Thiết kế phần nghịch lưu của bộ nguồn cho lò tôi thép

n in T Cụng Sut Lời nói đầu Ngày nay, với đời phát triển thiết bị bán dẫn nh: diode, triac, transistor, thiristor, làm cho điện tử công suất phát triển ngày nhanh, chiếm tới 30% số thiết bị xí nghiệp đại , góp phần giải vấn đề phức tạp tự động hóa Trong trình CNH-HĐH việc áp dụng công nghệ tự động hóa vào sản xuất vô quan trọng.Nó giúp phần làm giảm giá thành sản phẩm , giảm công sức, tiết kiệm nhân công Cùng với xu hớng đó,các nhà máy luyện kim đa vào phơng pháp thép đại phơng pháp cảm ứng( hay gọi cao tần) Công nghệ thép cho phép ứng dụng tự động hoá cao, trình điều khiển đơn giản, đảm bảo suất nh chất lợng vật đợc Với đề tài : Thiết kế phần nghịch lu nguồn cho lò thép em hi vọng phần làm rõ tầm quan trọng điện tử công suất thép Tuy nhiên lần làm đồ án chắn có nhiều sai sót, mong đợc góp ý,chỉ bảo thầy Em xin chân thành cảm ơn thầy giáo môn đặc biệt thầy giáo Dơng Văn Nghi tận tình giúp đỡ chúng em hoàn thành đồ án Em xin cảm ơn! Các số liệu cho trớc: Các số liệu cho trớc Phơng án Công suất (kw) U (V) Tần số (Hz) 50 500 12000 n in T Cụng Sut Mc lc: Lời nói đầu Chơng I Giới thiệu công nghệ yêu cầu kỹ thuật .3 Khái niệm ứng dụng u nhợc điểm 3 Tính chất công nghệ Xác định khoảng thời gian nung Yêu cầu chất lợng, đặc điểm nguồn cấp cấu tạo thiết bị Chơng II Đề xuất phơng án lựa chọn phơng án 1.Giới thiệu chung 2.Nghịch lu8 n in T Cụng Sut 2.1 Sơ đồ nghịch lu áp pha9 2.2 Sơ đồ nghịch lu dòng pha 2.3 Nghịch lu cộng hởng .11 Chơng III Tính toán mạch lực .15 Lựa chọn van 16 Xét mạch bảo vệ van mạch lực tránh dòng, áp 17 Chơng IV Nguyên lý mạch điều khiển 19 Sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển 19 Chức khâu mạch điều khiển 19 Chơng V Tính toán thiết kế mạch điều khiển .20 Tính toán khâu phát xung điều khiển khởi động .20 Tính toán khâu chia xung phân kênh 21 Tính toán khâu vi phân khuếch đại tạo xung 22 Tính toán khâu chuyển mạch phản hồi .24 Tính toán thiết kế nguồn cho mạch điều khiển 26 Chơng VI Mô mạch điều khiển máy tính Kết luận Tài liệu tham khảo Chơng i Giới thiệu công nghệ yêu cầu kỹ thuật Khái niệm: Lò cảm ứng thiết bị biến điện thành nhiệt dựa vào tợng cảm ứng điện từ dòng điện cao tần ứng dụng u nhợc điểm: Lò cảm ứng đợc sử dụng rộng rãi ngành luyện kim, phơng pháp nhiệt luyện tiên tiến, chủ yếu dùng để bề mặt Nó có tính u việt sau : - Có thể truyền nhiệt lợng cho vật cần cách trực tiếp, nhanh chóng không cần qua khâu trung gian tiến hành tự động hoá sâu hiệu suất cao Đồng thời, thời gian nung ngắn nên bề mặt sản phẩm không bị oxihoá - Có thể tiến hành gia nhiệt môi trờng khác nh môi trờng trung tính, chân không cách dễ dàng - Do đặc điểm phơng pháp mà chi tiết đem có độ cứng bề mặt cần thiết giữ đợc độ dẻo thích hợp lõi đảm bảo đợc yêu cầu kỹ thuật n in T Cụng Sut đặt chi tiết đem Mặt khác, lò cảm ứng đợc chi tiết có hình dạng phức tạp mà phơng pháp khó đáp ứng ví dụ nh trục khuỷu, bánh răng, vấu - Do tự động hoá sâu mà suất lao động đợc nâng lên, điều kiện lao động đợc cải thiện Tuy nhiên, có nhợc điểm: - Chủ yếu dùng cho chi tiết có tiết diện hay tiết diện thay đổi không đáng kể Với chi tiết phức tạp, khó đạt tổ chức mactenxit đồng nhất, hệ số hữu ích thiết bị thấp (0,1 0,2) - Không đảm bảo đủ độ bền tĩnh chi tiết làm việc chế độ nặng nề ( đặc biệt chi tiết lớn 30) lõi không đợc hoá bền Tính chất công nghệ: -Tính chất tải lò cao tần tải cảm: Lò cảm ứng hoạt động dựa tợng cảm ứng điện từ, gồm cuộn dây đợc cấp nguồn có tần số