Đồ án: Điện tử công suất ppt

Đồ án : Điện Tử Công Suất SV: Hoàng Ngọc Tú GVHD: Đặng Xuân Quyền Đồ án: Điện tử công suất 1 Đồ án : Điện Tử Công Suất SV: Hoàng Ngọc Tú GVHD: Đặng Xuân Quyền Mục Lục Lời nói đầu………………………………………………………………. Chương 1:Giới thiệu công nghệ và yêu cầu kỹ thuật…… I. Tìm hiểu về lò nấu thép…………………………………………… II. Tìm hiểu về đề tài………………………………………………… Chương 2: Đề xuất phương án và lựa chọn mạch lực… I. Phương án mạch lực……………………………………………… II. Tính toán lựa chọn van…………………………………………… Chương 3: Mạch điều khiển…………………………………… I. Nguyên lý điều khiển……………………………………………… II. Thiết kế mạch điều khiển Chương 4: Kết quả mô phỏng………………………………… Tài liệu tham khảo……………………………………………………. 2 Đồ án : Điện Tử Công Suất SV: Hoàng Ngọc Tú GVHD: Đặng Xuân Quyền Lời Nói Đầu Trong sự phát triển từng ngày của thế giới, trên từng lĩnh vực của cuộc sống, như nông nghiệp,du lịch, điện tử, công nghệ thông tin…Ngành công nghiệp nặng chiếm một vị trí hết sức quan trọng, là tiền đề của các công trình lớn, của sự phát triển cơ sở hạ tầng. Ngày nay, đã và đang đánh dấu những thành quả to lớn của ngành công nghiệp: như đóng tầu, sản xuất ôtô, luyện kim… Trong đó luyện kim chiếm vai trò quan trọng, nó tạo ra rất nhiều nguyên liệu cho các ngành khác sử dụng. Để tìm hiểu thêm về vấn đề này, Dưới đây là một số trình bày về ngành luyện thép và nguyên lý hoạt động của nó. Trong đề tài, có sự tham gia của hai sinh viên Hoàng Ngọc Tú và Đặng xuân quyền với sự giúp đỡ của thầy. Thiếu sót của báo cáo là không thể tránh khỏi, chúng tôi xin chân thành cảm ơn và chân trọng những ý kiến dóng góp và phê bình của các bạn, để đề tài này được hoàn thiện hơn… CHƯƠNG 1.GIỚI THIỆU CHUNG VỀ LÒ NẤU THÉP I.Tìm hiểu về lò nấu thép 3 Đồ án : Điện Tử Công Suất SV: Hoàng Ngọc Tú GVHD: Đặng Xuân Quyền - Ngành luyện kim ra đời từ rất lâu, sản phẩm của nó đáp ứng được nhu cầu trong moi lĩnh vực. Trong thời gian đầu, các phưong pháp luyện thép cổ điển như: lò cao, lò Mactanh đây là những loại lò dùng nhiên liệu đốt như củi than… Ngày nay, với sự sử dụng rộng rãi của điện năng thì phương pháp nấu luyện thép bằng điện chiếm ưu thế. - Nấu luyện thép bằng lò điện là phương pháp nhanh nhất, mang lại hiệu quả kinh tế cao vì phương pháp này biến đổi điện năng thành nhiệt năng. - Điều chỉnh nhiệt độ dễ dàng, khả năng tự động hoá cao và có khả năng luyện, nấu được nhiều loại thép khác nhau, dùng cho mục đích khác nhau. - Ít gây ô nhiễm môi trường. - Có các loại lò phổ biến sau: lò hồ quang, lò điện trở, lò cảm ứng. - Trong các loại lò điện trên thì lò cảm ứng có các ưu điểm nổi trội hơn cả. - Nấu chảy được kim loại sạch nhất, vận hành đơn giản và có thể nấu chảy trong