THIẾT KẾ LÒ ĐIỆN TỬ, NHIỆT ĐỘ LÒ 400-600 ĐỘ, CÔNG SUẤT ĐỊNH MỨC 40KW, TỔN HAO NHIỆT 10KW, ĐIỆN ÁP NGUỒN LƯỚI 3.380V

Thiết kế đồ án môn học
đề tài
Thiết kế lò điện trở
1. Đầu đề thiết kế :
Thiết kế lò điện trở
2. Ngời thực hiện :
Họ và tên Nguyễn Văn Khánh
Lớp Tự Động Hoá 1
Khoá 47
Giáo viên hớng dẫn Phạm Quốc Hải
Năm thực hiện : 2006
1
Thiết kế đồ án môn học
đề tài
Thiết kế lò điện trở
1. Các số liệu cho trớc :
Nhiệt độ lò 400 - 600 (
0
C)
Công suất định mức 40 ( kW )
Tổn hao nhiệt 10 ( kW )
Điện áp nguồn lới 3*380 ( V )
2. Nội dung các phần thuyết minh và tính toán :
Chơng 1 Giới thiệu chung về lò điện trở
Chơng 2 Giới thiệu về mạch điều áp xoay chiều ba pha
Chơng 3 Thiết kế và tính toán mạch lực
Chơng 4 Thiết kế và tính toán mạch điều khiển
Kết luận
3. Các bản vẽ :
Bản vẽ tổng thể toàn bộ sơ đồ nguyên lý mạch thiết kế (cả mạch lực và mạch
điều khiển ) trên giấy vẽ kỹ thuật khổ A2.

2
Mục lục
Lời mở đầu 1
Chơng 1: Tổng quan về cấu tạo và
nguyên lý làm việc của lò điện 2
1. Giới thiệu chung về lò điện
2. Giới thiệu chung về lò điện trở
3. Cấu tạo lò điện trở
Chơng 2: Giới thiệu chung về
mạch điều áp xoay chiều ba pha
1. Mạch điều áp xoay chiều
2. Quan hệ giữa góc điều khiển và công suất ra tải
Chơng 3: Thiết kế và tính toán mạch lực
1. Tính toán chọn van bán dẫn
2. Tính toán bảo vệ van bán dẫn
Chơng 4: Thiết kế và tính toán mạch điều khiển
1. Nguyên lý chung của mạch điều khiển
2. Thiết kế và tính toán mạch điều khiển
2-1. Khâu đồng pha
2-2. Khâu tạo điện áp răng ca (U
tựa
)
2-3. Khâu so sánh
2-4. Khâu phát xung chùm
2-5. Chọn cổng AND
2-6. Khâu khuếch đại xung và biến áp xung
2-7. Khâu phản hồi
2-8. Khối nguồn
Kết luận
Tài liệu tham khảo

3
Lời nói đầu
Trong thực tế công nghiệp và sinh hoạt hàng ngày, năng lợng nhiệt đóng
một vai trò rất quan trọng. Năng lợng nhiệt có thể đợc dùng để nung nóng, sấy
khô Vì vậy việc sử dụng nguồn năng lợng này một cách hợp lý và có hiệu
quả là rất cần thiết. Lò điện trở đợc ứng dụng rất rộng rãi trong công nghiệp vì
đáp ứng đợc nhiều yêu cầu thực tiễn đặt ra. ở lò điện trở, yêu cầu kĩ thuật
quan trọng nhất là phải điều chỉnh và khống chế đợc khiệt độ của lò. Đây
cũng chính là yêu cầu của đồ án môn học điện tử công suất mà em đã đợc
giao.
Đồ án đã đợc thực hiện dới sự hớng dẫn tận tình của thầy giáo Phạm
Quốc Hải. Đồ án đợc chia thành ba phần chính sau:
1. Giới thiệu sơ lợc về cấu tạo và nguyên lý hoạt động của lò điện
và lò điện trở.
2. Thiết kế và tính toán mạch lực.
3. Thiết kế và tính toán mạch điều khiển.
4
Chơng 1- tổng quan về cấu tạo và
nguyên lý làm việc của lò điện
I-Giới thiệu chung về lò điện
1 - Định nghĩa
Lò điện là một thiết bị điện biến điện năng thành nhiệt năng dùng trong
các quá trình công nghệ khác nhau nh nung hoặc nấu luyện các vật liệu, các
kim loại và các hợp kim khác nhau v.v
- Lò điện đợc sử dụng rộng rãi trong các lĩnh vực kỹ thuật :
+ Sản xuất thép chất lợng cao
+ Sản xuất các hợp kim phe-rô
+ Nhiệt luyện và hoá nhiệt luyện
+ Nung các vật phẩm trớc khi cán, rèn dập, kéo sợi
+ Sản xuất đúc và kim loại bột

- Trong các lĩnh vực công nghiệp khác :
+ Trong công nghiệp nhẹ và thực phẩm, lò điện đợc dùng để sất, mạ vật
phẩm và chuẩn bị thực phẩm
+ Trong các lĩnh vực khác, lò điện đợc dùng để sản xuất các vật phẩm
thuỷ tinh, gốm sứ, các loại vật liệu chịu lửa v.v
Lò điện không những có mặt trong các ngành công nghiệp mà ngày càng
đợc dùng phổ biến trong đời sống sinh hoạt hàng ngày của con ngời một cách
phong phú và đa dạng : Bếp điện, nồi nấu cơm điện, bình đun nớc điện, thiết
bị nung rắn, sấy điện v.v
2 - Ưu điểm của lò điện so với các lò sử dụng nhiên liệu
Lò điện so với các lò sử dụng nhiên liệu có những u điểm sau :
- Có khả năng tạo đợc 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 chuyễn vật phẩm
- Đảm bảo điều khiện lao động hợp vệ sinh, điều kiện thao tác tốt, thiết bị
gọn nhẹ
5
3 - Nhợc điểm của lò điện
- Năng lợng điện đắt
- Yều cầu có trình độ cao khi sử dụng
II-Giới thiệu chung về lò điện trở
1 - 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 toả ra một lợng nhiệt theo định luật Jun-
Lenxơ :
Q=I
2

