Đồ án môn học điện tử công suất Phần I TÌM HIỂU VỀ CƠNG NGHỆ VÀ U CẦU KỸ THUẬT CỦA LỊ TƠI THÉP I.Giới thiệu lị cảm ứng 1.1 Khái quát chung: Hiện công nghiệp luyện kim, luyện thép lò điện khâu quan trọng Các loại lò điện thường dùng - Lò điện trở - Lò hồ quang - Lò cảm ứng Trong lị cảm ứng ứng dụng rộng rãi, đăc biệt lị tơi tần số Trong lị này, ngun liệu nung nóng nhờ dịng điện xoay chiều với tần số cao nhờ vào hiệu ứng dịng Fucơ 1.2 Lị tơi cao tần: -Tơi thép nung nóng thép đến nhiệt độ cao biến đổi pha, hãm nhiệt độ làm nguội nhanh với tốc độ lớn tốc độ tới hạn -Mục đích q trình tơi thép: + Nâng cao độ cứng (HRC) bề mặt, độ bền tính mài mịn thép + Đạt phối hợp tốt tính chất khí khác Tơi tần số cao (tôi cảm ứng) phương pháp công nghệ tiên tiến, chủ yếu dùng để bề mặt, cho phép bề mặt đạt độ cứng tính mài mịn cao phương pháp tơi thơng thường, phần lõi đạt độ dẻo 1.2.1Nguyên lý làm việc: Khi cho dịng điện có tần số cao chạy qua vòng dây dẫn( vòng cảm ứng ) tạo từ trường thay đổi mãnh liệt bên vịng dây.Vật cần tơi đặt từ trường xoay chiều Sự bố trí cuộn dây cảm ứng chi tiết cần tơi coi máy biến áp Vòng cảm ứng cuộn sơ cấp nơi dịng điện vào cịn chi tiết cần tơi cuộn thứ cấp ngắn mạch.Chính điều gây dịng điện lớn chảy qua chi tiết gọi dịng điện xốy ( dịng Fucơ) Nhờ vào hiệu ứng bề mặt Đồ án môn học điện tử công suất mà dịng điện xốy chảy lớp bề mặt mỏng chi tiết tơi, nhờ hiệu ứng bề mặt mà tác dụng nung nóng dòng xoay chiều chảy chi tiết tăng lên nhiều Nhờ vậy, bề mặt chi tiết nung nóng đến nhiệt độ quy định thời gian ngắn Sau phương pháp làm nguội nhanh để có độ cứng bề mặt cần thiết Sự phân bố dịng điện chi tiết tơi tn theo quy luật: Một cách gần coi δ chiều sâu lớp có dịng điện chạy qua, chiều sâu lớp tơi tính theo cơng thức: δ = 5030 ρ (cm) μ f đó: ρ : điện trở suất (Ω.cm) μ : độ từ thẩm f : tần số dòng điện (Hz) Đồ án môn học điện tử công suất Năng lượng chuyển thành nhiệt khối liệu W W = I2.n2.2.л.(d/h) ( ρ.μ f 10 -9 ) I : Cường độ dòng cuộn cảm n : Số vòng cảm ứng d : Đường kính nồi lị (cm) h : Chiều cao kim loại lò (cm) μ : Độ từ thẩm ; ρ : Điện trở suất mẻ liệu (Ωcm) Như vậy, để tăng nhiệt lượng nung nóng chi tiết, ta tăng cường độ dịng điện tăng tần số dòng điện Thực tế, tăng dòng điện lớn gây hỏng vịng dây cảm ứng gây ngắn mạch nên ta thường chọn phương án tăng tần số để tăng công suất 1.2.2 Ưu điểm lị tơi tần số: • Có thể truyền lượng cho vật cần gia cơng nhanh chóng trực tiếp, không cần phải qua khâu trung gian nên tiến hành tự động hố mức độ cao Có thể gia nhiệt mơi trường trung tính, chân khơng cách dễ dàng • Trong cơng nghệ thép, người ta cần nung đỏ bề mặt chi tiết lên nhanh chóng, sau làm nguội lạnh nhanh để bề mặt chi tiết có độ cứng cần thiết mà bên chi tiết giữ độ mềm dẻo thép Khi gia nhiệt dòng điện cao tần, nhờ hiệu ứng bề mặt bề mặt chi tiết dược nung đỏ lên cách nhanh chóng chất lượng tơi cao • Vật tơi biến dạng lớp tơi mỏng • Có thể tơi chi tiết có hình dáng bề mặt • Là phương pháp tơi khơng tiếp xúc tiết tơi giữ • Dùng phương pháp gia nhiệt cao tần cho ta đạt suất lao động