Đồ án Thiết kế hệ điều khiển lọc bụi tĩnh điện

LỜI NÓI ĐẦU
Ngày nay cùng với việc phát triển mạnh mẽ các ứng dụng của khoa học kỹ thuật trong
công nghiệp , đặc biệt là trong công nghiệp điện tử thì các thiết bị điện tử công suất lớn
cũng được chế tạo ngày càng nhiều. Và đặc biệt các ứng dụng của nó vào các ngành kinh
tế quốc dân và đời sống hàng ngày đã và đang được phát triển hết sức mạnh mẽ.
Tuy nhiên để đáp ứng nhu cầu ngày càng nhiều và phức tạp của công nghiệp thì cá kỹ
sư ngành luôn phải nghiên cứu để tìm ra giải pháp tối ưu nhất. Đặc biệt với chủ trương
công nghiệp hóa- hiện đại hóa của Nhà nước, các nhà máy , xí nghiệp cần phải thay đổi,
nâng cao để đưa công nghệ tự động điều khiển vào trong sản xuất. Do đó đòi hỏi phải có
thiết bị và phương pháp điều khiển an toàn , chính xác. Đó chính là nhiệm vụ mà ngành
điện cần phải giải quyết.
Để giải quyết được những vấn đề đó thì Nhà nước ta cần phải có đội ngũ kỹ sư đông
đảo và tài năng. Sinh viên ngành TĐH trong tương lai sẽ đứng trong đội ngũ này,do đó mà
cần phải tự trang bị cho mình một trình độ và tầm hiểu biết sâu rộng. Chính vì vậy môn đồ
án II này chính là một điêu kiện tốt để sinh viên có thể áp dụng những gì đã được học trên
giảng đường cũng như tìm hiểu thêm những kiến thức ở thực tế trong suốt quá trình thực
hiện đồ án. Nhưng để có thể hoàn thành được đồ án II thì không chỉ có những kiến thức lý
thuyết mà còn có sự hướng dẫn nhiệt tình của thầy hướng dẫn. Qua đây cho em được gửi
lời cảm ơn đến thầy hướng dẫn THS.Vũ Thụy Nguyên đã tận tình chỉ dẫn và giúp đỡ cả
nhóm trong suốt quá trình thực hiện đồ án II lần này.
Đồ án này hoàn thành không những giúp em có được thêm nhiều kiến thức hơn mà còn
giúp em biết cách vận dụng những kiến thức đã được học trên giảng đường. Biết cách làm
việc theo nhóm 1 cách hiệu quả. Quá trình thực hiện đồ án là một thời gian thực sự bổ ích
cho bản thân em về nhiều mặt.

1


CHƯƠNG I.
GIỚI THIỆU CHUNG VỀ CÔNG NGHỆ LỌC BỤI TĨNH ĐIỆN
GỚI THIỆU VỀ CÔNG NGHỆ LỌC BỤI TĨNH ĐIỆN

Phương pháp lọc bụi tĩnh điện là phương pháp hiệu quả đối với các nhà máy công
nghiệp có lượng khói bụi lớn như nhà máy xi măng, nhà máy phân bón, luyện kim,
nghiền đá, công nghiệp gốm….Phương pháp này có ưu điểm cơ bản như hiệu suất thu bụi
cao, chi phí năng lượng thấp , có thể làm việc với áp suất chân không hoặc áp suất cao,
và đặc biệt là có thể điều khiển và tự động hóa hoàn toàn.

I.

1) Nguyên lý chung.
Lọc bụi tĩnh điện là hệ thống lọc bỏ các hạt bụi có kích thước nhỏ khỏi dòng không
khí chảy qua buồng lọc, trên nguyên lý ion hoá và tách bụi ra khỏi không khí khi chúng đi
qua vùng có trường điện lớn. Buồng lọc bụi tĩnh điện (hay Silo lọc bụi) được cấu tạo hình
tháp tròn hoặc hình hộp chữ nhật, bên trong có đặt các tấm cực song song hoặc các dây
thép gai. Hạt bụi với kích thước nhỏ, nhẹ bay lơ lửng trong không khí được đưa qua buồng
lọc có đặt các tấm cực. Trên các tấm cực, ta cấp điện cao áp một chiều cỡ từ vài chục cho
đến 100kV để tạo thành một điện trường có cường độ lớn. Hạt bụi khi đi qua điện trường
mạnh sẽ bị ion hoá thành các phân tử ion mang điện tích âm sau đó chuyển động về phía
tấm cực dương và bám vào tấm cực đó.
Hiệu quả của hệ thống lọc bụi tĩnh điện phụ thuộc vào rất nhiều các yếu tố như: kích
thước của hạt bụi, tính chất của điện cực, thiết bị điện điều khiển điện trường, tốc độ chuyển
động và sự phân bố đồng đều lượng không khí trong vùng điện trường. Tùy theo lưu lượng
bụi của buồng lọc mà hệ thống tự động điều chỉnh điện áp cao áp vào buồng lọc, sao cho
đạt được hiệu suất lọc bụi cao nhất. Với điều kiện hoạt động tốt hệ thống có thể đạt hiệu
suất lọc bụi đạt trên 95%. Bụi sẽ được tách khỏi các tấm cực bằng nước rửa hoặc bằng việc
rung rũ tấm cực.

