Đồ án tốt nghiệp điều áp xoay chiều ba pha dùng IGBT

LỜI CAM ĐOAN

Em xin cam đoan bản đồ án tốt nghiệp: NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU ÁP
XOAY CHIỀU BA PHA BẰNG PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHẾ ĐỘ RỘNG XUNG do em tự

thiết kế dưới sự hướng dẫn của thầy giáo TS. Đỗ Mạnh Cường. Các số liệu và kết quả
là hoàn toàn đúng với thực tế.
Để hoàn thành đồ án này em chỉ sử dụng những tài liệu được ghi trong danh
mục tài liệu tham khảo và không sao chép hay sử dụng bất kỳ tài liệu nào khác. Nếu
phát hiện có sự sao chép em xin chịu hoàn toàn trách nhiệm.
Em xin cảm ơn

Hà Nội, ngày 28 tháng 04 năm 2017
Sinh viên thực hiện:

Trần Văn Bắc


LỜI NÓI ĐẦU
Sự ra đời và phát triển nhanh chóng của kĩ thuật bán dẫn công suất lớn như: Triac,
Tranzito công suất, Thyristor .v.v..cùng với sự hoàn thiện mạch điều khiển chúng tạo
nên sự thay đổi sâu sắc và sự phát triển vượt bậc của kĩ thuật biến đổi điện năng.
Vai trò của lĩnh vực điện tử công suất ngày càng quan trọng trong sản xuất cũng như
trong đời sống con người. Ở Việt Nam quá trình công nghiệp hóa hiện đại hóa đang
phát triển mạnh mẽ, do đó đặt ra yêu cầu cấp thiết cần có những kỹ sư, nhà nghiên
cứu khoa học tìm hiểu nghiên cứu chuyên sâu về lĩnh vực này. Tuy còn tương đối
mới mẻ ở nước ta, nhưng những khái niệm về bộ biến đổi công suất lớn đã được
nghiên cứu và ứng dụng rộng rãi trên thế giới. Chính vì những lợi ích to lớn của bộ
biến đổi công suất lớn đã được kiểm chứng trong thực tế cũng như thực trạng là ở
Việt Nam lĩnh vực này còn chưa được đầu tư nghiên cứu đúng mức. Trong quá trình làm
Đồ án tốt nghiệp của em dưới sự hướng dẫn của thầy TS. Đỗ Mạnh Cường em đã nỗ lực

cố gắng nghiên cứu và tìm hiểu các bộ biến đổi công suất hiện nay. Trong quá trình tìm
hiểu và nghiên cứu em nhận thấy những đặc điểm vượt trội hẳn so với các bộ biến đổi
khác của bộ điều áp xoay chiều ba pha sử dụng phương pháp điều chế độ rộng xung
PWM.
Sau quá trình tìm hiểu nghiên cứu cùng với sự hướng dẫn tận tình của thầy Đỗ
Mạnh Cường em đã rút ra kết luận đánh giá. Em xin gửi lời cảm ơn đến nhà trường
cũng như viện Điện đã tạo điều kiện cho em hoàn thành bản đồ án tốt nghiệp và em cũng
xin gửi lời cảm ơn chân thành nhất đến thầy Đỗ Mạnh Cường đã giúp đỡ tận tình
chỉ bảo hướng dẫn em hoàn thành bản Đồ án tốt nghiệp này. Vì lĩnh vực của đồ
án này còn mới nên không thể tránh khỏi những sai sót, thiếu sót nên e rất mong
nhận được sự đóng góp chỉ bảo của các thầy cô, nhà nghiên cứu để bài Đồ án của
em hoàn thiện hơn, em xin cảm ơn!


MỤC LỤC

DANH MỤC HÌNH VẼ ...................................................................................................... i
DANH MỤC BẢNG SỐ LIỆU ......................................................................................... iv
DANH MỤC VIẾT TẮT ................................................................................................... v
LỜI NÓI ĐẦU .................................................................................................................... 1
Chương 1. TỔNG QUAN VỀ NHÀ MÁY MẠ TÔN ...................................................... 2
1.1 Quy trình sản xuất mạ kẽm tôn cuộn ........................................................................ 2
1.2 Bộ gia nhiệt điện trở .................................................................................................. 5
1.3 Yêu cầu công nghệ cho bộ điều áp xoay chiều ......................................................... 6
Chương 2. ĐỀ XUẤT CÁC GIẢI PHÁP CHO BỘ ĐIỀU ÁP XOAY CHIỀU ............ 8
2.1 Điều áp xoay chiều ba pha sử dụng thyristor………………………………...…….8
2.2 Quan hệ giữa góc điều khiển và công suất tải ……………………………………10
2.3 Ưu nhược điểm của điều áp xoay chiều ba pha dùng thyristor……………………17
2.4 Các ứng dụng quan trọng của điều áp xoay chiều ……………………………….18
Chương 3. BỘ ĐIỀU ÁP XOAY CHIỀU SỬ DỤNG PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHẾ

ĐỘ RỘNG XUNG PWM ................................................................................................. 20
3.1 Các cấu trúc thường dùng ......................................................................................... 20
3.2 Nguyên lý hoạt động của mạch .................................................................................24
3.3 Sơ đồ dòng chảy của mạch điện ................................................................................25
3.4 Thiết kế, tính toán thông số mạch ............................................................................28
Chương 4. CẤU TRÚC ĐIỀU KHIỂN BỘ ĐIỀU ÁP XOAY CHIỀU BẰNG
PHƯƠNG PHÁP PWM ...................................................................................................32
4.1 Các phương pháp điều khiển PWM .........................................................................32
4.2 Thiết kế mạch vòng điều khiển điện áp ....................................................................33
Chương 5. KẾT QUẢ MÔ PHỎNG CHO BỘ ĐIỀU ÁP XOAY CHIỀU PWM ......36
5.1 Cấu trúc mạch điều khiển vòng hở ...........................................................................36
5.2 Cấu trúc mạch điều khiển vòng kín (có phản hồi điện áp). ......................................46


5.3 Mô phỏng mạch ba pha ............................................................................................51
KẾT LUẬN .......................................................................................................................55
TÀI LIỆU THAM KHẢO ...............................................................................................57


Danh mục hình vẽ

DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình vẽ chương 1:
Hình 1.1 Sơ đồ dây chuyền sản xuất tôn…………………………………………………..2

Hình vẽ chương 2:
Hình 2.1 Điều áp xoay chiều 1 pha dùng thyristor…………………………………...……9
Hình 2.1 Đồ thị điện áp ra…………………………………………………………...…….9
Hình 2.3 Cấu trúc điều áp 3 pha với tải thuần trở đấu sao……….………………………10
Hình2.4 Sơ đồ dẫn dòng khi cả 3 pha cùng dẫn………………………………………….11

Hình 2.5 Sơ đồ dẫn dòng khi chỉ có 2 van dẫn…………………………………………...11
Hình 2.6 Đồ thị điện áp pha A của tải, góc dẫn thyristor   (180o  ) ………………….13
Hình 2.7 Đồ thị điện áp pha A của tải với   60 0  90 0 …………………………………14
Hình 2.8 Đồ thị điện áp pha A của tải với   90 0  150 0 ………………………………..15
Hình 2.9 Đồ thị mô tải mối quan hệ giữa công suất và góc điều khiển…………………..17

Hình vẽ chương 3:
Hình 3.1 Cấu trúc mạch Buck với hai chuyển mạch……………………………………..21
Hình 3.2 Cấu trúc mạch Buck với ba chuyển mạch………………………………...……22
Hình 3.3 Khâu phát xung cho bộ biến đổi sử dụng 3 chuyển mạch…………………...…22
Hình 3.4 Cấu trúc mạch Buck với bốn chuyển mạch…………………………………….23
Hình 3.5 Sơ đồ mạch điện………………………………………………………………..23
Hình 3.6 Sơ đồ dòng chảy trong nửa chu kỳ dương khi SW1 thông……………………..24
Hình 3.7 Sơ đồ dòng chảy trong nửa chu kỳ dương khi SW2 thông……………………..25
Hình 3.8 Sơ đồ dòng chảy trong nửa chu kỳ âm khi SW1 thông………………………...26
i


Danh mục hình vẽ

Hình 3.9 Sơ đồ dòng chảy trong nửa chu kỳ âm khi SW2 thông………………………...27

Hình vẽ chương 4:
Hình 4.1 Đáp ứng điện áp khi cấp một tín hiệu điều khiển………………………………32
Hình 4.2 Đáp ứng có dạng chữ S…………………………………………………………33
Hình 4.3 Đáp ứng quá độ của một khâu quán tính bậc nhất có trễ……………………….33
Hình 4.4 Cấu trúc mạch vòng kín ………………………………………………………..34

Hình vẽ chương 5:
Hình 5.1 Mạch điều khiển vòng hở của bộ biến đổi……………………………………...35

