Thiết kế bộ nghịch lưu cộng hưởng dùng cho lò nấu thép trung tần công suất 20kw

HäC VIÖN Kü THUËT QU¢N Sù khoa kü thuËt ®iÒu khiÓn -----***----- b¸o c¸o ®å ¸n m«n häc §Ò tµi: ThiÕt kÕ bé nghÞch l−u céng h−ëng dïng cho lß nÊu thÐp trung tÇn c«ng suÊt 20kw Gi¸o viªn h−íng dÉn : TS. §¹i t¸ NguyÔn V¨n ThuÊn Sinh viªn thùc hiÖn : NguyÔn §øc TuÊn Líp : §KT§3 Hµ Néi 2007 1 Ch−¬ng I: Lß c¶m øng 1.1. Kh¸i niÖm chung vÒ lß c¶m øng Nguyªn lý lµm viÖc cña lß c¶m øng dùa vµo hiÖn t−îng c¶m øng ®iÖn tõ, khi ®−a mét khèi kim lo¹i vµo trong mét tõ tr−êng biÕ thiªn, trong khèi kim lo¹i xuÊt hiÖn mét tõ tr−êng xo¸y (Foucault), nhiÖt t¨ng do dßng ®iÖn xo¸y ®èt nãng khèi kim lo¹i. NhiÖt n¨ng truyÒn vµo khèi kim lo¹i phô thuéc vµo c¸c yÕu tè sau: -§iÖn trë suÊt ρ vµ hÖ sè tõ thÈm μ cña kim lo¹i -TrÞ sè dßng ®iÖn cña nguån cÊp. NÕu t¨ng trÞ sè dßng ®iÖn lªn hai lÇn th× nhiÖt n¨ng t¨ng lªn bèn lÇn. -TÇn sè dßng ®iÖn cña nguån cÊp. NÕu t¨ng tÇn sè lªn bèn lÇn th× nhiÖt n¨ng sÏ t¨ng lªn hai lÇn. Tõ ®ã ta nhËn thÊy r»ng: t¨ng dßng ®iÖn cña nguån cÊp hiÖu qu¶ h¬n tÇn sè cña nguån cÊp nh−ng thùc tÕ trÞ sè dßng kh«ng thÓ t¨ng lªn ®−îcqu¸ lín v× lý do c¸ch ®iÖn, trÞ sè dßng lín lµm nãng ch¶y vßng c¶m øng (mÆc dÇu ®· ®−îc lµm m¸t b»ng dßng n−íc liªn tôc) cho nªn thùc tÕ ng−êi ta t¨ng tÇn sè cña nguån cÊp C¸cbé nguån tÇn sè cao: C¸c bé nguån tÇn sè cao cã thÓ t¹o ra b»ng c¸c ph−¬ng ph¸p sau: -Dïng m¸y ph¸t ®iÖn ®Æc biÖt tÇn sè cao do kÕt cÊu c¬ khÝ nªn tÇn sè cña m¸y ph¸t kh«ng v−ît qu¸ 2000Hz. -Bé biÕn tÇn dïng thyristor do c«ng nghÖ chÕ t¹o linh kiÖn b¸n dÉn ch−a chÕ t¹o ®−îc lo¹i thyristor tÇn sè cao nªn tÇn sè chØ giíi h¹n tíi 2000Hz. -Bé biÕn tÇn dïng ®Ìn ph¸t ®iÖn tö, tÇn sè cao tíi 400kHz b»ng c¸ch dïng ®Ìn ®iÖn tö ba cùc nh−ng hiÖu suÊt cña bé nguån kh«ng cao, tuæi thä cña ®Ìn thÊp. Ph¹m vi øng dông cña thiÕt bÞ gia nhiÖt tÇn sè: -NÊu ch¶y kim lo¹i trong m«i tr−êng kh«ng khÝ (lß kiÓu hë) trong m«i tr−êng ch©n kh«ng hoÆc khÝ tr¬ (lß kiÓu kÝn). -Thùc hiÖn c¸c chuyªn c«ng nhiÖt luyÖn nh− t«i, ram; ®Æc biÖt øng dông ®Ó t«i bÒ mÆt c¸c chi tiÕt nh− b¸nh r¨ng, cæ trôc khuûu cña ®éng c¬ ®iªzen khi yªu 2 Tôi chi tiết bằng dòng cao tần 1. Chi tiết cần tôi 2. Vòng cảm ứng cÇu ®é cøng bÒ ngoµi cao. H×nh d¸ng chi tiÕt cÇn t«i cã thÓ cã h×nh d¸ng bÊt kú. 1.2. S¬ ®å lß c¶m øng 1.2.1. Lò cảm ứng trung tần dùng máy phát điện cao tần H×nh: Lß trung tÇn cÊp nguån tõ m¸y ph¸t cao tÇn Hai lß c¶m øng trung tÇn lß 1 vµ lß 2 ®−îc cÊp nguån tõ cïng mét m¸y ph¸t cao tÇn F. M¸y ph¸t cao tÇn ®−îc ®ång c¬ kh«ng ®ång s¬ cÊp § kÐo; c¸c tô C1 vµ C2 bï c«ng suÊt v« c«ng nh»m n©ng cao hÖ sè c«ng suÊt (cosϕ). BiÕn ¸ ®o l−êng TU (biÕn ®æi ®iÖn ¸p), biÕn dßng (TI) cÊp nguån cho c¸c ®ång hå ®o: V«n kÕ (V), ampe kÕ (A), wat kÕ (W) vµ c«ng t¬ v« c«ng (VAr). §èi víi tÇn sè (150-500) Hz th−êng dïng m¸y ph¸t ®ång bé th«ng th−êng cùc låi, cuén d©y kÝch tõ quÊn trªn r«to cña m¸y ph¸t. Đối với tần số (150 ÷ 500) Hz