Đề tài Thiết kế bộ điều áp xoay chiều

THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU ÁP XOAY CHIỀU 9.6.1 Trình tự thiết kế Khi thiết kế một bộ điều áp xoay chiều nên tiến hành theo trình tự sau: 1. Phân tích chế độ làm việc của tải, tìm hiểu các căn cứ thiết kế. 2. Lựa chọn sơ đồ. 3. Tính toán thông số mạch động lực 4. Thiết kế mạch điều khiển a-Thiết kế mạch nguyên lý b-Tính chọn linh kiện Căn cứ thiết kế Các yếu tố sau có ảnh hưởng nhiều nhất tới việc thiết kế một bộ điều áp xoay chiều. Khi thiết kế cần xét: Đặc điểm của tải : +Công suất tải +Điện áp và dòng điện bằng hay khác điện áp nguồn lưới. +Chế độ làm việc: dài hạn, ngắn hạn hay ngắn hạn lặp lại +Dải điều khiển công suất +Nguồn cấp Điều kiện môi trường làm việc +Nhiệt độ +Độ Èm +Các điều kiện khác Khả năng cung cấp linh kiện Khả năng về tài chính Trình độ và khả năng người thiết kế, vận hành. Việc thiết kế một bộ điều áp xoay chiều một pha và ba pha có một số đặc điểm, cách làm hơi khác nhau, vì vậy cần phân biệt rõ hai loại điều áp này. 9.6.2 Thiết kế bộ điều áp một pha. 1. Lựa chọn sơ đồ a-Chọn sơ đồ mạch động lực Mạch động lực bộ điều áp xoay chiều nói chung có một số sơ đồ kinh điển. Trên hình 9. 26 a là điều áp xoay chiều điều khiển bằng cách mắc nối tiếp với tải một điện kháng hay điện trở phụ (tổng trở phụ ) biến thiên. Sơ đồ mạch điều chỉnh này đơn giản dễ thực hiện. H×nh 9.26 C¸c ph­¬ng ¸n ®iÒu ¸p mét pha Tuy nhiên điều chỉnh kinh điển này hiện nay Ýt được dùng, do hiệu suất thấp (nếu Zf là điện trở ) hay cosj thấp (nếu Zf là điện cảm ). Người ta có thể dùng biến áp tự ngẫu để điều chỉnh điện áp xoay chiều U2 như trên hình 9.26 b. Điều chỉnh bằng biến áp tự ngẫu có ưu điểm là có thể điều chỉnh điện áp U2 từ 0 đến trị số bất kỳ, lớn hay nhỏ hơn điện áp vào. Nếu cần điện áp ra có điều chỉnh, mà vùng điều chỉnh có thể lớn hơn điện áp vào, thì phương án phải dùng biến áp là tất yếu. Tuy nhiên sử dụng biến áp tự ngẫu để điều chỉnh khó thực hiện khi dòng tải lớn, đặc biệt là không điều chỉnh liên tục được, do chổi than khó chế tạo để có thể chỉ tiếp xúc trên một vòng dây của biến áp. Hai giải pháp điều áp xoay chiều trên hình 9.26 a,b có chung ưu điểm là điện áp hình sin, đơn giản. Có chung nhược điểm là quán tính điều chỉnh chậm và không điều chỉnh liên tục khi dòng tải lớn. Sử dụng sơ đồ bán dẫn để điều chỉnh xoay chiều, có thể khắc phục được những nhược điểm vừa nêu. Các sơ đồ bán dẫn điều áp xoay chiều trên hình 9.1 được sử dụng. Lựa chọn sơ đồ nào trong các sơ đồ trên tuỳ thuộc dòng điện, điện áp tải và khả năng cung cấp các linh kiện bán dẫn. Có một số gợi ý khi lựa chọn các sơ đồ hình 9.1 như sau: Sơ đồ kinh điển hình 9.1.a thường được sử dụng nhiều hơn, do có thể điều khiển được với mọi dòng tải. Hiện nay Tiristo được chế tạo có dòng điện đến 7000A, thì việc điều khiển xoay chiều đến hàng chục nghìn ampe theo sơ đồ này là hoàn toàn đáp ứng được. Sơ đồ kinh điển đã được dùng khá lâu rồi (từ những năm 60 của thế kỷ trước) nên nó trở nên quá quen thuộc đối với nhiều tác giả. Tuy nhiên việc điều khiển hai Tiristo song song ngược đôi khi có chất lượng điều