Đồ án Điều chỉnh khống chế nhiệt độ lò điện trở

uả điểm đánh giá : - Quá trình thiết kế : - Điểm duyệt : - Điểm bảo vệ : Thiết kế đồ án môn học đề tài điều chỉnh và khống chế nhiệt độ lò điện trở 1. Các số liệu cho tr−ớc : Nhiệt độ lò 400 - 600 ( 0 C) Công suất định mức 40 ( kW ) Tổn hao nhiệt 10 ( kW ) Điện áp nguồn l−ới 3*380 ( V ) 2. Nội dung các phần thuyết minh và tính toán : Ch−ơng 1 Giới thiệu chung về lò điện trở Ch−ơng 2 Giới thiệu về mạch điều áp xoay chiều ba pha Ch−ơng 3 Thiết kế và tính toán mạch lực Ch−ơng 4 Thiết kế và tính toán mạch điều khiển Kết luận 3. Các bản vẽ : Bản vẽ tổng thể toàn bộ sơ đồ nguyên lý mạch thiết kế (cả mạch lực và mạch điều khiển ) trên giấy vẽ kỹ thuật khổ A2. Mục lục Lời mở đầu.............................................................................................. 1 Ch−ơng 1: Tổng quan về cấu tạo và nguyên lý làm việc của lò điện............................................................. 2 1. Giới thiệu chung về lò điện ....................................................... 2. Giới thiệu chung về lò điện trở.................................................. 3. Cấu tạo lò điện trở .................................................................... Ch−ơng 2: Giới thiệu chung về mạch điều áp xoay chiều ba pha .......................................................... 1. Mạch điều áp xoay chiều ................................................................... 2. Quan hệ giữa góc điều khiển và công suất ra tải............................... Ch−ơng 3: Thiết kế và tính toán mạch lực.......................................... 1. Tính toán chọn van bán dẫn............................................................... 2. Tính toán bảo vệ van bán dẫn............................................................ Ch−ơng 4: Thiết kế và tính toán mạch điều khiển ............................. 1. Nguyên lý chung của mạch điều khiển............................................... 2. Thiết kế và tính toán mạch điều khiển ............................................... 2-1. Khâu đồng pha......................................................................... 2-2. Khâu tạo điện áp răng c−a (Utựa)............................................. 2-3. Khâu so sánh............................................................................ 2-4. Khâu phát xung chùm .............................................................. 2-5. Chọn cổng AND....................................................................... 2-6. Khâu khuếch đại xung và biến áp xung ................................... 2-7. Khâu phản hồi.......................................................................... 2-8. Khối nguồn............................................................................... Kết luận ................................................................................................... Tài liệu tham khảo................................................................................... Lời nói đầu Trong thực tế công nghiệp và sinh hoạt hàng ngày, năng l−ợng nhiệt đóng một vai trò rất quan trọng. Năng l−ợng nhiệt có thể đ−ợc dùng để nung nóng, sấy khô... Vì vậy việc sử dụng nguồn năng l−ợng này một cách hợp lý và có hiệu quả là rất cần thiết. Lò điện trở đ−ợc ứng dụng rất rộng rãi trong công nghiệp vì đáp ứng đ−ợc nhiều yêu cầu thực tiễn đặt ra. ở lò điện trở, yêu cầu kĩ thuật quan trọng nhất là phải điều chỉnh và khống chế đ−ợc khiệt độ của lò. Đây cũng chính là yêu cầu của đồ án môn học điện tử công suất mà em đã đ−ợc giao. Đồ án đã đ−ợc thực hiện d−ới