Nguyên lý làm việc của lò cảm ứng dựa vào hiện tượng cảm ứng điện từ
Trang 1HọC VIệN Kỹ THUậT QUÂN Sự khoa kỹ thuật điều khiển
-*** -
báo cáo đồ án môn học
Đề tài:
Thiết kế bộ nghịch lưu cộng hưởng dùng cho lò nấu thép trung tần
công suất 20kw
Giáo viên hướng dẫn : TS Đại tá Nguyễn Văn Thuấn Sinh viên thực hiện : Nguyễn Đức Tuấn
Trang 2Chương I: Lò cảm ứng
1.1 Khái niệm chung về lò cảm ứng
Nguyên lý làm việc của lò cảm ứng dựa vào hiện tượng cảm ứng điện từ, khi
đưa một khối kim loại vào trong một từ trường biế thiên, trong khối kim loại xuất hiện một từ trường xoáy (Foucault), nhiệt tăng do dòng điện xoáy đốt nóng khối kim loại
Nhiệt năng truyền vào khối kim loại phụ thuộc vào các yếu tố sau:
-Điện trở suất ρ và hệ số từ thẩm μ của kim loại
-Trị số dòng điện của nguồn cấp Nếu tăng trị số dòng điện lên hai lần thì nhiệt năng tăng lên bốn lần
-Tần số dòng điện của nguồn cấp Nếu tăng tần số lên bốn lần thì nhiệt năng
sẽ tăng lên hai lần
Từ đó ta nhận thấy rằng: tăng dòng điện của nguồn cấp hiệu quả hơn tần số của nguồn cấp nhưng thực tế trị số dòng không thể tăng lên đượcquá lớn vì lý do cách điện, trị số dòng lớn làm nóng chảy vòng cảm ứng (mặc dầu đã được làm mát bằng dòng nước liên tục) cho nên thực tế người ta tăng tần số của nguồn cấp
Cácbộ nguồn tần số cao:
Các bộ nguồn tần số cao có thể tạo ra bằng các phương pháp sau:
-Dùng máy phát điện đặc biệt tần số cao do kết cấu cơ khí nên tần số của máy phát không vượt quá 2000Hz
-Bộ biến tần dùng thyristor do công nghệ chế tạo linh kiện bán dẫn chưa chế tạo được loại thyristor tần số cao nên tần số chỉ giới hạn tới 2000Hz
-Bộ biến tần dùng đèn phát điện tử, tần số cao tới 400kHz bằng cách dùng
đèn điện tử ba cực nhưng hiệu suất của bộ nguồn không cao, tuổi thọ của đèn thấp Phạm vi ứng dụng của thiết bị gia nhiệt tần số:
-Nấu chảy kim loại trong môi trường không khí (lò kiểu hở) trong môi trường chân không hoặc khí trơ (lò kiểu kín)
-Thực hiện các chuyên công nhiệt luyện như tôi, ram; đặc biệt ứng dụng để tôi bề mặt các chi tiết như bánh răng, cổ trục khuỷu của động cơ điêzen khi yêu
Trang 3Tụi chi tiết bằng dũng cao tần
1 Chi tiết cần tụi 2 Vũng cảm ứng
cầu độ cứng bề ngoài cao Hình dáng chi
tiết cần tôi có thể có hình dáng bất kỳ
1.2 Sơ đồ lò cảm ứng
1.2.1 Lũ cảm ứng trung tần dựng mỏy phỏt điện cao tần
Hình: Lò trung tần cấp nguồn từ máy phát cao tần Hai lò cảm ứng trung tần lò 1 và lò 2 được cấp nguồn từ cùng một máy phát cao tần F Máy phát cao tần được đồng cơ không đồng sơ cấp Đ kéo; các tụ C1 và C2 bù công suất vô công nhằm nâng cao hệ số công suất (cosϕ) Biến á đo lường
TU (biến đổi điện áp), biến dòng (TI) cấp nguồn cho các đồng hồ đo: Vôn kế (V), ampe kế (A), wat kế (W) và công tơ vô công (VAr) Đối với tần số (150-500) Hz thường dùng máy phát đồng bộ thông thường cực lồi, cuộn dây kích từ quấn trên
Trang 4thông thường cực lồi, cuộn dây kích từ quấn trên rôto của máy phát
