THIẾT KẾ ĐỒ ÁN MÔN HỌC ĐỀ TÀI THIẾT KẾ LÒ ĐIỆN TRỞ 1 Các số liệu cho trước : Nhiệt độ lò 400 - 600 ( °C) Công suất định mức 40 (kW ) Tổn hao nhiệt 10(kW) Điện áp nguồn lưới 3*380(V)
2 Nội dung các phần thuyết mỉnh và tính toán : Chương l Giới thiệu chung về lò điện trở
Chương 2 Giới thiệu về mạch điều áp xoay chiều ba pha Chương 3 Thiết kế và tính toán mạch lực
Chương 4 Thiết kế và tính toán mạch điều khiển Kết luận
3 Các bản vế :
Bản vẽ tổng thể toàn bộ sơ đồ nguyên lý mạch thiết kế (cả mạch lực và mạch
Trang 3MUC LUC
806.0 4
Chương 1- tổng quan về cấu tạo và nguyên lý làm việc của lò điện 5
I- GIỚI THIỆU CHUNG VỀ LÒ ĐIỆN . - 2 cs +EsesE cv verered 5
TD = DUN 15.4, 176066766 Ố5.- 5 2 - Ưu điểm của lò điện so với các lò sử dụng nhiên liệu 5
3 - Nhược điểm của lò điện c neo 5
II-GIỚI THIỆU CHUNG VỀ LÒ ĐIỆN TRỞ 2-2 sec 6
1 - Nguyên lý làm việc của lò điện tFỞ . -ĂĂccSsssessseeees 6 2 - Những vật liệu dùng làm đây nung - Sex 6 a) - Yêu cầu của vật liệu dùng làm dây nung . c<<c<ccc<sss 6 000/2 8/1103/,.1 00n8nn8 6
II-CẤU TẠO LÒ ĐIỆN TRỞ 2 ¿©2s+EE+EESEEEEEtEEEEESEESEEErEzEEzzrerred 7
I- Những yêu cầu cơ bản đối với cấu tạo lò điện 7 1 - Hợp lý về công ng liệ . G0 nnn HH HS ng 2311 tra 7 QD = Hid Qua vé KF thu ccccccccccccccccccccccssssccccecccessssesseeeecescesseteeeees 7 3 - Chắc chắn khi làm Việc . - Ăn eeree 7 “TW .N.1.10.4, 0 nHaAqa 8 5 - Rẻ và đơn giản khi chế q0 .Ẳ <5 55c SSsssSSSSseeeeees 8 6 - Hình dáng bề ngoài đẹp -G GB Sn HH nSSS9 9 1111112322 8 IT - Cau tao 10 dién tr ec cccceccccccccccssessceccsccessesssesssseeseesssneeeess 9 V1 ,Ïï5 án na 9 BS = DAY NUN oie eiiccccccccccccsneeccccccsnaaeeecceesaaeeeceeeesseseeceessnsseessessaaneetes 10 CHUOMG — 11 Giới thiệu chung về mạch điều áp xoay chiều ba pha 11
I - MACH DIEU AP XOAY CHIEU BA PHA : pesseeeeenseeeeenee 11
II - QUAN HE GIUA GOC DIEU KHIỂN VÀ CÔNG SUÂT RA TẢI 13
lô 1) 0/6 — 18 Thiết kế tính toán mạch lực "` 18
II - TÍNH TỐN BẢO VỆ VAN BÁN DẦN 6c ce Set 2s 21
Trang 4LOI NOI DAU
Trong thực tế công nghiệp và sinh hoạt hàng ngày, năng lượng nhiệt
đóng một vai trò rất quan trọng Năng lượng nhiệt có thể được dùng để nung nóng, sấy khô Vì vậy việc sử dụng nguồn năng lượng này một cách hợp lý và có hiệu quả là rất cần thiết Lò điện trở được ứng dụng rất rộng rãi trong công nghiệp vì đáp ứng được nhiều yêu cầu thực tiễn đặt ra Ở lò điện trở, yêu cầu kĩ thuật quan trọng nhất là phải điều chỉnh và khống chế được khiệt độ của lò Đây cũng chính là yêu cầu của đồ án môn học điện tử công suất mà em đã được giao
Đồ án đã được thực hiện dưới sự hướng dẫn tận tình của thầy giáo Phạm Quốc Hải Đồ án được chia thành ba phần chính sau:
1 Giới thiệu sơ lược về cấu tạo và nguyên lý hoạt động của lò điện và lò điện trở
2 Thiết kế và tính toán mạch lực
Trang 5CHƯƠNG 1- TONG QUAN VE CAU TAO VA NGUYEN LÝ
LAM VIEC CUA LO DIEN
I - GIGI THIEU CHUNG VE LO DIEN
1 - Dinh nghĩa
Lò điện là một thiết bị điện biến điện năng thành nhiệt năng dùng trong các quá trình công nghệ khác nhau như nung hoặc nấu luyện các vật liệu, các kim loại và các hợp kim khác nhau v.v
- Lồ điện được sử dụng rộng rãi trong các lĩnh vực kỹ thuật : + Sản xuất thép chất lượng cao
+ Sản xuất các hợp kim phe-rơ + Nhiệt luyện và hố nhiệt luyện
+ Nung các vật phẩm trước khi cán, rèn đập, kéo sợi + Sản xuất đúc và kim loại bột
- lrong các lĩnh vực công nghiệp khác :
+ Trong công nghiệp nhẹ và thực phẩm, lò điện được dùng để sất, mạ vật phẩm và chuẩn bị thực phẩm