chân không hay trong môi trường đặc biệt. So với lò điện trở và lò hồ quang thì hiệu quả nhiệt của lò điện cảm ứng là 80% so với 60%-75% của 2 lò kia và hiệu suât nhiệt lên tới 96%. - Tuy nhiên lò cảm ứng có hệ số công suất giảm khi điện trở của vật liệu giảm và để tăng nhiệt số này thường người ta mắc các tụ điện song song với lò. Nhiệt độ của xỉ thấp cho nên khó có thể tinh luyện thép. - Một điểm chú ý trong lò điện cảm ứng là tần số lò càng cao khi khối lượng phối liệu nấu trong nòi mẻ thấp: - 500 000Hz đối với lò nhỏ, nấu thí nghiệm 10g - 100g. - 8000Hz - 4000Hz đối với lò thí nghiệm nấu vài kg. - 2000Hz đối với lò công nghiệp nhỏ, một mẻ 50 kg - 500kg. - 1000Hz đối với lò một mẻ 250kg-2000kg. - 50Hz (tần số công nghiệp) với các lò nấu lớn trong công nghiệp Nói riêng về lò cảm ứng 4 Đồ án : Điện Tử Công Suất SV: Hoàng Ngọc Tú GVHD: Đặng Xuân Quyền - Lò cảm ứng Theo ứng dụng có thể chia làm 2 loại là: lò có lõi sắt và không có lõi sắt. - Loại lò có lõi sắt ở giữa: xuất hiện sức điện động hỗ cảm vào nguyên liệu rắn: E 2 = 4,44.f.W 2 . φ .10 -8 f : tần số (Hz), chu kỳ (s) W2 : số vòng cuộn dây thứ cấp φ : từ thông sinh ra ở lõi sắt (Wb) - Nhờ dòng xoay chiều gây ra cho từ trường nam châm của lõi sắt mà kim loại rắn được nung nóng dần, cuối cùng chảy vào rãnh và có thể lấy ra ngoài. Loại này ít thông dụng vì năng suất không cao, xỉ luôn luôn bị nguội. - Loại không có lõi sắt rất thông dụng hiện nay: Đặc điểm của loại lò này là từ trường từ cuộn dây cảm ứng được dẫn thẳng vào kim loại. Tại đây sinh ra dòng điện hỗ cảm có cường độ không đều trên dây đồng. Mật độ dòng điện tập trung ở mặt ngoài dây, ở giữa giảm dần. Cấu tạo của lò Gồm hai bộ phận chính là vòng cảm ứng và nồi lò: - Vòng cảm ứng làm bằng đồng hoặc ống sắt dẹt. Vì dòng qua vòng cảm ứng cỡ hàng ngàn ampe nên tổn hao điện chiếm tới 25 ÷30% công suất hữu ích của thiết bị. Do vậy cần làm mát vòng cảm ứng. Làm mát bằng không khí cho phép mật độ dòng điện 2 ÷ 5A/mm2. Làm mát bằng nước trong vòng cảm ứng rỗng cho phép dòng điện tới 50 ÷ 70A/mm2. - Nồi lò làm bằng vật liệu chịu lửa. II.Tìm hiểu về tải 1.Đặc tính tải trong quá trình nấu thép - Tải lò nấu thép là tải có tính cảm kháng.Đầu tiên ta dễ nhận thấy tải phụ thuộc nhiệt độ theo công thức: Rt = R0 *(1 + α *t) - Tải lò nấu thép là tải có tính biến động, thông qua đồ thị dưới: 5 Đồ án : Điện Tử Công Suất SV: Hoàng Ngọc Tú GVHD: Đặng Xuân Quyền Hình 1.1: Đồ thị tính biến động của tải lò Μ : là độ từ thẩm của thép Ρ : là suất điện trở của thép(Ωcm) - Nhận thấy khi nhiệt độ khoảng 800-9000c thì tải mất tính cảm kháng chỉ còn tính thuần trở (do μ giảm mạnh ,còn ρ tăng mạnh). - Tải lò nấu thép là tải ngắn mạch , nên nguồn cấp cho tải phải làm việc ở chế độ ngắn mạch, do đó ta chọn nguồn cấp cho tải là nghịch lưu nguồn dòng. 2.Quan hệ f,p,U - Nhiệt đốt nóng kim lọai được tính theo công thức: W= I 1 2 .n 2 . π 2 . h d . 