2.3. Lý do chọn đề tài
Năm 2019, Viện Công nghệ VinIT đã tiến hành thử nghiệm thành công đầu phát Plasma nhiệt công suất lớn 400 kW. Viện Công nghệ VinIT hồn tồn làm chủ cơng nghệ này từ nghiên cứu thiết kế tới chế tạo, thử nghiệm và sẵn sàng sớm đưa cơng trình nghiên cứu này ứng dụng tại Việt Nam.
Các chun gia của Viện Cơng nghệ VinIT đã có những cải tiến kỹ thuật và công nghệ quan trọng liên quan tới buồng phản ứng Plasma, chế độ buồng phản ứng xử lý chất thải rắn sinh hoạt trên nền C và H ở nhiệt độ cao và các kỹ thuật tiên tiến liên quan tới điều khiển dịng Plasma, chu trình hóa lý tối ưu xử lý chất thải rắn tạo khí Syngas cho phát điện… Bản chất của cơng nghệ khí hóa Plasma xử lý chất thải rắn sinh hoạt là quá trình khí hóa C và H (gasification) ở nhiệt độ cao trong mơi trường yếm khí dùng năng lượng nhiệt của dịng Plasma. Những cải tiến kỹ thuật quan trọng này không chỉ giúp tối ưu hóa các q trình phân tách và khí hóa Plasma, đảm bảo các u cầu khắt khe nhất về mơi trường mà cịn làm giảm giá thành trang thiết bị và công nghệ đáng kể nhằm phù hợp cho xử lý chất thải rắn sinh hoạt của Việt Nam.
Hình 2.13: Hệ thống đầu phát Plasma của Viện Công nghệ VinIT
Tuy nhiên, hệ thống này của VinIT cũng có những nhược điểm chính sau: - Tốn điện do các đầu phát Plasma sử dụng năng lượng điện;
- Rác cần phải nghiền (kích thước < 100 mm) để khí hóa tốt hơn;
- Tỷ suất đầu tư cao hơn các công nghệ khác dẫn tới thời gian hoàn vốn lâu hơn. Để giải quyết những nhược điểm của hệ thống xử lý rác thải của VinIT, bài nghiên cứu của em sẽ lựa chọn sử dụng đuốc plasma không điện cực để tăng tuổi thọ thiết bị, giảm chi phí bảo dưỡng sửa chữa,...
Hiện nay có một số dự án triển khai đuốc Plasma với công suất lớn tạo hiệu quả cao, có sự tiến triển tốt, nhưng chưa có ai nghiên cứu quy mơ nhỏ. Em sẽ tập trung nghiên cứu để chế tạo đuốc công suất nhỏ.
Xuất phát từ những vấn đề trên, em quyết định chọn chủ đề cho bài nghiên cứu là: “Thiết Kế, Chế Tạo Bộ Nguồn Đuốc Plasma Ở Áp Suất Khí Quyển Cơng Suất
Nhỏ.”.
2.4. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
2.4.1. Ý nghĩa khoa học
Hiện nay có một số dự án triển khai đuốc Plasma với cơng suất lớn có điện cực. Ở đề tài này tập trung nghiên chế tạo đuốc plasma áp suất khí quyển cơng suất nhỏ không điện cực.
2.4.2. Ý nghĩa thực tiễn
Đây là phương pháp xử lý mới, phương pháp mà trên thế giới hiện nay được giới khoa học rất quan tâm nghiên cứu. Sự thành cơng của đề tài sẽ hồn hiện thêm một phương pháp xử lý rác đạt hiệu quả cao, không gây nguy hiểm và ơ nhiễm đến mơi trường. Qua đó vừa có thể làm sáng tỏ lý thuyết, vừa có thể áp dụng rộng rãi trong lĩnh vực xử lý rác thải bằng chính cơng nghệ Việt.