+ Trong các lĩnh vực khác, lò điện được dùng để sản xuất các vật phẩm thuỷ tỉnh, gốm sứ, các loại vật liệu chịu lửa v.v
Lò điện không những có mặt trong các ngành công nghiệp mà ngày càng được dùng phổ biến trong đời sống sinh hoạt hàng ngày của con người một cách phong phú và đa dạng : Bếp điện, nồi nấu cơm điện, bình đun nước điện, thiết bị nung rắn, sấy điện v.v
2 - Uu điểm của lò điện so với các lò sử dụng nhiên liệu
Lồ điện so với các lò sử dụng nhiên liệu có những ưu điểm sau : - - Có khả năng tạo được nhiệt độ cao
- - Đảm bảo tốc độ nung lớn và năng suất cao
Trang 6- Nang luong dién dat
- Yéu cau cé trinh d6 cao khi sử dung
II-GIỚI THIỆU CHUNG VỀ LÒ ĐIỆN TRỞ 1 - 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 toả ra một lượng nhiệt theo định luật Jun-
Lenxơ :
Q=PRT
Q - Lượng nhiệt tính bang Jun (J) I - Dong dién tinh bang Ampe (A)
R - Dién tré tinh bang Om
T - Thời gian tính bằng giay (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 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 dang don gian ( tiết diện 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 để làm dây nung, bộ phận phát nhiệt của lò
2 - Những vật liệu dùng làm đây nung a) - Yêu cầu của vật liệu dùng làm đây 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 yều cầu sau :
+ Chịu nóng tốt, ít bị ơxy hố 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 cố định hoặc ít thay đổi + Các kích thước phải không thay đổi khi sử dụng + Dễ gia công, dễ hàn hoặc đễ ép khuôn
Trang 7Để 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 để 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
+ Bi 6xy hoá mạnh trong môi trường khí quyễn bình thường Dây nung kim loại thường được chế tạo ở dạng tròn và dạng băng C) - Dây nung phi kim loại
Dây nung phi kim loại dùng phổ biến là SïC, grafit và than II-CẤU TẠO LÒ ĐIỆN TRỞ
I- Những yêu câu cơ bản đối với cấu tạo lò điện 1 - 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 cọn 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 hợp lý nhất Điều này đặc biệt quan trọng trong khi nhu cầy về lò điện vượt xa khả năng sản xuất ra nó
2 - Hiệu quả về kỹ thuật
Hiệu quả về kỹ thuật là khả năng biểu thị hiêu suất cực đại của kết cấu
khi các thông số của nó xác định ( kích thước ngồi, cơng suất, trọng lượng giá thànhv.v )
Đối với một thiết bị hoặc một vật phẩm sản xuất ra, năng suất trên một đơn vị công suất định mức, suất tiêu hao điện để nung v.v là các chỉ tiêu cở bản của hiệu quả kỹ thuật Còn đối với từng phần riêng biệt của kết cấu hoặc chỉ tiết, hiệu quả kỹ thuật được đánh giá bằng công suất dẫn động, mơ men xốn, lực v.v ứng với trọng lượng, kích thước hoặc giá thành kết cấu
3 - Chắc chắn khi làm việc
Trang 8sản 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 ngừng lò đột ngột ( nghĩa là phá huỷ
chế độ làm việc bình thường vủa lò ) có thể dẫn đến làm hư hỏng sản phẩm, lãng phí nguyên vật liêu và làm tăng giá thành sản phẩm
Một chỉ tiêu phụ về sự chắc chấn khi làm việc của một bộ phận đó của lò điện là khả năng thay thế nhanh hoặc khả nằng dự trữ lớn khi lò làm việc bình thường Theo quan điểm 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, bang tải v.v
4 - Tiện lợi khi sử dụng
Tiện lợi khi sử dụng nghĩa 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 dẻo đai của nhân viên phục vụ
Số lượng các thiết bị hiếm và quí 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 thuận lợi
Theo quan điểm an toàn lao động, điều kiện làm việc phải hợp vệ sinh và tuyệt đối an toàn
