Thiết kế một bộ điều áp xoay chiều

ậm pha sau điện áp như hình 9.38. H×nh 9.38-S¬ ®å ®­êng cong dßng ®iÖn vµ ®iÖn ¸p xoay chiÒu khi t¶i ®iÖn c¶m. a) S¬ ®å ®éng lùc; b) §­êng cong ®iÖn ¸p vµ dßng ®iÖn. Khi điện áp nguồn U1 đã đổi dấu, mà cuộn dây điện cảm chưa xả hết năng lượng, làm cho T1 vẫn dẫn từ p cho đến j1, nếu T1 đang dẫn thì chứng tỏ T1 đang phân cực thuận và điện áp UA1A2 > 0. Khi T1 phân cực thuận thì T2 phân cực ngược. Do đó trong vùng từ p cho đến j1, nếu có phát xung điều khiển T2, thì T2 không dẫn. Như vậy khi có tải là điện cảm, góc mở nhỏ nhất amin của các Tiristo phải lớn hơn hoặc bằng góc trễ j lớn nhất (amin lớn hơn hoặc bằng jmax). Với tải điện cảm, như biến áp hay động cơ thì góc j thay đổi theo tải, làm cho việc giới hạn góc amin là không thích hợp, vì nó liên tục thay đổi theo tải. Kết quả là, muốn điều khiển tăng điện áp xoay chiều, bằng cách giảm góc mở Tiristo, đến vùng góc mở đủ nhỏ nào đó có thể chỉ mở một Tiristo. Dòng điện trên tải lúc này là dòng một chiều. Nguyên nhân thứ hai là do khi có điện cảm, dòng điện không biến thiên đột ngột tại thời điểm mở Tiristo, điện cảm càng lớn dòng điện biến thiên càng chậm, nếu như độ rộng xung điều khiển hẹp, dòng điện khi có xung điều không đủ lớn hơn dòng điện duy trì, do đó van bán dẫn không tự giữ dòng điện. Kết quả là không có dòng điện, hay Tiristo không mở. Hiện tượng này thường thấy khi ở đầu và cuối chu kì điện áp hình 9.39 a, c lúc đó điện áp tức thời đặt vào Van bán dẫn nhỏ. Khi kết thúc xung điều khiển, dòng điện còn nhỏ hơn dòng điện duy trì nên van bán dẫn khoá luôn. Chỉ khi nào điện áp tại thời điểm mở van đủ lớn, dòng điện cuối chu kì xung điều khiển đủ lớn hơn dòng điện duy trì, thì dòng điện mới tồn tại trong mạch. H×nh 9.39 Sù xuÊt hiÖn dßng ®iÖn t¹i c¸c gãc më kh¸c nhau khi t¶i ®iÖn c¶m. Hai nguyên nhân này làm cho một số người thiết kế ngại không muốn điều khiển tải điện cảm bằng thiết bị bán dẫn. Khi biết được nguyên nhân của việc không điều khiển như trên, thì việc xử lý trở nên không có gì khó khăn. H×nh 9.40 Ph­¬ng ¸n cÊp xung khi ®iÒu ¸p xoay chiÒu víi t¶i ®iÖn c¶m lín a - cÊp xung liªn tôc b - cÊp xung gi¸n ®o¹n. Để giải quyết bài toán về sự thay đổi góc j của tải làm mất điều khiển, cần có xung liên tục từ thời điểm mở Tiristo cho đến khi điện áp đổi dấu, như hình 9.40 a. Khi phát lệnh mà van còn đang phân cực ngược, thì lệnh điều khiển chờ tới khi nào đủ điều kiện phân cực thuận van sẽ dẫn. Việc phát xung điều khiển với độ rộng lớn gần như cả nửa chu kì như hình 9.40 a có hai nhược điểm, thứ nhất là dòng điều khiển gần như dài hạn (về nguyên lý điều khiển Tiristo và Triac, xung điều khiển với chức năng mồi nên chỉ cần ngắn hạn), thứ hai là việc thiết kế cấp xung điều khiển như trên khá phức tạp, nhất là đối với những mạch có nhiều van bán dẫn. Cấp xung rộng thế nào? Bằng một nguồn phụ, hay bằng biến áp xung có điện cảm cuộn dây lớn cũng khó khăn như nhau. Mét trong những giải pháp nên dùng, là tạo xung gián đoạn bằng chùm xung liên tiếp, từ thời điểm mở van cho tới cuối bán kỳ như hình 9.40b, về nguyên lý đây là cấp xung