THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN VÀ KHỐNG CHẾ NHIỆT ĐỘ SỬ DỤNG KỸ THUẬT SỐ CHO LÒ ĐIỆN TRỞ 3 PHA CÔNG SUẤT LỚN

Chương 3: Tính toán và thiết kế mach lực

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỎ-ĐỊA CHẤT
BỘ MÔN KỸ THUẬT ĐIỆN-ĐIỆN TỬ

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

SINH VIÊN THỰC HIỆN: Nguyễn Mạnh Hưng
GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN: Đinh Văn Thắng

HÀ NỘI 2017


Chương 3: Tính toán và thiết kế mach lực

TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỎ-ĐỊA CHẤT
BỘ MÔN KỸ THUẬT ĐIỆN-ĐIỆN TỬ

ĐỀ TÀI TỐT NGHIỆP

Họ và tên: Nguyễn Mạnh Hưng
Ngành: Điện-Điện tử

Hệ đào tạo: Chính qui

Khoá:57
Ngày nhận đề tài:
Ngày hoàn thành:
Tên đề tài
THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN VÀ KHỐNG CHẾ NHIỆT ĐỘ SỬ DỤNG KỸ

THUẬT SỐ CHO LÒ ĐIỆN TRỞ 3 PHA CÔNG SUẤT LỚN
-----------------------------------------------------------------

Giảng viên hướng dẫn: Đinh Văn Thắng
Chủ nhiệm Bộ môn:


Chương 3: Tính toán và thiết kế mach lực

Lời Nói Đầu
Trong thực tế công nghiệp và sinh hoạt hàng ngày ,năng lượng nhiệt đóng
một vai trò rất quan trọng. Năng lượng nhiệt có thể được dùng để nung nóng,sấy
… Vì vậy việc sử dụng nguồn năng lượng này một cách hợp lý và có hiệu quả là
rất cần thiết. Lò điện trở được ứng dụng rất rộng rãi trong công nghiệp vì đáp ứng
được nhiều yêu cầu thực tiễn đặt ra. Ở lò điện điện trở,yêu cầu kĩ thuật quan trọng
nhất là phải điều chỉnh và khống chế được nhiệt độ của lò. Đây cũng chính là yêu
cầu của đồ án tốt nghiệp mà em đã được giao.
Đồ án này đã được thực hiện dưới sự hướng dẫn tận tình của thầy hướng dẫn
ĐINH VĂN THẮNG.


Chương 3: Tính toán và thiết kế mach lực

CHƯƠNG I: GIỚI THIỆU CHUNG VỀ LÒ ĐIỆN TRỞ

1.1.

Giới thiệu chung về lò điện trở

1.1.1.

Khái niệm

Lò điện trở là một thiết bị điện biến điện năng thành nhiệt năng thông qua
dây đốt (dây điện trở). Từ dây đốt qua bức xạ, đối lưu và truyền nhiệt dẫn
nhiệt, nhiệt năng được truyền tới vật cần gia nhiệt. Lò điện trở thường dùng
để nung, sấy, nấu chảy kim loại, ...
1.1.2.

Nguyên lý làm việc của lò điện trở

Lò điện trở làm việc dựa trên cơ sở khi có một dòng điện chạy qua một dây
dẫn hoặc vật dẫn thì ở đó sẽ tỏa ra một lượng nhiệt theo định luật Jun-Lenxo:
Q=I2RT
Q-Lượng nhiệt tính bằng Jun(J)
I -Dòng điện tính bằng Ampe(A)
R -Điện trở tính bằng Ôm(Ω)
T-Thời gian tính băng giây(s)
Từ công thức trên ta thấy điện trở R có thể đóng vai trò:Vật nung(Trường
hợp này gọi là nung trực tiếp), Dây nung; khi dây nung được nung nóng nó sẽ
truyền nhiệt cho vật nung bằng bức xạ, đối lưu, dẫn nhiệt hoặc phức hợp
(Trường hợp này gọi là nung gián tiếp)
-Trường hợp thứ nhất ít gặp vì nó chỉ dùng để nung những vật có hình
dạng đơn giản (tiết diện chữ nhật, vuông hoặc tròn).
-Trường hợp thứ hai thường gặp nhiều trong thực tế công nghiệp.
Cho nên nói đến lò điện trở không thể không đề cập đến vật liệu làm dây
nung, bộ phận làm phát nhiệt của lò.


Chương 3: Tính toán và thiết kế mach lực

1.1.3.