cao, giảm lao động cực nhọc phân xưởng rèn dập nhà máy chế tạo khí Đồ án môn học điện tử công suất 1.2.3 Đặc điểm cơng nghệ tơi tần số: Trong q trình tơi thép lị tơi cao tần, độ từ thẩm điện trở suất thép thay đổi nhiệt độ thay đổi Tuy nhiên nhiệt độ đạt đến nhiệt độ Quire ( thép chưa chảy ) nên điện trở suất độ từ thẩm thay đổi không đáng kể Mặt khác tần số dòng điện lớn nên tôi, chiều sâu lớp thay đổi không đáng kể δ = 5030 ρ (cm) Hơn chiều sâu lớp μ f nhỏ so với đường kính vật tơi Do q trình tơi, vật tơi( tải) thay đổi khơng đáng kể có tính chất cảm Đồ án môn học điện tử công suất Phần II : ĐỀ XUẤT CÁC PHƯƠNG ÁN VÀ LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN Do đặc thù lị tơi cảm ứng, nên ta chọn nghịch lưu pha cho phần nghịch lưu nguồn lị tơi thép Ta sét sơ đồ sau: Sơ đồ nghịch lưu áp pha: Đặc điểm: nguồn đầu vào nguồn áp, nên có tụ C (C-> ∞ ) mắc song song với điện trở nguồn Do nguồn trở thành nguồn hai chiều: phát lượng cho tải đồng thời tiếp nhận lượng tải trả ngược về, tích luỹ tụ C, thơng qua diode mắc song song ngược với van động lực Đồ án mơn học điện tử cơng suất Xét đồ thị hoạt động mạch: - Điện áp nghịch lưu có dạng xung vng chữ nhật, có tần số fN tạo nhờ đóng mở cặp van T1,T2 T3,T4 cách có chu kỳ: fN=fđk Do thay đổi tần số điều khiển fđk thay đổi tần số nghịch lưu fN tuỳ ý - Ưu nhược điểm: + Ưu điểm: • Điều chỉnh tần số fN • Các van chủ đạo sử dụng van điều khiển hồn tồn dễ điều khiển đóng mở van + Nhược điểm: • Số lượng van sử dụng nhiều • Công suất biến đổi (BBĐ) phụ thuộc vào công suất van nên bị hạn chế Đồ án môn học điện tử cơng suất • UN có dạng xung chữ nhật nên khị phân tích Furie xuất nhiều thành phần sóng điều hồ bấc cao làm giảm hiệu suất BBĐ Sơ đồ nghịch lưu dòng pha: - Đặc điểm: Nguồn đầu vào nguồn dịng, nguồn nối nối tiếp với Ld (Ld -> ∞ ) nhằm san phẳng dòng đầu vào: Td = const - Dòng điện nghịch lưu có dạng xung chữ nhật, có tần số fN tạo nhờ đóng mở cặp van T1,T2 T3,T4 cách có chu kỳ Do thay đổi fN theo tần số điều khiển fđk - Xét đồ thị hoạt động mạch: Đồ án môn học điện tử công suất - Ưu nhược điểm: + Ưu điểm: • Điều chỉnh đựơc tần số fN • Van sử dụng van Tiristor nên có cơng suất lớn nhiều so với sơ đồ (sử dụng van điều khiển hồn tồn) • Chỉ cần quan tâm đến vấn đề mở van, mở van cặp van làm cặp van đóng lại + Nhược điểm: • Khơng làm việc chế độ khơng tải • Dịng nghịch lưu có dạng xung chữ nhật nên chứa nhiều thành phần sóng điều hồ bậc cao làm giảm hiệu suất BBĐ • Dạng điện áp góc khố β _ góc khố nghịch lưu thay đổi giá trị điện cảm đầu vào Ld thay đổi Cụ thể: o Ld= ∞ => id = Id= const, dịng nghịch lưu có dạng xung chữ nhật Và có ut biến thiên hàm mũ góc khoá β max o Ld< ∞ đảm bảo id liên tục Lúc iN có dạng nhấp nhơ chứa sóng điều hồ bậc cao Dạng điện áp gần sine góc khố β giảm Đồ án môn học điện tử công suất o Ld< ∞ dịng bị gián đoạn Khi mạch xảy cộng hưởng L,C điện áp trở nên sine góc khố β Nghịch lưu cộng hưởng: * Ở nghịch lưu dịng (hoặc áp) dạng dịng điên iN (hoặc điện áp uN) có chứa thành phần sóng điều hồ bậc cao Vì làm giảm hiệu suất BBĐ Để tăng