Đồ án Thiết kế điều khiển nhiệt độ lò điện trở 3 pha

Lời mở đầu Hiện nay, lò điện trở 3 pha đã và đang được sử dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp như: Ngành công nghiệp chế biến lương thực, thực phẩm; ngành công nghiệp sản xuất hàng tiêu dùng; ngành công nghiệp luyện kim; ngành cơ khí …vv. Nhưng phát triển mạnh nhất là trong ngành công nghiệp chế biến thực phẩm, bởi vì nó tạo ra được các sản phẩm có ích cho con người, cho xã hội và góp phần đáng kể cho nguồn hàng xuất khẩu của đất nước. Tuy lò điện trở có cấu tạo đơn giản, dễ chế tạo, dễ sửa chữa, dễ sử dụng mà lại làm việc tin cậy song nó cũng có những hạn chế nhất định như là phải khống chế được nhiệt độ của lò điện trở nhất là các lò có công suất lớn tới vài chục, vài trăm kilowat thì việc thiết kế thiết bị khống chế nhiệt độ theo yêu cầu rất phức tạp và cồng kềnh, giá cả rất đắt. Song ngày nay, với trình độ tiến bộ khoa học kỹ thuật người ta đã nghiên cứu, thiết kế và chế tạo được các loại lò điện trở lớn nhỏ với công suất khác nhau, hiệu suất làm việc cao và đáp ứng được yêu cầu công nghệ của các ngành công nghiệp. Tuỳ theo yêu cầu công nghệ của từng ngành sản xuất mà lò điện trở có những tính năng, tác dụng của yêu cầu của người sử dụng. Chính vì những yêu cầu đó đòi hỏi lò điện trở phải có những tính năng điều chỉnh được nhiệt độ thích hợp với yêu cầu sản xuất và sử dụng được tối đa hiệu suất của lò mà không làm hư hỏng lò hoặc nhìn chung khi điều chỉnh nhiệt độ của lò điện trở. Nhìn chung khi điều chỉnh nhiệt độ của lò điện trở cần tuân thủ các yêu cầu cơ bản dưới đây: - Điện áp cấp cho lò ấn định - Tổn hao nhiệt nhỏ. - Hiệu suất làm việc cao - Làm việc an toàn, dễ sử dụng, dễ điều khiển - Đạt được yêu cầu công nghệ - Thiết bị sử dụng đơn giản, gọn nhẹ, chắc chắn, rẻ tiền. - Dễ sửa chữa, thay thế. Tuy nhiên để thiết kế và chế tạo được lò điện trở với đầy đủ yêu cầu trên sẽ không rẻ tiền. Vì vậy ta phải căn cứ vào yêu cầu của từng ngành sản xuất để chọn công suất lò và thiết kế bộ điều chinhr nhiệt độ của lò điện trở thích hợp. Chương 1 Phương án chọn mạch lực I.1. Thyristor – Nguyên lý cấu tạo và hoạt động. Thyristor là phần tử bán dẫn cấu tạo từ bốn lớp bán dẫn p-n-p-n tạo ra ba tiếp giáp p-n J1, J2, J3. Thyristor có ba cực: anot A, catot K, cực điều khiển G như được biểu diễn trên hình 1 I.2. Các thông số cơ bản của thyristor Các thông số cơ bản là những thông số dựa vào đó ta có thể lựa chọn một thyristor cho một ứng dụng cụ thể nào đó. 1. Giá trị dòng trung bình cho phép chạy qua thyristor, IVtrb Đây là giá trị dòng trung bình cho phép chạy qua thyristor với điều kiện nhiệt độ của cấu trúc tinh thể bán dẫn của thyristor không vượt quá một giá trị cho phép. Trong thực tế dòng điện cho phép chạy qua thyristor còn phụ thuộc vào các điều kiện làm mát và nhiệt độ môi trường. Thyristor có thể được gắn lên các bộ tản nhiệt tiêu chuẩn và làm mát tự nhiên. Ngoài ra thyristor có thể tản được làm mát cưỡng bức nhờ quạt gió hoặc dùng nước để tải nhiệt lượng toả ra nhanh hơn. Nói chung có thể lựa chọn dòng điện theo các điều kiện làm mát như sau: - Làm mát tự