Hình 5.2 Khâu tạo tín hiệu xung tam giác có biên độ 0 – 5 V, tần số sóng mang f=
600Hz…………………………………………………………………………………......35
Hình 5.3 Đồ thị điện áp đầu ra của bộ biến đổi tải RL…………………………………...36
Hình 5.4 Phân tích phổ sóng hài khi đặt điện áp điều khiển là 3,5V (70%)……………...37
Hình 5.5 Đồ thị dòng điện ra tải với tải RL(R=5,8 L=0,0114)…………………………..38
Hình 5.6 Đồ thị giữa điện áp và dòng điện ra tải (tải RL) (5*Iout)……………………....38
Hình 5.7 Đồ thị dòng điện phía nguồn vào……………………………………………....39
Hình 5.8 Phân tích phổ sóng hài ở phía đầu vào………………………………………...39
Hình 5.9 Khối Ramp điện áp và giữ điện áp ở mức 1,5V(30%) và 3,5V (70%)………...40
Hình 5.10 Đồ thị biểu diễn mức ramp điện áp (30% và 70%) và đồ thị phát xung cho
SW1………………………………………………………………………………………40
Hình 5.11 Đồ thị biểu diễn mức điện áp ra tải…………………………………………..41
Hình 5.12 Power Factor Mensuarement Block………………………………………….41
Hình 5.13 Tạo khối Power Factor Mensuarement Block………………………………..42
Hình 5.14 Mạch mô phỏng khi lắp thêm bộ lọc đầu vào và đầu ra……………………...42
Hình 5.15 Điện áp đầu ra sau khi lọc…………………………………………………….43
Hình 5.16 Đồ thị dòng điện đầu vàokhi mắc thêm bộ lọc ………………………………43
Hình 5.17 Phân tích phổ sóng hài của dòng điện đầu vào. Ta thấy thành phần THD chỉ
còn 1,06%...........................................................................................................................44

ii


Danh mục hình vẽ

Hình 5.18 Mô phỏng mạch vòng kín phản hồi điện áp với Uđk =2.5V…………………..44
Hình 5.19 Giá trị điện áp hiệu dụng ở đầu ra bộ biến đổi khi Uđk=2.5V………………....45
Hình 5.20 Điện áp đầu ra của bộ biến đổi khi Uđk=2.5V………………………………...45
Hình 5.21 Điện áp đầu ra của bộ biến đổi khi Uđk=2.5V(khi đã phóng to)………………46
Hình 5.22 Mô phỏng mạch vòng kín phản hồi điện áp với Uđk =3.5V………………… 46

Hình 5.23 Giá trị điện áp hiệu dụng ở đầu ra khi đặt điện áp điều khiển 3,5V (154
Vrms)…………………………………………………………………………………… 47
Hình 5.24 Giá trị điện áp ở đầu ra khi đặt điện áp điều khiển 3,5V (154 Vrms)………..47
Hình 5.25 Giá trị điện áp ở đầu ra khi đặt điện áp điều khiển 3,5V (154 Vrms)(phóng
to)…………………………………………………………………………………………48
Hình 5.26 Tín hiệu điều khiển và tín hiệu sóng mang tam giác…………………………48
Hình 5.27 Tín hiệu đầu ra của bộ PI……………………………………………………..49
Hình 5.28 Mạch lực bộ điều áp xoay chiều ba pha……………………………………...49
Hình 5.29 Phát xung SPWM…………………………………………………………….50
Hình 5.30 Tín hiệu điều khiển và tín hiệu sóng mang……………………………………51
Hình 5.31 Điện áp đầu ra ở pha A………………………………………………………..53
Hình 5.32 Điện áp đầu ra ở pha A………………………………………………………..53
Hình 5.33 Điện áp đầu ra ở cả 3 pha …………………………………………………….54

iii


Danh mục bảng số liệu

DANH MỤC BẢNG SỐ LIỆU

Bảng 2.1 Mối quan hệ giữa công suất ra tải và góc điều khiển…………………………..16
Bảng 3.1 Quá trình đóng cắt của các van……………………………………………...…22
Bảng 3.2 Datasheet của IGBT STGF30H60DF………………………………………….29
Bảng 5.1 Bảng số liệu giữa tỷ số điều chế và hệ số công suất đầu vào…………………..42

iv


Danh mục viết tắt

DANH MỤC VIẾT TẮT
FAC
PWM AC
Choper
PWM
SHE PWM

Phase Angle Control

Pulse Width Modulation AC Choper
Pulse Width Modulation
Selective Harmonic Elimination
PWM

SVM

Space Vector Modulation

SPWM

Sin Pulse Width Modulation

v


Lời nói đầu

LỜI NÓI ĐẦU
Sự ra đời và phát triển nhanh chóng của kĩ thuật bán dẫn công suất lớn như: Triac,

