4. Nội dung nghiên cứu của đề tài
1.3Cơng nghệ và thiết bị ứng dụng kỹ thuật điện cao áp
Thiết bị ứng dụng kỹ thuật điện cao áp hiện nay, đã đƣợc đƣa ra thị trƣờng khá nhiều loại nhƣ:
- Máy tạo khí Ozone: Sylvan HX - 3000.
Hình 1.5: Máy tạo ozone Sylvan HX - 3000
Bảng 1.1: Thơng số kĩ thuật máy Sylvan HX - 3000
Nguồn cấp 115/120V – 60Hz
Sản lƣợng Ozone 3500 mmg/hr
Lƣu lƣợng quạt hút 130 CFM
- Máy tạo khí Ozone: PRO 450.
Hình 1.6: Máy tạo ozone Pro 450P
Bảng 1.2: Thống số kĩ thuật máy Pro 450P
Nguồn cấp 12-13 VDC; 1Amp
Sản lƣợng Ozone 450 mg/hr Lƣu lƣợng quạt hút 61 CFM
Kích thƣớc 6.5" L X 5.75" W X 6.5" H - Máy tạo khí Ozone: Ozone generator Z-1. (Việt Nam)
Bảng 1.3: Thống số kỹ thuật của máy Ozone Z-1 Nguồn cấp 220V – 50Hz Sản lƣợng Ozone 1g/hr Lƣu lƣợng quạt hút 0.883 CFM Kích thƣớc 38 x 20 x 48 Cm 1.4 Kết luận chƣơng 1
Cĩ thể thấy, thiết bị sử dụng kỹ thuật điện cao áp nhằm tạo khí ozone cho cơng nghệ xử lý nƣớc thải cơng nghiệp tỏ ra cĩ những ƣu điểm vƣợt trội trong một số lĩnh vực. Nhằm phát triển và ứng dụng cơng nghệ này trong điều kiện Việt Nam, việc tối ƣu hĩa thơng số và cấu trúc thiết bị cần đƣợc nghiên cứu. Trong nội dung tiếp theo của luận văn, mơ hình thiết bị và mạch điều khiển thơng số sẽ đƣợc xây dựng nhằm đánh giá hiệu quả xử lý. Do khí ozone cĩ tính oxi hĩa cao và tỏ ra cĩ hiệu quả đối với một số chỉ tiêu của nƣớc thải nhƣ độ đục, mà sắc, các mẫu nƣớc thải dự kiến đƣợc xử lý và đánh giá trong luận văn sẽ là nƣớc thải cơng nghiệp dệt nhuộm.
CHƢƠNG 2
XÂY DỰNG MƠ HÌNH TẠO KHÍ OZONE ỨNG DỤNG CƠNG NGHỆ KỸ THUẬT ĐIỆN CAO ÁP
2.1 Nguyên lý làm việc của mơ hình
Trên hình 2.1 là sơ đồ nguyên lý của mơ hình tạo khí ozone phục vụ xƣ lý nƣớc thải dệt nhuộm đã xây dựng cho các thực nghiệm thay đổi thơng số nhằm tối ƣu hiệu quả xử lý trong phịng thí nghiệm Điện cao áp, bộ mơn Hệ thống điện, trƣờng ĐH Bách Khoa Hà Nội.
Van điều chỉnh lƣu lƣợng khí Mạch tạo cao áp Ống tạo khí Ozone Mẫu nƣớc Khơng khí V 220 VAC 50Hz
Hình 2.1: Sơ đồ mơ hình tạo khí ozone ứng dụng kĩ thuật điện cao áp
Thiết bị tạo khí Ozone đƣợc chia làm 2 phần chính: - Khối tạo nguồn điện cao áp
- Khối tạo khí Ozone
2.1.1 Khối tạo nguồn điện cao áp
Mạch điện tạo nguồn cao áp đƣợc hoạt động dựa trên nguyên lý của nguồn xung push-pull, sử dụng một nguồn nuơi là với điện áp 220V 50Hz, điện áp 220 đƣợc chia làm 2 nhánh:
- Tạo điện áp thấp để nuơi mạch điều khiển: Mạch điều khiển đƣợc cấp nguồn 12VDC và tạo ra 2 xung dao động ngƣợc pha nhau. Xung dao động này, sau đĩ đi vào phần cơng suất đĩng mở 2 Mosfet với nguyên lý hoạt động
push-pull. Xung dao động này cĩ thể điều chỉnh đƣợc, để cĩ thể thay đổi điện cao áp ở phía ra.
