đề tài “thiết kế phần chỉnh lưu cho bộ nguồn lò nấu thép”

Đề tài “Thiết kế phần chỉnh lưu cho bộ nguồn lò nấu thép” Mục Lục 2.1. Chỉnh lưu cầu 3 pha đối xứng: 5 2.2. Chỉnh lưu cầu 3 pha không đối xứng: 7 3.1. Tính chọn van của bộ chỉnh lưu: 10 3.2. Tính toán cuộn kháng lọc: 11 3.3. Tính toán mạch bảo vệ cho van: 12 4.1. Nhiệm vụ của mạch điều khiển: 14 4.2. Yêu cầu của mạch điều khiển: 14 4.3. Sơ đồ khối của mạch điều khiển: 14 4.4. Thiết kế mạch điều khiển: 14 LỜI NÓI ĐẦU Đối với sinh viên ngành tự động hóa, điện tử công suất là một môn học chuyên ngành cực kỳ quan trọng nên việc học lý thuyết luôn gắn liền với thực hành. Để lắm bắt được lý thuyết và thấy được tầm quan trọng của lĩnh vực điện tử công suất, trong học kỳ này em nhận được đồ án điện tử công suất với đề tài: “Thiết kế phần chỉnh lưu cho bộ nguồn lò nấu thép” Đối với nền kinh thế của một nước, ngành luyện kim bao giờ cũng đóng mộtvai trò quan trọng. Nền kinh tế càng phát triển yêu cầu về nguyên vật liệu càng lớn. Để đáp ứng nhu cầu, con người đã thiết kế ra các loại lò nấu khác nhau có quy trình nấu đơn giản, hiệu suất cao. Một trong những loại lò nấu thép được sử dụng rộng rãi hiện nay là lò cảm ứng. Với sự cố gắng của bản thân, cùng với sự hướng dẫn, chỉ bảo tận tình của thầy giáo Tạ Duy Hà đã giúp em hoàn thành đồ án môn học này. Em xin chân thành cảm ơn! Hà Nội, tháng 6 năm 2010 Sinh viên thực hiện Phạm Thị Huệ Chương 1: GIỚI THIỆU CÔNG NGHỆ  Lò nấu thép (lò cảm ứng) thực hiện biến điện năng thành nhiệt năng theo nguyên lý cảm ứng điện từ. Lò cảm ứng được xây dựng dựa trện nguyện lý của một máy biến áp lõi không khí. Cuộn cảm được coi như cuộn sơ cấp, còn liệu kim loại chứa trong nồi lò được coi như cuộn thứ cấp. Khi ta cho dòng điện xoay chiều đi qua cuộn cảm ứng thì sẽ sinh ra từ thông biến thiên. Từ thông qua kim loại sinh ra một sức điện động cảm ứng. Kim loại ở đây coi như một cuôn dây khép kín và thẳng góc với từ thông biến thiên. Xuất hiện trong kim loại một dòng điện cảm ứng và năng lượng của dòng điện cảm ứng sinh ra một nhiệt lượng lớn để nung chảy kim loại. Như vậy khi lò làm việc thì xuất hiện 2 sức điện động cảm ứng trong cuộn cảm ứng E 1 và trong kim loại E 2 . Các vòng của cuộn cảm ứng có khoảng cách nhất định nện từ thông biến thiên bị mất mát lớn (từ thông tản ra ngoài không khí) do vậy sức điện động cảm ứng E 1 > E 2 . Vì vậy phía cung cấp vào cuộn cảm ứng một năng lượng lớn để tạo E 1 cao phù hợp với dung lượng lò, đồng thời tạo ra E 2 đủ lớn để làm nóng chảy liệu trong lò. Khi kim loại bị cảm ứng thì trong kim loại lập tức sinh ra từ thông chống lại từ thông do cuộn cảm ứng sinh ra, do đó chiều dòng điện I 1 ngựơc chiều với dòng Fucô I 2 . Nhờ có dòng điện Fucô I 2 tạo ra một lượng nhiệt đủ lớn để nấu chảy kim loại. Khi đưa dòng điện xoay chiều vào cuộn cảm ứng thì lập tức trong kim loại sinh ra dòng điện Fucô rất mạnh tạo ra nhiệt lượng lớn để nấu chảy kim loại.  