khiển không tốt lắm, đặc biệt là khi cần điều khiển đối xứng điện áp, nhất là khi cung cấp cho tải, mà tải đòi hỏi thành phần điện áp đối xứng, chẳng hạn như biến áp hay động cơ xoay chiều. Khả năng mất đối xứng điện áp khi điều khiển là do linh kiện mạch điều khiển Tiristo gây nên sai số. Điện áp tải thu được gây mất đối xứng như so sánh trên hình 9.27. a a a2 a1 Hình 9.27 Hình dạng đường cong điện áp điều khiển a-Mong muốn b-Không mong muốn Điện áp và dòng điện không đối xứng như hình 9.27.b cung cấp cho tải, sẽ làm cho tải có thành phần dòng điện một chiều, các cuộn dây bị bão hoà, phát nóng và bị cháy. Vì vậy việc định kỳ kiểm tra, hiệu chỉnh lại mạch là việc nên thường xuyên làm đối với sơ đồ mạch này. Tuy vậy đối với dòng điện tải lớn thì đây là sơ đồ tối ưu hơn cả cho việc lựa chọn. Để khắc phục nhược điểm vừa nêu về việc ghép hai Tiristo song song ngược, Triac ra đời và có thể mắc theo sơ đồ hình 9.1.b. Sơ đồ này có ưu điểm là, các đường cong điện áp ra gần như mong muốn như hình 9.27.a, nó còn có ưu điểm hơn về việc lắp ráp. Ở đây chỉ có một van bán dẫn. Sơ đồ mạch này hiện nay được sử dụng khá phổ biến trong công nghiệp. Tuy nhiên Triac hiện nay được chế tạo với dòng điện không lớn (I < 400A), nên với những dòng điện tải lớn cần phải ghép song song các Triac, lúc đó sẽ phức tạp hơn về lắp ráp và điều khiển song song. Những tải có dòng điện trên 400A thì sơ đồ hình 9.1 b Ýt dùng. Mét trong những yếu tố làm cho Triac chưa áp đảo được Tiristo trong điều áp xoay chiều hiện nay (của năm 2003 này) là về chất lượng. Hiện nay chất lượng Triac chưa thật cao lắm, do đó việc sử dụng còn làm cho người ta lo ngại, trong tương lai gần chắc chắn việc sử dụng Triac sẽ rộng rãi hơn. Sơ đồ hình 9.1.c có hai Tiristo và hai điốt có thể được dùng chỉ để nối các cực điều khiển đơn giản, trong trường hợp này có thể được dùng khi điện áp nguồn cấp lớn, cần phân bổ điện áp trên các van, đơn thuần như việc mắc nối tiếp các van. Sơ đồ hình 9.1.d trước đây thường được dùng, khi cần điều khiển đối xứng điện áp trên tải, vì ở đây chỉ có một Tiristo một mạch điều khiển nên việc điều khiển đối xứng điện áp dễ dàng hơn. Số lượng Tiristo Ýt hơn có thể sẽ có ưu điểm hơn khi van điều khiển còn hiếm. Tuy nhiên việc điều khiển theo sơ đồ này dẫn đến tổn hao trên các van bán dẫn lớn, làm hiệu suất của hệ thống điều khiển thấp. Ngoài ra việc tổn hao năng lượng nhiệt lớn làm cho hệ thống làm mát khó khăn hơn. Đa số các trường hợp điều áp xoay chiều, điện áp tải điều khiển trong vùng thấp hơn điện áp nguồn, các van bán dẫn được nối trực tiếp tới nguồn. Trong trường hợp này điện áp tải thường được điều khiển trong dải từ 0 đến điện áp nguồn cấp. Một số loại tải có điện áp tối đa khác với thông số điện áp nguồn cấp. Trong trường hợp đó biến áp để phối hợp thông số điện áp nguồn cấp với thông số điện áp tối đa của tải theo sơ đồ 9.28 cần được đưa vào. H×nh 9.28 §iªï ¸p xoay chiÒu víi ®iÖn ¸p t¶i lín h¬n ®iÖn ¸p nguån cÊp Biến áp được sử dụng trên hình 9.28 có thể là biến áp tự ngẫu hoặc biến áp cách ly. Biến áp cách ly thường nên chọn hơn, bởi vì biến áp cách ly còn có thêm