Thiết Kế Bộ Điều Áp Xoay Chiều Ba Pha Điều Khiển Nhiệt Độ Lò Điện Trở

• Đề tài: Thiết Kế Bộ Điều Áp Xoay Chiều Ba Pha Điều Khiển Nhiệt Độ Lò Điện Trở

• LỜI MỞ ĐẦU
• 1. CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU CHUNG VỀ LÒ ĐIỆN TRỞ VÀ BỘ ĐIỀU ÁP XOAY CHIỀU
• 1.1. Tổng quan về lò điện trở
• 1.2. Giới thiệu chung về lò điện
• 1.3. Giới thiệu chung về lò điện trở
• 1.4. Cấu tạo lò điện trở
• 1.5. Giới thiệu chung về bộ điều áp xoay chiều
• 1.6. Các đặc điểm chung về bộ điều áp xoay chiều
• 1.7. Van điều khiển thyristor
• 1.8. Phân tích và chọn sơ đồ điều áp xoay chiều ba pha
• 2. CHƯƠNG 2: TÍNH TOÁN THIẾT KẾ MẠCH LỰC
• 2.1. Thiết kế mạch lực
• 2.2. Tính chọn van mạch lực (Van thyristor)
• 2.3. Tính chọn các phần tử bảo vệ van
• 2.4. Bảo vệ quá dòng
• 2.5. Bảo vệ quá áp
• 3. CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN
• 3.1. Yêu cầu chung của mạch điều khiển
• 3.2. Cấu trúc mạch điều khiển
• 3.3. Khâu đồng pha
• 3.4. Khâu tạo điện áp răng cưa
• 3.5. Khâu so sánh
• 3.6. Khâu tạo xung
• 3.7. Khâu khuếch đại và biến áp xung
• 3.8. Khâu tạo điện áp điều khiển
• 4. CHƯƠNG 4: MÔ PHỎNG KIỂM CHỨNG
• 4.1. Sơ đồ mạch lực và mạch điều khiển
• 4.2. Mô phỏng và kiểm chứng mạch điều khiển trong các trường hợp
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

I. Tổng quan thiết kế bộ điều áp xoay chiều ba pha cho lò

Việc thiết kế bộ điều áp xoay chiều ba pha điều khiển nhiệt độ lò điện trở là một bài toán cốt lõi trong ngành tự động hóa công nghiệp. Lò điện trở, với ưu điểm tạo nhiệt độ cao và khả năng điều khiển chính xác, được ứng dụng rộng rãi từ nhiệt luyện kim loại đến sấy khô trong công nghiệp thực phẩm. Tuy nhiên, để đạt được hiệu suất tối ưu và chất lượng sản phẩm đồng đều, việc duy trì và ổn định nhiệt độ lò điện trở là yêu cầu bắt buộc. Bộ điều áp xoay chiều sử dụng các van bán dẫn công suất lớn như Thyristor (SCR) chính là giải pháp hiệu quả cho vấn đề này. Nguyên lý cơ bản của phương pháp này là thay đổi giá trị điện áp hiệu dụng cấp cho tải bằng cách điều chỉnh thời điểm kích mở các Thyristor trong mỗi nửa chu kỳ của điện áp nguồn. Thời điểm này được xác định bởi một thông số gọi là góc kích anpha (α). Bằng cách thay đổi góc α từ 0° đến 180°, công suất cấp cho lò điện trở sẽ được điều chỉnh một cách trơn tru, từ đó kiểm soát chính xác nhiệt độ làm việc. Một hệ thống hoàn chỉnh không chỉ bao gồm mạch công suất mà còn cần một mạch điều khiển tinh vi để tạo ra các xung kích một cách đồng bộ và chính xác. Các thiết bị gia nhiệt công nghiệp hiện đại ngày nay đều ưu tiên sử dụng phương pháp này nhờ tính ổn định, độ tin cậy cao và khả năng tự động hóa dễ dàng, đáp ứng xu hướng công nghiệp hóa, hiện đại hóa sản xuất.

1.1. Vai trò của việc ổn định nhiệt độ lò điện trở công nghiệp

Trong các quy trình công nghệ cao, việc ổn định nhiệt độ lò điện trở đóng vai trò quyết định đến chất lượng sản phẩm cuối cùng. Sai lệch nhiệt độ dù chỉ vài độ C cũng có thể làm thay đổi cấu trúc vật liệu, gây ra khuyết tật hoặc làm hỏng toàn bộ mẻ sản phẩm. Ví dụ, trong ngành nhiệt luyện, nhiệt độ không ổn định sẽ dẫn đến độ cứng, độ bền của chi tiết kim loại không đồng đều. Đối với lò sấy công nghiệp, nhiệt độ quá cao có thể làm cháy sản phẩm, trong khi nhiệt độ quá thấp lại không đảm bảo độ khô cần thiết. Do đó, một bộ điều khiển nhiệt độ lò nung chính xác giúp đảm bảo quá trình sản xuất diễn ra đúng theo biểu đồ công nghệ, tối ưu hóa tiêu thụ năng lượng và nâng cao năng suất.

1.2. Giới thiệu nguyên lý điều khiển góc kích anpha cơ bản

Nguyên lý điều khiển góc kích anpha là nền tảng của các bộ điều áp xoay chiều. Trong mỗi nửa chu kỳ của điện áp hình sin, Thyristor chỉ cho phép dòng điện chạy qua khi có một xung kích được đưa vào cực điều khiển (G). Góc α là góc lệch pha tính từ thời điểm điện áp nguồn qua điểm 0 cho đến khi xung kích xuất hiện. Nếu α nhỏ (gần 0°), Thyristor được kích mở sớm, phần lớn điện áp nguồn được đưa ra tải, công suất cung cấp là lớn nhất. Ngược lại, khi α lớn (tiến đến 180°), Thyristor được kích mở muộn, phần điện áp đưa ra tải rất nhỏ, công suất gần như bằng không. Bằng cách thay đổi giá trị của α, giá trị hiệu dụng của điện áp ra tải được điều chỉnh một cách liên tục, đây chính là cơ chế để điều khiển công suất của thiết bị gia nhiệt công nghiệp.

II. Thách thức khi thiết kế bộ điều áp xoay chiều 3 pha

Việc thiết kế bộ điều áp xoay chiều ba pha đặt ra nhiều thách thức kỹ thuật phức tạp hơn so với mạch một pha. Thách thức lớn nhất là đảm bảo sự hoạt động đồng bộ và cân bằng giữa ba pha. Bất kỳ sự sai lệch nào trong việc phát xung điều khiển cho các Thyristor đều có thể gây ra dòng điện không cân bằng, tạo ra các thành phần sóng hài bậc cao gây nhiễu lưới điện và ảnh hưởng đến các thiết bị khác. Việc lựa chọn sơ đồ mạch lực phù hợp với loại tải và yêu cầu vận hành là cực kỳ quan trọng. Có ba sơ đồ chính thường được xem xét: sơ đồ đấu sao có trung tính, sơ đồ tải đấu tam giác và sơ đồ đấu sao không trung tính. Mỗi sơ đồ có ưu nhược điểm riêng về điện áp ngược đặt lên van, sự phức tạp của mạch điều khiển thyristor 3 pha và tính độc lập giữa các pha. Theo phân tích trong tài liệu gốc, sơ đồ đấu sao không trung tính được lựa chọn vì tính phổ biến và khả năng hoạt động tổng hợp giữa các pha, dù việc tính toán phức tạp hơn. Việc giải quyết các vấn đề về bảo vệ quá dòng, quá áp cho van công suất cũng là một thách thức không nhỏ, đòi hỏi tính toán kỹ lưỡng để đảm bảo hệ thống hoạt động an toàn và bền bỉ.

