khi α =


6

4. Kết Luận

Từ những trình bày các phơng án trên, ta chọn phơng án điều áp ba
pha với sơ đồ mắc tải thuần trở hình sao không điểm giữa. Vì phơng án
này có những u điểm thuận lợi phù hợp với yêu cầu để tài.
- Chất lợng điện áp tốt nên thiết kế bộ lọc đơn giản, tiết kiệm
- Có khả năng hoàn trả năng lợng về lới rất tốt
- Cã thĨ ®iỊu khiĨn gãc më cđa thyristor víi gãc mở lớn nên có thể đảm
bảo công xuất của lò.

II. Tính tốn lựa chọn van
Chọn thơng số:
20


Đồ án : Điện Tử Cơng Suất

SV: Hồng Ngọc Tú

GVHD:

Đặng Xuân Quyền

Uvào = 3.380V
Fra = 50 Hz
P = 75kw
Tổn hao nhiệt độ 1000kw
Cos ϕ = 0,92
Hiệu suất của lò η = 0,938
• Tính tốn chọn van
- Dịng điện hiệu dụng của lò
I2

P
=
3Udη . cosϕ

75000
= 132,4 A
3.380.0,92.0,935

- Dòng điện hiệu dụng chạy qua mỗi thyristor
ITlv = I2/2 = 132.4/2 = 66,2A
Dòng làm việc của thyristor là 66,2 là đáng kể. nên chọn điều kiện
làm mát của thyristor là có cánh tản nhiệt, có quạt đối lưu để thơng khí,
với điều kiện làm việc này thyristor làm việc với dòng điện lên đến 9%
dòng định mức
- Dòng điện của thyristor cần chọn
I2dm =

I Tlv .100
= 132,4
50

- Điện áp của thyristor khi ở trạng thái khoá
Ulv = 2Ud = 2 .380= 537V
- Điện áp định mức của thyristor cần chọn
UTdm = Kdt.UTlv = 1,8.537 = 966V
- Với các thông số trên ta chọn loại thyristor 3M200N
- Dòng điện làm việc của thyristor là 66,2A là khá lớn vậy ta chọn
cách làm mát là dùng cánh tản nhiệt có quạt đối lưu khơng khí
- Mắc song song van bán dẫn, trong trường hợp dòng làm việc quá lớn

so với dòng làm việc cho phép khi có xét tới điều kiện tản nhiệt người ta
phải tiến hành mắc song song các van bán dẫn với mạch bảo vệ gồm tụ
điện và điện trở để tránh dòng ngược hồi trở lại nguồn. Khi xuất hiện
dòng điện ép trên đường dây nhờ có mạch lực này mà quá áp trên đường
dây gần như hoàn toàn mất hẳn.
+ Chn R = 10 ữ 20
C = 4 àf

21


Đồ án : Điện Tử Cơng Suất

SV: Hồng Ngọc Tú

GVHD:

Đặng Xuân Quyền

Chương 3: Mạch điều khiển
I. Nguyên lý điều khiển
Điều khiển thyristor trong sơ đồ chỉnh lưu hiện nay có nhiều phương
pháp khác nhau, thường gặp là điều khiển theo nguyên tắc thẳng đứng.
Nội dung được mô tả theo giản đồ hình 10.

22


Đồ án : Điện Tử Cơng Suất

SV: Hồng Ngọc Tú

GVHD:

Đặng Xuân Quyền

Hình 10 : Nguyên lý điều khiển chỉnh lưu
Khi điện áp xoay chiều hình sin (Uđf) đặt vào anốt của thyristor. Để có
thể điều khiển được góc mở α của Thyristor trong vùng điện áp dương
anot, cần tạo một điện áp tựa dạng tam giác ( thường gọi điện áp tựa là
điện áp răng cưa Urc ). Dùng một điện áp một chiều U dk so sánh với điện
áp tựa. Tại thời điểm (t1,t4) điện áp tựa bằng điện áp điều khiển (Urc= Udk),
trong vùng điện áp dương anot, thì phát xung điều khiển. Thyristor được
mở từ thời điểm có xung điều khiển (t1,t4) cho tới cuối bán kỳ ( hoặc tới
khi dòng điện bằng 0).
Sơ đồ khối
Để thực hiện được ý đồ nhủ trên thì mạch điều khiển phải gồm 3 khâu cơ
bản là đồng pha, so sánh và khâu tạo xung được thể hiện bằng sơ đồ khối
ở hình 11

Đồng pha

So Sánh

Tạo xung

Hình 11 : Sơ đồ khối mạch điều khiển
Nhiệm vụ của các khâu như sau:
+ Khâu đồng pha: có nhiệm vụ tạo điện áp tựa U rc ( thường gặp là điện
áp dạng răng cưa tuyến tính) trùng pha với điện áp anot của thyristor.