chức năng bảo vệ xung điện áp từ lưới. Khi tải không có nhu cầu cao về điều khiển đối xứng, nhất là khi điều khiển các điện trở lò sấy hay đèn sợi đốt, người ta có thể sử dụng sơ đồ điều khiển không đối xứng một điốt một Tiristo như hình 9.29 b. a. H×nh 9.29 §iÒu ¸p xoay chiÒu kh«ng ®èi xøng a) s¬ ®å ; b) ®­êng cong ®iÖn ¸p vµ dßng ®iÖn. ở đây chúng ta chỉ điều khiển một nửa chu kỳ điện áp còn nửa chu kỳ không điều khiển. Trường hợp này có thể điều khiển từ 1/4 công suất trở lên. Tuy nhiên nếu công suất tải lớn sẽ gây mất đối xứng nguồn cấp làm xấu đi chất lượng nguồn. 2. Tính chọn thông số mạch động lực và bảo vệ. Mạch động lực và bảo vệ của sơ đồ điều áp xoay chiều hiện nay thường gặp là hai sơ đồ trên hình 9.30. a. b. H×nh 9.30 C¸c s¬ ®å ®iÒu ¸p xoay chiÒu ®iÓn h×nh b»ng linh kiÖn b¸n dÉn a) b»ng Tiristo, b) b»ng Triac. Thông số các van bán dẫn T1,T2,T và các Aptomat bảo vệ dòng điện AT được lựa chọn thông qua thông số dòng điện tải. Tính toán thông số đÓ lựa chọn van. Dòng điện quyết định chế độ làm việc của van bán dẫn cần chọn và dòng điện bảo vệ của Aptomat là dòng điện cực đại của tải. Dòng điện cực đại của tải được tính khi góc mở van nhỏ nhất. Thường góc mở van nhỏ nhất là chế độ làm việc khi a=0, lúc này tải có dòng điện hình sin chạy qua. Dòng điện tải có thể được tính : ITải= Trong đó: P – Công suất định mức của tải. U - Điện áp định mức. cosj - Hệ số công suất của tải. Hoặc ITải= Khi thông số đã cho là điện áp U, điện trở tải RT và điện cảm XT. Từ các trị số IT ta tính được dòng điện làm việc hiệu dụng chạy qua các van bán dẫn. Trong sơ đồ hình 9.30.a dòng điện chạy qua các Tiristo IT1, IT2 được tính. IT1=IT2= Ở sơ đồ hình 9.30.b dòng điện chạy qua Triac bằng dòng điện tải. ITriac=ITải Điện áp làm việc của các van cần chọn theo biên độ điện áp nguồn xoay chiều. ULV=.U1 Van bán dẫn được chọn căn cứ vào các thông số dòng điện và điện áp vừa mới tính được từ các biểu thức trên. Cách chọn van bán dẫn Trước tiên chọn chế độ làm mát cho van bán dẫn. Căn cứ chế độ làm mát mà chọn van, tham khảo cách làm mát này trong phần chọn van bán dẫn của chương 8. Sau khi chọn xong chế độ làm mát van, tính trị số định mức của van cần chọn. Tra bảng thông số van chọn được van cần thiết. Tính chọn Aptomat AT và bảo vệ xung điện áp do chuyển mạch van RC cũng được thực hiện như dã giới thiệu ở chương 8. Trường hợp điện áp nguồn cấp không trùng điện áp tối đa của tải, chúng ta cần có một biến áp để phối hợp điện áp cho hợp lý, công suất biến áp ở đây được tính theo công suât tải. Biến áp được tính như dã giới thiệu ở chương 8. 3- Thiết kế mạch điều khiển Về nguyên lý, trong mạch điều áp xoay chiều, van bán dẫn được mắc vào lưới điện xoay chiều hoàn toàn giống như chỉnh lưu. Trường hợp mạch động lực được chọn là hai Tiristo mắc song song ngược như sơ đồ hình 9.1a, chóng ta cần có hai xung điều khiển trong mỗi chu kỳ. Mạch điều khiển có thể sử dụng sơ đồ hoàn toàn giống điều khiển chỉnh lưu một pha cả chu kỳ, với mỗi Tiristo một mạch điều khiển độc lập. Khi sử dụng sơ đồ mạch điều khiển chỉnh lưu cho điều áp xoay chiều, có thể xuất hiện khả năng