Thiết kế nguồn điều chỉnh công suất là điện trở 14,5 KW

Kể từ đó đến nay, nghànhcông nghiệp điện tử của thế giới đã không ngừng phát triển, ngời ta đã chế tạo đ- ợc những thiết bị bán dẫn công suất lớn hơn nh diốt, tivitor, triac, transistor

Lời nói đầu

Lịch sử của nghành công nghiệp điện tử đợc đánh dấu bằng những sự kiệnquan trọng nh sự ra đời của thyrator (1902), cho John Fleming, kỹ s ngời Anhsáng chế, sự ra đời của transistor (1948), do hai nhà vật lý ngời Mỹ là JonhBardeen và W.H Brattain sáng chế, và đến năm 1956 nhóm kỹ s của hãng Bell– Téléphone cho ra đời sản phầm thyvistor đầu tiên Kể từ đó đến nay, nghànhcông nghiệp điện tử của thế giới đã không ngừng phát triển, ngời ta đã chế tạo đ-

ợc những thiết bị bán dẫn công suất lớn hơn nh diốt, tivitor, triac, transistor chịu

đợc điện áp cao và dòng điện lớn; và cả những thiết bị bán dẫn cực nhỏ nh vimạch, vi mạch đa chức năng, vi xử lý là những phần tử thiết yếu trong mạch điềukhiển thiết bị bán dẫn công suất nói trên

Trong giai đoạn công nghiệp hóa – hiện đại hóa nền kinh tế đất nớc hiệnnay, ngày càng có nhiều thiết bị bán dẫn công suất hiện đại đợc sử dụng tronglĩnh vực phục vụ đời sống sinh hoạt của con ngời

Do nhu cầu tiếp thu các tiến bộ khoa học kỹ thuật nhằm đáp ứng yêu cầu

đổi mới công nghệ xuất hiện nhiều thiết bị và dây chuyền sản xuất tiên tiến,trong đó sử dụng nhiều điện tử công suất có tính năng kỹ thuật ngày càng đợchoàn thiện Muốn tiếp cận và sử dụng đợc thành thạo các phơng tiện kỹ thuậthiện đại đó Mỗi cán bộ khoa học kỹ thuật cần có hiểu biết cơ bản về kỹ thuật

điện tử nói chung và kỹ thuật điện tử công suất nói riêng

Nắm đợc những kiến thức cơ bản về điện tử công suất, mỗi cán bộ kỹ thuật

có thể tìm hiểu và sử dụng với hiệu quả cao hơn các thiết bị điện tử trong các nhàmáy móc và thiết bị tiên tiến hiện nay

Một trong những ứng dụng đặc trng của kỹ thuật điện tử công suất đựơcứng dụng và các thiết bị sản xuất là các bộ nguồn điều chỉnh công suất là điệntrở Theo yêu cầu của đề tài đựơc giao, trong đồ án này sẽ trình bày việc “Thiết

kế nguồn điều chỉnh công suất là điện trở 14,5 KW”

Muốn điều chỉnh công suất là điện tử, ngời ta có thể dùng phơng án điềuchỉnh điện áp xoay chiều 3 pha Trong phơng án này ta có thể dùng sở đồ điềukhiển hoàn toàn hoặc sơ đồ bán điều khiển

Vì sử dụng đến một môn khoa học kỹ thuật hiện đại và đang phát triển nêntrong đồ án này không tránh khỏi những sai sót nhất định Chính vì vậy em rấtmong có sự đóng góp ý kiến của các bạn đồng nghiệp, các thầy cô trong bộ môn

tự động hóa và nhất là thầy giáo trực tiếp hớng dẫn để cuốn đồ án này hoànthiện, đầy đủ hơn

Hải Phòng, ngày tháng năm

Sinh viên

1

Mục lục

Lời nói đầu 1

Mục lục 3

Phần I:Khái quát về lò điện trở 4

1 Yêu cầu đối với vật liệu làm dây đốt: 5

Phần II: Các phơng án điều chỉnh công suất lò điện trở 7

1 Sơ đồ điều chỉnh điện áp xoay chiều một pha 7

a Nguyên lý làm việc của sơ đồ khi tải thuần trở 7

b Khi tải gồm điện cảm và điện trở, L + R 7

c Sơ đồ điều chỉnh điện áp tải dùng Triac

12 2 Sơ đồ điều chỉnh điện áp xoay chiều 3 pha

17 a Phơng án 1

17 b Phơng án 2

22 Phần III:Chọn phơng án và tính chọn các phần tử công suất 31

Phần IV: làm việc của sơ đồ 33

1 Sơ đồ điều khiển và cấu trúc của sơ đồ

33 a Sơ đồ

33 b Cấu trúc của sơ đồ

33 2 Nguyên lý làm việc của các khâu trong mạch điều khiển

35 a Khâu tạo điện áp răng ca 35

b Kh©u so s¸nh vµ t¹o xung 37

39

PhÇn V: NhËn xÐt vµ rót ra kÕt luËn 40

3

Phần I:

Khái quát về lò điện trở

Lò điện trở là thiết bị biến đổi điện năng thành nhiệt năng thông qua dây

đốt (dây điện trở) Từ dây đốt, qua bức xạ, đối lu và truyền nhiệt, nhiệt năng đợctruyền tới vật cần gia nhiệt Lò điện trở thờng dùng để nung, nhiệt luyện, nấuchảy kim loại màu và hợp kim màu

Lò điện trở đợc dùng nhiều công nghiệp và trong các phòng thí nghiệm Cónhiều cách phân loại lò điện trở

Ngời ta phân loại lò điện trở theo nhiệt độ làm việc của lò, lò đợc chia ra:

Hoặc theo đặc tính làm việc nh:

- Lò làm việc liên tục

- Lò làm việc gián đoạn

Lò làm việc liên tục đợc cấp điện liên tục và nhiệt độ giữ ổn định ở một giátrị nào đó, đợc thể hiện ở hình vẽ sau:

Quá trình khởi động lò: Khi khống chế nhiệt độ bằng cách đóng cắt nguồnthì nhiệt độ sẽ dao động quanh giá trị: nhiệt độ cần ổn định

Lò làm việc gián đoạn đợc thể hiện trên hình vẽ sau:

Phân loại theo kết cấu lò có:

1 Yêu cầu đối với vật liệu làm dây đốt:

Trong lò điện trở, dây đốt là phần tử chính biến đổi điện năng thành nhiệtnăng thông qua hiệu ứng Joule Dây đốt làm từ các vật liệu thoả mãn các yêu cầusau:

- Chịu đợc nhiệt độ cao

- Hợp kim: Cr – N; Cr – Al với lò có nhiệt độ làm việc dới 12000C

- Hợp chất: SiC, MoSi2 với lò có nhiệt độ làm việc 12000C  16000C

5

Nói đến lò điện trở, ngời ta thấy rằng đi cùng với lò là các phơng án điềuchỉnh công suất lò sao cho lò làm việc hiệu quả nh mong muốn của ngời sảnxuất Trong thực tế lò điện tử cũng có rất nhiều phơng án điều chỉnh công suất

lò Dới đây sẽ trình bày các phơng án để điều chỉnh công suất lò điện trở

Phần II:

Các phơng án điều chỉnh công suất lò điện trở

1 Sơ đồ điều chỉnh điện áp xoay chiều một pha:

Hình 1Sơ đồ điều chỉnh điện áp xoay chiều một pha trình bày trên (hình 1), gồmhai Tiritor đấu song song ngợc Cho phép điều chỉnh điện áp xoay chiều, vì anốt

T1 nối với catốt T2 và Anốt T2 nối với catốt T1 Nêu trong mạch điều khểin nhấtthiết phải dùng một biến áp xung có hai cuộn dây thứ cấp cách ly với nhau

a Nguyên lý làm việc của sơ đồ khi tải thuần trở.

Khi cấp nguồn điện xoay chiều mà điện áp dơng đặt vào amốt của T1, đồngthời cấp cả xung điều khiển thì T1 mở Một phần của nửa chu kỳ dơng điện ápnguồn điện lên mạch tải

Khi cấp nguồn điện xoay chiều mà điện áp dơng đặt vào amốt của T2, đồngthời cấp cả xung điều khiển thì T2 mở Một phần của nửa chu kỳ âm điện áp đợc

Chøng tá ngay c¶ trêng hîp t¶i thuÇn trë, líi ®iÖn xoay chiÒu vÉn ph¶i cungcÊp mét lîng c«ng suÊt ph¶n kh¸ng cho thiÕt bÞ.

