Đề tài Nghiên cứu, chế tạo bộ chỉnh lưu cho lò nấu thép dùng bán dẫn công suất

ất lượng của chỉnh lưu còn được đánh giá bởi tính chất của điện áp và dòng điện một chiều ở cửa ra, trong đó hệ số hài và hệ số đập mạch là các chỉ tiêu quan trọng. + Với các đặc thù của lò nấu thép là phụ tải luôn thay có sự dao động, quá trình làm việc dễ gây sự cố, nện bộ chỉnh lưu phải được thiết kế làm việc ổn định, tin cậy để duy trì công suất đặt cho phụ tải và lập tức ngừng làm việc khi có sự cố. mặt khác công nghệ nấu thép cần có công suất nung chảy lớnvà điều chỉnh vô cấp công suất đầu ra. Để có thể điều chỉnh vô cấp công suất nung chảy, bộ chỉnh lưu đóng vai trò là nguồn cung cấp, bổ sung năng lượng cho mạch dao động nện điện áp ra của bộ chỉnh lưu phải được điều chỉnh vô cấp từ 0 ÷ maxdU . Chính vì vậy dòng điện lắp đặt của bộ chỉnh lưu phải được tính chọn đảm bảo cho chỉnh lưu làm việc ổn định trong trường hợp nặng nề nhất với điện áp ra cao nhất đảm bảo công suất yêu cầu. Tuy nhiên trong nấu luyện thép cũng có giai đoạn cần công suất rất nhỏ, khi đó bộ chỉnh lưu làm việc ở chế độ điện áp ra rất nhất. Điều này đòi hỏi cần phải khắc phục hiện tượng biên động và hàm lượng các hài bậc cao thường khi điện áp ra thấp nhất. + Một vấn đề nữa đặt cần khắc phục đó là trong thực tế điện cảm, điện trở của nguồn xoay chiều cung cấp luôn tồn tại, và làm giảm chất lượng cảu chỉnh lưu so với kết quả tính toán trong trường hợp lý tưởng. Mặc dù điện trở thuận chỉ dẫn đến sụt áp có thể bỏ qua do giá trị nhỏ, nhưng điện cảm gây nên hiện tượng chuyển mạch và làm cho điện áp ra sau chinh lưu giảm đi một lượng so với tính toán trong trường hợp lý tưởng và từ đó làm giảm công suất ra của bộ chỉnh lưu. Trong quá trình làm việc, điện áp lưới có thể dao động tăng, giảm trong một 20 GV hướng dẫn: TS Nguyễn Văn Thuấn Đồ án tốt nghiệp Lớp: TBĐ-ĐT 3. phạm vi nhất định. Do vậy phải tính toán để bộ chỉnh lưu có thể đáp ứng được các vấn đề trên. + Trên cơ sở những phân tích được trình bầy ở trên ta có thể thấy rằng đối với bộ chỉnh lưu của lò nấu thép, trong một chu kỳ điện áp tải ra có 6 lần thay đổi, hay nói cách khác là điện áp tải ra có tần số bằng 6 lần tần số điện áp nguồn cung cấp và có chu kỳ đập mạch không thay đổi bằng 6 pi . Điện áp ra trong mỗi chu kỳ đập mạch là một đoận của các điện áp áp dây tượng ứng. Trong mỗi thời điểm luôn có hai thyristor ở hai nhánh cầu được mở và thời gian mở của mỗi nhánh cầu gián cách nhau 060 , dòng điện tải là dòng điện chạy từ pha nay sang pha kia. Như vậy có một yêu cầu nhất định đối với mạch tạo xung đó là gián cách thời gian xung mạch phải bằng 060 , đồng thời có biện pháp bảo vệ sự cố ngắn mạch giữa các pha khi thyristor bi hỏng cách điện. 1.3.3 Yêu cầu kỹ thuật về bảo vệ quá dòng, quá áp: Thiết bị lò nấu thép cảm ứng trung tần, do phụ tải dao động và trong quá trình làm việc có thể dẫn đến phía một chiều phát sinh hiện tượng ngắn mạch. Mặt khác trong quá trình làm việc thiết bị không thể tránh khỏi sự hỏng hóc của cá thyristor và các dụng