Tài liệu Thiết kế phần chỉnh lưu cho bộ nguồn lò nấu thép

LỜI NÓI ĐẦU Đối với sinh viên ngành tự động hóa, điện tử công suất là một môn học chuyên ngành cực kỳ quan trọng nên việc học lý thuyết luôn gắn liền với thực hành. Để lắm bắt được lý thuyết và thấy được tầm quan trọng của lĩnh vực điện tử công suất, trong học kỳ này em nhận được đồ án điện tử công suất với đề tài: “Thiết kế phần chỉnh lưu cho bộ nguồn lò nấu thép” Đối với nền kinh thế của một nước, ngành luyện kim bao giờ cũng đóng mộtvai trò quan trọng. Nền kinh tế càng phát triển yêu cầu về nguyên vật liệu càng lớn. Để đáp ứng nhu cầu, con người đã thiết kế ra các loại lò nấu khác nhau có quy trình nấu đơn giản, hiệu suất cao. Một trong những loại lò nấu thép được sử dụng rộng rãi hiện nay là lò cảm ứng. Với sự cố gắng của bản thân, cùng với sự hướng dẫn, chỉ bảo tận tình của thầy giáo Tạ Duy Hà đã giúp em hoàn thành đồ án môn học này. Em xin chân thành cảm ơn! Hà Nội, tháng 6 năm 2010 Sinh viên thực hiện Phạm Thị Huệ Chương 1: GIỚI THIỆU CÔNG NGHỆ  Lò nấu thép (lò cảm ứng) thực hiện biến điện năng thành nhiệt năng theo nguyên lý cảm ứng điện từ. Lò cảm ứng được xây dựng dựa trện nguyện lý của một máy biến áp lõi không khí. Cuộn cảm được coi như cuộn sơ cấp, còn liệu kim loại chứa trong nồi lò được coi như cuộn thứ cấp. Khi ta cho dòng điện xoay chiều đi qua cuộn cảm ứng thì sẽ sinh ra từ thông biến thiên. Từ thông qua kim loại sinh ra một sức điện động cảm ứng. Kim loại ở đây coi như một cuôn dây khép kín và thẳng góc với từ thông biến thiên. Xuất hiện trong kim loại một dòng điện cảm ứng và năng lượng của dòng điện cảm ứng sinh ra một nhiệt lượng lớn để nung chảy kim loại. Như vậy khi lò làm việc thì xuất hiện 2 sức điện động cảm ứng trong cuộn cảm ứng E1 và trong kim loại E2. Các vòng của cuộn cảm ứng có khoảng cách nhất định nện từ thông biến thiên bị mất mát lớn (từ thông tản ra ngoài không khí) do vậy sức điện động cảm ứng E 1 > E2. Vì vậy phía cung cấp vào cuộn cảm ứng một năng lượng lớn để tạo E1 cao phù hợp với dung lượng lò, đồng thời tạo ra E2 đủ lớn để làm nóng chảy liệu trong lò. Khi kim loại bị cảm ứng thì trong kim loại lập tức sinh ra từ thông chống lại từ thông do cuộn cảm ứng sinh ra, do đó chiều dòng điện I 1 ngựơc chiều với dòng Fucô I2. Nhờ có dòng điện Fucô I2 tạo ra một lượng nhiệt đủ lớn để nấu chảy kim loại. Khi đưa dòng điện xoay chiều vào cuộn cảm ứng thì lập tức trong kim loại sinh ra dòng điện Fucô rất mạnh tạo ra nhiệt lượng lớn để nấu chảy kim loại.  