nhiên: Dòng sử dụng cho phép đến 1/3 dòng IVtrb - Làm mát cưỡng bức bằng quạt gió: Dòng sử dụng bằng 2/3 IVtrb - Làm mát cưỡng bức bằng nước: Có thể sử dụng đến 100% dòng IVtrb 2. Điện áp ngược cho phép lớn nhất, Ungmax Đây là giá trị điện áp ngược lớn nhất cho phép đặt lên thyristor. Trong các ứng dụng phải đảm bảo rằng tại bất kỳ thời điểm nào điện áp giữa anot – catot UAK luôn nhỏ hơn hoặc bằng Ungmax. Ngoài ra phải đảm bảo một độ dự trữ nhất định về điện áp, nghĩa là Ungmax phải được chọn ít nhất là bằng 1,2 – 1,5 lần giá trị biên độ lớn nhất của điện áp trên sơ đồ. 3. Thời gian phục hồi tính chất khoá của thyristor , tr (ms) Đây là thời gian tối thiểu phải đặt điện áp âm lên giữa anot – catot của thyristor sau khi dòng anot – catot đã về bằng không trước khi lại có thể có điện áp UAK dương mà thyristor vẫn khoá. tr là một thông số rất quan trọng của thyristor nhất là trong các bộ nghịch lưu phụ thuộc hoặc nghịch lưu độc lập, trong đó phải luôn đảm bảo rằng thời gian dành cho quá trình khoá phải bằng 1,5 – 2 lần tr. 4. Tốc độ tăng điện áp cho phép Thyristor được sử dụng như một phần từ có điều khiển, nghĩa là mặc dù khi được phân cực thuận (UAK > 0) nhưng vẫn phải có tín hiệu điều khiển thì nó mới cho phép dòng điện chạy qua. Khi thyristor được phân cực thuận phần lớn điện áp rơi trên lớp tiếp giáp J2 như được chỉ ra trên hình 6 Lớp tiếp giáp J2 bị phân cực ngược lên độ dày của nó nở ra tạo ra vùng không gian nghèo điện tích, cản trở dòng điện chạy qua. Vùng không gian này có thể coi như một tụ điện có điện dụng CJ2. Khi có điện áp biến thiên với tốc độ lớn dòng điện của tụ có thể có giá trị đáng kể, đóng vai trò như dòng điều khiển. Kết quả là thyristor có thể mở ra khi chưa có tín hiệu điều khiển vào cực điều khiển G Tốc độ tăng điện áp là một thông số phân biệt thyristor tần số thấp với các thyristor tần số cao. ở thyristor tần số thấp vào khoảng 50 – 200 V/ms, với các thyristor tần số cao có thể đạt đến 500 – 2000 V/ms. 5. Tốc độ tăng dòng cho phép (A/ms) Khi thyristor bắt đầu mở không phải mọi điểm trên tiết diện tinh thể bán dẫn của nó đều dẫn dòng điện đồng đều. Dòng điện sẽ chạy qua bắt đầu ở một số điểm, gần với cực điều khiển nhất, sau đó sẽ lan toả dần sang các điểm khác trên toàn bộ tiết diện. Nếu tốc độ tăng dòng quá lớn có thể dẫn đến mật độ dòng điện ở các điểm dẫn ban đầu quá lớn, sự phát nhiệt cục bộ quá mãnh liệt có thể sẽ dẫn đến hỏng cục bộ, từ đó dẫn đến hỏng toàn bộ tiết diện tinh thể bán dẫn. Tốc độ tăng dòng cho phép cũng phân biệt ở thyristor tần số thấp có khoảng 50 – 100 A/ms với các thyristor có tần số cao khoảng 500 – 2000 A/ms. Trong các bộ biến đổi phải luôn luôn có biện pháp đảm bảo tốc độ tăng dòng ở dưới giá trị cho phép. Điều này đạt được nhờ mắc nối tiếp với các phần tử bán dẫn những điện kháng nhỏ, lõi không khí hoặc đơn giản hơn là các xuyến ferit lồng lên nhau. Các xuyến ferit được dùng rất phổ biến vì cấu tạo đơn giản, dễ thay đổi điện cảm bằng cách thay đổi số xuyến lồng lên thanh dẫn. Xuyến ferit còn có tính chất của cuộn cảm bão hoà, khi dòng qua thanh dẫn còn nhỏ điện kháng sẽ lớn để hạn chế tốc độ tăng dòng. Khi dòng đã lớn ferit bị bão hoà từ, điện cảm giảm gần như bằng không. Vì vậy cuộn kháng kiểu này không gây sụt áp trong chế độ dòng định mức chạy qua dây dẫn. I.3. ảnh hưởng của các phần tử nối song song với cực điều khiển. 