Thiết kế bộ điều chỉnh nhiệt độ lò điện trở 3 pha

Đồ án môn học điện tử công suất
pha

Thiết kế bộ điều chỉnh nhiệt độ lò điện trở 3

Lời mở đầu
Hiện nay, lò điện trở 3 pha đã và đang đợc sử dụng rộng rãi trong các
ngành công nghiệp nh: Ngành công nghiệp chế biến lơng thực, thực phẩm;
ngành công nghiệp sản xuất hàng tiêu dùng; ngành công nghiệp luyện kim;
ngành cơ khí vv. Nhng phát triển mạnh nhất là trong ngành công nghiệp chế
biến thực phẩm, bởi vì nó tạo ra đợc các sản phẩm có ích cho con ngời, cho xã
hội và góp phần đáng kể cho nguồn hàng xuất khẩu của đất nớc. Tuy lò điện
trở có cấu tạo đơn giản, dễ chế tạo, dễ sửa chữa, dễ sử dụng mà lại làm việc tin
cậy song nó cũng có những hạn chế nhất định nh là phải khống chế đợc nhiệt
độ của lò điện trở nhất là các lò có công suất lớn tới vài chục, vài trăm kilowat
thì việc thiết kế thiết bị khống chế nhiệt độ theo yêu cầu rất phức tạp và cồng
kềnh, giá cả rất đắt. Song ngày nay, với trình độ tiến bộ khoa học kỹ thuật ngời ta đã nghiên cứu, thiết kế và chế tạo đợc các loại lò điện trở lớn nhỏ với
công suất khác nhau, hiệu suất làm việc cao và đáp ứng đợc yêu cầu công
nghệ của các ngành công nghiệp. Tuỳ theo yêu cầu công nghệ của từng
ngành sản xuất mà lò điện trở có những tính năng, tác dụng của yêu cầu của
ngời sử dụng. Chính vì những yêu cầu đó đòi hỏi lò điện trở phải có những
tính năng điều chỉnh đợc nhiệt độ thích hợp với yêu cầu sản xuất và sử dụng
đợc tối đa hiệu suất của lò mà không làm h hỏng lò hoặc nhìn chung khi điều
chỉnh nhiệt độ của lò điện trở.
Nhìn chung khi điều chỉnh nhiệt độ của lò điện trở cần tuân thủ các yêu
cầu cơ bản dới đây:
- Điện áp cấp cho lò ấn định
- Tổn hao nhiệt nhỏ.
- Hiệu suất làm việc cao
- Làm việc an toàn, dễ sử dụng, dễ điều khiển
- Đạt đợc yêu cầu công nghệ

-1-


Đồ án môn học điện tử công suất
Thiết kế bộ điều chỉnh nhiệt độ lò điện trở 3
pha
- Thiết bị sử dụng đơn giản, gọn nhẹ, chắc chắn, rẻ tiền.
- Dễ sửa chữa, thay thế.
Tuy nhiên để thiết kế và chế tạo đợc lò điện trở với đầy đủ yêu cầu trên
sẽ không rẻ tiền. Vì vậy ta phải căn cứ vào yêu cầu của từng ngành sản xuất để
chọn công suất lò và thiết kế bộ điều chinhr nhiệt độ của lò điện trở thích hợp.

-2-


Đồ án môn học điện tử công suất
pha

Thiết kế bộ điều chỉnh nhiệt độ lò điện trở 3
Chơng 1

Phơng án chọn mạch lực
I.1. Thyristor Nguyên lý cấu tạo và hoạt động.

Thyristor là phần tử bán dẫn cấu tạo từ bốn lớp bán dẫn p-n-p-n tạo ra
ba tiếp giáp p-n J1, J2, J3. Thyristor có ba cực: anot A, catot K, cực điều khiển
G nh đợc biểu diễn trên hình 1
anot

p
J1

n

J2
p
J3

cực điều khiển

n

canot

I.2. Đặc tính vôn ampe của thyristor

Đặc tính vôn ampe của một Thyristor gồm hai phần (hình 2). Phần
thứ nhất nằm trong góc phần t thé I là đặc tính thuận tơng ứng với trờng hợp
điện áp UAK > 0, phần thứ hai nằm trong góc phần t thứ III gọi là đặc tính ngợc, tơng ứng với trờng hợp UAK < 0.
a. Trờng hợp dòng điện vào cực điều khiển bằng không (IG = 0)
Khi dòng vào cực điều khiển của Thyristor bằng 0 hay khi hở mạch cực
điều khiển Thyristor sẽ cản trở dòng điện ứng với cả hai trờng hợp phân cực
điện áp giữa anot catot. Khi điện áp U AK < 0 theo cấu tạo bán dẫn của
Thyristor hai tiếp giáp J1, J3 đều phân cực ngợc, lớp J2 phân cực thuận, nh vậy
Thyristor sẽ sẽ giống nh hai đi ốt mắc nối tiếp bị phân cực ngợc. Qua
Thyristor sẽ chỉ có một dòng điện rất nhỏ chạy qua, gọi là dòng rò. Khi U AK
tăng đạt đến một giá trị điện áp lớn nhất U ngmax sẽ xảy ra hiện tợng Thyristor bị
đánh thủng, dòng điện có thể tăng lên rất lớn. Giống nh ở đoạn đặc tính ngợc
-3-

Đồ án môn học điện tử công suất
Thiết kế bộ điều chỉnh nhiệt độ lò điện trở 3
pha
của đi ốt quá trình bị đánh thủng là quá trình không thể đảo ngợc đợc, nghĩa là
nếu có giảm điện áp UAK xuống dới mức Ungmax thì dòng điện cũng không giảm
đợc về mức dòng rò. Thyristor đã bị hỏng.
Khi tăng điện áp anot catot theo chiều thuận U AK > 0 lúc đầu cũng
chỉ có một dòng điện rất nhỏ chạy qua, gọi là dòng rò. Điện trở tơng đơng
mạch anot catot vẫn có giá trị rất lớn. Khi đó tiếp giáp J 1, J3 phân cực
thuận, J2 phân cực ngợc. Cho đến khi UAK tăng đạt đến giá trị điện áp thuận
lớn nhất Uthmax sẽ xảy ra hiện tợng điện trở tơng đơng mạch anot catot đột
ngột giảm, dòng điện có thể chạy qua Thyristor và giá trị sẽ chỉ bị giới hạn bởi
i