cao; cho tải qua chi tiết thép cần chúng đợc nung nóng nhờ nguồn nhiệt sinh thân chi tiết Xét cuộn dây quấn xung quanh lõi thép, đặt vào đầu cuộn dây điện áp xoay chiều hình sine làm phát sinh dòng điện có cờng độ i qua cuộn cảm: i = I0.sin(t) Trong cuộn cảm xuất suất điện động tự cảm: e = -L di = -LI cos(t) dt Giả thiết điện trở R cuộn cảm không, ta có định luật Ôm cho đoạn mạch là: u = R.i-e = LI cos(t) = LI sin(t+/2) 0 => u = U0sin(t+/2) Nh hiệu điện hai đầu cuộn cảm (không có điện trở) biến thiên điều hoà tần số góc với dòng điện qua cuộn cảm sớm pha dòng điện /2 n in T Cụng Sut - Để nghiên cứu trình truyền lợng điện từ từ nguồn điện vào kim loại ngời ta sử dụng phơng trinh Macxoel trờng điện từ: rot H = j + rot E = - D ; t div H =0; B ; t div E=0; đó: B=àH : độ từ cảm,[T]; H cờng độ từ trờng, [H] D=0E : điện cảm,[C/ m2]; E cờng độ điện trờng, [V/m] j =E = E/ - mật độ điện dẫn =1/ - điện trở suất kim loại - điện dẫn suất kim loại Qua biến đổi ta đợc lợng cung cấp cho kim loại: S= P +Q 2 với lợng cấp nhiệt cho kim loại: P= H e z lợng phản kháng: z Q = i H e2 bề dày thẩm thấu H0 cờng độ từ trờng bề mặt kim loại - Phơng pháp bề mặt dòng điện cao tần đợc dùng phổ biến xởng nhiệt luyện Đây dạng nguồn nhiệt đợc sinh thân chi tiết nhờ dòng điện cảm ứng tập trung bề mặt Vì vậy, lớp mỏng bề mặt lợng nhiệt toả lớn, nung bề mặt chi tiết với tốc độ cao Nhiệt lợng đợc phát sinh chủ yếu hai nguyên nhân: + Xuất dòng Fucô: dòng điện khép kín ( có chiều ngợc với chiều dòng kích thích) đợc biến đổi hoàn toàn thành nhiệt Trên thực tế, tần số đợc sử dụng để nhiệt luyện thờng từ 500Hz ữ 1MHz Tần số cao chiều sâu nung nhỏ Chiều sâu lớp mỏng tiêu thụ 86,5% lợng nhiệt cung cấp đợc gọi chiều sâu xâm nhập dòng cảm ứng, đợc tính công thức: =503 (m) àf n in T Cụng Sut + Xuất đờng cong từ trễ: dới tác dụng từ trờng với cờng độ H[A/m], vật liệu dẫn điện xuất cảm ứng từ (mật độ từ thông) B[T] Khi từ trờng biến thiên, tạo nên vòng từ trễ diện tích vòng từ trễ lợng điện từ đợc chuyển thành nhiệt năng: ST= BdH [J/m3] ST thể lợng nhiệt đợc sinh đơn vị thể tích vật liệu dới tác động điện từ trờng biến thiên - Trong trình tôi, chiều sâu xâm nhập dòng cảm ứng bị thay đổi giá trị điện trở suất độ thẩm từ thay đổi theo nhiệt độ Khi nung từ nhiệt độ thờng tới nhiệt độ Quyri (7680C)iện trở suất tăng mạnh, độ thẩm từ gần nh không đổi Sau nhiệt độ Quyri điện trở suất tăng chậm lại, độ thẩm từ nhanh chóng giảm xuống tới =1, cờng độ nung giảm mạnh, đó, thực tế nung thép phải tính toán riêng cho hai giai đoạn nung ( dới điểm Quyri) Chiều sâu xâm nhập dòng cảm ứng thép cacbon thấp nh sau: Dới 7000C: = Trên 8000C: = f 60 f [cm] [cm] Đối với vật liệu thép nung với nguồn có tần số f=8000Hz, nhiệt độ nung thay đổi từ 20 ữ 1000C thay đổi từ 10.10-6 ữ 130.10-6( m) thay đổi từ 60 ữ 1(H/m) Khi lớp thấm cung thay đổi =0,22 ữ 6,7(mm) Với công suất 45kW thích hợp cho việc vật có kích thớc vừa nhỏ khoảng 20 cm với lớp từ 0,5-6 mm nh bánh răng, trục khuỷu n in T Cụng Sut Trong trờng hợp toàn lớp đợc nung dòng cảm ứng, đảm bảo tốc độ nung cao; chiều sâu lớp xâm nhập dòng cảm ứng nhỏ so với chiếu sâu lớp trình nung xảy chủ yếu dẫn nhiệt với tốc độ thấp Chiều sâu lớp phụ thuộc vào tần số mà phụ thuộc vào chất vật liệu tôi, nhiệt độ nung tốc độ nung khoảng chuyển biến pha, nói chung nhiệt độ cao điểm Quyri Để đảm bảo chất lợng lớp với thông số xác định tần số f=8000Hz cần lựa chọn thời gian nung độ nung phù hợp Để xác định tốc độ nung, cần phải biết thời gian nung lớp