ĐỒ ÁN ĐTCS( Thiết kế bộ điều áp xoay chiều 1 pha cấp điện cho lò điện trở)

Bản đẹp full mô phỏng về ĐỒ ÁN ĐTCS ĐỒ ÁN ĐTCS ĐỒ ÁN ĐTCS ĐỒ ÁN ĐTCS ĐỒ ÁN ĐTCS ĐỒ ÁN ĐTCS ĐỒ ÁN ĐTCS ĐỒ ÁN ĐTCS ĐỒ ÁN ĐTCS ĐỒ ÁN ĐTCS ĐỒ ÁN ĐTCS ĐỒ ÁN ĐTCS ĐỒ ÁN ĐTCS ĐỒ ÁN ĐTCS Thiết kế bộ điều áp xoay chiều 1 pha cấp điện cho lò điện trởThiết kế bộ điều áp xoay chiều 1 pha cấp điện cho lò điện trởThiết kế bộ điều áp xoay chiều 1 pha cấp điện cho lò điện trởThiết kế bộ điều áp xoay chiều 1 pha cấp điện cho lò điện trở

BỘ CÔNG THƯƠNG

TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC

KHOA ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA

- - -

-ĐỒ ÁN MÔN HỌC ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT

Thiết kế bộ điều áp xoay chiều 1 pha cấp điện cho lòđiện trở

Giảng viên hướng dẫn: Sinh viên thực hiện: Mã sinh viên:

Nhóm: 7

Ngành: Công nghệ kỹ thuật điều khiển và Tự động hóaChuyên ngành: Công nghệ kĩ thuật điều khiển

Lớp:

Hà Nội, tháng 4 năm 2023

NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN MÔN HỌC

Chuyên ngành: Công nghệ kĩ thuật điều khiển

1.Tên đề tài đồ án:

Thiết kế bộ điều áp xoay chiều một pha cấp điện cho lò điện trở

2.Các số liệu và dữ liệu ban đầu:

 Nguồn xoay chiều 1 pha: 220V, 50Hz.

 Công suất lò 1,5kW.

 Sử dụng van Triac, xung mở van là xung chùm.

 Điều chỉnh điện áp cấp cho lò bằng cách điều chỉnh góc mở α = 0 ÷60



MỤC LỤC

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ BỘ BIẾN ĐỔI XUNG ÁP XOAY CHIỀU 1

1.1.Giới thiệu chung về bộ biến đổi xung áp xoay chiều 1

1.2 Lò điện trở 1

1.2.1 Khái niệm 1

1.2.2 Phân loại lò điện trở 1

1.3 Giới thiệu van 3

CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN 13

3.1 CẤU TRÚC TỔNG QUÁT MẠCH ĐIỀU KHIỂN 13

3.2.2 Khâu tạo điện áp răng cưa 15

3.2.3 Khâu so sánh 16

3.2.4 Khâu tách xung 17

3.2.5 Khâu khuếch đại xung 17

3.2.5 Khâu tạo xung chùm 19

3.2.6 Khâu tạo điện áp điều khiển 21

CHƯƠNG 4: MÔ PHỎNG HỆ THỐNG 24

4.1 Mô phỏng mạch lực 24

4.2 Mô phỏng mạch điều khiển 24

TÀI LIỆU THAM KHẢO 28

MỤC LỤC HÌNH Ả

Hình 1.1 Nguyên lý lò điện trở đốt nóng trực tiếp và gián tiếp 2

Hình 1.2 Đồ thị nhiệt độ các chế độ làm việc của lò điện trở 3

Hình 1.3 Cấu tạo của thyristor 3

Hình 1.4 Đặc tính Volt-ampe của thyristor 4

Hình 1.5 Cấu tạo của triac 6

Hình 1.6 a) Đặc tính vôn-ampe; b) Điều khiển triac bằng dòng điều khiển âm 6

Hình 1.7 Sơ đồ điều áp xoay chiều 1 pha 8

Hình 1.8 Điều áp xoay chiều 1 pha tải thuần trở 8

Hình 1.9 Điều áp xoay chiều 1 pha tải RL dạng điện áp ra tải và dạng phổ sóng hài 10