1. ảnh hưởng của điện trở nối song song với cuặc điều khiển. Điện trở này ảnh hưởng rất lớn đến Tiristo: a. Làm tăng giá trị dòng qua van Ia cần thiết để mở được và duy trì cho van dẫn vì điện trở này rẽ nhánh dòng qua va qua nó. b. hạn chế ảnh hưởng của tốc độ tăng áp du/dt, nó sẽ dẫn bớt dòng ký sinh có hại này qua nó, giảm bớt tác động này đến cực điều khiển. c. Tiristo có độ nhạy cao thường bắt buộc phải có điện trở này để dẫn dòng nhiệt (dòng diện rò ) qua nó để tránh Tiristo bị mở vì dòng này. d. Làm giảm hệ số khuếch đại vùng n1-p2-n2 dẫn đến làm tăng điện áp chuyển mạch của van. e. Làm giảm được thời gian hồi phục tính chất khoá cho Tiristo vì nó tạo thành mạch thoát cho các điện tích dư tích tụ trong vùng p2 và n2. Nhìn chung để đánh giá chi tiết hơn cần biết giá trị của RG, RS. Tuy nhiên quy luật chung của các điện trở này là: Tiristo càng nhỏ thì trị số RS càng lớn ( đôi khi coi rằng RS=) Giá trị RG phụ thuộc vào kích thước tinh thể bán dẫn, tinh thể càng lớn giá trị RG càng nhỏ. 2. ảnh hưởng của tụ điện nối song song với cực điều khiển. a. Làm giảm ảnh hưởng của tốc độ tăng hợp du/dt gần như của điện trở, tuy nhiên chỉ có tác dụng ở tần số cao đó do đó, khác với điện trở, tụ điện rất có ích để chống nhiễm cao tần ảnh hưởng từ mạng điện lực tới mà không gây hậu quả ở khu vực tần số thấp, nhất là với dòng ổn định một chiều. b. Làm giảm độ dốc cả xung điều khiển mở van, dẫn đến ké dài hơn thời gian mở van cũng như thời gian thời gian tăng dòng Ia, do đó không có lợi trong những mạch cần có tốc độ tăng dòng lớn. c. Khi van đã dẫn điện áp trên trên tụ điện này có trị số xấp xỉ sụt áp trên van (cỡ 1á 2V ). Điện áp này nói chung lớn hơn điện áp tối thiểu để mở van. Khi van khoá lại sau đó lại có điện áp dương đặt trở lại thì dòng điện phóng ra từ tụ điện này có thể làm van mở ra không cần có dòng điều khiển thực hiện nữa ( ví dụ van làm việc ở tần số 50 Hz, nếu tụ đủ lớn để kéo dài dòng phóng quá 10ms sẽ làm van mở ngay ở nửa chu kỳ điện áp trên van dương trở lại.) 3. ảnh hưởng của điện áp âm đặt lên cực điều khiển. Điện áp trên cực điều khiển không được âm quá trị số cho phép của từng loại van ( thường giới hạn ở mức 5V ). Vì vậy khi van làm việc có khả năng xuất hiện điện áp âm quá mức trên cực điều khiển cần có biện áp hạn chế trước mà thông dụng nhất là đấu thêm điốt nối tiếp song song với cực điều khiển như trên hình 4. ảnh hưởng của điện áp dương trên cực điều khiển khi điện áp trên van lại âm, điều này có thể dẫn đến sự phát nhiệt quá mức ở cực điều khiển làm hỏng van. Nhìn chung nên hạn chế các tình trạng: UGK>0 trong khi UAk0. Trong sổ tra cứu thường hai trị số âm và dương của UGK lấy là -1 và vào khoảng 0,5V đến 1V. ]I.4. Đặc tính vôn – ampe của thyristor Đặc tính vôn – ampe của một Thyristor gồm hai phần (hình 2). Phần thứ nhất nằm trong góc phần tư thé I là đặc tính thuận tương ứng với trường hợp điện áp UAK > 0, phần thứ hai nằm trong góc phần tư thứ III gọi là đặc tính ngược, tương ứng với trường hợp UAK < 0. a. Trường hợp dòng điện vào cực điều khiển bằng không (IG = 0) Khi dòng vào cực điều khiển của Thyristor bằng 0 hay khi hở mạch cực điều khiển Thyristor sẽ cản trở dòng điện ứng với cả hai trường hợp phân cực điện áp giữa anot – catot. Khi điện áp UAK < 0 theo cấu tạo bán dẫn của Thyristor hai tiếp giáp J1, J3 đều phân cực ngược, lớp J2 phân cực thuận, như vậy Thyristor sẽ sẽ giống như hai đi ốt mắc nối tiếp bị phân cực ngược. Qua Thyristor sẽ chỉ có một dòng điện rất nhỏ chạy qua, gọi là dòng rò. Khi UAK tăng đạt đến một giá trị điện áp lớn nhất Ungmax sẽ xảy ra hiện tượng Thyristor bị đánh thủng, dòng điện có thể tăng lên rất lớn. Giống như ở đoạn đặc tính ngược của đi ốt quá trình bị đánh thủng là quá trình không thể đảo ngược được, nghĩa là nếu có giảm điện áp UAK xuống dưới mức Ungmax thì dòng điện cũng không giảm được về mức dòng rò. Thyristor đã bị hỏng. Khi tăng điện áp anot – catot theo chiều thuận UAK > 0 lúc đầu cũng chỉ có một dòng điện rất nhỏ chạy qua, gọi là dòng rò. Điện trở tương đương mạch anot – catot vẫn có giá trị rất lớn. Khi đó tiếp giáp J1, J3 phân cực thuận, J2 phân cực ngược. Cho đến khi UAK tăng đạt đến giá trị điện áp thuận lớn nhất Uthmax sẽ xảy ra hiện tượng điện trở tương đương mạch anot – catot đột ngột giảm, dòng điện có thể chạy qua Thyristor và giá trị sẽ chỉ bị giới hạn bởi điện trở tải ở mạch ngoài. Nếu khi đó dòng qua Thyristor có giá trị lớn hơn một mực dòng tối thiểu, gọi là dòng duy trì Idt thì khi đó thyristor sẽ dẫn dòng trên đường đặc tính thuận, giống như đường đặc tính thuận ở đi ốt. Đoạn đặc tính thuận được đặc trưng bởi tính chất dòng có thể có giá trị lớn nhưng điện áp rơi trên anot – catot thì nhỏ và hầu như không phụ thuộc vào giá trị của dòng điện. b. Trường hợp có dòng điện vào cực điều khiển (IG > 0) Nếu có dòng điều khiển đưa vào giữa cực điều khiển và catot thì quá trình chuyển điểm làm việc trên đường đặc tính thuận sẽ xảy ra sớm hơn, trước khi điện áp thuận đạt đến giá trị lớn nhất, Uthmax. Điều này được mô tả trên hình 1.7 bằng những đường nét đứt, ứng với các giá trị dòng điều khiển khác nhau IG1, IG2, IG3.. Nói chung nếu dòng điều khiển lớn hơn thì điểm chuyển đặc tính làm việc sẽ xảy ra với UAK nhỏ hơn. I.5. Mở và khoá thyristor Thyristor có đặc tính giống như điôt, nghĩa là chỉ cho phép dòng chạy qua theo một chiều, từ anot đến catot và cản trở dòng chạy theo chiều ngược lại. Tuy nhiên khác với điôt, để thyristor có thể dẫn dòng ngoài điều kiện phải có điện áp UAK > 0 còn cần thêm một số điều khiển khác. Do đó thyristor được coi là phần tử bán dẫn có điều khiển để phân biệt với điôt là phần tử không điều khiển được. 1. Mở thyristor Khi được phân cực thuận UAK > 0 thyristor có thể mở bằng hai cách. Thứ nhất có thể tăng điện áp anot- catot cho đến khi đạt đến giá trị điện áp thuận lớn nhất , Uthmax khi đó điện trở tương đương trong mạch anot – catot sẽ giảm đột ngột và dòng qua thyristor sẽ hoàn toàn do mạch ngoài xác định. Phương