5 - Rẻ và đơn giản khi chế tạo Về mặt này yêu câu như sau :
Tiêu hao vật liệu ít nhất, đặc biệt là các vật liệu quí và hiếm ( các kim loại mầu, các hợp kim có hàm lượng niken cao v.v )
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 để gia công
Các loại vật liệu và thiết bị yêu cầu để chế tạo phải ít nhất
Sử dụng đến mức tối đa các kết cấu giống nhau và cùng loại để đễ 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 chi tiết và các khâu gia công cơ khí không hợp lý
6 - Hình dáng bề ngoài đẹp
Trang 9của kết cấu khi trọng lượng nhỏ và hình dáng bề ngoài đẹp có quan hé khang 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
II - Cấu tạo lò điện trở
Lò điện trở thông thường gồm ba phần chính : vỏ lò, lớp lót và dây nung 1 - Vỏ lò
Vỏ lò điện trở là một khung cứng vững, chủ yếu để chị tải trọng trong quá trình làm việc của lò Mặt khác vỏ lò cũng dùng để giữ lớp cách nhiệt rời và đảm bảo sự kín hoàn toàn hoặc tương đối của lò
Đối với các lò làm việc với khí bảo vệ, cấn thiết vỏ lò phải hoàn toàn kín, còn đối với các lò điện trở bình 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 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 ( vật nung ) 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 lồ 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 lượng kim 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 tăng cường bằng các loại thép hình
Vỏ lò chữ ngật được dựng lên nhờ các thép hình U, L và thép tấm cắt theo hình dáng thích hợp Vỏ lò có thể được bọc kín, có thể không tuỳ theo yêu cầu kín của lò Phương pháp gia công vỏ lò loại này chủ yếu là hàn và tán 2 - Lớp lót
Trang 10Cũng có khi người 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 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 kiện làm việc
+ Đảm bảo khả năng gắn dây nung bền và chắc chắn
+ Có đủ độ bên hoá học khi làm việc, chịu được tác dụng của khí quyển 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
Phan cách nhiệt thường nằm giữa vỏ lò và phần vật liệu chịu lửa Mục đích chủ yếu của phần này là để giảm tốn 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 điển đầy bằng
bột cách nhiệt 3 - Day 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
Trang 11CHUONG 2
GIGI THIEU CHUNG VE MACH DIEU AP XOAY CHIEU BA PHA
I- MẠCH ĐIỀU ÁP XOAY CHIỀU BA PHA:
Như đã nói ở trên, công suất ra tải của lò được tính theo công thức:
p=3.Út
R,
Như vậy, để thay đổi công suất đưa ra tải , ta có thể thay đổi #, hoặc U, Tuy nhiên, trong thực tế, người ta thường chọn cách thay đổi U, để có thể thay đổi công suất ra tải
Khi có sắn 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 tương tự như ở các bộ chỉnh lưu tức là thay đổi điểm mở của van so với điểm qua không của điện áp nguồn, vì vậy còn gọi là phương pháp điều khiển pha (thay đổi góc mở van )
Do điot 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 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 triac không thông dụng bằng thyristor nên thực tế người ta thường dùng sơ đồ 2 thyristor đấu song song ngược nhau thay cho triac như hình dưới : T1 ¥ BL 11 ~z T2
Các van T1, T2 lần lượt dẫn dòng theo 1 chiều xác định nên dòng qua cặp thyristor đấu song song ngược này là đồng xoay chiều Các van thyristor được phát xung điều khiển lệch nhau góc 180 độ điện để đảm bảo dòng qua cặp van là hoàn toàn đối xứng
Một ưu điểm của việc sử đụng hai van thyristor đấu song song ngược 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
Trang 12Ta có đồ thị dang điện áp ra của mạch điều áp xoay chiều :