Iv
IG2 > IG1 > IGO
Ungmax

Dòng rò

Io=O

Idt

O

Uvmax

Unmax u
Dòng rò

Hình 2 Đặc tính von-ampe của thyristor

điện trở tải ở mạch ngoài. Nếu khi đó dòng qua Thyristor có giá trị lớn hơn
một mực dòng tối thiểu, gọi là dòng duy trì I dt thì khi đó thyristor sẽ dẫn dòng
trên đờng đặc tính thuận, giống nh đờng đặc tính thuận ở đi ốt. Đoạn đặc tính
thuận đợc đặc trng bởi tính chất dòng có thể có giá trị lớn nhng điện áp rơi
trên anot catot thì nhỏ và hầu nh không phụ thuộc vào giá trị của dòng
điện.
b. Trờng hợp có dòng điện vào cực điều khiển (IG > 0)
Nếu có dòng điều khiển đa vào giữa cực điều khiển và catot thì quá
trình chuyển điểm làm việc trên đờng đặc tính thuận sẽ xảy ra sớm hơn, trớc
khi điện áp thuận đạt đến giá trị lớn nhất, Uthmax. Điều này đợc mô tả trên hình
-4-


Đồ án môn học điện tử công suất
Thiết kế bộ điều chỉnh nhiệt độ lò điện trở 3
pha
1.7 bằng những đờng nét đứt, ứng với các giá trị dòng điều khiển khác nhau
IG1, IG2, IG3.. Nói chung nếu dòng điều khiển lớn hơn thì điểm chuyển đặc tính
làm việc sẽ xảy ra với UAK nhỏ hơn.
I.3. Mở và khoá thyristor

Thyristor có đặc tính giống nh điôt, nghĩa là chỉ cho phép dòng chạy
qua theo một chiều, từ anot đến catot và cản trở dòng chạy theo chiều ngợc lại.
Tuy nhiên khác với điôt, để thyristor có thể dẫn dòng ngoài điều kiện phải có
điện áp UAK > 0 còn cần thêm một số điều khiển khác. Do đó thyristor đợc coi

là phần tử bán dẫn có điều khiển để phân biệt với điôt là phần tử không điều
khiển đợc.
1. Mở thyristor
Khi đợc phân cực thuận UAK > 0 thyristor có thể mở bằng hai cách. Thứ
nhất có thể tăng điện áp anot- catot cho đến khi đạt đến giá trị điện áp thuận
lớn nhất , Uthmax khi đó điện trở tơng đơng trong mạch anot catot sẽ giảm
đột ngột và dòng qua thyristor sẽ hoàn toàn do mạch ngoài xác định. Phơng
pháp mở này trong thực tế không đợc áp dụng và còn nguyên nhân mở không
mong muốn vì không phải lúc nào cũng có thể tăng đợc điện áp đến giá trị
Uthmax. Vả lại nh vậy sẽ xảy ra trờng hợp thyristor tự mở ra dới tác dụng của
các xung điện áp nhiễu tại một thời điểm ngẫu nhiên, không định trớc.
Phơng pháp thứ hai là phơng pháp đợc áp dụng thực tế là đa một xung
dòng điện có giá trị nhất định vào giữa cực điều khiển và catot. Xung dòng
điện điều khiển sẽ chuyển trạng thái của thyristor từ trở kháng cao sang trở
kháng thấp ở mức điện áp anot catot nhỏ. Khi đó nếu dòng qua anot
catot lớn hơn một giá trị nhất định, gọi là dòng duy trì (I dt) thì thyristor sẽ tiếp
tục cho trạng thái mở dẫn dòng mà không cần đến sự tồn tại của xung dòng
điều khiển nữa. Điều này nghĩa là có thể điều khiển mở các thyristor bằng các
xung dòng có độ rộng xung nhất định, do đó công suất của mạch điều khiển
có thể là rất nhỏ, so với công suất của mạch lực mà thyristor là một phần tử
đóng cắt, khống chế dòng điện.
2. Khoá thyristor

-5-


Đồ án môn học điện tử công suất
Thiết kế bộ điều chỉnh nhiệt độ lò điện trở 3
pha
Một thyristor đang dẫn dòng sẽ trở về trạng thái khoá (điện trở tơng đơng mạch anot catot tăng cao) nếu dòng điện giảm xuống, nhỏ hơn giá trị

dòng duy trì Idt. Tuy nhiên để thyristor vẫn ở trạng thái khoá, với trở kháng
cao, khi điện áp anot catot lại dơng (UAK > 0) cần phải có một thời gian
nhất định để các lớp tiếp giáp phục hồi hoàn toàn tính chất cản trở dòng điện
của mình. Khi thyristor dẫn dòng theo chiều thuận UAK > 0, hai lớp tiếp giáp
J1, J3 phân cực thuận, các điện tích đi qua hai lớp này dễ dàng và lấp đầy tiếp
giáp J2 đang bị phân cực ngợc. Vì vậy mà dòng điện có thể chảy qua ba lớp
tiếp giáp J1, J2, J3. Để khoá thyristor lại cần giảm dòng anot catot về dới
mức dòng duy trì (Idt) và đặt một điện áp ngợc lên anot catot (UAK < 0)
trong một khoảng thời gian tối thiểu, gọi là thời gian phục hồi, t r. Trong thời
gian phục hồi có một dòng điện ngợc chạy giữa catot và anot. Dòng điện ngợc
này di tản các điện tích ra khỏi tiếp giáp J 2 và nạp điện cho tụ điện tơng đơng
của hai tiếp giáp J1, J3 lúc này đang bị phân cực ngợc. Kết quả là khả năng cản
trở dòng điện của J1. J3, đợc phục hồi. Thời gian phục hồi phụ thuộc vào lợng
điện tích cần đợc di tản ra ngoài cấu trúc bán dẫn của thyristor và nạp điện
cho tiếp giáp J1, J3.
Quá trình khoá một thyristor đợc mô tả trên đồ thị hình 3.
Theo hình 3 phần điện tích gạch chéo dới đờng dòng điện là lợng điện
tích Q cần di tản ra ngoài cấu trúc bán dẫn của thyristor.
i

