Đồ án Thiết kế hệ điều khiển lọc bụi tĩnh điện

Lọc bụi tĩnh điện là hệ thống lọc bỏ các hạt bụi có kích thước nhỏ khỏi dòng không khí chảy qua buồng lọc, trên nguyên lý ion hoá và tách bụi ra khỏi không khí khi chúng đi qua vùng có t

LỜI NÓI ĐẦU

Ngày nay cùng với việc phát triển mạnh mẽ các ứng dụng của khoa học kỹ thuật trong công nghiệp , đặc biệt là trong công nghiệp điện tử thì các thiết bị điện tử công suất lớn cũng được chế tạo ngày càng nhiều Và đặc biệt các ứng dụng của nó vào các ngành kinh

tế quốc dân và đời sống hàng ngày đã và đang được phát triển hết sức mạnh mẽ

Tuy nhiên để đáp ứng nhu cầu ngày càng nhiều và phức tạp của công nghiệp thì cá kỹ

sư ngành luôn phải nghiên cứu để tìm ra giải pháp tối ưu nhất Đặc biệt với chủ trương công nghiệp hóa- hiện đại hóa của Nhà nước, các nhà máy , xí nghiệp cần phải thay đổi, nâng cao để đưa công nghệ tự động điều khiển vào trong sản xuất Do đó đòi hỏi phải có thiết bị và phương pháp điều khiển an toàn , chính xác Đó chính là nhiệm vụ mà ngành điện cần phải giải quyết

Để giải quyết được những vấn đề đó thì Nhà nước ta cần phải có đội ngũ kỹ sư đông đảo và tài năng Sinh viên ngành TĐH trong tương lai sẽ đứng trong đội ngũ này,do đó mà cần phải tự trang bị cho mình một trình độ và tầm hiểu biết sâu rộng Chính vì vậy môn đồ

án II này chính là một điêu kiện tốt để sinh viên có thể áp dụng những gì đã được học trên giảng đường cũng như tìm hiểu thêm những kiến thức ở thực tế trong suốt quá trình thực hiện đồ án Nhưng để có thể hoàn thành được đồ án II thì không chỉ có những kiến thức lý thuyết mà còn có sự hướng dẫn nhiệt tình của thầy hướng dẫn Qua đây cho em được gửi lời cảm ơn đến thầy hướng dẫn THS.Vũ Thụy Nguyên đã tận tình chỉ dẫn và giúp đỡ cả nhóm trong suốt quá trình thực hiện đồ án II lần này

Đồ án này hoàn thành không những giúp em có được thêm nhiều kiến thức hơn mà còn giúp em biết cách vận dụng những kiến thức đã được học trên giảng đường Biết cách làm việc theo nhóm 1 cách hiệu quả Quá trình thực hiện đồ án là một thời gian thực sự bổ ích cho bản thân em về nhiều mặt

CHƯƠNG I

GIỚI THIỆU CHUNG VỀ CÔNG NGHỆ LỌC BỤI TĨNH ĐIỆN

I GỚI THIỆU VỀ CÔNG NGHỆ LỌC BỤI TĨNH ĐIỆN

Phương pháp lọc bụi tĩnh điện là phương pháp hiệu quả đối với các nhà máy công nghiệp có lượng khói bụi lớn như nhà máy xi măng, nhà máy phân bón, luyện kim, nghiền đá, công nghiệp gốm….Phương pháp này có ưu điểm cơ bản như hiệu suất thu bụi cao, chi phí năng lượng thấp , có thể làm việc với áp suất chân không hoặc áp suất cao,

và đặc biệt là có thể điều khiển và tự động hóa hoàn toàn

1) Nguyên lý chung

Lọc bụi tĩnh điện là hệ thống lọc bỏ các hạt bụi có kích thước nhỏ khỏi dòng không khí chảy qua buồng lọc, trên nguyên lý ion hoá và tách bụi ra khỏi không khí khi chúng đi qua vùng có trường điện lớn Buồng lọc bụi tĩnh điện (hay Silo lọc bụi) được cấu tạo hình tháp tròn hoặc hình hộp chữ nhật, bên trong có đặt các tấm cực song song hoặc các dây thép gai Hạt bụi với kích thước nhỏ, nhẹ bay lơ lửng trong không khí được đưa qua buồng lọc có đặt các tấm cực Trên các tấm cực, ta cấp điện cao áp một chiều cỡ từ vài chục cho đến 100kV để tạo thành một điện trường có cường độ lớn Hạt bụi khi đi qua điện trường mạnh sẽ bị ion hoá thành các phân tử ion mang điện tích âm sau đó chuyển động về phía tấm cực dương và bám vào tấm cực đó

