Nghiên cứu, chế tạo bộ chỉnh lưu cho lò nấu thép dùng bán dẫn công suất

Nghiên cứu, chế tạo bộ chỉnh lưu cho lò nấu thép dùng bán dẫn công suất

Đồ án tốt nghiệp Lớp: TBĐ-ĐT 3. ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 1. Đề tài : Nghiên cứu, chế tạo bộ chỉnh lưu cho lò nấu thép dùng bán dẫn công suất. 2. Thông số kỹ thuật: P = 15 KW. dm U = 500 V. d I = 30 A. 3. Bố cục : - Chương 1: Nghiên cứu về nguồn cấp điện cho lò nấu thép. - Chương 2: Phân tích và tổng hợp bộ (thuật toán điều khiển mạch) chỉnh lưu cầu ba pha. - Chương 3: Xây dựng bộ chỉnh lưu cầu ba pha. - Chương 4: Mô phỏng thực nghiệm. 4. Bản vẽ minh hoạ: 1 GV hướng dẫn: TS Nguyễn Văn Thuấn Đồ án tốt nghiệp Lớp: TBĐ-ĐT 3. BỘ QUỐC PHÒNG HỌC VIỆN KTQS KHOA KTĐK CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập - Tự do - Hạnh phúc ----------------------- Phê chuẩn Ngày… tháng… năm 2009 CHỦ NHIỆM KHOA Độ mật……………….… Số……………………… NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Họ và tên: Nguyễn Văn Giang Lớp: ĐKTĐ Khoá : 3 Ngành: Điện - Điện tử Chuyên ngành: Điều khiển tự động. 1. Tên đồ án: “Nghiên cứu, chế tạo bộ chỉnh lưu cho lò nấu thép dùng bán dẫn công suất ” 2. Các số liệu ban đầu: … .………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………… ………… 3. Nội dung bản thuyết minh: lời nói đầu. Chương I: Nghiên cứu về nguồn cấp điện cho lò nấu thép. Chương II: Phân tích và tổng hợp bộ (thuật toán điều khiển mạch) chỉnh lưu cầu ba pha. Chương III: Xây dựng bộ chỉnh lưu cầu ba pha. Chương VI: Mô phỏng thực nghiệm. 2 GV hướng dẫn: TS Nguyễn Văn Thuấn Đồ án tốt nghiệp Lớp: TBĐ-ĐT 3. 4. Số lượng, nội dung các bản vẽ ( ghi rõ loại, kích thước và cáh thực hiện các bản vẽ ) và các sản phẩm (nếu có): Đồ án gồm……bản vẽ 0 A : - Bản 1: Sơ đồ khối tổng quát. - Bản 2: Sơ đồ nguyên lý mạch khiển. - Bản 3: Sơ đồ nguyên lý mạch công suất. - Bản 4: 5. Cán bộ hướn dẫn (ghi rõ họ tên, cấp bậc, chức vụ, đơn vị hướn dẫn toàn bộ hay từng phần): Đại tá tiến sỹ Nguyễn Văn Thuấn - Bộ môn Kỹ thuật Điện – Khoa kỹ Thuật Điều Khiển - Học Viện Kỹ thuật Quân Sự. 3 GV hướng dẫn: TS Nguyễn Văn Thuấn Đồ án tốt nghiệp Lớp: TBĐ-ĐT 3. Ngày giao: 12-01-09 Ngày hoàn thành: 25-04-09 Hà nội, Ngày 25 tháng 04 năm 2009 Chủ nhiệm bộ mộn Đại tá, PGS.TS ĐÀO HOA VIỆT Cán bộ hướng dẫn Đại tá, TS NGUYỄN VĂN THUẤN Học viện thực hiên Đã hoàn thành và nộp đồ án ngày 25 tháng 04 năm 2009 Nguyên Văn Giang. 