Đồ án điện tử công suất trình bày về luyện thép và nguyên lý hoạt động của nó

d p - Công thức trên cho thấy rằng khi công suất lò lớn, nghĩa làkhi bán kính liệu hoặc dung tích của lò lớn cũng như khi điệntrở của liệu nhỏ, tần số của dòng điện cung cấp có thể lấy t

Đồ án Điện tử công suất

TRÌNH BÀY VỀ LUYỆN THÉP VÀ NGUYÊN LÝ

HOẠT ĐỘNG CỦA NÓ

PHỤ LỤC

Lời nói đầu………

Chương 1:Giới thiệu công nghệ và yêu cầu kỹ thuật……

I Tìm hiểu về lò nấu thép………

II Tìm hiểu về đề tài………

Chương 2: Đề xuất phương án và lựa chọn mạch lực… I Phương án mạch lực………

II Tính toán lựa chọn van………

Chương 3: Mạch điều khiển………

I Nguyên lý điều khiển………

II Thiết kế mạch điều khiển Chương 4: Kết quả mô phỏng………

Tài liệu tham khảo………

Lời Nói Đầu

Trong sự phát triển từng ngày của thế giới, trên từng lĩnh vực của cuộc sống, như nông nghiệp,du lịch, điện tử, công nghệ thông tin…Ngành công nghiệp nặng chiếm một vị trí hết sức quan trọng, là tiền đề của các công trình lớn, của sự phát triển cơ sở hạ tầng Ngày nay, đã và đang đánh dấu những thành quả to lớn của ngành công nghiệp: như đóng tầu, sản xuất ôtô, luyện kim… Trong đó luyện kim chiếm vai trò quan trọng, nó tạo

ra rất nhiều nguyên liệu cho các ngành khác sử dụng Để tìm hiểu thêm về vấn đề này, Dưới đây là một số trình bày về ngành luyện thép và nguyên lý hoạt động của nó.

Trong đề tài, có sự tham gia của hai sinh viên Hoàng Ngọc Tú và Đặng xuân quyền với sự giúp đỡ của thầy.

Thiếu sót của báo cáo là không thể tránh khỏi, chúng tôi xin chân thành cảm ơn và chân trọng những ý kiến dóng góp và phê bình của các bạn, để đề tài này được hoàn thiện hơn…

CHƯƠNG 1.GIỚI THIỆU CHUNG VỀ LÒ NẤU THÉP

I.Tìm hiểu về lò nấu thép

- Ngành luyện kim ra đời từ rất lâu, sản phẩm của nó đáp ứng được nhu cầutrong moi lĩnh vực Trong thời gian đầu, các phưong pháp luyện thép cổ điểnnhư: lò cao, lò Mactanh đây là những loại lò dùng nhiên liệu đốt như củithan… Ngày nay, với sự sử dụng rộng rãi của điện năng thì phương pháp nấuluyện thép bằng điện chiếm ưu thế

- Nấu luyện thép bằng lò điện là phương pháp nhanh nhất, mang lại hiệu quảkinh tế cao vì phương pháp này biến đổi điện năng thành nhiệt năng

- Điều chỉnh nhiệt độ dễ dàng, khả năng tự động hoá cao và có khả năng luyện,nấu được nhiều loại thép khác nhau, dùng cho mục đích khác nhau

- Ít gây ô nhiễm môi trường

- Có các loại lò phổ biến sau: lò hồ quang, lò điện trở, lò cảm ứng

- Trong các loại lò điện trên thì lò cảm ứng có các ưu điểm nổi trội hơn cả

- Nấu chảy được kim loại sạch nhất, vận hành đơn giản và có thể nấu chảytrong chân không hay trong môi trường đặc biệt So với lò điện trở và lò hồquang thì hiệu quả nhiệt của lò điện cảm ứng là 80% so với 60%-75% của 2 lòkia và hiệu suât nhiệt lên tới 96%

- Tuy nhiên lò cảm ứng có hệ số công suất giảm khi điện trở của vật liệu giảm

và để tăng nhiệt số này thường người ta mắc các tụ điện song song với lò.Nhiệt độ của xỉ thấp cho nên khó có thể tinh luyện thép

- Một điểm chú ý trong lò điện cảm ứng là tần số lò càng cao khi khối lượngphối liệu nấu trong nòi mẻ thấp:

- 500 000Hz đối với lò nhỏ, nấu thí nghiệm 10g - 100g

- 8000Hz - 4000Hz đối với lò thí nghiệm nấu vài kg

- 2000Hz đối với lò công nghiệp nhỏ, một mẻ 50 kg - 500kg

φ : từ thông sinh ra ở lõi sắt (Wb)

- Nhờ dòng xoay chiều gây ra cho từ trường nam châm của lõi sắt mà kim loạirắn được nung nóng dần, cuối cùng chảy vào rãnh và có thể lấy ra ngoài Loạinày ít thông dụng vì năng suất không cao, xỉ luôn luôn bị nguội

- Loại không có lõi sắt rất thông dụng hiện nay: Đặc điểm của loại lò này là từtrường từ cuộn dây cảm ứng được dẫn thẳng vào kim loại Tại đây sinh ra dòngđiện hỗ cảm có cường độ không đều trên dây đồng Mật độ dòng điện tập trung

ở mặt ngoài dây, ở giữa giảm dần

Cấu tạo của lò

Gồm hai bộ phận chính là vòng cảm ứng và nồi lò:

- Vòng cảm ứng làm bằng đồng hoặc ống sắt dẹt Vì dòng qua vòng cảm ứng

cỡ hàng ngàn ampe nên tổn hao điện chiếm tới 25 ÷30% công suất hữu ích củathiết bị Do vậy cần làm mát vòng cảm ứng Làm mát bằng không khí cho phépmật độ dòng điện 2 ÷ 5A/mm2 Làm mát bằng nước trong vòng cảm ứng rỗngcho phép dòng điện tới 50 ÷ 70A/mm2

- Nồi lò làm bằng vật liệu chịu lửa

II.Tìm hiểu về tải

1.Đặc tính tải trong quá trình nấu thép

- Tải lò nấu thép là tải có tính cảm kháng.Đầu tiên ta dễ nhận thấy tải phụthuộc nhiệt độ theo công thức:

Ρ : là suất điện trở của thép(Ωcm)

- Nhận thấy khi nhiệt độ khoảng 800-9000c thì tải mất tính cảm kháng chỉ còntính thuần trở (do μ giảm mạnh ,còn ρ tăng mạnh)

- Tải lò nấu thép là tải ngắn mạch , nên nguồn cấp cho tải phải làm việc ở chế

độ ngắn mạch, do đó ta chọn nguồn cấp cho tải là nghịch lưu nguồn dòng

I1 : dòng điện trong cuộn cảm ứng (A)

n : số vòng dây cuộn cảm ứng

d : đường kính trong lò

h : chiều cao mẻ liệu (cm)

I1.n : số ampe vòng

Từ công thức trên ta thấy:

- Năng lượng biến thành điện năng ở trong mẻ liệu tỉ lệ thuận với bình phươngampe vòng, tức tỉ lệ với cường độ từ trường và căn bình phương điện trở riêng

vì dây phải rất lớn và quá nóng, có thể nóng chảy (dù có nước làm mát)

- Thường dùng phương pháp tăng tần số, do vậy lò cảm ứng còn gọi là lò caotần

- Mặt khác tần số còn ảnh hưởng đến kích thước của cục nguyên liệu Nănglượng truyền từ nguồn điện (tần số), qua vòng cảm ứng, biến đổi thành nănglượng trường điện từ Trong vật gia nhiệt điện năng dòng xoáy cảm ứng đượcchuyển thành nhiệt năng Khi truyền sâu trong kim loại, độ lớn của các vectơ

E, H (hai thành phần của trường điện từ) bị giảm dần và năng lượng trườngđiện từ cũng giảm dần (theo độ sâu truyền z)

Độ sâu thẩm thấu:

f

p

a 503.

2

µµ

γω

δ = = (m)

Trong đó:

a

µ = µ.µ0 : hệ số từ thẩm tuyệt đối của kim loại.

0

µ 0 μ = 4.µ.10-7 H/m : hệ số từ thẩm chân không ρ

γ = 1p : điện dẫn của kim loại

- Tính toán và thực tế cho thấy khi z = δ thì 0,864 phần năng lượng điện từ có

ở bề mặt kim loại bị tiêu tán để đốt nóng lớp kim loại dày δ, còn 0.316 phầnnăng lượng tiếp tục truyền sâu vào lớp kim loại bên trong Tần số càng lớn thì

δ càng nhỏ và năng lượng điện từ càng tập trung đốt nóng ở lớp mặt ngoài củakim loại Do đó để giảm năng lượng điện mất mát trên một tấm kim loại và quátrình nấu chảy nguyên vật liệu cần thiết phải tính toán một cách hợp lý và tỉ mỉnhững kích thước cục nguyên liệu và chất khít chặt với tần số tương ứng