Hiệu quả của hệ thống lọc bụi tĩnh điện phụ thuộc vào rất nhiều các yếu tố như: kích thước của hạt bụi, tính chất của điện cực, thiết bị điện điều khiển điện trường, tốc độ chuyển động và sự phân bố đồng đều lượng không khí trong vùng điện trường Tùy theo lưu lượng bụi của buồng lọc mà hệ thống tự động điều chỉnh điện áp cao áp vào buồng lọc, sao cho đạt được hiệu suất lọc bụi cao nhất Với điều kiện hoạt động tốt hệ thống có thể đạt hiệu suất lọc bụi đạt trên 95% Bụi sẽ được tách khỏi các tấm cực bằng nước rửa hoặc bằng việc rung rũ tấm cực

2) Cơ sở vật lý của quá trình lọc bụi

Ở điều kiện thường, các hạt chất khí trung hòa về điện, chuyển động tự do trong khí quyển, nhưng khi đặt chúng dưới một điện trường mạnh với 2 điện cực, điện cực này được cung cấp dòng điện một chiều cao thế tạo nên cường độ điện trường rất mạnh ion hóa không khí xung quanh Các electron bị đứt ra khỏi liên kết và các nguyên tử không còn trung hòa về điện… khi thổi khí thải có chứa bụi bẩn qua không gian giữa 2 điện cực, các ion sẽ bám dính trên bề mặt của các hạt bụi và các hạt bụi trở nên mang điện Dưới ảnh hưởng của lực điện trường các hạt bụi sẽ tích điện sẽ dịch chuyển tới các điện cực trái dấu với điện tích của chúng, Khi tới các điện cực, các hạt bụi được lắng lại trên bề mặt điện cực, lượng bụi chủ yếu được lắng trên bề mặt điện cực quầng sáng cũng có bụi lắng lại nhưng lượng bụi này nhỏ

Hình 1.2- Cơ sở vật lý Chú thích : 1.Điện cực quầng sang 2 Các hạt ion 3.Các ion dương 4.Các ion âm 5.Các hạt bụi 6.Điện cực lắng

3) Đặc tính Volt-Ampere của 2 bản cực

Nguyên lý làm việc thực tế của hệ thống lọc bụi tĩnh điện là: Cấp điện áp cao một chiều (vài chục đến 100kV) cho các tấm cực đặt song song với nhau Trong hình minh họa, bản cực dương (+) được nối đất, dòng điện chạy trong bản cực âm (-) tạo thành một điện trường có cường độ rất lớn Khi dòng không khí chảy qua giữa 2 bản cực, các hạt bụi sẽ bị ion hóa thành các phần tử ion mang điện tích âm (-), bị hút về phía bản cực dương và bám vào đó Như vậy, dòng điện giữa 2 bản cực chính là dòng dịch chuyển của các ion âm trong không khí

- Đặc tính volt-ampere không thẳng, như vậy dòng điện không tuân theo định luật

Ôm cho điện trở thuần

- Khi U<Ub, dòng qua nhỏ

- Khi Uc> U > Ub, cường độ dòng điện giữ nguyên giá trị bằng Ibh Số e bị kéo

ra khỏi nguyên tử bằng số e bị kéo trở lại

- Khi Umax> U > Uc, cường độ dòng điện tăng vọt lên(do điện trường E tăng mạnh, các e bắn ra với tốc độ cao ) Giữa

II NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA HỆ THỐNG

Khí bụi được đưa qua trường tĩnh điện mạnh giữa các bản cực của lọc bụi tĩnh điện, cá điện cực được đặt song song đối xứng cách nhau một khoảng d=20-35cm, với quy ước là một cực dương và một cực âm

