Đề tài Thiết kế lò điện trở với số liệu nhiệt độ lò công suất định mức tổn hao nhiệt điện áp nguồn lưới 400 - 600 ( 0 c) 40 ( kw ) 10 ( kw ) 3*380 ( v )

1 THIẾT KẾ ĐỒ ÁN MÔN HỌC ĐỀ TÀI THIẾT KẾ LÒ ĐIỆN TRỞ 1. Các số liệu cho trước : Nhiệt độ lò 400 - 600 ( 0 C) Công suất định mức 40 ( kW ) Tổn hao nhiệt 10 ( kW ) Điện áp nguồn lưới 3*380 ( V ) 2. Nội dung các phần thuyết minh và tính toán : Chương 1 Giới thiệu chung về lò điện trở Chương 2 Giới thiệu về mạch điều áp xoay chiều ba pha Chương 3 Thiết kế và tính toán mạch lực Chương 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. 2 MỤC LỤC Lời nói đầu ....................................................................................................... 3 Chương 1- tổng quan về cấu tạo và nguyên lý làm việc của lò điện ........... 4 I - GIỚI THIỆU CHUNG VỀ LÒ ĐIỆN ...................................................... 4 1 - Định nghĩa .......................................................................................... 4 2 - Ưu điểm của lò điện so với các lò sử dụng nhiên liệu ...................... 4 3 - Nhược điểm của lò điện ...................................................................... 5 II-GIỚI THIỆU CHUNG VỀ LÒ ĐIỆN TRỞ .............................................. 5 1 - Nguyên lý làm việc của lò điện trở ..................................................... 5 2 - Những vật liệu dùng làm dây nung ................................................... 5 a) - Yêu cầu của vật liệu dùng làm dây nung ........................................ 5 b)- Dây nung kim loại ........................................................................... 6 III-CẤU TẠO LÒ ĐIỆN TRỞ ...................................................................... 6 I- Những yêu cầu cơ bản đối với cấu tạo lò điện .................................. 6 1 - Hợp lý về công nghệ ....................................................................... 6 2 - Hiệu quả về kỹ thuật ....................................................................... 6 3 - Chắc chắn khi làm việc .................................................................. 6 4 - Tiện lợi khi sử dụng ........................................................................ 7 5 - Rẻ và đơn giản khi chế tạo ............................................................. 7 6 - Hình dáng bề ngoài đẹp .................................................................. 7 II - Cấu tạo lò điện trở ............................................................................ 8 2 - Lớp lót .............................................................................................. 9 3 - Dây nung ......................................................................................... 9 Chương 2 ........................................................................................................ 10 Giới thiệu chung về mạch điều áp xoay chiều ba pha ............................... 10 I - MẠCH ĐIỀU ÁP XOAY CHIỀU BA PHA : ........................................ 10 II - QUAN HỆ GIỮA GÓC ĐIỀU KHIỂN VÀ CÔNG SUẤT RA TẢI ... 12 Chương 3 ........................................................................................................ 18 Thiết kế tính toán mạch lực .......................................................................... 18 II - TÍNH TOÁN BẢO VỆ VAN BÁN DẪN ............................................ 21 Chương 4 ........................................................................................................ 26 Thiết kế và tính toán mạch điều khiển ........................................................ 26 I. NGUYÊN TẮC CHUNG CỦA MẠCH ĐIỀU KHIỂN .......................... 26 TÍNH TOÁN MẠCH ĐIỀU KHIỂN. ......................................................... 28 Nguyên lý hoạt động của sơ đồ. .......................................................... 28 Kết luận .......................................................................................................... 44 Tài liệu tham khảo ........................................................................................ 45 3 LỜI NÓI ĐẦU 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 và khống chế được khiệt độ của lò. Đây cũng chính là yêu cầu của đồ án môn học điện tử công suất mà em đã được giao. Đồ án đã được thực hiện dưới sự hướng dẫn tận tình của thầy giáo Phạm Quốc Hải. Đồ án được chia thành ba phần chính sau: 1. Giới thiệu sơ lược 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. 4 CHƯƠNG 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 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... 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 ưu điểm sau : - Có khả năng tạo được 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 5 3 - Nhược điểm của lò điện - Năng lượng 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 lượng nhiệt theo định luật Jun- Lenxơ : Q=I2RT 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. 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 thước phải không thay đổi khi sử dụng + Dễ gia công, dễ hàn hoăc dễ ép khuôn 6 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 được 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 được dùng để chế tạo dây nung rất hiếm vì các kim loại nguyên chất thường có những tính chất không có lợi cho việc chế tạo dây nung như : + Điện trở suất nhỏ + Hệ số nhiệt điện trở lớn + Bị ôxy hoá mạnh trong môi trường khí quyễn bình thường Dây nung kim loại thường được 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 như không làm phức tạp quá trình gia công và làm tăng giá thành một cách rõ rệt. Cấu trúc lò đảm bảo được các điều kiện như thế mới coi là hợp lý nhất. Điều này đặc biệt quan trọng trong khi nhu cầy về lò điện vượt 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 thước ngoài, công suất, trọng lượng 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 được đánh giá bằng công suất dẫn động, mô men xoắn, lực v.v... ứng với trọng lượng, kích thước 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 lượng kết cấu của các lò điện. Thường 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 7 phận nào đó không hoàn hảo sẽ ảnh hưởng 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 thường vủa lò ) có thể dẫn đến làm hư 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 thường. 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 lượng 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 như 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 lượng 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 đưọc các thiết bị, dụng cụ thông thường 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 8 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 lượng nhỏ và hình dáng bề ngoài đẹp có quan hệ khăng khít với nhau. Việc gia công lần chót như 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 thường 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 tương 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 thường, 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 trường hợp riêng, lò điện trở có thể làm vỏ lò không bọc kín. Khung vỏ lò cần cứng vững đủ để chị được tải trọng của lớp lót, phụ tải lò ( vật nung ) và các cơ cấu cơ khí gắn trên vỏ lò. - Vỏ lò chữ nhật thườnng 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 lượng kim loại để chế tạo vỏ lò. Khi kết cấu vỏ lò tròn, người ta thường dùng thép tấm dày 3 - 6 mm khi đường kính vỏ lò là 1000 – 2000 mm và 8 – 12 mm khi đường kính vỏ lò là 2500 – 4000 mm và 14 – 20 mm khi đường kính vỏ lò khoảng 4500 – 6500 mm. Khi cần thiết tăng độ cứng vững cho vỏ lò tròn, người ta dùng các vòng đệm tăng cường bằng các loại thép hình. Vỏ lò chữ ngật được dựng lên nhờ các thép hình U, L và thép tấm cắt theo hình dáng thích hợp. Vỏ lò có thể được bọc kín, có thể không tuỳ theo 9 yêu cầu kín của lò. Phương pháp gia công vỏ lò loại này chủ yếu là hàn và tán. 2 - Lớp lót Lớp lót lò điện trở thường 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 thước đã cho của buồng lò. Cũng có khi người 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 được 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 được tác dụng của khí quyển lò và ảnh hưởng 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 thường 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, người 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. 10 CHƯƠNG 2 GIỚI THIỆU CHUNG VỀ MẠCH ĐIỀU ÁP XOAY CHIỀU BA PHA I - MẠCH ĐIỀU ÁP XOAY CHIỀU BA PHA : Như đã nói ở trên, công suất ra tải của lò được tính theo công thức: P = 3. t 2 f R U Như vậy, để thay đổi công suất đưa ra tải , ta có thể thay đổi tR hoặc fU . Tuy nhiên, trong thực tế, người ta thường 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 tương tự như 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 gọi là phương 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 người 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 người ta thường dùng sơ đồ 2 thyristor đấu song song ngược nhau thay cho triac như hình dưới : Các van T1, T2 lần lượt dẫn dòng theo 1 chiều xác định nên dòng qua cặp thyristor đấu song song ngược này là dòng xoay chiều. Các van thyristor được phát xung điều khiển lệch nhau góc 180 độ điện để đảm bảo dòng qua cặp van là hoàn toàn đối xứng. 11 Một ưu điểm của việc sử dụng hai van thyristor đấu song song ngược 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 nhược 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 như 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. Như vậy, khi điều chỉnh trên tải nhận được 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 hưởng đến chế độ làm việc của lò. Các mạch điều áp xoay chiều không phù hợp với tải dạng cảm kháng như 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 thường 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 hưởng mạnh 12 sang nhau và nó còn tuỳ thuộc vào nhiều yếu tố như sơ đồ đấu van, góc điều khiển cụ thể, tính chất tải... Hình trên là sơ đồ thường dùng nhất, đó là sơ đồ có sáu thyristor đấu thành ba cặp song song ngược. 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 dưới đây ta có thể có được biểu thức điện áp của từng giai đoạn, từ đó mới tiến hành tính toán. Dưới 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 đưa ra tải là điện áp dây nào có van đang dẫn. • Không thể có trường 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 được 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 được các đại lượng cần tính như điện áp, dòng điện, công suất... Ta xét hoạt động của mạch điều áp xoay chiều ba pha dùng sáu thyristor đấu song song ngược, 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 như sau : • Nếu mỗi pha có một van dẫn ( hay toàn mạch có ba van dẫn) : )sin( R3 Ui 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. 