Xây dựng bộ Điều khiển cho bộ biến Đổi Điều áp xoay chiều một pha Điều khiển Điện áp cấp cho sợi Đốt trong lò Điện trở một pha

1.1.1.3: 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 một vật dẫn thì ở đó sẽ tỏa ra một nhiệt lượng theo định l

BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC KINH TÊ - KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

LỜI NÓI ĐẦU 4

CHƯƠNG I : TỔNG QUAN BỘ ĐIỀU KHIỂN CHO BỘ BIẾN ĐỔI ĐIỀU ÁP XOAY CHIỀU MỘT PHA ĐIỀU KHIỂN ĐIỆN ÁP CẤP CHO SỢI ĐỐT TRONG LÒ ĐIỆN TRỞ 1 PHA 5

1.1 Tổng quan về lò điện trở 1 pha 5

1.1.1 Tổng quan về nguyên lý 5

1.1.2 Các phương pháp điều khiển lò điện trở một pha 7

1.2 Bộ biến đổi điều áp xoay chiều một pha 9

1.2.1 Đặt vấn đề 9

1.2.2 Các phương pháp điều khiển bộ biến đổi 9

1.3 Đặt bài toán 2

CHƯƠNG II: TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ MẠCH LỰC CHO BỘ BIẾN ĐỔI ĐIỆN ÁP XOAY CHIỀU 1 PHA ĐIỀU KHIỂN ĐIỆN ÁP CẤP CHO SỢI ĐỐT TRONG LÒ ĐIỆN TRỞ MỘT PHA 3

2.1 Tính toán, thiết kế mạch lực 3

2.1.1 Tính toán, thiết kế sơ đồ mạch lực 3

2.1.2 Tính toán lựa chọn các phần tử mạch lực 7

2.1.2.1 Thiết bị bảo vệ quá nhiệt 7

2.2 Mô phỏng mạch lực 7

2.2.1 Xây xựng mô hình mô phỏng 7

2.2.2 Kết quả mô phỏng 7

CHƯƠNG III: TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN CHO BỘ BIẾN ĐỔI ĐIỀU ÁP XOAY CHIỀU MỘT PHA ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ XOAY CHIỀU MỘT PHA 9 3.1 Tính toán, thiết kế mạch điều khiển 9

3.1.1 Tính toán, lựa chọn mạch điều khiển 9

3.1.2 Tính toán, lựa chọn các phần tử trong mạch điều khiển 12

3.2 Tính toán thi t k ế ế để ế ch tạo mô hình 16

3.2.1 Tính chọn van động lực 16

3.2.2 Chọn thiết bị bảo vệ 17

3.2.2.1 Bảo vệ quá nhiệt 17

3.2.2.2 Bảo vệ quá dòng điện cho van 18

3.2.2.3 Bảo vệ quá điện áp cho van 18

3.2.3 Sơ đồ nguyên lý toàn mạch 22

3.3 Mô phỏng mạch điều khiển 23

3.3.1 Xây dựng sơ đồ mô phỏng 23 3.3.2 Sơ đồ bố trí thiết bị 25 25 Kết quả mô phỏng 25

LỜI NÓI ĐẦU

Trong cuộc sống, điện có một vai trò rất quan trọng Việc đào tạo ra các kỹ sư ngànhđiện có vai trò quan trọng không kém Ngày nay theo đà phát triển của xã hội mà điều kiệnhọc tập của sinh viên nói chung và sinh viên ngành điện nói riêng đã có nhiều cải thiện rấtthuận lợi Ngành điện là một ngành có rất nhiều triển vọng trong xã hội hiện tại cũng nhưtrong tương lai Chính vì vậy em cùng rất nhiều bạn sinh viên khác đã chọn ngành điện lànghề nghiệp của mình sau này Sinh viên trường Đại học Kinh Tế Kỹ Thuật Công Nghiệp

Hà Nội là sinh viên của một trường kỹ thuật do vậy điều kiện thực hành và nghiên cứu làrất quan trọng và cần thiết hơn cả Chính vì vậy trước khi tốt nghiệp sinh viên chúng em đãđược nhà trường tạo điều kiện cho làm khóa luận để tích lũy thêm vốn kiến thức thực tếcũng như được áp dụng những kiến thức mình được học ở nhà trường vào thực tế công

việc Đề tài khóa luận của em là “Xây dựng bộ điều khiển cho bộ biến đổi điều áp xoay chiều một pha điều khiển điện áp cấp cho sợi đốt trong lò điện trở một pha”.

