Đang tải... (xem toàn văn)
Hiện nay, lò điện trở 3 pha đã và đang được sử dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp như: Ngành công nghiệp chế biến lương thực, thực phẩm; ngành công nghiệp sản xuất hàng tiêu dùng; ngành công nghiệp luyện kim; ngành cơ khí …vv.
LỜI MỞ ĐẦU Hiện nay, lò điện trở 3 pha đã và đang được sử dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp như: Ngành công nghiệp chế biến lương thực, thực phẩm; ngành công nghiệp sản xuất hàng tiêu dùng; ngành công nghiệp luyện kim; ngành cơ khí …vv. Nhưng phát triển mạnh nhất là trong ngành công nghiệp chế biến thực phẩm, bởi vì nó tạo ra được các sản phẩm có ích cho con người, cho xã hội và góp phần đáng kể cho nguồn hàng xuất khẩu của đất nước. Tuy lò điện trở có cấu tạo đơn giản, dễ chế tạo, dễ sửa chữa, dễ sử dụng mà lại làm việc tin cậy song nó cũng có những hạn chế nhất định như là phải khống chế được nhiệt độ của lò điện trở nhất là các lò có công suất lớn tới vài chục, vài trăm kilowat thì việc thiết kế thiết bị khống chế nhiệt độ theo yêu cầu rất phức tạp và cồng kềnh, giá cả rất đắt. Song ngày nay, với trình độ tiến bộ khoa học kỹ thuật người ta đã nghiên cứu, thiết kế và chế tạo được các loại lò điện trở lớn nhỏ với công suất khác nhau, hiệu suất làm việc cao và đáp ứng được yêu cầu công nghệ của các ngành công nghiệp. Tuỳ theo yêu cầu công nghệ của từng ngành sản xuất mà lò điện trở có những tính năng, tác dụng của yêu cầu của người sử dụng. Chính vì những yêu cầu đó đòi hỏi lò điện trở phải có những tính năng điều chỉnh được nhiệt độ thích hợp với yêu cầu sản xuất và sử dụng được tối đa hiệu suất của lò mà không làm hư hỏng lò hoặc nhìn chung khi điều chỉnh nhiệt độ của lò điện trở. Nhìn chung khi điều chỉnh nhiệt độ của lò điện trở cần tuân thủ các yêu cầu cơ bản dưới đây: - Điện áp cấp cho lò ấn định - Tổn hao nhiệt nhỏ. - Hiệu suất làm việc cao - Làm việc an toàn, dễ sử dụng, dễ điều khiển - 1 - - Đạt được yêu cầu công nghệ - Thiết bị sử dụng đơn giản, gọn nhẹ, chắc chắn, rẻ tiền. - Dễ sửa chữa, thay thế. Tuy nhiên để thiết kế và chế tạo được lò điện trở với đầy đủ yêu cầu trên sẽ không rẻ tiền. Vì vậy ta phải căn cứ vào yêu cầu của từng ngành sản xuất để chọn công suất lò và thiết kế bộ điều chinhr nhiệt độ của lò điện trở thích hợp. - 2 - CHƯƠNG 1 PHƯƠNG ÁN CHỌN MẠCH LỰC I.1. THYRISTOR – NGUYÊN LÝ CẤU TẠO VÀ HOẠT ĐỘNG. Thyristor là phần tử bán dẫn cấu tạo từ bốn lớp bán dẫn p-n-p-n tạo ra ba tiếp giáp p-n J 1 , J 2 , J 3 . Thyristor có ba cực: anot A, catot K, cực điều khiển G như được biểu diễn trên hình 1 I.2. CÁC THÔNG SỐ CƠ BẢN CỦA THYRISTOR Các thông số cơ bản là những thông số dựa vào đó ta có thể lựa chọn một thyristor cho một ứng dụng cụ thể nào đó. 1. Giá trị dòng trung bình cho phép chạy