Đồ án Môn học điện tử công suất

đề cương hướng dẫn làm đồ án môn học điện tử công suất Trên cơ sở số liệu cho trước và yêu cầu cụ thể của đề bài ,khi thực hiện cần tiến hành trình tự các bước sau: 1.Phân tích,giải thích rõ yêu cầu và đòi hỏi của đề bài .Cụ thể: Với đề tài này thường hay gặp ở đâu trong thực tế? Những thông số kỹ thuật nào sẽ ảnh hưởng đến chỉ tiêu chất lượng của hệ thống? Biện pháp tác động như thế nào? Nêu các phương án có thể và chọn lấy một phương án phù hợp. 2. Phân tích kỹ nguyên lý hoạt động của phương án đã được lựa chọn; Vẽ đồ thị dòng điện và điện áp trên các phần tử và ở các điểm nút cần quan tâm. Trên cơ sởcác đồ thị đó ,tìm các biểu thức có sự liên quan đến những đại lượng đã biết và đại lượng cần tìm. 3. Tính chọn, thiết kế các phần tử mạch công suất: Chọn van, các điều kiện làm mát mạch, bảo vệ; Tính toán, thiết kế, kiểm tra máy biến áp, bộ lọc (nếu có yêu cầu) 4. Giới thiệu mạch điều khiển cho toàn hệ thống. Phân chia khối chức năng; Neu nguyên lý hoạt động của các khối chức năng thông qua đồ thị dạng dòng điện điện áp hoặc dạng xung ở một số điển nút chính. Chú ý: Cũng có thể làm theo phương pháp ngược lại: Chọn các khối chức năng trước , phân tích nguyên lý hoạt động của mỗi khối chức năng qua các đò thị dòng điện và điện áp, sau đó ghép thành hệ điều khiển tổng thể. 5. Tính chọn các phần tủ cơ bản của mạch điều khiển. 6. Giới thiệu các mạch phản hồi: Dòng điện, Điện áp, Tốc độ...(nếu có yêu cầu). Phân tích nguyên tắc hoạt động và tính chọn các phần tử cơ bản. 7. Toàn bộ phần viết thuyết minh được hoàn thành ở dạng quyển A4.Mẫu chi tiết sẽ có hướng dẫn cụ thể. 8.Toàn bộ sơ đồ nguyên lý ,bao gồm cả mạch lực và hệ điều khiển được vẽ trên khổ A1 có ký hiệu đầy đủ các phần tử và trình bày theo mẫu vẽ kỹ thuật. Nhóm 7: . 1.Lê Xuân Tiến 2. Phạm Tâm Thành 3.Lê Văn Thế 4.Cao Đức Dũng Đề tài: Thiết kế bộ biến tần cho lò nấu thép phần nghịch lưu có các thông sô: -Điện áp nguồn: 3´380VAC, +10%, -10%; 50 Hz -Vòng cảm ứng: 250 kW; 800VAC; cosj =0,4; f=100Hz. Mục lục Chương 0 : Lời mở đầu Chương I : Giới thiệu công nghệ nấu thép bằng phương pháp lò cảm ứng Chương II : Phân tích các phương án .Lựa chọn phương án tối ưu Chương III: Phân tích hoạt động của phương án tối ưu Chương IV: Giới thiệu, tính toán, thiết kế mạch lực Chương VI: Giới thiệu – Tính toán- Thiết kế mạch điều khiển toàn hệ thống Chương VII: Nguyên lý hoạt động của toàn hệ thống. Kết luận. Tài liệu tham khảo. Lời nói đầu Lịch sử ngành công nghiệp điện tử được đánh dấu bằng những sự kiện quan trọng như sự ra đời của Thyratron(1902) do John Fleming(kỹ sư người Anh) sáng chế, và sự ra đời của Tranzitor(1948), do 2 nhà vật lý người Mỹ là John Bardeen và W.H Brattain sáng chế, đến năm 1956 nhóm kỹ sư của hãng Bell -– Telephone cho ra đời sản phẩm Thyristo đầu tiên. Kể từ đó đến nay, ngành công nghiệp điện tử của thiết bị bán dẫn công suất lớn như điot, tiristor, triac, transtor chịu được điện áp cao và dòng điện lớn, và cả những phần tử thiết bị bán dẫn cực nhỏ như vi mạch, vi mạch chức năng, vi xử lý là những phần tử thiết yếu trong mạch điều khiển thiết bị bán dẫn công suất. Ngày nay, không riêng gì ở các nước phát triển ngay ở nước ta các thiết bị bán dẫn đã và đang thâm nhập vào các ngành công nghiệp và cả trong lĩnh vực sinh hoạt. Các xí nghiệp, nhà máy như xi măng, thuỷ điện, giấy, đường ...đang sử dụng ngày càng nhiều những thành tựu của công nghiệp điện tử . Theo xu hướng đó các nhà máy luyện kim đã đưa vào công nghệ nấu thép mới là công nghệ nấu thép cảm ứng. Công nghệ này dần dần thay thế phương pháp nấu thép truyền thống dùng lò Mactanh. Công nghệ nấu thép cảm ứng dùng bộ biến tần với các phần tử bán dẫn có khả năng tự động hoá cao và điều khiển quá trình nấu thép rất dễ dàng, năng suất nấu thép tăng, thời gian nấu nhanh.... Điều đó đã đáp ứng được một phần nào nhu cầu sử dụng thép trong sự nghiệp công nghiệp hoá, hiện đại hoá của đất nước. Đối với sinh viên ngành tự động hoá, môn học Điện tử công suất. là một trong những môn quan trọng.