liên tục như hình 9.40a. Trong kỹ thuật, cấp xung gián đoạn như hình 9.40 b dễ thực hiện hơn. Nguyên lý ở đây là băm xung liên tục thành chùm xung gián đoạn với tần số cao. Một cổng logic AND với hai đầu vào là thực hiện được. Khi đưa tới đầu vào cổng AND tín hiệu xung điều khiển Ux; với tín hiệu chùm xung UCX; lúc đó đầu ra cổng AND có xung Xđk bằng tần số chùm xung trong vùng có điện áp UX như mô tả trên hình 9.41b H×nh 9.41 Nguyªn lý t¹o chïm xung ®iÒu khiÓn a) S¬ ®å; b) c¸c ®­êng cong. b. a. H×nh 9.42 Sai sè cã thÓ gÆp khi ®iÒu khiÓn b»ng chïm xung a) lÖnh më vµ chïm xung ®óng thêi ®iÓm; b) lÖnh më vµ chïm xung kh«ng cïng thêi ®iÓm Nhược điểm của sơ đồ điều khiển bằng xung gián đoạn là sai sè khi điều khiển. Sai số ở đây xuất hiện khi thời điểm phát lệnh mở van với thời điểm van được mở không trùng với nhau. Khi phát xung điều khiển gián đoạn, xung điều khiển tại đầu ra biến áp xung có được là do có hai tín hiệu vào cổng AND đồng thời, tín hiệu vào UX để quyết định góc mở a tín hiệu từ chùm xung UCX. Hai tín hiệu này nếu không đồng pha, thì khi có lệnh UX mà UCX = 0, xung điều khiển Xđk phải chờ khi nào UCX lên mức cao như mô tả trên hình 9.42 b. Sơ đồ mạch điều khiển điều áp xoay chiều với tải có điện cảm được thiết kế trên cơ sở hình 9.34 cho mạch động lực là triac, hay hình 9.36 cho mạch động lực là cặp tiristo song song ngược, với việc nối thêm mạch tạo xung chùm như trên hình 9.43. Các đầu vào của hình 9.43 UD, UE, UF được lấy từ các đầu tương ứng trên hình 9.34, 9.36. Chùm xung được tạo bởi một dao động đa hài A6 hoặc một mạch tạo xung chữ nhật nào đó (sẽ giới thiệu trong chương 10) H×nh 9.43 §iÒu khiÓn ®iÒu ¸p xoay chiÒu khi t¶i ®iÖn c¶m b»ng chïm xung a) Van ®éng lùc lµ triac; b) Van ®éng lùc lµ Tiristo Trường hợp điện cảm lớn mà Tiristo không mở được, nguyên nhân là do độ rộng xung thiết kế là không đủ lớn. Việc chọn độ rộng xung ở đây phải hợp lý. Ví dụ :Thiết kế mạch điều khiển và ổn định nhiệt độ cho tủ sấy bằng điện trở với nhiệt độ điều chỉnh trong dải 0¸1500C công suất sợi đốt 40 KW, điện áp nguồn cấp 1 pha 220 V/50 Hz. Lựa chọn sơ đồ thiết kế Đây là nguồn có công suất không lớn, xét về phía tải. Vì đây là tải trở, không đòi hỏi quá cao về tính đối xứng của nguồn điều khiển. Có thể chọn bất kỳ sơ đồ nào trong các sơ đồ đã giới thiệu ở trên . Tuy nhiên, với trường hợp này sơ đồ dùng Triac điều khiển là hợp lý hơn cả với các lý do sau: -Với công suất không lớn Triac thừa đủ công suất để cung cấp. -Mạch điều khiển Triac đơn giản hơn mạch hai Tiristo -Dù là công suất nhỏ, nhưng nếu điều khiển không đối xứng bằng một điốt, một Tiristo cũng không nên, do làm xấu đi chất lượng điện áp nguồn. -Các sơ đồ không dùng thiết bị bán dẫn khó đáp ứng cho việc ổn định nhiệt độ, do việc tự động thay đổi điện áp và dòng điện tải khó khăn hơn. *Tính chọn các thiết bị động lực -Dòng điện tối đa chạy qua tải và qua Triac H×nh 9.44 S¬ ®å ®éng lùc thiÕt kÕ Khi điều chỉnh nhiệt độ ta coi nhịêt độ tối đa 1500 đạt được tương ứng với dòng điện tối đa 18,18 A. các yếu tố khác ảnh hưởng đến nhiệt độ của lò như thể tích vật liệu, thông số....