9 10 − fp µ (W) Trong đó: I 1 : dòng điện trong cuộn cảm ứng (A) n : số vòng dây cuộn cảm ứng d : đường kính trong lò h : chiều cao mẻ liệu (cm) I 1 .n : số ampe vòng Từ công thức trên ta thấy: - Năng lượng biến thành điện năng ở trong mẻ liệu tỉ lệ thuận với bình phương ampe vòng, tức tỉ lệ với cường độ từ trường và căn bình phương điện trở riêng và tần số. W nhiệt ≈ H 2 ≈ I 2 W nhiệt ≈ f - Như vậy để tăng lượng nhiệt cung cấp cho vật liệu có thể tăng cường độ dòng điện hoặc tần số. Nhưng trong thực tế không thể tăng dòng điện lên 6 Đồ án : Điện Tử Công Suất SV: Hoàng Ngọc Tú GVHD: Đặng Xuân Quyền mãi vì dây phải rất lớn và quá nóng, có thể nóng chảy (dù có nước làm mát). - Thường dùng phương pháp tăng tần số, do vậy lò cảm ứng còn gọi là lò cao tần. - Mặt khác tần số còn ảnh hưởng đến kích thước của cục nguyên liệu. Năng lượng truyền từ nguồn điện (tần số), qua vòng cảm ứng, biến đổi thành năng lượng trường điện từ. Trong vật gia nhiệt điện năng dòng xoáy cảm ứng được chuyển thành nhiệt năng. Khi truyền sâu trong kim loại, độ lớn của các vectơ E, H (hai thành phần của trường điện từ) bị giảm dần và năng lượng trường điện từ cũng giảm dần (theo độ sâu truyền z). Độ sâu thẩm thấu: f p a . .503 2 µµγω δ == (m) Trong đó: ω : tần số (rad) a µ = 0 . µµ : hệ số từ thẩm tuyệt đối của kim loại. µ : hệ số từ thẩm tương đối của kim loại 0 µ 0 μ = 4. µ .10 -7 H/m : hệ số từ thẩm chân không ρ γ = p 1 : điện dẫn của kim loại - Tính toán và thực tế cho thấy khi z = δ thì 0,864 phần năng lượng điện từ có ở bề mặt kim loại bị tiêu tán để đốt nóng lớp kim loại dày δ, còn 0.316 phần năng lượng tiếp tục truyền sâu vào lớp kim loại bên trong. Tần số càng lớn thì δ càng nhỏ và năng lượng điện từ càng tập trung đốt nóng ở lớp mặt ngoài của kim loại. Do đó để giảm năng lượng điện mất mát trên một tấm kim loại và quá trình nấu chảy nguyên vật liệu cần thiết phải tính toán một cách hợp lý và tỉ mỉ những kích thước cục nguyên liệu và chất khít chặt với tần số tương ứng. - Để có hiệu suất nấu chảy kim loại cao, khi tần số càng lớn thì kích thước cục nguyên liệu càng phải nhỏ, còn đối với tần số thấp hơn kích thước cục nguyên liệu có thể to hơn. Ví dụ: Tần số (Hz) Kích thước cục nguyên liệu (mm) 7 Đồ án : Điện Tử Công Suất SV: Hoàng Ngọc Tú GVHD: Đặng Xuân Quyền 500 ≥ 20 1000 10 10000 5 - Nếu khi tấn số rất lớn hơn nữa thì kích thước cục nguyên liệu nhỏ hơn 5mm. - Tấn số cũng có quan hệ chặt chẽ với bản chất cuă vật liệu và