Em xin chân thành cảm ơn!

CHƯƠNG I : TỔNG QUAN VỀ BỘ BIẾN ĐỔI ĐIỀU ÁP XOAY CHIỀU MỘT PHA ĐIỀU KHIỂN ĐIỆN ÁP CẤP CHO SỢI ĐỐT TRONG LÒ ĐIỆN TRỞ

MỘT PHA 1.1: Tổng quan lò điện

-Lò điện được sử dụng rộng rãi trong các lĩnh vực kỹ thuật.

+Sản xuất thép chất lượng cao

+Sản xuất các hợp kim phe-rô

+Nhiệt luyện và hoá nhiệt luyện

+Nung các vật phẩm trước khi cán, rèn đập, kéo sợi

+Sản xuất đúc các kim loại bột

-Trong các lĩnh vực công nghiệp khác

+Trong công nghiệp nhẹ và công nghiệp thực phẩm, lò điện được dùng

để sấy, mạ vật phẩm và chuẩn bị vật phẩm

+Trong các lĩnh vực khác, lò điện được dùng để sản xuất các vật phẩmthuỷ tinh, gốm sứ, các loại vật liệu chịu lửa

Lò điện không những có mặt trong các ngành công nghiệp mà ngày

càng được phổ biến trong đời sống sinh hoạt hàng ngày của con người mộtcách phong phú và đa dạng: Bếp điện, nồi cơm điện, bình đun nước điện, thiết

bị nung rắn, sấy điện

b 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

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

+ Lò dùng trong phòng thí nghiệm

+ Lò dùng trong gia đình

- Phân loại theo đặc tính làm việc:

+ Lò làm việc liên tục

+ Lò làm việc gián đoạn

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

- Phân loại theo kết cấu lò:

+ Lò buồng

+ Lò giếng

+ Lò chụp

Hình 1.3 : Hình ảnh và kết cấu lò điện trở dạng lò buồng

Hình 1.4 : Hình ảnh và kết cấu lò điện trở dạng lò giếng

- Phân loại theo mục đích sử dụng:

+Lò tôi.

+ Lò ram

+ Lò ủ

1.1.1.2:Ưu điểm của các lò điện và các lò sử dụng nhiên liệu

-Có khả năng tạo được nhiệt độ cao

-Đảm bảo tốc độ nung lớn và năng suất cao

-Đảm bảo nung đều và chính xác đo dễ điều chỉnh chế độ điện và nhiệt độ

-Kín

-Có khả năng cơ khí hóa và tự động hóa quá trình chất dỡ nguyên liệu và vận chuyển vật phẩm

-Đảm bảo điều kiện lao động hợp vệ sinh , điều kiện thao tác tốt, thiết bị gọn nhẹ

1.1.1.3: 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 một vật dẫn thì ở đó sẽ tỏa ra một nhiệt lượng theo định luật Jun-Lenxơ:

Q=I².R.t

Trong đó:

Q: Nhiệt lượng tỏa ra từ vật dẫn (I)

R: Điện trở của vật dẫn (Ω)

I: Cường độ dòng điện chạy qua vật dẫn (A)

t: Thời gian dòng điện chạy qua vật dẫn (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: Dây nung khi dây được nung nóng nó sẽ truyền nhiệt cho vật bằng bức xạ, đối lưu ,dẫn nhiệt hoặc phức hợp Trường hợp này gọi là nung gián tiếp