Theo tần số làm việc của lò, có thể chia ra làm ba loại: Lò điện cảm ứng tần số công nghiệp f = 50Hz (hoặc 60Hz), Lò điện cảm tần số trung tần f = 500 ÷ 10.000 Hz và Lò cảm ứng tần số cao tần f = 10.000Hz. Lò điện cảm ứng trung tần: đây là loại lò có tần số làm việc nằm trung gian giữa lò điện cảm ứng tần số công nghiệp và lò cao tần. Nhiệt lượng cung cấp cho lò để nấu chảy kim loại với tốc độ nhanh, thích hợp với việc luyện thép các bon hoặc thép hợp kim trung bình và cao. CHƯƠNG 2: ĐỀ XUẤT CÁC PHƯƠNG ÁN TỔNG THỂ VÀ LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN TỐI ƯU Hiện nay thì các bộ chỉnh lưu dùng Tiristo ngày càng được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp. Bộ chỉnh lưu Tiristo với các ưu điểm: thiết bị gọn nhẹ, tác động nhanh, dễ tự động hoá và dễ điều khiển dòng, chi phí đầu tư rẻ, hiệu quả làm việc cao và ổn định. Do đó sử dụng bộ chỉnh lưu để thiết kế bộ nguồn cho lò nấu thép trung tần là phương án phù hợp với các tiêu chuẩn kinh tế và kỹ thuật. Đối với đề tài này với việc lò có công suất lớn thì có các phương án khả thi sau: + Chỉnh lưu cầu 3 pha đối xứng. + Chỉnh lưu cầu 3 pha không đối xứng. Sau đây ta sẽ phân tích từng sơ đồ: 2.1. Chỉnh lưu cầu 3 pha đối xứng: Sơ đồ: (với Ld = ∞ ) Hình 2.1. Sơ đồ mạch chỉnh lưu cầu 3 pha đối xứng Sơ đồ gồm 2 nhóm van: T1,T3,T5 đấu chung kathode T2,T4,T6 đấu chung anode. Điện áp nguồn: U a = 2U 2 sin θ U b = 2U 2 sin(θ − 2Π ) 3 U c = 2U 2 sin(θ − 4Π ) 3 Các van trong nhóm van lẻ thay nhau dẫn tạo nên điện áp U KC ở điểm đấu chung Kathode và điện áp UAC ở điểm đấu chung anode khi các van chẵn thay nhau dẫn. Từ 2 điện áp này suy ra điện áp ra là: Ud=UKC-UAC Đồ thị dạng điện áp và dòng điện: Hình 2.2. Đồ thị dạng điện áp và dòng điện của sơ đồ chỉnh lưu cầu 3 pha đối xứng Giá trị trung bình của điện áp ra: Ud = 3 6 U 2 cos α = 2,34U 2 .cos α π Giá trị điện áp ngược lớn nhất đặt lên van: U ng max = 6U 2 Giá trị dòng trung bình qua van: IT = Id/3 Công suất máy biến áp: Sba = 1,05Pd Ưu điểm:  Chất lượng dòng đầu ra ổn định liên tục  Độ đập mạch nhỏ do vậy chất lượng điện áp cao.  Udo = 2.34U2 do đó nó có thể sử dụng ở điện áp khá cao.  Hệ số sử dụng máy biến áp cao, công suất máy biến áp gần bằng công suất tải. Nhược điểm:  Mạch điều khiển phức tạp do phải điều khiển đồng bộ các van với nhau.  Điện áp rơi trên van lớn hơn so với sơ đồ hình tia. 2.2. Chỉnh lưu cầu 3 pha không đối xứng: Sơ đồ: (với Ld = ∞ ) Hình 2.3. Sơ đồ mạch chỉnh lưu cầu 3 pha không đối xứng Sơ đồ này gồm 2 nhóm van: T1, T2, T3 đấu chung kathode. D1, D2, D3 đấu chung anode. Trong sơ đồ này, các diode chuyển mạch tự nhiên còn các Tiristo chuyển mạch tại các góc điều khiển α. Khi góc α < 60 0 thì điện áp Ud luôn lớn hơn 0, nhưng khi α > 600 thì có giai đoạn 2 van thẳng hàng cùng dẫn, khi đó dòng không được trả về nguồn mà chạy quẩn trong tải nên Ud = 0. Điện áp trung bình ra tải: U d = 2,34U 2 . 