là: hai Tiristo điều khiển không đối xứng, do các linh kiện của hai mạch điều khiển không hoàn toàn giống hệt nhau. Đối với những tải cần điều khiển đối xứng, đòi hỏi hai Tiristo mở đối xứng, lúc này cần các kênh điều khiển Tiristo có góc mở càng Ýt khác nhau càng tốt. Mong muốn là chúng hoàn toàn giống nhau. Nhưng sự giống nhau này chỉ có thể đạt đến một chừng mực nào đó. Nguyên lý điều khiển Tiristo ở đây như trong điều khiển chỉnh lưu, nghĩa là ở mỗi nửa chu kỳ điện áp, cần tạo điện áp tựa trùng pha điện áp nguồn cấp như hinh 9.31. H×nh 9.31 Nguyªn lý ®iÒu khiÓn ®iÒu ¸p xoay chiÒu Trong điều khiển chỉnh lưu mỗi kênh điều khiển một nửa chu kỳ, điện áp tựa xuất hiện gián đoạn. Mỗi nửa chu kỳ có một điện áp tựa đồng pha điện áp dương anốt của Tiristo. Điều áp xoay chiều cần có điện áp tựa liên tiếp cả hai nửa chu kỳ. Khi so sánh điện áp tựa với điện áp điều khiển, ở mỗi nửa chu kỳ đều có điện áp tựa bằng điện áp điều khiển trong vùng biến thiên tuyến tính của điện áp tựa ( tại các điểm t1, t2, t3, t4,....). Kết quả là chúng ta chóng ta có các xung điều khiển Xđk liên tiếp ở mỗi nửa chu kỳ. H×nh 9.31 Nguyªn lý ®iÒu khiÓn ®iÒu ¸p xoay chiÒu. Nguyên lý điều khiển như trên hình 9.31 sẽ hợp lý khi mạch động lực là Triac ở hình 9.1.b. Để thực hiện ý tưởng điều khiển như nguyên lý hình 9.31 chóng ta cũng cần các khâu điều khiển như đã giới thiệu trong chỉnh lưu. Sự khác nhau giữa điều khiển chỉnh lưu với điều áp xoay chiều là trong điều áp xoay chiều cần tạo điện áp tựa liên tiếp ở hai nửa chu kỳ. Để làm được việc này, đầu vào đồng pha đưa tới một điện áp chỉnh lưu ví dụ như hình 9.32. Nguyên lý hoạt động của sơ đồ hình 9.32 như sau: Điện áp chỉnh lưu UA được so sánh với điện áp U1 lấy trên biến trở VR1 hình 9.32. Tại thời điểm UA=U1 thì đổi dấu điện áp ra của khuếch đại thuật toán A1. Kết quả là chúng ta có chuỗi xung chữ nhật không đối xứng UB. Ở đây có độ rộng xung âm g của UB, phần dương UB tích phân qua A2 thành điện áp tựa. Trong vùng g làm mất xung điều khiển, do không có điện áp tựa. Theo nguyên tắc này càng giảm nhỏ góc g càng tốt, mà góc g do U1 quyết H×nh 9.32 S¬ ®å ®ång pha t¹o ®iÖn ¸p tùa liªn tiÕp hai nöa chu kú định. Vì vậy có thể giảm U1 đÓ có góc g một vài độ, sai số một vài độ là hoàn toàn cho phép. g H×nh 9.33 Nguyªn lý t¹o ®iÖn ¸p tùa trong ®iÒu ¸p xoay chiÒu Mạch điều khiển Triac Mạch điều khiển một bộ điều áp xoay chiều một pha với mạch điều khiển là Triac điều khiển sợi đốt có thể được vẽ như hình 9.34. H×nh 9.34 S¬ ®å m¹ch ®iÒu khiÓn triac Nguyên lý hoạt động của hình 9.34 sẽ được giới thiệu sau, tại hình 9.37. Mạch điều khiển cặp Tiristo mắc song song ngược Khi mạch động lực là hai Tiristo mắc song song ngược, có thể thực hiện việc điều khiển bằng một số giải pháp như trên hình 9.35 H×nh 9.35 C¸c ph­¬ng ¸n ®iÒu khiÓn cÆp tiristo m¾c song song ng­îc a, hai m¹ch ®iÒu khiÓn ®éc lËp; b,- mét biÕn ¸p xung hai cuén d©y thø cÊp; c – chung lÖnh më van, kh¸c nhau khuÕch ®¹i Như đã giới thiệu ở trên, nếu điều khiển hai Tiristo bằng hai mạch điều khiển độc lập như hình 9.35.a, khả năng điều khiển không đối xứng điện áp tương