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

LỜI NÓI ĐẦU Ngày nay, điên tử công suất đã và đang đóng một vai trò rất quan trong trong quá trình công nghiệp hóa đất nước. sự ứng dụng của điện tử công suất trong các nghành luyện kim như lò nấu luyện thép là rất lớn bởi sự nhỏ gọn của các phần tử bán dẫn và việc rễ dàng tự động hóa cho các quá trình sản xuất. các lò nấu thép được điều khiển bởi điện tử công suất đem 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 được giao 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 chánh khỏi 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 năm 2013 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 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 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 các phương 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 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. Chỉnh lưu cầu 3 pha đối xứng: 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. Chỉnh lưu cầu 3 pha không đối xứng: 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 =1000 (kW) − Điện áp trên vòng cảm ứng 1000 (V) − Tần số làm việc: f = 0.5 (kHz) − Hệ số công suất tải: cosφ đm = 0,4 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 = 1000.cosβ = 776(V)  Do điện áp ra của bộ chỉnh lưu là : U d = 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 m†i 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: :  Từ các thông số đã tính toán ở trên ta chọn đồng loạt 6 Thyristor loại KP do Trung Quốc sản xuất có thông số như sau : − Ký hiệu: KP 1000A/3500V − Điện áp ngược cực đại U n = 2500 (V) − Dòng điện làm việc cực đại I đm = 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 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 lớn so với thì lọc càng tốt. Điện cảm L được tính theo công thức: nếu Trong đó: R d là tổng tất cả các điện trở tải có thể coi M đm là số lần đập mạch của điện áp chỉnh lưu trong một chu kỳ điện áp nguồn xoay chiều m đm = 6 là tần số góc của điện áp xoay chiều này [...]... đó mà 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...  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 lượng điện áp ra tốt, chọn các tụ có giá... 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 cổng AND là xung chùm  Tương tự ta dùng 1 bộ phân phối lấy điện áp ở mạch thứ cấp còn... 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 có giá trị 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... 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... áp đồng pha ta sẽ được điện áp phân phối đưa vào cổng AND là điện áp tương ứng với nửa chu kỳ mở van 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  Chọn R10 = 1 (kΩ) 4.4.6 Khâu khuếch đại xung: 4.4.6.1 Chức năng:  Khuếch đại xung có nhiệm vụ tăng công suất xung do khâu tạo... Uce=45V; Icmax= 1,5 (A); βmin = 40  Chọn điện trở R13 > Ecs = 10 (Ω) Chọn R13 = 12 (Ω) I cmax − Công suất trên điện trở này là khá đáng kể do dòng qua nó là thường xuyên và khá lớn Kiểm tra độ sụt áp trên điện trở này khi bóng T1 dẫn: UR13 = I1.R13 = 0,8 (V) U1 = Ecs-UR13 = 14,2 (V) và đạt yêu cầu  Tuy nhiên để tăng mạnh xung kích cho van có thể dùng thêm tụ C3 − Tần số xung chùm 10 (kHz) tương ứng với... 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 kỳ trung bình Ud=0,9U2=4,5V − Dòng trung bình qua diode là Iv = ki Ud Id = ki = 6,75 (mA) 2.Ro 2 − 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... 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 có thể phá hủy van  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 4.2 Yêu cầu của mạch điều khiển:  Đảm bảo phạm vi điều chỉnh trong khoảng α điều khiển (các van có sai lệch giá trị α < 1... Dòng điện lớn thì chọn điện trở nhỏ và tụ lớn, ngược lại nếu dòng điện nhỏ thì chọn 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/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 . học môn điện tử công suất em đã được giao 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. 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. 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