Đồ án Khai thác phần mềm PSIM - Mô phỏng mạch điện tử công suất

2.2.3. Khối điều khiển Gating block Khối này chỉ được nối với cực điều khiển của các khoá điện tử hai trạng thái kể trên và được xác định tính chất trực tiếp của block Gating. Mô tả một Gating block: Hình 2.8. Ký hiệu của Gating block. Frequency: tần số làm việc khi nối với các khoá điện tử. Number of points: số lần tác động trong một chu kỳ. Switching points: Góc tác động trong một chu kỳ. 2.2.4. Máy biến áp Có các loại như : Máy biến áp lý tưởng, máy biến áp một pha và ba pha với các kiểu đấu dây. Trên Psim các loại máy biến áp một pha sau đây được sử dụng : Một cuộn dây sơ cấp và một cuộn dây thứ cấp (TF_1F/TF_1F_1) Một cuộn dây sơ cấp và hai cuộn dây thứ cấp (TF_1F_3W) Hai cuộn dây sơ cấp và hai cuộn dây thứ cấp (TF_1F_4W) Một cuộn dây sơ cấp và bốn cuộn dây thứ cấp (TF_1F_5W) Một cuộn dây sơ cấp và sáu cuộn dây thứ cấp (TF_1F_7W) Hình 2.9. ký hiệu các loại máy biến áp một pha Trên Psim có các loại máy biến áp ba pha trụ sau : Máy biến áp 3 pha 2 cuộn dây có các đầu dây ra của đầu và cuối cuộn dây (TF_3F) Máy biến áp 3 pha nối Y/Y và Y/ (TF_3YY/TF_3YD) Máy biến áp 3 pha 3 cuộn dây nối Y/Y/ và Y/ (TF_3YYD/TF_3YDD) Hình 2.10. ký hiệu các loại biến áp ba pha 2.2.5. Các môđun của bộ biến đổi một pha và ba pha Các môđun bộ biến đổi một pha bao gồm cầu chỉnh lưu một pha bằng điôt và tiristo được biểu diễn như sau : Hình 2.11. Môđun chỉnh lưu cầu một pha Các môđun của bộ biến đổi ba pha bao gồm : chỉnh lưu cầu ba pha điôt BDIODE3, chỉnh lưu cầu ba pha tiristo BTHY3, chỉnh lưu tia ba pha tiristo BTHY3H : Hình 2.12. Môđun chỉnh lưu cầu ba pha 2.3. Một số phần tử mạch điều khiển 2.3.1. Khối hàm truyền Khối hàm truyền được biểu diễn bằng tỷ số của hai đa thức của tử số và mẫu số như sau : G(s) = k Có hai dạng của khối hàm truyền trên PSIM : loại thứ nhất cho các giá trị “không” ban đầu ( TFCTN), loại thứ hai cho các tham số vào ban đầu(TFCTN1). Bao gồm các khối như : khối tỷ lệ, khối tích phân, khối vi phân, khối tích phân - tỷ lệ và khối lọc. Hình 2.13. Ký hiệu khối tỷ lệ Hình 2.14. Ký hiệu khối tích phân Hình 2.15. Ký hiệu khối tỷ lệ - tích phân 2.3.2. Các khối tính toán Bao gồm các khối như khối cộng, khối nhân và chia, khối hàm căn bậc hai, mũ, luỹ thừa, logarit , khối hàm tính giá trị hiệu dụng RMS, khối hàm trị tuyệt đối và dấu, khối hàm lượng giác và khối biến đổi Fourier nhanh FFT. Hình 2.16. Ký hiệu các khối cộng Hình 2.17. Ký hiệu các khối nhân và chia Hình 2.18. Ký hiệu các khối hàm căn, mũ, luỹ thừa và logarit 2.3.3. Các khối hàm khác 2.3.3.1. Khối so sánh Tín hiệu ra của khối so sánh sẽ có giá trị dương khi tín hiệu vào ở cực (+) có giá trị lớn hơn ở cực (-), sẽ có tín hiệu ra bằng 0 khi tín hiệu cực (+) nhỏ hơn. Khi giá trị vào ở hai cực bằng nhau thì tín hiệu ra luôn giữ giá trị ở thời điểm đó. Hình 2.19. Ký hiệu khối so sánh 2.3.3.2. Khối hạn chế Tín hiệu ra của khối hạn chế sẽ bằng giá trị tín hiệu vào