Tranzito công suất, thyristor.v.v.. cùng với sự hoàn thiện mạch điều khiển chúng tạo
nên sự thay đổi sâu sắc và sự phát triển vượt bậc của kĩ thuật biến đổi điện năng.
Vai trò của lĩnh vực điện tử công suất ngày càng quan trọng trong sản xuất cũng như
trong đời sống con người. Ở Việt Nam quá trình công nghiệp hóa hiện đại hóa đang
phát triển mạnh mẽ, do đó đặt ra yêu cầu cấp thiết cần có những kĩ sư, nhà nghiên
cứu khoa học tìm hiểu nghiên cứu chuyên sâu về lĩnh vực này. Tuy còn tương đối
mới mẻ ở nước ta, nhưng những khái niệm về bộ biến đổi công suất lớn đã được
nghiên cứu và ứng dụng rộng rãi trên thế giới. Chính vì những lợi ích to lớn của bộ
biến đổi công suất lớn đã được kiểm chứng trong thực tế cũng như thực trạng là ở
Việt Nam lĩnh vực này còn chưa được đầu tư nghiên cứu đúng mức. Trong quá trình làm
Đồ án tốt nghiệp của em dưới sự hướng dẫn của thầy TS. Đỗ Mạnh Cường em đã nỗ lực
cố gắng nghiên cứu và tìm hiểu các bộ biến đổi công suất hiện nay. Trong quá trình tìm
hiểu và nghiên cứu em nhận thấy những đặc điểm vượt trội hẳn so với các bộ biến đổi
khác của bộ điều áp xoay chiều ba pha sử dụng phương pháp điều chế độ rộng xung
PWM.
Sau quá trình tìm hiểu nghiên cứu cùng với sự hướng dẫn tận tình của thầy Đỗ
Mạnh Cường em đã rút ra kết luận đánh giá. Em xin gửi lời cảm ơn đến nhà trường
cũng như viện Điện đã tạo điều kiện cho em hoàn thành bản đồ án tốt nghiệp và em cũng
xin gửi lời cảm ơn chân thành nhất đến thầy Đỗ Mạnh Cường đã giúp đỡ tận tình
chỉ bảo hướng dẫn em hoàn thành bản Đồ án tốt nghiệp này. Vì lĩnh vực của đồ
án này còn mới nên không thể tránh khỏi những sai sót, thiếu sót nên e rất mong
nhận được sự đóng góp chỉ bảo của các thầy cô, nhà nghiên cứu để bài Đồ án của
em hoàn thiện hơn, em xin cảm ơn!

1


Chương 1. Tổng quan về nhà máy mạ tôn

Chương 1

TỔNG QUAN VỀ NHÀ MÁY MẠ TÔN

1.1

Quy trình sản xuất mạ kẽm tôn cuộn
Ngày nay, cùng với sự phát triển kinh tế, công nghiệp xây dựng, việc sử dụng tôn

trong các công trình xây dựng được sử dụng là rất nhiều. Do đó việc sản xuất tôn được rất
nhiều nhà sản xuất trong nước đưa vào sản xuất. Cùng với sản xuất tôn với mẫu mã mới,
đẹp và chất lượng cũng rất được quan tâm, chú ý. Để đảm bảo chất lượng và sự bền vững
cho tôn, ngày nay nhiều nhà sản xuất áp dụng công nghệ mạ kẽm cho tôn.

Hình 1.1 Sơ đồ dây chuyền mạ kẽm tôn cuộn

Quy trình mạ kẽm nhúng nóng chúng em xin trình bày sơ lược dưới đây gồm các
bước cơ bản.

2


Chương 1. Tổng quan về nhà máy mạ tôn

Bước 1. Kiểm tra nguyên liệu đầu vào.
•

Cân cuộn tôn đen, ghi và lưu các số liệu như: Trọng lượng cuộn lý thuyết (của nhà

sản xuất) và thực tế (trọng lượng khi đem cân), trọng lượng bao bì, quy cách và loại tôn
(tôn cứng hay tôn mềm) vào sổ theo dõi chất lượng tôn đen.
• Kiểm tra chất lượng tôn đen.

- Kiểm tra sơ bộ: quy cách, nguồn gốc xuất xứ.
- Tháo bỏ bao bì và kiểm tra bên trong nguyên liệu, đối với vác cuộn không đạt tiêu
chuẩn như bị méo, bị giãn biên, giãn bụng, rỉ sét nặng.
- Trong quá trình mạ phải thường xuyên theo dõi chất lượng tôn đen (mức độ dầu mỡ,
giãn biên, giãn bụng, đứt nối giữa cuộn…).
- Cấp nguyên liệu liên tục vào dây chuyền.
Sau khi nguyên liệu đã đạt tiêu chuẩn để mạ, nguyên liệu được đưa vào thiết bị xả cuộn
và nối vào cuộn cũ để cấp tôn liên tục cho dây chuyền.
Bước 2. Tẩy dầu mỡ và rỉ sét (làm sạch bề mặt tôn).
Trước khi tôn đưa vào mạ phải qua công đoạn tẩy dầu mỡ và rỉ sét, công đoạn này
gồm 4 phần:
- Dùng hóa chất tẩy dầu mỡ: Trước tiên bang tôn được đi qua 1 bể nhúng có nồng độ
từ 23-40 điểm, được kích hoạt nhiệt độ bằng hơi nước đạt từ 600C-800C, sau đó qua 2
buồng phun. Buồng phun được phun bằng hệ thống bơm nước áp lực cao kết hợp với 1
hàm lượng nhỏ chất tẩy dầu kéo từ bể nhúng qua, phun lên cả 2 mặt của băng tôn và dùng
cặp trục chà bằng cước để tầy sạch phần dầu mỡ trên bề mặt tôn.
- Sau khi đã đi qua hai buồng phun, băng tôn tiếp tục qua 1 buồng phun nước nóng ở
nhiệt độ từ 600C-800C để rửa sạch dầu mỡ cùng hóa chất trên băng tôn. Kết thúc công
việc tẩy dầu mỡ, băng tôn được đi vào 1 bể dung dịch HCL với nồng độ từ 10%-12% tùy
theo mức độ rỉ sét của tôn để tiến hành tẩy rỉ sét.

