Báo cáo Đồ án môn học Điện tử công suất Đề tài thiết kế lò Điện trở sử dụng Điều áp xoay chiều ba pha

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-Lenxơ:

KHOA DIEU KHIEN & TU DONG HOA

Z

Dall HOC DIEN LUC

ELECTRIC POWER UNIVERSITY

BAO CAO DO AN MON HOC

DIEN TU CONG SUAT

Đề tài: Thiết kế lò điện trở sử dụng điều áp xoay chiều ba

pha

Giảng viên hướng dẫn: TS Nguyễn Duy Trung

Sinh viên thực hiện: Nguyễn Huy Hiệu-188§10430178

Nguyễn Đức Hùng - 18810430239 Nguyễn Hữu Anh Hoang -18810430129 Lop: DI3TDH&DKTBCN2

Hà Nội, 2022

Chuong 1: GIGI THIEU CHUNG VE LO DIEN TRO VA BO DIEU AP XOAY

CHIEU Lee 1

1.1 Tổng quan về lò điện trỞ + 5+ 21 111112111121121111112121222111 21 1n nung 1 1.1.1 Giới thiệu chung về lò điện cccceceseeseessesessessesseseesesseesesesssesseesees 1 1.1.2 Giới thiệu chung vé 16 di6nn tO cece ceccccecccccececseseessesesseescssesseseesesstssteesseess 2

1.1.3, Cau tao 16 di8n tO eee eeeecceeecseesseeesseesseeessensssnnesssisesninsessensecsesaneen 3

1.2 Giới thiệu chung về bộ điều áp xoay Oc 7 1.2.1 Các đặc điểm chung về bộ điều áp xoay chiểu 25 Sa 2n 2n 1211121521251 1E 7 1.2.2 Van điều khiến thyFiStOr 55-5 s11 S211111111211112111111 71 1111122111112 xa 9 1.2.3 Phân tích và chọn sơ đồ điều áp xoay chiều ba pha 52-52 se2 14

Chương 2: TÍNH TOÁN THIẾT KẾ MẠCH LỰC -2222222212E122222221212222 c2 25

2.1 Thiết kế mạch lực - S2 S121 S1 121355 1215121511555 111 121215111151 1E ng 25 2.2 Tính chọn van mạch lực (Van thyr1StOT') - 2 1n 221111212111 111221 1111122 2xxk2 26 2.3 Tính chọn các phần TU DAO VE Vale ccc ccc cccceccceccccsecceccesauuesseesecssausasseseeeeaes 27 2.3.1 Bao v6 qua na 28

Chương 3: TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ MẠCH ĐIÊU KHIẾN -2- 5552 30

3.1 Yêu cầu chung của mạch điều khiến SH SE S0 2151511115151 1 215181111 sg 30

3.2 Cầu trúc mạch điều khiển 22+:+2222222211122211122111122111227111.11 21 11 30

k?n‹s on ốc ẼÃÃIIäỶ 32

3.2.2 Khâu tạo điện áp rắng, Cưa - L2 1201211211121 1111112111211 10111225111 xk 32 3.2.3 Khau so Sambi eee ce 33

KT ca sao nndấa 34 3.2.5 Khâu khuếch đại và biến áp xung -2- 25c E22121111212111122 1x0 35

3.2.6 Khâu tạo điện áp điều khiến - 2-21 2 121 E7121121121111211 1211211121 xu 37 Chương 4: MÔ PHÒNG KIẾM CHỨNG 5 c1 1211 1212112121211 ng 39

4.1 Sơ đề mạch lực và mạch điều khiển 222 SE E521 53 51511253155 12515555 15155112 39

4.2.Mô phỏng và kiểm chứng mạch điều khiến trong các trường hợp 41

san 48

Bang 2.1 Cac théng sé ky thuat cua van thyristor T10-12 cla Nga 27

Bảng 3.1 Bảng thông số các thiết bị khâu đồng pha 5 5 S9 22222211152 26 32 Bảng 3.2 Bảng thông số các thiết bị khâu tạo điện áp răng cưa cccc cà 33 Bang 3.3 Bảng thông số các thiết bị khâu tạo dao động - + s2 E2 re 34

Bảng 3.4 Bảng thông số các thiết bị khâu khuếch đại bằng biến áp xung 37

Hình 1.6 Sơ đồ tai dau tam gi0 0 ccc cece esessesesseseeseesesscsesseseetesessesseseseteestees 16

Hình 1.7 Sơ đồ đấu sao không trung tính 2 + SE S291 821271111211 11211 212111 1 c6 17

