Điều chỉnh và khống chế nhiệt độ lò điện trở, chương 3 pot

Ch-ơng 3 Giới thiệu chung về mạch điều áp xoay chiều ba pha I - Mạch điều áp xoay chiều ba pha : Nh- đã nói ở trên, công suất ra tải của lò đ-ợc tính theo công thức: P = 3. t 2 f R U Nh- vậy, để thay đổi công suất đ-a ra tải , ta có thể thay đổi t R hoặc f U . Tuy nhiên, trong thực tế, ng-ời ta th-ờng chọn cách thay đổi f U để có thể thay đổi công suất ra tải. Khi có sẵn một nguồn điện xoay chiều, để có thể thay đổi điện áp ra tải ta có thể dùng bộ điều chỉnh điện áp xoay chiều ( ĐAXC ) dùng van bán dẫn. Việc điều chỉnh điện áp ra tải dựa theo nguyên tắc t-ơng tự nh- ở các bộ chỉnh l-u tức là thay đổi điểm mở của van so với điểm qua không của điện áp nguồn, vì vậy còn gọi là ph-ơng pháp điều khiển pha (thay đổi góc mở van ). Do diot chỉ có thể dẫn dòng theo một chiều mà ta lại yêu cầu điện áp ra tải là xoay chiều nên trong mạch điều áp xoay chiều ng-ời ta không dùng diot 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 ng-ời ta th-ờng dùng sơ đồ 2 thyristor đấu song song ng-ợc nhau thay cho triac nh- hình d-ới : Các van T1, T2 lần l-ợt dẫn dòng theo 1 chiều xác định nên dòng qua cặp thyristor đấu song song ng-ợc này là dòng xoay chiều. Các van thyristor đ-ợc phát xung điều khiển lệch nhau góc 180 độ điện để đảm bảo dòng qua cặp van là hoàn toàn đối xứng. Một -u điểm của việc sử dụng hai van thyristor đấu song song ng-ợc nhau thay thế cho triac trong nạch điều áp xoay chiều là khả năng điều khiển để mở và khoá thyristor dễ dàng hơn nhiều so với triac. Ta có đồ thị dạng điện áp ra của mạch điều áp xoay chiều : Các mạch điều áp xoay chiều có nh-ợc điểm cơ bản là trong quá trình điều chỉnh, mạch luôn làm việc ở chế độ dòng điện gián đoạn, cả dạng dòng điện và điện áp ra tải đều không sin nên chỉ phù hợp với các tải loại điện trở nh- lò điện trở , bóng đèn loại sợi đốt v v Dòng điện sẽ liên tục và đồng thời trở thành hình sin hoàn chỉnh chỉ khi điện áp ra tải lấy bằng điện áp nguồn. Nh- vậy, khi điều chỉnh trên tải nhận đ-ợc một dải n sóng hài hình sin. Mặc dù vậy, với tải là điện trở thuần của lò điện trở thì việc dạng điện áp ra tải không sin cũng không ảnh h-ởng đến chế độ làm việc của lò. Các mạch điều áp xoay chiều không phù hợp với tải dạng cảm kháng nh- biến áp hoặc động cơ điện, nên chỉ dùng khi phạm vi điều chỉnh điện áp không lớn. Trong thực tế công nghiệp, các mạch điều áp xoay chiều th-ờng sử dụng là các mạch điều áp xoay chiều ba pha, tải mắc hình sao( Y ) hoặc tải hình tam giác ( ). Quá trình làm việc của mạch điều áp xoay chiều ba pha phức tạp hơn nhiều so với mạch một pha vì ở đây các pha ảnh h-ởng mạnh sang nhau và nó còn tuỳ thuộc vào nhiều yếu tố nh- sơ đồ đấu van, góc điều khiển cụ thể, tính chất tải Hình trên là sơ đồ th-ờng dùng nhất, đó là sơ đồ có sáu thyristor đấu thành ba cặp song song ng-ợc. II - Quan hệ giữa góc điều khiển và công suất ra tải Khi phân tích hoạt động của sơ đồ ta cần xác định rõ xem trong các giai đoạn sẽ có bao nhiêu van dẫn và nhờ các quy luật d-ới đây ta có thể có đ-ợc biểu thức điện áp của từng giai đoạn, từ đó mới tiến hành tính toán. D-ới đây là các quy luật dẫn dòng của van trong mạch điều áp xoay chiều ba pha: Nếu mỗi pha có một van dẫn thì toàn bộ điện áp ba pha nguồn đều nối ra tải. Nếu chỉ hai pha có van dẫn thì một pha nguồn bị ngắt ra khỏi tải, do đó điện áp đ-a ra tải là điện áp dây nào có van đang dẫn. Không thể có tr-ờng hợp chỉ có một pha dẫn dòng. Dựa vào quy luật dẫn dòng của van trong từng giai đoạn mà ta có thể xây dựng đ-ợc đồ thị điện áp ra của mạch điều áp xoay chiều ba pha. Tiếp theo, từ những biểu thức điện áp của từng giai đoạn đó ta lại có thể tính toán đ-ợc các đại l-ợng cần tính nh- điện áp, dòng điện, công suất Ta xét hoạt động của mạch điều áp xoay chiều ba pha dùng sáu thyristor đấu song song ng-ợc, tải thuần trở đấu hình sao ở trên và dựng đồ thị quan hệ giữa công suất tải và góc : Công suất tải là : R . I . 