Các mạch điều áp xoay chiều có nhược điểm cơ bản là trong quá trình điều chính, mạch luôn làm việc ở chế độ dòng điện gián doan, ca dang dong điện và điện áp ra tải đều không sin nên chỉ phù hợp với các tải loại điện trở như 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 Như vậy, khi điều chỉnh trên tải nhận được 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 hưởng đến chế độ làm việc của lò Các mạch điều dp xoay chiều không phù hợp với tải dang cam khang như biến áp hoặc động cơ điện, nên chỉ dùng khi phạm vi điều chỉnh điện áp không lớn
Trang 13Hình trên là sơ đồ thường dùng nhất, đó là sơ đồ có sáu thyristor dau thành ba cặp song song ngược
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 đưới đây ta có thể có được biểu thức điện áp của từng giai đoạn, từ đó mới tiến hành tính toán Dưới đây là các quy luật dẫn dòng của van trong mạch điều áp xoay chiều ba pha:
eNếu mỗi pha có một van dẫn thì toàn bộ điện áp ba pha nguồn đều nối ra tai
eNếu 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
e Không thể có trường hợp chỉ có một pha dẫn dòng
Dựa vào quy luật đẫn 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 song song ngược, tải thuần trở đấu hình sao ở trên và dựng đồ thị quan hệ giữa công suất tải và góc œ :
Công suất tải là : P =3.I?.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 : e Nếu mỗi pha có một van dẫn ( hay toàn mạch có ba van dẫn) : dm V3R e Nếu chỉ có hai van dẫn (hay toàn mạch có hai van dẫn ) : 1= sin(Ô + 0) - Ủy I=———sin(98+ 2ạ SI(6 + 0)
trong đó: 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 :
Trang 14Trong phạm vi nay sẽ có các giai đoạn ba van va hai van dẫn xen kẽ nhau như đồ thị dưới đây :
Hinh 3.4a a= 30° ; dé thi dién ap pha A cua tai, goc dan thyristor " ee " — A = (180 - «) oO
Trang 15Trong phạm vi này luôn chỉ có các giai đoạn hai van dẫn Ta có đồ thị điện áp ra ở dưới : Ug 1) Te ‹ 73 | | , 4 —Á } WZAWZA | | 8 | 8 lơ Hình 34c + 1057: van dẫn hai doạn, mỗi doạn bằng (150? - z), xen giữa là doạn nghỉ không
có van nao dan dai (120° - a)
Dua vào đồ thị ta có thể xác định được biểu thức liên quan giữa công suất ra tải P và góc điều khiển œ :
P=31.R
Sn La Sm x
3U? ° 2 sin “sin?
Trang 16Trong 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 :
ù,
U A8 AC
2
Hình 3.4b ø = 75” góc dẫn van không đổi và bằng À = 1209
Dựa vào đồ thị ta có thể xác định được biểu thức liên quan giữa công suất ra tải P và góc điều khiển œ : P=31R 3U sin” Ô 7 sin 9 = dÔ + mR ao ` J
3U Sk mR '24 4 16 dm fo — — + +33 cos2ø +-L sin 26] 3) a 43 16
Theo ba biểu thức (1), (2), (3) và cho các giá trị œ khác nhau và lấy P ở
Trang 17Nhận xét : công suất đưa ra tải là lớn nhất khi góc điều khiển a = 0 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 ~ PS 100 Ty 8D — N 6Ö — 4Ö — 2Ö —
nhưng với œ =30 thì công suất ra tải cũng xấp xỉ khi œ = 0
Trong mạch điều áp xoay chiều ba pha sáu thyristor đấu song song ngược tải thuần trở đấu tam giác, 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 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
Trang 18CHUONG 3
THIET KE TINH TOAN MACH LUC
I - TINH CHON VAN BAN DAN
Trong mạch điều áp xoay chiều ba pha dùng cho lò điện dưới đây ta sử dụng mạch điều áp xoay chiều ba pha sáu thyristor đấu song song ngược, tải thuần trở đấu sao
Các biểu thức thể hiện quan hệ giữa công suất ra tải P và góc điều khiển a: Với œ=0+ 60”: P= 3Uiin -E_O , SIN 2a, mR 6 4 8 Với œ = 60 + 90°: 2 P= 3U in = 43 sin 20 +22 cos2a] mR 12 16 16 Với œ = 90 + 150°: 3U? 5m œ x3 [— -— XỔ cos2o +- sin 2g] mR 24 4 16 16