hiệu suất BBĐ ta xét nghịch lưu cộng hưởng * Do tải có tính cảm kháng ta phải đấu với tải tụ C để bù lại tính cảm kháng nhằm tạo cộng hưởng mạch Nhưng tải thay đổi liên tục q trình tơi, nên ta khơng thể thực bù đủ được, mà mạch tiệm cận tới dao động cộng hưởng Sau ta xét mạch dao động cộng hưởng bản: a, Sơ đồ nghịch lưu cộng hưởng nối tiếp: - Do điện cảm tải tạo nên nguồn dòng, nghịch lưu phải nghịch lưu nguồn áp Ta xét sơ đồ cầu: • Sơ đồ sử dụng cộng hưởng nguồn áp nên làm việc chế độ khơng tải • Và cộng hưởng nối tiếp nên sơ đồ làm việc với tải biến thiên rộng thực tế sơ đồ sử dụng rộng rãi • Mạch sử dụng IGBT có tốc độ tăng dịng tăng áp nhỏ làm việc với tần số cao Đồ án mơn học điện tử cơng suất • Có phụ tải mạch dao động với dòng áp có dạng hình sin, tải thiết kế có tính chất điện dung thyristor sơ đồ chuyển mạch tự nhiên • Có thể tạo dịng điện, điện áp gần sin nên chứa thành phần sóng hài bậc cao • Dịng điện cảm ứng vật liệu sắt từ cung cấp lượng làm tăng nhiệt độ vật, không cần đến tiếp xúc nguồn nhiệt với vật bị nung Vì ta chọn sơ đồ để thiết kế phần nghịch lưu cho nguồn lị tơi thép *Xét hoạt động mạch: - Điện áp nghịch lưu dạng xung chữ nhật, dòng điện tải gần sine dòng điện vượt trước điện áp ( thực mồi chậm để chắn cặp van khoá mở cặp van khác) - Tại thời điểm θ = cho xung mở van T1,T2: dòng từ A-> B, tụ C nạp Khi tụ C nạp đầy dòng qua van T1,T2 giảm Nhưng tải mang tính cảm nên dịng giữ ngun chiều cũ nên khép mạch qua D3,D4 C0 Khi điện áp uc đặt lên T1,T2 làm chúng bị khoá chắn 10 Đồ án môn học điện tử công suất Theo đề yêu cầu Ptôt = 30kW Ptôi = I22R nên: I2 = I1 = Ptôi = R x10 = 1529 (A) 62.12 x10 − I2 = 509.81 (A) Ta thấy cơng suất tơi lị lớn, dòng tải lớn nên ta dùng sơ đồ nghịch lưu cộng hưởng nối tiếp với máy biến áp cách ly phối hợp dòng V1 V4 E V3 In V2 C I1 L’ R’’ Sơ đồ mạch lực 1.5.Tính tốn chọn van: Chỉnh lưu cầu pha tạo nguồn chiều có trị số: E = 2.34 x 220 = 515 (V) Đồ thị vector làm việc chế độ tới hạn f = f0 : 17 Đồ án môn học điện tử công suất Ura UL UR Uc URLC = UR = I1 x R’’ = 509.81x0.0726= 37 (V) Tỉ số máy biến áp: K= 37 515 Dòng nghịch lưu: In = K x I1 = 509.1 x 37 = 35.6 (A) 515 Dòng cực đại qua van: Imax = 35.6 = 50.4(A) Chọn hệ số dự trữ Ki = dịng định mức van là: Ivan = Ki x Imax = 2x50.4 = 100.8 (A) Điện áp ngược cực đại van phải chịu: Ungmax = E =515 (V) Chọn hệ số dự trữ Ku = thì: Uvan = Ku x Ungmax = 2x515 = 1030 (V) Từ thông số ta chọn IGBT GA125TS120U module hãng IR có: VCES = 1200V ICmax = 125A 1.6.Bảo vệ van: Ta dùng mạch dập RC mắc song song với IGBT để chống áp: 18 Đồ án môn học điện tử công suất C2 R2 Theo kinh nghiệm thường lấy C = 0.1 đến μF R = 10 đến 100 Ω Van có dịng lớn C lớn R nhỏ Ta lấy C2 = 10Ω R2 = 0.25 μF Phần IV: THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN Cấu trúc mạch điều khiển 19 Đồ án môn học điện tử công suất CHỨC NĂNG CÁC KHÂU TRONG MẠCH ĐIỀU KHIỂN: - Khâu khởi động : khâu có chức tạo xung điều khiển lúc khởi động tách có xung phản hồi từ mạch lực, lúc mạch hoạt động - Khâu chia xung: khâu có tác dụng tạo xung có tần