Chương 1: GIỚI THIỆU CHUNG VỀ LÒ ĐIỆN TRỞ VÀ BỘ ĐIỀU ÁP XOAY CHIỀU
1.2. Giới thiệu chung về bộ điều áp xoay chiều
1.2.3. Phân tích và chọn sơ đồ điều áp xoay chiều ba pha
Các bộ điều chỉnh điện áp xoay chiều dùng để điều chỉnh giá trị điện áp xoay chiều với hiệu suất cao. Để điều chỉnh điện áp pha có thể sử dụng ba sơ đồ.
Bộ điều áp xoay chiều chủ yếu sử dụng các thyristor mắc ngược hoặc Triac để thay đổi giá trị điện áp trong nửa chu kỳ của điện áp lưới theo góc mở α, từ đó đổi được giá trị hiệu dụng của điện áp ra tải.
- Nối tam giác ba bộ điều áp một pha.
- Nối hỗn hợp ba thyristor và ba diode.
Dưới đây trình bày các bộ điều chỉnh điện áp dòng xoay chiều hay sử dụng nhất.
Sơ đồ đấu sao có trung tính
Thông thường trong thực tế người ta hay sử dụng bộ điều chỉnh xung áp ba pha (điều khiển động cơ không đồng bộ ba pha) điều khiển nhiệt độ của các lò điện trở.
Nếu bộ biến đổi xung áp ba pha được ghép từ ba bộ biến đổi một pha và có dây trung tính (hình 1.5) thì dòng qua mỗi pha sẽ không phụ thuộc vào dòng của các pha khác.
Hình 1.5. Sơ đồ đấu sao có trung tính
Khi tăng góc điều chỉnh α sẽ làm giảm thời gian dẫn dòng qua thyristor. Ứng với một giá trị α nào đó, dòng trong một pha sẽ giảm về không trước khi mở thyristor của pha sau. Như vậy sẽ xuất hiện những khoảng thời gian không có dòng tải và khoảng dẫn của thyristor sẽ bị giảm đến giới hạn nhỏ hơn 60˚.
- Ưu, nhược điểm của sơ đồ:
Ưu điểm:
+ Điện áp ngược trên các van dẫn nhỏ vì điện áp đặt vào van bán dẫn là điện áp pha.
+ Hoạt động tương tự như bộ điều áp 1 pha, các pha hoạt động độc lập với nhau, do đó việc tính toán hoàn toàn tương tự như điều áp xoay chiều một pha nên sẽ đơn giản hơn.
Nhược điểm:
+ Các van đấu ở điện trung tính có tồn tại dòng điện điều hòa bậc cao + Khi góc mở các van khác 0 có dòng tải gián đoạn.
Kết luận: trong thực tế loại sơ đồ này sử dụng rất ít và loại sơ đồ nối này chỉ thích hợp các loại tải 3 pha có 4 đầu dây ra.
Sơ đồ tải đấu tam giác
Hình 1.6. Sơ đồ tải đấu tam giác
Sơ đồ hình 1.6 là sơ đồ tải đấu tam giác, nó có nhiều điều khác so với sơ đồ có dây trung tính. Ở đây dòng điện chạy giữa các pha với nhau nên đồng thời phải cấp xung điều khiển cho 2 thyristor của 2 pha 1 lúc.
Nhược điểm:
Việc cấp xung điều khiển như thế đôi khi gặp khó khăn trong mạch điều khiển, ngay cả khi việc đổi thứ tự pha nguồn cũng có thể làm cho sơ đồ không hoạt động.
Sơ đồ đấu sao không trung tính
Hình 1.7. Sơ đồ đấu sao không trung tính
Hoạt động của bộ điều chỉnh điện áp xoay chiều 3 pha nối sao không dây trung tính (hình 1.7) là sự hoạt động tổng hợp của các pha. Việc điều chỉnh điện áp bộ điều áp 3 pha không dây trung tính phụ thuộc vào góc α.
Trường hợp tổng quát sẽ có 6 đoạn điều khiển và 6 đoạn điều khiển không đối xứng, đối xứng khi cả 3 Thyristor dẫn, không đối xứng khi 2 Thyristor dẫn.
Việc xác định điện áp phải căn cứ vaod chương trình làm việc của các Thyristor.
Giả thiết rằng tải đối xứng và sơ đồ điều khiển đảm bảo tạo ra các xung mở và góc mở lệch nhau 120˚
Khi đóng hoặc mở 1 Thyristor của một pha nào đó sẽ làm thay đổi dòng của 2 pha còn lại, ta lưu ý rằng trong hệ thống điện áp 3 pha hoặc chỉ qua 2 pha. Không có trường hợp chỉ có 1 pha dẫn dòng.