Bảng 1.1 Liệt kê các thiết bị trong mạch lực đã chọn 12

Hình 2.1 Mạch xung nhịp đồng bộ hai nửa chu kỳ 15

Hình 2.2 Mạch xung nhịp tạo điện áp răng cưa 15

Hình 2.3 Kêt quả mô phỏng 16

Hình 2.4 Mạch so sánh 16

Hình 2.5 Mạch tách xung dùng OA 17

Hình 2.6 Khâu khuếch đại xung dùng biến áp xung 18

Hình 2.7 Mạch tạo điện áp xung 19

Hình 3.2 Đồ thị khâu tách xung 26 Hình 3.3 Đồ thị khâu xung chùm 27 Hình 3.4 Đồ thị khâu khuếch đại xung 27 Y

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ BỘ BIẾN ĐỔI XUNG ÁP XOAY CHIỀU

1.1.Giới thiệu chung về bộ biến đổi xung áp xoay chiều

- Khái niệm:

Điều áp xoay chiều dùng để đóng ngắt hoặc thay đổi điện áp xoay chiều ra tải từ một nguồn xoay chiều cố định, trong đó tần số điện áp ra bằng tần số nguồn ĐAXC làm việc với nguồn vào là điện áp xoay chiều, tức là giống như mạch chỉnh lưu, vì vậy các van được sử dụng cũng như nguyên tắc điều khiển có nhiều điểm tương tự như ở mạch chỉnh lưu.

- Phân loại:

Điều áp xoay chiều 1 pha: là loại dùng đến công suất dưới 10 kW, khi công suất lớn hơn phải lấy nguồn là điện áp dây của lưới điện, hoặc chuyển sang mạch 3 pha

Điều áp xoay chiều 3 pha: là loại dùng để ứng dụng cho phụ tải đến hàng trăm kW

1.2 Lò điện trở

1.2.1 Khái niệm

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

1.2.2 Phân loại lò điện trở

- Phân loại theo phương pháp toả nhiệt: - Lò điện trở tác dụng trực tiếp.

- Lò điện trở tác dụng gián tiếp.

a) Đốt nóng trực tiếp b) Đốt nóng gián tiếp

1 Vật liệu được nung nóng trực tiếp; 3 Biến áp; 4 Đầu cấp điện 5 Dây đốt (dây điện trở); 6 Vật liệu được nung nóng gián tiếp

Hình 1.1 Nguyên lý lò điện trở đốt nóng trực tiếp và gián tiếp  Phân loại theo nhiệt độ làm việc:

 Lò nhiệt độ thấp: nhiệt độ làm việc của lò dưới 6500C

 Lò nhiệt trung bình: nhiệt độ làm việc của lò từ 6500C đến 12000C  Lò nhiệt độ cao: nhiệt độ làm việc của lò trên 12000C

 Phân loại theo nơi dùng:

 Lò dùng trong công nghiệp

Hình 1.2 Đồ thị nhiệt độ các chế độ làm việc của lò điện trở a Lò liên tục b Lò làm việc có tính lặp lại c Lò gián đoạn

1.3 Giới thiệu van

1.3.1 Van Thyristor

Thyristor là linh kiện gồm 4 lớp bán dẫn PNPN liên tiếp tạo nên anot, katot và cực điều khiển.

Hình 1.3 Cấu tạo của thyristor

Thyristor gồm 1 đĩa Silic từ đơn thể loại N, trên lớp đệm loại bán dẫn P có cực điều khiển bằng dây nhôm,các lớp chuyển tiếp được tạo nên bằng kỹ thuật bay hơi của Gali Lớp tiếp xúc giữa anot và katot là bằng đĩa molipden hay tungsen có hệ số nóng chảy gần bằng với Gali Cấu tạo dạng đĩa kim loại để dễ dàng tản nhiệt.

1.3.2 Nguyên lý hoạt động

Đặt thyristor dưới điện áp một chiều, anot nối vào cực dương, katot nối vào cực âm của nguồn điện áp J1, J3 phân cực thuận, J2 phân cực ngược Gần như toàn bộ điện áp nguồn đặt trên mặt ghép J2 Điện trường nối tại Ed của J2 có chiều từ N1 hướng về P2 Điện trường ngoài tác động cùng chiều với Ei vùng chuyển tiếp cũng là vùng cách điện càng mở rộng ra không có dòng điện chạy qua thyristor mặc dù nó bị đặt dưới điện áp.

Hình 1.4 Đặc tính Volt-ampe của thyristor.

Mở thyristor

Khi được phân cực thuận, UAK > 0, Thyristor có thể mở bằng hai cách

Phương pháp thứ nhất, có thể tăng điện áp anôt-catôt cho đến khi đạt đến giá trị điện áp thuận lớn nhất , Uth,max Khi đó điện trở tương đương trong mạch anôt-catôt sẽ giảm đột ngột và dòng qua Thyristor sẽ hoàn toàn do mạch ngoài xác định Phương pháp này trong thực tế không được áp dụng do nguyên nhân mở không mong muốn và không phải lúc nào cũng có thể tăng được điện áp đến giá trị Uth,max Vả lại như vậy sẽ xảy ra trường hợp Thyristor tự mở ra dưới tác dụng của các xung điện áp tại một thời điểm ngẫu nhiên, không định trước.