1 + cosα 2 Giá trị trung bình của dòng chảy qua diode và Tiristo: I IT = I D = d 3 Điện áp ngược lớn nhất đặt trên van: Ungmax = 6 U2. Nhận xét: Sơ đồ chỉnh lưu cầu 3 pha không đối xứng có những ưu nhược điểm của sơ đồ cầu như chỉnh lưu cầu 3 pha đối xứng. Khi so sánh với chỉnh lưu cầu 3 pha đối xứng nó có ưu nhược điểm sau: Ưu điểm:  Điều khiển đơn giản hơn vì chỉ có 3 Tiristo.  Hệ số công suất cos ϕ cao hơn. Nhược điểm:  Khi góc điều khiển α > 600 thì có đoạn điện áp bằng không, do đó không có lợi cho tải và làm xuất hiện thành phần sóng bậc cao. Đồ thị dạng điện áp và dòng điện: Hình 2.4.Đồ thị dạng điện áp và dòng điện của sơ đồ chỉnh lưu cầu 3 pha không đối xứng Kết luận: Từ phân tích trên ta thấy cả hai sơ đồ chỉnh lưu cầu 3 pha đối xứng và không đối xứng đều có chất lượng điện áp ra rất tốt. Sơ đồ chỉnh lưu cầu 3 pha không đối xứng tuy điều khiển đơn giản hơn nhưng độ nhấp nhô điện áp lớn khi góc điều khiển α lớn, không phù hợp với yêu cầu. Với lò nấu thép cảm ứng, để nấu chảy kim loại nhanh cần có công suất lớn, chất lượng dòng điện đầu ra phải liên tục, mặt khác trong các giai đoạn nấu luyện lại cần thiết công suất điện với mức độ khác nhau. Do vậy bộ chỉnh lưu thích hợp cho thiết bị này hơn cả là chỉnh lưu cầu ba pha điều khiển hoàn toàn. CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN THIẾT KẾ MẠCH LỰC Ta có các thông số: − Công suất tải: Pt = 750 (kW) − Điện áp trên vòng cảm ứng 1500 (V) − Tần số làm việc: f = 1 (kHz) − Hệ số công suất tải: cosφđm = 0,04 Giả sử thời gian phục hồi tính chất điều khiển của van là t k = 50,5 ( µ s). Tụ C phải có công suất đủ lớn để bù hết công suất phản kháng của tải và tạo ra góc β > βmin . Chọn: (Với:β là góc khóa của nghịch lưu) Ta có Ud = 750.cosβ = 500(V)  Do điện áp ra của bộ chỉnh lưu là : Ud = 500 V mà điện áp của nguồn cấp là nên ta không cần dùng máy biến áp. 3.1. Tính chọn van của bộ chỉnh lưu:  Các thông số của bộ chỉnh lưu: − Do mỗi van chỉ làm việc trong 1/3 chu kỳ nên dòng trung bình qua van là: Trong lò nấu thép ta sử dụng phương pháp làm mát van bằng nước nên chọn hệ số dự trữ dòng điện kI = 1,6. Do đó ta chọn van có: − Điện áp ngược lớn nhất đặt lên van tính đến trường hợp điện áp nguồn lên cao nhất, hơn 10 % định mức là : Với việc làm mát bằng nước thì ta chọn hệ số dự trữ quá áp là k U = 1,6. Do đó ta có điện áp của van cần chọn là :  Từ các thông số đã tính toán ở trên ta chọn đồng loạt 6 Thyristor loại KP do Trung Quốc sản xuất có thông số như sau : − Ký hiệu: KP 1000A/2500V − Điện áp ngược cực đại Un = 2500 (V) − Dòng điện làm việc cực đại Iđm = 1000 (A) − Dòng điện xung điều khiển − Điện áp xung điều khiển = 150 (mA) = 3 (V) − Đạo hàm điện áp dU/dt =1000 (V/s) 3.2. Tính toán cuộn kháng lọc: Cuộn kháng lọc có tác dụng san phẳng dòng , cải thiện hệ số đập mạch của mạch chỉnh lưu. Hiệu quả của bộ lọc được đánh giá qua hệ số san bằng Trong đó: – hệ số đập mạch đầu vào của sơ đồ chỉnh lưu trước bộ lọc – hệ số đập mạc đầu ra, đặc trưng