Theo tần số làm việc của lò, có thể chia ra làm ba loại: Lò điện cảm ứng tần số công nghiệp f = 50Hz (hoặc 60Hz), Lò điện cảm tần số trung tần f = 500 ÷ 10.000 Hz và Lò cảm ứng tần số cao tần f = 10.000Hz. Lò điện cảm ứng trung tần: đây là loại lò có tần số làm việc nằm trung gian giữa lò điện cảm ứng tần số công nghiệp và lò cao tần. Nhiệt lượng cung cấp cho lò để nấu chảy kim loại với tốc độ nhanh, thích hợp với việc luyện thép các bon hoặc thép hợp kim trung bình và cao. CHƯƠNG 2: ĐỀ XUẤT CÁC PHƯƠNG ÁN TỔNG THỂ VÀ LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN TỐI ƯU Hiện nay thì các bộ chỉnh lưu dùng Tiristo ngày càng được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp. Bộ chỉnh lưu Tiristo với các ưu điểm: thiết bị gọn nhẹ, tác động nhanh, dễ tự động hoá và dễ điều khiển dòng, chi phí đầu tư rẻ, hiệu quả làm việc cao và ổn định. Do đó sử dụng bộ chỉnh lưu để thiết kế bộ nguồn cho lò nấu thép trung tần là phương án phù hợp với các tiêu chuẩn kinh tế và kỹ thuật. Đối với đề tài này với việc lò có công suất lớn thì có các phương án khả thi sau: + Chỉnh lưu cầu 3 pha đối xứng. + Chỉnh lưu cầu 3 pha không đối xứng. Sau đây ta sẽ phân tích từng sơ đồ: 2.1. Ch nh l u c u 3 pha i x ng:ỉ ư ầ đố ứ Sơ đồ: (với L d = ∞ ) Hình 2.1. Sơ đồ mạch chỉnh lưu cầu 3 pha đối xứng Sơ đồ gồm 2 nhóm van: T1,T3,T5 đấu chung kathode T2,T4,T6 đấu chung anode. Điện áp nguồn: θ sin2 2 UU a = ) 3 2 sin(2 2 Π −= θ UU b ) 3 4 sin(2 2 Π −= θ UU c Các van trong nhóm van lẻ thay nhau dẫn tạo nên điện áp U KC ở điểm đấu chung Kathode và điện áp U AC ở điểm đấu chung anode khi các van chẵn thay nhau dẫn. Từ 2 điện áp này suy ra điện áp ra là: U d =U KC -U AC Đồ thị dạng điện áp và dòng điện: Hình 2.2. Đồ thị dạng điện áp và dòng điện của sơ đồ chỉnh lưu cầu 3 pha đối xứng Giá trị trung bình của điện áp ra: 2 2 3 6 cos 2,34 .cos d U U U α α π = = Giá trị điện áp ngược lớn nhất đặt lên van: 2max 6UU ng = Giá trị dòng trung bình qua van: I T = I d /3 Công suất máy biến áp: S ba = 1,05P d Ưu điểm:  Chất lượng dòng đầu ra ổn định liên tục  Độ đập mạch nhỏ do vậy chất lượng điện áp cao.  U do = 2.34U 2 do đó nó có thể sử dụng ở điện áp khá cao.  Hệ số sử dụng máy biến áp cao, công suất máy biến áp gần bằng công suất tải. Nhược điểm:  Mạch điều khiển phức tạp do phải điều khiển đồng bộ các van với nhau.  Điện áp rơi trên van lớn hơn so với sơ đồ hình tia. 2.2. Ch nh l u c u 3 pha không i x ng:ỉ ư ầ đố ứ Sơ đồ: (với L d = ∞ ) Hình 2.3. Sơ đồ mạch chỉnh lưu cầu 3 pha không đối xứng Sơ đồ này gồm 2 nhóm van: T1, T2, T3 đấu chung kathode. D1, D2, D3 đấu chung anode. Trong sơ đồ này, các diode chuyển mạch tự nhiên còn các Tiristo chuyển mạch tại các góc điều khiển α. Khi góc α < 60 0 thì điện áp U d luôn lớn hơn 0, nhưng khi α > 60 0 thì có giai đoạn 2 van thẳng hàng cùng dẫn, khi đó dòng không được trả về nguồn mà chạy quẩn trong tải nên U d = 0. Điện áp trung bình ra tải: 2 1 os 2,34 . 2 d c U U α + = Giá trị trung bình của dòng chảy qua diode và Tiristo: I T = I D = 3 d I Điện áp ngược lớn nhất đặt trên van: U ngmax = 6 U 2 . Nhận xét: Sơ đồ chỉnh lưu cầu 3 pha không đối xứng có những ưu nhược điểm của sơ đồ cầu như chỉnh lưu cầu 3 pha đối xứng. Khi so sánh với chỉnh lưu cầu 3 pha đối xứng nó có ưu nhược điểm sau: Ưu điểm:  Điều khiển đơn giản hơn vì chỉ có 3 Tiristo.  Hệ số công suất cos ϕ cao hơn. Nhược điểm:  Khi góc điều khiển α > 60 0 thì có đoạn điện áp bằng không, do đó không có lợi cho tải và làm xuất hiện thành phần sóng bậc cao. Đồ thị dạng điện áp và dòng điện: Hình 2.4.