3 P 2 trong đó I là trị số hiệu dụng của dòng điện tải. Dòng điện này biến thiên theo hai trong ba quy luật dẫn dòng của van nh- sau : Nếu mỗi pha có một van dẫn ( hay toàn mạch có ba van dẫn) : )sin( R3 U i dm Nếu chỉ có hai van dẫn (hay toàn mạch có hai van dẫn ) : )sin( R 2 U i dm trong đó : dm U là biên độ điện áp dây. là góc lệch pha giữa điện áp và dòng điện ở giai đoạn đang xét. Tuỳ thuộc vào góc điều khiển mà các giai đoạn có ba van dẫn hoặc hai van dẫn cũng thay đổi theo. Ta thấy có ba khoảng điều khiển chính : 1) Khoảng dẫn của van ứng với = 0 o 60 : Trong phạm vi này sẽ có các giai đoạn ba van và hai van dẫn xen kẽ nhau nh- đồ thị d-ới đây : Dựa vào đồ thị ta có thể xác định đ-ợc biểu thức liên quan giữa công suất ra tải P và góc điều khiển : R . I . 3 P 2 = )d 3 sin d 4 sin d 3 sin d 4 sin d 3 sin ( R U3 3 2 2 3 2 3 2 2 3 2 3 2 3/ 3 3 22 2 dm = ] 8 2sin 4 6 [ R U3 2 dm (1) 2) Khoảng van dẫn ứng với = 60 o 90 : Trong phạm vi này luôn chỉ có các giai đoạn hai van dẫn. Ta có đồ thị điện áp ra ở d-ới : Dựa vào đồ thị ta có thể xác định đ-ợc biểu thức liên quan giữa công suất ra tải P và góc điều khiển : R . I . 3 P 2 = ]d 4 sin d 4 sin [ R U3 36 5 32 36 5 32 22 2 dm = ]2cos 16 3 2sin 16 3 12 [ R U3 2 dm (2) 3) Khoảng van dẫn ứng với = 90 o 150 : Trong phạm vi này chỉ có các giai đoạn hai van dẫn hoặc không có van nào dẫn xen kẽ nhau. Ta có đồ thị điện áp ra nh- ở d-ới : Dựa vào đồ thị ta có thể xác định đ-ợc biểu thức liên quan giữa công suất ra tải P và góc điều khiển : R . I . 3 P 2 = 32 32 22 2 dm ]d 3 sin d 4 sin [ R U3 = ]2sin 16 1 2cos 16 3 4 24 5 [ R U3 2 dm (3) Theo ba biểu thức (1), (2), (3) và cho các giá trị khác nhau và lấy P ở = 0 là 100% ta có bảng các giá trị và đồ thị biểu diễn quan hệ giữa công suất ra tải P và góc điều khiển : P% P% 0 100 90 29,3 20 98,6 100 18,1 30 95,6 110 9,7 40 90,2 120 4,3 50 81,8 130 1,3 60 70,6 140 0,1 70 57,16 150 0 80 42,8 Nhận xét : công suất đ-a ra tải là lớn nhất khi góc điều khiển = 0 nh-ng với =30 thì công suất ra tải cũng xấp xỉ khi = 0. Trong mạch điều áp xoay chiều ba pha sáu thyristor đấu song song ng-ợc tải thuần trở đấu tam giác, dạng điện áp từng pha cũng nh- vậy. Tuy nhiên, do tải đấu tam giác nên khi mạch có ba van dẫn thì điện áp rơi trên điện trở tải là điện áp dây, khi mạch có hai van dẫn thì điện áp rơi trên điện trở tải giữa hai dây đó là điện áp dây còn điện áp rơi trên hai điện trở còn lại bằng một nửa điện áp dây. . : R . I . 3 P 2 = )d 3 sin d 4 sin d 3 sin d 4 sin d 3 sin ( R U3 3 2 2 3 2 3 2 2 3 2 3 2 3/ 3 3 22 2 dm = ] 8 2sin 4 6 [ R U3 2 dm (1) 2) Khoảng van dẫn ứng. trong quá trình điều chỉnh, mạch luôn làm việc ở chế độ dòng điện gián đoạn, cả dạng dòng điện và điện áp ra tải đều không sin nên chỉ phù hợp với các tải loại điện trở nh- lò điện trở , bóng. thị điện áp ra ở d-ới : Dựa vào đồ thị ta có thể xác định đ-ợc biểu thức liên quan giữa công suất ra tải P và góc điều khiển : R . I . 3 P 2 = ]d 4 sin d 4 sin [ R U3 36 5 32 36 5 32 22 2 dm