cho khả năng giảm độ đập mạch của bộ lọc Do tải công suất lớn, điện trở nhỏ nên rất thích hợp với lọc điện cảm. Trị số điện cảm L ( ) càng lớn so với thì lọc càng tốt. Điện cảm L được tính theo công thức: nếu Trong đó: Rd là tổng tất cả các điện trở tải có thể coi M đm là số lần đập mạch của điện áp chỉnh lưu trong một chu kỳ điện áp nguồn xoay chiều mđm = 6 là tần số góc của điện áp xoay chiều này Với mạch chỉnh lưu câu 3 pha, hệ số đập mạch vào k đmv = 0,057. Chọn hệ số đập mạch ra k đmr = 0,01 Điện trở tải: Như vậy giá trị điện cảm lọc cần thiết là: Hay L = 1,008 mH 3.3. Tính toán mạch bảo vệ cho van:  Trên thực tế quá áp gây hỏng van có hai dạng đó là: quá áp về biên độ vượt trị số cho phép của van và quá tốc độ tăng áp thuận đặt lên van. Để bảo vệ quá áp ta sử dụng mạch RC mắc song song các van.  Việc tính toán các phần tử này khá phức tạp nên ta thực hiện theo phương pháp kinh nghiệm. Và có một số điểm cần lưu ý với phương pháp kinh nghiệm như sau: - R2 thường nằm trong khoảng vài chục đến 100 (Ω) - C2 thường nằm trong khoảng 0,1 ÷ 2 (μF) - Dòng điện lớn thì chọn điện trở nhỏ và tụ lớn, ngược lại nếu dòng điện nhỏ thì chọn tụ nhỏ và trở lớn.  Do Id = 1500 (A) nên dòng lớn do đó ta chọn như sau: R = 10 ÷ 20 Ω/100W; C = 1μF/1000V Hình 2.2. Sơ đồ bộ chỉnh lưu cầu 3 pha đối xứng cùng các thiết bị bảo vệ CHƯƠNG4: THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN 4.1. Nhiệm vụ của mạch điều khiển:  Phát xung điều khiển cho các van đúng thời điểm và đúng góc α cần thiết.  Dạng xung để điều khiển van là xung chùm.  Đảm bảo phân phối xung điều khiển cấp cho các van đúng thời điểm, không để xảy ra ngắn mạch sự cố có thể phá hủy van.  Phát xung điều khiển có tần số lớn và có thể khuếch đại công suất xung điều khiển để đảm bảo đủ dòng mở cho van. 4.2. Yêu cầu của mạch điều khiển:  Đảm bảo phạm vi điều chỉnh trong khoảng điều khiển (các van có sai lệch giá trị α α < 1 0 ÷ 3 0 ). min ÷ α max và tính đối xứng của xung  Đảm bảo mạch hoạt động ổn định và tin cậy khi lưới điện xoay chiều dao động cả về giá trị điện áp và tần số.  Có khả năng chống nhiễu tốt.  Cách ly giữa mạch lực và mạch điều khiển.  Có độ tác động nhanh.  Thực hiện yêu cầu về bảo vệ chỉnh lưu từ phía điều khiển (ngắt xung khi có sự cố ngắn mạch tải, khi có chạm điện cực). 4.3. Sơ đồ khối của mạch điều khiển: Hình 4.1. Sơ đồ khối của mạch điều khiển 4.4. Thiết kế mạch điều khiển: 4.4.1. Khâu đồng pha và tạo điện áp đồng bộ: 4.4.1.1. Chức năng:  Khâu này phải tạo ra 1 điện áp có góc lệch pha cố định với điện áp đặt lên van lực, phù hợp nhất cho mục đích này là biến áp.  Chuyển đổi điện áp lực có giá trị cao sang giá trị phù hợp với điện áp điều khiển có giá trị thấp.  Cách ly hoàn toàn về điện giữa mạch điều khiển với mạch lực nên đảm bảo an toàn cho người sử dụng cũng như các linh kiện điều khiển. 