qua thyristor, I Vtrb Đây là giá trị dòng trung bình cho phép chạy qua thyristor với điều kiện nhiệt độ của cấu trúc tinh thể bán dẫn của thyristor không vượt quá một giá trị cho phép. Trong thực tế dòng điện cho phép chạy qua thyristor còn phụ thuộc vào các điều kiện làm mát và nhiệt độ môi trường. Thyristor có thể được gắn lên các bộ tản nhiệt tiêu chuẩn và làm mát tự nhiên. Ngoài ra thyristor có thể tản được làm mát cưỡng bức nhờ quạt gió hoặc dùng nước để tải nhiệt lượng toả ra nhanh hơn. Nói chung có thể lựa chọn dòng điện theo các điều kiện làm mát như sau: - Làm mát tự nhiên: Dòng sử dụng cho phép đến 1/3 dòng I Vtrb - 3 - p J3 n J2 cùc ®iÒu khiÓn J1 p n anot canot - Lm mỏt cng bc bng qut giú: Dũng s dng bng 2/3 I Vtrb - Lm mỏt cng bc bng nc: Cú th s dng n 100% dũng I Vtrb 2. in ỏp ngc cho phộp ln nht, U ngmax õy l giỏ tr in ỏp ngc ln nht cho phộp t lờn thyristor. Trong cỏc ng dng phi m bo rng ti bt k thi im no in ỏp gia anot catot U AK luụn nh hn hoc bng U ngmax . Ngoi ra phi m bo mt d tr nht nh v in ỏp, ngha l U ngmax phi c chn ớt nht l bng 1,2 1,5 ln giỏ tr biờn ln nht ca in ỏp trờn s . 3. Thi gian phc hi tớnh cht khoỏ ca thyristor , t r ( à s) õy l thi gian ti thiu phi t in ỏp õm lờn gia anot catot ca thyristor sau khi dũng anot catot ó v bng khụng trc khi li cú th cú in ỏp U AK dng m thyristor vn khoỏ. t r l mt thụng s rt quan trng ca thyristor nht l trong cỏc b nghch lu ph thuc hoc nghch lu c lp, trong ú phi luụn m bo rng thi gian dnh cho quỏ trỡnh khoỏ phi bng 1,5 2 ln t r . 4. Tc tng in ỏp cho phộp )/( sV dt dU à Thyristor c s dng nh mt phn t cú iu khin, ngha l mc dự khi c phõn cc thun (U AK > 0) nhng vn phi cú tớn hiu iu khin thỡ nú mi cho phộp dũng in chy qua. Khi thyristor c phõn cc thun phn ln in ỏp ri trờn lp tip giỏp J 2 nh c ch ra trờn hỡnh 6 - 4 - p n p n J1 J2 J3 anot G C12 i = C12(dU/dt) Hình 6 Lớp tiếp giáp J 2 bị phân cực ngược lên độ dày của nó nở ra tạo ra vùng không gian nghèo điện tích, cản trở dòng điện chạy qua. Vùng không gian này có thể coi như một tụ điện có điện dụng C J2 . Khi có điện áp biến thiên với tốc độ lớn dòng điện của tụ có thể có giá trị đáng kể, đóng vai trò như dòng điều khiển. Kết quả là thyristor có thể mở ra khi chưa có tín hiệu điều khiển vào cực điều khiển G Tốc độ tăng điện áp là một thông số phân biệt thyristor tần số thấp với các thyristor tần số cao. ở thyristor tần số thấp dt dU vào khoảng 50 – 200 V/µs, với các thyristor tần số cao dt dU có thể đạt đến 500 – 2000 V/µs. 5. Tốc độ tăng dòng cho phép dt dI (A/µs) Khi thyristor bắt đầu mở không phải mọi điểm trên tiết diện tinh thể bán dẫn của nó đều dẫn dòng điện đồng đều. Dòng điện sẽ chạy qua bắt đầu ở một số điểm, gần với cực điều khiển nhất, sau đó sẽ lan toả dần sang các điểm