Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong quá trình công nghiệp hóa và hiện đại hóa, việc ứng dụng công nghệ điều khiển tự động vào sản xuất đóng vai trò quan trọng nhằm nâng cao năng suất, đảm bảo tính an toàn và độ chính xác của máy móc thiết bị. Các thiết bị điện tử công suất lớn ngày càng được ứng dụng rộng rãi trong cả công nghiệp lẫn đời sống dân sinh. Trong các quá trình công nghệ luyện kim, đúc, nhiệt luyện, sản xuất gốm sứ, thủy tinh và sấy thực phẩm, lò điện trở là thiết bị nhiệt luyện chủ yếu biến đổi điện năng thành nhiệt năng.

Để kiểm soát và duy trì nhiệt độ lò điện trở theo yêu cầu công nghệ, việc sử dụng bộ điều áp xoay chiều ba pha dùng van bán dẫn có điều khiển (Thyristor) là giải pháp kỹ thuật có hiệu suất cao, phản ứng nhanh và dễ tự động hóa. Đề tài "Thiết kế bộ điều áp xoay chiều ba pha điều khiển nhiệt độ lò điện trở" được thực hiện trong khuôn khổ đồ án môn học Điện tử công suất tại Khoa Điều khiển & Tự động hóa, Trường Đại học Điện Lực.

Nhiệm vụ và thông số kỹ thuật nghiên cứu được xác định cụ thể như sau:

  1. Nghiên cứu tổng quan về cấu tạo, nguyên lý làm việc của lò điện trở công nghiệp và các cấu trúc mạch điều áp xoay chiều ba pha.
  2. Phân tích nguyên lý làm việc của van bán dẫn Thyristor và lựa chọn cấu trúc sơ đồ mạch lực phù hợp với tải lò điện trở thuần trở.
  3. Tính toán, lựa chọn van mạch lực Thyristor và các phần tử mạch bảo vệ quá dòng ($L_a$), bảo vệ quá áp ($RC$).
  4. Thiết kế mạch điều khiển hoàn chỉnh dựa trên nguyên tắc điều khiển dọc, bao gồm các khâu: đồng pha, tạo điện áp răng cưa, so sánh, tạo xung chùm, khuếch đại và biến áp xung.
  5. Mô phỏng kiểm chứng dạng sóng điện áp ra tải của bộ điều áp ba pha ở các góc điều khiển khác nhau tương ứng với các giá trị điện áp điều khiển $U_{\text{đk}}$.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

  • Đối tượng nghiên cứu: Hệ thống điều áp xoay chiều ba pha điều khiển điện áp trên tải lò điện trở thuần trở sử dụng van Thyristor.
  • Phạm vi thông số tính toán:
    • Nguồn điện cấp: Xoay chiều 3 pha $3 \times 380\text{ V}$, tần số $50\text{ Hz}$.
    • Nhiệt độ lò cần điều khiển: $400^\circ\text{C}$ đến $500^\circ\text{C}$.
    • Yêu cầu riêng cho phương án thiết kế của sinh viên thực hiện (Vũ Thị Thanh Thư): Công suất định mức $P = 8\text{ kW}$, hiệu suất $\eta = 0{,}95$.
Họ và tên sinh viên Mã sinh viên Lớp Công suất ($P$) Hiệu suất ($\eta$)
Ngô Đắc Nguyện 18810430138 D13TDH&DKTBCN2 $6\text{ kW}$ $0{,}85$
Trần Ngọc Thịnh 18810430029 D13TDH&DKTBCN2 $7\text{ kW}$ $0{,}90$
Vũ Thị Thanh Thư 18810430168 D13TDH&DKTBCN2 $8\text{ kW}$ $0{,}95$
Lê Thanh Thuận 18810430072 D13TDH&DKTBCN2 $9\text{ kW}$ $0{,}90$