2.5. Mục tiêu của đề tài
2.5.1. Mục tiêu chung
Thiết kế, chế tạo đuốc Plasma công suất nhỏ trong áp suất khí quyển.
Nghiên cứu thiết kế và chế tạo một hệ thống xử lý rác thải mới bằng công nghệ Plasma để thay thế cách xử lý rác thải cũ nhưng phải tiết kiệm năng lượng, bảo vệ môi trường và đảm bảo sức khoẻ.
2.5.2. Mục tiêu cụ thể
Thiết kế bộ nguồn cho đuốc plasma siêu cao tần ở quy mô nhỏ
2.6. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
- Đối tượng nghiên cứu: bộ nguồn cấp cho đuốc Plasma công suất nhỏ. - Phạm vi nghiên cứu: Plasma vi sóng 2,45 GHz ở áp suất khí quyển.
2.7. Phương pháp nghiên cứu
Bài báo cáo có sử dụng phương pháp nghiên cứu dữ liệu sơ cấp: tham khảo các tài liệu liên quan đến cơng nghệ Plasma trong nước và ngồi nước.
Ngồi ra, có sử dụng phương pháp tổng hợp, phân tích từ dữ liệu sơ cấp và từ sự chỉ dẫn của giảng viên hướng dẫn TS. Cao Minh Quyền.
bộ nguồn của đuốc Plasma
CHƯƠNG 3. TÍNH TỐN THIẾT KẾ, HOẠT ĐỘNG BỘ NGUỒN CỦA ĐUỐC PLASMA
3.1. Cấu tạo bộ nguồn của đuốc Plasma
- Bộ cấp nguồn cho đuốc Plasma là một thiết bị cung cấp điện năng, đảm bảo đáp ứng đủ năng lượng cho súng cao tần Magnetron hoạt động.
-Thiết kế bộ nguồn cho đuốc gồm có 4 phần: Mạch lọc nhiễu, bộ điều công suất, mạch khởi động, mạch tạo điện áp cao cho Magnetron.
3.1.1. Thiết kế mạch lọc nhiễu
Mạch lọc nhiễu là mạch lọc bỏ can nhiễu bám theo đường điện AC, từ đó làm tăng chất lượng của bộ nguồn, nhưng mạch lọc nhiễu không tham gia vào hoạt động của nguồn, trên các bộ nguồn chất lượng thấp thì mạch lọc nhiễu thường bị đấu tắt.
Hình 3.1: Mạch lọc nhiễu
- Mạch lọc nhiễu cịn có tác dụng chống xung điện do sét đánh vào đường điện lưới, không để chúng lọt vào trong làm hỏng linh kiện.
- Để bộ nguồn chất lượng cao nên em chọn có mạch lọc nhiễu.
Sơ đồ nguyên lý mạch nhiễu
bộ nguồn của đuốc Plasma
Mạch gồm có linh kiện:
- Cầu trì (F1) 250V là thiết bị bảo vệ mạch khi bị quá tải.
Hình 3.3: Cầu Chì Thủy Tinh F1A 250V 5x20mm
Thơng số kĩ thuật:
- Chất liệu: Kim loại + Thủy tinh - Chịu dịng tối đa: 1A
- Điện áp chịu đựng: 250VAC - Hình dạng: ống trịn chân cắm - Kích thước: 5x20mm
- Điện trở (R1) 510k được dùng để xả điện năng của tụ C1,C2,C3 khi ngắt dòng điện
bộ nguồn của đuốc Plasma
- Tụ (C1) 0,1m: chức năng của tụ phân dòng là để làm giảm tình trạng nhiễu sóng của dịng điện xoay chiều AC,
Hình 3.5: Tụ 275V 104-0.1uF
Thơng Số Kĩ Thuật:
Điện áp đánh thủng: 275VAC Khoảng cách giữa 2 chân: 1.5cm Màu sắc: Màu vàng
Điện dung: 0.1uF, sai số 5%
Kích thước của tụ: 3.2x1.7x0.5 cm Trọng lượng: 10g
- Cuộn cảm (D1): có tác dụng lọc đi các hài cao tầng lây lan qua đường nguồn AC, cuộn lọc cịn có tác dụng ngăn các xung nhiễu từ thiết bị lan ra ngồi.
bộ nguồn của đuốc Plasma
bộ nguồn của đuốc Plasma
Thông số kỹ thuật
- Lọc AC chịu được cường độ dòng điện tối đa 10A. - Độ tự cảm : 3-10mH.