Những vật liệu dùng làm dây nung

a) Yêu cầu của vật làm dây nung:
Trong lò điện trở, dây đốt là phần tử chính biến đổi điện năng thành nhiệt
năng thông qua hiệu ứng Joule. Dây đốt cần phải làm từ vật liệu thỏa mãn các
yêu cầu sau:
- Chịu được nhiệt độ cao.
- Độ bền cơ khí lớn.
- Có điện trở suất lớn (vì điện trở suất nhỏ sẽ dẫn đến dây dài khó bố trí
trong lò hoặc tiết diện dây nhỏ, không bền).
- Hệ số nhiệt điện trở nhỏ (vì điện trở sẽ ít thay đổi theo nhiệt độ, đảm bảo
công suất lò).
- Chậm hóa già (tức là dây đốt ít bị biến đổi theo thời gian, do đó đảm bảo
tuổi thọ của lò).
b) Vật liệu làm dây đốt
- Hợp kim: Cr - Ni, Cr - Al… với lò có nhiệt độ làm việc dưới 12000C.
- Hợp chất: SiC, MoSi2 … với lò có nhiệt độ làm việc 12000C ÷ 16000C.
- Đơn chất: Mo, W, C (graphit)…với lò điện trở làm việc cao hơn 16000C.
Do đó căn cứ vào khoảng nhiệt độ làm việc để chọn vật liệu làm dây đốt
cho phù hợp. Trong đồ án này đòi hỏi nhiệt độ 800 – 1000 0C nên chọn vật
liệu làm dây đốt là hợp kim Cr - Ni có thành phần hóa học là 20 – 23%Cr, 75
– 78%Ni, còn lại là Fe và các chất khác.
1.1.4.

Cấu tạo lò điện trở

Lò điện trở thông thường gồm ba phần chính :- Vỏ lò

- Lớp lót
- Dây nung


Chương 3: Tính toán và thiết kế mach lực

a)Vỏ lò
Vỏ lò điện trở là một khung cứng vững, chủ yếu để chịu tải trọng trong quá
trình làm việc của lò. Mặt khác vỏ lò cũng dùng để giữ lớp cách nhiệt rời và
đảm bảo sự kín hoàn toàn hoặc tương đối của lò.
Đối với các lò làm việc với khí bảo vệ, cần thiết vỏ lò phải hoàn toàn kín,
còn đối với các lò điện trở bình thường, sự kín của vỏ lò chỉ cần giảm tổng
thất nhiệt và tránh sự lùa của không khí lạnh vào lò, đặc biệt theo chiều cao
lò.
Trong những trường hợp riêng, lò điện trở có thể làm vỏ lò không bọc kín.
Khung vỏ lò cần cứng vững đủ để chịu được tải trọng của lớp lót, phụ tải lò
(vật nung) và các cơ cấu cơ khí gắn trên vỏ lò.
- Vỏ lò hình chữ nhật thường dùng ở lò buồng, lò liên tục, lò đáy rung…
- Vỏ lò tròn dùng ở các lò giếng và một vài lò chụp…
- Vỏ lò tròn chịu lực tác dụng bên trong tốt hơn vỏ lò chữ nhật khi cùng
một lượng kim loại để chế tạo vỏ lò. Khi kết cấu vỏ lò tròn, người ta
thường dùng thép tấm dày:
•

3 – 6 mm khi đường kính vỏ lò là 1000 – 2000 mm

•

8 – 12 mm khi đường kính vỏ lò là 2500 – 4000 mm

•

14 – 20 mm khi đường kính vỏ lò là 4500 – 6500 mm

Khi cần thiết tăng độ cứng vững cho vỏ lò tròn, người ta dùng các vòng
đệm tăng cường bằng các loại thép hình.
Vỏ lò chữ nhật được dựng lên nhờ các thép hình chữ U, L và thép tấm cắt
theo hình dáng thích hợp. Vỏ lò có thể được bọc kín, có thể không tùy theo
yêu cầu kín của lò.
Phương pháp gia công vỏ lò loại này chủ yếu là hàn và tán.


Chương 3: Tính toán và thiết kế mach lực

b)Lớp lót
Lớp lót lò điện trở gồm hai phần: vật liệu chịu lửa và cách nhiệt.
- Phần vật liệu chịu lửa có thể xây bằng gạch tiêu chuẩn, gạch hình và gạch
hình đặc biệt tùy theo hình dáng và kích thước đã cho của buồng lò. Cũng có
khi người ta đầm bằng các loại bột chịu lửa và các chất dính dết gọi là các
khối đầm. Khối đầm có thể tiến hành ngay trong lò và cũng có thể tiến hành ở
ngoài nhờ các khuôn.
Phần vật liệu chịu lửa cần đảm bảo các yêu cầu sau:
+ Chịu được nhiệt độ làm việc cực đại của lò.
+ Có độ bền nhiệt đủ lớn khi làm việc.
+ Có đủ độ bền cơ học khi xếp vật nung và đặt thiết bị vận chuyển trong
điều kiện làm việc.
+ Đảm bảo khả năng gắn dây nung bền và chắc chắn.
+ Có đủ độ bền hóa học khi làm việc, chịu được tác dụng của khí quyển
lò và ảnh hưởng của vật nung.
+ Đảm bảo khả năng tích nhiệt cực tiểu. Điều này đặc biệt quan trọng