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Cơ sở lý thuyết

  1. Nguyên lý phát nhiệt của lò điện trở: Dựa trên định luật Jun-Lenxơ: $$Q = I^2 R T$$ Trong đó: $Q$ là nhiệt lượng ($\text{J}$), $I$ là dòng điện ($\text{A}$), $R$ là điện trở dây nung ($\Omega$), $T$ là thời gian ($\text{s}$). Dây nung đóng vai trò là phần tử phát nhiệt gián tiếp truyền nhiệt lượng cho vật nung bằng bức xạ, đối lưu và dẫn nhiệt. Vật liệu chế tạo dây nung kim loại chủ yếu là hợp kim Crôm - Nhôm ($\text{Cr-Al}$) và Crôm - Niken ($\text{Cr-Ni}$) có điện trở suất lớn và hệ số nhiệt điện trở nhỏ.
  2. Lý thuyết van bán dẫn Thyristor: Cấu trúc gồm 4 lớp bán dẫn $p\text{-}n\text{-}p\text{-}n$ tạo thành 3 tiếp giáp $J_1, J_2, J_3$ với ba điện cực Anode (A), Cathode (K) và cực điều khiển (G). Thyristor mở khi được phân cực thuận ($U_{\text{AK}} > 0$) và có xung dòng điều khiển $I_G$ đưa vào cực điều khiển. Van duy trì trạng thái dẫn khi dòng qua van lớn hơn dòng duy trì $I_{\text{dt}}$ và tự động khóa khi dòng Anode - Cathode giảm xuống dưới $I_{\text{dt}}$ hoặc khi đặt điện áp ngược lên van trong khoảng thời gian phục hồi $t_r$.
  3. Nguyên tắc điều khiển dọc (Vertical Control): Sử dụng điện áp đồng pha hình sin hạ áp từ lưới điện để tạo điện áp răng cưa tuyến tính $U_{\text{rc}}$. Bằng việc so sánh biên độ giữa $U_{\text{rc}}$ và điện áp điều khiển $U_{\text{đk}}$ (tương ứng với nhiệt độ đặt của lò), thời điểm phát xung mở van $\alpha$ được xác định chính xác tại giao điểm $|U_{\text{rc}}| = |U_{\text{đk}}|$.

Phương pháp nghiên cứu

  • Phương pháp tính toán giải tích mạch điện tử công suất: Sử dụng các công thức kinh nghiệm và biểu thức giải tích của mạch chỉnh lưu/điều áp xoay chiều ba pha để xác định dòng điện hiệu dụng tải, điện áp ngược cực đại đặt lên van, dòng điện trung bình qua van và chọn thông số thiết bị bán dẫn từ catalogue kỹ thuật.
  • Phương pháp so sánh và lựa chọn sơ đồ: Phân tích ưu nhược điểm của các cấu trúc mạch điều áp ba pha: sơ đồ hình sao có dây trung tính, sơ đồ nối tam giác và sơ đồ hình sao không dây trung tính.
  • Phương pháp mô phỏng kiểm chứng: Sử dụng phần mềm mô phỏng chuyên ngành điện tử công suất để kiểm tra dạng sóng điện áp ra tải $u_{\text{tải}}$, kiểm tra góc kích mở van $\alpha$ tại các mức điện áp điều khiển $U_{\text{đk}} = 1{,}43\text{ V}$ ($\alpha \approx 45^\circ$), $U_{\text{đk}} = 2{,}22\text{ V}$ và $U_{\text{đk}} = 3{,}2\text{ V}$.

Thiết kế và triển khai hệ thống kỹ thuật

Sơ đồ cấu trúc mạch lực

Mạch lực sử dụng cấu trúc bộ điều áp xoay chiều ba pha gồm 6 van Thyristor đấu song song ngược từng đôi một trên 3 pha nguồn cấp ($T_1//T_4$, $T_3//T_6$, $T_5//T_2$), tải lò điện trở ba pha mắc hình sao không dây trung tính.

Thông số thiết kế tính toán Giá trị tính toán Quy cách lựa chọn thực tế
Dòng điện pha phụ tải ($I_t$) $10{,}1\text{ A}$ —
Điện trở mỗi pha của tải ($R_t$) $21{,}78\ \Omega$ Tải thuần trở dây nung lò
Dòng trung bình qua van ($I_{\text{tbvan}}$) $4{,}54\text{ A}$ —
Dòng trung bình định mức chọn van ($I_{\text{tbmax}} = 2 I_{\text{tbvan}}$) $9{,}08\text{ A}$ Chọn $I_{\text{tb}} = 12\text{ A}$
Điện áp cực đại đặt lên van ($U_{\text{Thymax}}$) $466{,}7\text{ V}$ —
Điện áp ngược định mức chọn van ($U_{\text{thyristor}} = 2 U_{\text{Thymax}}$) $933{,}4\text{ V}$ Chọn $U_{\text{ng.max}} = 1200\text{ V}$
Chủng loại van bán dẫn — Thyristor T10-12 (Nga)
Cuộn cảm hạn chế tốc độ tăng dòng ($L_a$) $\ge 8{,}55\ \mu\text{H}$ $L_a = 10\ \mu\text{H}$
Mạch RC bảo vệ quá áp và $dU/dt$ Tính toán kinh nghiệm $R = 68\ \Omega$, $C = 0{,}1\ \mu\text{F}$
Phương thức làm mát van Tản nhiệt nhôm Làm mát tự nhiên bằng không khí