kim loại khoảng nhiệt độ cho Các phơng pháp tính toán ( chủ yếu thực nghiệm) giả định công suất riêng, tính cho đơn vị bề mặt không đổi Thực tế chúng thay đổi cỡ 30-50%, ta phải dùng giá trị trung bình q(W/m2) Xác định khoảng thời gian nung a, Xác đinh thời gian nung giai đoạn một: Chiều sâu xâm nhập dòng cảm ứng giai đoạn thờng nhỏ chiều sâu lớp bề mặt ( 2) nhiều lần, nên coi nhiệt lợng sinh từ bề mặt đợc truyền vào dẫn nhiệt Vì sử dụng phơng trình mô tả trình dẫn nhiệt với dòng nhiệt không đổi (từ bề mặt) để tính toán, ta đợc: x = 2q a x ierfc a Trong đó: = t-tđ , nhiệt độ chi tiết tính từ nhiệt độ ban đầu tđ,0C - hệ số dẫn nhiệt kim loại, W/mK a - hệ số khuếch tán nhiệt ( dẫn nhiệt độ ) kim loại, m2/s x - khoảng cách kể từ bề mặt, m - thời gian, s q - công suất riêng ( nhiệt suất tạo chi tiết đơn vị bề mặt nó),W/ m2 iercf(z) ký hiệu tích phân hàm Krampa Khi nhiệt độ bề mặt (x=0) tính theo công thức sau: M = 2q a Từ thời gian nung bề mặt chi tiết giai đoạn đợc tính là: n in T Cụng Sut = a 2q b, Xác đinh thời gian nung giai đoạn hai: Đây giai đoạn nung từ nhiệt độ Quyri đến nhiệt độ Do độ thẩm từ giảm mạnh, chiều sâu xâm nhập dòng cảm ứng đợc tăng lên tơng ứng với chiều sâu lớp Do đó, để tính toán ta sử dụng phơng trình vi phân mô tả trình dẫn nhiệt với nguồn nhiệt phân bố toàn lớp bề mặt Công thức tính nhiệt độ điểm nh sau (với x 2): = Q x q + x + ( x ) F ( + x ) F a a Trong đó: = t- t nhiệt độ kim loại tính từ điểm Quyri t , 0C Q Q Q chiều sâu xâm nhập dòng cảm ứng, m Hàm F(z) tính nh sau: 1 z e F(z) = + erfz + 2z z erfz Hàm Krampa theo z Khi đó: Nhiệt độ bề mặt chi tiết (x=0) giai đoạn hai tính nh sau: QM = q 2 F a Nhiệt độ biên giới lớp (lấy x= 2) tính nh sau: QT = q F a Dựa công thức phơng pháp gần liên tục (cho giá trị , tính Q t, sai số lớn chọn lại lặp lại phép tính) tính thời gian nung từ điểm Quyri đến nhiệt độ bề mặt chi tiết giới hạn lớp Cuối thời gian nung tổng thể tổng thời gian nung giai đoạn hai Yêu cầu chất lợng, đặc điểm nguồn cấp cấu tạo thiết bị - Chất lợng thép đợc đem đợc đánh giá qua thông số Độ dày lớp đợc tôi, độ cứng, độ dẻo phụ thuộc vào nhiều yếu tố nh: + Đặc điểm thép đem tôi: thành phần cacbon, hình dạng, kích thớc n in T Cụng Sut + Thời gian tôi, thời gian làm nguội + Đặc điểm nguồn (tần số, biên độ, công suất ), môi chất làm nguội - Đặc điểm nguồn điện cấp cho lò tôi: Bộ nguồn nghịch lu đảm bảo cung cấp đủ lợng cho lò có tải tức lúc phải đảm bảo làm việc đợc lúc không tải chi tiết đem di chuyển hết khỏi ống vòng dây thiết bị nung Do đặc điểm làm việc lò không tải thờng xuyên lặp lại nên nghịch lu đòi hỏi phải làm việc đợc chế độ không tải - Cấu tạo thiết bị: Thiết bị cảm ứng dùng dòng tần số cao từ 500 500.000 Hz Thiết bị cao tần bao gồm hai phận là: nguồn phát tần số cuộn cảm ứng, có phận để làm nguội + Nguồn phát số cao có hai loại Máy phát tần số trung bình (500 10.000 Hz) dùng chủ yếu để nung sâu để nấu chảy kim loại Máy phát tần số từ 10.000 200.000 Hz dùng chủ yếu để nung chi tiết có kích thơc trung bình với độ sâu thẩm thấu khoảng 0,1 mm Máy phát tần số cao (200.000 500.000 Hz) dùng bóng bán dẫn để nung lớp mỏng bề mặt + Cuộn cảm ứng có nhiều loại, tuỳ thuộc vào hình dáng, kích thớc chi tiết, phơng pháp nung nh công suất thiết bị yêu cầu suất cần đạt Chơng ii.