ở đây không xét. Dòng điện I=18,18 A được coi là dòng điện lớn nhất để chọn Triac. Với dòng điện không quá lớn như thế này, tổn hao khi van dẫn không quá lớn, nên ta chọn điều kiện làm việc có cánh toả nhiệt đủ diện tích làm mát, không cần quạt đối lưu không khí, để an toàn cho phép Triac làm việc với 20%Iđm Dòng điện định mức của Triac cần chọn IđmV= Điện áp làm việc cực đại của Triac Ulvmax= Giả sử cho phép van dự trữ điện áp Kdt=2. Điện áp của Triac cần chọn UđmT = 2.308 = 616 V Từ hai thông số dòng điện và điện áp cần có ở trên ta chọn loại Triac: SSG100C80 có các thông số. Uđm =800V Irò =10mA Iđm=100 A ITG=70 mA IXmax=1,2 kA DU=1,5A Iđk=0,2 A Tcm=10mS Uđk=3 V Triac khi làm việc với 18,18 A chịu một tổn hao tối đa trên van : DP = DU.Ilv @ 1,5.18,18 = 27,27 W Với tổn hao này, chúng ta cần một cánh toả nhiệt có diện tích bề mặt tiếp xúc với không khí : S= Aptomat được chọn có dòng điện IAT=(1,1¸1,3)Ilvmax=20¸23,63 A Chọn loại 25A có bảo vệ ngắn mạch khôngcần bảo vệ quá tải. Thiết kế mạch điều khiển : Như đã biết lò điện trở có hệ số cosj=1. Do đó việc cung cấp xung điều khiển bằng xung chùm như hình 9.43 a là không cần thiết. Mạch điều khiển góc mở Triac sử dụng sơ đồ 9.34 hoàn chỉnh thành 9.45 a là hợp lý. Tính toán thông số các linh kiện mạch điều khiển này được sử dụng các cách tính như đã giới thiệu ở chương 8. H×nh 9.45 S¬ ®å m¹ch ®iÒu khiÓn nhiÖt ®é cho tñ sÊy 9.6.3 Thiết kế bộ điều áp xoay chiều ba pha 1. Lựa chọn sơ đồ động lực. Mạch xoay chiều ba pha hiện nay trong thực tế thường gặp gồm 3 sơ đồ như sau: Hình 9.46 a, b, c. H×nh 9.46: S¬ ®å ®iÒu ¸p xoay chiÒu ba pha b»ng cÆp Tiristo m¾c song song ng­îc c ~ ~ ~ a ~ ~ ~ b ~ ~ ~ Các loại sơ đồ này bao gồm, tải đấu sao có trung tính (Hình 9.46 a), tải đấu sao không trung tính (Hình 9.46 b), tải đấu tam giác (Hình 9.46 c). Tải đấu sao có trung tính, có ưu điểm là sơ đồ giống hệt ba mạch điều áp một pha điều khiển dịch pha theo điện áp lưới, do đó điện áp trên các van bán dẫn nhỏ hơn vì điện áp đặt vào van bán dẫn là điện áp pha. Nhược điểm của sơ đồ là trên dây trung tính có tồn tại dòng điện điều hoà bậc cao, khi góc mở các van khác 0 có dòng tải gián đoạn và loại sơ đồ nối này chỉ thích hợp với loại tải ba pha có bốn đầu dây ra. Các sơ đồ không trung tính Hình 9.46 b, c có nhiều điểm khác so với sơ đồ có trung tính. Ở đây dòng điện chạy giữa các pha với nhau, nên đồng thời phải cấp xung điều khiển cho hai Tiristo của hai pha một lúc. Việc cấp xung điều khiển như thế, đôi khi gặp khó khăn trong mạch điều khiển (sẽ giới thiệu sau), ngay cả việc đổi thứ tự pha nguồn lưới cũng có thể làm cho sơ đồ không hoạt động. Hiện nay, với những tải có công suất trung bình, các sơ đồ điều áp ba pha bằng các cặp Tiristo như Hình 9.46 được thay thế bằng các sơ đồ Triac như Hình 9.47. ~ ~ ~ b ~ ~ ~ a ~ ~ ~ c H×nh 9.47: §iÒu ¸p ba pha b»ng Triac Như đã giới thiệu ở trên, Triac về nguyên lý điều khiển giống hệt các cặp Tiristo mắc song song ngược. Vì vậy, sử dụng các sơ đồ Hình 9.46 hay Hình 9.47 tuỳ thuộc vào khả năng linh kiện có loại nào. Ngoài ra Hình 9.47 có