Đồ án điện tử công suất

Đồ án điện tử công suất Nguyễn Hiệp-Tđh2-K46 ĐỒ ÁN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT Mục lục: Trang Lời nói đầu 2 Chương I Giới thiệu công nghệ tôi thép bằng phương pháp lò cảm ứng …………………………………………… 4 Chương II Chọn mạch lực ……………………………………… 7 Chương III Tính toán mạch lực ………………………………… 10 Chương IV Thiết kế mạch điều khiển 18 Trang 1 Đồ án điện tử công suất Nguyễn Hiệp-Tđh2-K46 Lời nói đầu Lịch sử ngành công nghiệp điện tử được đánh dấu bằng những sự kiện quan trọng như sự ra đời của Thyratron (1902) do John Fleming ( kỹ sư người Anh ) sáng chế, và sự ra đời của Tranzitor (1948) do hai người vật lý người Mỹ là John Bardeen và W.H Brattain sáng chế, đến năm 1956 nhóm kỹ sư của hãng Bell – Telephone cho ra đời sản phẩm Thyristor đầu tiên. Kể từ đó đến nay, ngành công nghiệp điện tử của thiết bị bán dẫn công suất lớn, và cả những phần tử thiết bị bán dẫn cực nhỏ như vi mạch, vi mạch chức năng, vi xử lý là những phần tử thiết yếu trong mạch điều khiển thiết bị bán dẫn công suất. Ngày nay, không riêng gì ở các nước phát triển ngay ở nước ta các thiết bị bán dẫn đã và đang thâm nhập vào các ngành công nghiệp và cả trong lĩnh vực sinh hoạt. Các xí nghiệp, nhà máy như xi măng, thuỷ điện, giấy, đường…. đang sử dụng ngày càng nhiều những thành tựu của công nghiệp điện tử. Theo xu hướng đó các nhà máy luyện kim đã đưa vào công nghệ tôi thép mới là công nghệ tôi thép cảm ứng. Công nghệ tôi thép cảm ứng dùng bộ chỉnh lưu và bộ nghịch lưu với các phần tử bán dẫn có khả năng tự động hoá cao và điều khiển quá trình tôi thép rất dễ dàng, năng suất tôi thép tăng, thời gian tôi nhanh…. Điều đó đã đáp ứng được một phần nào nhu cầu sử dụng thép trong sự nghiệp công nghiệp hoá, hiện đại hoá đất nước. Đối với sinh viên ngành tự động hoá, môn học Điện Tử Công Suất là một trong những môn quan trọng. Với sự giảng dạy nhiệt tình của các thầy cô trong khoa em đã từng bước tiếp cận môn học. Để có thể nắm vững phần lý thuyết và áp dụng kiến thức đó vào trong thực tế, ở học kỳ này em được các thầy giao cho đồ án môn học với đề tài : Trang 2 Đồ án điện tử công suất Nguyễn Hiệp-Tđh2-K46 “ Thiết kế phần nghịch lưư của bộ nguồn cho lò tôi thép “ Đây là một đề tài có quy mô và ứng dụng thực tế rất lớn. Các bộ chỉnh lưu và nghịch lưu đã được một số nhà máy luyện kim, nhà máy xi măng… ở nước ta đưa vào sử dụng, lắp đặt và đã chiếm được ưu thế. Với sự cố gắng của bản thân, cùng với sự hướng dẫn, chỉ bảo tận tình của các thầy cô trong môn học. đặc biệt là sự hướng dẫn trực tiếp của thầy ” Trần Trọng Minh “ đã giúp em hoàn thành đồ án môn học này. Do lần đầu tiên làm đồ án môn học Điện Tử Công Suất kinh nghiệm chưa có nên em không tránh khỏi mắc sai sót, mong các thầy giúp đỡ. Em xin chân thành cảm ơn ! Hà nội 16 -6 - 2004 Trang 3 Đồ án điện tử công suất Nguyễn Hiệp-Tđh2-K46 Chương I Giới thiệu công nghệ tôi thép bằng phương pháp lò cảm ứng Hiện nay thiết bị cao tần đã dược sử dụng rộng rãi trong nhiều ngành của nền kinh tế quốc dân, trong đó có lò cảm ứng. Một trong những ứng dụng của lò cảm ứng là dùng