Iv

t

Ivo

U
O

t

di/dt

Qt

Hình 3. Quá trình khoá một thyristor, ý nghĩa của thời gian phục hồi, tr

-6-


Đồ án môn học điện tử công suất
pha

Thiết kế bộ điều chỉnh nhiệt độ lò điện trở 3

Thời gian phục hồi là một trong những thông số quan trọng của
thyristor thời gian phục hồi xác định dải tần số làm việc của thyristor, t r, có
giá trị cỡ 5 50 às đối với các thyristor tần số cao và cỡ 50 200 às đối với
các thyristor tần số thấp.
I.4. Các yếu cầu đối với tín hiệu điều khiển thyristor

Quan hệ giữa điện áp trên cực điều khiển và catot với dòng điện đi vào
cực điều khiển xác định các yêu cầu đối với tín hiệu điều khiển thyristor . Với
cùng một loại thyristor nhà sản xuất sẽ cung cấp một họ đặc tính điều khiển,
ví dụ nh trên hình 4, trên đó có thể thấy đợc các đặc tính giới hạn về điện áp
và dòng điện nhỏ nhất, ứng với một nhiệt độ môi trờng nhất định mà tín hiệu
điều khiển phải đảm bảo để mở đợc chắc chắn một thyristor. Dòng điều khiển
đi qua tiếp giáp p-n giữa cực điều khiển và catot cũng làm phát nóng tiếp giáp
này. Vì vậy tín hiệu điều khiển cũng phải bị hạn chế về công suất. Công suất
giới hạn của tín hiệu điều khiển phụ thuộc thời gian. Nếu tín hiệu điều khiển

là một xung có độ rộng càng ngắn thì công suất cho phép có thể càng lớn.

0,1ms

Vùng mở chắc chắn
Thynsitor

Giới hạn dòng điện nhỏ nhất

Giới hạn công suất với độ rộng
xung khác nhau
0,1ms
0,1ms

0

T = -1Oc
0

T = Oc
Giới hạn điện áp nhỏ nhất

O
Hình 4 Yêu cầu đối với tín hiệu điều khiển

Sơ đồ tiêu biểu của một mạch khuếch đại xung điều khiển thyristor đợc
cho trên hình 5. Khoá Transistor T đợc điều khiển bởi một xung có độ rộng
-7-

Đồ án môn học điện tử công suất
Thiết kế bộ điều chỉnh nhiệt độ lò điện trở 3
pha
nhất định, đóng cắt điện áp phía sơ cấp biến áp xung. Xung điều khiển đa đến
cực điều khiển của thyristor ở bên phía cuộn thứ cấp. Nh vậy mạch lực đợc
cách ly hoàn toàn với mạch điều khiển bởi biến áp xung. Điện trở R hạn chế
dòng qua transistor và xác định nội trở của nguồn tín hiệu điều khiển. Điôt
D1 ngắn mạch cuộn sơ cấp biến áp cung khi transistor T khoá lại để chống
quá áp trên T. Điot D2 ngăn xung âm và cực điều khiển. Điot D 3 mắc song
song với cực điều khiển và có thể song song với tụ C có tác dụng giảm quá áp
trên tiếp giáp G K khi thyristor bị phân cực ngợc.
+Un
R
bax

D2
D3

D1

V

C

T

Hình 5
I.5. Các thông số cơ bản của thyristor

Các thông số cơ bản là những thông số dựa vào đó ta có thể lựa chọn

một thyristor cho một ứng dụng cụ thể nào đó.
1. Giá trị dòng trung bình cho phép chạy qua thyristor, IVtrb
Đây là giá trị dòng trung bình cho phép chạy qua thyristor với điều kiện
nhiệt độ của cấu trúc tinh thể bán dẫn của thyristor không vợt quá một giá trị
cho phép. Trong thực tế dòng điện cho phép chạy qua thyristor còn phụ thuộc
vào các điều kiện làm mát và nhiệt độ môi trờng. Thyristor có thể đợc gắn lên
các bộ tản nhiệt tiêu chuẩn và làm mát tự nhiên. Ngoài ra thyristor có thể tản
đợc làm mát cỡng bức nhờ quạt gió hoặc dùng nớc để tải nhiệt lợng toả ra
-8-


Đồ án môn học điện tử công suất
Thiết kế bộ điều chỉnh nhiệt độ lò điện trở 3
pha
nhanh hơn. Nói chung có thể lựa chọn dòng điện theo các điều kiện làm mát
nh sau:
- Làm mát tự nhiên: Dòng sử dụng cho phép đến 1/3 dòng IVtrb
- Làm mát cỡng bức bằng quạt gió: Dòng sử dụng bằng 2/3 IVtrb
- Làm mát cỡng bức bằng nớc: Có thể sử dụng đến 100% dòng IVtrb
2. Điện áp ngợc cho phép lớn nhất, Ungmax
Đây là giá trị điện áp ngợc lớn nhất cho phép đặt lên thyristor. Trong
các ứng dụng phải đảm bảo rằng tại bất kỳ thời điểm nào điện áp giữa anot
catot UAK luôn nhỏ hơn hoặc bằng Ungmax. Ngoài ra phải đảm bảo một độ dự trữ
nhất định về điện áp, nghĩa là Ungmax phải đợc chọn ít nhất là bằng 1,2 1,5
lần giá trị biên độ lớn nhất của điện áp trên sơ đồ.
3. Thời gian phục hồi tính chất khoá của thyristor , tr (à s)
Đây là thời gian tối thiểu phải đặt điện áp âm lên giữa anot catot của
thyristor sau khi dòng anot catot đã về bằng không trớc khi lại có thể có
điện áp UAK dơng mà thyristor vẫn khoá. t r là một thông số rất quan trọng của
thyristor nhất là trong các bộ nghịch lu phụ thuộc hoặc nghịch lu độc lập,

trong đó phải luôn đảm bảo rằng thời gian dành cho quá trình khoá phải bằng
1,5 2 lần tr.
4. Tốc độ tăng điện áp cho phép

dU
(V / às)
dt

Thyristor đợc sử dụng nh một phần từ có điều khiển, nghĩa là mặc dù
khi đợc phân cực thuận (UAK > 0) nhng vẫn phải có tín hiệu điều khiển thì nó
mới cho phép dòng điện chạy qua. Khi thyristor đợc phân cực thuận phần lớn
điện áp rơi trên lớp tiếp giáp J2 nh đợc chỉ ra trên hình 6