4 GV hướng dẫn: TS Nguyễn Văn Thuấn Đồ án tốt nghiệp Lớp: TBĐ-ĐT 3. MỤC LỤC Trang Bìa chính Phụ bìa Nhiệm vụ đần án Lời cam kết Mục lục Dang mục các hình vẽ và đồ thị Mởi đầu………………………………………………………………………… 1 CHƯƠNG 1: NGHIÊN CỨU VỀ NGUỒN CẤP ĐIỆN CHO LÒ NẤU THÉP. 1.1: Tổng quan về lò nấu thép cảm ứng……… .1 1.2: Nguyên lý làm việc của lò nấu thép cảm ứng trung tần dùng thyristor…………………………………………………………………………2 1.3: Yêu cầu kỹ thuật đối với mạch chỉnh lưu…………………… .3 CHƯƠNG 2: PHÂN TÍCH VÀ TỔNG HỢP THUẬT BỘ CHỈNH LƯU CẦU BA PHA. 2.1: Khái quát chung về thyristor và chế độ làm việc…… …………………4 2.1.1: Cấu tạo và nguyên lý hoạt động…………………………………… 5 2.1.2: Đặc tính Volt - Ampe và các tham số chủ yếu của thyristor……… 6 2.1.3: Thyristor làm việc với vai trò chỉnh lưu điều khiển………………… 7 2.2 Nguyên lý làm việc của mạch chỉnh lưu câu ba pha…………………….8 2.3: Phân tích và tổng hợp thuật toán điều khiển mạch chỉnh lưu câu ba pha dung thyristor………………………………………………………………….9 2.3.1: Khái quát về mạch điều khiển thyristor……………………… ……10 2.3.2: Thiết kế mạch điều khiển theo nguyên tắc thẳng đứng arrccos… …11 5 GV hướng dẫn: TS Nguyễn Văn Thuấn Đồ án tốt nghiệp Lớp: TBĐ-ĐT 3. 2.4: Thiết kế sơ đồ nguyên lý…………………………………………………12 CHƯƠNG 3: XÂY DỰNG BỘ CHỈNH LƯU CẦU BA PHA…….….….13 CHƯƠNG 4: MÔ PHỎNG THỰC NGHIỆM……………………… .… 14 Kết luận…………………………………………………………………….… .15 Tài liệu tham khảo………………………………………………………….… .16 6 GV hướng dẫn: TS Nguyễn Văn Thuấn Đồ án tốt nghiệp Lớp: TBĐ-ĐT 3. MỞ ĐẦU Hiện nay các thiết bị lò điện nói chung, Lò điện cảm ứng trung tần nói riêng, đang được ứng dụng rộng rãi để sản xuất các chủng loại thép phục vụ cho các ngành kinh tế quốc dân như là: cơ khí, đóng tàu, giáo thông vân tải, xây dựng, hóa chất…vv.Trong quân đội, các Lò điện cảm ứng chủ yếu dung để nấu luyện các loại thép, gang phục vụ đúc vỏ đạn cối, đạn pháo, phôi chi tiết của các trang thiết bị, khí tài. Mặc dù các nhà máy luyện kim của cả quân sự và dân sự đã được hình thành từ lâu, nhưng hiện nay thiết bị Lò cảm ứng trung tần đêu rất lạc hậu, chưa đáp ứng được trước những yêu cầu của quá trình công nghiệp hóa - hiện đại hóa. Các thiết bị này phần lớn là những thiết bị thuộc thế hệ cũ được viện trợ hoặc mua sắm từ các nước Liên Xô, Trung Quốc… trong những thập kỷ cuối của thế kỷ trước. Qua nhiều năm sử dụng đã xuống cấp hay hư hỏng, tiêu tốn nhiều điện năng, hiệu suất không cao nên giá thành sản phẩm còn cao. Những năng gần đay, kỹ thuật điện tử và bán dẫn công phát triển mạnh mẽ. Các thiết bị điện tử công suất có nhiều ưu điểm như: khả năng điều khiển linh hoạt, tính tác động nhanh; chỉ tiêu kinh tế cao, kích thước và khối lượng nhỏ; độ tin cậy và tính chính xác cao; đặc biệt là dễ dang trong việc áp dụng các tiến bộ của các ngành khoa học kỹ thuật khác như: ngành điều khiển học, ngành công nghệ thông tin…vv nhằm nâng cao hiệu quả sản xuất, giảm tổn thất năng lượng, hạ giá thành sản phẩm và giải phóng sức lao động cho con người. Chính vì thế