Điều chỉnh và tự động khống chế nhiệt độ lò điện trở

Đồ án môn học
Điều chỉnh và tự động khống chế nhiệt độ lò điện trở
1. Đề tài :
Thiết kế bộ điều chỉnh và tự động khống chế nhiệt độ lò điện trở
2. Ngời thực hiện :
Họ và tên :
Lớp
:
Khoá
:
Giáo viên hớng dẫn:
Năm thực hiện :
3. Ngày hoàn thành đồ án :
Ngàytháng..năm
Giáo viên hớng dẫn :


Đồ án điện tử công suất
1. Các số liệu cho trớc :
Nhiệt độ lò
600 - 800 ( 0 C)
Công suất định mức 100 ( kW )
Tổn hao nhiệt 10( kW )
Điện áp nguồn lới
3x380 ( V )
2. Nội dung đồ án :
Chơng 1: Cấu tạo và nguyên lý làm việc của lò điện
1.1. Giới thiệu chung về lò điện
1.2. Giới thiệu chung về lò điện trở
1.3. Cấu tạo lò điện trở
Chơng 2: Đề xuất các phơng án và lựa chọn phơng án thực hiện

Chơng 3: Giới thiệu chung về mạch điều áp xoay chiều ba pha
3.1.Mạch điều áp xoay chiều
3.2.Quan hệ giữa góc điều khiển và công suất ra tải
Chơng 4: Thiết kế và tính toán mạch lực
4.1.Tính toán chọn van bán dẫn
4.2.Tính toán bảo vệ van bán dẫn
Chơng 5: Thiết kế và tính toán mạch điều khiển
5.1. Yêu cầu đối với mạch điều khiển
5.2. Cấu trúc mạch điều khiển
5.3. Sơ đồ mạch điều khiển
5.4. Tính toán mạch điều khiển.
Chơng 6: Mô phỏng hệ thống
Kết luận
Tài liệu tham khảo

2

3
3
4
6
8
10
10
12
17
17
19
24
24

24
25
29
42
49
49


Đồ án điện tử công suất
Chơng 1

Cấu tạo và nguyên lý làm việc của lò điện trở
1.1. 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 ...
- 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 sấy, mạ vật
phẩm
+ Trong các lĩnh vực khác, lò điện đợc dùng để sản xuất các vật phẩm thủy
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, 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
+ Đảm bảo điều kiện lao động hợp vệ sinh, điều kiện thao tác tốt, thiết bị gọn
nhẹ
3 - Nhợc điểm của lò điện
Yều cầu có trình độ cao khi sử dụng

1.2. 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=I2 R t
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)

3


Đồ án điện tử công suất

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. 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 liệu 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 kích thớc phải không thay đổi khi sử dụng
+ Dễ gia công, dễ hàn hoăc dễ ép khuôn
b - Dây nung kim loại
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.
1.3. Cấu tạo lò điện trở
1- 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 còn 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 cầu 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 hiệu 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 cơ bản của hiệu
quả kỹ thuật. Còn đối với từng phần riêng biệt của kết cấu hoặc chi tiết, hiệu quả kỹ

4


Đồ án điện tử công suất

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 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 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 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 của 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 cầu 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 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.
2 - Cấu tạo lò điện trở

5


Đồ án điện tử công suất

Lò điện trở thông thờng gồm ba phần chính : vỏ lò, lớp lót và 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 tơng 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 thờng, 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 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
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 nhật 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.
b - 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 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 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.
c - Dây nung

6


Đồ án điện tử công suất

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.

Chơng 2

Các phơng án tổng thể và chọn phơng án thực hiện

A

Sơ đồ 1

C

B

Sơ đồ này có 1 pha nối thẳng với tải.Tuy giảm
đợc số van nhng điện áp ra tải mất đối xứng

R1

R2

R3

Sơ đồ 2
Sơ đồ này các van đợc nối ở vị trí dây trung tính của tải,
chỉ dùng cho tải đấu Y .