Phương pháp thứ hai, phương pháp được áp dụng thực tế, là đưa một xung dòng điện có giá trị nhất định vào giữa cực điều khiển và catôt Xung dòng điện điều khiển sẽ chuyển trạng thái của Thyristor từ trở kháng cao sang trở kháng thấp ở mức điện áp anôt-catôt nhỏ Khi đó nếu dòng qua anôt-anôt-catôt lớn hơn một giá trị nhất định, gọi là dòng duy trì (Idt) thì Thyristor sẽ tiếp tục ở trong 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.

Khóa thyristor

Một Thyristor đang dẫn dòng sẽ trở về trạng thái khóa (điện trở tương đương mạch anode – cathode tăng cao) nếu dòng điện giảm xuống, nhỏ hơn giá trị dòng duy trì, Idt Tuy nhiên để Thyristor vẫn ở trạng thái khóa, với trở kháng cao, khi điện áp anôt-catôt lại dương (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 ngược Vì vậy mà dòng điện có thể chảy qua ba lớp tiếp giáp J1, J2, J3.

Để khóa Thyristor lại cần giảm dòng anôt-catôt về dưới mức dòng duy trì (Idt) bằng cách hoặc là đổi chiều dòng điện hoặc áp một điện áp ngược lên giữa anôt và catôt của Thyristor

Sau khi dòng về bằng không phải đặt một điện áp ngược lên anôt-catôt (UAK < 0) trong một khoảng thời gian tối thiểu, gọi là thời gian phục hồi (trr), chỉ sau đó Thyristor mới có thể cản trở dòng điện theo cả hai chiều Trong thời gian phục hồi có một dòng điện ngược chạy giữa catôt và anôt Dòng điện ngược này di tản các điện tích ra khỏi tiếp giáp J2 và nạp điện cho tụ điện tương đương của hai tiếp giáp J1, J3 được phục hồi Thời gian phục hồi phụ thuộc vào lượng điện tích cần được di tản ra ngoài cấu trúc bán dẫn của Thyristor và nạp điện cho tiếp giáp J1, J3 đến điện áp ngược tại thời điểm đó.

1.3.3 Ứng dụng

Thyristor được sử dụng trong các bộ nguồn đặc biệt: trong mạch chỉnh lưu, bộ băm và trong bộ biến tần trực tiếp hoặc các bộ biến tần có khâu trung gian một chiều.

- Ứng dụng thyristor trong mạch điều khiển tốc độ động cơ - Chuyển mạch tĩnh

- Khống chế pha - Nạp ắc quy

- Khống chế nhiệt độ

1.3.4 Van Triac

Triac là thiết bị bán dẫn có cấu trúc bán dẫn gồm 5 lớp tạo nên cấu trúc p-n-p-n

như ở thyristor theo cả 2 chiều giữa các cực B1 và B2, có thể dẫn dòng theo cả 2 chiều B1 và B2 Về nguyên tắc triac hoàn toàn có thể coi tương đương với 2 thyristor đấu song song ngược.

Hình 1.5 Cấu tạo của triac

Triac được chế tạo trên cùng một đơn tinh thể gồm hai cực và chỉ có một cực điều khiển

1.3.5 Nguyên lý hoạt động

Đặc tính vôn-ampe của triac:

Bao gồm 2 đoạn đặc tính ở góc phần tư thứ I và thứ III mỗi đoạn đều giống như đặc tính thuận của một thyristor

Triac có thể điều khiển mở dẫn dòng bằng cả xung dòng dương (dòng đi vào cực điều khiển) hoặc bằng xung dòng âm (dòng đi ra khỏi cực điều khiển) Tuy nhiên xung dòng âm có độ nhạy kém hơn, tức là dòng chỉ có thể chạy qua triac khi điện áp giữa T1 và T2 phải lớn hơn một giá trị nhất định, lớn hơn khi dùng dòng điều khiển dương Vì vậy trong thực tế để đảm bảo tính đối xứng của dòng điện qua triac, sử dụng xung điều khiển âm là tốt hơn cả

Triac đặc biệt hữu ích trong các ứng dụng điều chỉnh điện áp xoay chiều hoặc các công tắc tơ tĩnh ở dải công suất vừa và nhỏ.