cụ khác do các nguyên nhân khác nhau. Vì vậy, để đảm bảo độ tin cậy của thiết bị, đảm bảo dòng điện trung tần vượt trước điện áp một góc β nhất định, cần thiết phải có bảo vệ quá dòng, quá áp. Bảo vệ quá dòng, quá áp có hai nhiệm vụ, đó là: duy trì sự ổn định dòng điện, điện áp (công suất) ở một giá trị đặt nhất định và khi trị số dòng điện, điện áp trung tần vượt quá trỉ số chỉnh định, boả vệ lập tức tác động ngắt nguồn cung cấp cho chỉnh lưu để đảm bảo an toàn cho thiết bị. Ngoài dung các thiết bị bảo vệ thong thường như cầu chì, áptômát,….vv; thiết bị phải được thiết kế các mạch bảo vệ quá dòng điện, điện áp với các chức năng cụ thể sau: + Khống chế (kiềm chế) dòng điện, điện áp: giả sử vì một lý do nào đó làm cho dòng điện hoặc điện áp cấp ra quá lớn so với giá trị đặt, mạch khống chế dòng 21 GV hướng dẫn: TS Nguyễn Văn Thuấn Đồ án tốt nghiệp Lớp: TBĐ-ĐT 3. điện, khống chế điện áp sẽ tác động lên bộ chỉnh lưu giảm điện áp một chiều cấp cho nghịch lưu, từ đó duy trì điện áp cấp ra tải ở giá trị đã đăt. Khi tín hiệu vượ quá trị số đặt sẽ đi vào bộ xúc phát chỉnh lưu, sau khi tổng hợp với các tín hiệu khác, làm xung súc phát của chỉnh lưu dịch về phía sau (tăng góc khống chế), điện áp cấp cho chỉnh lưu sẽ giảm đi, do đó sẽ khống chế được sự gia tăng điện áp cấp cho tải. + Bảo vệ quá dòng, quá điện áp: khi phu tải chỉnh lưu xuất hiện sự cố đoản mạch, tốc độ tăng của dòng điện ra của chỉnh lưu rất nhanh, ngược lại khi cuộn cảm ứng có sự cố hở mạch, điện áp cấp ra phía tải sẽ xảy ra qua áp. Do vậy trị số dòng điện hoặc điện áp vượt quá trị số chỉnh định. Đối với tình trạng này, khâu kiềm chế dòng điện, điện áp không có năng lực bảo vệ nữa, khi đó phải dung khâu bảo vệ quá dòng, quá điện áp. Khâu bảo vệ quá dòng quá điện áp lấy tín hiệu dòng điện từ đầu nguồn vào hoặc lấy tín hiệu áp từ đầu ra của biến tần đi qua mạch khoá xung làm cho bộ súc phát cưỡng chế, để góc α khống chế nhanh chóng dịch tới vị trí 150 0 , mạch điện chỉnh lưu lập tức ngừng cấp điện áp ra, do đó nhanh chóng khử được dòng đoản mạch hoặc quá điện áp. 1.4 Kết luận chương 1: Chương 1 trình bầy các nội dung sau: + Tổng quan về lò điện cảm ứng . + Nguyên lý làm việc chung của lò nấu thép cảm ứng. + Các Yêu cầu kỹ thuật của Lò nấu thép cảm ứng trung tần. Chương 1 là cơ sở quan trọng để các chưong tiếp theo phận tích tổng hợp thuật toán điều chỉnh và xây dựng các mạch động lực, điền khiển của thiết bị. 22 GV hướng dẫn: TS Nguyễn Văn Thuấn Đồ án tốt nghiệp Lớp: TBĐ-ĐT 3. Chương 2 PHÂN TÍCH VÀ TỔNG HỢP THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN MẠCH CHỈNH LƯU CẦU BA PHA 2.1 Khái quát chung về thyristor và chế độ làm việc: 2.1.1. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động: a. Cấu tạo: 23 GV hướng dẫn: TS Nguyễn Văn Thuấn Đồ án tốt nghiệp Lớp: TBĐ-ĐT 3. Thyristor còn gọi là SCR (Sillcon – Controlled – Rectifier) là nhóm các chuyển mạch bán dẫn. Cấu tạo gồm 4 lớp bán dẫn đặt tên là P1, N1, P2, N2 và ba chuyển tiếp P–N lần lượt là J1, J2, J3 lân cận nhau. Quá trình chuyển trạng thái xảy ra theo nguyên lý thác lũ nhờ tương tác giữa các chuyển tiếp P–N. Anốt a được nối với P2, K được nối với N1, cực điều khiển G được nối với P1 (hình 2.1a). Thyristor chuyển từ trạng thái khoá sang trạng thái dẫn khi điện áp anốt vượt quá một giá trị dương lớn hơn không nào đó, được gọi là điện áp chuyển mạch và chuyển từ trạng thái dẫn sang trạng thái khoá khi dòng điện nhỏ hơn một giá trị dương, được gọi là dòng duy trì. Bằng cách thay đổi dòng điện cấp cho cực G có thể điều chỉnh được giá trị điện áp chuyển mạch nêu trên. Do thyristor mở theo nguyên lý thác lũ (động tử được phun từ hai phía của chuyển tiếp P–N). Vì vậy muốn chuyển thyristor sang trạng thái khoá ta phải triệt tiêu các động tử tự do, nhưng việc triệt tiêu các động tử tự do nói trên gặp rất nhiều khó khăn. Biện pháp đơn giản là nguyên lý khử cưỡng bức dòng anốt được dung phổ biến hơn cả đối với thyristor thông thường. 24 GV hướng dẫn: TS Nguyễn Văn Thuấn Đồ án tốt nghiệp Lớp: TBĐ-ĐT 3. 25 GV hướng dẫn: TS Nguyễn Văn Thuấn N1 P1 N2 P2K J3 J2 A G J1 Ua G Ia A K a) Cấu trúc tương đương b) Kí hiệu 2Q I GIB1=IC2+IG K I C1 =I B2 I A =I E2 A G c) Mạch tương đương Hình 2.1: Cấu trúc, kí hiệu và mạch tương đương của thyristor 1Q kc II =1 Đồ án tốt nghiệp Lớp: TBĐ-ĐT 3. b. Nguyên lý làm việc và tính chất chuyển mạch của thyristor: Có thể mô tả mô hình mạch điện tương đương của Thyristor gồm 2 Transistor Q1 và Q2 như trong hình 2.1c. Gọi α1 và α2 là hệ số truyền đạt dòng của Q1 và Q2. Khi đặt điện áp U lên hai đầu A và K của Thyristor, các mặt tiếp giáp J1 và J3 phân cực thuận, còn mặt tiếp giáp J2 phân cực ngược (J2 mặt tiếp giáp chung của Q1 và Q2). Do đó dòng chảy qua J2 là IJ2 Có biểu thức như sau: IJ2 = α1 Ie1 + α2Ie2 + IT + GI ; IT: Là dòng điện rò qua J2 Nhưng vì Q1 và Q2 ghép thành một tổng thể ta có: Ie1 = Ie2 = IJ2 = AI Do đó IJ2 = AI = α1 I + α1 I + IT+ GI Suy ra => AI = )(1 21 αα +− + GT II (1) Do J2 phân cực ngược nên hạn chế dòng chảy qua nó, dẫn đến α1 và α2 cùng có giá trị nhỏ AI ~ IT, cả hai transistor ở trạng thái ngắt. Từ biểu thức (1) ta thấy rằng dòng điện AI chảy qua Thyristor chẳng những phụ thuộc vào IT mà còn phụ thuộc GI . Theo sơ đồ tương đương của SCR (H.2.1c) ta có thể giải thích như sau: - Dòng IC2 chảy vào cực B của Q1 làm cho Q1 dẫn và IC1 tăng, tức IB2 cũng tăng (IC1 = IB2) khiến Q1 dẫn mạnh kết quả là IC1 tăng và cứ tiếp diễn như thế. Hiện 26 GV hướng dẫn: TS Nguyễn Văn Thuấn Hình 2.2: Hệ số truyền đạt dòng điện α 1,0 0 1,0 Đồ án tốt nghiệp Lớp: TBĐ-ĐT 3. tượng này gọi là hồi tiếp dương về dòng điện, tạo điều kiện làm tăng trưởng nhanh dòng điện chảy qua Thyristor. - Dòng Ie1 tăng làm cho α1 tăng (H2.2), còn tăng Ie2 làm cho α2 tăng. Cuối cùng thực hiện điều kiện (α1 và α2) tiến đến 1, cả hai transistor chuyển sang trạng thái mở, lúc này nội trở giữa A và K của SCR rất nhỏ. - Vậy muốn làm cho Q1, Q2 chuyển từ trạng thái ngắt chuyển sang trạng thái bão hòa (hay muốn mở Thyristor) chỉ cần làm tăng IB2. Để làm được việc này người ta