Thiết kế tính toán mạch lực và mạch điều khiển
4.1. Thiết kế tính toán mạch lực 1. Tính chọn van bán dẫn
Trong mạch điều áp xoay chiều ba pha dùng cho lò điện, ta sử dụng mạch điều áp xoay chiều ba pha sáu thyristor đấu song ngược, tải thuần trở đấu sao.
Các biểu thức thể hiện quan hệ giữa công suất ra tải P và góc điều khiển α : công thức (3.4), (3.5), (3.6).
Hình 4.1. Bộ biến đổi xung áp không có dây trung tính
Công suất định mức của lò điện là Pdm = 40 (kw) Tổn hao của lò điện là ∆P = 3 (kw)
Trong thực tế, lò điện có thể coi là hộ tiêu dùng điện loại một, nghĩa là nguồn cung cấp cho lò điện là ổn định. Tuy nhiên, để đảm bảo hiệu quả cũng như sự an toàn trong hoạt động của lò điện, ta sẽ 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 động của mình, lò điện cũng chịu thêm một số tổn thất khác như tổn thất trên các van bán dẫn, tổn thất trên đường dây … Nhưng do không đáng kể so với tổng tổn thất vì nhiệt của lò nên ta có thể bỏ qua nên ta chọn công suất cực đại của lò là : P=Pmax =50 (kw). Ta có :
30
) ( 444 , 10 1 . 50 . 2
380 2
2
3 2
max 2 2 max
Ω
=
=
=
→
= P R U
R P U
dm t
t dm
(4.1)
Ta xác định được dây điện trở của lò có giá trị là 1,444 (Ω).
Từ hoạt động của mạch điều áp xoay chiều với các giản đồn điện áp ở trên ta xác định được điện áp ngược lớn nhất trên mỗi van :
t U
Unv = 2 d sinϖ
537 380 . 2
max = 2 d = =
ng U
U (V) (4.2)
Để chọn giá trị của 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. Từ đó Ung = ku .Ungmax=1,6 . 537 = 860 (V) Itbmax = 21π θ
π
sin
2
0
∫Imax
Itbmax =
R Uf
π 2
max [-cos π -(-cos 0)]
Itbmax = 1220,444. .π2 = 68,6 (A) (4.3)
Chọn điều kiện làm việc của van là có cánh tản nhiệt và đủ diện tích tản nhiệt. Như vậy ta chọn ki = 2,1 =>Itb =ki.Itbmax =2,1.68,6=144 (A)
Ta có Unv và Itb ta chọn 6 thyristor loại SC150C80 có các thông số :
Un Idm Ipik Ig Ug Ir du dt di dt tcm
800 (V)
150 (A)
2800 (A)
0,1 (A)
3 (V)
15 (mA)
200 (V/às)
180 (A/às
)
80 ( às) Bảng 4.1. Thông số của thyristor.
4.1.2. Tính toán bảo vệ van bán dẫn
Để tránh hiện tượng quá dòng, quá áp trên van có thể gây nên 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 mác nối tiếp cuộn kháng bão hoà để hạn chế tốc độ tăng dòng.
4.1.2.1. 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 mắc vào trước van một cuộn dây để hạn chế tốc độ tăng dòng.
31
Cuộn dây được dùng là một cuộn kháng bão hoà có đặc tính là: Khi dòng 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:
Hình 4.2. Mạch bảo vệ quá dòng của Thyristor
Để tính toán giá trị của cuộn kháng ta xét quá trình quá độ trong mạch:
U f = i.R + L.dtdi (4.4)
Ta thấy rằng, tốc độ tăng dòng lớn nhất là:
dt
di max =
L Uf
(4.5)
Để đảm bảo an toàn cho van ta phải chọn L sao cho dtdi max phải nhỏ hơn tốc độ tăng dòng chịu được của van, hay là:
dtmax
di < 180 (A/às)
180 Uf
= 180 2 .
220 = 1,728àH (4.6)
Ta chọn cuộn khỏng bóo hoà cú giỏ trị là 1,73àH , loại lừi khụng khớ vỡ điện cảm nhỏ.
4.1.2.2. 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 hai loại nguyên nhân gây nên quá áp:
+) 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.
+) 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 có sấm sét..
Để bảo vệ quá điện áp do tích tụ điện tích chuyển mạch gây ra nên người ta dùng mạch RC đấu song song với thyristor như sau:
32
Hình 4.3. Mạch RC bảo vệ quá điện áp của Thyristor
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…Việc tính toán thông số của mạch R, C rất phức tạp, đòi hỏi nhiều thời gian.
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 = 20ữ100 (Ω) ; C = 0,4ữ1 (àF).
Với dòng qua van nhỏ, ta chọn giá trị R lớn. Với dòng qua van lớn, ta chọn giá trị R nhỏ. Theo tính toán, dòng qua van bằng 68,6 (A) không phải là lớn nên ta chọn giá trị R, C như sau:
R = 100 Ω ; C = 0,47 àF
Ngoài ra, trong mạch lực cũng cần có thêm các thiết bị bảo vệ ngắn mạch, quá tải…
như aptomat, cầu chì… ở mỗi pha và cầu chì ở trước mỗi van để tăng cao tính an toàn cho mạch.
Ta có mạch như sau:
Hình 4.4. Mạch bảo vệ van thyristor
4.2. Thiết kế và tính toán mạch điều khiển