đối với lò làm việc chu kỳ.
- Phần cách nhiệt thường nằm giữa vỏ lò và phần vật liệu chịu lửa. Mục
đích chủ yếu của phần này là để giảm tổn thất nhiệt. Riêng đối với đáy, phần
cách nhiệt đòi hỏi phải có độ bền cơ học nhất định còn các phần khác nói
chung không yêu cầu.
Yêu cầu cơ bản của phần cách nhiệt là:
+ Hệ số dẫn nhiệt cực tiểu
+ Khả năng tích nhiệt cực tiểu
+ Ổn định về tính chất vật lý, nhiệt trong điều kiện làm việc xác định.


Chương 3: Tính toán và thiết kế mach lực

Phần cách nhiệt có thể xây bằng gạch cách nhiệt, có thể điền đầy bằng bột
cách nhiệt.
c)Dây nung
Theo các đặc tính của vật liệu dùng làm dây nung, người ta chia dây nung
ra làm hai loại: dây nung kim loại và dây nung phi kim loại.
Trong công nghiệp, các lò điện trở dùng phổ biến là dây nung kim loại.
1.1.5.

Phân loại lò điện trở

Phân loại lò điện trở có nhiều cách:
 Theo nhiệt độ làm việc của lò:
- Lò nhiệt độ thấp (t < 6500C)
- Lò nhiệt độ trung bình ( 6500C < t < 12000C)
- Lò nhiệt độ cao ( t > 12000C)
 Theo nơi dùng:
- Lò dùng trong công nghiệp.

- Lò dùng trong phòng thí nghiệm.
- Lò dùng trong gia đình v.v…
 Theo dặc tính làm việc:
- Lò làm việc gián đoạn.
- Lò làm việc liên tục.
 Theo kết cấu của lò:
- Lò buồng
- Lò giếng, lò chụp, lò bể…
 Theo mục đích sử dụng
- Lò tôi
- Lò ram


Chương 3: Tính toán và thiết kế mach lực

- Lò ủ
- Lò nấu chảy v.v…
1.2. Những vấn đề cần phải lưu ý trong việc thiết kế lò điện trở
a)Hợp lý về công nghệ
Hợp lý về công nghệ là cấu tạo lò không những phù hợp với quá trình công
nghệ yêu cầu mà còn tính đến khả năng sử dụng nó đối với quá trình công
nghệ khác nếu như không làm phức tạp quá trình gia công và làm tăng giá
thành một cách rõ rệt. Cấu trúc lò đảm bảo được các điều kiện như thế mới
coi là hợp lý nhất. Điều này đặc biệ quan trọng trong khi nhu cầu về lò điện
trở vượt xa khả năng sản xuất ra nó.
b)

Hiệu quả về kĩ thuật

Hiệu quả về kĩ thuật là khả năng biểu thị hiệu suất cực đại của kết cấu khi

các thông số nó xác định( kích thước ngoài, công suất, trọng lượng giá thành
v.v…).
Đối với một thiết bị hoặc một vật phẩm sản xuất ra, năng suất trên một đơn
vị công suất định mức, suất tiêu hao điện để nung v.v…là các chỉ tiêu cơ bản
của hiệu quả kĩ thuật. Còn đối với từng phần riêng biệt của kết cấu hoặc chi
tiết, hiệu quả kỹ thuật được đánh giá bằng công suất dẫn động, mô men xoắn,
lực v.v… ứng với trọng lượng, kích thước hoặc giá thành kết cấu.
c)Chắc chán khi làm việc
Chắc chắn khi làm việc là một trong những chỉ tiêu quan trọng nhất của
chất lượng kết cấu của các là điện. Thường các lò điện làm việc liên tục trong
một ca, hai ca và ngay cả ba ca một ngày. Nếu trong khi làm việc một bộ phận
nào đó không hoàn hảo sẽ ảnh hưởng đến quá trình sản xuất chung. Điều này
đặc biệt quan trọng đối với các lò điện làm việc liên tục trong dây chuyền sản
xuất tự động. Ngay đối với các lò điện làm việc chu kì, lò ngừng cũng làm
thiệt hại rõ rệt cho sản xuất vì khi ngừng lò đột ngột ( nghĩa là phá hủy chế độ


