Thiết kế: Bộ điều khiển lò nhiệt

Thiết kế bộ biến đổi điện áp xoay chiều P=20 (KW );Nhiệt độ:20÷100 (0C), U=220(V), điều chỉnh đầu ra P=0÷50 (KW)

TRƯỜNG ĐẠI HỌC HÀNG HẢI KHOA: ĐIỆN - ĐIỆN TỬ TÀU BIỂN THIẾT KẾ MÔN HỌC MÔN: ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT Đề Bài : Đề Số 76 Thiết kế: Bộ điều khiển lò nhiệt Yêu cầu công nghệ Thông số thiết kế Thiết kế bộ biến đổi điện áp xoay chiều P=20 (KW ); Nhiệt độ:20÷100 ( 0 C) U=220(V) P=0÷50 (KW) Giáo viên hướng dẫn: ĐOÀN VĂN TUÂN Sinh viên: NGUYỄN QUANG VINH MSV: 36196 Hải phòng, năm 2011 1 Chương 2: Tính toán và thiết kế mạch công suất. 2.1- Giới thiệu các mạch công suất đã biết. 1) Mạch chỉnh lưu tia 3 pha. U d = π 2 3 ∫ + + θ π θ π 6 5 6 2 U 2 sinθ.dθ= π 2 63 2 U cosα I d = R U d Ưu điểm: - Do điện áp ngược trên van lớn cho nên nó được sử dụng cho tải có yêu cầu điện áp thấp và dòng điện lớn dễ dàng cho việc chọn van. - Do chỉ có một van dẫn nên sụt áp trên van là nhỏ cho nên công suất tiêu thục của van là nhỏ. - Việc điều khiển mở van là dễ dàng. Nhược điểm: - Điên áp ra có độ đập mạch lớn cho nên xuất hiện nhiều thành phần điều hoà bậc cao. - Hiệu suất sử dụng máy biến áp không cao. Vì điện áp chảy trên van không đối xứng qua trục hoành, do vậy khi khai triển chuỗi Furie thì xuất hiện thành phần một chiều và thành phần xoay chiều. Tuy nhiên máy biến áp chỉ làm việc với thành phần xoay chiều nên làm giảm hiệu suất máy biến áp. 2) Mạch chỉnh lưu cầu 3 pha có điều khiển. U d = π 2 6 ∫ + + α π α π 6 5 6 2 2U sinθ.dθ= π 2 63 U cosα I d = R U d Ưu điểm: - Cho phép đấu thẳng vào lưới điện 3 pha; - Độ đập mạch rất nhỏ (5,7%) - Công suất máy biến áp cũng chỉ xấp xỉ công suất tải, đồng thời gây méo lưới điện ít hơn các loại khác. Nhược điểm: - Sụt áp trên van gấp hai lần sơ đồ hình tia vì luôn có hai van dẫn để đưa dòng ra tải, nên sẽ không phù hợp vỡi cấp điện áp ra tải dưới 10V. 2.2- Phân tích ưu nhược điểm của các mạch công suất. 1) Ưu điểm. Biến từ điện xoay chiều ra một chiều Điện xoay chiều điện áp cao - điện một chiều điện áp thấp. Máy biến áp để thay đổi cấp điện áp, mạch chỉnh lưu để nắn tư ac-dc 2)Nhược điểm. Khuyết điểm của các mạch chỉnh lưu là thất thoát từ đỉnh sóng đầu vào đến đỉnh sóng đầu ra, gây ra bởi điện áp ngưỡng của điốt. Điện áp này xấp xỉ 0,7 vôn đối với điốt thường, và 0,1 vôn đối với điốt Schottky. Các mạch chỉnh lưu nửa sóng, cả mạch chỉnh lưu toàn sóng có 2 cuộn dây, sẽ có thất thoát đỉnh sóng bằng điện áp rơi trên một điốt. Các mạch chỉnh lưu cầu sẽ có điện áp thất thoát bằng điện áp rơi trên 2 điốt. Điều này có thể thấy thất thoát này sẽ đáng kể đối với những mạch có điện áp cung cấp rất bé. Hơn nữa, vỡ cỏc điốt không thể dẫn khi điện áp dưới điện áp này, mạch chỉ có thể cho dũng điện đi qua trong một phần của nửa chu kỳ. Vỡ thế sẽ cú một phần nhỏ điện áp bằng 0 xuất hiện xen kẽ với các đoạn có điện áp 2.3- Chọn mạch công suất phù hợp. 1) Chọn loại nguồn thích hợp. Do yêu cầu của bài toán thiết kế bộ biến đổi điện áp xoay chiều 3 pha nên ta chọn loại nguồn thiết kế là Nguồn điều khiển điện áp xoay chiều. Do là mạch điều khiển điện áp xoay chiều mà lại sử dụng trong công nghiệp nên ta có thể chọn mạch chỉnh lưu 3 pha hình tia và mạch chỉnh lưu cầu 3 pha có điều khiển để thiết kế mạch công nghiệp và khi tải có yều cầu cao về chất lượng điện áp một chiều. Chỉnh lưu tia ba pha thường được lựa chọn, khi công suất tải không quá lớn so với biến áp nguồn cấp (để tránh gây mất đối xứng cho nguồn lưới), và khi tải có yêu cầu không quá cao về chất lượng điện áp một chiều. Đối với các loại tải có điện áp định mức là 220V, sơ đồ tia ba pha có ưu điểm hơn tất cả. Bởi vì theo sơ đồ này, khi chỉnh lưu trực tiếp từ lưới chúng ta có điện áp một chiều là 220V.1,17 =257,4V. Để có điện áp 220V không nhất thiết phải