- Chỉnh lƣu thành điện một chiều đƣa vào phần cơng suất: Dịng điện sau chỉnh lƣu thành một chiều đi qua một biến áp xung lõi ferrit, tạo ra đƣợc một nguồn cao áp lên tới 5 kV và cĩ thể điều chỉnh đƣợc.
+ Nguồn xung push-pull
Đây là dạng kiểu nguồn xung đƣợc truyền cơng suất gián tiếp thơng qua biến áp, cho điện áp đầu ra nhỏ hơn hay lớn hơn so với điện áp đầu vào. Từ một điện áp đầu vào cũng cĩ thể cho nhiều điện áp đầu ra. Nĩ đƣợc gọi là nguồn đẩy kéo [5].
Hình 2.2: Nguyên lý nguồn xung push-pull (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Đối với nguồn xung loại Push-Pull này thì dùng tới 2 van để đĩng cắt biến áp xung và mỗi van dẫn trong 1 nửa chu kì. Khi Mosfet1 đƣợc mở Mosfet2 đĩng thì cuộn dây 1 ở phía trên sơ cấp cĩ điện đồng thời cảm ứng sang cuộn dây 2 phía trên ở thứ cấp cĩ điện và điện áp sinh ra cĩ cùng cực tính. Dịng điện bên thứ cấp qua Diode cấp cho tải.
Nhƣ trên hình vẽ, khi Mosfet2 mở và Mosfet1 đĩng thì cuộn dây 2 ở phía dƣới sơ cấp cĩ điện đồng thời cảm ứng sang cuộn dây 2 phía dƣới thứ cấp cĩ điện và điện áp này sinh ra cũng cùng cực tính. Nhƣ trên hình vẽ, với việc đĩng cắt liên tục hai van này thì luơn luơn xuất hiện dịng điện liên tục
trên tải. Chính vì ƣu điểm này mà nguồn Push Pull cho hiệu suất biến đổi là cao nhất và đƣợc dùng nhiều trong các bộ nguồn nhƣ UPS, Inverter...
2.1.2 Khối tạo khí Ozone
Hình 2.3: Sự phĩng điện cao áp tạo khí Ozone
Ozone đƣợc sinh ra dựa trên nguyên tắc phĩng điện vầng quang, khi đƣa khơng khí qua một vùng cĩ phĩng điện thì sẽ tạo ra khí Ozone, với điện áp phĩng điện cỡ hàng nghìn volt.
Khơng khí đƣợc đƣa vào một ống phĩng điện nhờ một máy nén khí, khơng khí đƣợc qua ống phĩng điện với điều kiện điện áp đặt vào 2 bản cực của ống phĩng là một điện cao áp khoảng 5 kV. Gây ra hiện tƣợng phĩng điện vầng quang tại 2 bản cực, oxy trong khơng khí đi qua ống sẽ đƣợc biến đổi thành Ozone và đi ra ngồi ống phĩng [9,10,13].
+ Sự phĩng điện vầng quang
Sự phĩng điện vầng quang là một dạng phĩng điện cục bộ vốn phát sáng và thỉnh thoảng chúng ta cĩ thể thấy đƣợc bằng mắt thƣờng.
Vầng quang xảy ra khi khơng khí xung quanh một dây dẫn mang điện trở nên bị ion hĩa, gây nên một sự phĩng điện. Vầng quang xảy ra khi các khiếm khuyết hiện hữu ở các dây dẫn nhƣ là các rìa cĩ cạnh sắc nhọn hoặc
các chỗ vỡ tại đĩ tạo nên điện trƣờng cục bộ lớn. Ta cũng cĩ thể nghe một âm thanh nhƣ tiếng rít khi xảy ra vầng quang [7,18].
Các phân tử nitơ trong khơng khí bị kích thích và dẫn đến sự phát xạ tia cực tím. Thỉnh thoảng chúng ta thấy đƣợc vầng quang xuất hiện nhƣ là một quầng sáng xanh mờ bao xung quanh các dây dẫn, đặc biệt trong bĩng đêm.
+ Các ảnh hƣởng của vầng quang
Vầng quang xảy ra cùng với sự hình thành khí ozone và các oxit nitơ. Các oxit nitơ cĩ thể phản ứng với hơi ẩm trong khơng khí và tạo nên axit nitric một chất cĩ khả năng ăn mịn kim loại [18,19].
Vầng quang cĩ thể gây hƣ hỏng đối với các cách điện dùng trong các ứng dụng cao áp [15].
Sự phát ra vầng quang đi kèm với sự phát ra các sĩng radio vốn cĩ thể gây nhiễu đến sự truyền phát radio thƣơng mại. Đơi khi, vầng quang cũng cĩ thể gây tiếng ồn khiến cĩ thể làm mất đi sự yên tĩnh cho khu dân cƣ ở gần đĩ.
Vầng quang đơi khi cĩ thể gây ra các cặn muội than mà chính điều này cĩ thể sau đĩ gây nên hồ quang điện.
Cĩ thể sử dụng vầng quang để nhận biết đƣợc các vấn đề bất thƣờng. Vầng quang ở các đƣờng dây truyền tải chỉ thị sự hiện diện của các bụi bẩn hoặc các tạp chất khác cĩ trên đƣờng dây mang điện và cĩ thể yêu cầu tiến hành ngay cơng việc vệ sinh đƣờng dây.
Vầng quang cĩ mặt sau khi đĩng điện nghiệm thu một thiết bị cĩ thể chỉ ra sự lắp đặt khơng đúng.
Cƣờng độ vầng quang sẽ thay đổi theo độ ẩm. Ở những điều kiện cĩ độ ẩm cao, vầng quang cĩ thể tiến triển thành một phĩng điện tia lửa khiến cĩ thể gây ra sự cắt điện và gây hƣ hỏng đối với các thiết bị điện[14, 15].
2.2 Cấu tạo và thơng số kĩ thuật của mơ hình
2.2.1 Khối tạo điện cao áp
Khối tạo đƣợc chia làm 2 phần: - Mạch điều khiển
- Mạch cơng suất.
2.2.1.1 Mạch điều khiển
Hình 2.4: Mạch điều khiển
Để cĩ thể điều khiển đƣợc điện cao áp đầu ra của mạch điện, chúng ta cần dung đến phƣơng pháp điều chế độ rộng xung. Phƣơng pháp điều chế độ rơng xung là phƣơng pháp điều chế dựa trên sự thay đổi độ rộng của chuỗi xung vuơng dẫn đến sự thay đổi điện áp ra.
Hình 2.5: Biểu đồ xung của phương pháp điều chế độ rộng xung
Sơ đồ trên là dạng xung điều chế trong 1 chu kì thì thời gian xung lên (Sƣờn dƣơng) nĩ thay đổi dãn ra hoặc co vào. Và độ rộng của nĩ đƣợc tính bằng phần trăm tức là độ rộng của nĩ đƣợc tính nhƣ sau:
Độ rộng = (t1 / T).100% U0 = UV.t1/T (điện áp đầu ra) (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Nhƣ vậy thời gian xung lên càng lớn trong 1 chu kì thì điện áp đầu ra sẽ càng lớn. Nhìn trên hình vẽ trên thì ta tính đƣợc điện áp ra tải sẽ là:
- Đối với PWM = 25% ==> Ut = Umax.(t1/T) = Umax.25% (V) - Đối với PWM = 50% ==> Ut = Umax.50% (V)
- Đối với PWM = 75% ==> Ut = Umax.75% (V)
Cứ nhƣ thế ta tính đƣợc điện áp đầu ra tải với bất kì độ rộng xung nào. Trong mơ hình này, sử dụng IC dao động UC3524 tạo 2 xung dao động ngƣợc pha nhau. UC3524 là một trong rất nhiều các IC tạo xung dao động
hiện nay trên thị trƣờng, với đặc điểm tạo ra 2 kênh dao động ngƣợc pha với nhau, nĩ rất phù hợp với yêu cầu của mơ hình.
Hình 2.6: Cấu trúc IC UC3524
Thơng số kĩ thuật của IC UC3524: - Điện áp cung cấp: 8 - 40 VDC - Dịng điện ngõ ra: 0 – 20 mA
- Tần số dao động ngõ ra tối đa: 300 kHz - Duty – cycle: 0 – 45%.
Hoạt động của các chân của IC UC3524:
- Chân CT và RT sử dụng để tạo dao động chính cho IC UC3524.
- Chân INV INPUT và NI INPUT là chân quyết định độ rộng xung của ngõ ra.
- Chân CA, CB, EA, EB là các chân ngõ ra dao động.
- Chân –SENSE và +SENSE là chân giới hạn dịng điện ngõ ra. - Chân SHUTDOWN là chân bật tắt hoạt động của IC.
- Chân Vref và OSC là chân đƣa ra tín hiệu chuẩn của IC, tín hiệu điện áp 5V, tín hiệu dao động.
Hình 2.7: Biểu đồ tần số dao động và phần tử tạo dao động
Cơng thức tính tốn tần số dao động ở ngõ ra của mạch điều khiển:
T TC R f 1.18 RT đơn vị là kΩ CT đơn vị là µF f đơn vị là kHz
Trong mạch điều khiển, để cĩ thể điều khiển đƣợc xung dao động phía ngõ ra của mạch, ta sử dụng một biến trở lắp vào vị trí chân số 2 của IC UC3524.
Thơng số của mạch điều khiển:
- Dải tần số điều khiển từ 1 – 100 kHz. - Biên độ điện áp xung dao động 300V. - Nguồn nuơi mạch điều khiển: 12V - Giới hạn dịng ngõ ra là: 200mV.
2.2.1.2 Mạch cơng suất
Hình 2.8: Mạch cơng suất
Mạch suất làm nhiệm vụ tạo nguồn nuơi cho mạch điều khiển cũng nhƣ nguồn cấp cho phần tạo HV.
Đối với phần nguồn, mạch sử dụng một biến áp lõi sắt để biến đổi điện áp 220V – 50Hz xuống điện áp 12V -50Hz, sau đĩ nguồn 12V – 50Hz đƣợc đi qua một bộ cầu chỉnh lƣu để chuyển thành một nguồn 1 chiều để đƣa vào mạch điều khiển.
Đối với phần cơng suất tạo HV, sử dụng nguyên lý của nguồn xung dạng push-pull. Đây là dạng kiểu nguồn xung đƣợc truyền cơng suất gián tiếp thơng qua biến áp, cho điện áp đầu ra nhỏ hơn hay lớn hơn so với điện áp đầu vào. Từ một điện áp đầu vào cũng cĩ thể cho nhiều điện áp đầu ra. Nĩ đƣợc gọi là nguồn đẩy kéo [1].
Ở đây, sử dụng 2 van để đĩng cắt biến áp xung và mỗi van dẫn trong 1 nửa chu kì. Khi van Q3 đĩng và Q4 mở thì cuộn dây ở phía sơ cấp nối với Q4 cĩ điện đồng thời cảm ứng sang cuộn thứ cấp và điện áp này sinh ra cĩ cùng cực tính. Khi Q3 mở và Q4 đĩng thì cuộn dây thứ 2 bên phía sơ cấp nối với Q3
cĩ điện, đồng thời cảm ứng sang cuộn thứ cấp và điện áp này sinh ra ngƣợc chiều với điện áp ở trƣờng hợp khi Q4 mở và Q3 đĩng.
Biến áp sử dụng cho việc tạo điện cao áp là loại biến áp lõi ferrit. Biến áp xung là biến áp hoạt động ở tần số cao khoảng 1kHz trở lên nhƣ biến áp trong các bộ nguồn xung, biến áp cao áp. Lõi biến áp xung làm bằng ferit , do hoạt động ở tần số cao nên biến áp xung cho cơng xuất rất mạnh, so với biến áp nguồn thơng thƣờng cĩ cùng trọng lƣợng thì biến áp xung cĩ thể cho cơng suất mạnh gấp hàng chục lần.