2.1. Phân tích các sơ đồ điều áp xoay chiều ba pha phổ biến

Có ba sơ đồ chính cho bộ điều chỉnh điện áp xoay chiều 3 pha. Sơ đồ đấu sao có trung tính hoạt động như ba bộ điều áp một pha độc lập, đơn giản hóa việc tính toán nhưng có nhược điểm là dòng trong dây trung tính chứa nhiều sóng hài. Sơ đồ tải đấu tam giác yêu cầu cấp xung đồng thời cho hai Thyristor ở hai pha khác nhau, gây khó khăn cho mạch điều khiển. Sơ đồ đấu sao không trung tính, mặc dù phức tạp hơn trong phân tích do sự phụ thuộc lẫn nhau giữa các pha, lại là lựa chọn phổ biến nhất trong thực tế. Trong sơ đồ này, tại một thời điểm bất kỳ, luôn có ít nhất hai pha dẫn dòng, tạo ra sự hoạt động tổng hợp và ổn định hơn cho các tải công suất lớn như lò điện trở.

2.2. Lựa chọn sơ đồ tối ưu Đấu sao không có dây trung tính

Dựa trên phân tích ưu nhược điểm, tài liệu nghiên cứu đã lựa chọn sơ đồ bộ điều áp xoay chiều ba pha sáu Thyristor đấu song song ngược, tải thuần trở đấu sao không có dây trung tính. Lựa chọn này được đưa ra vì nó phù hợp với hầu hết các tải ba pha công nghiệp. Mặc dù điện áp ngược đặt lên van bán dẫn là điện áp dây (lớn hơn điện áp pha), việc điều khiển dễ dàng hơn vì chỉ cần quan tâm đến góc α. Dạng sóng điện áp và dòng điện ra tải không sin, nhưng với tải điện trở thuần của lò điện, điều này không ảnh hưởng tiêu cực đến chế độ làm việc. Đây là cấu hình cân bằng giữa hiệu suất, độ phức tạp và tính ứng dụng thực tiễn.

III. Hướng dẫn thiết kế mạch lực cho bộ điều áp xoay chiều

Mạch lực là trái tim của bộ điều áp xoay chiều ba pha, chịu trách nhiệm trực tiếp điều khiển dòng công suất lớn đến lò điện trở. Việc thiết kế mạch lực đòi hỏi sự chính xác tuyệt đối trong việc tính toán công suất lò điện trở và lựa chọn linh kiện. Thành phần trung tâm của mạch lực là các van công suất, thường là Thyristor (SCR 3 pha), được mắc song song ngược cho mỗi pha. Việc lựa chọn Thyristor phải dựa trên hai thông số quan trọng: dòng điện trung bình và điện áp ngược tối đa mà van phải chịu đựng. Theo tính toán trong tài liệu gốc cho lò công suất 8kW, hiệu suất 0.95, dòng điện mỗi pha là 10.1A. Từ đó, Thyristor T10-12 của Nga được chọn với dòng trung bình 12A và điện áp chịu đựng 1200V, đảm bảo hệ số dự trữ an toàn. Ngoài ra, một khía cạnh cực kỳ quan trọng là thiết kế các mạch bảo vệ. Thyristor rất nhạy cảm với tốc độ tăng dòng (di/dt) và tốc độ tăng áp (du/dt). Để bảo vệ van khỏi bị phá hỏng, mạch RC (Snubber) được mắc song song để hạn chế du/dt, và cuộn kháng nhỏ (La) được mắc nối tiếp để hạn chế di/dt, đảm bảo mạch công suất 3 pha hoạt động ổn định và an toàn.