để tôi thép. Lò cảm ứng hoạt động dựa trên nguyên lý : Khi ta cho dòng điện xoay chiều vào một cuộn dây thì trong lòng cuộn dây đó sẽ có một từ trường biến thiên. Nếu ta đặt vào từ trường biến thiên này một thanh kim loại thì trong thanh kim loại sẽ xuất hiện một sức điện động và tạo nên dòng điện xoay chiều. Nhiệt năng do dòng xoay chiều gây ra chính là nguồn nhiệt để nung nóng thanh kim loại. Nguồn của dòng điện cao tần có thể là máy phát điện đặc biệt hoặc đèn điện tử. Nếu tần số dưới 10000 héc thì người ta dùng máy phát điện quay, nếu tần số lớn hơn 10000 héc thì người ta hay dùng các đèn phát điện tử. Gần đây người ta đã dùng Thyristor trong các thiết bị gia nhiệt tần số có công suất nhỏ và trung bình. Ưu điểm của lò cảm ứng là: • Có thể truyền năng lượng cho vật cần gia công nhanh chóng và trực tiếp, không cần phải qua một khâu trung gian nào nên có thể tiến hành tự động hoá ở mức độ cao. Có thể gia nhiệt ở môi trường trung tính, chân không một cách dễ dàng. • Trong công nghệ tôi thép, người ta cần nung đỏ bề mặt chi tiết lên nhanh chóng, sau đó làm nguội lạnh đi cũng rất nhanh để bề mặt chi tiết có độ cứng cần thiết mà bên trong chi tiết vẫn giữ được độ mềm dẻo của thép. Khi gia nhiệt bằng dòng điện cao tần, nhờ hiệu ứng bề ngoài do đó bề mặt của chi tiết dược nung đỏ lên một cách nhanh chóng. Trang 4 Đồ án điện tử công suất Nguyễn Hiệp-Tđh2-K46 • Dùng phương pháp gia nhiệt cao tần cho ta đạt được năng suất lao động cao, giảm được những lao động cực nhọc trong các phân xưởng rèn dập ở các nhà máy chế tạo cơ khí. Cấu tạo của lò cảm ứng bao gồm : . Cuộn cảm ứng . Khung lò Tải . Áo lò Cuộn cảm ứng nhận điện áp có tần số rất lớn : cỡ hàng nghìn Hz Nguyên lý về điện trong lò cảm ứng như sau : Chúng ta biết một dây dẫn đặt trong tử trường biến thiên sẽ sinh ra suất điện động cảm ứng : E = 4,44Ф m .f.n.10 -7 (V) Trong đó : n là số vòng cảm ứng Ф m là từ thông cực đại f là tần số dòng xoay chiều Sức điện động cảm ứng càng lớn khi ba đại lượng phụ thuộc Ф m , f , n càng lớn. Trong lò cảm ứng khi có dòng điện tần số cao đi qua các vòng cảm ứng (Cuộn sơ cấp ) thì khối lượng kim loại chất trong nồi sẽ sinh ra sức điện động cảm ứng E 2 và dòng điện cảm ứng I 2 , nhờ xuất hiện dòng I 2 mà khối lượng nung nóng và đến một lúc nào đó bị chảy ra. Mặt khác ta có năng lượng chuyển thành nhiệt trong khối liệu W W = I 2 .n 2 .2.л.(d/h). 10 ( f µρ -9 ) I : Cường độ dòng trong cuộn cảm n : Số vòng cảm ứng d : Đường kính nồi lò (cm) h : Chiều cao kim loại trong lò (cm) μ : Độ từ thẩm ; Trang 5 Đồ án điện tử công suất Nguyễn Hiệp-Tđh2-K46 ρ : Điện trở suất mẻ liệu (Ωcm) Như vậy năng lượng chuyển thành nhiệt trong mẻ liệu tỉ lệ thuận với bình phương cường độ. Khi số vòng ít và cường độ dòng điện lớn thì cuộn cảm ứng được nung nóng mạnh hơn. Ta có sơ đồ của quá trình biến đổi điện áp như sau: Trang 6 Đồ án điện tử công suất Nguyễn Hiệp-Tđh2-K46 Chương II Tính toán mạch lực Trong đề tài này, em chọn mạch lực là mạch nghịch lưu cộng hưởng mạch này có những ưu điểm sau đây : • Mạch sử dụng thyristor nên có thể dùng ở công suất cao • Có phụ tải là một mạch dao động với dòng hoặc áp có dạng hình sin, do đó các thyristor trên sơ đồ sẽ chuyển mạch tự nhiên • Có thể tạo dòng điện, điện áp gần sin với tần số tương đối cao (từ vài trăm Hz đến 30 kHz). • Dòng điện cảm ứng trong các vật liệu sắt từ cung cấp năng lượng làm tăng nhiệt độ của vật, không cần đến sự tiếp xúc giữa nguồn nhiệt với vật bị nung. Về vấn đề khởi động : Nghịch lưu cộng hưởng song song được khởi động bằng mạch khởi động không phù hợp với các tải hay có sự thay đổi, còn nghịch lưu cộng hưởng nối tiếp được khởi động bằng cách tăng dần tần số và mạch sẽ được sử dụng hiệu quả nhất về mặt phát huy công suất trên tảI khi tần số làm việc ở trong một khoảng nhất định có thể xác định trước.Mặt khác do yêu cầu công nghệ phụ tải luôn luôn thay đổi , do đó mạch nghịch lưu cộng hưởng song song không đáp ứng được. Vì thế trong đề tài này em chọn mạch lực là mạch nghịch lưu cộng hưởng nối tiếp nguồn áp. Sơ đồ nghịch lưu cộng hưởng nối tiếp như hình vẽ : Trang 7 Đồ án điện tử công suất Nguyễn Hiệp-Tđh2-K46 Đồ thị quá trình hoạt động của mạch : Trang 8 θ θ θ θ θ U d ,I d I T1 I T3 i D1 i D3 U T1 β θ T/2 T i d Đồ án điện tử công suất Nguyễn Hiệp-Tđh2-K46 * Hoạt động sơ đồ : Điện áp trên tải có dạng hình chữ nhật, dòng điện trên tải dạng hình sin và dòng điện vượt trước điện áp ở mỗi nửa chu kỳ. Giả thiết T 3, T 4 đang cho dòng chảy qua (dòng tải đi tử B đến A).Khi Ө = 0, cho xung mở T 1 ,T 2 (dòng tải đi từ A đến B); T 3 ,T 4 bị khóa lại (do thiết bị chuyển mạch thực hiện).Tụ C được nạp điện tích tăng dần Khi nửa chu kì điện áp kết thúc thì quá trình nạp điện cho tụ C kết thúc, lúc này U AB = E, dòng tải không thể đảo chiều một cách đột ngột. Nó tiếp tục chảy theo chiều cũ nhưng theo mạch: D 1 – E - D 2 - tải - D 1 và suy giảm dần D 1 , D 2 dẫn dòng khiến T 1 và T 2 bị khóa lại. Khi θ = T/2, thì D 1 ,D 2 bị khóa. Khi đó cho xung mở T 3 ,T 4 ;T 1 ,T 2 bị khóa lại.Khi kết thúc nửa chu kì sau của điện áp thì quá trình nạp điện cho tụ C kết thúc, lúc này U AB = -E, dòng tải không thể đảo chiều một cách đột ngột. Nó tiếp tục chảy theo chiều cũ nhưng theo mạch : D 3 – E – D 4 - tải – D 3 và suy giảm dần. D 3 , D 4 dẫn dòng khiến T 3 , T 4 bị khóa lại. Khi θ = T thì D 3 , D 4 bị khóa lại.Các quá trình sẽ lặp đi lặp lại như vậy, do đó dòng trên tải có dạng sin. Trang 9 Đồ án điện tử công suất Nguyễn Hiệp-Tđh2-K46 Chương III Tính toán mạch lực -Với số liệu trong đề tài là : P tôi = 80 kW U ra = 400 V f ra = 10000 Hz -Ta có các tính toán sau : Ở chế độ định mức : cosφ = 0,4 Giá trị hiệu dụng của điện áp là : U t(1) = 400 V (bỏ qua các sóng hài bậc cao) Dòng điện tải ở chế độ định mức là : I n = ϕ CosU P t . )1( = 4,0.400 10.80 3 = 500(A) ⇒ R= 2 n I P = 2 3 500 10.80 = 0 ,32(Ω) biết : ϕ 2 cos 1 = 1 + tg 2 φ ⇒ tgφ = 2,29 Mà tgφ = R U U L = R Lw. ⇒ L = w Rtg . ϕ = 10000 2 32,0.29,2 π = 1,17.10 -5 (H) ⇒ Z L = w.L = 2.π.10000.1,17.10 -5 = 0,735 (Ω) Ta chọn β = 65 o : biết tg β = R ZZ Lc − ⇒ Z C = R.tg β + Z L = 0,32.tg65 o + 0,735 = 1,42 (Ω) Trang 10 U L 0 U C -U L U C U n U t U R I n [...]... 2.