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 :Thiêt kê bộ biến tần cho lò nấu thép cảm ứng.Đây là một đề tài có quy mô và ứng dụng thực tế rất lớn.Bộ biến tần đã được một số nhà máy luyện kim 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 bộ môn, đặc biệt là sụ hướng dẫn trực tiếp của thầy Dương Văn Nghi 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 ! Hà Nội 01-2002 Sinh viên Cao Đức Dũng Chương1: Giới thiệu công nghệ nấu thép bằng phương pháp lò Cảm ứng Đề tài thiết kế bộ biến tần cho lò nấu thep cảm ứng là dề tài có giá trị thực tế rất lớn , nó đã được đưa vào sử dụng trong các nhà máy gang thép ,nhà máy luyện kim . Ơ nước ta cũng như trên thế giới các phần tử bán dẫn điện tử cong suất đã và đang được áp dụng trong mọi lĩnh vực nhất là lĩnh vực công nghiệp để có nền sản xuất qui mô và khả năng tự động hoá cao .Đó cũng là lí do phương pháp nấu thép mới dùng lò cảm ứng dần dần thay thế các phương pháp truyền thống . Trước hết chúng ta tìm hiểu sơ lược về công nghệ nấu thép trong ngành luyện kim . Ngành luyện kim ra đời từ rất lâu ,sản phẩm của nó đáp ứng được nhu cầu trong mọi lĩnh vực .Trong thời gian đầu các phương pháp luyện thép cổ điển như :lò cao, lò Mactanh đây là những lò dùn thang củi. Ngày nay với sự sữ dụng rộng rãi điện năng thì các phương pháp nấu luyện thép bằng điện chiếm ưu thế. Nờu thép bằng lò điện là phương pháp có thời gian nấu nhanh nhất mang lại hiệu quả kinh tế cao vì phương pháp này điện năng biến thành nhiệt năng dưới dạng khác nhau nên ta có thể điều chỉnh được thành phần nhiệt độ dễ ràng và có thể luyện được tất cả các loại thép khác nhau, dùng cho các mục đích khác nhau. Có các loại lò điện như: Lò hồ quang, lò điện trở, lò cảm ứng. Trong các loại lò điện trên thì lò cảm ứng là lò có ưu điểm nổi trội hơn cả. Lò cảm ứng sử dụng bộ biến tần với các phần tử bán dẫn và mạch điều khiển điện tử nên quá trình điều trở nên đơn giản dễ dàng. Lò cảm ứng có thể luyện được các loại thép có chất lượng cao, ngoài ra thời gian nấu luyện thép rất ngắn, các mẻ thép này chỉ dùng lò cảm ứng mới nấu được. Vậy lò cảm ứng có cấu tạo và nguên lý hoạt động như thế nào mà lại có được ưu việt như vậy? Thực ra cấu tạo của lò cảm ứng cũng đơn giản như một số lò điện khác. Nó gồm các bộ phận chính sau: Bộ biến tần, cuộn cảm ứng, khung lò, áo lò. Cuộn cảm ứng hay còn gọi là vòng cảm ứng có dạng bầu dục làm từ ống đồng tiết diện của cuộn cảm có dạng: Cuộn cảm ứng nhận điện áp có tần số rất lớn: Vài trăm đến vài nghìn Hz. Nguyên lý về điện trong lò cảm ứng như sau: Chúng ta đã biết một dây dẫn dặt trong từ trường biến thiên sẽ sinh ra sức điện cảm ứng: E=4,44fm.f.n.10-7(V) Trong đó n lá số vòng cảm ứng, f : từ thông, f: tần số dòng xoay chiều. Sức điện động cảm ứng càng lớn khi 3 đại lượng phụ thuộc fm, f, n càng lớn. Trong lò cảm ứng khi có dòng điện tần số cao đi qua các vòng cảm ứng(cuộn sơ cấp )thì khối lượng kim loại chất trong nồi sẻ sinh ra Sdd cảm ứng E2 và dòng điện cảm ứng I2, nhờ xuất hiện dòng I2 mà khối lượng được nung nóng và đến một lúc nào đó bị chảy ra. Mặt khác ta có năng lượng chuyển thành nhiệt trong khối liệu W W=I2.n2.2.ế.(d/h).ệ(r.m.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) m: Độ từ thẩm r: Điện trở suất mẻ liệu(Wcm) như vậy năng lượng chuyển thành nhiệt trong mẻ liệu tỉ lệ thuận với bình phương cường độ. Khi số vòng ít và cường độ dòng điện lớn thì cuộn cảm ứng được nung nóng mạnh hơn. Bây giờ ta xét quá trình nấu thép diễn ra trong lò và sự thay đổi đặc tính cơ của thép. Công suất điện của lò trong đồ án là 250kW tương ứng mỗi mẻ nấu được khoảng 250kg thép quá trình nấu thép như sau: khi chất mẻ liệu vào lò và bắt đàu nấu thì phần thép ở giữa bị sụt xuống và bị nóng chảy , phần thép ở xung quanh gần áo lò bị nóng