pháp mở này trong thực tế không được áp dụng và còn nguyên nhân mở không mong muốn vì không phải lúc nào cũng có thể tăng được điện áp đến giá trị Uthmax. Vả lại như vậy sẽ xảy ra trường hợp thyristor tự mở ra dưới tác dụng của các xung điện áp nhiễu tại một thời điểm ngẫu nhiên, không định trước. Phương pháp thứ hai là phương pháp được áp dụng thực tế là đưa một xung dòng điện có giá trị nhất định vào giữa cực điều khiển và catot. Xung dòng điện điều khiển sẽ chuyển trạng thái của thyristor từ trở kháng cao sang trở kháng thấp ở mức điện áp anot – catot nhỏ. Khi đó nếu dòng qua anot – catot lớn hơn một giá trị nhất định, gọi là dòng duy trì (Idt) thì thyristor sẽ tiếp tục cho trạng thái mở dẫn dòng mà không cần đến sự tồn tại của xung dòng điều khiển nữa. Điều này nghĩa là có thể điều khiển mở các thyristor bằng các xung dòng có độ rộng xung nhất định, do đó công suất của mạch điều khiển có thể là rất nhỏ, so với công suất của mạch lực mà thyristor là một phần tử đóng cắt, khống chế dòng điện. 2. Khoá thyristor Một thyristor đang dẫn dòng sẽ trở về trạng thái khoá (điện trở tương đương mạch anot – catot tăng cao) nếu dòng điện giảm xuống, nhỏ hơn giá trị dòng duy trì Idt. Tuy nhiên để thyristor vẫn ở trạng thái khoá, với trở kháng cao, khi điện áp anot – catot lại dương (UAK > 0) cần phải có một thời gian nhất định để các lớp tiếp giáp phục hồi hoàn toàn tính chất cản trở dòng điện của mình. Khi thyristor dẫn dòng theo chiều thuận UAK > 0, hai lớp tiếp giáp J1, J3 phân cực thuận, các điện tích đi qua hai lớp này dễ dàng và lấp đầy tiếp giáp J2 đang bị phân cực ngược. Vì vậy mà dòng điện có thể chảy qua ba lớp tiếp giáp J1, J2, J3. Để khoá thyristor lại cần giảm dòng anot – catot về dưới mức dòng duy trì (Idt) và đặt một điện áp ngược lên anot – catot (UAK < 0) trong một khoảng thời gian tối thiểu, gọi là thời gian phục hồi, tr. Trong thời gian phục hồi có một dòng điện ngược chạy giữa catot và anot. Dòng điện ngược này di tản các điện tích ra khỏi tiếp giáp J2 và nạp điện cho tụ điện tương đương của hai tiếp giáp J1, J3 lúc này đang bị phân cực ngược. Kết quả là khả năng cản trở dòng điện của J1. J3, được phục hồi. Thời gian phục hồi phụ thuộc vào lượng điện tích cần được di tản ra ngoài cấu trúc bán dẫn của thyristor và nạp điện cho tiếp giáp J1, J3. Quá trình khoá một thyristor được mô tả trên đồ thị hình 3. Theo hình 3 phần điện tích gạch chéo dưới đường dòng điện là lượng điện tích Q cần di tản ra ngoài cấu trúc bán dẫn của thyristor. Hình 3. Quá trình khoá một thyristor, ý nghĩa của thời gian phục hồi, tr Thời gian phục hồi là một trong những thông số quan trọng của thyristor thời gian phục hồi xác định dải tần số làm việc của thyristor, tr, có giá trị cỡ 5 – 50 ms đối với các thyristor tần số cao và cỡ 50 – 200 ms đối với các thyristor tần số thấp. I.6. Các yếu cầu đối với tín hiệu điều khiển thyristor Quan hệ giữa điện áp trên cực điều khiển và catot với dòng điện đi vào cực điều khiển xác định các yêu cầu đối với tín hiệu điều khiển thyristor . Với cùng một loại thyristor nhà sản xuất sẽ cung cấp một họ đặc tính điều khiển, ví dụ như trên hình 4, trên đó có thể thấy được các đặc tính giới hạn về điện áp và dòng điện nhỏ nhất, ứng với một nhiệt độ môi trường nhất định mà tín hiệu điều khiển phải đảm bảo để mở được chắc chắn một thyristor. Dòng điều khiển đi qua tiếp giáp p-n giữa cực điều khiển và catot cũng làm phát nóng tiếp giáp này. Vì vậy tín hiệu điều khiển cũng phải bị hạn chế về công suất. Công suất giới hạn của tín hiệu điều khiển phụ thuộc thời gian. Nếu tín hiệu điều khiển là một xung có độ rộng càng ngắn thì công suất cho phép có thể càng lớn. Sơ đồ tiêu biểu của một mạch khuếch đại xung điều khiển thyristor được cho trên hình 5. Khoá Transistor T được điều khiển bởi một xung có độ rộng nhất định, đóng cắt điện áp phía sơ cấp biến áp xung. Xung điều khiển đưa đến cực điều khiển của thyristor ở bên phía cuộn thứ cấp. Như vậy mạch lực được cách ly hoàn toàn với mạch điều khiển bởi biến áp xung. Điện trở R hạn chế dòng qua transistor và xác định nội trở của nguồn tín hiệu điều khiển. Điôt D1 ngắn mạch cuộn sơ cấp biến áp cung khi transistor T khoá lại để chống quá áp trên T. Điot D2 ngăn xung âm và cực điều khiển. Điot D3 mắc song song với cực điều khiển và có thể song song với tụ C có tác dụng giảm quá áp trên tiếp giáp G – K khi thyristor bị phân cực ngược. bax D 2 V D 3 C T D 1 R +Un Hình 5 II. Các bộ biến đổi xung áp II.1. Đặc điểm chung. Các bộ điện áp xoay chiều (ĐAXC) dùng để đóng ngắt hoặc thay đổi được điện áp xoay chiều ra tải. Do tải đòi hỏi dòng điện xoay chiều nên phải dùng loại van bán dẫn là TRIAC hoặc ghép hai van dẫn một chiều song song ngược nhau để mỗi van đảm nhận một chiều của dòng tải: Như vậy có thể ghép 2 thyistor với nhau (gọi là kiểu đối xứng ) hoặc 1 thyristor với 1 điôt. ĐAXC dùng van bán dẫn có đầy đủ các ưu điểm của nhưng mạch công suất sử dụng kỹ thuật bán dẫn như: Dễ điều chỉnh và tự động hoá, làm việc ổn định, phản ứng nhanh với các đột biến điều khiển, độ tin cậy và tuổi thọ cao, kích thước gọn, dễ thay thế. Thích hợp với quá trình hiện đại hoá, tập chung hoá các quá trình công nghệ...Nhược điểm chung và cơ bản của ĐAXC là điện áp ra tải không sin trong toàn dải điều chỉnh. Điện áp trên tải chỉ sin khi đưa toàn bộ điện áp nguồn ra tải, do vậy độ méo điện áp trên tải sẽ càng lớn khi điều chỉnh càng sâu, thành phần sóng dài khá cao. Với những tải yêu cầu nghiêm ngặt về độ méo và thành phần sóng dài không thể dùng ĐAXC được. Do vậy ứng dụng chủ yếu của nó là cho dạng tải có tính thuần trở: - Điều chỉnh ánh sáng đèn sợi đốt và ổn định độ phát quang của hệ chiếu sáng. - Điều chỉnh và ổn định nhiệt độ các lò điện trở bằng cách khống chế công suất đưa vào lò. - ĐAXC cùng được sử dụng để điều chỉnh tốc độ động cơ điện không đồng bộ. Nhưng chỉ phù hợp với phụ tải của động cơ dạng quạt gió hoặc máy bơm li tâm với phạm vi điều chỉnh không lớn. ĐAXC thích hợp với các chế độ như khởi động, đóng ngắt tải cho động cơ điện. - ĐAXC cũng được dùng để điều chỉnh điện áp sơ cấp các biến áp lực và thông qua đó điều chỉnh điện áp ra tải, phụ tải có thể dùng dòng điện xoay chiều hoặc một chiều ( chỉnh lưu điôt phía thứ cấp ) khi rơi vào hai trường hợp sau : a/. điện áp thứ cấp thấp hơn điện áp sơ cấp như dòng điện thứ cấp rất lớn. b/. điện áp thứ cấp mà tải yêu càu cao hơn nhiều lần điện áp nguồn. Nguyên tắc điều chỉnh của ĐAXC là điều chỉnh góc mở của van bán dẫn. Các van làm việc với điện áp xoay chiều nên được khoá tự nhiên bằng điện áp nguồn và cũng chịu các ảnh hưởng của lưới điện đến van, kiểu điều khiển van cũng là dịch pha điểm phát xung so với pha nguồn xoay chiều.đặc trưng khác biệt và các cơ sở do tính toán. II.2 Xung áp xoay chiều 3 pha 1. Các ơ đồ ứng dụng. A v 1 v 4 v 6 v 3 B v 2 v 5 C Z A A B C Hình 7 Z B Z C Z AB Z BC Z CA Z C Z B Z A v 1 v 2 v 3 Hình 7. Sơ đồ XAAC 3 pha a, tải có thể dấu Y hoặc **: b, thyristor V1, V2, V3, sẽ tạo thành điểm chung tính giả cho tải ZA, Zb, Zc,. XAAC 3 pha có thể thực hiện theo các phương án như trên hình 7. Sơ đồ (a) có thể áp dụng bán điều khiển, ví dụ thay V4, V6, V2 bằng 3 điôt. 2. Ưu nhược điểm của sơ đồ - Các sơ đồ XAAC nói chung đều đơn giản, do đó cho hiệu quả cao trong quá trình điều chỉnh điện áp xoay chiều. - Tuy nhiên dạng điện áp ra phụ thuộc rất nhiều vào góc độ điều khiển và tính chất của tải. Dạng điện áp ra cũng rất không sin. - Phù hợp với các ưng dụng yêu cầu công suất vừa và nhỏ, nhất là với tải thuần trở vì khi đó dạng điện áp trên tải không yêu cầu khắt khe. - Với công suất lớn có thể áp dụng trong những trường hợp dải điều chỉnh điện áp yêu cầu hẹp hoặc quá trình điều chỉnh chỉ diễn ra trong một thời gian ngắn, ví dụ trong các bộ khởi động cơ. - Trong mọi trường hợp phải có biện pháp tránh ảnh hưởng của nhiễu ra ngoài lưới diện do đường điện không sin. Ví dụ phải lắp thêm các bộ lọc đầu vào. - Có thể cải thiện đáng kể đặc tính của XAAC nếu sử dụng các van điều khiển hoàn toàn. Khi đó việc điều chỉnh sẽ áp dụng phương pháp điều chế độ rộng xung ở mỗi nửa chu kỳ điện áp lưới. 3. Phân tích sự hoạt động của sơ đồ Để phân tích sự hoạt động của sơ đồ ta phải xác định lúc nào 3 pha cùng dẫn, lúc nào chỉ có 2 pha dẫn cũng như khoảng dẫn của các van. Ta hãy xét sơ đồ (a) với tải Y thuần trở, ZA= ZB= ZC. Đồ thị dạng điện áp trên tải với góc điều khiển a=300. dược biểu diễn trên hình 8 Hình 8. Đồ thị dạng điện áp trên tải với góc điều khiển a=300. sơ đồ (a) Góc điều khiển trong XAAC được tính từ thời điểm điện áp nguồn qua không. Ta cần lưu ý rằng trong hệ thống điện áp 3 pha dòng có thể chảy qua cả 3 pha hoặc chỉ qua 2 pha. Khi dòng chảy qua cả 3 pha thì điện áp trên mỗi ph đúng bằng điện áp pha. Khi dòng chảy qua hai pha thì điện áp trên các pha tương ứng sẽ bằng một nửa điện áp dây. Như trên đồ thị 8 với 01Ê 0Ê 02 dòng có thể chay qua cả 3 pha. Khi đó V1 dẫn ở pha A, V6 dẫn ở pha B, V5 dẫn ở pha C. uZA=uA Với 02Ê 0Ê 03 ở pha C dòng không thể chảy qua V5 được nữa vì uc đã đảo chiều nên chỉ còn lại V1 dẫn dòng ở pha A cùng với V6 ở pha B. Do đó: Với 03Ê 0Ê 04 ở pha C, V2 nhận được tín hiệu điều khiển nên sẽ có 3 van dẫn ở 3 pha là V1, V2, V6. Do đó: uZA=uA Với 04Ê 0Ê 05 ở pha B, V6 không thể dẫn được nữa vì uB đã đảo chiều, chỉ còn V1, V2 dẫn: Với 05Ê 0Ê 06, V3 sẽ vào dẫn cùng với V1, V2: uZA=uA Với 