-9-


Đồ án môn học điện tử công suất
pha

Thiết kế bộ điều chỉnh nhiệt độ lò điện trở 3
anot

p
J1

i = C12(dU/dt)

n
C12

J2
p
J3

G

n

Hình 6
Lớp tiếp giáp J2 bị phân cực ngợc lên độ dày của nó nở ra tạo ra vùng
không gian nghèo điện tích, cản trở dòng điện chạy qua. Vùng không gian này
có thể coi nh một tụ điện có điện dụng CJ2. Khi có điện áp biến thiên với tốc
độ lớn dòng điện của tụ có thể có giá trị đáng kể, đóng vai trò nh dòng điều
khiển. Kết quả là thyristor có thể mở ra khi cha có tín hiệu điều khiển vào cực
điều khiển G
Tốc độ tăng điện áp là một thông số phân biệt thyristor tần số thấp với
các thyristor tần số cao. ở thyristor tần số thấp
V/às, với các thyristor tần số cao
5. Tốc độ tăng dòng cho phép

dU
vào khoảng 50 200
dt

dU
có thể đạt đến 500 2000 V/às.
dt

dI
(A/às)

dt

Khi thyristor bắt đầu mở không phải mọi điểm trên tiết diện tinh thể
bán dẫn của nó đều dẫn dòng điện đồng đều. Dòng điện sẽ chạy qua bắt đầu ở
một số điểm, gần với cực điều khiển nhất, sau đó sẽ lan toả dần sang các điểm
khác trên toàn bộ tiết diện. Nếu tốc độ tăng dòng quá lớn có thể dẫn đến mật
độ dòng điện ở các điểm dẫn ban đầu quá lớn, sự phát nhiệt cục bộ quá mãnh
liệt có thể sẽ dẫn đến hỏng cục bộ, từ đó dẫn đến hỏng toàn bộ tiết diện tinh
thể bán dẫn.

- 10 -


Đồ án môn học điện tử công suất
pha

Thiết kế bộ điều chỉnh nhiệt độ lò điện trở 3

Tốc độ tăng dòng cho phép cũng phân biệt ở thyristor tần số thấp có
khoảng 50 100 A/às với các thyristor có tần số cao

dI
dt

dI
khoảng 500
dt

2000 A/às. Trong các bộ biến đổi phải luôn luôn có biện pháp đảm bảo tốc độ
tăng dòng ở dới giá trị cho phép. Điều này đạt đợc nhờ mắc nối tiếp với các

phần tử bán dẫn những điện kháng nhỏ, lõi không khí hoặc đơn giản hơn là
các xuyến ferit lồng lên nhau. Các xuyến ferit đợc dùng rất phổ biến vì cấu tạo
đơn giản, dễ thay đổi điện cảm bằng cách thay đổi số xuyến lồng lên thanh
dẫn. Xuyến ferit còn có tính chất của cuộn cảm bão hoà, khi dòng qua thanh
dẫn còn nhỏ điện kháng sẽ lớn để hạn chế tốc độ tăng dòng. Khi dòng đã lớn
ferit bị bão hoà từ, điện cảm giảm gần nh bằng không. Vì vậy cuộn kháng
kiểu này không gây sụt áp trong chế độ dòng định mức chạy qua dây dẫn.
I.6. ảnh hởng của các phần tử nối song song với cực điều
khiển.

1. ảnh hởng của điện trở nối song song với cuặc điều khiển. Điện trở này ảnh
hởng rất lớn đến Tiristo:
a. Làm tăng giá trị dòng qua van I a cần thiết để mở đợc và duy trì cho
van dẫn vì điện trở này rẽ nhánh dòng qua va qua nó.
b. hạn chế ảnh hởng của tốc độ tăng áp du/dt, nó sẽ dẫn bớt dòng ký
sinh có hại này qua nó, giảm bớt tác động này đến cực điều khiển.
c. Tiristo có độ nhạy cao thờng bắt buộc phải có điện trở này để dẫn dòng
nhiệt (dòng diện rò ) qua nó để tránh Tiristo bị mở vì dòng này.
d. Làm giảm hệ số khuếch đại vùng n 1-p2-n2 dẫn đến làm tăng điện áp
chuyển mạch của van.
e. Làm giảm đợc thời gian hồi phục tính chất khoá cho Tiristo vì nó tạo
thành mạch thoát cho các điện tích d tích tụ trong vùng p2 và n2.
Nhìn chung để đánh giá chi tiết hơn cần biết giá trị của R G, RS. Tuy
nhiên quy luật chung của các điện trở này là: Tiristo càng nhỏ thì trị số R S
càng lớn ( đôi khi coi rằng RS= )