Chương 3: Tính toán và thiết kế mach lực

làm việc bình thường của lò) có thể dẫn đến các hư hỏng sản phẩm, lãng phí
nguyên vật liệu và tăng giá thành sản phẩm.
Một trong những chỉ tiêu về sự chắc chắn khi làm việc của một bộ phận đó
của lò điện là khả năng thay thế nhanh hoặc khả năng dự trữ lớn khi lò làm
việc bình thường. Theo quan điểm chắc chắn, trong thiết bị cần chú ý đến các
bộ phận quan trọng nhất, quyết định sự làm việc liên tục của lò. Thí dụ : dây
nung, băng tải v.v…
d)

Tiện lợi khi sử dụng

Tiện lợi khi sử dụng là yêu cầu
- Số nhân viên phục vụ tối thiểu.
- Không yêu cầu trình độ chuyên môn cao, không yêu cầu sức lực và sự
dẻo dai của nhân viên phục vụ.
- Số lượng các thiết bị hiếm và quý bị hao mòn nhanh yêu cầu tối thiểu.
- Bảo quản dễ dàng. Kiểm tra và sửa chữa tất cả các bộ phận của thiết bị
thuận lợi.
- Theo quan điểm an toàn lao động, điều kiện làm việc phải hợp vệ sinh
và tuyệt đối an toàn.
e) Rẻ và đơn giản khi chế tạo
Về mặt này như sau:
- Tiêu hao vật liệu ít nhất, đặc biệt là các vật liệu quý và hiếm (các kim
loại màu, các hợp kim có hàm lượng niken cao…).
- Công nghệ chế tạo đơn giản nghĩa là khả năng chế tạo phải sao cho
ngày công ít nhất và tận dụng các thiết bị, dụng cụ thông thường có sẵn
trong các nhà máy chế tạo gia công.
- Các vật liệu và thiết bị yêu cầu để chế tạo phải ít nhất.
- Sử dụng tối đa các kết cấu giống nhau và cùng loại để dễ dàng đổi lẫn
và thuận tiện khi lắp ráp.


Chương 3: Tính toán và thiết kế mach lực

- Chọn hợp lý các dạng gia công để phù hợp với điều kiện chế tạo (đúc,
hàn, dập). Bỏ các chi tiết và các khâu gia công cơ khí không hợp lý.
f) Hình dáng ngoài đẹp
Mỗi kết cấu của thiết bị, vật phẩm, các khâu và các chi tiết phải có hình
dáng và tỷ lệ các cạnh phù hợp, dễ coi.
Tuy vậy cũng cần chú ý rằng, độ bền của kết cấu khi trọng lượng nhỏ và
hình dáng bề ngoài đẹp có quan hệ khăng khít với nhau.

Việc gia công lần chót như sơn có vai trò đặc biệt quan trọng đối với hình
dáng bề ngoài của lò điện. Song cũng cần tránh sự trang trí không cần thiết.

CHƯƠNG 2: LỰA CHỌN SƠ ĐỒ MẠCH ĐIỆN CỦA LÒ ĐIỆN TRỞ
2.1. Xây dựng sơ đồ khối chức năng của mạch
Ta có sơ đồ khối chức năng:
Đầu vào

Khối điều khiển
công suất
(khối đóng ngắt)

Nguồn

Khối điều áp

Tải


Chương 3: Tính toán và thiết kế mach lực

Trong sơ đồ khối chức năng của mạch điện của lò điện trở gồm có các khâu
chính sau:
+ Đầu vào
+ Khối điều khiển công suất (khối đóng ngắt)
+ Tải
+ Nguồn
+ Khối điều áp
2.2. Xây dựng sơ đồ mạch động lực
Lò điện trở và vật cần nung là đối tượng điều khiển của hệ thống với đại lượng

cần điều chỉnh là nhiệt độ vật cần nung. Việc điều chỉnh nhiệt độ của vật cần nung
cũng chính là điều chỉnh nhiệt độ trong buồng lò hay điều chỉnh công suất đặt vào
lò.
Như đã nói ở trên, công suất ra tải của lò được tính theo công thức:
P = 3.

U2f
Rt

Như vậy, để thay đổi công suất ra tải ta có 2 cách:
- Điều chỉnh về phía tiêu thụ tức là thay đổi điện trở R t của lò. Phương
pháp này ít được sử dụng do tính không liên tục và hạn chế về phạm vi
điều khiển.