khi tín hiệu chưa vượt quá giá trị giới hạn, còn khi tín hiệu vào vượt quá tín hiệu giới hạn thì tín hiệu ra sẽ ở mức hạn chế cao nhất hoặc thấp nhất. Hình 2.20. Ký hiệu khối hạn chế 2.3.3.3. Khối xung hình thang và xung chữ nhật Hai khối, khối xung hình thang (LKUP_TZ) và khối xung hình chữ nhật (LKUP_SQ). Hình 2.21. Ký hiệu xung hình thang và xung chữ nhật 2.3.3.4. Khối trễ thời gian (time delay block) Khối này sẽ tạo trễ một khoảng thời gian của dạng sóng đầu vào, ví dụ như chúng được sử dụng vào mô hình của phần tử truyền sóng có trễ hay phần tử logic. Để mô tả khối trễ thời gian chỉ cần xác định thời gian trễ tính theo giây (s). Hình 2.22. Ký hiệu khối trễ thời gian. 2.3.4. Các phần tử logic 2.3.4.1. Cổng logic Đó là các cổng logic : cổng AND, OR, XOR, NOT, NAND và NOR. Hình 2.23. ký hiệu các cổng logic 2.3.4.2. Khối chuyển đổi A/D và D/A Đây là các khối chuyển đổi tương tự/số (analog/digital) và ngược lại, với 2 loại ở tín hiệu số 8 bit và 10 bit. Hình 2.24. ký hiệu các khối chuyển đổi A/D và D/A 2.4. Các phần tử khác 2.4.1. Các dạng nguồn 2.4.1.1. Nguồn một chiều DC Các dạng nguồn một chiều có ký hiệu (_GND) là loại có nối đất, ký hiệu (V) là dạng nguồn áp, ký hiệu (I) là nguồn dòng. Hình 2.25. Ký hiệu các nguồn DC 2.4.1.2. Nguồn hình Sin Nguồn hình sin cũng bao gồm hai loại nguồn dòng và áp,có ký hiệu ở hình 2.25. đối với nguồn một pha và nguồn điện áp sin ba pha đối xứng nối (Y) được ký hiệu như hình 2.26, với pha A có ký hiệu dấu chấm trên nguồn. Hình 2.26. Ký hiệu nguồn hình sin một pha nguồn hình sin ba pha 2.4.1.3. Nguồn sóng chữ nhật Có 2 loại nguồn sóng chữ nhật : nguồn áp (VSQU) và nguồn dòng (ISQU) có ký hiệu như ở hình 2.27. Hình 2.27. Ký hiệu nguồn sóng chữ nhật 2.4.1.4. Cảm biến điện áp/dòng điện Các cảm biến sẽ đo giá trị điện áp và dòng điện trong mạch động lực để sử dụng trong mạch điều khiển. Cảm biến dòng sẽ có nội trở là 1. Hình 2.28. Ký hiệu các cảm biến điện áp và dòng điện 2.4.2. Bộ điều khiển chuyển mạch 2.4.2.1. Bộ điều khiển khoá đóng cắt (on-off switch controller) Bộ điều khiển như một giao diện giữa tín hiệu điều khiển và khoá đóng cắt mạch lực : tín hiệu đầu vào của khối là 0 hoặc 1 từ mạch điều khiển sẽ đưa đến cực điều khiển của khoá động lực. Hình 2.29. ký hiệu của bộ on-off switch controller. 2.4.2.2.Bộ điều khiển góc mở Bộ điều khiển dùng để điều khiển góc mở của tiristor, ký hiệu vào của bộ điều khiển bao gồm : góc , tín hiệu đồng bộ và tín hiệu cho phép (enable/disable signal). Quá trình chuyển đổi tín hiệu đồng bộ từ 0 đến 1 sẽ cung cấp thời điểm đồng bộ ở góc 0. Còn góc mở được xác định từ tín hiệu tức thời, alpha được tính theo độ. Hình 2.30. ký hiệu của bộ alpha controller. Mô tả: Frequency: tần số tác động của bộ, Hz. Pulse width: độ rộng xung điều khiển, độ. 2.4.3. Mạch phụ (Subcircuit) Các bước thao tác một mạch phụ như sau: - New subcircuit: Thiết lập một mạch phụ mới. - Load subcircuit: Tải xuống một mạch phụ đã có, mạch phụ này sẽ hiển thị trên màn hình như một khối. - Edit subcircuit: Soạn thảo kích thước tên file của mạch phụ. - Set size: Cài đặt độ lớn của mạch phụ. - Place port: Đặt vị trí cổng kết nối giữa mạch chính với mạch phụ. - Display port: Hiển thị cổng kết nối của mạch phụ. - Edit default variable list: Soạn thảo danh sách các thông số mặc định trên mạch phụ. - Edit image: Soạn thảo hình ảnh của mạch phụ. - Display subcircuit name: Hiển thị tên của mạch phụ. - Show subcircuit ports: Hiển thị tên cổng của mạch phụ trong mạch chính. - Hide subcircuit ports: không cho hiển thị tên cổng của mạch phụ trong mạch chính. - Subcircuit list: Danh sách tên file của mạch chính và mạch phụ. - One page up: Quay trở lại mạch chính, khi đó mạch phụ sẽ được lưu tự động. - Top page: Nhảy từ mạch phụ (mức thấp) lên mạch chính (mức cao) cho phép sử dụng dễ dàng khi có chiều mạch phụ. 2.4.3.1. Taọ mạch phụ trong mạch chính Các bước tạo một mạch phụ có tên file “mach-phu.sch” trong mạch chính có địa chỉ “mach-chinh.sch” như sau: - Tạo “mach-chinh.sch”. - Trong “mach-chinh.sch” chọn menu subcircuit để chọn new subcircuit. - Một khối vuông sẽ xuất hiện trên màn hình để tạo mạch phụ. 2.4.3.2. kết nối mạch phụ trong mạch chính Khi mạch phụ đã được thiết lập cùng với các cổng kết nối của nó đã xác định, cần nối mạch phụ vào mạch chính theo các bước sau: - Trong mạch chính các điểm nối của khối mạch phụ sẽ xuất hiện các với các vòng tròn rỗng. - Chọn khối mạch phụ và chọn Show subcircuit ports trêb menu Subcircuit để hiển thị tên cổng được xác định ở phần trên. - Dùng dây nối vào các điểm nối tương ứng. 2.5. Các bước tiến hành mô phỏng mạch điện tử công suất Để tiến hành khảo sát một mạch điện tử công suất, cần tiến hành các bước sau : 1. Xác định mô hình các phần tử bán dẫn cần có để thiết lập mạch cần khảo sát, nhất là các van bán dẫn công suất. 2. Thiết lập sơ đồ nguyên lý của mạch cần nghiên cứu. Thông thường gồm hai phần: sơ đồ mạch lực và sơ đồ mạch điều khiển. 3. Chuyển đổi từ sơ đồ nguyên lý sang chương trình mô hình hoá theo ngôn ngữ chuyên dụng của phần mềm. 4. Vào các tham số sơ đồ và số liệu khảo sát. 5. Tiến hành khảo sát, thường chia thành hai bước: a) Chạy thử chương trình với chế độ quen thuộc mà kết quả đã biết trước để kiểm tra độ chính xác của mô hình. b) Khi mô hình đạt độ tin cậy, tiến hành nghiên cứu với các chế độ cần khảo sát theo yêu cầu đặt ra. 2.6. Ví dụ mô phỏng 2.6.1. Thiết kế mạch điện Thiết kế mạch băm áp một chiều sử dụng hai khối điều khiển cho IGBT: Gating block hoặc switch controller với tần số đóng cắt của độ băm là 5 kHz. 2.6.2. Cài đặt tham số cho các phần tử của mạch lực Để cài đặt các tham số vào một phần tử, trước tiên ta nháy kép chuột trái vào phần tử đó, trên màn hình xuất hiện cửa số đối thoại để người sử dụng có thể đưa tham số vào. Hình 2.31. Thiết kế mạch băm áp một chiều 2.6.3. Cài đặt tham số các phần tử của mạch điều khiển * Mạch điều khiển dùng Gating block : - Tên khối điều khiển : Go - Tần số làm việc : 5000 Hz - Số lần tác động trong một chu kỳ : 2 - Góc tác động trong một chu kỳ : 180 Hình 2.32. Hộp thoại mô tả khối Gating block *. Mạch điều khiển dùng switch controller : Tín hiệu vào của khối này là tín hiệu so sánh COMP, so sánh hai tín hiệu : nguồn một chiều VDC và nguồn xung tam giác VTR1. Hình 2.33. hộp thoại tham số các phần tử mạch điều khiển dùng switch controller 2.6.4. Chạy mô phỏng Sau khi thiết kế mạch, mô tả và cài đặt các tham số cho tất cả các phần tử trong mạch, ta tiến hành mô phỏng mạch bằng cách ấn nút chuột trái lên ký hiệu khởi động mô phỏng (Run Psim) trên thanh công cụ của cửa sổ mạch thiết kế. khi đó Psim sẽ khởi động và chạy chương trình mô phỏng mạch (Psim simulator). Trên màn hình sẽ xuất hiện cửa sổ lựa chọn các đường cong mô phỏng hiển thị (hình 2.34): cửa sổ bên trái là các đường cong hiển thị, cửa sổ bên phải là đường cong cần hiển thị. Trong đó các đường cong I (L1) và V1 là cho mạch bên trái (hình 2.31) còn I (L2) và V2 là cho mạch hình bên phải. Hình 2.34. Cửa sổ lựa chọn hiển thị các đường cong kết quả Hình 2.35. Đường cong kết quả mô phỏng I(L1) V1 với f=5000 Hz. Hình 2.35 là đường cong kết quả mô phỏng I (L1) và V1 trong miền thời gian.Với các tham số giống hệt nhau của mạch bên phải (hình 2.31) so với mạch bên trái thì kết quả đường cong I(L2) và V2 sẽ giống I(L1) và V1. Để nghiên cứu ảnh hưởng của tần số đóng cắt mạch băm áp một chiều này ta cho tham số f biến thiên.Giả sử ta thay đổi tần số bộ nguồn sóng tam giác VTR1 là 1000 Hz, với các bước Run Psim và Run simulator, ta có đường cong của I (L2) và V2. Hình 2.36. Đường cong kết quả mô phỏng I(L2) và V2 với f=1000 hz và L2=0.001 H Nhận xét : So sánh kết quả của hình 2.35 và 2.36 với cùng một tỷ lệ trên trục y, hiển thị trong cùng một khoảng thời gian trục X, ta thấy : Ở tần số 5000 Hz thì sau khoảng 2ms, điện áp và dòng điện đầu ra gần như có giá trị một chiều phẳng ổn định (V1 = 50 V; I(L1) = 10 A). Trong khi đó với tần số 1000 Hz thì điện áp và dòng điện ra của độ băm có giá trị một chiều dao động với biên độ lớn với tần số 1000 Hz. Để cải thiện dạng sóng đầu ra ở tần số này ta tăng giá trị cuộn kháng san bằng. Hình 2.37 là dạng đường cong kết quả của I (L2) và V2 khi L2 = 0.01 ở tần số 1000 hz (các phần tử khác giữ nguyên tham số). Hình 2.37. Đường cong kết quả mô phỏng I (L2) và V2 với f=1000 hz ; L2 = 0.01 H Trên đây là giới thiệu sơ lược về sử dụng PSIM mô phỏng Điện tử công suất. Để làm rõ hơn ưu điểm của phần mềm PSIM, chúng tôi sẽ thiết kế bộ điều khiển cho lò điện trở với thông số: D= 300 500 P = 50 kW = 3 kW Nguồn 50 Hz ; 3 pha 380 V. Chương 3 Tổng quan về lò điện 3.1. Giới thiệu chung về lò điện 3.1.1.