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

§å ¸n m«n häc ®iÖn tö c«ng suÊt Lêi nãi ®Çu HiÖn nay c¸c thiÕt bÞ ®iÖn tö c«ng suÊt chiÕm h¬n 30% trong sè c¸c thiÕt bÞ cña mét xÝ nghiÖp c«ng nghiÖp hiÖn ®¹i. §iÖn tö c«ng suÊt gãp phÇn gi¶i quyÕt nh÷ng bµi to¸n phøc t¹p trong lÜnh vùc tù ®éng hãa còng nh trong ®êi sèng hµng ngµy. M«n häc §iÖn tö c«ng suÊt lµ mét trong nh÷ng m«n chñ yÕu ®Ó ®µo t¹o sinh viªn ngµnh tù ®éng hãa nãi riªng vµ sinh viªn ngµnh kü thuËt nãi chung. Với sự giảng dạy nhiệt tình của các thầy cô trong khoa em đã từng bước tiếp cận môn học. Để có thể nắm vững phần lý thuyết và áp dụng kiến thức đó vào trong thực tế, ở học kỳ này em được các thầy giao cho đồ án môn học với đề tài : “ Thiết kế phần nghịch lưu của bộ nguồn cho lò tôi thép “ Đây là một đề tài có quy mô và ứng dụng thực tế rất lớn. Các bộ chỉnh lưu và nghịch lưu đã được một số nhà muáy luyện kim, nhà máy xi măng… ở nước ta đưa vào sử dụng, lắp đặt và đã chiếm được ưu thế. Với sự cố gắng của bản thân, cùng với sự hướng dẫn, chỉ bảo tận tình của các thầy cô trong môn học. đặc biệt là sự hướng dẫn trực tiếp của thầy “Trần Trọng Minh” đã giúp em hoàn thành đồ án môn học này. Do lần đầu tiên làm đồ án môn học Điện Tử Công Suất kinh nghiệm chưa có nên em không tránh khỏi mắc sai sót, mong các thầy giúp đỡ. Em xin chân thành cảm ơn ! Hµ néi th¸ng 6 n¨m 2006 Sinh viªn thùc hiÖn §Æng Duy Phó 1 §å ¸n m«n häc ®iÖn tö c«ng suÊt Môc lôc Lời nói đầu Chương I Chương II Chương III Chương IV Chương V Trang 2 T×m hiÓu vÒ c«ng nghÖ vµ yªu cÇu cña c«ng nghÖ lß t«i thÐp §Ò xuÊt vµ lùa chän ph¬ng ¸n Tính toán mạch lực Thiết kế và tính toán mạch điều khiển Nguyên lý hoạt động của toàn bộ hệ thống KÕt luËn Tµi liÖu tham kh¶o 4 7 10 18 32 33 PhÇn I TÌM HIỂU VỀ CÔNG NGHỆ VÀ YÊU CẦU KỸ THUẬT CỦA LÒ TÔI THÉP. I.Giíi thiÖu vÒ lß c¶m øng. 2 §å ¸n m«n häc ®iÖn tö c«ng suÊt 1.1 Kh¸i qu¸t chung: HiÖn nay trong c«ng nghiÖp luyÖn kim, luyÖn thÐp trong lß ®iÖn lµ mét kh©u quan träng. C¸c lo¹i lß ®iÖn thêng dïng lµ - Lß ®iÖn trë - Lß hå quang - Lß c¶m øng Trong ®ã lß c¶m øng ®îc øng dông rÊt réng r·i, ®¨c biÖt lµ c¸c lß t«i tÇn sè .Trong nh÷ng lß nµy, nguyªn liÖu ®îc nung nãng nhê dßng ®iÖn xoay chiÒu víi tÇn sè cao nhê vµo hiÖu øng dßng Fuc«. 