LỜI MỞ ĐẦU
Ngày này, không chỉ các nước phát triển ngay ở nước ta các thiết bị bán
dẫn đẫ và đang thâm nhập vào các ngành công nghiệp và cả trong sinh hoạt
gia đình, các xí nghiệp và nhà máy như xi măng, dệt sợi là những minh chứng.
Nhờ chủ trương mở cửa ngày càng có thêm nhiều xí nghiệp mới, dây
truyền sản xuất mới đòi hỏi cản bộ kĩ thuật và kĩ sư điện những kiến thức về
điển tử công suất và mạch vi xử lý. Xuất phát từ yêu câu thực tế và tầm quan
trọng của môn điên tử công suất các thầy cô đã cho chúng em từng bước tiếp
xúc với việc thiết kế thông qua đồ án môn học điện tử công suất.
Ngày nay, nền kinh tế nước ta phát triển mạnh mẽ, đời sống nhân dân
cũng nâng cao nhanh chóng. Nhu cầu về tự động hóa trong lĩnh vực công
nghiệp cũng như các lĩnh vực khác tăng trưởng không ngừng. Điều này đỏi
hỏi đội ngũ kĩ sư phải nắm bắt và thiết kế ra những hệ điều khiển tự động
phục vụ thiết thực cho các lĩnh vực đời sống.
1
Chương 1
TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ
1.1. Giới thiệu chung về lò nhiệt
∗ Lò nhiệt là một thiết bị điện biến điện năng thành nhiệt năng dùng trong
các quá trình công nghệ khác nhau như nung hoặc nấu luyện các vật liệu
các kim loại và các hợp kim khác nhau v.v
∗ Ưu điểm của lò nhiệt so với các lò sử dụng nhiên liệu
Lò nhiệt so với các lò sử dụng nhiên liệu có những ưu điểm sau :
- Có khả năng tạo được nhiệt độ cao
- Đảm bảo tốc độ nung lớn và năng suất cao
- Đảm bảo nung đều và chính xác do dễ điều chỉnh chế độ điện và nhiệt độ
- Kín
- Có khả năng cơ khí hoá và tự động hoá quá trình chất dỡ nguyên liệu và
vận chuyển vật phẩm.
- Đảm bảo điều khiện lao động hợp vệ sinh, điều kiện thao tác tốt, thiết bị
gọn nhẹ

∗ Nhược điểm của lò nhiệt
- Năng lượng điện đắt
- Yêu cầu có trình độ cao khi sử dụng
1.1.1. Nguyên lý làm việc của lò nhiệt
Lò nhiệt làm việc dựa trên cơ sở khi có một dòng điện chạy qua một dây
dẫn hoặc vật dẫn thì ở đó sẽ toả ra một lượng nhiệt theo định luật Jun-Lenxơ:
Q = I
2
RT (1.1)
Trong đó :
Q
I
R
T
- Lượng nhiệt tính bằng Jun (J)
- Dòng điện tính bằng Ampe (A)
- Điện trở tính bằng Ôm (Ω)
- Thời gian tính bằng giây (s)
Từ công thức trên ta thấy điện trở R có thể đóng vai trò :
- Vật nung : Trường hợp này gọi là nung trực tiếp
2
- Dây nung : Khi dây nung được nung nóng nó sẽ truyền nhiệt cho vật
nung bằng bức xạ, đối lưu, dẫn nhiệt hoặc phức hợp. Trường hợp này
gọi là nung gián tiếp.
+ Trường hợp thứ nhất ít gặp vì nó chỉ dùng để nung những vật có hình dạng
đơn giản ( tiết diện chữ nhật, vuông và tròn )
+ Trường hợp thứ hai thường gặp nhiều trong thực tế công nghiệp. Cho
nên
nói đến lò nhiệt không thể không đề cập đến vật liệu để làm dây nung, bộ phận
phát nhiệt của lò.