thường dùng máy phát đồng bộ 3 thông thường cực lồi, cuộn dây kích từ quấn trên rôto của máy phát. Đối với tần số (1000 ÷ 8000)Hz dùng loại máy phát kiểu cảm ứng, cuộn dây kích thích và cuộn dây làm việc quấn trên stato của máy phát, còn roto có dạng bánh răng. Kết quả từ thông do cuộn kích thích sinh ra là từ thông đập mạch, cảm ứng ra trong cuộn dây làm việc dòng điện tần số cao. 1.2.2. Lò cảm ứng trung tần dùng bộ biến tần Sợ đồ khối chức năng được thể hiện trên hình dưới Trong sơ đồ khối chức năng của lò cảm ứng trung tần dùng bộ biến tần gồm có các khâu chính sau: - Mạch lực gồm có các khâu: * CL - Bộ chỉnh lưu có điều khiển dùng thyristor biến đổi điện áp xoay chiều của lưới điện thành điện áp một chiều. * NL - Khâu nghịch lưu cộng hưởng biến điện áp một chiều thành điện áp xoay chiều cung cấp cho vòng cảm ứng của lò. * CKL - Khâu lọc điện áp một chiều dùng cuộn kháng lọc với trị số điện cảm (L) khá lớn (vì bộ nguồn cung cấp cho bộ nghịch lưu là bộ nguồn dòng). * Lò trung tần: có vòng cảm ứng quấn xung quanh nồi lò và một bộ tụ điện. Hình: Sơ đồ khối chức năng của lò cảm ứng dùng bộ biến tần 4 - Mạch điều khiển gồm có các khâu: * KNg - khâu nguồn một chiều cung cấp cho tất cả các khâu trong mạch điều khiển. * KĐCS- khâu điều chỉnh công suất tiêu thụ của lò cảm ứng. * KĐK-2 - khâu điều khiển bộ chỉnh lưu * KĐK-1 - khâu điều khiển bộ nghịch lưu. * KĐK-3 - khâu điều khiển công nghệ dùng rơle - công tắc tơ… đo lường và bảo vệ. Sơ đồ nguyên lý lò trung tần nấu thép: Hiện nay nước ta nhập rất nhiều lò trung tần nấu thép từ các nước khác nhau, thường có các thông số công nghệ như sau: - Dung tích mỗi mẻ nấu từ 50kg đến 2000kg. - Công suất tiêu thụ định mức của lò từ 100kW đến 1200kW. - Tần số làm việc: f = 1000Hz. Nhìn chung dù nguồn gốc sản xuất khác nhau, nhưng về cấu tạo, nguyên lý hoạt động sơ đồ khối chức năng về cơ bản giống nhau. Sơ đồ nguyên lý mạch lực lò trung tần nấu thép KGPS -250 được trình bày ở hình dưới. Trong mạch lực của lò cảm ứng trung tần nấu thép gồm các phần tử chính sau: * CK- cuộn kháng xoay chiều lõi không khí với chức năng hạn chế dòng ngắn mạch và hạn chế tốc độ tăng dòng anot để bảo vệ các thyristor 1T ÷ 6T. 5 * 1T ÷ 6T- cầu chỉnh lưu ba pha điều khiển hoàn toàn, điện áp ra của cầu chỉnh lưu (UA) có thể thay đổi từ 0 đến 500V. UA = 2,34U.cosα Trong đó U - điện áp pha của nguồn cấp (lưới điện) α - góc mở của các thyristor * CKSB - cuộn lọc dòng điện một chiều. * 1TC ÷ 4TC, bộ nghịch lưu cộng hưởng dùng thyristor tần số cao, nối theo sơ đồ cầu 1 pha, điện áp ra trên tải có dạng gần hình sin. * Phụ tải của bộ nghịch lưu cộng hưởng là cuộn cảm ứng L của lò, là tải cảm nên hệ số công suất rất thấp (cosφ = 0,1 ÷ 0,5). Tụ C nối song song với vòng cảm ứng để tạo thành mạch vòng cảm ứng để tạo thành mạch vòng dao động và nâng cao hệ số công suất cosφ của lò. Điên cảm đầu vào LCKSB có gía trị lớn. Nguồn cấp cho bộ nghịch lưu cộng