Hợp lý về công nghệ có nghĩa là cấu tạo lò không những phù hợp với

quá trình công nghệ yêu cầu mà cọn 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 biệt quan trọng trong khi nhu cầy về

lò điện vượt xa khả năng sản xuất ra nó

*Hiệu quả về kỹ thuật

Hiệu quả về kỹ thuật là khả năng biểu thị hiêu suất cực đại của kết cấu

khi các thông số của nó xác định ( kích thước ngoài, công suất, trọng lượng

giá thànhv.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 cở

bản của hiệu quả kỹ 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

*Chắc chắn khi làm việc

Chắc chắn khi làm việc là một trong những chỉ tiêu quan trọng nhất của

chất lượng kết cấu của các lò điện Thường các lò điện làm viêc liên tục trong

một ca, hai ca và ngay cả ba ca một ngày Nếu trong khi làm việc, một bộ phận nào đó khônghoàn hảo sẽ ảnh hưởng đến quá trình sản suất 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 làmviệc chu kỳ, lò ngừng cũng làm thiệt hại rõ rệt cho sản xuất vì khi ngừng lò đột ngột ( nghĩa

là phá huỷ chế độ làm việc bình thường của lò ) có thể dẫn đến làm hư hỏng sản phẩm,lãng phí nguyên vật liêu và làm tăng giá thành sản phẩm

Một chỉ tiêu phụ về sự chắc chắn khi làm việc của một bộ phận đó của lò

điện là khả năng thay thế nhanh hoặc khả nằng 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

*Tiện lợi khi sử dụng

Tiện lợi khi sử dụng nghĩa 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 quí 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

*Rẻ và đơn giản khi chế tạo

Về mặt này yêu câu như sau :

- Tiêu hao vật liệu ít nhất, đặc biệt là các vật liệu quí và hiếm ( các kim loại

mầu, các hợp kim có hàm lượng niken cao v.v )

- Công nghệ chế tạo đơn giản nghĩa là khả năng chế tạo phải sao cho ngày

công ít nhất và tận dụng đưọc các thiết bị, dụng cụ thông thường có sẵn

trong các nhà máy chế tạo để gia công

- Các loại vật liệu và thiết bị yêu cầu để chế tạo phải ít nhất

- Sử dụng đến mức tối đa các kết cấu giống nhau và cùng loại để dễ dàng

đổi lẫn và thuận tiện khi lắp ráp

- 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

*Hình dáng bề 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

b- Cấu tạo lò điện trở

Lò điện trở thông thường gồm ba phần chính : vỏ lò, lớp lót và dây nung

* Vỏ lò

Vỏ lò điện trở là một khung cứng vững, chủ yếu để chị 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, cấn 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 chị được tải trọng của lớp lót, phụ tải

lò ( vật nung ) và các cơ cấu cơ khí gắn trên vỏ lò

- Vỏ lò chữ nhật thườnng dùng ở lò buồng, lò liên tục, lò đáy rung v.v

- Vỏ lò tròn dùng ở các lò giếng và một vài lò chụp v.v

- 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 và 8 – 12 mm khi đường kính vỏ lò là 2500 – 4000 mm và 14 – 20 mm khi đường kính vỏ lò khoảng 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 ngật được dựng lên nhờ các thép hình U, L và thép tấm cắt theo hình dáng thích hợp Vỏ lò có thể được bọc kín, có thể không tuỳ theo yêu cầu kín của lò Phương pháp gia công vỏ lò loại này chủ yếu là hàn và tán

* Lớp lót

Lớp lót lò điện trở thường 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 tuỳ 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 hoá 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 lý, nhiệt trong điều kiện làm việc xác định

Phần cách nhiệt có thể xây bằng gạch cách nhiệt, có thể điền đầy bằng

bột cách nhiệt

*Dây nung

Theo đặc tính của vật liệu dùng làm dây nung, người ta chia dây nung

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

*Yêu cầu vật liệu 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

-Hợp kim: Cr-Ni, Cr-Al….với lò có nhiệt độ làm việc dưới 1200°C

-Hợp chất: SiC, MoSi2… Với lò có nhiệt độ làm việc từ 1200°C đến 1600°C

-Đơn chất: Mo,W,C (graphit),….với lò có nhiệt độ làm việc cao hơn 1600°C

+Dây nung kim loại:

Để đảm bảo yêu cầu của dây nung trong hầu hết các lò điện trở trong công nghiệp dây nung kim loại đều được chế tạo bằng các hợp kim Cr-Al và Cr-Ni là các hợp kim có điện trở lớn còn các kim loại nguyên chất được dung để chế tạo dây nung rất hiếm vì các kim loại nguyên chất thường có những tính chất không lợi cho việc chế tạo dây nung như:

-Điện trở suất nhỏ

-Hệ số nhiệt độ lớn

-Bị oxy hóa mạnh trong môi trường khí quyển bình thường

Dây nung kim loại thường được chế tạo ở dạng tròn và dạng bang

+ Dây nung phi kim loại:

Dây nung phi kim loại dùng phổ biến nhất là SiC , grafit và than

Hình 1.6 : Các loại dây điện trở dùng trong công nghiệp và dân dụng

Hình 1.7 : Các thanh điện trở dùng trong công nghiệp và dân dụng

1.1.2 : Các phương pháp điều khiển lò điện trở

Điều khiển bằng cách sử dụng Điều Khiển Tụ bằng Phương pháp ON/OFF Bang Control):

(Bang-o Trong phương pháp này, lò điện trở được bật hoặc tắt hoàn toàn để duy trì nhiệt

Điều khiển bằng cách Sử dụng Điều Khiển Tụ PID (PID Control):

o Trong phương pháp này, sử dụng một bộ điều khiển PID Derivative) để điều chỉnh công suất đưa vào lò

(Proportional-Integral-o PID sẽ lấy thông tin về nhiệt độ hiện tại từ cảm biến và điều chỉnh công suất đưavào để duy trì nhiệt độ mong muốn.

o Bằng cách điều chỉnh tỉ lệ tiến (proportional), tích phân (integral), và đạo hàm (derivative) của bộ điều khiển, PID có thể cung cấp phản hồi nhanh chóng và ổn định

Hình 1.8 : Sơ đồ khối của Điều Khiển Tụ PID (PID Control)

Điều khiển bằng cách Sử dụng Điều khiển SCR (Silicon-Controlled Rectifier Control):

o SCR được sử dụng để điều chỉnh năng lượng đưa vào lò điện trở bằng cách điều chỉnh góc kích điện từ trong một chu kỳ điều chỉnh AC

o Mức công suất được điều chỉnh bằng cách thay đổi góc kích điện của SCR, từ đóđiều chỉnh nhiệt độ của lò

o Điều khiển SCR thường được sử dụng trong các ứng dụng cần điều chỉnh nhiệt

độ một cách liên tục và chính xác

Hình 1.9 : Sơ đồ SCR (Silicon-Controlled Rectifier Control)

Điều khiển bằng cách Sử dụng Mạch PWM (Pulse Width Modulation):

o Trong phương pháp này, một mạch PWM được sử dụng để điều chỉnh độ rộng xung của tín hiệu điều khiển đưa vào lò

o Tỷ lệ giữa thời gian xung cao và thời gian xung thấp được điều chỉnh để điều chỉnh mức công suất đưa vào lò

o Điều khiển PWM thường được sử dụng trong các ứng dụng cần điều chỉnh nhiệt

độ một cách linh hoạt và hiệu quả

1.2: Bộ biến đổi điều áp xoay chiều 1 pha

1.2.1: Đặc điểm chung của bộ điều áp xoay chiều

Các bộ điều áp xoay chiều (ĐAXC) dùng để đóng ngắt hoặc thay đổi điện áp xoay chiều ratải từ một nguồn xoay chiều cố định, trong đó tần số điện áp ra bằng tần số nguồn

Trong máy điện có thiết bị điện là biến áp tự ngẫu cho phép thực hiện yêu cầu này, tuy nhiên việc điều chỉnh phải tiến hành thông qua hệ cơ khí di chuyển chổi than trượt trên các vòng dây biến thế, vì vậy hệ này không bền, phản ứng chậm, nhưng có ưu điểm cơ bản là điện áp ra tải luôn đảm bảo sin trong toàn dải điều chỉnh

Điện tử công suất sử dụng các van bán dẫn để chế tạo các bộ điều áp xoay chiều, có đặc điểm sau đây:

ĐAXC dùng van bán dẫn có đầy đủ ưu điểm của những mạch công suất sử dụng kỹ thuật bán dẫn như: dễ điều chỉnh và tự động hóa, làm việc ổn định, phản ứng nhanh với các đột biến điều khiển, độ tin cậy và tuổi thọ cao, dễ thay thế, thích hợp với quá trình hiện đại hóa quá trình công nghệ…

Nhược điểm chung và cơ bản nhất của ĐA XC là điện áp ra tải không sin trong toàn dải điều chỉnh (điện áp trên tải chỉ đạt sin hoàn chỉnh khi đưa toàn bộ điện áp nguồn ra tải), điều chỉnh càng sâu – càng giảm điện áp ra, thì độ méo sẽ càng lớn, tức là thành phần sóng hài bậccao (là bội số của tần số vào) cũng càng lớn Với những tải yêu cầu nghiêm ngặt về độ méo

và thành phần sóng hài có thể không ứng dụng được ĐA XC Phạm vi ứng dụng của ĐA XC

thường là:

• Điều chỉnh ánh sáng đèn sợi đốt và ổn định độ phát quang của hệ chiếu sáng

.• Điều chỉnh và ổn định nhiệt độ các lò điện trở bằng cách tự động khống chế công suất điện đưa vào lò

• Có thể được sử dụng để điều chỉnh tốc độ điện động cơ KĐB, nhưng chỉ phù hợp với phụ tải của động cơ dạng quạt gió hoặc bơm li tâm với phạm vi điều chỉnh không lớn ĐAXC thích hợp với các chế độ như khởi động, đóng – ngắt nguồn cho động cơ điện xoay chiều

• ĐAXC cũng được dùng để điều chỉnh điện áp sơ cấp các biến áp lực và thông qua đó điều chỉnh điện áp ra tải, phụ tải có thể là dòng điện xoay chiều hoặc một chiều (chỉnh lưu diode phía thứ cấp) khi rơi vào hai trường hợp sau:

1 Điện áp thứ cấp thấp hơn nhiều điện áp sơ cấp nhưng dòng điện thứ cấp rất lớn, ví dụ như thiết bị hàn tiếp xúc

2 Điện áp thứ cấp mà tải yêu cầu cao hơn nhiều lần điện áp nguồn, ví dụ như nguồn cho điện phân, lọc bụi tĩnh điện ĐA XC 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 mạch chỉnh lưu Do tải đòi hỏi dòng điện xoay chiều nên van bán dẫn có thể dùng ở đây là:

• TRIAC, đây là van duy nhất cho phép dòng điện chảy theo cả hai chiều

• Ghép hai van chỉ cho phép dẫn một chiều, bằng cách đấu song song ngược nhau, lúc đó mỗi van đảm nhận một chiều của dòng tải Bằng cách này có thể ghép hai thyristor với nhau hoặc một thyristor với một diode

Nguyên tắc điều khiển của ĐAXC tương tự như trong mạch chỉnh lưu điều khiển, tức là điều chỉnh góc mở của van bán dẫn Xét về phía mạch van, bộ chỉnh lưu và ĐAXC có những điểm giống nhau: các van làm việc với điện áp xoay chiều nên được khóa tự nhiên bằng điện

áp nguồn và cũng chịu các ảnh hưởng lưới điện đến van, kiểu điều khiển van cũng là dịch pha điểm phát xung so với pha nguồn xoay chiều

1.2.2: Sơ đồ mạch lực

ĐAXC một pha chỉ dùng đến công suất dưới 10 kW, khi công suất lớn hơn phải lấy điện áp nguồn là điện áp dây của lưới điện, hoặc chuyển sang mạch ba pha Hình 1.10 là các sơ đồ mạch lực cơ bản của điều áp xoay chiều một pha

Đơn giản nhất là sử dụng một van TRIAC như hình 1.10a mà hiện nay đã chế tạo đến cỡ dòng điện vài trăm ampe, tuy nhiên để điều khiển mở tin cậy cho TRIAC ở cả hai nửa chu kỳcần lưu ý về cách phát xung mở van này tốt nhất là: điện áp trên van dương thì phát xung điều khiển dương, ngược lại điện áp trên van âm thì xung điều khiển nên âm

Hình 1.10 : Các sơ đồ điều áp xoay chiều 1 pha

Sơ đồ hình 1.10b được ứng dụng rộng rãi trong thực tế vì đáp ứng được các yêu cầu kỹ thuật – kinh tế cơ bản

Sơ đồ hình 1.10c là biến dạng của sơ đồ hình 1.10b, trong đó một thyristor được thay thế bằng diode, như vậy ta chỉ có thể điều chỉnh được điện áp của một nửa chu kỳ và sẽ làm mất đối xứng điện áp trên tải (đây là nhược điểm của sơ đồ) Ưu điểm của sơ đồ này là điện áp ngược trên thyristor chỉ bằng sụt áp trên diode, tức là không đáng kể, tuy nhiên điện áp thuận đặt lên thyristor khi đang khóa vẫn lớn, thêm nữa là giá thành thấp hơn các loại khác do diode rẻ hơn thyristor, trong một chu kỳ thyristor chỉ một lần nhận xung điều khiển

Sơ đồ hình 1.10d là sự kết hợp của hai sơ đồ trước, các thyristor cũng không phải chịu điện

áp ngược nhờ có đấu diode đấu song song, điểm khác biệt là thyristor đấu katot chung nên cóthể đấu trực tiếp điều khiển với lực

Sơ đồ hình 1.10e có đặc điểm thyristor luôn làm việc ở điện áp một chiều nhờ cầu chỉnh lưu 4diode, tức là cũng không phải chịu điện áp ngược Tuy chỉ có một thyristor như mạch 1.10c, song trong một chu kỳ cần phát xung hai lần cho cả hai nửa chu kỳ, vì vậy mạch điều khiển phức tạp hơn so với mạch điều khiển của sơ đồ 1.10c, bù lại điện áp ra là đối xứng hai nửa chu kỳ Sơ đồ này có số van lớn nhất: 5 van

Phạm vi điều chỉnh góc điều khiển ở các sơ đồ trên phụ thuộc vào tính chất của phụ tải

qua thyristor cũng bằng 0 và thyristor khóa lại.

Hình 1.11: Điều áp xoay chiều 1 pha tải thuần trở

Theo đồ thị ta thấy, khi điều chỉnh góc điều khiển α, điện áp ra tải chỉ là một phần hình sincủa điện áp nguồn Góc điều khiển càng lớn thì độ méo càng cao Chỉ khi góc điều khiển bằng không α = 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

Trị số hiệu dung chung của điện áp sẽ là:

b Tải cảm kháng

Khi có tải 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 một pha một nửa chu kỳ tải RL, vì vậy quy luật dòng điện tuân theo đúng biểu thức đã có của chỉnh lưu này

Trong đó :

Hình 1.12: Điều áp xoay chiều 1 pha tải RL

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 không khi điện áp đã về tới không, điều này dẫn đến thyristor sẽ dẫn vượt qua điểm 1800 và chỉ khóa lại được khi dòng tải bằng không Do van còn dẫn thì điện áp tải còn bám theo điện áp nguồn, nên điện áp tải cũng sẽ kéo dài cho đến khi van khóa thì mới về không Hình 1.12cho thấy các quy luật đó, ở đây dạng điện áp ra méo khỏi hình sin nhiều hơn dạng dòng tải

