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

Để lắm bắt được lý thuyết vàthấy 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 ngu

Đề tài “Thiết kế phần chỉnh lưu cho bộ nguồn

lò nấu thép”

Mục Lục

Chương 1: 6

CHƯƠNG 2: ĐỀ XUẤT CÁC PHƯƠNG ÁN TỔNG THỂ VÀ LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN TỐI ƯU 7

2.1 Chỉnh lưu cầu 3 pha đối xứng: 7

2.2 Chỉnh lưu cầu 3 pha không đối xứng: 9

CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN THIẾT KẾ MẠCH LỰC 12

3.1 Tính chọn van của bộ chỉnh lưu: 12

3.2 Tính toán cuộn kháng lọc: 13

3.3 Tính toán mạch bảo vệ cho van: 14

CHƯƠNG4: THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN 15

4.1 Nhiệm vụ của mạch điều khiển: 15

 Phát xung điều khiển cho các van đúng thời điểm và đúng góc  cần thiết 15  Dạng xung để điều khiển van là xung chùm 15

 Đảm bảo phân phối xung điều khiển cấp cho các van đúng thời điểm, không để xảy ra ngắn mạch sự cố có thể phá hủy van 15

 Phát xung điều khiển có tần số lớn và có thể khuếch đại công suất xung điều khiển để đảm bảo đủ dòng mở cho van 15

4.2 Yêu cầu của mạch điều khiển: 15

 Đảm bảo phạm vi điều chỉnh trong khoảng  min  max và tính đối xứng của xung điều khiển (các van có sai lệch giá trị  < 10  30) 15

 Có khả năng chống nhiễu tốt 15

 Cách ly giữa mạch lực và mạch điều khiển 15

 Có độ tác động nhanh 15

 Thực 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) 15

4.3 Sơ đồ khối của mạch điều khiển: 15

15

Hình 4.1 Sơ đồ khối của mạch điều khiển 15

4.4 Thiết kế mạch điều khiển: 15

4.4.1 Khâu đồng pha và tạo điện áp đồng bộ: 15

4.4.1.1 Chức năng: 15

 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 áp 15

 Chuyển đổi điện áp lực có giá trị cao sang giá trị phù hợp với điện áp điều khiển có giá trị thấp 16

 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 16

4.4.1.2 Nguyên lý: 16

Hình 4.5 Sơ đồ và dạng điện áp ra của khâu tạo xung chùm 19

Hình 4.6 Sơ đồ và dạng điện áp ra của bộ trộn xung 20

4.4.6 Khâu khuếch đại xung: 21

4.4.6.1 Chức năng: 21

 Khuếch đại xung có nhiệm vụ tăng công suất xung do khâu tạo dạng xung hình thành đủ mạnh để mở van lực 21