ưu điểm hơn về mặt điều khiển đối xứng và đơn giản về cách ghép. Đối với những tải không có yêu cầu về điều khiển đối xứng người ta có thể sử dụng sơ đồ cặp Tiristo - điốt ( Hình 9.15). Mặc dù vậy, sơ đồ này ứng dụng thực tế không nhiều. Bởi vì khi không có xung điều khiển vẫn có thể có dòng chạy qua tải. Trong trường hợp cho phép điều khiển không đối xứng chúng ta có thể sử dụng sơ đồ điều khiển hai pha như Hình 9.48. Ưu điểm của sơ đồ Hình 9.48 là số lượng van bán dẫn Ýt hơn, và mạch điều khiển cũng đơn giản hơn. Nhược điểm của sơ đồ là điều khiển không đối xứng, nên đường cong dòng điện và điện áp các pha không giống nhau, vì vậy giá trị hiệu dụng của điện áp và dòng điện khác nhau rõ rệt. Loại sơ đồ này chỉ phát huy tác dụng khi tải và nguồn được phép làm việc không đối xứng và có số lượng van bán dẫn bị hạn chế. H×nh 9.48: S¬ ®å ®iÒu ¸p ba pha ®¬n gi¶n ~ ~ ~ Khi sử dụng điều áp xoay chiều cho động cơ không đồng bộ ngoài chế độ đóng cắt, điều khiển tốc độ, còn cần cả đảo chiều quay. Trong động cơ điện không đồng bộ, khi đảo chiều quay cần đổi thứ tự pha. Sơ đồ điều khiển có đảo chiều quay động cơ không đồng bộ như Hình 9.49: H×nh 9.49: S¬ ®å ®iÒu ¸p ba pha cã ®æi thø tù pha ~ ~ ~ A1 B1 C1 T1 T2 T3 T4 T5 T6 T7 T8 T9 T10 A B C Khi chiều quay thuận ta cấp xung điều khiển cho T1,T2,T7,T8,T9,T10; Các pha lưới A1, B1, C1 được nối tương ứng với các cuộn A, B, C của động cơ. Khi ở chiều quay ngược ta cấp xung điều khiển choT3,T4,T5,T6,T9,T10. Các pha lưới A1, B1, C1 được nối tương ứng B, A, C của động cơ. Thiết kế sơ đồ mạch động lực của bộ điều áp xoay chiều ba pha chóng ta phải thực hiện hàng loạt các bài toán tổng hợp. Ngay cả ở chế độ xác lập thì dòng điện và điện áp trên các van bán dẫn cũng chỉ là chế độ gần với xác lập. Trong phần thiết kế này chúng ta chỉ xét bộ điều áp làm việc ở chế độ xác lập. Khi lựa chọn các van bán dẫn cho sơ đồ điều áp ba pha theo dòng điện và điện áp, tổn hao công suất DP như đã xét, được xác định theo đường cong dòng điện chạy qua van. Tổn hao công suất trên van là tổn hao theo chiều thuận khi van dẫn. Lúc này DP phụ thuộc các giá trị dòng điện trung bình, hiệu dụng của van và theo đường cong đặc tính Vôn - Ampe của van tìm được DP . Tuy nhiên đường đặc tính Vôn - Ampe không phải của van nào cũng có cho nên gần đúng chúng ta chọn hơi dư thì lấy: DP = IHD DU Thông sè DP này có ảnh hưởng rất lớn tới diện tÝch cánh toả nhiệt mà chúng ta sẽ thiết kế sau này. Sau khi lựa chọn xong sơ đồ động lực từ phần giới thiệu 9.3 và hướng dẫn tóm tắt trong 9.6.3 ta có được sơ đồ cần chọn. Các sơ đồ thông dụng hiện nay trong thực tế thường gặp là các sơ đồ Hình 9.46 b, c hay Hình 9.47 b, c. Trong phần này chúng ta dựa vào các sơ đồ trên làm cơ sở cho các ví dụ. 2. Tính chọn van bán dẫn A. Tính chọn van theo dòng điện Trong điều áp xoay chiều dòng điện chạy qua tải thường xác định là dòng hiệu dụng. Thông số dòng điện để chọn van bán dẫn được tính là dòng điện lớn nhất trong quá trình làm việc.Trong điều khiển xung pha, dòng điện lớn nhất khi góc mở van bán dẫn nhỏ nhất. Góc mở nhỏ nhất của van bán dẫn