- 11 -


Đồ án môn học điện tử công suất

Thiết kế bộ điều chỉnh nhiệt độ lò điện trở 3
pha
Giá trị RG phụ thuộc vào kích thớc tinh thể bán dẫn, tinh thể càng lớn
giá trị RG càng nhỏ.
2. ảnh hởng của tụ điện nối song song với cực điều khiển.
a. Làm giảm ảnh hởng của tốc độ tăng hợp du/dt gần nh của điện trở,
tuy nhiên chỉ có tác dụng ở tần số cao đó do đó, khác với điện trở, tụ điện rất
có ích để chống nhiễm cao tần ảnh hởng từ mạng điện lực tới mà không gây
hậu quả ở khu vực tần số thấp, nhất là với dòng ổn định một chiều.
b. Làm giảm độ dốc cả xung điều khiển mở van, dẫn đến ké dài hơn
thời gian mở van cũng nh thời gian thời gian tăng dòng Ia, do đó không có lợi
trong những mạch cần có tốc độ tăng dòng lớn.
c. Khi van đã dẫn điện áp trên trên tụ điện này có trị số xấp xỉ sụt áp trên
van (cỡ 1ữ 2V ). Điện áp này nói chung lớn hơn điện áp tối thiểu để mở van.
Khi van khoá lại sau đó lại có điện áp dơng đặt trở lại thì dòng điện phóng ra
từ tụ điện này có thể làm van mở ra không cần có dòng điều khiển thực hiện
nữa ( ví dụ van làm việc ở tần số 50 Hz, nếu tụ đủ lớn để kéo dài dòng phóng
quá 10ms sẽ làm van mở ngay ở nửa chu kỳ điện áp trên van dơng trở lại.)
3. ảnh hởng của điện áp âm đặt lên cực điều khiển. Điện áp trên cực
điều khiển không đợc âm quá trị số cho phép của từng loại van ( thờng giới
hạn ở mức 5V ). Vì vậy khi van làm việc có khả năng xuất hiện điện áp âm
quá mức trên cực điều khiển cần có biện áp hạn chế trớc mà thông dụng nhất
là đấu thêm điốt nối tiếp song song với cực điều khiển nh trên hình
4. ảnh hởng của điện áp dơng trên cực điều khiển khi điện áp trên van
lại âm, điều này có thể dẫn đến sự phát nhiệt quá mức ở cực điều khiển làm
hỏng van.
Nhìn chung nên hạn chế các tình trạng: U GK>0 trong khi UAk<0; cũng
nh UGK<0 trong khi UAK>0. Trong sổ tra cứu thờng hai trị số âm và dơng của
UGK lấy là -1 và vào khoảng 0,5V đến 1V.

- 12 -


Đồ án môn học điện tử công suất
pha

Thiết kế bộ điều chỉnh nhiệt độ lò điện trở 3

II. Các bộ biến đổi xung áp
II.1. Đặc điểm chung.
Các bộ điện áp xoay chiều (ĐAXC) dùng để đóng ngắt hoặc thay đổi đợc điện áp xoay chiều ra tải. Do tải đòi hỏi dòng điện xoay chiều nên phải
dùng loại van bán dẫn là TRIAC hoặc ghép hai van dẫn một chiều song song
ngợc nhau để mỗi van đảm nhận một chiều của dòng tải: Nh vậy có thể ghép 2
thyistor với nhau (gọi là kiểu đối xứng ) hoặc 1 thyristor với 1 điôt.
ĐAXC dùng van bán dẫn có đầy đủ các u điểm của nhng mạch công
suất sử dụng kỹ thuật bán dẫn nh: Dễ điều chỉnh và tự động hoá, làm việc ổn
định, phản ứng nhanh với các đột biến điều khiển, độ tin cậy và tuổi thọ cao,
kích thớc gọn, dễ thay thế. Thích hợp với quá trình hiện đại hoá, tập chung
hoá các quá trình công nghệ...Nhợc điểm chung và cơ bản của ĐAXC là điện
áp ra tải không sin trong toàn dải điều chỉnh. Điện áp trên tải chỉ sin khi đa
toàn bộ điện áp nguồn ra tải, do vậy độ méo điện áp trên tải sẽ càng lớn khi
điều chỉnh càng sâu, thành phần sóng dài khá cao. Với những tải yêu cầu
nghiêm ngặt về độ méo và thành phần sóng dài không thể dùng ĐAXC đợc.
Do vậy ứng dụng chủ yếu của nó là cho dạng tải có tính thuần trở:
- Điều chỉnh ánh sáng đèn sợi đốt và ổn định độ phát quang của hệ
chiếu sáng.
- Điều chỉnh và ổn định nhiệt độ các lò điện trở bằng cách khống chế
công suất đa vào lò.
- ĐAXC cùng đợc sử dụng để điều chỉnh tốc độ động cơ điện không
đồng bộ. Nhng chỉ phù hợp với phụ tải của động cơ dạng quạt gió hoặc máy

bơm li tâm với phạm vi điều chỉnh không lớn. ĐAXC thích hợp với các chế độ
nh khởi động, đóng ngắt tải cho động cơ điện.
- ĐAXC cũng đợc dùng để điều chỉnh điện áp sơ cấp các biến áp lực và
thông qua đó điều chỉnh điện áp ra tải, phụ tải có thể dùng dòng điện xoay
chiều hoặc một chiều ( chỉnh lu điôt phía thứ cấp ) khi rơi vào hai trờng hợp
sau : a/. điện áp thứ cấp thấp hơn điện áp sơ cấp nh dòng điện thứ cấp rất lớn.
b/. điện áp thứ cấp mà tải yêu càu cao hơn nhiều lần điện áp nguồn.

- 13 -


Đồ án môn học điện tử công suất
Thiết kế bộ điều chỉnh nhiệt độ lò điện trở 3
pha
Nguyên tắc điều chỉnh của ĐAXC là điều chỉnh góc mở của van bán
dẫn. Các van làm việc với điện áp xoay chiều nên đợc khoá tự nhiên bằng điện
áp nguồn và cũng chịu các ảnh hởng của lới điện đến van, kiểu điều khiển van
cũng là dịch pha điểm phát xung so với pha nguồn xoay chiều.đặc trng khác
biệt và các cơ sở do tính toán.
II.2 Xung áp xoay chiều 3 pha
1. Các ơ đồ ứng dụng.
A

v1

v4

C

B

v3

v6

v5

A

v2

B

ZA

C

ZB

v1
ZA

ZB
ZAB

ZC

ZC

v2

v3

ZBC
ZCA

Hình 7
Hình 7. Sơ đồ XAAC 3 pha
a, tải có thể dấu Y hoặc **:
b, thyristor V1, V2, V3, sẽ tạo thành điểm chung tính giả cho tải ZA, Zb, Zc,.
XAAC 3 pha có thể thực hiện theo các phơng án nh trên hình 7. Sơ đồ (a) có
thể áp dụng bán điều khiển, ví dụ thay V4, V6, V2 bằng 3 điôt.
2. Ưu nhợc điểm của sơ đồ
- Các sơ đồ XAAC nói chung đều đơn giản, do đó cho hiệu quả cao
trong quá trình điều chỉnh điện áp xoay chiều.
- Tuy nhiên dạng điện áp ra phụ thuộc rất nhiều vào góc độ điều khiển và
tính chất của tải. Dạng điện áp ra cũng rất không sin.
- Phù hợp với các ng dụng yêu cầu công suất vừa và nhỏ, nhất là với tải
thuần trở vì khi đó dạng điện áp trên tải không yêu cầu khắt khe.