1.2. Cấu tạo của lò nhiệt
Lò nhiệt thông thường gồm ba phần chính : vỏ lò, lớp lót và dây nung
a) Vỏ lò
- Vỏ lò nhiệt là một khung cứng vững, chủ yếu để chịu tải trọng trong quá
trình làm việc của lò. Mặt khác vỏ lò cũng dùng để giữ lớp cách nhiệt rời và
đảm bảo sự kín hoàn toàn hoặc tương đối của lò.
- Đối với các lò làm việc với khí bảo vệ, cần thiết vỏ lò phải hoàn toàn kín,
còn đối với các lò nhiệt bình thường, sự kín của vỏ lò chỉ cần giảm tổn thất
nhiệt và tránh sự lùa của không khí lạnh vào lò, đặc biệt theo chiều cao lò.
- Trong những trường hợp riêng, lò nhiệt có thể làm vỏ lò không bọc kín.
Khung vỏ lò cần cứng vững đủ để chịu được tải trọng của lớp lót, phụ tải lò
(vật- nung) và các cơ cấu cơ khí gắn trên vỏ lò.
+ Vỏ lò chữ nhật thườnng dùng ở lò buồng, lò liên tục, lò đáy rung v.v
+ Vỏ lò tròn dùng ở các lò giếng và một vài lò chụp v.v
Vỏ lò tròn chịu lực tác dụng bên trong tốt hơn vỏ lò chữ nhật khi cùng một
lượng kim loại để chế tạo vỏ lò. Khi kết cấu vỏ lò tròn, người ta thường dùng
thép tấm dày 3 - 6 mm khi đường kính vỏ lò là 1000 – 2000 mm và 8 – 12 mm
khi đường kính vỏ lò là 2500 – 4000 mm và 14 – 20 mm khi đường kính vỏ lò
khoảng 4500 – 6500 mm. Khi cần thiết tăng độ cứng vững cho vỏ lò tròn,
người ta dùng các vòng đệm tăng cường bằng các loại thép hình.
Vỏ lò chữ nhật được dựng lên nhờ các thép hình U, L và thép tấm cắt theo
3
hình dáng thích hợp. Vỏ lò có thể được bọc kín, có thể không tuỳ theo yêu cầu
kín của lò. Phương pháp gia công vỏ lò loại này chủ yếu là hàn và tán.
b) Lớp lót
∗ Lớp lót lò nhiệt thường gồm hai phần : vật liệu chịu lửa và cách nhiệt
- Phần vật liệu chịu lửa có thể xây bằng gạch tiêu chuẩn, gạch hình và
gạch
hình đặc biệt tuỳ theo hình dáng và kích thước đã cho của buồng lò. Cũng có
khi người ta đầm bằng các loại bột chịu lửa và các chất dính dết gọi là các

khối đầm
- Khối đầm có thể tiến hành ngay trong lò và cũng có thể tiến hành ở
ngoài
nhờ các khuôn
- Phần vật liệu chịu lửa cần đảm bảo các yêu cầu sau :
+ Chịu được nhiệt độ làm việc cực đại của lò
+ Có độ bền nhiệt đủ lớn khi làm việc
+ Có đủ độ bền cơ học khi xếp vật nung và đặt thiết bị vận chuyển trong
điều kiện làm việc
+ Đảm bảo khả năng gắn dây nung bền và chắc chắn
+ Có đủ độ bền hoá học khi làm việc, chịu được tác dụng của khí quyển lò
và ảnh hưởng của vật nung
+ Đảm bảo khả năng tích nhiệt cực tiểu. Điều này đặc biệt quan trọng đối
với lò làm việc chu kỳ
- Phần cách nhiệt thường nằm giữa vỏ lò và phần vật liệu chịu lửa. Mục đích
chủ yếu của phần này là để giảm tổn thất nhiệt. Riêng đối với đáy, phần cách
nhiệt đòi hỏi phải có độ bền cơ học nhất định còn các phần khác nói chung
không yêu cầu
- Yêu cầu cơ bản của phần cách nhiệt là :
+ Hệ số dẫn nhiệt cực tiểu
+ Khả năng tích nhiệt cực tiểu
+ Ôn định về tính chất lý, nhiệt trong điều kiện làm việc xác định
- Phần cách nhiệt có thể xây bằng gạch cách nhiệt, có thể điền đầy bằng
bột
cách nhiệt
4
c) Dây nung
- Theo đặc tính của vật liệu dùng làm dây nung, người ta chia dây nung
làm
hai loại : dây nung kim loại và dây nung phi kim loại

Trong công nghiệp, các lò nhiệt dùng phổ biến là dây nung kim loại. Để
đảm bảo yêu cầu của dây nung, trong hầu hết các lò nhiệt công nghiệp,dây
nung kim loại đều được chế tạo bằng các hợp kim Crôm-Nhôm và Crôm -
Niken là các hợp kim có điện trở lớn. Còn các kim loại nguyên chất được dùng
để chế tạo dây nung rất hiếm vì các kim loại nguyên chất thường có những
tính chất không có lợi cho việc chế tạo dây nung như :
+ Điện trở suất nhỏ
+ Hệ số nhiệt điện trở lớn
+ Bị ôxy hoá mạnh trong môi trường khí quyễn bình thường
Dây nung kim loại thường được chế tạo ở dạng tròn và dạng băng
- Dây nung phi kim loại
Dây nung phi kim loại dùng phổ biến là SiC, grafit và than
∗ PHẠM VI ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ
- Lò nhiệt được sử dụng rộng rãi trong các lĩnh vực kỹ thuật :
+ Sản xuất thép chất lượng cao
+ Sản xuất các hợp kim phe-rô
+ Nhiệt luyện và hoá nhiệt luyện
+ Nung các vật phẩm trước khi cán, rèn dập, kéo sợi
+ Sản xuất đúc và kim loại bột
Trong các lĩnh vực công nghiệp khác :
+ Trong công nghiệp nhẹ và thực phẩm, lò nhiệt được dùng để sất, mạ vật
phẩm và chuẩn bị thực phẩm
+ Trong các lĩnh vực khác, lò nhiệt được dùng để sản xuất các vật phẩm
thuỷ tinh, gốm sứ, các loại vật liệu chịu lửa v.v
Lò nhiệt không những có mặt trong các ngành công nghiệp mà ngày
càng được dùng phổ biến trong đời sống sinh hoạt hàng ngày của con người
một cách phong phú và đa dạng : Bếp điện, nồi nấu cơm điện, bình đun nước
điện, thiết bị nung rắn, sấy điện v.v
5
1.3. Yêu cầu về công nghệ

