ĐỒ ÁN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT-HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN VÀ KHỐNG CHẾ NHIỆT ĐỘ LÒ ĐIỆN TRỞ

Đề tài: Thiết kế hệ thống điều khiển và khống chế nhiệt độ lò điện trở
LỜI CAM ĐOAN
Em xin cam đoan đây là đồ án do các thành viên trong nhóm
cùng thực hiện. Những gì trình bày trong đồ án hoàn toàn là sự
thật.
Thay mặt nhóm em xin chịu trách nhiệm về đồ án của nhóm
mình.
Thành viên nhóm 17
Trần Thị Trang
Dương Thị Hằng
Nguyễn Thị Minh Thúy
Đồ án Điện tử công suất – Nhóm 17 – Đ6CNTĐ Page 1
Đề tài: Thiết kế hệ thống điều khiển và khống chế nhiệt độ lò điện trở
MỤC LỤC
Đồ án Điện tử công suất – Nhóm 17 – Đ6CNTĐ Page 2
Đề tài: Thiết kế hệ thống điều khiển và khống chế nhiệt độ lò điện trở
BẢNG BIỂU HÌNH VẼ VÀ SƠ ĐỒ
Hình 2.1. Sơ đồ nối sao trung nh
Đồ án Điện tử công suất – Nhóm 17 – Đ6CNTĐ Page 3
Chương 1: Giới thiệu chung về lò điện trở
CHƯƠNG I: GIỚI THIỆU CHUNG VỀ LÒ ĐIỆN TRỞ
1.1. Giới thiệu chung về lò điện trở
1.1.1. Định nghĩa
Lò điện trở là một thiết bị điện biến điện năng thành nhiệt năng
thông qua dây đốt (dây điện trở). Từ dây đốt qua bức xạ, đối lưu và
truyền nhiệt dẫn nhiệt, nhiệt năng được truyền tới vật cần gia
nhiệt. Lò điện trở thường dùng để nung, sấy, nấu chảy kim loại,
1.1.2. 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-Lenxo:

Q=I
2
RT
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 băng 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 hoặc 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 liệu
làm dây nung, bộ phận làm phát nhiệt của lò.
1.1.3. Những vật liệu dùng làm dây nung
a) Yêu cầu của vật làm dây nung:
Trong lò điện trở, dây đốt là phần tử chính biến đổi điện năng
thành nhiệt năng thông qua hiệu ứng Joule. Dây đốt cần phải làm
từ vật liệu thỏa mãn các yêu cầu sau:
- Chịu được nhiệt độ cao.
Đồ án Điện tử công suất – Nhóm 17 – Đ6CNTĐ Page 4
Chương 1: Giới thiệu chung về lò điện trở
- Độ bền cơ khí lớn.
- Có điện trở suất lớn (vì điện trở suất nhỏ sẽ dẫn đến dây dài
khó bố trí trong lò hoặc tiết diện dây nhỏ, không bền).
- Hệ số nhiệt điện trở nhỏ (vì điện trở sẽ ít thay đổi theo nhiệt
độ, đảm bảo công suất lò).

- Chậm hóa già (tức là dây đốt ít bị biến đổi theo thời gian, do đó
đảm bảo tuổi thọ của lò).
b) Vật liệu làm dây đốt
- Hợp kim: Cr - Ni, Cr - Al… với lò có nhiệt độ làm việc dưới
1200
0
C.
- Hợp chất: SiC, MoSi
2
… với lò có nhiệt độ làm việc 1200
0
C ÷
1600
0
C.
- Đơn chất: Mo, W, C (graphit)…với lò điện trở làm việc cao hơn
1600
0
C.
Do đó căn cứ vào khoảng nhiệt độ làm việc để chọn vật liệu làm
dây đốt cho phù hợp. Trong đồ án này đòi hỏi nhiệt độ 800 – 1000
0
C nên chọn vật liệu làm dây đốt là hợp kim Cr - Ni có thành phần
hóa học là 20 – 23%Cr, 75 – 78%Ni, còn lại là Fe và các chất khác.
1.1.4. Cấu tạo lò điện trở
Lò điện trở thông thường gồm ba phần chính : vỏ lò, lớp lót, dây
nung.
a) Vỏ lò
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, cần 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.
Đồ án Điện tử công suất – Nhóm 17 – Đ6CNTĐ Page 5
Chương 1: Giới thiệu chung về lò điện trở
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 hình chữ nhật thường dùng ở lò buồng, lò liên tục, lò đáy
rung…
- Vỏ lò tròn dùng ở các lò giếng và một vài lò chụp…
- 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
• 8 – 12 mm khi đường kính vỏ lò là 2500 – 4000 mm
• 14 – 20 mm khi đường kính vỏ lò là 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 chữ U, L và thép
tấm cắt theo hình dáng thích hợp. Vỏ lò có thể được bọc kín, có thể
không tùy theo yêu cầu kín của lò. Phương pháp gia công vỏ lò loại
này chủ yếu là hàn và tán.
b) Lớp lót
Lớp lót lò điện trở 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 tùy 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.
Đồ án Điện tử công suất – Nhóm 17 – Đ6CNTĐ Page 6
Chương 1: Giới thiệu chung về lò điện trở
+ Có đủ độ bền hóa 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 vật 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 các đặc tính của vật liệu dùng làm dây nung, người ta chia
dây nung ra 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.
1.1.5. Phân loại lò điện trở
Phân loại lò điện trở có nhiều cách:
 Theo nhiệt độ làm việc của lò
- Lò nhiệt độ thấp (t < 650
0
C)
- Lò nhiệt độ trung bình ( 650
0
C < t < 1200
0
C)
- Lò nhiệt độ cao ( t > 1200
0
C)
 Theo nơi dùng
- Lò dùng trong công nghiệp.
- Lò dùng trong phòng thí nghiệm.
- Lò dùng trong gia đình v.v…
Đồ án Điện tử công suất – Nhóm 17 – Đ6CNTĐ Page 7
Chương 1: Giới thiệu chung về lò điện trở
 Theo dặc tính làm việc
- Lò làm việc gián đoạn.
- Lò làm việc liên tục.
 Theo kết cấu của lò
- Lò buồng

- Lò giếng, lò chụp, lò bể…
 Theo mục đích sử dụng
- Lò tôi
- Lò ram
- Lò ủ
- Lò nấu chảy v.v…
1.2. Những vấn đề cần phải lưu ý trong việc thiết kế lò điện trở
a) Hợp lý về công nghệ
Hợp lý về công nghệ 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 biệ quan trọng trong khi nhu cầu về lò điện trở vượt xa
khả năng sản xuất ra nó.
b) Hiệu quả về kĩ thuật
Hiệu quả về kĩ thuật là khả năng biểu thị hiệu suất cực đại của
kết cấu khi các thông số 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 kĩ 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.
c) Chắc chán khi làm việc
Chắc chắn khi làm việc là một trong những chỉ tiêu quan trọng
nhất của chất lượng kết cấu của các là 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
Đồ án Điện tử công suất – Nhóm 17 – Đ6CNTĐ Page 8
Chương 1: Giới thiệu chung về lò điện trở
trọng đối với các lò điện làm việc liên tục trong dây chuyền sản
xuất tự động. Ngay đối với các lò điện làm việc chu kì, lò ngừng
cũng làm thiệt hại rõ rệt cho sản xuất vì khi ngừng lò đột ngột
( nghĩa là phá hủy chế độ làm việc bình thường của lò) có thể dẫn
đến các hư hỏng sản phẩm, lãng phí nguyên vật liệu và tăng giá
thành sản phẩm.
Một trong những chỉ tiêu 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 v.v…
d) Tiện lợi khi sử dụng
Tiện lợi khi sử dụng 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 quý 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.
e) Rẻ và đơn giản khi chế tạo
Về mặt này như sau:
- Tiêu hao vật liệu ít nhất, đặc biệt là các vật liệu quý 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 các thiết bị, dụng cụ
thông thường có sẵn trong các nhà máy chế tạo gia công.
- Các vật liệu và thiết bị yêu cầu để chế tạo phải ít nhất.
- Sử dụng tối đa các kết cấu giống nhau và cùng loại để dễ dàng
đổi lẫn và thuận tiện khi lắp ráp.
Đồ án Điện tử công suất – Nhóm 17 – Đ6CNTĐ Page 9
Chương 1: Giới thiệu chung về lò điện trở
- 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.
f) Hình dáng 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 chót 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.
Đồ án Điện tử công suất – Nhóm 17 – Đ6CNTĐ Page 10
Chương 2: Lựa chọn phương án thiết kế
CHƯƠNG II: LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ
2.1. Đề xuất các phương án tổng thể
Lò điện trở và vật cần nung là đối tượng điều khiển của hệ thống
với đại lượng cần điều chỉnh là nhiệt độ vật cần nung. Việc điều
chỉnh nhiệt độ của vật cần nung cũng chính là điều chỉnh nhiệt độ
trong buồng lò hay điều chỉnh công suất đặt vào lò.
Như đã nói ở trên, công suất ra tải của lò được tính theo công
thức:
2
3.

f
t
U
P
R
=
Như vậy, để thay đổi công suất ra tải ta có 2 cách:
- Điều chỉnh về phía tiêu thụ tức là thay đổi điện trở R
t
của lò.
Phương pháp này ít được sử dụng do tính không liên tục và
hạn chế về phạm vi điều khiển.
- Điều chỉnh về phía cung cấp tức là thay đổi điện áp U
f
. thể
thay đổi
t
R
hoặc
f
U
. Trong thực tế, người ta chọn cách phương
pháp naỳ để có thể thay đổi công suất ra tải.
Khi có sẵn một nguồn xoay chiều, để có thể thay đổi điện áp ra
tải người 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 nguyên
tắc tương tự như ở các bộ chỉnh lưu tức là thay đổi điểm mở van so
với điểm qua không điện áp nguồn, vì vậy gọi là phương pháp điều
khiển pha ( thay đổi góc mở van).
Theo đề bài yêu cầu, công suất định mức của lò điện trở là 100

KW nên ta sẽ sử dụng bộ biến đổi điện áp xoay chiều ba pha để
thiết kế mạch lực và mạch điều khiển cho hệ thống điều chỉnh và
tự động khống chế nhiệt độ lò điện trở.
Do điot chỉ có thể dẫn dòng theo một chiều mà ta lại yêu cầu
điện áp ra tải là xoay chiều nên trong mạch điện áp xoay chiều
người ta không dùng điot mà dùng triac vì đây là loại van bán dẫn
duy nhất cho phép dòng điện xoay chiều đi qua nó. Tuy nhiên, do
triac không thông dụng bằng thyristor nên thực tế người ta thường
dùng sơ đồ 2 thyristor đấu song song ngược nhau thay cho triac
như hình dưới:
Đồ án Điện tử công suất – Nhóm 17 – Đ6CNTĐ Page 11
Chương 2: Lựa chọn phương án thiết kế
THY1
THY2
LR
Các van T1, T2 lần lượt dẫn dòng theo một chiều xác định nên
dòng đi qua cặp thyristor đấu song song ngược này là dòng xoay
chiều. Các van thyristor được cấp 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 điện áp xoay chiều là
khả năng điều khiển để mở bà khóa thyristor dễ dàng hơn nhiều so
với triac.
Ta có đồ thị dạng điện áp ra của mạch điều khiển điện áp xoay
chiều:
Các mạch điện áp xoay chiều cơ bản là trong quá trình điều
chỉnh, mạch luôn làm việc ở chế độ dòng gián đoạn, cả dạng dòng
điện và điện áp ra tải đều không sin nên phù hợp với các loại tải
điện trở như lò điện trở, bóng đèn 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 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. 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 điện áp xoay chiều thường
sử dụng là các mạch điện áp xoay chiều ba pha, tải mắc hình sao
hoặc tải hình tam giác. Quá trình làm việc của mạch điện áp xoay
chiều ba pha phức tạp hơn nhiều so với mạch một pha vì ở đây có
các pha ảnh hưởng mạnh sang nhau và nó còn tùy thuộc vào
Đồ án Điện tử công suất – Nhóm 17 – Đ6CNTĐ Page 12
Chương 2: Lựa chọn phương án thiết kế
nhiều yếu tố như sơ đồ đấu van, góc điều khiển cụ thể, tính chất
tải…
Dưới đây trình bày các bộ điều chỉnh điện áp dòng xoay chiều
hay sử dụng nhất ứng với các phương pháp lựa chọn khi thiết kế
mạch lực và mạch điều khiển.
2.1.1. Sơ đồ đấu sao có dây trung tính
 Nguyên lý hoạt động:
Nếu bộ biến đổi xung áp ba pha được ghép từ ba bộ biến đổi
một pha và có dây trung tính thì dòng qua mỗi pha sẽ không
phụ thuộc vào dòng của các pha khác. Vì vậy, ta có thể thực
hiện điều khiển riêng biệt từng pha, tải có thể đối xứng hoặc
không đối xứng. Do đó điện áp trên các van bán dẫn nhỏ vì
điện áp đặt vào van bán dẫn là điện áp pha. Các biểu thức tính
α, λ, φ tương tự như trong sơ đồ một pha.
Hình 2.1. Sơ đồ nối sao 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 0 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 giảm đến giới hạn nhỏ hơn .
 Ưu - nhược điểm của phương án:
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 ĐAXC một pha nên sẽ đơn giản hơn.
Đồ án Điện tử công suất – Nhóm 17 – Đ6CNTĐ Page 13
Chương 2: Lựa chọn phương án thiết kế
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.
2.1.2. Sơ đồ đấu sao không dây trung tính
Hình 2.2. Sơ đồ nối sao không có dây trung tính
 Nguyên lý hoạt động:
Khi bộ biến đối xung áp ba pha được đấu sao không có dây trung
tính, quá trình điện từ hoàn toàn khác với sơ đồ trên hình 2.1 vì
quá trình dẫn dòng trong một pha phải tương thích với quá trình
dẫn dòng trong các pha khác.
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.

