Trong đồ án này đòi hỏi nhiệt độ 400 – 500 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. ( = 1,15.10-6 Ωm , hệ số nhiệt điện trở = 0,035 α.10-3/độ )
Công suất định mức của lò là: Pđm = 100 (KW), ta tính mật độ dây đốt một pha. Đó là khả năng cấp nhiệt của dây dốt trong một đơn vị thời gian trên một đơn vị diện tích bề mặt dây: Wdd = []
Trong đó:
m là số pha.
Fdd – diện tích bề mặt của dây dốt 1 pha. Điện trở dây dẫn:
Độ dài của dây. Ldd = (m)
Dây đốt dùng trong lò điện trở có thể có tiết diện tròn hay chữ nhật và có kích cỡ như sau:
Kích thước dây đốt (m.m)
Nhiệt độ làm việc trong lò Dây tròn (đường kính d) Dây chữ nhật (kích thước a*b), a/b = m ()
400-500 2 10*1
Nhiệt độ làm việc trong lò khoảng 400-500 nên ta nên dùng dây có tiết diện hình chữ nhật, và có kích thước a*b = 10*1 (m.m)
Sdd = a*b = 10 (m2) Độ dài của dây.
Ldd = với Rdd = 1,444(Ω), Sdd = 10 (m2), = 1,15.10-6 Ωm Bố trí dây trong lò, uốn dây xoắn tròn.
Khi uốn xoắn tròn thì đường kính uốn là tuỳ theo độ bền cơ của đây đốt. Thường thì D= (4÷10) d.
Bước xoắn S ≥ 2d.
Ta kiểm tra mật độ công suất dây đốt: Wdd = (Pph/Fdd) ≤ Wcp
Với Wcp là mật độ công suất cho phép.
Nếu Wdd > Wdd thì ta phải tăng tiết diện dây và chiều dài dây dẫn. Nếu Wdd ≤ Wcp thì đảm bảo được yêu cầu kinh tế của lò điện.
3.3. Tính chọn thiết bị công suất của lò điện.
3.3.1 Tính chon mạch lực.
a.
Tính chọn van mạch lực.
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 giống như ngyên lý của mạch chỉnh lưu ba pha hình tia. Vì vậy, ta có ta có thế 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 : Ung.max = Uf = Uđm = . 380 = 537 (V)
Khi góc điều khiển α = 0 điện áp tải ra 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.
Itbmax = sinθ.
Itbmax = [-cos – (-cos 0)]. Itbmax = = 68,6 (A)
Khi van hoạt động, van tỏa 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 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 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 bài thiết kế này, ta tính được dòng qua tải chỉ vài trăm ampe, nên ta chọn điều kiện làm việc của van là có cánh tản nhiệt và đủ điện tích tản nhiệt.
Khi đó: ta chọn ki = 2,1. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Itb = ki .Itbmax=2,1.68,6 = 144(A)
Để chọn thêm giá trị điện áp ngược lớn nhất trên van, ta sẽ chọn thêm hệ số dự trữ điện áp ku = 1,6 ÷ 2
Ta chọn ku = 1,6
Ung = ku .Ung.max = 1,6. 537,4 = 860 (V)
Từ các giá trị Itb = 144(A) và Ung = 860 (V) , tatra trong sổ tay ta chọn được van chế tạo với 6 thyristor loại SC150C80 có các thông số sau:
Un Iđm Ipik Ig Ug Ir du/dt di/dt tcm
800
(V) 150(A) 2800(A) (A)0,1 (V)3 (mA)15 (V/μs)200 (A/μs)180 (μs)80
Hình 3.2. Bảng thông số của van. b. Tính toán bảo vệ van đẫn.
Trong quá trình hoạt động thì van phải được làm mát để van không bị phá hỏng về nhiệt vì vậy ta hãy tính toán chế độ làm mát cụ thể cho van rồi. Tuy nhiên, van cũng có thể bị phá hỏng khi van phải chịu tốc độ tăng dòng, tăng áp quá lớn. Để
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 bảo 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.
+) Bảo vệ quá dòng.
Do tải của lò điện là tải thuần trở nên khi van có tín hiệu điều khiển mở thì dòng qua van sẽ tăng đột ngột với tốc độ tăng dòng rất lớn sẽ gây hỏng van. Vì vậy, người ta cần phải 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 hòa có đặc tính là: khi dòng qua cuộn kháng ổn định thì điện cảm của cuộn kháng gần như bằng không và lúc này cuộn dây dẫn điện như một dây dẫn bình thường.