hưởng có thế là nguồn dòng. Điện áp ra (cấp cho vòng cảm ứng của lò) có dạng gần sin, còn dòng nghịch lưu có dạng chữ nhật như trên hình. * Các phần tử còn lại: TI1 ÷ TI3 lấy tín hiệu tỷ lệ với dòng điện tiêu thụ của lò để bảo vệ quá tải. Biến áp BA gia công tín hiệu để đo lường (đo tần số, đo điện áp xoay chiều trên tải) và điều khiển bộ nghịch lưu cộng hưởng. * Khởi động bộ nghịch lưu gồm các phần tử cầu chỉnh lưu CL, tụ hoá CM, Hình: Sơ đồ nguyên lý mạch lực lò trung tần KGPS - 250 6 thyristor khởi động TM và công tắc tơ khởi động KC. Như đã biết, bộ nghịch lưu cộng hưởng nguồn dòng chỉ làm việc trong chế độ mạch tải là mạch dao động, như vậy vấn đề đầu tiên là cần tạo ra ít nhất một chu kỳ dao động trên tải sau đó là điều khiển các thyristor 1TC ÷ 4TC để dao động trên tải tiếp tục được duy trì. Để cung cấp năng lượng cho tải thì nguồn vào phải làm việc ở chế độ nguồn dòng, như vậy lúc ban đầu phải tạo ra nguồn dòng xác lập. Nguyên lý làm việc của mạch khởi đông như sau: khi bắt đầu khởi động, tiếp điểm KC đóng nối mạch chỉnh lưu cầu CL nạp cho tụ điện CM, đồng thời nối điện trở R vào mạch tải cho cầu chỉnh lưu 1T ÷ 6T để tạo ra dòng Id qua cuộn kháng san bằng. Sau một khoảng thời gian xung điều khiển đưa đến mở thyristor TM, tụ CM phóng qua mạch tải L-C tạo nên dao động tắt dần trên tải (khoảng từ một đến hai chu kỳ) sau ½ chu kỳ dao động TM sẽ tự ngắt ra. Hệ thống điều khiển các thyristor chính (1TC ÷ 4TC) sẽ hoạt động để duy trì điện áp trên tải. Đồ thị điện áp, dòng điện tại các điểm đo của lò cảm ứng trung tần 7 Ch−¬ng 2: Bé nghÞch l−u ®iÒu khiÓn 2.1. Nh÷ng vÊn ®Ò chung vÒ nghÞch l−u ThiÕt bÞ biÕn ®æi ®iÖn ¸p mét chiÒu thµnh ®iÖn ¸p xoay chiÒu kh«ng phô thuéc vµo sù tån t¹i cña l−íi ®iÖn xoay chiÒu ®−îc gäi lµ nghÞch l−u ®éc lËp. Nguyªn lý chung cña nghÞch l−u ®éc lËp lµ dïng c¸c chuyÓn m¹ch b¸n dÉn ®Ó ®æi chiÒu cÊp ®iÖn ¸p cho t¶i xoay chiÒu tõ nguån ®iÖn ¸p mét chiÒu. Nguån ®iÖn ¸p mét chiÒu cã thÓ kh«ng æn ®Þnh, c¸c gi¸ trÞ ®iÖn ¸p vµ tÇn sè trong nhiÒu tr−êng hîp cã thÓ thay ®æi ®−îc. ë ®©y ta gi¶ thiÕt lµ sö dông nguån ®iÖn ¸p mét chiÒu lÊy tõ thiÕt bÞ chØnh l−u. §iÖn ¸p ra mong muèn cña nghÞch l−u cã d¹ng sin. Tuy nhiªn c¸c nghÞch l−u thùc tÕ th−êng cho ®iÖn ¸p ra kh«ng sin, ngoµi thµnh phÇn c¬ b¶n ra ®iÖn ¸p nµy cßn chøa c¸c hµi bËc cao. TÝnh chÊt sin cña ®iÖn ¸p ra ®−îc thÓ hiÖn ë hµm l−îng vµ gi¸ trÞ cña c¸c hµi bËc cao, ®iÖn ¸p sin lý t−ëng chØ chøa hµi c¬ b¶n. TÝnh chÊt sin cã thÓ kh«ng quan träng ®èi víi c«ng suÊt nhá, nh−ng rÊt cã ý nghÜa ®èi víi c«ng suÊt lín. Tæn hao vµ hÖ sè c«ng suÊt cña nghÞch l−u phô thuéc m¹nh vµo gi¸ trÞ vµ hµm l−îng hµi bËc cao, tøc lµ phô thuéc m¹nh vµo tÝnh chÊt sin cña ®iÖn ¸p ra xoay chiÒu. §èi víi c«ng suÊt lín c¸c ®¹i l−îng nµy (tæn hao vµ hÖ sè c«ng suÊt) ¶nh h−ëng ®¸ng kÓ ®Õn hiÖu suÊt vµ gi¸ thµnh bé biÕn ®æi. TÝnh chÊt sin ®−îc n©ng cao hay gi¸ trÞ vµ hµm l−îng c¸c hµi bËc cao cña ®iÖn ¸p