Đối với tần số (1000 ÷ 8000)Hz dùng loại máy phát kiểu cảm ứng, cuộn dây kích thích và cuộn dây làm việc quấn trên stato của máy phát, còn roto
có dạng bánh răng Kết quả từ thông do cuộn kích thích sinh ra là từ thông đập mạch, cảm ứng ra trong cuộn dây làm việc dòng điện tần số cao
1.2.2 Lò cảm ứng trung tần dùng bộ biến tần
Sợ đồ khối chức năng được thể hiện trên hình dưới
Trong sơ đồ khối chức năng của lò cảm ứng trung tần dùng bộ biến tần gồm có các khâu chính sau:
- Mạch lực gồm có các khâu:
* CL - Bộ chỉnh lưu có điều khiển dùng thyristor biến đổi điện áp xoay chiều của lưới điện thành điện áp một chiều
* NL - Khâu nghịch lưu cộng hưởng biến điện áp một chiều thành điện áp xoay chiều cung cấp cho vòng cảm ứng của lò
* CKL - Khâu lọc điện áp một chiều dùng cuộn kháng lọc với trị số điện cảm (L) khá lớn (vì bộ nguồn cung cấp cho bộ nghịch lưu là bộ nguồn dòng)
* Lò trung tần: có vòng cảm ứng quấn xung quanh nồi lò và một bộ tụ điện
Hình: Sơ đồ khối chức năng của lò cảm ứng dùng bộ biến tần
Trang 5- Mạch điều khiển gồm có các khâu:
* KNg - khâu nguồn một chiều cung cấp cho tất cả các khâu trong mạch điều khiển
* KĐCS- khâu điều chỉnh công suất tiêu thụ của lò cảm ứng
* KĐK-2 - khâu điều khiển bộ chỉnh lưu
* KĐK-1 - khâu điều khiển bộ nghịch lưu
* KĐK-3 - khâu điều khiển công nghệ dùng rơle - công tắc tơ… đo lường
và bảo vệ
Sơ đồ nguyên lý lò trung tần nấu thép:
Hiện nay nước ta nhập rất nhiều lò trung tần nấu thép từ các nước khác nhau, thường có các thông số công nghệ như sau:
- Dung tích mỗi mẻ nấu từ 50kg đến 2000kg
- Công suất tiêu thụ định mức của lò từ 100kW đến 1200kW
- Tần số làm việc: f = 1000Hz
Nhìn chung dù nguồn gốc sản xuất khác nhau, nhưng về cấu tạo, nguyên
lý hoạt động sơ đồ khối chức năng về cơ bản giống nhau Sơ đồ nguyên lý mạch lực lò trung tần nấu thép KGPS -250 được trình bày ở hình dưới
Trong mạch lực của lò cảm ứng trung tần nấu thép gồm các phần tử chính sau:
* CK- cuộn kháng xoay chiều lõi không khí với chức năng hạn chế dòng ngắn mạch và hạn chế tốc độ tăng dòng anot để bảo vệ các thyristor 1T ÷ 6T
Trang 6* 1T ÷ 6T- cầu chỉnh lưu ba pha điều khiển hoàn toàn, điện áp ra của cầu chỉnh lưu (UA) có thể thay đổi từ 0 đến 500V
UA = 2,34U.cosα
Trong đó U - điện áp pha của nguồn cấp (lưới điện)
α - góc mở của các thyristor
* CKSB - cuộn lọc dòng điện một chiều
* 1TC ÷ 4TC, bộ nghịch lưu cộng hưởng dùng thyristor tần số cao, nối theo sơ đồ cầu 1 pha, điện áp ra trên tải có dạng gần hình sin
* Phụ tải của bộ nghịch lưu cộng hưởng là cuộn cảm ứng L của lò, là tải cảm nên hệ số công suất rất thấp (cosφ = 0,1 ÷ 0,5) Tụ C nối song song với vòng cảm ứng để tạo thành mạch vòng cảm ứng để tạo thành mạch vòng dao động và nâng cao hệ số công suất cosφ của lò Điên cảm đầu vào LCKSB có gía trị lớn Nguồn cấp cho bộ nghịch lưu cộng hưởng có thế là nguồn dòng
Điện áp ra (cấp cho vòng cảm ứng của lò) có dạng gần sin, còn dòng nghịch lưu có dạng chữ nhật như trên hình
* Các phần tử còn lại: TI1 ÷ TI3 lấy tín hiệu tỷ lệ với dòng điện tiêu thụ của