công suất của lò. Công thức gần đúng để tính tần số dòng điện là: f min = 2 8 .10.25 d p - Công thức trên cho thấy rằng khi công suất lò lớn, nghĩa là khi bán kính liệu hoặc dung tích của lò lớn cũng như khi điện trở của liệu nhỏ, tần số của dòng điện cung cấp có thể lấy thấp hơn. - Đối với những kim loại như sắt, niken, crôm cũng như hợp kim của chúng người ta thường dùng tàn số trong giới hạn 1000 ÷ 3000 Hz. Đối với bạc, đồng, đồng thanh, đồng đỏ, hợp kim bạc niken, đồng niken tần số có thể dùng từ 50 ÷ 500 Hz. - Để đảm bảo cả yêu cầu kinh tế và kỹ thuật, việc lựa chọn tần số phụ thuộc rất nhiều vào công suất của lò. Quan hệ giũă tần số và công suất của lò được thể hiện qua những số liệu sau: Công suất lò (kW) Tần số (Hz) <150 2000 ÷ 3000 250 ÷ 500 1000 750 ÷ 1000 500 >1200 150 - Hiện nay việc lựa chọn tần số dòng điện cung cấp cho lò không có lõi sắt để luyện thép vẫn được lựa chọn như trên. 3. Sơ đồ và nguyên lý cấu tạo của thiết bị Sơ đồ khối của bộ biến tần cấp cho lò nấu thép: 8 Đồ án : Điện Tử Công Suất SV: Hoàng Ngọc Tú GVHD: Đặng Xuân Quyền Hình 1: Sơ đồ khối của bộ biến tần Trong đó: U21 : điện áp vào bộ chỉnh lưu. Ud1 =Kcl*U21 *cosα : điện áp ra bộ chỉnh lưu (điện áp vào bộ lọc) Ud2 = Knl*U22 ∗ cosβ : điện áp vào bộ nghịch lưu (sau bộ lọc) U2 : điện áp ra bộ nghịch lưu (điện áp tải) - Phương trình cân bằng điện áp Ud1 = Ud2 Kcl*U21 *cosα = Knl*U22 *cos φt α : là góc mở chỉnh lưu. φt : là góc tải - Từ lí luận trên , ta thấy yêu cầu với mạch chỉnh lưu - Mạch chỉnh lưu có chức năng cấp nguồn cho mạch nghịch lưu dòng 1 chiều cho mạch nghịch lưu, tức là giữ cho Id= const - Mạch chỉnh lưu điều chỉnh công suất trong quá trình nấu chảy vật liệu,vì khi góc tải φt thay đổi thì α cũng phải thay đổi cho phù hợp. Chỉnh Lưu 3 Pha Lọc Nghịch Lưu 1 Pha U d1 U d2 U 21 U 22 =U ra 9 Đồ án : Điện Tử Công Suất SV: Hoàng Ngọc Tú GVHD: Đặng Xuân Quyền Chương II :Đề xuất phương án và lựa chọn mạch lực Do đặc điểm của lò luyện thép, ta có thể chọn phương án dùng mạch điều áp hoặc chỉnh lưu. Dưới đây là trình bày một số phương án… I. Phương án mạch lực - Từ yêu cầu ta suy ra mạch chỉnh lưu phải là chỉnh lưu có điều khiển. Công suất của lò nấu là P = 140 kW, nguồn điện sử dụng là nguồn điện 3 pha nên chúng ta dùng chỉnh lưu điều khiển 3 pha (nếu dùng chỉnh lưu điều khiển 1 pha công suất tải lớn sẽ làm xấu lưới điện). - Ta có các phương án: • Chỉnh lưu hình tia 3 pha • Chỉnh lưu cầu 3 pha • Chỉnh lưu hình tia 6 pha - Nhưng chúng ta thấy rằng: • Chỉnh lưu hình tia 3 pha có nhược điểm: chất lượng điện áp thấp, hệ số đập mạch nhỏ nếu công suất tải lớn sẽ ảnh hưởng xấu đến hệ số cosϕ của lưới điện, làm méo lưới điện và buộc phải