Khi dòng chảy qua cả 3 pha thì điện áp trên tải đúng bằng điện áp pha.
Khi dòng chảy qua cả 2 pha thì điện áp trên tải bằng 1/2 điện áp dây của hai pha mà có hai thyristor dẫn điện.
- Ưu, nhược điểm của sơ đồ:
Ưu điểm:
+ Điện áp ngược trên các van dẫn lớn hơn vì điện áp đặt vào van bán dẫn là điện áp dây.
+ Hoạt động của bộ điều chỉnh điện áp xoay chiều 3 pha nối sao không dây trung tính là sự hoạt động tổng hợp của các pha. Việc điều chỉnh điện áp bộ điều áp 3 pha không dây trung tính phụ thuộc vào góc α. Nên dễ dàng hơn trong việc điều khiển.
Nhược điểm:
+ Việc tính toán các van sẽ phức tạp hơn.
+ Dạng dòng điện và điện áp ra tải đều không sin, nhưng với tải điện trở thuần của lò điện trở thì việc điện áp ra tải không sin cũng không ảnh hưởng đến chế độ làm việc của lò.
Kết luận: trong thực tế loại sơ đồ này sử dụng rất phổ biến.
b. Lựa chọn và phân tích sơ đồ điều áp xoay chiều ba pha
Lựa chọn sơ đồ
Từ việc giới thiệu các ưu điểm và nhược điểm của các sơ đồ trên, có thể đi đến lựa chọn sơ đồ để thiết kế mạch lực và mạch điều khiển của bộ điều chỉnh nhiệt độ lò
điện trở là: Bộ điều áp xoay chiều ba pha sáu thyristor đấu song song ngược tải thuần trở không dây trung tính.
Phân tích sơ đồ
Sau đây là phân tích hoạt động của sơ đồ với tải thuần trở R:
- Mạch hoạt động theo quy luật chung:
+ Trường hợp 3 van dẫn: Mỗi pha có 1 van dẫn => U = Utải nguồn.
+ Trường hợp 2 van dẫn: Có 2 pha có van dẫn và 1 pha không van nào dẫn =>
điện áp pha tải = 1/2 điện áp dây nguồn và có 1 pha không có điện áp.
+ Trường hợp không có van dẫn: Toàn bộ tải bị ngắt khỏi nguồn (U = 0).tải
- Giá trị hiệu dụng của điện áp trên tải được tính theo biểu thức sau:
UZa = (1. )0
UZa – giá trị hiệu dụng; u – giá trị tức thời.Za
- Do giá trị trong căn là giá trị bình phương nên:
UZa= (1. )0 uA – giá trị tức thời của điện áp pha; u , u – giá trị tức thời của điện áp dây.AB AC
Các trường hợp dẫn của van phụ thuộc vào góc điều khiển α. Gồm 3 vùng điều khiển:
Với 0 < α < 60˚
Hình 1.8. Đồ thị điện áp ra tải, với trường hợp 0 < α < 60˚
Trong vùng này (hình 1.8) có các khoảng 3 van dẫn và 2 van dẫn xen kẽ nhau
Các khoảng van dẫn trong một chu kỳ:
- Khoảng 0 ÷ 30˚: Khoảng có hai van T5,T6 cùng dẫn + U = 0Za
+ U = UZb BC/2 + U = UZc CB/2
- Khoảng 30˚ ÷ 60˚: Khoảng có hai van T , T1 5,T6 cùng dẫn + U = UZa A
+ U = UZb B
+ U = UZc C
- Khoảng 60˚ ÷ 90˚: Khoảng có hai van T1,T6 cùng dẫn + U = UZa AB/2
+ U = UZb BA/2 + U = 0Zc
- Khoảng 90˚ ÷ 120˚: Khoảng có hai van T , T1 2,T6 cùng dẫn + U = UZa A
+ U = UZb B
+ U = UZc C
- Khoảng 120˚ ÷ 150˚: Khoảng có hai van T1,T2 cùng dẫn + U = UZa AC/2
+ U = 0Zb
+ U = UZc CA/2
- Khoảng 150˚ ÷ 180˚: Khoảng có hai van T , T1 2,T3 cùng dẫn + U = UZa A
+ U = UZb B
+ U = UZc C
- Khoảng 180˚ ÷ 210˚: Khoảng có hai van T2,T3 cùng dẫn + U = 0Za
+ U = UZb BC/2
+ U = UZc CB/2
- Khoảng 210˚ ÷ 240˚: Khoảng có hai van T , T2 3,T4 cùng dẫn + U = UZa A
+ U = UZb B
+ U = UZc C
- Khoảng 240˚ ÷ 270˚: Khoảng có hai van T3,T4 cùng dẫn + U = UZa AB/2
+ U = UZb BA/2 + U = 0Zc
- Khoảng 270˚ ÷ 300˚: Khoảng có hai van T , T3 4,T5 cùng dẫn + U = UZa A
+ U = UZb B
+ U = UZc C
- Khoảng 300˚ ÷ 330˚: Khoảng có hai van T4,T5 cùng dẫn + U = UZa AC/2
+ U = 0Zb
+ U = UZc CA/2
- Khoảng 330˚ ÷ 360˚: Khoảng có hai van T , T4 5,T6 cùng dẫn + U = UZa A
+ U = UZb B
+ U = UZc C
Góc dẫn van λ = (180˚ - α)
Van ngắt khi điện áp nguồn bằng không.