Hình 1.1- Nguyên lý hệ thống lọc bụi tĩnh điện
2

2) Cơ sở vật lý của quá trình lọc bụi
Ở điều kiện thường, các hạt chất khí trung hòa về điện, chuyển động tự do trong khí
quyển, nhưng khi đặt chúng dưới một điện trường mạnh với 2 điện cực, điện cực này được
cung cấp dòng điện một chiều cao thế tạo nên cường độ điện trường rất mạnh ion hóa
không khí xung quanh. Các electron bị đứt ra khỏi liên kết và các nguyên tử không còn
trung hòa về điện… khi thổi khí thải có chứa bụi bẩn qua không gian giữa 2 điện cực, các
ion sẽ bám dính trên bề mặt của các hạt bụi và các hạt bụi trở nên mang điện. Dưới ảnh
hưởng của lực điện trường các hạt bụi sẽ tích điện sẽ dịch chuyển tới các điện cực trái dấu
với điện tích của chúng, Khi tới các điện cực, các hạt bụi được lắng lại trên bề mặt
điện cực, lượng bụi chủ yếu được lắng trên bề mặt điện cực quầng sáng cũng có bụi
lắng lại nhưng lượng bụi này nhỏ.

Hình 1.2- Cơ sở vật lý
Chú thích :

1.Điện cực quầng sang
2. Các hạt ion
3.Các ion dương
4.Các ion âm
5.Các hạt bụi
6.Điện cực lắng
3) Đặc tính Volt-Ampere của 2 bản cực.
Nguyên lý làm việc thực tế của hệ thống lọc bụi tĩnh điện là: Cấp điện áp cao một
chiều (vài chục đến 100kV) cho các tấm cực đặt song song với nhau. Trong hình minh họa,
bản cực dương (+) được nối đất, dòng điện chạy trong bản cực âm (-) tạo thành một điện
trường có cường độ rất lớn. Khi dòng không khí chảy qua giữa 2 bản cực, các hạt bụi sẽ bị
ion hóa thành các phần tử ion mang điện tích âm (-), bị hút về phía bản cực dương và bám
vào đó. Như vậy, dòng điện giữa 2 bản cực chính là dòng dịch chuyển của các ion âm trong
không khí.

3


-

-

-

-

Đặc tính volt-ampere không thẳng, như
vậy dòng điện không tuân theo định luật
Ôm cho điện trở thuần.
Khi UKhi Uc> U > Ub, cường độ dòng điện
giữ nguyên giá trị bằng Ibh. Số e bị kéo
ra khỏi nguyên tử bằng số e bị kéo trở
lại.
Khi Umax> U > Uc, cường độ dòng điện
tăng vọt lên(do điện trường E tăng
mạnh, các e bắn ra với tốc độ cao ). Giữa
2 bản cực có sự phóng điện tự duy trì.
Khi U > Umax : điện áp đánh thủng,
dòng trong tháp sẽ tăng rất lớn làm hỏng
hệ thống.

Hình 1.3- Đặc tính Volt-Ampe
II.

NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA HỆ THỐNG

Khí bụi được đưa qua trường tĩnh điện mạnh giữa các bản cực của lọc bụi tĩnh điện, cá
điện cực được đặt song song đối xứng cách nhau một khoảng d=20-35cm, với quy ước là
một cực dương và một cực âm.
Khi đặt điện áp U > Umax lên hai bản cực sẽ tạo thành quầng sáng hồ quang phá hủy
điện cực. Nếu U < Umax sẽ tạo ra quá trình ion hóa hạt bụi. Các hạt bụi bị nhiễm điện và
nhiễm điện âm là chủ yếu. Khi đó chúng sẽ chuyển động dưới lực hút tĩnh điện về phía cực
dương và trong quá trình chuyển động nó có thể va đập vào các hạt bụi khác làm cho toàn
bộ không gian bị ion hóa tạo thành đám mây nhiễm điện tích âm, đám mây này chuyển
động liên tục về phía điện cực dương và khi tiếp xúc với cực dương thì nhường điện tử
cho bản cực này để trung hòa về điện, lắng xuống theo bề mặt của điện cực dương. Bụi
thu hồi được thiết bị vận chuyển đưa về silo đồng nhất.
Để tăng khả năng ion hóa và giảm điện áp không vượt Umax, sử dụng tháp tăng ẩm
đê tăng độ ẩm cho hạt bụi làm chúng dễ bị nhiễm điện và giảm điện áp đặt vào lọc bụi.
Để lọc bụi hoạt động ổn định và an toàn sử dụng máy phân tích khí thải, khống chế
nồng độ khí CO để ngăn chặn kịp thời hiện tượng cháy, nổ lọc bụi.Trở lực của lọc bụi tĩnh
điện ~ 200Pa, nồng độ khí ra 100mg/m3N.

4


CHƯƠNG II.
LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN MẠCH LỰC CHO HỆ THỐNG
CÁC PHƯƠNG ÁN LỰA CHỌN

I.

Công suât tải yêu cầu lớn, ta chỉ xét đến các sơ đồ chỉnh lưu ba pha.Ở đây chúng ta sẽ
lựa chọn chỉnh lưu sơ đồ cầu ba pha , một số ưu điểm của chỉnh lưu cầu so với các

mạch chỉnh lưu khác là :
-

Có khả năng đáp ứng dòng tải lớn.
Có thể không cần dùng máy biến áp
Có ưu điểm về hệ số sử dụng máy biến áp và chất lượng điện áp 1 chiều đầu ra.

Tuy nhiên vì điện áp đầu ra rất cao nên việc thỏa mãn được điện áp ngược đặt lên van
là một vấn đề quan trọng cần giải quyết. Ta sẽ xem xét hai phương án mạch lực sau:
 Phương án 1: Dùng một bộ chỉnh lưu cầu 3 pha không điều khiển được đó là
dùng các điode sau máy biến áp và một bộ điều áp xoay chiều trước máy biến
áp.
 Phương án 2: Dùng một bộ chỉnh lưu cầu 3 pha có thể điều khiển được góc
mở dùng các thyristor đặt sau máy biến áp.
II.

LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN TỐI ƯU
Xét từng phương án lựa chọn :
Phương án 1: Sử dụng mạch điều áp xoay chiều bằng thyristor trước máy biến áp:
Công suất tải lớn, ta sẽ sử dụng bộ điều áp xoay chiều 3 pha sơ đồ 6 thyristorr
đấu song song ngược. Khi dó :
Điện áp ngược đặt lên mỗi thyristor U1 = 470(V)
Công suất làm việc P đm= 70KW và dòng điện sẽ là I d = 0.8(A).
Ta chọn trên tải là U d = 87.5KV và dòng điện sẽ là I d = 0.8(A)
Mà ta có I 2 =0,816.Id=0.65(A)
Giả sử sụt áp trên điện trở và điện kháng là 5%, trên diode là 120V
Điện áp chỉnh lưu không tải là : U d = 87.5× 103 ×(1+ 5%) + 120 =91995 (V) = 92KV
Điện áp pha thứ cấp MBA : U 2 =0.427×92 = 39.28(KV)
Điện áp sơ cấp MBA:

U1 =380(V)

Tính hệ số máy biến áp m =

U 2 39280
=
=104
U1
380

=> I1 =m× I 2 =104×0.65 = 67.6(A)
Ta thấy rằng dòng điện chảy qua thyristor không quá lớn có thể lựa chọn được van
phù hợp. Điện áp đặt lên mỗi thyristor là tương đối nhỏ chính vì vậy dễ dàng cho
5


việc chọn van và điều khiển và bảo vệ van, không chỉ vậy còn giảm được vốn đầu
tư cho việc thiết kế hệ thống.
Phương án 2 : Sử dụng mạch chỉnh lưu sau máy biến áp
 Dòng điện chảy qua các thyristor là :
I tb =

I d 0.8
=
=0,27(A) Dòng điện này rất nhỏ nên việc chọn van là rất dễ. So với
3
3

phương án 1 thì số van sẽ ít hơn rất nhiều
 Điện áp ngược đặt lên mỗi Thyristor là :

U ng max =2.45×43.13=105.67(KV) đây là điện áp ngược rất lớn nên rất khó cho việc
chọn van, điều khiển và bảo vệ van. Nếu mắc nối tiếp nhiều van thì sẽ rất khó điều
khiển cũng như tốn nhiều tiền.
 Từ những phân tích cũng như số liệu tính toán ở trên ta thấy chọn phương án 1 là
tối ưu hơn. Như vậy ta sẽ chọn phương án 1 để thiết kế mạch lực cho hệ thống.

6


CHƯƠNG III.
NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA HỆ THỐNG
I.

SƠ ĐỒ MẠCH LỰC

Hình 3.1- Mạch lực của hệ thống
 Nguyên lý hoạt động :
Điện áp lưới có U1=380V được đưa vào mạch điều áp xoay chiều ba pha dùng 3 cặp
thyristor nối song song ngược. Điện áp sau khi qua mạch điều áp xoay chiều một pha thì
có điện áp không sin nhưng vẫn đối xứng, sau đó được đưa qua MBA để nâng cao điện áp
lên hàng chục KV. Sau đó điện áp được đưa qua bộ chỉnh lưu cầu rồi ra cao áp lọc.
1.Bộ điều áp xoay chiều 3 pha
 Nhiệm vụ
 Điều khiển điện áp hiệu dụng để đưa vào sơ cấp MBA . Khoảng điện áp đưa
vào sơ cấp MBA có thể điều chỉnh nằm trong khoảng từ 0->440V. Nhờ có
khâu này mà có thể điều chỉnh tự động được hệ thống.
 Các thyristor được điều khiển với góc điều khiển α. Qua bộ DAXC sẽ được
mức điện áp cần thiết để điều chỉnh ổn định làm việc.

Hình 3.2 – Sơ đồ điều áp xoay chiều 3 pha

7


Bộ biến đổi điện áp xoay chiều 3 pha dạng đầy đủ có cấu tạo gồm 3 cặp thyristor đấu
song song ngược được mắc vào nguồn điện 3 pha, để thực hiện cung cấp điện cho tải 3
pha. Khi công suất của tải nhỏ các cặp thyristor có thể được thay thế bằng các triac. Với
tải R phạm vi điều khiển góc kích thích nằm trong khoảng (0;150). Với tải L thì phạm vi
góc điều khiển nằm trong khoảng (90;150), đối với tải RL thì phạm vi góc điều khiển là
(arctan( ωL/R); 150).Xung kích để đảm bảo quá trình kích dẫn thyristor , xung kích được
thực hiện dưới dạng chuỗi xung bắt đầu từ vị trí ứng với góc kích cho đến khi vượt khỏi
chu kỳ một góc 30.
a) Với tải thuần trở.
 Khi cả ba thyristor của ba pha đều dẫn điện thì điện áp trên tải sẽ trùng với điện áp pha
của nó ( UdA = Ua )
 Khi có hai thyristor dẫn điện thì điện áp trên tải sẽ bằng một nửa điện áp dây của hai pha
mà có hai thyristor dẫn điện.
 Giá trị hiệu dụng của điện áp trên tải được tính theo biểu thức :
1
2

UdA =

2

u

2
dA

d

0

UdA – giá trị hiệu dụng ; udA – giá trị tức thời.
 Thay các giá trị ua, uab, uac ta tính được giá trị hiệu dụng của điện áp pha.
1 𝜋

3

sin 2𝛼

𝜋 2

4

2

UdA = Um.√ [ − (𝛼 −
UdA = Um.√
UdA =

𝑈𝑚
2

3

𝜋

3

√3

4𝜋 3

4

4

[ + 𝑠𝑖𝑛2α +

0< α <60o

)]

60O< α <90o

𝑐𝑜𝑠2α]

1 5𝜋
3
3√3
.√ [ − 3α + 𝑠𝑖𝑛2α +
𝑐𝑜𝑠2α]
𝜋

2

4

4

90O< α <150o

Hình 3.3- Điện áp ra sau điều áp tải thuần trở với góc mở là 30
8


b) Vớ tải mang tính trở kháng:
 Nếu α < φ, dòng điện tải và điện áp tải sẽ là hình sin, vì lúc nàu các van đều dẫn điện
trong một nửa chu kỳ (λ = Π), và ở bất kì thời điểm nào cũng có ba van của ba pha dẫn
điện. Do đó:
UdA = Ua = Umsinφ
 Nếu φ < α < αgh, αgh là giá trị mà vẫn còn tồn tại chế độ cả ba van thuộc về ba pha vẫn
dẫn điện. Trong mỗi nửa chu kì sẽ có ba đoạn mà udA = ua, hai đoạn còn lại udA = uac/2
hoặc udA = uab/2 và một đoạn udA = 0.
-

Như vậy cả ba thyristor dẫn điện thì : UdA = Umsinθ = ωLt

-

Khi hai thyristor của pha a và pha b dẫn điện ta có :

-

U dA 

-

Khi hai thyristor của pha a và pha b dẫn điện ta có :

-

U dA 

-

Khi thyristor của pha a khóa: udA = 0
Góc giới hạn được tính như sau:

𝑑𝑖𝑎
𝑑𝜃

+ iaRt

uab
di
3

U m sin(  30)   Lt a  ia Rt
2
2
d
uac
di
3

U m sin(  30)   Lt a  ia Rt
2
2

d



 gh

2  3tg 1
 arctg
(e
 ) 
2
3

Hình 3.4- Điện áp ra sau điều áp tải trở kháng với φ < α < αgh
 Khi  gh    150 mỗi nửa chu kỳ sẽ có hai đoạn udA = uac/2 hoặc udA = uab/2. Đối với
các đoạn còn lại udA = 0, chế độ này tương ứng với trạng thái chỉ có hai van của hai
pha dẫn điện. và góc điều khiển lớn nhất là αmax = 1500

9


2.Máy biến áp lực

Hình 3.5 – Máy biến áp 3 pha
 Nhiệm vụ : Nâng cao điện áp lưới U=380V lên hàng chục KV để đáp ứng yêu cầu
điện áp cao của công nghệ lọc bụi tĩnh điện.
 Hoạt động : Sau khi qua bộ điều áp thì điện áp đưa vào biến áp thường không sin
nhưng vẫn đối xứng, có thể tách thành các thành phần bậc 1 và bậc cao, trong đó
không có thành phần 1 chiều. Do vậy các thành phần xoay chiều của điện áp sơ
cấp MBA vẫn được khuếch đại U2=m×U1 với m là tỉ số MBA

3.Sơ đồ mạch chỉnh lưu cầu 3 pha
a, Sơ đồ mạch lực :

Hình 3.6 – Sơ đồ chỉnh lưu cầu 3 pha
b, Hoạt động
 Biến điện áp xoay chiều sau MBA lực thành điện áp 1 chiều có độ nhấp nhô
thấp để đưa ra cao áp lọc.
 Ta có quan hệ giữa điện áp chỉnh lưu U d , dòng I d và điện áp thứ cấp U 2 , dòng
thứ cấp I 2 của MBA là:
10


U 2 = 0,42 U d

I 2 =0,816 I d

Vì điện áp đặt lên mỗi D là rất lớn nên ta cần phải mắc nối tiếp các diode sao
cho điện áp đặt lên các diode không vượt quá U ng max của mỗi diode.
4.Cao áp lọc bụi
Tải này mang tính chất là tải điện trở có giá trị phụ thuộc vào điện áp giữa 2
cực của cao áp lọc và dòng điện qua tải phụ thuộc vào lượng khí bụi chảy qua cao
áp lọc và hiệu quả làm việc của hệ thống.
II.

MẠCH ĐIỀU KHIỂN

Đây là một phần quan trọng của hệ thống, quyết định đến chất lượng cũng như độ
an toàn của hệ thống. Bộ điều khiển có chức năng phát ra xung có công suất và độ
rộng đủ lớn để mở các thyristor để điều áp 3 pha, đồng thời có nhiệm vụ bảo vệ mạch
khi quá tải, giúp cho hệ thống làm việc ổn định, không xảy ra sự cố. Đồng thời ta cần

phải lưu ý đến công suất tiêu thụ của mạch điều khiển phải nhỏ.
Trước yêu cầu đó việc sử dụng các IC tích hợp các chức năng khác nhau với kết cấu
nhỏ gọn, tiêu hao công suất bé là 1 lựa chọn tối ưu nhất.
1. Lựa chọn IC
Sau khi tìm hiểu, nhóm quyết định sử dụng IC TCA785 của SIEMENS để phát
xung. Sau đây em xin trình bày khái quát về TCA 785 :
-

-

TCA 785 là một IC tích hợp các công việc: tạo điện áp răng cưa đồng bộ lấy từ
nguồn sin, so sánh tín hiệu điều khiển để tạo ra góc mở điều khiển cho các van bán
dẫn như tiristor, IGBT,GTO…
Điều đặc biệt là TCA 785 có tích hợp 1 khóa on/off cho phép xung điều khiển đầu
ra có được phép hay không. Khóa này được tận dụng làm mạch bảo vệ cho các hệ
thống tránh bị quá tải với các thông số an toàn do người thiết kế đặt nên.

Một số đặc điểm của IC TCA785
- Nhận biết vượt qua điểm không rất nhạy.
- Ứng dụng rộng rãi.
- Có thể sử dụng như một điểm chuyển mạch không.
- Có thể hoạt động được điện 3 pha ( sử dụng 3 IC ).
- Dòng đầu ra I=250mA
- Độ dốc dòng lớn.
- Dải nhiệt độ làm việc rộng.
- IC điều khiển pha này có thể điều khiển các van bán dẫn (thyristor, triac,
tranzitor,…) mở được các góc từ 0-180 độ, được ứng dụng chủ yếu trong các
mạch điều khiển dòng 3 pha xoay chiều, các mạch chuyển đổi.
11

a. Ký hiệu và chức năng các chân

Hình 3.7- Sơ đồ chân của ic TCA785
b. Mô tả hoạt động
-

-

-

-

-

Tín hiệu đồng bộ có được thông qua điện trở-kháng cao từ điện áp dây (V5). Bộ phát
hiện điện áp không sẽ xác định các điện áp không và chyển chúng đến thanh ghi đồng
bộ.
Thanh ghi đồng bộ này điều khiển bộ tạo dốc ( làm dốc tín hiệu điều khiển), tụ C10
được nạp với một dòng cố định (xác định bằng R9). Nếu điện áp dốc V10 vượt quá điện
áp điều khiển V11(chân số 11) (góc mở ϕ), tín hiệu chuyển thành dạng logic.
Giá trị logic phụ thuộc vào độ lớn của V11 mà góc mở có thể dịch chuyển trong
khoảng 0-1800
Với mỗi ½ sóng, xung dương được sinh ra. Cứ khoảng 30us lại xuất hiện đầu ra Q1 và
Q2. Độ rộng xung có thể kéo dài 180 độ thông qua tụ C12. Nếu chân 12 được nối đất,
xung này có góc mở giữa ϕ và 180 độ sẽ xuất hiện.
Đầu ra 1 đảo và 2 đảo ( Q1 và Q 2 ) là tín hiệu đảo của Q1 và Q2.
Tín hiệu tại ϕ+1800 có thể được sử dụng để điều khiển một logic ngoài có 3 chân.
Tín hiệu tương ứng với liên kết NOR của Q1 và Q2 là có sẵn trong QZ(chân 7)
Cổng vào hạn chế có thể sử dụng để vô hiệu các chân đầu ra( cả đảo).

Chân 13 có thể sử dụng để mở rộng đầu ra Q1 và Q 2 với độ rộng xung là 1800-ϕ.

12


Hình 3.8 – Biểu đồ xung
Các công thức tính toán:
-

Tụ tạo dốc cho xung răng cưa: C10

-

Thời điểm phát xung : ttr =

-

Dòng nạp tụ:

-

Điện áp trên tụ : V10 =

I10 =

min= 500pF

max = 1uF

V11.V9 .C10

Vref .K

Rref .K
R9
Vref .K

R9 .C10

;

t

V10 = Vs -2

d. Nguyên lý tạo xung của vi mạch hệ thống:
Đầu tiên vi mạch tạo ra xung răng cưa đồng bộ từ điện áp sin đầu vào có tần số
f=50Hz, sau đó đưa giá trị điện áp đặt vào chân số 11, bộ so sánh của vi mạch sẽ so sánh
với điện áp răng cưa để cho ra xung điều khiển ở các chân 2,3,4,7,14,15. Vi mạch sử dụng
tụ C10 và điện trở R9 để tạo xung răng cưa.
Rref .K

-

Theo như trên ta có dòng nạp tụ: I10 =

-

Điện áp trên tụ V10 =

-

Để thuận tiện cho tính toán, ta lấy K=1
Theo bảng trong datasheet, ta chọn nguồn nuôi cho vi mạch là

Vref .K
R9 .C10

R9

t

Vs =12V , C10 =47nF , R9=100k.
13


-

Ta chọn giá trị điện áp cấp vào pin8 (chân Vref) là 3V.

-

Khi đó ta có : V10max =

-

3.1
= 4,25 V < Vs -2 nên hợp lý
100k.47n.100
Liên hệ giữa thời gian mở và V11 : Ttr =1.57. V11 (ms)

-

Vậy điện áp có thể đưa vào chân 11 có giá trị từ 0.2->4,25 V
Liên hệ giữa góc mở

a



ttr
hay a =100  . ttr
T


- Ta sử dụng 3 vi mạch TCA785.
2. Khâu biến áp xung

-

 Nhiệm vụ khuếch đại xung đầu ra của vi mạch điều khiển TCA785 đưa vào cực G
của thyristor để điều khiển thời điểm phát xung cho T.
 Nguyên lý hoạt động của BAX:
- Tín hiệu vào R6 là tín hiệu logic .Khi Q ở mức logic 1 thì T4 mở. Điện cảm L
ngăn không cho dòng collector chuyển ngay lên mức bão hòa mà tăng dần theo
công thức : I c  iL 

t
E
(1  e T )
R8

trong đó T=

L
R8
E
R8

-

Sau vài chu kỳ dòng sẽ đạt tới giá trị bão hòa : ic  I c 

-

Bên thứ cấp biến áp xung có điện áp cảm ứng làm mở D4 đưa dòng điều khiển
vào giữa cực G và K của T. Điốt D5 có tác dụng làm giảm điện áp ngược đặt lên
giữa catot và cực điều khiển của thyristor khi điện áp catot dương hơn so với
anot , đảm bảo an toàn cho tiếp giáp GK khi thyristor ở chế độ khóa.
Khi Q ở mức thấp 0 thì T4 khóa lại. Dòng collector – emitor về bằng 0. Tuy
nhiên dòng qua cuộn sơ cấp máy biến áp xung không thể về 0 ngay được. Sức
điện động tự cảm trên cuộn dây có xu hướng duy trì dòng IC. Suất điện động
này có thể rất lớn vì nó tỉ lệ với d(ic)/dt. Nhưng do có D3 và Dz nên dòng IC sẽ
bị khép kín và giảm dần về 0. Nhờ đó điện áp trên collector được giữ ở mức E +
U DZ + U D .