khác trên toàn bộ tiết diện. Nếu tốc độ tăng dòng quá lớn có thể dẫn đến mật độ dòng điện ở các điểm dẫn ban đầu quá lớn, sự phát nhiệt cục bộ quá mãnh liệt có thể sẽ dẫn đến hỏng cục bộ, từ đó dẫn đến hỏng toàn bộ tiết diện tinh thể bán dẫn. Tốc độ tăng dòng cho phép cũng phân biệt ở thyristor tần số thấp có dt dI khoảng 50 – 100 A/µs với các thyristor có tần số cao dt dI khoảng 500 – 2000 A/µs. Trong các bộ biến đổi phải luôn luôn có biện pháp đảm bảo tốc độ tăng dòng ở dưới giá trị cho phép. Điều này đạt được nhờ mắc nối tiếp với các phần tử bán dẫn những điện kháng nhỏ, lõi không khí hoặc đơn giản hơn là các xuyến ferit lồng lên nhau. Các xuyến ferit được dùng rất phổ biến vì cấu tạo đơn giản, dễ thay đổi điện cảm bằng cách thay đổi số xuyến lồng lên thanh dẫn. Xuyến ferit còn có tính chất của cuộn cảm bão hoà, khi dòng qua thanh - 5 - dẫn còn nhỏ điện kháng sẽ lớn để hạn chế tốc độ tăng dòng. Khi dòng đã lớn ferit bị bão hoà từ, điện cảm giảm gần như bằng không. Vì vậy cuộn kháng kiểu này không gây sụt áp trong chế độ dòng định mức chạy qua dây dẫn. I.3. ẢNH HƯỞNG CỦA CÁC PHẦN TỬ NỐI SONG SONG VỚI CỰC ĐIỀU KHIỂN. 1. ảnh hưởng của điện trở nối song song với cuặc điều khiển. Điện trở này ảnh hưởng rất lớn đến Tiristo: a. Làm tăng giá trị dòng qua van I a cần thiết để mở được và duy trì cho van dẫn vì điện trở này rẽ nhánh dòng qua va qua nó. b. hạn chế ảnh hưởng của tốc độ tăng áp du/dt, nó sẽ dẫn bớt dòng ký sinh có hại này qua nó, giảm bớt tác động này đến cực điều khiển. c. Tiristo có độ nhạy cao thường bắt buộc phải có điện trở này để dẫn dòng nhiệt (dòng diện rò ) qua nó để tránh Tiristo bị mở vì dòng này. d. Làm giảm hệ số khuếch đại vùng n 1 -p 2 -n 2 dẫn đến làm tăng điện áp chuyển mạch của van. e. Làm giảm được thời gian hồi phục tính chất khoá cho Tiristo vì nó tạo thành mạch thoát cho các điện tích dư tích tụ trong vùng p 2 và n 2. Nhìn chung để đánh giá chi tiết hơn cần biết giá trị của R G , R S . Tuy nhiên quy luật chung của các điện trở này là: Tiristo càng nhỏ thì trị số R S càng lớn ( đôi khi coi rằng R S = ∞ ) Giá trị R G phụ thuộc vào kích thước tinh thể bán dẫn, tinh thể càng lớn giá trị R G càng nhỏ. 2. ảnh hưởng của tụ điện nối song song với cực điều khiển. a. Làm giảm ảnh hưởng của tốc độ tăng hợp du/dt gần như của điện trở, tuy nhiên chỉ có tác dụng ở tần số cao đó do đó, khác với điện trở, tụ điện rất có ích để chống nhiễm cao tần ảnh hưởng từ mạng điện lực tới mà không gây hậu quả ở khu vực tần số thấp, nhất là với dòng ổn định một chiều. - 6 - b. Làm giảm độ dốc cả xung điều khiển mở van, dẫn đến ké dài hơn thời gian mở van cũng như thời gian thời gian tăng dòng I a , do đó không có lợi trong những mạch cần có tốc độ tăng dòng lớn. c. Khi van đã dẫn điện áp trên