3.1. Phương pháp tính toán và chọn van công suất SCR 3 pha

Việc lựa chọn van công suất SCR 3 pha là bước quyết định. Đầu tiên, cần xác định dòng hiệu dụng qua tải (It) dựa trên công suất định mức và hiệu suất. Từ đó, tính dòng trung bình qua van (Itbvan = 0,45 * It). Dòng định mức của Thyristor cần chọn phải có hệ số dự trữ, thường gấp 2-3 lần dòng trung bình tính toán. Tương tự, điện áp ngược tối đa mà van phải chịu (Uthyristor) cũng cần có hệ số dự trữ khoảng 1.5-2 lần so với điện áp đỉnh của lưới. Dựa trên công suất 8kW, tài liệu đã tính toán và chọn Thyristor T10-12, một lựa chọn phù hợp cả về thông số kỹ thuật lẫn điều kiện làm mát tự nhiên.

3.2. Thiết kế mạch bảo vệ quá dòng và quá áp cho Thyristor

Thyristor có thể bị phá hỏng bởi hiện tượng tăng áp và tăng dòng đột ngột. Để bảo vệ quá áp (du/dt), một mạch RC mắc song song với van được sử dụng. Tụ điện C sẽ hấp thụ các đỉnh điện áp đột ngột, và điện trở R hạn chế dòng phóng của tụ khi van mở. Theo kinh nghiệm thực tế cho van công suất nhỏ, giá trị R = 68Ω và C = 0,1µF được chọn. Để bảo vệ quá dòng (di/dt), đặc biệt khi tải là thuần trở, một cuộn kháng La được mắc nối tiếp. Dựa trên công thức La ≥ U2max / (di/dt), với các thông số của Thyristor T10-12, giá trị cuộn kháng La = 10µH được tính toán để đảm bảo tốc độ tăng dòng không vượt quá giới hạn cho phép.

IV. Bí quyết thiết kế mạch điều khiển Thyristor 3 pha

Nếu mạch lực là trái tim thì mạch điều khiển chính là bộ não của hệ thống thiết kế bộ điều áp xoay chiều ba pha. Nhiệm vụ của nó là tạo ra các xung kích chính xác, đồng bộ và đủ công suất để mở các Thyristor tại đúng góc kích α. Một mạch điều khiển thyristor 3 pha điển hình được xây dựng theo nguyên tắc điều khiển dọc, bao gồm nhiều khâu chức năng liên kết với nhau. Khâu đầu tiên và quan trọng nhất là khâu đồng pha, sử dụng biến áp và mạch khuếch đại thuật toán để tạo ra tín hiệu vuông đồng bộ với điện áp lưới. Tín hiệu này là mốc tham chiếu để xác định điểm bắt đầu của mỗi nửa chu kỳ. Tiếp theo, khâu tạo điện áp răng cưa sẽ tích phân tín hiệu vuông để tạo ra một điện áp tuyến tính giảm dần. Điện áp răng cưa này sau đó được đưa vào khâu so sánh cùng với một điện áp điều khiển (Uđk). Thời điểm điện áp răng cưa bằng điện áp điều khiển chính là lúc một xung được tạo ra, quyết định góc α. Cuối cùng, khâu tạo xung và khuếch đại sẽ định dạng xung này (thường là xung chùm tần số cao) và khuếch đại đủ công suất thông qua biến áp xung để kích mở Thyristor một cách chắc chắn.

4.1. Xây dựng khâu đồng pha và tạo điện áp răng cưa ZCD

Khâu đồng pha, hay còn gọi là mạch Zero Crossing Detection (ZCD), có nhiệm vụ xác định thời điểm điện áp lưới đi qua điểm 0. Trong thiết kế này, điện áp lưới 380V được hạ áp qua biến áp, sau đó đưa vào một mạch khuếch đại thuật toán (Op-Amp) hoạt động ở chế độ so sánh để tạo ra một chuỗi xung vuông đối xứng, đồng bộ hoàn toàn với pha tương ứng. Tín hiệu vuông này sau đó được cấp cho khâu tạo điện áp răng cưa. Khâu này sử dụng một Op-Amp khác mắc theo cấu hình tích phân. Trong nửa chu kỳ dương của xung vuông, tụ điện được nạp tuyến tính tạo ra sườn dốc của điện áp răng cưa. Trong nửa chu kỳ âm, tụ được xả nhanh về 0, sẵn sàng cho chu kỳ tiếp theo.