3


Chương 1. Tổng quan về nhà máy mạ tôn

- Qua ba vị trí tẩy rửa trên, lúc này băng tôn tiếp tục đi qua 1 bể nước để tráng rửa
thành phần axit còn lại, sau đó qua 1 buồng phun bằng nước nóng rồi lại qua 1 bể nước để
tráng rửa lần cưới và được vắt khô bằng 1 cặp trục cao su trước khi qua công đoạn sấy.
- Công đoạn sau cùng: Băng tôn đi qua hệ thống sấy khô trước khi chuyển sang hệ

thống trữ tôn (looper)
- Gia nhiệt băng tôn trước khi xuống chảo mạ. Sau khi tẩy rửa sạch sẽ bề mặt, băng
tôn được đưa qua 1 lò sấy nhiệt trực tiếp nhằm mục đích nâng nhiệt độ băng tôn lên
khoảng 2000C để tránh sự mất nhiệt gây hại cho chảo mạ.
Bước 3. Quá trình mạ kẽm.
Đây là công đoạn quan trọng nhất của dây chuyển.
Băng tôn sau khi đạt đến nhiệt độ 1800C-2000C sẽ đi qua ngăn chứa dung dịch
(Ammonium Chloride và một số kim loại khác như Antimon, Alummium, ...) để tẩy sạch
bề mặt lần cuối, làm tăng độ sáng bóng của bề mặt kẽm và cơ tính của lớp mạ kẽm.
Sau đó băng tôn đi qua ngăn chứa kẽm và cuối cùng là đi qua cụm thiết bị dao gió
để hoàn tất quá trình mạ kẽm. Độ dày mỏng của lớp mạ kẽm được kiểm soát thông qua
cụm thiết bị dao gió này.
Bước 4. Quá trình làm nguội.
Khi băng tôn được mạ phủ một lớp kẽm theo yêu cầu, lúc này băng tôn còn nóng và
được làm nguội nhờ hệ thống ống gió và quạt làm nguội gắn ở phía trên dàn làm nguội.
Sau khi qua công đoạn làm nguội bằng gió, lúc này nhiệt độ của băng tôn vẫn còn khá
cao.
Vì vậy băng tôn được chạy qua 1 bể nước làm nguội để giảm nhiệt độ xuống khoảng
600C-800C, đồng thời tráng rửa nhữn hồn hợp muối, bụi kẽm và các tạp chất khác bám
trên bề mặt tôn mạ nhằm giữ cho bề mặt tôn mạ được sạch sẽ trước khi qua công đoạn thụ
động hóa.

4


Chương 1. Tổng quan về nhà máy mạ tôn

Bước 5. Xử lý cơ tính thép sau khi mạ.
Sau khi quá trình làm nguội, băng thép mạ được chuyển qua thiết bị Skinpass Mill
và Tensionleveller. Tại đây, băng tôn mạ được xử lý cán bề mặt bóng loáng và nắn phẳng

trước khi chuyển sang công đoạn phủ hóa chất antifingher bảo vệ bề mặt.
Bước 6. Thụ động hóa bề mặt (Antifinger).
Sau khi được làm nguội và rửa sạch bằng bể nước, băng tôn được vắt khô bằng 1
cặp trục cao su và tiếp tục qua bể thụ động hóa, tại đây băng tôn được nhúng trong bể
dung dịch cromat với nống độ từ 3-7 điểm (3%-7%), nhiệt độ từ 550C-650C. Băng tôn đã
được mạ kẽm khi đi qua bể thụ động hóa được phủ 1 lớp chromate vô định hình trên bề
mặt tôn để tăng khả năng chống gỉ cho bề mặt tôn, sau đó được vắt khô nhờ cặp trục cao
su trước khi qua công đoạn làm khô.