Một điểm khác biệt nữa của tải loại RL này là phạm vi điều chỉnh của góc điều khiển bị thuhẹp lại so với trường hợp tải thuần trở, và phụ thuộc vào ham số tải Tuy góc điều khiển lớn nhất vẫn bằng 1800 , nhưng góc điều khiển nhỏ nhất không phải bằng không mà bằng góc pha tải φ Trong đó φ = arctg(XL/R), XL=ωLt=2π.f.Lt

1.2.3: Mạch điều khiển

Như đã đề cập ở mục 1.2.1 và cũng đã thấy ở các đồ thị hình 1.11 và hình 1.12, hoạt động của ĐAXC một pha nếu xem xét riêng từng nửa chu kỳ là hoàn toàn giống như mạch chỉnh lưu, tức là cũng áp dụng nguyên tắc điều khiển kiểu xung – pha Vì vậy mạch điều khiển một pha hoàn toàn giống như mạch điều khiển chỉnh lưu một pha, kể cả về sở đồ cấu trúc cũng như triển khai thành mạch nguyên lý chi tiết a: Tải thuần trở

Với tải thuần trở nên sử dụng mạch phát xung đơn, sơ đồ nguyên lý như hình 1.14 Lúc này mỗi van nhận hai xung trong một chu kỳ, do đó cũng không thuân lợi khi phải làm việc với phạm vi điện áp cao

Hình 1.14: Sơ đồ điều áp xoay chiều một pha dùng mạch phát xung nửa chu kỳ hai Nếu muốn các van chỉ nhận xung ở nửa chu kỳ khi điện áp trên van là dương, cần phải thêm khâu tách xung như hình 1.15

Hình 1.15: Mạch phát xung đơn hai nửa chu kỳ có khâu tách xung

b Tải có điện cảm (RL)

Tải có điện cảm (RL) thì phải dùng mạch phát xung chùm, ví dụ như sơ đồ hình 1.16:

Hình 1.16: Mạch điều khiển điều áp xoay chiều tải RL

1.2.4: Các phương pháp điều khiển bộ biến đổi điện áp xoay chiều 1 pha

Hình 1.17 giới thiệu một số mạch điều áp xoay chiều một pha Hình 1.17a là điều áp xoay chiều điều khiển bằng cách mắc nối tiếp với tải một điện kháng hay điện trở phụ (tổng

trợ phụ) biến thiên Sơ đồ mạch điều chỉnh này tdùng, do hiệu suất thấp (nếu Zf là điện trở) hay cos thấp (nếu Zf là điện cảm)𝜑

Hình 1.17 : Các phương pháp điều khiển điện áp 1 pha

Người ta có thể dùng biến áp tự ngẫu để điều chỉnh điện áp xoay chiều U2 như hình 1.17b Điều chỉnh bằng biến áp tự ngẫu có ưu điểm là có thể điều chỉnh điện áp U2 từ 0 đến trị số bất kì, lớn hơn hay nhỏ hơn điện áp vào Nếu cần điện áp ra có điều chỉnh, mà vùng điều chỉnh có thể lớn hơn điện áp vào, thì phương án phải dùng biến áp là tất yếu Tuy nhiên, khi dòng tải lớn, sử dụng biến áp tự ngẫu để điều chỉnh, khó đạt được yêu cầu nhưmong muốn, đặc biệt là không điều chỉnh liên tục được, do chổi than khó chế tạo để có thể chỉ tiếp xúc trên một vòng dây của biến áp

Hai giải pháp điều áp xoay chiều trên hình 1.17a,b có chung ưu điểm là điện áphình sin, đơn giản Có chung nhược điểm là quán tính điều chỉnh chậm và không điềuchỉnh liên tục khi dòng tải lớn Sử dụng sơ đồ bán dẫn để điều chỉnh xoay chiều, cóthể khắc phục được những nhược điểm vừa nêu