- Chất liệu: hỗn hợp Fe,Ni,
- Tụ( C2,C3) : Tụ điện dập xung 103M 2kV lọc hết các xung nhiễu cịn xót lại xuống đất.
Hình 3.7: Tụ điện dập xung 103M 2kV NT2
Thơng số kĩ thuật Điện áp tối đa: 2kV
Chữ K hoặc J ở cuối là để chỉ sai số 5% hay 10% Đơn vị là Pico Fara
2 chân tụ được mạ thiếc chống rỉ sét
Nguyên lý hoạt động
Điện áp đi vào hai cực của bộ lọc đi qua cầu trì F1 và điện trở R1 và đi đến tụ C1, Tụ C1 phân dịng điện xoay chiều, lọc xung nhiễu, sẽ đóng lại nếu điện áp quá tải làm đứt cầu trì dể bảo vệ mạch. Điện áp tại yêu cầu sẽ được tiếp đến cuộn cảm D1, cuộn cảm lọc đi các hài cao tầng lây lan qua đường nguồn AC, là hết các đỉnh xung nhiễu và chặn các xung kí sinh . Tiếp đến tụ C2 và C3 sẽ đưa nốt các xung có tần số cao cịn sót lại xuống đất đưa ra một điện áp có độ rộng ổn định.
3.1.2 Bộ điều chỉnh công suất cho đuốc Plasma
Để điều chỉnh được công suất cho đuốc chọn Timer cơ học.
Bộ điều khiển cơ điện bao gồm một bộ đếm thời gian và một cơ cấu điều chỉnh công suất từng bước được liên kết. Thường thì những bộ phận này được làm trong một
bộ nguồn của đuốc Plasma
vỏ duy nhất. Thông thường, bộ đếm thời gian bao gồm một micromotor, một hộp số và một hệ thống các tiếp điểm và cơng tắc hiển vi để bật nguồn điện.
Hình 3.8: Bộ điều khiển timer cơ học
Vì bộ đếm thời gian là cơ điện, nên lị xo của nó có thể được liên kết với cả các thành phần cơ khí và điện. Bộ điều chỉnh cơng suất của bộ hẹn giờ - bộ điều chỉnh thực sự được thiết kế để làm gián đoạn hoạt động của nam châm một số lần nhất định trong thời gian được đặt trên bộ hẹn giờ.