chảy trước, sau đó phần thép ở giữa bị sụt xuống và bị nóng chảy và cuối cùng khi thép chảy thành nước thì ta rót thép và lại cho mẻ khác cứ như vậy trong lò luôn có sự biến động hay nói cách khác tải của bộ biến tần luôn biến đổi. Đặc tính của thép trong quá trình nấu như sau m r m: là độ từ thẩm của thép r: là suất điện trở của thép(Wcm) nhìn vào đặc tính ta thấy khi nhiệt độ còn thấp thì r rất nhỏ độ từ thẩm m lớn khi đó thép có tính điện cảm rất lớn. Trong khoảng từ 7800 đến 9000C thì thép bắt đầu chảy khi đó m giảm mạnh và r tăng nhanh. Ta nói đây là sự biến động của m và r .khi thép chảy thành nước thì thép hết từ tính chỉ còn r tức là chỉ có tính chất điện trở. Như vậy khi thiết kế bộ biến tần cho lò cảm ứng ta thấy tải có tính chất cảm kháng và tải có sự biến động rất lớn .Mặt khác khi thép chảy thành nước thì coi như tải ngắn mạch. Bộ biến đổi tần có sơ đồ như sau : Chương II Phân tích các phương án. Lựa chọn phương án tối ưu. Đồ án môn học chỉ yêu cầu thiết kế phần nghịch lưu của bộ biến tần do đó ta chỉ cần đưa ra các phương án lựa chọn bộ nghịch lưu. Trước hết nấu thép dùng điện 1 pha do đó ta chỉ đưa ra 1 số phương án nghịch lưu 1 pha. I.Sơ đồ nghịch lưu độc lập nguồn áp tải có tính chất cảm kháng. (Dòng điện chậm pha so với điện áp 1 góc jt ) 1) Sơ đồ nguyên lý: 2) xác định miền dẫn của các van : *Từ 0 đ jt : it< 0 thế a là (+) D1D4 hoặc V1V4 thông nhưng do it< 0 Ut > 0 thế b là (-) nên D1D4 dẫn *Từ jt đ P : it > 0 Ut > 0 V1V4 thông *Từ PđP + jt : Ut < 0 it > 0 D2D3 thông *Từ P + jt đ2P : it< 0 Ut > 0 V2V3 thông * Xác định thời điểm chuyển mạch giữa các van Tại jt : có sự chuyển mạch : D1 đ V1 ; D4đ V4 Tại P : có sự chuyển mạch : V1 đ D3 ; V4 đ D2 Ut Zt V3 D3 D1 V1 D2 V2 V4 D4 it a b it Cd Ed Tại: có sự chuyển mạch : D2 đ V2 ; D3 đ V3 Tại 2P : có sự chuyển mạch : V2 đ D4 ; V3 đ D1 *Xét sự chuyển mạch dòng điện : Xét tại P : có sự chuyển mạch : từ V1 đ D3 ; V4 đ D2 : 1 khoảnh khắc có V1V4 đang thông iv1 = iv4 = it > 0 Muốn khoá V1V4 bằng cách duy nhất là cưỡng bức khoá bằng xung đ V1V4 là van điều khiển hoàn toàn. Nếu dùng V1V4 là van điều khiển không an toàn thì phải đấu tổ hợp của các van điều khiểnkhông hoàn toàn + tụ + điện cảm. Khi V1V4 đã khoá thì dòng điện tải giảm về không nhưng do mạch tải có điện cảm nên sinh ra sứac điện động để tiếp tục duy trì dòng điện theo hướng dương đ khi đó D2D3 thông dòng điện tải ZtđD3 đ Cd đ Zt - Xét tại P + jt : D2 đ V2 ; D3 đ V3 Trong thời gian D2D3 thông thì Uv2 = DUD2 < 0 ; Uv3 = DUD3 < 0 ; V2V3 bị đặt điện áp ngược. Đến P + jt : iD2 = iD3 = 0 đ D2D3 bắt đầu khoá, sau thời điểm này dòng điện tải đảo chiều từ (+) đ(-) ngược với chiều dòng qua D2D3. Tại P + jt : tất cả các van đều khoá UV2 = UV3 = > 0. Nếu tại P + jt có xung điều khiển vào V2V3 đ V2V3 thông. 3) Xác định công suất nguồn và công suất tải. Pd = Ed . Id với Id = .I2 . cosjt Pt = Ut.It.cosjt ; it =. I2. cosjt Ut1 =.Ed.cos(wt) : thành phần sóng bậc 1 Do đó : Pt = .Ed.I2.cosjt = .Ed.I2.cosjt Pd = .Ed.I2.cosjt Nghịch lưu nguồn áp, nguồn áp 1 chiều đầu vào là lý tưởng, điện áp tải có dạng xung hình chữ nhật và có giá trị không đổi . Khi nấu thép lúc thép chảy thành nước tải coi như bị ngắn mạch do đó sơ đồ này không thoả mãn. II.Sơ đồ nghịch lưu nguồn dòng tải cảm kháng: 1. Sơ đồ nguyên lý Ed : Nguồn điện áp 1 chiều, điện cảm Ld đ Ơ tạo ra nguồn dòng điện 1 chiều lý tưởng với Id V1á V4 có thể là van điều khiển hoàn toàn hoặc van không điều khiển hoàn toàn. Giả thiết điện áp tải ra theo luật hình sin Xét tải có tính chất cảm kháng điện áp vượt trước dòng 1 góc jtải 2) Xác định miền dẫn của các van. * 0đ P : it > 0 ị V1V4 thông * Pđ2P : it < 0 ị V2V3 thông * 2Pđ3P : it > 0 ị V1V4 thông Khi V2V3 thông : UV1=Ut < 0 đ V1V4 khoá lại b là góc điện áp ngược lên van chính là thời gian khôi phục lại tính chất điều khiển của van bmin ³ 2Pf.tq * Xét sự chuyển mạch của các van Ví dụ xét tại P : V1 đ V3 V4 