các thiết bị điện tử công suất được ứng dụng khá rộng rãi vào việc biến đổi điện 7 GV hướng dẫn: TS Nguyễn Văn Thuấn Đồ án tốt nghiệp Lớp: TBĐ-ĐT 3. năng. Trong điều kiện đó, xây dựng lò nấu thép cảm ứng trung tần dung bán dẫn công suất hoàn toàn có khả năng thực hiện được. Trong thời điểm hiện nay và cả trong tương lai, nhu cầu về Lò nấu thép kiểu Lò điện cảm ứng trung tần dung bán dẫn công suất là rất lớn, trong khi đó nước ta chưa chế tạo được. Vì vậy việc nghiện cứu và xây dựng lò điện cảm ứng dung bán dãn công suất nhằm phục vụ cho công tác thiết kế, chế tạo mới và cải tạo các thiết bị cũ là rất cần thiết. Trong các thiết bị cung cấp điện cho Lò, thì bộ chỉnh lưu giữ vai trò đặc biệt quan trọng là nguồn cung cấp và bổ xung năng lượng cho tải,do vậy mà đã gây sự chú ý lớn ở tôi. Xuất phát từ các lý do đã nêu ở trên, được sự gợi ý, động viện và khích lệ của thầy giáo Nguyễn Văn Thuấn, tôi chọn việc: “ Nghiên cứu, chế tạo bộ chỉnh lưu cho lò nấu thép dùng bán dẫn công suất ” là đề tài cho đồ án tốt nghiệp đại học của tôi. Nhiệm vụ của đồ án là nghiên cứu về Lò điện cảm ứng và nghiên cứu về bộ chỉnh lưu cầu ba pha, xây dựng thuật toán điều khiển và xây dựng cơ sở tính chọn các phần tử cơ bản cho bộ chỉnh lưu cầu ba pha dung thyristor, từ đó tiến đến chế tạo một bộ chỉnh lưu cầu ba pha đáp ứng được các yêu cầu đặt ra của Lò nấu thép. Nội dung đồ án gồm bốn chương: - Chương 1: Nghiên cứu về nguồn cấp điện cho lò nấu thép. - Chương 2: Phân tích và tổng hợp bộ (thuật toán điều khiển mạch) chỉnh lưu cầu ba pha. - Chương 3: Xây dựng bộ chỉnh lưu cầu ba pha. - Chương 4: Mô phỏng thực nghiệm. Vì thời gian có hạn, nhiều vấn đề đã đề cập tới sang chưa có điều kiện thực hiện, và chắc chắn không tránh khỏi những thiếu sót. Tôi rất mong nhận được những đống góp quý báu của các thầy và đọc giả. 8 GV hướng dẫn: TS Nguyễn Văn Thuấn Đồ án tốt nghiệp Lớp: TBĐ-ĐT 3. Tôi xin chận thành cảm ơn thầy giáo hưỡng dẫn Đại tá, TS nguyễn Văn Thuấn và các thầy trong bộ môn Kỹ thuật điện đã tận tình chỉ bảo giúp đỡ tôi hoàn thành bản đồ án này. Hà Nội, ngày 25 tháng 4 năm 2009 Chương 1 NGHIÊN CỨU VỀ NGUỒN CẤP ĐIỆN CHO LÒ NẤU THÉP 1.1 Tổng quan về lò nấu thép cảm ứng: Lò điện cảm ứng thực hiện biến điện năng thành nhiệt năng theo nguyên lý cảm ứng điện từ. Theo định luật Joule-Lentz : Q = 0, 24. I. R. t (cal) [1.1] Trong đó: Q(Cal): Nhiệt lượng kim loại nhận được; I(A) : dòng điện qua kim loại; R( Ω ) : điện trở của kim loại; t(s) : thời gian tác động. Mô tả cấu tạo sơ lược của lò nấu thép cảm ứng được trình bầy trên hình 1.1: Hình 1.1………. 