• Yêu cầu của vật liệu dùng làm dây nung :
Dây nung là bộ phận phát nhiệt của lò, làm việc trong những điều kiện khắc
nghiệt do đó đòi hỏi phải đảm bảo các yều cầu sau :
+ Chịu nóng tốt, ít bị ôxy hoá ở nhiệt độ cao
+ Phải có độ bền cơ học cao, không bị biến dạng ở nhiệt độ cao
+ Điện trở suất phải lớn
+ Hệ số nhiệt điện trở phải nhỏ
+ Các tính chất điện phải cố định hoặc ít thay đổi
+ Các kích thước phải không thay đổi khi sử dụng
• Những yêu cầu cơ bản đối với cấu tạo lò điện
+ Hợp lý về công nghệ :
Hợp lý về công nghệ có nghĩa là cấu tạo lò không những phù hợp với quá
trình công nghệ yêu cầu mà cọn tính đến khả năng sử dụng nó đối với quá
trình công nghệ khác nếu như không làm phức tạp quá trình gia công và làm
tăng giá thành một cách rõ rệt. Cấu trúc lò đảm bảo được các điều kiện như
thế mới coi là hợp lý nhất. Điều này đặc biệt quan trọng trong khi nhu cầu về
lò nhiệt vượt xa khả năng sản xuất ra nó.
+ Hiệu quả về kỹ thuật :
Hiệu quả về kỹ thuật là khả năng biểu thị hiệu suất cực đại của kết cấu khi
các thông số của nó xác định ( kích thước ngoài, công suất, trọng lượng giá
thành v.v ). Đối với một thiết bị hoặc một vật phẩm sản xuất ra, năng suất
trên một đơn vị công suất định mức, suất tiêu hao điện để nung v.v là các chỉ
tiêu cơ bản của hiệu quả kỹ thuật. Còn đối với từng phần riêng biệt của kết
cấu hoặc chi tiết, hiệu quả kỹ thuật được đánh giá bằng công suất dẫn động,
mô men xoắn, lực v.v ứng với trọng lượng, kích thước hoặc giá thành kết
cấu.
+ Chắc chắn khi làm việc :
Chắc chắn khi làm việc là một trong những chỉ tiêu quan trọng nhất của
chất lượng kết cấu của các lò nhiệt. Thường các lò điện làm việc liên tục trong
một ca, hai ca và ngay cả ba ca một ngày. Nếu trong khi làm việc, một bộ phận

nào đó không hoàn hảo sẽ ảnh hưởng đến quá trình sản suất chung. Điều này
6
đặc biệt quan trọng đối với các lò nhiệt làm việc liên tục trong dây chuyền sản
xuất tự động. Ngay đối với các lò nhiệt làm việc chu kỳ, lò ngừng cũng làm
thiệt hại rõ rệt cho sản xuất vì khi ngừng lò đột ngột ( nghĩa là phá huỷ chế độ
làm việc bình thường của lò ) có thể dẫn đến làm hư hỏng sản phẩm, lãng phí
nguyên vật liêu và làm tăng giá thành sản phẩm.
Một chỉ tiêu phụ về sự chắc chắn khi làm việc của một bộ phận đó của lò
nhiệt là khả năng thay thế nhanh hoặc khả nằng dự trữ lớn khi lò làm việc
bình thường. Theo quan điểm chắc chắn, trong thiết bị cần chú ý đến các bộ
phận quan trọng nhất, quyết định sự làm việc liên tục của lò. Thí dụ : dây
nung, băng tải v.v
+ Tiện lợi khi sử dụng :
Tiện lợi khi sử dụng nghĩa là yêu cầu:
- Số nhân viên phục vụ tối thiểu
- Không yêu cầu trình độ chuyên môn cao, không yêu cầu sức lực và sự
dẻo
dai của nhân viên phục vụ.
- Số lượng các thiết bị hiếm và quí bị hao mòn nhanh yêu cầu tối thiểu
- Bảo quản dễ dàng. Kiểm tra và sửa chữa tất cả các bộ phận của thiết bị thuận
lợi.
- Theo quan điểm an toàn lao động, điều kiện làm việc phải hợp vệ sinh
và
tuyệt đối an toàn.
+ Rẻ và đơn giản khi chế tạo :
Về mặt này yêu cầu như sau :
- Tiêu hao vật liệu ít nhất, đặc biệt là các vật liệu quí và hiếm ( các kim
loại
mầu, các hợp kim có hàm lượng niken cao v.v )
- Công nghệ chế tạo đơn giản nghĩa là khả năng chế tạo phải sao cho ngày công