Hình 3.9: Núm điều chỉnh mức
Số lần gián đoạn hoạt động của nam châm, cũng như khoảng thời gian hoạt động của nó, phụ thuộc vào vị trí tương đối của các bánh răng của thiết bị điều khiển. Bản thân thiết bị điều khiển bao gồm ba phần, đó là: bánh răng điều chỉnh cơng suất 14, đĩa chương trình 12 và lị xo cuộn 13. Bánh răng điều chỉnh cơng suất có ba cấp và được chế tạo cùng với trục như một khối duy nhất. Trục có một điểm tham chiếu - một
bộ nguồn của đuốc Plasma
mỏ neo ở mặt sau của vỏ bộ điều chỉnh. Phần bánh răng trên được đưa ra ngồi và tương tác với cơ cấu cài đặt cơng suất. Tầng giữa của bánh răng có một phần nhơ ra đóng vai trị như một nút chặn, để bánh răng chỉ có thể quay được 180 độ. Ở tầng dưới, đối diện theo đường kính, có hai phần nhơ ra hình tam giác được thiết kế để tương tác với đĩa chương trình. Đĩa chương trình là một bánh răng cũng có ba tầng. Tầng dưới - tầng có đường kính lớn nhất - là một bánh răng. Tầng giữa có hình đĩa với một đầu nhẵn và đường kính nhỏ hơn. Dọc theo đường kính đĩa là hai rãnh chia cạnh của bề mặt thành hai cung, mỗi rãnh xấp xỉ 180 độ. Các cạnh của rãnh có các góc nghiêng khác nhau. Ở tầng trên của bánh răng đĩa chương trình, có hai phần nhơ ra, có hình dạng và vị trí giống hệt với phần nhô ra ở tầng dưới của bánh răng điều chỉnh cơng suất. Đĩa chương trình nằm bên dưới bánh răng điều chỉnh cơng suất - trên trục của nó và được đỡ từ bên dưới bởi một lò xo cuộn. Thiết kế này của thiết bị không chỉ cung cấp khả năng quay tự do của đĩa chương trình trên trục mà cịn cho phép nó di chuyển theo phương thẳng đứng. Địn bẩy 15 hoạt động dựa trên nguyên tắc của một cánh tay lắc hoặc một địn xoay. Có một điểm tham chiếu ở phần giữa dưới dạng một ống bọc trên trục, đầu cuối của cam tương tác với đĩa chương trình, trong khi đầu kia của nó, được trang bị một cái dĩa, di chuyển theo hướng ngược lại, di chuyển đĩa chuyển động của nhóm tiếp điểm, được đặt trong rãnh của đòn bẩy.
Sau khi xoay núm chỉnh giờ theo chiều kim đồng hồ, nguồn điện được cung cấp cho động cơ điều chỉnh giờ, trục động cơ bắt đầu quay và truyền động tất cả các bánh răng của thiết bị.
Trạng thái này sẽ được duy trì cho đến khi vị trí của các lồi - răng trên bánh răng điều chỉnh trùng với vị trí của các lồi trên đĩa chương trình. Bởi vì bánh răng điều chỉnh cơng suất khơng thể di chuyển, khi đĩa chương trình quay, các vấu của nó sẽ ép vào vấu đĩa, làm cho đĩa di chuyển xuống trục. Cam đòn bẩy nhảy ra khỏi phần cuối của bậc giữa và dưới tác động của tấm đàn hồi của nhóm tiếp xúc, di chuyển đến tâm đĩa, giữ nó ở vị trí thấp hơn theo phương thẳng đứng. Các tiếp điểm được đóng lại, nam châm được cấp nguồn và hoạt động. Sau đó, các chu kỳ được lặp lại.
Để điều chỉnh công suất cho đuốc núm chỉnh đưa ra ba mức: thấp, trung bình, cao.
bộ nguồn của đuốc Plasma
bộ nguồn của đuốc Plasma
Các mức được điều chỉnh bằng thời gian đóng nhả của các tiếp điểm : Mức cao tiếp điểm đóng lại 30 giây và lặp n lại chu kỳ 30 giây
Mức trung bình tiếp điểm đóng lại 13.5 giây, nhả 16.5 giây và lặp lại chu kỳ Mức thấp tiếp điểm đóng lại 3.5 giây, nhả 26.5 giây và lặp lại chu kỳ.
3.1.3. Thiết kế mạch khởi động
Trong quá trình hoạt động của đuốc, các tiếp điểm của timer này phải chuyển đổi dịng điện có cơng suất lên đến 1000W. Đây là một dòng điện, xấp xỉ 5 ampe ở điện áp 220 vôn. Việc chuyển đổi công suất cao như vậy chắc chắn gây ra tia lửa điện giữa các tiếp điểm tại thời điểm chúng hoạt động, dẫn đến cháy bề mặt làm việc của nhóm tiếp điểm và do đó, ảnh hưởng xấu đến hoạt động của đuốc. Để bảo đảm các điểm tiếp xúc của bộ điều chỉnh cơ khí khơng bị chập bằng cách trang bị rơ le khởi động.
