Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu
Đồ án môn học Điện tử công suất với đề tài "Thiết kế lò điện trở sử dụng điều áp xoay chiều ba pha" được thực hiện bởi nhóm sinh viên Nguyễn Huy Hiệu, Nguyễn Đức Hùng và Nguyễn Hữu Ánh Hoàng dưới sự hướng dẫn của TS. Nguyễn Duy Trung tại Khoa Điều khiển & Tự động hóa, Trường Đại học Điện lực (năm 2022).
Trong thực tiễn sản xuất công nghiệp, lò điện là thiết bị biến đổi điện năng thành nhiệt năng phục vụ các quy trình công nghệ như nung, nấu luyện kim loại, sản xuất thép chất lượng cao, hợp kim phe-rô, nhiệt luyện, hóa nhiệt luyện, đúc bột kim loại, sản xuất vật liệu chịu lửa, gốm sứ và chế biến thực phẩm. So với các lò sử dụng nhiên liệu đốt truyền thống, lò điện sở hữu các đặc tính kỹ thuật vượt trội như khả năng tạo nhiệt độ cao, tốc độ nung lớn, năng suất cao, đảm bảo nhiệt độ đồng đều, dễ cơ khí hóa và tự động hóa quá trình vận hành, đồng thời đảm bảo vệ sinh lao động. Tuy nhiên, thiết bị này đòi hỏi chi phí điện năng vận hành lớn và yêu cầu kỹ thuật vận hành nghiêm ngặt. Lò điện trở hoạt động theo định luật Joule-Lenz ($Q = I^2 R t$), trong đó nhiệt lượng tỏa ra khi có dòng điện chạy qua vật dẫn. Trong thực tế, phương pháp nung gián tiếp qua dây nung phát nhiệt được ứng dụng phổ biến hơn nung trực tiếp.
Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu của đồ án bao gồm:
- Nghiên cứu tổng quan về cấu tạo, nguyên lý làm việc của lò điện trở công nghiệp và các cấu hình bộ điều chỉnh điện áp xoay chiều.
- Phân tích các sơ đồ điều áp xoay chiều ba pha, lựa chọn sơ đồ van phù hợp với phụ tải thuần trở của lò điện.
- Tính toán, thiết kế mạch lực: tính chọn van bán dẫn công suất (thyristor) và tính chọn các phần tử bảo vệ van chống quá dòng ($dI/dt$) và quá điện áp ($dU/dt$).
- Thiết kế mạch điều khiển tương tự (analog) theo nguyên tắc điều khiển dọc, bao gồm các khâu: đồng pha, tạo điện áp răng cưa, so sánh, tạo xung chùm, khuếch đại xung và biến áp xung.
- Mô phỏng kiểm chứng hoạt động của toàn bộ hệ thống mạch lực và mạch điều khiển trên phần mềm PSIM.
Thông số kỹ thuật yêu cầu của hệ thống thiết kế:
- Công suất định mức của lò: $P = 8\text{ kW}$.
- Hiệu suất của hệ thống: $\eta = 0{,}95$.
- Dải nhiệt độ làm việc của lò: từ $400^\circ\text{C}$ đến $500^\circ\text{C}$.
- Điện áp nguồn cấp: Nguồn xoay chiều ba pha đối xứng $3 \times 380\text{V}$, tần số công nghiệp $f = 50\text{Hz}$.
Đối tượng nghiên cứu của đề tài là hệ thống điều khiển công suất nhiệt cho lò điện trở ba pha thông qua bộ biến đổi điều áp xoay chiều sử dụng van thyristor. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào phương pháp tính toán lý thuyết mạch lực, mạch điều khiển analog và kiểm chứng dạng sóng làm việc thông qua công cụ mô phỏng phần mềm PSIM trong phạm vi đồ án môn học kỹ thuật.