ít nhất và tận dụng đưọc các thiết bị, dụng cụ thông thường có sẵn trong các
nhà máy chế tạo để gia công.
- Các loại vật liệu và thiết bị yêu cầu để chế tạo phải ít nhất.
7
- Sử dụng đến mức tối đa các kết cấu giống nhau và cùng loại để dễ dàng đổi
lẫn và thuận tiện khi lắp ráp.
- Chọn hợp lý các dạng gia công để phù hợp với điều kiện chế tạo ( đúc, hàn,dập
). Bỏ các chi tiết và các khâu gia công cơ khí không hợp lý.
+ Hình dáng bề ngoài đẹp:
Mỗi kết cấu của thiết bị, vật phẩm, các khâu và các chi tiết phải có hình
dáng và tỷ lệ các cạnh phù hợp, dễ coi. Tuy vậy cũng cần chú ý rằng, độ bền
của kết cấu khi trọng lượng nhỏ và hình dáng bề ngoài đẹp có quan hệ khăng
khít với nhau. Việc gia công lần cuối như sơn có vai trò đặc biệt quan trọng
đối với hình dáng bề ngoài của lò điện. Song cũng cần tránh sự trang trí
không cần thiết.
Chương 2
TÍNH TOÁN MẠCH CÔNG SUẤT
2.1. Các phương an mach luc
2.1.1. Bộ điều áp xoay chiều một pha
8
Hình 2.1 : Sơ đồ bộ điều áp xoay chiều 1 pha
- Nguyên lý :
Thyristor chỉ mở thông khi có hai điều kiện là phải có điện áp dương Anot
và có xung điều khiển tác động lên cực điều khiển của thyristor. Đối với điện
áp xoay chiều, nếu chỉ chỉ sử dụng 1 thyristor thì nó chỉ có thể làm việc trong 1
nửa chu kỳ của điện áp. Do đó người ta phải mắc 2 thyristor song song ngược
để bộ điều áp có thể làm việc được trong cả chu kỳ. Để thay đổi điện áp ra của
van ta chỉ cần tác động lên điện áp điều khiển nghĩa là làm thay đổi góc mở α
của thyristor khi đó điện áp ra sẽ thay đổi.
Để thấy rõ sự làm việc của bộ điều áp xoay chiều một pha ta có đồ thị điện

áp ra khi tải là điện trở như hình dưới đây :
9
Hình 2.2 : Đồ thị điện áp ra bộ điều áp xoay chiều 1 pha tải điện trở
Như trên hình 2.2 ta có thể thấy nguyên lý làm việc của bộ điều áp
xoay chiều một pha như sau : Trong thời gian chưa phát lệnh mở thyristor
( từ thời điểm ban đầu đến thời điểm α ) điện áp ra bằng 0. Trong nửa chu kì
dương của điện áp nguồn, khi có lệnh mở thyristor ( thời điểm góc α )
thyristor T1 sẽ dẫn đến cuối nửa chu kì với điện áp ra bằng điện áp nguồn.
Còn thyristor T2 sẽ dẫn trong nửa chu kì còn lại kể từ khi có lệnh mở thyristor
( thời điểm π + α ).
Đối với trường hợp tải là điện cảm, các thyristor sẽ dẫn dòng từ khi có
xung tín hiệu vào cực điều khiển và vượt qua cuối nửa chu kì một đoạn ϕ do
tính chất của tải điện cảm ( với điều kiện điện áp dương Anot ).
10
" Điều áp xoay chiều một pha chỉ dùng đến công suất dưới 10kW, khi
công suất lớn hơn phải lấy điện áp nguồn là điện áp dây của lưới điện, hoặc
chuyển sang mạch điều áp xoay chiều ba pha. " [1]
2.1.2. Điều áp xoay chiều ba pha
Trên cơ sở phân tích các yêu cầu kỹ thuật, ta nhận thấy có 2 phương án
mạch lực được sử dụng rộng rãi trong thực tế :
- Phương án 1 : Mạch lực sử dụng 6 van bán dẫn thyristor ( gồm 3 cặp đấu
song song ngược).
- Phương án 2 : Mạch lực sử dụng 3 van bán dẫn TRIAC
Chi tiết các phương án:
2.1.2.1. Điều áp xoay chiều ba pha sử dụng 6 van bán dẫn thyristor
đấu song song ngược
Hình 2.3 : Sơ đồ điều áp ba pha sử dụng 6 thyristor mắc song song ngược [1]
Nguyên lý hoạt động của bộ điều áp xoay chiều ba pha cũng tương tự
như nguyên lý của bộ điều áp xoay chiều một pha nhưng quá trình dẫn dòng
qua các van diễn ra trên cả ba pha. " Khi tăng góc điều chỉnh α sẽ làm giảm