13 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 ÷ o60 : Trong phạm vi này sẽ có các giai đoạn ba van và hai van dẫn xen kẽ nhau như đồ thị dưới đây : Dựa vào đồ thị ta có thể xác định được 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) 14 2) Khoảng van dẫn ứng với α = 60 ÷ o90 : Trong phạm vi này luôn chỉ có các giai đoạn hai van dẫn. Ta có đồ thị điện áp ra ở dưới : Dựa vào đồ thị ta có thể xác định được 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) 15 3) Khoảng van dẫn ứng với α = 90 ÷ 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 như ở dưới : Dựa vào đồ thị ta có thể xác định được 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 : 16 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 đưa ra tải là lớn nhất khi góc điều khiển α = 0 nhưng 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 ngược tải thuần trở đấu tam giác, dạng điện áp từng pha cũng như 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. 17 18 CHƯƠNG 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 dưới đây ta sử dụng mạch điều áp xoay chiều ba pha sáu thyristor đấu song song ngược, 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 ÷ o60 : P = ] 8 2sin 46 [ R U3 2dm α+α−ππ Với α = 60 ÷ 90o : P = ]2cos 16 32sin 16 3 12 [ R U3 2dm α+α+ππ Với α = 90 ÷ 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 19 như sự an toàn trong hoạt động của lò điện, ta sẽ chọn một lượng công suất dự trữ cho lò điện đề phòng trường 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 như tổn thất trên các van bán dẫn, tổn thất trên đường dây... nhưng 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 được công suất ra tải khi α = 0 t 2 dm max R2 UP = Æ 3 2 max 2 dm t 10.50.2 380 P2 UR == = 1,444 (Ω) ta xác định được 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 được 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 ngược lớn nhất, dòng trung bình qua van ... Như đã nói ở trên, hoạt động của mạch điều áp xoay chiều cũng tương tự như mạch chỉnh lưu, cụ thể là mạch điều áp xoay chiều ba pha sáu thyristor đấu song song ngược có nguyên lý hoạt động trong một chu kỳ cũng giống như nguyên lý của mạch chỉnh lưu ba pha hình tia. Vì vậy, ta có thể hoàn toàn áp dụng các thông số chọn van của mạch chỉnh lưu ba pha hình tia cho mạch điều áp xoay chiều ba pha sáu thyristor đấu song song ngược. Cụ thể : Điện áp ngược lớn nhất trên van : dmfmaxng U2U6U == Æ 537380.2U maxng == (V) 20 Nhận xét : khi góc điều khiển α = 0 điện áp ra tải là hình sin và như vậy, dòng trung bình qua van lúc này là lớn nhất. Từ đây ta có thể xác định được giá trị dòng điện trung bình qua van. ∫π θπ= 0 maxmaxtb sinI2 1I (do tải thuần trở nên i trùng pha với u ) Æ )]0cos(cos[ R2 UI maxfmaxtb −−π−π= Æ 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 hưởng đến hiệu quả cũng như tuổi thọ của van. Nếu van hoạt động trong điều kiện được 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 cưỡng bức thì van có thể chịu được đến 30 ÷ 60% dòng định mức. Nếu làm mát bằng nước thì van có thể chịu được đến 80% dòng định mức. Thông thường trong công nghiệp thì van phải được làm mát tồi nhất là bằng không khí có quạt gió cưỡng 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 