Ta có mạch như hình vẽ:
Để tính toán giá trị của cuộn kháng ta xét quá trình quá độ trong mạch: . . f di U i R L dt = + Ta thấy rằng tốc độ tăng dòng lớn nhất là: di dt max = f U L
Để đảm bảo an toàn cho van ta phải chọn L sao cho
di dt
max phải nhỏ hơn tốc độ tăng dòng chịu được của van, hay là:
di dt
max < 180 A sµ
→ULf
i u
t t
→
L > = 1,782µH
Ta chọn kháng bão hòa có giá trị 1.73 µH, loại lõi không khí vì điện cảm nó nhỏ. +) Bảo vệ quá áp.
Sau khi tính toán bảo vệ chống tốc độ tăng dòng ta tính toán bảo vệ quá áp cho van. Người ta chia ra làm hai loại nguyên nhân gây lên quá áp:
1). Nguyên nhân nội tại: là do sự tích tụ điện tích trong các lớp bán dẫn. Khi khóa 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:
2). Nguyên nhân bên ngoài: những nguyên nhân này thường xảy ra ngẫu nhiên như khi đóng cắt không tải một máy biến áp trên đường dây, khi một cầu chì bảo vệ nhẩy, khi có sấm sét…Để bảo vệ điện áp do tích tụ điện tích khi chuyển mạch gây nên người thường dùng mạch RC đấu song song với thyristor như hình dưới: (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Thông số của R,C phụ thuộc vào mức độ quá điện áp có thể xảy ra, tốc độ biến thiên của dòng điện chuyển mạch, điện cảm trên đường dây, dòng điện từ hóa máy biến áp… Việc tính toán thông số của mạch R,C rất phức tạp, đòi hỏi nhiều thời
gian. Có hai phương pháp để xác định thông số của R và C là dựa vào kinh nghiệm thực tế hoặc phương pháp tính toán dựa vào các đồ thị đặc tính các van được chọn. 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 chon giá trị R,C theo kinh nghiệm:
R= 20 ÷ 100 (Ω) C = 0,1 ÷ 2 (µF)
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, dòng qua van bằng 68,6A là lớn nên ta chon giá trị của R, C như sau:
R = 100 Ω
C = 0,47 µF( các giá trị chuẩn)
Ngoài ra, trong mạch lực cũng cần có thêm các thiết bị bảo vệ ngắn mạch, quá tải… như apstomat, cầu chì, … ở mỗi pha và cầu chì ở trước mỗi van để tăng cao tính an toàn cho mạch.
+) Ta có mạch hoàn chỉnh như ở dưới:
Hình 3.3. Sơ đồ mạch lực khi đã có các thiết bị bảo vệ dòng và áp
3.3.2. Tính toán mạch điều khiển.
Hình 3.4. Sơ đồ nguyên lý điều khiển 1 kênh. 1, Khâu đồng pha.
Hình 3.5. Sơ đồ khâu đồng pha.
Điện trở R1 dùng để hạn chế dòng điện đi vào khuếch đại thuật toán A1 . Thường chọn R1 sao cho dòng vào khuếch đại thuật toán Iv < 1mA.
Do đó, R1 ≥ = 9 (kΩ). Ta chọn R1 = 10 (kΩ). Mô phỏng trên Psim:
Hình 3.6. Sơ đồ khâu đồng pha mô phỏng trên Psim.
Ta có giản đồ điện áp :
Hình 3.7. Giản đồ điện áp khâu đồng pha 2, Khâu tạo điện áp tựa.
Hình 3.8. Sơ đồ khâu tạo điện áp tựa( dạng răng cưa).
+)Nguyên lý hoạt động.
Phần điện áp dương của U2 đi qua diot D1, vào mạch tích phân R2 C1 tạo điện áp răng cưa.
Phần điện áp âm của U2 làm mở thông tranzitor Tr1, lúc này tụ C1 phóng điện nhanh qua tranzitor Tr1, điện áp ra U3 = UC1 = 0. Trên đầu ra của A2 ta có chuỗi điện áp răng cưa.
Điện áp tựa được hình thành do sự nạp của tụ C1. Mặt khác để đảm bảo điện áp tựa có trong nửa chu kì điện áp lưới là tuyến tính thì hằng số thời gian tụ nạp được :
Tr = R2 .C1 = 0,001 (s).