Sơ đồ 3
Trong sơ đồ này các van đcủa tải. Trờng hợp này tải
van hơn nhng nh vậy thì

ợc nối ở vị trí dây trung tính
chỉ có thể đấu Y, tuy dùng ít
dòng qua mỗi van sẽ lớn

7


Đồ án điện tử công suất
Sơ đồ 4
Sơ đồ đơn giản nhất dùng 3
Triac.Tải đấu Y/ đều đợc.Tuy nhiên có nhợc điểm là
do triăc có công suất đóng
cắt nhỏ nên chỉ ứng dụng cho
bộ biến đổi công suất nhỏ và
trung bình

Sơ đồ 5
Sơ đồ 6 thyristo nối song song ngợc.
Sơ đồ này khắc phục đợc nhợc điểm của sơ đồ 4 là do
công suất đóng cắt dòng và áp của tiristo lớn hơn triăc nên
có thể ứng dụng cho những bộ biến đổi với công suất lớn
Khắc phục các điểm yếu của các sơ đồ 1,2,3: tải có thể
đấu Y/ và điện áp ra tải đối xứng
Dùng mạch ĐAXC 3 pha công suất tải có thể lên đến
hàng trăm KW
Vì vậy ta chọn sơ đồ dể thực hiện đồ án này

8


Đồ án điện tử công suất
Chơng 3

Giới thiệu chung về mạch điều áp xoay chiều ba pha
3.1. Mạch điều áp xoay chiều ba pha
Công suất ra tải của lò đợc tính theo công thức:
2

P=

Ut
Rt

Nh vậy, để thay đổi công suất đa ra tải , ta có thể thay đổi Rt hoặc U t . Tuy
nhiên, trong thực tế để thay đổi R t thờng gặp nhiều khó khăn nên ngời ta thờng chọn
cách thay đổi U t 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 lu 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 điện áp ra tải là xoay chiều nên trong mạch điều áp xoay chiều ngời ta 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 và công suất đóng cắt nhỏ hơn 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 đợc phát
xung điều khiển lệch nhau góc 180 độ điện để đảm bảo dòng qua cặp van là hoàn
toàn đối xứng.
Một u điểm của việc sử dụng hai van thyristor đấu song song ngợc nhau thay
thế cho triac trong mạch điều áp xoay chiều là khả năng điều khiển để mở thyristor

dễ dàng hơn nhiều so với triac.

Ta có đồ thị dạng điện áp ra của mạch điều áp xoay chiều :

9


Đồ án điện tử công suất

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 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.

3.2. 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:

10


Đồ án điện tử công suất

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 : P = 3.I 2 .R 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) :
i=

U dm
sin( + )
3R

Nếu chỉ có hai van dẫn (hay toàn mạch có hai van dẫn ) :
i=

U dm
sin( + )
2R

trong đó :

U dm 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 :
1. Khoảng dẫn của van ứng với = 0 ữ 60o
Trong phạm vi này sẽ có các giai đoạn ba van và hai van dẫn xen kẽ nhau nh đồ
thị dới đây :

11


Đồ án điện tử công suất

Dựa vào đồ thị ta có thể xác định đợc biểu thức liên quan giữa công suất ra tải P
và góc điều khiển :
2
dm


3

2
3U
P1=
( sin d +
R
3


=

P = 3.I2R

+
2




2

2
3

sin
sin
d +
d +
4
3

2

3

2
3U dm
sin 2
[ +
]
R 6 4
8

+

2


+
2




2



sin 2
sin 2

d )
d +
3
2
4
+
3

(1)

2. Khoảng van dẫn ứng với = 60 ữ 90o
Trong phạm vi này luôn chỉ có các giai đoạn hai van dẫn. Ta có đồ thị điện áp ra
ở dới :

12


Đồ án điện tử công suất

Dựa vào đồ thị ta có thể xác định đợc biểu thức liên quan giữa công suất ra tải
P và góc điều khiển :
5 +

2
6 3
3U dm
P2 =
[
R

5 +

6 3
sin 2
sin 2
d +
d ]

4
4


+
+

2 3

2 3

= 3U dm [ + 3 sin 2 + 3 cos 2 ]
(2)
R 12 16
16
3. Khoảng van dẫn ứng với = 90 ữ 150o
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
2

13

Đồ án điện tử công suất

Dựa vào đồ thị ta có thể xác định đợc biểu thức liên quan giữa công suất ra tải P
và góc điều khiển :
P = 3.I 2 .R


2
3U dm
[

= R




sin 2
sin 2
d +
d ]
4
3


+
+

2 3

2 3

2
= 3U dm [ 5 + 3 cos 2 + 1 sin 2 ]
(3)
R 24 4 16
16
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 :



