Đồ án môn học điện tử công suất Thiết kế bộ điều chỉnh nhiệt độ lò điện trở 3 pha

-1-
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 c
ủa 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 b
ị 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
ngh
ệ 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 ho
ặc
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


m
ộ
1. G

nh
i
cho
vào
lên
tản
toả
má

ồ án môn họ
. THYRIST
Thyris
tiếp giá
p p
như được b

. CÁC THÔ
Các th
ột thyristor
Giá trị dò
Đây là
iệt độ của
o phép. Tro
o các điều
n các bộ tả

GUYÊN LÝ
n tử bán dẫ
J
3
. Thyristo
trên hình 1
CƠ BẢN C
bản là nh
ứng dụng c
bình cho p
ng trung bì
nh thể bán
ế dòng điệ
mát và nhi
u chuẩn và
ng bức nhờ
chung có th
iên: Dòng s
Thiết kế
CHƯƠNG
ÁN CHỌN
Ý CẤU TẠO
ẫn cấu tạo
or có ba cự

CỦA THYR
hững thông
cụ thể nào đ
phép chạy
ình cho ph

p bán dẫn
, catot K,
c
ào đó ta có
istor, I
Vtrb

ua thyristor
hông vượt q
a thyristor
hyristor có
Ngoài ra th
g nước để t
ện theo các
ến 1/3 dòng
lò điện trở 3
G.
p-n-p-n tạ
cực điều k
ó thể lựa c
r với điều
quá một gi
còn phụ th
ó thể được
hyristor có
tải nhiệt lư
c điều kiện
g I
Vtrb


4. T

kh
i
nó
lớ
n

ồ án môn họ
- Làm
- Làm
Điện áp ng
Đây là
c ứng dụng
tot U
AK
luô
ữ nhất định
5 lần giá trị
Thời gian
Đây là
yristor sau
ện áp U
AK

tor được sử
ân cực thuậ
phép dòng
ơi trên lớp
ng suất
g bức bằng
g bức bằng
phép lớn n
ện áp ngượ
m bảo rằng
n hoặc bằn
áp, nghĩa là
ớn nhất của
tính chất
tối thiểu p
anot – cat
à thyristor
ong các bộ
n đảm bảo
p cho phép
ử dụng như
ận (U
AK
>
điện chạy
tiếp giá
p J
Thiết kế
g quạt gió:
g nước: Có

ế bộ điều chỉn
Dòng sử d
thể sử dụn
max

t cho phép
thời điểm
Ngoài ra p
hải được ch
rên sơ đồ.
th
yristor
ện áp âm l
bằng không
. t
r
là một
ưu phụ thu
gian dành
)s

n từ có điề
vẫn phải c
thyristor đư
ợc chỉ ra trê
ỉnh nhiệt độ
dụng bằng 2
ng đến 100
p đặt lên th
m nào điện

ghĩa là mặ
điều khiển
cực thuận p
3 pha
Vtrb

rong
not –
ộ dự
1,2 –
t của
ể có
rọng
độc
phải
ặc dù
n thì
phần
Đồ án môn học điện tử công suất Thiết kế bộ điều chỉnh nhiệt độ lò điện trở 3 pha

-5- Lớp tiếp giáp J
2
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 C
J2
. Khi có điện áp biến thiên với tốc

khoảng 50 – 100 A/μs với các thyristor có tần số cao
dt
dI
khoảng 500 – 2000
A/μs. 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 đổ
i 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
Đồ án môn học điện tử công suất Thiết kế bộ điều chỉnh nhiệt độ lò điện trở 3 pha

-6-
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 I
a
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 h

G
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 t
ừ mạng điện lực tới mà không gây
hậu quả ở khu vực tần số thấp, nhất là với dòng ổn định một chiều.
Đồ án môn học điện tử công suất Thiết kế bộ điều chỉnh nhiệt độ lò điện trở 3 pha

-7-
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 I
a
, 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 1÷ 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 điệ
n 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 củ
a 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 giữa anot – catot. Khi điện áp U
AK
< 0 theo cấu tạo bán dẫn của
Thyristor hai tiếp giáp J
1
, J
3
đều phân cực ngược, lớp J
2
phân cực thuận, như
Đồ
vậy
Th
tăn
bị
ng
ư
đượ
cũn

có
m
ạ
J
2
p
nhấ
ngộ
bởi


i
ện trở tải ở
ột mực dòn
n đường đ
h thuận đư
ọc điện tử côn
r sẽ sẽ giố
chỉ có mộ
một giá tr
ị
g, dòng đi
đi ốt quá tr
là nếu có g
giảm được
ng điện áp
g điện rất
catot vẫn
c
ngược. Ch
ẽ xảy ra hi
dòng điện c
ở mạch ng
ng tối thiểu
đặc tính thu
ược đặc trư
ng suất
ống như ha
t dòng điệ
ị điện áp lớ
iện có thể

điện trở tư
ạy qua Thy

khi đó dòn
òng duy trì
như đườ
n
nh chất dòn
ế bộ điều chỉn
ắc nối tiếp
chạy qua,
ngmax
sẽ xảy
ất lớn. Giố
là quá trìn
ống dưới m
yristor đã b
iều thuận U
là dòng rò
i đó tiếp gi
g đạt đến g
ương đươn
yristor và g
ng qua Thy
I
dt
thì khi
ng đặc tính
ng có thể c
ỉnh nhiệt độ

thể đảo ng
x
thì dòng
c đầu cũn
g
ở tương đư
hân cực th
n áp thuận
not – catot
chỉ bị giới
giá trị lớn
or sẽ dẫn d
đi ốt. Đoạn
ớn nhưng
3 pha
Qua
U
AK

istor
tính
gược
điện
g chỉ
ương
huận,
n lớn
t đột
hạn
hơn

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 U
AK
> 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 U
AK
> 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 , U
thmax
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 U
thmax
. 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 khiể
n 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 –
Đồ
đi
ệồ án môn họ
tot lớn hơn
c cho trạng
ều khiển nữ
ng dòng có
thể là rất
ng cắt, khố
Khoá thyr
Một th
ơng mạch
ng duy trì
o, khi điện
ất định để
a mình. Kh
J
3
phân cự
áp J
2
đang
p giáp J
1
,
ức dòng du

2
, J
3
. Để
uy trì (I
dt
)
hoảng thời
ồi có một
di tản các đ
g của hai ti
cản trở dò
ào lượng đi
nạp điện ch
ình khoá m
hình 3 phầ
ần di tản ra
ng suất
rị nhất định
dẫn dòng m
ày nghĩa là
xung nhất
ới công su
òng điện.
ang dẫn dò
ot tăng cao
nhiên để th
– catot lại
ếp giáp ph
r dẫn dòng

ch đi qua h
Vì vậy mà
istor lại cầ
ột điện áp
hiểu, gọi là
n ngược ch
ra khỏi tiế
, J
3
lúc này
ủa J
1
. J
3
, đ
ần được di
p J
1
, J
3
.
or được mô
h gạch ché
u trúc bán

ế bộ điều chỉn
òng duy trì
cần đến s
ều khiển m
đó công su

uất của mạ
thyristor l
hái khoá (đ
m xuống, n
thái khoá,
ần phải có
h chất cả
n
U
AK
> 0, ha
y dễ dàng v
n có thể ch
òng anot –
n anot – ca
n phục hồi,
atot và an
và nạp điệ
phân cực n
hồi. Thời
oài cấu trú
ồ thị hình 3
ường dòng
hyristor.
lò điện trở 3
hyristor sẽ
của xung d
ristor bằng
ạch điều kh
là một phầ

ương
iá trị
háng
gian
điện
giáp
tiếp
a lớp
dưới
< 0)
thời
điện
điện
quả
c hồi
n của
ượng
Đồ th
y
giá
các

dụ như trê
và dòng đ
ệu điều khi
iển đi qua
p giáp này
ông suất gi
ều khiển là
ng lớn.
ọc điện tử côn
3. Quá trình
gian phục
i gian phục
– 50
μ
s đối
tần số thấp
U CẦU ĐỐ
hệ giữa điệ
ển xác định
ại thyristor
ên hình 4,
điện nhỏ nh
iển phải đả
tiếp giáp
y. Vì vậy t
ới hạn của
à một xung
ng suất
h khoá mộ
hồi là

điều khiển
ng càng nế bộ điều chỉn
, ý nghĩa củ
những thô
ần số làm v
n số cao và
IỀU KHIỂ
khiển và ca
i tín hiệu đ
ng cấp một
được các đ
iệt độ môi
chắc chắn m
khiển và ca
cũng phải b
n phụ thuộc
ngắn thì cô
ỉnh nhiệt độ
ủa thời gia
ông số qu
việc của th
à cỡ 50 – 2
ỂN THYRI
atot với dò
điều khiển
t họ đặc tín
đặc tính gi

của
, có
i với
vào
Với
hiển,
điện
à tín
điều
nóng
suất.
hiệu
ó thể
Đồ án môn học điện tử công suất Thiết kế bộ điều chỉnh nhiệt độ lò điện trở 3 pha

-12-

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
l
ực 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.


T

D

1
R

+Un

Hình 5
Đồ án môn học điện tử công suất Thiết kế bộ điều chỉnh nhiệt độ lò điện trở 3 pha

-13-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 (gọ
i 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 v
ới quá trình hiện đại hoá, tập chung
hoá các quá trình công nghệ...Nhược điểm chung và cơ bản của ĐAXC là

Đồ án môn học điện tử công suất Thiết kế bộ điều chỉnh nhiệt độ lò điện trở 3 pha

-15-
II.2 XUNG ÁP XOAY CHIỀU 3 PHA

1. Các ơ đồ ứng dụng.

Hình 7. Sơ đồ XAAC 3 pha
a, tải có thể dấu Y hoặc **:
b, thyristor V
1
, V
2
, V
3
, sẽ tạo thành điểm chung tính giả cho tải Z
A
, Z
b
, Z
c


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