- 14 -


Đồ án môn học điện tử công suất
Thiết kế bộ điều chỉnh nhiệt độ lò điện trở 3
pha
- Với công suất lớn có thể áp dụng trong những trờng hợp dải điều
chỉnh điện áp yêu cầu hẹp hoặc quá trình điều chỉnh chỉ diễn ra trong một thời
gian ngắn, ví dụ trong các bộ khởi động cơ.
- Trong mọi trờng hợp phải có biện pháp tránh ảnh hởng của nhiễu ra
ngoài lới diện do đờng điện không sin. Ví dụ phải lắp thêm các bộ lọc đầu

vào.
- Có thể cải thiện đáng kể đặc tính của XAAC nếu sử dụng các van điều
khiển hoàn toàn. Khi đó việc điều chỉnh sẽ áp dụng phơng pháp điều chế độ
rộng xung ở mỗi nửa chu kỳ điện áp lới.
3. Phân tích sự hoạt động của sơ đồ
Để phân tích sự hoạt động của sơ đồ ta phải xác định lúc nào 3 pha
cùng dẫn, lúc nào chỉ có 2 pha dẫn cũng nh khoảng dẫn của các van. Ta hãy
xét sơ đồ (a) với tải Y thuần trở, Z A= ZB= ZC. Đồ thị dạng điện áp trên tải với
góc điều khiển =300. dợc biểu diễn trên hình 8

ZA

1
Usc
1
Usc
U
2 2
2

= 90

1

2

3

5

6

5

4

v1 v1 v1 v1 v1
v5 v6 v6 v2 v2
v6
v2
v3

Hình 8. Đồ thị dạng điện
áp trên tải với góc
điều khiển =300.

- 15 -

UB

UC

o


Đồ án môn học điện tử công suất
pha
sơ đồ (a)

Thiết kế bộ điều chỉnh nhiệt độ lò điện trở 3

Góc điều khiển trong XAAC đợc tính từ thời điểm điện áp nguồn qua
không. Ta cần lu ý rằng trong hệ thống điện áp 3 pha dòng có thể chảy qua cả
3 pha hoặc chỉ qua 2 pha. Khi dòng chảy qua cả 3 pha thì điện áp trên mỗi ph
đúng bằng điện áp pha. Khi dòng chảy qua hai pha thì điện áp trên các pha tơng ứng sẽ bằng một nửa điện áp dây.
Nh trên đồ thị 8 với 01 0 02 dòng có thể chay qua cả 3 pha. Khi đó V 1
dẫn ở pha A, V6 dẫn ở pha B, V5 dẫn ở pha C.
uZA=uA
Với 02 0 03 ở pha C dòng không thể chảy qua V 5 đợc nữa vì uc đã đảo
chiều nên chỉ còn lại V1 dẫn dòng ở pha A cùng với V6 ở pha B. Do đó:
u ZA =

1
u AB
2

Với 03 0 04 ở pha C, V2 nhận đợc tín hiệu điều khiển nên sẽ có 3 van
dẫn ở 3 pha là V1, V2, V6. Do đó:
uZA=uA
Với 04 0 05 ở pha B, V6 không thể dẫn đợc nữa vì uB đã đảo chiều, chỉ
còn V1, V2 dẫn:
u ZA =

1
u AC
2

Với 05 0 06, V3 sẽ vào dẫn cùng với V1, V2:
uZA=uA
Với 06 0 07: uZA=0

bằng tính chất đối xứng có thẻ xác định đợc điện áp trên ZA trong nửa
chu kỳ còn lại. Từ phân tích trên có thể thấy rằng:
Với 0 600 có các giai đoạn 3 van và 2 van cùng dẫn.
Với 600 900 chỉ có các giai đoạn 2 van cùng dẫn.
Với 900 1500 chỉ có các giai đoạn 2 van dẫn hoặc không có van
nào dẫn cả.

- 16 -


Đồ án môn học điện tử công suất
Thiết kế bộ điều chỉnh nhiệt độ lò điện trở 3
pha
Ví dụ về dạng điện áp trên tải với góc điều khiển =900 đợc cho trên
hình 9
u

= 90

UB

UA

UC

o

U2 A

U AC

UAB

o

V V 5 V1 V 2

Hình 9. Dạng điện áp
trên tải với góc điều
khiển =900

- 17 -

V4 V 3 V 4 V 5


Đồ án môn học điện tử công suất
pha

Thiết kế bộ điều chỉnh nhiệt độ lò điện trở 3
Chơng ii.

Tính toán thiết kế chọn mạch lực do bộ điều
chỉnh nhiệt độ lò điện trở 3 pha.