dùng đến biến áp lực. • Chỉnh lưu hình tia 6 pha tuy chất lượng điện áp tốt nhưng việc chế tạo máy biến áp lực 6 pha tốn kém, phức tạp, giá thành cao nên phương án này cũng không khả thi. - Như vậy chúng ta sẽ thiết kế phần chỉnh lưu cho bộ nguồn lò nấu thép dùng sơ đồ chỉnh lưu cầu 3 pha có điều khiển, bao gồm: + Chỉnh lưu cầu 3 pha điều khiển đối xứng + Chỉnh lưu cầu 3 pha điều khiển không đối xứng 1. Chỉnh lưu cầu 3 pha điều khiển không đối xứng • Sơ đồ nguyên lý: 10 [...]... áp lới, do đó điện áp trên các van bán dẫn nhỏ hơn vì điện áp đặt vo van bán dẫn l điện áp pha Nh ợc điểm của sơ đồ l trên dây trung tính có tồn tại dòng điện điều ho bậc cao, khi góc mở các van khác 0 có dòng tải gián đoạn v loại sơ đồ nối n y chỉ thích hợp với loại tải ba pha có bốn đầu dây ra Các sơ đồ không trung tính Hình b, c có nhiều điểm khác so với sơ đồ có trung tính ở đây dòng điện chạy giữa... gồm 3 sơ đồ nh sau: Hình 6 a, b, c 16 ỏn : in T Cụng Sut SV: Hong Ngc Tỳ GVHD: ng Xuõn Quyn a b c Hình 6: Sơ đồ điều áp xoay chiều ba pha bằng cặp Tiristo mắc song song ngợc Các loại sơ đồ ny bao gồm, tải đấu sao có trung tính (a),tải đấu sao không trung tính (b), tải đấu tam giác (c) Tải đấu sao có trung tính, có nhiều điểm l sơ đồ giống hệt ba mạch điều áp một pha điều khiển dịch pha theo điện áp... nhau, nên đồng thời phải cấp xung điều khiển cho hai Tiristo của hai pha một lúc Việc cấp xung điều khiển nh thế, đôi khi gặp khó khăn trong mạch điều khiên, ngay cả việc đổi thứ tự pha nguồn lới cũng có thể lm cho sơ đồ không hoạt động Thiết kế sơ đồ mạch động lực của bộ điều áp xoay chiều ba pha chúng ta phải thực hiện hng loạt các bi toán tổng hợp Ngay cả ở chế độ xác lập thì dòng điện v điện áp trên... phơng án trên, ta chọn phơng án điều áp ba pha với sơ đồ mắc tải thuần trở hình sao không điểm giữa Vì phơng án này có những u điểm thuận lợi phù hợp với yêu cầu để tài - Chất lợng điện áp tốt nên thiết kế bộ lọc đơn giản, tiết kiệm - Có khả năng hoàn trả năng lợng về lới rất tốt - Có thể điều khiển góc mở của thyristor với góc mở lớn nên có thể đảm bảo công xuất của lò II Tớnh toỏn la chn van Chn thụng . Đồ án : Điện Tử Công Suất SV: Hoàng Ngọc Tú GVHD: Đặng Xuân Quyền Đồ án: Điện tử công suất 1 Đồ án : Điện Tử Công Suất SV: Hoàng Ngọc Tú GVHD: Đặng Xuân. Sơ đồ nguyên lý: 10 Đồ án : Điện Tử Công Suất SV: Hoàng Ngọc Tú GVHD: Đặng Xuân Quyền Hình 2: Sơ Đồ Chỉnh lưu cầu 3 pha điều khiển không đối xứng • Dạng điện áp và dòng điện: 11 Đồ án : Điện. Sơ Đồ Chỉnh lưu điều khiển 3 pha đối xứng • Dạng điện áp và dòng điện 13 Đồ án : Điện Tử Công Suất SV: Hoàng Ngọc Tú GVHD: Đặng Xuân Quyền Hình 5: Dạng điện áp và dòng điện Phân tích sơ đồ: Sơ