thường nhận trị số a=0 khi dòng điện tải là dòng điện hình sin. Đối với các tải ba pha, thông số thường cho: công suất định mức Pđm, điện áp định mức Uđm , hệ số công suất cosj, hiệu suất h. Dòng điện hiệu dụng chạy qua van bán dẫn khi tải đấu Y (Hình 9.46 b, 9.47 b) Trong đó: Uf là điện áp pha. Khi tải đấu tam giác: Trong đó: Ud là điện áp dây của lưới. Dòng điện tính được là dòng điện để chọn Triac. Nếu sơ đồ chọn là các sơ đồ Triac Ivlv=IHD. Nếu sơ đồ chọn là các sơ đồ ghép Tiristo song song ngược thì dòng điện để chọn Tiristo Trong đó: Ivlv - dòng điện làm việc của van. - Lựa chọn điều kiện toả nhiệt van bán dẫn (Như hướng dẫn chương 8) lúc đó dòng điện van cần chọn: Iđmv=kIIvlv Trong đó kI là hệ số xét tới điều kiện toả nhiệt van ; trị số kI tham khảo chương 8 Khi chọn theo dòng điện, ngoài việc tính chọn theo dòng điện làm việc dài hạn như đã tính ở trên, dòng điện này còn được tính chọn theo điều kiện phát nhiệt của van bán dẫn. Một số loại tải, bản thân chế độ làm việc của chúng có dòng điện quá độ Iqt khá lớn, chẳng hạn như động cơ điện không đồng bộ. Khi mở máy động cơ không đồng bộ dòng điện lớn từ 5 - 7 lần dòng định mức. Khi chọn van bán dẫn dòng điện quá độ này được xét thế nào?. Khi dòng điện quá độ này xảy ra trong khoảng thời gian ngắn, cỡ vài giây, quán tính nhiệt chưa đủ quá nhiệt cho van lúc đó chúng ta chỉ cần kiểm tra IQĐ < IX (dòng điện xung của van bán dẫn). Được phép bỏ qua quán tính nhiệt của van bán dẫn là vì: Khi chọn van, chóng ta có một hệ số KI đủ lớn, bản thân KI này nói lên rằng chúng ta đã chọn dòng điện của van bán dẫn lớn hơn dòng điện làm việc thực của chúng. Với điều kiện toả nhiệt nào đó, thời gian quá tải ngắn hạn chưa đủ để quá nhiệt, lúc đó chỉ cần đảm bảo dòng điện chạy qua không vượt quá dòng điện cực đại là được. Khi dòng điện quá độ xẩy ra trong khoảng thời gian dài hơn, lúc đó cần xét tới dòng điện quá độ, bằng cách thay đổi hệ số KI lớn hơn. Việc xét ảnh hưởng của dòng quá độ cần phải khảo sát một bài toán nhiệt khá phức tạp, như là tính ra công suất lúc quá độ, tính được thời gian quá độ, có diện tích bề mặt toả nhiệt, điều kiện làm mát nghĩa là phải giải phương trình: DP = Trong đó: DP tổn hao trên van bằng Rv i2lv biến thiên A. Hệ số toả nhiệt đặc trưng cho điều kiện làm mát C. Nhiệt dung của van và cánh toả nhiệt độ chênh nhiệt với môi trường Trong trường hợp này nếu thời gian quá độ đến hàng nhiều phút, thì dòng điện van có thể phải chọn theo dòng điện quá độ, nếu thời gian quá độ nhỏ không đến hàng phút thì dòng điện được lựa chọn bằng cách thay đổi Ki ở một mức độ nhất định nào đó là đủ. B. Tính chọn van theo điện áp : Với các sơ đồ điều áp ba pha không trung tính, điện áp của van bán dẫn nên chọn theo điện áp dây của lưới. Do đó điện áp làm việc cực đại Ulv của van bán dẫn được tính: Trong đó: Ud - điện áp dây của lưới ba pha. ù - điện áp pha Điện áp của van bán dẫn Uv đựơc chọn: Uv=Kdt.Ulv Trong đó Kdt hệ số dự trữ điện áp thường chọn Kdt>1.6 Tuỳ theo khả năng thiết bị mà ta có hệ số Kdt có thể càng lớn càng tốt . Sau khi tính được dòng điện và điện áp, tra các