Khi đặt điện áp U > Umax lên hai bản cực sẽ tạo thành quầng sáng hồ quang phá hủy điện cực Nếu U < Umax sẽ tạo ra quá trình ion hóa hạt bụi Các hạt bụi bị nhiễm điện và nhiễm điện âm là chủ yếu Khi đó chúng sẽ chuyển động dưới lực hút tĩnh điện về phía cực dương và trong quá trình chuyển động nó có thể va đập vào các hạt bụi khác làm cho toàn

bộ không gian bị ion hóa tạo thành đám mây nhiễm điện tích âm, đám mây này chuyển động liên tục về phía điện cực dương và khi tiếp xúc với cực dương thì nhường điện tử cho bản cực này để trung hòa về điện, lắng xuống theo bề mặt của điện cực dương Bụi thu hồi được thiết bị vận chuyển đưa về silo đồng nhất

Để tăng khả năng ion hóa và giảm điện áp không vượt Umax, sử dụng tháp tăng ẩm

đê tăng độ ẩm cho hạt bụi làm chúng dễ bị nhiễm điện và giảm điện áp đặt vào lọc bụi

Để lọc bụi hoạt động ổn định và an toàn sử dụng máy phân tích khí thải, khống chế nồng độ khí CO để ngăn chặn kịp thời hiện tượng cháy, nổ lọc bụi.Trở lực của lọc bụi tĩnh điện ~ 200Pa, nồng độ khí ra 100mg/m3N

- Có khả năng đáp ứng dòng tải lớn

- Có thể không cần dùng máy biến áp

- Có ưu điểm về hệ số sử dụng máy biến áp và chất lượng điện áp 1 chiều đầu ra Tuy nhiên vì điện áp đầu ra rất cao nên việc thỏa mãn được điện áp ngược đặt lên van

là một vấn đề quan trọng cần giải quyết Ta sẽ xem xét hai phương án mạch lực sau:

 Phương án 1: Dùng một bộ chỉnh lưu cầu 3 pha không điều khiển được đó là

dùng các điode sau máy biến áp và một bộ điều áp xoay chiều trước máy biến

áp

 Phương án 2: Dùng một bộ chỉnh lưu cầu 3 pha có thể điều khiển được góc

mở dùng các thyristor đặt sau máy biến áp

II LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN TỐI ƯU

Xét từng phương án lựa chọn :

Phương án 1: Sử dụng mạch điều áp xoay chiều bằng thyristor trước máy biến áp:

Công suất tải lớn, ta sẽ sử dụng bộ điều áp xoay chiều 3 pha sơ đồ 6 thyristorr đấu song song ngược Khi dó :

Điện áp ngược đặt lên mỗi thyristor U1 = 470(V) Công suất làm việc Pđm= 70KW và dòng điện sẽ là I d= 0.8(A)

Ta chọn trên tải là U d = 87.5KV và dòng điện sẽ là I d= 0.8(A)

Mà ta có I2 =0,816.Id=0.65(A) Giả sử sụt áp trên điện trở và điện kháng là 5%, trên diode là 120V Điện áp chỉnh lưu không tải là : U d= 87.5× 3

10 ×(1+ 5%) + 120 =91995 (V) = 92KV Điện áp pha thứ cấp MBA : U2=0.427×92 = 39.28(KV)

Điện áp sơ cấp MBA: U1=380(V) Tính hệ số máy biến áp m = 2

việc chọn van và điều khiển và bảo vệ van, không chỉ vậy còn giảm được vốn đầu

tư cho việc thiết kế hệ thống

Phương án 2 : Sử dụng mạch chỉnh lưu sau máy biến áp

 Dòng điện chảy qua các thyristor là :

khiển cũng như tốn nhiều tiền

 Từ những phân tích cũng như số liệu tính toán ở trên ta thấy chọn phương án 1 là tối ưu hơn Như vậy ta sẽ chọn phương án 1 để thiết kế mạch lực cho hệ thống

có điện áp không sin nhưng vẫn đối xứng, sau đó được đưa qua MBA để nâng cao điện áp lên hàng chục KV Sau đó điện áp được đưa qua bộ chỉnh lưu cầu rồi ra cao áp lọc

1.Bộ điều áp xoay chiều 3 pha

 Nhiệm vụ

 Điều khiển điện áp hiệu dụng để đưa vào sơ cấp MBA Khoảng điện áp đưa vào sơ cấp MBA có thể điều chỉnh nằm trong khoảng từ 0->440V Nhờ có

khâu này mà có thể điều chỉnh tự động được hệ thống

 Các thyristor được điều khiển với góc điều khiển α Qua bộ DAXC sẽ được mức điện áp cần thiết để điều chỉnh ổn định làm việc