1.2 Lß t«i cao tÇn: -Tôi thép là sự nung nóng thép đến nhiệt độ cao hơn các biến đổi pha, hãm ở nhiệt độ đó và làm nguội nhanh với tốc độ lớn hơn tốc độ tới hạn. -Môc ®Ých cña qu¸ tr×nh t«i thÐp: + Nâng cao độ cứng (HRC) bÒ mÆt, độ bền và tính mài mòn của thép. + Đạt được sự phối hợp tốt các tính chất cơ khí khác. Tôi tần số cao (tôi cảm ứng) là phương pháp tôi công nghệ tiên tiến, chủ yếu dùng để tôi bề mặt, nó cho phép bề mặt đạt độ cứng và tính mài mòn cao hơn các phương pháp tôi thông thường, còn phần lõi vẫn đạt độ dẻo 1.2.1Nguyªn lý lµm viÖc: Khi cho dßng ®iÖn cã tÇn sè cao ch¹y qua vßng d©y dÉn( vßng c¶m øng ) sÏ t¹o ra mét tõ trêng thay ®æi m·nh liÖt bªn trong vßng d©y.VËt cÇn t«i ®îc ®Æt trong tõ trêng xoay chiÒu ®ã. Sù bè trÝ cuén d©y c¶m øng vµ chi tiÕt cÇn t«i cã thÓ coi nh mét m¸y biÕn ¸p. Vßng c¶m øng lµ cuén s¬ cÊp n¬i dßng ®iÖn ®i vµo cßn chi tiÕt cÇn t«i lµ cuén thø cÊp ng¾n m¹ch.ChÝnh ®iÒu nµy g©y ra dßng ®iÖn rÊt lín ch¶y qua chi tiÕt t«i gäi lµ dßng ®iÖn xo¸y ( dßng Fuc«). Nhê vµo hiÖu øng bÒ mÆt 3 §å ¸n m«n häc ®iÖn tö c«ng suÊt mµ dßng ®iÖn xo¸y sÏ chØ ch¶y ë líp bÒ mÆt máng cña chi tiÕt t«i, còng chÝnh nhê hiÖu øng bÒ mÆt mµ t¸c dông nung nãng cña dßng xoay chiÒu ch¶y trong chi tiÕt t¨ng lªn rÊt nhiÒu. Nhê vËy, bÒ mÆt chi tiÕt ®îc nung nãng ®Õn nhiÖt ®é quy ®Þnh trong thêi gian ng¾n. Sau ®ã b»ng c¸c ph¬ng ph¸p lµm nguéi nhanh ®Ó cã ®îc ®é cøng bÒ mÆt cÇn thiÕt. Sù ph©n bè dßng ®iÖn trong chi tiÕt t«i tu©n theo quy luËt: Mét c¸ch gÇn ®óng cã thÓ coi δ lµ chiÒu s©u cña líp cã dßng ®iÖn ch¹y qua, còng chÝnh lµ chiÒu s©u líp t«i vµ ®îc tÝnh theo c«ng thøc: δ = 5030. ρ µ. f (cm) trong đó: ρ : điện trở suất (Ω.cm) μ : độ từ thẩm f : tần số dòng điện (Hz) Năng lượng chuyển thành nhiệt trong khối liệu W 4 §å ¸n m«n häc ®iÖn tö c«ng suÊt W = I2.n2.2.л.(d/h). ( ρ.µ. f .10 -9 ) I : Cường độ dòng trong cuộn cảm n : Số vòng cảm ứng d : Đường kính nồi lò (cm) h : Chiều cao kim loại trong lò (cm) μ : Độ từ thẩm ; ρ : Điện trở suất mẻ liệu (Ωcm) Nh vËy, ®Ó t¨ng nhiÖt lîng nung nãng chi tiÕt, ta cã thÓ t¨ng cêng ®é dßng ®iÖn hoÆc t¨ng tÇn sè dßng ®iÖn. Thùc tÕ, t¨ng dßng ®iÖn qu¸ lín cã thÓ g©y háng vßng d©y c¶m øng g©y ra ng¾n m¹ch nªn ta thêng chän ph¬ng ¸n t¨ng tÇn sè ®Ó t¨ng c«ng suÊt t«i. 1.2.2 ¦u ®iÓm cña lß t«i tÇn sè: • Có thể truyền năng lượng cho vật cần gia công nhanh chóng và trực tiếp, không cần phải qua một khâu trung gian nào nên có thể tiến hành tự động hoá ở mức độ cao. Có thể gia nhiệt