1.2

Bộ gia nhiệt điện trở
Trong quá trình mạ tôn, để đảm bảo tôn trước khi đi vào bể kẽm nóng chúng ta phải

gia nhiệt cho băng tôn một cách chính xác nhiệt độ đặt ra. Ở công ty TNHH Ống thép
Hòa Phát sử dụng 16 buồng gia nhiệt với tổng công suất lên đến 400kW. Buồng gia nhiệt
điện trở do công ty TNHH Ống thép Hòa Phát sử dụng có cấu tạo cơ bản như sau :
- Vỏ buồng gia nhiệt là một khung cứng vững, chủ yếu để chịu tải trọng trong quá
trình làm việc của buồn gia nhiệt, mặt khác vỏ cũng dùng để giữ lớp cách nhiệt rời và
đảm bảo sự kín hoàn toàn hoặc tương đối giảm sử hao tổn nhiệt ra môi trường.
- Lớp lót buồng điện trở gồm hai phần chính: vật liệu chịu lửa và vật liệu cách nhiệt.
Phần cách nhiệt nằm giữa lớp vỏ và vật liệu chịu lửa, mục đích nhằm giảm tổn thất nhiệt.
- Dây nung được cấu tạo là dây nung kim loại.
Để đảm bảo sự chính xác về nhiệt độ của bộ gia nhiệt chúng ta cần có một bộ biến
đổi có thể thay đổi được giá trị điện áp theo mong muốn do vậy bộ điều áp xoay chiều ba
pha được dùng cho hệ thống gia nhiệt.

5

Chương 1. Tổng quan về nhà máy mạ tôn

1.3

Yêu cầu công nghệ cho bộ điều áp xoay chiều
Yêu cầu công nghệ đặt ra là bộ điều áp xoay chiều phải đảm bảo điện áp đầu ra

chính xác tương ứng với nhiệt độ yêu cầu, điều này cực kỳ quan trọng trong chất lượng
của sản phẩm.
Các bộ gia nhiệt phải đảm bảo vận hành theo chu trình khép kín để giảm thiểu tổn
thất nhiệt
Thiết lập kiểm soát tự động, điều khiển chính xác nhiệt độ tương ứng với điện áp với
mức sai số cho phép, vận hành linh hoạt.
Bộ điều áp có hiệu suất càng cao càng tốt, bởi vì bộ gia nhiệt có tổng công suất rất
lớn nên các thành phần sóng hài sinh ra khi điều chỉnh bộ điều áp phải được kiểm soát,
nếu không sẽ gây ảnh hưởng xấu đến chất lượng của điện lưới.
Đảm bảo tính kinh tế.
Ngày nay với sự phát triển của các thiết bị chuyển mạch như IGBT, GTO… đã thúc
đầy việc nghiên cứu và khả năng sử dụng của bộ điều áp xoay chiều. Qua bộ điêu áp
xoay chiều điện áp đầu ra sẽ có giá trị hiệu dụng thay đổi nhưng tần số cơ bản vẫn được
giữ nguyên và dạng điện áp ra sẽ gần với điện áp hình sin.
Ngày nay trong các ứng dụng cũng như các nghiên cứu thì các bộ điều áp xoay chiều
3 pha gồm các kiểu cấu trúc sau:
-

Cấu trúc dùng thyristor điều khiển bằng phương pháp điều khiển góc pha.

-

Cấu trúc dùng IGBT điều khiển bằng phương pháp điều chế độ rộng xung PWM.

Cuộc cách mạng đầu tiên trong ĐTCS bắt đầu vào năm 1948 với việc phát minh ra
silicon transistor tại phòng thí nghiệm Bell Telephone Laboratories bởi Bardeen, Bratain,
and Schockley. Phần lớn công nghệ điện tử tiên tiến ngày nay dựa trên phát minh này,
các mô hình microelectronics cũng được phát triển từ linh kiện bán dẫn này. Cuộc cách
mạng thứ hai bắt đầu với việc phát triển của Thyristor trong công nghiệp bởi hãng
General Electric Company vào năm 1958. Đây là khởi đầu của kỷ nguyên mới của
ĐTCS. Từ đó đến nay có rất nhiều các linh kiện bán dẫn cũng như công nghệ biến đổi
6


Chương 1. Tổng quan về nhà máy mạ tôn

được đề xuất và ứng dụng. Ngày nay, công nghệ chế tạo các phần tử bán dẫn công
suất đã đạt được những tiến bộ vượt bậc với việc cho ra đời những phần tử kích thước
nhỏ gọn, có khả năng đóng cắt dòng điện lớn, chịu được điện áp cao và giảm tổn hao
công suất. Cùng với đó là các tiến bộ vượt bậc trong lĩnh vực lý thuyết điều khiển và
các phần tử điều khiển ví dụ như các chip vi xử lý, vi điều khiển, DSP 16 bit, 32 bit, …
nhanh và mạnh hơn trước rất nhiều. Những nền tảng quan trọng đó đóng vai trò quyết
định đến sự phát triển của lĩnh vực điện tử công suất, góp phần tạo ra nhiều chủng loại
bộ biến đổi với những ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp và trong đời sống. Điện tử
công suất đã và đang phát triển mạnh mẽ và trải rộng trong hầu khắp các lĩnh vực. Với
dải công suất trải rộng từ nhỏ (vài W đến vài trăm W) đến lớn và rất lớn (vài trăm kW
đến vài chục MW). Điện tử công suất được ứng dụng rộng khắp từ các thiết bị cầm tay,
dân dụng đến các thiết bị công nghiệp.
Các bộ biến đổi trên có thể cho đầu ra giá trị điện áp mong muốn. Tuy nhiên phương
pháp điều áp xoay chiều cũ dùng Thyristor với phương pháp điều khiển góc pha đã bộc lộ
nhiều khuyết điểm như góc mở chậm, hệ số công suất đầu vào thấp, tồn tại các thành
phần sóng hài bậc thấp, hiệu suất không cao …
Chính vì vậy, qua quá trình phân tích, tìm hiểu các ưu nhược điểm để đưa ra giải