Thông số kỹ thuật của Thyristor T10-12 (Nga)

  • Dòng điện trung bình tối đa cho phép ($I_{\text{tb}}$): $12\text{ A}$
  • Biên độ dòng điện đỉnh cho phép một chu kỳ ($I_{\text{đỉnh}}$): $200\text{ A}$
  • Dòng điện rò ($I_{\text{rò}}$): $3\text{ mA}$
  • Điện áp làm việc cực đại: $100 - 1200\text{ V}$
  • Tốc độ tăng điện áp cho phép ($dU/dt$): Cấp 4 ($200\text{ V}/\mu\text{s}$)
  • Tốc độ tăng dòng cực đại ($dI/dt$): Cấp 2 ($40\text{ A}/\mu\text{s}$)
  • Thời gian phục hồi tính chất khóa ($t_{\text{ph}}$): $70 - 150\ \mu\text{s}$
  • Sụt áp thuận định mức ($\Delta U$): $1{,}85\text{ V}$
  • Điện áp điều khiển mở van nhỏ nhất ($U_{\text{đk}}$): $3\text{ V}$
  • Dòng điện điều khiển mở van nhỏ nhất ($I_{\text{đk}}$): $75\text{ mA}$

Cấu trúc mạch điều khiển

Mạch điều khiển được thiết kế theo nguyên tắc điều khiển dọc gồm các khối chức năng:

  1. Khâu đồng pha: Sử dụng biến áp hạ áp lấy tín hiệu từ 3 pha lưới điện, tạo điện áp đồng pha chuẩn hình sin cùng tần số và xác định góc pha ban đầu.
  2. Khâu tạo điện áp răng cưa: Biến đổi điện áp đồng pha thành điện áp răng cưa tuyến tính $U_{\text{rc}}$ có chu kỳ đồng bộ với chu kỳ lưới điện.
  3. Khâu so sánh: So sánh điện áp răng cưa $U_{\text{rc}}$ với điện áp điều khiển $U_{\text{đk}}$ để xác định chính xác thời điểm xuất hiện xung kích mở.
  4. Khâu tạo xung chùm: Sử dụng cổng logic và mạch dao động để tạo chuỗi xung chùm có tần số cao thay vì xung đơn, giúp giảm kích thước biến áp xung và đảm bảo mở chắc chắn Thyristor khi tải có tính cảm hoặc dòng chưa kịp đạt mức duy trì.
  5. Khâu khuếch đại xung và biến áp xung: Khuếch đại công suất dòng xung điều khiển và cách ly quang/điện giữa mạch điều khiển điện áp thấp với mạch động lực điện áp cao $380\text{ V}$.
  6. Khâu tạo điện áp điều khiển: Cung cấp dải điện áp $U_{\text{đk}}$ tương ứng với dải góc mở $\alpha$ từ $\alpha_{\text{min}}$ đến $\alpha_{\text{max}}$.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Giới thiệu chung về lò điện trở và bộ điều áp xoay chiều

Chương 1 trình bày tổng quan về lò điện trở công nghiệp, phân loại lò điện (lò hồ quang, lò cảm ứng, lò điện trở) và nêu bật các ưu điểm vượt trội như khả năng tạo nhiệt độ cao, nung đều, dễ tự động hóa và đảm bảo vệ sinh môi trường làm việc. Cấu tạo cơ bản của lò điện trở dạng giếng bao gồm: vỏ lò bằng thép tấm gia cường, lớp lót chịu lửa và cách nhiệt, cùng hệ thống dây nung kim loại chịu nhiệt độ cao.