chế tạo biến áp,mà chỉ cần chế tạo ba cuộn kháng anod của van là đủ 2.4- Mạch điều áp xoay chiều 3 pha. Như đã nói ở trên, công suất ra tải của lò được tính theo công thức: P = 3. t 2 f R U Như vậy, để thay đổi công suất đưa ra tải , ta có thể thay đổi t R hoặc f U . Tuy nhiên, trong thực tế, người ta thường chọn cách thay đổi f U để có thể thay đổi công suất ra tải. Khi có sẵn một nguồn điện xoay chiều, để có thể thay đổi điện áp ra tải ta có thể dùng bộ điều chỉnh điện áp xoay chiều ( ĐAXC ) dùng van bán dẫn. Việc điều chỉnh điện áp ra tải dựa theo nguyên tắc 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 diot chỉ có thể dẫn dòng theo một chiều mà ta lại yêu cầu điện áp ra tải là xoay chiều nên trong mạch điều áp xoay chiều 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 tiristor nên thực tế người ta thường dùng sơ đồ 2 thyristor đấu song song ngược nhau thay cho triac như hình dưới : Các van T1, T2 lần lượt dẫn dòng theo 1 chiều xác định nên dòng qua cặp tiristor đấu song song ngược này là dòng xoay chiều. Các van tiristor 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 dụng hai van thyristor đấu song song ngược nhau thay thế cho triac trong mạch điều áp xoay chiều là khả năng điều khiển để mở và khoá tiristor dễ dàng hơn nhiều so với triac. Các mạch điều áp xoay chiều có nhược điểm cơ bản là trong quá trình điều chỉnh, mạch luôn làm việc ở chế độ dòng điện gián đoạn, cả dạng dòng điện và điện áp ra tải đều không sin nên chỉ phù hợp với các tải loại điện trở 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 thì việc dạng điện áp ra tải không sin cũng không ảnh hưởng đến chế độ làm việc của lò. Các mạch điều áp xoay chiều không phù hợp với tải dạng cảm kháng như biến áp hoặc động cơ điện, . nên chỉ dùng khi phạm vi điều chỉnh điện áp không lớn. Trong thực tế công nghiệp, các mạch điều áp xoay chiều thường sử dụng là các mạch điều áp xoay chiều ba pha, tải mắc hình sao( Y ) hoặc tải hình tam giác ( ∆ ). Quá trình làm việc của mạch điều áp xoay chiều ba pha phức tạp hơn nhiều so với mạch một pha vì ở đây các pha ảnh hưởng mạnh sang nhau và nó còn tuỳ thuộc vào nhiều yếu tố như sơ đồ đấu van, góc điều khiển cụ thể, tính chất tải . Hình trên là sơ đồ thường dùng nhất, đó là sơ đồ có sáu tiristor đấu thành ba cặp song song ngược. 2.5- 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 dưới 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: • 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 song song ngược, tải thuần trở đấu hình sao ở trên và dựng đồ thị quan hệ giữa công suất tải và góc α : Công suất tải là: P = 3I 2 .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): i = ( ) αθ + sin 3R U dm + Nếu chỉ có hai van dẫn (hay toàn mạch có hai van dẫn): i = ( ) αθ +sin 2R U dm Trong đó; U dm là biên độ điện áp dây α : là góc lệch ha 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: a) Khoảng dẫn của van ứng với α = 0 ÷ 60 o : Trong phạm vi này sẽ có các giai đoạn ba van và hai van dẫn xen kẽ nhau như đồ thị dưới đây : Dựa vào đồ thị ta có thể xác định được biểu thức liên quan giữa công suất ra tải P và góc điều khiển α : P= 3.I 2 .R P= θ θ π π α d Sin R U dm ∫ 3 22 3 [ + θ θ α π π d Sin ∫ + 3 3 2 4 + θ θ α π α π d Sin ∫ + + 3 2 3 2 4 + θ θ π α π d Sin ∫ + 3 2 2 4 ] = R U dm π 2 3 [ 6 π - 4 π + 8 2 α Sin ] (1) b) Khoảng van dẫn ứng với α = 60 ÷ 90 o : Trong phạm vi này luôn chỉ có các giai đoạn hai van dẫn. Ta có đồ thị điện áp ra ở dưới : . P = P max = 20 (kw) Dựa vào công thức (1) ta tính được công suất ra tải khi α = 0 t dm R U P 2 2 max = ⇒ R t = ( ) Ω== 21 ,1 10 .20 .2 220 2 3 22 xma dm P. điều khiển α : P=3.I 2 .R P= ] 34 [ 3 32 2 32 22 ∫∫ +−+− + π α ππ α α ππ θ θ θ θ π d Sin d Sin R U dm = ]2 16 1 2 16 3 424 5 [ 3 2 αα απ π SinCos R U dm