đ V2 Trước P 1 khoảnh khắc V1V4 dang dẫn ; Ut< 0 thế (+) đặt ở b (-) đặt ở a Thông qua V1V4 đang thông Ut đặt ngược lên V2V3 ; UV2 = UV3 = Ut < 0 Như vậy đến khi phát xung điều khiển vào V2V3 thì V2V3 chưa thông được. Theo yêu cầu của mạch bắt buộc phải đảo chiều dòng ở P đ phải cưỡng bức khoá V1V4 . Khi V1V4 khoá ; V2V3 chưa thông thì Uv1 =Uv2 = Uv4= > 0. Khi đó phát xungđiều khiển vào V2V3 thì 2 van này thông và thực hiện đảo chiều dòng từ (+) đ(-) ị Chuyển mạch ở đây là chuyển mạch cưỡng bức. Khi đó V1á V4 phải chọn van điều khiển hoàn toàn. 3) Công suất nguồn và công suất tải. Pd = Ud .Id = Pd = Ed . Id với Ed = Uv= .U2 . cosjt đ Pd = .U2.Id.cosjt Ut = U2.sin wt Ptải =Ut.It.cosjt Trị hiệu dụng của dòng điện tải sóng bậc 1 là : I1t = Id =.Id Do đó Ptải =.U2.Id.cosjt đ Pt =Pn do đó công suất từ nguồn truyền tới tải là lớn nhất . Mặt khác bộ nghịch lưu này làm việc dược cả khi tải ngắn mạch nên ta dự định lựa chọn sơ đồ này để giải quyết bài toán đề ra . Tuy nhiên do tải có tính chất cảm kháng do đó xungđiều khiển phải là xung chùm và V1á V4 là van điều khiển hoàn toàn . Ta thử phân tích thêm 1 sơ đồ nưã III. Sơ đồ nghịch lưu độc lập nguồn tải dung kháng. 1) Sơ đồ nguyên lý : Tải có tính chất dung kháng , điện áp chậm sau dòng 1 góc jt . Giả thiết điện áp tải theo luật hình sin Xác định miền dẫn của các van : * 0đp: it >0 : V1,V4 thông; * pđ2 p :it<0:V2,V3 thông; * 2pđ3p: it>0 :V1,V4 thông; 2) Xét sự chuyển mạch giữa các van : Xét tại p: Có sự chuyển mạch giữa :V1đV3 :V4đV2 ; Trước p một khoảnh khắc V1,V4 thông có Ut>0 thế(+) ở a, thế (-) ở b ; Như vậy Ut thông qua V1,V4 đặt lên V2 và V3 ;Uv2=Uv3=ut>; Đến khi phát xung điều khiển vào V2,V3 thì V2V3 thông .Khi V2,V3 thông thì Ut thông quaV2,V3 đặt ngược lên V1,V4 V1,V4 khoá lại . Vây chuyển mạch dòng điện là chuyễn mạch tự nhiên . V1 V4 : chọn thyristo thường , xung điều khiển cho các van thyristo là xung dương b: là thời gian đặt điện áp ngược lên van chính là thời gian khôi phục tính chất điều khiển của van bmin >= 2pftq. Vây qua phân tích các phương án ta chọn ra phương án tối ưu là nghịch lưu độc lập nguồn dòng tải cảm kháng và ta thấy khi nghịch lưu dòng tải có tính chất dung kháng thì các van chuyển mạch tự nhiên và dùng thyristo thường . Do đó ta đáu thêm tụ để tạo ra tải có tính chất dung kháng và khi đó V1 á V4 ta dùng thyristor thường và xung điều khiển là xung đơn. Điều này có thể thực hiện khi ta nối tải song song với 1 tụ C mà không ảnh hưởng đến bản chất tải . Khi đó mạch làm việc ở chế độ gần cộng hưởng và công suất nguồn qua bộ đếm tần tới tải là lớn nhất, tổn hao ít nhất. Sơ đồ nguyên lý của phương án tối ưu: Vòng cảm ứng Tụ C có dung lượng đủ lớn để bù hết phần cảm của tải và một phần tạo ra góc vượt trước Khi đó mạch làm việc ở chế độ gần công hưởng . Chương III: Phân tích nguyên lý hoạt động của phương án tối ưu . I.Nguyên lý hoạt động : T1áT4:Thyristo thường (trong mạch không có khoá cưỡng bức ) - Lợi dụng sự thay đổi dòng điện hình sin van tự khoá khi dòng *Nguyên lý :điều khiển T1T4T2T3 lần lượt lệch nhau 180(T/2) + t=0 :phát xung mở T1T4 Nếu thoả mãn điều kiện cộng hưởng mạch sẽ dao động có dạng sin với tần số dao động riêng w0=2pƯ0;T0=1/Ư0; ira=iT1=iT4 + ở t=T0/2:van khoá lại . Trong quá trinh dao động Uc thay đổi : UC=Ura=U1;ic=C.dUC/dt=C.Uc’ Ucmax=2E( Vì lúc đó T1T4 khoá đ2.Ut=E-UC Ê0 do Uc>E) +Từ T0/2 đến T/2: 4 van đều khoá tụ C phóng điện qua tải Uc giảm + t=T/2 : cho van T2T3 dẫn mạch thay thế tương tự ,có dao động dòng điện II. Đồ thị dòng điện và điện áp: *Nhận xét :Ut,it là xoay chiều ,i có dạng sin ,U không phải dạng sin .Biên độ của cũng như dạng điện áp ra phụ thuộc tải. +Góc khoá van d Sau khi T2T3 mở thì UT1=-UC; UT4=-UC; tkhoá=t1+t2 t1=(T-T0)/2 ; t2: thời gian UC phóng đến Ucmin. Nhưng nếu tụ phóng nhanh giảm về trị số bằng E trước thời điểm T/2 thì thời gian khoá thực chất là t1’<(T-T0)/2 III. Các biểu thức