lò để bảo vệ quá tải Biến áp BA gia công tín hiệu để đo lường (đo tần số, đo điện
áp xoay chiều trên tải) và điều khiển bộ nghịch lưu cộng hưởng
* Khởi động bộ nghịch lưu gồm các phần tử cầu chỉnh lưu CL, tụ hoá CM, Hình: Sơ đồ nguyên lý mạch lực lò trung tần KGPS - 250
Trang 7thyristor khởi động TM và công tắc tơ khởi động KC
Như đã biết, bộ nghịch lưu cộng hưởng nguồn dòng chỉ làm việc trong chế
độ mạch tải là mạch dao động, như vậy vấn đề đầu tiên là cần tạo ra ít nhất một chu kỳ dao động trên tải sau đó là điều khiển các thyristor 1TC ÷ 4TC để dao động trên tải tiếp tục được duy trì Để cung cấp năng lượng cho tải thì nguồn vào phải làm việc ở chế độ nguồn dòng, như vậy lúc ban đầu phải tạo ra nguồn dòng xác lập
Nguyên lý làm việc của mạch
khởi đông như sau: khi bắt đầu khởi
động, tiếp điểm KC đóng nối mạch
chỉnh lưu cầu CL nạp cho tụ điện CM,
đồng thời nối điện trở R vào mạch tải
cho cầu chỉnh lưu 1T ÷ 6T để tạo ra
dòng Id qua cuộn kháng san bằng Sau
một khoảng thời gian xung điều khiển
đưa đến mở thyristor TM, tụ CM phóng
qua mạch tải L-C tạo nên dao động tắt
dần trên tải (khoảng từ một đến hai chu
kỳ) sau ½ chu kỳ dao động TM sẽ tự
ngắt ra Hệ thống điều khiển các
thyristor chính (1TC ÷ 4TC) sẽ hoạt
động để duy trì điện áp trên tải
Đồ thị điện áp, dòng điện tại các điểm đo của lò cảm ứng trung tần
Trang 8Chương 2: Bộ nghịch lưu điều khiển
2.1 Những vấn đề chung về nghịch lưu
Thiết bị biến đổi điện áp một chiều thành điện áp xoay chiều không phụ thuộc vào sự tồn tại của lưới điện xoay chiều được gọi là nghịch lưu độc lập Nguyên lý chung của nghịch lưu độc lập là dùng các chuyển mạch bán dẫn để đổi chiều cấp điện áp cho tải xoay chiều từ nguồn điện áp một chiều Nguồn điện áp một chiều có thể không ổn định, các giá trị điện áp và tần số trong nhiều trường hợp có thể thay đổi được ở đây ta giả thiết là sử dụng nguồn điện áp một chiều lấy từ thiết bị chỉnh lưu
Điện áp ra mong muốn của nghịch lưu có dạng sin Tuy nhiên các nghịch lưu thực tế thường cho điện áp ra không sin, ngoài thành phần cơ bản ra điện áp này còn chứa các hài bậc cao Tính chất sin của điện áp ra được thể hiện ở hàm lượng và giá trị của các hài bậc cao, điện áp sin lý tưởng chỉ chứa hài cơ bản Tính chất sin có thể không quan trọng đối với công suất nhỏ, nhưng rất có ý nghĩa đối với công suất lớn Tổn hao và hệ số công suất của nghịch lưu phụ thuộc mạnh vào giá trị và hàm lượng hài bậc cao, tức là phụ thuộc mạnh vào tính chất sin của điện
áp ra xoay chiều Đối với công suất lớn các đại lượng này (tổn hao và hệ số công suất) ảnh hưởng đáng kể đến hiệu suất và giá thành bộ biến đổi Tính chất sin
được nâng cao hay giá trị và hàm lượng các hài bậc cao của điện áp ra có thể được giảm thiểu nhờ các kỹ thuật chuyển mạch trên cơ sở các dụng cụ bán dẫn công suất tác động nhanh
Nghịch lưu độc lập được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực, trong cung cấp