9 GV hướng dẫn: TS Nguyễn Văn Thuấn Đồ án tốt nghiệp Lớp: TBĐ-ĐT 3. Trong đó cấu tạo gồm : bộ phận cơ điện (hoặc thuỷ lực) quay nghiêng lò, khung lò, cuộn cảm ứng (1), phía trong đặt nồi lò (2) chứa liệu kim loại (3). Cuộn cảm ứng bằng ống đồng được quấn nhiều vòng hình xoắn ốc, bên trong luôn luôn có nước để làm nguội. Khung lò có tắc dụng cố định các vòng cảm ứng và nồi lò; cạnh khung đặt cơ cấu nghiêng lò; khung lò được làm bằng vật liệu kim loại hoàn toàn không có nhiễm từ. Lò điện cảm ứng được xây dựng dự trện nguyện lý của một máy biến áp (MBA) lõi không khí. Cuộn cảm được coi như cuộn sư 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 (sđđ) 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 ( 1 E ) và trong kim loại ( 2 E ). Theo [4] giá trị của 1 E và 2 E đựơc tính theo công thức sau: 1 E = 4, 44. Ф. f. 1 n .10 8 − V [1.2] 2 E = 4, 44. Ф. f. 2 n .10 8 − V [1.3] Trong đó : Ф : từ thông biến thiên, Wb(Weber) f : tẩn số làm việc, Hz ; 1 n : số vòng của cuộn cảm ứng(sơ cấp); 2 n : số vòng của cuộn thứ cấp (kim loại coi như là một khối thống nhất nên có 2 n = 1). 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 1 E > 2 E . Vì vậy phía cung cấp vào cuộn cảm ứng một năng lượng lớn để tạo 10 GV hướng dẫn: TS Nguyễn Văn Thuấn [...]... các đặc thù của lò nấu thép là phụ tải luôn thay có sự dao động, quá trình làm việc dễ gây sự cố, nện bộ chỉnh lưu phải được thiết kế làm việc ổn định, tin cậy để duy trì công suất đặt cho phụ tải và lập tức ngừng làm việc khi có sự cố mặt khác công nghệ nấu thép cần có công suất nung chảy lớnvà điều chỉnh vô cấp công suất đầu ra Để có thể điều chỉnh vô cấp công suất nung chảy, bộ chỉnh lưu đóng vai trò... năng lò nấu thép dung bán dẫn công suất Bộ biến tần gồm hai khối cơ bản là chỉnh lưu và nghịch lưu với chứa năng và nhiệm vụ như sau: + Chỉnh lưu: có nhiệm vụ biến đổi nguồn điện xoay chiều ba pha tần số công nghiệp thành nguồn điện một chiều để cấp cho nghịch lưu + Nghịch lưu: có nhiệm vụ biến đổi dòng điện một chiều thành dòng điện xoay chiều có tần số mong muốn để cấp cho phụ tải Với lò nấu thép. .. năng lượng cho mạch dao động nện điện áp ra của bộ chỉnh lưu phải được điều chỉnh vô cấp từ 0 ÷ U d max Chính vì vậy dòng điện lắp đặt của bộ chỉnh lưu phải được tính chọn đảm bảo cho chỉnh lưu làm việc ổn định trong trường hợp nặng nề nhất với điện áp ra cao nhất đảm bảo công suất yêu cầu Tuy nhiên trong nấu luyện thép cũng có giai đoạn cần công suất rất nhỏ, khi đó bộ chỉnh lưu làm việc ở chế độ điện... vậy công suất nguồn điện cần phải lớn hơn định mức nhiều, dẫn đến chi phí đầu tư tăng 16 GV hướng dẫn: TS Nguyễn Văn Thuấn Đồ án tốt nghiệp Lớp: TBĐ-ĐT 3 Ngày nay nhờ các thành tựu của kỹ thuật biến đổi điện năng, điện tử công suất, kỹ thuật điều khiển…vv, Lò nấu thép