số phù hợp với yêu cầu mạch lực nguồn Đồng thời khâu có chức phân xung điều khiển vào kênh cho nhóm van mạch lực - Khâu phản hồi có tác dụng tạo xung phản hồi điều khiển mạch (sau mạch hoạt động) Đồng thời khâu phải thực chặn xung điều khiển từ khâu phát xung khởi động - PLL : khâu tổng hợp tần số, có chức đảm bảo cho tần số nghịch lưu bám theo tần số cộng hưởng( trình làm việc, tan số cộng hưởng thay đổi) - IGBT driver : tạo xung điều khiển phù hợp với IGBT NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC CỦA MẠCH ĐIỀU KHIỂN Đầu tiên, khâu phát xung điều khiển khởi động phát xung có tần số fđk, xung đưa vào khâu chia xung để tạo xung có tần số tần số nghịch lưu fN Sau xung phân làm kênh để vào IGBT Driver cho xung điều khiển q trình đóng cắt van Sau van làm việc, tải bắt đầu hoạt động, dịng điện tải có dạng hình sin Dong nghịch lưu qua khâu phản hồi để tạo tín hiệu phản hồi điện áp Tín hiêu phản hồi làm nhiêm vụ + Dùng làm tín hiệu chặn xung điều khiển khâu khởi động + Dùng làm tín hiệu so sánh cho bọ dò pha hệ thống PLL Như sau khởi động, mạch hoạt động với tín hiệu hồi tiếp từ mạch lực TÍNH TỐN THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN Tính tốn khâu phát xung điều khiển khởi động: - Ta cần tạo mạch phát xung điều khiển có tần số fđk=2.fN (vì sau qua khâu chia xung, phân kênh T-Flip-Flop tần số bị giảm nửa) 20 Đồ án môn học điện tử công suất - Ở ta sử dụng mạch tạo dao động dùng Op-Amp phổ biến nay: Sơ đồ mạch: Tần số dao động mạch phù hợp với tần số xung mở Tristor là: fđk= 2fN= 2.150000 = 300000(Hz) Ta có chu kỳ xung mạch là: ⎛ T = 2.RC.ln ⎜1 + ⎜ ⎝ R2 R1 ⎞ ⎟ ⎟ ⎠ Vì điện trở khơng tham gia vào việc hạn chế dịng điện nên chọn cho: T= 2.RC R2= 0,86 k Ω Do ta chọn: R1= k Ω Khi đó: T= 2.RC = 1/ fđk = Chọn R=1 k Ω => C = Chọn khuếch đại thuật tốn: u cầu tạo xung có tần số điều khiển fđk=16000 Hz nên ta cần phải chọn IC có tốc độ nhanh Do ta chọn IC LM318 IC gồm vỏ nên thích hợp với việc làm mạch tạo dao động: Tính tốn khâu chia xung phân kênh - Ta sử dụng T-Flip-Flop làm mạch chia xung ( chia 2) phân kênh 21 Đồ án môn học điện tử công suất T Flip-Flop tạo từ D-Flip-Flop cách nối đầu Q với đầu vào D Xung điều khiển đưa vào đầu vào xung nhịp C D Flip-Flop Chọn D Flip-Flop IC 4013 Chọn IGBT driver Với thơng số tính tốn mạch lực, ta chọn driver tích hợp IC VLA513-01R với thông số: VCC= 15V VEE = -8V Điện áp tín hiệu vào: -1 - +7V VOH = 14V VOL = -8V 22 Đồ án môn học điện tử cơng suất Tín hiệu xung có dạng hình vẽ Sơ đồ nối 23 Đồ án mơn học điện tử cơng suất Tính tốn khâu phản hồi: a, Biến đổi tín hiệu biến dòng: - Ta sử dụng biến dòng để tạo tín hiệu áp phản hồi điều khiển mạch Chọn biến dịng loại - - Tín hiệu khỏi biến dịng tín hiệu áp hình sin, vào hệ thống PLL để tổng hợp tần số b, Tạo tín hiệu chặn xung điều khiển: - Để tạo tín hiệu chặn xung điều khiển ta thực sau: + Khi có tín hiệu điện áp (dạng sin) phản hồi chỉnh lưu qua mạch cầu Diode lọc tụ Nó tạo thành dịng chảy qua cực gốc phát Trazitor làm cho Tranzitor dẫn trạng thái bão hịa, tín hiệu 24 Đồ án môn học điện tử công