Chọn tụ C1 = 0,1 (μF) thì điện trở R2 = Tr/C1 = 0,001/(0,1.10-6) = 100 (kΩ). Chọn Tr1 loại A564 có các thông số sau :
Hệ số khuếch đại : β = 250
Dòng cực đại của bazơ : Iβ1 = IC1 / β = 100 / 250 = 0,4 (A)
Điện trở R3 dùng để hạn chế dòng điện đi vào bazơ của tranzitor T1 được chọn như sau :
Chọn R3 = 38 (kΩ).
Mô phỏng khâu tạo điện áp tựa trên Psim. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Hình 3.9. Sơ đồ mô phỏng khâu điện áp tựa.
Ta có giản đồ điện áp :
3, Khâu so sánh.
Hình 3.11. Sơ đồ khâu so sánh
Điện áp U3 được so sánh với điện áp điều khiển Udk tại đâu vào A3. Tổng đại số (U3 + Udk) dấu điện áp đầu ra của khuếch đại thuật toán A3.
Khi U3 = Udk , khuếch đại thuật toán sẽ lật trạng thái và U4 sẽ đổi dấu. Ta thu được điện áp đầu ra A3 là chuỗi xung hình chữ nhật.
Mô phỏng sơ đồ khâu so sánh trên Psim.
Hình 3.12. Sơ đồ mô phỏng khâu so sánh. Giản đồ điện áp ra:
Hình 3.13. Tính hiệu điện áp ra của sơ đồ. 4, Khâu phát xung chùm.
Hình 3.14. Sơ đồ khâu phát xung chùm.
Để giảm công suất cho tầng khuếch đại và tăng số lượng xung kích mở nhằm đảm bảo thyristor mở một cách chắc chắn, ta dùng một bộ phát xung chùm cho các thyristor. Chùm xung thu U5 được sẽ được đưa đến cổng AND cùng với tín hiệu
nhận đc từ khâu so sánh U4. Tín hiệu đầu ra xẽ được đưa đến khâu khuếch đại xung U6.
Chọn IC loại TL084 do hãng Texas Instruments chế tạo. Các IC này có khuếch đại thuật toán với các thông số sau.
Điện áp nguồn nuôi : Vcc = ± 15 (V)
Hiệu điện thế giữa 2 đầu vào: U = ± 30 (V) Công suất tiêu thụ: P = 0,68 (W)
Tốc độ biến thiên điện áp cho phép: = 13 (V/μs).
Mạch tạo xung chùm có tần số: f = 20 kHz, hay chu kì của xung chùm là: T = 1 / f = 50 (μs.)
Ta có: T = 2R6.C2.ln( 1 + 2).
Chon R4 = R5 = 33kΩ. Thì T = 2,2.R6.C2 = 50 (μs). Chọn tụ C2= 0,1 (μF), có điện áp U = 16 (V).
Vậy R6 = 0,228 (kΩ). Chọn R6 là biến trở 0,2 (kΩ) để thuận tiện cho việc lăp mạch.
Mô phỏng khâu phát xung chùm trên Psim.
Hình 3.15. Sơ đồ mô phỏng khâu phát xung chùm.
Hình 3.16. Tín hiệu đầu ra khâu phát xung chùm 5. Chọn cổng AND.
Hình 3.17. Sơ đồ phối hợp tạo xung chùm dùng cổng AND.
+) Nguyên lý làm việc:
Trộn xung chùm U5 với tín hiệu điều khiển lấy được ở khấu so sánh U4 để đưa ra xung điều khiển dạng xung chùm gửi tới khâu khuếch đại xung.
+) Tính chon linh kiện
Chọn IC CMOS là IC 4081 có 4 cồng AND có các thông số sau: Vcc = 3-15 V. Ta chon Vcc = E = 15 V.
I1v < 1mA. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Điện áp ứng với mức logic “1” là: 2 – 4,5 V. Tín hiệu điện áp ra như hình vẽ:
Hình 3.18. Tín hiệu điện áp ra. 6. Khâu khuếch đại xung và biến áp xung.
Biến áp xung có thể thực hiện các nhiệm vụ :
- Cách ly mạch lực và mạch điều khiển.
- Phối hợp trở kháng giữa tầng khuếch đại xung KĐX và cực điều khiển van lực.