sự h−ớng dẫn tận tình của thầy giáo Phạm Quốc Hải. Đồ án đ−ợc chia thành ba phần chính sau: 1. Giới thiệu sơ l−ợc về cấu tạo và nguyên lý hoạt động của lò điện và lò điện trở. 2. Thiết kế và tính toán mạch lực. 3. Thiết kế và tính toán mạch điều khiển. Ch−ơng 1- tổng quan về cấu tạo và nguyên lý làm việc của lò điện I-Giới thiệu chung về lò điện 1 - Định nghĩa Lò điện là một thiết bị điện biến điện năng thành nhiệt năng dùng trong các quá trình công nghệ khác nhau nh− nung hoặc nấu luyện các vật liệu, các kim loại và các hợp kim khác nhau v.v... - Lò điện đ−ợc sử dụng rộng rãi trong các lĩnh vực kỹ thuật : + Sản xuất thép chất l−ợng cao + Sản xuất các hợp kim phe-rô + Nhiệt luyện và hoá nhiệt luyện + Nung các vật phẩm tr−ớc 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 đ−ợc dùng để sất, mạ vật phẩm và chuẩn bị thực phẩm + Trong các lĩnh vực khác, lò điện đ−ợc 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 đ−ợc dùng phổ biến trong đời sống sinh hoạt hàng ngày của con ng−ời một cách phong phú và đa dạng : Bếp điện, nồi nấu cơm điện, bình đun n−ớc điện, thiết bị nung rắn, sấy điện v.v... 2 - Ưu điểm của lò điện so với các lò sử dụng nhiên liệu Lò điện so với các lò sử dụng nhiên liệu có những −u điểm sau : - Có khả năng tạo đ−ợc nhiệt độ cao - Đảm bảo tốc độ nung lớn và năng suất cao - Đảm bảo nung đều và chính xác do dễ điều chỉnh chế độ điện và nhiệt độ - Kín - Có khả năng cơ khí hoá và tự động hoá quá trình chất dỡ nguyên liệu và vận chuyễn vật phẩm - Đảm bảo điều khiện lao động hợp vệ sinh, điều kiện thao tác tốt, thiết bị gọn nhẹ 3 - Nh−ợc điểm của lò điện - Năng l−ợng điện đắt - Yều cầu có trình độ cao khi sử dụng II-Giới thiệu chung về lò điện trở 1 - Nguyên lý làm việc của lò điện trở Lò điện trở làm việc dựa trên cơ sở khi có một dòng điện chạy qua một dây dẫn hoặc vật dẫn thì ở đó sẽ toả ra một l−ợng nhiệt theo định luật Jun- Lenxơ : Q=I2RT Q - L−ợng 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 : Tr−ờng hợp này gọi là nung trực tiếp - Dây nung : Khi dây nung đ−ợc nung nóng nó sẽ truyền nhiệt cho vật nung bằng bức xạ, đối l−u, dẫn nhiệt hoặc phức hợp. Tr−ờng hợp này gọi là nung gián tiếp. Tr−ờng 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 ) Tr−ờng hợp thứ hai th−ờng 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. 2 - Những vật liệu dùng làm dây nung a) - Yêu cầu của vật liệu dùng làm dây nung Dây nung là bộ phận phát nhiệt của lò, làm việc trong những điều kiện khắc nghiệt do đó đòi hỏi phải đảm bảo các yều cầu sau : + Chịu nóng tốt, ít bị ôxy hoá ở nhiệt độ cao + Phải có độ bền cơ học cao, không bị biến dạng ở nhiệt độ cao + Điện trở suất phải lớn + Hệ số nhiệt điện trở phải nhỏ + Các tính chất điện phải cố định hoặc ít thay đổi + Các kích th−ớc phải không thay đổi khi sử dụng + Dễ gia công, dễ hàn hoăc dễ ép khuôn b)- Dây nung kim loại Để đảm bảo yêu cầu của dây nung, trong hầu hết các lò điện trở công nghiệp, dây nung kim loại đều đ−ợc chế tạo bằng các hợp kim Crôm-Nhôm và Crôm-Niken là các hợp kim có điện trở lớn. Còn các kim loại nguyên chất đ−ợc dùng để chế tạo dây nung rất hiếm vì các kim loại nguyên chất th−ờng có những tính chất không có lợi cho việc chế tạo dây nung nh− : + Điện trở suất nhỏ + Hệ số nhiệt điện trở lớn + Bị ôxy hoá mạnh trong môi tr−ờng khí quyễn bình th−ờng Dây nung kim loại th−ờng đ−ợc chế tạo ở dạng tròn và dạng băng c) - Dây nung phi kim loại Dây nung phi kim loại dùng phổ biến là SiC, grafit và than. III-Cấu tạo lò điện trở I- Những yêu cầu cơ bản đối với cấu tạo lò điện 1 - Hợp lý về công nghệ Hợp