thời gian dẫn dòng qua thristor. Ứng với một giá trị α nào đó, dòng trong một
pha sẽ giảm về không trước khi mở thyristor của pha sau. Như vậy sẽ xuất
hiện những khoảng thời gian không có dòng tải. " [2]
• Ưu điểm
11
Với mạch động lực này, ta có thể điều khiển được với mọi công suất tải. Hiện
nay, thyristor được chế tạo có dòng điện đến 700A thì việc điều khiển xoay
chiều đến hàng chục nghìn ampe hoàn toàn có thể đáp ứng được.
Dòng điện chạy giữa các pha với nhau, nên đồng thời cấp xung điều khiển
cho hai thyristor của 2 pha cùng 1 lúc. Việc cấp xung điều khiển như thế đôi khi
gặp khó khăn trong mạch điều khiển và việc đổi thứ tự pha nguồn lưới có thể
làm ảnh hưởng tới hoạt động của sơ đồ. Để đảm bảo lượng sóng hài tối thiểu,
các góc mở của thyristor phải bằng nhau, do vậy mỗi van được mở cách nhau 60
độ.
• Nhược điểm
Việc điều khiển các cặp thyristor song song ngược đôi khi có chất lượng điều
khiển không tốt lắm, đặc biệt khi cần điều khiển đối xứng điện áp ( như trong
biến áp hay động cơ xoay chiều ). Khả năng mất đối xứng điện áp khi điều khiển
là do mạch điểu khiển thyristor gây nên sai số (góc mở ở chu kỳ điện áp dương
và âm khác nhau ). Tuy vậy đối với dòng điện tải lớn thì đây là sơ đồ tối ưu hơn
cả cho việc lựa chọn.
2.1.2.2. Điều áp xoay chiều ba pha sử dụng 3 van bán dẫn TRIAC
Hình 2.4 : Sơ đồ bộ điều áp xoay chiều ba pha sử dụng TRIAC [1]
• Ưu điểm
12
- Với sơ đồ này thì ta có thể khắc phục được nhược điểm mất đối xứng điện áp
của sơ đồ 6 Thyristor mắc song song ngược.
- TRIAC có 1 cực điều khiển vì thế vấn đề điều khiển sẽ dễ dàng hơn.
- Khi lắp ráp và điện áp ra gần như mong muốn. Sơ đồ này thường hay dùng trong
công nghiệp.

• Nhược điểm
- Hiện nay, TRIAC được chế tạo với dòng điện không lớn (I < 400A), nên với
những dòng điện tải lớn cần phải ghép song song các TRIAC dẫn đến việc phức
tạp hơn trong khâu lắp ráp và thiết kế.
=> Những tải trên 400A thì ít dùng sơ đồ này.
2.2. Lựa chọn phương án
Cùng với những phân tích ưu nhược điểm ở trên, ta nhận thấy sơ đồ mạch
lực 3 pha nối sao không dây trung tính sử dụng 3 cặp thyristor đấu song song
ngược có phù hợp với yêu cầu đồ án đặt ra nên tôi chọn bộ điều áp này để thiết
kế bộ điều khiển lò nhiệt.
Quan hệ giữa góc điều khiển và công suất ra tải
Khi phân tích hoạt động của sơ đồ ta cần xác định rõ xem trong các giai
đoạn sẽ có bao nhiêu van dẫn và nhờ các quy luật dưới đây ta có thể có được
biểu thức điện áp của từng giai đoạn, từ đó mới tiến hành tính toán. Dưới đây là
các quy luật dẫn dòng của van trong mạch điều áp xoay chiều ba pha:
+ Nếu mỗi pha có một van dẫn thì toàn bộ điện áp ba pha nguồn đều nối ra
tải.
+ Nếu chỉ hai pha có van dẫn thì một pha nguồn bị ngắt ra khỏi tải, do đó
điện áp đưa ra tải là điện áp dây nào có van đang dẫn.
+ Không thể có trường hợp chỉ có một pha dẫn dòng.
Dựa vào quy luật dẫn dòng của van trong từng giai đoạn mà ta có thể xây
dựng được đồ thị điện áp ra của mạch điều áp xoay chiều ba pha. Tiếp theo, từ
những biểu thức điện áp của từng giai đoạn đó ta lại có thể tính toán được các
đại lượng cần tính như điện áp, dòng điện, công suất
Ta xét hoạt động của mạch điều áp xoay chiều ba pha dùng sáu thyristor đấu
song song ngược, tải thuần trở đấu hình sao ở trên và dựng đồ thị quan hệ giữa
công suất tải và góc α :
13
Công suất tải là : (2.1)
Trong đó : I là trị số hiệu dụng của dòng điện tải. Dòng điện này biến thiên

theo hai trong ba quy luật dẫn dòng của van như sau :
• Nếu mỗi pha có một van dẫn ( hay toàn mạch có ba van dẫn) :
(2.2)
• Nếu chỉ có hai van dẫn (hay toàn mạch có hai van dẫn ) :
(2.3)
Trong đó : là biên độ điện áp dây.
ϕ là góc lệch pha giữa điện áp và dòng điện ở giai đoạn đang xét.
Tuỳ thuộc vào góc điều khiển mà các giai đoạn có ba van dẫn hoặc hai
van dẫn cũng thay đổi theo. Ta thấy có ba khoảng điều khiển chính :
∗ Khoảng dẫn của van ứng với
α
= 0
÷
60
0
:
Dựa vào đồ thị ta có thể xác định được biểu thức liên quan giữa công suất ra
tải P và góc điều khiển α :
= (2.4)
14
R.I.3P
2
=
)sin(
R3
U
i
dm
ϕ+θ=
)sin(