- Để có hiệu suất nấu chảy kim loại cao, khi tần số càng lớn thì kích thước cụcnguyên liệu càng phải nhỏ, còn đối với tần số thấp hơn kích thước cục nguyênliệu có thể to hơn

Ví dụ:

Tần số (Hz) Kích thước cục nguyên liệu (mm)

- Nếu khi tấn số rất lớn hơn nữa thì kích thước cục nguyên liệu nhỏ hơn 5mm

- Tấn số cũng có quan hệ chặt chẽ với bản chất cuă vật liệu và công suất của lò.Công thức gần đúng để tính tần số dòng điện là:

fmin =25.1028.

d p

- Công thức trên cho thấy rằng khi công suất lò lớn, nghĩa làkhi bán kính liệu hoặc dung tích của lò lớn cũng như khi điệntrở của liệu nhỏ, tần số của dòng điện cung cấp có thể lấy thấphơn

- Đối với những kim loại như sắt, niken, crôm cũng như hợp kimcủa chúng người ta thường dùng tàn số trong giới hạn 1000 ÷

3000 Hz Đối với bạc, đồng, đồng thanh, đồng đỏ, hợp kim bạcniken, đồng niken tần số có thể dùng từ 50 ÷ 500 Hz

- Để đảm bảo cả yêu cầu kinh tế và kỹ thuật, việc lựa chọn tần

số phụ thuộc rất nhiều vào công suất của lò Quan hệ giũă tần

số và công suất của lò được thể hiện qua những số liệu sau:

>1200 150

- Hiện nay việc lựa chọn tần số dòng điện cung cấp cho lòkhông có lõi sắt để luyện thép vẫn được lựa chọn như trên

3 Sơ đồ và nguyên lý cấu tạo của thiết bị

Sơ đồ khối của bộ biến tần cấp cho lò nấu thép:

Hình 1: Sơ đồ khối của bộ biến tần

Trong đó:

Ud1 =Kcl*U21 *cosα : điện áp ra bộ chỉnh lưu (điện áp vào

3 Pha

Lọc

Nghịch Lưu

1 Pha

- Phương trình cân bằng điện áp Ud1 = Ud2

Kcl*U21 *cosα = Knl*U22 *cos φt

- Từ lí luận trên , ta thấy yêu cầu với mạch chỉnh lưu

- Mạch chỉnh lưu có chức năng cấp nguồn cho mạch nghịch lưudòng 1 chiều cho mạch nghịch lưu, tức là giữ cho Id= const

- Mạch chỉnh lưu điều chỉnh công suất trong quá trình nấu chảyvật liệu,vì khi góc tải φt thay đổi thì α cũng phải thay đổi chophù hợp

Chương II :Đề xuất phương án và lựa chọn mạch lực

Do đặc điểm của lò luyện thép, ta có thể chọn phương ándùng mạch điều áp hoặc chỉnh lưu Dưới đây là trình bày một

số phương án…

I Phương án mạch lực

- Từ yêu cầu ta suy ra mạch chỉnh lưu phải là chỉnh lưu có điều khiển Côngsuất của lò nấu là P = 140 kW, nguồn điện sử dụng là nguồn điện 3 pha nênchúng ta dùng chỉnh lưu điều khiển 3 pha (nếu dùng chỉnh lưu điều khiển 1 phacông suất tải lớn sẽ làm xấu lưới điện)

- Ta có các phương án:

• 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 có nhược điểm: chất lượng điện áp thấp, hệ số đậpmạch 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 máybiến áp lực 6 pha tốn kém, phức tạp, giá thành cao nên phương án này cũngkhông khả thi

- Như vậy chúng ta sẽ thiết kế phần chỉnh lưu cho bộ nguồn lò nấu thépdùng sơ đồ chỉnh lưu cầu 3 pha có điều khiển, bao gồm:

+ Chỉnh lưu cầu 3 pha điều khiển đối xứng

+ Chỉnh lưu cầu 3 pha điều khiển không đối xứng

1 Chỉnh lưu cầu 3 pha điều khiển không đối xứng

• Sơ đồ nguyên lý:

Hình 2: Sơ Đồ Chỉnh lưu cầu 3 pha điều khiển không đối xứng

• Dạng điện áp và dòng điện:

- Ta có thể coi sơ đồ chỉnh lưu cầu 3 pha không đối xứng tương đương 2

mạch chỉnh lưu hình tia:

- Chỉnh lưu hình tia 3 pha điều khiển gồm T1, T3, T5 có:

UK = Udotia∗ cosα = 1,17U2cosα

- Chỉnh lưu hình tia 3 pha không điều khiển gồm D2, D4, D6 có:

UA = Udotia ∗ cosα = 1,17U2

Tổng hợp lại ta có: Chế độ và chức năng điện áp trên mạch tải:

Ud = UK + UA = 1,17U2(1 + cosα) = 2,34U2.1+cosα

=Udmax.1+cosα

Chế độ hoạt động: chế độ chỉnh lưu với α = 0 ÷ π, Ud = 0 ÷ Udmax

Chức năng: Ổn định điện áp và dòng ra tải bằng cách thay đổi α

• Ưu nhược điểm của sơ đồ:

- Ưu điểm: Mạch điều khiển đơn giản

+ Làm lệch pha lưới điện khi thay đổi góc điều khiển

2 Chỉnh lưu điều khiển 3 pha đối xứng

• Sơ đồ nguyên lý:

Hình 4: Sơ Đồ Chỉnh lưu điều khiển 3 pha đối xứng

• Dạng điện áp và dòng điện

Hoạt động của sơ đồ:

Giả thiết T5, T6 đang cho dòng chảy qua VK = UC; VA = UB

- Khi θ =

6

π

+α cho xung điều khiển mở T1 Thyristor này mở vì Ua>0 Sự

mở của T1 làm cho T5 bị khoá lại một cách tự nhiên vì Ua > Uc Lúc này T6

và T1 cho dòng đi qua Điện áp ra trên tải: Ud=Uab=Ua-Ub

- Khi θ =

6

3π

+α cho xung điều khiển mở T2 Thyristor này mở vì T6 dẫn

dòng, nó đặt Ub lên catot T2 mà Ub > Uc Sự mở của T2 làm cho T6 khóa lạimột cách tự nhiên vì Ub > Uc Lúc này T2 và T1 cho dòng đi qua Điện áp trêntải: Ud=Uac=Ua-Uc

Các xung điều khiển lệch nhau

3

π

được lần lượt đưa đến các cực điều khiểncủa các thyristor theo thứ tự 1, 2, 3, 4, 5, 6, 1,….Trong mỗi nhóm, khi 1thyristor mở thì nó sẽ khoá ngay thyristor trước nó, như trong bảng sau:

Điện áp trên tải Ud = VK - VA là khoảng cách thẳng đứnggiữa hai đường bao:

π

α π

α π

d

U sin222

Nhược điểm:

- Mạch điều khiển phức tạp nhưng cú thể khắc phục được

- Dải điều chỉnh Ud hẹp

- Hệ số sử dụng mỏy biến ỏp thấp hơn vỡ cosφba = cos α

Với mỏy biến ỏp, ta cú:

Với mỏy biến ỏp điều chỉnh cụng suất Sba = 1,05*Pđmax

Với mỏy biến ỏp cú chức năng nguồn ỏp một chiều

S ba =1,05* Pđmax* 1+tg2αmax

3 Điều ỏp xoay chiều ba pha

Mạch xoay chiều ba pha hiện nay trong thực tế thờng gặp gồm 3 sơ đồ nh sau:

Hình 6 a, b, c

c

mắc song song ngợc

Các loại sơ đồ n y bao gồm, tải đấu sao có trung tính μ (a),tải đấu sao không

trung tính (b), tải đấu tam giác (c) Tải đấu sao có trung tính, có nhiều điểm lμ

sơ đồ giống hệt ba mạch điều áp một pha điều khiển dịch pha theo điện áp lới,

do đó điện áp trên các van bán dẫn nhỏ hơn vì điện áp đặt v o van bán dẫn lμ μ

điện áp pha Nhợc điểm của sơ đồ l trên dây trung tính có tồn tại dòng điệnμ

điều ho bậc cao, khi góc mở các van khác 0 có dòng tải gián đoạn v loại sơμ μ

đồ nối n y chỉ thích hợp với loại tải ba pha có bốn đầu dây ra.μ

Các sơ đồ không trung tính Hình b, c có nhiều điểm khác so với sơ đồ có

trung tính ở đây dòng điện chạy giữa các pha với nhau, nên đồng thời phải cấpxung điều khiển cho hai Tiristo của hai pha một lúc Việc cấp xung điều khiển

nh thế, đôi khi gặp khó khăn trong mạch điều khiên, ngay cả việc đổi thứ tự phanguồn lới cũng có thể l m cho sơ đồ không hoạt động.μ

Thiết kế sơ đồ mạch động lực của bộ điều áp xoay chiều ba pha chúng taphải thực hiện h ng loạt các b i toán tổng hợp Ngay cả ở chế độ xác lập thìμ μdòng điện v điện áp trên các van bán dẫn cũng chỉ l chế độ gần với xác lập.μ μ

Trong phần thiết kế n y chúng ta chỉ xét bộ điều áp l m việc ở chế độ xác lập.μ μ

Ở mạch ba pha khụng trung tớnh dũng điện chạy qua tải là dũng chạy giữacỏc pha với nhau Tại mỗi thời điểm phải cú hai hoặc ba pha cú van bỏn dẫn,khụng khi nào chỉ cú một pha cú van bỏn dẫn cả

Cấp xung điều khiển cho điện ỏp xoay chiều cú thể cấp bằng xung đơn hoặcxung chum Cấp xung điều khiển loại nào tựy thuộc vào chế độ làm việc củatải Thường gặp hiện nay trong điều ỏp ba pha là cú hai loại

- Xung điều khiển cấp đơn nhưng phải đệm xung điều khiển

- Xung điều khiển cấp bằng xung chựm

Trong đề tài này ta sử dụng tải là tải thuần trở như hỡnh 7, nờn ta sẽ chọnphương ỏn điền khiển là điều khiển điều ỏp ba pha bằng xung đơn

Hỡnh 7 : Mạch lực điều ỏp xoay chiều ba pha tải thuần trở

Khi gúc điều khiển α của cỏc van bỏn dẫn lớn và đồng thời cú hai van

cựng dẫn, như vậy xung điều khiển phải được cấp đồng thời cho cả hai van,

hơn nữa hai van được dẫn ấy phải được cấp xung theo kiểu một xung chính cần

mở với một xung đệm, nguyên tắc đệm xung phải theo đúng thứ tự pha Nhưviệc cấp xung ở hình 8

Hình 8: Hình dạng đường cong điện áp tải với các xung điều khiển van

nó, còn xung thứ hai X6-1 là xung đệm được nhận từ thyristor cần mở của phakhác tới Điện áp và dòng điện ở đây gián đoạn, vì vậy không có xung đệm X1-4T1 không thể một van trong điều áp ba pha được

t do điện áp UB dương hơn

UA ( bỏ qua ảnh hưởng điện cảm, coi góc ϕ không đáng kể) nên T1 và T4 bị

3

t khiđiện áp UA trở nên âm hơn UC,T6,T1 phân cực ngược sẽ tự khóa, ta có điện áptrên tải UA1=1/2UAC

Tương tự như T1,T2 được mở bởi xung chính tại t5 cùng với T3 và được mởvới xung đệm của T5 tại t6

Từ những khảo sát trên ta thấy : Tại thời điểm phát lệnh mở thyristor màkhông có xung đệm cho thyristor ở pha kế tiếp theo thứ tự pha và ở nhómngược lại, thì các thyristor không thể dẫn

Khi góc mở van nhỏ, dòng điện tải ít gián đoạn hơn, lúc này xung đệm chỉ

có ý nghĩa tại thời điểm khởi động ban đầu thôi Do dòng điện liên tục đến cuối

chu kỳ, nên xung đệm của các van là không có ý nghĩa khi đã khởi động xong.Điều này có thể giải thích cho một vài trường hợp thiết kế không đúng, mạchđiều khiển không đệm xung điều khiển, nhưng đôi khi thyristor vẫn dẫn đượctrong một số lần đóng điện nào đó Hiện tượng dẫn không bình thường củathyristor là do nhiễu.

4 Kết Luận

Từ những trình bày các phơng án trên, ta chọn phơng án điều áp ba pha vớisơ đồ mắc tải thuần trở hình sao không điểm giữa Vì phơng án này có những u

điểm thuận lợi phù hợp với yêu cầu để tài

- Chất lợng điện áp tốt nên thiết kế bộ lọc đơn giản, tiết kiệm

- Có khả năng hoàn trả năng lợng về lới rất tốt

- Có thể điều khiển góc mở của thyristor với góc mở lớn nên có thể đảm bảocông xuất của lò

II Tớnh toỏn lựa chọn van

75000cos

ϕη

- Dũng điện hiệu dụng chạy qua mỗi thyristor

ITlv = I2/2 = 132.4/2 = 66,2A