Đồ án điều chỉnh và khống chế nhiệt độ lò điện trở

2, 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 hoặcvật dẫn thì ở đó sẽ toả ra một lượng nhiệt theo định luật Jun-Lenx

Lời nói đầu

Trong thực tế công nghiệp và sinh hoạt hàng ngày, năng lượng nhiệt đóng một vaitṛò rất quan trọng Năng lượng nhiệt có thể được dùng để nung nóng, sấy khô Vì vậyviệc sử dụng nguồn năng lượng này một cách hợp lý và có hiệu quả là rất cần thiết Ḷòđiện trở được ứng dụng rất rộng răi trong công nghiệp việc đáp ứng được nhiều yêu cầuthực tiễn đặt ra Ở lò điện trở, yêu cầu kĩ thuật quan trọng nhất là phải điều chỉnh vàkhống chế được khiệt độ của lò Đây cũng chính là yêu cầu của đồ án môn học điện tửcông suất mà em đă được giao Với các số liệu cho trước:

Điện áp nguồn lưới 3*380 V

Đồ án đă được thực hiện dưới sự hướng dẫn tận tình của cô giáo Nguyễn Thị Điệp.

Đồ án gồm 4 chương:

Chương 1: Giới thiệu về lò điện trở

Chương 2: Giới thiệu về bộ biến đổi xung áp xoay chiều

Chương 3: Thiết kế tính toán mạch lực

Chương 4: Thiết kế và tính toán mạch điều khiển

0

Mục lục

Lời nói đầu 1

Mục lục 2

Chương 1: Giới thiệu về lò điện trở 4

I, Giới thiệu chung về lò điện 4

1, Định nghĩa 4

2, Nguyên lý làm việc của lò điện trở 4

3, Cấu tạo lò điện trở 5

3.1, Vỏ lò 5

3.2, Lớp lót 6

3.3, Dây nung 7

II Một số phương pháp điều khiển nhiệt độ lò điện trở: 7

1, Bộ biến đổi xung áp xoay chiều : 7

2, Điều khiển nhiệt độ lo điện trỏ dùng bộ điều khiển PID: 8

3, Điều khiển mờ: 9

Chương 2: Giới thiệu về bộ biến đổi xung áp xoay chiều: 11

I Thyristor 11

1 Cấu tạo: 11

2 Các thông số cơ bản của thyristor 11

2.1, Giá trị dòng trung bình cho phép chạy qua thyristor, IVtrb 11

2.2, Điện áp ngược cho phép lớn nhất, Ungmax 12

2.3, Thời gian phục hồi tính chất khoá của thyristor , tr (s) 12

2.4, Tốc độ tăng điện áp cho phép dUdt (Vμsμss) 12

2.5, Tốc độ tăng dòng cho phép dIdt (A/s) 13

3 Đặc tính vôn – ampe của thyristor 13

4 Mở và khoá thyristor 14

4.1, Mở thyristor 14

4.2, Khoá thyristor 15

5 Các yếu cầu đối với tín hiệu điều khiển thyristor 16

II, Mạch biến đổi xung áp xoay chiều ba pha : 16

III, Phân tích sự hoạt động của sơ đồ: 18

1, Khoảng dẫn của van ứng với  = 0  60o : 19

2, Khoảng van dẫn ứng với = 60 90o : 20

3, Khoảng van dẫn ứng với  = 90  150o : 21

Chương 3: Thiết kế tính toán mạch lực 25

I, Tính chọn van bán dẫn 25

II, Tính toán bảo vệ van bán dẫn 29

1, Bảo vệ quá dòng 29

2, Bảo vệ quá áp 30

Chương 4: Thiết kế và tính toán mạch điều khiển 32

I, Nguyên tắc chung của mạch điều khiển 32

1, Thyristor chỉ mở cho dòng chảy qua khi thoả mãn hai điều kiện : 32

2, Nguyên tắc điều khiển 32

2.1, Nguyên tắc điều khiển thẳng đứng tuyến tính 32

2.2, Nguyên tắc điều khiển thẳng đứng “arccos” 33

3, Mạch điều khiển 33

3.1, Khâu đồng pha 33

3.2 Khâu tạo điện áp răng cưa 35

3.3, Khâu so sánh 36

3.4, Khâu tạo xung chùm 37

3.5 Chọn cổng AND 39

3.6, Khâu khuyếch đại và biến áp xung 40

3.7, Khâu phản hồi: 43

3.8, Tính toán biến áp nguồn nuôi: 46

3.9, Khối nguồn: 48

4, Sơ đồ nguyên lý 1 kênh điều khiển 49

5, Giản đồ điện áp 1 kênh điều khiển 49

6, Sơ đồ mạch lực và mạch điều khiển 51

Kết luận 52

Tài liệu tham khảo 53

Chương 1: Giới thiệu về lò điện trở

I, Giới thiệu chung về lò điện

1, Định nghĩa

Lò điện là một thiết bị điện biến điện năng thành nhiệt năng dùng trong các quá trìnhcông nghệ khác nhau như nung hoặc nấu luyện các vật liệu, các kim loại và các hợp kimkhác nhau v.v

Lò điện không những có mặt trong các ngành công nghiệp mà ngày càng được dùngphổ biến trong đời sống sinh hoạt hàng ngày của con người một cách phong phú và đadạng : Bếp điện, nồi nấu cơm điện, bình đun nước điện, thiết bị nung rắn, sấy điện v.v

2, 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 hoặcvật dẫn thì ở đó sẽ toả ra một lượng nhiệt theo định luật Jun-Lenxơ :

Q=I2RT

Q - Lượng nhiệt tính bằng Jun (J)

I - Dòng điện tính bằng Ampe (A)

R - Điện trở tính bằng Ôm

T - Thời gian tính bằng giây (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 : Khi dây nung được nung nóng nó sẽ truyền nhiệt cho vật nung bằngbức 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 diện chữ nhật, vuông và tròn )

Trường hợp thứ hai thường gặp nhiều trong thực tế công nghiệp Cho nên nói đến lòđiện trở không thể không đề cập đến vật liều để làm dây nung, bộ phận phát nhiệt của lò.

3, Cấu tạo lò điện trở

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

Hình 1.1: Lò giếng 3.1, Vỏ lò

Vỏ lò điện trở là một khung cứng vững, chủ yếu để chị tải trọng trong quá trình làmviệc của lò Mặt khác vỏ lò cũng dùng để giữ lớp cách nhiệt rời và đảm bảo sự kín hoàntoàn hoặc tương đối của lò

Đối với các lò làm việc với khí bảo vệ, cấn thiết vỏ lò phải hoàn toàn kín, còn đốivới các lò điện trở bình thường, sự kín của vỏ lò chỉ cần giảm tổng thất nhiệt và tránh sựlùa 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 (vậtnung) 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 lượngkim 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 tăngcường bằng các loại thép hình

Vỏ lò chữ ngật được dựng lên nhờ các thép hình U, L và thép tấm cắt theo hình dángthích hợp Vỏ lò có thể được bọc kín, có thể không tuỳ theo yêu cầu kín của lò Phươngpháp gia công vỏ lò loại này chủ yếu là hàn và tán

3.2, 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 đặcbiệt tuỳ theo hình dáng và kích thước đã cho của buồng lò Cũng có khi người ta đầmbằng các loại bột chịu lửa và các chất dính dết gọi là các khối đầm Khối đầm có thể tiếnhành 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 kiệnlàm 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 ảnhhưởng của vật nung

+ Đảm bảo khả năng tích nhiệt cực tiểu Điều này đặc biệt quan trọng đối với lò làmviệc chu kỳ.

Phần cách nhiệt thường nằm giữa vỏ lò và phần vật liệu chịu lửa Mục đích chủ yếucủa 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 cáchnhiệt

3.3, 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

II Một số phương pháp điều khiển nhiệt độ lò điện trở:

1, Bộ biến đổi xung áp xoay chiều :

Như đã nói ở trên, công suất ra tải của lò được tính theo công thức:

P = 3

U f2

R t

Như vậy, để thay đổi công suất đưa ra tải , ta có thể thay đổi Rt hoặc U f Tuy

nhiên, trong thực tế, người ta thường chọn cách thay đổi U f 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 thểdùng bộ biến đổi xung áp xoay chiều dùng van bán dẫn Việc điều chỉnh điện áp ra tải dựatheo nguyên tắc tương tự như ở các bộ chỉnh lưu tức là thay đổi điểm mở của van so vớiđiểm qua không của điện áp nguồn, vì vậy còn gọi là phương pháp điều khiển pha (thayđổi góc mở van)

Hình 1.2: Sơ đồ bộ biến đổi xung áp xoay chiều 3 pha có sáu thyristor đấu song

song ngược

2, Điều khiển nhiệt độ lo điện trỏ dùng bộ điều khiển PID:

Hình 1.3: Sơ đồ điều khiển nhiệt độ lò điện trở dùng bộ điều khiển PID

Đối tượng là lò điện trở, trong kĩ thuật người là mô phỏng lò điện trở là 1 khâu quántính bậc 1 có trễ có hàm truyền:

Hình 1.4: Mô hình bộ điều khiển PID

+ K m: thay đổi trực tiếp giá trị tín hiệu đầu ra  sai lệch tĩnh, đáp ứng nhanh, bị ảnhhưởng bởi nhiễu ở mọi tần số

+ T i: Sai lệch tĩnh bằng 0 khi hệ được kích thích bằng tín hiệu hằng, giảm độ quáđiều chỉnh

+ T d:Phản ứng nhanh với sự thay đổi của e(t), tăng độ quá điều chỉnh, nhạy cảm vớinhiễu tần số cao

3, Điều khiển mờ:

Hoạt động của 1 độ điều khiển mờ phụ thuộc vào phương pháp rút ra kết luận theo

tư duy của con người sau đó được cài vào máy tính trên cơ sở logic mờ

Một số bộ điều khiển mờ bao gồm 3 khối cơ bản: Khối mờ hóa, thiết bị hợp thành vàkhối giải mờ Ngoài ra còn có khối giao diện vào và giao diện ra

Hình 1.5: Sơ đồ điều khiển nhiệt độ lò điện trở dùng điều khiển mờ

+ Khối mờ hóa có chức năng chuyển đổi mỗi giá trị rõ của biến ngôn ngữ đầu vàothành vector µ có số phần tử bằng số tập mờ đầu vào

+ Thiết lập hợp thành mà bản chất của nó sự triển khai luật hợp thành R được xâydựng trên cơ sở luật điều khiển

+ Khối giải mờ có nhiệm vụ chuyển tập mờ đầu ra thành giá trị rõ y0 (ứng với mỗigía trị x0 để điều khiển đối tượng

+Giao diện đầu vào thực hiện việc tổng hợp và chuyển đổi tín hiêu đầu vào (tương

tự sang số), ngoài ra còn có thể them vào các khâu phụ trợ để thực hiện bài toán động lựcnhư vi phân tích phân…

+ Giao diện đầu ra thưc hiện chuyển đổi tín hiệu ra(từ số sang tương tự) để điềukhiển đối tượng

Hình 1.6: Cấu túc hệ mờ

Chương 2: Giới thiệu về bộ biến đổi xung áp xoay chiều:

I Thyristor

1 Cấu tạo:

Thyristor là phần tử bán dẫn cấu tạo từ bốn lớp bán dẫn n-n tạo ra ba tiếp giáp

p-n J1, J2, J3 Thyristor có ba cực: anot A, catot K, cực điều khiển G như được biểu diễn trênhình

canot

Hình 2.1: Cấu tạo Thyristor

2 Các thông số cơ bản của thyristor

Các thông số cơ bản là những thông số dựa vào đó ta có thể lựa chọn một thyristorcho một ứng dụng cụ thể nào đó

2.1, Giá trị dòng trung bình cho phép chạy qua thyristor, I Vtrb

Đây là giá trị dòng trung bình cho phép chạy qua thyristor với điều kiện nhiệt độ củacấu trúc tinh thể bán dẫn của thyristor không vượt quá một giá trị cho phép Trong thực tếdòng điện cho phép chạy qua thyristor còn phụ thuộc vào các điều kiện làm mát và nhiệt

độ môi trường Thyristor có thể được gắn lên các bộ tản nhiệt tiêu chuẩn và làm mát tựnhiên Ngoài ra thyristor có thể tản được làm mát cưỡng bức nhờ quạt gió hoặc dùng nước

để tải nhiệt lượng toả ra nhanh hơn Nói chung có thể lựa chọn dòng điện theo các điềukiện làm mát như sau:

- Làm mát tự nhiên: Dòng sử dụng cho phép đến 1/3 dòng I

- Làm mát cưỡng bức bằng quạt gió: Dòng sử dụng bằng 2/3 IVtrb

- Làm mát cưỡng bức bằng nước: Có thể sử dụng đến 100% dòng IVtrb

2.2, Điện áp ngược cho phép lớn nhất, U ngmax

Đây là giá trị điện áp ngược lớn nhất cho phép đặt lên thyristor Trong các ứng dụngphải đảm bảo rằng tại bất kỳ thời điểm nào điện áp giữa anot – catot UAK luôn nhỏ hơnhoặc bằng Ungmax Ngoài ra phải đảm bảo một độ dự trữ nhất định về điện áp, nghĩa là

Ungmax phải được chọn ít nhất là bằng 1,2 – 1,5 lần giá trị biên độ lớn nhất của điện áp trên

sơ đồ

2.3, Thời gian phục hồi tính chất khoá của thyristor , t r (s)

Đây là thời gian tối thiểu phải đặt điện áp âm lên giữa anot – catot của thyristor saukhi dòng anot – catot đã về bằng không trước khi lại có thể có điện áp UAK dương màthyristor vẫn khoá tr là một thông số rất quan trọng của thyristor nhất là trong các bộnghịch lưu phụ thuộc hoặc nghịch lưu độc lập, trong đó phải luôn đảm bảo rằng thời giandành cho quá trình khoá phải bằng 1,5 – 2 lần tr

2.4, Tốc độ tăng điện áp cho phép dU dt (Vμs / μss)

Thyristor được sử dụng như một phần từ có điều khiển, nghĩa là mặc dù khi đượcphân cực thuận (UAK > 0) nhưng vẫn phải có tín hiệu điều khiển thì nó mới cho phép dòngđiện chạy qua Khi thyristor được phân cực thuận phần lớn điện áp rơi trên lớp tiếp giáp J2

như được chỉ ra trên hình:

i = C12(dU/dt)

H×nh 6

Hình 2.2: Điện ấp rơi trên lớp tiếp giáp J 2

Lớp tiếp giáp J2 bị phân cực ngược lên độ dày của nó nở ra tạo ra vùng không giannghèo điện tích, cản trở dòng điện chạy qua Vùng không gian này có thể coi như một tụđiện có điện dụng CJ2 Khi có điện áp biến thiên với tốc độ lớn dòng điện của tụ có thể cógiá trị đáng kể, đóng vai trò như dòng điều khiển Kết quả là thyristor có thể mở ra khichưa có tín hiệu điều khiển vào cực điều khiển G

Tốc độ tăng điện áp là một thông số phân biệt thyristor tần số thấp với các thyristortần số cao ở thyristor tần số thấp dU dt vào khoảng 50 – 200 V/s, với các thyristor tần sốcao dU dt có thể đạt đến 500 – 2000 V/s

2.5, Tốc độ tăng dòng cho phép dI dt (A/s)

Khi thyristor bắt đầu mở không phải mọi điểm trên tiết diện tinh thể bán dẫn của nóđều dẫn dòng điện đồng đều Dòng điện sẽ chạy qua bắt đầu ở một số điểm, gần với cựcđiều khiển nhất, sau đó sẽ lan toả dần sang các điểm khác trên toàn bộ tiết diện Nếu tốc

độ tăng dòng quá lớn có thể dẫn đến mật độ dòng điện ở các điểm dẫn ban đầu quá lớn, sựphát nhiệt cục bộ quá mãnh liệt có thể sẽ dẫn đến hỏng cục bộ, từ đó dẫn đến hỏng toàn

bộ tiết diện tinh thể bán dẫn

Tốc độ tăng dòng cho phép cũng phân biệt ở thyristor tần số thấp có dI dt khoảng 50 –

100 A/s với các thyristor có tần số cao dI dt khoảng 500 – 2000 A/s Trong các bộ biếnđổi phải luôn luôn có biện pháp đảm bảo tốc độ tăng dòng ở dưới giá trị cho phép Điềunày đạt được nhờ mắc nối tiếp với các phần tử bán dẫn những điện kháng nhỏ, lõi khôngkhí hoặc đơn giản hơn là các xuyến ferit lồng lên nhau Các xuyến ferit được dùng rất phổbiến vì cấu tạo đơn giản, dễ thay đổi điện cảm bằng cách thay đổi số xuyến lồng lên thanhdẫn Xuyến ferit còn có tính chất của cuộn cảm bão hoà, khi dòng qua thanh dẫn còn nhỏđiện kháng sẽ lớn để hạn chế tốc độ tăng dòng Khi dòng đã lớn ferit bị bão hoà từ, điệncảm giảm gần như bằng không Vì vậy cuộn kháng kiểu này không gây sụt áp trong chế

độ dòng định mức chạy qua dây dẫn

3 Đặc tính vôn – ampe của thyristor

Đặc tuyến này trình bày sự biến thiên của dòng điện anod IA theo điện thế catot VAK với dòng cổng IG coi như thông số

anot Khi Thyristor được phân cực nghịch (điện thế anot âm hơn điện thế catot), chỉ cómột dòng điện rất nhỏ chạy qua Thyristor

- Khi Thyristor được phân cực thuận (điện thế anot dương hơn điện thế catot), nếu tanối tắt (hoặc để hở) nguồn VGG (IG=0), khi VAK còn nhỏ, chỉ có một dòng điện rất nhỏchạy qua Thyristor (trong thực tế người ta xem như Thyristor không dẫn điện), nhưng khi

VAK đạt đền một trị số nào đó (tùy thuộc vào từng Thyristor) gọi là điện thế quay về thìđiện thế VAK tự động sụt xuống khoảng 0,7V như Diode thường Dòng điện tương ứngbây giờ chính là dòng điện duy trì IH Từ bây giờ, Thyristor chuyển sang trạng thái dẫnđiện và có đặc tuyến gần giống như diode thường

Nếu ta tăng nguồn VGG để tạo dòng kích IG, ta thấy điện thế quay về nhỏ hơn và khidòng kích IG càng lớn, điện thế quay về càng nhỏ

Hình 2.3: Đặc tính V-A của Thyristor

4 Mở và khoá thyristor

Thyristor có đặc tính giống như điôt, nghĩa là chỉ cho phép dòng chạy qua theo mộtchiều, từ anot đến catot và cản trở dòng chạy theo chiều ngược lại Tuy nhiên khác vớiđiôt, để thyristor có thể dẫn dòng ngoài điều kiện phải có điện áp UAK > 0 còn cần thêmmột số điều khiển khác Do đó thyristor được coi là phần tử bán dẫn có điều khiển đểphân biệt với điôt là phần tử không điều khiển được

4.1, Mở thyristor

Khi được phân cực thuận UAK > 0 thyristor có thể mở bằng hai cách Thứ nhất có thểtăng điện áp anot- catot cho đến khi đạt đến giá trị điện áp thuận lớn nhất , Uthmax khi đóđiện trở tương đương trong mạch anot – catot sẽ giảm đột ngột và dòng qua thyristor sẽhoàn toàn do mạch ngoài xác định Phương pháp mở này trong thực tế không được ápdụng và còn nguyên nhân mở không mong muốn vì không phải lúc nào cũng có thể tăngđược điện áp đến giá trị Uthmax Vả lại như vậy sẽ xảy ra trường hợp thyristor tự mở radưới tác dụng của các xung điện áp nhiễu tại một thời điểm ngẫu nhiên, không định trước

Phương pháp thứ hai là phương pháp được áp dụng thực tế là đưa một xung dòngđiện có giá trị nhất định vào giữa cực điều khiển và catot Xung dòng điện điều khiển sẽchuyển trạng thái của thyristor từ trở kháng cao sang trở kháng thấp ở mức điện áp anot –catot nhỏ Khi đó nếu dòng qua anot – catot lớn hơn một giá trị nhất định, gọi là dòng duytrì (Idt) thì thyristor sẽ tiếp tục cho trạng thái mở dẫn dòng mà không cần đến sự tồn tạicủa xung dòng điều khiển nữa Điều này nghĩa là có thể điều khiển mở các thyristor bằngcác xung dòng có độ rộng xung nhất định, do đó công suất của mạch điều khiển có thể làrất nhỏ, so với công suất của mạch lực mà thyristor là một phần tử đóng cắt, khống chếdòng điện.