RT
Q - Lợng 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 : Trờng hợp này gọi là nung trực tiếp
- Dây nung : Khi dây nung đợc nung nóng nó sẽ truyền nhiệt cho vật nung
bằng bức xạ, đối lu, dẫn nhiệt hoặc phức hợp. Trờng hợp này gọi là nung
gián tiếp.
Trờng 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 )
Trờng hợp thứ hai thờng gặp nhiều trong thực tế công nghiệp. Cho nên
nói đến lò điện trở không thể không đề cập đến vật liều để làm dây nung, bộ
phận phát nhiệt của lò.
2 - Những vật liệu dùng làm dây nung
a) - 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 thớc phải không thay đổi khi sử dụng
+ Dễ gia công, dễ hàn hoăc dễ ép khuôn
b)- Dây nung kim loại
6
Để đảm bảo yêu cầu của dây nung, trong hầu hết các lò điện trở công
nghiệp, dây nung kim loại đều đợc 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 đợc
dùng để chế tạo dây nung rất hiếm vì các kim loại nguyên chất thờng có
những tính chất không có lợi cho việc chế tạo dây nung nh :
+ Điện trở suất nhỏ
+ Hệ số nhiệt điện trở lớn
+ Bị ôxy hoá mạnh trong môi trờng khí quyễn bình thờng
Dây nung kim loại thờng đợc chế tạo ở dạng tròn và dạng băng
c) - Dây nung phi kim loại
Dây nung phi kim loại dùng phổ biến là SiC, grafit và than.
III-Cấu tạo lò điện trở
I- Những yêu cầu cơ bản đối với cấu tạo lò điện
1 - 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 nh không làm phức tạp quá trình gia công và làm
tăng giá thành một cách rõ rệt. Cấu trúc lò đảm bảo đợc các điều kiện nh thế
mới coi là hợp lý nhất. Điều này đặc biệt quan trọng trong khi nhu cầy về lò
điện vợt xa khả năng sản xuất ra nó.
2 - Hiệu quả về kỹ thuật
Hiệu quả về kỹ thuật là khả năng biểu thị hiêu suất cực đại của kết cấu
khi các thông số của nó xác định ( kích thớc ngoài, công suất, trọng lợng giá
thànhv.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 cở
bản của hiệu quả kỹ thuật. Còn đối với từng phần riêng biệt của kết cấu hoặc
chi tiết, hiệu quả kỹ thuật đợc đánh giá bằng công suất dẫn động, mô men
xoắn, lực v.v ứng với trọng lợng, kích thớc hoặc giá thành kết cấu.
3 - Chắc chắn khi làm việc
Chắc chắn khi làm việc là một trong những chỉ tiêu quan trọng nhất của
chất lợng kết cấu của các lò điện. Thờng các lò điện làm viêc 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 hởng đến quá trình sản suất chung. Điều
này đặc biệt quan trọng đối với các lò điện làm việc liên tục trong dây chuyền
7
sản xuất tự động. Ngay đối với các lò điện làm việc chu kỳ, lò ngừng cũng
làm thiệt hại rõ rệt cho sản xuất vì khi ngừng lò đột ngột ( nghĩa là phá huỷ
chế độ làm việc bình thờng vủa lò ) có thể dẫn đến làm h 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
điện là khả năng thay thế nhanh hoặc khả nằng dự trữ lớn khi lò làm việc bình
thờng. 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
4 - 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 lợng 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.
5 - Rẻ và đơn giản khi chế tạo
Về mặt này yêu câu nh 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 lợng 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 đọc các thiết bị, dụng cụ thông thờng 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.
- 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.
6 - 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
8
của kết cấu khi trọng lợng nhỏ và hình dáng bề ngoài đẹp có quan hệ khăng
khít với nhau.
Việc gia công lần chót nh 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.
II - Cấu tạo lò điện trở
Lò điện trở thông thờng gồm ba phần chính : vỏ lò, lớp lót và dây nung.
1 - Vỏ lò
Vỏ lò điện trở là một khung cứng vững, chủ yếu để chị 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 tơng đối của lò.
Đối với các lò làm việc với khí bảo vệ, cấn thiết vỏ lò phải hoàn toàn kín,
còn đối với các lò điện trở bình thờng, 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 trờng hợp riêng, lò điện trở có thể làm vỏ lò không bọc kín.
Khung vỏ lò cần cứng vững đủ để chị đợc tải trọng của lớp lót, phụ tải lò
( vật nung ) và các cơ cấu cơ khí gắn trên vỏ lò.
- Vỏ lò chữ nhật thờnng 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 lợng kim loại để chế tạo vỏ lò. Khi kết cấu vỏ lò tròn, ngời ta thờng dùng
thép tấm dày

3 - 6 mm khi đờng kính vỏ lò là 1000 2000 mm và 8 12 mm khi đ-
ờng kính vỏ lò là 2500 4000 mm và 14 20 mm khi đờng kính vỏ lò
khoảng 4500 6500 mm.
Khi cần thiết tăng độ cứng vững cho vỏ lò tròn, ngời ta dùng các vòng
đệm tăng cờng bằng các loại thép hình.
Vỏ lò chữ ngật đợc dựng lên nhờ các thép hình U, L và thép tấm cắt theo
hình dáng thích hợp. Vỏ lò có thể đợc bọc kín, có thể không tuỳ theo yêu cầu
kín của lò. Phơng pháp gia công vỏ lò loại này chủ yếu là hàn và tán.
2 - Lớp lót
Lớp lót lò điện trở thờng 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 thớc đã cho của buồng lò. Cũng
có khi ngời ta đầm bằng các loại bột chịu lửa và các chất dính dết gọi là các
9
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 đợc 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 đợc tác dụng của khí quyển lò
và ảnh hởng 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 thờng nằm giữa vỏ lò và phần vật liệu chịu lửa. Mục đích
chủ yếu của phần này là để giảm tổn thất nhiệt. Riêng đối với đáy, phần cách
nhiệt đòi hỏi phải có độ bền cơ học nhất định còn các phần khác nói chung
không yêu cầu.

Yêu cầu cơ bản của phần cách nhiệt là :
+ Hệ số dẫn nhiệt cực tiểu
+ Khả năng tích nhiệt cực tiểu
+ ổn định về tính chất lý, nhiệt trong điều kiện làm việc xác định.
Phần cách nhiệt có thể xây bằng gạch cách nhiệt, có thể điền đầy bằng
bột cách nhiệt.
3 - Dây nung
Theo đặc tính của vật liệu dùng làm dây nung, ngời ta chia dây nung làm
hai loại : dây nung kim loại và dây nung phi kim loại.
Trong công nghiệp, các lò điện trở dùng phổ biến là dây nung kim loại.
10
Chơng 2
Giới thiệu chung về mạch điều áp
xoay chiều ba pha
I - Mạch điều áp xoay chiều ba pha :
Nh đã nói ở trên, công suất ra tải của lò đợc tính theo công thức:
P = 3.
t
2
f
R
U
Nh vậy, để thay đổi công suất đa ra tải , ta có thể thay đổi
t
R
hoặc
f
U
.
Tuy nhiên, trong thực tế, ngời ta thờng chọn cách thay đổi

f
U
để có thể thay
đổi công 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 nguyên tắc tơng tự nh ở các bộ chỉnh l-
u tức là thay đổi điểm mở của van so với điểm qua không của điện áp nguồn,
vì vậy còn gọi là phơng pháp điều khiển pha (thay đổi góc mở van ).
Do diot chỉ có thể dẫn dòng theo một chiều mà ta lại yêu cầu điện áp ra
tải là xoay chiều nên trong mạch điều áp xoay chiều ngời ta không dùng diot
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 ngời ta thờng dùng sơ đồ 2 thyristor đấu song song ngợc nhau thay cho triac
nh hình dới :
Các van T1, T2 lần lợt dẫn dòng theo 1 chiều xác định nên dòng qua
cặp thyristor đấu song song ngợc này là dòng xoay chiều. Các van thyristor đ-
ợc phát xung điều khiển lệch nhau góc 180 độ điện để đảm bảo dòng qua cặp
van là hoàn toàn đối xứng.
11
Một u điểm của việc sử dụng hai van thyristor đấu song song ngợc nhau
thay thế cho triac trong nạch điều áp xoay chiều là khả năng điều khiển để mở
và khoá thyristor dễ dàng hơn nhiều so với triac.
Ta có đồ thị dạng điện áp ra của mạch điều áp xoay chiều :
Các mạch điều áp xoay chiều có nhợc 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
nh 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.
Nh vậy, khi điều chỉnh trên tải nhận đợc một dải n sóng hài hình sin. Mặc dù

vậy, với tải là điện trở thuần của lò điện trở thì việc dạng điện áp ra tải không
sin cũng không ảnh hởng đến chế độ làm việc của lò. Các mạch điều áp xoay
chiều không phù hợp với tải dạng cảm kháng nh 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 thờng 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 hởng mạnh sang nhau
12
và nó còn tuỳ thuộc vào nhiều yếu tố nh sơ đồ đấu van, góc điều khiển cụ thể,
tính chất tải
Hình trên là sơ đồ thờng dùng nhất, đó là sơ đồ có sáu thyristor đấu
thành ba cặp song song ngợc.
II - 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 dới đây ta có thể có đợc
biểu thức điện áp của từng giai đoạn, từ đó mới tiến hành tính toán. Dới 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 đa ra tải là điện áp dây nào có van đang dẫn.
Không thể có trờng 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 đợc 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 đợc
các đại lợng cần tính nh điện áp, dòng điện, công suất
Ta xét hoạt động của mạch điều áp xoay chiều ba pha dùng sáu

thyristor đấu song song ngợc, tải thuần trở đấu hình sao ở trên và dựng đồ thị
quan hệ giữa công suất tải và góc :
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 nh
sau :
Nếu mỗi pha có một van dẫn ( hay toàn mạch có ba van dẫn) :
)sin(
R3
U
i
dm
+=
Nếu chỉ có hai van dẫn (hay toàn mạch có hai van dẫn ) :
)sin(
R2
U
i
dm
+=
trong đó :
dm
U
là biên độ điện áp dây.
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 :

13
1) Khoảng dẫn của van ứng với = 0 ữ
o
60
:
Trong phạm vi này sẽ có các giai đoạn ba van và hai van dẫn xen kẽ
nhau nh đồ thị dới đây :
Dựa vào đồ thị ta có thể xác định đợc biểu thức liên quan giữa công suất
ra tải P và góc điều khiển :
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


+

+

+

+

+

+



+



+


=
]
8
2sin
46
[
R
U3
2
dm

+

(1)
14
2) Khoảng van dẫn ứng với = 60 ữ
o
90
:
Trong phạm vi này luôn chỉ có các giai đoạn hai van dẫn. Ta có đồ thị
điện áp ra ở dới :
Dựa vào đồ thị ta có thể xác định đợc biểu thức liên quan giữa công suất
ra tải P và góc điều khiển :
R.I.3P
2
=
=
]d
4
sin
d
4
sin
[
R
U3
36
5
32
36
5
32

22
2
dm


+



+



+



+



+



=
]2cos
16
3
2sin

16
3
12
[
R
U3
2
dm
++


(2)
15
3) Khoảng van dẫn ứng với = 90 ữ
o
150
:
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 nh ở dới :
Dựa vào đồ thị ta có thể xác định đợc biểu thức liên quan giữa công suất
ra tải P và góc điều khiển :
R.I.3P
2
=
=


+

+





+


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
++




(3)
Theo ba biểu thức (1), (2), (3) và cho các giá trị khác nhau và lấy P ở
= 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 :
16

P%

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

Nhận xét : công suất đa ra tải là lớn nhất khi góc điều khiển = 0 nhng
với =30 thì công suất ra tải cũng xấp xỉ khi = 0.
Trong mạch điều áp xoay chiều ba pha sáu thyristor đấu song song ng-
ợc tải thuần trở đấu tam giác, dạng điện áp từng pha cũng nh 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.
Chơng 3
Thiết kế tính toán mạch lực
17
I - Tính chọn van bán dẫn
Trong mạch điều áp xoay chiều ba pha dùng cho lò điện dới đây ta sử
dụng mạch điều áp xoay chiều ba pha sáu thyristor đấu song song ngợc, tải
thuần trở đấu sao.
Các biểu thức thể hiện quan hệ giữa công suất ra tải P và góc điều khiển
:
Với = 0 ữ
o
60
:
P =
]
8
2sin
46
[
R
U3
2

dm

+




Với = 60 ữ 90
o
:
P =
]2cos
16
3
2sin
16
3
12
[
R
U3
2
dm
++


Với = 90 ữ 150
o
:
P =

]2sin
16
1
2cos
16
3
424
5
[
R
U3
2
dm
++




Công suất định mức của lò điện là
dm
P
= 40 (kw)
Tổn hao của lò điện
P
= 3 (kw)
Trong thực tế, lò điện có thể coi là hộ tiêu dùng điện loại một, nghĩa là
nguồn cung cấp cho lò điện là ổn định. Tuy nhiên, để đảm bảo hiệu quả cũng
nh sự an toàn trong hoạt động của lò điện, ta sẽ chọn một lợng công suất dự
trữ cho lò điện đề phòng trờng hợp điện áp nguồn vì một lý do nào đó bị sụt áp
. Ngoài ra, trong quá trình hoạt độngcua mình, lò điện cũng chịu thêm một số

18
tổn thất khác nh tổn thất trên các van bán dẫn, tổn thất trên đờng dây nhng
do không đáng kể so với tổng tổn thất vì nhiệt của lò nên ta có thể bỏ qua.
Khi = 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
= 0 là :
P =
max
P
= 50 (kw)
Dựa vào công thức (1) ta tính đợc công suất ra tải khi = 0
t
2
dm
max
R2
U
P =