cảm ứng trung tần được xây dựng dựa trên cơ sở các biến tần bán dẫn Sơ đồ khối chức năng lò cảm ứng trung tần dùng bán dẫn công suất. .. chỉnh lưu, sẽ điều chỉnh được công suất của lò nấu thép theo yêu cầu công nghệ Như vậy các khâu cơ bản tạo thành mạch điện của lò nấu thép trung tần dùng thyristor gồm có hai khâu chính là: Mạch chỉnh lưu cầu ba pha điều khiển hoàn toàn đóng vai trò là nguồn cung cấp, bổ sung năng lượng cho phụ tải Mạch nghịch lưu dòng điện dung thyristor đưa năng lượng của nguồn một chiều cùng cấp choc ho mạch dao động... trung tần dùng bán dẫn công suất trên cơ sở dùng thyristor thong dụng (SCR) vẫn là tối ưu hơn cả do có những tính năng, đặc điểm, điều kiện làm việc và giá thành phù hợp với yêu cầu của ngành công nghiệp sản xuất thép Với các phân tích và lựa chon như trên, sơ đồ nguyên lý lò nấu thép cảm ứng trung tần dùng thyristor được trình bầy trên hình H1.5 …………… H1.5 1.2 Nguyên lý làm việc của lò nấu thép cảm... co Lò để nấu chảy kim loại rất nhanh Chính vì thế laọi Lò này phù hợp với các công nghệ tôi các chi tiết dụng cụ má và nấu luyện các mác thép co nhiệt độ nóng chảy cao + 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 13 GV hướng dẫn: TS Nguyễn Văn Thuấn Đồ án tốt nghiệp Lớp: TBĐ-ĐT 3 cấp cho Lò để nấu. .. giảm thời gian, giai đoạn xử lý thành phần và hoàn nguyên cần có công suất nhỏ hơn Do đó khi nấu luyện cần phải điều chỉnh linh hoạt công suất sao cho phù hợp với yêu cầu của từng giai đoạn Chính vì vậy thiết bị cần cố công suất nung chảy vật liệu đủ lớn và điều chỉnh được vô cấp công suất nung chảy + Trong quá trình vận hành Lò nấu thép cảm ứng trung tần có thể xảy ra sự cố Vì vậy cần phải cố bảo... quan đến tiêt diện dây dẫn, tăng độ cách điện và công suất máy biến áp Lò Do đó việc cung cấp nhiệt cho Lò rất chậm, dẫn đến thời gian nấu luyện kéo dài và chi thích hợp để nấu các mác thép các bon cao, kim loại dẽ nóng chảy ( nhiệt độ ≤ 1150 0 c) + Lò điện cảm ứng cao tần: Nhiệt cung cấp cho Lò với tốc độ nhanh, vì tần số làm việc rất cao nên cảm ứng điện sinh ra trong cuộn cảm ứng Lò sẽ rất lớn Do đó... Với lò nấu thép cảm ứng, để nấu chảy kim loại nhanh cần có công suất lớn, 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 Như đã trình bầy ở trên, nhiệt lựơng để nung chảy vât liệu tỉ lệ thuận với bình phương cường độ dòng điệ; vì thế để nấu chảy kim loại cần có dòng . ho c b n đi u khi n (thyristor th ng d ng SCR). Tuy nhi n xây d ng c c l c m ng trung t n d ng b n d n c ng su t tr n c sở d ng thyristor thong d ng. đi n xoay chi u th nh n ng l ng m t chi u và đ ng vai trò l ngu n cung c p, b sung n ng l ng cho phụ t i l m ch dao đ ng L -C ( l m ch ngh ch l u c ng