Các sơ đồ điều áp xoay chiều bằng bán dẫn trên hình 1.17c được sử dụng phổ biến Lựa chọn

sơ đồ nào trong các sơ đồ trên tuỳ thuộc dòng điện, điện áp tải và khả năng cung cấp các linh kiện bán dẫn Có một số gợi ý khi lựa chọn các sơ đồ hình 1.17c như sau:

Hình 1.18 : Sơ đồ điều áp xoay chiều một pha bằng bán dẫn

Tuy nhiên, việc điều khiển hai tiristor song song ngược đôi khi có chất lượng điềukhiển không tốt lắm, đặc biệt là khi cần điều khiển đối xứng điện áp, nhất là khi cungcấp cho tải đòi hỏi thành phần điện áp đối xứng (chẳng hạn như biến áp hay động cơxoay chiều) Khả năng mất đối xứng điện áp tải khi điều khiển là do linh kiện mạchđiều khiển tiristor gây nên sai số Điện áp tải thu được gây mất đối xứng như so sánhtrên hình 1.19b

Điện áp và dòng điện không đối xứng như hình 1.19b cung cấp cho tải, sẽ làm chotải có thành phần dòng điện một chiều, các cuộn dây bị bão hoà, phát nóng và bị cháy

Vì vậy việc định kì kiểm tra, hiệu chỉnh lại mạch là việc nên thường xuyên làm đối

với sơ đồ mạch này Tuy vậy, đối với dòng điện tải lớn thì đây là sơ đồ tối ưu hơn cảcho việc lựa chọn.

Hình 1.19 : Hình dạng đường cong điện áp điềukhiển

a) Mong muốnb) Không mong muốn

Để khắc phục nhược điểm vừa nêu về việc ghép hai tiristor song song ngược, triac ra đời

và có thể mắc theo sơ đồ hình 1.17b Sơ đồ này có ưu điểm là các đường cong điện áp ra gần như mong muốn như hình 1.18a, nó còn có ưu điểm hơn khi lắp ráp Sơ đồ mạch này hiện nay được sử dụng khá phổ biến trong công nghiệp Tuy nhiên triac hiện nay được chế tạo với dòng điện không lớn (I < 400A), nên với những dòng điện tải lớn cần phải ghép song song các triac, lúc đó sẽ phức tạp hơn về lắp ráp và khó điều khiển song song Những tải có dòng điện trên 400A thì sơ đồ hình 1.17b ít dùng

Sơ đồ hình 1.17c có hai tiristor và hai điốt có thể được dùng chỉ để nối các cực điều khiểnđơn giản, sơ đồ này có thể được dùng khi điện áp nguồn cấp lớn (cần phân bổ điện áp trên các van, đơn thuần như việc mắc nối tiếp các van)

Sơ đồ hình 1.17d trước đây thường được dùng, khi cần điều khiển đối xứng điện áp trên tải, vì ở đây chỉ có một tiristor một mạch điều khiển nên việc điều khiển đối xứng điện áp dễ dàng hơn Số lượng tiristor ít hơn, có thể sẽ có ưu điểm hơn khi van điều khiển còn hiếm Tuy nhiên, việc điều khiển theo sơ đồ này dẫn đến tổn hao trên các van bán dẫn lớn, làm hiệusuất của hệ thống điều khiển thấp Ngoài ra, tổn hao năng lượng nhiệt lớn làm cho hệ thống làm mát khó khăn hơn

1.3: Đặt bài toán

Trong đồ án 1 này em được nhận đề bài là: “Xây dựng bộ điều khiển cho bộ biến đổi điện

áp xoay chiều một pha điều khiển điện áp cấp cho sợi đốt trong lò điện trở 1 pha” với các thông số như sau:

Điện áp nguồn lưới: 220V

Công suất : 1kW-30kW