pháp là cần một bộ biến đổi có khả năng khắc phục được các nhược điểm cố hữu của bộ
biến đổi cũ do đó em thấy Bộ điều áp xoay chiều ba pha sử dụng phương pháp điều chế
độ rộng xung (PWM three-phase AC Chopper) đã giải quyết được các nhược điểm của bộ
biến đổi cũ. Do đó trong bản đồ án tốt nghiệp này, em xin trình bày quá trình “Nghiên
cứu, thiết kế bộ điều áp xoay chiều ba pha sử dụng phương pháp điều chế độ rộng xung
PWM” và phương pháp điều khiển của bộ biến đổi.

7


Chương 2. Đề xuất các giải pháp cho bộ điều áp xoay chiều

Chương 2
ĐỀ XUẤT CÁC GIẢI PHÁP CHO BỘ ĐIỀU ÁP XOAY
CHIỀU
Điều áp xoay chiều 3 pha hiện nay có nhiều phương án, chúng ta sẽ xem xét một vài
phương án phổ biến hay được sử dụng.
Đầu tiên, công suất ra tải của buồng gia nhiệt được tính theo công thức
P3

U t2
Rt

Như vậy, để thay đổi công suất ra tải, ta có thể thay đổi Rt hoặc U t . Tuy nhiên,
trong thực tế, người ta thường chọn cách thay đổi U t để thay đổi công suất ra tải.
2.1 Phương án điều áp xoay chiều sử dụng Thyristor.
Khi có sẵn một nguồn 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 tương tự như ở các bộ chỉnh lưu tức là thay đổi điểm mở của van so
với điểm qua không của điện áp nguồn, vì vậy còn gọi là phương pháp điều khiển góc pha

hay có tên gọi khác là phương pháp xén pha (Phase angle control PAC).
Do điot chỉ có thể dẫn dòng theo một chiều mà điện áp ra tải là điện áp xoay chiều
nên trong mạch điều áp này người ra thường sử dụng TRIAC hoặc sử dụng 2 van
Thyristor mắc song song ngược.

8


Chương 2. Đề xuất các giải pháp cho bộ điều áp xoay chiều

Hình 2.1 Điều áp xoay chiều 1 pha dùng thyristor

Các van T1, T2 lần lượt dẫn dòng theo 1 chiều xác định nên dòng qua cặp thyristor
đấu song song ngược này là dòng xoay chiều. Các van thyristor được phát xung điều
khiển lệch nhau góc 180 độ điện để đảm báo dòng qua cặp van hoàn toàn đối xứng.
Ta có dạng đồ thị điện áp ra của mạch điều áp xoay chiều dùng thyristor.

Hình 2.1 Đồ thị điện áp ra

Trong thực tế công nghiệp, các mạch điều áp xoay chiều thưởng sử dụng là các
mạch điều áp xoay chiều ba pha, tải mắc hinh sao (Y) hoặc tải hình tam giác (Δ). Quá
trình làm việc của mạch điều áp xoay chiều ba pha phức tạp hơn so với mạch một pha vì
ở đây các pha ảnh hưởng mạnh sang nhau và nó còn tùy thược vào yếu tố như sơ đồ đấy
van, góc điều khiển cụ thể, tính chất tải… Hình sau là một ví dụ sơ đồ ĐAXC ba pha
dùng Thyristor với tải thuần trở đấu sao. Đây cũng là cấu trúc điều áp được sử dụng nhiều
và rộng rãi nhất. Ngoài ra còn có các sơ đồ đấu tam giác, đấu hỗn hợp nhưng trong bản đồ
án này sẽ không nói sâu.

9

Chương 2. Đề xuất các giải pháp cho bộ điều áp xoay chiều

Hình 2.3 Cấu trúc điều áp 3 pha với tải thuần trở đấu sao

2.2 Quan hệ giữa góc điều khiển và công suất 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 dưới đây ta có thể có được biểu thức điện áp của
từng giai đoạn.
Dưới đây là các quy luật dẫn dòng của van trong mạch điều áp xoay chiều ba pha:
• Trường hợp cả bap ha cùng dẫn (mỗi pha có một van dẫn) thì toàn bộ điện áp ba pha

nguồn đều nối ra tải. (Utải = Unguồn).

