Thiết kế bộ điều áp xoay chiều

Khi thiÕt kÕ mét bé ®iÒu ¸p xoay chiÒu nªn tiÕn hµnh theo tr×nh tù sau: 1. Ph©n tÝch chÕ ®é lµm viÖc cña t¶i, t×m hiÓu c¸c c¨n cø thiÕt kÕ. 2. Lùa chän s¬ ®å. 3. TÝnh to¸n th«ng sè m¹ch ®éng lùc 4. ThiÕt kÕ m¹ch ®iÒu khiÓn a-ThiÕt kÕ m¹ch nguyªn lý b-TÝnh chän linh kiÖn

9.6 Thiết kế điều áp xoay chiều 9.6.1 Trình tự thiết kế Khi thiết kế điều áp xoay chiều nên tiến hành theo trình tự sau: Phân tích chế độ làm việc tải, tìm hiểu thiết kế Lựa chọn sơ đồ Tính toán thông số mạch động lực Thiết kế mạch điều khiển a-Thiết kế mạch nguyên lý b-Tính chọn linh kiện Căn thiết kế Các yếu tố sau cã ¶nh hëng nhiỊu nhÊt tíi viƯc thiÕt kÕ điều áp xoay chiều Khi thiết kế cần xét: - Đặc điểm tải : +Công suất tải +Điện áp dòng điện hay khác điện áp nguồn lới +Chế độ làm việc: dài hạn, ngắn hạn hay ngắn hạn lặp lại +Dải điều khiển công suất +Nguồn cấp - Điều kiện môi trờng làm việc +Nhiệt độ +Độ ẩm +Các điều kiện khác - Khả cung cấp linh kiện - Khả tài - Trình độ khả ngời thiết kế, vận hành Việc thiết kế điều áp xoay chiều pha ba pha có số đặc điểm, cách làm khác nhau, cần phân biệt rõ hai loại điều áp 9.6.2 Thiết kế điều áp pha Lựa chọn sơ đồ a-Chọn sơ đồ mạch động lực Mạch động lực điều áp xoay chiều nói chung có số sơ đồ kinh điển Trên hình 26 a điều áp xoay chiều điều khiển cách mắc nối tiếp với tải điện kháng hay điện trở phụ (tổng trở phụ ) biến thiên Sơ đồ mạch điều chỉnh đơn giản dễ thực Zf U1 TBBĐ U2 i Z a U1 i U2 U1 Hình 9.26 Các phơng án bđiều áp pha U2 C Tuy nhiên điều chỉnh kinh điển đợc dùng, hiệu suất thấp (nếu Zf điện trở ) hay cos thấp (nếu Zf điện cảm ) Ngời ta dùng biến áp tự ngẫu để điều chỉnh điện áp xoay chiều U nh hình 9.26 b Điều chỉnh biến áp tự ngẫu có u điểm điều chỉnh điện áp U từ đến trị số bất kỳ, lớn hay nhỏ điện áp vào Nếu cần điện áp có điều chỉnh, mà vùng điều chỉnh lớn điện áp vào, phơng án phải dùng biến áp tất yếu Tuy nhiên sử dụng biến áp tự ngẫu để điều chỉnh khó thực dòng tải lớn, đặc biệt không điều chỉnh liên tục đợc, chổi than khó chế tạo để tiếp xúc vòng dây biến áp Hai giải pháp điều áp xoay chiều hình 9.26 a,b có chung u điểm điện áp hình sin, đơn giản Có chung nhợc điểm quán tính điều chỉnh chậm không điều chỉnh liên tục dòng tải lớn Sử dụng sơ đồ bán dẫn để điều chỉnh xoay chiều, khắc phục đợc nhợc điểm vừa nêu Các sơ đồ bán dẫn điều áp xoay chiều hình 9.1 đợc sử dụng Lựa chọn sơ đồ sơ đồ tuỳ thuộc dòng điện, điện áp tải khả cung cấp linh kiện bán dẫn Có số gợi ý lựa chọn sơ đồ hình 9.1 nh sau: Sơ đồ kinh điển hình 9.1.a thờng đợc sử dụng nhiều hơn, điều khiển đợc với dòng tải Hiện Tiristo đợc chế tạo có dòng ®iƯn ®Õn 7000A, th× viƯc ®iỊu khiĨn xoay chiỊu ®Õn hàng chục nghìn ampe theo sơ đồ hoàn toàn đáp ứng đợc Sơ đồ kinh điển đà đợc dùng lâu (từ năm 60 kỷ trớc) nên trở nên quen thuộc nhiều tác giả Tuy nhiên việc điều khiển hai Tiristo song song ngợc có chất lợng điều khiển không tốt lắm, đặc biệt cần điều khiển đối xứng điện áp, cung cấp cho tải, mà tải đòi hỏi thành phần điện áp đối xứng, chẳng hạn nh biến áp hay động xoay chiều Khả đối xứng điện áp điều khiển linh kiện mạch điều khiển Tiristo gây nên sai số Điện áp tải thu đợc gây đối xứng nh so sánh hình 9.27 U U U UT¶i T¶i  tt  U U Hình dạng đờng áp điều khiển U UTải Tải aa tt bb 9.27 cong Hình điện a-Mong muốn b-Không mong muốn Điện áp dòng điện không đối xứng nh hình 9.27.b cung cấp cho tải, làm cho tải có thành phần dòng điện chiều, cuộn dây bị bÃo hoà, phát nóng bị cháy Vì việc định kỳ kiểm tra, hiệu chỉnh lại mạch việc nên thờng xuyên làm sơ đồ mạch Tuy dòng điện tải lớn sơ đồ tối u cho việc lựa chọn Để khắc phục nhợc điểm vừa nêu việc ghép hai Tiristo song song ngợc, Triac đời mắc theo sơ đồ hình 9.1.b Sơ đồ có u điểm là, đờng cong điện áp gần nh mong muốn nh hình 9.27.a, có u điểm việc lắp ráp có van bán dẫn Sơ đồ mạch đợc sử dụng phổ biến công nghiệp Tuy nhiên Triac đợc chế tạo với dòng điện không lớn (I < 400A), nên với dòng điện tải lớn cần phải ghép song song Triac, lúc phức tạp lắp ráp điều khiển song song Những tải có dòng điện 400A sơ đồ hình 9.1 b dùng Một yếu tố làm cho Triac cha áp đảo đợc Tiristo điều áp xoay chiều (của năm 2003 này) chất lợng Hiện chất lợng Triac cha thật cao lắm, việc sử dụng làm cho ngời ta lo ngại, tơng lai gần chắn việc sử dụng Triac rộng rÃi Sơ đồ hình 9.1.c có hai Tiristo hai điốt đợc dùng để nối cực điều khiển đơn giản, trờng hợp đợc dùng điện áp nguồn cấp lớn, cần phân bổ điện áp van, đơn nh việc mắc nối tiếp van Sơ đồ hình 9.1.d trớc thờng đợc dùng, cần điều khiển đối xứng điện áp tải, có Tiristo mạch điều khiển nên việc điều khiển đối xứng điện áp dễ dàng Số lợng Tiristo có u điểm van điều khiển Tuy nhiên việc điều khiển theo sơ đồ dẫn đến tổn hao van bán dẫn lớn, làm hiệu suất hệ thống điều khiển thấp Ngoài việc tổn hao lợng nhiệt lớn làm cho hệ thống làm mát khó khăn Đa số trờng hợp điều áp xoay chiều, điện áp tải điều khiển vùng thấp điện áp nguồn, van bán dẫn đợc nối trực tiếp tới nguồn Trong trờng hợp điện áp tải thờng đợc điều khiển dải từ đến điện áp nguồn cấp Một số loại tải có điện áp tối đa khác với thông số điện áp nguồn cấp Trong trờng hợp biến áp để phối hợp thông số điện áp nguồn cấp với thông số điện áp tối đa tải theo sơ đồ 9.28 cần đợc đa vào U1 U2 Z Hình 9.28 Điêù áp xoay chiều với điện áp tải lớn điện áp nguồn cấp Biến áp đợc sử dụng hình 9.28 biến áp tự ngẫu biến áp cách ly Biến áp cách ly thờng nên chọn hơn, biến áp cách ly có thêm chức bảo vệ xung điện áp từ lới Khi tải nhu cầu cao điều khiển đối xứng, điều khiển điện trở lò sấy hay đèn sợi đốt, ngời ta sử dụng sơ đồ điều khiển không đối xứng điốt Tiristo nh hình 9.29 T D Ur ir i t ~ a b Hình 9.29 Điều áp xoay chiều không đối xứng a) sơ đồ ; b) đờng cong điện áp dòng điện điều khiển nửa chu kỳ điện áp nửa chu kỳ không điều khiển Trờng hợp điều khiển từ 1/4 công suất trở lên Tuy nhiên công suất tải lớn gây đối xứng nguồn cấp làm xấu chất lợng nguồn Tính chọn thông số mạch động lực bảo vệ Mạch động lực bảo vệ sơ đồ điều áp xoay chiều thờng gặp hai sơ đồ hình 9.30 T1 AT C R C R AT T U1 T2 ZT U1 ZT a b Hình 9.30 Các sơ đồ điều áp xoay chiều điển hình linh kiện bán dẫn a) Tiristo, b) Triac Thông số van bán dẫn T1,T2,T Aptomat bảo vệ dòng điện AT đợc lựa chọn thông qua thông số dòng điện tải Tính toán thông số để lựa chọn van Dòng điện định chế độ làm việc van bán dẫn cần chọn dòng điện bảo vệ Aptomat dòng điện cực đại tải Dòng điện cực đại tải ®ỵc tÝnh gãc më van nhá nhÊt Thêng gãc mở van nhỏ chế độ làm việc =0, lúc tải có dòng điện hình sin chạy qua Dòng điện tải đợc tính : ITải= P U cos Trong đó: P Công suất định mức tải U - Điện áp định mức cos - Hệ số công suất tải Hoặc ITải= U RT2 X T2 Khi thông số đà cho điện áp U, điện trở tải RT điện cảm XT Từ trị số IT ta tính đợc dòng điện làm việc hiệu dụng chạy qua van bán dẫn Trong sơ đồ hình 9.30.a dòng điện chạy qua Tiristo IT1, IT2 đợc tính IT1=IT2= I Tau sơ đồ hình 9.30.b dòng điện chạy qua Triac dòng điện tải ITriac=ITải Điện áp làm việc (ngợc) van cần chọn theo biên ®é ®iƯn ¸p ngn xoay chiỊu ULV= U1 Van bán dẫn đợc chọn vào thông số dòng điện điện áp vừa tính đợc từ biểu thức Cách chọn van bán dẫn Trớc tiên chọn chế độ làm mát cho van bán dẫn Căn chế độ làm mát mà chọn van, tham khảo cách làm mát phần chọn van bán dẫn chơng Sau chọn xong chế độ làm mát van, tính trị số định mức van cần chọn Tra bảng thông số van chọn đợc van cần thiết Tính chọn Aptomat AT bảo vệ xung điện áp chuyển mạch van RC đợc thực nh dà giới thiệu chơng Trờng hợp điện áp nguồn cấp không trùng điện áp tối đa tải, cần có biến áp để phối hợp điện áp cho hợp lý, công suất biến áp đợc tính theo công suât tải Biến áp đợc tính nh dà giới thiệu chơng 3- Thiết kế mạch điều khiển Về nguyên lý, mạch điều áp xoay chiều, van bán dẫn đợc mắc vào lới điện xoay chiều hoàn toàn giống nh chỉnh lu Trờng hợp mạch động lực đợc chọn hai Tiristo mắc song song ngợc nh sơ đồ hình 9.1a, cần có hai xung điều khiển chu kỳ Mạch điều khiển sử dụng sơ ®å hoµn toµn gièng ®iỊu khiĨn chØnh lu mét pha chu kỳ, với Tiristo mạch điều khiển độc lập Khi sử dụng sơ đồ mạch điều khiển chỉnh lu cho điều áp xoay chiều, xuất khả là: hai Tiristo điều khiển không đối xứng, linh kiện hai mạch điều khiển không hoàn toàn giống hệt Đối với tải cần điều khiển đối xứng, đòi hỏi hai Tiristo mở đối xứng, lúc cần kênh điều khiển Tiristo có góc mở khác tốt Mong mn lµ chóng hoµn toµn gièng Nhng sù gièng đạt đến chừng mực Nguyên lý điều khiển Tiristo nh điều khiển chỉnh lu, nghĩa nửa chu kỳ điện áp, cần tạo điện áp tựa trùng pha điện áp nguồn cấp nh hinh 9.31 Trong điều khiển chỉnh lu kênh điều khiển nửa chu kỳ, điện áp tựa xuất gián đoạn Mỗi nửa chu kỳ có điện áp tựa đồng pha điện áp dơng anốt Tiristo Điều áp xoay chiều cần có điện áp tựa liên tiếp hai nửa chu kỳ Khi so sánh điện áp tựa với điện áp điều khiển, nửa chu kỳ có điện ¸p tùa b»ng ®iƯn ¸p ®iỊu khiĨn vïng biÕn thiên tuyến tính điện áp tựa ( điểm t1, t2, t3, t4, ) Kết chúng ta có xung điều khiển Xđk liên tiếp nửa chu kỳ Hình 9.31 Nguyên lý điều khiển điều áp xoay chiều UT t Urc t t1 t2 t3 t4 t5 t6 t7 t8 X®k t UTải t Hình 9.31 Nguyên lý điều khiển