cưỡng 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 ngược lớn nhất trên van, ta sẽ chọn thêm hệ số dự trữ điện áp uk = 1,6 ÷ 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 được van C358 do hãng G.E của Mỹ chế tạo với các thông số sau : 21 ngU = 500 ÷ 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 được 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 tượng 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 thường 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, người ta cần phải mắc vào trước van một cuộn dây để hạn chế tốc độ tăng dòng. Cuộn dây được 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 như bằng không và lúc này cuộn dây dẫn điện như một dây dẫn bình thường. Ta có mạch như 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 được của van, hay là: 22 dt di max < 200 A/μs Æ L Uf < 200 A/μs ÆL > 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. Người 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 ngược, các điện tích nói trên đổi ngược lại hành trình, tạo ra dòng điện ngược trong thời gian rất ngắn. Sự biến thiên nhanh chóng của dòng điện ngược gây nên sức điện động cảm ứng rất lớn trong các điện cảm, vốn luôn luôn có của đường 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 thường xẩy ra ngẫu nhiên như khi đóng cắt không tải một máy biến áp trên đường 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 người ta dùng mạch RC đấu song song với thyristor như hình dưới: 23 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 đường 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 phương pháp xác định thông số R, C bằng đồ thị giải tích, sử dụng những đường cong đã có sẵn. Các bước tính toán như 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 ngược 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 ngược thực tế đặt trên diot hoặc thyristor. b là hệ số dự trữ an toàn về điện áp, b = 1 ÷ 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 như ở phần tính toán cuộn kháng bão hoà. - Xác định điện lượng tích tụ Q = f( dt di ), sử dụng các đường 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 đường cong đặc tính cần thiết nên người ta thường chọn giá trị của R, C theo kinh nghiệm: R = 20 ÷ 100 ( Ω ) ; C = 0,4 ÷ 1 ( μF ) 24 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 như sau: R = 100 Ω C = 0,47 μF ( các giá trị chuẩn) Ngoài ra, trong mạch lực cũng cần có thêm các thiết bị bảo vệ ngắn mạch, quá tải ... như áptômát, cầu chì ...ở mỗi pha và cầu chì ở trước mỗi van để tăng cao tính an toàn cho mạch. Ta có mạch hoàn chỉnh như ở dưới : 25 26 CHƯƠNG 4 THIẾT KẾ VÀ TÍNH TOÁN MẠCH ĐIỀU KHIỂN I. NGUYÊN TẮC CHUNG CỦA MẠCH ĐIỀU KHIỂN 1. Thyristor chỉ mở cho dòng chảy qua khi thoả mãn hai điều kiện : UAK > 0 IG > 0 Khi thyristor chuyển sang trạng thái dẫn thì cực điều khiển không còn tác dụng. Thyristor chỉ trở về trạng thái khoá nếu dòng điện IA < IH. ( IH : dòng điện duy trì ) Chức năng của mạch điều khiển : 27 + Điều chỉnh được vị trí xung trong phạm vi nửa chu kỳ dương của điện áp đặt lên A-K của thyristor. + Tạo ra được các xung đủ diều kiện mở thyristor, độ rộng xung tx được tính theo biểu thức : dtdi It Hx / = di/dt : tốc độ biến thiên dòng tải. 2. Cấu trúc mạch điều khiển thyristor. UAK : điện áp điều khiển ( điện áp một chiều ). Ut : điện áp tựa ( đồng bộ với điện áp A-K của thyristor ). Hiệu điện áp | Uđk – Ut | đưa vào khâu so sánh. (1) : làm việc như một trigơ. Đầu ra nhận được một chuỗi xung chữ nhật. (2) : khâu tạo xung. (3) : khâu khuếch đại xung. (4) : khâu biến áp xung. Thay đổi Uđk có thể điều chỉnh được vị trí xung điều khiển tức là điều chỉnh được góc α. 3. Nguyên tắc điều khiển. Có hai nguyên tắc : a. Nguyên tắc điều khiển thẳng đứng tuyến tính : Uđk + Ut đưa đến đầu vào của một khâu so sánh bằng cánh làm biến đổi Uđk ta có thể điều chỉnh được thời điểm xuất giện xung tức là điều chỉnh được góc α. Khi Uđk = 0 ta có α = 0 Khi Uđk 0 Quan hệ giữa α và Uđk như sau : maxt dk U Uπα = Ta lấy Uđkmax = Utmax. 