-

-

Điện trở R8 mắc nối tiếp giữa nguồn và biến áp xung có tác dụng hạn chế dòng

từ hóa biến áp xung .R8 được tính để đảm bảo dòng qua T4 không bao giờ vượt
quá dòng collector lớn nhất cho phép.
14


3. Mạch tạo điện áp Udk đưa vào chân 11 của IC TCA785
- Do trong quá trình điều chỉnh, nếu lượng điện áp đặt biến thiên quá nhanh
thường làm điện áp chỉnh lưu tăng vọt, dòng tải đột biến có thể dẫn đến hậu
quả nghiêm trọng cho thiết bị. Vì vậy cần hạn chế gia tốc tăng điện áp và đảm
bảo khởi động lại hệ thống khi chế độ ngắn mạch làm việc kết thúc.
- Tạo ra một giá trị điện áp giảm dần để giảm góc mở của thyristor qua đó tăng
dần điện áp bên phía cao áp lọc

Hình 3.9 – Mạch tạo Uđk
Khi có tín hiệu logic 0 phản hồi về đầu R11 thì T1 sẽ bị khóa , điện áp trên biến
trở sẽ bằng điện áp trên diode zener. Lúc đó tụ C sẽ được nạp điện :
UC 

1
U A dt  U C (0) phương trình nạp điện cho tụ
(VR  R 2 ) C 

Tụ C sẽ được nạp điện tuyến tính.Khi điện áp trên tụ đạt được - U A , chọn R1=R3
nên điện áp được duy trì ở - U A . Thời gian tụ C nạp điện phụ thuộc vào giá trị VR,
R2,C nên ta có thể điều khiển được thông qua việc điều khiển giá trị VR. Điện áp
sau khi ra khỏi OP1 bị âm nên ta dùng OP2 đảo chiều điện áp ra , chọn R4=R5 để
giá trị điện áp ra có độ lớn không đổi.
4. Khâu chống ngắn mạch làm việc
Do khi ở cao áp lọc điện áp lớn đến 1 giá trị xác định thì hai cực sẽ phóng điện
gây ra ngắn mạch hệ thống vì thế ta sẽ phải sử dụng khâu chống ngắn mạch để

đảm bảo hệ thống hoạt động an toàn. Khi xảy ra hiện tượng phóng điện giữa 2 bản
cực thì khâu tạo ra tín hiệu logic sẽ phát tín hiệu logic đưa vào chân 6 của IC
TCA785 để ngắt tín hiệu điều khiển đến Thyristor , đồng thời cũng gửi tín hiệu
logic về mạch tạo Uđk để bắt đầu một quá trình mới.

15


 Sơ đồ nguyên lý :

Hình 3.10 – Khâu chống ngắn mạch
Trong khâu chống ngắn mạch làm việc có sử dụng IC chuyên dụng là MM74HC4538
và optocoupler PC81711NSZ.
-

Khi xung vào ở mức logic 0 thì tụ Cx được nạp điện đến điện áp Vcc, đầu ra Q ở mức
0.Khi xung đầu vào chuyển từ 0->1 thì đầu ra Q chuyển lên mức cao, tụ Cx bắt đầu
phóng điện và nhanh chóng giảm về điện áp chuẩn Vref=1/3Vcc. Sau đó tụ Cx lại
được nạp đến điện áp mức chuẩn cao Vref=2/3Vcc. Khi đó đầu ra Q sẽ chuyển về
trạng thái 0. Như vậy ở đầu ra Q ta có 1 xung có độ rộng T=0,7.Cx.R

-

Dòng phản hồi lấy Id lấy về từ cao áp lọc làm xuất hiện trên Rs điện áp Us. Điện áp
Us này sẽ được so sánh với điện áp Ung. Khi xảy ra ngắn mạch thì dòng Id=2,1A làm
cho Us > Ung. Như vậy đầu ra của Opamp sẽ ở trạng thái bão hòa làm cho Diode mở
tạo xung mở Tranzitor trong vi mạch mở làm cho T2 mở. Tín hiệu này được đưa đến
chân 4 của vi mạch MM74HC4538 để tạo ra ở đầu 6 một xung có độ rộng lớn hơn.

16

CHƯƠNG IV.
TÍNH TOÁN THIẾT KẾ MẠCH LỰC
Với các thông số yêu cầu của thiết kế : Điện áp ra tải Ud=87.5kV DC, Dòng điện
làm việc Id=0.8A. Hệ thống làm việc với độ dữ trữ 10% về công suất nên ta sẽ có :
Udmax=96,25kV, I=0.8A. Công suất cực đại sẽ là Pmax =77KW, với công suất làm việc
Pđm=70KW
1. Tính toán máy biến áp lực
Điện một chiều tổng quát Ud tương ứng với tải định mức :
Ud = Udmax + ∆Uv + ∆Uba + ∆Udn
trong đó:
 Udmax : điện áp một chiều ra tải
 U v : sụt áp trên các van
 U ba : sụt áp bên trong máy biến áp bao gồm sụt áp trên điện trở và điện cảm
 U dn : sụt áp trên dây nối
Ta chọn sơ bộ tổng sụt áp trên điện trở, trở kháng và dây nối là 7%, điện áp sụt trên
van là 120V từ đó ta có U d 0 = U d + U ba =96,25. 103 .(1+ 7%) + 120 =103108
(V)=103KV
Công suât thực tế phần 1 chiều : Pd = Ud.Id = 103108.0,8=82486 W
Điện áp định mức của cuộn sơ cấp MBA :
Ud
103108
=
=44063
2,34
2,34
44063
U
Tỉ số biến áp m = 2 =

=116
380
U1

U2 =

-

Điện áp ngược max trên diode là : U ng max = 2,45U2 =107954(V)

-

Dòng điện tải I tb  I d =0.8(A)

-

Dòng điện trung bình trên mỗi diode là : I tbD =

Id
=0,27(A)
3

Ta lại có : I 2  0,816 I d =0.653(A) → I1  m.I2 =116×0.653=73,66(A)
2. Tính chọn diode
- Chọn hệ số dự trữ về điện áp : ku  2
-