10


Chương 2. Đề xuất các giải pháp cho bộ điều áp xoay chiều

Hình2.4 Sơ đồ dẫn dòng khi cả 3 pha cùng dẫn.

• Nếu chỉ có 2 pha có van dẫn thì 1 pha nguồn bị ngắt ra khỏi tải, do đó điện áp đưa ra
tải là điện áp dây nào có van đang dẫn. (Utải = ½ Udây)

Hình 2.5 Sơ đồ dẫn dòng khi chỉ có 2 van dẫn.

• Không thể có trường hợp chỉ có 1 pha dẫn dòng.

11

Chương 2. Đề xuất các giải pháp cho bộ điều áp xoay chiều

Dựa vào quy luật dẫn dòng của van trong từng giai đoạn mà ta có thể xây dựng được
đồ thị điện áp ra của mạch điều áp xoay chiều 3 pha. Tiếp theo, từ những biểu thức điện
áp của từng giai đoạn đó ta có thể tính toán được các đại lượng cần tính như điện áp, dòng
điện, công suất …
Ta xét hoạt động của mạch điều áp xoay chiều ba pha dùng sáu thyristor đấu song
song ngược, tải thuần trở đấu hình sao ở trên và dựng đồ thị quan hệ giữa công suất tải và
góc α:
Công suất tải là: P  3I 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 như sau:
• Nếu mỗi pha có một van dẫn (hay toàn mạch có ba van dẫn):
i

U đm
sin(   )
3R

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

Trong đó:

U đm
sin(   )
2R

- Uđm 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 0  60 0
Trong phạm vi này sẽ có các giai đoạn ba van và hai van dẫn xen kẽ nhau như đồ

thị dưới đây:

12


Chương 2. Đề xuất các giải pháp cho bộ điều áp xoay chiều

Hình 2.6. Đồ thị điện áp pha A của tải, góc dẫn thyristor   (180o  )

Góc dẫn của van là   (180 0   ) , valve ngắt khi điện áp pha nguồn bằng không (đối
với tải thuần trở).
Dựa vào đồ thị ta có thể xác định được biểu thức liên quan giữa công suất ra tải P
và góc điều khiển α:


P  3.I 2 .R 



3U
sin 
(

d 
R  4
2
dm

3

2

3







2
3

sin 
sin 
d  
d 
4
4

2

3

3

13



2

2

3



2
3



sin 2 
sin 2 
d  
d )
4
4
2
3



Chương 2. Đề xuất các giải pháp cho bộ điều áp xoay chiều
2
3U dm
  sin 2
(  
)
=
R 6 4
8

2)

(1)

Khoảng dẫn của van ứng với   60 0  90 0

- Vùng điều khiển này luôn chỉ có 2 van dẫn và không phụ thuộc vào góc điều khiển 
- Van trong cùng nhóm (chẵn hoặc lẻ) thay nhau dẫn, valve sau dẫn khi valve trước mới
khóa lại. Lúc đó góc dẫn của valve là   120 0 .
- Điện áp ra tải không còn bằng điện áp nguồn mà chỉ có thể bằng một nửa điện áp dây.
Ta có đồ thị điện áp ra ở dưới:

0
0
Hình 2.7. Đồ thị điện áp pha A của tải với   60  90

14

Chương 2. Đề xuất các giải pháp cho bộ điều áp xoay chiều

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

5 
 
6 3

3U
P  3.I .R 
(
R 
2



 
2 3

5 
 
6 3

sin 
d 
4


2



 
2 3

sin 2 
d )
4

2
3U dm
 3
3
=
(  sin 2 
cos 2 )
 R 12 16
16

(2)

Khoảng van dẫn ứng với   90 0  150 0 :

3)
-

Trong phạm vi này có 2 trạng thái thay thế nhau là hai van dẫn hoặc không có van

nào dẫn xen kẽ nhau.

-

Van không dẫn liên tục mà dẫn thành hai giai đoạn xen giữa một khoảng nghỉ.

-

Van ngắt dòng mỗi khi điện áp dây nguồn về 0
Ta có đồ thị điện áp ra như ở dưới:

15


Chương 2. Đề xuất các giải pháp cho bộ điều áp xoay chiều

0
0
Hình 2.8. Đồ thị điện áp pha A của tải với   90  150

Dựa vào đồ thị ta có thể xác định được biểu thức liên quan giữa công suất ra tải P và
gọc điều khiển α
P  3.I 2 .R 

2
3U dm
(
R 





 
2 3

=

sin 2 
d 
4






 
2 3

sin 2 
d )
4

2
3U dm
5 
3
1
(  

cos 2  sin 2 )
 R 24 4 16
16

(3)

Theo ba biểu thức (1) (2) (3) và cho các giá trị  khác nhau và lấy P ở   0 0 là
100% ta có bảng các giá trị và đồ thì điểu diễn quan hệ giữa công suất ra tải P và góc điều
khiển  :

16