Trường hợp tổng quát sẽ có 6 đoạn điều khiển đối xứng và 6
đoạn điều khiển không đối xứng, đối xứng khi cả 3 thyristor dẫn và
không đối xứng khi 2 thyristor dẫn.
Việc xác định điện áp phải căn cứ vào chương trình lám 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 hai pha còn lại, ta lưu ý rằng trong hệ thống điện áp
chảy qua ba pha hoặc chỉ qua hai pha. Không có trường hợp chỉ có
một pha dẫn dòng.
Khi dòng chảy qua cả 3 pha thì điện áp trên mỗi pha đúng bằng
điện áp pha của nó ( ,, )
Đồ án Điện tử công suất – Nhóm 17 – Đ6CNTĐ Page 14
Chương 2: Lựa chọn phương án thiết kế
Khi dòng chảy qua cả 2 pha thì điện áp trên pha tương ứng bằng
½ điện áp trên dây của hai pha mà có hai thyristor dẫn điện ( ví
dụ: trong khoảng T
1
÷ T
2
và trong khoảng T
4
÷ T
5
)
Sau đây ta phân tích sự hoạt động của sơ đồ qua các trường hợp
sau với tải R:

- Với
0°
≤
α
≤
60°
: chỉ có giai đoạn 3 van và 2 van cùng dẫn.
- Với
60°
≤
α
≤
90°
: chỉ có các giai đoạn 2 van cùng dẫn hoặc không
có van nào dẫn cả.
- Với
90°
≤
α
≤
150
°
: chỉ có các giai đoạn 2 van dẫn hoặc không có
van nào dẫn cả.
 Với
0°
≤
α
≤
60°

:
Trong phạm vi góc α này sẽ có các giai đoạn 3 van và 2 van
dẫn xen kẽ nhau.
Dạng điện áp của pha Ua như hình dưới:
Hình 2.3. Đồ thị điện áp pha Ua với α =
30°
, góc dẫn van
Nguyên lý hoạt động của sơ đồ
Đồ án Điện tử công suất – Nhóm 17 – Đ6CNTĐ Page 15
θ
7
θ
6
θ
5
θ
4
θ
3
θ
2
θ
1
Chương 2: Lựa chọn phương án thiết kế
Dùng 6 thyristor đấu song song ngược với tải thuần trở, tải
đấu hình sao và cách ly với nguồn α =
30°
.
θ Pha A Pha B Pha C U
ZA

1
θ
≤ θ ≤
2
θ
V1 V6 V5
A
U
2
θ
≤ θ ≤
3
θ
V1 V6 -
½
AB
U
3
θ
≤ θ ≤
4
θ
V1 V6 V2
A
U
4
θ
≤ θ ≤
5
θ

V1 - V2
½
AB
U
5
θ
≤ θ ≤
6
θ
V1 V3 V2
A
U
θ
6
≤ θ ≤ θ
7
- - - 0
Công suất tải:
P
1
= (1)
 Với :
Trong phạm vi này luôn chỉ có các giai đoạn 2 van dẫn.
Hình 2.4. Đồ thị điện áp pha Ua với α =
75°
, góc dẫn van
θ Pha A Pha B Pha C U
ZA
Đồ án Điện tử công suất – Nhóm 17 – Đ6CNTĐ Page 16
θ