thường cho một dòng điều khiển Iđk = GI chảy vào cực khiển của Thyristor, đúng theo chiều IB1 trên H2.1c. 2.1.2. Đặc tính Volt - Ampe và các tham số chủ yếu của thyristor: a) Đặc tínhVolt - Ampe: Hình 2.3: Đặc tính Volt-Ampe của Thyristor Trong đó: Ucm0: điện áp chuyển mạch cực đại Udt : điện áp đánh thủng IA : dòng điện qua Thyristor 27 GV hướng dẫn: TS Nguyễn Văn Thuấn Đồ án tốt nghiệp Lớp: TBĐ-ĐT 3. + Ta nhận thấy rằng nếu để hở mạch cực G, hay cho IG= 0, thì Thyristor trở thành Điăc, có đặc tính như trên hình 2.3 ứng với IG=0. Trong trường hợp này dòng điện áp chuyển mạch có giá trị lớn nhất bằng Ucm0. + Nếu tăng dòng điều khiển lên giá trị IG1>0, dòng Anốt cũng tăng dần nhưng có giá trị nhỏ cho đến khi tổng α1+α2=1. Cứ như thế, tăng dòng điều khiển IG lên thí điện áp chuyển mạch giảm tương ứng. Khi IG tăng đến một giá trị tới hạn nào đó (IGbh) thì Thyristor chuyển sang trạng thái dẫn hay điện áp Anốt lúc này bằng 0. Sau đó dù có tăng dòng điều khiển lên nữa thì đặc tính Volt-Ampe không thay đổi nữa. + Như vậy để đảm bảo mở chắc chắn cho mọi Thyristor với cùng một loại dòng điều khiển thì IGbh 1.5IGbh ). b) Các tham số chủ yếu của Thyristor: + Điện áp thuận cực đại(U thmax): là giá trị điện áp dương cực đại đặt lên 2 cực A và K của Thyristor mà không phá hỏng nó. Nếu điện áp vượt quá ngưỡng này Thyristor sẽ hỏng. + Điện áp ngược cực đại(Ungmax): là giá trị điên áp âm giới hạn đặt vào 2 cực A và K của Thyristor mà không bị đánh thủng, nếu vượt quá ngưỡng trên, Thyristor sẽ hỏng. + Điện áp định mức(Uđm): là giá trị điện áp cho phép đặt lên Thyristor theo chiều thuận và ngược. + Điện áp rơi: là điện áp đo được trên 2 cực A và K của Thyristor khi ở trạng thái đang mở. + Điện áp và dòng điện điều khiển( dkU và dkI ): là giá trị điện áp nhỏ nhất đặt vào 2 cực A-K và dòng điện nhỏ nhất đặt vào cực G để có thể mở được Thyristor. + Thời gian mở Thyristor (Ton): là khoảng thời gian tính từ lúc bắt đầu có xung điều khiển IG đến khi dòng điện Anốt đạt giá trị xác lập Ia = U0/Ra (hoặc=0,9Ia). 28 GV hướng dẫn: TS Nguyễn Văn Thuấn Đồ án tốt nghiệp Lớp: TBĐ-ĐT 3. + Thời gian khóa Thyristor (Toff): được tính từ lúc dòng anốt bắt đầu đổi dấu đến khi điện tích được tiêu tán hoàn toàn, hay Ia = IT. Đó là khoảng thời gian cần thiết để thyristor hồi phục tính cách điện của nó. + Tốc độ tăng trưởng điện áp thuận cho phép (du/dt): Là giá trị lớn nhất của tốc độ tăng áp trên Anốt mà Thyristor không chuyển từ trạng thái khóa sang trạng thái mở. + Tốc độ tăng trưởng dòng thuận cho phép (di/dt): Là giá trị lớn nhất của tốc độ tăng dòng trong quá trình mở Thyristor. 2.1.3. Thyristor làm việc với vai trò chỉnh lưu điều khiển: + Ta xét chỉnh lưu điều khiển đơn giản nhất (chỉnh lưu điều khiển 1 pha, 1 bán kì) để thấy rõ vai trò của Thyristor trong chỉnh lưu và điều khiển điện áp. + Sơ đồ chỉnh lưu một pha một bán kỳ tải thuần trở được trình bầy trong hình 2.5, biểu đồ dòng điện và điện áp giải thích nguyên lý làm việc của nó được trình bầy trong hình 2.5. 