Đề xuất phơng án lựa chọn phơng án 1.Giới thiệu chung Trên sở tìm hiểu công nghệ yêu cầu kỹ thuật lò thép ta biết nguồn cấp điện cho lò thép phơng pháp cảm ứng nguồn điện xoay chiều tần số cao,có thể tạo nhiều cách: - Dùng máy phát điện tần số cao, đợc chế tạo dải công suất 0,5-15000KW dải tần số 500-8000Hz Ưu điểm : đơn giản cấu trúc, độ tin cậy cao dễ sử dụng Nhợc điểm : có phần tử quay, khó sửa chữa ,làm việc ồn, không thay đổi đợc tần số n in T Cụng Sut - Dùng đèn phát điện tử : tần số phát từ vài chục kHz đến vài MHz nhiên loại có nhợc điểm điểm hiệu suất thấp, tuổi thọ - Dùng Tiristor : dòng điện tần số công nghiệp đợc biến đổi thành dòng cao tần Ưu điểm : công suất nghịch lu lên tới 12000 KW , hiệu suất cao ,điện áp cao, thay đổi tần số tùy theo yêu cầu tải, dễ điều khiển, dễ tự động hóa 2.Nghịch lu Nghịch lu : thiết bị dùng để biến đổi lợng dòng điện chiều thành lợng dòng xoay chiều với tần số cố định thay đổi tùy theo tính chất tải Do đặc thù lò cảm ứng, nên ta chọn nghịch lu pha cho phần nghịch lu nguồn lò thép Ta xét lần lợt sơ đồ sau: 2.1 Sơ đồ nghịch lu áp pha - Đặc điểm: nguồn đầu vào nguồn áp, nên có tụ C (C-> ) mắc song song với điện trở nguồn Do nguồn trở thành nguồn hai chiều: phát lợng cho tải đồng thời tiếp nhận lợng tải trả ngợc về, đợc tích luỹ tụ C, thông qua diode mắc song song ngợc với van động lực - Xét đồ thị hoạt động mạch: 10 n in T Cụng Sut - Đạo hàm dòng điện: di/dt = 1000 (A/ s) - Nhiệt độ làm việc cực đại Tmax=1250C 1.2.Xét thông số Diode: - Dòng trung bình qua Diode: ITB-D = I N sin( + )d = I N cos( + ) = I (1 cos ) = 8,24 (A) 2 - Điện áp ngợc đặt lên Diode: Ung-D max = E =628 (V) Chọn hệ số dự trữ nh Diode , ta có: ID = Ki ITB-D = 13,5 (A) UD = Ku Ung-D max = 833 (V) Từ tra chọn Diode 1N2287có thông số sau: - Dòng chỉnh lu cực đại: Imax = 20 (A) - Điện áp ngợc Diode: Ung.max = 1000 (V) - Tổn hao điện áp trạng thái mở: U = 1,55 (V) 1.3.Tính toán tụ C0: Giá trị tụ C0 đợc tính nh sau: C0 = E.Tt (1 ln 2) 3Rt U C UC: biến thiên điện áp nguồn chiều tính theo % Tt = Lt/Rt Để đơn giản tính toán ta chọn tụ C0 theo công thức: 3Tt 3Lt 3.3,18.10 = = = 9,32.10 ( F ) = 9,32( àF ) C0 = Rt Rt 3,2 Xét mạch bảo vệ van mạch lực tránh dòng, áp: Ta sử dụng mạch bảo vệ đơn giản (nh hình vẽ): 21 n in T Cụng Sut C1 0.3uF R1 15 SCR1 L1 1uH - Ta mắc van song song với tụ C R để tránh áp; giá trị C R thờng đợc tính theo kinh nghiệm: R = ữ 30 ( ) C = 0,25 ữ ( àF ) ta chọn: R = 15 C = 0,3 àF - Để bảo vệ dòng ta mắc van nối tiếp với cuộn cảm L Giá trị điện cảm tính nh sau: di di < dt cp dt max Do: di u = , dt L nên: U max di < L dt cp U max 628 = =,628.10 ( H ) = 0,628( àH ) => L > di 1000.10 dt cp Từ xác định giá trị điện cảm: L=1 ( H) Vấn đề tản nhiệt cho van : van làm việc có sụt áp van bị nóng ,để van làm việc an toàn ta chọn trình làm mát van nớc * Nh vậy, tổng quan ta lựa chọn thiết kế xong mạch lực phần nghịch lu Chơng iv nguyên lý mạch điều khiển 22 n in T Cụng Sut Sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển Phỏt xung iu khin ng Khuch i sa xung Chia xung Van mch lc Khõu phn hi Chức khâu mạch điều khiển: - Khâu tạo xung điều khiển khởi động: khâu có chức tạo xung điều khiển lúc khởi động đợc tách có xung phản hồi từ mạch lực, lúc mạch hoạt động - Khâu chia xung: khâu có tác dụng tạo xung có tần số phù hợp với yêu cầu mạch lực nguồn Đồng thời khâu có chức phân xung điều khiển vào kênh cho nhóm van mạch lực - Khâu khuếch đại sửa xung: khâu nhằm tạo xung điều khiển thích hợp với van mạch lực - Khâu phản hồi có tác dụng tạo xung phản hồi điều khiển mạch (sau mạch hoạt động) Đồng thời khâu phải thực chặn xung điều khiển từ khâu phát xung khởi động * Nguyên lý làm việc mạch điều khiển - Đầu tiên, khâu