4.2, Khoá thyristor

Một thyristor đang dẫn dòng sẽ trở về trạng thái khoá (điện trở tương đương mạchanot – catot tăng cao) nếu dòng điện giảm xuống, nhỏ hơn giá trị dòng duy trì Idt Tuynhiên để thyristor vẫn ở trạng thái khoá, với trở kháng cao, khi điện áp anot – catot lạidương (UAK > 0) cần phải có một thời gian nhất định để các lớp tiếp giáp phục hồi hoàntoàn 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 lấpđầy tiếp giáp J2 đang bị phân cực ngược Vì vậy mà dòng điện có thể chảy qua ba lớp tiếpgiáp J1, J2, J3 Để khoá thyristor lại cần giảm dòng anot – catot về dưới mức dòng duy trì(Idt) và đặt một điện áp ngược lên anot – catot (UAK < 0) trong một khoảng thời gian tốithiểu, gọi là thời gian phục hồi, tr Trong thời gian phục hồi có một dòng điện ngược chạygiữa catot và anot Dòng điện ngược này di tản các điện tích ra khỏi tiếp giáp J2 và nạpđiện cho tụ điện tương đương của hai tiếp giáp J1, J3 lúc này đang bị phân cực ngược Kếtquả là khả năng cản trở dòng điện của J1 J3, được phục hồi Thời gian phục hồi phụ thuộcvào lượng điện tích cần được di tản ra ngoài cấu trúc bán dẫn của thyristor và nạp điệncho tiếp giáp J1, J3

Quá trình khoá một thyristor được mô tả trên đồ thị hình 3, phần điện tích gạch chéodưới đường dòng điện là lượng điện tích Q cần di tản ra ngoài cấu trúc bán dẫn củathyristor

Iv Ivo

O

i

t U

Thời gian phục hồi là một trong những thụng số quan trọng của thyristor thời gianphục hồi xỏc định dải tần số làm việc của thyristor, tr, cú giỏ trị cỡ 5 – 50 s đối với cỏcthyristor tần số cao và cỡ 50 – 200 s đối với cỏc thyristor tần số thấp.

5 Cỏc yếu cầu đối với tớn hiệu điều khiển thyristor

Quan hệ giữa điện ỏp trờn cực điều khiển và catot với dũng điện đi vào cực điềukhiển xỏc định cỏc yờu cầu đối với tớn hiệu điều khiển thyristor Với cựng một loạithyristor nhà sản xuất sẽ cung cấp một họ đặc tớnh điều khiển, vớ dụ như hỡnh 4, cú thểthấy được cỏc đặc tớnh giới hạn về điện ỏp và dũng điện nhỏ nhất, ứng với một nhiệt độmụi trường nhất định mà tớn hiệu điều khiển phải đảm bảo để mở được chắc chắn mộtthyristor Dũng điều khiển đi qua tiếp giỏp p-n giữa cực điều khiển và catot cũng làm phỏtnúng tiếp giỏp này Vỡ vậy tớn hiệu điều khiển cũng phải bị hạn chế về cụng suất Cụngsuất giới hạn của tớn hiệu điều khiển phụ thuộc thời gian Nếu tớn hiệu điều khiển là mộtxung cú độ rộng càng ngắn thỡ cụng suất cho phộp cú thể càng lớn

Hình 4 Yêu cầu đối với tín hiệu điều khiển

Giới hạn điện áp nhỏ nhất

Giới hạn dòng điện nhỏ nhất

Giới hạn công suất với độ rộng xung khác nhau

0,1ms

Vùng mở chắc chắn Thynsitor

Hỡnh 2.5: Yờu cầu đối với tớn hiệu điều khiển

II, Mạch biến đổi xung ỏp xoay chiều ba pha :

Khi cú sẵn một nguồn điện xoay chiều, để cú thể thay đổi điện ỏp ra tải ta cú thểdựng bộ điều chỉnh điện ỏp xoay chiều ( ĐAXC ) dựng van bỏn dẫn Việc điều chỉnh điện

ỏp ra tải dựa theo nguyờn tắc tương tự như ở cỏc bộ chỉnh lưu tức là thay đổi điểm mở củavan so với điểm qua khụng của điện ỏp nguồn, vỡ vậy cũn gọi là phương phỏp điều khiểnpha (thay đổi gúc mở van )