4.4.6.2 Nguyên lý: 21

21

Hình 4.7 Sơ đồ khâu khuếch đại xung 21

LỜI NÓI ĐẦU

Đối với sinh viên ngành tự động hóa, điện tử công suất là một môn học chuyên ngành cực kỳquan trọng nên việc học lý thuyết luôn gắn liền với thực hành Để lắm bắt được lý thuyết vàthấy 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 quantrọng 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 máybiến áp lõi không khí Cuộn cảm được coi như cuộn sơ cấp, còn liệu kim loạichứa trong nồi lò được coi như cuộn thứ cấp Khi ta cho dòng điện xoay chiều điqua 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 vàthẳng góc với từ thông biến thiên Xuất hiện trong kim loại một dòng điện cảmứng và năng lượng của dòng điện cảm ứng sinh ra một nhiệt lượng lớn để nungchảy kim loại Như vậy khi lò làm việc thì xuất hiện 2 sức điện động cảm ứngtrong cuộn cảm ứng E1 và trong kim loại E2 Các vòng của cuộn cảm ứng cókhoảng cách nhất định nện từ thông biến thiên bị mất mát lớn (từ thông tản rangoài không khí) do vậy sức điện động cảm ứng E1 > E2 Vì vậy phía cung cấpvào cuộn cảm ứng một năng lượng lớn để tạo E1 cao phù hợp với dung lượng lò,đồng thời tạo ra E2 đủ lớn để làm nóng chảy liệu trong lò Khi kim loại bị cảmứng thì trong kim loại lập tức sinh ra từ thông chống lại từ thông do cuộn cảmứng sinh ra, do đó chiều dòng điện I1 ngựơc chiều với dòng Fucô I2 Nhờ có dòngđiện Fucô I2 tạo ra một lượng nhiệt đủ lớn để nấu chảy kim loại Khi đưa dòngđiện xoay chiều vào cuộn cảm ứng thì lập tức trong kim loại sinh ra dòng điệnFucô 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 sốcông 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 trungtần: đây là loại lò có tần số làm việc nằm trung gian giữa lò điện cảm ứng tần sốcông nghiệp và lò cao tần Nhiệt lượng cung cấp cho lò để nấu chảy kim loại vớitốc 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 côngnghiệp Bộ chỉnh lưu Tiristo với các ưu điểm: thiết bị gọn nhẹ, tác động nhanh, dễ tự độnghoá và dễ điều khiển dòng, chi phí đầu tư rẻ, hiệu quả làm việc cao và ổn định Do đó sửdụng bộ chỉnh lưu để thiết kế bộ nguồn cho lò nấu thép trung tần là phương án phù hợp vớicác 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 ỉnh lưu cầu 3 pha đối xứng: ưu cầu 3 pha đối xứng: ầu 3 pha đối xứng: đối xứng: ứng:i x ng:

Sơ đồ: (với Ld = )

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: U a  2U2sin 

)

3

2 sin(

U c

Các van trong nhóm van lẻ thay nhau dẫn tạo nên điện áp UKC ở điểm đấu chung Kathode

và điện áp UAC ở điểm đấu chung anode khi các van chẵn thay nhau dẫn Từ 2 điện áp nàysuy ra điện áp ra là: Ud=UKC-UAC

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:

 Chất lượng dòng đầu ra ổn định liên tục

 Độ đập mạch nhỏ do vậy chất lượng điện áp cao

 Udo = 2.34U2 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 ỉnh lưu cầu 3 pha đối xứng: ưu cầu 3 pha đối xứng: ầu 3 pha đối xứng: đối xứng: ứng:i x ng:

Sơ đồ: (với Ld = )

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 cácgóc điều khiển α Khi góc α < 600 thì điện áp Ud luôn lớn hơn 0, nhưng khi α > 600 thì có giaiđoạn 2 van thẳng hàng cùng dẫn, khi đó dòng không được trả về nguồn mà chạy quẩn trongtải nên Ud = 0

Điện áp trung bình ra tải:

Ưu điểm:

 Điều khiển đơn giản hơn vì chỉ có 3 Tiristo.

 Hệ số công suất cos cao hơn

Nhược điểm:

 Khi góc điều khiển α > 600 thì có đoạn điện áp bằng không, do đó không có lợicho 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 tuyđiều khiển đơn giản hơn nhưng độ nhấp nhô điện áp lớn khi góc điều khiển α lớn, không phùhợp 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: Pt = 750 (kW)

 Điện áp trên vòng cảm ứng 1500 (V)

 Tần số làm việc: f = 1 (kHz)

 Hệ số công suất tải: cosφđm = 0,04

Giả sử thời gian phục hồi tính chất điều khiển của van là tk = 50,5 (s) Tụ C phải cócông suất đủ lớn để bù hết công suất phản kháng của tải và tạo ra góc   min Chọn:

(Với:β là góc khóa của nghịch lưu)

Ta có Ud = 750.cosβ = 500(V)

 Do điện áp ra của bộ chỉnh lưu là : Ud = 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:ọn van của bộ chỉnh lưu: ủa bộ chỉnh lưu: ộ chỉnh lưu: ỉnh lưu cầu 3 pha đối xứng: ưu cầu 3 pha đối xứng:

 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 trữdòng điện kI = 1,6 Do đó ta chọn van có:

 Điện áp ngược lớn nhất đặt lên van tính đến trường hợp điện áp nguồn lên caonhất, hơn 10 % định mức là :

Với việc làm mát bằng nước thì ta chọn hệ số dự trữ quá áp là kU = 1,6 Do đó ta có điện ápcủa van cần chọn là :

 Từ các thông số đã tính toán ở trên ta chọn đồng loạt 6 Thyristor loại KP do TrungQuốc sản xuất có thông số như sau :

 Ký hiệu: KP 1000A/2500V

 Điện áp ngược cực đại Un = 2500 (V)

 Dòng điện làm việc cực đại Iđm = 1000 (A)

 Dòng điện xung điều khiển = 150 (mA)

 Điện áp xung điều khiển = 3 (V)

 Đạo hàm điện áp dU/dt =1000 (V/s)

3.2 Tính toán cu n kháng l c:ộ chỉnh lưu: ọn van của bộ chỉnh lưu:

Cuộn kháng lọc có tác dụng san phẳng dòng , cải thiện hệ số đập mạch của mạch chỉnhlưu 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 lớn so với thì lọc càng tốt

Điện cảm L được tính theo công thức:

Trong đó:

Rd là tổng tất cả các điện trở tải có thể coi

Mđm là số lần đập mạch của điện áp chỉnh lưu trong một chu kỳ điện áp nguồn xoaychiều mđm = 6

là tần số góc của điện áp xoay chiều này

Với mạch chỉnh lưu câu 3 pha, hệ số đập mạch vào kđmv = 0,057 Chọn hệ số đập mạch ra kđmr

= 0,01

Điện trở tải:

Như vậy giá trị điện cảm lọc cần thiết là:

Hay L = 1,008 mH

3.3 Tính toán m ch b o v cho van:ạch bảo vệ cho van: ảo vệ cho van: ệ cho van:

 Trên thực tế quá áp gây hỏng van có hai dạng đó là: quá áp về biên độ vượt trị số chophép của van và quá tốc độ tăng áp thuận đặt lên van Để bảo vệ quá áp ta sử dụng mạch RCmắc song song các van

 Việc tính toán các phần tử này khá phức tạp nên ta thực hiện theo phương pháp kinhnghiệm Và có một số điểm cần lưu ý với phương pháp kinh nghiệm như sau:

- R2 thường nằm trong khoảng vài chục đến 100 (Ω))

- C2 thường nằm trong khoảng 0,1 ÷ 2 (μF)F)

- Dòng điện lớn thì chọn điện trở nhỏ và tụ lớn, ngược lại nếu dòng điện nhỏ thìchọn tụ nhỏ và trở lớn

 Do Id = 1500 (A) nên dòng lớn do đó ta chọn như sau:

R = 10 ÷ 20 Ω)/100W; C = 1μF)F/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 Nhi m v c a m ch i u khi n:ệ cho van: ụ của mạch điều khiển: ủa bộ chỉnh lưu: ạch bảo vệ cho van: đ ều khiển: ển:

 Phát xung điều khiển cho các van đúng thời điểm và đúng góc 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 rangắn mạch sự cố có thể phá hủy van

 Phát xung điều khiển có tần số lớn và có thể khuếch đại công suất xung điều khiển đểđảm bảo đủ dòng mở cho van

4.2 Yêu c u c a m ch i u khi n:ầu 3 pha đối xứng: ủa bộ chỉnh lưu: ạch bảo vệ cho van: đ ều khiển: ển:

 Đảm bảo phạm vi điều chỉnh trong khoảng  min  max và tính đối xứng của xungđiều khiển (các van có sai lệch giá trị  < 10 30)

 Đảm bảo mạch hoạt động ổn định và tin cậy khi lưới điện xoay chiều dao động cả vềgiá trị điện áp và tần số

4.3 S ơ đồ khối của mạch điều khiển: đồ khối của mạch điều khiển: kh i c a m ch i u khi n:ối xứng: ủa bộ chỉnh lưu: ạch bảo vệ cho van: đ ều khiển: ển:

Hình 4.1 Sơ đồ khối của mạch điều khiển

4.4 Thi t k m ch i u khi n:ết kế mạch điều khiển: ết kế mạch điều khiển: ạch bảo vệ cho van: đ ều khiển: ển:

4.4.1 Khâu đồng pha và tạo điện áp đồng bộ:

 Cách ly hoàn toàn về điện giữa mạch điều khiển với mạch lực nên đảm bảo an toàncho 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 của khuếch đại thuật toán

 Điện áp đưa vào cửa âm của khuếch đại thuật toán là 0 1

VR R VR

 suy ra R2 = (

 Chọn khuếch đại thuật toán:

 Ta chọn loại LM301A có các thông số sau:

 Ta cóU2=5(V) nên điện áp chỉnh lưu 2 nửa chu kỳ trung bình Ud=0,9U2=4,5V

 Dòng trung bình qua diode là Iv = ki

 Điện áp ngược đặt lên van: Ungmax = ku.2 2 U2 = 22,6 (V)

(ki và ku là hệ số dự trữ dòng điện và điện áp,lấy ki = 3 và ku = 1,6)

Hình 4.3 Sơ đồ và dạng điện áp ra của khâu tạo điện áp răng cưa

 Khi Udb<0, nếu chọn R3<< (R4+VR2) thì ta có thể coi như nhánh trên không tham gia

3

3 1

độ dốc cao cho đên UZ1 thì ngừng

 Khi Udb>0, D3 khoá lại chỉ còn nguồn E tham gia vào mạch, tương tự điện áp giảm

tuyến tính theo phương trình 1

(Đoạn Udb<0 càng ngắn thì dạng Urc càng giống tam giác vuông.)

4.4.2.3 Tính toán:

 Chọn Diode và OPAM:

 Theo trên,ta có đoạn mà điện áp đồng bộ âm tương ứng với góc 100,hay đoạn điện

áp đồng bộ âm tương ứng với thời gian : 10

180.0,01 = 5,6.10

-4s =0,56 (ms)

 Chọn diode loại PMDB914 và OPAM loại LM301A như trên

 Nguồn cung cấp cho OPAM là 12 (V)

 Chọn diode Zener BZX284-B10 có UZ =10 (V)

 Tính chọn R3, R4, VR2, C1:

 Khi điện áp Udb âm thì Ura tăng tuyến tính đến giá trị của diode Zener và khi Udb

dương thì Ura giảm tuyến tính Ta sẽ chọn C, R4+VR2 sao cho quá trình giảm này sẽ giảm về 0khi Udb chuyển trạng thái từ dương sang âm

 Đoạn Udb dương tương ứng với 1700 điện tức là T = 170

 So sánh 2 điện áp răng cưa và điện áp điều khiển với nhau

 Điểm cân bằng giữa chúng chính là điểm xác định góc

4.4.3.2 Nguyên lý:

Hình 4.4 Sơ đồ và dạng điện áp ra của khâu so sánh

 Điện áp Urc và Udk lần lượt được đưa vào đầu vào đảo và đầu vào không đảo củakhuếch đại thuật toán

 Khi Urc>Udk thì điện áp ra là âm bão hoà

 Khi Urc<Udk thì điện áp ra là dương bão hoà

 Diode làm cho điện áp ra không có đoạn âm trên

4.4.3.3 Tính toán:

 Khuếch đại thuật toán chọn loại LM301A như trên nguồn cung cấp 12V

 Diode được chọn giống như trên

4.4.4 Khâu tạo xung chùm:

4.4.4.1 Chức năng:

 Xung chùm có ưu điểm là dễ dàng truyền xung và cách ly cùng lúc

4.4.4.2 Nguyên lý:

Hình 4.5 Sơ đồ và dạng điện áp ra của khâu tạo xung chùm

 OPAM được sử dụng như bộ so sánh 2 cửa Tụ điện cần được tích điện ban đầu

 Tụ liên tục phóng nạp và OPAM đảo trạng thái liên tục