phát xung điều khiển khởi động phát xung có tần số f đk, xung đợc đa vào khâu chia xung để tạo xung có tần số tần số nghịch lu fN Sau đó, xung đợc phân kênh để vào điều khiển nhóm van mạch lực Xung có dạng xung vuông chữ nhật, sau cho qua mạch vi phân xung có dạng xung ca - Tiếp theo, xung đợc đa vào phận chuyển mạch ( cha có xung phản hồi) khâu khuếch đại tạo xung để tạo xung có điện áp phù hợp cấp cho mạch van - Sau khi, mạch van làm việc, tải bắt đầu hoạt động, có dòng điện tải dạng hình sin ( thực nghịch lu cộng hởng nguồn áp) Dòng điện ta cho qua biến dòng để tạo tín hiệu áp sau cho qua mạch so sánh để tạo xung có 23 n in T Cụng Sut điện áp phù hợp Xung đợc xử lý mạch số để tạo tín hiệu chặn xung điều khiển Đồng thời lấy xung qua khâu để chỉnh sửa thành xung phù hợp đa vào mạch để điều khiển sau * Nh vậy, sau xung phản hồi xuất hiện, khâu phản hồi thực chức chặn tín hiệu xung điều khiển khởi động lấy tín hiệu phản hồi để điều khiển Khi mạch làm việc ổn định chế độ cộng hởng Chơng v tính toán thiết kế mạch điều khiển * Các thông số cần đạt đợc mạch điều khiển: + Điện áp điều khiển Tristor Uđk= V + Dòng điện điều khiển Iđk= 400mA + Tần số nghịch lu fN= 12000Hz + Độ rộng xung ca tx + Mức sụt áp xung cho phép Ux=0,2 V + Điện áp nguồn nuôi mạch điều khiển 15V Tính toán khâu phát xung điều khiển khởi động - Ta cần tạo mạch phát xung điều khiển có tần số f đk=2.fN (vì sau qua khâu chia xung, phân kênh T-Flip-Flop tần số bị giảm nửa) - ta sử dụng mạch tạo dao động dùng Op-Amp phổ biến nay: Sơ đồ mạch: R1 1k 15V U1 +V LM318 + C1 19nF +V-15V R2 1k R3 1k Tần số dao động mạch phù hợp với tần số xung mở Tristor là: fđk= 2fN= 2.12000 = 24000(Hz) Ta có chu kỳ xung mạch là: T = 2.R1.C.ln + 24 R3 R2 n in T Cụng Sut Vì điện trở không tham gia vào việc hạn chế dòng điện nên chọn cho: T= 2.RC Do ta chọn: R1= R2=R3=1k Khi đó: => C= T= 2.RCln3 = 1 = = 41,7.10 ( s ) = 41,7( às ) f dk 24000 41,7 = 18,96( nF ) 19( nF ) ln 3.2.10 Chọn khuếch đại thuật toán: yêu cầu tạo xung có tần số điều khiển fđk=24000 Hz nên ta cần phải chọn IC có tốc độ nhanh Do ta chọn IC LM318 IC gồm vỏ nên thích hợp với việc làm mạch tạo dao động: Vì ta cần chọn IC cho mạch tạo dao động + Nguồn cung cấp: UCC = 15V + Dòng vào IC: Ivao= 10 mA + Công suất: P = 500 mW + Nhiệt độ làm việc: t0C = 70 0C Tính toán khâu chia xung phân kênh - Ta sử dụng T-Flip-Flop làm mạch chia xung ( chia 2) phân kênh T Flip-Flop đợc tạo từ D-Flip-Flop cách nối đầu Q với đầu vào D Xung điều khiển đợc đa vào đầu vào xung nhịp C D Flip-Flop Chọn D Flip-Flop IC 4013 25 n in T Cụng Sut Tính toán khâu khuếch đại sửa xung a, Mạch vi phân: - Ta sử dụng khâu vi phân đơn giản dùng mạch R-C Do xung qua Flip-Flop bị méo dạng xung nên cần có phần hiệu chỉnh điện áp xung sau, ta chọn mạch vi phân nh sau: Khi ta có: ura= RC.duvao/dt b, Mạch khuyếch đại: - Thiết kế máy biến áp xung thực chức khuếch đại tạo xung cách ly điện áp mạch điều khiển mạch lực - Tính toán biến áp xung o Chọn vật liệu làm lõi sắt: biến áp xung phải làm việc với tần số cao lõi thép thích hợp với tần số 50Hz (lõi làm từ thép kỹ thuật bình thờng) đáp ứng đợc, mà phải sử dụng lõi sắt ferit lõi sắt bị từ hóa phần o Tính toán thể tích lõi sắt: V= K ba U I t x U x B.H đó: + Kba hệ số máy biến áp Kba=2 + U2 điện áp điều khiển U2= 5V + I2 dòng điều khiển I2= 400mA + Ux độ sụt áp cho phép xung điều khiển Ux= 0,2V + tx độ rộng xung điều khiển, xung đối xứng hay khoảng xung khoảng có xung nên ta có: 1 tx = f = = 41,7.10-6 s * 12000 