đối cao. Khi cần điều khiển đối xứng người ta dùng một mạch điều khiển phát xung liên tiếp ở cả hai nửa chu kì, để mở hai Tiristo người ta sử dụng biến áp xung hai cuộn dây thứ cấp như trên hình 9.35.b. Giải pháp này có ưu điểm là đơn giản trong việc thi công mạch điều khiển, nhưng khi sử dụng một biến áp xung, việc phân phối công suất cho hai Tiristo không đều nhau, do đó khả năng một Tiristo không đủ công suất để mở là tương đối cao, Các sơ đồ mạch thực tế thường không chọn sơ đồ này. Mạch điều khiển tối ưu nên chọn là hai Tiristo chung nhau phần điện áp tựa và điện áp so sánh, tới tầng khuếch đại mới tách riêng từng Tiristo H×nh 9.36 S¬ ®å nguyªn lý ®iÒu khiÓn ®iÒu ¸p xoay chiÒu víi hai Tiristo song song ng­îc H×nh 9.37 §­êng cong c¸c kh©u c¬ b¶n cña s¬ ®å h×nh 9.36 một, như vậy lệnh mở Tiristo chung nhau, nhưng khuếch đại tín hiệu để mở các Tiristo riêng rẽ, không bị ảnh hưởng công suất giữa hai Tiristo với nhau. Sơ đồ điều khiển cặp tiristo mắc song song ngược giới thiệu trên hình 9.36. Nguyên lý điều khiển hình 9.36 giống như hình 9.33 từ tín hiệu vào đến hết khâu so sánh, điều đó chứng tỏ lệnh mở Tiristo là đối xứng. Sau khi có lệnh mở Tiristo tại các thời điểm a1,a2... phân xung điều khiển theo mỗi nửa chu kỳ. Việc phân xung điều khiển được thực hiện thông qua hai mạch khuếch đại, hai biến áp xung. Lệnh điều khiển cho hai mạch khuếch đại này được lấy từ hai cổng và V1,V2 hai cổng và này chung nhau một tín hiệu lấy từ đầu ra của A3 đó là lệnh mở các Tiristo tại mỗi nửa chu kì. Cổng vào còn lại của V1,V2 được nhận hai tín hiệu đồng pha với điện áp anốt của Tiristo, đó là các tín hiệu đảo pha từ A4, A5. Nhờ có hai tín hiệu đảo pha này mà có xung điều khiển hai Tiristo dịch pha nhau 1800. Các dạng điện áp của các khâu cơ bản mô tả trên hình 9.37 Điều khiển điều áp xoay chiều cho tải có điện cảm Mét trong những loại tải rất điển hình của điện áp xoay chiêù là tải điện cảm. Ví dụ máy biến áp một pha hay động cơ một pha. ...lúc này sử dụng các mạch điều khiển hình 9.33, 9.36 có thể có một vùng không hoạt động, nếu điện cảm lớn có thể không hoạt động hoàn toàn. Nguyên nhân của các hiện tượng này như sau : -Nguyên nhân thứ nhất là do khi có điện cảm dòng điện chậm pha sau điện áp như hình 9.38. H×nh 9.38-S¬ ®å ®­êng cong dßng ®iÖn vµ ®iÖn ¸p xoay chiÒu khi t¶i ®iÖn c¶m. a) S¬ ®å ®éng lùc; b) §­êng cong ®iÖn ¸p vµ dßng ®iÖn. Khi điện áp nguồn U1 đã đổi dấu, mà cuộn dây điện cảm chưa xả hết năng lượng, làm cho T1 vẫn dẫn từ p cho đến j1, nếu T1 đang dẫn thì chứng tỏ T1 đang phân cực thuận và điện áp UA1A2 > 0. Khi T1 phân cực thuận thì T2 phân cực ngược. Do đó trong vùng từ p cho đến j1, nếu có phát xung điều khiển T2, thì T2 không dẫn. Như vậy khi có tải là điện cảm, góc mở nhỏ nhất amin của các Tiristo phải lớn hơn hoặc bằng góc trễ j lớn nhất (amin lớn hơn hoặc bằng jmax). Với tải điện cảm, như biến áp hay động cơ thì góc j thay đổi theo tải, làm cho việc giới hạn góc amin là không thích hợp, vì nó liên tục thay đổi theo tải. Kết quả là, muốn điều khiển tăng điện áp xoay chiều, bằng cách giảm góc mở Tiristo, đến vùng góc mở đủ nhỏ nào đó