P%



14

P%


Đồ án điện tử công suất
0
20
30
40
50
60

70
80

100
98,6
95,6
90,2
81,8
70,6
57,16
42,8

90
100
110
120
130
140
150

29,3
18,1
9,7
4,3
1,3
0,1
0

Nhận xét : Công suất đa ra tải là lớn nhất khi góc điều khiển = 0,
khi tăng thì công suất giảm và ngợc lại

Chơng 4
Thiết kế và tính toán mạch lực
4.1. Tính chọn van bán dẫn
Trong mạch điều áp xoay chiều ba pha dùng cho lò điện 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 60o :

15


Đồ án điện tử công suất
2
P = 3U dm [ + sin 2 ]
R 6 4
8
Với = 60 ữ 90o :

(Udm= 2 U)

2
P = 3U dm [ + 3 sin 2 + 3 cos 2 ]
R 12 16
16
Với = 90 ữ 150o :
2
P = 3U dm [ 5 + 3 cos 2 + 1 sin 2 ]
R 24 4 16
16

Công

suất

định mức của lò điện là Pdm = 100

(kw)
Tổn hao của lò điện P = 10(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 động của mình, lò điện cũng chịu thêm một số 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 = Pmax 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 = Pmax = 120 (kw)
Pmax=

U2
Rt

Rt =

(U là giá trị hiệu dụng của điện áp dây)
U2
380 2

=
=1,2 ()
Pmax 120000

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 ...

16


Đồ án điện tử công suất

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 :
Ungmax = Uđm = 2 U = 2 .380 = 537 (V)
Để chọn giá trị của điện áp ngợc lớn nhất trên van, ta sẽ chọn thêm hệ số dự trữ
điện áp ku = 1,6 ữ 2
Ta chọn :

ku = 1,6

U ng = ku . U ng max = 1,6 . 537

= 860 (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.
1 1
Itbmax = .
2



i

max

sin d

0

(do tải thuần trở nên i trùng pha với u )
I tb max =
Itbmax=

U f max
2 R

[ cos ( cos 0)]

220. 2
= 82,5 (A)
.1,2

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 tồt 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 50% dòng định
mức của van.
Khi đó:
Itb =

I tb max
82.5
=
= 165(A)
50%
50%

Từ các giá trị của I tb và U ng , tra trong sổ tay ta chọn đợc van SH200N21D với
các thông số sau :

17


Đồ án điện tử công suất
+ in áp ngợc cực đại đặt lên van

U ng = 1000 ( V )

+ Dòng trung bình cực đại qua van

I tb = 200 ( A )

+ Tốc độ tăng dòng cực đại cho phép

di
= 200 ( A/às )
dt max

+Tốc độ tăng áp cực đại cho phép

dU
=200 ( V/às )
dt

+ Dòng điện duy trì
Ihmax =200 ( mA )
+ Dòng đi vào cực điều khiển
IGmax=150 ( mA )
+ Điện áp đặt lên cực điều khiển
Ugmax=3 ( V )
+ Thời gian chuyển mạch của van
tcm=80 ( às )
+ Nhiệt độ làm việc cực đại
Tmax=125oC
+ Độ sụt áp trên van

Umax=1.7 ( V )
Kết luận, trong mạch điều áp xoay chiều ba pha dùng cho lò điện này ta cần
dùng sáu van thyristor SH 200 N21D .
4.2. 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.
Khi van có tín hiệu điều khiển mở thì dòng qua van sẽ không đồng đều ở mọi
điểm trên tinh thể bán dẫn.Ban đầu dòng chạy qua bắt đầu ở 1 số điểm gần cực điều
khiển nhất sau đó lan toả sang các điểm khác.Nếu tốc độ tăng dòng lớn sẽ gây phát
nhiệt lớn trên van dẫn đến h hỏng. 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:
Uf

max

= i.R + L.

di
dt

Ta thấy rằng tốc độ tăng dòng lớn nhất là:

18


Đồ án điện tử công suất
U
di
max = f max
dt
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 đợc của van, hay là:
di
max < 200 A/às
dt



U f max
L

L >
nhỏ.

< 200 A/às

U f max
200.10

6

=

220. 2
= 1,55 àH
200.106

Ta chọn cuộn kháng bão hoà có giá trị là 1,6 àH, loại lõi không khí vì điện cảm

Sau khi tính toán bảo vệ chống tốc độ tăng dòng ta tính toán bảo vệ quá áp cho
van. Quá áp ở van có hai dạng :quá về biên độ vợt trị số cho phép của van và quá tốc
độ tăng áp thuận đặt lên van.Ngời ta chia ra hai loại nguyên nhân gây nên quá áp:
1 - Nguyên nhân nội tại: là do hiện tợng chuyển mạch giữa các van khi làm.
Loại này mang tính chu kì và gắn liền với sự hoạt động của mạch chỉnh lu
+ Khi van chuyển từ khoá sang dẫn sẽ có hiện tợng áp trên van đột ngột
giảm từ giá trị xác định xuống còn xấp xỉ không,đột biến áp này sẽ truyền tới các van
khác dới dạng xung áp rất mạnh
+ Khi van chuyển từ dẫn sang khoá, do điện tích di chuyển khỏi van rất
nhanh dòng qua van giảm với tốc độ lớn nên cũng gây đột biến áp khi trong mạch có
điện cảm
2 - Nguyên nhân bên ngoài: những nguyên nhân này thờng xẩy ra ngẫu nhiên
nh khi có sấm sét đánh vào đờng dây lới điện, khi đóng cắt không tải một máy biến
áp trên đờng dây, khi một cầu chì bảo vệ nhảy...
Để bảo vệ quá điện áp do tích tụ điện tích khi chuyển mạch gây nên ngời ta
dùng mạch RC đấu song song với thyristor nh hình dới:

Trong thực tế,thời gian khóa mở của van bán dẫn rất ngắn cỡ às vì thế có thể
coi khi đó van làm việc bình thờng van làm việc dới điện áp E không đổi.Trong mạch

điện bao giờ cũng tồn tại điện cảm của đờng dẫn hoặc của tải vì vậy có thể coi dòng
tải trong thời gian đóng cắt là không đổi I.

19


Đồ án điện tử công suất

Mạch RC mắc song song với van sẽ giảm tổn thất trong quá trình cắt và giảm
xung áp trên van.Trong sơ đồ giả sử van đóng cắt dòng điện I o dới điện áp Eo,nối tiếp
với van là điện cảm Lp ,song song với van là Rs,Cs.

Tính toán lựa chon
Để giảm đợc xung điện áp trên van ta có thể tối u hóa mạch RC.Thủ tục xác
định tối u mạch trợ giúp RC có các bớc sau:
1.Xác định Eo,Io,Lp theo sơ đồ cụ thể.
2.Lựa chọn giá trị điện áp đỉnh tơng đối theo mong muốn.
3.Tính E1/Eo.
4.Từ đồ thị ta xác định giá trị và .
Trong đó là hệ số dòng ban đầu còn là hệ số tắt dần.
5.Từ giá trị nhận đợc , tính Rs,Cs.
Ta có thông số :
Lp=1,6àH
Eo=311V : là giá trị cực đại của điện áp khi van làm việc
Io=260A : là giá trị cực đại của dòng điện khi van làm việc (do R=1,2 )
E1=414V: chọn giá trị điện áp đỉnh tơng đối

20

§å ¸n ®iÖn tö c«ng suÊt
E1/Eo=1.33 tra trªn ®å thÞ ta ®îc χ=0.65 vµ ξ=0.8.
Tõ ®ã ta tÝnh ®îc theo c«ng thøc :
Cs = (

Io 2 Lp
) .( 2 ) = 2,65 µF
Eo
χo

Rs = 2.ξ . Lp = 1,24 Ω .
Cs

21


Đồ án điện tử công suất
Chơng 5
Thiết kế và tính toán mạch điều khiển
Chức năng của hệ điều khiển là biến đổi tín hiệu điều khiển thành tín hiệu
xung tơng ứng với góc mở của tiristo .
5.1. Yêu cầu đối với mạch điều khiển
- Phát xung điều khiển đến các van lực theo đúng pha và với góc điều khiển
cần thiết.
- Đảm bảo phạm vi điều chỉnh góc min - max tơng ứng với điện áp ra của tải
mạch lực.
- Cho phép bộ chỉnh lu làm việc bình thờng với các chế độ khác nhau do tải
yêu cầu nh chế độ khởi động, chế độ nghịch lu, chế độ dòng điện liên tục.
- Có độ đối xứng xung điều khiển tốt, không vợt quá 10 ữ 30 điện tức là góc
điều khiển với mọi van không đợc lệch quá giá trị cho phép.

- Đảm bảo mạch hoạt động ổn định và tin cậy khi lới điện xoay chiều giao
động cả về giá trị điện áp và tần số.
- Có khả năng chống nhiễu công nghiệp tốt.
- Độ tác động của mạch điều khiển nhanh, dới 1ms.
- Thực hiện các yêu cầu về bảo vệ bộ chỉnh lu từ phiá điều khiển nếu cần nên
ngắt xung điều khiển khi sự cố, thông báo các hiện tợng không bình thờng của lới
điện và bản thân bộ chỉnh lu.
- Đảm bảo xung điều khiển phát tới các van lực để mở chắc chắn van, phải
thoả mãn yêu cầu:
+ Đủ công suất
+ Có sờn xung đối xứng để mở van chính xác vao thời điểm quy định, thờng
tốc độ tăng áp điều khiển phải đạt 10V/às tốc độ tăng điều khiển.
+ Độ rộng xung điều khiển đủ cho dòng qua van kịp vợt trị số dòng điện duy
trì Idt của nó để khi ngắt van vẫn giữ đợc tràng thái dẫn.
+ Có dạng phù hợp với sơ đồ chỉnh lu và tính chất tải.
5.2. Cấu trúc mạch điều khiển
Đối với đề tài này chúng ta dùng nguyên tắc điều khiển dọc với hệ đồng bộ
- Hệ đồng bộ: Trong hệ này góc điều khiển mở, van luôn đợc xác định xuất
phát từ một thời điểm cố định của điện áp mạch lực. Vì vậy trong mạch điều khiển
phải có một khâu thực hiện nhiệm vụ này gọi là khâu đồng bộ để đảm bảo mạch điều
khiển hoạt động theo nhịp của điện áp lực.

-

Nguyên tắc điều khiển dọc :
1

ĐB

2

Utựạ
Uđk
22

3

4

SS+TX

KĐX
5


Đồ án điện tử công suất
Trong đó:

1 - Khâu đồng bộ
2 - Khâu tạo Utựa
3 - Khâu tạo xung và so sánh
4 - Khâu khuyếch đại xung
5 - Khâu tạo Uđk
UĐB khâu đồng bộ thờng tạo ra điện áp hình sin có góc lệch pha cố định so với
điện áp lực. Khâu tạo UTua tạo ra điện áp tựa có dạng cố định theo chu kỳ do nhịp
đồng bộ của UĐB . Khâu so sánh xác định điểm cân bằng của hai điện áp U Tua và UĐK
để phát động khâu tạo xung. Nh vậy trong nguyên tắc này thời điểm phát xung mở
van hay góc điều khiển thay đổi do sự thay đổi trị số của U ĐK . Theo đồ thị đó là sự di
chuyển dọc trục biên độ.
5.3. Sơ đồ mạch điều khiển

23


D9

Un
R2
R5

D8
D4

D1

D10
D7

C1

R1

O A1

U1

D3
U21

R4

R14

R6

O A2

O A3

U22

AND 1
R8

R13
T1

D2
Udk

R3

R7

D5

Un
D13

R9

D12

D14

O A4

D11

R12
C2

R16
R11

D6

AND 2
R15

R10

T2


Đồ án điện tử công suất
1.Nguyên lý hoạt động
Tín hiệu xoay chiều sau khi đi qua biến áp nguồn đợc chỉnh lu bởi 2 Điốt Đ1
và Đ2. Điện áp sau chỉnh lu so sánh với điện áp chuẩn U0 để tạo tín hiệu đồng bộ
trùng với thời điểm điện áp lới đi qua điểm 0 . Khi tín hiệu đồng bộ âm thì tụ C đợc
nạp và ngợc lai khi tín hiệu đồng bộ dơng tụ C phóng . Nh vậy ở đầu ra của IC sẽ có

tín hiệu răng ca. Sau đó tín hiệu răng ca đợc so sánh với tín hiệu điều khiển (Lấy từ
khâu phản hồi ) bằng khuếch đại thuật toán .
Bộ OA4 tạo xung chùm có tần số cao với mục đích giảm kích thứơc của máy
biến áp xung .Tín hiệu cao tần trộn với tín hiệu sau khi so sánh rồi tiếp tục đợc trộn
với tín hiệu phân phối nhằm tao ra tín hiêu cho từng Thyristo riêng biệt .Những tín
hiệu này đựoc khuếch đại và thông qua biến áp xung đa trực tiếp lên cực điều khiển
của Thyristo .
Do yêu cầu của đề bài là dùng sơ đồ cầu chỉnh lu 3 pha nên cần thiết kế 3
kênh tơng tự nhau cho các pha A , B , C .
2.Dạng điện áp mạch điều khiển

25