3
2
max
2
dm
t
10.50.2

380
P2
U
R ==
= 1,444 ()
ta xác định đợc dây điện trở của lò có giá trị là 1,444 (). 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 đợc các yêu cầu kinh tế kĩ thuật của lò điện.
Tiếp theo, ta tiến hành chọn van thông qua các thông số kỹ thuật của
van là điện áp ngợc lớn nhất, dòng trung bình qua van
Nh đã nói ở trên, hoạt động của mạch điều áp xoay chiều cũng tơng tự
nh mạch chỉnh lu, cụ thể là mạch điều áp xoay chiều ba pha sáu thyristor đấu
song song ngợc có nguyên lý hoạt động trong một chu kỳ cũng giống nh
nguyên lý của mạch chỉnh lu ba pha hình tia. Vì vậy, ta có thể hoàn toàn áp
dụng các thông số chọn van của mạch chỉnh lu ba pha hình tia cho mạch điều
áp xoay chiều ba pha sáu thyristor đấu song song ngợc. Cụ thể :
Điện áp ngợc lớn nhất trên van :
dmfmaxng
U2U6U ==

537380.2U
maxng
==
(V)
Nhận xét : khi góc điều khiển = 0 điện áp ra tải là hình sin và nh vậy,
dòng trung bình qua van lúc này là lớn nhất. Từ đây ta có thể xác định đợc giá
trị dòng điện trung bình qua van.

=
0
maxmaxtb
sinI
2
1
I

(do tải thuần trở nên i trùng pha với u )
19

)]0cos(cos[
R2
U
I
maxf
maxtb


=

444,1.
2.220
I
maxtb

=
= 68,6 (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 hởng đến
hiệu quả cũng nh tuổi thọ của van. Nếu van hoạt động trong điều kiện đợc 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 cỡng
bức thì van có thể chịu đợc đến 30 ữ 60% dòng định mức. Nếu làm mát bằng
nớc thì van có thể chịu đợc đến 80% dòng định mức.
Thông thờng trong công nghiệp thì van phải đợc làm mát tồi nhất là
bằng không khí có quạt gió cỡng bức. Trong nhiệm vụ thiết kế là điện 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 cỡng 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
6,68
= 172 ( A )
Để chọn giá trị của điện áp ngợc lớn nhất trên van, ta sẽ chọn thêm hệ
số dự trữ điện áp
u
k
= 1,6 ữ 2
ta chọn :
u
k

= 1,6
ng
U
=
u
k
.
maxng
U
= 1,6 . 537
= 860 (V)
Từ các giá trị của
tb
I
và
ng
U
, tra trong sổ tay ta chọn đợc van C358 do
hãng G.E của Mỹ chế tạo với các thông số sau :
ng
U
= 500 ữ 1200 ( V )
tb
I
= 225 ( A )
200
dt
di
max
=

20
Kết luận, trong mạch điều áp xoay chiều ba pha dùng cho lò điện này ta
cần dùng sáu van thyristor C358 do hãng G.E của Nhật Bản chế tạo.
II - Tính toán bảo vệ van bán dẫn
Trong quá trình van hoạt động thì van phải đợc làm mát để van không
bị phá hỏng về nhiệt vì vậy ta đã tính toán chế độ làm mát cụ thể cho van rồi.
Tuy nhiên, van cũng có thể bị hỏng khi van phải chịu tốc độ tăng dòng, tăng
áp quá lớn. Để tránh hiện tợng quá dòng, quá áp trên van dẫn đến hỏng van ta
phải có những biện pháp thích hợp để bảo vệ van. Biện pháp bảp vệ van thờng
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.
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, ngời ta cần phải mắc vào trớc van một cuộn dây để hạn chế tốc độ
tăng dòng. Cuộn dây đợc dùng là một cuộn kháng bão hoà có đặc tính là: khi
dòng qua cuộn kháng ổn định thì điện cảm của cuộn kháng hầu nh bằng
không và lúc này cuộn dây dẫn điện nh một dây dẫn bình thờng.
Ta có mạch nh hình vẽ:
Để tính toán giá trị của cuộn kháng ta xét quá trình quá độ trong mạch:
U
f
= i.R + L.
dt
di
Ta thấy rằng tốc độ tăng dòng lớn nhất là:
dt
di
max =