lý về công nghệ có nghĩa là cấu tạo lò không những phù hợp với quá trình công nghệ yêu cầu mà cọn tính đến khả năng sử dụng nó đối với quá trình công nghệ khác nếu nh− không làm phức tạp quá trình gia công và làm tăng giá thành một cách rõ rệt. Cấu trúc lò đảm bảo đ−ợc các điều kiện nh− thế mới coi là hợp lý nhất. Điều này đặc biệt quan trọng trong khi nhu cầy về lò điện v−ợt xa khả năng sản xuất ra nó. 2 - Hiệu quả về kỹ thuật Hiệu quả về kỹ thuật là khả năng biểu thị hiêu suất cực đại của kết cấu khi các thông số của nó xác định ( kích th−ớc ngoài, công suất, trọng l−ợng giá thànhv.v... ). Đối với một thiết bị hoặc một vật phẩm sản xuất ra, năng suất trên một đơn vị công suất định mức, suất tiêu hao điện để nung v.v... là các chỉ tiêu cở bản của hiệu quả kỹ thuật. Còn đối với từng phần riêng biệt của kết cấu hoặc chi tiết, hiệu quả kỹ thuật đ−ợc đánh giá bằng công suất dẫn động, mô men xoắn, lực v.v... ứng với trọng l−ợng, kích th−ớc hoặc giá thành kết cấu. 3 - Chắc chắn khi làm việc Chắc chắn khi làm việc là một trong những chỉ tiêu quan trọng nhất của chất l−ợng kết cấu của các lò điện. Th−ờng các lò điện làm viêc liên tục trong một ca, hai ca và ngay cả ba ca một ngày. Nếu trong khi làm việc, một bộ phận nào đó không hoàn hảo sẽ ảnh h−ởng đến quá trình sản suất chung. Điều này đặc biệt quan trọng đối với các lò điện làm việc liên tục trong dây chuyền sản xuất tự động. Ngay đối với các lò điện làm việc chu kỳ, lò ngừng cũng làm thiệt hại rõ rệt cho sản xuất vì khi ngừng lò đột ngột ( nghĩa là phá huỷ chế độ làm việc bình th−ờng vủa lò ) có thể dẫn đến làm h− hỏng sản phẩm, lãng phí nguyên vật liêu và làm tăng giá thành sản phẩm. Một chỉ tiêu phụ về sự chắc chắn khi làm việc của một bộ phận đó của lò điện là khả năng thay thế nhanh hoặc khả nằng dự trữ lớn khi lò làm việc bình th−ờng. Theo quan điểm chắc chắn, trong thiết bị cần chú ý đến các bộ phận quan trọng nhất, quyết định sự làm việc liên tục của lò. Thí dụ : dây nung, băng tải v.v... 4 - Tiện lợi khi sử dụng Tiện lợi khi sử dụng nghĩa là yêu cầu - Số nhân viên phục vụ tối thiểu - Không yêu cầu trình độ chuyên môn cao, không yêu cầu sức lực và sự dẻo dai của nhân viên phục vụ. - Số l−ợng các thiết bị hiếm và quí bị hao mòn nhanh yêu cầu tối thiểu - Bảo quản dễ dàng. Kiểm tra và sửa chữa tất cả các bộ phận của thiết bị thuận lợi. - Theo quan điểm an toàn lao động, điều kiện làm việc phải hợp vệ sinh và tuyệt đối an toàn. 5 - Rẻ và đơn giản khi chế tạo Về mặt này yêu câu nh− sau : - Tiêu hao vật liệu ít nhất, đặc biệt là các vật liệu quí và hiếm ( các kim loại mầu, các hợp kim có hàm l−ợng niken cao v.v... ) - Công nghệ chế tạo đơn giản nghĩa là khả năng chế tạo phải sao cho ngày công ít nhất và tận dụng đ−ọc các thiết bị, dụng cụ thông th−ờng có sẵn trong các nhà máy chế tạo để gia công. - Các loại vật liệu và thiết bị yêu cầu để chế tạo phải ít nhất. - Sử dụng đến mức tối đa các kết cấu giống nhau và cùng loại để dễ dàng đổi lẫn và thuận tiện khi lắp ráp. - Chọn hợp lý các dạng gia công để phù hợp với điều kiện chế tạo ( đúc, hàn, dập ). Bỏ các chi tiết và các khâu gia công cơ khí không hợp lý. 6 - Hình dáng bề ngoài đẹp Mỗi kết cấu của thiết bị, vật phẩm, các khâu và các chi tiết phải có hình dáng và tỷ lệ các cạnh phù hợp, dễ coi. Tuy vậy cũng cần chú ý rằng, độ bền của kết cấu khi trọng l−ợng nhỏ và hình dáng bề ngoài đẹp có quan hệ khăng khít với nhau. Việc gia công lần chót nh− sơn có vai trò đặc biệt quan trọng đối với hình dáng bề ngoài của lò điện. Song cũng cần tránh sự trang trí không cần thiết. II - Cấu