Chọn hệ số dự trữ về dòng : ki  3

U ng max =2×107,95=215,9(kV), I tbmax =3. 0,27=0,81(A)

Từ những tính toán trên ta sẽ chọn loại diode D711N có:
Ungmax (V)
5800-6800

Idm (A) ∆U (V)
1680

1.45
17

U0 (V)

Rđ (mΩ)

0.84

0.87


Số lượng diode cần là:

U ng max
5800

=

107954
=19(cái)
5800

Sụt áp trên diode là : 2.1,45.19=55,1(V)
3. Tính chọn thyristor
Để chọn được thyristor ta cần quan tâm đến những thông số sau:
 Điện áp ngược lớn nhất : U ng max
 Giá trị dòng trung bình cho phép chạy qua thyristor
Điện áp ngược lớn nhất mà thyristor phải chịu là: U ng max =1,5. 2 .220=466,7 (V)
 Điện áp van cần chọn là: U = 2.466,7= 933,4(V)
Dòng điện làm việc của van: Ilv = 0.45I1 = 0.45×73.66 = 33.12 (A)
Chọn điều kiện làm việc của van là có cánh tản nhiệt và đầy đủ diện tích tỏa nhiệt,
không có quạt đối lưu không khí, với điều kiện đó cường độ dòng điện định mức là :
I dm  ki .Ilv =3×33.12=99.36(A)
Ta có Ungmax và Itbv ta chọn 6 thyristor loại T 130N của Tây Âu có các thông số :
Umax
1200-1800
(V)

Itb
130
(A)

∆U
1.96
(V)

U0
1.08
(V)

Iđk

180
(mA)

Uđk
1.4
(V)

Rđ
1.53
(mΩ)

du/dt
1000
(V/µs)

di/dt
150
(A/µs)

tph
180
(µs)

Ungmax: điện áp cực đại cho phép đặt trên van ( cả hai chiều thuận và ngược)
Itbv: dòng điện trung bình cho phép
U𝑜: ngưỡng điện áp
∆U: sụt áp thuận trên van
Iđk: dòng điện điều khiển van
Uđk: điện áp điều khiển van
Rđ: điện trở động

du /𝑑𝑡 : tốc độ tăng điện áp thuận trên van
di/ dt : tốc độ tăng dòng cực đại cho phép qua van
tph: thời gian phục hồi tính chất khóa cho van
 Bảo vệ van bán dẫn thyristor
- Để tránh hiện tượng quá dòng, quá áp trên van có thể gây nên 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 mác nối tiếp cuộn kháng bão
hoà để hạn chế tốc độ tăng dòng.
 Bảo vệ quá dòng: Vì phía sau bộ điều áp là MBA nên sẽ có thành phần cảm kháng.
Thành phần cảm kháng có tác dụng làm giảm tốc độ tăng dòng qua van khi có tín
hiệu mở van. Như vậy sẽ tránh được hiện tượng quá dòng.
18


 Bảo vệ quá áp
Nguyên nhân:
Là do sự tích tụ điện tích trong các lớp bán dẫn. Khi khoá 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.
Những nguyên nhân thường xảy ra ngẫu nhiên như khi đóng cắt không tải
một máy biến áp trên đường dây, khi có sấm sét. Để bảo vệ quá điện áp do tích tụ
điện tích chuyển mạch gây ra nên người ta dùng mạch RC đấu song song với
thyristor như sau:

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…Việc tính
toán thông số của mạch R, C rất phức tạp, đòi hỏi nhiều thời gian.

- Ngoài ra, trong mạch lực cũng cần có thêm các thiết bị bảo vệ ngắn mạch,
quá tải…như aptomat, cầu chì… ở mỗi pha và cầu chì ở trước mỗi van để
tăng cao tính an toàn cho mạch.
4. Bảo vệ quá dòng điện cho van :
- Aptomat dùng để đóng cắt mạch động lực,tự động ngắt mạch khi quá tải và ngắn
mạch tiristo,ngắn mạch đầu ra bộ biến đổi, ngắn mạch thứ cấp máy biến áp.
 Chọn 1 aptomat có :
-

Iđm =1.1I1 =1.1×73.66 = 81.03( A )
Uđm=380(V)
Có 3 tiếp điểm chính,có thể đóngcắt bằng tay hoặc bằng nam châm điện.
Chỉnh định dòng ngắn mạch :
Inm =2.5I1 =2.5×73.66=184.2 (A)
Dòng quá tải :
Iqt =1.6I1 = 1.6×73.66= 117.86( A )
 Chọn cầu dao có dòng định mức :
Iđm =1,1I1d =1.1×73.66=81.03 (A)

19


CHƯƠNG V:
TÍNH TOÁN MẠCH ĐIỀU KHIỂN
1.Máy biến áp xung
Ta tính toán máy biến áp xung với các thông số của thyristor :

IG = 0.18 (A)
UG = 1,4(V)
tx = 40 (μs)

Nguồn E = 1,4 (V)
Diện tích xung điều khiển : Sđk =E.tx =56 (V. μs)
Với dòng điều khiển yêu cầu là IGmax = 0.18 (A) ta có hể chọn biến áp xung loại
IT25 do hãng Schaffner chế tạo.
Biến áp xung này có các thông số kĩ thuật như sau :
- Diện tích đắc trưng cho độ rộng xung : V0.T = 250Vμs.
- Thời gian tạo sườn trước xug đo được với điện trở tải RL tới 70% giá trị biên độ
xung : tr = 1,1μs.
- Điện trở dây cuốn sơ cấp :RP = 0,8 (Ω)
- Điện trở dây cuốn thứ cấp :RS = 0,8 (Ω)
- Điện cảm dây cuộn sơ cấp tại 1 Khz :LP = 2,2 (mH)
- Điện cảm tản phía Sơ cấp tại 10Khz :Lstr = 40 (μH)
- Tụ điện giữa cuộn sơ cấp và cuộn thứ cấp :CK = 8 (pF)
- Giá trị điện áp lớn nhất cho phép:UEFF = 750 (V)
- Giá trị điện áp thử lớn nhất cho phép :UP = 4 (KV)
- Tỷ số biến áp : 1:1
- Giá trị điện áp lớn nhất cho phép : 750 (V)
- Dòng sơ cấp máy biến áp xung : I1 = IG + I μ
Vì điệp áp đặt lên cuộn dây biến áp xung có giá trị không đổi nên dòng điện từ hóa Iμ
thay đổi tuyến tính theo thời gian : Iμ=(U1.t)/LP
Như vậy ta có : Iμmax =(U1.tx)/LP
Ta phải có : U1 =UGK + ∆Ud = 1,4 + 1 = 2,44V
Vậy Iμmax =

