Đồ án môn học điện tử công suất pha Thiết kế điều chỉnh nhiệt độ lò điện trở Lời mở đầu Hiện nay, lò điện trở pha đợc sử dụng rộng rãi ngành công nghiệp nh: Ngành công nghiệp chế biến lơng thực, thực phẩm; ngành công nghiệp sản xuất hàng tiêu dùng; ngành công nghiệp luyện kim; ngành khí vv Nhng phát triển mạnh ngành công nghiệp chế biến thực phẩm, tạo đợc sản phẩm có ích cho ngời, cho xã hội góp phần đáng kể cho nguồn hàng xuất đất nớc 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 có hạn chế định nh phải khống chế đợc nhiệt độ lò điện trở lò có công suất lớn tới vài chục, vài trăm kilowat việc thiết kế thiết bị khống chế nhiệt độ theo yêu cầu phức tạp cồng kềnh, giá đắt Song ngày nay, với trình độ tiến khoa học kỹ thuật ngời ta nghiên cứu, thiết kế chế tạo đợc loại lò điện trở lớn nhỏ với công suất khác nhau, hiệu suất làm việc cao đáp ứng đợc yêu cầu công nghệ ngành công nghiệp Tuỳ theo yêu cầu công nghệ ngành sản xuất mà lò điện trở có tính năng, tác dụng yêu cầu ngời sử dụng Chính yêu cầu đòi hỏi lò điện trở phải có tính điều chỉnh đợc nhiệt độ thích hợp với yêu cầu sản xuất sử dụng đợc tối đa hiệu suất lò mà không làm h hỏng lò nhìn chung điều chỉnh nhiệt độ lò điện trở Nhìn chung điều chỉnh nhiệt độ lò điện trở cần tuân thủ yêu cầu dới 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 đợc yêu cầu công nghệ -1- Đồ án môn học điện tử công suất Thiết kế điều chỉnh nhiệt độ lò điện trở pha - Thiết bị sử dụng đơn giản, gọn nhẹ, chắn, rẻ tiền - Dễ sửa chữa, thay Tuy nhiên để thiết kế chế tạo đợc lò điện trở với đầy đủ yêu cầu không rẻ tiền Vì ta phải vào yêu cầu ngành sản xuất để chọn công suất lò thiết kế điều chinhr nhiệt độ lò điện trở thích hợp -2- Đồ án môn học điện tử công suất pha Thiết kế điều chỉnh nhiệt độ lò điện trở Chơng Phơng án chọn mạch lực I.1 Thyristor Nguyên lý cấu tạo hoạt động Thyristor phần tử bán dẫn cấu tạo từ bốn lớp bán dẫn p-n-p-n tạo ba tiếp giáp p-n J1, J2, J3 Thyristor có ba cực: anot A, catot K, cực điều khiển G nh đợc biểu diễn hình anot p J1 n J2 p J3 cực điều khiển n canot I.2 Đặc tính vôn ampe thyristor Đặc tính vôn ampe Thyristor gồm hai phần (hình 2) Phần thứ nằm góc phần t thé I đặc tính thuận tơng ứng với trờng hợp điện áp UAK > 0, phần thứ hai nằm góc phần t thứ III gọi đặc tính ngợc, tơng ứng với trờng hợp UAK < a Trờng hợp dòng điện vào cực điều khiển không (IG = 0) Khi dòng vào cực điều khiển Thyristor hay hở mạch cực điều khiển Thyristor cản trở dòng điện ứng với hai trờng hợp phân cực điện áp anot catot Khi điện áp U AK < theo cấu tạo bán dẫn Thyristor hai tiếp giáp J1, J3 phân cực ngợc, lớp J2 phân cực thuận, nh Thyristor sẽ giống nh hai ốt mắc nối tiếp bị phân cực ngợc Qua Thyristor có dòng điện nhỏ chạy qua, gọi dòng rò Khi U AK tăng đạt đến giá trị điện áp lớn U ngmax xảy tợng Thyristor bị đánh thủng, dòng điện tăng lên lớn Giống nh đoạn đặc tính ngợc -3- Đồ án môn học điện tử công suất Thiết kế điều chỉnh nhiệt độ lò điện trở pha ốt trình bị đánh thủng trình đảo ngợc đợc, nghĩa có giảm điện áp UAK xuống dới mức Ungmax dòng điện không giảm đợc mức dòng rò Thyristor bị hỏng Khi tăng điện áp anot catot theo chiều thuận U AK > lúc đầu có dòng điện nhỏ chạy qua, gọi dòng rò Điện trở tơng đơng mạch anot catot có giá trị lớn Khi tiếp giáp J 1, J3 phân cực thuận, J2 phân cực ngợc Cho đến UAK tăng đạt đến giá trị điện áp thuận lớn Uthmax xảy tợng điện trở tơng đơng mạch anot catot đột ngột giảm, dòng điện chạy qua Thyristor giá trị bị giới hạn i Iv IG2 > IG1 > IGO Ungmax Dòng rò Io=O Idt O Uvmax Unmax u Dòng rò Hình Đặc tính von-ampe thyristor điện trở tải mạch Nếu dòng qua Thyristor có giá trị lớn mực dòng tối thiểu, gọi dòng trì I dt thyristor dẫn dòng đờng đặc tính thuận, giống nh đờng đặc tính thuận ốt Đoạn đặc tính thuận đợc đặc trng tính chất dòng có giá trị lớn nhng điện áp rơi anot catot nhỏ hầu nh không phụ thuộc vào giá trị dòng điện b Trờng hợp có dòng điện vào cực điều khiển (IG > 0) Nếu có dòng điều khiển đa vào cực điều khiển catot trình chuyển điểm làm việc đờng đặc tính thuận xảy sớm hơn, trớc điện áp thuận đạt đến giá trị lớn nhất, Uthmax Điều đợc mô tả hình -4- Đồ án môn học điện tử công suất Thiết kế điều chỉnh nhiệt độ lò điện trở pha 1.7 đờng nét đứt, ứng với giá trị dòng điều khiển khác IG1, IG2, IG3 Nói chung dòng điều khiển lớn điểm chuyển đặc tính làm việc xảy với UAK nhỏ I.3 Mở khoá thyristor Thyristor có đặc tính giống nh điôt, nghĩa cho phép dòng chạy qua theo chiều, từ anot đến catot cản trở dòng chạy theo chiều ngợc lại Tuy nhiên khác với điôt, để thyristor dẫn dòng điều kiện phải có điện áp UAK > cần thêm số điều khiển khác Do thyristor đợc coi phần tử bán dẫn có điều khiển để phân biệt với điôt phần tử không điều khiển đợc Mở thyristor Khi đợc phân cực thuận UAK > thyristor mở hai cách Thứ tăng điện áp anot- catot đạt đến giá trị điện áp thuận lớn , Uthmax điện trở tơng đơng mạch anot catot giảm đột ngột dòng qua thyristor hoàn toàn mạch xác định Phơng pháp mở thực tế không đợc áp dụng nguyên nhân mở không mong muốn lúc tăng đợc điện áp đến giá trị Uthmax Vả lại nh xảy trờng hợp thyristor tự mở dới tác dụng xung điện áp nhiễu thời điểm ngẫu nhiên, không định trớc Phơng pháp thứ hai phơng pháp đợc áp dụng thực tế đa xung dòng điện có giá trị định vào cực điều khiển catot Xung dòng điện điều khiển chuyển trạng thái thyristor từ trở kháng cao sang trở kháng thấp mức điện áp anot catot nhỏ Khi dòng qua anot catot lớn giá trị định, gọi dòng trì (I dt) thyristor tiếp tục cho trạng thái mở dẫn dòng mà không cần đến tồn xung dòng điều khiển Điều nghĩa điều khiển mở thyristor xung dòng có độ rộng xung định, công suất mạch điều khiển nhỏ, so với công suất mạch lực mà thyristor phần tử đóng cắt, khống chế dòng điện Khoá thyristor -5- Đồ án môn học điện tử công suất Thiết kế điều chỉnh nhiệt độ lò điện trở pha Một thyristor dẫn dòng trở trạng thái khoá (điện trở tơng đơng mạch anot catot tăng cao) dòng điện giảm xuống, nhỏ giá trị dòng trì Idt Tuy nhiên để thyristor trạng thái khoá, với trở kháng cao, điện áp anot catot lại dơng (UAK > 0) cần phải có thời gian định để lớp tiếp giáp phục hồi hoàn toàn tính chất cản trở dòng điện Khi thyristor dẫn dòng theo chiều thuận UAK > 0, hai lớp tiếp giáp J1, J3 phân cực thuận, điện tích qua hai lớp dễ dàng lấp đầy tiếp giáp J2 bị phân cực ngợc Vì mà dòng điện chảy qua ba lớp tiếp giáp J1, J2, J3 Để khoá thyristor lại cần giảm dòng anot catot dới mức dòng trì (Idt) đặt điện áp ngợc lên anot catot (UAK < 0) khoảng thời gian tối thiểu, gọi thời gian phục hồi, t r Trong thời gian phục hồi có dòng điện ngợc chạy catot anot Dòng điện ngợc di tản điện tích khỏi tiếp giáp J nạp điện cho tụ điện tơng đơng hai tiếp giáp J1, J3 lúc bị phân cực ngợc Kết khả cản trở dòng điện J1 J3, đợc phục hồi Thời gian phục hồi phụ thuộc vào lợng điện tích cần đợc di tản cấu trúc bán dẫn thyristor nạp điện cho tiếp giáp J1, J3 Quá trình khoá thyristor đợc mô tả đồ thị hình Theo hình phần điện tích gạch chéo dới đờng dòng điện lợng điện tích Q cần di tản cấu trúc bán dẫn thyristor i Iv t Ivo U O t di/dt Qt Hình Quá trình khoá thyristor, ý nghĩa thời gian phục hồi, tr -6- Đồ án môn học điện tử công suất pha Thiết kế điều chỉnh nhiệt độ lò điện trở Thời gian phục hồi thông số quan trọng thyristor thời gian phục hồi xác định dải tần số làm việc thyristor, t r, có giá trị cỡ 50 às thyristor tần số cao cỡ 50 200 às thyristor tần số thấp I.4 Các yếu cầu tín hiệu điều khiển thyristor Quan hệ điện áp cực điều khiển catot với dòng điện vào cực điều khiển xác định yêu cầu tín hiệu điều khiển thyristor Với loại thyristor nhà sản xuất cung cấp họ đặc tính điều khiển, ví dụ nh hình 4, thấy đợc đặc tính giới hạn điện áp dòng điện nhỏ nhất, ứng với nhiệt độ môi trờng định mà tín hiệu điều khiển phải đảm bảo để mở đợc chắn thyristor Dòng điều khiển qua tiếp giáp p-n cực điều khiển catot làm phát nóng tiếp giáp Vì tín hiệu điều khiển phải bị hạn chế công suất Công suất giới hạn tín hiệu điều khiển phụ thuộc thời gian Nếu tín hiệu điều khiển xung có độ rộng ngắn công suất cho phép lớn 0,1ms Vùng mở chắn Thynsitor Giới hạn dòng điện nhỏ Giới hạn công suất với độ rộng xung khác 0,1ms 0,1ms T = -1Oc T = Oc Giới hạn điện áp nhỏ O Hình Yêu cầu tín hiệu điều khiển Sơ đồ tiêu biểu mạch khuếch đại xung điều khiển thyristor đợc cho hình Khoá Transistor T đợc điều khiển xung có độ rộng -7- Đồ án môn học điện tử công suất Thiết kế điều chỉnh nhiệt độ lò điện trở pha định, đóng cắt điện áp phía sơ cấp biến áp xung Xung điều khiển đa đến cực điều khiển thyristor bên phía cuộn thứ cấp Nh mạch lực đợc cách ly hoàn toàn với mạch điều khiển biến áp xung Điện trở R hạn chế dòng qua transistor xác định nội trở nguồn tín hiệu điều khiển Điôt D1 ngắn mạch cuộn sơ cấp biến áp cung transistor T khoá lại để chống áp T Điot D2 ngăn xung âm cực điều khiển Điot D mắc song song với cực điều khiển song song với tụ C có tác dụng giảm áp tiếp giáp G K thyristor bị phân cực ngợc +Un R bax D2 D3 D1 V C T Hình I.5 Các thông số thyristor Các thông số thông số dựa vào ta lựa chọn thyristor cho ứng dụng cụ thể Giá trị dòng trung bình cho phép chạy qua thyristor, IVtrb Đây giá trị dòng trung bình cho phép chạy qua thyristor với điều kiện nhiệt độ cấu trúc tinh thể bán dẫn thyristor không vợt giá trị cho phép Trong thực tế dòng điện cho phép chạy qua thyristor phụ thuộc vào điều kiện làm mát nhiệt độ môi trờng Thyristor đợc gắn lên tản nhiệt tiêu chuẩn làm mát tự nhiên Ngoài thyristor tản đợc làm mát cỡng nhờ quạt gió dùng nớc để tải nhiệt lợng toả -8- Đồ án môn học điện tử công suất Thiết kế điều chỉnh nhiệt độ lò điện trở pha nhanh Nói chung lựa chọn dòng điện theo điều kiện làm mát nh sau: - Làm mát tự nhiên: Dòng sử dụng cho phép đến 1/3 dòng IVtrb - Làm mát cỡng quạt gió: Dòng sử dụng 2/3 IVtrb - Làm mát cỡng nớc: Có thể sử dụng đến 100% dòng IVtrb Điện áp ngợc cho phép lớn nhất, Ungmax Đây giá trị điện áp ngợc lớn cho phép đặt lên thyristor Trong ứng dụng phải đảm bảo thời điểm điện áp anot catot UAK nhỏ Ungmax Ngoài phải đảm bảo độ dự trữ định điện áp, nghĩa Ungmax phải đợc chọn 1,2 1,5 lần giá trị biên độ lớn điện áp sơ đồ Thời gian phục hồi tính chất khoá thyristor , tr (à s) Đây thời gian tối thiểu phải đặt điện áp âm lên anot catot thyristor sau dòng anot catot không trớc lại có điện áp UAK dơng mà thyristor khoá t r thông số quan trọng thyristor nghịch lu phụ thuộc nghịch lu độc lập, phải đảm bảo thời gian dành cho trình khoá phải 1,5 lần tr Tốc độ tăng điện áp cho phép dU (V / às) dt Thyristor đợc sử dụng nh phần từ có điều khiển, nghĩa đợc phân cực thuận (UAK > 0) nhng phải có tín hiệu điều khiển cho phép dòng điện chạy qua Khi thyristor đợc phân cực thuận phần lớn điện áp rơi lớp tiếp giáp J2 nh đợc hình -9- Đồ án môn học điện tử công suất pha Thiết kế điều chỉnh nhiệt độ lò điện trở anot p J1 i = C12(dU/dt) n C12 J2 p J3 G n Hình Lớp tiếp giáp J2 bị phân cực