tạo lò điện trở Lò điện trở thông th−ờng gồm ba phần chính : vỏ lò, lớp lót và dây nung. 1 - Vỏ lò Vỏ lò điện trở là một khung cứng vững, chủ yếu để chị tải trọng trong quá trình làm việc của lò. Mặt khác vỏ lò cũng dùng để giữ lớp cách nhiệt rời và đảm bảo sự kín hoàn toàn hoặc t−ơng đối của lò. Đối với các lò làm việc với khí bảo vệ, cấn thiết vỏ lò phải hoàn toàn kín, còn đối với các lò điện trở bình th−ờng, sự kín của vỏ lò chỉ cần giảm tổng thất nhiệt và tránh sự lùa của không khí lạnh vào lò, đặc biệt theo chiều cao lò. Trong những tr−ờng hợp riêng, lò điện trở có thể làm vỏ lò không bọc kín. Khung vỏ lò cần cứng vững đủ để chị đ−ợc tải trọng của lớp lót, phụ tải lò ( vật nung ) và các cơ cấu cơ khí gắn trên vỏ lò. - Vỏ lò chữ nhật th−ờnng dùng ở lò buồng, lò liên tục, lò đáy rung v.v... - Vỏ lò tròn dùng ở các lò giếng và một vài lò chụp v.v... - Vỏ lò tròn chịu lực tác dụng bên trong tốt hơn vỏ lò chữ nhật khi cùng một l−ợng kim loại để chế tạo vỏ lò. Khi kết cấu vỏ lò tròn, ng−ời ta th−ờng dùng thép tấm dày 3 - 6 mm khi đ−ờng kính vỏ lò là 1000 – 2000 mm và 8 – 12 mm khi đ−ờng kính vỏ lò là 2500 – 4000 mm và 14 – 20 mm khi đ−ờng kính vỏ lò khoảng 4500 – 6500 mm. Khi cần thiết tăng độ cứng vững cho vỏ lò tròn, ng−ời ta dùng các vòng đệm tăng c−ờng bằng các loại thép hình. Vỏ lò chữ ngật đ−ợc dựng lên nhờ các thép hình U, L và thép tấm cắt theo hình dáng thích hợp. Vỏ lò có thể đ−ợc bọc kín, có thể không tuỳ theo yêu cầu kín của lò. Ph−ơng pháp gia công vỏ lò loại này chủ yếu là hàn và tán. 2 - Lớp lót Lớp lót lò điện trở th−ờng gồm hai phần : vật liệu chịu lửa và cách nhiệt. Phần vật liệu chịu lửa có thể xây bằng gạch tiêu chuẩn, gạch hình và gạch hình đặc biệt tuỳ theo hình dáng và kích th−ớc đã cho của buồng lò. Cũng có khi ng−ời ta đầm bằng các loại bột chịu lửa và các chất dính dết gọi là các khối đầm. Khối đầm có thể tiến hành ngay trong lò và cũng có thể tiến hành ở ngoài nhờ các khuôn. Phần vật liệu chịu lửa cần đảm bảo các yêu cầu sau : + Chịu đ−ợc nhiệt độ làm việc cực đại của lò. + Có độ bền nhiệt đủ lớn khi làm việc. + Có đủ độ bền cơ học khi xếp vật nung và đặt thiết bị vận chuyển trong điều kiện làm việc. + Đảm bảo khả năng gắn dây nung bền và chắc chắn. + Có đủ độ bền hoá học khi làm việc, chịu đ−ợc tác dụng của khí quyển lò và ảnh h−ởng của vật nung. + Đảm bảo khả năng tích nhiệt cực tiểu. Điều này đặc biệt quan trọng đối với lò làm việc chu kỳ. Phần cách nhiệt th−ờng nằm giữa vỏ lò và phần vật liệu chịu lửa. Mục đích chủ yếu của phần này là để giảm tổn thất nhiệt. Riêng đối với đáy, phần cách nhiệt đòi hỏi phải có độ bền cơ học nhất định còn các phần khác nói chung không yêu cầu. Yêu cầu cơ bản của phần cách nhiệt là : + Hệ số dẫn nhiệt cực tiểu + Khả năng tích nhiệt cực tiểu + ổn định về tính chất lý, nhiệt trong điều kiện làm việc xác định. Phần cách nhiệt có thể xây bằng gạch cách nhiệt, có thể điền đầy bằng bột cách nhiệt. 3 - Dây nung Theo đặc tính của vật liệu dùng làm dây nung, ng−ời ta chia dây nung làm hai loại : dây nung kim loại và dây nung phi kim loại. Trong công nghiệp, các lò điện trở dùng phổ biến là dây nung kim loại. Ch−ơng 2 Giới thiệu chung về mạch điều áp xoay chiều ba pha I - Mạch điều áp xoay chiều ba pha : Nh− đã nói ở trên, công suất ra tải của lò đ−ợc tính theo công thức: P = 3. t 2 f R U Nh− vậy, để thay đổi công suất đ−a ra tải , ta có thể thay đổi tR hoặc fU . Tuy nhiên, trong thực tế, ng−ời ta th−ờng chọn cách thay đổi fU để có thể thay đổi công suất ra tải. Khi có sẵn một nguồn điện xoay chiều, để có thể thay đổi điện áp ra tải ta có thể dùng bộ điều chỉnh điện áp xoay chiều ( ĐAXC ) dùng van bán dẫn. Việc điều chỉnh điện áp ra tải dựa theo nguyên tắc t−ơng tự nh− ở các bộ chỉnh l−u tức là thay đổi điểm mở của van so với điểm qua không của điện áp nguồn, vì vậy còn gọi là ph−ơng pháp điều khiển pha (thay đổi góc mở van ). Do diot chỉ có thể dẫn dòng theo một chiều mà ta lại yêu cầu điện áp ra tải là xoay chiều nên trong mạch điều áp xoay chiều ng−ời ta không dùng diot mà dùng triac vì đây là loại van bán dẫn duy nhất cho phép dòng điện xoay chiều đi qua nó. Tuy nhiên, do triac không thông dụng bằng thyristor nên thực tế ng−ời ta th−ờng dùng sơ đồ 2 thyristor đấu song song ng−ợc nhau thay cho triac nh− hình d−ới : Các van T1, T2 lần l−ợt dẫn dòng theo 1 chiều xác định nên dòng qua cặp thyristor đấu song song ng−ợc này là dòng xoay chiều. Các van thyristor đ−ợc phát xung điều khiển lệch nhau góc 180 độ điện để đảm bảo dòng qua cặp van là hoàn toàn đối xứng. Một −u điểm của việc sử dụng hai van thyristor đấu song song ng−ợc nhau thay thế cho triac trong nạch điều áp xoay chiều là khả năng điều khiển để mở và khoá thyristor dễ dàng hơn nhiều so với triac. Ta có đồ thị dạng điện áp ra của mạch điều áp xoay chiều : Các mạch điều áp xoay chiều có nh−ợc điểm cơ bản là trong quá trình điều chỉnh, mạch luôn làm việc ở chế độ dòng điện gián đoạn, cả dạng dòng điện và điện áp ra tải đều không sin nên chỉ phù hợp với các tải loại điện trở nh− lò điện trở , bóng đèn loại sợi đốt v...v... Dòng điện sẽ liên tục và đồng thời trở thành hình sin hoàn chỉnh chỉ khi điện áp ra tải lấy bằng điện áp nguồn. Nh− vậy, khi điều chỉnh trên tải nhận đ−ợc một dải n sóng hài hình sin. Mặc dù vậy, với tải là điện trở thuần của lò điện trở thì việc dạng điện áp ra tải không sin cũng không ảnh h−ởng đến chế độ làm việc của lò. Các mạch điều áp xoay chiều không phù hợp với tải dạng cảm kháng nh− biến áp hoặc động cơ điện,... nên chỉ dùng khi phạm vi điều chỉnh điện áp không lớn. Trong thực tế công nghiệp, các mạch điều áp xoay chiều th−ờng sử dụng là các mạch điều áp xoay chiều ba pha, tải mắc hình sao( Y ) hoặc tải hình tam giác (Δ ). Quá trình làm việc của mạch điều áp xoay chiều ba pha phức tạp hơn nhiều so với mạch một pha vì ở đây các pha ảnh h−ởng mạnh sang nhau và nó còn tuỳ thuộc vào nhiều yếu tố nh− sơ đồ đấu van, góc điều khiển cụ thể, tính chất tải... Hình trên là sơ đồ th−ờng dùng nhất, đó là sơ đồ có sáu thyristor đấu thành ba cặp song song ng−ợc. II - Quan hệ giữa góc điều khiển và công suất ra tải Khi phân tích hoạt động của sơ đồ ta cần xác định rõ xem trong các giai đoạn sẽ có bao nhiêu van dẫn và nhờ các quy luật d−ới đây ta có thể có đ−ợc biểu thức điện áp của từng giai đoạn, từ đó mới tiến hành tính toán. D−ới đây là các quy luật dẫn dòng của van trong mạch điều áp xoay chiều ba pha: • Nếu mỗi pha có một van dẫn thì toàn bộ điện áp ba pha nguồn đều nối ra tải. • Nếu chỉ hai pha có van dẫn thì một pha nguồn bị ngắt ra khỏi tải, do đó điện áp đ−a ra tải là điện áp dây nào có van đang dẫn. • Không thể có tr−ờng hợp chỉ có một pha dẫn dòng. Dựa vào quy luật dẫn dòng của van trong từng giai đoạn mà ta có thể xây dựng đ−ợc đồ thị điện áp ra của mạch điều áp xoay chiều ba pha. Tiếp theo, từ những biểu thức điện áp của từng giai đoạn đó ta lại có thể tính toán đ−ợc các đại l−ợng cần tính nh− điện áp, dòng điện, công suất... Ta xét hoạt động của mạch điều áp xoay chiều ba pha dùng sáu thyristor đấu song song ng−ợc, tải thuần trở đấu hình sao ở trên và dựng đồ thị quan hệ giữa công suất tải và góc α : Công suất tải là : R.I.3P 2= trong đó I là trị số hiệu dụng của dòng điện tải. Dòng điện này biến thiên theo hai trong ba quy luật dẫn dòng của van nh− sau : • Nếu mỗi pha có một van dẫn ( hay toàn mạch có ba van dẫn) : )sin( R3 U i dm ϕ+θ= • Nếu chỉ có hai van dẫn (hay toàn mạch có hai van dẫn ) : )sin( R2 Ui dm ϕ+θ= trong đó : dmU là biên độ điện áp dây. ϕ là góc lệch pha giữa điện áp và dòng điện ở giai đoạn đang xét. Tuỳ thuộc vào góc điều khiển mà các giai đoạn có ba van dẫn hoặc hai van dẫn cũng thay đổi theo. Ta thấy có ba khoảng điều khiển chính : 1) Khoảng dẫn của van ứng với α = 0 ữ o60 : Trong phạm vi này sẽ có các giai đoạn ba van và hai van dẫn xen kẽ nhau nh− đồ thị d−ới đây : Dựa vào đồ thị ta có thể xác định đ−ợc biểu thức liên quan giữa công suất ra tải P và góc điều khiển α : R.I.3P 2= = )d 3 sind 4 sind 3 sind 4 sind 3 sin( R U3 3 2 23 2 3 2 23 2 3 23/ 3 3 222 dm θθ+θθ+θθ+θθ+θθπ ∫∫∫∫ ∫ π α+π α+π π π α+π π α α+π π = ] 8 2sin 46 [ R U3 2dm α+α−ππ (1) 2) Khoảng van dẫn ứng với α = 60 ữ o90 : Trong phạm vi này luôn chỉ có các giai đoạn hai van dẫn. Ta có đồ thị điện áp ra ở d−ới : Dựa vào đồ thị ta có thể xác định đ−ợc biểu thức liên quan giữa công suất ra tải P và góc điều khiển α : R.I.3P 2= = ]d 4 sind 4 sin[ R U3 36 5 32 36 5 32 222 dm θθ+θθπ ∫ ∫ α+π−π α+π−π α+π−π α+π−π = ]2cos 16 32sin 16 3 12 [ R U3 2dm α+α+ππ (2) 3) Khoảng van dẫn ứng với α = 90 ữ o150 : Trong phạm vi này chỉ có các giai đoạn hai van dẫn hoặc không có van nào dẫn xen kẽ nhau. Ta có đồ thị điện áp ra nh− ở d−ới : Dựa vào đồ thị ta có thể xác định đ−ợc biểu thức liên quan giữa công suất ra tải P và góc điều khiển α : R.I.3P 2= = ∫ ∫π α+π−π π α+π−π θθ+θθπ 32 32 222 dm ]d 3 sind 4 sin[ R U3 = ]2sin 16 12cos 16 3 424 5[ R U3 2dm α+α+α−ππ (3) Theo ba biểu thức (1), (2), (3) và cho các giá trị α khác nhau và lấy P ở α = 0 là 100% ta có bảng các giá trị và đồ thị biểu diễn quan hệ giữa công suất ra tải P và góc điều khiển α : α P% α P% 0 100 90 29,3 20 98,6 100 18,1 30 95,6 110 9,7 40 90,2 120 4,3 50 81,8 130 1,3 60 70,6 140 0,1 70 57,16 150 0 80 42,8 Nhận xét : công suất đ−a ra tải là lớn nhất khi góc điều khiển α = 0 nh−ng với α =30 thì công suất ra tải cũng xấp xỉ khi α = 0. Trong mạch điều áp xoay chiều ba pha sáu thyristor đấu song song ng−ợc tải thuần trở đấu tam giác, dạng điện áp từng pha cũng nh− vậy. Tuy nhiên, do tải đấu tam giác nên khi mạch có ba van dẫn thì điện áp rơi trên điện trở tải là điện áp dây, khi mạch có hai van dẫn thì điện áp rơi trên điện trở tải giữa hai dây đó là điện áp dây còn điện áp rơi trên hai điện trở còn lại bằng một nửa điện áp dây. Ch−ơng 3 Thiết kế tính toán mạch lực I - Tính chọn van bán dẫn Trong mạch điều áp xoay chiều ba pha dùng cho lò điện d−ới đây ta sử dụng mạch điều áp xoay chiều ba pha sáu thyristor đấu song song ng−ợc, tải thuần trở đấu sao. Các biểu thức thể hiện quan hệ giữa công suất ra tải P và góc điều khiển α : Với α = 0 ữ o60 : P = ] 8 2sin 46 [ R U3 2dm α+α−ππ Với α = 60 ữ 90o : P = ]2cos 16 32sin 16 3 12 [ R U3 2dm α+α+ππ Với α = 90 ữ 150o : P = ]2sin 16 12cos 16 3 424 5[ R U3 2dm α+α+α−ππ Công suất định mức của lò điện là dmP = 40 (kw) Tổn hao của lò điện PΔ = 3 (kw) Trong thực tế, lò điện có thể coi là hộ tiêu dùng điện loại một, nghĩa là nguồn cung cấp cho lò điện là ổn định. Tuy nhiên, để đảm bảo hiệu quả cũng nh− sự an toàn trong hoạt động của lò điện, ta sẽ chọn một l−ợng công suất dự trữ cho lò điện đề phòng tr−ờng hợp điện áp nguồn vì một lý do nào đó bị sụt áp . Ngoài ra, trong quá trình hoạt độngcua mình, lò điện cũng chịu thêm một số tổn thất khác nh− tổn thất trên các van bán dẫn, tổn thất trên đ−ờng dây... nh−ng do không đáng kể so với tổng tổn thất vì nhiệt của lò nên ta có thể bỏ qua. Khi α = 0 thì điện áp ra tải là hình sin hoàn toàn và đồng thời công suất ra tải cũng đạt công suất lớn nhất P = maxP vì vậy để đảm bảo đủ bù các tổn hao đã nói ở trên ta chọn công suất lớn nhất của lò ứng với khi góc điều khiển α = 0 là : P = maxP = 50 (kw) Dựa vào công thức (1) ta tính đ−ợc công suất ra tải khi α = 0 t 2 dm max R2 UP = ặ 3 2 max 2 dm t 10.50.2 380 P2 UR == = 1,444 (Ω) ta xác định đ−ợc dây điện trở của lò có giá trị là 1,444 (Ω). Từ đây, dựa vào công nghệ chế tạo ta có thể tiến hành thiết kế chi tiết cho dây điện trở để có thể đảm bảo đ−ợc các yêu cầu kinh tế kĩ thuật của lò điện. Tiếp theo, ta tiến hành chọn van thông qua các thông số kỹ thuật của van là điện áp ng−ợc lớn nhất, dòng trung bình qua van ... Nh− đã nói ở trên, hoạt động của mạch điều áp xoay chiều cũng t−ơng tự nh− mạch chỉnh l−u, cụ thể là mạch điều áp xoay chiều ba pha sáu thyristor đấu song song ng−ợc có nguyên lý hoạt động trong một chu kỳ cũng giống nh− nguyên lý của mạch chỉnh l−u ba pha hình tia. Vì vậy, ta có thể hoàn toàn áp dụng các thông số chọn van của mạch chỉnh l−u ba pha hình tia cho mạch điều áp xoay chiều ba pha sáu thyristor đấu song song ng−ợc. Cụ thể : Điện áp ng−ợc lớn nhất trên van : dmfmaxng U2U6U == ặ 537380.2U maxng == (V) Nhận xét : khi góc điều khiển α = 0 điện áp ra tải là hình sin và nh− vậy, dòng trung bình qua van lúc này là lớn nhất. Từ đây ta có thể xác định đ−ợc giá trị dòng điện trung bình qua van. ∫π θπ= 0 maxmaxtb sinI2 1I (do tải thuần trở nên i trùng pha với u ) ặ )]0cos(cos[ R2 UI maxfmaxtb −−π−π= ặ 444,1. 2.220I maxtb π= = 68,6 (A) Khi chọn van ta phải chú ý đến điều kiện làm mát cho van vì khi hoạt động, van toả nhiệt rất lớn nên điều kiện làm mát cho van sẽ ảnh h−ởng đến hiệu quả cũng nh− tuổi thọ của van. Nếu van hoạt động trong điều kiện đ−ợc làm mát bằng không khí nhờ cánh tản nhiệt thì van có thể làm việc tốt với 25% dòng định mức. Nếu van làm việc trong điều kiện làm mát bằng quạt gió c−ỡng bức thì van có thể chịu đ−ợc đến 30 ữ 60% dòng định mức. Nếu làm mát bằng n−ớc thì van có thể chịu đ−ợc đến 80% dòng định mức. Thông th−ờng trong công nghiệp thì van phải đ−ợc làm mát tồi nhất là bằng không khí có quạt gió c−ỡng bức. Trong nhiệm vụ thiết kế là điện này thì dòng qua van không quá lớn nên ta có thể chọn chế độ làm mát cho van bằng không khí có quạt gió c−ỡng bức. Ta chọn các điều kiện thích hợp để van có thể chịu dòng tới 40% dòng định mức của van. Khi đó: tbI = %40 I maxtb = %40 6,68 = 172 ( A ) Để chọn giá trị của điện áp ng−ợc lớn nhất trên van, ta sẽ chọn thêm hệ số dự trữ điện áp uk = 1,6 ữ 2 ta chọn : uk = 1,6 ngU = uk . maxngU = 1,6 . 537 = 860 (V) Từ các giá trị của tbI và ngU , tra trong sổ tay ta chọn đ−ợc van C358 do hãng G.E của Mỹ chế tạo với các thông số sau : ngU = 500 ữ 1200 ( V ) tbI = 225 ( A ) 200 dt di max = ........ Kết luận, trong mạch điều áp xoay chiều ba pha dùng cho lò điện này ta cần dùng sáu van thyristor C358 do hãng G.E của Nhật Bản chế tạo. II - Tính toán bảo vệ van bán dẫn Trong quá trình van hoạt động thì van phải đ−ợc làm mát để van không bị phá hỏng về nhiệt vì vậy ta đã tính toán chế độ làm mát cụ thể cho van rồi. Tuy nhiên, van cũng có thể bị hỏng khi van phải chịu tốc độ tăng dòng, tăng áp quá lớn. Để tránh hiện t−ợng quá dòng, quá áp trên van dẫn đến hỏng van ta phải có những biện pháp thích hợp để bảo vệ van. Biện pháp bảp vệ van th−ờng dùng nhất là mắc