liên quan : Ed=ULd+Ura=Ld .iraÂ+UC UC=ULt ira =ic+ilt ; Chương IV Giới thiệu – thiết tính toán mạch lực. I.Giới thiệu mạch lực : Mạch lực bao gồm khâu nghịch lưu : có nhiệm vụ biến đổi điện áp 1 chiều thành điện áp xoay chiều 1 pha có biên độ phù hợp với tải . II.Tính toán chọn van : *Điện áp lứn nhất đặt ngược lên van Ungượcmax=ệ2 .U2=ệ2 .800=1131(V).Với giá trị Ungượcmaxta chọn các van T1T4 thuộc họ Thyristo C501 có thời gian khoá tkcủa van là 30á75ms ta có bmin=2.w.tq .Mặt khác tk=2.tq tq=tk/2=25ms bmin =2. p.f.tq=2. p.1000.25.10-6 =0.157(rad)=90 cos bmin=0.9877 * Để tính sóng bặc 1, khai triển dòng điện tải theo Furrier ta có I1max= d sin(wt)d(wt) = 4Id/p * Công suất của tải: Pmax=Umax(Imax/ệ2).cosjtmin=U2.(2ệ2/ế).Id.cosbmin P=U2.(2ệ2/p ).Idcosbmin Id=P./(2ệ2.U2cosbmin)=250.103.ế/(2ệ2.800.0.9877)=351(A) I1max=4.351/3,14=477(A) * Tính chọn tụ bù - Công suất phản kháng của tải: Khi chưa có tụ bù: cosjmax=0.4 sinjmax=0.9165 Q1=U2.I1.sinjmax=800.316.0,156=231691(W) Để tạo ra tải có tính chất dung kháng thì tụ bù không những phải bù hết cảm kháng của tải mà còn phải tạo ra góc vượt trước b đảm bảo thời gian phục hồi tính chất điều khiển của van b³bmin Công suất phản kháng tối thiểu mà tụ bù dư : Q2=U2.I1.sinbmin Q2=800.316.0,156=39547(VAr) Công suất phản kháng tối thiểu mà tụ phaỉ bù: Q=Q1+Q2=27138(VAr)=271,238(kVAr) Q=Xc.I12 đXc=Q/I12=271238/3162=2,72 1/(2.ế.f.C)=2,72 C=5,85.10-5(F) Ta chọn tụ điện loại do Liên Xô chế tạo loại KM 1-1,05 có các thông số: + 1 pha, Udm=1050(V) + Dung lượng 30(kVAr) + Khối lượng 30(kg),mắc song song 9 tụ loại KM 1-1,05 *Chọn van: với lò nấu thép cảm ứng có gắn với công nghệ làm mát buồng nước. Do đó Ungmaxvan=Ungmaxthuc/0,7=1131/0,7=1615(V) -Dòng trung bình qua van : Itbvthuc= (1/2p)d dq =Id/2 =175,6(A) Itbv=Itbvanthuc/0,7=250(A) Vậy ta chọn van có : Ungmax=1615(V), Itbv=250(A) Ta chọn van thyristo do hãng G.E của Mỹ chế tạo loại C501 có các thông số kỹ thuật sau: Udm=700á1700; Ug=7(V); Itb=550(A); Ig=0,3(A) t0FF=30á75(ms) di/dt=1000(A/ms) *Nguồn một chiều yêu cầu của bộ nghịch lưu: Id=351(A) Udmin=(2ệ2/ế).U2cosjt max=(2ệ2/3,14).800.0,4=288(V) Ud max=(2ệ2/ế).U2.cosbmin=(2ệ2/3,14).800.0,9877=712(V) III. Tính Ld Điện cảm này phải đủ lớn để đảm bảo dòng Id không đổi. Ta quy ước rằng trong trường hợp ngắn mạch tải thì dòng Id chỉ tăng 0,2A sau mổi chu kỳ. Ta có: Ed min=288V U1=Ed-Ur=Ed U1=L.di/dt=Ed Giả thiết dòng điện qua điện cảm tăng tuyến tính khi ngắn mạch tải : Ld³Ed min.T/DI=288/(0,2.1000)=1,44H IV. Bảo vệ van. Bảo vệ van ta dùng mạch RC đấu song song với van nhằm bảo vệ quá áp do tích tụ điện tích khi chuyển mạch gây nên. Tính toán RC trong mạch bảo vệ van: Các thiết bị bán dẩn nói chung cũng như thyristo nói riêng rất nhạy cảm với điện áp và tốc độ biến thiên điện áp(du/dt) đặt lên nó. - Các nguyên nhân gây ra quá áp được chia làm hai loại: + Nguyên nhân bên ngoài: do ngắt đột ngột mạch điện cảm, do biến đổi đột ngột cực tính của nguồn, khi cầu chì bảo vệ đứt, khi có sấm sét. + Nguyên nhân bên trong: khi van chuyển từ trạng thái mở sang trạng thái khoá, do sự phân bố không đều điện áp trong các van mắc nối tiếp, ở đây ta quan tâm đến việc bảo vệ quá áp cho van do các nguyên nhân bên trong. i Nguyên nhân quá điện áp trên van là do xuất hiện dòng chảy ngược qua mỗi van khi nó chuyển từ trạng thái mở sang trạng thái khoá. Dòng điện ngược này suy giảm rất nhanh do vậy sẽ xuất hiện sự quá áp uqda=Ldi/dt. Để khắc phục hiện tượng quá áp ta dùng mạch R-L-C nhưng do tải của ta là tải có tính chất cảm nên chỉ cần dùng mạch R-C đấu song song với van như hình vẻ. Khi van khoá dòng điện ngược sẽ chuyển từ van sang mạch bảo vệ. Dùng công thức kinh nghiệm : C=0,01á1mF R=10á1000W Ngoài ra để bảo vệ ngắt mạch và hạn chế di/dt ta dùng sơ đồ Điện cảm L hạn chế biên độ của dòng i=Cdu/dt chọn theo công thức kinh nghiệm: L1=50á100mH Không có dây chảy Có dây chảy t i *Chọn dây chảy : Loại