29 GV hướng dẫn: TS Nguyễn Văn Thuấn u d T U ai 1 i 2 u 1 Hình 2.4: Sơ đồ chỉnh lưu có điều khiển một pha một bán chu kì TRu 2 Đồ án tốt nghiệp Lớp: TBĐ-ĐT 3. * Nguyên lý làm việc: + Trong thời gian bán kỳ dương của điện áp nguồn, điện thế anốt của thyristor dương so với katốt, khi đó thyristor được gọi là phân cực thuận. Sau khi cấp xung mở cho cực điều khiển vào thời điểm ứng với góc pha ωt1 = α, Thyristor mở và toàn bộ điện áp nguồn u2 đặt trên điện trở tải. Lúc này dòng điện khép mạch có giá trị bằng ud/R. Khi điện áp nguồn đổi dấu, vào thời điểm ứng với ωt2 = pi , điện thế anốt của Thyristor trở lên âm so với katốt nên Thyristor chuyển sang trạng thái 30 GV hướng dẫn: TS Nguyễn Văn Thuấn αα Um -Um u 2 u T i T u a U m U m /R ωt ωt ωt ωt pi 2 Hinh 2.5: Biểu đồ dòng điện và điện áp ωt 1 1t Đồ án tốt nghiệp Lớp: TBĐ-ĐT 3. khóa. Sau thời điểm này toàn bộ điên áp nguồn đặt lên Thyristor, còn dòng điện và điện áp tải đều bằng không. + Thyristor trong điều kiện điện thế anốt âm so với katốt được gọi là phân cực ngược. Trong khoảng thời gian kể từ lúc điện áp nguồn bắt đầu dương đến thời điểm t1, khi cấp xung mồi cho thyristor được gọi là thời gian giữ chậm, góc 1α = ωt1 ứng với thời gian giữ chậm t1, được gọi là góc mở. + Khi thay đổi góc α thì trị trung bình điên áp trên tải hay điện áp ra thay đổi theo. Quan hệ giữa điện áp ra trung bình với góc mở α dược gọi là đặc tính điều chỉnh của chỉnh lưu hay đặc tính điều khiển của chỉnh lưu. Điện áp ra trung bình được xác định theo định nghĩa là: Ud = T 1 ∫T Tu 0 dtt)( . Trong một chu kỳ biến thiên điện áp ra chỉ khác không trong khoảng α ≤ ωt ≤ pi nên ta có. dcU = pi2 1 . dttU m )sin(ω pi α ∫ = pi2 mU [- cos tω ] piα = pi2 mU (1+ cos tω ). (2.1) Biểu thức 2.1 và biểu đồ điện áp trên hình 2.5 cũng cho thấy nếu thay đổi α từ 0 đến pi điện áp ra giảm tử pi mU đến 0. Điện áp ra trung bình sau chỉnh lưu có giá trị lớn nhất khi α = 0 và bằng dmU = pi mU Điện áp ra trung bình tương đối của chinh là tỷ số giữa điện áp rat rung bình hiện hành và điện áp ra lớn nhất. dtbU = pi mU = 2 1 αCos+ Trị hiệu dụng hay trị trung binh bình phương của điện áp ra là: 31 GV hướng dẫn: TS Nguyễn Văn Thuấn Đồ án tốt nghiệp Lớp: TBĐ-ĐT 3. dhdU = ( ) 2/1 0 2 2 1    ∫ dttSinU mpi ωpi = 2/1 0 )21( 4    −∫ tdtCosU m ωωpi pi = 2 mU 2/1 ) 2 2(1    +− α αpi pi Sin Ưu điểm: - Điện áp ra đập mạch nhỏ do vậy mà chất lượng điện áp tốt. - Hiệu suất sử dụng máy biến áp tốt do dòng điện chạy trong van đối xứng - Điện áp ngược trên van lớn nhưng do Udo=2,34U2 nên nó có thể được sử dụng với điện áp khá cao. 2.2 Nguyên lý làm việc của mạch chỉnh lưu câu ba pha: Đối với lò cảm ứng trung tần giữa mạch chỉnh lưu và mạch nghich lưu được lắp điện kháng có điện cảm lớp nhằm duy trì dòng điện ổn định, liên tục. Do vậy ta xét nguyên lý làm việc của sơ đồ trong trường hợp điện cảm lớn. Mạch chỉnh lưu cầu ba pha điều khiển hoàn toàn có sơ đồ nguyên lý trình bầy trên hình 2.6, trong đó cả 6 van đều là thyristor được chia thành hai nhóm: nhóm katốt chung gồm 1T , 3T , 5T ; nhóm anốt chung gồm 2T , 4T và 6T . 