Cơ sở lý thuyết và phương pháp
Về cơ sở lý thuyết, đồ án xây dựng dựa trên nguyên lý phát nhiệt điện trở theo định luật Joule-Lenz và lý thuyết biến đổi điện áp xoay chiều bằng van bán dẫn công suất. Cấu tạo vật lý của lò điện trở gồm ba bộ phận cơ bản: vỏ lò (kết cấu khung thép chịu lực), lớp lót (gồm lớp chịu lửa tiếp xúc buồng lò và lớp cách nhiệt trung gian bằng gạch hoặc bột xốp cách nhiệt) và dây nung (chế tạo từ hợp kim Crôm-Nhôm, Crôm-Niken hoặc vật liệu phi kim như SiC, Grafit).
Bộ điều áp xoay chiều là thiết bị dùng để đóng ngắt hoặc thay đổi giá trị hiệu dụng của điện áp xoay chiều đặt lên tải từ nguồn xoay chiều có điện áp cố định mà vẫn giữ nguyên tần số của nguồn. Van điều khiển công suất được sử dụng là thyristor – linh kiện bán dẫn gồm bốn lớp tiếp giáp bán dẫn p-n-p-n với ba điện cực: anode (A), cathode (K) và cực điều khiển (G). Thyristor mở dẫn dòng khi được phân cực thuận ($U_{AK} > 0$) và có xung dòng điều khiển $I_G$ kích vào cực G; van duy trì trạng thái dẫn khi dòng qua van lớn hơn dòng duy trì ($I_H$) và tự động khóa lại khi dòng điện giảm về dưới mức $I_H$ kết hợp đặt điện áp ngược $U_{AK} < 0$ trong khoảng thời gian phục hồi $t_{off}$. Linh kiện chịu tác động của hai hiệu ứng giới hạn là tốc độ tăng điện áp $dU/dt$ (gây mở van ngoài ý muốn do dòng nạp điện dung tiếp giáp) và tốc độ tăng dòng $dI/dt$ (gây quá nhiệt cục bộ tại các điểm tiếp xúc gần cực G).
Phương pháp nghiên cứu được triển khai bao gồm:
- Phương pháp giải tích: Thiết lập các phương trình cân bằng điện năng, tính toán dòng điện pha tải ($I = 10{,}1\text{ A}$), điện trở thuần của mỗi pha tải ($R = 21{,}78\ \Omega$), dòng điện trung bình và điện áp cực đại trên van để lựa chọn linh kiện.
- Phương pháp phân tích - so sánh cấu hình: Đánh giá ưu nhược điểm của ba cấu hình điều áp ba pha (sơ đồ đấu sao có trung tính, sơ đồ tải đấu tam giác, và sơ đồ đấu sao không trung tính) để lựa chọn cấu hình tối ưu cho tải trở.
- Phương pháp tổng hợp mạch điều khiển: Ứng dụng nguyên tắc điều khiển dọc (so sánh điện áp tựa răng cưa tuyến tính với điện áp điều khiển một chiều $U_{dk}$) để xác định góc kích $\alpha$.
- Phương pháp mô phỏng số: Sử dụng phần mềm PSIM để mô hình hóa toàn diện mạch lực và mạch điều khiển, đo kiểm dạng sóng điện áp, dòng điện ở các góc kích khác nhau.
Nguồn dữ liệu của đề tài dựa trên các tài liệu giáo trình chuẩn về Điện tử công suất của các tác giả Phạm Quốc Hải, Võ Minh Chính, Trần Trọng Minh, Dương Văn Nghi; các thông số kỹ thuật tra cứu từ phụ lục van bán dẫn T10-12 của Nga và các linh kiện bán dẫn thông dụng (BD135, BC107, lõi ferit 1408).
Thiết kế và triển khai hệ thống
Cấu hình mạch lực và tính chọn van thyristor
Tác giả lựa chọn sơ đồ điều áp xoay chiều ba pha sử dụng 6 van thyristor đấu song song ngược từng đôi một trên ba pha nguồn, phụ tải điện trở đấu hình sao không có dây trung tính. Phụ tải lò có công suất $P = 8\text{ kW}$, hiệu suất $\eta = 0{,}95$, điện áp dây $380\text{V}$ (điện áp pha $U_{pha} = 220\text{V}$).