Giá trị hiệu dụng của dòng điện áp ra tải:
Uhd = U , m (1. )0
Với 60˚ < α < 90˚
Hình 1.9. Đồ thị điện áp ra tải, với trường hợp 60˚ < α < 90˚
Vùng điều khiển này (hình 1.9) luôn chỉ có các khoảng 2 van dẫn và không phụ thuộc vào góc điều khiển α.
Các khoảng 2 van dẫn:
- T , T dẫn & T , T dẫn:1 2 4 5
+ U = UZa AC/2 + U = 0Zb
+ U = UZc CA/2
- T , T dẫn & T , T dẫn:2 3 5 6
+ U = 0Za
+ U = UZb BC/2 + U = UZc CB/2
- T , T dẫn & T , T dẫn:3 4 6 1
+ U = UZa AB/2 + U = UZb BA/2 + U = 0Zc
Van trong cùng nhóm (chẵn hoặc lẻ) thay nhau dẫn, van sau mở thì van trước mới khóa lại. lúc đó góc dẫn của van λ = 120˚
Điện áp ra tải không còn đoạn bằng điện áp nguồn mà chỉ có thể bằng 1/2 điện áp dây
Giá trị hiệu dụng của điện áp ra tải:
Uhd = U , m (1. )0
Với 90˚ < α < 150˚
Hình 1.10. Đồ thị điện áp ra tải, với trường hợp 90˚ < α < 150˚
Trong vùng điều khiển này (hình 1.10), trong một chu kỳ có 2 trạng thái thay thế nhau là khoảng 2 van dẫn và khoảng không van nào dẫn.
Các khoảng van dẫn trong một chu kỳ:
- Khoảng 0 ÷ 30˚: Khoảng có hai van T4,T5 cùng dẫn + U = UZa AC/2
+ U = 0Zb
+ U = UZc CA/2
- Khoảng 30˚ ÷ 60˚: Khoảng này không có van nào dẫn + U = 0Za
+ U = 0Zb
+ U = 0Zc
- Khoảng 60˚ ÷ 90˚: Khoảng có hai van T5,T6 cùng dẫn + U = 0Za
+ U = UZb BC/2 + U = UZc CB/2
- Khoảng 90˚ ÷ 120˚: Khoảng này không có van nào dẫn + U = 0Za
+ U = 0Zb
+ U = 0Zc
- Khoảng 120˚ ÷ 150˚: Khoảng có hai van T1,T6 cùng dẫn + U = UZa AB/2
+ U = UZb BA/2 + U = 0Zc
- Khoảng 150˚ ÷ 180˚: Khoảng này không có van nào dẫn + U = 0Za
+ U = 0Zb
+ U = 0Zc
- Khoảng 180˚ ÷ 210˚: Khoảng có hai van T1,T2 cùng dẫn + U = UZa AC/2
+ U = 0Zb
+ U = UZc CA/2
- Khoảng 210˚ ÷ 240˚: Khoảng này không có van nào dẫn + U = 0Za
+ U = 0Zb
+ U = 0Zc
- Khoảng 240˚ ÷ 270˚: Khoảng có hai van T2,T3 cùng dẫn + U = 0Za
+ U = UZb BC/2 + U = UZc CB/2
- Khoảng 270˚ ÷ 300˚: Khoảng này không có van nào dẫn + U = 0Za
+ U = 0Zb
+ U = 0Zc
- Khoảng 300˚ ÷ 330˚: Khoảng có hai van T3,T4 cùng dẫn + U = UZa AB/2
+ U = UZb BA/2 + U = 0Zc
- Khoảng 330˚ ÷ 360˚: Khoảng này không có van nào dẫn + U = 0Za
+ U = 0Zb
+ U = 0Zc
Van không dẫn liên lục mà dẫn thành 2 giai đoạn xen giữa một khoảng nghỉ.
Van ngắt dòng mỗi khi điện áp dây nguồn về 0V.
Giá trị hiệu dụng của điện áp ra tải: