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

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 Môc lôc Trang Lời nói đầu 2 Chương I T×m hiÓu vÒ c«ng nghÖ vµ yªu cÇu cña c«ng nghÖ lß t«i thÐp 4 Chương II §Ò xuÊt vµ lùa chän ph­¬ng ¸n 7 Chương III Tính toán mạch lực 10 Chương IV Thiết kế và tính toán mạch điều khiển 18 Chương V Nguyên lý hoạt động của toàn bộ hệ thống 32 KÕt luËn 33 Tµi liÖu tham kh¶o PhÇn I TÌM HIỂU VỀ CÔNG NGHỆ VÀ YÊU CẦU KỸ THUẬT CỦA LÒ TÔI THÉP. I.Giíi thiÖu vÒ lß c¶m øng. 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 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: (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 W = I2.n2.2.л.(d/h).-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. 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× (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. 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: - §iÖn ¸p nghÞch l­u cã d¹ng xung vu«ng 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: 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: - §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: ¦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¸ gãc kho¸ nghÞch l­u thay ®æi khi gi¸ trÞ cña ®iÖn c¶m ®Çu vµo Ld thay ®æi. Cô thÓ: Ld= => id = Id= const, dßng nghÞch l­u cã d¹ng xung ch÷ nhËt. Vµ cã ut biÕn thiªn hµm mò vµ gãc kho¸ lµ max. 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¸ gi¶m ®i. 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¸ 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: • 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: - §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 = 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 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: XÐt ®å thÞ ho¹t ®éng cña m¹ch: - 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 lín ®Ó nghÞch l­u lµm viÖc æn ®Þnh vµ tÇn sè f0<fN _ tÇn sè nghÞch l­u, ®Ó ®¶m b¶o c¸c van ®­îc kho¸ ch¾c ch¾n - NgÞch l­u céng h­ëng song song sö dông nguån dßng nªn kh«ng thÓ lµm viÖc ®­îc ë chÕ ®é kh«ng t¶i. Về vấn đề khởi động : Nghịch lưu cộng hưởng song song được khởi động bằng mạch khởi động không phù hợp với các tải hay có sự thay đổi trong quá trình làm việc, còn nghịch lưu cộng hưởng nối tiếp được khởi động bằng cách tăng dần tần số và mạch sẽ được sử dụng hiệu quả nhất về mặt phát huy công