28 b. Nguyên tắc điều khiển thẳng đứng “arccos”. Nguyên tắc này dùng hai điện áp : Điện áp động bộ Ut vượt trước điện áp A-K của thyristor một góc bằng π/2. ( Nếu UAK = Asinωt thì Ut = Bcosωt ). UAK có thể điều khiển được theo hai hướng dương và âm. Ut + Uđk được đưa đến đầu vào khâu so sánh . Khi Ut + Uđk = 0 ta nhận được một xung ở đầu ra của khâu so sánh. Uđk + Bcosα = 0 ⇒ α = arccos( -Uđk/B ). Thường lấy B = Uđkmax. Khi Uđk = 0 thì α = π/2. Nguyên tắc này được sử dụng trong các thiết bị chỉnh lưu chất lượng cao. Nhận xét : Yêu cầu của điều áp xoay chiều ba pha có thể dùng nguyên tắc điều khiển thẳng đứng tuyến tính vì nó đơn giản và đáp ứng được yêu cầu mạch lực. Tín hiệu phản hồi là sensơ nhiệt độ biến tính hiệu nhiệt thành tín hiệu điện, bao gồm sơ đồ cầu R9, R10, R11, R*, En. Tín hiệu điện này được đưa qua bộ khuếch đại ( R12, R13, R14, IC A5 ), sau đó được đưa vào bộ PI gồm Uđặt, R15, C3, R17, đầu ra là Uchuẩn ( U1, U2, U3, U4, U5, U6_). TÍNH TOÁN MẠCH ĐIỀU KHIỂN. Nguyên lý hoạt động của sơ đồ. Cấp nguồn 220V cho cuộn sơ cấp máy biến áp đồng pha. Điện áp phần thứ cấp là điện áp đồng pha. Ta chỉ lấy điện áp U21, U22 để dẫn giải : U21 được so sánh mức điện áp 0V, qua D1 chỉ lấy xung vuông U1 . U22 được so sánh ở mức điện áp 0V, qua D1 chỉ lấy xung vuông U2. U1 và U2 được đưa qua bộ tạo điện áp răng cưa ( gồm R3, R4,R5, R6, D1, D2, D3, A3, T1,T2 ), đầu ra sẽ nhận được điện áp răng cưa U3. 29 Uđk được so sánh với U3 qua A4, cho xung chữ nhật vuông. Xung chữ nhật vuông này qua D4 chỉ lấy xung chữ nhật dương U4. Uđk có thể thay đổi, khi nhiệt độ tăng | Uđk | giảm, góc phát xung lớn lên làm điện áp đầu ra của thyristor giảm và ngược lại, khi nhiệt độ giảm | Uđk | góc phát xung giảm đi làm điện áp đầu ra của thyristor tăng. ( Khâu phản hồi điện áp là phản hồi âm để ổn định ở một điện áp nhất định, tương ứng với một nhiệt độ nhất định ). Xung U4 và xung chùm Ux được đưa qua con AND. Đầu ra AND là xung chùm. Xung chùm này được qua T3, T4 mắc đalinhtơn để khuyếch đại công suất ( khuyếch đại dòng ). Đưa xung qua biến áp xung BAX, cho độ rộng xung và biên độ xung như mong muốn. Bộ phát xung chùm là đa hài tự dao động gồm R11, R12, R13, C2 và IC A4, qua D6 lấy xung chùm dương. Trong mạch điều khiển ta chọn toàn bộ IC là TL084 có các thông số : Vcc = ± 15V P tiêu thụ = 680 MW Rin = 106 MΩ U1 = Urabh = ±13 (V) U2 = Urabh = ±13 (V) Điốt trong mạch điều khiển là loại 1N4009 có các thông số : Ilvmax = 10 A Ungược = 25 V Umở = 1 V Điốt Zenner là loại BZD23-C9V1 có các thông số : UDZ = 9 V 30 1. Khâu đồng pha. U21 = 10 2 sinωt (V) U22 = -10 2 sinωt (V) Cho qua bộ so sánh so với điện áp 0V. Tín hiệu ra như hình vẽ ( bộ so sánh đảo ). 31 Chú ý : Ilv < 1 mA do đó : U21/R1 < 1 mA ⇒ R1 > 10/1 = 10 KΩ Ta chọn R1 = R2 = R1’ = R2’ = 15 KΩ 32 2. Khâu tạo điện áp răng cưa ( Utựa ). - Nguyên lý hoạt động : + Trong nửa chu kỳ đầu : U1 0. U1 0 qua điốt D1 và ổn định điện áp UD3. UC1 và UD3 được đưa qua bộ trừ có điện áp ra là U3. + Trong nửa chu kỳ sau : U1 > 0 , U2 < 0. U1 > 0 nên T1 dẫn. UC1 phóng điện qua T1. Điện áp trên tụ C1 nhanh chóng trở về 0. U2 < 0 nên UD3 = 0 V. Do vậy U3 = 0 V. Ta có đồ thị của khâu tạo điện áp răng cưa như hình vẽ : 33 - Tính toán mạch : + Trong nửa chu kỳ đầu : IET2 = ICT2 = (E – UD2 – UBE) / R5. UC1 = ∫ dtIC CT 21 1 = (ICT2.t) / C1 = [(E – UD2 – UBE).t] / (R5.C1). * Khi t = T/2 thì UC1 = 9 V do đó : [(E – UD2 – UBE).T/2] / (R5.C1) = 9 V Với E = 15 V, UD2 = 9 V, UBE = 0,6 V ⇒ R5.C1 = 0,006 Ta chọn C1 = 0,47μF ⇒ R5 = 12,766 KΩ. Chọn R5 = 13 KΩ Vì UD3 = 9 V nên U3 = UD3 – UC1 = (ICT2.t) / C1. Chọn R6 = 3,3 KΩ, IR6 = IR7 = UD3 / 2.R6 = 9 / 6600 = 1,36 mA. UR7 = U2 - ΔUD1 – UD3 = 4,3 V. ( ΔUD1 = 0,7 V ) ⇒ R7 = UR7 / IR7 = 3,16 KΩ. Vậy ta chọn R7 = 3,3 KΩ Chọn R3 = 10 KΩ. IET2 = ICT2 = (E – UD2 – UBE) / R5 = 0,09 mA ⇒ IBT2 = ICT2 / β. 34 Chọn T2 là 2N2904. Chọn R4 = 5 KΩ. 3. Khâu so sánh. Điện áp răng cưa U3 và Uđk đưa vào cổng âm A4. Khi | U3 – Uđk | = 0 thì trigơ lật trạng thái và có đầu ra U4 là chuỗi xung chữ nhật. Chọn R8 = R9 = 10 KΩ Chọn R10 = R8//R9 = 5KΩ Tín hiệu điện áp như hình vẽ : 35 4. Khâu phát xung chùm - Nguyên tắc hoạt động : Khi UC2 đạt ngưỡng lật, sơ đồ chuyển trạng thái. Áp có giá trị ngược lại với giá trị cũ. Sau đó điện áp trên UC2 thay đổi theo hướng ngược lại và tiếp tục cho tới khi chưa đạt ngưỡng lật khác. UN = |Uđóng| = Umax = ±13V 36 Uđóng = -βUmax Ungắt = βUmax ⇒ β = R11/( R11 + R12 ) 213 max CR UU dt dU NN −±= UN(t) = Umax = (1 – (1 + βe-t/R13C2)) |UN(t)| = |Uđóng| = |Ungắt| Khi T = 2R13C2ln(1+2R11/R12). Chọn tần số khâu phát xung chùm : f = 10 KHz. R11 = R12 ⇒ T = 2,2R13C2 = 1/(10.103) R13C2 = 45,5.10-6 Chọn C2 = 0,02μF ⇒ R13 = 2,27KΩ. Ta chọn R13 = 2,2 KΩ Chọn R11 = R12 = 10KΩ 5. Chọn cổng AND. Chọn IC CMOS là IC4081 có 4 cổng AND có các thông số sau : Vcc = 3 - 15 V. Ta chọn Vcc = E = 15 V. Công suất tiêu thụ : 2,5 nW / 1 cổng. 37 Ilv < 1mA Điện áp ứng với mức lôgic 1 là 2 - 4,5 V. Tín hiệu điện áp ra như hình vẽ : 6. Khâu khuếch đại xung và biến áp xung. Utc = Ugk = 2,5 V Itc = Ig = 0,25 A Thường thì tỉ số của máy biến áp xung là k = 2 ÷ 3. Chọn k = 2 Từ đó ta có Isc = Itc / k = 0,125 A 38 Usc = Utc.k = 5 V Isc = ICT4 Chọn T3 là C828 có hệ số β3 = 10 ÷ 30. Chọn T4 là 2N1613 có hệ số β4 = 80 Lấy β3 = 10 ⇒ IET3 = ICT4 / β3 = 0,0125 A Chọn UBT4 = 0,7 V ⇒ R16 = UBT4 / IBT4 = 56 Ω IBT3 = ICT4 / β3. β4 = 15,625 μA. Ta có UBT3 = UBET3 + UBT4 = 0,6 + 0,7 = 1,3 (V). Vì Us = 2 ÷ 4,5 V nên ta chọn điện áp sụt trên UR15 = 1 V ⇒ R15 = UR15 / IBT3 = 64 KΩ R14 ≤ (E - Usc) / Isc = 80 Ω. Ta chọn R14 = 57 Ω 7. Khâu phản hồi. - Sơ đồ đo nhiệt độ trong lò lấy tín hiệu ra là điện áp Et : Trong sơ đồ trên : R20, R18, R19 là điện trở Manganin. R17 là điện trở thay đổi theo nhiệt độ được làm bằng Cu hoặc Ni Ở 00C cầu được tính toán cân bằng, lúc này Et = 0. Khi nhiệt độ môi trường thay đổi cầu mất cân bằng. Lúc này giá trị của R17 cũng thay đổi làm xuất hiện trên hai đầu A,B một điện áp ΔU. 39 Mặt khác nhiệt độ thay đổi nên hai đầu nhiệt kế xuất hiện một điện áp ΔEt sao cho ΔEt = ΔU. Vì vậy mV kế vẫn chỉ 0 V. Ta dùng cặp nhiệt điện Platin – Platin Rôđi (90% là Pt, 10% là Rh) đo lâu dài với nhiệt độ là 1000 – 12000C. Khoảng 1000C thì tăng 0,64 mV. Ta có đồ thị quan hệ giữa Et = f(t0C) Nhiệt độ nhỏ nhất là 8000C. Tra đồ thị ta được Et = 5,1 mV. Nhiệt độ cao nhất là 10000C. Tra đồ thị ta được Et = 6,4 mV. Điện áp đo được trên mV kế là nhỏ nên ta phải khuếch đại điện áp. - Khâu khuếch đại điện áp phản hồi : Uph = - Et.R22 / R21 Ta chọn R21 = 1 KΩ, R22 = 40 KΩ. Uph = (- 0,212) ÷ (-0,256) V Chọn R23 = R22//R21 = 1 KΩ 40 Tạo điện áp điều khiển : UD9 = 9 V Ta có ( E – UD9 ) / R24 ≥ 1mA. Ta chọn R24 = 3,3 KΩ ⇒ Rv = 0 ÷ 1,5 KΩ IR27 + IR25 = - IC3 - IR26 Uph / R27 + Ud / R25 = - C3.