Hình 1.8 Đồ thị điện áp ra tải, với trường hợp 0 < œ < 60° s c2 1 g 19

Hình 1.9 Đồ thị điện áp ra tải, với trường hợp 60° < œ < 90° -cc St tren 21 Hình 1.10 Đồ thị điện áp ra tải, với trường hợp 90° < œ < 150” c- sec 22 Hình 2.1 Sơ đồ mạch lực khi đã có các phần tử bảo vệ dòng và áp -55¿ 25 Hinh 2.2 Mạch bảo vệ quá dòng L¿ - óc c1 1121111122111 1212111 112101111111 011 ky 28 Hinh 2.3 Mạch RC bảo vệ quá điện áp của thyfISỂOT 2 c2 n2 2121211511111 29 Hình 3.1 Sơ đồ cầu trúc nguyên tắc điều khiển dọc - 22s Sn SE 1112155112152 55 s2 30 Hình 3.2 Sơ đồ mạch khâu đồng pha 52 S1S121121871112212111121211122212 H10 32 Hình 3.3 Sơ đồ khâu tạo điện AP TANG CUAL ccc eccceesseeseecseeeseeesesesenteeetteeeteeees 32

Hình 3.4 Sơ đồ khâu so sánh :: 25 22 2212211122211122211122111.21 re 33

Hình 3.5 Sơ đồ mạch tạo dao động dùng IC logic - 5c 2s 1 1121111111152 x6 34

Hình 3.6 Sơ đồ khâu tạo xung chùm 2-52 2221 19211127121121121111121.22 110 y0 35

Hình 3.7 Sơ đồ khuếch đại xung phép biến áp xung dạng xung chủm 35

Hình 4.1.Sơ đề mạch lực S2 S211 111515121111 51515511 1112121511155 T12 re 39

Hình 4.2.Sơ đồ mạch điều khiển -5+:2222+2222112222112222122221.211 1 pve 40

Hình 4.3 Mạch điều khiến với trường hợp Uz = 1,43 (~45) -ccccccsccre 41

Hình 4.4 Đồ thị điện áp ra tải của cả 3 pha 5 2E 212211 12112122111 11g 42

Hình 4.6 Đồ thị điện áp ra tải của cả 3 pha 5S S1 221211211111 111 21 ryg 44

Hình 4.8 Đồ thị điện áp ra tải của cả 3 pha 2-5 1 2E 2122112112122 11g 46

Chương 1: GIỚI THIỆU CHUNG VẺ LÒ ĐIỆN TRỞ VÀ BỘ ĐIÊU ÁP

- Lò điện được sử dung réng rai trong các lĩnh vực kỹ thuật:

+ Sản xuất thép chất lượng cao

+ Sản xuất các hợp kim phe-rô

+ Nhiệt luyện và hóa nhiệt luyện

+ Nung các vật phâm trước khi cán, rèn dập, kéo sợi

+ §ản xuất đúc và kim loại bột

- Trong các lĩnh vực công nghiệp khác:

+ Trong công nghiệp nhẹ và thực phâm, lò điện được dùng dé sat, mạ vật phâm

b Ưu điểm của lò điện so với 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 do dễ điều chỉnh chế độ điện và nhiệt độ

- Có khả năng cơ khí hoá và tự động hoá quá trình chất đỡ nguyên liệu và vận

chuyên vật phẩm

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

c Nhược điểm của lò điện

- Năng lượng điện đắt

- Yêu cầu có trình độ cao khi sử dụng

1.1.2 Giới thiệu chung về lò điện trở

a 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-Lenxơ:

Trong do:

Q - Lượng nhiệt tính bang Jun (J)

I- Dòng điện tinh bang Ampe (A)

R - Điện trở tinh bang Om (Q)

T - Thoi gian tính bằng giây (s)

- Từ công thức trên ta thấy điện trở R có thể đóng vai trò:

+ Vật nung: Trường hợp nảy gọi lả 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 điện chữ nhật, vuông và 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 liều đề làm dây nung, bộ phận phát nhiệt của lò

b Những vật liệu dùng làm dây nung

s* Yêu cầu của vật liệu dùng làm dây nung

Dây nung là bộ phận phát nhiệt của lò, làm việc trong những điều kiện khắc

nghiệt do đó đòi hỏi phải đảm bảo các yêu cầu sau:

- Chịu nóng tốt, ít bị oxy hóa ở nhiệt độ cao

- Phải có độ bền cơ học cao, không bị biến dạng ở nhiệt độ cao

- Điện trở suất phải lớn

- Hệ số nhiệt điện trở phải nhỏ

- Các tính chất điện phải cô định hoặc ít thay đôi

- Các kích thước phải không thay đôi khi sử dụng

- Dễ gia công, dễ hàn hoặc dễ ép khuôn

s* Day nung kim loại

Đề đảm bảo yêu cầu của dây nung, trong hầu hết các lò điện trở công nghiệp, dây nung kim loại đều được chế tạo bằng các hợp kim Crôm-Nhôm và Crôm-Niken là các hợp kim có điện trở lớn Còn các kim loại nguyên chất được dùng đề chế tạo dây nung rất hiếm vì các kim loại nguyên chất thường có những tính chất không có lợi cho việc chế tạo dây nung như:

- Điện trở suất nhỏ

- Hệ số nhiệt điện trở lớn

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

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

s* Dây nung phi kim loại

Dây nung phi kim loại dung pho bién 1a SiC, Grafit va than

1.1.3 Câm tạo lò điện trở

a Những yêu cầu cơ bản đôi với cầu tạo lò điện

s* Hợp lý về công nghệ

Hợp lý về công nghệ có nghĩa 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 hop ly nhat Diéu này đặc biệt quan trọng trong khi nhu cầu về lò điện vượt xa khả năng sản xuất ra nó

s* Hiệu quả về kỹ thuật

Hiệu quả về kỹ thuật là khả năng biéu thị hiệu suất cực đại của kết cấu khi các thông số của nó xác định (kích thước ngoài, công suất, trọng lượng, giá thành, .) Đối với một thiết bị hoặc một vật pham sản xuất ra, năng suất trên một đơn vị công suất định mức, suất tiêu hao điện đề nung là các chỉ tiêu cơ bản của hiệu quả

kỹ thuật Còn đối với từng phần riêng biệt của kết câu hoặc chi tiết, hiệu quả kỹ thuật được đánh giá bằng công suất dẫn động, mô men xoắn, lực ứng với trọng lượng, kích thước hoặc giá thành kết cấu

s* Chắc chăn 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 việc liên tục tronp 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 chyền sản xuất tự động Ngay đối với các lò điện làm việc chu kỳ, lò ngừng cũng làm thiệt hại rõ rệt cho sản xuất vì khi lò ngừng đột ngột (nghĩa là phá hủy chế độ làm việc bình thường của nó) có thé dan dén lam hư

hong san pham, lang phí nguyên liệu vả 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 năng dự trữ lớn khi lò làm việc bình thường Theo quan điêm 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

s* Tiện lợi khi sử dụng

Tiện lợi khi sử đụng nghĩa là yêu cầu:

- Số nhân viên phục vụ tối thiểu

- Không yêu câu trình độ chuyên môn cao, không yêu câu sức lực và sự dẻo dai của nhân viên phục vụ

- Số lượng các thiết bị hiểm và quí bị hao mòn nhanh yêu câu tôi thiểu

- Bảo quản dễ dang Kiểm tra và sửa chữa tất cả các bộ phan cua thiết bị thuận lợi

- Theo quan điểm an toàn lao động, điều kiện làm việc phải hợp vệ sinh và tuyệt đôi an toàn

s% Rẻ và đơn giản khi chê tạo

Vệ mặt này yêu câu:

- Tiêu hao vật liệu ít, đặc biệt là các vật liệu quí và hiểm (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 được các thiết bị, dụng cụ thông thường có sẵn trong các nhà máy chế tạo đề gia công

- Các loại vật liệu và thiết bị yêu cầu đề 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 chỉ tiết và các khâu gia công cơ khí không hợp lý

s* Hình đáng bề ngoài đẹp

Mỗi kết câu của thiết bị, vật phâm, các khâu và các chỉ tiết phải có hình đáng và

tỷ lệ các cạnh phủ hợp, đễ nhìn Tuy nhiên cũng cần chú ý rằng, độ bền của kết cau khi trọng lượng nhỏ và hình đáng 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 đáng bên ngoài của lò điện Song cũng cần tránh sự trang trí không cần thiết

b Cấu tạo lò điện trở

Hình I.I Hình ảnh lò điện trở dạng lò giếng

Hình 1.1 thể hiện hình ảnh và kết cấu lò điện trở dạng lò giếng Lò điện trở thông

thường gồm ba phần chính: vỏ lò, lớp lót và dây nung

s Vỏ lò

Vỏ lò điện trở là một khung cứng vững, chủ yếu đề chịu tải trọng trong quá trình

làm việc của lò Mặt khác vỏ lò cũng dùng đề giữ lớp cách nhiệt rời và đảm bảo sự kín hoan 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 binh 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 thế 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 cầu cơ khí gắn trên vo lo

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

- Phần vật liệu chịu lửa cần đảm bảo các yêu cầu sau:

+ Chiu 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 chuyên trong điều kiện làm việc

+ Đảm bảo khả năng sẵn dây nung bên và chắc chắn

+ Có đủ độ bền hoá học khi làm việc, chịu được tác dụng của khí quyên 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 nam gitra vo lo va phan vật liệu chịu lửa Mục đích chủ yếu của phần này là để giảm tôn 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 tiêu

+ Khả năng tích nhiệt cực tiểu

+ Ôn định về tính chất lý, nhiệt trong điều kiện làm việc xác định

Phần cách nhiệt có thê xây bằng gạch cách nhiệt, có thê điền đầy bằng bột cách

nhiệt

s* 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 phố biến là dây nung kim loại

1.2, Giới thiệu chung về bộ điều áp xoay chiêu

1.2.1 Các đặc điêm chung về bộ điêm áp xoay chiêu

a Khái niệm và phân loại

Bộ điều áp xoay chiều là thiết bị dùng để đóng ngắt hoặc thay đổi điện áp xoay chiều ra tải từ một nguồn xoay chiều cô định, trong đó tần số điện áp ra bằng tần số

nguồn

Điện áp xoay chiều được phân loại theo một số cách như sau:

- Phân loại theo số pha nguồn cấp cho mạch van:

+ Điều áp xoay chiều một pha

+ Điều áp xoay chiều ba pha

- Phân loại theo van bán dẫn trong mạch:

+ Mach dung thyristor

+ Mach dung triac

+ Mach dung thyristor va diode

b Ưu, nhược điểm của bộ điều áp xoay chiều

s%* Ưu điểm

- Dễ điều chỉnh và tự động hóa

- Làm việc ổn định

- Phản ứng nhanh với các đột biến điều khiến

- Độ tin cậy và tuổi thọ cao

- Kích thước gọn

- Dễ thay thế

- Thích hợp với quá trinh hiện đại hóa

- Tập trung hóa các quá trình công nghệ

4% Nhược điểm

Nhược điểm chung và cơ bản nhất của điều áp xoay chiều là điện áp ra tải không

sin trong toan dai điều chỉnh, (điện áp trên tải chỉ đạt hình sin hoàn chỉnh khi đưa toàn

bộ điện áp nguồn ra tải), điều chỉnh càng sâu — càng giảm điện áp ra, thì độ méo cảng lớn, tức là thành phần sóng hải bậc cao (là bội số của tần số vào) cũng cảng lớn Với những tải yêu cầu nghiêm ngặt về độ méo và thành phần sóng hài có thể không ứng dụng được điều áp xoay chiều

c Phạm vi ứng dụng của bộ điều áp xoay chiều

- Điều chỉnh ánh sáng đèn sợi đốt và ôn định độ phát quang của hệ chiếu sáng

- Điều chỉnh và ôn định nhiệt độ các lò điện trở bằng cách tự động khống chế công, suất điện đưa vào lò

- Điều áp xoay chiều cũng được sử dụng dé điều chỉnh tốc độ động cơ điện không đồng bộ, nhưng chỉ phù hợp với phụ tải của động cơ đạng quạt gió hoặc

máy bơm lí tâm với phạm vi điều chỉnh không lớn Điều áp xoay chiều thích hợp

với các chế độ như khởi động, đóng — ngắt nguồn cho động cơ điện xoay chiêu

- Điều áp xoay chiều 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 dùng dòng điện xoay chiều hoặc một chiều (chỉnh lưu diode phía thứ cấp) khi rơi vào hai trường hợp

sau:

+ Điện áp thứ cấp thấp hơn nhiều điện áp sơ cấp nhưng dòng điện thứ cấp rất lớn, thí dụ như thiết bị hàn tiếp xuc

+ Điện áp thứ cấp mà tải yêu cầu cao hơn nhiều lần điện áp nguồn, thí dụ như hệ thống nguồn cho điện phân, lọc bụi tĩnh điện

1.2.2 Van diéu khién thyristor

a Cau tao, ky hiệu Thyristor

Thyristor la phan tir ban dan cau tao từ bốn lớp bán dẫn p-n-p-n, tạo ra ba tiếp piáp p-n: J;, J2, J; ThyrIstor có ba cực: anode A, katot K, cực điều khiến G được biểu

diễn trên hình 1.2

b Đặc tinh Volt-Ampere cua thyristor

Đặc tính volt-ampere của một thyristor gồm 2 phan (hinh 1.3) Phan thir nhat nằm trong góc phân tư thứ I là đặc tính thuận tương ứng với trường hợp điện áp L/;¿ > 0; phần thứ hai nằm trong góc phần tư thứ III, gọi là đặc tính ngược, tương ứng với

* Trường hợp dòng điện vào cực điều khiển bằng không (14 = 0)

Khi dòng vào cực điều khiển của thyristor bằng 0 hay khi hở mạch cực điều khiến thyristor sẽ cản trở dòng điện ứng với cả hai trường hợp phân cực điện áp giữa anode - cathode Khi điện áp L/;x < 0, theo cau tao ban dan cua thyristor, hai tiếp giáp 2;, J; đều phân cực ngược, lớp ⁄; phân cực thuận, như vậy thytistor sẽ giống như 2 diode mắc nối tiếp bị phân cực ngược Qua thyristor sẽ chỉ có một dòng điện rất nhỏ chạy qua, gọi là dòng rò Khi „x tăng đạt đến một giá trị điện áp lớn nhất Ung max SE xảy ra hiện tượng thyristor bi đánh thủng, dòng điện có thể tăng lên rất lớn Giống như