có thể chỉ mở một Tiristo. Dòng điện trên tải lúc này là dòng một chiều. Nguyên nhân thứ hai là do khi có điện cảm, dòng điện không biến thiên đột ngột tại thời điểm mở Tiristo, điện cảm càng lớn dòng điện biến thiên càng chậm, nếu như độ rộng xung điều khiển hẹp, dòng điện khi có xung điều không đủ lớn hơn dòng điện duy trì, do đó van bán dẫn không tự giữ dòng điện. Kết quả là không có dòng điện, hay Tiristo không mở. Hiện tượng này thường thấy khi ở đầu và cuối chu kì điện áp hình 9.39 a, c lúc đó điện áp tức thời đặt vào Van bán dẫn nhỏ. Khi kết thúc xung điều khiển, dòng điện còn nhỏ hơn dòng điện duy trì nên van bán dẫn khoá luôn. Chỉ khi nào điện áp tại thời điểm mở van đủ lớn, dòng điện cuối chu kì xung điều khiển đủ lớn hơn dòng điện duy trì, thì dòng điện mới tồn tại trong mạch. H×nh 9.39 Sù xuÊt hiÖn dßng ®iÖn t¹i c¸c gãc më kh¸c nhau khi t¶i ®iÖn c¶m. Hai nguyên nhân này làm cho một số người thiết kế ngại không muốn điều khiển tải điện cảm bằng thiết bị bán dẫn. Khi biết được nguyên nhân của việc không điều khiển như trên, thì việc xử lý trở nên không có gì khó khăn. H×nh 9.40 Ph­¬ng ¸n cÊp xung khi ®iÒu ¸p xoay chiÒu víi t¶i ®iÖn c¶m lín a - cÊp xung liªn tôc b - cÊp xung gi¸n ®o¹n. Để giải quyết bài toán về sự thay đổi góc j của tải làm mất điều khiển, cần có xung liên tục từ thời điểm mở Tiristo cho đến khi điện áp đổi dấu, như hình 9.40 a. Khi phát lệnh mà van còn đang phân cực ngược, thì lệnh điều khiển chờ tới khi nào đủ điều kiện phân cực thuận van sẽ dẫn. Việc phát xung điều khiển với độ rộng lớn gần như cả nửa chu kì như hình 9.40 a có hai nhược điểm, thứ nhất là dòng điều khiển gần như dài hạn (về nguyên lý điều khiển Tiristo và Triac, xung điều khiển với chức năng mồi nên chỉ cần ngắn hạn), thứ hai là việc thiết kế cấp xung điều khiển như trên khá phức tạp, nhất là đối với những mạch có nhiều van bán dẫn. Cấp xung rộng thế nào? Bằng một nguồn phụ, hay bằng biến áp xung có điện cảm cuộn dây lớn cũng khó khăn như nhau. Mét trong những giải pháp nên dùng, là tạo xung gián đoạn bằng chùm xung liên tiếp, từ thời điểm mở van cho tới cuối bán kỳ như hình 9.40b, về nguyên lý đây là cấp xung liên tục như hình 9.40a. Trong kỹ thuật, cấp xung gián đoạn như hình 9.40 b dễ thực hiện hơn. Nguyên lý ở đây là băm xung liên tục thành chùm xung gián đoạn với tần số cao. Một cổng logic AND với hai đầu vào là thực hiện được. Khi đưa tới đầu vào cổng AND tín hiệu xung điều khiển Ux; với tín hiệu chùm xung UCX; lúc đó đầu ra cổng AND có xung Xđk bằng tần số chùm xung trong vùng có điện áp UX như mô tả trên hình 9.41b H×nh 9.41 Nguyªn lý t¹o chïm xung ®iÒu khiÓn a) S¬ ®å; b) c¸c ®­êng cong. b. a. H×nh 9.42 Sai sè cã thÓ gÆp khi ®iÒu khiÓn b»ng chïm xung a) lÖnh më vµ chïm xung ®óng thêi ®iÓm; b) lÖnh më vµ chïm xung kh«ng cïng thêi ®iÓm Nhược điểm của sơ đồ điều khiển bằng xung gián đoạn là sai sè khi điều khiển. Sai số ở đây xuất hiện khi thời điểm phát lệnh mở van với thời điểm van được mở không trùng với nhau. Khi phát xung điều khiển gián đoạn, xung điều khiển tại đầu ra biến áp xung có được là do có hai tín hiệu vào cổng AND đồng