Dòng điện hiệu dụng pha của phụ tải:
$$I = \frac{P}{\sqrt{3} \cdot U_{day} \cdot \eta} = 10{,}1\text{ (A)}$$
Điện trở thuần của mỗi pha tải:
$$R = \frac{U_{pha}}{I} = \frac{220}{10{,}1} = 21{,}78\ (\Omega)$$
Dòng điện trung bình qua mỗi van thyristor:
$$I_{tb_van} = 0{,}45 \cdot I = 0{,}45 \cdot 10{,}1 = 4{,}54\text{ (A)}$$
Dòng điện định mức yêu cầu đối với van chọn với hệ số an toàn:
$$I_{v_\max} \approx 2 \cdot I_{tb_van} = 9{,}08\text{ (A)}$$
Điện áp ngược cực đại đặt lên van (với hệ số an toàn $k_u = 1{,}5$ và độ dự trữ bằng 2):
$$U_{tty_\max} = 1{,}5 \cdot U_{pha_\max} = 1{,}5 \cdot 220\sqrt{2} = 466{,}7\text{ (V)}$$
$$U_{thyristor} = 2 \cdot 466{,}7 = 933{,}4\text{ (V)}$$
Dựa trên các chỉ tiêu tính toán, van thyristor được lựa chọn là loại T10-12 do Nga chế tạo với các thông số kỹ thuật định mức:
| Tham số kỹ thuật |
Ký hiệu |
Trị số định mức |
Đơn vị |
| Dòng điện trung bình tối đa cho phép |
$I_{tb}$ |
12 |
A |
| Biên độ dòng điện đỉnh dạng sin qua van |
$I_{dinh}$ |
200 |
A |
| Dòng điện rò cực đại |
$I_r$ |
3 |
mA |
| Điện áp ngược cho phép cực đại |
$U_{ng}$ |
100 - 1200 |
V |
| Tốc độ tăng điện áp thuận lớn nhất |
$dU/dt$ |
50 - 1000 |
$\text{V}/\mu\text{s}$ |
| Thời gian phục hồi tính chất khóa |
$t_{off}$ |
150 - 70 |
$\mu\text{s}$ |
| Tốc độ tăng dòng cực đại cho phép |
$dI/dt$ |
40 - 200 |
$\text{A}/\mu\text{s}$ |
| Sụt áp thuận trên van ở dòng định mức |
$\Delta U$ |
1{,}85 |
V |
| Điện áp điều khiển mở van nhỏ nhất |
$U_G$ |
3 |
V |
| Dòng điều khiển mở van nhỏ nhất |
$I_G$ |
75 |
mA |
Hệ thống sử dụng phương pháp làm mát tự nhiên bằng cánh tản nhiệt do dòng làm việc qua van ($4{,}54\text{ A}$) nằm trong ngưỡng cho phép đối với van định mức $12\text{ A}$ (dưới 25% dòng định mức).
Tính chọn phần tử bảo vệ van mạch lực
Để bảo vệ thyristor chống lại các biến thiên đột ngột về dòng và áp, mạch lực được trang bị hai mạch bảo vệ chuyên dụng:
- Bảo vệ quá dòng và hạn chế tốc độ tăng dòng ($dI/dt$): Mắc cuộn cảm bảo vệ $L_a$ nối tiếp với van trên từng pha. Với điện áp lưới dao động $+10%$ ($U_{d_\max} = 342{,}24\text{V}$) và tham số chịu đựng của van $dI/dt = 40\text{ A}/\mu\text{s}$, cuộn cảm được tính chọn có giá trị:
$$L_a = 10\ \mu\text{H}$$
- Bảo vệ quá điện áp và hạn chế tốc độ tăng áp ($dU/dt$): Mắc mạch lọc RC song song với từng cặp van. Các giá trị chuẩn được chọn theo kinh nghiệm phù hợp với dòng van nhỏ:
$$R = 68\ \Omega, \quad C = 0{,}1\ \mu\text{F}$$
Thiết kế các khâu trong mạch điều khiển
Mạch điều khiển hoạt động theo nguyên tắc điều khiển dọc, bao gồm các khâu với thông số phần tử được thiết kế như sau:
| Khâu chức năng |
Linh kiện chủ đạo |
Thông số tính chọn |
Nguyên lý hoạt động |
| Khâu đồng pha |