4.2. Triển khai khâu so sánh tạo xung và khuếch đại công suất

Khâu so sánh sử dụng một Op-Amp để so sánh tức thời giữa điện áp răng cưa (Urc) và điện áp điều khiển (Uđk). Khi Urc > Uđk, đầu ra của Op-Amp ở mức cao. Khi Urc < Uđk, đầu ra ở mức thấp. Sự chuyển trạng thái này tạo ra một xung vuông có độ rộng phụ thuộc vào giá trị Uđk. Xung này sau đó được AND với một bộ tạo dao động tần số cao (khoảng 10kHz) để tạo thành xung chùm, đảm bảo Thyristor được kích hoạt chắc chắn ngay cả với tải có tính cảm. Cuối cùng, xung chùm được khuếch đại công suất bằng transistor và cách ly với mạch lực thông qua biến áp xung, đảm bảo an toàn và chống nhiễu hiệu quả cho mạch điều khiển pha.

V. Kết quả mô phỏng bộ điều áp xoay chiều bằng phần mềm

Để kiểm chứng tính đúng đắn của lý thuyết và các tính toán thiết kế, việc mô phỏng là bước không thể thiếu trong quá trình thiết kế bộ điều áp xoay chiều ba pha. Tài liệu gốc đã sử dụng phần mềm chuyên dụng PSIM để xây dựng và chạy mô phỏng cho toàn bộ hệ thống, từ mạch lực đến mạch điều khiển. Kết quả mô phỏng cung cấp cái nhìn trực quan về dạng sóng điện áp và dòng điện tại các điểm khác nhau trong mạch, cho phép đánh giá hoạt động của từng khâu. Đặc biệt, việc thay đổi điện áp điều khiển (Uđk) và quan sát sự thay đổi của góc kích α cũng như dạng sóng điện áp ra tải là mục tiêu chính của quá trình này. Các kết quả mô phỏng Proteus mạch điều khiển nhiệt (hoặc PSIM trong trường hợp này) cho thấy sự tương đồng cao so với lý thuyết. Dạng sóng điện áp trên tải bị cắt tương ứng với góc kích, và giá trị hiệu dụng của điện áp giảm khi góc kích tăng. Các trường hợp mô phỏng với Uđk = 1.43V (α ≈ 45°), Uđk = 2.22V (α ≈ 70°), và Uđk = 3.2V (α ≈ 102°) đều cho ra các đồ thị điện áp ba pha đối xứng, khẳng định mạch điều khiển hoạt động chính xác và đồng bộ.

5.1. Phân tích dạng sóng đầu ra với các góc kích khác nhau

Kết quả mô phỏng trong tài liệu gốc (Chương 4) cho thấy rõ sự phụ thuộc của điện áp ra tải vào góc kích α. Với α ≈ 45°, điện áp ra tải có giá trị hiệu dụng Uhd ≈ 204V. Khi tăng góc kích lên α ≈ 70°, điện áp hiệu dụng giảm xuống còn Uhd ≈ 171V. Và với α ≈ 102°, Uhd chỉ còn khoảng 105V. Các đồ thị điện áp cho thấy rõ các khoảng thời gian có 2 van dẫn hoặc 3 van dẫn xen kẽ, hoàn toàn phù hợp với lý thuyết phân tích cho sơ đồ sao không trung tính. Dạng sóng của các khâu trung gian như điện áp răng cưa, xung so sánh, xung chùm cũng khớp với dự kiến, chứng tỏ đồ án bộ điều áp xoay chiều đã được thiết kế đúng đắn.