dây chảy này làm từ bạc lá đặt trong vỏ bằng sứ có chứa cát thạch anh hoặc nước cất: Chọn Idc³Id=351A .Tra bảng ta chọn loại dây chảy ếH65 có thông số Udm=220V; Idm =400A. Chương V Giới thiệu - tính toán - thiết kế mạch điều khiển toàn hệ thống Nhiệm vụ chức năng mạch điều khiển : Như ta đã biết Thyristo chỉ để mở cho dòng chạy qua khi có điện áp dương đặt lên anốt và có xung điều khiển đặt vào cực điều khiển. Sau khi Thyristo đã mở thì xung điều khiển không còn có tác dụng gì nữa. Dòng điện chạy qua Thyristo do thông số ở mạch lực quyết định. 1.Mạch điều khiển có chức năng sau: - Điều chỉnh được vị trí xung điều khiển trong phạm vi nửa chu kì dương của điện áp đặt lên a-k của T. Tạo các xung điều khiển có thể mở được Thyristo. Xung điều khiển có độ rộng 2 á10V; độ rộng xung tx = 20 á 100ms. Độ rộng xung điều khiển có thể tính được theo công thức: Idt: dòng duy trì của Thyristo di/dt: tốc đọ tăng trưởng của dòng điện tải. FX chủ đạo Chia xung KĐSX NLĐL ND Tín hiệu phản hồi 2.Cấu trúc chung của mạch điều khiển nghịch lưu: 3.Yêu cầu về mạch điều khiển: Mạch điều khiển là một khâu quan trọng trong hệ thống điều khiển Thyrisro, nó là bộ phận chủ yếu quyết định chất lượng và độ tin cậy của bộ biến đổi. Yêu cầu về bộ biến đổi có thể tóm tắt như sau: Mỗi thyristo có 1 đặc tính là quan hệ giữa điện áp trên cực điều khiển và dòng điện chạy qua cực điều khiển Uđk= f(Iđk). Do sai lệch về thông số chế tạo và điều kiện làm việc ngay cả T cùng loại cũng có đặc tính đầu vaò khác nhau. Với mỗi loại thyristo ta có các đặc tính này dao động giữa 2 đặc tính giới hạn a và b. - Yêu cầu độ lớn của điện áp và dòng điều khiển có 3 yêu cầu chủ yếu sau: + Các giá trị lớn nhất không vượt quá giá trị cho phép. + Giá trị nhỏ nhất cũng phải đảm bảo được tất cả các Thyristo cùng loại ở mọi điều kiện làm việc. + Tổn hao công suất trung bình ở cực điều khiển nhỏ hơn giá trị cho phép. - Yêu cầu về tính đối xứng của xung trong kêng điều khiển: Trong các bộ biến đổi có nhiều pha, tính đối xứng của xung điều khiển rất quan trọng, nếu xung điều khiển mất tính đối xứng sẽ làm cho dòng anốt của các pha có hình dạng khác nhau và giá trị khác nhau làm mất cân bằng cảu máy biến áp xung do đó giảm công suất MBAX. - Yêu cầu về độ rộng xung điều khiển: Thông thường độ rộng xung không nhỏ hơn 5 ms và tăng độ rộng của xung điều khiển sẽ cho phép giảm nhỏ xung điều khiển. Khi mạch tải có điện cảm lớn thì dòng điện tải it tăng chậm nên phải tăng độ rộng của xung điều khiển. -Yêu cầu về độ tin cậy của mạch điều khiển: Mạch điều khiển phải làm việc tin cậy trong mọi trường hợp nhiẹt độ thay đổi. -Yêu cầu về lắp ráp vân hành: Sử dụng thiết bị dễ thay thế, dễ lắp ráp, điều chỉnh, thiết bi thay thế dễ dàng giữa các khối cho nhau nhưng mối khối phải có khả năng làm việc đập lập. II. Tính toán mạch điều khiển: 1.Khối phát xung chủ đạo: Ta dùng vi mạch 555 đây là khối phát xung chữ nhật. Sơ đồ khối phát xung như sau: Để dảm bảo xung ra có T1=T2 tức là đối xứng hoàn toàn thì ta thiết kế vi mạch 555 có tần số băng 2 lần tần số yêu cầu tức là f=2000Hz sua đó đầu ra của 555 đưa vào mạch đếm logic chia 2 ( Một flip-flipTrigơ). Vậy ta có chu kỳ đầu ra của vi mạch 555: T=0,639C(R1+R2+2P1+P2=; để xung đối xứng T1ằT2 ta chon R1=R2; x=1/2 khi đó T=0,693C(2R1+2P1+P2) Chon C= 0,01mF ta có: T= 0,693.0,01.10-6.(2R+2P1+P2)=1/f=1/2000 = 0,0005 ị 2R + 2P1+P2 = 72150W; Chon R =27kW ị 2P1+P2 =1,82kW Chon P1= 5,7kW ị P2 = 6,8kW. Vậy thiết kế mạch xung có f=2000Hz dung 555 thì C = 0,01mF; R1 = R2 =27KW; P1= 5,7kW; P2=18,2kW. D1 ,D2 là hai điốt chọn cùng loại có ký hiệu p204 Itb=800mA; Uđm=100V. Tranzito Tr1 chon loại c828 có Uce=30V; Icmax=300mA; b=30á100; Ic =10A; D Q C Q Ra R1 2. Thiết kế bộ chia xung: t T T t Q t t Ta dùng 1 Flip-flop Trigơ loại T-FF tuy nhiên T-FF không bán trên thị trường. Muốn có ta phỉa tạo ra từ các Flip-Flop khác. ở đây ta tạo ra từ D – Flìplop không đồng bộ theo sườn lên của xung nhịp ta có thể tạo ra được T-FF tích cực cao lật trạng thái ở sườn lên của xung nhịp). Vậy xung sau khi ra khỏi bbộ chia xung có tần số f = 1000Hz. 3.Thiết kế bộ tạo độ rông xung: Tạo ra xung đơn ( xung kim) có độ rọng tx =100ms = 10-4s Sơ đồ khối bộ tạo độ rông xung: & & & & y x z2 z1 z4 z3 C2 Hoạt động của sơ đồ: Khi x =’0’; z1 =’0’; z2 =’0’; z3 =’0’; z4 =’1’; y=’0’ Khi x =’1’; z1 =’0’; z2 =’1’; tụ điện C2 được nạp điên qua điện trở R2. Lúc đầu UR3 =’1’ do đó z4 =’0’, y =’1’, sau thời gian t=R3C2 thì UR2 =’0’ thì z4 =’1’ và y =’0’. Trong đó múc lôgic ‘o’ khoảng 0,4 đến 0,6V. Độ rộng xung ra là tx= R3C2, thường chọn R3 =1kW tx =10-4 = 1000C2 ị C2 = 0,1mF. Vậy khâu tạo xung có sơ đồ như hình vẽ và chọn C2 = 0,1mF; R3 = 1kW. 4 phần tử NAND trong sơ đồ nằm trong con IC4011 có sơ đồ chân như sau: 4. Thiết kế máy biến áp xung: Sử dung BAX với mục đích sau: -Dễ dàng tạo được xung với biên độ phù hợp với tải. -Cách ly về điện giữa mạch điều khiển và hệ thống động lực. -Dễ dàng thay đổi cực tính của xung ra. Khi chọn van điều khiển thì giá trị dòng và áp: Iđk =0,3A Uđk=7V Điện áp điều khiển và dòng điện điều khiển chính là giá trị dòng và áp thứ cấp của BAX. Theo kinh nghiệm tỷ số BAX thường chọn từ 1á3 là tốt nhất. Do đó ta chọn n=1,5. Như vây điện áp đặt lên cuộn sơ cấp phải là: U1= n.Uđk =1,5.7 =10,5V. Dòng điệ sơ cấp: Ta chọn vật liệu lõi thép là pherit, làm việc trên 1 phần đặc tính từ hoá Bs= 0,45T; độ từ thẩm m = 6000A/m2, có diện tích lõi thép là 1cm2. *Số vòng dây cuộn sơ cấp : tx: Chiều dài xung điều truyền qua BAX , thường chọn tx từ 10á 600ms, ở đây ta chọn tx =100ms *S diện tích lõi pherit lấy S =10-4mm2 *Số vòng dây cuộn thứ cấp: *Chọn mật độ dòng điện j=3A/mm2 ị Đương kính cuộn thứ cấp: Đường kính cuộn sơ cấp: *Chọn R4 =2k, chọn tranditocó Ic2mã =I1 =0,2A ị Chọn Tr2 là C828 có Uce =30V; Ic2max =300mA; b =30á100; D3, D4, D5, chọn loại điốt p204 có Itb =800mA;Um =100V; 5. Lựa chọn khâu lệch pha: Xung điều khiển T1T4 muốn điều khiển T3 T2 thì ta phải dich xung đó đi một góc p do đó ta phải thiết kế khâu dịch pha: Đây là mạch trễ pha toàn thông , để tạo ra tín hiệu dịch pha p ta mắc nối tiếp 2 bộ dịch pha 900 Chọn R8 = 10kW. Ta có độ lệch pha :q(w) = -2tg-1. wRC Với w =2p.103(rad/s) ị -2arctg(2p.103R9C10) = -900 ịR9C10 = 1/2p.103 = 0,16.10-3. Chọn tụ C10 có dung lượng C10 = 0,1mF ị Chọn R9 là chiết áp 3kW. Bộ dịch pha Ký hiệu bộ dịch pha : 6. Khâu lấy tín hiệu về: Tín hiệu về có hai nhiệm vụ: - Sau khi tín hiêu dòng và áp của bộ nghịch lưu ra tải ổn định thì ngắt máy phát xung chủ đạo. - Tín hiệu về được dưa về bộ khuyếch đại sửa xung để điều khiển quá trình đóng mở các can của bộ nghịch lưu. Ta có Utải = 800V; Itải =351A Vì bộ nghịch lưuđộc lập nguồn dòng nên dòng điện tải không phụ thuộc vào tải do đó ta lấy tín hiệu về là tín hiệu dòng và để lấy tín hiêu điều khiển thì ta phải sử dụng máy biến dòng và điện trở sun Rs. Chọn máy biến dòng có số vòng dây sơ cấp và thứ cấp Chọn Rs để Ui=i.Rs =10Vị Rs =10/0,2 =50W. Tín hiệu lấy về có dạng: Muốn có dạng xung vuông ta cho tín hiệu qua IC thuật toán Chọn loại OA TL081 có Vcc = ±15V Ud = ±30V Đồ thị tín hiệu vào ra theo thời gian: Ta có xung điều khiển của T1 và T4 phải có dạng xung dương do đó để tạo xung điều khiển cho T1 và T4 thì tín hiệu phản hồi sau khi qua bộ khuyếch đại thuật toán ta cho qua điốt Khi Uv >0 ị UA < UK ị D khoá ị Ur = Uv Khi Uv UK ị D thông ị Ur = 0 Để tạo xung điều khiển T2,T3 ta dùng mạch gim trên song song Uv > 0 ị UA > UK ị D6 thông Ur = 0 Uv < 0 ị UA < UK ị D6 khoá Ur = Uv Vì xung điều khiển đẻ mở van là xung dương nên ta phải cho qua 1 phần tử bán dẫn đó là vi mạch: Tín hiệu ở chân 10 của 4047 chính là tín hiệu qua BAX và di điều khiển T2,T3. 