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 hay 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 đập, kéo sợi - Trong các lĩnh vực công nghiệp khác: Trong công nghiệp nhẹ và thực phẩm, lò điện được dùng để sấy, 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 … Lò điện không những có mặt trong các ngành công nghiệp mà ngày càng được dùng phổ biến trong đời sống sinh hoạt hằng ngày của con người một cách phong phú : bếp điện, nồi cơm điện, bình đun nước điện, thiết bị nung nắn, sấy điện … 3.1.2. 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 Có khả năng cơ khí hoá và tự động hoá quá trình chất dỡ nguyên liệu và vận chuyển vật phẩm Đảm bảo điều kiện lao động hợp vệ sinh, điều kiện thao tác tốt, thiết bị gọn nhẹ 3.1.3. Nhược điểm của lò điện Năng lượng điện đắt Yêu cầu có trình độ cao khi sử dụng . 3.2. Giới thiệu về lò điện trở 3.2.1. 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 một vật dẫn thì ở đó sẽ toả ra một nhiệt lượng theo định luật Jun-Lenxơ : Q=IRT 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 ( chữ nhật, vuông, 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 liệu để làm dây nung, bộ phận phát nhiệt của lò. 3.2.2. Yêu cầu đối với vật liệu làm dây nung - Có độ bền cơ khí cao, không bị biến dạng ở nhiệt độ cao. - Có điện trở suất lớn. - Hệ số nhiệt điện trở nhỏ. - Dễ gia công, dễ hàn, hoặc dễ ép khuôn. 3.2.3. Cấu tạo lò điện trở Lò điện trở gồm 3 phần chính : vỏ lò, lớp lót, dây nung. 3.2.3.1. Vỏ lò Vỏ lò điện trở là một khung cứng vững, chủ yếu để chịu 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. Khung vỏ lò cần cứng vững đủ để chịu được tải trọng của lớp lót, phụ tải lò và các cơ cấu cơ khí gắn trên vỏ lò. Có các loại vỏ lò như vỏ lò tròn, vỏ lò chữ nhật… 3.2.3.2. Lớp lót Gồm hai phần là vật liệu chịu lửa và cách nhiệt. Phần vật liệu chịu lửa có thể xây bằng gạch tiêu chuẩn hay gạch hình đặc biệt tuỳ theo hình dáng và kích thước đã cho của buồng lò. Phần vật liệu chịu lửa cần đảm bảo các yêu cầu như: Chịu được nhiệt độ làm việc cực đại của lò, có độ bền tốt, đảm bảo khả năng gắn dây nung bền và chắc chắn… 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. Phần cách nhiệt có thể xây bằng gạch cách nhiệt hoặc được điền đầy bằng bột cách nhiệt. 3.2.3.3. Dây nung Theo đặc tính của vật liệu 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. Hình 3.1. lò giếng Thông thường trong thực tế, người ta hay sử dụng bộ điều chỉnh xung áp xoay chiều ba pha để điều khiển nhiệt độ của các lò điện trở. 3.3. Phương pháp điều khiển lò điện trở bằng mạch điều áp xoay chiều ba pha Trong thực tế ta hay nguời ta hay sử dụng bộ điều chỉnh xung áp ba pha điều khiển nhiệt độ của các lò điện trở. Nếu bộ biến đổi xung áp ba pha được ghép từ ba bộ biến đổi một pha và có dây trung tính thì dòng qua mỗi pha sẽ không phụ thuộc vào dòng của các pha khác. Hình 3.2. Bộ biến đổi xung áp có dây trung tính và không dây trung tính. 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 diện áp đưa ra tải bằng ½ điện áp 2 pha có van dẫn. Không thể có trường hợp chỉ có một pha dẫn dòng. 