23


Đồ án : Điện Tử Cơng Suất

SV: Hồng Ngọc Tú

GVHD:

Đặng Xuân Quyền

+ Khâu so sánh: Nhận tín hiệu điện áp răng cưa và điện áp điều khiển,
có nhiệm vụ so sánh giữa điện áp tựa với điện áp điều khiển Udk , tìm
thời điểm hai điện áp bằng nhau ( Udk=Urc). Tại thời điểm hai điện áp
bằng nhau, thì phát xung ở đầu ra để gửi sang tầng khuếch đại.
+ Khâu tạo xung: có nhiệm vụ tạo xung phù hợp để mở thyristor. Xung
để mở Thyristor có yêu cầu sườn dốc thẳng đứng ( hình 3.3), để đảm bảo
yêu cầu thyristor mở tức thời khi có xung điều khiển ( thường gặp loại
xung này là xung kim hoặc xung chữ nhật) đủ độ rộng ( với độ rộng xung
lớn hơn thời gian mở của thyristor), đủ công suất, cách ly giữa mạch điều
khiển với mạch động lực( nếu điện áp động lực quá lớn).
II. Thiết kế mạch điều khiển
- Khâu đồng pha: sơ đồ hình 12 là sơ đồ đơn giản, dễ thực hiện với số
linh kiện ít nhưng chất lượng điện áp tựa khơng tốt.

Hình 12: Khâu đồng pha dùng điốt và tụ điện
Khi điện áp UA>0 điốt D1 dẫn làm cho tụ ngăn mạch nên Urc=0, khi
UA<0 D1,D2 khoá tụ C nạp với hằng số thời gian nạp tụ R 2, C. Tụ còn nạp
chừng nào 0điện áp URC=0. Độ dài phần tuyến tính của điện áp tựa khơng phủ hết

1800. Do vậy, góc mở van lớn nhất bị giới hạn. hay nói cánh khác, nếu
điều khiển theo sơ đồ này, điện áp của tải không điều khiển được từ 0 tới
cực đại mà từ một vị trí nào đó đến cực đại.
Để khắc phục nhược điểm về dải điều chỉnh ở sơ đồ hình 12 người ta sử
dụng sơ đồ tạo điện áp tựa bằng sơ đồ hình 13a. Khi điện áp U A>0
tranzito Tr khoá , tụ C nạp. Khi U A<0 tranzito dẫn , tụ C xả tạo thành
điện áp răng cưa như hình 13c. Điện áp tựa có phần biến thiên tuyến tính
phủ hết nửa chu kỳ điện áp. Do vậy, khi cần điều khiển điện áp từ 0 tới
cực đại là hồn tồn có thể đáp ứng được.
Với sự ra đời của linh kiện ghép quang, có thể tạo sơ đồ bằng bộ ghép
quang như hình 13b. Nguyên lý và chất lượng điện áp của hai sơ dồ hình

24


Đồ án : Điện Tử Cơng Suất

SV: Hồng Ngọc Tú

GVHD:

Đặng Xuân Quyền

13a,b tương đối giống nhau. Ưu điểm của sơ đồ hình 13b là khơng cần
biến áp đồng pha, do đó có thể đơn giản hơn trong việc chế tạo và lắp
đặt.

a

b

c
Hình 13: Khâu đồng pha dùng tranzito
a) Dùng tranzito b) Dùng bộ ghép quang
Các sơ đồ trên đều có chung nhược điểm là việc mở, khoá các Trannzito
trong vùng điện áp lân cận 0 là thiếu chính xác làm cho việc nạp, xả tụ
trong vùng điện áp đồng pha lân cận 0 không được như ý muốn.
Ngày nay các vi mạch được chế tạo ngày càng nhiều, chất lượng ngày
càng cao, kích thước ngày càng gọn, ứng dụng các vi mạch thiết kế mạch
đồng pha có thể cho chất lượng điện áp tựa tốt.
Trên hình 14a giới thiệu sơ đồ tạo điện áp tựa dùng khuếch đại thuật toán
và hình 14b là đường cong minh hoạ hoạt động của sơ đồ.

25