Do diot chỉ có thể dẫn dòng theo một chiều mà ta lại yêu cầu điện áp ra tải là xoaychiều nên trong mạch điều áp xoay chiều người 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 triackhông thông dụng bằng thyristor nên thực tế người ta thường dùng sơ đồ 2 thyristor đấusong song ngược nhau thay cho triac như hình dưới :

Hình 2.6: Sơ đồ 2 thyristor đấu song song ngược

Các van T1, T2 lần lượt dẫn dòng theo 1 chiều xác định nên dòng qua cặp thyristorđấu song song ngược này là dòng xoay chiều Các van thyristor được phát xung điềukhiển lệch nhau góc 180 độ điện để đảm bảo dòng qua cặp van là hoàn toàn đối xứng

Hình 2.7: Đồ thị dạng điện áp ra của mạch điều áp xoay chiều tải thuần trở

Trong thực tế công nghiệp, các mạch điều áp xoay chiều thường sử dụng là các

mạch điều áp xoay chiều ba pha, tải mắc hình sao( Y ) hoặc tải hình tam giác ( Δ ) Quá

trình làm việc của mạch điều áp xoay chiều ba pha phức tạp hơn nhiều so với mạch mộtpha vì ở đây các pha ảnh hưởng mạnh sang nhau và nó còn tuỳ thuộc vào nhiều yếu tốnhư sơ đồ đấu van, góc điều khiển cụ thể, tính chất tải

Sơ đồ thường dùng nhất, đó là sơ đồ có sáu thyristor đấu thành ba cặp song songngược

Hình 2.8: Sơ đồ có sáu thyristor đấu thành ba cặp song song ngược

Ưu nhược điểm của sơ đồ

- Các sơ đồ XAXC nói chung đều đơn giản, do đó cho hiệu quả cao trong quá trìnhđiều chỉnh điện áp xoay chiều

- Tuy nhiên dạng điện áp ra phụ thuộc rất nhiều vào góc độ điều khiển và tính chấtcủa tải Dạng điện áp ra cũng rất không sin

- Phù hợp với các ưng dụng yêu cầu công suất vừa và nhỏ, nhất là với tải thuần trở vìkhi đó dạng điện áp trên tải không yêu cầu khắt khe

- Với công suất lớn có thể áp dụng trong những trường hợp dải điều chỉnh điện ápyêu cầu hẹp hoặc quá trình điều chỉnh chỉ diễn ra trong một thời gian ngắn, ví dụ trongcác bộ khởi động cơ

- Trong mọi trường hợp phải có biện pháp tránh ảnh hưởng của nhiễu ra ngoài lướidiện do đường điện không sin Ví dụ phải lắp thêm các bộ lọc đầu vào

- Có thể cải thiện đáng kể đặc tính của XAXC nếu sử dụng các van điều khiển hoàntoàn Khi đó việc điều chỉnh sẽ áp dụng phương pháp điều chế độ rộng xung ở mỗi nửachu kỳ điện áp lưới

III, Phân tích sự hoạt động của sơ đồ:

Khi phân tích hoạt động của sơ đồ ta cần xác định rõ xem trong các giai đoạn sẽ cóbao nhiêu van dẫn và nhờ các quy luật dưới đây ta có thể có được biểu thức điện áp củatừng giai đoạn, từ đó mới tiến hành tính toán Dưới đây là các quy luật dẫn dòng của vantrong 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 đưa ra tải là điện áp dây nào có van đang dẫn

 Không thể có trường 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 được

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 được các đại lượng cần tính như điện áp,dòng điện, công suất

Ta xét hoạt động của mạch điều áp xoay chiều ba pha dùng sáu thyristor đấu songsong ngược, tải thuần trở đấu hình sao ở trên và dựng đồ thị quan hệ giữa công suất tải vàgóc  :

Công suất tải là : P=3.I2 R 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 như sau :

 Nếu mỗi pha có một van dẫn ( hay toàn mạch có ba van dẫn) :

Trong đó : U dm 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 cũngthay đổi theo Ta thấy có ba khoảng điều khiển chính :

1, Khoảng dẫn của van ứng với  = 0  60o :

Trong phạm vi này sẽ có các giai đoạn ba van và hai van dẫn xen kẽ nhau như đồ thịdưới đây :

Hình 2.9: α=30 ° đồ thị điện áp pha A của tải góc dẫn thyristor, λ=180 °−α

Dựa vào đồ thị ta có thể xác định được biểu thức liên quan giữa công suất ra tải P vàgóc điều khiển  :

2, Khoảng van dẫn ứng với  = 60  90o :

Trong phạm vi này luôn chỉ có các giai đoạn hai van dẫn Ta có đồ thị điện áp ra ởdưới :

Hình 2.10: α=75 °, góc dẫn van không đổi và bằng λ=12 0

Dựa vào đồ thị ta có thể xác định được biểu thức liên quan giữa công suất ra tải P vàgóc điều khiển  :

3, Khoảng van dẫn ứng với  = 90  150o :

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 như ở dưới :

Hình 2.11: α=105 °, van dẫn hai đoạn (105−α), xen giữa là đoạn nghỉ không có

van nào dẫn dài (90−α).

Dựa vào đồ thị ta có thể xác định được biểu thức liên quan giữa công suất ra tải P vàgóc điều khiển  :

Hình 2.12: Đồ thị biểu diễn quan hệ giữa công suất ra tải P và góc điều khiển 

Nhận xét : công suất đưa ra tải là lớn nhất khi góc điều khiển  = 0 nhưng với  =30thì công suất ra tải cũng xấp xỉ khi  = 0

Trong mạch điều áp xoay chiều ba pha sáu thyristor đấu song song ngược tải thuầntrở đấu tam giác, dạng điện áp từng pha cũng như vậy Tuy nhiên, do tải đấu tam giác nênkhi mạch có ba van dẫn thì điện áp rơi trên điện trở tải là điện áp dây, khi mạch có hai vandẫn thì điện áp rơi trên điện trở tải giữa hai dây đó là điện áp dây còn điện áp rơi trên haiđiện trở còn lại bằng một nửa điện áp dây.

Chương 3: Thiết kế tính toán mạch lực

2sin46

[R

3 2

sin 16

3 12

[ R

1 2 cos 16

3 4 24

5 [ R

U

3 2



Hình 3.1: Sơ đồ điều khiển lò điện trở có sáu thyristor đấu thành ba cặp song

song ngược

Công suất định mức của lò điện là = 20 (kw)

Tổn hao của lò điện = 3 (kw)

Trong thực tế, lò điện có thể coi là hộ tiêu dùng điện loại một, nghĩa là nguồn cungcấp cho lò điện là ổn định Tuy nhiên, để đảm bảo hiệu quả cũng như sự an toàn tronghoạt động của lò điện, ta sẽ chọn một lượng công suất dự trữ cho lò điện đề phòng trườnghợp điện áp nguồn vì một lý do nào đó bị sụt áp Ngoài ra, trong quá trình hoạt độngcuamình, lò điện cũng chịu thêm một số tổn thất khác như tổn thất trên các van bán dẫn, tổnthất trên đường dây nhưng do không đáng kể so với tổng tổn thất vì nhiệt của lò nên ta

có thể bỏ qua

Khi  = 0 thì điện áp ra tải là hình sin hoàn toàn và đồng thời công suất ra tải cũng

đạt công suất lớn nhất P = vì vậy để đảm bảo đủ bù các tổn hao đã nói ở trên ta chọncông suất lớn nhất của lò ứng với khi góc điều khiển  = 0 là :

Tiếp theo, ta tiến hành chọn van thông qua các thông số kỹ thuật của van là điện ápngược lớn nhất, dòng trung bình qua van

Như đã nói ở trên, hoạt động của mạch điều áp xoay chiều cũng tương tự như mạchchỉnh lưu, cụ thể là mạch điều áp xoay chiều ba pha sáu thyristor đấu song song ngược cónguyên lý hoạt động trong một chu kỳ cũng giống như nguyên lý của mạch chỉnh lưu bapha hình tia Vì vậy, ta có thể hoàn toàn áp dụng các thông số chọn van của mạch chỉnhlưu ba pha hình tia cho mạch điều áp xoay chiều ba pha sáu thyristor đấu song songngược Cụ thể :

Điện áp ngược lớn nhất trên van :

U ng max=√6 U f=√2U dm

→ U ng max=√2 380=573 (Vμs )

Nhận xét : khi góc điều khiển  = 0 điện áp ra tải là hình sin và như vậy, dòng trungbình qua van lúc này là lớn nhất Từ đây ta có thể xác định được giá trị dòng điện trungbình qua van