Công suất định mức của lò điện là P, = 40 (kw) Tổn hao của lò điện AP = 3 (kw)
Trang 19như sự an toàn trong hoạt động của lò điện, ta sé chọn một lượng công suất dự trữ cho lò điện đề phòng trường hợp điện áp nguồn vì một lý do nào đó bị sụt áp Ngoài ra, trong quá trình hoạt độngcua mình, lò điện cũng chịu thêm một số tổn thất khác như tổn thất trên các van bán dẫn, tổn thất trên đường day nhưng do không đáng kể so với tổng tổn thất vì nhiệt của lò nên ta có thể bỏ qua
Khi œ = 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= P_ vì vậy để đảm bảo đủ bù các tổn hao đã nói ở trên ta chọn công suất lớn nhất của lò ứng với khi góc điều khiển œ=0là: P=P_, =50 (kw) Dựa vào công thức (1) ta tính được công suất ra tải khi œ = 0 ¬- ” QR, 2 2 >R, = Von 380 = 1,444 (O) 2P „ 2-50.10
ta xác định được dây điện trở của lò có giá trị 1a 1,444 (Q) Ti day, dua
vào công nghệ chế tạo ta có thể tiến hành thiết kế chỉ tiết cho dây điện trở để
có thể đảm bảo được các yêu cầu kinh tế kĩ thuật của lò điện
Tiếp theo, ta tiến hành chọn van thông qua các thông số kỹ thuật của van là điện áp ngược lớn nhất, dòng trung bình qua van
Như đã nói ở trên, hoạt động của mạch điều áp xoay chiều cũng tương tự như mạch chỉnh lưu, cụ thể là mạch điều áp xoay chiều ba pha sáu thyristor đấu song song ngược có nguyên lý hoạt động trong một chu kỳ cũng giống như nguyên lý của mạch chỉnh lưu ba pha hình tia Vì vậy, ta có thể hoàn toàn áp dụng các thông số chọn van của mạch chỉnh lưu ba pha hình tia cho mạch điều áp xoay chiều ba pha sáu thyristor đấu song song ngược Cụ thể :
Điện áp ngược lớn nhất trên van :
| — 6U, — VU sn
>U._ ng max =V2.380 = 537 (V)
Nhận xét : khi góc điều khiển œ = 0 điện áp ra tải là hình sin và như vậy, dòng trung bình qua van lúc này là lớn nhất Từ đây ta có thể xác định được giá trị dòng điện trung bình qua van
Trang 20I fi, sin 0 219 tb max (do tải thuần trở nên 1 trùng pha với u ) ZI tbmax U, = —™[—_cos 2nR [ 7m ( —(—cos0 )] _220A2 mmx m1,444 Khi chọn van ta phải chú ý đến điều kiện làm mát cho van vì khi hoạt = 68,6 (A)
động, van toả nhiệt rất lớn nên điều kiện làm mát cho van sẽ ảnh hưởng đến hiệu quả cũng như tuổi thọ của van Nếu van hoạt động trong điều kiện được
làm mát bằng không khí nhờ cánh tản nhiệt thì van có thể làm việc tốt với
25% dòng định mức Nếu van làm việc trong điều kiện làm mát bằng quạt gió cưỡng bức thì van có thể chịu được đến 30 + 60% dòng định mức Nếu làm mát bằng nước thì van có thể chịu được đến 80% dòng định mức
Thông thường trong công nghiệp thì van phải được làm mát tồi nhất là bằng không khí có quạt gió cưỡng bức Trong nhiệm vụ thiết kế là điện này thì đồng qua van không quá lớn nên ta có thể chọn chế độ làm mát cho van bằng không khí có quạt gió cưỡng bức Ta chọn các điều kiện thích hợp để van có
Trang 21dL 200
t max
Kết luận, trong mạch điều áp xoay chiều ba pha dùng cho lò điện này ta cần dùng sáu van thyristor C358 do hãng G.E của Nhật Bản chế tạo
II - TÍNH TOÁN BẢO VỆ VAN BÁN DẪN
Trong quá trình van hoạt động thì van phải được làm mát để van không bị phá hỏng về nhiệt vì vậy ta đã tính toán chế độ làm mát cụ thể cho van rồi Tuy nhiên, van cũng có thể bị hỏng khi van phải chịu tốc độ tăng dong, tang áp quá lớn Dé tránh hiện tượng quá dòng, quá áp trên van dẫn đến hỏng van
ta phải có những biện pháp thích hợp để bảo vệ van Biện pháp bắp vệ van thường dùng nhất là mắc mạch R, C song song van để bảo vệ quá áp và mắc nối tiếp cuộn kháng để hạn chế tốc độ tăng dòng