ở đoạn đặc tính ngược của diode, quá trình bị đánh thủng là quá trình không thể đảo ngược được, nghĩa là nếu có giảm điện áp [/;x xuống đưới mức L7„„„ thì dòng điện cũng không giảm được về mức dòng rò Thyristor đã bị hỏng

Khi tăng điện áp anode - cathode theo chiéu thudn, Usx > 0, lúc đầu cũng chỉ có một dòng điện rất nhỏ chạy qua, gọi là dòng rò Điện trở tương đương mạch anode - cathode vẫn có giá trị rất lớn Khi đó tiếp giáp ⁄;, /J; phân cực thuận, /J; phân cực ngược Cho đến khi Usx tăng đạt đến giá trị điện áp thuận lớn nhất, [7„„„„„ sẽ xảy ra hiện tượng điện trở tương đương mạch anode - cathode đột ngột giảm, dòng điện chạy qua thyristor sé chi bi gidi han boi dién trở mạch ngoài Nếu khi đó dong qua thyristor lớn hơn một mức dòng tối thiêu, gọi là dòng duy trì 7z, thì khi d6 thyristor sé dan dong trên đường đặc tính thuận, giống như đường đặc tính thuận ở diode Đoạn đặc tính thuận được đặc trưng bởi tính chất dòng có thể có giá trị lớn nhưng điện áp rơi trên anode - cathode nhỏ và hầu như không phụ thuộc vào giá trị của dòng điện

s* Trường hợp có dòng điện vào cực điều khiển (7¿ > 0)

Nếu có dòng điều khiến đưa vào giữa cực điều khiến và cathode, quá trình chuyên điểm làm việc trên đường đặc tính thuận sẽ xảy ra sớm hơn, trước khi điện áp

thuận đạt đến giá trị lớn nhất, [74 „„ Điều này được mô tả trên hình 1.2 bằng những

đường nét đứt, ứng với các giá trị dòng, điều khiển khác nhau, /4¡, 7ss, 7‹;, nói chung,

nếu dòng điều khiến lớn hơn thì điểm chuyên đặc tính làm việc sẽ xảy ra với /¿x nhỏ

hơn

Quá trình xảy ra trên đường đặc tính ngược sẽ không có øì khác so với trường,

hợp dòng điều khiên bằng 0

c Mo, khéa thyristor

Thyristor có đặc tính giống như diode, nghĩa là chỉ cho phép đòng chạy qua theo một chiều, từ anode đến cathode, và cản trở dòng chạy theo chiều ngược lại Tuy nhiên khác với điode, để thyrIstor có thé dan dong, ngoai diéu kién phải có điện ap Uux > 0 còn cần thêm một số điều kiện khác Do đó thyristor duoc coi la phan tử bán dẫn có điều khiến đề phân biệt với điode là phần tử không điều khiển được

s% Mở thyristor

Khi được phân cực thuận, [74x > 0, thyrIstor có thể mở bằng hai cách Thứ nhất,

có thể tăng điện áp anode - cathode cho đến khi đạt đến giá trị điện áp thuận lớn nhất, 7„„„„, điện trở tương đương trong mạch anode - cathode sẽ piảm đột ngột và dòng qua

thyristor sẽ hoàn toàn do mạch ngoài xác định Phương pháp nảy trong thực tế không

được áp dụng do nguyên nhân mở không mong muốn và không phải lúc nào cũng có thé tăng được điện áp đến 214 tri 7x„„ Vả lại như vậy sẽ xảy ra trường hop 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 cathode Xung dòng điện điều khiến sẽ chuyên trạng thái của thyristor từ trở kháng cao sang trở kháng thấp ở mức điện áp anode - cathode nhỏ Khi đó nếu dòng qua anode - cathode lớn hơn một giá trị nhất định, gọi là dòng duy trì (7z) thì thyristor sẽ tiếp tục ở trong trạng thái mở dẫn dòng mà không cần đến sự tổn tại của xung dòng điều khiến Điều này nghĩa là có thé điều khiến mở các thyristor bằng các xung dòng có độ rộng xung nhất định, do đó công suất của mạch điều khiến có thể là rất nhỏ, so với công, suất của mạch lực mà

thyristor là một phần tử đóng cắt, không chế dòng điện

s* 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, 7z Tuy nhiên để thyristor vẫn ở trạng thái khóa, với trở kháng cao, khi điện áp

anode - cathode lại dương (¿x > 0), cần phải có một thời p1an nhất định để các lớp