Biến áp xung biến đổi điện áp xung hay cƣờng độ xung. Số vịng dây của biến áp xung thƣờng ít. Lõi của biến áp xung là ferit hay hợp kim pemelọd trong khi lõi của biến áp thƣờng là thép silic. Biến áp xung cộng các tín hiệu xung, biến đổi cực tính của các xung và lọc bỏ thành phần một chiều của dịng điện. Biến áp xung làm tăng biên độ điện áp hoặc dịng mà vẫn duy trì đƣợc dạng xung ban đầu, khơng bị méo. Độ dài xung (ở các máy điều khiển tự động) vào khoảng 0.1 μs, ngắn hơn chu kỳ của điện lƣới hàng nghìn lần, nghĩa là tần số lớn gấp hàng triệu lần, đến kHz.
Đối với các nguồn điện cao áp, biến áp xung luơn là loại biến áp đƣợc sử dụng nhiều nhất, với ƣu điểm về kích thƣớc cũng nhƣ hiệu năng của nĩ. Khả năng tạo đƣợc nguồn điện cao áp hang kV là rất dễ dàng. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Tổn hao lõi với tần số và mật độ từ cảm:
- Tổn hao dịng điện xốy của nĩ bỏ qua khi điện trở suất rất cao.Tổn hao lõi chủ yếu do tổn hao từ trể nhƣng cũng khá thấp.
- Một số chất liệu đƣợc đo đạt sau cho tổn hao lõi là nhỏ ở tần số cao và nhiệt độ cao.
- Yếu tố chính ảnh hƣởng việc chọn lựa chất liệu là đặc tính tổn hao lõi (thƣờng mW/cm3) đối với tần số và mật độ từ cảm.
Hình dạng lõi ferrit cĩ nhiều loại khác nhau nhƣ: Lõi hình chén, lõi RM, EE, PQ, UU, UI, EI…
Đĩng ngắt bằng SCR:
- Sự bất lợi khi dùng linh kiện đĩng mở bằng SCR là chúng ta điều khiển cả hai quá trình kích khởi và ngắt của SCR. Vì vậy làm phức tạp thêm trong quá trình điều khiển và hạn chế việc nâng cao tần số.
- Theo nguyên lý SCR sẽ tự duy trì trạng thái dẫn điện sau khi đƣợc kích. Muốn SCR đang ở trạng thái dẫn chuyển sang trạng thái tắt thì phải cho IG = 0 và điện thế VAK = 0v, để SCR cĩ thể tắt đƣợc thì thời gian VAK=0 đủ dài. Vậy phải cĩ thêm thời gian tắt SCR.
- Để SCR dẫn điện trong trƣờng hợp điện thế VAK thấp thì phải cĩ dịng điện kích cực G của SCR. Dịng IG min là trị số dịng kích nhỏ nhất đủ để điều khiển SCR dẫn và IG min cĩ trị số lớn hay nhỏ tùy thuộc cơng suất của SCR. Nếu SCR càng lớn thì IG min càng lớn.
Đĩng ngắt bằng Transistor:
- Cĩ nhiều loại BJT trên thị trƣờng từ những BJT Ge, Si, đến BJT darlington rất tốt, chúng thƣờng làm một số cơng việc nhất định.
- Khi chọn lựa chúng ta phải chú ý đến chế độ họat động của chúng nhƣ: Địên áp cao, tần số giao hốn cao, dịng điện cao. Ngồi ra cịn phải chú ý về giá thành của chúng.
- Để đĩng ngắt các mạch điện tử ngƣời ta dùng các khĩa điện tử. Các khĩa này cĩ hai trạng thái phân biệt.
- Trạng thái đĩng (trạng thái dẫn bão hịa)
-Trạng thái ngắt (trạng thái tắt). Việc chuyển đổi trạng thái này sang trạng thái kia là do tác động của hai tín hiệu điều khiển ở ngõ vào, đồng thời quá trình chuyển trạng thái đƣợc thực hiện với một tần số nhất định.