Thiết kế bộ điều khiển và khống chế nhiệt độ cho lò điện trở 3 pha công suất lớn

TRANG LờI NÓI ĐầU………………………………………………………….…............1 MỤC LỤC………………………………………………………………………...2 DANH MỤC HÌNH VẼ…………………………………………………………..3 CHƯƠNG I: GIỚI THIỆU CHUNG VỀ LÒ ĐIỆN TRỞ 1.1 Giới thiệu chung về lò điện trở……………………………………………...5 1.1.1 Khái niệm……....……………………………………………………..5 1.1.2Nguyênlý làm việc của lò điện trở ……………..………………..........5 1.1.3 Những vật liệu làm dây nung……………..………………………......6 1.1.4 Cấu tạo lò điện trở……………………………………………………..6 1.1.5 Phân loại lò điện trở…………………………………………………...8 1.1.6 Cách loại điện trở thông dụng………………………………………....9 1.2 Những vấn đề cần phải lưu ý trong việc thiết kế lò điện trở……..…….......11 CHƯƠNG II: LỰA CHỌN SƠ ĐỒ MẠCH ĐIỆN. 2.1 Xây dựng sơ đồ khối chức năng của mạch………………………………….15 2.2 Sơ đồ nguyên lý mạch lực…………………………………………….….....16 2.3 Xây dựng sơ đồ mạch điều khiển……………………………………….......20 2.3.1 Mạch điều khiển………………………………………………………21 2.3.2 Cấu trúc mạch điều khiển thyristor…………………………………...22 2.3.3 Nguyên tắc điều khiển…………………………………………….......23 2.3.4 Sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển………………………………….....23 CHƯƠNG III: TÍNH TOÁN CHỌN PHẦN TỬ CHO MẠCH 3.1 Những số liệu cần thiết ban đầu……………….…………………………..26 3.2 Tính chọn vật liệu sợi đốt………………………………………………….27 3.3 Tính chọn công suất cho lò điện………………………………………......28 3.3.1 Tính chọn mạch lực…………………………………………………..28 3.3.2 Tính toán mạch điều khiển…………………………………………...33 3.3.3 Sơ đồ nguyên lý một kênh điều khiển…………………………...…...48 KẾT LUẬN.……………………………………………..………………………....52 TÀI LIỆU THAM KHẢO………………………………………………………….53

Lời Nói Đầu

Trong thực tế công nghiệp và sinh hoạt hàng ngày ,năng lượng nhiệt đóngmột vai trò rất quan trọng Năng lượng nhiệt có thể được dùng để nung nóng,sấy …

Vì vậy việc sử dụng nguồn năng lượng này một cách hợp lý và có hiệu quả là rấtcần thiết Lò điện trở được ứng dụng rất rộng rãi trong công nghiệp vì đáp ứng đượcnhiều yêu cầu thực tiễn đặt ra Ở lò điện điện trở,yêu cầu kĩ thuật quan trọng nhất làphải điều chỉnh và khống chế được nhiệt độ của lò Đây cũng chính là yêu cầu của

đồ án tốt nghiệp mà em đã được giao

Sau thời gian học tập tại trường, được sự chỉ đạo tần tình của các thầy côgiáo trong ngành Điện-Điện Tử trường Đại học Mỏ-Địa Chất, em đã kết thúc khoáhọc và tích luỹ được vốn kiến thức nhất định Được sự đồng ý của nhà trường và

các thầy cô giáo trong khoa em đã được giao đề tài tốt nghiệp:” thiết kế bộ điều khiển và khống chế nhiệt độ cho lò điện trở 3 pha công suất lớn”

Đồ án tốt nghiệp của em gồm 3 chương:

Chương 1: Giới thiệu tổng quan về lò điện trở

Chương 2: Lựa chọn sơ đồ mạch điện của lò điện trở

Chương 3: Tính chọn các phần tử mạch lực của lò điện trở

Bằng sự cố gắng nỗ lực của bản thân và đặc biệt là sự giúp đỡ tận tình của thầy giáo PGS.TS Đinh Văn Thắng, em đã hoàn thành đồ án tốt nghiệp đúng thời hạn Do thời gian làm đồ án có hạn và trình độ chuyên môn còn nhiều hạn chế nên không thể tránh khỏi những thiếu sót Em rất mong nhận được những ý kiến đóng góp để đồ án này ngày càng hoàn thiện hơn nữa