Chương này đi sâu vào phân tích lý thuyết van Thyristor, các hiện tượng vật lý trong quá trình đóng cắt bán dẫn ($dU/dt$, $dI/dt$, thời gian phục hồi $t_r$), đồng thời so sánh ba sơ đồ điều áp xoay chiều ba pha:

  • Sơ đồ đấu sao có trung tính: Các pha làm việc độc lập như ba bộ điều áp một pha, điện áp ngược trên van nhỏ ($U_{\text{pha}}$), nhưng dòng trung tính chứa sóng hài bậc cao lớn và xuất hiện khoảng dòng tải gián đoạn.
  • Sơ đồ tải đấu tam giác: Dòng chạy giữa các pha, đòi hỏi mạch điều khiển phải cấp xung kích đồng thời cho hai van ở hai pha khác nhau, dễ mất ổn định khi thay đổi thứ tự pha nguồn.
  • Sơ đồ đấu sao không trung tính: Hoạt động tổng hợp giữa các pha theo góc điều khiển $\alpha$, rất phổ biến trong công nghiệp đối với tải lò thuần trở cân bằng.

Phân tích hoạt động của sơ đồ chọn lựa (đấu sao không trung tính, 6 Thyristor song song ngược) được chia thành 3 vùng làm việc:

  • Vùng 1 ($0 < \alpha < 60^\circ$): Trong một chu kỳ có sự xen kẽ giữa khoảng 3 van dẫn ($U_{\text{tải}} = U_{\text{pha}}$) và khoảng 2 van dẫn ($U_{\text{tải}} = \frac{1}{2} U_{\text{dây}}$). Góc dẫn của van $\lambda = 180^\circ - \alpha$, van tự ngắt khi điện áp nguồn qua điểm 0.
  • Vùng 2 ($60^\circ < \alpha < 90^\circ$): Luôn chỉ có 2 van thuộc hai pha khác nhau cùng dẫn, góc dẫn của mỗi van cố định $\lambda = 120^\circ$, điện áp trên tải bằng một nửa điện áp dây.
  • Vùng 3 ($90^\circ < \alpha < 150^\circ$): Xuất hiện khoảng nghỉ không có van nào dẫn ($U_{\text{tải}} = 0$) xen kẽ với khoảng 2 van dẫn, van ngắt dòng mỗi khi điện áp dây nguồn về $0\text{ V}$.

Chương 2: Tính toán thiết kế mạch lực

Chương 2 thực hiện tính toán chi tiết mạch lực theo yêu cầu phụ tải công suất $P = 8\text{ kW}$, hiệu suất $\eta = 0{,}95$, nguồn ba pha $3 \times 380\text{ V}$, $50\text{ Hz}$.

Các bước tính toán kỹ thuật:

  1. Dòng điện hiệu dụng qua tải mỗi pha: $$I_t = \frac{P}{\sqrt{3} U_{\text{dây}} \eta \cos\varphi} = \frac{8000}{\sqrt{3} \times 380 \times 0{,}95 \times 1} \approx 10{,}1\text{ A}$$
  2. Điện trở mỗi pha của tải ở chế độ định mức ($U_{\text{pha}} = 220\text{ V}$): $$R_t = \frac{U_{\text{pha}}}{I_t} = \frac{220}{10{,}1} = 21{,}78\ \Omega$$
  3. Xác định dòng điện trung bình qua mỗi van Thyristor: $$I_{\text{tbvan}} = 0{,}45 I_t = 0{,}45 \times 10{,}1 = 4{,}54\text{ A}$$ Chọn hệ số dự trữ dòng $k_i = 2$, dòng định mức yêu cầu: $I_{\text{tbmax}} = 2 \times 4{,}54 = 9{,}08\text{ A}$.
  4. Xác định điện áp ngược cực đại: $$U_{\text{Thymax}} = 1{,}5 U_{\text{pha max}} = 1{,}5 \times 220\sqrt{2} = 466{,}7\text{ V}$$ Chọn hệ số dự trữ áp $k_u = 2$, điện áp ngược yêu cầu của van: $U_{\text{thyristor}} = 2 \times 466{,}7 = 933{,}4\text{ V}$.
  5. Tra cứu và lựa chọn Thyristor T10-12 của Nga ($I_{\text{tb}} = 12\text{ A}$, $U_{\text{ng.max}} = 1200\text{ V}$).
  6. Tính toán mạch bảo vệ van:
    • Bảo vệ quá dòng $dI/dt$: Với dao động điện áp lưới $\pm 10%$, $U_{2\text{max}} = 342{,}24\text{ V}$, tốc độ tăng dòng cho phép $dI/dt = 40\text{ A}/\mu\text{s}$, độ tự cảm bảo vệ được chọn là $L_a = 10\ \mu\text{H}$.
    • Bảo vệ quá áp và $dU/dt$: Sử dụng mạch $RC$ mắc song song cực Anode - Cathode của từng Thyristor với các giá trị chuẩn: $R = 68\ \Omega$, $C = 0{,}1\ \mu\text{F}$.