Điều kiện mở khóa van:

- Giống thyristor, Triac có thể mở bằng cả xung dòng dương và âm, tuy nhiên

xung dòng điều khiển âm có độ nhạy kém hơn dòng chạy qua triac khi điện áp giữa B1 và B2 phải lớn hơn 1 giá trị nhất định, lớn hơn khi dùng xung dòng điều khiển dương.

- Mở Triac dẫn dòng theo chiều từ B1 đến B2 thì: UB 1 B 2 ≥ 0 và có xung IG đủ lớn.

- Mở Triac dẫn dòng theo chiều từ B2 đến B1 thì: UB 1 B 2 ≥ 0 và có xung IG đủ lớn.

Các thông số cơ bản của van

Itb – Dòng điện trung bình cho phép.

Umax – điện áp cực đại cho phép đặt lên van (cả hai chiều thuận và ngược )

Ug – điện áp điều khiển mở van

Ig – dòng điều khiển mở van

du/dt – tốc độ tăng điện áp thuận trên van

Irò – dòng điện rò khi van khoá Idt – dòng điện duy trì

∆U – sụt áp thuận trên van ( giá trị tương ứng dòng điện van = 1,5 Itb ) tj – nhiệt độ tối đa của tinh thể bán dẫn.

1.3.6 Ứng dụng

Triac đặc biệt hữu ích trong các ứng dụng điều chỉnh điện áp xoay chiều hoặc các

công tắc tơ tĩnh ở dải công suất vừa và nhỏ. 1.4 Sơ đồ điều áp xoay chiều 1 pha

Sơ đồ điều áp xoay chiều 1 pha chỉ dùng đến công suất 10kW khi công suất lớn hơn phải lấy điện áp nguồn là điện áp dây của lưới điện hoặc chuyển sang mạch 3 pha Bên dưới là sơ đồ mạch lực cơ bản của điều áp xoay chiều 3 pha

Hình 1.7 Sơ đồ điều áp xoay chiều 1 pha

1.4.1 Tải thuần trở

Với trường hợp này phạm vi điều chỉnh góc điều khiển nằm trong 2 nửa chu kỳ điện áp nguồn đầu vào, tức từ 0°Cđến 180°C

Khi chưa có van dẫn tải chưa được nối với nguồn nên điện áp ra tải bằng không Khi có xung điều khiển sẽ có thyristor dẫn và tải được đóng vào nguồn do đó điện áp ra tải bằng điện áp nguồn Vì tải thuần trở nên dạng dòng điện giống dạng điện áp, nên ở thời điểm cuối nửa chu kỳ khi điện áp về 0 thì dòng điện qua thyristor cũng bằng 0 và thyristor khoá lại.

Hình 1.8 Điều áp xoay chiều 1 pha tải thuần trở dạng điện áp ra tải và dạng phổ sóng hài

Khi góc điều khiển bằng 0, a= 0 van mở ngay từ đầu mỗi nửa chu kỳ thì điện áp ra tải mới nhận được đầy đủ hình dạng điện áp nguồn vào và trở thành hình sin đầy đủ Biên độ sóng hài bậc cao thứ n phụ thuộc vào các tham số:

Khi có chứa điện cảm, sẽ làm cho dạng điện áp và dòng điện khác nhau và cũng khác hẳn trường hợp tải thuần trở Sự hoạt động của mạch sẽ tương tự như mạch chỉnh lưu 1 pha 1 nửa chu kỳ với tải RL, vì vậy quy luật dòng điện tuân theo đúng biểu thức đã có của chỉnh lưu này:

Do tác động của điện cảm tải, dòng tải không thể đột biến và luôn biến thiên chậm pha hơn điện áp và như vậy dòng điện không thể kịp về đến 0 khi điện áp đã về 0, điều này dẫn đến thyristor sẽ dẫn vượt qua điểm 180 độ và chỉ khoá lại khi dòng tải bằng 0.

Do van dẫn thì điện áp tải còn bám theo điện áp nguồn, nên điện áp tải cũng sẽ kéo dài cho đến khi van khoá thì mới về 0.