suất trên tả khi tần số làm việc ở trong một khoảng nhất định có thể xác định trước.MÆt kh¸c nghÞch l­u céng h­ëng nèi tiÕp cã thÎ lµm viÖc ë chÕ ®é giíi h¹n f=f0, chÕ ®é nµy ®¶m b¶o dßng t¶i lµ h×nh sin * Qua nh÷ng ph©n tÝch trªn ta ®i ®Õn kÕt luËn: sö dông s¬ ®å cÇu céng h­ëng nèi tiÕp (céng h­ëng nguån ¸p) ®Ó thiÕt kÕ phÇn nghÞch l­u cho bé nguån lß t«i thÐp. . S¬ ®å kh¸i qu¸t nh­ h×nh vÏ PhÇn III: TÝnh to¸n m¹ch lùc 1.TÝnh to¸n c¸c th«ng sè lß t«i: Sè liÖu cho tr­íc: P = 30kW fra = 80kHz Chän sè vßng c¶m øng b»ng 3, ®­êng kÝnh d©y Ф = 8 c, Chi tiÕt t«i lµ lâi thÐp h×nh trô Ф20, ®iÖn trë suÊt ρ = 180.10-9Ωm2/m. Ф20 Ф8 5 cm Kho¶ng c¸ch gi÷a vßng c¶m øng vµ chi tiÕt t«i lµ 5 cm. Nh­ vËy chiÒu cao cña chi tiÕt: h = 3.8 = 24 cm ®­êng kÝnh trong vßng c¶m øng: D = 20+5.2 = 30 cm. Dßng ®iÖn tõ bÒ mÆt vµo t©m gi¶m dÇn theo c«ng thøc: i = i.e δ: Kho¶ng c¸ch tõ bÒ m¹t d©y dÉn theo h­íng t©m ®Õn n¬i cã mËt ®é dßng diÖn gi¶m e = 2.71 lÇn so víi mËt ®é dßng bÒ mÆt.Kho¶ng c¸ch nµy gäi lµ chiÒu s©u thÈm thÊu. δ = 5030 δ: Ωcm2/cm. Víi kh«ng khÝ μ=1. δ = 5030 = 5030 = 0.075 cm 1.1.TÝnh ®iÖn trë cña líp dÉn ®iÖn bÒ mÆt chi tiÕt t«i: R = ρ = ρ NÕu lÊy theo ®¬n vÞ thùc tÕ (ρ : Ωm2/m). R = Víi d’ = d – δ = 20 - 0.075 = 19.925 cm. Thay sè: R = = 85.5x10-4 1.2.TÝnh c¶m kh¸ng cña cuén d©y: §iÖn c¶m cña vßng d©y ®­îc tÝnh theo c«ng thøc: L = x10-9 Víi n: sè vßng d©y. D: ®­êng kÝnh trong vßng c¶m øng. h: chiÒu cao cuén d©y. Thay sè: L = x10-9 = 332.76x10-9 (H) 1.3.BiÕn ®æi s¬ ®å: Theo ph©n tÝch ë trªn, hÖ thèng coi nh­ 1 m¸y biÕn ¸p lý t­ëng, víi tØ sè m¸y biÕn ¸p k = 3:1. S¬ ®å thay thÕ I2 I1 L R Quy ®æi m¸y biÕn ¸p: L R’ R’ = k2 x R = 9R = 559.08x10-4 (Ω) BiÕn ®æi: L’ R’’ Ta cã: R’’ + jωL’ = Thay sè ta ®­îc: R’’ + jωL’ = = 0.0726 + 0.016j Nh­ vËy: R’’ = 0.0726(Ω) L’ = = 0.032x10-6 (H) 1.4.§Ò xuÊt ph­¬ng ¸n: Theo ®Ò yªu cÇu Pt«t = 30kW Pt«i = I22R nªn: I2 = = = 1529 (A) I1 = = 509.81 (A) Ta thÊy c«ng suÊt t«i cña lß lín, dßng t¶i lín nªn ta dïng s¬ ®å nghÞch l­u céng h­ëng nèi tiÕp víi m¸y biÕn ¸p c¸ch ly phèi hîp dßng. R’’ L’ C In I1 V3 V2 V4 V1 E S¬ ®å m¹ch lùc 1.5.TÝnh to¸n chän van: ChØnh l­u cÇu 3 pha t¹o ra nguån mét chiÒu cã trÞ sè: E = 2.34 x 220 = 515 (V) §å thÞ vector lµm viÖc ë chÕ ®é tíi h¹n f = f0 : Ura Uc UL UR URLC = UR = I1 x R’’ = 509.81x0.0726= 37 (V) TØ sè m¸y biÕn ¸p: K = Dßng nghÞch l­u: In = K x I1 = 509.1 x = 35.6 (A) Dßng cùc ®¹i qua van: Imax = 35.6 = 50.4(A) Chän hÖ sè dù tr÷ Ki = 2 th× dßng ®Þnh møc cña van lµ: Ivan = Ki x Imax = 2x50.4 = 100.8 (A) §iÖn ¸p ng­îc cùc ®¹i van ph¶i chÞu: Ungmax = E =515 (V) Chän hÖ sè dù tr÷ Ku = 2 th×: Uvan = Ku x Ungmax = 2x515 = 1030 (V) Tõ c¸c th«ng sè trªn ta chän IGBT GA125TS120U module cña h·ng IR cã: VCES = 1200V ICmax = 125A 1.6.B¶o vÖ van: Ta dïng c¸c m¹ch dËp RC m¾c song song víi IGBT ®Ó chèng qu¸ ¸p: R2 C2 Theo kinh nghiÖm th­êng lÊy C = 0.1 ®Õn 2 μF R = 10 ®Õn 100 Ω. Van cã dßng cµng lín th× C cµng lín vµ R cµng nhá. Ta lÊy C2 = 10Ω R2 = 0.25 μF. PhÇn IV: ThiÕt kÕ m¹ch ®iÒu khiÓn CÊu tróc m¹ch ®iÒu khiÓn Chøc n¨ng c¸c kh©u trong m¹ch ®iÒu khiÓn: Kh©u khëi ®éng : kh©u nµy cã chøc n¨ng t¹o ra xung ®iÒu khiÓn lóc khëi ®éng vµ ®­îc t¸ch ra khi ®· cã xung ph¶n håi tõ m¹ch lùc, lóc m¹ch ®· ho¹t ®éng. Kh©u chia xung: kh©u nµy cã t¸c dông t¹o ra xung cã tÇn sè phï hîp víi yªu cÇu cña m¹ch lùc bé nguån. §ång thêi kh©u nµy cã chøc n¨ng ph©n xung ®iÒu khiÓn vµo tõng kªnh cho c¸c nhãm van trong m¹ch lùc. Kh©u ph¶n håi cã t¸c dông t¹o ra xung ph¶n håi ®iÒu khiÓn m¹ch (sau khi m¹ch ®· ho¹t ®éng). §ång thêi kh©u nµy cßn ph¶i thùc hiÖn chÆn xung ®iÒu khiÓn tõ kh©u ph¸t xung khëi ®éng. PLL : lµ kh©u tæng hîp tÇn sè, cã chøc n¨ng ®¶m b¶o cho tÇn sè nghÞch l­u b¸m theo tÇn sè céng h­ëng( do trong qu¸ tr×nh lµm viÖc, tan sè céng h­ëng thay ®æi) IGBT driver : t¹o ra xung ®iÒu khiÓn phï hîp víi IGBT Nguyªn lý lµm viÖc cña m¹ch ®iÒu khiÓn §Çu tiªn, kh©u ph¸t xung ®iÒu khiÓn khëi ®éng ph¸t ra xung cã tÇn sè f®k, xung nµy ®­îc ®­a vµo kh©u chia xung ®Ó t¹o ra xung cã tÇn sè b»ng tÇn sè cña nghÞch l­u fN. Sau ®ã xung ®­îc ph©n lµm 2 kªnh ®Ó ®i vµo c¸c IGBT Driver vµ cho ra xung ®iÒu khiÓn qu¸ tr×nh ®ãng c¾t c¸c van. Sau khi van lµm viÖc, t¶i b¾t ®Çu ho¹t ®éng, dßng ®iÖn t¶i cã d¹ng h×nh sin. Dong nghÞch l­u qua kh©u ph¶n håi ®Ó t¹o tÝn hiÖu ph¶n håi ®iÖn ¸p. TÝn hiªu. ph¶n håi lµm 2 nhiªm vô + Dïng lµm tÝn hiÖu chÆn xung ®iÒu khiÓn cña kh©u khëi ®éng + Dïng lµm tÝn hiÖu so s¸nh cho bä dß pha cña hÖ thèng PLL Nh­ vËy sau khi ®­îc khëi ®éng, m¹ch sÏ ho¹t ®éng víi tÝn hiÖu håi tiÕp tõ m¹ch lùc vÒ. TÝnh to¸n thiÕt kÕ m¹ch ®iÒu khiÓn TÝnh to¸n kh©u ph¸t xung ®iÒu khiÓn khëi ®éng: Ta cÇn t¹o ra m¹ch ph¸t xung ®iÒu khiÓn cã tÇn sè f®k=2.fN (v× khi sau khi ®i qua kh©u chia xung, ph©n kªnh lµ T-Flip-Flop th× tÇn sè sÏ bÞ gi¶m ®i