tiếp giáp phục hồi hoản toản tính chất cản trở dòng điện của mình

Khi thyristor dẫn dòng theo chiều thuận, 17+ > 0, hai lớp tiếp giáp ;, Js, phan

cực thuận, các điện tích đi qua hai lớp nảy dé dang và lấp đây tiếp giáp /> đang bị phân

cực ngược Vì vậy mà dòng điện có thể chảy qua ba lớp tiếp giáp J;, /J›, J; Đê khóa thyristor lại cần giảm dòng anode - cathode về đưới mức dòng duy trì (J) bang cach hoặc là đối chiếu đòng điện hoặc áp một điện áp ngược lên giữa anode và cathode của thyristor Sau khi dòng về bằng không phải đặt một điện áp ngược lên anode -

cathode (Uix < 0) trong một khoảng thời gian tối thiểu, gọi là thời gian phục hồi, 7,, chỉ sau đó thyristor mới có thê cản trở dòng điện theo cả hai chiều Trong thời gian

phục hồi có một dòng điện ngược chạy giữa anode và cathode Dòng điện ngược này

di chuyến các điện tích ra khỏi tiếp giáp J; và nạp điện cho tụ điện tương đương của hai tiếp giáp /J;, J: được phục hồi Thời gian phục hồi phụ thuộc vào lượng điện tích cần được di chuyên ra ngoài cấu trúc bán dẫn của thyristor và nạp điện cho tiếp giáp

Ji, Js đến điện áp ngược tại thời điểm đó

Quá trình khóa một thyristor có dạng gần giống như khóa một diode

Thời gian phục hồi là một trong những thông số quan trọng của thyristor Thời gian phuc hồi xác định dải tần số làm việc của thyristor Thời gian phục hồi ứ„ có gia tri

cỡ 550 us déi voi cac thyristor tan s6 cao va cé 50200 us déi voi cac thyristor tan sé thap

d Các thông số cơ bản của thyristor

Các thông số cơ bản là các thông số dựa vào đó ta có thê lựa chọn một thyristor cho một ứng dụng cụ thê nào đó

s% Giá trị dòng trung bình cho phép chạy qua thyristor, 7,

Đây là giá trị trung bình cho phép chạy qua thyristor với điều kiện nhiệt độ của cau trúc tinh thể bán dẫn của thyristor không vượt quá một giá trị cho phép Trong thực

tế dòng điện cho phép chạy qua thyristor còn phụ thuộc vào các điều kiện làm mát và nhiệt độ môi trường Thyristor có thé duoc gan lên các bộ tản nhiệt tiêu chuân và làm mát tự nhiên Ngoài ra thyristor có thể phải được làm mát cưỡng bức nhờ quạt gió hoặc dùng nước đề tải nhiệt lượng tỏa ra nhanh hơn Có thể lựa chọn dòng điện theo các điều kiện làm mát theo kinh nghiệm như sau:

- Làm mát tự nhiên: đòng sử dụng cho phép đến một phần ba dòng J

- Làm mát cưỡng bức bằng quạt gid: dong str dung bang hai phan ba dong J

- Làm cưỡng bức bằng nước: có thê sử dụng 100% dòng 7,

s% Điện áp ngược cho phép lớn nhất, Ù„„„„

Đây là giá trị điện áp ngược lớn nhất cho phép đặt lên thyristor Trong các ứng dụng phải đảm bảo rằng, tại bất kỳ thời điểm nào điện áp giữa anode - cathode [7¿ luôn nhỏ hơn hoặc bằng Ung me Ngoai ra phai dam bảo một độ dự trữ nhat dinh vé dién

áp, nghĩa là phải được chọn ít nhất là bằng 1,2 đến 1,5 lần giá trị biên độ lớn nhất của điện áp trên sơ dé đó

s* Thời gian phục hồi tinh chat khéa cua thyristor, ¢, (us)

Đây là thời gian tối thiểu phải đặt điện áp âm lên giữa anode - cathode của thyristor sau khi dòng anode - cathode đã về bằng không trước khi lại có thể có điện áp dương mà thyristor vẫn khóa Thời gian phục hồi 7; là một thông số rất quan trọng của thyristor, nhất là trong các bộ nghịch lưu phụ thuộc hoặc nghịch lưu độc lập, trong đó

phải luôn đảm bảo rằng thời gian dành cho quá trình khóa phải bằng 1,5 đến 2 lần z,

s* Tốc độ tăng điện áp cho phép, đU/dt (V/ụs)

Thyristor được sử dụng như một phần tử có điều khiến, nghĩa là mặc dù được

phân cực thuận (17; > 0) nhưng vẫn phải có tín hiệu điều khiến thì nó mới cho phép

dòng điện chạy qua Khi thyristor được phân cực thuận, phần lớn điện áp rơi trên lớp tiếp giáp J; như được chỉ ra trên hình 1.4