Máy biến áp đồng pha, OA1, Điện trở $R_1$ |
$K_{ba} = 30$, $R_1 = 15\text{ k}\Omega$ |
Hạ áp từ lưới $380\text{V}$, hạn chế dòng vào OA1 ($I_v < 1\text{ mA}$), tạo điện áp sin đồng bộ pha lưới. |
| Khâu tạo điện áp răng cưa |
Khuếch đại thuật toán tích phân OA2, Diode zener $D_{z1}$, Tụ $C_1$, Điện trở $R$ |
$U_{Dz1} = 20\text{ V}$, $C_1 = 4{,}7\text{ nF}$, $R = 3{,}3\text{ k}\Omega$ |
Biến đổi xung chữ nhật đối xứng sang điện áp tựa răng cưa tuyến tính trong nửa chu kỳ lưới. |
| Khâu so sánh |
Bộ so sánh điện áp hai cửa OA |
$U_{vao} = \pm 18\text{ V}$ |
So sánh điện áp tựa $U_{tua}$ với điện áp điều khiển $U_{dk}$ để xác định góc mở $\alpha$. |
| Khâu tạo dao động xung |
3 cổng logic NOT, Điện trở $R$, Tụ $C$ |
$f = 10\text{ kHz}$, $T = 100\ \mu\text{s}$, $R = 1\text{ k}\Omega$, $C = 0{,}1\ \mu\text{F}$ |
Tạo chuỗi xung dao động tần số cao phục vụ ghép chùm xung. |
| Khâu tạo xung chùm |
Cổng logic AND |
Độ rộng xung chùm: $(180^\circ - \alpha)$ |
Kết hợp tín hiệu từ khâu so sánh và bộ dao động cao tần nhằm tạo chùm xung kích mở van. |
| Khâu khuếch đại và biến áp xung |
Transistor BD135 ($T_1$), BC107 ($T_2$), Biến áp xung (BAX) lõi ferit 1408 |
Tỉ số biến áp $k = 2$, $w_1 = 60$ vòng, $w_2 = 30$ vòng, $E_c = 15\text{ V}$, $R_2 = 12\ \Omega$, $C = 1\ \mu\text{F}$, $R_3 = R_4 = 15\text{ k}\Omega$ |
Khuếch đại công suất tín hiệu điều khiển, cung cấp $U_2 = 3\text{ V}$, $I_2 = 75\text{ mA}$ và cách ly quang/điện giữa mạch điều khiển và mạch lực. |
| Khâu điện áp điều khiển |
Cặp nhiệt điện kết hợp mạch khuếch đại đo lường |
Tín hiệu cảm biến: $2{,}56 - 3{,}2\text{ mV}$, sau khuếch đại: $U_{dk} = 2{,}56 - 3{,}2\text{ V}$ |
Tương ứng dải nhiệt độ $400^\circ\text{C} - 500^\circ\text{C}$, dải góc điều khiển thiết lập là $\alpha = 80^\circ - 102^\circ$. |
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 lý thuyết về kỹ thuật lò điện và các giải pháp điều chỉnh điện áp xoay chiều ba pha:
- Định nghĩa, ưu nhược điểm và phạm vi ứng dụng của lò điện trở trong công nghiệp và dân dụng.
- Cấu tạo chi tiết ba phần của lò điện trở: vỏ lò (kết cấu thép tấm chịu lực từ $3\text{ mm}$ đến $20\text{ mm}$ tùy đường kính buồng nung), lớp lót cách nhiệt và dây nung (hợp kim hoặc phi kim).
- Lý thuyết về bộ điều áp xoay chiều và cấu kiện van thyristor: phân tích đặc tính Volt-Ampere, các điều kiện mở, khóa van, giới hạn tốc độ biến thiên $dU/dt$ và $dI/dt$.
- So sánh ba sơ đồ điều áp ba pha kinh điển:
- Sơ đồ đấu sao có trung tính: van chịu điện áp pha thấp nhưng dây trung tính xuất hiện sóng hài bậc cao và dòng tải gián đoạn khi $\alpha > 0$.
- Sơ đồ tải đấu tam giác: đòi hỏi phát xung đồng thời cho hai van ở hai pha khác nhau, dễ mất ổn định khi đảo thứ tự pha.