- Nhân thành nhiều xung ( BAX nhiều cuộn thứ cấp) cho các vân cần mở đồng thời như trường hợp phải mắc nối tiếp hoặc mắc song song nhiều van.
Hình 3.19. Sơ đồ khuếch đại xung và biến áp xung.
+) Nguyên lý hoạt động:
Để nâng cao hệ số khuếch đại và công suất xung ra, ta dùng mạch khuếch đại nối kép 2 tranzitor theo kiểu sơ đồ Darlingtons. Thường chọn tranzitor Tr3 có công suất lớn thảo mãn với công suất của xung ra, còn có tranzitor Tr2 có nhiệm vụ khuếch đại dòng.
Hệ số khuếch đại của mạch (β) được tính theo công thức: β= β2.β3.η
β2 , β3 là hệ số khuếch đại của tranzitor Tr2 và tranzitor Tr3. η là hiệu xuất ( thường lấy η = 0,7 )
Tín hiệu vào U5 là một tín hiệu logic. Khi tín hiệu ở mức “1” thì tranzitor mở bão hoà. Tín hiệu ở mức “0” thì tranzitor khoá lại.
Điện trở R8 , R9 hạn chế dòng, diot D3 hạn chế quá điện áp trên các cực colector, emitor của tranzitor Tr3. Vì xung điều khiển có độ rộng bé, mà thời gian mở thông của tranzitor dài, làm cho công suất toả nhiệt dư của tranzitor lớn và kích thước dây quấn sơ cấp biến áp lớn. Để giảm nhỏ công suất toả nhiệt của tranzitor và kích thước dây quán sơ cấp máy biến áp xung, ta nối thêm tụ C3 . Khi đó, tranzitor chỉ mở cho dòng điện chạy qua trong thời gian tụ nạp, nên dòng điện hiệu dụng sẽ nhỏ hơn rất nhiều lần.
Điện trở R7 dùng để hạn chế dòng điện đưa vào bazơ của tranzitor Tr2. *) Tính toán mạch điều khiển và tầng khuếch đại biến áp xung.
Mạch điều khiển được tính xuất phát từ yêu cầu về xung mở thyristor. Các thông số cơ bản để tính mạch điều khiển:
Un Iđm Ipik Ig Ug Ir du/dt di/dt tcm
800
(V) 150(A) 2800(A) (A)0,1 (V)3 (mA)15 (V/μs)200 (A/μs)180 (μs)80
*) Tính biến áp xung.
Chọn vật liệu làm lõi săt Ferit HM. Lõi có hình dạng xuyến, làm việc trên 1 phần đặc tính từ hoá có ΔB = 0,3 (T), ΔH = 30 (A/m) không có kẽ hở không khí. -Tỉ số biến áp xung: Chọn m = 3
-Điện áp thứ cấp máy biến áp xung: U2 = Udk = 3 (V).
-Điện áp đặt lên cuộn sơ cấp máy biến áp xung: U1 = mU2 = 3.3 = 9 (V).
-Dòng điện thứ cấp máy biến áp xung: I2 = Idk = 0,1 (A).
-Dòng điện sơ cấp máy biến áp xung: I1 = I2 / m = 0,1/3 = 0,033 (A). -Độ từ thẩm trung bình tương đối của lõi sắt:
μtb = = 0,3 / (1,25.10-6) = 8.103 (H/m) Với μ0 = 1,25.10-6 (H/m) (độ từ thẩm của không khí).
-Thể tích lõi thép cần:
V = Q.l = ( μtb.μ0.tx.Sx.Ul.ll )/(ΔB2)
V = ( 8.103 . 1,25.10-6 . 1,67.10-6 . 0,15 .9 .0,033)/ ( 0,32) V= 0,834 (cm3).
Chọn mạch có thể tích V = 1,4 (cm3).
Với thể tích đó ta có, các kích thước mạch từ như sau: (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
a = 4,5mm ; b = 6mm ; Q = 27 mm2 ; d = 12mm ; D = 21mm. Chiều dài trung bình mạch từ : l = 5,2 cm.
-Số vòng dây sơ cấp máy biến áp xung: Theo định luật cảm ứng điện từ có:
W1= ( U1.tx )/( ΔB.Q) = (9.167.10-6)/(0,3.27.10-6) = 186 ( vòng). -Số vòng dây thứ cấp:
W2 = W1/m = 186/3 = 62 ( vòng). -Tiết diện dây quấn sơ cấp: