Đồ Án Điện tử công suất và Ứng dụng xây dựng bộ Điều khiển cho bộ biến Đổi Điều Áp xoay chiều ba pha Điều khiển Điện Áp cấp cho sợ Đốt trong lò Điện trở ba pha

Khi yêu cầu điều chỉnh trơn điện áp ra trong phạm vi rộng, đặc biệt là khi công suất trung bình và lớn thì người ta sử dụng một BBĐ khác được gọi là BBĐ xoay chiều-xoay chiều hay BBĐ đi

ĐỒ ÁN 1

ĐỒ ÁN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT VÀ ỨNG DỤNG

Họ Và Tên:Hoàng Đức Hải Lớp:DHTD13A1ND MSV:19204300020

NỘI DUNG Xây dựng bộ điều khiển cho bộ biến đổi điều áp xoay chiều ba pha điều khiển điện

áp cấp cho sợ đốt trong lò điện trở ba pha.

Thông số lò điện trở ba pha

TT Điện áp nguồn lưới Công suất

8 380V 22kW

Chương 1: Tổng quan đối tượng nghiên cứu

1.1 Tổng quan lò điện trở ba pha

Trong thực tế công nghiệp và sinh hoạt hàng ngày, năng lượng nhiệt đóng một vai trò rất quan trọng Năng lượng nhiệt có thể được dùng để nung nóng, sấy khô Vì vậy việc sử dụng nguồn năng lượng này một cách hợp lý và có hiệu quả là rất cần thiết Lò điện trở được ứng dụng rất rộng rãi trong công nghiệp vì đáp ứng được nhiều yêu cầu thực tiễn đặt ra ở lò điện trở, yêu cầu kĩ thuật quan trọng nhất là phải điều chỉnh được khiệt độ của lò Đây cũng chính là yêu cầu của đồ án 1 mà em đã được giao

Định nghĩa:

Lò điện là một thiết bị điện biến điện năng thành nhiệt năng dùng trong các quá trình công nghệ khác nhau như nung hoặc nấu luyện các vật liệu, các kim loại

và các hợp kim khác nhau v.v - Lò điện được sử dụng rộng rãi trong các lĩnh vực kỹ thuật :

+ Sản xuất thép chất lượng cao

+ Sản xuất các hợp kim phe-rô

+ Nhiệt luyện và hoá nhiệt luyện

+ Nung các vật phẩm trước khi cán, rèn dập, kéo sợi

+ Sản xuất đúc và kim loại bột

- Trong các lĩnh vực công nghiệp khác :

+ Trong công nghiệp nhẹ và thực phẩm, lò điện được dùng để sất, mạ vật phẩm

và chuẩn bị thực phẩm

+ Trong các lĩnh vực khác, lò điện được dùng để sản xuất các vật phẩm thuỷ tinh, gốm sứ, các loại vật liệu chịu lửa v.v Lò điện không những có mặt trong các ngành công nghiệp mà ngày càng được dùng phổ biến trong đời sống sinh hoạt hàng ngày của con người một cách phong phú và đa dạng : Bếp điện, nồi nấu cơm điện, bình đun nước điện, thiết bị nung rắn, sấy điện v.v

1.1.1 Tổng quan nguyên lý

Trong kỹ thuật điện có nhiều trường hợp cần phải biến đổi một điện áp xoay chiều giá trị không đổi thành điện áp xoay chiều có giá trị điều chỉnh được Để biến đổi một điện áp xoay chiều thành điện áp xoay chiều cùng tần số nhưng

có giá trị khác thì phổ biến nhất là dùng máy biến áp Máy biến áp có ưu điểm

là kết cấu gọn, làm việc tin cậy, độ bền cao và nếu điện nguồn có dạng hình sin thì điện áp ra cũng có dạng hình sin Tuy vậy máy biến áp cũng có nhược điểm

là khó thực hiện thay đổi trơn điện áp ra, nhất là trong trường hợp công suất trung bình và lớn, điều này cũng hạn chế khả năng sử dụng máy biến áp trong một số trường hợp Khi yêu cầu điều chỉnh trơn điện áp ra trong phạm vi rộng, đặc biệt là khi công suất trung bình và lớn thì người ta sử dụng

một BBĐ khác được gọi là BBĐ xoay chiều-xoay chiều hay BBĐ điện áp pha

BBD xoay chiều-xoay chiều là thiết bị biến đổi điện năng sử dụng các dụng

cụ bán dẫn có điều khiển Nguyên tắc hoạt động của BBĐ là sử dụng tính chất

có điều khiển của các dụng cụ bán dẫn để cắt đi một phần trong mỗi nửa chu

kỳ của điện áp nguồn xoay chiều hình sin làm cho điện áp ra có giá trị hiệu dụng nhỏ hơn điện áp nguồn BBĐ này có ưu điểm là kết cấu cũng gọn nhẹ, hiệu suất cao, làm việc tin cậy, có khả năng điều chỉnh trơn điện áp ra trong phạm vi rộng với mọi cấp công suất Nhưng BBĐ này cũng có một số nhược điểm là độ tin cậy không bằng máy biến áp, thiết bị điều khiển tương đối phức tạp, bị hạn chế về công suất do khả năng chịu dòng và áp của các dụng cụ bán dẫn bị giới hạn, và đặc biệt là khi điện áp nguồn hình sin thì điện áp ra không còn dạng hình sin nữa

Lò điện trở làm việc dựa trên cơ sở khi có một dòng điện chạy qua một dây d

ẫn hoặc vật dẫn thì ở đó sẽ toả ra một lượng nhiệt theo định luật Jun-Lenxơ :

Q=I2 RT Trong đó:

Q:Lượng nhiệt tính bằng Jun (J)

I:Dòng điện tính bằng Ampe (A)

R : Điện trở tính bằng Ôm

T :Thời gian tính bằng giây (s)

Từ công thức trên ta thấy điện trở R có thể đóng vai trò : - Vật nung : Trường hợp này gọi là nung trực tiếp - Dây nung : Khi dây nung được nung nóng nó

sẽ truyền nhiệt cho vật nung bằng bức xạ, đối lưu, dẫn nhiệt hoặc phức hợp Trường hợp này gọi là nung gián tiếp Trường hợp thứ nhất ít gặp vì nó chỉ dùng để nung những vật có hình dạng đơn giản ( tiết diện chữ nhật, vuông và tròn ) Trường hợp thứ hai thường gặp nhiều trong thực tế công nghiệp Cho

nên nói đến lò điện trở không thể không đề cập đến vật liều để làm dây nung,

bộ phận phát nhiệt của lò

1.1.2 Các phương pháp điều khiển

Công suất ra tải của lò được tính theo công thức

P=3.U f

2

R t

Như vậy, để có thẻ thay đổi công suất ra tải,ta có thể thay đổi Rt hoặc Uf,tuy nhiên trong thực thế người ta thường chọn cách thay đổi Uf để

Có thể thay đổi công suất ra tải

Khi có sẵn một nguồn điện xoay chiều , để có thể thay đổi có thể thay đổi công suất ra tải ta có thể dung bộ biến đổi điều áp xoay chiều dùng van bán dẫn Việc điều chỉnh điện áp ra tải dựa theo nguyên tắc tương

tự ở các bộ chỉnh lưu tức là thay đổi điểm mở của van so với điểm qua không của điện áp nguồn vì vậy còn được gọi là phương pháp điều khiển pha(thay đổi góc mở van)

1.2 Bộ biến đổi điều áp xoay chiều ba pha

Khái niệm

Bộ biến đổi xoay chiều – xoay chiều (Bộ điều áp xoay chiều – DAXC) dùng chuyển đổi nguồn điện AC cố định thành nguồn điện AC thay đổi Tần số ngõ

ra bằng tần số ngõ vào

1.2.1 Sơ đồ mạch lực bộ biến đổi

1.2.2 Các phương pháp điều khiển bộ biến đổi

1.3 Đặt bài toán

Tính toán, thiết kế mạch lực theo yêu cầu công nghệ đề bài

Tính toán thiết kế mạch điều khiển theo yêu cầu công nghệ đề bài

Chương 2: Tính toán, thiết kế mạch lực

2.1 Tính toán, thiết kế mạch lực

2.1.1 Tính toán, thiết kế sơ đồ mạch lực

*tải đấu sao dùng thyristor có trung tính

-Ưu điểm: Điện áp trên các van bán dẫn nhỏ hơn sơ đồ khác vì điện áp đặt vào van bán dẫn là điện áp pha

-Nhược điểm: Sơ đồ này là trên dây trung tính có tồn tại dòng điện điều hòa bậc cao, khi góc mở của 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

*tải đấu sao dùng thyristor không trung tính

Ưu điểm: Điện áp trên các van bán dẫn nhỏ hơn sơ đồ khác vì điện áp đặt vào van bán dẫn là điện áp pha

Nhược điểm : Ở đây dòng điện chạy giửa các pha với nhau, nên đồng thời phảicấp xung điều khiển cho hai thyristor của hai pha một lúc Việc cung cấp xung điều

khiển như thế, đôi khi gắp khó khăn trong mạch, ngay cả việc đổi thứ tự pha nguồn lưới cũngcó thể làm cho sơ đồ không hoạt động

*tải đấu tam giác dùng thyristor

Ưu điểm: -Số lượng van bán dẫn tại các chế độ sẽ giảm - Làm đơn giản hóa tín hiệu điều khiển Không cần thiết xung điều khiển rộng hoặc xung khẳng định để đàm bảo

sơ đồ hoạt động

Nhược điểm: - Tuy nhiên nếu các Thyristor nối tam giác sẽ có điện áp ngược cực đại phải chịu là từ 1.5Vm đến 3 Vm

2.1.2 Tính toán, lựa chọn các phần tử mạch lực

Việc chọn và kiểm tra các thyristor cho BBĐ xoay chiều-xoay chiều cũng tương tự như đối với BBĐ xoay chiều-một chiều (chỉnh lưu) đã nghiên cứu trong chương trướcKhi tính chọn van ta phải lấy giá trị dòng qua van ở chế độ nặng nề nhất, tức tương ứng khi góc dẫn của van là cực đại ( = max = ) , lúc đó giá trị trung bình và hiệu dụng cực đại của dòng các van là Trong đó Imax là giá trị hiệu dụng cực đại của dòng tải khi quá tải cho phép với giả thiết Ut *=1 và với một tải cụ thể đã cho Điện

áp ngược lớn nhất trên van bằng biên độ điện áp nguồn xoay chiều

Dựa vào những ưu và nhược điểm trên ta chọn mạch lực dùng thyristor đấu sao không trung tính

Điện áp trên van Uv =220V Ungmax = 2 Uv = 310V Để chọn van bán dẫn, ta chọn van bán dẫn có giá trị bằng 1,6 đến 2 lần Ungmax vậy chọn van có Udm = 600V Dòng điện trên van : Iv= P

√3 U cosφ=√ 3.0 ,38.14 =6,1A

Vì dòng van không quá lớn nên ta chọn cách làm mát bằng gió cưỡng bức, khi đó van

có thể chụi được dòng đến 40% dòng đanh định trên van Chọn van có Idm= 15A Vậy ta chọn van…

2.2 Mô phỏng mạch lực

2.2.1 Xây dựng mô hình mô phỏng

Ta tiến hành mô phỏng trên Matlab Simulink và PSIM

Mô hình mô phỏng trên matlab:

Mô hình mô phỏng trên PSIM:

2.2.2 Kết quả mô phỏng Matlab Simulink:

Chương 3: Tính toán thiết kế mạch điều khiển 3.1 Tính toán, thiết kế mạch điều khiển

3.1.1 Tính toán, lựa chọn mạch điều khiển Mạch điều khiển dùng điôt-biến trở (D-R)

Ta xét một sơ đồ bộ biến đổi điện áp pha một pha có mạch điều khiển dùng điôt-biến trở như hình 4-8.Trong sơ đồ này thì T1,T2 là 2 thyristor động lực, mạch điều khiển các van của BBĐ gồm các điôt D1, D2, D3, D4, các diện trở R1,R2 và biến trở WR

* Nguyên lý hoạt động của sơ đồ Từ đặc tính V-A của tiristor ta thấy rằng: Khi giữa anôt và katôt của tiristor đang được đặt một điện áp thuận nào đó, nếu ta đặt vào điện cực điều khiển và katôt của nó một điện áp điều khiển có giá trị từ một trị số nhất định nào đó trở lên thì tiristor sẽ chuyển từ khoá sang mở Giá trị điện áp điều khiển nhỏ nhất có thể làm mở tiristor khi có một trị số điện áp thuận được gọi là điện áp điều khiển yêu cầu đối với trị số điện áp thuận đó và ta ký hiệu là uđkTyc Vậy khi trên van có một điện áp thuận nào đó thì nếu có điện áp điều khiển uđk  uđkTyc đối trị số điện áp thuận đó thì van sẽ mở, còn nếu có điện áp điều khiển nhưng uđk< uđkTyc thì van không mở Điện áp thuận trên van thay đổi thì giá trị uđkTyc cũng thay đổi theo: Điện áp thuận trên van tăng thì giá trị điện áp điều khiển yêu cầu giảm,nếu điện áp thuận trên van có dạng nửa hình sin thì đồ thị uđkTyc có dạng như trên hình 4.9a Để đơn giản cho việc xét nguyên lý làm việc của sơ đồ ta tạm giả thiết

là điện áp điều khiển yêu cầu không phụ thuộc vào trị số điện áp thuận trên van (như hình 4.9b) Giả thiết như vậy tuy không phù hợp với thực tế nhưng không ảnh hưởng đến nguyên lý làm việc của sơ đồ nên có thể chấp nhận được trong trường hợp này

Ta chọn mốc xét t=0 là thời điểm ung=0 và bắt đầu chuyển sang dương, giả thiết tải thuần trở Vậy tại t=0 thì dòng tải cũng bằng không, lúc đó van T2 vừa khoá và T1 bắt đầu có điện áp thuận, nếu T1 chưa mở thì qua D2- 183 WR-R1-Rt (đã giả thiết Zt=Rt) sẽ có một dòng điện do nguồn cung cấp tạo nên và dòng điện này gây nên trên R1 một sụt điện áp mà điện áp này sẽ được đưa qua D1 đến điện cực điều khiển của T1 Vậy nếu bỏ qua sụt áp trên D1 mở thì ta có uđkT1=uR1 Ta có: Từ đồ thị ta thấy khi  > t 0: uđkT1 < uđkTyc và T1 chưa mở, tại t= thì uđkT1= uđkTyc, van T1 bắt đầu mở và sẽ dẫn dòng cho đến t= Tại t= thì ung=0 và bắt đầu đổi dấu nênT1 khoá lại ,van T2 bắt đầu được đặt điện áp thuận,nếu T2 chưa mở thì lúc này qua tải (Rt)-D4-WR-R2 sẽ có dòng điện do nguồn cung cấp tạo nên Sụt điện áp trên R2 bởi dòng điện này sẽ được truyền qua D3 đến điện cực điều khiển T2 và nếu bỏ qua điện áp trên D3 mở Trong các chu kỳ tiếp theo sơ đồ làm việc tương tự Cả 2 van trong sơ đồ đều mở với một giá trị góc điều khiển là  như nhau Từ nguyên lý hoạt động đã nêu kết hợp với đồ thị hình 4-9 ta thấy rằng có thể thay đổi góc điều khiển

 bằng cách thay đổi biên độ của điện áp tính theo biểu thức: ung.R1/(R1+WR) Để thực hiện người ta thường thay đổi giá trị biến trở WR Với mạch điều khiển này thì góc điều khiển tối đa max=/2 Như vậy mạch điều khiển nay không dùng được cho trường hợp BBĐ làm việc với phụ tải thuần cảm (ngay cả những trường hợp điện cảm lớn thì cũng không nên sử dụng vì lúc đó phạm vi thay đổi của góc điều khiển

 rất hẹp

Mạch điều khiển D-R-C

Trong sơ đồ này người ta thay vào vị trí 2 điện trở R1 và R2 của sơ đồ trước bằng hai

tụ C1,C2 Nguyên lý làm việc của sơ đồ được minh hoạ trên đồ thị hình 4.11 Từ đồ

thị ta thấy rằng nhờ sử dụng các tụ mà góc điều khiển cực đại có thể đạt giá trị tương đối lớn

Mạch điều khiển biến trở-điôt cho BBĐ 3 pha không đối xứng

Nguyên lý hoạt động của mạch điều khiển trên hình 4.12 (phần nét mảnh) cũng gần tương tự với mạch điều khiển biến trở-điôt của BBĐ một pha đã xét Chỉ khác là BBĐ trong sơ đồ này chỉ có 3 thyristor nên kết cấu mạch gọn hơn Chú ý là sơ đồ BBĐ này chỉ dùng cho phụ tải dạng điện trở thuần, không được dùng để cung cấp cho động cơ hoặc máy biến áp

Ta dùng phương pháp điều khiển dọc với nhiều ưu điểm và dễ thực hiện

Ở phương pháp này có tất cả 10 khâu

1 Khâu đồng bộ

2 Khâu tạo điện áp tựa

3 Khâu so sánh

4 Khâu tạo dạng xung: xung chùm, xung đơn, xung kép

5 Khâu phân kênh

6 Khâu khuếch đại xung và cách li

7 Khâu đo lường

8 Khâu Bảo vệ

9 Khâu tạo điện áp điều khiển

10 Khâu tạo tín hiệu đặt

3.1.2 Tính toán, lựa chọn các phần tử trong mạch điều khiển

*Mạch đồng pha

- Đồng pha bằng máy biến áp

*mạch đồng bộ

Nhằm tạo điện áp có hình dạng và tần số phù hợp theo yêu cầu hoạt động của khâu

rạo điện áp tựa

Nếu Ucl > Ung thì Uđb dương và bằng điện áp bão hòa của OA: Uđb = +Ubh

Nếu Ucl < Ung thì Uđb âm và Uđb = - Ubh

*mạch tạo điện áp răng cưa

Udb<0 (OA1 bão hòa âm: Udb= -Ubh), diode D3 dẫn Sử dụng đặc điểm của OA là điện

thế giữa hai cửa (+) và (-) của nó bằng nhau, ta có điện thế điểm (-) của OA2 bằng 0

do điểm (+) nối với 0V Lúc này theo sơ đồ mạch ta thấy điện áp trên tụ điện C bằng

điện áp ở đầu ra của OA2: uc=urc

2

3 3 3

2 3 2 3

c C R R

U U E U U E t

u i d t i i d t d t

C C C R R R R C

Khi điện áp này đạt trị số ngưỡng của diode ổn áp Dz thì nó thông và giữ điện áp ra ở

trị số ổn áp này (nếu không có Dz thì điện áp tăng tới trị số bằng +Ubh)

Uđb>0 (OA1 bão hòa dương: Udb=+Ubh), diode D3 khóa nên dòng qua R2 bằng 0 Lúc

này dòng qua tụ C bằng dòng đi qua điện trở R3, dòng điện này ngược chiều với

dòng đi qua tụ C ở nửa chu kỳ trước, có nghĩa là tụ C phóng điện:

3

3 3

E E

u u U i d t U d t U t

C C R C R

Do đó tụ điện áp trên tụ C, cũng là điện áp ra, giảm xuống theo hàm tuyến tính Khi

điện áp giảm đến 0 rồi âm xuống thì diode Dz dẫn theo chiều thuận như các diode

thường, giữ cho điện áp ở giá trị xấp xỉ sụt áp trên diode bằng -0,7V

*khâu so sánh:

*khâu tạo dạng xung:

*khâu tách xung:

Trong mạch điều khiển chỉnh lưu, điện áp tựa được tạo ra trong cả hai nửa chu kỳ bằng một mạch duy nhất Lúc này khâu so sánh sẽ xác định góc điều khiển cho cả hai van thuộc cùng một pha của mạch lực:

+ Một van làm việc ở nửa chu kỳ dương,

+ Một van ở nửa chu kỳ âm của lưới điện xoay chiều

Như vậy sau khâu tạo dạng xung (DX) ta nhận được hai xung điều khiển ở cả hai nửa chu kỳ này Tuy nhiên việc phát xung điều khiển cho van khi điện áp trên van âm là

có thể được nhưng không mong muốn Để tránh điều này cần có thêm một khâu tách xung (còn gọi là phân phối xung), lúc đó van lực chỉ nhận xung điều khiển chỉ ở giai đoạn khi điện áp trên nó là dương uAK>0

*Khâu khuếch đại xung và phân chia xung;

+ Dòng điện Iv khoảng 3mA, Ig khoảng 300-600mA

+ Điện áp Uv khoảng 10-15V, Ug khoảng 2-5V

3

g I

v

I

K



Mạch khuếch đại có hai chức năng:

1 Khuếch đại tín hiệu

2 Cách ly mạch điều khiển với mạch lực

*Khâu tạo điện áp điều khiển:

3.2 Mô phỏng mạch điều khiển Mạch phát xung kép:

Mạch phát xung chùm:

3.2.1 Xây dựng sơ đồ mô phỏng 3.2.2 Kết quả mô phỏng