Do tải của lò điện là tải thuần trở nên khi van có tín hiệu điều khiển mở thi dong qua van sé tăng đột ngột với tốc độ tăng dòng rất lớn sẽ gây hỏng van Vì vậy, người ta cần phải mắc vào trước van một cuộn dây để hạn chế tốc độ tăng dòng Cuộn dây được dùng là một cuộn kháng bão hoà có đặc tính là: khi đồng qua cuộn kháng ổn định thì điện cảm của cuộn kháng hầu như bằng không và lúc này cuộn dây dẫn điện như một dây dẫn bình thường Ta có mạch như hình vẽ: inf 4 =F Để tính toán giá trị của cuộn kháng ta xét quá trình quá độ trong mạch: U, =iR+ po dt Ta thấy rằng tốc độ tăng dòng lớn nhất là: di —max = —Ÿ dt L
Để đảm bảo an toàn cho van ta phai chon L sao cho di/dt max phải nhỏ hơn tốc độ tăng dòng chịu được của van, hay là:
max < 200 A/us
Trang 22> =! < 200 A/us U, _ = 2202 _ 1 555 HH 200.10“ 200.10 Ta chọn cuộn kháng bão hoà có giá trị là 1,6 uH, loại lối không khí vì điện cảm nhỏ
Sau khi tính toán bảo vệ chống tốc độ tăng dòng ta tính toán bảo vệ quá áp cho van Người ta chia ra hai loại nguyên nhân gây nên quá áp:
1 - Nguyên nhân nội tại: là do sự tích tụ điện tích trong các lớp bán dẫn Khi khoá van thyristor bằng điện áp ngược, các điện tích nói trên đổi ngược lại hành trình, tạo ra dòng điện ngược trong thời gian rất ngắn Sự biến thiên nhanh chóng của dòng điện ngược gây nên sức điện động cảm ứng rất lớn trong các điện cảm, vốn luôn luôn có của đường dây nguồn dẫn đến các thyristor Vì vậy, giữa anốt và catốt của thyristor xuất hiện quá điện áp Ta có đồ thị thể hiện quá trình biến thiên của điện áp và dòng điện trên van:
ì u
1
2 - Nguyên nhân bên ngoài: những nguyên nhân này thường xẩy ra ngẫu nhiên như khi đóng cắt không tải một máy biến áp trên đường dây, khi một cầu chì bảo vệ nhầy, khi có sấm sét
Để bảo vệ quá điện áp do tích tụ điện tích khi chuyển mạch gây nên người ta dùng mạch RC đấu song song với thyristor như hình dưới: Cc R ]F—C——¬ | " 4 =
Trang 23đồi hỏi nhiều thời gian nên ta sẽ sử dụng phương pháp xác định thông số R, C bằng đồ thị giải tích, sử dụng những đường cong đã có sắn
Các bước tính toán như sau:
- Xác định hệ số quá áp theo công thức:
b.DU
với U, là giá trị cực đại cho phép của điện áp ngược đặt trên diot hoặc thyristor một cách không chu kỳ, tra trong sổ tay tra cứu
U, là giá trị cực đại của điện áp ngược thực tế đặt trên điot hoặc thyristor
b là hệ số dự trữ an toàn về điện áp, b = I1 + 2 - Xác định các thông số trung gian:
Coin (Kk), Rone (K) 5 Ronin (K)
bằng cách tra trong đồ thị trong số tay tra cứu
di ° ^ 9 ` # 2 z ~
- tính at max khi chuyên mạch như ở phần tính toán cuộn kháng bão hoà
- _ Xác định điện lượng tích tụ Q = cS), sử dụng các đường cong cho trong số tay tra cứu để xác định
- Tinh toán các giá trị của R, C theo công thức: C=C 78 U,, R., Hin <R<R_ Win 2Q 2Q
trong đó L 1a dién cam cua mach RLC
Tuy nhiên, trong thực tế, khi tính toán thiết kế bảo vệ van thì rất khó có thể có đầy đủ tất cả các đường cong đặc tính cần thiết nên người ta thường chọn giá trị của R, C theo kinh nghiệm:
R =20+ 100(Q);C=0,4+1( uF)
Với dòng qua van nhỏ, ta chọn giá trị R lớn, C nhỏ.Với dòng qua van
lớn, ta chọn giá trị R nhỏ, C lớn
Theo tính toán, đồng qua van bằng 68,6 A không phải là lớn nên ta chọn giá trị của R, C như sau:
Trang 24R=1000
C =0,47 HE ( các giá trị chuẩn)
Ngoài ra, trong mạch lực cũng cần có thêm các thiết bị bảo vệ ngắn mạch, quá tải như áptômát, cầu chì .ở mỗi pha và cầu chì ở trước mỗi van để tăng cao tính an toàn cho mạch