п.10000 = 62832 (rad/s) ⇒ ω < ωo < 2.ω Như vậy sơ đồ sử dụng hiệu quả nhất về mặt phát huy công suất trên tải • Tính toán mạch lọc đầu vào : Trang 14 cosω Đồ án điện tử công suất Nguyễn Hiệp-Tđh2-K46 Giả sử mạch chỉnh lưu là cầu 3 fa, lấy từ mạng điện 50Hz Bộ lọc LC cho phép thành phần 1 chiều của điện áp chỉnh lưu qua và ngăn chặn thành phần xoay chiều Dạng điện áp ra khỏi chỉnh lưu : U = UCL + A.cos(nwt)... đặc tính : U 0 U U1 θ UA1 θ U2 θ Trang 21 Đồ án điện tử công suất Nguyễn Hiệp-Tđh2-K46 Hình minh hoạ như trên 3) Khâu PI R 4 R 1 0 C 1 R 5 U II C AP N P +15 V R 2 - R 3 U III P § Æt + TL 084 0 0 Có chức năng : • Khuếch đại sai lệch công suất đầu vào với so với công suất đặt trước (Pđặt) • Tạo hàm điều khiển đảm bảo chất lượng động và tĩnh của hệ Điện dẫn suất đầu vào : 1 Y1(P) = R 1 UIII α E Y2(P)... mạch PI Chỉnh Lưu U/f Chia Xung Đo Pt Mạch Van Tạo Xung II) Tính toán mạch điều khiển : 1) Khâu đo lường công suất tải : Theo yêu cầu của công nghệ cầcn phải có công suất đầu ra không đổi Nhưng do các đặc điểm của tải và lò nung nên công suất của lò thường xuyên thay đổi Do vậy ta phải đo công suất đầu ra tải để có biện pháp điều chỉnh Sơ đồ đo : C1 1 1 L1 3 6 1 ICL 8013 4 Pt 2 7 10 9 +15V R1 Bien Ap... Sơ đồ sẽ không được sử dụng hiệu quả nhất về mặt phát huy công suất Sơ đồ mạch như hình vẽ : U 1 3 - U IX R 3 + U III TL084 R 2 D 2 R 1 D 1 U+ U-U n U II 3k 12k 12k 3k 0 • Khi UIII > U+ thì D3 mở UIV = U+ − • Khi UIII < 0 mà U III > U thì PIV mở nên UIV = U- -Chọn Un = 15 V − Đặt con trỏ biến trở ở vị trí có III + = U = 10 V UU Ta có sơ đồ đặc tính : -10 UIII 0 -10 Trang 23 Đồ án điện tử công suất. .. mạch sẽ ngắt bộ khởi động, chỉ hoạt động dựa trên tín hiệu nối tiếp về từ tải Sơ đồ : +15 V R 4 +15 V SW 1 D 1 2 2 công tắc đồng bộ R 1 2 R 2 1 1 D 2 Q 1 SW 2 ` 0 C 1 C AP N P 40242 R 3 0 0 Nguyên lý : Trang 24 vco Đồ án điện tử công suất Nguyễn Hiệp-Tđh2-K46 -Khi chưa đóng mạch thì UBE > 0, van T mở dẫn dòng qua van T Điện áp ở A sẽ ở mức thấp -Khi khởi động, nhấn khoá kép nối thông mạch thì UBE 0 và đầu ra UV dương điốt điot D3 khoá - Qua IC A3 ta có U3 = -UIV Khâu tích phân có 2 điện áp vào : − U IV U 3 dU 4 − =C 2 R1 R1 dt − U IV U IV dU 4 + =C  2 R1 R1 dt U IV dt 0R= I2   - Sử dụng máybiến áp để đo áp Có tỷ số vòng dây => Chọn W1 I 2 Utai 300 = = = W 2 I1 U6 U6 W1= 600 (vòng) W2=10 (vòng) =>U6=5 v *Bộ nhân Ui và U6 như hình vẽ Với IC ICL 8013 Tín hiệu ra P= Ui * U 6 5 *10 = =5 10 10 2) Khâu điều chỉnh nhanh - Để phù hợp với tốc độ thay đổi công suất . thanh kim lo i thì trong thanh kim lo i sẽ xuất hiện một sức điện động và tạo nên dòng điện xoay chiều. Nhiệt năng do dòng xoay chiều gây ra chính là nguồn nhiệt để nung nóng thanh kim lo i chảy qua van là 250A - Áp tối đa mà van chịu được lâu dài theo cả hai chiều là 600V - Thời gian phục hồi tính chất điều khiển của van là 7µs - Sụt áp thuận trên van ở dòng định mức là 2V Trang 11 . phép sẽ phá huỷ van. Do đó việc làm mát van là rất quan trọng. Tất cả các van đều được làm mát bằng nước, sự làm mát này nằm trong quá trình làm mát vật liệu sau khi ra khỏi lò. Trang 17 Đồ án