sổ tra cứu hoặc bảng...., trong tài liệu này, chọn được linh kiện cần tìm, kiểm tra lại linh kiện này theo dòng điện quá độ. - Bảo vệ các linh kiện bán dẫn. Cũng như các thiết bị bán dẫn khác, ở đây bảo vệ van bán dẫn cũng cần có các loại bảo vệ như Hình 9-50. Các loại bảo vệ thông dụng, bao gồm bảo vệ ngắn mạch bằng Aptomat AT, dòng điện định mức của Aptomat được chọn bằng (1,1 - 1,3) lần dòng điện định mức của tải, dòng điện ngắn mạch của Aptomát được chỉnh lớn hơn dòng điện quá độ của tải IQĐ nhưng nhỏ hơn dòng điện xung của van bán dẫn Ixv A B C ZA ZB ZC R2 R2 R2 C2 C2 C2 C1 C1 C1 R1 R1 R1 H×nh 9.50: M¹ch ®éng lùc vµ c¸c thiÕt bÞ b¶o vÖ cña ®iÖn ¸p xoay chiÒu 3 pha IQĐ < IATNM < Ixv - Bảo vệ xung điện áp từ lưới bằng mạch R1C1 được chọn như chương 8. - Bảo vệ xung điện áp do chuyển van R2C2 cũng có thể được chọn gần đúng: R2= (5 ¸ 30) W, C2 = (0,5 ¸ 4)mF. Ví dô : Thiết kế mạch động lực cho khởi động mềm động cơ không đồng bé roto lồng sóc có các thông số sau: A02.92.1 , P=100kw, n=1470v/phút , h=0,935, cosj = 0,92; Mkđ/Mđm= 1,1; Mmax/Mđm =2; Ikd/Iđm = 6; J = 1,6kg/m2 U1= 220/380V Thời gian mở máy của động cơ không quá lớn tkđ= 3s ( không tính trong quyển sách này). Mặt khác dòng điện ở đây đáng kể, nên việc chọn Triac để điều khiển sẽ phải tăng cấp điều kiện làm mát. Vì vậy ở đây chúng ta chọn sơ đồ với các cặp tiristo nối song song ngược như Hình 9.51. Dòng điện động cơ: Dòng điện chạy qua mỗi Tiristo Dòng điện làm việc của Tiristo 88,4A là đáng kể, do đó tổn hao trên Tiristo khá lớn, nên chọn điều kiện làm mát cho Tiristo là có cánh toả nhiệt, có quạt đối lưu không khí. Với điều kiện này Tiristo cho làm việc với dòng điện đến 50% dòng điện định mức. Dòng điện của Tiristo cần chọn: Điện áp của Tiristo khi ở trạng thái khoá Điện áp định mức của Tiristo cần chọn: Tiristo mắc vào lưới xoay chiều 50Hz nên thời gian chuyển mạch của Tiristo không có ảnh hưởng lớn đến việc chọn Tiristo. R2 R2 R2 C2 C2 C2 C1 C1 C1 R1 R1 R1 H×nh 9.51 S¬ ®å ®éng lùc ®iÒu khiÓn khëi ®éng ®éng c¬ kh«ng ®ång bé A1 B1 C1 A B C Từ các thông số trên ta chọn Tiristo loại SH200N.21D có các thông số: Uđm = 1000 V Uđk = 3 V tcm = 80 ms Iđm = 200 A ITG = 200 mA Tcp = 1250C IX = 4 KA Idò = 20 mA Iđk=0.15 A DU = 1,7 A 3. Thiết kế mạch điều khiển Mạch điều khiển điều áp ba pha giống mạch điều khiển của điều áp một pha khi tải đấu sao có trung tính. Vì lúc đó dòng điện tải được chạy giữa pha với trung tính. Giả sử có một van hay mét pha không có dòng điện cũng không làm ảnh hưởng tới hoạt động của các van bán dẫn còn lại. Ở mạch ba pha không trung tính dòng điện chạy qua tải là dòng điện chạy giữa các pha với nhau. Tại mỗi thời điÓm phải có hai pha hoặc ba pha có van bán dẫn, không khi nào chỉ một pha có van bán dẫn dẫn cả. Cấp xung điều khiển cho điều áp xoay chiều có thể cấp bằng xung đơn hoặc xung chùm. Cấp xung điều khiển loại nào tuỳ thuộc chế độ làm việc của tải. Thường gặp hiện nay trong điều áp ba pha có hai cách điều khiển : - xung điều khiển cấp đơn nhưng phải đệm xung điều khiển. - xung điều khiển cấp bằng chùm xung. A. Điều khiển bộ điều áp ba pha với xung đơn * Khi van động lực là Tiristo Khi góc điều khiển a của các van bán dẫn lớn như trên Hình 9.9 đồng thời có hai Tirisstor cùng dẫn, như vậy xung điều khiển phải được cấp đồng thời cho cả hai Tirisstor, hơn nữa hai van được dẫn Êy phải được cấp xung theo kiểu một xung chính cần mở với một xung đệm, nguyên tắc đệm xung phải theo đúng thứ tự pha. Như việc cấp xung trên Hình 9.52 X1- một chữ số xung cần mở T1. X6-1 xung đệm từ T6 sang T1. Trên Hình 9.52 vẽ lại đường cong điện áp tải Hình 9.9 với góc mở van bán dẫn a lớn (). Để có đường cong điện áp pha A như hình vẽ, chúng ta cần cấp xung điều khiển theo thứ tự như Hình 9.52. Mỗi Tiristo trong mét chu kỳ được cấp hai xung điều khiển, trong đó xung trước X1 là xung chính quyết định góc mở của nó, còn xung thứ hai X6-1 là xung đệm được nhận từ Tiristo cần mở của pha khác tới. Điện áp và dòng điện ở đây gián đoạn, vì vậy không có xung đệm X1-4 T1 không thể mở một van trong bộ điều áp ba pha được. t t t t t t o' X3-6 X6 X4 X1-4 X4 X2-3 X3 X5-2 X2 X5-2 X6-1 X1 tf 1/2UAC 1/2UAB t6' t5' t3' t2' t6 t5 t4 t3 t2 t1 C B A H×nh 9.52: H×nh d¹ng ®­êng cong ®iÖn ¸p t¶i cña h×nh 9.9 víi c¸c xung ®iÒu khiÓn van o X4-5 X5 X5 X4-5 Chóng ta hãy lý giải điều này qua mạch động lực Hình 9.51 và dạng xung điều khiển và điện áp tải Hình 9.52. Tại t2 góc của T1(UA>0) phát xung X1 điều khiển T1 ,đồng thời đệm xung T - X1-4 (xung thứ hai của T4 ) lúc này với UA>>UB (điện áp pha A dương hơn pha B). T1 và T4 cùng dẫn, chừng nào UA còn dương hơn UB. Điện áp trên tải pha A nếu coi tải đối xứng thì UA=1/2UAB. Đến t'2 do điện áp UB dương hơn UA (nếu bỏ qua ảnh hưởng điện cảm coi góc j không đáng kể) nên T1 và T4 bị khoá tại t'2. Đến t3 là góc của T6 (UC<0), ta phát xung X6 điều khiển T6 đồng thời theo đúng thứ tự pha đệm xung T1, X6-1 lúc này do UC<<UA (điện áp C âm hơn A) nên T1 và T6 cùng dẫn, tương tự như trên hai tiristo này sẽ cùng dẫn chừng nào UC âm hơn UA. Như vậy đến t3' khi điện áp UA trở nên âm hơn UC, (bá qua thành phần điện cảm của tải nên bỏ qua góc trễ j) T6, T1 phân cực ngược sẽ tự khoá, ta có điện áp trên tải UA1=1/2 UAC X1 X6-1 X2 X5-1 X3 X2-3 X4 X1-4 X1-4 X5 X4-5 X6 X3-6 X1 t t t t t A B C a t H×nh 9.53: H×nh d¹ng ®­êng cong ®iÖn ¸p t¶i vµ c¸c xung ®iÒu khiÓn khi H×nh 9.53: Tương tự như T1 , T2 được mở bởi xung chính tại t5 cùng với T3 và được mở với xung đệm của T5 tại t6 Từ những khảo sát ở trên thấy rằng tại thời điểm phát lệnh mở van mà không có xung đệm cho Tiristo ở pha kế tiếp theo thứ tự pha và ở nhóm ngược lại, thì các Tiristo không thể dẫn được. Khi góc mở van nhỏ, dòng điện tải Ýt gián đoạn hơn, lúc đó xung đệm chỉ có ý nghĩa tại thời điểm khởi động ban đầu thôi. Do dòng điện liên tục được đến cuối chu kỳ, nên xung đệm của các van là không có ý nghĩa khi đã khởi động xong. Hình 9.9 a chỉ đúng khi chóng ta coi Tiristo đang dẫn. Trên Hình 9.53, nếu như tại phát xung mở T1, mà T4,T6 chưa dẫn, lúc này điện áp UA dương hơn và UB âm hơn, dòng điện sẽ phải chạy từ A qua T1 - tải - T4 về B, nhưng T4 chưa dẫn, nếu không có xung điều khiển X1-4 cả T1 và T4 đều không