x Do chế độ lõi sắt làm việc miền từ hoá phần nên theo đồ thị ta chọn: B = 0.2 T H =30 A/m Thay vo cụng thc ta cú : 26 n in T Cụng Sut V= 2.5.400.10 3.41,7.10 6.0,2 0,2.30 V = 5,56.10-6(m3) Tra bảng loại lõi sắt làm việc miền từ hóa phần ta chọn lõi sắt có dạng trụ với thông số sau: + Loại lõi sắt 2213 + Đờng kính 22mm + Đờng kính 13mm + Diện tích lõi sắt Slõi = 0,635 cm2 + Diện tích cửa sổ từ Scửa sổ = 0,297 cm2 Ta tính đợc thông số cuộn sơ cấp máy biến áp nh sau: + Điện áp: U1 = U2.Kba = 5.2 = 10V + Dòng điện: I1 = I2/Kba = 400/2 = 200mA Hình dạng kích thớc lõi sắt nh sau: 13 22 Tính toán số vòng dây cuộn sơ cấp thứ cấp biến áp xung: U t x 10.41,7.10 W1= = = 34(vòng) B.S ba 0,2.0,635.10 W2= W1/Kba =34/2 = 17 (vòng) o Biến áp xung cần đảm bảo nhân thành nhiều xung để điều khiển nhiều van ( van) nhóm mở lúc nên cần thiết kế biến áp xung nhiều cuộn thứ cấp, biến áp xung cấn có cuộn thứ cấp Hai cuộn thứ cấp có cấu tạo hoàn toàn tơng tự nên ta không cần tính toán thêm Nh khâu khuếch đại tạo xung có cấu tạo nh sau: 27 n in T Cụng Sut - Lựa chọn van: Xung điều khiển dạng xung đơn nên ta lựa chọn mạch làm mạch khuếch đại tạo xung (sử dụng biến áp xung) o Hai bóng T1 T2 chọn theo điều kiện điện áp nh chịu đợc trị số nguồn Ecs=15V Về dòng điện, bóng T1 chọn theo dòng điện qua cuộn sơ cấp biến áp xung: IC1= I1 = 200 mA Từ ta chọn bóng T1 là: ZTX300 có thông số sau: + Ic max = 0,5 (A) = 500 (mA) + Uce max =25 V + = 50 + Pc max = 0,3 (W) o Dòng qua bóng T2 dòng qua bazo T1 bằng: IC2=Ib1 = IC1/ = 200/50 =4 (mA) Từ ta chọn bóng T2 là: BC108 có thông số sau: + Ic max = 0,1 (A) = 100 (mA) + Uce max =20 V + = 110 + Pc max = 0,3 (W) o Vì độ rộng xung điều khiển nhỏ nhiều chu kỳ phát xung nên công suất phát nhiệt van không đáng kể quan tâm đến vấn đề tính toán Điện trở R1 chọn từ điều kiện mở bão hòa tốt cho T1, T2 đồng thời không gây tải cho tầng trớc khuếch đại xung: U I V max V max R1 đó: 28 E s I CS max n in T Cụng Sut + Uvmax điện áp lớn van chịu đợc: + Ivmax dòng điện lớn van chịu đợc: Uvmax = 25 V Ivmax = 0,5 A + , lần lợt hệ số khuếch đại T1, T2: + Ecs điện áp nguồn cung cấp: + s hệ số bão hòa s= 1,2 1,5 lấy: Từ ta đựơc: =50, =110 Ecs = 15V s=1,2 25 50 110 15 0,5 R 1,2 75 10 50 R1 917.103 ( ) => Chọn R1= 500 k o Diode D1 có tác dụng bảo vệ cho tranzitor, chức loại bỏ phần điện áp âm vào khuếch đại xung Diode D2 nhằm chống áp gây hỏng bóng chúng chuyển từ dẫn sang khóa ảnh hởng sức điện động tự cảm cuộn dây biến áp xung Từ ta chọn diode nh sau: * Diode D1 D2 loại 1N4448 có thông số sau: + Điện áp ngợc: Ung=20 V + Dòng điện max: Imax=100mA Nh ta thiết kế xong khâu khuếch đại tạo xung Chúng ta sử dụng diode Zener mạch khuếch đại nhằm đảm bảo U1 10V Tính toán khâu phản hồi: a, Biến đổi tín hiệu biến dòng: - Ta sử dụng biến dòng để tạo tín hiệu áp phản hồi điều khiển mạch Chọn biến dòng loại AMC2-300 có thông số: + Dòng vào: Ivao=300 A + Dòng ra: Ira = A - Tín hiệu khỏi biến dòng tín hiệu áp hình sin, để tạo tín hiệu xung điều khiển ta cho tín hiệu qua mạch so sánh sử dụng Comparator loại LM119 có thông số sau: + Nguồn cấp: UCC= 15V + Dòng vào lớn nhất: Imax= 11,5 mA + Công suất: P = 500 mW + Nhiệt độ làm việc: t0C = 70 0C 29 n in T Cụng Sut - IC gồm có vỏ nên thuận tiện cho việc thiết kế mạch điều khiển: b, Tạo tín hiệu chặn xung điều khiển: - Để tạo tín hiệu chặn xung điều khiển ta thực nh sau: + Khi có tín hiệu điện áp (dạng sin) phản hồi đợc chỉnh lu qua mạch cầu Diode đợc lọc tụ Nó tạo thành dòng chảy qua cực gốc