- Sơ đồ đấu sao không trung tính: van chịu điện áp dây lớn hơn nhưng sơ đồ hoạt động linh hoạt, dễ điều khiển, triệt tiêu được dòng thứ tự không, phù hợp với phụ tải đối xứng của lò điện.
- Phân tích toán học dạng sóng điện áp ra tải của bộ điều áp ba pha 6 thyristor đấu song song ngược tải thuần trở theo ba vùng góc mở $\alpha$:
- Vùng $0 < \alpha < 60^\circ$: Tồn tại xen kẽ trạng thái 3 van dẫn ($U_{tai} = U_{pha}$) và 2 van dẫn ($U_{tai} = 1/2 U_{day}$).
- Vùng $60^\circ < \alpha < 90^\circ$: Chỉ có trạng thái 2 van dẫn đồng thời, van trong cùng nhóm thay nhau dẫn, góc dẫn của mỗi van là $\lambda = 120^\circ$.
- Vùng $90^\circ < \alpha < 150^\circ$: Tồn tại xen kẽ giữa khoảng 2 van dẫn và khoảng không có van nào dẫn ($U_{tai} = 0$), van dẫn gián đoạn thành hai giai đoạn trong một chu kỳ.
Chương 2: Tính toán thiết kế mạch lực
Nội dung Chương 2 tập trung giải quyết bài toán định lượng cho hệ thống mạch lực:
- Thiết lập các phương trình dòng áp: Dòng điện tải $I = 10{,}1\text{ A}$, điện trở mỗi pha tải $R = 21{,}78\ \Omega$.
- Xác định chỉ tiêu chọn van bán dẫn: Dòng điện định mức van $I_{tb_van} = 4{,}54\text{ A}$, điện áp ngược cực đại tính toán có dự trữ $U_{thyristor} = 933{,}4\text{ V}$.
- Tra cứu và chọn lựa van thyristor loại T10-12 của Nga ($I_{tb} = 12\text{ A}$, $U_{ng} = 1200\text{ V}$), lựa chọn phương thức làm mát tự nhiên bằng cánh tản nhiệt.
- Tính toán phần tử bảo vệ van: Xác định cuộn cảm bảo vệ tốc độ tăng dòng $L_a \ge 10\ \mu\text{H}$ dựa trên ngưỡng an toàn $dI/dt = 40\text{ A}/\mu\text{s}$ ở điện áp làm việc cực đại $342{,}24\text{V}$; tính chọn mạch RC bảo vệ quá điện áp với điện trở $R = 68\ \Omega$ và tụ điện $C = 0{,}1\ \mu\text{F}$.
Chương 3: Tính toán và thiết kế mạch điều khiển
Chương 3 xây dựng hệ thống phát xung điều khiển tương tự theo nguyên tắc điều khiển dọc:
- Xác định yêu cầu kỹ thuật của hệ điều khiển: phát xung đúng góc $\alpha$ và thứ tự pha; độ lệch góc mở giữa các van không vượt quá $1^\circ - 3^\circ$; thời gian tác động dưới $1\text{ ms}$; khả năng chống nhiễu công nghiệp tốt.
- Thiết kế chi tiết từng mắt xích chức năng:
- Khâu đồng pha: biến áp hạ áp $K_{ba} = 30$, điện trở giới hạn $R_1 = 15\text{ k}\Omega$.
- Khâu tạo điện áp tựa răng cưa: sử dụng OA2 tích phân, ổn áp zener $20\text{V}$, tụ nạp $C_1 = 4{,}7\text{ nF}$, điện trở $R = 3{,}3\text{ k}\Omega$.
- Khâu so sánh: sử dụng mạch so sánh hai cửa trên nền OA.
- Khâu tạo dao động và xung chùm: ứng dụng 3 cổng logic NOT tạo dao động tần số $10\text{ kHz}$ ($R = 1\text{ k}\Omega$, $C = 0{,}1\ \mu\text{F}$); phối hợp qua cổng AND để tạo chùm xung có độ rộng $(180^\circ - \alpha)$.