mét nöa) ë ®©y ta sö dông m¹ch t¹o dao ®éng dïng Op-Amp lµ phæ biÕn hiÖn nay: S¬ ®å m¹ch: TÇn sè dao ®éng cña m¹ch phï hîp víi tÇn sè xung më Tristor lµ: f®k= 2fN= 2.150000 = 300000(Hz) Ta cã chu kú xung cña m¹ch lµ: T = 2.RC.ln V× ë ®©y c¸c ®iÖn trë kh«ng tham gia vµo viÖc h¹n chÕ dßng ®iÖn nªn cã thÓ chän sao cho: T= 2.RC Do ®ã ta chän: R1= 1 k vµ R2= 0,86 k Khi ®ã: T= 2.RC = 1/ f®k  = Chän R=1 k => C = Chän khuÕch ®¹i thuËt to¸n: do yªu cÇu t¹o ra xung cã tÇn sè ®iÒu khiÓn f®k=16000 Hz nªn ta cÇn ph¶i chän mét IC cã tèc ®é nhanh. Do ®ã ta chän IC LM318. IC nµy chØ gåm mét con trªn mét vá nªn rÊt thÝch hîp víi viÖc lµm m¹ch t¹o dao ®éng: TÝnh to¸n kh©u chia xung vµ ph©n kªnh Ta sö dông T-Flip-Flop lµm m¹ch chia xung ( chia 2) vµ ph©n kªnh. T Flip-Flop ®­îc t¹o ra tõ D-Flip-Flop b»ng c¸ch nèi ®Çu ra víi ®Çu vµo D. Xung ®iÒu khiÓn ®­îc ®­a vµo ®Çu vµo xung nhÞp C cña D Flip-Flop. Chän D Flip-Flop lµ IC 4013 Chän IGBT driver Víi c¸c th«ng sè tÝnh to¸n trong m¹ch lùc, ta chän driver tÝch hîp trong IC VLA513-01R víi c¸c th«ng sè: VCC= 15V VEE = -8V §iÖn ¸p tÝn hiÖu vµo: -1 - +7V VOH = 14V VOL = -8V  TÝn hiÖu xung ra cã d¹ng nh­ h×nh vÏ d­íi ®©y S¬ ®å nèi TÝnh to¸n kh©u ph¶n håi: a, BiÕn ®æi tÝn hiÖu b»ng biÕn dßng: Ta sö dông biÕn dßng ®Ó t¹o ra tÝn hiÖu ¸p ph¶n håi ®iÒu khiÓn m¹ch. Chän biÕn dßng lo¹i - TÝn hiÖu ra khái biÕn dßng lµ tÝn hiÖu ¸p h×nh sin, ®i vµo hÖ thèng PLL ®Ó tæng hîp tÇn sè. b, T¹o tÝn hiÖu chÆn xung ®iÒu khiÓn: - §Ó t¹o tÝn hiÖu chÆn xung ®iÒu khiÓn ta thùc hiÖn nh­ sau: + Khi cã tÝn hiÖu ®iÖn ¸p (d¹ng sin) ph¶n håi th× nã ®­îc chØnh l­u qua m¹ch cÇu Diode vµ ®­îc läc b»ng tô. Nã t¹o thµnh dßng ch¶y qua cùc gèc ph¸t cña Trazitor lµm cho Tranzitor dÉn ë tr¹ng th¸i b·o hßa, do ®ã tÝn hiÖu Q sÏ ë møc thÊp “0” logic ( VQ= 0,6 V). Ng­îc l¹i khi kh«ng cã tÝn hiÖu ph¶n håi th× tÝn hiÖu Q sÏ ë møc cao ( VQ= 5 V). + TiÕp ®ã tÝn hiÖu ph¶n håi ®­îc ®­a vµo m¹ch cã thªm phÇn tö NOT vµ AND nh­ h×nh vÏ: nÕu kh«ng cã tÝn hiÖu ph¶n håi t­¬ng øng víi Q = “1” th× nã sÏ cho tÝn hiÖu xung ®iÒu khiÓn ®i qua cßn khi cã tÝn hiÖu ®iÒu khiÓn t­¬ng øng víi Q= “0” th× nã sÏ kh«ng cho tÝn hiÖu xung ®iÒu khiÓn ®i qua vµ nh­ vËy tÝn hiÖu ®iÒu khiÓn sÏ bÞ chÆn l¹i. + TÝnh to¸n, lùa chän cho kh©u ph¶n håi nh­ sau: Chän cÇu Diode chØnh l­u lo¹i 2KBP005 cã c¸c th«ng sè nh­ sau: Ung_D= 50 (V) ID = 2 (A) Tranzitor lo¹i ZTX300 vµ Diode lo¹i 1N4448 cã c¸c th«ng sè ®· cho ë trªn. C¸c ®iÖn trë R1 = R2 = 1 k vµ tô bï C = 100 HÖ thèng ®iÒu khiÓn PLL S¬ ®å khèi: Phase Detector Läc th«ng thÊp VCO PLL lµ mét hÖ thèng håi tiÕp gåm cã kh©u dß pha, kh©u läc th«ng thÊp vµ bé biÕn ®æi ¸p -> tÇn ( VCO) -Khèi dß pha ( Phase Detector) Bé nµy cã nhiªm vô cho ra mét tÝn hiÖu ¸p phô thuéc vµo hiÖu sè pha( hiÖu tÇn sè) cña hai tÝn hiÖu vµo. -Bé läc th«ng thÊp: dïng ®Ó lÊy tÝn hiÖu tÇn sè thÊp, lÊy ra ®iÖn thÕ DC. Trong hÖ thèng nµy ng­êi ta th­êng dïng c¸c bé läc qua bËc mét ®Ó ®¶m b¶o tÝnh æn ®Þnh cña hÖ thèng. -M¹ch VCO : cã nhiÖm vô ph¸t ra tÇn sè tØ lÖ víi ®iÖn ¸p ngâ vµo. §©y lµ khèi quan träng nhÊt cña hÖ th«ng PLL v× nã quýet ®Þnh tÝnh æn ®Þnh cña tÇn sè. Ta chän IC CD4046B ®Ó thùc hiÖn hÖ thèng nµy theo s¬ ®å Läc th«ng thÊp Phase detector VCO Khi VCOin = 0 th× VCO ho¹t ®éng ë tÇn sè tù nhiªn f = 1/(R1(C1+32pF)) Chän R1= 50k => C1 = 101pF 6.TÝnh to¸n thiÕt kÕ bé nguån cho m¹ch ®iÒu khiÓn: - ThiÕt kÕ nguån mét chiÒu cã ®iÖn ¸p ra lµ 15V Ta sö dông m¹ch chØnh l­u cÇu vµ vi m¹ch æn ¸p LM7815C KÕT LUËN Sau mét häc kú thùc hiÖn ®å ¸n víi sù h−íng dÉn tËn t×nh cña thÇy gi¸o h−íng dÉn TrÇn Träng Minh vμ c¸c thÇy gi¸o trong bé m«n Tù §éng Ho¸ XÝ NghiÖp C«ng NghiÖp, em ®· hoμn thμnh ®å ¸n m«n häc §iÖn Tö C«ng SuÊt víi ®Ò tμi “ ThiÕt kÕ phÇn nghÞch l−u cho bé nguån cña lß t«i thÐp “ vμ ®¹t ®−îc mét sè kÕt qu¶ sau : • HiÓu ®−îc vÒ c«ng nghÖ luyÖn kim nãi chung vμ c«ng nghÖ t«i thÐp b»ng lß c¶m øng(t«i cao tÇn) nãi riªng. • HiÓu ®−îc nguyªn lý ho¹t ®éng cña m¹ch chØnh l−u vμ bé biÕn tÇn vμ c¸ch vËn dông vμo trong thùc tÕ s¶n xuÊt c«ng nghiÖp. • BiÕt c¸nh thiÕt kÕ vμ tÝnh to¸n m¹ch lùc. • BiÕt c¸ch thiÕt kÕ vμ tÝnh to¸n m¹ch ®iÒu khiÓn. Trong qu¸ tr×nh lμm ®å ¸n do kh«ng ®−îc tiÕp xóc víi c¸c m¹ch ®iÖn thËt. Tuy nhiªn, ®©y lμ ®å ¸n ®Çu tiªn mμ em thùc hiÖn nªn ch−a cã kinh nghiÖm nªn ®å ¸n nμy kh«ng tr¸nh khái nh÷ng thiÕu sãt. Em kÝnh mong c¸c thÇy gi¸o gãp ý vμ söa ch÷a bæ sung ®Ó hoμn thiÖn ®Ò tμi nμy. Em xin ch©n thμnh c¶m ¬n sù h−íng dÉn tËn t×nh cña thÇy gi¸o TrÇn Träng Minh vμ c¸c thÇy gi¸o trong bé m«n ®· tËn t×nh gióp ®ì em hoμn thμnh tèt ®å ¸n nμy. Tài liệu tham khảo : • Điện tử công suất - Nguyễn Bính • Giáo trình điện tử công suất - Trần Trọng Minh • Phân tích và giải mạch điện tử công suất - Phạm Quốc Hải Dương Văn Nghi • Hướng dẫn thiết kế mạch điện tử công suất - Phạm Quốc Hải