6
θ
5
θ
4
θ
3
θ
2
θ
1
θ
7
Chương 2: Lựa chọn phương án thiết kế
1
θ
≤ θ ≤
2
θ
V1 V6 - ½ U
AB
2
θ
≤ θ ≤
3
θ
V1 - V2 ½ U
AC
3
θ

≤ θ ≤
4
θ
- V3 V2 0
4
θ
≤ θ ≤
5
θ
V4 V3 - ½ U
AB
5
θ
≤ θ ≤
6
θ
V4 - V5 ½ U
AC
θ
6
≤ θ ≤ θ
7
- V6 V5 0
Công suất tải:
P
2
= (2)
 Với
α
=

90°
÷
150°
Trong trường hợp này chỉ có các giai đoạn 2 van dẫn hoặc không
van nào dẫn cả.
Hình 2.5. Đồ thị điện áp pha Ua với
α
=
120°
, van dẫn hai đoạn bằng
(150- ), xen giữa là đoạn nghỉ không có van nào dẫn ( - 90)
Tồn tại khoảng dẫn sau các khoảng tất cả dòng điện triệt tiêu cần
mở hai thyristor một lúc. Để làm được cần phải:
Đồ án Điện tử công suất – Nhóm 17 – Đ6CNTĐ Page 17
Chương 2: Lựa chọn phương án thiết kế
- Điều khiển các thyristo bằng các tín hiệu chiều rộng lớn hơn π/3.
- Gửi các xung khẳng định. Khi gửi tín hiệu mở một thyristo để
bắt đầu dẫn phải gửi một xung lên cực điều khiển của thyristo
vừa bị khóa. Như vậy T1 nhận xung đầu tiên ở
θ
=
α
và xung
khẳng định ở
θ
=
α
+ π/3.
Khi
α

<
θ
<
α
+ 5π/6 các thyristo T1 và T3 dẫn.
Khi 5π/6<
θ
<
α
+ π/3 không có thyristo nào dẫn
Để phân bố các điện áp trên cực các tiristo khi chúng bị khóa, cần
nối vào các cực của 3 khối thyritor với các điện trở lớn có trị số
bằng nhau.
Khi α < 5π/6 mở đồng thời T
1
và T
6
, khi α = α + π/3 sẽ tạo nên
điện áp âm V
A
– V
C
. Các thyritor không thể dẫn được và bộ điều
áp làm việc như 1 khóa chuyển mạch luôn hở mạch.
Công suất tải:
P
3
= (3)
Theo ba biểu thức (1), (2), (3) và các giá trị α khác nhau và lấy P
ở α = 0 là 100% ta có bảng các giá trị và đồ thị thể hiện mối quan

hệ giữa công suất tải và góc 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
Đồ án Điện tử công suất – Nhóm 17 – Đ6CNTĐ Page 18
Chương 2: Lựa chọn phương án thiết kế
Hình 2.6. Mối quan hệ giữa công suất tải và góc α
Nhận xét: Công suất đưa ra tải là lớn nhất khi góc điều khiển α =
0, nhưng với α = 30 cũng có công suất xấp xỉ khi α = 0.
 Ưu - nhược điểm của phương án:
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.

2.2. Lựa chọn phương án thiết kế mạch lực và mạch điều
khiển
Từ việc phân tích các ưu - nhược điểm của từng phương án trên ta đi
đến kết luận lựa chọn phương án để thiết kế mạch lực và mạch điều
khiển của bộ điều chỉnh và khống chế lò điện trở là :bộ điều chỉnh điện
áp ba pha sáu thyristor đấu song song ngược tải thuần trở không dây
trung tính.
Đồ án Điện tử công suất – Nhóm 17 – Đ6CNTĐ Page 19
Chương 3: Tính toán và thiết kế mach lực
CHƯƠNG III: TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ MẠCH LỰC
3.1. Tính toán chọn van mạch lực
Trong mạch điều áp xoay chiều ba pha dùng cho lò điện trở dưới
đây 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
0°
≤
α
≤
60°
:
P
1
= (1)
 Với :
P
2
= (2)