32 GV hướng dẫn: TS Nguyễn Văn Thuấn Đồ án tốt nghiệp Lớp: TBĐ-ĐT 3. Hình 2.6: Sơ đồ nguyên lý của bộ chỉnh lưu cầu ba pha. Biểu đồ điện áp, dòng điện trên các thyristor giải thích nguyên lá làm việc của sơ đồ trong trường hợp α = 060 được trình bầy trên hình 2.7. Giả sử thyristor 6T và 5T đang dẫn và ở chế độ xác lập thì sau khi mở 1T vào thời điểm ωt = 6 pi + α , sẽ xảy quá trình chuyển dòng t ừ 5T sang 1T . Sau khi mở 1T katốt của 5T được nối với pha A của nguồn, còn anốt của nó được nối với pha C. Vì điện thế của katốt (được nối với pha A) dương hơn điện thế của anốt (được nối với pha C) nên 5T bị khóa bởi điện áp anốt âm. Nếu coi các van là lý tưởng, tức là thời gian chuyển mạch của chúng băng không, thì 5T khóa và 1T mở tức thời, do đó dòng tải chuyển tức thời từ 5T sang 1T 33 GV hướng dẫn: TS Nguyễn Văn Thuấn 1T 4T 3T 6T 2T 5T U ~ 380/220 50Hz du di A B C Tải Đồ án tốt nghiệp Lớp: TBĐ-ĐT 3. . Sau thời điểm này dòng điện tải chuyển từ cặp thyristor 5T - 6T sang cặp thyristor 6T - 1T , điện áp du trên tải bằng điện áp dây abu . Tương tự như vậy, mở thyristor 2T vào thời điểm ứng với ωt = 2 pi +α , sẽ dẫn đến khóa 6T giống như khóa 5T sau khi mở 1T . Sau thời điểm ứng với ωt = 2 pi +α , dòng tải chuyển từ cặp van 6T - 1T sang cặp van 1T - 2T và do đó điện áp trên tải bằng điện áp dây acu . Trong các giai đoạn tiếp theo xảy ra hoàn toàn tương tự. Nếu đánh số các thyristor như trên hình 2.6, thì trình tự dẫn dòng của chúng sẽ là: 12, 23, 34, 45, 56, 61…Trên cơ sở những phân tích được trình bầy ở trên, có thể thấy rằng trong một chu kỳ điện áp tải ra có 6 lần thay đổi, hay nói cách khác là điện áp tải ra co tần số bằng 6 lần tần số điện áp nguồn cung cấp và có chu kỳ đập mạch là một đoạn của điện áp dây tương ứng. Các xung điều khiển lêch nhau nhau 3 pi lần lượt được đưa đến các cực điều khiển của các thyristor theo thứ tự như sau: Các thời điểm mở khóa ωt = π/6 +α 1T 5T ωt = 3π/6 +α 2T 6T ωt = 5π/6 +α 3T 1T ωt = 7π/6 +α 4T 2T ωt = 9π/6 +α 5T 3T ωt = 11π/6 +α 6T 4T 34 GV hướng dẫn: TS Nguyễn Văn Thuấn Đồ án tốt nghiệp Lớp: TBĐ-ĐT 3. Trị trung bình của điện áp ra được xác định theo biểu thức: dU = ∫ + + α pi α pi ω pi 2 6 )( 3 tduab = pi 33 mU .Cosα = pi 63 2U .Cosα Trong đó: dU , 2U tương ứng là điện áp ra của chỉnh lưu và điện áp thứ cấp máy biến áp nguồn. Như vậy khi thay đổi góc α , sẽ thay đổi được điện áp ra. Điện áp trung bình đầu ra lớn nhất: maxdU = pi 63 2U , khi α = 0; và mindU = 0, khi α = 2 pi . Trị hiệu dụng của điện áp ra sau chỉnh lưu ( dhdU ) sẽ là: dhdU =    + α pi 2 4 33 2 13 CosU m Dòng điện chạy qua tải là dòng điện chạy từ pha nay sang pha kia, do đó tại mỗi thời điểm nhất thiết phải có 2 thyristor ở hai nhánh cầu cùng làm việc (một ở nhóm katốt chung, một ở nhóm anốt chung) mới cấu thành mạch thong, trong mỗi nhóm khi một thyristor mở nó sẽ khóa ngay thyristor dẫn dòng trước nó. Trị trung bình của dòng điện ra: dI = dttiT T d∫ 0 )(1 Trị hiệu dụng của dòng điện ra: dhdI = 2/1 0 2 )(1    ∫T d dttiT Công suất ra trung bình: dP = dU . dI . Trường hợp trùng dẫn do điện cảm nguồn cL ≠ 0: 35 GV hướng dẫn: TS Nguyễn Văn Thuấn Đồ án tốt nghiệp Lớp: TBĐ-ĐT 3. Ở trên ta xét trường hợp điện cảm nguồn cL = 0 (bao gồm điện cảm đường dây và máy biến áp nguồn); Tuy nhiên trong thực tế cL ≠ 0, nên xảy ra hiện tượng trùng dẫn và điện áp ra bi sụt giảm đi một lượng là ∆ µU . Do trùng dẫn cho nên giá trị trung bình của điện áp ra bị giảm đi một lượng ∆ µU xác định theo công thức sau: ∆ µU = pi2 3 26U [ ])( αµα +− CosCos = pi dc IX3 Điện áp ra trong mỗi chu kỳ đập mạch là một đoạn của các điện áp dây tương ứng. Nếu điện áp ba pha được biểu điễn tương ứng là: au = mU sin ωt, bu = mU sin( ωt - 3 2pi ), cu = mU sin( ωt + 3 2pi ). Thì điện áp dây tương ứng là: abu = au - bu = 3 mU sin( ωt + 6 pi ), bcu = bu - cu = 3 mU sin( ωt - 2 pi ), cau = cu - au = 3 mU sin( ωt + 6 5pi ). Trị trung bình của điện áp ra có thể được xác định trong giai đoạn từ ωt = 6 pi +α đến ωt = 6 pi +α + 3 pi = 2 pi +α , và theo biểu thức: dU = 3 pi ∫+ + αpi αpi 2/ 6/ abu d(ωt) = 3 pi mU∫ + + αpi αpi 2/7 6/ 3 sin( ωt + 6 pi )d(ωt) = pi mU33 cosα . 36 GV hướng dẫn: TS Nguyễn Văn Thuấn Đồ án tốt nghiệp Lớp: TBĐ-ĐT 3. Điện áp trung bình lớn nhất khi α = 0 và là: dmU = pi mU33 , Và điện áp ra quy đổi là : nU = dm d U U = cosα . Trị hiệu dụng của điện áp ra là : dhdU = )()6 (sin3 2 3 2/ 6/ 22 tdtUm ω pi ω pi αpi αpi ∫+ + + = 3 mU α pi 2cos 4 33 2 1 + 2.3 Phân tích và tổng hợp thuật toán điều khiển mạch chỉnh lưu câu ba pha dung thyristor: 2.3.1 Khái quát về mạch điều khiển thyristor: a. Mạch điều khiển thyristor có các chức năng sau: + Điều khiển được thời điểm phát xung mở các thyristor trong phạm vi nửa bán kỳ dương của điện áp đặt trên anốt-katốt thyristor. + Tạo ra được các dãy xung đủ điều kiện để mở thyristror: đảm bảo đủ công suất, biên độ, bề rộng xung cần thiết, các dãy xung này phải đồng bộ với điện áp nguồn vào và có pha (tức góc α ) điều chỉnh được theo yêu cầu của mạch chỉnh lưu (thường từ 0 đến pi ). Nguyên lý xây dựng mạch điều khiển chỉnh lưu cầu ba pha trình bầy trong sơ đồ hình 2.6. b. Các yêu cầu về độ lớn của xung điều khiển: + Mỗi thyristor đều có một đặc tính là quan hệ giữa điện áp đặt trên cực khiển và dòng điện chạy vào cực khiển quan hệ giữa điện áp đặt trên cực điều khiển và dòng điện chạy vào cực khiển. Quan hệ đó được trình bầy trong hình 2.7 dưới đây : + Do sai về thông số chế tạo và điều kiện làm việc cho thyristor mặc dù cùng loại cũng có đặc tính dkU = f( dkI ) khác nhau. 37 GV hướng dẫn: TS Nguyễn Văn Thuấn Đồ án tốt nghiệp Lớp: TBĐ-ĐT 3. + Với mỗi loại thyristor các đặc tính này dao động giữa hai đặc tính (1) và (2) về yêu câu độ lớn của điện áp và dòng điện điều khiển. Hình 2.7. Đặc tính điều khiển của thyristor Có 3 yêu cầu chủ yếu sau về dòng điện và điện áp điều khiển: + Các giá trị lớn nhất không vượt quá giá trị điều khiển. + Giá trị nhỏ nhất cũng phải đảm bảo cho tất cả các thyristor cùng loại làm việc được. + Tổn hao công suất trung bình ở cực điiều khiển nhỏ hơn giá trị cho phép. Trên hình vẽ ta nhận thấy yêu cầu đối với mạch điều khiển là phải taộ ra được tín hiệu điều khiển nặm trong vùng (I). c. Yêu cầu về độ rộng xung điều khiển: Thông thường động rông xung điều khiển lớn hơn 5 µs ( xt = 5 ÷ 10 µs đối với thyristor làm việc ở tần số cao và xt = 50 ÷ 200 µs với thyristor làm việc ở tần số thấp ) và tăng độ rộng xung khiển sẽ cho phép giảm nhỏ xung khiển ( như hình vẽ ). Khi mạch tải có điện cảm lớn thì dòng tải tăng chậm nên ta phải tăng độ rộng xung của xung khiển. Độ rộng xung khiển được tính theo biểu thức: 38 GV hướng dẫn: TS Nguyễn Văn Thuấn t x =1000µs t x =100 µs (2) (1) I II 0 U dk I dk Đường giới han công suât điều khiển Đồ án tốt nghiệp Lớp: TBĐ-ĐT 3. xt = Idt . di/dt Trong đó: Idt : dòng duy trì của thyristor. di/dt : Tốc độ tăng dòng tải. d. Yêu cầu về độ rộng sườn trước của xung khiển: + Độ dốc sườn trước của xung khiển càng cao thì việc mở thyristor càng dễ và càng đúng theo mong muốn. Thông thường yêu cầu độ dốc sường trước của xung khiển là: dt dI dk ≥ 0,1 A/ sµ . + Độ dốc sườn trước cảu xung càng cao thì hiện tượng đốt nóng cục bộ càng giảm làm tă ng tuổi thọ của thyristor. 2.3.2 Thiết kế mạch điều khiển theo nguyên tắc thẳng đứng arccos: * Để đáp ứng được các yêu cầu nêu trên, cấu trúc mạch điều khiển bao gồm một số khối chức năng như trình bầy trong hình 2.8. Hoạt động của toàn mạch và của khối được minh họa băng biểu đồ trong hình 2.9. 39 GV hướng dẫn: TS Nguyễn Văn Thuấn 1 dkU dbU cosU 2 3 Thyristor Đồ án tốt nghiệp Lớp: TBĐ-ĐT 3. Hình 2.8. Sơ đồ cấu trúc mạch điều khiển Thyristor. Trong đó: + dkU là điện áp điều khiển, điện áp một chiều. + dbU là điện áp đồng bộ, điện áp xoay chiều hoặc biến thế của nó, đồng bộ với điện áp anốt - katốt của thyristor được đưa vào khâu tích phân (1) tạo điện áp tựa cosin. Đầu ra của khâu tích phân là điện áp tựa cosin của điện áp đồng bộ. Điện áp tựa cần có tần số và biên độ ổn định. + Điện áp dkU và cosU được đưa vào khâu so sánh (2). Khâu so sánh có nhiệm vụ nhận các điện áp dkU , cosU , tìm thời điểm khi dkU - cosU = 0 thì phát xung gửi sang khâu tạo xung (3). + Khâu tạo xung có nhiệm vụ tạo xung phù hợp để mở thyristor. Xung để mở thyristor có yêu câu: sườn trước dốc thẳng đứng, để đảm bảo yêu cầu thyristor mở tức thời khi có xung điều khiển (thường gặp loại xung này là xung kim hoặc xung chữ nhật); đủ độ rộng xung (với độ rộng xung lớn hơn thời gian mở của thyristor); đủ công suất; cách ly giữa mạch điều khiển với mạch động lực (nêu điện áp mạch động lực quá lớn ) thông qua biến áp xung. 2.4 Thiết kế sơ đồ nguyên lý: Bằng cách tác động vào dkU , có thể điều chỉnh được thời điểm cấp xung mở, cũng chính là điiều chỉnh được góc mở α . Điều khiển Thyristor trong sơ đồ chỉnh 40 GV hướng dẫn: TS Nguyễn Văn Thuấn Đồ án tốt nghiệp Lớp: TBĐ-ĐT 3. lưu hiện nay co nhiều phương pháp khác nhau, đối với bài toán này chọn nguyên tắc điều khiển là thẳng đứng tựa arrccos để thực hiện việc điều chỉnh thời điểm cấp xung trong nửa bán kỳ d