H×nh 2

9

b Khi t¶i gåm ®iÖn c¶m vµ ®iÖn trë, L + R

) sin(

H×nh 3

11

Trong các biểu thức trên  = 0 tại gốc toạ độ 0’ các gốc 0 một góc .Tiristor T1 phải đợc khóa lại trớc khi cấp xung mở T2 Nếu không thì không mở

2 sin 2 2

2

R U

Vậy bằng cách làm thay đổi góc  từ 0   ngời ta có thể điều chỉnh đợccông suất tải

Sơ đồ gồm có: R - điện trở, Diac và Triac, tụ điện

* Nguyên lý làm việc của sơ đồ:

Khi đóng nguồn điện xoay chiều, trong nửa chu kỳ dơng tụ điện C đợc nạp

điện, bản cực dơng ở phía trên Trong nửa chu kỳ âm bản cực dơng ở phía cuối

Điều chỉnh chiết áp P có thể điều chỉnh vị trí góc mở  Do đó điều chỉnh đợccông suất tải.

Trong sơ đồ điều chỉnh điện áp tải dùng Triac, hai phần tử chủ yếu của sơ

đồ là Triac và Diac Dới dây sẽ trình bày nguyên lý làm việc cảu hai phần tử này

* Triac:

Triac là thiết bị bán dẫn 3 cực, 4 lớp, có đờng đặc tính vôn – ampe đốixứng Nhận góc  trong cả 2 chiều Nh vậy, Triac đợc chế tạo để làm việc trongmạch điện xoay chiều, có tác dụng nh hai Tiristor đấu song song ngợc

- Cấu trúc là ký hiệu:

Hình 5Cấu trúc và ký hiệu của Triac đợc trình bày trên hình 5

Có 4 tổ hợp điện thế có thể mở Triac cho dòng chảy qua

* Nguyên lý làm việc của Triac:

Trờng hợp B2 (+), G(+) Tiristor mở cho dòng chảy qua nh một Tiristorthông thờng

13

Trờng hợp B2 (-), G (-) Các điện tử từ N3 phóng vào P2 phần lớn bị trờngnội tại Ei1 hút vào khếin cho barie này giảm thấp gần nh toàn bộ Điện áp ngoài

đợc đặt lên J2 khiến cho barie này cao lên Nếu điện áp ngoài đủ lớn làm chobarie này cao đến mức hút những điện tích thiểu số (các điện tử của P1) và làm

động năng của chúng để bẻ gẫy các liên kết của các nguyên tử Si trong vùng Kếtquả là một phản ứng dây chuyền thì T’ mở cho dòng chảy qua

* Diac:

Diac là một thiết bị bán dẫn 4 lớp PN có thể dẫn điện cả hai chiều

Cấu trúc và ký hiệu: (xem hình 6)

Hình 6Trên hình vẽ: B1 và B2 là 2 đầu nối của Diac

* Nguyên lý làm việc của diac:

Xét phần P1 – N2 – P2 – N3

Khi đầu B1 dơng, đầu B2 âm Các mặt ghép B và D phân cực thuận, mặtghép C phân cực ngợc Nếu điện áp giữa hai đầu B1, B2 là U12 có trị nhỏ, vừa phảithì Diac ở trạng thái bão hoà

Nếu tăng U12 lên đến 1 trị nào đó gọi là Ubôi (breac down) thì mặt ghép C trởthành vùng dẫn điện, diac dẫn dòng Nó dẫn dòng cho đến khi U12 giảm xuống

đến mức điện áp thấp của nó là Ue

Khi điện thế ở dầu B1 âm, đầu B2 dơng

Các mặt ghép A, C phân cực thuận, mặt ghép B phân cực ngợc Nếu điện ápgiữa hai đầu B1 và B2 là U21 Có trị nhỏ vừa phải thì diac ở trạng thái khóa Nếutăng U21 lên đến một tri nào đó gọi là Ubr thì mặt ghép B trở thành vùng dẫn điện– diac dẫn dòng Nó dẫn dòng cho đến khi U21 giảm xuống đến mức điện ápthấp của nó là Ue

Đặc tính V – A của diac đợc trình bày trên hình sau:

* Sơ đồ bộ phát xung điều khiển dùng diac:

(Xem hình 7)

Hình 7Khi ngời ta đặt một điện áp xoay chiều lên mạch điện:

U

c

 1

Trị hiệu dụng của điện áp giữa 2 bản cực của tụ điện C

2 2

2 1

1

2

c

U c

Khi khoá K đóng xuống: Nếu Ucmax > Ubr thì diac dẫn dòng, lúc này tụ điện

C phóng điện qua diac, R’i’ > 0 Uc giảm xuống Ue của diac Diac khóa lại R’i’ =

0, tụ điện C lại đợc nạp điện đến Uc > Ubr – diac lại dẫn dòng

Kết quả là: Trong nửa chu kỳ dơng của điện áp nguồn ta nhận đợc mộtchuỗi xung dơng, trong nửa chu kỳ âm của điện áp nguồn ta nhận đợc một chuỗixung âm

Ngời ta sử dụng những xung này để điều khiển triac trong mạch điện xoaychiều

Ngoài phơng án điều chỉnh công suất lò điện trở nh đã trình bày ở trên Tacòn có thể dùng các phơng án điều chỉnh công suất tải 3 pha Dới đây sẽ trìnhbày các phơng án này.

2 Sơ đồ điều chỉnh điện áp xoay chiều 3 pha.

Nhiệm vụ thiết kế là điều chỉnh công suất lò điện trở 14,5 KW Để điềuchỉnh công suất lò điện trở cỡ này ngời ta thờng dùng sơ đồ 3 pha điều khểinhoàn toàn hoặc sơ đồ bán điều khiển

a Phơng án 1:

Sơ đồ 3 pha điều khiển hoàn toàn(3 cặp Tiristor đấu song song ngợc)

Nh đã biết công suất tải phụ thuộc vào bình phơng của điện áp tải

Để điều chỉnh công suất tải cần phải biết:

U = f()

* Sơ đồ 3 pha điều khiển hoàn toàn: (xem hình 8 trang bên)

Trong sơ đồ gồm 3 cặp Tiristor đấu song song ngợc, tải 3 pha thuần trở

* Nguyên lý làm việc của sơ đồ:

Khi 3 Tiristor ở 3 pha cùng mở, cho dòng điện cháy qua thì điện áp pha tảibằng điện áp pha tơng ứng của nguồn Ua’ = Ua

Khi chỉ có 2 Tiristor ở 2 pha mở cho dòng điện chảy qua thì điện áp pha tải

đang xét bằng nửa điện áp dây giữa hai pha liên quan, Ua’ =

2

1

Uab hoặc Ua’ =

2 1

Uac

17

Giả thiết: Ua = 2Usin t

Uab = Ua – Ub = U

6 sin(

6 t  )Các đờng cong Ua, 1/2 Uab, 1/2 Uac đợc biểu diễn trên hình 8.Xét điện áp tải pha a: Ua’

Góc  đợc tính từ điểm đi qua trị 0 của điện áp nguồn.

Các Tiristor đợc điều khiển theo thứ tự 1, 2, 3, 4, 5, 6, 1

- Khi cấp tín hiệu điều khiển mở Tiristor Ti thì đồng thời cấp tín hiệu điềukhiển mở Tiristor Ti = 1

- Khi T1 và T2 dẫn dòng, dòng điện chảy trong T1 là iT1 = i12 =

Do đó: iT1 =

R

2 3

Tiristor T1 sẽ khóa lại khi iT1 = 0 tức là khi Ua = 0

Suy ra: T6 và T3 khoá lại Ub = 0

T2và T5 khóa lại khi Uc = 0

Đờng cong biểu diễn điện áp tải pha a là Ua’ gồm 5 đoạn trong nửa chu kỳ

đợc trình bày trên hình vẽ Có lúc 3 Tiristor dẫn dòng, có lúc chỉ có 2 Tiristordẫn dòng

* Công suát tải 3 pha khi o <   60 0

P = 3I2R =

R

U a2 '

3

Trong đó Ua’ là trị hiệu dụng của điện áp tải pha a

Theo định nghĩa về trị hiệu dụng ta có thể viết

3 / 2

3 /

2 2

2 2

2

6 )

sin 2 (

d U

2 2

3 2

3 1

2 2

3 2

3 1

19

Xét về nguyên tắc, iT1 tồn tại cho đến khi Uac = 0 Nhng vừa cấp tién hiệu

* Công suất tải 3 pha khi 600    900

Xác định trị hiệu dụng của điện áp tải pha a là Ua’

d U

2 6

/ 5

3 / 2 /

3 / 6 / 5

2 / 2 /

2

sin 2

6 sin

2 6 1

3 4

5 2 2

3 4

5

3 2

R

U

Biểu thức này đúng với các góc mở 900    1500

Trong các biểu thức trên, U là trị hiệu dung của điện áp pha của nguồn điệnxoay chiều

* Quan hệ giữa công suất tải và  :

Đờng cong biểu diễn công suất tải Pt là hàm số của góc mở  Đợc tính ghitrong bảng dới đây và đợc trình bày trên hình 9 trang bên

Công suất tải 3 pha (Sơ đồ 3 căp Tiristor đấu song song ngợc) U = 220V; R

3 2

3 1

2 sin 9 2 1

3 4 5

3 2

R U

P t ,KW 14.52 14.44 13.89 12.54 10.26 7.26 4.26 1.98 0.62 0.88 0

21

Hình 9

b Phơng án 2:

Sơ đồ 3 pha bán điều khiển

Sơ đồ điền chính điện áp xoay chiều ba pha bán điều khiển gồm 3 cặp

“Tiristor – Diôt” đấu song song ngợc Đợc trình bày trên hình 10 dới đây:

Hình 10

* Nguyên lý làm việc của sơ đồ

(Đồ thị các dạng điện áp đợc trình bày trên hình 11 trang bên)

Khi 3 Tiristor ë 3 pha cïng më cho dßng ®iÖn ch¸y qua th× ®iÖn ¸p pha t¶ib»ng ®iÖn ¸p pha t¬ng øng cña nguån Ua’ = Ua.

Khi chØ cã 2 Tiristor vë 2 pha më cho dßng ®iÖn ch¸y qua th× ®iÖn ¸p pha

t¶i ®ang xÐt b»ng nöa ®iÖn ¸p d©y gi÷a 2 pha liªn quan Ua’ =

H×nh 11

Gi¶ thiÕt: Ua’ = 2 sin t

3 4

3 / 2

2 2

2 2

2

6 sin

2 2

1

d U

d U

d U

2 2

sin 2 sin

2

6

d U

3 1

2 2

2 sin 3 4

3 1

3 2

R

U R

2 /

3 4

3 / 2

2 2

2 2

2

6 sin

2 2

2 2

sin 2 sin

2

6

d U

3 8

3 8

11 3

2

R

U R

2

2 2 2 3

2 2

2

2

6 sin

2

6 2

2 sin 3 4

3 8

7 3 2

'

R

U R

U a

25

* Quan hệ giữa công suất tải và góc mở  :

Từ các công thức công suất tải nh đã trình bày ở trên, có thể thấy rằng khi

ta điều chỉnh góc mở  thì có thể điều chỉnh đợc công suất tải/

Đờng cong biểu diễn công suất tải Pt là hàm số của góc mở x đợc tính ghitrong bảng ở trang bên và đợc trình bày trên hình số 12

Công suất tải 3 pha (Sơ đồ 3 cặp Tiristor – diôt song song ngợc)

U = 220v , R = 10

3 1

2 sin 3 4

3 8

7

3 2

R U

27

H×nh 12

H×nh 1329

Qua hai đờng cong Pt công suất hàm của góc điều khểin, có nhận xét:

Thấy rằng hai sơ đồ này đều cho phép điều chỉnh công suất là từ lớn nhất(14,5 kw) cho đến 0

Đối với sơ đồ điều khểin hoàn toàn góc  biến thiên đợc phép từ 00 cho đến

1500 Còn với sơ đồ bán điều khểin góc  biến thiên đợc phép từ 00 cho đến 1800.Sơ đồ điều khểin hoàn toàn phải sử dụng 6 Tiristor kèm theo là 6 kênh điềukhiển

Sơ đồ bán điều khểin chỉ cần 3 Tiristor và 3 diốt cần 3 kênh điều khiển.Hai đờng cong này công suất P =f() có dạng gần giống nhau Nhng đờngcong của sơ đồ điều khiển hoàn toàn dốc hơn, do đó nó điều khểin công suất lònhanh nhạy hơn

Xét về mặt kinh tế sơ đồ bán điều khiển rẻ hơn, độ làm việc tin cậy cao hơn.Chính vì vậy chúng em chọn phơng án bán điều khiển

Phần III:

Chọn phơng án

và tính chọn các phần tử công suất

Qua các phơng án điều chỉnh công suất lò điện trở đã trình bày ở phần trên,

đồng thời dựa vào những u điểm của từng phơng án Ngời ta đã chọn phơng ándùng sơ đồ 3 pha bán điều khiển

Sau đây sẽ trình bày phần tính chọn các phần tử công suất trong sơ đồ bán

điều khểin của lò điện trở, với công suất lò là: P = 14,5 kw

.



lt

P K

Chän 3 dièt: B – 50 90V

TÝnh trän d©y dièt lµ ®iÖn trë

Rd® =   8 , 3 

10 58

220

2 2 2

dd

R

10 26

,

1

10 25

- Khâu tạo điện áp răng ca.

- Khâu so sánh và tạo xung

- Khâu khuếch đại xung

* Khâu tạo điện áp răng c a:

Gồm có các phần tử chủ yếu là: T1 và T3 là 2 Tranzistor loại bóng ngợcNPN, T2 là bóng thuận PNP Ngoài ra còn có các phần tử nh: điện trở, điốt zêmê

Dz, tụ điện C

* Khâu so sánh và tạo xung:

Gồm 2 phần tử khuếch đại thuật toán IC1 và đa hài một trạng thái xác lập

IC2 (FF1)

33

Hình 14: Sơ đồ mạch điều khiển

Vài nét về phần tử khuếch đại thuật toán IC1:

Gồm có hai cổng vào là U- và U+

- U- là cổng vào đảo dấu

- U+ là cổng vào không đảo dấu

- M là điểm nối đất

- Có 2 nguồn nuôi là + 15V và - 15V

Khi cấp xung răng của Urc và điện áp điều khiển Ucm vào bộ khuếch đạithuật toán sẽ đợc chuỗi xung ra là xung chữ nhật

Đầu ra của IC1 đựơc nối với đầu vào của FF1 (IC2)

- EF1 là vi mạch CMos 4047, có tín hiệu ra tại chân 10 cho ra xung dơng

- Điện tử R có thể lấy từ 10K đến 1M

- Tụ điện C thì phải lớn hơn 0,001 F

- Độ rộng của xung ra fx có thể điều chỉnh đợc

* Khâu khuếch đại xung:

Gồm có Tranzistor T4 Khi dầu ra của đa hài một trạng thái xác lập FF1

(IC2) là xung dơng, xung dơng này làm T4 mở Và một máy biến áp xung dùng

để khuếch đại công suất

2 Nguyên lý làm việc của các khâu trong mạch điều khiển.

a Khâu tạo điện áp răng ca:

Để tạo nguồn cho mạch điều khiển dùng MBA hạ áp, có nguồn điện ra ởcuộn thứ cấp là 17V Đợc đa vào mạch điều khiển, qua bộ chỉnh lu diốt ta đợc

điện áp chỉnh lu Điện áp chỉnh lu đợc lọc qua vi mạch ổn áp > 815 ở đầu ra của

vi mạch nhận đợc nguồn điện áp ổn định là 15 V.± 15 V

Lúc điện áp tại điêm A dơng, dòng điện sẽ đi qua D1, qua C1 về mát Ngoài

ra còn có dòng qua R, qua R3, qua D3 về B Cũng đồng thời tại điểm A dơng sẽ

có dòng qua R1, qua R2 về B

Lúc điện áp tại điểm A âm, tại B dơng dòng điện lúc này sẽ qua D2 qua C1,qua D4 về A Đồng thời tại điểm B dơng dòng qua R2 qua R1 về A là điện áp xiaychiều

Tại B điện áp dơng có dòng qua R2, qua R3 qua R4 về A

35