( dUC3 / dt ) – UC3 / R26 UC3 = - ( R26.Uph / R27 + R26.Ud / R25 ) - C3.R26( dUC3 / dt ) Chọn R26 = R25 = 36 KΩ R26 / R27 = 35 ⇒ R27 = 1 KΩ Chọn C3 = 0,47 μF R26.C3 = τ Uđk = - (Ud – k.| Uph |) - τ(dUC3 / dt) 41 Tín hiệu điện áp ra như hình vẽ : 8. Khối nguồn. IC ổn áp loại UA7815 có các thông số là : Ungưỡng = 35 V Ira = 0 – 1,5 A E = 15 V IC ổn áp loại UA7915 có các thông số là : 42 Ungưỡng = 40 V Ira = 0 – 1,5 A -E = -15 V UMNmin = 18 V, ta thường chọn UMN = 21 V Ta có UMN = Ua.2,34 = 10.2,34 = 23,4 V thoả mãn điều kiện chọn C4, C5 là tụ làm phẳng 330 μF – 25 V Sơ đồ tạo điện áp –E co các thông số tương ứng hoàn toàn tương tự. 9. Tính toán biến áp nguồn nuôi. Chọn : U2 = U21 = Udf = 10 V I2 = Idf = 1 mA Công suất máy biến áp đồng pha Pđf =6 Udf .Idf=0,06W Có 21 khuếch đại thuật toán nên ta chọn 6 IC TL084, 6 con AND nên ta chọn 2 IC 4081. TL084 có Ptth=680mW, AND 4081 cóPtth=2,5nW Vậy công suất tiêu thụ ở 6 IC TL084 và AND 4081 là P8IC = 6.0,68+8.2,5.10-9 = 4,08 W 43 Công suất biến áp cấp cho 6 cực điều khiển là Px = 6UgIg = 6. 2,5 . 0,25 = 3,75 W. Công suất sử dụng cho việc tạo nguồn nuôi : P = Pđf + P8IC + Px = 0,06 + 4,08 + 3,75 = 7,89 W. Công suất máy biến áp có kể đến 5% tổn thất trong máy S = 1,05.P = 1,05.7,89 = 8,28 W Dòng điện thứ cấp máy biến áp I2 = S/6.U2 = 8,28/(6.10) = 0,138 A Dòng điện sơ cấp máy biến áp I1 = S/3.UA = 8,28/(3.220) = 12,54 mA 44 KẾT LUẬN Sau một học kỳ thực hiện đồ án với sự hướng dẫn tận tình của thầy giáo hướng dẫn Phạm Quốc Hải và các thầy giáo trong bộ môn Tự Động Hoá Xí Nghiệp Công Nghiệp, em đã hoàn thành đồ án môn học Điện Tử Công Suất với đề tài “ thiết kế lò điện trở “ và đạt được một số kết quả sau : 1 - Hiểu được về cấu tạo và nguyên lý hoạt động của lò điện nói chung và lò điện trở nói riêng. 2 - Vận dụng được nguyên lý hoạt động của mạch điều áp xoay chiều ba pha vào mạch thực tế. 3 - Biết cánh thiết kế và tính toán mạch lực. 4 - Biết cách thiết kế và tính toán mạch điều khiển. Kết quả mô phỏng cho thấy mạch lực và mạch điều khiển hoạt động tốt đáp ứng được những yêu cầu thực tế đặt ra. Điều đó chứng tỏ tính đúng đắn của mạch đã thiết kế. Kết quả này có thể là cơ sở cho việc ứng dụng để thiết kế mạch trong thực tế. Tuy nhiên, do thời gian có hạn và trình độ còn hạn chế, đồ án này không tránh khỏi những thiếu sót. Em xin chân thành cảm ơn giáo viên hướng dẫn Phạm Quốc Hải và các thầy giáo trong bộ môn đã tận tình giúp đỡ em hoàn thành tốt đồ án này. 45 TÀI LIỆU THAM KHẢO 1. Điện tử công suất Nguyễn Bính Nhà xuất bản khoa học và kĩ thuật - 1995 2. Phân tích và giải mạch điện tử công suất Phạm Quốc Hải - Dương Văn Nghi Nhà xuất bản Khoa học và Kĩ thuật - 1997 3. Điện tử công suất lớn ứng dụng Nguyễn Bính NXB Đại học và Giáo dục chuyên nghiệp - 1985 4. Điều khiển tự động Phạm Công Ngô Nhà xuất bản Khoa học và Kĩ thuật - 1998 5. Lò điện Bộ môn lò luyện kim Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội -1971 6. Lò điện Lương Văn Đề Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội - 1993 7. Trang bị Điện - Điện tử máy công nghiệp dùng chung Vũ Qui Hồi - Nguyễn Văn Chất - Nguyễn Thị Liên Anh Nhà xuất bản giáo - 1996 8. Sơ đồ chân linh kiện bán dẫn Dương Minh Trí Nhà xuất bản Khoa học và Kĩ thuật - 1997