R2
U
i
dm
ϕ+θ=
dm
U
R.I.3P
2
=
]
8
2sin
46
[
R
U3
2
dm
α
+
α
−
π
π
=
)d
3
sin
d

4
sin
d
3
sin
d
4
sin
d
3
sin
(
R
U3
3
2
2
3
2
3
2
2
3
2
3
2
3/
3
3
22

2
dm
θ
θ
+θ
θ
+θ
θ
+θ
θ
+θ
θ
π
∫∫∫∫ ∫
π
α+
π
α+
π
π
π
α+
π
π
α
α+
π
π
Hình 2.5 : Đồ thị điệp áp ra pha a bộ điều áp xoay chiều ba pha tải thuẩn trở
khi góc điều khiển α = 30

0
[2]
∗ Khoảng van dẫn ứng với α = 60
0
÷ 90
0
:
Trong phạm vi này luôn chỉ có các giai đoạn hai van dẫn. Dựa vào đồ thị
ta có thể xác định được biểu thức liên quan giữa công suất ra tải P và góc điều
khiển α :
=
15
R.I.3P
2
=
∫ ∫
π
α+
π
−
π
π
α+
π
−
π
θ
θ
+θ
θ

π
32 32
22
2
dm
]d
3
sin
d
4
sin
[
R
U3
= (2.5)
Hình 2.6 : Đồ thị điệp áp ra pha a bộ điều áp xoay chiều ba pha tải thuẩn trở
khi góc điều khiển α = 60
0
∗ Khoảng van dẫn ứng với α = 90 ÷ 150
0
:
16
]2sin
16
1
2cos
16
3
424
5

[
R
U3
2
dm
α+α+
α
−
π
π
Trong phạm vi này luôn chỉ có các giai đoạn hai van dẫn. Dựa vào đồ thị
ta có thể xác định được biểu thức liên quan giữa công suất ra tải P và góc điều
khiển α :
=
= (2.6)
17
R.I.3P
2
=
]d
4
sin
d
4
sin
[
R
U3
36
5

32
36
5
32
22
2
dm
θ
θ
+θ
θ
π
∫ ∫
α+
π
−
π
α+
π
−
π
α+
π
−
π
α+
π
−
π
]2cos

16
3
2sin
16
3
12
[
R
U3
2
dm
α+α+
π
π
Hình 2.7 : Đồ thị điệp áp ra pha a bộ điều áp xoay chiều ba pha tải thuẩn trở
khi góc điều khiển α = 105
0
2.3. Tính chọn van bán dẫn
Khi α = 0 thì điện áp ra tải là hình sin hoàn toàn và đồng thời công suất ra
tải cũng đạt công suất lớn nhất P =
max
P
vì vậy để đảm bảo đủ bù các tổn hao đã
nói ở trên ta chọn công suất lớn nhất của lò ứng với khi góc điều khiển α = 0 là :
18
P =
max
P
= 50 (kw)
Dựa vào công thức ta tính được công suất ra tải khi α = 0

t
2
dm
max
R2
U
P =

3
2
max
2
10.50.2
380
2
==
P
U
R
dm
t
= 1,44 (Ω)
Ta xác định được dây điện trở của lò có giá trị là 1,44 (Ω) Từ đây, dựa
vào công nghệ chế tạo ta có thể tiến hành thiết kế chi tiết cho dây điện trở để có
thể đảm bảo được các yêu cầu kinh tế kĩ thuật của lò nhiệt.
Tiếp theo, ta tiến hành chọn van thông qua các thông số kỹ thuật của van
là điện áp ngược lớn nhất, dòng trung bình qua van
Như đã nói ở trên, hoạt động của mạch điều áp xoay chiều cũng tương tự
như mạch chỉnh lưu, cụ thể là mạch điều áp xoay chiều ba pha sáu thyristor đấu
song song ngược có nguyên lý hoạt động trong một chu kỳ cũng giống như

nguyên lý của mạch chỉnh lưu ba pha hình tia. Vì vậy, ta có thể hoàn toàn áp
dụng các thông số chọn van của mạch chỉnh lưu ba pha hình tia cho mạch điều
áp xoay chiều ba pha sáu thyristor đấu song song ngược. Cụ thể :
Điện áp ngược lớn nhất trên van :
dmfmaxng
U2U6U ==

537380.2U
maxng
==
(V)
Nhận xét : khi góc điều khiển α = 0 điện áp ra tải là hình sin và như vậy,
dòng trung bình qua van lúc này là lớn nhất. Từ đây ta có thể xác định được giá
trị dòng điện trung bình qua van.
∫
=
π
θ
π
0
maxmax
sin
2
1
II
tb
d
θ
(do tải thuần trở nên i trùng pha với u )
19


)]0cos(cos[
R2
U
I
maxf
maxtb
−−π−
π
=

π
44,1
2.220
max
=
tb
I
= 68,77 (A)
Khi chọn van ta phải chú ý đến điều kiện làm mát cho van vì khi hoạt
động, van toả nhiệt rất lớn nên điều kiện làm mát cho van sẽ ảnh hưởng đến hiệu
quả cũng như tuổi thọ của van. Nếu van hoạt động trong điều kiện được làm mát
bằng không khí nhờ cánh tản nhiệt thì van có thể làm việc tốt với 25% dòng
định mức. Nếu van làm việc trong điều kiện làm mát bằng quạt gió cưỡng bức
thì van có thể chịu được đến 30 ÷ 60% dòng định mức. Nếu làm mát bằng nước
thì van có thể chịu được đến 80% dòng định mức.
Thông thường trong công nghiệp thì van phải được làm mát tốt nhất là
bằng không khí có quạt gió cưỡng bức. Trong nhiệm vụ thiết kế lò nhiệt này thì
dòng qua van không quá lớn nên ta có thể chọn chế độ làm mát cho van bằng
không khí có quạt gió cưỡng bức. Ta chọn các điều kiện thích hợp để van có thể