dẫn. Yêu cầu bắt buộc tại đây phải có xung đệm X 1-4 cho T4. Khi T1 đã dẫn rồi thì xung đệm thứ hai cho van T1 - X6-1 khi mở T6 sẽ không còn ý nghĩa nữa. Ta có thể nhìn thấy điều này khi tại là góc của T6 ,lúc này cấp xung điều khiển T6 có đệm xung T1 , nhưng vì T1 dẫn rồi nên xung đệm X6-1 tại đây không còn ý nghĩa nữa. Tóm lại trong điều áp 3 pha, khi góc mở nhỏ, xung đệm chỉ cã ý nghĩa ở chu kỳ đầu, ngay sau khi đóng điều khiển, Khi góc mở lớn, điện áp gián đoạn nhiều, thì bắt buộc phải có xung đệm mới hoạt động được. H×nh 9.54 §Öm xung b»ng biÕn ¸p. Trong mạch điều khiển, các xung đệm được thực hiện như thế nào? Việc tạo xung đệm bằng một biến áp xung hai cuộn dây thứ cấp như Hình 9.54 cũng có thể được thực hiện. Khi có lệnh điều khiển Tiristo T1 từ mạch diều khiển của T1 , thì đồng thời có xung điều khiển đưa tới hai Tiristo T1 và T4. Tuy nhiên việc điều khiển như thế này cũng gặp nhược điểm như đã nêu ở trên. Khi một biến áp xung cung cấp cho hai Tiristo, công suất cấp có thể không như nhau. Ngoài ra như trên Hình 9.54, tới cực điều khiển của mỗi Tiristo có hai cuộn dây thứ cấp của hai biến áp xung lấy từ hai kênh điều khiển khác nhau. ĐiÒu này sẽ làm phức tạp trong chế tạo biến áp lắp đặt , hiệu chỉnh mạch điều khiển. Vì lý do đó mà việc đệm xung bằng biến áp Ýt có ứng dụng trong thực tế. Phương pháp đệm xung phổ biến là đưa tới trước tầng khuếch đại, như Hình 9.55. H×nh 9.55 §Öm xung tr­íc tÇng khuÕch ®¹i Để giải quyết bài toán cấp xung điều khiển đồng thời cho hai Tiristo, trước khi đưa tới tầng khuếch đại cần có thêm cổng hoặc H. Tín hiệu từ khâu so sánh của kênh điều khiển T1 được đưa tới cổng hoặc của chính tầng khuếch đại T1 , ngoài ra tín hiệu này còn được đưa tới cổng hoặc của T4 để đệm xung mở T4. Tới cổng vào của H1 ngoài tín hiệu từ mạch điều khiển T1 còn thêm tín hiệu đệm được nhận từ T6 (Xem giản đồ xung hình 9.52). Lúc này để điều khiển T1 trong mét chu kỳ sẽ có hai xung điều khiển: một xung thứ nhất do chính mạch điều khiển kênh T1 phát lệnh, xung thứ hai do kênh điều khiển T6 phát lệnh. Một mạch điều khiển do bộ điều áp xoay chiều ba pha với 6 Tiristo được giới thiệu trên Hình 9.56 a cho mạch động lực Hình 9.50. Nguyên lý tạo xung điều khiển của mét Tiristo T1 như mô tả trên Hình 9.56 b. Điện áp đồng pha của pha A chỉnh lưu cả chu kỳ đưa vào khuyếch đại thuật toán A1 và A2, tạo nên điện áp tựa UC. Điện áp tựa này được kéo lên trên trục hoành nhờ VR2 thành điện áp răng cưa Urc. . Điện áp răng cưa Urc so sánh với điện áp điều khiển Uđk. Tại các thời điểm t1, t2 ,t3, t4, t5, t6 , Uđk=Urc , khuyếch đại A3 lật dấu, ta có điện áp UDA. Khi cả UDA và UE dương, đầu ra của cổng và V1 có xung ra trong khoảng t1- t2 tín hiệu này được đưa tới H1 và đầu ra của H1 có xung trong khoảng t1 - t2. H1 nhận tín hiệu đồng thời của cả V1 lẫn V6. Tương tự như V1 chóng ta có tín hiệu của V6 dịch pha một góc . Kết quả là H1 có hai xung liên tiếp và cách nhau , đầu ra biến áp xung cũng liên tiếp tương ứng với đầu ra H1. H×nh 9.56 a: S¬ ®å m¹ch ®iÒu khiÓn bé ®iÒu ¸p ba pha h×nh 9.50 H×nh 9.56 b :Nguyªn lý t¹o xung ®iÒu kh