Trang 26CHUONG 4
THIET KE VA TINH TOAN MACH DIEU KHIEN
I NGUYEN TAC CHUNG CUA MACH DIEU KHIEN A —S K el 1 Thyristor chỉ mở cho dòng chảy qua khi thoả mãn hai điều kiện : U,, > 0 I,>0
Khi thyristor chuyển sang trạng thái dẫn thì cực điều khiển không cồn tác dụng Thyristor chỉ trở về trạng thái khoá nếu dong dién I, < I
( l : dòng điện duy trì )
Chức năng của mạch điều khiển :
+ Điều chỉnh được vị trí xung trong phạm vi nửa chu kỳ dương của điện áp đặt lên A-K của thyristor
+ Tạo ra được các xung đủ diều kiện mở thyristor, d6 rong xung t, duoc tính theo biểu thức : , =H * dildt đdi/dt : tốc độ biến thiên dòng tải
2 Cấu trúc mạch điều khién thyristor
Un, : dién áp điều khiển ( điện áp một chiều )
U,: điện áp tựa ( đồng bộ với điện áp A-K của thyristor ) Hiệu điện ấp | U„ — U, | đưa vào khâu so sánh
(1) : làm việc như một trigơ Đầu ra nhận được một chuỗi xung chữ nhật (2) : khâu tạo xung
Trang 27Thay đổi U„ có thể điều chỉnh được vị trí xung điều khiển tức là điều chỉnh được
góc a
3 Nguyên tắc điều khiển Có hai nguyên tắc :
a Nguyên tắc điều khiển thắng đứng tuyến tính :
Ủ¿ + U, đưa đến đầu vào của một khâu so sánh bằng cánh làm biến đổi U,, ta có thể điều chỉnh được thời điểm xuất giện xung tức là điều chỉnh được góc Q Khi U,, =0 tac6a=0 Khi Ủy < 0 ta có œ > 0 Quan hệ giữa œ và U,, như sau : U x U A=
Ta lay Ugunax = Usmax:
b Nguyên tắc điều khiển thắng đứng “arccos” Nguyên tắc này dùng hai điện áp :
Điện áp động bộ U, vượt trước điện áp A-K của thyristor một góc bằng 7/2 ( Néu U,, = Asinat thi U, = Bcosat )
U¿„ có thể điều khiển được theo hai hướng đương và âm U, + U được đưa đến đầu vào khâu so sánh Khi U, + U„ = 0 ta nhận được một xung ở đầu ra
của khâu so sánh
U„ + Bcosơœ = 0
=> a = arccos( -U,,/B ) Thuong lay B = Ugunax: Khi U,, = 0 thi a = 712
Nguyên tắc này được su dụng trong các thiết bị chỉnh lưu chất lượng cao Nhân xét : Yêu cầu của điều áp xoay chiều ba pha có thể dùng nguyên tắc điều khiển thang đứng tuyến tính vì nó đơn giản và đáp ứng được yêu cầu mạch lực
Trang 28Tín hiệu phản hồi là sensơ nhiệt độ biến tính hiệu nhiệt thành tín hiệu điện, bao gồm sơ đồ cầu Rụạ, R¡ạ, R,;, R”, E, Tín hiệu điện này được đưa qua bộ khuếch đại ( R;;, R;;, R„„, IC A; ), sau đó được đưa vào bộ PI gồm Uạ„,, R;;, C-
yy Ry đầu ra là — U„„(CU,, Uz Ú;, Ug, Us, Us): TÍNH TOÁN MẠCH ĐIỀU KHIỂN
Nguyên lý hoạt động của sơ đồ
Cấp nguồn 220V cho cuộn sơ cấp máy biến áp đồng pha Điện áp phần thứ cấp là điện áp đồng pha Ta chỉ lấy điện áp U,;, U;; để dẫn giải :
U,, được so sánh mức điện áp 0V, qua D, chỉ lấy xung vuông U, U,, được so sánh ở mức điện áp 0V, qua D, chỉ lấy xung vuông U/
U, và U; được đưa qua bộ tạo điện áp răng cưa ( gồm R;, R„,R., R„, D;, D,, D,, A;, T,,T, ), dau ra sé nhận được điện áp răng cưa U:
U„ được so sánh với U; qua A„, cho xung chữ nhật vuông Xung chữ nhật vuông này qua D, chỉ lấy xung chữ nhật dương U, U„ có thể thay đổi, khi nhiệt độ tăng
| Ua, | giảm, góc phát xung lớn lên làm điện áp đầu ra của thyristor giảm và ngược lại, khi nhiệt độ giảm | U,„ | góc phát xung giảm đi làm điện áp đầu ra cua thyristor tang
( Khâu phan hồi điện áp là phản hồi âm để ổn định ở một điện áp nhất định, tương ứng với một nhiệt độ nhất định )
Xung U¿ và xung chòm U_ được đưa qua con AND Đầu ra AND là xung chùm Xung chùm này được qua T,, T„ mắc đalinhtơn dé khuyéch dai công suất ( khuyếch đại dòng ) Đưa xung qua biến áp xung BAX, cho độ rộng xung và biên độ xung như mong muốn