4.4.1.2. Nguyên lý: Hình 4.2. Sơ đồ và dạng điện áp ra của khâu đồng pha và tạo điện áp đồng bộ  Khâu điện áp đồng pha Udf thực chất là mạch chỉnh lưu diode hình tia 2 pha.  Khâu đồng bộ thực hiện bằng khuếch đại thuật toán OP1. − Điện áp đồng pha được đưa vào cửa dương của khuếch đại thuật toán. − Điện áp đưa vào cửa âm của khuếch đại thuật toán là U 0 = VR1 E. VR1 + R2 + − − Ta có: U db = A0 ×( U − U ) = A0 ×( U df − U 0 ) . − Khi Udf > Uo thì Ura = Udb = Ubh. Khi Udf < Uo thì Ura = Udb = -Ubh − Điều chỉnh U ta có thể đưa ra Udb = ± Ubh = ± (E -1,5V) 4.4.1.3. Tính toán:  Chọn biến áp 1 pha có điểm giữa. Hệ số biến áp k = U1 = 69. U2 − Điện áp U1 ở đây chính là điện áp nguồn đấu tam giác.Do đó điện áp đồng pha cùng pha với điện áp đặt lên van lực. − Ta có U1 = 690V. Suy ra: U2 = U1 = 5 (V) 2.69  Chọn các điện trở: − Ta có: udf = 2 .5.|sinωt.| − Chọn R0 = 1 (kΩ). R2 được mắc vào để chia áp ra U0. − Chọn góc dịch pha là 50. Ta có Uo = 2 .5.sin5 = 0,62 (V) − Ta có VR1 + R2 E E = suy ra R2 = ( -1).R1 (với E là nguồn cung cấp cho đầu U0 VR1 U0 vào đảo). Chọn E = 15V suy ra R2 = 24R1 − Chọn R1 = 1 (kΩ), R2 = 24 (kΩ)  Chọn khuếch đại thuật toán: − Ta chọn loại LM301A có các thông số sau: du/dt = 10 (V/μs) Iramax =1 (A) Điện áp rơi là 1,9 (V) Zra = 75 (Ω) Zvao = 2 (MΩ) − Chọn nguồn cung cấp cho OPAM là 12V. Do đóUbh = 12-1,9 = 10,1 (V)  Chọn Diode: − Ta cóU2=5(V) nên điện áp chỉnh lưu 2 nửa chu kỳ trung bình Ud=0,9U2=4,5V − Dòng trung bình qua diode là Iv = ki. Ud Id = ki. = 6,75 (mA) 2.Ro 2 − Điện áp ngược đặt lên van: Ungmax = ku.2 2 U2 = 22,6 (V) (ki và ku là hệ số dự trữ dòng điện và điện áp,lấy ki = 3 và ku = 1,6) − Do đó ta chọn diode loại PMDB914 4.4.2. Khâu tạo điện áp răng cưa: 4.4.2.1. Chức năng:  Khâu này sẽ hoạt động theo nhịp của khâu đồng pha và tạo nên điện áp có dạng răng cưa. 4.4.2.2. Nguyên lý: Hình 4.3. Sơ đồ và dạng điện áp ra của khâu tạo điện áp răng cưa  Khi Udb<0, nếu chọn R3<< (R4+VR2) thì ta có thể coi như nhánh trên không tham gia vào mạch. Suy ra U rc = U c1 = U −Ud 3 1 1 U r3 i . d = dt = bh t . Điện áp tăng tuyến tính với r3 t ∫ ∫ C1 C1 R3 C1 .R3 độ dốc cao cho đên UZ1 thì ngừng.  Khi Udb>0, D3 khoá lại chỉ còn nguồn E tham gia vào mạch, tương tự điện áp giảm tuyến tính theo phương trình U rc = U Z 1 − E t . Điều chỉnh VR2 có thể đưa Urc về 0 C1.(VR2 + R4 ) khi vừa hết nửa chu kì. (Đoạn Udb<0 càng ngắn thì dạng Urc càng giống tam giác vuông.) 4.4.2.3. Tính toán:  Chọn Diode và OPAM: − Theo trên,ta có đoạn mà điện áp đồng bộ âm tương ứng với góc 10 0,hay đoạn điện áp đồng bộ âm tương ứng với thời gian : 10 .0,01 = 5,6.10-4s =0,56 (ms) 180 − Chọn diode loại PMDB914 và OPAM loại LM301A như trên. − Nguồn cung cấp cho OPAM là ± 12 (V)  Chọn diode Zener BZX284-B10 có UZ =10 (V)  Tính chọn R3, R4, VR2, C1: − Khi điện áp Udb âm thì Ura tăng tuyến tính đến giá trị của diode Zener và khi U db dương thì Ura giảm tuyến tính. Ta sẽ chọn C, R4+VR2 sao cho quá trình giảm này sẽ giảm về 0 khi Udb chuyển trạng thái từ dương sang âm. − Đoạn Udb dương tương ứng với 1700 điện tức là T = − Do đó cần UZ R4+VR2 = 170 .0,01 = 9,44 (ms) 180 E .T = 0. Chọn C1 = 0,22 (µF) suy ra: C1.( R4 + VR2 ) E.T = 65 (kΩ) U Z .C1 − Chọn R4 = 50 (kΩ) và biến trở VR2 = 15 (kΩ) − Chọn R3 sao cho tụ nạp đến giá trị UZ trước khi kết thúc thời gian nạp tức tụ phải nạp đến UZ trước thời gian t = 0,56 (ms) hay 0,56 < R3.C1. Do đó chọn R3 = 2 (kΩ) 4.4.3. Khâu so sánh: 4.4.3.1. Chức năng:  So sánh 2 điện áp răng cưa và điện áp điều khiển với nhau.  Điểm cân bằng giữa chúng chính là điểm xác định góc α . 4.4.3.2. Nguyên lý: Hình 4.4. Sơ đồ và dạng điện áp ra của khâu so sánh  Điện áp Urc và Udk lần lượt được đưa vào đầu vào đảo và đầu vào không đảo của khuếch đại thuật toán. − Khi Urc>Udk thì điện áp ra là âm bão hoà. − Khi Urc Ecs = 10 (Ω). Chọn R13 = 12 (Ω) I cmax − Công suất trên điện trở này là khá đáng kể do dòng qua nó là thường xuyên và khá lớn. Kiểm tra độ sụt áp trên điện trở này khi bóng T1 dẫn: UR13 = I1.R13 = 0,8 (V) U1 = Ecs-UR13 = 14,2 (V) và đạt yêu cầu.  Tuy nhiên để tăng mạnh xung kích cho van có thể dùng thêm tụ C3. − Tần số xung chùm 10 (kHz) tương ứng với chu kỳ 1 xung là: Txc = 1 = 0,1 (ms) f xc − Cho rằng xung đối xứng thì khoảng nghỉ bằng khoảng có xung tức là khoảng cách giữa 2 xung là tn = 0,5.Txc = 0,05 (ms) tn − Chọn C3 sao cho C3 < = 1,4.10-6 (F)=1,4 (µF). Chọn C3 = 1 (µF) 3.R13  Chọn bóng T2 loại BC107 có: Uce = 45 (V); Icmax = 0,1 (A); βmin = 110  Chọn điện trở R11. U vmax 10 − Ta có: R11 > = = 10 (kΩ) I vmax 1.10−3 R11 < β1.β 2 .Ecs = 44.103 (Ω) = 44 (kΩ) s.I1max − Chọn R11=15kΩ.  Chọn R12 = R14 = 1 (kΩ)  Chọn diode loại PMDB914 4.4.7. Nguồn cung cấp cho mạch điều khiển: Trong mạch điều khiển ta đã sử dụng nguồn cung cấp cho OPAM và nguồn DC cho mạch đồng bộ, mạch tạo răng cưa, mạch khuếch đại xung. Sau đây ta sẽ thiết kế các mạch nguồn trên. 4.4.7.1. Nguồn ± 12 V:  Với nguồn cung cấp cho OPAM là ± 12V ta chọn hai IC LM7812C và LM7912 có I cp = 1,5 (A)  Để chất lượng điện áp ra tốt, chọn các tụ có giá trị 10 (µF)  Chọn diode loại PMDB914 LM7812C GND GND IN OUT OUT IN +12V -12V LM7912C Hình 4.8. Sơ đồ bộ nguồn ± 12 V 4.4.7.2. Nguồn +15 V:  Với các nguồn DC cung cấp ta dùng nguồn +15 V.  Với nguồn cung cấp là 15V ta chọn các IC LM7815C.  Các diode và tụ chọn như trên. LM7815C GND IN OUT Hình 4.9. Sơ đồ bộ nguồn +15 V 4.4.8. Bộ tạo luật điều khiển: 4.4.8.1. Chức năng:  Lấy tín hiệu từ tải phản hồi về để đưa ra 1 tín hiệu điều khiển thích hợp. 4.4.8.2. Nguyên lý: Hình 4.10. Sơ đồ bộ tạo luật điều khiển +15V