Hình 3.11: Sơ đồ mạch nguồn đuốc Plasma
Chú thích: - Đoạn mạch được khoanh đỏ là đoạn rơle khởi động. Mạch gồm có các thiết bị điển hình:
-Rơ le 4 chân (P) JZC-32F-HS3
bộ nguồn của đuốc Plasma
Thơng số kĩ thuật:
Kích thước : 18.8x10.6x15.3 6A/120VAC;10A/125VAC 5A/240VAC,250VAC
-Điện trở: R2 có giá trị 30Ω , R3 có giá trị 5,4 kΩ ở cơng suất 10W
Nguyên lý hoạt động:
Hãy xoay núm của bộ điều chỉnh thời gian theo chiều kim đồng hồ, trong khi đóng các nhóm tiếp xúc của bộ điều chỉnh cơng suất được kích hoạt, dịng điện sẽ chạy vào tải - cuộn sơ cấp của máy biến áp cao áp. Tuy nhiên, vì các tiếp điểm "KP" của rơ le "P" vẫn đang mở tại thời điểm này, nên dòng điện sẽ chạy qua điện trở dập tắt R2. Do định mức của nó, R2 sẽ dập tắt một phần đáng kể dòng điện và điện áp. Phần cơng suất mà nó sẽ cho qua khơng đủ để cuộn thứ cấp của máy biến áp cao tạo thành điện áp cần thiết cho hoạt động của nam châm. Mặt khác, việc giới hạn cơng suất của dịng điện chạy qua các tiếp điểm bộ điều chỉnh công suất làm giảm đáng kể khả năng phát tia lửa điện giữa các tiếp điểm của chúng tại thời điểm hoạt động. Cơng suất bị giới hạn bởi R2, các nhóm tiếp điểm của bộ điều chỉnh, như ban đầu, được không tải - chúng hoạt động ở chế độ tiết kiệm. Đồng thời, điện áp cung cấp 220 vôn, thông qua điện trở giới hạn R3, sẽ đi đến diode chỉnh lưu VD1. VD1 sẽ chỉ bỏ lỡ nửa chu kỳ dương của điện áp xoay chiều, sẽ đi đến bản cực dương trên của tụ điện C4. Sau khi đặt vào tụ C4 một hiệu điện thế khơng đổi thì nó mới bắt đầu tích điện. Điện áp trên các tấm của nó sẽ tăng lên. Khi mức điện áp trên C4 bằng điện áp tác động của rơle thì rơle "P" sẽ hoạt động, các tiếp điểm "KP" sẽ đóng và ngắt điện trở R2. Kết quả là, tồn bộ cơng suất sẽ bắt đầu chạy đến cuộn sơ cấp của máy biến áp cao áp. Trên các cuộn dây thứ cấp của máy biến áp, các điện áp cần thiết cho hoạt động của magnetron. Điốt Zener VD2, trong mạch này, thực hiện một chức năng kép. Với sự gia tăng điện áp trên tụ điện C4, điốt zener VD2q giới hạn mức của nó ở mức yêu cầu (24V) và khi rơle bị ngắt điện, nó làm giảm dịng điện ngược phát sinh tại thời điểm đó trong cuộn dây rơle do hiện tượng tự cảm ứng. Khi nguồn điện K hoặc tiếp điểm núm công tắc được mở, điện áp ngừng chảy đến mạch thiết bị khởi động, tụ điện C4 được phóng điện qua cuộn dây rơle, rơle "P" mở tiếp điểm "KR" và do đó khử năng lượng cho tải . Đuốc tắt. Do đó, thời gian sạc của tụ điện C4 tạo ra một khoảng dừng nhất định, trong đó các nhóm tiếp điểm của bộ điều chỉnh khơng chuyển đổi điện áp đầy đủ, nhưng bị giới hạn bởi