 Với
α
=
90°
÷
150°
P
3
= (3)
Hình 3.1. Sơ đồ mạch lực của hệ thống
Theo đề bài:
- Nhiệt độ lò: 800 – 1000
- Công suất định mức của lò là: P
đm
= 100 (KW)
- Tổn hao nhiệt là: ΔP = 20 (KW)
- Điện áp nguồn lưới : 3*380 (V)
Đồ án Điện tử công suất – Nhóm 17 – Đ6CNTĐ Page 20
Chương 3: Tính toán và thiết kế mach lực
Trong thực tế, lò điện trở có thể coi là hô tiêu dùng điện loại một,
nghĩa là nguồn cung cấp cho lò điện là ổn định. Tuy nhiên để đảm
bảo hiệu quả cũng như sự an toàn trong hoạt động của lò điện ta
sẽ chọn một lượng công suất dự trữ cho lò điện đề phòng trường
hợp điện áp nguồn vì một lí do nào đó bị sụt áp. Ngoài ra trong quá
trình hoạt động của mình, lò điện cũng chịu thêm một số tổn thất
khác như tổn thất trên các van bán dẫn, tổn thất trên đường dây …
nhưng do không đáng kể so với tổn thất vì nhiệt của lò nên ta có
thể bỏ qua.
Khi α = 0, thì điện áp ra tải là hình sin hoàn toàn và đồng thới
công suất ra tải cũng đạt giá trị lớn nhất 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.
P = P
max
=120 KW
Dựa vào công thức (1) ta tính được công suất ra tải khi α = 0
P
max
=
R
t
= = = 0,602 (Ω)
Ta xác định được dây điện trở của lò có giá trị là 0,602 (Ω). 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 điện.
Tiếp theo, ta tiến hành chọn van thông qua 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 giống như ngyên lý của mạch chỉnh lưu ba pha
hình tia. Vì vậy, ta có ta có thế 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 :
U
ng.max
= U
f

= U
đm
= . 380 = 537,4 (V)
Để chọn thêm giá trị điện áp ngược lớn nhất trên van, ta sẽ
chọn thêm hệ số dự trữ điện áp k
u
= 1,6 ÷ 2
Ta chọn k
u
= 2
U
ng
= k
u
.U
ng.max
= 2. 537,4 = 1074,8 (V)
- Dòng trung bình qua van :
Đồ án Điện tử công suất – Nhóm 17 – Đ6CNTĐ Page 21
Chương 3: Tính toán và thiết kế mach lực
I
t
= = = 182,32 (A)
Theo phụ lục 1 có:
I
tb van
= 0,45. I
t
=0,45 .182,32 = 82,04 (A)
I

tb max
= 2. I
tb van
= 2. 82,04 = 164,09 (A)
Bên cạnh đó, khi chọn van ta 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.
Thông thường, trong công nghiệp thì van phải được làm mát
tồi nhất là bằng không khí có quạt gió cưỡng bức. Trong bài
thiết kế này, ta tính được dòng qua tải chỉ vài trăm ampe, để
tiết kiệm về kinh tế ta có thể lựa chọn phương án làm mát van
bằng quạt gió cưỡng bức. Ta chọn điều kiện thích hợp để van
có thể chịu dòng tới 40% dòng định mức của van.
Khi đó:
I
tb
= = = 410,22(A)
Từ các giá trị I
tb
và U
ng
, ta

tra trong sổ tay ta chọn được van
TB400 do Tây Âu chế tạo với các thông số sau:
Các tham
số
Chú giải Trị số
I
tb
(A)
Dòng điện trung bình tối đa cho phép
chạy qua van trong điều kiện chuẩn.
400
I
đỉnh
(A)
Trị số biên độ dòng điện dạng sin cho
phép một lần qua van, sau đó phải
ngắt điện áp đặt lên van.
7000
I
rò
(mA)
Dòng điện rò khi van ở trạng thái
khóa
5
Điện áp
Điện áp tối đa mà van chịu được lâu
dài ở cả hai chiều thuận và ngược.
300-1200
t

ph
(μs)
Thời gian phục hồi tính chất khóa
cho van
50-30
di/dt
(A/μs)
Tốc độ tăng dòng cực đại cho phép
qua van
100-200
ΔU (V)
Sụt áp thuận trên van (giá trị tương
ứng dòng điện van = 1,5I
tb
)
2,1
Đồ án Điện tử công suất – Nhóm 17 – Đ6CNTĐ Page 22
Chương 3: Tính toán và thiết kế mach lực
U
đk
(V)
Điện áp điều khiển nhỏ nhất đảm
bảo dòng điều khiển mở van
5,5
I
đk
(mA)
Dòng điều khiển nhỏ nhất vẫn đảm
bảo mở được van
400