L
U
f
Để đảm bảo an toàn cho van ta phải chọn L sao cho di/dt max phải nhỏ
hơn tốc độ tăng dòng chịu đợc của van, hay là:
dt
di
max < 200 A/às

L
U
f
< 200 A/às
L >
6
f
10.200
U

=
6
10.200
2.220

= 1,555 àH
21
Ta chọn cuộn kháng bão hoà có giá trị là 1,6 àH, loại lõi không khí vì
điện cảm nhỏ.
Sau khi tính toán bảo vệ chống tốc độ tăng dòng ta tính toán bảo vệ quá
áp cho van. Ngời ta chia ra hai loại nguyên nhân gây nên quá áp:

1 - Nguyên nhân nội tại: là do sự tích tụ điện tích trong các lớp bán dẫn.
Khi khoá van thyristor bằng điện áp ngợc, các điện tích nói trên đổi ngợc lại
hành trình, tạo ra dòng điện ngợc trong thời gian rất ngắn. Sự biến thiên nhanh
chóng của dòng điện ngợc gây nên sức điện động cảm ứng rất lớn trong các
điện cảm, vốn luôn luôn có của đờng 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:
2 - Nguyên nhân bên ngoài: những nguyên nhân này thờng xẩy ra ngẫu
nhiên nh khi đóng cắt không tải một máy biến áp trên đờng dây, khi một cầu
chì bảo vệ nhẩy, khi có sấm sét
Để bảo vệ quá điện áp do tích tụ điện tích khi chuyển mạch gây nên ng-
ời ta dùng mạch RC đấu song song với thyristor nh hình dới:
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 đờng dây, dòng điện
từ hoá máy biến áp Việc tính toán thông số của mạch R, C rất phức tạp, đòi
hỏi nhiều thời gian nên ta sẽ sử dụng phơng pháp xác định thông số R, C bằng
đồ thị giải tích, sử dụng những đờng cong đã có sẵn.
Các bớc tính toán nh sau:
- Xác định hệ số quá áp theo công thức:
22
k =
im
imp
U.b
U
với
imp
U
là giá trị cực đại cho phép của điện áp ngợc đặt trên diot
hoặc thyristor một cách không chu kỳ, tra trong sổ tay tra cứu.

im
U
là giá trị cực đại của điện áp ngợc thực tế đặt trên diot
hoặc thyristor.
b là hệ số dự trữ an toàn về điện áp, b = 1 ữ 2
- Xác định các thông số trung gian:
)k(C
*
min
,
)k(R
*
max
,
)k(R
*
min
bằng cách tra trong đồ thị trong sổ tay tra cứu
- tính
dt
di
max khi chuyển mạch nh ở phần tính toán cuộn kháng bão
hoà.
- Xác định điện lợng tích tụ Q = f(
dt
di
), sử dụng các đờng cong cho
trong sổ tay tra cứu để xác định.
- Tính toán các giá trị của R, C theo công thức:
C =

im
*
min
U
Q.2
.C
Q2
LU
RR
Q2
LU
R
im
*
max
im
*
min


trong đó L là điện cảm của mạch RLC
Tuy nhiên, trong thực tế, khi tính toán thiết kế bảo vệ van thì rất khó có
thể có đầy đủ tất cả các đờng cong đặc tính cần thiết nên ngời ta thờng chọn
giá trị của R, C theo kinh nghiệm:
R = 20 ữ 100 ( ) ; C = 0,4 ữ 1 ( àF )
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 68,6 A không phải là lớn nên ta
chọn giá trị của R, C nh sau:
R = 100

C = 0,47 àF ( các giá trị chuẩn)
23
Ngoài ra, trong mạch lực cũng cần có thêm các thiết bị bảo vệ ngắn
mạch, quá tải nh áptômát, cầu chì ở mỗi pha và cầu chì ở trớc mỗi van để
tăng cao tính an toàn cho mạch.
Ta có mạch hoàn chỉnh nh ở dới :
24
25