- Khâu khuếch đại xung và biến áp xung: thiết kế mạch đệm transistor BD135 ($R_2 = 12\ \Omega$, tụ $C = 1\ \mu\text{F}$) và BC107 ($R_3 = R_4 = 15\text{ k}\Omega$); tính toán biến áp xung trên lõi ferit 1408 ($S_{fe} = 0{,}251\text{ cm}^2$, cuộn sơ cấp $w_1 = 60$ vòng, thứ cấp $w_2 = 30$ vòng, hệ số biến áp $k = 2$).
- Khâu tạo điện áp điều khiển: chuyển đổi tín hiệu cặp nhiệt điện đo dải nhiệt $400^\circ\text{C} - 500^\circ\text{C}$ ($2{,}56\text{ mV} - 3{,}2\text{ mV}$) thành điện áp điều khiển $U_{dk} = 2{,}56\text{ V} - 3{,}2\text{ V}$, tương ứng với dải góc mở $\alpha = 80^\circ - 102^\circ$.
Chương 4: Mô phỏng kiểm chứng
Chương 4 thực hiện mô phỏng toàn bộ sơ đồ nguyên lý mạch lực và mạch điều khiển trên phần mềm PSIM:
- Xây dựng sơ đồ nguyên lý tích hợp mạch lực ba pha tải sao không trung tính và khối điều khiển phát xung chùm 6 kênh.
- Thực hiện kiểm chứng dạng sóng tại ba điểm làm việc của điện áp điều khiển:
- Trường hợp 1: $U_{dk} = 1{,}43\text{ V}$ tương ứng với góc điều khiển $\alpha \approx 45^\circ$.
- Trường hợp 2: $U_{dk} = 2{,}22\text{ V}$ tương ứng với góc điều khiển $\alpha = 70^\circ$.
- Trường hợp 3: $U_{dk} = 3{,}2\text{ V}$ tương ứng với góc điều khiển $\alpha = 102^\circ$.
- Thu thập và phân tích đồ thị điện áp, dòng điện ra tải ba pha; đánh giá tính đối xứng của hệ thống và sự trùng khớp về dạng sóng so với lý thuyết.
Kết quả và đóng góp
Kết quả tính toán và mô phỏng thực nghiệm trên PSIM
Hệ thống mô phỏng PSIM cung cấp các số liệu đo kiểm chính xác về giá trị hiệu dụng của điện áp và dòng điện trên tải điện trở tại các góc kích khác nhau:
| Điện áp điều khiển $U_{dk}$ |
Góc mở tương ứng $\alpha$ |
Điện áp hiệu dụng trên tải $U_{hd}$ |
Dòng điện hiệu dụng qua tải $I_{hd}$ |
Nhận xét trạng thái dẫn |
| $1{,}43\text{ V}$ |
$\approx 45^\circ$ |
$204{,}68\text{ V}$ |
$9\text{ A}$ |
Xen kẽ trạng thái 3 van dẫn và 2 van dẫn, điện áp ra tải đạt mức cao. |
| $2{,}22\text{ V}$ |
$70^\circ$ |
$171{,}15\text{ V}$ |
$7\text{ A}$ |
Luôn duy trì chế độ 2 van dẫn đồng thời, điện áp pha tải cực đại bằng nửa điện áp dây. |
| $3{,}20\text{ V}$ |
$102^\circ$ |
$105{,}08\text{ V}$ |
$4\text{ A}$ |
Chế độ dẫn gián đoạn xen kẽ khoảng nghỉ, điện áp và dòng điện tải giảm sâu. |
Đóng góp kỹ thuật của đồ án
Các giải pháp kỹ thuật cụ thể được tác giả đề xuất và hoàn thiện trong đồ án bao gồm:
- Xác lập quy trình thiết kế đồng bộ từ khâu tính toán mạch lực đến mạch điều khiển tương tự cho bộ điều áp xoay chiều ba pha dùng van thyristor.
- Ứng dụng giải pháp điều khiển dạng xung chùm cao tần ($10\text{ kHz}$) kết hợp biến áp xung cách ly, giúp đảm bảo thyristor được kích mở chắc chắn ngay cả khi phụ tải thuần trở có sự chuyển đổi liên tục giữa các trạng thái dẫn của các pha.