Chương 3: Tính toán và thiết kế mach lực

- Điều chỉnh về phía cung cấp tức là thay đổi điện áp U f. thể thay đổi
hoặc

Uf

Rt

. Trong thực tế, người ta chọn cách phương pháp naỳ để có thể

thay đổi công suất ra tải.
+Khi có sẵn một nguồn xoay chiều, để có thể thay đổi điện áp ra tải người 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 van so với điểm qua không điện áp nguồn, vì vậy gọi là phương
pháp điều khiển pha ( thay đổi góc mở van).
+ Theo đề bài ,” thiết kế bộ điều khiển và khống chế nhiệt đọ sử dụng kỹ thuật
số cho lò điện trở 3 pha công suất lớn” , ta giả định công suất định mức của lò
điện trở là 100 KW nên ta sẽ sử dụng bộ biến đổi điện áp xoay chiều ba pha để
thiết kế mạch lực và mạch điều khiển cho hệ thống điều chỉnh và tự động khống
chế nhiệt độ lò điện trở.
+Do điot chỉ có thể dẫn dòng theo một chiều mà ta lại yêu cầu điện áp ra tải là
xoay chiều nên trong mạch điện áp xoay chiều người ta không dùng điot mà dùng
triac vì đây là loại van bán dẫn duy nhất cho phép dòng điện xoay chiều đi qua nó.
Tuy nhiên, do triac không thông dụng bằng thyristor nên thực tế người ta thường
dùng sơ đồ 2 thyristor đấu song song ngược nhau thay cho triac như hình dưới:
THY1

R

L

THY2

Các van T1, T2 lần lượt dẫn dòng theo một chiều xác định nên dòng đi qua cặp
thyristor đấu song song ngược này là dòng xoay chiều. Các van thyristor được cấp
xung điều khiển lệch nhau góc 180 độ điện để đảm bảo dòng qua cặp van là hoàn
toàn đối xứng.


Chương 3: Tính toán và thiết kế mach lực

Một ưu điểm của việc sử dụng hai van thyristor đấu song song ngược nhau thay thế
cho triac trong mạch điện áp xoay chiều là khả năng điều khiển để mở bà khóa

thyristor dễ dàng hơn nhiều so với triac.
1, Sơ đồ điều áp xoay chiều 3 pha bằngThiristor
Dưới đây trình bày các bộ điều chỉnh điện áp dòng xoay chiều hay sử dụng nhất
ứng với các phương pháp lựa chọn khi thiết kế mạch lực và mạch điều khiển.
a. Sơ đồ đấu sao dùng Thiristor có dây trung tính

Ưu điểm:
- Điện áp ngược trên các van dẫn nhỏ vì điện áp đặt vào van bán dẫn là
điện áp pha.
- Hoạt động tương tự như bộ điều áp 1 pha, các pha hoạt động độc lập
với nhau, do đó việc tính toán hoàn toàn tương tự như ĐAXC một pha
nên sẽ đơn giản hơn.
Nhược điểm:
- Các van đấu ở điện trung tính có tồn tại dòng điện điều hòa bậc cao


Chương 3: Tính toán và thiết kế mach lực

- khi góc mở các van khác 0 có dòng tải gián đoạn.
Kết luận: Trong thực tế loại sơ đồ này sử dụng rất ít và loại sơ đồ nối này chỉ thích
hợp các loại tải 3 pha có 4 đầu dây ra
b. Sơ đồ đấu sao dùng Thiristor không có dây trung tính

Ưu điểm:
- Điện áp ngược trên các van dẫn lớn hơn vì điện áp đặt vào van bán
dẫn là điện áp dây.
- Hoạt động của bộ điều chỉnh điện áp xoay chiều 3 pha nối sao không
dây trung tính là sự hoạt động tổng hợp của các pha. Việc điều chỉnh
điện áp bộ điều áp 3 pha không dây trung tính phụ thuộc vào góc α.
Nên dễ dàng hơn trong việc điều khiển.

Nhược điểm:
- Việc tính toán các van sẽ phức tạp hơn.


Chương 3: Tính toán và thiết kế mach lực

- Dạng dòng điện và điện áp ra tải đều không sin, nhưng với tải điện trở
thuần của lò điện trở thì việc điện áp ra tải không sin cũng không ảnh
hưởng đến chế độ làm việc của lò
Kết luận: Trong thực tế loại sơ đồ này sử dụng rất phổ biến.
c. Sơ đồ đấu tam giác dùng Thiristor

Ưu điểm:
- Số lượng van bán dẫn tại các chế độ khác sẽ giảm
- Làm đơn giản hoá tín hiệu điều khiển. Không cần thiết bị xung điều
khiển rộng hoặc xung khẳng định để đảm bảo sơ đồ hoạt động. Chỉ
cần 1 xung là đủ
- Đơn giản về cách ghép và điều khiển đối xứng
Nhược điểm:
- Tuy nhiên nếu các Thiristor đấu tam giác sẽ có điện áp ngược cực đại
phải chịu từ 1.5 Vm √3 Vm
2,