phát Trazitor làm cho Tranzitor dẫn trạng thái bão hòa, tín hiệu Q mức thấp logic ( VQ= 0,6 V) Ngợc lại tín hiệu phản hồi tín hiệu Q mức cao ( VQ= V) + Tiếp tín hiệu phản hồi đợc đa vào mạch có thêm phần tử NOT AND nh hình vẽ: tín hiệu phản hồi tơng ứng với Q = cho tín hiệu xung điều khiển qua có tín hiệu điều khiển tơng ứng với Q= 30 n in T Cụng Sut không cho tín hiệu xung điều khiển qua nh tín hiệu điều khiển bị chặn lại + Tính toán, lựa chọn cho khâu phản hồi nh sau: o Chọn cầu Diode chỉnh lu loại 2KBP005 có thông số nh sau: Ung_D= 50 (V) ID = (A) o Tranzitor loại ZTX300 Diode loại 1N4448 có thông số cho o Các điện trở R1 = R2 = k tụ bù C = 100 àF Tính toán thiết kế nguồn cho mạch điều khiển - Thiết kế nguồn chiều có điện áp 15V Ta sử dụng mạch chỉnh lu cầu vi mạch ổn áp LM7815C - Tính toán máy biến áp nguồn: + Điện áp thứ cấp MBA nguồn lấy U2 = 18V + Công suất biến áp xung cấp cho mạch điều khiển mở van Trisistor PBAX= 4.5.400.10-3= (W) + Công suất cấp cho tranzitor mạch khuếch đại tao xung Ptran= 4.0,3= 1,2 (W) + Công suất OpAmp LM318 POpAmp= 3.0,5 = 1,5 (W) 31 n in T Cụng Sut + Công suất Comparator LM119 PCom= 2.0,5 = (W) + Công suất tính toán MBA PTT = + 1,2 + 1,5 + = 11,7 (W) + Lấy hiệu suất MBA =0,85 công suất thực tế MBA cần thiết kế PBA= 11,7/0,85 = 13,8 (W) Ta lấy công suất MBA PBA= 14 (W) + Từ dòng sơ cấp MBA là: I1= PBA/U1 = 14/220 = 0,064 (A) + Dòng thứ cấp MBA là: I2 = PBA 14 = = 0,389 (A) 2.U 2.18 + Thiết diện lõi thép MBA S = kQ PBA = 14 = 2,65 (cm2) mf 1.50 đó: kQ hệ số phụ thuộc phơng thức làm mát lấy kQ= m số trụ MBA m=1 f tần số lới điện f=50 Hz + Chuẩn hóa có S = 2,65 cm2 thông số khác lõi thép a = 12 mm h = 30 mm c = 12 mm Thể tích thép từ: V = 25,53 cm3 Trọng lợng thép từ: G = 210 gr Số lợng thép 106 Công suất MBA: P= 14W + Chọn mật độ từ cảm trụ B = 1T, ta có số vòng dây cuộn sơ cấp W1= U1 220 = = 3740 (vòng) 4,44 f B.S 4,44.50.1.2,65.10 + Số vòng dây cuộn thứ cấp W2 = W1 U2 18 = 3740 = 306 (vòng) U1 220 32 n in T Cụng Sut + Lấy mật độ dòng điện J1=J2=2,5 (A/mm2), ta có tiết diện dây sơ cấp: s1= I1/J1 = 0,064/2,5 = 0,0256 (mm2) + Tiết diện dây thứ cấp: s2= I2/J2 = 0,389/2,5 = 0,1556 (mm2) + Từ đờng kính dây sơ cấp là: d1 = s1 = 4.0,0256 = 0,18 (mm) 4s = 4.0,1556 = 0,45 (mm) + Đờng kính dây thứ cấp d2 = - Tính toán mạch tạo nguồn + Dòng trung bính qua diode là: ID = I2/ = 0,389/ = 0,28 (A) + Điện áp ngợc đặt lên diode Ung_D= U2 = 18 = 25 (V) + Từ ta chọn cầu diode chỉnh lu 2KBP005 có thông số: Ung_D= 50 (V) ID = (A) - Lựa chọn tụ: + Các tụ C1 C3 tụ hóa sử dụng để lọc phẳng chọn C1 = C3 = 2200 àF + Các tụ C2 C4 tụ sử dụng để lọc nhiễu chọn C2 = C4 = 0,01 àF 33 n in T Cụng Sut Các linh kiện dùng Trong mạch lực Linh Kiện Tiristor Diode Tụ bù Điện trở bảo vệ Tụ bảo vệ Cuộn cảm bảo vệ Tụ C0 Trong mạch điều khiển Linh Kiện Diode Tranzitor Biến dòng Phần tử tơng tự Phần tử Logic Tụ điện Điện trở Số Lợng 4 4 Loại 2KBP005 1N4448 ZTX300 BC108 AMC2-300 LM318 LM7815 LM7915 LM119 D-FF NAND Loại TA449-10w 1N2287 2,37( F) 15( ) 0,3( F) 1( H) 9,32( F) Số Lợng 12 1 1 4013 4018 Kết luận Ngày việc áp dụng phơng pháp cảm ứng vào thép trở nên phổ biến việc ứng dụng điện tử công suất vào phơng pháp cảm ứng cho khả tự động hóa cao , dễ điều khiển Nhờ giảng dạy , giúp đỡ tận tình thầy môn đặc biệt hớng dẫn thầy Dơng Văn Nghi với giúp đỡ thành viên nhóm ; sau trình học tập nghiên cứu em hoàn thành đồ án môn học với đề tài : Thiết kế phần nghịch lu nguồn lò thép,một đề tài ứng dụng nhiều thực tế Tuy nhiên lần làm đồ án nên tránh 34 n in T Cụng Sut khỏi sai sót , em mong nhận đợc ý kiến đóng góp thầy để đồ án hoàn thiện có tính khả thi cao Em xin chân thành cảm ơn! Tài liệu tham khảo: 1.