ra cã thÓ ®−îc gi¶m thiÓu nhê c¸c kü thuËt chuyÓn m¹ch trªn c¬ së c¸c dông cô b¸n dÉn c«ng suÊt t¸c ®éng nhanh. NghÞch l−u ®éc lËp ®−îc øng dông trong nhiÒu lÜnh vùc, trong cung cÊp ®iÖn dù phßng, trong cung cÊp ®iÖn liªn tôc, trong gia c«ng nhiÖt c¸c kim lo¹i. Trong c¸c øng dông nµy ®iÖn ¸p vµo mét chiÒu cã thÓ ®−îc cung cÊp tõ b×nh ¾c quy, pin mÆt trêi, hoÆc tõ chØnh l−u. §iÖn ¸p ra cña c¸c nghÞch l−u cã thÓ lµ 110V/50hz (400Hz); 220V/50Hz (400Hz). §èi víi c«ng suÊt lín ®iÖn ¸p ra cã thÓ lµ 380. NghÞch l−u lµ phÇn tö c¬ b¶n nhÊt cña c¸c biÕn tÇn, lo¹i thiÕt bÞ thùc hiÖn biÕn ®æi, æn ®Þnh hoÆc ®iÒu chØnh tÇn sè. BiÕn tÇn cã chøc n¨ng biÕn ®iÖn ¸p xoay 8 chiÒu U1 tÇn sè f1 thµnh ®iÖn ¸p xoay chiÒu U2 víi tÇn sè f2, trong ®ã U2 vµ f2 kh«ng phô thuéc vµo U1 vµ f1. §iÖn ¸p vµ tÇn sè ra cña biÕn tÇn cã thÓ duy tr× æn ®Þnh, ®−îc ®iÒu chØnh ®éc lËp hoÆc ®iÒu chØnh ®ång thêi theo quy luËt ®Þnh tr−íc. C¸c biÕn tÇn ®−îc sö dông nhiÒu trong cung cÊp ®iÖn chÊt l−îng cao vµ trong ®iÒu khiÓn truyÒn ®éng ®iÖn m¸y ®iÖn xoay chiÒu. *Ph©n lo¹i nghÞch l−u: Theo sè pha cña ®iÖn ¸p ra nghÞch l−u ®−îc chia thµnh mét pha hoÆc ba pha. Mçi lo¹i ®Òu cã thÓ ®−îc x©y dùng trªn c¬ së c¸c van ®iÒu khiÓn hoµn toµn (tranzitor l−ìng cùc BJT, tranzitor tr−êng c«ng suÊt MOSFET, tranzitor cöa c¸ch ly IGBT, thyristor ®iÒu khiÓn hoµn toµn GTO hoÆc b¸n ®iÒu khiÓn SCR. 2.2. NghÞch l−u dßng mét pha thyrist¬ (NghÞch l−u céng h−ëng) 2.2.1. Nguyªn lý ho¹t ®éng cña nghÞch l−u: NghÞch l−u céng h−ëng cã nhiÒu d¹ng vµ ®−îc øng dông nhiÒu trong c«ng nghiÖp, phæ biÕn nhÊt lµ trong c«ng nghÖ gia nhiÖt cho kim lo¹i. Cho ®Õn nay c¸c lß trung tÇn dïng trong ®èt nãng hoÆc nÊu ch¶y kim lo¹i chñ yÕu ®−îc x©y dùng trªn c¬ së nghÞch l−u céng h−ëng thyrist¬. §· cã nh÷ng mÉu thiÕt bÞ nµy ®−îc x©y dùng trªn c¬ së c¸c tranzitor c«ng suÊt nh−ng tÝnh phæ biÕn ch−a cao. Trong lÜnh vùc gia nhiÖt cho kim lo¹i nµy tÇn sè lµm viÖc cña nghÞch l−u th−êng kh¸ cao, tõ 0,5 ®Õn vµi chôc kHz. §iÓm kh¸c c¨n b¶n cña nghÞch l−u céng h−ëng so víi c¸c lo¹i nghÞch l−u ®· nghiªn cøu lµ c¸c thyrist¬ ®−îc khãa theo nguyªn lý chuyÓn m¹ch tù nhiªn, tøc lµ hiÖn t−îng tù khãa cña thyrist¬ sau khi dßng anot cña nã tù gi¶m qua 0 trong qu¸ tr×nh lµm viÖc cña m¹ch. Trong c¸c nghÞch l−u chuyÓn m¹ch c−ìng bøc n¨ng l−îng tÝch lòy vµ tæn hao trong m¹ch vßng chuyÓn m¹ch kh«ng nhá. TÇn sè lµm viÖc cµng cao c¸c thµnh phÇn nµy cµng trë nªn ®¸ng kÓ so víi c«ng suÊt t¶i, vµ do ®ã hiÖu suÊt cµng gi¶m m¹nh. Trong c¸c nghÞch l−u céng h−ëng kh«ng tån t¹i giai ®o¹n chuyÓn m¹ch ®éc lËp, kh«ng cã m¹ch vßng chuyÓn m¹ch, tøc lµ kh«ng cã tæn hao phô, do ®ã hiÖu suÊt kh¸ cao trong d¶i rÊt réng cña tÇn sè. Nhãm nghÞch l−u nµy ®−îc gäi lµ céng h−ëng v× qu¸ tr×nh dßng - ¸p trong m¹ch x¶y ra theo tÝnh chÊt céng h−ëng. Tïy thuéc tÝnh chÊt cña m¹ch céng h−ëng 9 (nèi tiÕp hoÆc song song) chóng ta cã c¸c nghÞch l−u t−¬ng øng lµ céng h−ëng ¸p vµ céng h−ëng dßng. Trong