điện dự phòng, trong cung cấp điện liên tục, trong gia công nhiệt các kim loại Trong các ứng dụng này điện áp vào một chiều có thể được cung cấp từ bình ắc quy, pin mặt trời, hoặc từ chỉnh lưu Điện áp ra của các nghịch lưu có thể là 110V/50hz (400Hz); 220V/50Hz (400Hz) Đối với công suất lớn điện áp ra có thể
là 380
Nghịch lưu là phần tử cơ bản nhất của các biến tần, loại thiết bị thực hiện biến đổi, ổn định hoặc điều chỉnh tần số Biến tần có chức năng biến điện áp xoay
Trang 9chiều U1 tần số f1 thành điện áp xoay chiều U2 với tần số f2, trong đó U2 và f2 không phụ thuộc vào U1 và f1 Điện áp và tần số ra của biến tần có thể duy trì ổn
định, được điều chỉnh độc lập hoặc điều chỉnh đồng thời theo quy luật định trước Các biến tần được sử dụng nhiều trong cung cấp điện chất lượng cao và trong điều khiển truyền động điện máy điện xoay chiều
*Phân loại nghịch lưu:
Theo số pha của điện áp ra nghịch lưu được chia thành một pha hoặc ba pha Mỗi loại đều có thể được xây dựng trên cơ sở các van điều khiển hoàn toàn (tranzitor lưỡng cực BJT, tranzitor trường công suất MOSFET, tranzitor cửa cách
ly IGBT, thyristor điều khiển hoàn toàn GTO hoặc bán điều khiển SCR
2.2 Nghịch lưu dòng một pha thyristơ (Nghịch lưu cộng hưởng)
2.2.1 Nguyên lý hoạt động của nghịch lưu:
Nghịch lưu cộng hưởng có nhiều dạng và được ứng dụng nhiều trong công nghiệp, phổ biến nhất là trong công nghệ gia nhiệt cho kim loại Cho đến nay các
lò trung tần dùng trong đốt nóng hoặc nấu chảy kim loại chủ yếu được xây dựng trên cơ sở nghịch lưu cộng hưởng thyristơ Đã có những mẫu thiết bị này được xây dựng trên cơ sở các tranzitor công suất nhưng tính phổ biến chưa cao Trong lĩnh vực gia nhiệt cho kim loại này tần số làm việc của nghịch lưu thường khá cao, từ 0,5 đến vài chục kHz
Điểm khác căn bản của nghịch lưu cộng hưởng so với các loại nghịch lưu
đã nghiên cứu là các thyristơ được khóa theo nguyên lý chuyển mạch tự nhiên, tức là hiện tượng tự khóa của thyristơ sau khi dòng anot của nó tự giảm qua 0 trong quá trình làm việc của mạch
Trong các nghịch lưu chuyển mạch cưỡng bức năng lượng tích lũy và tổn hao trong mạch vòng chuyển mạch không nhỏ Tần số làm việc càng cao các thành phần này càng trở nên đáng kể so với công suất tải, và do đó hiệu suất càng giảm mạnh Trong các nghịch lưu cộng hưởng không tồn tại giai đoạn chuyển mạch độc lập, không có mạch vòng chuyển mạch, tức là không có tổn hao phụ, do
đó hiệu suất khá cao trong dải rất rộng của tần số
Trang 10(nối tiếp hoặc song song) chúng ta có các nghịch lưu tương ứng là cộng hưởng áp
và cộng hưởng dòng Trong khuôn khổ đồ án môn học này ta xét nghịch lưu nguồn dòng
Nghịch lưu dòng là nghịch lưu được cấp năng lượng bằng nguồn dòng, nghĩa là trở kháng của nguồn rất lớn để dòng điện qua nghịch lưu không gây ảnh hưởng đến điện áp trên cực của nguồn
Nguồn một chiều tạo nên dòng điện vào của bộ nghịch lưu dòng điện ra có thể là xoay chiều một pha (hoặc ba pha) Do đó điện áp vào phụ thuộc vào tải ở phía xoay chiều Tải có thể là bất kỳ với điều kiện không phải là duy nhất từ một hay nhiều nguồn dòng khác
Ta giả thiết điện áp tải lý tưởng, tức là điện áp hình sin
Sơ đồ mạch điện nguyên lý của nghịch lưu loại này được trình bày trong hình dưới đây Để có nguồn dòng cuộn kháng L0 có điện cảm tương đối lớn được mắc nối tiếp với nguồn áp U0 Các biểu đồ tín hiệu mở các thyristơ, điện áp trên
tụ chuyển mạch và dòng điện nghịch lưu i trong hình giải thích nguyên lý làm việc của nghịch lưu
Cặp thyristơ của mỗi đường chéo cầu được mở đồng thời bằng một dãy xung hẹp, dãy g1,2 cho các thyristơ T1 và T2 Dãy g3,4 cho các thyristơ T3,và T4 và hai dãy xung này lệch pha nhau 1800 điện theo điện áp ra Trong sơ đồ này dòng
điện nguồn I0 đc cấp cho tổng trở (gồm tải ZT nối song song với tụ Ck) hoặc qua cặp thyristo T1-T2, hoặc qua cặp thyristor T3-T4, nhờ đó dòng điện tải được đổi
Trang 11dấu Nếu các cặp thyristo được mở luân phiên trong những khoảng thời gian bằng nhau thì dòng điện qua tổng trở là xoay chiều và có dạng xung chữ nhật Khi đó
điện áp trên tổng trở, đồng thời là điện áp ra trên tải, là đáp ứng của tổng trở đó
đối với dòng điện dạng chữ nhật
Trong sơ đồ này, mỗi cặp thyristo dẫn dòng tải trong một bán kỳ, và mở cặp thyristơ này sẽ dẫn đến khóa cặp đang dẫn trước đó Nói cách khác thyristơ chính của nhánh này trở thành phụ (hay chuyển mạch) của nhánh kia Vì thế nghịch lưu được gọi là chuyển mạch trực tiếp Sau đây chúng ta sẽ làm sáng tỏ quá trình chuyển mạch của các thyristơ
Trong chế độ xác lập, với chiều quy ước trong hình, điện áp trên tụ uc sẽ có giá trị (+Um) ở cuối giai đoạn dẫn của cặp T1-T2, và ngược lại điện áp trên tụ uc sẽ
có giá trị (-Um) ở cuối giai đoạn dẫn của cặp T3-T4 Tiếp theo chúng ta xét quá trình từ thời điểm bắt đầu mở cặp thyristơ T1-T2
Sau khi mở T1-T2 vào thời điểm ωt=0 bản cực trái (đang có điện thế âm) của tụ Ck đồng thời được nối với anốt của T3 và T4, còn bản cực phải (đang có
điện thế dương) của tụ Ck đồng thời được nối với katốt của T3 và T4 Điện áp của
tụ sinh ra dòng điện ngược (thường có giá trị lớn hơn nhiều so với dòng anốt thuận) và bơm và các thyristơ T3 và T4 đang ở trạng thái dẫn Vì thế dòng anốt bị triệt tiêu sau khoảng thời gian giữ chậm của thyristơ Thời gian này rất nhỏ, cỡ vài
μs, nên có thể bỏ qua và coi như thyristơ khóa tức thời Sau khi cặp T3-T4 khóa, dòng điện không đổi I0 chuyển hoàn toàn sang cặp T1-T2 Dòng điện àny đồng thời chảy qua tải và tụ chuyển mạch Ck
Như vậy sau khi cặp T1-T2 dẫn tụ bắt đầu được nạp theo chiều ngược lại Trong giai đoạn này điện áp uc trên tụ biến thiên theo quy luật hàm mũ, bắt đầu từ -Um và đạt đến +Um ở cuối giai đoạn
Nếu mở cặp thyristơ T3-T4 vào thời điểm ωt=π, thì quá trình xảy ra tương tự nhưng theo chiều ngược lại, tức là dòng điện nguồn I0 lại chuyển sang cặp T3-T4 Trong giai đoạn này dòng điện tải tổng đổi dấu, tụ được nạp theo chiều ngược lại
và điện áp uc của nó giảm từ -Um và đạt đến +Um và cũng theo quy luật hàm mũ