Em xin chân thành cảm ơn thầy giáo PGS.TS Đinh Văn Thắng, các thầy cô giáo trong bộ môn đã tạo điều kiện giúp đỡ em trong thời gian qua

Hà Nội, ngày 25 tháng 05 năm2017

Sinh viên thực hiện NGUYỄN MẠNH HƯNG

TRANG

LỜI NÓI ĐẦU……….… 1

MỤC LỤC……… 2

DANH MỤC HÌNH VẼ……… 3

CHƯƠNG I: GIỚI THIỆU CHUNG VỀ LÒ ĐIỆN TRỞ 1.1 Giới thiệu chung về lò điện trở……… 5

1.1.1 Khái niệm…… ……… 5

1.1.2Nguyênlý làm việc của lò điện trở ……… ……… 5

1.1.3 Những vật liệu làm dây nung……… ……… 6

1.1.4 Cấu tạo lò điện trở……… 6

1.1.5 Phân loại lò điện trở……… 8

1.1.6 Cách loại điện trở thông dụng……… 9

1.2 Những vấn đề cần phải lưu ý trong việc thiết kế lò điện trở…… …… 11

CHƯƠNG II: LỰA CHỌN SƠ ĐỒ MẠCH ĐIỆN 2.1 Xây dựng sơ đồ khối chức năng của mạch……….15

2.2 Sơ đồ nguyên lý mạch lực……….… 16

2.3 Xây dựng sơ đồ mạch điều khiển……… 20

2.3.1 Mạch điều khiển………21

2.3.2 Cấu trúc mạch điều khiển thyristor……… 22

2.3.3 Nguyên tắc điều khiển……… 23

2.3.4 Sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển……… 23

CHƯƠNG III: TÍNH TOÁN CHỌN PHẦN TỬ CHO MẠCH 3.1 Những số liệu cần thiết ban đầu……….……… 26

3.2 Tính chọn vật liệu sợi đốt……….27

3.3 Tính chọn công suất cho lò điện……… 28

3.3.1 Tính chọn mạch lực……… 28

3.3.2 Tính toán mạch điều khiển……… 33

3.3.3 Sơ đồ nguyên lý một kênh điều khiển……… … 48

KẾT LUẬN.……… ……… 52

TÀI LIỆU THAM KHẢO……….53

DANH MỤC HÌNH VẼ TRANG

Hình1.4 Lò giếng……… 11Hình 2.1 Sơ đồ khối chức năng mạch điện lò điện trở………15

Hình 2.2 Sơ đồ nối sao không có dây trungtính……….16

Hình 2.3 Đồ thị điện áp pha Ua với α =30°, góc dẫn van ……… 17

Hình 2.4 Đồ thị điện áp pha Ua với α =75°, góc dẫn van ……….18

Hình 2.5 Đồ thị điện áp pha Ua với α

= 120°, van dẫn hai đoạn bằng (150- ), xengiữa là đoạn nghỉ không có van nào dẫn ( -90)……… 19Hình 2.6 Mối quan hệ giữa công suất tải và góc α………20

Hình 3.3 Sơ đồ mạch lực khi đã có các thiết bị bảo vệ dòng và

áp……… 33

Hình 3.4 Sơ đồ nguyên lý điều khiển 1 kênh……… 33

Hình 3.5 Sơ đồ khâu đồng pha……… 34

Hình 3.6 Sơ đồ khâu đồng pha mô phỏng trên Psim………

34 Hình 3.7 Giản đồ điện áp khâu đồng pha……….35

Hình 3.8 Sơ đồ khâu tạo điện áp tựa( dạng răng cưa)……… 35

Hình 3.9 Sơ đồ mô phỏng khâu điện áp tựa……….36

Hình 3.10 Giản đồ tín hiệu điện áp ra khâu điện áp tựa……… 37

Hình 3.11 Sơ đồ khâu so sánh……… 37

Hình 3.12 Sơ đồ mô phỏng khâu so sánh……….38

Hình 3.13 Tính hiệu điện áp ra của sơ đồ khâu so sánh………

38 Hình 3.14 Sơ đồ khâu phát xung chùm……….39

Hình 3.15 Sơ đồ mô phỏng khâu phát xung chùm………

40 Hình 3.16 Tín hiệu đầu ra khâu phát xung chùm……… 40

Hình 3.17 Sơ đồ phối hợp tạo xung chùm dùng cổng AND……….41

Hình 3.18 Tín hiệu điện áp ra………

41 Hình 3.19 Sơ đồ khuếch đại xung và biến áp xung……… 42

Hình 3.20 sơ đồ mô phỏng khâu khuếch đại xung và biến áp xung……… 46

Hình 3.21 Giản đồ điện áp khâu khuếch đại và biến áp xung……… 46

Hình 3.22 Sơ đồ đo nhiệt độ trong lò lấy tín hiệu ra là

CHƯƠNG I: GIỚI THIỆU CHUNG VỀ LÒ ĐIỆN TRỞ

1.1. Giới thiệu chung về lò điện trở

1.1.1, Khái niệm

Lò điện trở là một thiết bị điện biến điện năng thành nhiệt năng thông qua dâyđốt (dây điện trở) Từ dây đốt qua bức xạ, đối lưu và truyền nhiệt dẫn nhiệt, nhiệtnăng được truyền tới vật cần gia nhiệt Lò điện trở thường dùng để nung, sấy, nấuchảy kim loại,

1.1.2, 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 dẫnhoặc vật dẫn thì ở đó sẽ tỏa ra một lượng nhiệt theo định luật Jun-Lenxo:

Q=I2RT

Q-Lượng nhiệt tính bằng Jun(J)

I -Dòng điện tính bằng Ampe(A)

R -Điện trở tính bằng Ôm(Ω)

T-Thời gian tính băng giây(s)

Từ công thức trên ta thấy điện trở R có thể đóng vai trò:Vật nung(Trường hợpnày gọi là nung trực tiếp), Dây nung; khi dây nung được nung nóng nó sẽ truyềnnhiệt cho vật nung bằng bức xạ, đối lưu, dẫn nhiệt hoặc phức hợp (Trường hợpnày gọi là nung gián tiếp)

-Trường hợp thứ nhất ít gặp vì nó chỉ dùng để nung những vật có hình dạngđơn giản (tiết diện chữ nhật, vuông hoặc 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 liệu làm dây nung,

bộ phận làm phát nhiệt của lò

1.1.3, Những vật liệu dùng làm dây nung

a) Yêu cầu của vật làm dây nung:

Trong lò điện trở, dây đốt là phần tử chính biến đổi điện năng thành nhiệt năngthông qua hiệu ứng Joule Dây đốt cần phải làm từ vật liệu thỏa mãn các yêu cầusau:

- Chịu được nhiệt độ cao

b) Vật liệu làm dây đốt

- Hợp kim: Cr - Ni, Cr - Al… với lò có nhiệt độ làm việc dưới 12000C

- Hợp chất: SiC, MoSi2 … với lò có nhiệt độ làm việc 12000C ÷ 16000C

- Đơn chất: Mo, W, C (graphit)…với lò điện trở làm việc cao hơn 16000C

Do đó căn cứ vào khoảng nhiệt độ làm việc để chọn vật liệu làm dây đốt cho phùhợp Trong đồ án này đòi hỏi nhiệt độ 800 – 1000 0C nên chọn vật liệu làm dây đốt

là hợp kim Cr - Ni có thành phần hóa học là 20 – 23%Cr, 75 – 78%Ni, còn lại là Fe

và các chất khác

1.1.4, Cấu tạo lò điện trở

Lò điện trở thông thường gồm ba phần chính :- Vỏ lò

Đối với các lò làm việc với khí bảo vệ, cần 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 vàtránh 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 chịu được tải trọng của lớp lót, phụ tải lò (vậtnung) và các cơ cấu cơ khí gắn trên vỏ lò

Vỏ lò hình chữ nhật thường dùng ở lò buồng, lò liên tục, lò đáy rung…

Vỏ lò tròn dùng ở các lò giếng và một vài lò chụp…

Vỏ lò tròn chịu lực tác dụng bên trong tốt hơn vỏ lò chữ nhật khi cùng mộtlượng kim loại để chế tạo vỏ lò Khi kết cấu vỏ lò tròn, người ta thường dùng théptấm dày:

• 3 – 6 mm khi đường kính vỏ lò là 1000 – 2000 mm

• 8 – 12 mm khi đường kính vỏ lò là 2500 – 4000 mm

• 14 – 20 mm khi đường kính vỏ lò là 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 nhật được dựng lên nhờ các thép hình chữ U, L và thép tấm cắt theohình dáng thích hợp Vỏ lò có thể được bọc kín, có thể không tùy theo yêu cầu kíncủa lò