Lựa chọn bộ điều áp xoay chiều


Chương 3: Tính toán và thiết kế mach lực

Từ việc phân tích các ưu - nhược điểm của từng phương án trên ta đi đến kết luận
lựa chọn phương án để thiết kế mạch lực và mạch điều khiển của bộ điều chỉnh và

khống chế lò điện trở là : “Bộ điều chỉnh điện áp ba pha sáu thyristor đấu song
song ngược tải thuần trở không dây trung tính.”
3,

Bộ điều chỉnh điện áp ba pha sáu thyristor đấu song song ngược tải

thuần trở không dây trung tính

Sơ đồ nối sao không có dây trung tính
 Nguyên lý hoạt động:
Khi bộ biến đối xung áp ba pha được đấu sao không có dây trung tính, quá trình
điện từ hoàn toàn khác với sơ đồ trên hình vì quá trình dẫn dòng trong một pha
phải tương thích với quá trình dẫn dòng trong các pha khác.
Hoạt động của bộ điều chỉnh điện áp xoay chiều 3 pha nối sao không dây trung
tính là sự hoạt động tổng hợp của các pha. Việc điều chỉnh điện áp bộ điều áp 3
pha không dây trung tính phụ thuộc vào góc α.


Chương 3: Tính toán và thiết kế mach lực

Khi đóng hoặc mở 1 thyristor của một pha nào đó sẽ làm thay đổi dòng của hai
pha còn lại, ta lưu ý rằng trong hệ thống điện áp chảy qua ba pha hoặc chỉ qua hai
pha. Không có trường hợp chỉ có một pha dẫn dòng.
Khi dòng chảy qua cả 3 pha thì điện áp trên mỗi pha đúng bằng điện áp pha của nó
( ,, )
Khi dòng chảy qua cả 2 pha thì điện áp trên pha tương ứng bằng ½ điện áp trên dây
của hai pha mà có hai thyristor dẫn điện ( ví dụ:

trong khoảng T 1 ÷ T2 và

trong

khoảng T4 ÷ T5)
Sau đây ta phân tích sự hoạt động của sơ đồ qua các trường hợp sau với tải R. 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 3 khoảng điều khiển chính:
0° ≤

 Khoảng dẫn van ứng với

α

≤ 60°

:

Trong phạm vi góc α này sẽ có các giai đoạn 3 van và 2 van dẫn xen kẽ nhau.
Dạng điện áp của pha Ua như hình dưới:

θ

θ

θ

θ

θ

θ

θ

2

3

4

5

6

7

Đồ thị điện áp pha Ua với α =

30°

, góc dẫn van


Chương 3: Tính toán và thiết kế mach lực

Dựa vào sơ đồ ta có thể xác định được biểu thức liên quan giữa tải P và góc điều
khiển α
Công suất tải:
P1 =

(1)

 Khoảng dẫn van ứng với :
Trong phạm vi này luôn chỉ có các giai đoạn 2 van dẫn.
Dạng điện áp của pha Ua như hình dưới:
θ1

θ

θ

θ

θ

θ

θ

4

2

7

Đồ thị điện áp pha Ua với α =

75°

, góc dẫn van

Dựa vào sơ đồ ta có thể xác định được biểu thức liên quan giữa tải P và góc điều
khiển α
Công suất tải:
P2 =
 Khoảng dẫn van ứng với

α

=

(2)

90° ÷ 150°

Trong trường hợp này chỉ có các giai đoạn 2 van dẫn hoặc không van nào dẫn cả.


Chương 3: Tính toán và thiết kế mach lực

Đồ thị điện áp pha Ua với

α

=

120°

, van dẫn hai đoạn bằng (150- ), xen giữa là

đoạn nghỉ không có van nào dẫn ( - 90)

Công suất tải:

P3 =

(3)

Theo ba biểu thức (1), (2), (3) và các giá trị α khác nhau và lấy P ở α = 0 là 100%
ta có bảng các giá trị và đồ thị thể hiện mối quan hệ giữa công suất tải và góc α.
α
0
20
30
40
50
60
70
80