Đồ thị dạng điện áp và dòng điện của sơ đồ chỉnh lưu cầu 3 pha không đối xứng Kết luận: Từ phân tích trên ta thấy cả hai sơ đồ chỉnh lưu cầu 3 pha đối xứng và không đối xứng đều có chất lượng điện áp ra rất tốt. Sơ đồ chỉnh lưu cầu 3 pha không đối xứng tuy điều khiển đơn giản hơn nhưng độ nhấp nhô điện áp lớn khi góc điều khiển α lớn, không phù hợp với yêu cầu. Với lò nấu thép cảm ứng, để nấu chảy kim loại nhanh cần có công suất lớn, chất lượng dòng điện đầu ra phải liên tục, mặt khác trong các giai đoạn nấu luyện lại cần thiết công suất điện với mức độ khác nhau. Do vậy bộ chỉnh lưu thích hợp cho thiết bị này hơn cả là chỉnh lưu cầu ba pha điều khiển hoàn toàn. CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN THIẾT KẾ MẠCH LỰC Ta có các thông số: − Công suất tải: P t = 750 (kW) − Điện áp trên vòng cảm ứng 1500 (V) − Tần số làm việc: f = 1 (kHz) − Hệ số công suất tải: cosφ đm = 0,04 Giả sử thời gian phục hồi tính chất điều khiển của van là t k = 50,5 ( µ s). Tụ C phải có công suất đủ lớn để bù hết công suất phản kháng của tải và tạo ra góc min β > β . Chọn: (Với:β là góc khóa của nghịch lưu) Ta có U d = 750.cosβ = 500(V)  Do điện áp ra của bộ chỉnh lưu là : U d = 500 V mà điện áp của nguồn cấp là nên ta không cần dùng máy biến áp. 3.1. Tính ch n van c a b ch nh l u:ọ ủ ộ ỉ ư  Các thông số của bộ chỉnh lưu: − Do mỗi van chỉ làm việc trong 1/3 chu kỳ nên dòng trung bình qua van là: Trong lò nấu thép ta sử dụng phương pháp làm mát van bằng nước nên chọn hệ số dự trữ dòng điện k I = 1,6. Do đó ta chọn van có: − Điện áp ngược lớn nhất đặt lên van tính đến trường hợp điện áp nguồn lên cao nhất, hơn 10 % định mức là : Với việc làm mát bằng nước thì ta chọn hệ số dự trữ quá áp là k U = 1,6. Do đó ta có điện áp của van cần chọn là : [...]... − Chọn R11=15kΩ  Chọn R12 = R14 = 1 (kΩ)  Chọn diode loại PMDB914 4.4.7 Nguồn cung cấp cho mạch điều khiển: Trong mạch điều khiển ta đã sử dụng nguồn cung cấp cho OPAM và nguồn DC cho mạch đồng bộ, mạch tạo răng cưa, mạch khuếch đại xung Sau đây ta sẽ thiết kế các mạch nguồn trên 4.4.7.1 Nguồn ± 12 V:  Với nguồn cung cấp cho OPAM là ± 12V ta chọn hai IC LM7812C và LM7912 có I cp = 1,5 (A)  Để chất... dòng điện trong lò nấu thép bị giảm đi, khi đó điện áp trên BI cũng giảm theo qua bộ chỉnh lưu cầu và lọc thành điện áp một chiều chính là điện áp phản hồi Uph Uph này cũng giảm xuống, mà Uđk = Ucn – Uph do đó Uđk tăng lên làm góc α giảm, mà Ud = Ud0.cosα nên điện áp sau bộ chỉnh lưu U d tăng lên và dòng Id cũng tăng lên Do vậy mà dòng điện trong lò nấu thép cũng tăng lên giúp cho lò làm việc ổn định... Hình 4.8 Sơ đồ bộ nguồn ± 12 V 4.4.7.2 Nguồn +15 V:  Với các nguồn DC cung cấp ta dùng nguồn +15 V  Với nguồn cung cấp là 15V ta chọn các IC LM7815C  Các diode và tụ chọn như trên LM7815C GND IN OUT Hình 4.9 Sơ đồ bộ nguồn +15 V 4.4.8 Bộ tạo luật điều khiển: 4.4.8.1 Chức năng:  Lấy tín hiệu từ tải phản hồi về để đưa ra 1 tín hiệu điều khiển thích hợp 4.4.8.2 Nguyên lý: Hình 4.10 Sơ đồ bộ tạo luật... Tính toán cuộn kháng lọc: Cuộn kháng lọc có tác dụng san phẳng dòng , cải thiện hệ số đập mạch của mạch chỉnh lưu Hiệu quả của bộ lọc được đánh giá qua hệ số san bằng Trong đó: – hệ số đập mạch đầu vào của sơ đồ chỉnh lưu trước bộ lọc – hệ số đập mạc đầu ra, đặc trưng cho khả năng giảm độ đập mạch của bộ lọc Do tải công suất lớn, điện trở nhỏ nên rất thích hợp với lọc điện cảm Trị số điện cảm L ( ) càng... điện áp chỉnh lưu trong một chu kỳ điện áp nguồn xoay chiều mđm = 6 là tần số góc của điện áp xoay chiều này Với mạch chỉnh lưu câu 3 pha, hệ số đập mạch vào k đmv = 0,057 Chọn hệ số đập mạch ra k đmr = 0,01 Điện trở tải: Như vậy giá trị điện cảm lọc cần thiết là: Hay L = 1,008 mH 3.3 Tính toán mạch bảo vệ cho van:  Trên thực tế quá áp gây hỏng van có hai dạng đó là: quá áp về biên độ vượt trị số cho. .. -1).R1 (với E là nguồn cung cấp cho đầu U0 VR1 U0 vào đảo) Chọn E = 15V suy ra R2 = 24R1 − Chọn R1 = 1 (kΩ), R2 = 24 (kΩ)  Chọn khuếch đại thuật toán: − Ta chọn loại LM301A có các thông số sau: du/dt = 10 (V/μs) Iramax =1 (A) Điện áp rơi là 1,9 (V) Zra = 75 (Ω) Zvao = 2 (MΩ) − Chọn nguồn cung cấp cho OPAM là 12V Do đóUbh = 12-1,9 = 10,1 (V)  Chọn Diode: − Ta cóU2=5(V) nên điện áp chỉnh lưu 2 nửa chu... đồ bộ tạo luật điều khiển +15V  Do dòng điện của lò nấu thép là rất lớn nên ta cần dùng biến dòng BI để giảm dòng điện đồng thời cũng làm nhiệm vụ cách ly giữa mạch lực và mạch điều khiển  Vì mạch phản hồi chỉ làm việc với tín hiệu một chiều nên sau BI ta sẽ dùng mạch chỉnh lưu cầu để biến tín hiệu xoay chiều thành tín hiệu một chiều  Sau mạch chỉnh lưu ta dùng thêm tụ để lọc  Để đưa ra tín hiệu... chọn như sau: R = 10 ÷ 20 Ω/100W; C = 1μF/1000V Hình 2.2 Sơ đồ bộ chỉnh lưu cầu 3 pha đối xứng cùng các thiết bị bảo vệ CHƯƠNG4: THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN 4.1 Nhiệm vụ của mạch điều khiển:  Phát xung điều khiển cho các van đúng thời điểm và đúng góc α cần thiết  Dạng xung để điều khiển van là xung chùm  Đảm bảo phân phối xung điều khiển cấp cho các van đúng thời điểm, không để xảy ra ngắn mạch sự cố... thấp  Cách ly hoàn toàn về điện giữa mạch điều khiển với mạch lực nên đảm bảo an toàn cho người sử dụng cũng như các linh kiện điều khiển 4.4.1.2 Nguyên lý: Hình 4.2 Sơ đồ và dạng điện áp ra của khâu đồng pha và tạo điện áp đồng bộ  Khâu điện áp đồng pha Udf thực chất là mạch chỉnh lưu diode hình tia 2 pha  Khâu đồng bộ thực hiện bằng khuếch đại thuật toán OP1 − Điện áp đồng pha được đưa vào cửa dương... hiện yêu cầu về bảo vệ chỉnh lưu từ phía điều khiển (ngắt xung khi có sự cố ngắn mạch tải, khi có chạm điện cực) 4.3 Sơ đồ khối của mạch điều khiển: Hình 4.1 Sơ đồ khối của mạch điều khiển 4.4 Thiết kế mạch điều khiển: 4.4.1 Khâu đồng pha và tạo điện áp đồng bộ: 4.4.1.1 Chức năng:  Khâu này phải tạo ra 1 điện áp có góc lệch pha cố định với điện áp đặt lên van lực, phù hợp nhất cho mục đích này là biến . Đề tài “Thiết kế phần chỉnh lưu cho bộ nguồn lò nấu thép” Mục Lục 2.1. Chỉnh lưu cầu 3 pha đối xứng: 5 2.2. Chỉnh lưu cầu 3 pha không đối xứng: 7 3.1. Tính chọn van của bộ chỉnh lưu: 10 3.2 công suất, trong học kỳ này em nhận được đồ án điện tử công suất với đề tài: “Thiết kế phần chỉnh lưu cho bộ nguồn lò nấu thép” Đối với nền kinh thế của một nước, ngành luyện kim bao giờ cũng. định. Do đó sử dụng bộ chỉnh lưu để thiết kế bộ nguồn cho lò nấu thép trung tần là phương án phù hợp với các tiêu chuẩn kinh tế và kỹ thuật. Đối với đề tài này với việc lò có công suất lớn thì