06Ê 0Ê 07: uZA=0 bằng tính chất đối xứng có thẻ xác định được điện áp trên ZA trong nửa chu kỳ còn lại. Từ phân tích trên có thể thấy rằng: Với 0 Ê aÊ 600 có các giai đoạn 3 van và 2 van cùng dẫn. Với 600 Ê aÊ 900 chỉ có các giai đoạn 2 van cùng dẫn. Với 900 Ê aÊ 1500 chỉ có các giai đoạn 2 van dẫn hoặc không có van nào dẫn cả. Ví dụ về dạng điện áp trên tải với góc điều khiển a=900 được cho trên hình 9 Hình 9. Dạng điện áp trên tải với góc điều khiển a=900 Chương ii. Tính toán thiết kế chọn mạch lực cho bộ điều chỉnh nhiệt độ lò điện trở 3 pha. Vì tải thuần trở nên để tiện dụng ta sử dụng bộ biến đổi xung áp xoay chiều 3 pha cho mạch lực. Với các phần tử bảo vệ mạch lực - Bảo vệ quá trình cho van Sử dụng R1C mắc song song với van - Bảo vệ tốc độ tăng dòng di/dt cho van: Sử dụng cuộn cảm L. Sơ đồ mạch lực: I. Tính chọn van mạch động lực. Để đảm bảo cho mạch hoạt động một cách tin cậy khi làm việc với dòng điện lớn, điện áp cao, công suất phát nhiệt mạnh, tránh được hiện tượng van tự mở khi không cần xung điều khiển ta phải chọn van 1 cách hợp lý. Với công suất tải Pđm=30kw Vì tải thuần trở nên ta có: Dòng điện tức thời qua van i(v) = i(v) = (A) ậy dòng điện trung bình qua van là: (A) - Tính điện áp ngược đặt lên van: Điện áp ngược lớn nhất đặt lên van: Chọn cách làm mát bằng cách tản nhiệt và quạt gió. Hệ số dự trữ điện áp: Ka=2,0 Hệ số dự trữ dòng điện : Ki=1,5 Vậy ta có: Ungmaxthực = Kc.Ungmax = 2.930 = 1860 (V) ItbthựcV = Ki . Itbv = 1,5.20,48 = 30,72 (A) Chọn 6 Thyristor mã hiệu: T11 – 40 do Liên Xô chế tạo với các tham số: Kí hiệu Icp(A) IX (A) Id (A) Idò (mA) Cấp điện áp Cấp du/dt Cấp tph Cấp di/dt DU (V) Uđk (V) Iđk (mA) T11-40 40 360 600 20 13-22 2-4 1 2 2,7 5 200 - Cấp điện áp : Ungmax=1300-2200(v) - Dòng điện trung bình tối đa cho phép chảy qua van Icp=40(A). - Dòng điện quá tải ngắn hạn cho phép qua van trong thời gian không quá vài ms IX=360(A). - Trị số biên độ dòng điện dạng sin cho phép 1 lần qua van sau đó phải ngắt điện áp đặt: Id=600(A). - Dòng điện dò khi van ở trạng thái khoá: Idò=20mA. - Tốc độ tăng điện áp thuận lớn nhất đặt lên van mà van sẽ rọi vào hiện tượng tự dẫn không cần dòng điều khiển cấp(2-4). - Tốc độ tăng trưởng dòng lớn nhất qua van mà van không bị đánh thủng cấp 2. - Sụt áp trên van ở dòng định mức DU = 2,7(V). - Điện áp điều kiển nhỏ nhất vẫn đảm bảo dòng điều khiển mở van: Uđk=5V. - Dòng điện điều khiển nhỏ nhất vẫn đảm bảo mở van: Iđk=200mA. - Thời gian phục hồi tính chất khoá của van: Cấp 1. II. Tính chọn các phần tử bảo vệ cho van mạch động lực. Trong bộ ĐAXC, phần tử kém khả năng chịu được các biến động mạnh về điện áp và dòng điện chính là các van bán dẫn. Vì vậy việc bảo vệ mạch độg lực chủ yếu là bảo vệ các van bán dẫn khỏi hai trạng thái là quá dòng điện và quá điện áp. Tra các thông số của van TM11-40 ta được: - Trị số dòng điện cho phép : Icp=40(A). - Điện áp định mức của van: Uđm=2200(V). - Tốc độ tăng điện áp thuận cho phép (cấp2): du/dt=50V/ms=50.106 V/S - Tốc độ tăng dòng tối đa (cấp 2): di/dt = 40A/ms=40.106A/S - Trị số điện trở tải: 1. Tính điện cảm bảo vệ tốc độ tăng dòng : di/dt.