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 : Công suất tải là : P = 3.R.I . Trong đó I là trị số hiệu dụng của dòng điện tải. Dòng điện này biến thiên theo quy luât dẫn dòng của van như sau : Nếu mỗi pha có một van dẫn ( hay toàn mạch có ba van dẫn ) : i = sin(+) (3.1) - Nếu chỉ có hai van dẫn ( hay toàn mạch có hai van dẫn ) : i = sin(+) (3.2) trong đó : là biên độ điện áp dây. 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: 3.3.1. Khoảng van dẫn ứng với = 0 60 Trong phạm vi này sẽ có các giai đoạn ba van và hai van dẫn xen kẽ nhau như đồ thị sau đây : Hình 3.3. , đồ thị điện áp pha A của tải góc dẫn thyristor Dựa vào đồ thị ta có thể xác định được biểu thức liên quan giữa công suất ra tải P và góc điều khiển : P = 3.I.R = 3 (3.3) Trong đó là trị hiệu dụng của điện áp tải pha a. Trong trường hợp đang xét ta có : (3.4)  3.3.2. Khoảng van dẫn ứng với = 60 90 Trong phạm vi này luôn chỉ có các giai đoạn hai van dẫn. Ta có đồ thị điện áp ra : Hình 3.4. , góc dẫn van không đổi và bằng Dựa vào đồ thị ta có thể xác đinh được biểu thức liên quan giữa công suất ra tải P và góc điều khiển : P = 3.I.R = 3 =. = [] (3.5) 3.3.3. Khoảng van dẫn ứng với = 90 150 Hình 3.5. , van dẫn hai đoạn (, xen giữa là đoạn nghỉ không có van nào dẫn dài (. 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 hình vẽ ). Dựa vào đồ thị ta có thể xác định được biểu thức liên quan giữa công suất ra tải P và góc điều khiển : P = 3.I.R = 3. = = (3.6) Theo ba biểu thức (3.4), (3.5), (3.6) và cho các giá trị khác nhau, lấy P ở= 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 : P% P% 0 15 30 45 60 100 99 95 86 70 75 90 105 120 135 150 50 29.3 13.6 4.3 0.5 0 Bảng 3.1. Các giá trị biểu diễn quan hệ giữa công suất ra tải P và góc điều khiển  Hình 3.6. Đồ thị quan hệ giữa công suất ra tải P và góc điều khiển Nhận xét : Công suất đưa ra tải là lớn nhất khi góc điều khiển = 0 nhưng với = 30 thì công suất ra tải cũng xấp xỉ khi = 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 điên trở còn lại bằng một nửa điện áp dây. Chương 4 Thiết kế tính toán mạch lực và mạch điều khiển 4.1. Thiết kế tính toán mạch lực 4.1.1. Tính chọn van bán dẫn Trong mạch điều áp xoay chiều ba pha dùng cho lò điện, ta sử dụng mạch điều áp xoay chiều ba pha sáu thyristor đấu song ngược, tải thuần trở đấu sao. Các biểu thức thể hiện quan hệ giữa công suất ra tải P và góc điều khiển : công thức (3.4), (3.5), (3.6). Hình 4.1. Bộ biến đổi xung áp không có dây trung tính Công suất định mức của lò điện là = 40 (kw) Tổn hao của lò điện là 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 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 động của 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 nên ta chọn công suất cực đại của lò là : (kw). Ta có : (4.1) Ta xác định được dây điện trở của lò có giá trị là 1,444 (). Từ hoạt động của mạch điều áp xoay chiều với các giản đồn điện áp ở trên ta xác định được điện áp ngược lớn nhất trên mỗi van : (V) (4.2) Để chọn giá trị của điện áp ngược lớn nhất trên van, ta sẽ chọn thêm hệ số dự trữ điện áp k= 1,62 Ta chọn: k=1,6. Từ đó U= k.U=1,6 . 