Hình 1.9 Điều áp xoay chiều 1 pha tải RL dạng điện áp ra tải và dạng phổ sóng hài

Một điểm khác biệt nữa của tải loại RL này là phạm vi điều chỉnh cửa góc điều khiển bị thu hẹp lại so với trường hợp tải thuần trở và phụ thuộc vào tham số tải Tuy góc điều khiển lớn nhất vẫn bằng 180o nhưng góc điều khiển lớn nhất bằng góc pha tải 

CHƯƠNG 2: TÍNH TOÁN THIẾT KẾ MẠCH LỰC

2.1 Thiết kế mạch lực

2.1.2 Tính chọn van mạch lực

Theo đề tài ta có: điện áp U = 220V, tần số 50Hz

Tải thuần trở: cho P = 1,5kW; 60 ÷ 220V

Nhưng vậy với I = 6,82A cần chọn van Triac có dòng định mức cỡ ( 9 – 10 ) A theo đó ta chọn loại T1013NH

2.1.3 Tính toán chọn RC bảo vệ quá áp cho van

Nguyên nhân gây ra quá điện áp: là sự tích tụ điện tích trong các lớp bán dẫn Thường xảy ra rất nhiều như khi đóng cắt không tải 1 máy biến áp trên đường dây, khi có sét đánh Mạch R-C mắc song song với van có thể tránh được hiện tượng không mong muốn nói trên và bảo vệ quá áp do nhiều nguyên nhân gây ra.

Theo luật đóng mở thì điện áp đột biến tăng sẽ biến thiên liên tục tại thời điểm xảy ra quá độ qua tụ C Vì thế mà khi có tốc độ tăng trưởng điện áp lớn thì vẫn giữ được điện áp anot của Triac không bị tăng đột ngột so với katot.

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, dòng điện từ hoá máy biến áp Việc tính toán thông số của mạch R, C rất phức tạp, đòi hỏi nhiều thời gian nên ta sẽ sử dụng phương pháp xác định thông số R, C bằng đồ thị giải tích, sử dụng những đường cong đã có sẵn

Ta chọn thông số R1 và C1 như sau: R1 = 5 - 30 (Ω)); C1 = 0,25 (μF)F)

2.1.4 Chọn thiết bị bảo vệ

Sử dụng aptomat (AT) để đóng cắt mạch lực bảo vệ khi quá tải và ngắn mạch Triac, ngắn mạch đầu ra của bộ biến đổi, ngắn mạch thứ cấp máy biến áp.Trường hợp điện áp nguồn cấp không trùng với điện áp tối đa của tải, chúng ta cần có 1 biến áp để phối hợp điện áp cho hợp lý, công suất biến áp ở đây được tính theo công suất tải.

Bảng 1.1 Liệt kê các thiết bị trong mạch lực đã chọn

CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN

3.1 CẤU TRÚC TỔNG QUÁT MẠCH ĐIỀU KHIỂN.

Mạch điều khiển gồm sáu khâu Mỗi khâu đều có chức năng riêng biệt được ghép lại với nhau nhằm thực hiện nhiệm vụ chung

Có nhiệm vụ tạo điện áp đồng bộ với điện áp lưới Từ điện áp đồng bộ này ta xác định được điểm gốc để tính góc điều khiển α Ngoài nhiệm vụ đó khâu đồng bộ còn có hai chức năng sau :

+ Giảm áp : tức là giảm điện áp lực có giá trị lớn ở đầu vào và lấy giá trị điện áp có giá trị phù hợp để điều khiển

+ Cách ly : cách ly giữa mạch điều khiển và mạch lực đảm bảo an toàn cho mạch điều khiển khi lưới có sự cố.

Người ta thường thiết kế khâu đồng pha bằng biến áp xung hoặc phần tử quang Opto.

3.1.2 Khâu tạo điện áp tựa

Có nhiệm vụ tạo ra điện áp tựa (Uđp) dạng thích hợp sao cho trong mỗi nửa chu kỳ của điện áp cần chỉnh lưu đều có dạng điện áp ra theo quy luật giống nhau.

Có 2 loại điện áp tựa:

+ Dạng răng cưa ( răng cưa sườn trước, răng cưa sườn sau )

+ Dạng hình sin: Dạng hình sin cho điện áp chỉnh lưu tuyến tính với điện áp điều khiển nhưng có nhược điểm là phụ thuộc vào lưới điện và bị nhiễu theo nguồn Trong thực tế người ta hay dùng điện áp tựa dạng hình răng cưa hơn.

+ Điện áp đồng bộ khi qua khâu tạo điện áp tựa thì điện áp đó sẽ có dạng răng cưa Đây là dạng điện áp dùng để so sánh với điện áp điều khiển.

3.1.3 Khâu so sánh

Thực hiện nhiệm vụ so sánh điện áp tựa với điện áp điều khiển để phát động tạo xung có độ rộng thích hợp điều khiển tới van.