trên tụ điện này có trị số xấp xỉ sụt áp trên van (cỡ 1÷ 2V ). Điện áp này nói chung lớn hơn điện áp tối thiểu để mở van. Khi van khoá lại sau đó lại có điện áp dương đặt trở lại thì dòng điện phóng ra từ tụ điện này có thể làm van mở ra không cần có dòng điều khiển thực hiện nữa ( ví dụ van làm việc ở tần số 50 Hz, nếu tụ đủ lớn để kéo dài dòng phóng quá 10ms sẽ làm van mở ngay ở nửa chu kỳ điện áp trên van dương trở lại.) 3. ảnh hưởng của điện áp âm đặt lên cực điều khiển. Điện áp trên cực điều khiển không được âm quá trị số cho phép của từng loại van ( thường giới hạn ở mức 5V ). Vì vậy khi van làm việc có khả năng xuất hiện điện áp âm quá mức trên cực điều khiển cần có biện áp hạn chế trước mà thông dụng nhất là đấu thêm điốt nối tiếp song song với cực điều khiển như trên hình 4. ảnh hưởng của điện áp dương trên cực điều khiển khi điện áp trên van lại âm, điều này có thể dẫn đến sự phát nhiệt quá mức ở cực điều khiển làm hỏng van. Nhìn chung nên hạn chế các tình trạng: U GK >0 trong khi U Ak <0; cũng như U GK <0 trong khi U AK >0. Trong sổ tra cứu thường hai trị số âm và dương của U GK lấy là -1 và vào khoảng 0,5V đến 1V. ]I.4. ĐẶC TÍNH VÔN – AMPE CỦA THYRISTOR Đặc tính vôn – ampe của một Thyristor gồm hai phần (hình 2). Phần thứ nhất nằm trong góc phần tư thé I là đặc tính thuận tương ứng với trường hợp điện áp U AK > 0, phần thứ hai nằm trong góc phần tư thứ III gọi là đặc tính ngược, tương ứng với trường hợp U AK < 0. a. Trường hợp dòng điện vào cực điều khiển bằng không (I G = 0) Khi dòng vào cực điều khiển của Thyristor bằng 0 hay khi hở mạch cực điều khiển Thyristor sẽ cản trở dòng điện ứng với cả hai trường hợp phân cực điện áp giữa anot – catot. Khi điện áp U AK < 0 theo cấu tạo bán dẫn của Thyristor hai tiếp giáp J 1 , J 3 đều phân cực ngược, lớp J 2 phân cực thuận, như - 7 - vậy Thyristor sẽ sẽ giống như hai đi ốt mắc nối tiếp bị phân cực ngược. Qua Thyristor sẽ chỉ có một dòng điện rất nhỏ chạy qua, gọi là dòng rò. Khi U AK tăng đạt đến một giá trị điện áp lớn nhất U ngmax sẽ xảy ra hiện tượng Thyristor bị đánh thủng, dòng điện có thể tăng lên rất lớn. Giống như ở đoạn đặc tính ngược của đi ốt quá trình bị đánh thủng là quá trình không thể đảo ngược được, nghĩa là nếu có giảm điện áp U AK xuống dưới mức U ngmax thì dòng điện cũng không giảm được về mức dòng rò. Thyristor đã bị hỏng. Khi tăng điện áp anot – catot theo chiều thuận U AK > 0 lúc đầu cũng chỉ có một dòng điện rất nhỏ chạy qua, gọi là dòng rò. Điện trở tương đương mạch anot – catot vẫn có giá trị rất lớn. Khi đó tiếp giáp J 1 , J 3 phân cực thuận, J 2 phân cực ngược. Cho đến khi U AK tăng đạt đến giá trị điện áp thuận lớn nhất U thmax sẽ xảy ra hiện tượng điện trở tương đương mạch anot – catot đột ngột giảm, dòng điện có thể chạy qua Thyristor và giá trị sẽ chỉ bị giới hạn bởi điện trở tải ở mạch ngoài. Nếu khi đó dòng qua Thyristor có giá trị lớn hơn một mực dòng tối thiểu, gọi là dòng duy trì I dt thì khi đó thyristor sẽ dẫn dòng trên đường đặc tính thuận, giống như đường đặc tính thuận ở đi ốt. Đoạn đặc tính thuận được đặc trưng bởi tính chất dòng có thể có giá trị lớn nhưng điện - 8 - H×nh 2 §Æc tÝnh von-ampe cña thyristor Dßng rß Dßng rß O i u U nmax I o=O I G2 > I G1 > I GO I v I dt U vmax U ngmax áp rơi trên anot – catot thì nhỏ và hầu như không phụ thuộc vào giá trị của dòng điện. b. Trường hợp có dòng điện vào cực điều khiển (I G > 0) Nếu có dòng điều khiển đưa vào giữa cực điều khiển và catot thì quá trình chuyển điểm làm việc trên đường đặc tính thuận sẽ xảy ra sớm hơn, trước khi điện áp thuận đạt đến giá trị lớn nhất, U thmax . Điều này được mô tả trên hình 1.7 bằng những đường nét đứt, ứng với các giá trị dòng điều khiển khác nhau I G1 , I G2 , I G3 Nói chung nếu dòng điều khiển lớn hơn thì điểm chuyển đặc tính làm việc sẽ xảy ra với U AK nhỏ hơn. I.5. MỞ VÀ KHOÁ THYRISTOR Thyristor có đặc tính giống như điôt, nghĩa là chỉ cho phép dòng chạy qua theo một chiều, từ anot đến catot và cản trở dòng chạy theo chiều ngược lại. Tuy nhiên khác với điôt, để thyristor có thể dẫn dòng ngoài điều kiện phải có điện áp U AK > 0 còn cần thêm một số điều khiển khác. Do đó thyristor được coi là phần tử bán dẫn có điều khiển để phân biệt với điôt là phần tử không điều khiển được. 1. Mở thyristor Khi được phân cực thuận U AK > 0 thyristor có thể mở bằng hai cách. Thứ nhất có thể tăng điện áp anot- catot cho đến khi đạt đến giá trị điện áp thuận lớn nhất , U thmax khi đó điện trở tương đương trong mạch anot – catot sẽ giảm đột ngột và dòng qua thyristor sẽ hoàn toàn do mạch ngoài xác định. Phương pháp mở này trong thực tế không được áp dụng và còn nguyên nhân mở không mong muốn vì không phải lúc nào cũng có thể tăng được điện áp đến giá trị U thmax . Vả lại như vậy sẽ xảy ra trường hợp thyristor tự mở ra dưới tác dụng của các xung điện áp nhiễu tại một thời điểm ngẫu nhiên, không định trước. Phương pháp thứ hai là phương pháp được áp dụng thực tế là đưa một xung dòng điện có giá trị nhất định vào giữa cực điều khiển và catot. Xung dòng điện điều khiển sẽ chuyển trạng thái của thyristor từ trở kháng cao sang trở kháng thấp ở mức điện áp anot – catot nhỏ. Khi đó nếu dòng qua anot – - 9 - catot lớn hơn một giá trị nhất định, gọi là dòng duy trì (I dt ) thì thyristor sẽ tiếp tục cho trạng thái mở dẫn dòng mà không cần đến sự tồn tại của xung dòng điều khiển nữa. Điều này nghĩa là có thể điều khiển mở các thyristor bằng các xung dòng có độ rộng xung nhất định, do đó công suất của mạch điều khiển có thể là rất nhỏ, so với công suất của mạch lực mà thyristor là một phần tử đóng cắt, khống chế dòng điện. 2. Khoá thyristor Một thyristor đang dẫn dòng sẽ trở về trạng thái khoá (điện trở tương đương mạch anot – catot tăng cao) nếu dòng điện giảm xuống, nhỏ hơn giá trị dòng duy trì I dt . Tuy nhiên để thyristor vẫn ở trạng thái khoá, với trở kháng cao, khi điện áp anot – catot lại dương (U AK > 0) cần phải có một thời gian nhất định để các lớp tiếp giáp phục hồi hoàn toàn tính chất cản trở dòng điện của mình. Khi thyristor dẫn dòng theo chiều thuận U AK > 0, hai lớp tiếp giáp J 1 , J 3 phân cực thuận, các điện tích đi qua hai lớp này dễ dàng và lấp đầy tiếp giáp J 2 đang bị phân cực ngược. Vì vậy mà dòng điện có thể chảy qua ba lớp tiếp giáp J 1 , J 2 , J 3 . Để khoá thyristor lại cần giảm dòng anot – catot về dưới mức dòng duy trì (I dt ) và đặt một điện áp ngược lên anot – catot (U AK < 0) trong một khoảng thời gian tối thiểu, gọi là thời gian phục hồi, t r . Trong thời gian phục hồi có một dòng điện ngược chạy giữa catot và anot. Dòng điện ngược này di tản các điện tích ra khỏi tiếp giáp J 2 và nạp điện cho tụ điện tương đương của hai tiếp giáp J 1 , J 3 lúc này đang bị phân cực ngược. Kết quả là khả năng cản trở dòng điện của J 1 . J 3 , được phục hồi. Thời gian phục hồi phụ thuộc vào lượng điện tích cần được di tản ra ngoài cấu trúc bán dẫn của thyristor và nạp điện cho tiếp giáp J 1 , J 3 . Quá trình khoá một thyristor được mô tả trên đồ thị hình 3. Theo hình 3 phần điện tích gạch chéo dưới đường dòng điện là lượng điện tích Q cần di tản ra ngoài cấu trúc bán dẫn của thyristor. - 10 - I v I vo O i t U Q t di/dt t [...]... UđpA B UđpB B UđpB C UđpC C UđpC 0V điều khiển a) Sơ đồ đấu nối tam giác a) Sơ đồ đấu nối tam giác - 23 - A C Điện áp nguồn 3 pha B O 5 o 5 10 15 20 25 30 10 15 20 25 30 25 30 Uđp của pha A o Uđp của pha A a/ Điện áp đồng pha khi sơ cấp dấu tam giác o 5 10 15 20 Bin ỏp ng b 3 pha & in ỏp ng pha b/ Điện áp đồng pha khi sơ cấp dấu sao Vi s a : S cp u tam giỏc: Phm vi gúc iốu khin v t = (00-1800) Vi s ... ca tớn hiu iu khin ph thuc thi gian Nu tớn hiu iu khin l mt xung cú rng cng ngn thỡ cụng sut cho phộp cú th cng ln 0,1ms Giới hạn dòng điện nhỏ nhất Giới hạn công suất với độ rộng xung khác nhau Vùng mở chắc chắn Thynsitor 0,1ms 0,1ms 0 T = -1Oc 0 T = Oc Giới hạn điện áp nhỏ nhất O - 11 - Hình 4 Yêu cầu đối với tín hiệu điều khiển S tiờu biu ca mt mch khuch i xung iu khin thyristor c cho trờn hỡnh . v catot vi dũng in i vo cc iu khin x c nh c c yờu cu i vi t n hiu iu khin thyristor . Vi c ng mt loi thyristor nh sn xut s cung cp mt h c t nh iu khin,. đư c nhi t độ c a l i n tr nh t l c c l c c ng su t l n t i v i ch c, v i tr m kilowat thì vi c thi t k thi t bị khống ch nhi t độ theo yêu c u