ngợc lên độ dày nở tạo vùng không gian nghèo điện tích, cản trở dòng điện chạy qua Vùng không gian coi nh tụ điện có điện dụng CJ2 Khi có điện áp biến thiên với tốc độ lớn dòng điện tụ có giá trị đáng kể, đóng vai trò nh dòng điều khiển Kết thyristor mở cha có tín hiệu điều khiển vào cực điều khiển G Tốc độ tăng điện áp thông số phân biệt thyristor tần số thấp với thyristor tần số cao thyristor tần số thấp V/às, với thyristor tần số cao Tốc độ tăng dòng cho phép dU vào khoảng 50 200 dt dU đạt đến 500 2000 V/às dt dI (A/às) dt Khi thyristor bắt đầu mở điểm tiết diện tinh thể bán dẫn dẫn dòng điện đồng Dòng điện chạy qua bắt đầu số điểm, gần với cực điều khiển nhất, sau lan toả dần sang điểm khác toàn tiết diện Nếu tốc độ tăng dòng lớn dẫn đến mật độ dòng điện điểm dẫn ban đầu lớn, phát nhiệt cục mãnh liệt dẫn đến hỏng cục bộ, từ dẫn đến hỏng toàn tiết diện tinh thể bán dẫn - 10 - Đồ án môn học điện tử công suất pha Thiết kế điều chỉnh nhiệt độ lò điện trở II.3 Tạo điện áp ta dạng tăng tuyến tính nửa chu kỳ sử dụng khuếch đại thuật toán OA mạch tạo điện áp tựa dạng tăng dùng trandisto có nhợc điểm chung phụ thuộc rõ thời điểm mở khoá bảng vào điện áp đồng pha Do điện áp tăng nhiều bị biến động theo điện áp lới điện xoay chiều Điều làm ảnh hởng tới góc điều khiển nh phạm vi điều chỉnh Hiện mạch tạo sử dụng OA ngày đơc ứng dụng nhiều khắc phụ đợc nhợc điểm mạch dùng trandisto Mặt khác giá thành OA rẻ Sơ đồ mạch tạo nửa chu kỳ dùng OA D2 D1 A +E R1 OA1 + U~ -E R0 R2 D3 - BAĐF C1 B +E - C OA2 + R3 D2 P1 +E R4 UA UA +E t t t - 24 - -E UOA2 Đồ án môn học điện tử công suất pha Thiết kế điều chỉnh nhiệt độ lò điện trở Khuếch đại thuật toán OA1 đấu theo sơ đồ so sánh, có nhiệm vụ so sánh điện áp đầu vào OA1 Điện áp đầu tuân theo quy luật: Ura= k0U = K0(U+ - U-) Tầng OA2 làm nhiệm vụ tạo điện áp ca Nguyên lý làm việc nh sau Khi điện áp đầu OA1: UB[...]... 10000 = = 3, 6 K 2.C2 ln(1 + 2 R8 / R9 ) 2.10.10 9 ln(1 + 2.12 / 8) - 34 - Đồ án môn học điện tử công suất pha Thiết kế bộ điều chỉnh nhiệt độ lò điện trở 3 Uđb UA Ung UB UC Ut UD UN UGKT1,T4 Giản đồ điều chế xung - 35 - Uđk Đồ án môn học điện tử công suất pha Thiết kế bộ điều chỉnh nhiệt độ lò điện trở 3 Nguyên lý hoạt động mạch điều khiển Trên sơ đồ nguyên lý thể hiện hệ thống điều khiển bao gồm 3 kênh,... UđpB C UđpC C UđpC 0V điều khiển a) Sơ đồ đấu nối tam giác a) Sơ đồ đấu nối tam giác - 22 - Đồ án môn học điện tử công suất pha Thiết kế bộ điều chỉnh nhiệt độ lò điện trở 3 A C Điện áp nguồn 3 pha B O 5 10 15 20 25 30 o 5 10 15 20 25 30 25 Biến áp5 đồng bộ1 03 pha &1 5điện áp20đồng pha 30 Uđp của pha A o Uđp của pha A a/ Điện áp đồng pha khi sơ cấp dấu tam giác o b/ Điện áp đồng pha khi sơ cấp dấu sao... - 17 - V4 V 3 V 4 V 5 Đồ án môn học điện tử công suất pha Thiết kế bộ điều chỉnh nhiệt độ lò điện trở 3 Chơng ii Tính toán thiết kế chọn mạch lực do 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... hai trờng hợp sau : a/ điện áp thứ cấp thấp hơn điện áp sơ cấp nh dòng điện thứ cấp rất lớn b/ điện áp thứ cấp mà tải yêu càu cao hơn nhiều lần điện áp nguồn - 13 - Đồ án môn học điện tử công suất Thiết kế bộ điều chỉnh nhiệt độ lò điện trở 3 pha 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 đợc khoá tự nhiên bằng điện áp nguồn và cũng... tính trong điện áp điều khiển và điện áp của bộ ĐAXC - 23 - Đồ án môn học điện tử công suất pha Thiết kế bộ điều chỉnh nhiệt độ lò điện trở 3 II .3 Tạo điện áp ta dạng tăng của tuyến tính ở cả 2 nửa chu kỳ sử dụng khuếch đại thuật toán OA ở các mạch tạo điện áp tựa dạng tăng của dùng trandisto có nhợc điểm chung là sự phụ thuộc khá rõ thời điểm mở và khoá các bảng vào điện áp đồng pha Do vậy điện áp tăng... thuần trở, Z A= ZB= ZC Đồ thị dạng điện áp trên tải với góc điều khiển =30 0 dợc biểu diễn trên hình 8 ZA 1 Usc 1 Usc U 2 2 2 = 90 1 2 3 5 6 5 4 v1 v1 v1 v1 v1 v5 v6 v6 v2 v2 v6 v2 v3 Hình 8 Đồ thị dạng điện áp trên tải với góc điều khiển =30 0 - 15 - UB UC o Đồ án môn học điện tử công suất pha sơ đồ (a) Thiết kế bộ điều chỉnh nhiệt độ lò điện trở 3 Góc điều khiển trong XAAC đợc tính từ thời điểm điện. .. Pdm 3U f 30 .000 = 45,45( A) 3. 220 - 18 - Đồ án môn học điện tử công suất pha Dòng điện tức thời qua van Thiết kế bộ điều chỉnh nhiệt độ lò điện trở 3 i(v) = 2 I tdm sin ( A) i(v) = 2 45,45 sin = 64 ,3 sin (A) ậy dòng điện trung bình qua van là: I tbv = 1 64 ,3 64 ,3 sin d = ( cos ) 2 0 2 I tbv = 64 ,3 64 ,3 1 (1) = 20,48 (A) 6,28 6,28 - Tính điện áp ngợc đặt lên van: Điện áp ngợc lớn nhất đặt lên... 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: - 20 - Đồ án môn học điện tử công suất pha Rt = Thiết kế bộ điều chỉnh nhiệt độ lò điện trở 3 Ut 220 = = 4,8() It 45,45 1 Tính điện cảm bảo vệ tốc độ tăng dòng : di/dt Dòng mạch ĐAXC mắc trực tiếp vào lới điện, nên điện cảm này có vị trí rất quan trọng Tốc độ tăng dòng sẽ lớn nhất khi điện áp trớc khi van... suất vừa và nhỏ, nhất là với tải thuần trở vì khi đó dạng điện áp trên tải không yêu cầu khắt khe - 14 - Đồ án môn học điện tử công suất Thiết kế bộ điều chỉnh nhiệt độ lò điện trở 3 pha - Với công suất lớn có thể áp dụng trong những trờng 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 trờng hợp phải có... 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 tơng ứng sẽ bằng một nửa điện áp dây Nh trên đồ thị 8 với 01 0 02 dòng có thể chay qua cả 3 pha Khi đó V 1 dẫn ở pha A, V6 dẫn ở pha B, V5 dẫn ở pha C uZA=uA Với 02 0 03 ở pha C dòng không thể