2.4×40×10−6
2.2×10−3

= 0,044 A

 I1max = IG + Iμmax = 0,18 + 0,044 = 0,224 A

20


Điện áp nguồn nuôi : Un =24(V)
Ta chọn điện trở hạn chế :
24−𝑈1 24−2.44
R=
=
= 96,25 (Ω)
𝐼1𝑚𝑎𝑥

0.224

Transistor T1 phải chọn loại có dòng Icmax > 0,224 A.
2.Mạch tạo xung điều khiển thyristor
Điện áp đồng bộ lấy là 12 (V)
 Tỷ số biến đổi máy biên áp là:

220
12

=18.33≈ 19 lần

Với vi mạch TCA785 ta sử dụng nguồn nuôi 15V đưa vào chân 16
V10,max = VS -2 = 15 -2 =13(V)
V11 = V10,max =13(V)
Điện áp vào chân 6 của vi mạch TCA785 là :V6 =3,3 (V)
Lấy C10 =0,5 μF; R9 = 100 kΩ; Vref = 3,1 (V); K = 15%
Thời điểm phát xung :tTr =
Dòng nạp tụ I10 =

𝑉𝑟𝑒𝑓 .𝐾
𝑅9

Điện áp trên tụ V10 =

=

𝑉11 𝐶9 𝑅10
𝑉𝑟𝑒𝑓 .𝐾

3,1.0,15
100.10−3

𝑉𝑟𝑒𝑓 .𝐾
𝑅9 𝐶10

=

=

13.100.10−3 .0,5.10−6
3,1.0,15

=1,39s

=4,65 (μA)
3,1.0,15

100.10−3 .0,5.10−6

=9,6 (V)

3.Mạch tạo điện áp điều khiển Uđk
Điện áp yêu cầu vào chân 11 của vi mạch TCA785 là V11 = 13 (V)
Do đó chọn đặc tính Uđk có giá trị lớn nhất là 12(V)→Uđkmax= 12(V)
Giả sử thời gian để UD đạ đến 12V là 100ms
Chọn tụ C= 10𝜇𝐹 → VR + R2 =

100.10−3
10−6

= 100KΩ

Chọn R2 =50KΩ ,VR =100KΩ
Vậy thời gian tối đa để UD đạt đến 12V là :
tmax =150.10-3.10-6 =150ms
Thời gian tối thiểu để UD đạt đến 12V là :
tmin = 50.10-3.10-6 =50ms
Lấy R1 = R3 =100KΩ; R4 = R5 =100KΩ
21


Chọn Diode ổn áp Zener DZ1 có giá trị đện áp ổn đinh 12 (V)
4.Khâu chống ngắn mạch làm việc
Tín hiệu logic yêu cầu đưa đến chân 6 của vi mạch TCA785 có U=3,3 (V)
Chọn thời gian trễ =50ms
Đặt Ungưỡng =24 (V)
=>RS =

24
2

=12 (Ω)

-Tính toán vi mạch MM74HC4538:
Chọn +VCC =4(V)
Độ rộng xung ra chân 6 của vi mạch được tính theo công thức :
T = 0,7.RX.CX
Chọn CX =1μF
=>RX =

50.10−3
0,7.10−6

= 71,4.103 (Ω)

-Tính toán optocoupler :
Nguồn nuôi IC A3 là ±12 (V), do đó điện áp đỉnh tín hiệu ra của A3 là 12 (V)
Chọn dòng vào chân 1 của optocoupler là 5mA
=>R7 =

12
5.10−3

= 2,4 (K Ω)

22

CHƯƠNG VI:
KẾT QUẢ MÔ PHỎNG

Yêu cầu mô phỏng tăng điện áp của tháp lọc lên giá trị điện áp mong muốn.
Phần mềm sử dụng để mô phỏng là phần mềm Matlab
MÔ PHỎNG TRÊN MATLAP

Hình 6.1 – Sơ đồ mô phỏng
Giải thích các khối trong sơ đồ :
1. Khối phát xung cho mạch điều áp





A: Đầu vào lấy điện áp dây A
B: Đầu vào lấy điện áp dây B
C: Đầu vào lấy điện áp dây C
Udk: Thay đổi góc mở alpha cho thyristor

23


Đối với góc α = 300 ta có dạng xung ra như sau:

Hình 6.2 – Dạng xung điều khiển

2. Khối mạch điều áp 3 pha

Hình 6.3 – Bộ điều áp 3 pha

 Đầu vào của khối là điện áp pha A,B,C
 6pulse: đầu vào lấy từ khối phát xung
24


3. Kết quả mô phỏng
- Điện áp nguồn đầu vào (380V-50Hz)

Hình 6.4 – Điện áp nguồn vào
-

Thứ tự phát xung cho 1 pha

Hình 6.5 – Xung phát cho pha A
-

Điện áp pha UAB trước khi qua mạch điều áp

Hình 6.6 - Điện áp pha UAB trước khi qua mạch điều áp

25