chịu dòng tới 40% dòng định mức của van.
Khi đó:
tb
I
=40%I
tb max
= 0,4.68,77 = 27,50 (A )
Để chọn giá trị của điện áp ngược lớn nhất trên van, ta sẽ chọn thêm hệ số dự trữ
điện áp
u
k
= 1,6 ÷ 2. Ta chọn :
u
k
= 1,6
ng
U
=
u
k
.
maxng
U
= 1,6 . 537 = 860 (V)
Từ các giá trị tính toán được tra trong sổ tay ta chọn được van 50RIA100M :
- Dòng trung bình lớn nhất : I
tb max
= 80 (A)
- Điện áp ngược lớn nhất : U
ng max

= 1000 (V)
- Tốc độ tăng dòng cho phép lớn nhất :
di
dt
= 100 A/μs
20
- Giá trị tốc độ tăng áp cho phép :
du
dt
= 200 V/ μs
2.4. Tính toán bảo vệ van bán dẫn
Trong quá trình van hoạt động thì van phải được làm mát để van không bị
phá hỏng về nhiệt vì vậy ta đã tính toán chế độ làm mát cụ thể cho van. Tuy
nhiên, van cũng có thể bị hỏng khi van phải chịu tốc độ tăng dòng, tăng áp quá
lớn. Để tránh hiện tượng quá dòng, quá áp trên van dẫn đến hỏng van ta phải có
những biện pháp thích hợp để bảo vệ van. Biện pháp bảp vệ van thường dùng
nhất là mắc mạch R, C song song van để bảo vệ quá áp và mắc nối tiếp cuộn
kháng để hạn chế tốc độ tăng dòng.
2.4.1. Làm mát cho van
Với dòng điện làm việc của Thyristor là 27,50(A) sẽ có tổn hao năng lượng
nên ta phải lựa chọn cách làm mát phù hợp để đảm bảo cho Thyristor hoạt động
bình thường và hết công suất.
Có các phương pháp làm mát như sau:
• Làm mát tự nhiên (đối lưu tự nhiên), dùng cánh tản nhiệt và thông gió tự
nhiên, phương pháp này đạt hiệu suất khoảng 25%. Cách này chỉ dùng
cho các van với dòng nhỏ dưới vài chục Ampe và phải có hệ số dự trữ
dòng không dưới hai lần.
• Làm mát bằng quạt gió cưỡng bức, bằng cách lắp quạt gió vào cánh tản
nhiệt thì van có thể chịu được từ khoảng 30% đến 60% dòng điện định
mức. Sử dụng cho các van với dòng làm việc tới vài trăm Ampe, với dòng

lớn hơn cần dùng khí đã đi qua giàn lạnh trước khi thổi vào van.
• Làm mát bằng nước tuần hoàn, cho nước chảy hoàn toàn qua van thì van
có thể chịu được 80% đến 90% dòng điện định mức. Thường được dùng
với các van làm việc với dòng điện trên vài trăm Ampe trở lên.
Thông thường trong công nghiệp thì van phải được làm mát tốt nhất bằng
không khí có quạt gió cưỡng bức. Ở đây, dòng điện qua van không quá lớn nên
ta lựa chọn chế độ làm mát cho van bằng quạt gió cưỡng bức.
21
Để làm mát tốt nhất ta cần tìm được đúng loại tản nhiệt chuẩn của van theo
chỉ dẫn của hãng chế tạo. Nhưng trên thực tế lại khó thực hiện điều này, do đó ta
phải tự tính toán tấm tản nhiệt.
Bảng 2.1: Thống kê về diện tích bề mặt tản nhiệt cho các cỡ thông dụng nhất về
dòng điện của van [1]
Cấp dòng điện van
I
cp
(A)
Tổng diện tích bề
mặt tản nhiệt (dm
2
)
Số cánh tản nhiệt
10 1.2 1
25 1.8 1
50 7 4
100-160 12 7
200-250 24 10
320-400 40 18
500-630 60 18
800 80 27