ở môi trường trung tính, chân không một cách dễ dàng. • Trong công nghệ tôi thép, người ta cần nung đỏ bề mặt chi tiết lên nhanh chóng, sau đó làm nguội lạnh đi cũng rất nhanh để bề mặt chi tiết có độ cứng cần thiết mà bên trong chi tiết vẫn giữ được độ mềm dẻo của thép. Khi gia nhiệt bằng dòng điện cao tần, nhờ hiệu ứng bề mÆt bề mặt của chi tiết dược nung đỏ lên một cách nhanh chóng do ®ã chÊt lîng t«i cao. • VËt t«i Ýt biÕn d¹ng do líp t«i rÊt máng • Có thể tôi các chi tiết có hình dáng và bề mặt bất kỳ. • Lµ ph¬ng ph¸p t«i kh«ng tiÕp xóc nªn chi tiÕt t«i ®îc gi÷ s¹ch. • Dùng phương pháp gia nhiệt cao tần cho ta đạt được năng suất lao động cao, giảm được những lao động cực nhọc trong các phân xưởng rèn dập ở các nhà máy chế tạo cơ khí. 5 §å ¸n m«n häc ®iÖn tö c«ng suÊt 1.2.3 §Æc ®iÓm cña c«ng nghÖ t«i tÇn sè: Trong qu¸ tr×nh t«i thÐp b»ng lß t«i cao tÇn, ®é tõ thÈm vµ ®iÖn trë suÊt cña thÐp sÏ thay ®æi do nhiÖt ®é thay ®æi. Tuy nhiªn nhiÖt ®é t«i chØ ®¹t ®Õn nhiÖt ®é Quire ( thÐp cha ch¶y ) nªn ®iÖn trë suÊt vµ ®é tõ thÈm thay ®æi kh«ng ®¸ng kÓ. MÆt kh¸c tÇn sè dßng ®iÖn rÊt lín nªn khi t«i, chiÒu s©u líp t«i thay ®æi kh«ng ®¸ng kÓ v× δ = 5030. ρ µ. f (cm). H¬n n÷a chiÒu s©u líp t«i rÊt nhá so víi ®êng kÝnh vËt t«i. Do ®ã trong qu¸ tr×nh t«i, vËt t«i( t¶i) thay ®æi kh«ng ®¸ng kÓ vµ cã tÝnh chÊt c¶m. 6 §å ¸n m«n häc ®iÖn tö c«ng suÊt PhÇn II : §Ò xuÊt c¸c ph¬ng ¸n vµ lùa chän ph¬ng ¸n Do ®Æc thï cña lß t«i c¶m øng, nªn ta chän nghÞch lu mét pha cho phÇn nghÞch lu cña bé nguån lß t«i thÐp. Ta sÐt lÇn lît c¸c s¬ ®å sau: 1. S¬ ®å nghÞch lu ¸p mét pha: §Æc ®iÓm: nguån ®Çu vµo lµ nguån ¸p, nªn cã tô C (C-> ∞ ) m¾c song song víi ®iÖn trë nguån. Do vËy nguån trë thµnh nguån hai chiÒu: ph¸t n¨ng lîng cho t¶i ®ång thêi tiÕp nhËn n¨ng lîng cña t¶i tr¶ ngîc vÒ, ®îc tÝch luü trong tô C, th«ng qua c¸c diode m¾c song song ngîc víi c¸c van ®éng lùc chÝnh. XÐt ®å thÞ ho¹t ®éng cña m¹ch: 7 §å ¸n m«n häc ®iÖn tö c«ng suÊt - §iÖn ¸p nghÞch lu cã d¹ng xung vu«ng ch÷ nhËt, cã tÇn sè f N t¹o ra nhê ®ãng më c¸c cÆp van T1,T2 vµ T3,T4 mét c¸ch cã chu kú: fN=f®k Do ®ã khi thay ®æi tÇn sè ®iÒu khiÓn f®k cã thÓ thay ®æi tÇn sè nghÞch lu fN tuú ý. - ¦u nhîc ®iÓm: + ¦u ®iÓm: • §iÒu chØnh ®îc tÇn sè fN • C¸c van chñ ®¹o sö dông lµ c¸c van ®iÒu khiÓn hoµn toµn do ®ã dÔ ®iÒu khiÓn ®ãng më c¸c van. + Nhîc ®iÓm: • Sè lîng van sö dông