thời, tín hiệu vào UX để quyết định góc mở a tín hiệu từ chùm xung UCX. Hai tín hiệu này nếu không đồng pha, thì khi có lệnh UX mà UCX = 0, xung điều khiển Xđk phải chờ khi nào UCX lên mức cao như mô tả trên hình 9.42 b. Sơ đồ mạch điều khiển điều áp xoay chiều với tải có điện cảm được thiết kế trên cơ sở hình 9.34 cho mạch động lực là triac, hay hình 9.36 cho mạch động lực là cặp tiristo song song ngược, với việc nối thêm mạch tạo xung chùm như trên hình 9.43. Các đầu vào của hình 9.43 UD, UE, UF được lấy từ các đầu tương ứng trên hình 9.34, 9.36. Chùm xung được tạo bởi một dao động đa hài A6 hoặc một mạch tạo xung chữ nhật nào đó (sẽ giới thiệu trong chương 10) H×nh 9.43 §iÒu khiÓn ®iÒu ¸p xoay chiÒu khi t¶i ®iÖn c¶m b»ng chïm xung a) Van ®éng lùc lµ triac; b) Van ®éng lùc lµ Tiristo Trường hợp điện cảm lớn mà Tiristo không mở được, nguyên nhân là do độ rộng xung thiết kế là không đủ lớn. Việc chọn độ rộng xung ở đây phải hợp lý. Ví dụ :Thiết kế mạch điều khiển và ổn định nhiệt độ cho tủ sấy bằng điện trở với nhiệt độ điều chỉnh trong dải 0¸1500C công suất sợi đốt 40 KW, điện áp nguồn cấp 1 pha 220 V/50 Hz. Lựa chọn sơ đồ thiết kế Đây là nguồn có công suất không lớn, xét về phía tải. Vì đây là tải trở, không đòi hỏi quá cao về tính đối xứng của nguồn điều khiển. Có thể chọn bất kỳ sơ đồ nào trong các sơ đồ đã giới thiệu ở trên . Tuy nhiên, với trường hợp này sơ đồ dùng Triac điều khiển là hợp lý hơn cả với các lý do sau: -Với công suất không lớn Triac thừa đủ công suất để cung cấp. -Mạch điều khiển Triac đơn giản hơn mạch hai Tiristo -Dù là công suất nhỏ, nhưng nếu điều khiển không đối xứng bằng một điốt, một Tiristo cũng không nên, do làm xấu đi chất lượng điện áp nguồn. -Các sơ đồ không dùng thiết bị bán dẫn khó đáp ứng cho việc ổn định nhiệt độ, do việc tự động thay đổi điện áp và dòng điện tải khó khăn hơn. *Tính chọn các thiết bị động lực -Dòng điện tối đa chạy qua tải và qua Triac H×nh 9.44 S¬ ®å ®éng lùc thiÕt kÕ Khi điều chỉnh nhiệt độ ta coi nhịêt độ tối đa 1500 đạt được tương ứng với dòng điện tối đa 18,18 A. các yếu tố khác ảnh hưởng đến nhiệt độ của lò như thể tích vật liệu, thông số....ở đây không xét. Dòng điện I=18,18 A được coi là dòng điện lớn nhất để chọn Triac. Với dòng điện không quá lớn như thế này, tổn hao khi van dẫn không quá lớn, nên ta chọn điều kiện làm việc có cánh toả nhiệt đủ diện tích làm mát, không cần quạt đối lưu không khí, để an toàn cho phép Triac làm việc với 20%Iđm Dòng điện định mức của Triac cần chọn IđmV= Điện áp làm việc cực đại của Triac Ulvmax= Giả sử cho phép van dự trữ điện áp Kdt=2. Điện áp của Triac cần chọn UđmT = 2.308 = 616 V Từ hai thông số dòng điện và điện áp cần có ở trên ta chọn loại Triac: SSG100C80 có các thông số. Uđm =800V Irò =10mA Iđm=100 A ITG=70 mA IXmax=1,2 kA DU=1,5A Iđk=0,2 A Tcm=10mS Uđk=3 V Triac khi làm việc với 18,18 A chịu một tổn hao tối đa trên van : DP = DU.Ilv @ 1,5.18,18 = 27,27 W Với tổn hao này, chúng ta cần một cánh toả nhiệt có diện tích bề mặt tiếp xúc với không khí : S= Aptomat được chọn có dòng điện IAT=(1,1¸1,3)Ilvmax=20¸23,63 A Chọn loại 25A có bảo