du/dt
(V/μs)
Tốc độ tăng điện áp thuận trên van 100-1000
3.2. Tính toán bảo vệ van bán dẫn
Trong quá trình hoạt động thì van phải được làm mát để van
không bị phá hỏng về nhiệt vì vậy ta hãy tính toán chế độ làm
mát 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 ta
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.
3.2.1. Bảo vệ quá dòng
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 sẽ gây hỏng van. Vì vậy, người ta cần phải cần
phải mắc vào trước van một cuộn dây để hạn chế tốc độ tăng
dòng. Cuộn dây được dùng là một cuộn kháng bão hòa có đặc
tính là: khi dòng qua cuộn kháng ổn định thì điện cảm của cuộn
kháng gần như bằng không và lúc này cuộn dây dẫn điện như
một dây dẫn bình thường.
Ta có mạch như hình vẽ:
Để tính toán giá trị của cuộn kháng ta xét quá trình quá độ
trong mạch:
. .
f
di
U i R L
dt

= +
Ta thấy rằng tốc độ tăng dòng lớn nhất là:
Đồ án Điện tử công suất – Nhóm 17 – Đ6CNTĐ Page 23
Chương 3: Tính toán và thiết kế mach lực
di
dt
max =
f
U
L
Để đảm bảo an toàn cho van ta phải chọn L sao cho
di
dt
max
phải nhỏ hơn tốc độ tăng dòng chịu được của van, hay là:
di
dt
max < 200
A s
µ
→
f
U
L
< 200
A s
µ
→
L >
6

220. 2
200.10
= 1,555
H
µ
Ta chọn kháng bão hòa có giá trị 1.6
H
µ
, loại lõi không khí vì
điện cảm nó nhỏ.
3.2.2. Bảo vệ quá áp
Sau khi tính toán bảo vệ chống tốc độ tăng dòng ta tính toán
bảo vệ quá áp cho van. Người ta chia ra làm hai loại nguyên
nhân gây lên quá áp:
+) Nguyên nhân nội tại: là do sự tích tụ điện tích trong các
lớp bán dẫn. Khi khóa van thyristor bằng điện áp ngược, các
điện tích nói trên đổi ngược lại hành trình, tạo ra dòng điện
ngược trong thời gian rất ngắn. Sự biến thiên nhanh chóng của
dòng điện ngược gây nên sức điện động cảm ứng rất lớn trong
các điện cảm, vốn luôn luôn có của đường dây nguồn dẫn đến
các thyristor. Vì vậy, giữa anốt và catốt của thyristor xuất hiện
quá điện áp. Ta có đồ thị thể hiện quá trình biến thiên của điện
áp và dòng điện trên van:
Đồ án Điện tử công suất – Nhóm 17 – Đ6CNTĐ Page 24
i
u
t
t
Chương 3: Tính toán và thiết kế mach lực
+) Nguyên nhân bên ngoài: những nguyên nhân này thường

xảy ra ngẫu nhiên như khi đóng cắt không tải một máy biến áp
trên đường dây, khi một cầu chì bảo vệ nhẩy, khi có sấm sét…
Để bảo vệ điện áp do tích tụ điện tích khi chuyển mạch gây nên
người thường dùng mạch RC đấu song song với thyristor như
hình dưới:
Thông số của R,C phụ thuộc vào mức độ quá điện áp có thể
xảy ra, tốc độ biến thiên của dòng điện chuyển mạch, điện cảm
trên đường dây, dòng điện từ hóa máy biến áp… Việc tính toán
thông số của mạch R,C rất phức tạp, đòi hỏi nhiều thời gian. Có
hai phương pháp để xác định thông số của R và C là dựa vào
kinh nghiệm thực tế hoặc phương pháp tính toán dựa vào các
đồ thị đặc tính các van được chọn.
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 chon giá trị R,C theo kinh nghiệm:
R= 20 ÷ 100 (Ω)
C = 0,1 ÷ 2 (
F
µ
)
Với dòng qua van nhỏ, ta chọn giá trị R lớn, C nhỏ. Với dòng
qua van lớn, ta chọn giá trị R nhỏ, C lớn.
Theo tính toán, dòng qua van bằng 164,09 A là lớn nên ta
chon giá trị của R, C như sau:
Đồ án Điện tử công suất – Nhóm 17 – Đ6CNTĐ Page 25