Phương pháp gia công vỏ lò loại này chủ yếu là hàn và tán

Lớp lót lò điện trở 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 gạchhình đặc biệt tùy theo hình dáng và kích thước đã cho của buồng lò Cũng có khingười 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 cáckhuôn

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 điềukiện làm việc

+ Đảm bảo khả năng gắn dây nung bền và chắc chắn

+ Có đủ độ bền hóa học khi làm việc, chịu được tác dụng của khí quyển lò vàảnh hưởng của vật nung

+ Đảm bảo khả năng tích nhiệt cực tiểu Điều này đặc biệt quan trọng đốivới lò làm việc chu kỳ

- Phần cách nhiệt thường nằm giữa vỏ lò và phần vật liệu chịu lửa Mục đíchchủ yếu của phần này là để giảm tổn thất nhiệt Riêng đối với đáy, phần cáchnhiệt đòi hỏi phải có độ bền cơ học nhất định còn các phần khác nói chungkhông 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 vật lý, nhiệt trong điều kiện làm việc xác định.

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

c)Dây nung

Theo các đặc tính của vật liệu dùng làm dây nung, người ta chia dây nung ralàm hai loại: +Dây nung kim loại

+Dây nung phi kim loại

Trong công nghiệp, các lò điện trở dùng phổ biến là dây nung kim loại

1.1.5, Phân loại lò điện trở

Phân loại lò điện trở có nhiều cách:

 Theo nhiệt độ làm việc của lò:

Lò điện trở có kết cấu đợn giản, dễ khống chế nhiệt độ, dễ cơ khí hoá và tự độnghoá Hiệu suất sử dụng nhiệt có thể đạt (65 ÷ 75) %.

Ở Việt Nam thường dùng lò điện trở kiểu buồng để nhiệt luyện ( tôi, ủ, nung,thấm than); lò giếng để nung, nhiệt luyện; lò muối để luyện dao cắt qua muối nung

1.1.6, Các loại lò điện trở thông dụng.

Các lò điện trở hiện dùng ở Việt Nam có nhiều kiểu, loại, nguồn gốc khác

nhau Đa phần là của Nga, một số khác của Đức, Hungari Séc…và một số lò thínghiệm hoặc lò công suất nhỏ dùng sấy, nung, nhiệt luyện của Mỹ, Pháp, Ý, Nhật,Trung Quốc… Một số lò là do Việt Nam thiết kế, chế tạo theo tiêu chuẩn của Nga

Lò buồng là loại lò phổ biến nhất vì có thể sử dụng vào nhiều mục đích khácnhau

Hình 1.1 Kết cấu của lò buồng.

Buồng lò có kết cấu hình chữ nhật với kích thước tuỳ theo công suất lò Lớp áo

4 của buồng lò được xây bằng gạch chịu lửa và có nhiều lớp Lớp ngoài cùng bằnggạch Samot hay bột Samot có tính cách nhiệt cao Bọc ngoài là vỏ tôn dày từ 5 – 10

mm Đáy lò bằng thép chịu nhiệt đúc liền hoặc ghép lại từ những miếng nhỏ hoặcxây dựng bằng gạch chịu lửa Dây đôt 5 đặt ở thành xung quanh buồng lò và có thể

bố trí cả ở phía đáy lò và đỉnh lò Đầu dây đốt đưa qua lò qua ốc nối 2 Phía của lòcòn có lỗ thăm để quan sát trong lò, có cửa khí 6 để dẫn khí bảo vệ vào lò( do

không khí thâm nhập vào buồng lò qua cửa lò, gây hiện tượng oxy hoá, thoátcacbon của vật gia nhiệt) Đỉnh lò có đầu đo nhiệt độ, cơ cấu đóng mở của lò 1 +)Một số loại lò điện trở thông dụng:

- Lò chụp:

Hình 1.2 Lò chụp

1.Khung chụp; 2 Lớp lót; 3.Khung bệ; 4 Lớp lót bệ; 5,6 Dây đốt ở chụp;

7 Dây đốt trên bệ; 8 Múp lò; 9 Cửa khí; 10 Nhiệt kế

- Lò muối:

9,Đầu kiểm tra khí 10,Cửa khí

11,Đầu đo nhiệt

1.2 Những vấn đề cần phải lưu ý trong việc thiết kế lò điện trở.

a)Hợp lý về công nghệ

Hợp lý về công nghệ là cấu tạo lò không những phù hợp với quá trình côngnghệ yêu cầu mà còn tính đến khả năng sử dụng nó đối với quá trình công nghệkhác nếu như không làm phức tạp quá trình gia công và làm tăng giá thành mộtcách rõ rệt Cấu trúc lò đảm bảo được các điều kiện như thế mới coi là hợp lý nhất.Điều này đặc biệ quan trọng trong khi nhu cầu về lò điện trở vượt xa khả năng sảnxuất ra nó

b) Hiệu quả về kĩ thuật

Hiệu quả về kĩ thuật là khả năng biểu thị hiệu suất cực đại của kết cấu khi cácthông số nó xác định( kích thước ngoài, công suất, trọng lượng giá thành v.v…) Đối với một thiết bị hoặc một vật phẩm sản xuất ra, năng suất trên một đơn vịcông suất định mức, suất tiêu hao điện để nung v.v…là các chỉ tiêu cơ bản của hiệuquả kĩ thuật Còn đối với từng phần riêng biệt của kết cấu hoặc chi tiết, hiệu quả kỹthuật được đánh giá bằng công suất dẫn động, mô men xoắn, lực v.v… ứng vớitrọng lượng, kích thước hoặc giá thành kết cấu

khi ngừng lò đột ngột ( nghĩa là phá hủy chế độ làm việc bình thường của lò) có thểdẫn đến các hư hỏng sản phẩm, lãng phí nguyên vật liệu và tăng giá thành sảnphẩm.

Một trong những chỉ tiêu 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 bìnhthường Theo quan điểm chắc chắn, trong thiết bị cần chú ý đến các bộ phận quantrọng nhất, quyết định sự làm việc liên tục của lò Thí dụ : dây nung, băng tải v.v…d) Tiện lợi khi sử dụng

Tiện lợi khi sử dụng 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 dẻodai của nhân viên phục vụ

- Số lượng các thiết bị hiếm và quý 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 thuậnlợi

- Theo quan điểm an toàn lao động, điều kiện làm việc phải hợp vệ sinh vàtuyệt đối an toàn

e) Rẻ và đơn giản khi chế tạo

Về mặt này như sau:

- Tiêu hao vật liệu ít nhất, đặc biệt là các vật liệu quý và hiếm (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 các thiết bị, dụng cụ thông thường có sẵn trong các nhà máychế tạo gia công

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

- Sử dụng tối đa các kết cấu giống nhau và cùng loại để dễ dàng đổi lẫn và thuậntiện 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

f) Hình dáng 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 hìnhdáng 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

CHƯƠNG 2: LỰA CHỌN SƠ ĐỒ MẠCH ĐIỆN CỦA LÒ ĐIỆN TRỞ.

2.1 Sơ đồ khối chức năng của mạch điện của lò điện trở.

Ta có sơ đồ khối chức năng:

Hình 2.1 Sơ đồ khối chức năng mạch điện lò điện trở.

Trong sơ đồ khối chức năng của mạch điện của lò điện trở gồm có các khâuchính sau:

+ Đầu vào AC:

- Bảo vệ quá dòng, ngắt nguồn điện cấp điện khi điện áp đầu vào tăng cao

+ Nguồn:

- Nguồn cung cấp điện cho lò điện

+ Khối điều áp: Dùng để đóng ngắt hoặc thay đổi điện áp xoay chiều ra tải.

- Khối điều áp là mạch điều áp xoay chiều ba pha cấp điện cho dây điện trở

của lò

- Nguyên tắc điều chỉnh của khối điều áp là điều chỉnh góc mở của van bándẫn

+ Khối điều khiển công suất ( khối đóng ngắt): Thực hiện chức năng điều chỉnh

và ổn định nhiệt độ của lò điện trở, bằng cách khống chế công suất cho đưa vào lò.Gồm 3 khối:

- Khối điều khiển xung pha

- Khối tổng hợp tín hiệu điều khiển

- Khối bảo vệ quá dòng

2.2 Sơ đồ nguyên lý mạch động lực

Tải Đầu vào

AC

Khối điều khiển công suất (khối đóng ngắt)