P%
100
98.6
95.6
90.2
81.8
70.6
57.16
42.8

α
90

100
110
120
130
140
150
0

P%
29.3
18.1
9.7
4.3
1.3
0.1
0
0


Chương 3: Tính toán và thiết kế mach lực

Mối quan hệ giữa công suất tải và góc α
Nhận xét: Công suất đưa ra tải là lớn nhất khi góc điều khiển α = 0, nhưng với
α = 30 cũng có công suất xấp xỉ khi α = 0.
2.3. Xây dựng sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển
Điều khiển nhiệt độ của lò nhằm mục đích tạo ra một nhiệt độ thích hợp với
điều kiện sử dụng của lò. Việc điều khiển nhiệt độ bằng cách điều chỉnh điện áp và
dòng điện cấp cho sợ đốt, mà việc điều chỉnh dòng điện và điện áp là điều chỉnh
góc mở của Thyristor.
1, Mạch điều khiển

Mạch điều khiển chỉnh lưu cần thực hiện các nhiệm vụ chính sau:
•
Phát xung điều khiển (xung để mở van) đến các van lực theo đúng
•

pha và với góc điều khiển α cần thiết.
Đảm bảo phạm vi góc điều chỉnh αmin ÷ αmax tương ứng với phạm vi

•

thay đổi điện áp tải của mạch lực.
Cho phép bộ chỉnh lưu làm việc bình thường với các chế độ khác
nhau do tải yêu cầu như chế độ khởi động, chế độ nghịch lưu, các chế
độ dòng điện liên tục hay gián đoạn, chế độ hãm hay đảo chiều điện

•

áp,…
Có độ đối xứng xung điều khiển tốt, không vượt quá 1 ÷ 3, tức là góc

•

điều khiển với mọi van không được lệch quá giá trị trên.
Đảm bảo mạch làm việc ổn định và tin cậy khi lưới điện dao động cả

•
•
•

về giá trị điện áp và tần số.

Có khả năng chống nhiễu công nghiệp tốt
Độ tác động của mạch điều khiển nhanh, dưới 1 ms.
Thực hiện các yêu cầu về bảo vệ bộ chỉnh lưu từ phía điều khiển,
nếu cần, như ngắt xung điều khiển khi sự cố, thông báo các hiện

•

tượng không bình thường với lưới và bản thân bộ chỉnh lưu,…
Đảm bảo xung điều khiển phát tới các van lực phù hợp để mở chắc

chắn van, có nghĩa là phải thỏa mãn các yêu cầu:
- Đủ công suất thể hiện ở điện áp và dòng điều khiển Uđk, Iđk.


Chương 3: Tính toán và thiết kế mach lực

- Có sườn xung dốc đứng để mở van chính xác vào thời điểm quy định,
thường tốc độ tăng áp điều khiển phải đạt 10 V/μs, tốc độ tăng dòng
điều khiển 0,1 A/μs.
- Độ qua xung điều khiển đủ cho dòng qua van kịp vượt trị số dòng
điện duy trì Idt của nó, để khi ngắt xung van vẫn giữ được trạng thái
dẫn.
- Có dạng phù hợp với sơ đồ chỉnh lưu và tính chất tải.
2, Cấu trúc mạch điều khiển Thyristor
Ulực

ĐB

Uss

Urc

Uđb

Utựa

SS

Ugk

Udx

DX

KĐX

Uđk

Giản đồ cấu trúc mạch điều khiển
A, Khâu đồng pha (DF)
Tạo điện áp trùng pha với điện áp thứ cấp của biến áp mạch lực và cách ly
điện áp cao phía mạch lực và mạch điều khiển điện áp thấp.
B, Khâu tạo điện áp tựa ( tạo điện áp răng cưa Urc)
Tạo điện áp răng cưa có chu kì làm việc theo chu kì của điện áp đồng pha
C, Khâu so sánh (SS)
So sánh giữa điện áp tựa với điện áp điều khiển, tìm thời điểm hai điện áp
này bằng nhau để phát xung điều khiển, tức là xác định được góc α
D, Khâu dạng xung (DX)
Tạo ra xung phù hợp để mở chắc chắn van chỉnh lưu, hiện nay người ta
thường sử dụng xung chùm.

E, Khâu khuếch đại xung (KĐX)
Thường dùng biến áp xung nhằm khuếch đại tín hiệu xung và cách ly giữa
mạch lực và mạch điều khiển.
G, Khâu bảo vệ quá dòng.
Khi dòng điện lớn hơn dòng cho phép(hoặc lớn hơn 1 giá trị cho trước), ngắt
xung để bảo vệ quá dòng.
H, Khâu kết thúc quá trình khởi động.
Khi Uđk = Uđkmax và Iđc < I* thì kết thúc quá trình khởi động, đóng CTT nối
trực tiếp động cơ vào lưới điện.