mạch R, C song song van để bảo vệ quá áp và mắc nối tiếp cuộn kháng để hạn chế tốc độ tăng dòng. Do tải của lò điện là tải thuần trở nên khi van có tín hiệu điều khiển mở thì dòng qua van sẽ tăng đột ngột với tốc độ tăng dòng rất lớn sẽ gây hỏng van. Vì vậy, ng−ời ta cần phải mắc vào tr−ớc van một cuộn dây để hạn chế tốc độ tăng dòng. Cuộn dây đ−ợc dùng là một cuộn kháng bão hoà có đặc tính là: khi dòng qua cuộn kháng ổn định thì điện cảm của cuộn kháng hầu nh− bằng không và lúc này cuộn dây dẫn điện nh− một dây dẫn bình th−ờng. Ta có mạch nh− hình vẽ: Để tính toán giá trị của cuộn kháng ta xét quá trình quá độ trong mạch: U f = i.R + L. dt di Ta thấy rằng tốc độ tăng dòng lớn nhất là: dt di max = L Uf Để đảm bảo an toàn cho van ta phải chọn L sao cho di/dt max phải nhỏ hơn tốc độ tăng dòng chịu đ−ợc của van, hay là: dt di max < 200 A/μs ặ L Uf < 200 A/μs ặL > 6f10.200 U − = 610.200 2.220 − = 1,555 μH Ta chọn cuộn kháng bão hoà có giá trị là 1,6 μH, loại lõi không khí vì điện cảm nhỏ. Sau khi tính toán bảo vệ chống tốc độ tăng dòng ta tính toán bảo vệ quá áp cho van. Ng−ời ta chia ra hai loại nguyên nhân gây nên quá áp: 1 - Nguyên nhân nội tại: là do sự tích tụ điện tích trong các lớp bán dẫn. Khi khoá van thyristor bằng điện áp ng−ợc, các điện tích nói trên đổi ng−ợc lại hành trình, tạo ra dòng điện ng−ợc trong thời gian rất ngắn. Sự biến thiên nhanh chóng của dòng điện ng−ợc gây nên sức điện động cảm ứng rất lớn trong các điện cảm, vốn luôn luôn có của đ−ờng dây nguồn dẫn đến các thyristor. Vì vậy, giữa anốt và catốt của thyristor xuất hiện quá điện áp. Ta có đồ thị thể hiện quá trình biến thiên của điện áp và dòng điện trên van: 2 - Nguyên nhân bên ngoài: những nguyên nhân này th−ờng xẩy ra ngẫu nhiên nh− khi đóng cắt không tải một máy biến áp trên đ−ờng dây, khi một cầu chì bảo vệ nhẩy, khi có sấm sét ... Để bảo vệ quá điện áp do tích tụ điện tích khi chuyển mạch gây nên ng−ời ta dùng mạch RC đấu song song với thyristor nh− hình d−ới: Thông số của R, C phụ thuộc vào mức độ quá điện áp có thể xảy ra, tốc độ biến thiên của dòng điện chuyển mạch, điện cảm trên đ−ờng dây, dòng điện từ hoá máy biến áp ...Việc tính toán thông số của mạch R, C rất phức tạp, đòi hỏi nhiều thời gian nên ta sẽ sử dụng ph−ơng pháp xác định thông số R, C bằng đồ thị giải tích, sử dụng những đ−ờng cong đã có sẵn. Các b−ớc tính toán nh− sau: - Xác định hệ số quá áp theo công thức: k = im imp U.b U với impU là giá trị cực đại cho phép của điện áp ng−ợc đặt trên diot hoặc thyristor một cách không chu kỳ, tra trong sổ tay tra cứu. imU là giá trị cực đại của điện áp ng−ợc thực tế đặt trên diot hoặc thyristor. b là hệ số dự trữ an toàn về điện áp, b = 1 ữ 2 - Xác định các thông số trung gian: )k(C*min , )k(R * max , )k(R * min bằng cách tra trong đồ thị trong sổ tay tra cứu - tính dt di max khi chuyển mạch nh− ở phần tính toán cuộn kháng bão hoà. - Xác định điện l−ợng tích tụ Q = f( dt di ), sử dụng các đ−ờng cong cho trong sổ tay tra cứu để xác định. - Tính toán các giá trị của R, C theo công thức: C = im * min U Q.2.C Q2 LURR Q2 LUR im*maxim * min ≤≤ trong đó L là điện cảm của mạch RLC Tuy nhiên, trong thực tế, khi tính toán thiết kế bảo vệ van thì rất khó có thể có đầy đủ tất cả các đ−ờng cong đặc tính cần thiết nên ng−ời ta th−ờng chọn giá trị của R, C theo kinh nghiệm: R = 20 ữ 100 ( Ω ) ; C = 0,4 ữ 1 ( μF ) Với dòng qua van nhỏ, ta chọn giá trị R lớn, C nhỏ.Với dòng qua van lớn, ta chọn giá trị R nhỏ, C lớn. Theo tính toán, dòng qua van bằng 68,6 A không phải là lớn nên ta chọn giá trị của R, C n._.