đô an điện tu công suất thiết kế bộ nguồn cho lò nấu thép trung tần dùng tiristo

CHƯƠNG 2: ĐỀ XUẤT CÁC PHƯƠNG ÁN TỔNG THỂ VÀ LỰA CHỌN PHƯƠNGÁN TỐI ƯU Từ yêu cầu đề tài ta ≫ mạch chỉnh lưu phải là chỉnh lưu có điều khiển .Công suất của lò nấu là 1000 kw, nguồn điện sử

LỜI NÓI ĐẦU

Ngày nay, điên tử công suất đã và đang đóng một vai trò rất quan trong trong quá trìnhcông nghiệp hóa đất nước sự ứng dụng của điện tử công suất trong các nghành luyện kimnhư lò nấu luyện thép là rất lớn bởi sự nhỏ gọn của các phần tử bán dẫn và việc rễ dàng tựđộng hóa cho các quá trình sản xuất các lò nấu thép được điều khiển bởi điện tử công suấtđem lại hiệu quả cao, chất lượng sản phẩm thép tốt hơn

Xuất phát từ yêu cầu thực tế đó, trong nội dung học môn điện tử công suất em đã đượcgiao đề tài : ‘thiết kế bộ nguồn cho lò nấu thép trung tần dùng tiristo’ Với sự hướng dẫn của

thầy Dương Văn Nghi em đã tiến hành nghiên cứu và thiết kế đề tài

Trong quá trình thực hiện đề tài ro khả năng và kiến thức thực tế có hạn nên không chánhkhỏi sai sót kính mong thầy đóng góp y kiến để đề tài em hoàn thiện hơn

Em xin chân thành cám ơn

Hà Nội, tháng 5 năm2013

Sinh viên thực hiện

Trần Quốc Quỳnh

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

Từ yêu cầu đề tài ta ≫ mạch chỉnh lưu phải là chỉnh lưu có điều khiển Công suất của lò nấu

là 1000 kw, nguồn điện sử dụng trung là nguồn 3 pha lên 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 cácphương án sau :

 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 co 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 lên phương án này không khả thi

 Như vậy chúng ta sẽ thiết kế phần chỉnh lưu cho bo nguồn lò nấu thép dùng sơ đồ chỉnh lưu cầu 3 pha điếu khiển

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 Chỉnh lưu cầu 3 pha đối xứng:

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

 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 Chỉnh lưu cầu 3 pha không đối xứng:

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:

2

1 os2,34

Điện áp ngược lớn nhất đặt trên van:

Ungmax = 6 U2

Nhận xét: Sơ đồ chỉnh lưu cầu 3 pha không đối xứng có những ưu nhược điểm của sơ đồcầu như chỉnh lưu cầu 3 pha đối xứng Khi so sánh với chỉnh lưu cầu 3 pha đối xứng nó có ưunhược điểm sau:

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 =1000 (kW)

 Điện áp trên vòng cảm ứng 1000 (V)

 Tần số làm việc: f = 0.5 (kHz)

 Hệ số công suất tải: cosφđm = 0,4

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 = 1000.cosβ = 776(V)

 Do điện áp ra của bộ chỉnh lưu là : Ud = 776 V mà điện áp của nguồn cấp là

nên ta cần dùng máy biến áp

3.1 Tính chọn van của bộ chỉnh lưu:

 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 áp

 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/3500V

 Điện áp ngược cực đại Un = 2500 (V)

 Dòng điện làm việc cực đại Iđm = 1500 (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 cuộn kháng lọc:

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

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 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 Nhiệm vụ của mạch điều khiển:

 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 cầu của mạch điều khiển:

 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)

 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 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 áp

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

 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

 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

2

d I

= ki

2

d o

U

R = 6,75 (mA)

 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

vào mạch Suy ra 3

3

3 1

      Điện áp tăng tuyến tính với

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

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

 Bộ trộn xung thực hiện chức năng hàm AND giữa 3 tín hiệu điện áp :

 Điện áp so sánh Uss

 Điện áp xung chùm Uxc

 Điện áp lấy từ thứ cấp biến áp đồng pha qua khâu RD có điện áp Utx

 Chỉ khi Utx, Uxc và Uss đều ở mức logic cao thì mới có tín hiệu ra ở đầu ra của cổngAND là xung chùm

 Tương tự ta dùng 1 bộ phân phối lấy điện áp ở mạch thứ cấp còn lại của biến áp đồngpha ta sẽ được điện áp phân phối đưa vào cổng AND là điện áp tương ứng với nửa chu kỳ mởvan T4 Thực hiện bộ trộn xung tương tự ta sẽ có xung mở van T4

4.4.5.3 Tính toán:

 Chọn cổng AND họ CMOS loại 4073 có điện áp nguồn nuôi 12V

 Chọn loại diode Zener loại 10V.

Hình 4.7 Sơ đồ khâu khuếch đại xung

 Sơ đồ sử dụng biến áp xung với tầng khuếch đại Darlington sử dụng 2 transistor T1,

T2 Khi có xung chùm đặt vào cực bazo của T2 thì T2 mở cho dòng chảy từ nguồn nuôi quabiến áp xung qua T1đến mở T2 dẫn dòng chính chảy qua biến áp xung xuống đất Như vậyđiện áp trên sơ cấp biến áp xung và dòng điện chảy qua nó cũng có dạng xung Dòng điệnnày cảm ứng sang cuộn thứ cấp và ở thứ cấp cũng có dòng điện xung đi vào cực điều khiểncủa Tiristo Trong mạch trên D5 có tác dụng trả năng lượng tích luỹ trong cuộn cảm về nguồnkhi mà cuộn sơ cấp đang dẫn dòng thì T1, T2 khoá lại Điện trở R13 cũng có tác dụng tiêu tánnăng lượng chảy từ T2 để T1 khoá dễ dàng hơn Tuy nhiên điện trở này mắc nối tiếp với cuộn

sơ cấp biến áp xung nên làm giảm điện áp trên cuộn sơ cấp Do đó cần mắc tụ C3 để khi T2

khoá tụ phải nhanh chóng nạp đến trị số điện áp nguồn

4.4.6.3 Tính toán:

 Ta có: van lực CA398PA có Udk=3 (V) và Idk= 400 (mA)

 Chọn biến áp xung có hệ số biến đổi là 3

 Do đó tham số dòng điện và điện áp cuộn sơ cấp là:

U1 = Udk.k = (3+0,7).3 = 11,1 (V); (điện áp rơi trên diode khoảng 0,7 V)