5.2. Đánh giá hiệu quả ổn định nhiệt độ lò điện trở qua mô phỏng

Mặc dù mô phỏng không thể hiện trực tiếp nhiệt độ, nó đã chứng minh được khả năng điều chỉnh công suất một cách trơn tru và chính xác của bộ điều khiển công suất thyristor. Bằng cách thay đổi một giá trị điện áp điều khiển nhỏ (từ 2.56V đến 3.2V), hệ thống có thể điều chỉnh góc kích trong dải rộng (từ 80° đến 102°), tương ứng với việc điều chỉnh nhiệt độ lò từ 400°C đến 500°C theo yêu cầu đề bài. Điều này khẳng định giải pháp thiết kế có khả năng đáp ứng tốt yêu cầu ổn định nhiệt độ lò điện trở, tạo tiền đề vững chắc cho việc triển khai trên phần cứng thực tế.

VI. Tổng kết ứng dụng bộ điều áp xoay chiều và hướng đi mới

Đồ án thiết kế bộ điều áp xoay chiều ba pha điều khiển nhiệt độ lò điện trở đã thành công trong việc xây dựng một giải pháp hoàn chỉnh từ lý thuyết, tính toán, thiết kế chi tiết đến kiểm chứng bằng mô phỏng. Hệ thống đã chứng minh được khả năng điều chỉnh công suất chính xác cho các thiết bị gia nhiệt công nghiệp thông qua phương pháp điều khiển góc pha. Giải pháp này không chỉ đáp ứng yêu cầu kỹ thuật về ổn định nhiệt độ mà còn mang lại nhiều ưu điểm như hiệu suất cao, phản ứng nhanh, và độ tin cậy. Tuy nhiên, công nghệ không ngừng phát triển. Hướng đi mới cho các hệ thống này là tích hợp các bộ vi điều khiển thông minh. Việc sử dụng vi điều khiển PIC hoặc các nền tảng phổ biến như Arduino điều khiển nhiệt độ sẽ mang lại nhiều lợi ích vượt trội. Các vi điều khiển cho phép triển khai các thuật toán điều khiển phức tạp như bộ điều khiển PID nhiệt độ, giúp hệ thống tự động bù trừ sai số, thích ứng với sự thay đổi của môi trường, từ đó đạt được độ chính xác và ổn định cao hơn rất nhiều. Hơn nữa, chúng còn mở ra khả năng giám sát và điều khiển từ xa, kết nối với các hệ thống SCADA, phù hợp với xu hướng nhà máy thông minh của cuộc cách mạng công nghiệp 4.0.

6.1. Tóm lược ưu điểm của hệ thống điều khiển nhiệt độ lò nung

Hệ thống bộ điều khiển nhiệt độ lò nung dựa trên Thyristor có nhiều ưu điểm vượt trội so với các phương pháp cơ học cũ (như dùng công tắc tơ). Các ưu điểm chính bao gồm: điều chỉnh công suất trơn và liên tục, không gây sốc cơ khí; độ chính xác cao; tốc độ đáp ứng nhanh; không có chi tiết chuyển động nên tuổi thọ cao và ít cần bảo trì; kích thước nhỏ gọn. Những ưu điểm này giúp nâng cao chất lượng sản phẩm, tiết kiệm năng lượng và dễ dàng tích hợp vào các dây chuyền sản xuất tự động.

6.2. Hướng phát triển Tích hợp vi điều khiển PIC và Arduino

Mạch điều khiển sử dụng linh kiện rời và Op-Amp tuy tin cậy nhưng thiếu đi sự linh hoạt. Hướng phát triển tất yếu là thay thế bằng các giải pháp số hóa. Sử dụng vi điều khiển PIC hoặc Arduino điều khiển nhiệt độ cho phép lập trình và thay đổi thuật toán điều khiển một cách dễ dàng. Một bộ điều khiển PID nhiệt độ có thể được cài đặt để tối ưu hóa quá trình đáp ứng, giảm thiểu vọt lố và sai số xác lập. Hơn nữa, việc tích hợp cảm biến nhiệt như cảm biến nhiệt độ can nhiệt K và giao tiếp số giúp hệ thống trở nên thông minh và chính xác hơn, mở đường cho các ứng dụng giám sát và điều khiển qua mạng.