kh¸ nhiÒu • C«ng suÊt bé biÕn ®æi (BB§) phô thuéc vµo c«ng suÊt cña van nªn bÞ h¹n chÕ. • UN cã d¹ng xung ch÷ nhËt nªn khÞ ph©n tÝch Furie sÏ xuÊt hiÖn nhiÒu thµnh phÇn sãng ®iÒu hoµ bÊc cao do ®ã lµm gi¶m hiÖu suÊt cña BB§ 2. S¬ ®å nghÞch lu dßng mét pha: 8 §å ¸n m«n häc ®iÖn tö c«ng suÊt - §Æc ®iÓm: Nguån ®Çu vµo lµ nguån dßng, do ®ã nguån ®îc nèi nèi tiÕp víi Ld (Ld -> ∞ ) nh»m san ph¼ng dßng ®Çu vµo: Td = const. - Dßng ®iÖn nghÞch lu cã d¹ng xung ch÷ nhËt, cã tÇn sè fN t¹o ra nhê ®ãng më c¸c cÆp van T1,T2 vµ T3,T4 mét c¸ch cã chu kú. Do ®ã cã thÓ thay ®æi fN theo tÇn sè ®iÒu khiÓn f®k. - XÐt ®å thÞ ho¹t ®éng cña m¹ch: 9 §å ¸n m«n häc ®iÖn tö c«ng suÊt - ¦u nhîc ®iÓm: + ¦u ®iÓm: • §iÒu chØnh ®ù¬c tÇn sè fN • Van sö dông lµ van Tiristor nªn cã c«ng suÊt lín h¬n rÊt nhiÒu so víi s¬ ®å trªn (sö dông van ®iÒu khiÓn hoµn toµn) • ChØ cÇn quan t©m ®Õn vÊn ®Ò më van, v× khi më van cÆp van nµy sÏ lµm cÆp van kia ®ãng l¹i + Nhîc ®iÓm: • Kh«ng lµm viÖc ®îc ë chÕ ®é kh«ng t¶i • Dßng nghÞch lu cã d¹ng xung ch÷ nhËt nªn chøa nhiÒu thµnh phÇn sãng ®iÒu hoµ bËc cao lµm gi¶m hiÖu suÊt BB§. • D¹ng ®iÖn ¸p vµ gãc kho¸ β _ gãc kho¸ nghÞch lu thay ®æi khi gi¸ trÞ cña ®iÖn c¶m ®Çu vµo Ld thay ®æi. Cô thÓ: o Ld= ∞ => id = Id= const, dßng nghÞch lu cã d¹ng xung ch÷ nhËt. Vµ cã ut biÕn thiªn hµm mò vµ gãc kho¸ β lµ max. o Ld< ∞ nhng vÉn ®¶m b¶o id liªn tôc. Lóc nµy iN cã d¹ng nhÊp nh« do vÉn chøa c¸c sãng ®iÒu hoµ bËc cao. D¹ng ®iÖn ¸p gÇn sine h¬n nhng gãc kho¸ β gi¶m ®i. o Ld< ∞ dßng bÞ gi¸n ®o¹n. Khi ®ã trong m¹ch cã thÓ x¶y ra céng hëng L,C ®iÖn ¸p sÏ trë nªn sine nhng gãc kho¸ β lµ min. 3. NghÞch lu céng hëng: * ë nghÞch lu dßng (hoÆc ¸p) th× d¹ng dßng ®iªn iN (hoÆc ®iÖn ¸p uN) ®Òu cã chøa thµnh phÇn sãng ®iÒu hoµ bËc cao. V× vËy sÏ lµm gi¶m hiÖu suÊt cña BB§. §Ó t¨ng hiÖu suÊt cña BB§ ta xÐt nghÞch lu céng hëng. * Do t¶i cã tÝnh c¶m kh¸ng v× vËy ta ph¶i ®Êu víi t¶i tô C ®Ó bï l¹i tÝnh c¶m kh¸ng nh»m t¹o ra céng hëng trong m¹ch. Nhng do t¶i thay ®æi liªn tôc trong qu¸ tr×nh t«i, nªn ta kh«ng thÓ thùc hiÖn bï ®ñ ®îc, do vËy mµ m¹ch chØ tiÖm cËn tíi dao ®éng céng hëng. Sau ®©y ta xÐt c¸c m¹ch dao ®éng céng hëng c¬ b¶n: a, S¬ ®å nghÞch lu céng hëng nèi tiÕp: - Do ®iÖn c¶m t¶i t¹o nªn nguån dßng, bé nghÞch lu ph¶i lµ nghÞch lu nguån ¸p. Ta xÐt s¬ ®å cÇu: 10 §å ¸n m«n häc ®iÖn tö c«ng suÊt • S¬ ®å nµy sö dông céng hëng nguån ¸p nªn cã thÓ lµm viÖc ®îc ë chÕ ®é kh«ng t¶i. • Vµ do céng hëng nèi tiÕp nªn s¬ ®å nµy cã thÓ lµm viÖc ®îc víi t¶i biÕn thiªn réng vµ trong thùc tÕ s¬ ®å nµy ®îc sö dông réng r·i. • Mạch sử dụng IGBT vµ cã tèc ®é t¨ng dßng còng nh t¨ng ¸p nhá do ®ã có thể lµm viÖc víi tÇn sè rÊt cao • Có phụ tải là một mạch dao động với dòng và áp có dạng hình sin, tải thiết kế có tính chất điện dung do đó các thyristor trên sơ đồ sẽ chuyển mạch tự nhiên • Có thể tạo dòng điện, điện áp gần sin nªn Ýt chøa thµnh phÇn sãng hµi bËc cao • Dòng điện cảm ứng trong các vật liệu sắt từ cung cấp năng lượng làm tăng nhiệt độ của vật, không cần đến sự tiếp xúc giữa nguồn nhiệt với vật bị nung V× vËy ta chän s¬ ®å nµy ®Ó thiÕt kÕ phÇn nghÞch lu cho bé nguån lß t«i thÐp *XÐt ho¹t ®éng cña m¹ch: 11 §å ¸n m«n häc ®iÖn tö c«ng suÊt - §iÖn ¸p nghÞch lu d¹ng xung ch÷ nhËt, dßng ®iÖn trªn t¶i gÇn sine vµ dßng ®iÖn vît tríc ®iÖn ¸p ( do thùc hiÖn måi chËm ®Ó ch¾c ch¾n cÆp van ®îc kho¸ míi më cÆp van kh¸c). - T¹i thêi ®iÓm θ = 0 cho xung më van T1,T2: dßng ®i tõ A-> B, tô C ®îc n¹p. Khi tô C ®îc n¹p ®Çy dßng qua van T1,T2 gi¶m vÒ 0. Nhng do t¶i mang tÝnh c¶m nªn dßng vÉn gi÷ nguyªn chiÒu cò nªn khÐp m¹ch qua D3,D4 vµ C0. Khi ®ã ®iÖn ¸p uc ®Æt lªn T1,T2 lµm chóng bÞ kho¸ ch¾c ch¾n. - T¹i thêi ®iÓm θ = θ2 ph¸t xung më T3,T4 dßng ®i tõ B->A vµ tô C ®îc n¹p theo chiÒu ngîc l¹i. Khi tô C n¹p ®Çy dßng qua T3,T4 gi¶m vÒ 0, dßng l¹i khÐp m¹ch qua D1,D2 vµ C0. Sau ®ã qu¸ tr×nh diÔn ra lÆp l¹i t¬ng tù nh trªn. b, S¬ ®å nghÞch lu céng hëng song song: - Sö dông nguån dßng v× phô t¶i gåm tô ®iÖn, ®iÖn c¶m vµ ®iÖn trë nèi song song ë ®Çu ra t¹o nªn t¶i nguån ¸p. - S¬ ®å sö dông van Tiristor nªn c«ng suÊt cu¶ BB§ lín. Ld cã gi¸ trÞ h÷u h¹n sao cho kÕt hîp víi Lt , C t¹o thµnh m¹ch céng hëng dao ®éng víi tÇn sè riªng: 12 §å ¸n m«n häc ®iÖn tö c«ng suÊt ω 0 = Ld + Lt 1 − Ld .Lt .C 4 R 2 C 2 - XÐt ®å thÞ ho¹t ®éng cña m¹ch: 13 §å ¸n m«n häc ®iÖn tö c«ng suÊt - Do hiÖn tîng céng hëng nªn uN, iN cã d¹ng gÇn sine chøa Ýt thµnh phÇn sãng ®iÒu hoµ bËc cao do ®ã mµ n©ng cao ®îc hiÖu suÊt cña BB§. - C¸c ®¹i lîng du/dt, di/dt cã gi¸ trÞ nhá nªn phï hîp ®Ó sö dông cho thiÕt bÞ lµm viÖc víi tÇn sè cao, mµ kh«ng ®ßi hái nhiÒu vÒ m¹ch b¶o vÖ van tr¸nh hiÖn tîng xung. - NghÞch lu céng hëng cã dù tr÷ gãc β lín ®Ó nghÞch lu lµm viÖc æn ®Þnh vµ tÇn sè f0 - Xem thêm -