Vì tải thuần trở nên để tiện dụng ta sử dụng bộ biến đổi xung áp xoay
chiều 3 pha cho mạch lực.
Với các phần tử bảo vệ mạch lực
- Bảo vệ quá trình cho van Sử dụng R1C mắc song song với van
- Bảo vệ tốc độ tăng dòng di/dt cho van: Sử dụng cuộn cảm L.
Sơ đồ mạch lực:

A

T1

C

B

R

T 4 T3

C

R

T6 T5

R

T2

C

C

LA

LB

LC

ZA

ZB

ZC

hình 10

I. Tính chọn van mạch động lực.
Để đảm bảo cho mạch hoạt động một cách tin cậy khi làm việc với
dòng điện lớn, điện áp cao, công suất phát nhiệt mạnh, tránh đợc hiện tợng
van tự mở khi không cần xung điều khiển ta phải chọn van 1 cách hợp lý.
Với công suất tải Pđm=30kw
Vì tải thuần trở nên ta có:
Pdm = 3.U f .I tdm I tdm =
I tdm =

Pdm
3U f

30.000
= 45,45( A)
3.220

- 18 -


Đồ án môn học điện tử công suất

pha
Dòng điện tức thời qua van

Thiết kế bộ điều chỉnh nhiệt độ lò điện trở 3

i(v) = 2 .I tdm .sin ( A)
i(v) = 2 .45,45 sin = 64,3 sin (A)
ậy dòng điện trung bình qua van là:


I tbv =

1
64,3
64,3. sin d =
( cos )

2 0
2

I tbv =

64,3
64,3

.1
(1) = 20,48 (A)
6,28
6,28

- Tính điện áp ngợc đặt lên van:
Điện áp ngợc lớn nhất đặt lên van:
U ng max = 6U d = 6 .380 930(V )

Chọn cách làm mát bằng cách tản nhiệt và quạt gió.
Hệ số dự trữ điện áp: Ka=2,0
Hệ số dự trữ dòng điện : Ki=1,5
Vậy ta có:
Ungmaxthực = Kc.Ungmax = 2.930 = 1860 (V)
ItbthựcV = Ki . Itbv = 1,5.20,48 = 30,72 (A)
Chọn 6 Thyristor mã hiệu: T11 40 do Liên Xô chế tạo với các tham số:
Kí

Icp(A) IX

hiệu
T1140

(A)
40

Id

Idò

(A)

(mA) điện
áp

20
13-

360 600

Cấp

U

Uđk

Iđk

du/dt tph

di/dt (V)

(V)

(mA)

2-4

2

5

200

Cấp

Cấp Cấp

1

2,7

22
- Cấp điện áp : Ungmax=1300-2200(v)
- Dòng điện trung bình tối đa cho phép chảy qua van Icp=40(A).

- 19 -


Đồ án môn học điện tử công suất
Thiết kế bộ điều chỉnh nhiệt độ lò điện trở 3
pha
- Dòng điện quá tải ngắn hạn cho phép qua van trong thời gian không
quá vài ms IX=360(A).
- Trị số biên độ dòng điện dạng sin cho phép 1 lần qua van sau đó phải
ngắt điện áp đặt: Id=600(A).
- Dòng điện dò khi van ở trạng thái khoá: Idò=20mA.
- Tốc độ tăng điện áp thuận lớn nhất đặt lên van mà van sẽ rọi vào hiện
tợng tự dẫn không cần dòng điều khiển cấp(2-4).
- Tốc độ tăng trởng dòng lớn nhất qua van mà van không bị đánh thủng
cấp 2.
- Sụt áp trên van ở dòng định mức U = 2,7(V).
- Điện áp điều kiển nhỏ nhất vẫn đảm bảo dòng điều khiển mở van:
Uđk=5V.
- Dòng điện điều khiển nhỏ nhất vẫn đảm bảo mở van:

Iđk=200mA.
- Thời gian phục hồi tính chất khoá của van: Cấp 1.
II. Tính chọn các phần tử bảo vệ cho van mạch động lực.
Trong bộ ĐAXC, phần tử kém khả năng chịu đợc các biến động mạnh
về điện áp và dòng điện chính là các van bán dẫn. Vì vậy việc bảo vệ mạch
độg lực chủ yếu là bảo vệ các van bán dẫn khỏi hai trạng thái là quá dòng điện
và quá điện áp.
Tra các thông số của van TM-40 ta đợc:
- Trị số dòng điện cho phép : Icp=40(A).
- Điện áp định mức của van: Uđm=2200(V).
- Tốc độ tăng điện áp thuận cho phép (cấp2):
du/dt=50V/ms=50.106 V/S
- Tốc độ tăng dòng tối đa (cấp 2):
di/dt = 40A/ms=40.106A/S
- Trị số điện trở tải:

- 20 -


Đồ án môn học điện tử công suất
pha
Rt =

Thiết kế bộ điều chỉnh nhiệt độ lò điện trở 3

Ut
220
=
= 4,8()
It

45,45

1. Tính điện cảm bảo vệ tốc độ tăng dòng : di/dt.
Dòng mạch ĐAXC mắc trực tiếp vào lới điện, nên điện cảm này có vị
trí rất quan trọng. Tốc độ tăng dòng sẽ lớn nhất khi điện áp trớc khi van dẫn là
cao nhất, tơng ứng điện áp lới tăng thêm 5%. Điện cảm L đợc tính:
L = 0,08.

U1
220
= 0,08.
= 0,0012( H )
.I dm
23,14.50.45,45

2. Chọn phần tử bảo vệ quá áp R-C mắc song song với van:
Chọn theo kinh nghiệm van càng lớn thì tụ càng lớn và điện trở càng
nhỏ với các trị số: Điện trở nằm trong khoảng vài trục đến 100 ,điện trở nằm
trong khoảng 0,1 đến 2àF.
Ta chọn R = 60
C = 0,4àF.

- 21 -


Đồ án môn học điện tử công suất
pha

Thiết kế bộ điều chỉnh nhiệt độ lò điện trở 3

chơng iii. tính toán thiết kế mạch điều khiển
I. Sơ đồ cấu trúc mạch điều khiển của 1 Tiristo.

ĐB

Utựa

SS + TX

KĐX

Uđk
II. các khâu của mạch điều khiển sơ đồ và nguyên lý hoạt động.

2.1 Khâu đồng bộ:
Sử dụng MBA đồng bộ: Tạo ra đợc điện áp có gốc lệch pha cố định với
điện áp đặt lên vạn lực. Ngoài ra còn đạt thêm 2 mục tiêu quan trọng là:
Chuyển đổi áp thờng có giá trị cao song giá trị phù hợp với mạch điều
khiển thờng là điện áp thấp.
Cách ly hoàn toàn giữa mạch điều khiển và mạch lực. Đảm bảo an toàn
cho ngời sử dụng cũng nh cho các linh kiện điều khiển.
Để tạo điện áp ĐB cho bộ ĐAXC 3 pha, sử dụng biến áp 3 pha. Tuy
nhiên, vì mạch điều khiển có nhiều khâu cũng cần dùng biến áp nên chỉ dùng
chung 1 biến áp có nhiều cuộn thứ cấp.
Sơ đồ mạch biến áp ĐB 3 pha:
A

UđpA

A

UđpA

B

UđpB

B

UđpB

C

UđpC

C

UđpC

0V điều khiển

a) Sơ đồ đấu nối tam giác

a) Sơ đồ đấu nối tam giác

- 22 -


Đồ án môn học điện tử công suất
pha

Thiết kế bộ điều chỉnh nhiệt độ lò điện trở 3
A

C

Điện áp nguồn 3 pha

B

O

5

10

15

20

25

30

o

5

10

15

20

25

30

25
Biến áp5 đồng bộ103 pha &15điện áp20đồng pha

30

Uđp của pha A

o

Uđp của pha A

a/ Điện áp đồng pha khi sơ cấp dấu tam giác

o

b/ Điện áp đồng pha khi sơ cấp dấu sao

Với sơ đồ a : Sơ cấp đấu tam giác: Phạm vi góc đièu khiển và đạt
= (00-1800)
Với sơ đồ b: Sơ cấp đấu sao: Phạm vi góc điều khiển chỉ đạt
= (00-1500) vì van không mở ngay đợc khi điện áp lới bắt đầu dơng.
II. 2. Khâu tạo điện áp tựa:

Hiện nay sử dụng chủ yếu 2 dạng biến áp tựa là dạng hình sim và dạng
răng ca. Đa số các điện áp tựa trong mạch điều khiển chỉnh lu, ĐAXC hiện
thời đều dùng dạng răng ca. Vì nó khắc phục đợc nhợc điểmcủa dạng hình sin:
ít bị ảnh hởng của điện ápvà tần số nguồn xoay chiều.
Tuy nhiên nhợc điểm đó của nó không đạt đợc quan hệ tuyến tính trong
điện áp điều khiển và điện áp của bộ ĐAXC.

- 23 -


Đồ án môn học điện tử công suất
pha

Thiết kế bộ điều chỉnh nhiệt độ lò điện trở 3

II.3. Tạo điện áp ta dạng tăng của tuyến tính ở cả 2 nửa
chu kỳ sử dụng khuếch đại thuật toán OA.

ở các mạch tạo điện áp tựa dạng tăng của dùng trandisto có nhợc điểm
chung là sự phụ thuộc khá rõ thời điểm mở và khoá các bảng vào điện áp đồng
pha. Do vậy điện áp tăng của cũng ít nhiều bị biến động theo điện áp lới điện
xoay chiều. Điều này làm ảnh hởng tới góc điều khiển và cũng nh phạm vi
điều chỉnh nó. Hiện nay mạch tạo răng của sử dụng OA ngày càng đơc ứng
dụng nhiều hơn do khắc phụ đợc các nhợc điểm của mạch dùng trandisto. Mặt
khác giá thành của OA đã khá rẻ.
Sơ đồ mạch tạo răng của 2 nửa chu kỳ dùng OA.
D2

D1

A

+E

R1

OA1

+

U~

-E

R0

R2

D3

-

BAĐF

C1

B

+E

-

C

OA2

+

R3
D2
P1

+E
R4

UA
UA
+E
t

t

t

- 24 -

-E

UOA2

Đồ án môn học điện tử công suất
pha

Thiết kế bộ điều chỉnh nhiệt độ lò điện trở 3

Khuếch đại thuật toán OA1 đấu theo sơ đồ so sánh, có nhiệm vụ so sánh
2 điện áp đầu vào của OA1. Điện áp đầu ra tuân theo quy luật:
Ura= k0U = K0(U+ - U-)
Tầng OA2 làm nhiệm vụ tạo điện áp răng ca. Nguyên lý làm việc nh sau
Khi điện áp đầu ra của OA1: UB<0 diot OA1bão hoà âm: UB =-Ubh điot D3
dẫn. Sử dụng đặc điểm của OA là điện thế giữa 2 cửa (+) và (-) của nó bằng
nhau, ta có điện thế điểm (+) của OA bằng OV do điểm (+) nối với OV. Lúc
đó theo sơ đồ mạch ta hấy:
Điện áp trên tụ C1 bằng điện áp đầu ra OA2: Uc1=UOA2
Điện áp trên điên trởR2 điện áp đầu ra OA1 (bỏ qua sụt áp trên điot D3):
UR2=UB
Với R2<qua dòng điện iR3. Nh vậy dòng qua tụ điện iC1 bằng dòng qua điện trở iR2. Vì
dòng vào cửa (-) của OA không đáng kể ( tổng trở vào của OA vô cùng lớn).
kết hợp những điều trên ta có
1

1

1 U

U

a
bh
UC = UC1 = C iC1dt = C iR dt = C R dt = CR t
1
1
1
2
2
2

Nh vậy điện áp trên tụ C1 cũng nh đầu ra tăng trởng tuyến tính. Khi điện
áp này tăng đến trị số ngỡng của điot ổn áp D2 thì nó thông và giữ điện áp vị
trí số này ( nếu không có DZ thì điện áp tăng tới trị số +Ubh).
Khi điện áp UB>0 (OA1 bão dơng Ub=+Ubh điot D3 khoá nên dòng qua
R2=0. Lúc này dòng qua tụ C1khi OA1 bão hoà âm. Có nghĩa là tụ C 1 phóng
điện.
1

1

E

E

UC = UC1 = UOA - C iR dt = U OA C R dt = U OA CR t
1
1
3
3
3

Do đó điện áp trên tụ C1, cũng nh điện áp ra UC giảm xuống tuyến tính.
Khi điện áp giảm đến 0 rồi âm xuống thì điot D Z dẫn theo chiều thuận nh các
điot thờng, giữ cho điện áp ở giá trị xấp xỉ OV. Từ đây mạch trở lại trạng thái
ban đầu và điện áp nhận đợc ở mỗi nửa chu kỳ lới điện có dạng răng ca nh
trên hình vẽ.

- 25 -