khu«n khæ ®å ¸n m«n häc nµy ta xÐt nghÞch l−u nguån dßng. NghÞch l−u dßng lµ nghÞch l−u ®−îc cÊp n¨ng l−îng b»ng nguån dßng, nghÜa lµ trë kh¸ng cña nguån rÊt lín ®Ó dßng ®iÖn qua nghÞch l−u kh«ng g©y ¶nh h−ëng ®Õn ®iÖn ¸p trªn cùc cña nguån. Nguån mét chiÒu t¹o nªn dßng ®iÖn vµo cña bé nghÞch l−u dßng ®iÖn ra cã thÓ lµ xoay chiÒu mét pha (hoÆc ba pha). Do ®ã ®iÖn ¸p vµo phô thuéc vµo t¶i ë phÝa xoay chiÒu. T¶i cã thÓ lµ bÊt kú víi ®iÒu kiÖn kh«ng ph¶i lµ duy nhÊt tõ mét hay nhiÒu nguån dßng kh¸c. Ta gi¶ thiÕt ®iÖn ¸p t¶i lý t−ëng, tøc lµ ®iÖn ¸p h×nh sin. S¬ ®å m¹ch ®iÖn nguyªn lý cña nghÞch l−u lo¹i nµy ®−îc tr×nh bµy trong h×nh d−íi ®©y. §Ó cã nguån dßng cuén kh¸ng L0 cã ®iÖn c¶m t−¬ng ®èi lín ®−îc m¾c nèi tiÕp víi nguån ¸p U0. C¸c biÓu ®å tÝn hiÖu më c¸c thyrist¬, ®iÖn ¸p trªn tô chuyÓn m¹ch vµ dßng ®iÖn nghÞch l−u i trong h×nh gi¶i thÝch nguyªn lý lµm viÖc cña nghÞch l−u. CÆp thyrist¬ cña mçi ®−êng chÐo cÇu ®−îc më ®ång thêi b»ng mét d·y xung hÑp, d·y g1,2 cho c¸c thyrist¬ T1 vµ T2. D·y g3,4 cho c¸c thyrist¬ T3,vµ T4 vµ hai d·y xung nµy lÖch pha nhau 1800 ®iÖn theo ®iÖn ¸p ra. Trong s¬ ®å nµy dßng ®iÖn nguån I0 ®c cÊp cho tæng trë (gåm t¶i ZT nèi song song víi tô Ck) hoÆc qua cÆp thyristo T1-T2, hoÆc qua cÆp thyristor T3-T4, nhê ®ã dßng ®iÖn t¶i ®−îc ®æi 10 dÊu. NÕu c¸c cÆp thyristo ®−îc më lu©n phiªn trong nh÷ng kho¶ng thêi gian b»ng nhau th× dßng ®iÖn qua tæng trë lµ xoay chiÒu vµ cã d¹ng xung ch÷ nhËt. Khi ®ã ®iÖn ¸p trªn tæng trë, ®ång thêi lµ ®iÖn ¸p ra trªn t¶i, lµ ®¸p øng cña tæng trë ®ã ®èi víi dßng ®iÖn d¹ng ch÷ nhËt. Trong s¬ ®å nµy, mçi cÆp thyristo dÉn dßng t¶i trong mét b¸n kú, vµ më cÆp thyrist¬ nµy sÏ dÉn ®Õn khãa cÆp ®ang dÉn tr−íc ®ã. Nãi c¸ch kh¸c thyrist¬ chÝnh cña nh¸nh nµy trë thµnh phô (hay chuyÓn m¹ch) cña nh¸nh kia. V× thÕ nghÞch l−u ®−îc gäi lµ chuyÓn m¹ch trùc tiÕp. Sau ®©y chóng ta sÏ lµm s¸ng tá qu¸ tr×nh chuyÓn m¹ch cña c¸c thyrist¬. Trong chÕ ®é x¸c lËp, víi chiÒu quy −íc trong h×nh, ®iÖn ¸p trªn tô uc sÏ cã gi¸ trÞ (+Um) ë cuèi giai ®o¹n dÉn cña cÆp T1-T2, vµ ng−îc l¹i ®iÖn ¸p trªn tô uc sÏ cã gi¸ trÞ (-Um) ë cuèi giai ®o¹n dÉn cña cÆp T3-T4. TiÕp theo chóng ta xÐt qu¸ tr×nh tõ thêi ®iÓm b¾t ®Çu më cÆp thyrist¬ T1-T2 Sau khi më T1-T2 vµo thêi ®iÓm ωt=0 b¶n cùc tr¸i (®ang cã ®iÖn thÕ ©m) cña tô Ck ®ång thêi ®−îc nèi víi anèt cña T3 vµ T4, cßn b¶n cùc ph¶i (®ang cã ®iÖn thÕ d−¬ng) cña tô Ck ®ång thêi ®−îc nèi víi katèt cña T3 vµ T4. §iÖn ¸p cña tô sinh ra dßng ®iÖn ng−îc (th−êng cã gi¸ trÞ lín h¬n nhiÒu so víi dßng anèt thuËn) vµ b¬m vµ c¸c thyrist¬ T3 vµ T4 ®ang ë tr¹ng th¸i dÉn. V× thÕ dßng anèt bÞ triÖt tiªu sau kho¶ng thêi gian gi÷ chËm cña thyrist¬. Thêi gian nµy rÊt nhá, cì vµi μs, nªn cã thÓ bá qua vµ coi nh− thyrist¬ khãa tøc thêi. Sau khi cÆp T3-T4 khãa, dßng ®iÖn kh«ng ®æi I0 chuyÓn hoµn toµn sang cÆp T1-T2. Dßng ®iÖn µny ®ång thêi ch¶y qua t¶i vµ tô chuyÓn m¹ch Ck. Nh− vËy sau khi cÆp T1-T2 dÉn tô b¾t ®Çu ®−îc n¹p theo chiÒu ng−îc l¹i. Trong giai ®o¹n nµy ®iÖn ¸p uc trªn tô biÕn thiªn theo quy luËt hµm mò, b¾t ®Çu tõ -Um vµ ®¹t ®Õn +Um ë cuèi giai ®o¹n. NÕu më cÆp thyrist¬ T3-T4 vµo thêi ®iÓm ωt=π, th× qu¸ tr×nh x¶y ra t−¬ng tù nh−ng theo chiÒu ng−îc l¹i, tøc lµ dßng ®iÖn nguån I0 l¹i chuyÓn sang cÆp T3-T4. Trong giai ®o¹n nµy dßng ®iÖn t¶i tæng ®æi dÊu, tô ®−îc n¹p theo chiÒu ng−îc l¹i vµ ®iÖn ¸p uc cña nã gi¶m tõ -Um vµ ®¹t ®Õn +Um vµ còng theo quy luËt hµm mò. 11 Cuèi cïng nÕu më cÆp T1-T2 vµo thêi ®iÓm øng víi ωt=2π, tøc lµ vµo ®Çu chu kú tiÕp theo th× qu¸ tr×nh lÆp l¹i hoµn toµn theo chu kú. Trªn c¬ së nh÷ng ph©n tÝch vÒ qu¸ tr×nh lµm viÖc cña s¬ ®å ta x©y dùng ®−îc biÓu ®å dßng ®iÖn vµ ®iÖn ¸p trong h×nh. Trong kho¶ng thêi gian tcm øng víi ωtcm=β, ®iÖn ¸p uak gi÷a anèt vµ katèt cña c¸c thyrist¬ T3 vµ T4 ©m. §ã lµ thêi gian ®Ó c¸c thyrist¬ phôc håi tÝnh c¸ch ®iÖn sau khi chuyÓn sang tr¹i th¸i khãa, vµ lµ thêi gian chuyÓn m¹ch cña s¬ ®å. Thêi gian chuyÓn m¹ch tcm kh«ng ®−îc nhá h¬n thêi gian håi phôc thf cña thyristor hay tcm > thf. Ng−îc l¹i qu¸ tr×nh chuyÓn m¹ch sÏ kh«ng ®−îc thùc hiÖn vµ nghÞch l−u ngõng lµm viÖc. HiÖn t−îng ngõng chuyÓn m¹ch cña thyristor trong nghÞch l−u ®−îc gäi lµ ®ét biÕn nghÞch l−u. HiÖn t−îng nµy dÉn ®Õn ng¾n m¹ch nguån mét chiÒu vµ sù cè lín do hai thyristor trong mét nh¸nh cÇu cïng dÉn. NghÞch l−u cÇu th−êng ®−îc øng dông ®èi víi c«ng suÊt lín hoÆc ®iÖn ¸p nguån mét chiÒu cao. Trªn ®©y lµ nh÷ng ph©n tÝch ®Þnh tÝnh nh»m gi¶i thÝch nguyªn lý lµm viÖc cña nghÞch l−u thyristor. Trªn c¬ së ®ã cã thÓ thùc hiÖn phÐp ph©n tÝch ®Þnh l−îng nh»m x¸c ®Þnh c¸c quan hÖ ®Þnh l−îng gi÷a c¸c ®¹i l−îng vËt lý c¬ b¶n trong nghÞch l−u. Trong ®ã x¸c ®Þnh c¸c yÕu tè ®¶m b¶o chuyÓn m¹ch ch¾c ch¾n cho c¸c thyristor vµ ®¸nh gi¸ chÊt l−îng cña nghÞch l−u lµ c¸c néi dung rÊt cÇn ®−îc quan t©m. 2.2.2. C¸c yªu cÇu c¬ b¶n cña m¹ch nghÞch l−u vµ ®¸nh gi¸ chÊt l−îng Ta gi¶ thiÕt nghÞch l−u lµ nghÞch l−u dßng (nguån ®Çu vµo lµ nguån dßng). Khi ®ã dßng ®iÖn trong m¹ch xoay chiÒu cã thÓ ®−îc coi nh− cã d¹ng xung ch÷ nhËt. MÆt kh¸c cã thÓ coi tô Ck lµ thµnh phÇn cña t¶i, trë thµnh mét t¶i thèng nhÊt, vµ c¸c van lµ lý t−ëng. Do c¸c thµnh phÇn ph¶n kh¸ng nh− tô chuyÓn m¹ch vµ ®iÖn c¶m t¶i nªn dßng ®iÖn d¹ng ch÷ nhËt i0 g©y nªn trªn t¶i mét ®iÖn ¸p xoay chiÒu kh«ng trïng pha víi dßng ®iÖn. §Ó ph©n tÝch m¹ch ®iÖn ta cã thÓ dïng chuçi Furiª. Tr−íc hÕt ph©n tÝch dßng ®iÖn ch÷ nhËt i0 thµnh c¸c hµi (chuçi Furiª), sau ®ã tÝnh ®iÖn ¸p g©y nªn ë t¶i bëi mçi hµi nµy. Nh− vËy ta ®· coi dßng ®iÖn ch÷ 12 nhËt i0 lµ tËp hîp cña c¸c hµi vµ mçi hµi nµy bao gåm 2 thµnh phÇn: Thµnh phÇn ph¶n kh¸ng lÖch pha 900 so víi ®iÖn ¸p t¶i vµ thµnh phÇn tiªu t¸n trïng pha víi ®iÖn ¸p t¶i. Thµnh phÇn tiªu t¸n sinh c«ng suÊt tiªu t¸n trong ®iÖn trë t¶i, cßn thµnh phÇn ph¶n kh¸ng cung cÊp dßng cho ®iÖn c¶m t¶i vµ tô chuyÓn m¹ch. Ta cã thÓ rót ra mét sè quan hÖ ®Þnh l−îng c¬ b¶n