Hình 3.2 – Sơ đồ điều áp xoay chiều 3 pha

Bộ biến đổi điện áp xoay chiều 3 pha dạng đầy đủ có cấu tạo gồm 3 cặp thyristor đấu song song ngược được mắc vào nguồn điện 3 pha, để thực hiện cung cấp điện cho tải 3 pha Khi công suất của tải nhỏ các cặp thyristor có thể được thay thế bằng các triac Với tải R phạm vi điều khiển góc kích thích nằm trong khoảng (0;150) Với tải L thì phạm vi góc điều khiển nằm trong khoảng (90;150), đối với tải RL thì phạm vi góc điều khiển là (arctan( ωL/R); 150).Xung kích để đảm bảo quá trình kích dẫn thyristor , xung kích được thực hiện dưới dạng chuỗi xung bắt đầu từ vị trí ứng với góc kích cho đến khi vượt khỏi chu kỳ một góc 30

a) Với tải thuần trở

 Khi cả ba thyristor của ba pha đều dẫn điện thì điện áp trên tải sẽ trùng với điện áp pha của nó ( UdA = Ua )

 Khi có hai thyristor dẫn điện thì điện áp trên tải sẽ bằng một nửa điện áp dây của hai pha

mà có hai thyristor dẫn điện

 Giá trị hiệu dụng của điện áp trên tải được tính theo biểu thức :

UdA =

2 2

UdA – giá trị hiệu dụng ; udA – giá trị tức thời

 Thay các giá trị ua, uab, uac ta tính được giá trị hiệu dụng của điện áp pha

b) Vớ tải mang tính trở kháng:

 Nếu α < φ, dòng điện tải và điện áp tải sẽ là hình sin, vì lúc nàu các van đều dẫn điện trong một nửa chu kỳ (λ = Π), và ở bất kì thời điểm nào cũng có ba van của ba pha dẫn điện Do đó:

UdA = Ua = Umsinφ

 Nếu φ < α < αgh, αgh là giá trị mà vẫn còn tồn tại chế độ cả ba van thuộc về ba pha vẫn dẫn điện Trong mỗi nửa chu kì sẽ có ba đoạn mà udA = ua, hai đoạn còn lại udA = uac/2 hoặc udA = uab/2 và một đoạn udA = 0

- Như vậy cả ba thyristor dẫn điện thì : UdA = Umsinθ = ωLt

- Khi thyristor của pha a khóa: udA = 0

- Góc giới hạn được tính như sau:

3

2 3

Hình 3.4- Điện áp ra sau điều áp tải trở kháng với φ < α < αgh

 Khi gh  150 mỗi nửa chu kỳ sẽ có hai đoạn udA = uac/2 hoặc udA = uab/2 Đối với các đoạn còn lại udA = 0, chế độ này tương ứng với trạng thái chỉ có hai van của hai pha dẫn điện và góc điều khiển lớn nhất là αmax = 1500

2.Máy biến áp lực

Hình 3.5 – Máy biến áp 3 pha

 Nhiệm vụ : Nâng cao điện áp lưới U=380V lên hàng chục KV để đáp ứng yêu cầu điện áp cao của công nghệ lọc bụi tĩnh điện

 Hoạt động : Sau khi qua bộ điều áp thì điện áp đưa vào biến áp thường không sin nhưng vẫn đối xứng, có thể tách thành các thành phần bậc 1 và bậc cao, trong đó không có thành phần 1 chiều Do vậy các thành phần xoay chiều của điện áp sơ cấp MBA vẫn được khuếch đại U2=m×U1 với m là tỉ số MBA

3.Sơ đồ mạch chỉnh lưu cầu 3 pha

áp lọc và hiệu quả làm việc của hệ thống

II MẠCH ĐIỀU KHIỂN

Đây là một phần quan trọng của hệ thống, quyết định đến chất lượng cũng như độ

an toàn của hệ thống Bộ điều khiển có chức năng phát ra xung có công suất và độ rộng đủ lớn để mở các thyristor để điều áp 3 pha, đồng thời có nhiệm vụ bảo vệ mạch khi quá tải, giúp cho hệ thống làm việc ổn định, không xảy ra sự cố Đồng thời ta cần phải lưu ý đến công suất tiêu thụ của mạch điều khiển phải nhỏ