vệ ngắn mạch khôngcần bảo vệ quá tải. Thiết kế mạch điều khiển : Như đã biết lò điện trở có hệ số cosj=1. Do đó việc cung cấp xung điều khiển bằng xung chùm như hình 9.43 a là không cần thiết. Mạch điều khiển góc mở Triac sử dụng sơ đồ 9.34 hoàn chỉnh thành 9.45 a là hợp lý. Tính toán thông số các linh kiện mạch điều khiển này được sử dụng các cách tính như đã giới thiệu ở chương 8. H×nh 9.45 S¬ ®å m¹ch ®iÒu khiÓn nhiÖt ®é cho tñ sÊy 9.6.3 Thiết kế bộ điều áp xoay chiều ba pha 1. Lựa chọn sơ đồ động lực. Mạch xoay chiều ba pha hiện nay trong thực tế thường gặp gồm 3 sơ đồ như sau: Hình 9.46 a, b, c. H×nh 9.46: S¬ ®å ®iÒu ¸p xoay chiÒu ba pha b»ng cÆp Tiristo m¾c song song ng­îc c ~ ~ ~ a ~ ~ ~ b ~ ~ ~ Các loại sơ đồ này bao gồm, tải đấu sao có trung tính (Hình 9.46 a), tải đấu sao không trung tính (Hình 9.46 b), tải đấu tam giác (Hình 9.46 c). Tải đấu sao có trung tính, có ưu điểm là sơ đồ giống hệt ba mạch điều áp một pha điều khiển dịch pha theo điện áp lưới, do đó điện áp trên các van bán dẫn nhỏ hơn vì điện áp đặt vào van bán dẫn là điện áp pha. Nhược điểm của sơ đồ là trên dây trung tính có tồn tại dòng điện điều hoà bậc cao, khi góc mở các van khác 0 có dòng tải gián đoạn và loại sơ đồ nối này chỉ thích hợp với loại tải ba pha có bốn đầu dây ra. Các sơ đồ không trung tính Hình 9.46 b, c có nhiều điểm khác so với sơ đồ có trung tính. Ở đây dòng điện chạy giữa các pha với nhau, nên đồng thời phải cấp xung điều khiển cho hai Tiristo của hai pha một lúc. Việc cấp xung điều khiển như thế, đôi khi gặp khó khăn trong mạch điều khiển (sẽ giới thiệu sau), ngay cả việc đổi thứ tự pha nguồn lưới cũng có thể làm cho sơ đồ không hoạt động. Hiện nay, với những tải có công suất trung bình, các sơ đồ điều áp ba pha bằng các cặp Tiristo như Hình 9.46 được thay thế bằng các sơ đồ Triac như Hình 9.47. ~ ~ ~ b ~ ~ ~ a ~ ~ ~ c H×nh 9.47: §iÒu ¸p ba pha b»ng Triac Như đã giới thiệu ở trên, Triac về nguyên lý điều khiển giống hệt các cặp Tiristo mắc song song ngược. Vì vậy, sử dụng các sơ đồ Hình 9.46 hay Hình 9.47 tuỳ thuộc vào khả năng linh kiện có loại nào. Ngoài ra Hình 9.47 có ưu điểm hơn về mặt điều khiển đối xứng và đơn giản về cách ghép. Đối với những tải không có yêu cầu về điều khiển đối xứng người ta có thể sử dụng sơ đồ cặp Tiristo - điốt ( Hình 9.15). Mặc dù vậy, sơ đồ này ứng dụng thực tế không nhiều. Bởi vì khi không có xung điều khiển vẫn có thể có dòng chạy qua tải. Trong trường hợp cho phép điều khiển không đối xứng chúng ta có thể sử dụng sơ đồ điều khiển hai pha như Hình 9.48. Ưu điểm của sơ đồ Hình 9.48 là số lượng van bán dẫn Ýt hơn, và mạch điều khiển cũng đơn giản hơn. Nhược điểm của sơ đồ là điều khiển không đối xứng, nên đường cong dòng điện và điện áp các pha không giống nhau, vì vậy giá trị hiệu dụng của điện áp và dòng điện khác nhau rõ rệt. Loại sơ đồ này chỉ phát huy tác dụng khi tải và nguồn được phép làm việc không đối xứng và có số lượng van bán dẫn bị hạn chế. H×nh 9.48: S¬ ®å ®iÒu ¸p ba pha ®¬n gi¶n ~ ~ ~ Khi sử dụng điều áp xoay chiều cho động cơ không đồng bộ ngoài chế độ đóng cắt, điều khiển tốc độ, còn cần cả đảo