- Thiết kế hoàn chỉnh mạch bảo vệ van kép ($L_a = 10\ \mu\text{H}$ nối tiếp chống quá dòng/quá tốc độ tăng dòng và mạch RC snubber $68\ \Omega - 0{,}1\ \mu\text{F}$ song song chống quá điện áp).
- Kiểm chứng thành công mối quan hệ tuyến tính giữa điện áp điều khiển $U_{dk}$ và góc mở $\alpha$, đảm bảo khả năng điều chỉnh dải công suất cấp nhiệt tương ứng nhiệt độ yêu cầu từ $400^\circ\text{C}$ đến $500^\circ\text{C}$.
Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp
Về mặt hạn chế, đồ án tồn tại các điểm giới hạn do chính tác giả nêu rõ:
- Đồ án chưa triển khai thi công và đo kiểm trên mô hình phần cứng thực tế do hạn chế về mặt thời gian và điều kiện thực nghiệm; các kết quả mới dừng lại ở mức độ mô phỏng số.
- Một số kết quả dạng sóng thu được trên phần mềm PSIM chỉ mang tính tương đối so với tính toán lý thuyết giải tích.
- Cấu trúc điều khiển hiện tại vận hành theo hệ hở ($U_{dk} = U_x$), chưa có mạch vòng phản hồi nhiệt độ khép kín để tự động bù sai lệch nhiệt độ khi lưới điện hoặc môi trường dao động.
Hướng nghiên cứu phát triển tiếp theo được xác định:
- Chế tạo mô hình phần cứng thực nghiệm hoàn chỉnh để đối chiếu dạng sóng thực tế với kết quả mô phỏng PSIM.
- Thiết kế bổ sung mạch vòng điều khiển kín phản hồi nhiệt độ bằng cách đưa tín hiệu khuếch đại từ cặp nhiệt điện qua bộ điều khiển (PID hoặc vi điều khiển) để tự động điều chỉnh $U_{dk}$, ổn định nhiệt độ buồng nung.
Giá trị tham khảo
Đồ án là tài liệu tham khảo kỹ thuật cho sinh viên thuộc các chuyên ngành Điều khiển và Tự động hóa, Kỹ thuật điện, Điện tử công suất khi làm đồ án môn học hoặc khóa luận tốt nghiệp về thiết kế bộ biến đổi bán dẫn.
Các nội dung có giá trị tham khảo ứng dụng cao bao gồm:
- Phương pháp tính chọn van thyristor công nghiệp và các công thức tính toán cuộn cảm hạn chế $dI/dt$, mạch RC snubber hạn chế $dU/dt$.
- Sơ đồ nguyên lý chi tiết của mạch điều khiển tương tự: mạch tích phân tạo điện áp răng cưa dùng khuếch đại thuật toán kết hợp diode zener, mạch tạo dao động xung chùm dùng IC logic NOT/AND và mạch ghép tầng biến áp xung dùng transistor BD135/BC107.
- Mô hình mô phỏng kiểm chứng trên phần mềm PSIM làm mẫu đối chứng cho các nghiên cứu mô phỏng mạch điện tử công suất ba pha.
Câu hỏi thường gặp
1. Tại sao đồ án lựa chọn sơ đồ điều áp ba pha sử dụng 6 thyristor đấu song song ngược tải nối sao không có dây trung tính?
Tác giả lựa chọn sơ đồ này vì so với sơ đồ có dây trung tính, sơ đồ không trung tính triệt tiêu được thành phần sóng hài bậc ba và dòng điện chạy trong dây trung tính, tránh hiện tượng dòng tải bị gián đoạn khi góc mở $\alpha > 0$. So với sơ đồ tải đấu tam giác, sơ đồ này điều khiển linh hoạt hơn, không gặp trở ngại phức tạp khi cấp xung kép đồng thời giữa hai pha và không bị phụ thuộc nghiêm ngặt vào thứ tự pha nguồn cấp.