Điện tử công suất-Võ Minh Chính(chủ biên), Phạm Quốc Hải, Trần Trọng MinhNXB Khoa Học Kỹ Thuật 2.Phân tích giải mạch điện tử công suất-Phạm Quốc Hải , Dơng Văn NghiNXB Khoa Học Kỹ Thuật 3.Điện tử công suất- Lê Văn Doanh(chủ biên),Nguyễn Thế Công, Trần Văn ThịnhNXB Khoa Học Kỹ Thuật Thiết bị nhiệt luyện Nguyễn Văn Hiển 35 [...]... xung - Nghịch lu cộng hởng có dự trữ góc lớn để nghịch lu làm việc ổn định và tần số f0 B, tụ C đợc nạp Khi... cho tín hiệu xung điều khiển đi qua và nh vậy tín hiệu điều khiển sẽ bị chặn lại + Tính toán, lựa chọn cho khâu phản hồi nh sau: o Chọn cầu Diode chỉnh lu loại 2KBP005 có các thông số nh sau: Ung_D= 50 (V) ID = 2 (A) o Tranzitor loại ZTX300 và Diode loại 1N4448 có các thông số đã cho ở trên o Các điện trở R1 = R2 = 1 k và tụ bù C = 100 àF 5 Tính toán thiết kế bộ nguồn cho mạch điều khiển - Thiết kế. .. suất bộ biến đổi (BBĐ) phụ thuộc vào công suất của van nên bị hạn chế UN có dạng xung chữ nhật nên khị phân tích Furie sẽ xuất hiện nhiều thành phần sóng điều hoà bấc cao do đó làm giảm hiệu suất của BBĐ 2.2 Sơ đồ nghịch lu dòng một pha - Đặc điểm: Nguồn đầu vào là nguồn dòng, do đó nguồn đợc nối nối tiếp với Ld (Ld -> ) nhằm san phẳng dòng đầu vào: Td = const 11 n in T Cụng Sut - Dòng điện nghịch. .. điều khiển - Thiết kế nguồn một chiều có điện áp ra là 15V Ta sử dụng mạch chỉnh lu cầu và vi mạch ổn áp LM7815C - Tính toán máy biến áp nguồn: + Điện áp thứ cấp của MBA nguồn lấy U2 = 18V + Công suất biến áp xung cấp cho mạch điều khiển mở 4 van Trisistor PBAX= 4.5.400.10-3= 8 (W) + Công suất cấp cho 2 tranzitor của mạch khuếch đại tao xung Ptran= 4.0,3= 1,2 (W) + Công suất của 3 OpAmp LM318 POpAmp=... Công suất của 2 Comparator LM119 PCom= 2.0,5 = 1 (W) + Công suất tính toán MBA là PTT = 8 + 1,2 + 1,5 + 1 = 11,7 (W) + Lấy hiệu suất của MBA là =0,85 thì công suất thực tế của MBA cần thiết kế PBA= 11,7/0,85 = 13,8 (W) Ta lấy công suất của MBA là PBA= 14 (W) + Từ đó dòng sơ cấp MBA là: I1= PBA/U1 = 14/220 = 0,064 (A) + Dòng thứ cấp MBA là: I2 = PBA 14 = = 0,389 (A) 2.U 1 2.18 + Thiết diện lõi thép MBA... cộng hởng cơ bản: a, Sơ đồ nghịch lu cộng hởng nối tiếp: - Do điện cảm tải tạo nên nguồn dòng, bộ nghịch lu phải là nghịch lu nguồn áp Ta xét sơ đồ cầu: 13 n in T Cụng Sut o Sơ đồ này sử dụng cộng hởng nguồn áp nên có thể làm việc đợc ở chế độ không tải o Tải mang tính cảm nên ta đấu với tải tụ C nhằm tạo ra dao động cộng hởng và đồng thời phải bù thừa nhằm tạo ra góc khóa cần thiết để chắc chắn là khóa... min 2.3 Nghịch lu cộng hởng * ở nghịch lu dòng (hoặc áp) thì dạng dòng điên i N (hoặc điện áp uN) đều có chứa thành phần sóng điều hoà bậc cao Vì vậy sẽ làm giảm hiệu suất của BBĐ Để tăng hiệu suất của BBĐ ta xét nghịch lu cộng hởng * Do tải có tính cảm kháng vì vậy ta phải đấu với tải tụ C để bù lại tính cảm kháng nhằm tạo ra cộng hởng trong mạch Nhng do tải thay đổi liên tục trong quá trình tôi, nên... chức năng của mình là chặn tín hiệu xung điều khiển khởi động và lấy tín hiệu phản hồi về để điều khiển Khi đó mạch sẽ làm việc ổn định ở chế độ cộng hởng Chơng v tính toán thiết kế mạch điều khiển * Các thông số cần đạt đợc của mạch điều khiển: + Điện áp điều khiển của Tristor Uđk= 5 V + Dòng điện điều khiển Iđk= 400mA + Tần số nghịch lu fN= 12000Hz + Độ rộng xung răng ca tx + Mức sụt áp xung cho phép