Trước yêu cầu đó việc sử dụng các IC tích hợp các chức năng khác nhau với kết cấu

nhỏ gọn, tiêu hao công suất bé là 1 lựa chọn tối ưu nhất

1 Lựa chọn IC

Sau khi tìm hiểu, nhóm quyết định sử dụng IC TCA785 của SIEMENS để phát

xung Sau đây em xin trình bày khái quát về TCA 785 :

- TCA 785 là một IC tích hợp các công việc: tạo điện áp răng cưa đồng bộ lấy từ nguồn sin, so sánh tín hiệu điều khiển để tạo ra góc mở điều khiển cho các van bán

dẫn như tiristor, IGBT,GTO…

- Điều đặc biệt là TCA 785 có tích hợp 1 khóa on/off cho phép xung điều khiển đầu

ra có được phép hay không Khóa này được tận dụng làm mạch bảo vệ cho các hệ

thống tránh bị quá tải với các thông số an toàn do người thiết kế đặt nên

Một số đặc điểm của IC TCA785

- Nhận biết vượt qua điểm không rất nhạy

- Ứng dụng rộng rãi

- Có thể sử dụng như một điểm chuyển mạch không

- Có thể hoạt động được điện 3 pha ( sử dụng 3 IC )

- Dòng đầu ra I=250mA

- Độ dốc dòng lớn

- Dải nhiệt độ làm việc rộng

- IC điều khiển pha này có thể điều khiển các van bán dẫn (thyristor, triac, tranzitor,…) mở được các góc từ 0-180 độ, được ứng dụng chủ yếu trong các mạch điều khiển dòng 3 pha xoay chiều, các mạch chuyển đổi

a Ký hiệu và chức năng các chân

Hình 3.7- Sơ đồ chân của ic TCA785

áp điều khiển V11(chân số 11) (góc mở ϕ), tín hiệu chuyển thành dạng logic

- Giá trị logic phụ thuộc vào độ lớn của V11 mà góc mở có thể dịch chuyển trong khoảng 0-1800

- Với mỗi ½ sóng, xung dương được sinh ra Cứ khoảng 30us lại xuất hiện đầu ra Q1 và Q2 Độ rộng xung có thể kéo dài 180 độ thông qua tụ C12 Nếu chân 12 được nối đất, xung này có góc mở giữa ϕ và 180 độ sẽ xuất hiện

- Đầu ra 1 đảo và 2 đảo (Q1 và Q2) là tín hiệu đảo của Q1 và Q2

- Tín hiệu tại ϕ+1800 có thể được sử dụng để điều khiển một logic ngoài có 3 chân

- Tín hiệu tương ứng với liên kết NOR của Q1 và Q2 là có sẵn trong QZ(chân 7)

- Cổng vào hạn chế có thể sử dụng để vô hiệu các chân đầu ra( cả đảo)

- Chân 13 có thể sử dụng để mở rộng đầu ra Q1 và Q2 với độ rộng xung là 1800-ϕ

Hình 3.8 – Biểu đồ xung Các công thức tính toán:

- Tụ tạo dốc cho xung răng cưa:C10 min= 500pF max = 1uF

- Thời điểm phát xung : t tr= 11 .9 10

ref

t

R C ; V10=V s-2

d Nguyên lý tạo xung của vi mạch hệ thống:

Đầu tiên vi mạch tạo ra xung răng cưa đồng bộ từ điện áp sin đầu vào có tần số f=50Hz, sau đó đưa giá trị điện áp đặt vào chân số 11, bộ so sánh của vi mạch sẽ so sánh với điện áp răng cưa để cho ra xung điều khiển ở các chân 2,3,4,7,14,15 Vi mạch sử dụng

tụ C10 và điện trở R9 để tạo xung răng cưa

- Theo như trên ta có dòng nạp tụ: I10= .

ref

t

R C

- Để thuận tiện cho tính toán, ta lấy K=1

- Theo bảng trong datasheet, ta chọn nguồn nuôi cho vi mạch là

s

V =12V , C10 =47nF , R9=100k