Chương 3: Tính toán và thiết kế mạch điều khiển

Chương 3 xây dựng hệ thống mạch điều khiển theo nguyên tắc điều khiển dọc, đáp ứng các yêu cầu kỹ thuật khắt khe:

  • Độ lệch góc điều khiển giữa các pha không vượt quá $(1 \div 3)^\circ$ điện.
  • Thời gian tác động nhanh dưới $1\text{ ms}$.
  • Khả năng chống nhiễu công nghiệp cao và độ rộng xung đủ lớn để mở chắc chắn van bán dẫn.

Nội dung chương trình bày chi tiết sơ đồ nguyên lý và thông số linh kiện cho từng khối:

  • Mạch đồng pha dùng biến áp đồng pha và mạch lọc tín hiệu.
  • Mạch tích phân tạo điện áp răng cưa tuyến tính $U_{\text{rc}}$ có biên độ ổn định.
  • Mạch so sánh điện áp dùng khuếch đại thuật toán (Op-Amp) xác định thời điểm $|U_{\text{rc}}| = |U_{\text{đk}}|$.
  • Mạch tạo xung chùm sử dụng vi mạch logic kết hợp tầng khuếch đại transistor công suất và biến áp xung để cấp tín hiệu vào cực điều khiển G của 6 Thyristor mạch lực.

Chương 4: Mô phỏng kiểm chứng

Chương 4 ghép nối toàn bộ sơ đồ mạch lực và mạch điều khiển trên phần mềm mô phỏng chuyên dụng nhằm đánh giá dạng sóng điện áp ra trên tải $R$ của cả 3 pha.

Kết quả mô phỏng được kiểm nghiệm tại 3 chế độ làm việc:

  1. Trường hợp $U_{\text{đk}} = 1{,}43\text{ V}$ (tương ứng góc mở $\alpha \approx 45^\circ$): Dạng sóng điện áp tải thể hiện rõ vùng 1 ($0 < \alpha < 60^\circ$), xuất hiện sự xen kẽ giữa các đoạn có 3 van dẫn ($U_{\text{tải}} = U_{\text{pha}}$) và các đoạn 2 van dẫn ($U_{\text{tải}} = \frac{1}{2} U_{\text{dây}}$).
  2. Trường hợp $U_{\text{đk}} = 2{,}22\text{ V}$ (vùng $60^\circ < \alpha < 90^\circ$): Dạng sóng điện áp trên tải chỉ còn các đoạn 2 van dẫn, biên độ điện áp tức thời trên mỗi pha tải bằng một nửa điện áp dây.
  3. Trường hợp $U_{\text{đk}} = 3{,}2\text{ V}$ (vùng $90^\circ < \alpha < 150^\circ$): Dạng sóng điện áp tải xuất hiện các khoảng gián đoạn bằng 0 xen kẽ với các khoảng 2 van dẫn, công suất đưa vào lò giảm sâu đáp ứng việc hạ nhiệt độ.

Kết quả và đóng góp

Kết quả chính

  • Hoàn thành đầy đủ các bước tính toán thiết kế mạch lực điều áp xoay chiều ba pha cho lò điện trở với công suất tải $8\text{ kW}$, hiệu suất $0{,}95$, điện áp $3 \times 380\text{ V}$, $50\text{ Hz}$.
  • Lựa chọn thành công cấu hình 6 van Thyristor T10-12 ($12\text{ A}$, $1200\text{ V}$) kèm hệ thống bảo vệ quá dòng ($L_a = 10\ \mu\text{H}$) và bảo vệ quá áp ($R = 68\ \Omega$, $C = 0{,}1\ \mu\text{F}$).
  • Thiết kế hoàn chỉnh sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển dọc tạo xung chùm cách ly biến áp xung, đảm bảo điều khiển đối xứng góc mở $\alpha$ giữa 3 pha.
  • Kết quả mô phỏng dạng sóng điện áp ba pha tại các giá trị điện áp điều khiển $U_{\text{đk}} = 1{,}43\text{ V}$, $2{,}22\text{ V}$ và $3{,}2\text{ V}$ khớp với lý thuyết phân tích các vùng dẫn của bộ điều áp xoay chiều ba pha tải thuần trở không trung tính.