537 = 860 (V) I = I = [-cos -(-cos 0)] I = = 68,6 (A) (4.3) Chọn điều kiện làm việc của van là có cánh tản nhiệt và đủ diện tích tản nhiệt. Như vậy ta chọn k= 2,1 => (A) Ta có U và I ta chọn 6 thyristor loại SC150C80 có các thông số : 800 (V) 150 (A) 2800 (A) 0,1 (A) 3 (V) 15 (mA) 200 (V/) 180 (A/) 80 () Bảng 4.1. Thông số của thyristor. 4.1.2. Tính toán bảo vệ van bán dẫn Để tránh hiện tượng quá dòng, quá áp trên van có thể gây nên hỏng van ta phải có những biện pháp thích hợp để bảo vệ van. Biện pháp bảo vệ van thường dùng nhất là mắc mạch R, C song song van để bảo vệ quá áp và mác nối tiếp cuộn kháng bão hoà để hạn chế tốc độ tăng dòng. 4.1.2.1. Bảo vệ quá 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: Hình 4.2. Mạch bảo vệ quá dòng của Thyristor Để tính toán giá trị của cuộn kháng ta xét quá trình quá độ trong mạch: U= i.R + L. (4.4) Ta thấy rằng, tốc độ tăng dòng lớn nhất là: max = (4.5) Để đảm bảo an toàn cho van ta phải chọn L sao cho max phải nhỏ hơn tốc độ tăng dòng chịu được của van, hay là: < 180 (A/) = = 1,728 (4.6) Ta chọn cuộn kháng bão hoà có giá trị là 1,73, loại lõi không khí vì điện cảm nhỏ. 4.1.2.2. Bảo vệ quá áp 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: +) 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. +) Nguyên nhân bên ngoài Những nguyên nhân này thường xảy ra ngẫu nhiên như khi đóng cắt không tải một máy biến áp trên đường dây, khi có sấm sét.. Để bảo vệ quá điện áp do tích tụ điện tích chuyển mạch gây ra nên người ta dùng mạch RC đấu song song với thyristor như sau: Hình 4.3. Mạch RC bảo vệ quá điện áp của Thyristor 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…Việc tính toán thông số của mạch R, C rất phức tạp, đòi hỏi nhiều thời gian. 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 = 20100 () ; C = 0,41 (). Với dòng qua van nhỏ, ta chọn giá trị R lớn. Với dòng qua van lớn, ta chọn giá trị R nhỏ. Theo tính toán, dòng qua van bằng 68,6 (A) không phải là lớn nên ta chọn giá trị R, C như sau: R = 100 ; C = 0,47 Ngoài ra, trong mạch lực cũng cần có thêm các thiết bị bảo vệ ngắn mạch, quá tải… như aptomat, cầu chì… ở mỗi pha và cầu chì ở trước mỗi van để tăng cao tính an toàn cho mạch. Ta có mạch như sau: Hình 4.4. Mạch bảo vệ van thyristor 4.2. Thiết kế và tính toán mạch điều khiển 4.2.1. Nguyên tắc điều khiển Trong thực tế thường dùng hai nguyên tắc điều khiển: thẳng đứng tuyến tính và thẳng đứng “arccos” để thực hiện điều chỉnh vị trí xung trong nửa chu kỳ dương của điện áp đặt trên thyristor. 4.2.1.1. Nguyên tắc điều khiển thẳng đứng tuyến tính Theo nguyên tắc này, người tai dùng hai điện áp : Điện áp đồng bộ, ký hiệu là u, đồng bộ với điện áp đặt trên anôt – catôt của thyristor, thường đặt vào đầu đảo của khâu so sánh. Điện áp điều khiển, ký hiệu là u(điện áp một chiều có thể điều chỉnh được biên độ), thường đặt vào đầu