Vì tải là thuần trở nên để tiện dụng ta sử dụng bộ biến đổi xung áp xoay chiều

ba pha cho mạch lực

Với các phần tử bảo vệ mạch lực:

- Bảo vệ quá trình cho Van (sử dụng RC mắc song song với Van)

- Bảo vệ tốc độ tăng dòng di/dt (sử dụng cuộn cảm L)

Do giả định lò điện trở có công suất định mức là 40KW, ta lựa cho bộ điều

chỉnh điện áp ba pha đấu sao không dây trung tính

+) Sơ đồ nguyên lý mạch lực

Hình 2.2 Sơ đồ nối sao không có dây trung tính

 Nguyên lý hoạt động của sơ đồ

Khi bộ biến đối xung áp ba pha được đấu sao không có dây trung tính, quátrình điện từ hoàn toàn khác với sơ đồ trên hình vì quá trình dẫn dòng trong một phaphải tương thích với quá trình dẫn dòng trong các pha khác

Hoạt động của bộ điều chỉnh điện áp xoay chiều 3 pha nối sao không dâytrung tính 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 α

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

Khi dòng chảy qua cả 3 pha thì điện áp trên mỗi pha đúng bằng điện áp pha của nó( ,, )

Ua

Khi dòng chảy qua cả 2 pha thì điện áp trên pha tương ứng bằng ½ điện áptrên dây của hai pha mà có hai thyristor dẫn điện ( ví dụ: trong khoảng T1 ÷ T2 vàtrong khoảng T4 ÷ T5)

Sau đây ta phân tích sự hoạt động của sơ đồ qua các trường hợp sau với tải R.Tuỳ thuộc vào góc điều khiển mà các giai đoạn có ba van dẫn hoặc hai van dẫncũng thay đổi theo

Ta thấy có 3 khoảng điều khiển chính:

 Khoảng dẫn van ứng với 0°≤

α ≤60 °

: Trong phạm vi góc α này sẽ có các giai đoạn 3 van và 2 van dẫn xen kẽ nhau Dạng điện áp của pha Ua như hình dưới:

Hình 2.3 Đồ thị điện áp pha Ua với α =30°, góc dẫn van

Dựa vào sơ đồ ta có thể xác định được biểu thức liên quan giữa tải P và góc điềukhiển α

Công suất tải:

Trong phạm vi này luôn chỉ có các giai đoạn 2 van dẫn.

Dạng điện áp của pha Ua như hình dưới:

Hình 2.4 Đồ thị điện áp pha Ua với α =75°, góc dẫn van

Dựa vào sơ đồ ta có thể xác định được biểu thức liên quan giữa tải P và góc điềukhiển α

Công suất tải:

P2 = (2)

 Khoảng dẫn van ứng với α

= 90°÷150° Trong trường hợp này chỉ có các giai đoạn 2 van dẫn hoặc không van nào dẫncả

Dạng điện áp của pha Ua như hình dưới:

θ θ θ

4

θ θ

2

θ 1

θ

7

Hình 2.5 Đồ thị điện áp pha Ua với α

= 120°, van dẫn hai đoạn bằng (150- ), xen giữa là đoạn nghỉ không có van nào dẫn ( - 90)

Công suất tải: P3 = (3)

***) Theo ba biểu thức (1), (2), (3) và các giá trị α khác nhau và lấy P ở α = 0 là100% ta có bảng các giá trị và đồ thị thể hiện mối quan hệ giữa công suất tải và gócα

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

2.3 Xây dựng mạch điều khiển

Mạch điều khiển nhiệt độ của lò nhằm mục đích tạo ra một nhiệt độ thích hợp

với điều kiện sử dụng của lò Việc điều khiển nhiệt độ bằng cách điều chỉnh điện áp

và dòng điện cấp cho sợ đốt, mà việc điều chỉnh dòng điện và điện áp là điều chỉnhgóc mở của Thyristor

1, Mạch điều khiển.

Mạch điều khiển là khâu rất quan trọng trong bộ biến đổi thyristor ( tạo ra cácxung vào những thời điểm mong muốn để mở các van động lực của bộ chỉnh lưuthyristor).Chính vì vậy mà nó đóng vai trò chủ đạo trong việc quyết định chất lượng

và độ tin cậy của bộ biến đổi

Các yêu cầu đối với mạch điều khiển:

+ Phát xung điều khiển (xung để mở van) đến các van lực theo đúng pha vàvới góc điều khiển α cần thiết

+ Đảm bảo phạm vi góc điều chỉnh αmin ÷ αmax tương ứng với phạm vi thay đổiđiện áp tải của mạch lực

+ Cho phép bộ chỉnh lưu làm việc bình thường với các chế độ khác nhau do tảiyêu cầu như chế độ khởi động, chế độ nghịch lưu, các chế độ dòng điện liên tục haygián đoạn, chế độ hãm hay đảo chiều điện áp,…

+ Có độ đối xứng xung điều khiển tốt, không vượt quá 1 ÷ 3, tức là góc điềukhiển với mọi van không được lệch quá giá trị trên

+ Đảm bảo mạch làm việc ổn định và tin cậy khi lưới điện dao động cả về giátrị điện áp và tần số

+ Có khả năng chống nhiễu công nghiệp tốt

+ Độ tác động của mạch điều khiển nhanh, dưới 1 ms

+ Thực hiện các yêu cầu về bảo vệ bộ chỉnh lưu từ phía điều khiển, nếu cần,như ngắt xung điều khiển khi sự cố, thông báo các hiện tượng không bình thườngvới lưới và bản thân bộ chỉnh lưu,…

ĐB Utựa SS DX KĐX Ulực

Uđk

+ Đảm bảo xung điều khiển phát tới các van lực phù hợp để mở chắc chắnvan, có nghĩa là phải thỏa mãn các yêu cầu:

- Đủ công suất thể hiện ở điện áp và dòng điều khiển Uđk, Iđk

- Có sườn xung dốc đứng để mở van chính xác vào thời điểm quy định,thường tốc độ tăng áp điều khiển phải đạt 10 V/μs, tốc độ tăng dòng điều khiển 0,1A/μs

- Độ qua xung điều khiển đủ cho dòng qua van kịp vượt trị số dòngđiện duy trì Idt của nó, để khi ngắt xung van vẫn giữ được trạng thái dẫn

- Có dạng phù hợp với sơ đồ chỉnh lưu và tính chất tải

2, Cấu trúc mạch điều khiển Thyristor.

Hình 2.7 Giản đồ cấu trúc mạch điều khiển

+, Khâu đồng pha (DF)

Tạo điện áp trùng pha với điện áp thứ cấp của biến áp mạch lực và cách lyđiện áp cao phía mạch lực và mạch điều khiển điện áp thấp

+, Khâu tạo điện áp tựa ( tạo điện áp răng cưa Urc)

Tạo điện áp răng cưa có chu kì làm việc theo chu kì của điện áp đồng pha+, Khâu so sánh (SS)

So sánh giữa điện áp tựa với điện áp điều khiển, tìm thời điểm hai điện ápnày bằng nhau để phát xung điều khiển, tức là xác định được góc α

+, Khâu dạng xung (DX)

Tạo ra xung phù hợp để mở chắc chắn van chỉnh lưu, hiện nay người tathường sử dụng xung chùm

+, Khâu khuếch đại xung (KĐX)

Thường dùng biến áp xung nhằm khuếch đại tín hiệu xung và cách ly giữamạch lực và mạch điều khiển

+, Khâu bảo vệ quá dòng

Khi dòng điện lớn hơn dòng cho phép(hoặc lớn hơn 1 giá trị cho trước), ngắtxung để bảo vệ quá dòng

+, Khâu kết thúc quá trình khởi động

Khi Uđk = Uđkmax và Iđc < I* thì kết thúc quá trình khởi động, đóng CTT nốitrực tiếp động cơ vào lưới điện

Thay đổi Uđk có thế điều chỉnh được vị trí xung điều khiển tức là có thể điều chỉnhđược góc α

3, Nguyên tắc điều khiển

Có 2 nguyên tắc:

A, Nguyên tắc điều khiển thẳng đứng tuyến tính.

Uđk + Ut đưa đến đầu vào của 1 khâu so sánh bằng cách làm biến đổi Uđk ta có thểđiều chỉnh được thời điểm xuất hiện xung tức là điều chỉnh được góc α

Khi Uđk = 0 thì α = 0

Khi Uđk < 0 thì α > 0

Quan hệ giữa α và Uđk như sau: α =

Ta lấy đkmax = Utmax

B, Nguyên tắc điều khiển thẳng đứng Arccor.

Nguyên tắc này dùng 2 điện áp :

Điện áp đồng bộ Ut vượt trước điện áp A-K của thyristor một góc bằng ( nếu

UAK = Asinωt thì Ut = Bcosωt )

UAK có thể điều khiển được theo hai hướng dương và âm

Uđk + Ut được đưa đến đầu khâu so sánh Khi Uđk + Ut = 0 ta nhận được mộtxung ở đầu ra ở khâu so sánh

Uđk + Bcosα = 0

→ α = arccos() Thường lấy B = Uđkmax

Khi Uđk = 0 thì α =

Nguyên tắc này được dùng trong các thiết bị chỉnh lưu tốc độ cao

Nhận xét: Yêu cầu của đề bài là điện áp xoay chiều ba pha nên ta có thể dùngnguyên tắc điều khiển thẳng đứng tuyến tính vì nó đơn giản và đáp ứng được yêucầu của mạch lực

4, Sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển một kênh.

Hình 2.8 Sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển 1 kênh Nguyên lý hoạt đông:

Tín hiệu điện áp cung cấp cho mạch động mạch được đưa đến mạch đồng pha Đầu ra của mạch đồng pha có các điện áp thường là dạng hình sin, cùng tần số và cóthể lệch pha một góc xác định với điện áp nguồn, gọi là điện áp đồng pha Các điện

áp đồng pha được đưa vào phát điện áp răng cưa( mạch khuếch đại thuật toán OA) Đầu ra của điện áp răng cưa được đưa vào đầu của khâu so sánh Tại đó có một tín hiệu khác là điện áp phản hồi tương đương với nhiệt độ của lò

Tín hiệu đầu ra của khâu so sánh là các xung xuất hiện với chu kì bằng chu kì

Urc Xung răng cưa có hai sườn trong đó có một sườn tại đó │Urc│= │Udk│ thì đầu

ra khối xuất hiện một xung điện áp, sườn đó là sườn sử dụng Vậy có thể thay đổi thời điểm xuất hiện xung đầu ra khối so sánh bằng cách thay đổi Udk khi giữ

nguyên dạng Urc Nhưng đa số tín hiệu ra của khối so sánh chưa đủ yêu cầu cần thiết, ta cần phải thực hiện việc khuếch đại và sửa xung…Đầu ra mạch tạo xung sẽ thu được chuỗi xung điều khiển Thyristor có đủ yêu cầu về công suất, độ dốc, độ dài…

Thời điểm bắt đầu thực hiện các xung hoàn toàn trùng với thời điểm xuất hiện xung trên đâu ra khối so sánh Khối so sánh xác định được góc điều khiển α

Thay đổi Udk có thể điều chỉnh được vị trí xung điều khiển tức là điều chỉnh được góc α.

CHƯƠNG III TÍNH TOÁN CHỌN CÁC PHẦN TỬ CHO MẠCH.

3.1 Những số liệu cần thiết ban đầu.

Theo đề bài:

- Nhiệt độ lò: 400 – 500

- Công suất định mức của lò là: Pđm = 40 (KW)

- Tổn hao nhiệt là: ΔP = 3 (KW)

- Điện áp nguồn lưới : 3*380 (V)

Trong mạch điều áp xoay chiều ba pha dùng cho lò điện trở dưới đây ta sử dụngmạch điều áp xoay chiều ba pha sáu thyristor đấu song song ngược, tải thuần trởđấu sao:

Hình 3.1 Sơ đồ mạch lực của hệ thống

Mạch động lực là mạch sáu thyristor đấu song song ngược có tải thuần trở đấusao nên ta thiết kế mạch điều khiển gồm các khâu sau:

- Khâu đồng pha dùng máy biến áp hai cuộn dây sơ cấp

- Khâu tạo điện áp tựa dạng răng cưa một nửa chu kì kiểu tuyến tính đi xuốngdùng transistor và tụ điện

- Khâu so sánh dùng khuếch đại thuật toán OA kiểu hai cổng

- Khâu tạo xung phát xung kép một nửa chu kì Trong đó, để phát xung chínhtheo góc điều khiển α sử dụng mạch vi phân, xung thứ hai lấy từ kênh tiếp sau theonguyên tắc đấu vòng tròn kín bằng cách ghép nhờ các điốt

- Khuếch đại xung dùng biến áp nhằm cách ly giữa mạch lực và mạch điềukhiển