7. Khâu để ngắt máy phát xung: Sau khi tín hiệu dòng và áp ra tải ổn định thì ta ngắt máy phát xung ra khỏi mạch điều khiển, do đó ta có thể sử dụng rơ le thời gian có hai tiếp điểm, một tiếp điểm thường đóng mở chậm và một tiếp điểm thường mở đóng chậm. Chon rơ le thời gian do liên xô cũ chế tạo loại $B201 có các thông số kỹ thuật: + Diện áp định mức Uđm =24V + Khoảng điều chỉnh thời gian 0,25á 4s. Theo số liệu trong bài ta điều chỉnh thời gian của rơle là 1s Tổng hợp mạch điều khiển: Sau khi chọn các khâu và các phần tử ta gép nối các khâu lại với nhau và được sơ đồ tổng quát của mạch điều khiển. 8. Thiết kế bộ nguồn cung cấp cho các vi mạch, cho biến áp xung: Ta cần có nguồn một chiều có điện áp ±15V và +24V. Do đó ta thiết kế bộ chỉnh lưu, sau bộ chỉnh lưu đặt một ổn áp để ổn định điện áp ra : Chọn dùng IC ổn áp LM7815 có: Và IC LM7824 có : Thiết kế mạch nguồn 15V Ta dùng sơ đồ chỉnh lưu 2 nữa chu kỳ biếnáp điểm giữa: Chọn tụ C4 là tụ một chiều 1000mF; C5 = 330nF; C6 = 10nF ; Để xác định tỷ số máy biến áp ta xét điện áp vào cho phép của 7815. Nếu điện áp vào là 220V, 50Hz thì ta có biến độ điện áp cuộn sơ cấp là Cuộn thứ cấp có điểm giưã phải có biên độ: Vậy tỷ số biến áp : Thiết kế mạch tạo nguồn +24V Ta có: ị Tỷ số biến áp: Sơ đồ mạch tao nguồn +24V: Chọn D7, D8, D9, D10, cùng loại p204 có Itb =800mA, Uim =100V. Thiết kế nguồn cung cấp -15V: Sơ đồ nguồn cung cấp -15V như sau: II. Tổng hợp mạch điều khiển cho tàon hệ thống: Sơ đồ mạch điều khiển cho toàn hệ thống:(hình vẽ ở trang sau) Nguyên lý hoạt động của toàn hệ thống: + Vi mạch 555 phát xung hình chữ nhật có tần số 2000Hz sau khi qua bộ chia xung Fliplop ta được xung vuông có tần số 1000Hz. + Xung tần số f =1000Hz qua bộ tạo độ rộng xung ta được xung có độ rộng tx =100ms, tần số f=1000Hz, xung này qua BAX được khuyếch đại , sau đó được đưa vào cực G1,G4 của các Thyristo T1, T4. + Xung ở đầu ra của bộ tạo độ rộng, muốn kích mở được T2, T3 ta cho qua bộ dịch pha 1 góc p. Xung này có dạng dống xung ở đầu ra của bộ tạo độ rộng xung nhưng dịch pha 1 góc p. Xung này qua BAX để khuyếch đại sau đó đưa vào cực G2, G3 của thyristo T2,T3. + Khi các thyristo T1, T2, T3, T4 được kích mở thì bộ nghịch lưu hoạt động cấp dòng và áp cho tải. Dạng dòng điện gần sin, có tần số f=1000Hz, biên độ dòng và áp thoả mãn yêu cầu. + Để bộ nghịch lưu có thể tự hoạt động ta lấy tín hiệu dong điện về để kích mở các van. Khi đó ta ngắt máy phát xung chủ đạo 555. Để làm việc này ta dùng rơ le thời gian. Khi tải có tín hiệu cuộn hút của rơ le Rth có điện, sau 1 khoảng thời gian tiếp điểm thường đóng mở chậm mở ra, ngắt máy phát xung 555 còn tiếp điểm thường mở đóng chậm cũng sau một khoảng thời gian thì đóng lại, tín hiệu lấy từ tải được đưa vào bộ tạo độ rộng xung sau đó qua BAX và điều khiển quá trình đóng mở các van thay cho bộ phát xung 555, chỉnh định thời gian đóng mở các tiếp điểm của rơ le thời gian thì ta sẽ quy định được thời gian mà bộ phát xung chủ đạo hoạt động. Dạng dòng điên và điên áp tại các điểm: Dựa vào sơ đồ nguyên lý và những phân tích trên ta có dạng dòng điện và điên áp tại các nút như sau: Kết luận Sau một quá trình học tập và nghiên cứu, cùng với sự hướng dẫn tận tình của thầy giáo và sự giúp đỡ của các bạn cùng lớp, chúng em đã hoàn thành các nhiệm vụ được giao của bản đồ án: Thiết kế bộ biến tần cho lò nấu thép, phần nghịch lưu. Trong quá trình thực hiện, chắc chắn bản thân chúng em không thể tránh khỏi những thiếu sót, chúng em rất mong nhận được những ý kiến đóng góp của các thầy và các bạn để bản đồ án này hoàn thiện hơn. Chúng em xin chân thành cảm ơn! Hà Nội ngày 20 tháng 12năm 2001 Sinh viên Tài liệu tham khảo điện tử công suất - Nguyễn Bính Phân tích và giải mạch điện tử công suất Dương Văn Nghi - Phạm Quốc Hải Bài giảng điện tử công suất của thầy Phạm Quốc Hải. Bài giảng điện tử công suất của thầy Dương Văn Nghi Bài giảng điện tử công suất của thầy Tạ Duy Hà Khí cụ điện - Tô Đằng Điện luyện thép - ĐHBK Điện tử số - Nhà xuất bản giáo dục Bộ khuyếch đại xử lý và IC tuyến tính-William D.Stanley