Dựa theo bảng 2.1 và giá trị I
tbmax
= 68,77 (A) ta lựa chọn được loại quạt gió
có 7 cánh tản nhiệt.
2.4.2. Bảo vệ quá dòng
Khi mạch có sự cố, dòng điện qua van trong mạch tăng nhanh và thường
kéo dài cỡ 10ms mặc dù các phần tử bảo vệ đã tác động. Tường trong thông số
của van bao giờ cũng có cho giá trị dòng điện mà van có khả năng chịu được
trong 10ms, giá trị này lớn hơn trị số trung bình cho phép từ 8 đến 10 lần. Vì
vậy nếu các van được chọn có trị số dong điện này nhỏ hơn dòng sự cố qua van
trong thực tế thì hoặc phải thay loại van khác phù hợp, hoặc phải đưa thêm các
phần tử hạn chế sự tăng trưởng dòng sự cố xuống đến mức cho phép của van.
Mặc khác cũng phải đảm bảo mạch bảo vệ kịp thời tác động. . Để bảo vệ các
van thyristor ta lựa chọn phương pháp sử dụng aptômát.
Các aptômát bảo vệ thường đặt ở đầu vào biến áp lực (aptômát xoay
chiều) hay đầu ra chỉnh lưu (aptômát một chiều). Để bảo vệ được van ta phải
chọn loại aptômát có tác động nhanh cỡ 10 ms. Thực tế cho thấy loại aptômát
xoay chiều thông dụng không đáp ứng được điều này vì nó có thời gian tác động
22
khoảng 15 - 40 ms, chỉ có một số kiểu aptômát phải kết hợp với bảo vệ bằng tác
động vào mạch điều khiển khi dùng các van là thyristor thì mới có hiệu quả.
Do đặc điểm của thyristor nên khi van bắt đầu dẫn không cho phép dòng
qua nó tăng nhanh vượt giới hạn cho phép nếu không van sẽ bị thủng hỏng. Vì
vậy, người ta cần phải mắc vào trước van một cuộn dây để hạn chế tốc độ tăng
dòng. Cuộn dây được dùng là một cuộn kháng bão hoà có đặc tính là: khi dòng
qua cuộn kháng ổn định thì điện cảm của cuộn kháng hầu như bằng không và
lúc này cuộn dây dẫn điện như một dây dẫn bình thường. Ta có mạch như hình
vẽ :
Hình 2.8 : Sơ đồ bảo mạch bảo về quá dòng cho van
2.4.3. Bảo về quá áp

Có nguyên nhân gây ra hiện tượng quá áp trong van là do hiện tượng
chuyển mạch giữa các van khi làm việc :
- Khi van chuyển từ khóa sang dẫn sẽ có hiện tượng áp trên van đột ngột
giảm từ giá trị xác định xuống còn xấp xỉ không, đột biến áp này sẽ
truyền tới các van khác dưới dạng xung áp rất mạnh.
- Khi khóa van thyristor bằng điện áp ngược, các điện tích được tích tụ
trong lớp bán dẫn bị biến đổi ngược hành trình và tạo ra dòng điện
ngược trong thời gian rất ngắn. Sự tạo biến thiên nhanh chóng của
dòng điện ngược sẽ gây ra sức điện động cảm ứng rất lớn trong các
23
điện cảm có sẵn của đường dây nguồn dẫn đến Thyristor. Vì thế, giữa
catot và anot của van sẽ xuất hiện quá điện áp lớn gây hỏng van.
Để bảo vệ quá áp cho thyristor ta sử dụng mạch RC đấu song song với
từng cặp Thyristor đấu song song ngược.
Hình 2.9 : Sơ đồ mạch bảo vệ quá áp cho van
Thực chất về nguyên lý chỉ cần tụ điện C, song vì khi van dẫn sẽ xuất hiện dòng
phóng từ tụ qua van làm nóng thêm cho van nên cần phải có điện trở R để hạn
chế dòng điện này trong phạm vi khoảng từ 10÷50A (Giá trị càng lớn khi tần số
làm việc càng cao).
 Ta có sơ đồ mạch hoàn chỉnh như sau:
Hình 2.10 : Sơ đồ hoàn chỉnh mạch bảo vệ van
24
Chương 3
THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN
3.1. Nguyên lý chung của mạch điều khiển
Thyristor chỉ mở cho dòng điện qua khi thỏa mãn hai điều kiện :
U
AK
> 0 và I
G

> 0
Khi thyristor chuyển sang trạng thái dẫn thì cực điều khiển không còn tác
dụng. Thyristor chỉ trở về trạng thái khoá nếu dòng điện I
A
< I
H
( I
H
: dòng điện
duy trì )
Chức năng của mạch điều khiển :
+ Điều chỉnh được vị trí xung trong phạm vi nửa chu kỳ dương của điện áp đặt
lên A-K của thyristor.
+ Tạo ra được các xung đủ diều kiện mở thyristor, độ rộng xung t
x
được tính
theo biểu thức :
dtdi
I
t
H
x
/
=
( 3.1 )
: tốc độ biến thiên dòng tải
3.2. Cấu trúc mạch điều khiển
 Các nguyên tắc điều khiển trong hệ đồng bộ :
• Nguyên tắc điều khiển ngang :
Hình 3.1: Nguyên tắc điều khiển ngang

Khâu đồng bộ ĐB thường tạo điện áp ra điện áp hình sin có góc lệch pha
cố định so với điện áp lực. Khâu dịch pha DF có nhiệm vụ thay đổi góc pha của
điện áp ra dưới tác động của điện áp điều khiển U
đk
. Xung điều khiển được tạo
thành ở khâu tạo xung TX vào thời điểm khi điện áp dịch pha U
df
qua điểm 0.
Xung này nhờ khâu khuếch đại xung KĐK được tăng đủ công suất được gửi tới
cực điều khiển của van. Như vậy góc điều khiển α hay thời điểm phát xung mở
25