sau: -C«ng suÊt nhËn ®−îc tõ nguån mét chiÒu ph¶i b»ng c«ng suÊt cÊp cho t¶i. Quy luËt nµy ®óng víi mäi nghÞch l−u vµ chØnh l−u trong gi¶ thiÕt tæn hao kh«ng ®¸ng kÓ vµ cã thÓ bá qua. H¬n n÷a quy luËt nµy cßn ®óng víi mäi thµnh phÇn hµi còng nh− c«ng suÊt toµn phÇn. Tõ ®ã nhËn ®−îc biÓu thøc: R UIU T 2 00 = vµ R U IU nTnnnT 2 )( )(0)( cos =ϕ Trong ®ã UT lµ trÞ hiÖu dông cña ®iÖn ¸p t¶i, UT(n) lµ trÞ hiÖu dông cña hµi ®iÖn ¸p bËc n, I0(n) lµ trÞ hiÖu dông cña hµi dßng ®iÖn bËc n, ϕn lµ gãc pha cña t¶i ®èi víi hµi bËc n, R lµ ®iÖn trë thuÇn cña t¶i, U0 vµ I0 t−¬ng øng lµ ®iÖn ¸p vµ dßng ®iÖn vµo mét chiÒu ( tõ bé chØnh l−u). - C«ng suÊt ph¶n kh¸ng cña hµi c¬ b¶n còng nh− cña tÊt c¶ c¸c hµi dßng ®iÖn nguån i0 ph¶i b»ng c¸c thµnh phÇn c«ng suÊt ph¶n kh¸ng t−¬ng øng cña toµn bé m¹ch xoay chiÒu. Ta cã biÓu thøc )( 2 )1( 1)1(0)1( cos nc T T X U IU =ϕ vµ )( 2 )( )(0)( cos nc nT nnnT X U IU =ϕ trong ®ã chØ sè 1 vµ n lµ bËc cña c¸c hµi t−¬ng øng, hµi c¬ b¶n cã n=1, Xc(n) lµ hiÖu gi÷a dung kh¸ng cña tô C vµ c¶m kh¸ng cña ®iÖn c¶m L ®èi víi tÇn sè cña hµi bËc n. HiÖu ®iÖn kh¸ng nµy ph¶i d−¬ng hay tæng trë ph¶i mang tÝnh dung lµ ®iÒu kiÖn b¾t buéc cña nghÞch l−u dßng. NÕu kh«ng qu¸ tr×nh khãa c¸c thyrist¬ kh«ng thÓ ®−îc thùc hiÖn, tøc lµ nghÞch l−u kh«ng thÓ lµm viÖc ®−îc. -ChÕ ®é x¸c lËp trong mçi giai ®o¹n dÉn cña thyrist¬, ®iÖn ¸p trung b×nh ph¶i b»ng ®iÖn ¸p nguån mét chiÒu. 13 Tõ quy luËt nµy cã thÓ rót ra mét sè kÕt luËn. NÕu ®iÖn ¸p ra trªn t¶i cã d¹ng sin th× quan hÖ gi÷a U0 vµ gãc v−ît pha β cã d¹ng hµm c«sin. Quan hÖ nµy t−¬ng tù quan hÖ gi÷a ®iÖn ¸p chØnh l−u vµ gãc më α. §iÒu ®ã cã thÓ dÔ dµng ®−îc gi¶i thÝch nÕu coi m¹ch xoay chiÒu lµ vµo, cßn m¹ch mét chiÒu lµ cöa ra. Khi ®ã nghÞch l−u cã cÊu tróc vµ lµm viÖc nh− mét chØnh l−u tia, tõ ®ã suy ra quan hÖ gi÷a U0 vµ gãc v−ît pha β còng cã d¹ng hµm c«sin. Gãc v−ît pha β, t−¬ng øng víi kho¶ng thêi gian trong ®ã ®iÖn ¸p ©m ®Æt gi÷a anèt vµ katèt cña thyrist¬, b»ng cã pha øng víi hÖ sè c«ng suÊt. Trong thùc tÕ quan niÖm gÇn ®óng Êy kh«ng dÉn ®Õn sai sè ®¸ng kÓ ngay c¶ trong tr−êng hîp ®iÖn ¸p ra kh¸c xa d¹ng sin. TÝnh to¸n m¹ch nghÞch l−u ta cã thêi gian chuyÓn m¹ch lµ: 1 2ln 2/ += − ττ Tc et , vµ gãc chuyÓn m¹ch hay gãc v−ît pha t−¬ng øng sÏ lµ: 1 2ln22 2/ +== − τ πτπβ Tc eTtT Xem gãc chuyÓn m¹ch β b»ng gãc v−ît pha cña hµi c¬ b¶n ϕ1 lµ kÕt qu¶ cña viÖc coi ®iÖn ¸p t¶i cã d¹ng xin. §ã lµ c¸ch ph©n tÝch trªn c¬ së bá qua c¸c hµi bËc cao trong chuçi Furiª, tøc lµ chØ tÝnh ®Õn hµi c¬ b¶n, vµ v× thÕ cã tªn lµ ph−¬ng ph¸p hµi c¬ b¶n. Ph−¬ng ph¸p nµy cho phÐp ®¬n gi¶n hãa tÝnh to¸n vµ th−êng ®−îc ¸p dông trong thùc tÕ, nhÊt lµ trong tÝnh to¸n s¬ bé. Tõ nh÷ng ph©n tÝch qu¸ tr×nh lµm viÖc cña s¬ ®å cã thÓ rót ra mét sè nhËn xÐt thùc tÕ d−íi ®©y: -M¹ch chØ cã thÓ lµm viÖc nÕu dßng ®iÖn v−ît pha so víi ®iÖn ¸p mét gãc sao cho thêi gian t−¬ng øng kh«ng nhá h¬n thêi gian håi phôc cña thyrist¬. Yªu cÇu ®ã chØ cã thÓ ®¹t ®−îc nÕu tæng trë t¶i (kÓ c¶ tô chuyÓn m¹ch) mang tÝnh dung. -NÕu ®iÖn dung qu¸ lín hoÆc t¶i qu¸ nhá gãc v−ît pha sÏ t−¬ng ®èi lín. Trong khi ®ã ®iÖn ¸p trung b×nh trªn tô trong mét b¸n kú ph¶i b»ng U0 nªn biªn ®é ®iÖn ¸p tô sÏ rÊt cao. §iÖn ¸p nµy th−êng v−ît qu¸ giíi h¹n chÞu ®ùng cña c¸c phÇn tö vµ th−êng dÉn ®Õn ph¸ háng chóng, ®Æc biÖt lµ c¸c dông cô b¸n dÉn. 14 Ch−¬ng III: tÝnh to¸n - thiÕt kÕ m¹ch ®iÒu khiÓn toμn hÖ thèng 3.1. NhiÖm vô chøc n¨ng m¹ch ®iÒu khiÓn : Nh− ta ®· biÕt Thyristo chØ ®Ó më cho dßng ch¹y qua khi cã ®iÖn ¸p d−¬ng ®Æt lªn anèt vµ cã xung ®iÒu khiÓn ®Æt vµo cùc ®iÒu khiÓn. Sau khi Thyristo ®· më th× xung ®iÒu khiÓn kh«ng cßn cã t¸c dông g× n÷a. Dßng ®iÖn ch¹y qua Thyristo do th«ng sè ë m¹ch lùc quyÕt ®Þnh. 3.1.1.M¹ch ®iÒu khiÓn cã chøc n¨ng sau: - §iÒu chØnh ®−îc vÞ trÝ xung ®iÒu khiÓn trong ph¹m vi nöa chu k× d−¬ng cña ®iÖn ¸p ®Æt lªn a-k cña T. - T¹o c¸c xung ®iÒu khiÓn cã thÓ më ®−îc Thyristo. Xung ®iÒu khiÓn cã ®é réng 2 ÷10V; ®é réng xung tx = 20 ÷ 100μs. Dé réng xung ®iÒu khiÓn cã thÓ tÝnh ®−îc theo c«ng thøc: Idt: dßng duy tr× cña Thyristo di/dt: tèc ®é t¨ng tr−ëng cña dßng ®iÖn t¶i. 3.1.2.Yªu cÇu vÒ m¹ch ®iÒu khiÓn: M¹ch ®iÒu khiÓn lµ mét kh©u quan träng trong hÖ thèng ®iÒu khiÓn Thyrisro, nã lµ bé phËn chñ yÕu quyÕt ®Þnh chÊt l−îng vµ ®é tin cËy cña bé biÕn ®æi. Yªu cÇu vÒ bé biÕn ®æi cã thÓ tãm t¾t nh− sau: Mçi thyristo cã 1 ®Æc tÝnh lµ quan hÖ gi÷a ®iÖn ¸p trªn cùc ®iÒu khiÓn vµ dßng ®iÖn ch¹y qua cùc ®iÒu khiÓn U®k= f(I®k). Do sai lÖch vÒ th«ng sè chÕ t¹o vµ ®iÒu kiÖn lµm viÖc ngay c¶ T cïng lo¹i còng cã ®Æc tÝnh ®Çu vµo kh¸c nhau. Víi mçi lo¹i thyristo ta cã c¸c ®Æc tÝnh nµy dao ®éng gi÷a 2 ®Æc tÝnh giíi h¹n a vµ b. - Yªu cÇu ®é lín cña ®iÖn ¸p vµ dßng ®iÒu khiÓn cã 3 yªu cÇu chñ yÕu sau: + C¸c gi¸ trÞ lín nhÊt kh«ng v−ît qu¸ gi¸ trÞ cho phÐp. dt di t dt I x = 15 + Gi¸ trÞ nhá nhÊt còng ph¶i ®¶m b¶o ®−îc tÊt c¶ c¸c Thyristo cïng lo¹i ë mäi ®iÒu kiÖn lµm viÖc. + Tæn hao c«ng suÊt trung b×nh ë cùc ®iÒu khiÓn nhá h¬n gi¸ trÞ cho phÐp. - Yªu cÇu vÒ tÝnh ®èi xøng cña xung trong kªnh ®iÒu khiÓn: Trong c¸c bé biÕn ®æi cã nhiÒu pha, tÝnh ®èi xøng cña xung ®iÒu khiÓn rÊt quan träng, nÕu xung ®iÒu khiÓn mÊt tÝnh ®èi xøng sÏ lµm cho dßng anèt cña c¸c pha cã h×nh d¹ng kh¸c nhau vµ gi¸ trÞ kh¸c nhau lµm mÊt c©n b»ng cña m¸y biÕn ¸p xung do ®ã gi¶m c«ng suÊt MBAX. - Yªu cÇu vÒ ®é réng xung ®iÒu khiÓn: Th«ng th−êng ®é réng xung kh«ng nhá h¬n 5 μs vµ t¨ng ®é réng cña xung ®iÒu khiÓn sÏ cho phÐp gi¶m nhá xung ®iÒu khiÓn. Khi m¹ch t¶i cã ®iÖn c¶m lín th× dßng ®iÖn t¶i it t¨ng chËm nªn ph¶i t¨ng ®é réng cña xung ®iÒu khiÓn. -Yªu cÇu vÒ ®é tin cËy cña m¹ch ®iÒu khiÓn: M¹ch ®iÒu khiÓn ph¶i lµm viÖc tin cËy trong mäi tr−êng hîp nhiÖt ®é thay ®æi. -Yªu cÇu vÒ l¾p r¸p vËn hµnh: Sö dông thiÕt bÞ dÔ thay thÕ, dÔ l¾p r¸p, ®iÒu chØnh, thiÕt bÞ thay thÕ dÔ dµng gi÷a c¸c khèi cho nhau nh−ng mèi khèi ph¶i cã kh¶ n¨ng lµm viÖc ®éc lËp.