Hình 1.4 Hiệu ứng dU/dt tác dụng như dòng điều khiển

Lớp tiếp giáp J› bị phân cực ngược nên độ dày của nó nở ra, tạo ra vùng không gian nghèo diện tích, cản trở dòng điện chạy qua Vùng không gian này có thể coi như một tụ điện có điện dung C; Khi có điện áp biến thiên với tốc độ lớn, dòng điện của

tụ có thể có giá trị đáng kế, đóng vai trò như dòng điều khiến Kết quả là thyristor có thể mở ra khi chưa có tín hiệu điều khiển vào cực điều khiến G

Tốc độ tăng điện áp là một thông số phân biệt thyristor tần số thấp với các thyristor tần số cao Ở thyristor tần số thấp, đU/dt vào khoảng 50 đến 200 (V/us) với các thyristor tần số cao đU/dt có thé dat 500 dén 2000 (V/us)

4% Tốc độ tăng dòng cho phép, đ/dt (A/ns)

Khi thyristor bắt đầu mở, không phải mọi điểm trên tiết dién tinh thể bán dẫn của

nó đều dẫn dòng đồng đều dòng điện sẽ chạy qua bắt đầu ở một số điểm, gắn với cực điều khiến nhất, sau đó sẽ lan tỏa dần sang các điểm khác trên toàn bộ tiết điện Nếu tốc độ tăng dòng quá lớn có thế dẫn đến mật độ dòng điện ở các điểm dẫn ban đầu quá lớn, sự phát nhiệt cục bộ quá mãnh liệt có thê dẫn đến hỏng cục bộ, từ đó dẫn đến hỏng toàn bộ tiết diện tính thê bán dẫn

Tốc độ tăng dòng cũng phân biệt thyristor tần số thấp, có dl/dt cỡ 50 — 100 (A/us), với các thyristor tần số cao với dl/dt cỡ 500 — 2000 (A/us) Trong các ứng dụng phải luôn đảm bảo tốc độ tăng dòng dưới mức cho phép Điều này đạt được nhờ mắc nỗi tiếp các van bán dẫn với các cuộn kháng trị số nhỏ Cuộn kháng có thể lõi

không khí hoặc lõi frit Có thể dùng những xuyến ferit lồng lên thanh dẫn đề tạo các

điện kháng giá trị khác nhau tùy theo số lượng xuyên sử dụng xuyên ferit tạo nên các điện kháng có tính chất của cuộn kháng bão hòa Khi dòng qua thanh dẫn nhỏ, điện kháng sẽ có giá trị lớn để hạn chế tốc độ tăng dòng: khi dòng điện lớn, cuộn kháng bị bão hòa, điện cảm giảm gần như bằng không Như vậy cuộn kháng kiểu nảy không gây sụt áp trong chế độ dòng định mức qua thanh dẫn

1.2.3 Phân tích và chọn sơ đồ điều áp xoay chiều ba pha

a Các sơ đồ điều áp xoay chiều ba pha thường gặp

Các bộ điều chỉnh điện áp xoay chiều dùng dé điều chỉnh giá trị điện áp xoay chiều với hiệu suất cao Đề điều chỉnh điện áp pha có thê sử dụng ba sơ đồ

Bộ điều áp xoay chiều chủ yếu sử dụng các thyristor mắc ngược hoặc Triac để thay đôi giá trị điện áp trong nửa chu kỳ của điện áp lưới theo góc mở a, từ đó đôi được giá trị hiệu dụng của điện áp ra tải

- Nối tam giác ba bộ điều áp một pha

- Nối hỗn hợp ba thyristor và ba diode

Dưới đây trình bày các bộ điều chỉnh điện áp dòng xoay chiều hay sử dụng nhất

4% Sơ đồ đấu sao có trung tính

Thông thường trong thực tế người ta hay sử dụng bộ điều chỉnh xung áp ba pha (điều khiển động cơ không đồng bộ ba pha) điều khiến nhiệt độ của các lò điện trở Nếu bộ biến đổi xung áp ba pha được ghép từ ba bộ biến đổi một pha và có dây trung tính (hình 1.5) thì dòng qua mỗi pha sẽ không phụ thuộc vào dòng của các pha khác

- Ưu, nhược điểm của so dé:

Ưu điểm:

+ Điện áp ngược trên các van dan nhỏ vì điện áp đặt vào van bán dân 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 điều áp xoay chiều 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

+ Khi sóc 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 đỗ nối này chỉ thích hợp các loại tải 3 pha có 4 đầu dây ra

“+ So do tai dau tam giác

Hình 1.6 Sơ đồ tải đầu tam giác

Sơ đỗ hình 1.6 là sơ đỗ tải đấu tam giác, nó có nhiều điều khác so với sơ đồ có dây trung tính Ở đây dòng điện chạy giữa các pha với nhau nên đồng thời phải cấp

xung điều khiển cho 2 thyristor của 2 pha 1 lúc

Nhược điểm:

Việc cấp xung điều khiến như thế đôi khi gặp khó khăn trong mạch điều khiến,

noay cả khi việc đối thứ tự pha nguồn cũng có thê làm cho sơ đỗ không hoạt động

s* Sơ đồ đấu sao không trung tính

Hoạt động của bộ điều chỉnh điện áp xoay chiều 3 pha nối sao không dây trung tính (hình 1.7) 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 a

Trường hợp tổng quát sẽ có 6 đoạn điều khiển và 6 đoạn điều khiến không đối

xứng, đối xứng khi cả 3 Thyristor dẫn, không đối xứng khi 2 Thyristor dẫn

Việc xác định điện áp phải căn cứ vaod chương trình làm việc của các Thyristor Giả thiệt rắng tải đôi xứng và sơ đồ điều khiên đảm bao tạo ra các xung mở và góc mở

lệch nhau 120”

Khi đóng hoặc mở 1 Thyristor của một pha nào đó sẽ làm thay đổi dòng của 2 pha còn lại, ta lưu ý rằng trong hệ thống điện áp 3 pha hoặc chỉ qua 2 pha Không có trường hợp chỉ có 1 pha dẫn dòng

Khi đòng chảy qua cả 3 pha thì điện áp trên tải đúng bằng điện áp pha

Khi dòng chảy qua cả 2 pha thì điện áp trên tải bằng 1/2 điện áp dây của hai pha

mà có hai thyristor dẫn điện

- Ưu, nhược điểm của sơ đồ:

khiển

Nhược điểm:

+ Việc tính toán các van sẽ phức tạp hơn

+ 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

b Lựa chọn và phân tích sơ đồ điều áp xoay chiều ba pha

¢ Lua chon so do

Từ việc giới thiệu các ưu điểm và nhược điểm của các sơ đồ trên, có thê đi đến lựa chọn sơ đề đề thiết kế mạch lực và mạch điều khiển của bộ điều chỉnh nhiệt độ lò

điện trở là: Bộ điều áp xoay chiễu ba pha sảu thụristor đấu song song ngược tải thuần trở không dây trung tính

s* Phân tích sơ đỗ

Sau đây là phân tích hoạt động của sơ đồ với tải thuần trở R:

- Mạch hoạt động theo quy luật chung:

+ Trường hợp 2 van dẫn: Có 2 pha có van dan va 1 pha không van nào dẫn => điện áp pha tải = 1/2 điện áp dây nguồn và có I pha không có điện áp

+ Trường hợp không có van dẫn: Toàn bộ tải bị ngắt khỏi nguồn (U„¡ = 0)

- Giá trị hiệu dụng của điện áp trên tải được tính theo biêu thức sau:

Uz =

U¿; — giá trị hiệu dụng: uz¿ — 914 tri tire thor

- Do giá trị trong căn là giá trị bình phương nên:

(1.0)

Uz= (1 0)

ưa — giá trị tức thời của điện áp pha; uas, uac — giá trị tức thời của điện áp dây Các trường hợp dẫn của van phụ thuộc vào góc điều khiến ơ Gồm 3 vùng điều khiển: Với <œ< 60”

Hình 1.8 Đồ thị điện áp ra tải, với trường hợp 0 < œ < 60°

Trong vùng này (hình 1.8) có các khoảng 3 van dẫn và 2 van dẫn xen kẽ nhau

s* Các khoảng van dẫn trong một chu kỳ:

- Khoảng 0 + 30”: Khoảng có hai van Ts, T; cùng dẫn

Van ngắt khi điện áp nguồn bằng không

Giá trị hiệu dụng của dòng điện áp ra tải:

% V6i 60° <a < 90°

Hình 1.9 Đồ thị điện áp ra tải, với trường hợp 60°< ø < 90°

Vùng điều khiến này (hình 1.9) luôn chỉ có các khoảng 2 van dẫn và không phụ

thuộc vào góc điều khiến a

Điện áp ra tải không còn đoạn bằng điện áp nguồn mà chỉ có thê bằng 1/2 điện áp dây

Giá trị hiệu dụng của điện ấp ra tải:

Una = Un , (1 0) s% Với 90” < ơ < 150°

Hình 1.10 Đồ thị điện áp ra tải, với trường hợp 90°< œ < 150°

Trong vùng điều khiển này (hình 1.10), trone một chu kỳ có 2 trạng thái thay thé nhau là khoảng 2 van dẫn và khoảng không van nảo dẫn

s* Các khoảng van dẫn trong một chu kỳ:

- Khoảng 0 + 30°: Khoảng có hai van T:,T; cùng dẫn