2. Cuộn cảm bảo vệ $L_a$ và mạch $RC$ trong mạch lực được tính chọn với thông số bao nhiêu và nhằm mục đích gì?
Cuộn cảm $L_a$ được mắc nối tiếp với van có giá trị chọn là $10\ \mu\text{H}$, nhằm hạn chế tốc độ tăng dòng $dI/dt$ không vượt quá ngưỡng cho phép ($40\text{ A}/\mu\text{s}$) khi van bắt đầu mở vào phụ tải thuần trở. Mạch $RC$ gồm điện trở $R = 68\ \Omega$ và tụ điện $C = 0{,}1\ \mu\text{F}$ được mắc song song với từng cặp van nhằm dập tắt các xung quá điện áp đột biến và hạn chế tốc độ tăng áp $dU/dt$ trên thyristor.
3. Mạch điều khiển tạo xung kích mở van thyristor bằng phương pháp nào?
Mạch điều khiển sử dụng phương pháp tạo xung chùm tần số cao ($10\text{ kHz}$) thay vì dùng xung đơn. Xung chùm được tạo ra bằng cách phối hợp tín hiệu từ bộ dao động RC dùng 3 cổng logic NOT với tín hiệu đầu ra của khâu so sánh qua cổng logic AND, sau đó đưa qua mạch khuếch đại đệm transistor BD135/BC107 và biến áp xung (tỉ số $k = 2$, lõi ferit 1408) để cấp dòng điều khiển $75\text{ mA}$ mở van. Dạng xung chùm đảm bảo mở chắc chắn thyristor khi làm việc với tải trở ba pha.
4. Dải điện áp điều khiển $U_{dk}$ được tính toán tương ứng với dải góc mở $\alpha$ như thế nào theo yêu cầu nhiệt độ của lò?
Nhiệt độ lò yêu cầu từ $400^\circ\text{C}$ đến $500^\circ\text{C}$. Cảm biến cặp nhiệt điện phát ra điện áp tương ứng $2{,}56\text{ mV}$ đến $3{,}2\text{ mV}$ (độ phân giải $0{,}64\text{ mV}/100^\circ\text{C}$). Sau khi qua mạch khuếch đại, điện áp điều khiển đạt $U_{dk} = 2{,}56\text{ V} - 3{,}2\text{ V}$. Do điện áp răng cưa tuyến tính trong phạm vi góc mở từ $0^\circ$ đến $180^\circ$, dải điện áp điều khiển này tương ứng với dải góc mở thyristor $\alpha = 80^\circ - 102^\circ$.
5. Kết quả mô phỏng trên phần mềm PSIM ở các mức điện áp điều khiển cho thấy quy luật biến thiên ra sao?
Kết quả mô phỏng cho thấy khi điện áp điều khiển $U_{dk}$ tăng từ $1{,}43\text{ V}$ lên $2{,}22\text{ V}$ và $3{,}2\text{ V}$, góc mở $\alpha$ tăng dần từ khoảng $45^\circ$ lên $70^\circ$ và $102^\circ$. Tương ứng với đó, điện áp hiệu dụng trên tải giảm dần từ $204{,}68\text{ V}$ xuống $171{,}15\text{ V}$ và $105{,}08\text{ V}$; dòng điện hiệu dụng pha tải giảm từ $9\text{ A}$ xuống $7\text{ A}$ và $4\text{ A}$. Dạng sóng điện áp tải duy trì tính đối xứng ba pha trong toàn bộ các chế độ làm việc.
Kết luận
Đồ án môn học Điện tử công suất của nhóm sinh viên Trường Đại học Điện lực đã giải quyết bài toán thiết kế bộ điều áp xoay chiều ba pha công suất $8\text{ kW}$ dùng van thyristor cấp nguồn cho phụ tải lò điện trở thuần trở. Nghiên cứu đã hoàn thành toàn bộ khối lượng tính toán giải tích mạch lực, thiết kế hệ thống bảo vệ van, xây dựng mạch điều khiển tương tự nguyên tắc điều khiển dọc và kiểm chứng độ tin cậy thông qua mô phỏng trên phần mềm PSIM. Mặc dù còn hạn chế do chưa chế tạo phần cứng thực nghiệm và chưa khép kín mạch vòng điều khiển nhiệt độ, tài liệu cung cấp cơ sở kỹ thuật rõ ràng, có giá trị ứng dụng và tham khảo tốt cho chuyên ngành Tự động hóa và Điện tử công suất.