Giải pháp và đóng góp kỹ thuật

  • Lựa chọn giải pháp điều khiển xung chùm tần số cao qua biến áp xung giúp mạch kích mở an toàn, tránh hiện tượng mở sót van khi tải thuần trở có biên độ dòng tăng đột ngột hoặc khi lưới có dao động.
  • Tối ưu hóa kích thước mạch bảo vệ van bằng việc phối hợp cuộn cảm $L_a$ nối tiếp hạn chế $dI/dt$ và mạch $RC$ song song hạn chế $dU/dt$, giúp van làm mát tự nhiên mà vẫn đảm bảo tuổi thọ làm việc lâu dài.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của đồ án

  • Nhược điểm cố hữu của phương pháp điều áp xoay chiều pha là dạng sóng điện áp và dòng điện ra tải không sin trong toàn dải điều chỉnh (sóng hài bậc cao tăng mạnh khi góc mở $\alpha$ lớn).
  • Mạch điều khiển trong đồ án dừng lại ở hệ thống điều khiển vòng hở (Open-loop control), xác định góc mở qua điện áp điều khiển $U_{\text{đk}}$ đặt trước mà chưa tích hợp khâu phản hồi nhiệt độ kín (PID hoặc cảm biến nhiệt can nhiệt thermocouple) để tự động ổn định nhiệt độ lò theo thời gian thực.
  • Các thông số mạch bảo vệ $RC$ được lựa chọn dựa trên kinh nghiệm thực tế kết hợp giới hạn chuẩn thay vì xây dựng mô hình toán tối ưu hóa theo đặc tính động của bán dẫn.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

  • Tích hợp thêm cảm biến đo nhiệt độ (như cặp nhiệt điện loại K hoặc Pt100) kết hợp bộ điều khiển vi xử lý/PID để tự động điều chỉnh điện áp $U_{\text{đk}}$ duy trì chính xác dải nhiệt độ lò từ $400^\circ\text{C}$ đến $500^\circ\text{C}$.
  • Nghiên cứu ứng dụng phương pháp điều khiển theo chu kỳ (bật/tắt số chu kỳ nguyên vẹn - Integral Cycle Control) để triệt tiêu sóng hài bậc cao trên lưới điện đối với các tải nhiệt có quán tính lớn.
  • Triển khai thi công mạch phần cứng thực nghiệm để kiểm tra khả năng chịu nhiệt thực tế của van Thyristor T10-12 khi vận hành kéo dài ở công suất định mức $8\text{ kW}$.

Giá trị tham khảo

Tài liệu đồ án là nguồn tham khảo hữu ích cho sinh viên các ngành Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa, Kỹ thuật Điện, Điện tử công suất và Tự động hóa công nghiệp. Cụ thể:

  • Phần tính chọn van và bảo vệ mạch lực (Chương 2): Cung cấp quy trình tính toán mẫu từ thông số công suất và điện áp phụ tải đến các hệ số an toàn ($k_i, k_u$), thông số $dI/dt$, $dU/dt$ và lựa chọn linh kiện bán dẫn công suất thực tế.
  • Phần cấu trúc mạch điều khiển dọc (Chương 3): Là tài liệu học tập chuẩn mực về sơ đồ khối điều khiển Thyristor analog (đồng pha, răng cưa, so sánh, tạo xung chùm, biến áp xung).
  • Phần phân tích dạng sóng và mô phỏng (Chương 1 và Chương 4): Cung cấp cơ sở lý thuyết phân chia 3 vùng góc mở $\alpha$ của mạch điều áp ba pha không trung tính, giúp người đọc dễ dàng đối chiếu khi xây dựng mô hình mô phỏng trên máy tính.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao đồ án lại lựa chọn sơ đồ điều áp ba pha đấu sao không có dây trung tính cho lò điện trở?

Sơ đồ đấu sao không trung tính sử dụng 6 Thyristor đấu song song ngược có cấu trúc đối xứng, dòng điện và điện áp ra tải là sự hoạt động tổng hợp của các pha phụ thuộc vào góc mở $\alpha$. Mặc dù dạng sóng ra không sin, nhưng với tải thuần trở của lò điện trở, độ méo sóng hài không làm ảnh hưởng xấu đến chế độ làm việc của lò nhiệt, đồng thời tránh được hiện tượng dòng điều hòa bậc cao chạy trên dây trung tính như ở sơ đồ có dây trung tính.