Chương 3: Tính toán và thiết kế mach lực

+) UAK : Điện áp điều khiển (điện áp một chiều)
Ut : Điện áp tựa (đồng bộ với điện áp A-K của thyristor)
Hiệu điện áp │Uđk – Ut │đưa vào khâu so sánh
Thay đổi Uđk có thế điều chỉnh được vị trí xung điều khiển tức là có thể điều
chỉnh được góc α
3, Nguyên tắc điều khiển
Có 2 nguyên tắc:
A, Nguyên tắc điều khiển thẳng đứng tuyến tính.
Uđk + Ut đưa đến đầu vào của 1 khâu so sánh bằng cách làm biến đổi U đk ta có thể
điều chỉnh được thời điểm xuất hiện xung tức là điều chỉnh được góc α
Khi Uđk = 0 thì α = 0
Khi Uđk < 0 thì α > 0
Quan hệ giữa α và Uđk như sau:

α=
Ta lấy đkmax = Utmax
B, Nguyên tắc điều khiển thẳng đứng Arccor

Nguyên tắc này dùng 2 điện áp :
Điện áp đồng bộ Ut vượt trước điện áp A-K của thyristor một góc bằng ( nếu
UAK = Asinωt thì Ut = Bcosωt ).
UAK có thể điều khiển được theo hai hướng dương và âm.
Uđk + Ut được đưa đến đầu khâu so sánh. Khi U đk + Ut = 0 ta nhận được một
xung ở đầu ra ở khâu so sánh.
Uđk + Bcosα = 0
→ α = arccos()
Thường lấy B = Uđkmax
Khi Uđk = 0 thì α =
Nguyên tắc này được dùng trong các thiết bị chỉnh lưu tốc độ cao.


Chương 3: Tính toán và thiết kế mach lực

Nhận xét: Yêu cầu của đề bài là điện áp xoay chiều ba pha nên ta có thể dùng
nguyên tắc điều khiển thẳng đứng tuyến tính vì nó đơn giản và đáp ứng được yêu
cầu của mạch lực
+) Mạch động lực được thiết kế ở trên là mạch sáu thyristor đấu song song ngược
có tải thuần trở nên ta thiết kế mạch điều khiển gồm các khâu sau:
- Khâu đồng pha dùng máy biến áp hai cuộn dây sơ cấp.
- Khâu tạo điện áp tựa dạng răng cưa một nửa chu kì kiểu tuyến tính đi
xuống dùng transistor và tụ điện.
- Khâu so sánh dùng khuếch đại thuật toán OA kiểu hai cổng.
- Khâu tạo xung phát xung kép một nửa chu kì. Trong đó, để phát xung
chính theo góc điều khiển α sử dụng mạch vi phân R 8C2, xung thứ hai
lấy từ kênh tiếp sau theo nguyên tắc đấu vòng tròn kín bằng cách ghép
nhờ các điốt Đ2, Đ3.
- Khuếch đại xung dùng biến áp nhằm cách ly giữa mạch lực và mạch
điều khiển.

2.4. Các mạch bảo vệ

CHƯƠNG III. TÍNH TOÁN CHỌN CÁC PHẦN TỬ CHO MẠCH
3.1. Tính Toán mạch lực.


Chương 3: Tính toán và thiết kế mach lực

3.1.1. Tính toán chọn van mạch lực.
Trong mạch điều áp xoay chiều ba pha dùng cho lò điện trở dưới đây ta sử
dụng mạch điều áp xoay chiều ba pha sáu thyristor đấu song song ngược, tải thuần
trở đấu sao.

Sơ đồ mạch lực của hệ thống

Theo đề bài:
-

Nhiệt độ lò: 800 – 1000
Công suất định mức của lò là: Pđm = 100 (KW)
Tổn hao nhiệt là: ΔP = 20 (KW)
Điện áp nguồn lưới : 3*380 (V)

Trong thực tế, lò điện trở có thể coi là hô tiêu dùng điện loại một, nghĩa là
nguồn cung cấp cho lò điện là ổn định. Tuy nhiên để đảm bảo hiệu quả cũng như
sự an toàn trong hoạt động của lò điện ta sẽ chọn một lượng công suất dự trữ cho
lò điện đề phòng trường hợp điện áp nguồn vì một lí do nào đó bị sụt áp. Ngoài ra
trong quá trình hoạt động của mình, lò điện cũng chịu thêm một số tổn thất khác
như tổn thất trên các van bán dẫn, tổn thất trên đường dây … nhưng do không đáng
kể so với tổn thất vì nhiệt của lò nên ta có thể bỏ qua.

Để đảm bảo đủ bù các tổn hao đã nói ở trên ta chọn công suất lớn nhất của lò
ứng với khi góc điều khiển α = 0.
Khi α = 0, có P1 = (1)