Bộ phát xung chùm là đa hài tự dao động gồm R,;, R„;, R;;, C; và IC A¿, qua D, lấy xung chùm dương
Trong mạch điều khiển ta chọn toàn bộ IC là TL084 có các thông số : V =+15V
Trang 312 Khau tao điện ap rang cua ( U,,, ) Re fs, D2 a5 ) —_ - US My LI2 D1 R7 RB RE Is + + —+ =—=% Ậ Dã -_ Nguyên lý hoạt động :
+ Trong nửa chu kỳ đầu : U, < 0, Ù; > 0
U;< 0 nên T, khoá Khi đó tụ C¡ được nap dién 4p U,, U, > 0 qua điốt D, và ổn định điện áp U¡¿
Ức¡ và Uy được đưa qua bộ trừ có điện áp ra là U¡ + Trong nửa chu kỳ sau : U; >0, U; < 0
U, > 0 nên T, dẫn U,; phóng điện qua T; Điện áp trên tụ C, nhanh chóng trở về 0 U; < 0 nên Ủ;a =0 V Do vậy U; = 0 V
Ta có đồ thị của khâu tạo điện áp răng cưa như hình vẽ :
Trang 32U1 U2 UCI UD5 US —>Ï pt acl) a] ell t — | [| | + Pe Ss ion ; - Tinh toán mạch :
+ Trong nửa chu kỳ đầu :
len = ler = (E- Up - Usp) / R
1
Vor = GJ Feradt = Cera-t) / Cy = (E — Ups - Upe)-t] / (Rs-C)) 1
* Khi t = T/2 thi U,, =9 V do đó :
[(E — Up, — Ugg) T/2] / (Rs.C,) = 9 V
Với E = 15 V, U;; = 9 V, U;;y = 0,6 V => R;.C; = 0,006
Ta chon C, = 0,47uF => R, = 12,766 KO Chon R, = 13 KO Vi Up; = 9 V nén U, = UD; — UE = Ug t) / Cy
Chon R,; = 3,3 KQ, Ike = Ig7 = Up; / 2.R, = 9 / 6600 = 1,36 mA Up, = U, - AUp, — Up; = 4,3 V (AUR, = 0,7 V )
=> R, = U,, / Ip, = 3,16 KQ Vay ta chon R, = 3,3 KQ Chon R, = 10 KQ
Ter = lqạạ= (E- Up — Ugg) / R5 = 0,09 mA
= lặn; = Tere / B
Trang 33Ldk a | Or ee 3 Khâu so sánh
Điện áp răng cưa U; và U,, dua vao cổng âm A,
Trang 34DS : | 4 Khâu phát xung chùm - Nguyên tắc hoạt động : Khi Uạ„ đạt ngưỡng lật, sơ đồ chuyển trạng thái Áp có giá trị ngược lại với giá
trị cũ Sau đó điện áp trên Uạ„ thay đổi theo hướng ngược lại và tiếp tục cho tới khi chưa đạt ngưỡng lật khác
Uy = gene! = Umax = £13V 1n
Trang 35¿ng — -B Unnax Ur est = B U max => B=R,/(R,, + Ry ) ỦNG) = U„¿„ = (1 — (1 + Be) [Uy(t)l = Unsne! = Wg! Khi T = 2R,,C,In(1+2R,,/R,,) Chon tần số khâu phát xung chùm : f = 10 KHz R,, =Ry» > T= 2,2R,,C, = 1/(10.10°) R,3C, = 45,5.10° Chon C, = 0,02uF => R,, = 2,27KQ Ta chon R,, = 2,2 KO Chon R,, =R,, = 10KQ 5 Chọn cổng AND
Chọn IC CMOS là IC408§1 có 4 cổng AND có các thông số sau : V =3 - 15 V Tachọn VÔ =E= 15 V
Trang 36I, < 1mA
Trang 37U,, = U, k =5 V To = Lory Chon T, 14 C828 c6 hé s6 B, = 10 + 30 Chọn T4 là 2N1613 có hệ số B„ = 80 Lay 8B; = 10 > Lp =I / B; = 0,0125 A Chon Ug, = 0,7 V > Rig = Usy / gu = 56 Q Ia73 = Tem / B3- By = 15,625 WA
Ta có U;¡: = U;¡+s + U¿¡„ = 0,6 + 0,7 = 1,3 (V)
Vì U, = 2 + 4,5 V nên ta chọn điện áp sụt trên U;;„ = 1 V => R,, = Ugy; / Igy = 64 KO Rus (E- U,,)/I,, = 80Q Ta chon R,, = 570 7 Khâu phản hồi - Sơ đồ đo nhiệt độ trong lò lấy tín hiệu ra là điện áp E, : R19 R20 N ——tCrc+———
Trong sơ đồ trên :
Ryo, Rigs Ryo 14 dién tro Manganin
R,, là điện trở thay đổi theo nhiệt độ được làm bằng Cu hoặc Ni
Ở 0°C cầu được tính toán cân bằng, lúc này E, = 0 Khi nhiệt độ môi trường
thay đổi cầu mất cân bằng Lúc này giá trị của R,„ cũng thay đổi làm xuất
hiện trên hai đầu A,B một điện áp AU
Trang 38Mặt khác nhiệt độ thay đổi nên hai đầu nhiệt kế xuất hiện một điện áp AE, sao cho AE, = AU Vi vay mV ké van chi 0 V
Ta dùng cặp nhiệt điện Platin — Platin R6di (90% 1a Pt, 10% 14 Rh) do lau dai v6i nhiét do 14 1000 — 1200°C
Khoang 100°C thi tang 0,64 mV Ta có đồ thị quan hệ giữa E, = f(t°C)
Trang 39Tạo điện áp điều khiển : E24 AF | + Uk Up =9 V
Ta có (E— Up¿ ) /R;;¿> 1mA Tachon R24 =3,3 KO > R,=0+1,5 KO Tao7 + Taos = - 163 - Lave
Uph /R,, + Ud/R,, =- C,( dU,,; / dt ) — Ups / Rog