điều áp xoay chiều Nguyên lý điều khiển nh hình 9.31 hợp lý mạch động lực Triac hình 9.1.b Để thực ý tởng điều khiển nh nguyên lý hình 9.31 cần khâu điều khiển nh đà giới thiệu chỉnh lu Sự khác điều khiển chỉnh lu với điều áp xoay chiều điều áp xoay chiều cần tạo điện áp tựa liên tiếp hai nửa chu kỳ Để làm đợc việc này, đầu vào đồng pha ®a tíi mét ®iƯn ¸p chØnh lu vÝ dơ nh hình 9.32 Nguyên lý hoạt động sơ đồ hình 9.32 nh sau: Điện áp chỉnh lu UA đợc so sánh với điện áp U1 lấy biến trở VR1 hình 9.32 Tại thời điểm UA=U1 đổi dấu điện áp khuếch đại thuật toán A1 Kết có chuỗi xung chữ nhật không đối xứng U B có độ rộng xung âm UB, phần dơng UB tích phân qua A2 thành điện áp tựa Trong vùng làm xung điều khiển, điện áp tựa Theo Tr1 U nguyên tắc giảm nhỏ gãc  cµng tèt, mµ gãc R4 C VR1 U1 R1 D1 R2 A R5 B D3 +A A2 + C Uđf1 Uv Uđf2 D2 Hình 9.32 Sơ đồ đồng pha tạo điện áp tựa liên tiếp hai nửa chu kỳ định Vì giảm U1 để có góc vài độ, sai số vài độ hoàn toàn cho phép UA U1 t UB t t Hình 9.33 Nguyên U lý tạo điện áp tựa điều áp xoay C chiều Mạch điều khiển Triac Mạch điều khiển điều áp xoay chiều pha với mạch điều khiển Triac điều khiển sợi đốt đợc vẽ nh h×nh 9.34 UT D5 D4 Tr1 R3 VR1 D1 A Uv U®f1 R2 +A - B D3 R5 R4 R1 R4 A + C - A D R7 + R6 R5 X Tr2 Tr3 U®k U®f2 D2 Hình 9.34 Sơ đồ mạch điều khiển triac Nguyên lý hoạt động hình 9.34 đợc giới thiệu sau, hình 9.37 Mạch điều khiển cặp Tiristo mắc song song ngợc Khi mạch động lực hai Tiristo mắc song song ngợc, thực việc điều khiển số giải pháp nh hình 9.35 M§K T2 T1 T2 M§K T M§K T1 T1 T2 a b K§X T2 T1 M§K T2 K§X T1 Hình 9.35 Các phơng án điều khiển cặp tiristo mắc song song c ngợc a, hai mạch điều khiển độc lập; b,- biến áp xung hai cuộn dây thứ cÊp; c – chung lƯnh më van, kh¸c khch đại Nh đà giới thiệu trên, điều khiển hai Tiristo hai mạch điều khiển độc lập nh hình 9.35.a, khả điều khiển không đối xứng điện áp tơng đối cao Khi cần điều khiển đối xứng ngời ta dùng mạch điều khiển phát xung liên tiếp hai nửa chu kì, để mở hai Tiristo ngêi ta sư dơng biÕn ¸p xung hai cn dây thứ cấp nh hình 9.35.b Giải pháp có u điểm đơn giản việc thi công mạch điều khiển, nhng sử dụng biến áp xung, việc phân phối công suất cho hai Tiristo không nhau, khả Tiristo không đủ công suất để mở tơng đối cao, Các sơ đồ mạch thực tế thờng không chọn sơ đồ Mạch điều khiển tối u nên chọn hai Tiristo chung phần điện áp tựa điện áp so sánh, tới tầng khuếch đại tách riêng Tiristo 10 ... Để thực ý tởng điều khiển nh nguyên lý hình 9.31 cần khâu điều khiển nh đà giới thiệu chỉnh lu Sự khác điều khiển chỉnh lu với điều áp xoay chiều điều áp xoay chiều cần tạo điện áp tựa liên tiếp... suất biến áp đợc tính theo công suât tải Biến áp đợc tính nh dà giới thiệu chơng 3- Thiết kế mạch điều khiển Về nguyên lý, mạch điều áp xoay chiều, van bán dẫn đợc mắc vào lới điện xoay chiều hoàn... U2 Z Hình 9.28 Điêù áp xoay chiều với điện áp tải lớn điện áp nguồn cấp Biến áp đợc sử dụng hình 9.28 biến áp tự ngẫu biến áp cách ly Biến áp cách ly thờng nên chọn hơn, biến áp cách ly có thêm