2. Thông số van Thyristor được lựa chọn cụ thể là loại nào và có định mức ra sao?

Sinh viên lựa chọn loại van Thyristor T10-12 do Nga chế tạo, có dòng điện trung bình định mức $I_{\text{tb}} = 12\text{ A}$ (lớn hơn dòng tính toán yêu cầu $I_{\text{tbmax}} = 9{,}08\text{ A}$), điện áp ngược cực đại $U_{\text{ng.max}} = 1200\text{ V}$ (lớn hơn điện áp tính toán yêu cầu $933{,}4\text{ V}$), tốc độ tăng áp $dU/dt = 200\text{ V}/\mu\text{s}$ và tốc độ tăng dòng $dI/dt = 40\text{ A}/\mu\text{s}$.

3. Mục đích và thông số của các phần tử bảo vệ van trong mạch lực là gì?

  • Cuộn cảm $L_a = 10\ \mu\text{H}$ mắc nối tiếp: Hạn chế tốc độ tăng dòng $dI/dt$ qua Thyristor khi mở van, tránh hiện tượng quá nhiệt cục bộ tại các điểm dẫn ban đầu làm thủng phiến bán dẫn.
  • Mạch $RC$ ($R = 68\ \Omega$, $C = 0{,}1\ \mu\text{F}$) mắc song song: Hạn chế tốc độ tăng điện áp $dU/dt$ và bảo vệ quá điện áp đột biến xuất hiện trên hai cực Anode - Cathode của Thyristor trong quá trình đóng cắt.

4. Trong mạch điều khiển, tại sao lại sử dụng khâu tạo xung chùm thay vì xung đơn?

Xung chùm là chuỗi xung hẹp tần số cao được tạo ra trong suốt khoảng thời gian mở van. Việc sử dụng xung chùm giúp giảm đáng kể kích thước lõi thép của biến áp xung (do tần số cao), giảm công suất tiêu tán trên cực điều khiển G, đồng thời đảm bảo van Thyristor mở chắc chắn ngay cả khi dòng tải chưa kịp tăng vượt dòng duy trì $I_{\text{dt}}$ tại thời điểm bắt đầu cấp xung.

5. Có những vùng làm việc nào của bộ điều áp tương ứng với các góc điều khiển $\alpha$?

Mạch điều áp ba pha tải thuần trở không trung tính có 3 vùng làm việc chính:

  • Vùng $0 < \alpha < 60^\circ$: Xen kẽ khoảng 3 van dẫn ($U_{\text{tải}} = U_{\text{pha}}$) và 2 van dẫn ($U_{\text{tải}} = \frac{1}{2} U_{\text{dây}}$), góc dẫn van $\lambda = 180^\circ - \alpha$.
  • Vùng $60^\circ < \alpha < 90^\circ$: Luôn chỉ có 2 van dẫn đồng thời, góc dẫn van $\lambda = 120^\circ$, điện áp ra tải bằng $\frac{1}{2} U_{\text{dây}}$.
  • Vùng $90^\circ < \alpha < 150^\circ$: Xen kẽ khoảng 2 van dẫn với khoảng không có van nào dẫn ($U_{\text{tải}} = 0$).

Kết luận

Báo cáo đồ án môn học Điện tử công suất của sinh viên Vũ Thị Thanh Thư (Trường Đại học Điện Lực) đã giải quyết trọn vẹn nhiệm vụ thiết kế bộ điều áp xoay chiều ba pha điều khiển nhiệt độ lò điện trở công suất $8\text{ kW}$ trên nguồn lưới $3 \times 380\text{ V}, 50\text{ Hz}$. Đề tài đã xây dựng cơ sở tính toán mạch lực chuẩn xác, lựa chọn hợp lý van Thyristor T10-12 cùng mạch bảo vệ $L_a$ và $RC$, đồng thời thiết kế chi tiết mạch điều khiển đồng pha tạo xung chùm theo nguyên tắc điều khiển dọc. Toàn bộ kết quả tính toán lý thuyết đã được kiểm chứng và làm sáng tỏ thông qua mô phỏng dạng sóng điện áp ba pha ở các mức góc mở khác nhau.