suất Q mức thấp “0” logic ( VQ= 0,6 V) Ngược lại khơng có tín hiệu phản hồi tín hiệu Q mức cao ( VQ= V) + Tiếp tín hiệu phản hồi đưa vào mạch có thêm phần tử NOT AND hình vẽ: khơng có tín hiệu phản hồi tương ứng với Q = “1” cho tín hiệu xung điều khiển qua cịn có tín hiệu điều khiển tương ứng với Q= “0” khơng cho tín hiệu xung điều khiển qua tín hiệu điều khiển bị chặn lại + Tính toán, lựa chọn cho khâu phản hồi sau: o Chọn cầu Diode chỉnh lưu loại 2KBP005 có thơng số sau: Ung_D= 50 (V) ID = (A) o Tranzitor loại ZTX300 Diode loại 1N4448 có thông số cho o Các điện trở R1 = R2 = k Ω tụ bù C = 100 μF Hệ thống điều khiển PLL Sơ đồ khối: Phase Detector Lọc thông thấp VCO PLL hệ thống hồi tiếp gồm có khâu dị pha, khâu lọc thông thấp biến đổi áp -> tần ( VCO) -Khối dò pha ( Phase Detector) Bộ có nhiêm vụ cho tín hiệu áp phụ thuộc vào hiệu số pha( hiệu tần số) hai tín hiệu vào -Bộ lọc thơng thấp: dùng để lấy tín hiệu tần số thấp, lấy điện DC Trong hệ thống người ta thường dùng lọc qua bậc để đảm bảo tính ổn định hệ thống 25 Đồ án môn học điện tử cơng suất -Mạch VCO : có nhiệm vụ phát tần số tỉ lệ với điện áp ngõ vào Đây khối quan trọng hệ thông PLL qet định tính ổn định tần số Ta chọn IC CD4046B để thực hệ thống theo sơ đồ Lọc thông thấp 26 Đồ án môn học điện tử công suất Phase detector VCO Khi VCOin = VCO hoạt động tần số tự nhiên f = 1/(R1(C1+32pF)) Chọn R1= 50k Ω => C1 = 101pF 6.Tính tốn thiết kế nguồn cho mạch điều khiển: - Thiết kế nguồn chiều có điện áp ± 15V Ta sử dụng mạch chỉnh lưu cầu vi mạch ổn áp LM7815C 27 Đồ án môn học điện tử công suất 28 Đồ án môn học điện tử công suất KẾT LUẬN Sau học đồ án với h−ớng dẫn tận tình thầy giáo h−ớng dẫn Trần Trọng Minh vμ thầy giáo môn Tự Động Hố Xí Nghiệp Cơng Nghiệp, em hoμn thμnh đồ án môn học Điện Tử Công Suất với đề tμi “ Thiết kế phần nghịch l−u cho nguồn lị tơi thép “ vμ đạt đ−ợc số kết sau : • Hiểu đ−ợc cơng nghệ luyện kim nói chung vμ cơng nghệ tơi thép lị cảm ứng(tơi cao tần) nói riêng • Hiểu đ−ợc ngun lý hoạt động mạch chỉnh l−u vμ biến tần vμ cách vận dụng vμo thực tế sản xuất cơng nghiệp • Biết cánh thiết kế vμ tính tốn mạch lực • Biết cách thiết kế vμ tính tốn mạch điều khiển Trong q trình lμm đồ án không đ−ợc tiếp xúc với mạch điện thật Tuy nhiên, lμ đồ án mμ em thực nên ch−a có kinh nghiệm nên đồ án nμy khơng tránh khỏi thiếu sót Em kính mong thầy giáo góp ý vμ sửa chữa bổ sung để hoμn thiện đề tμi nμy Em xin chân thμnh cảm ơn h−ớng dẫn tận tình thầy giáo Trần Trọng Minh vμ thầy giáo môn tận tình giúp đỡ em hoμn thμnh tốt đồ án nμy 29 Đồ án điện tử công suất TĐH2_K48 Đặng Duy Phú – Tài liệu tham khảo : • Điện tử cơng suất - Nguyễn Bính • Giáo trình điện tử cơng suất - Trần Trọng Minh • Phân tích giải mạch điện tử cơng suất - Phạm Quốc Hải Dương Văn Nghi • Hướng dẫn thiết kế mạch điện tử công suất - Phạm Quốc Hải 30 Đồ án điện tử công suất TĐH2_K48 Đặng Duy Phú – 31 ... khiển: - Thiết kế nguồn chiều có điện áp ± 15V Ta sử dụng mạch chỉnh lưu cầu vi mạch ổn áp LM7815C 27 Đồ án môn học điện tử công suất 28 Đồ án môn học điện tử công suất KẾT LUẬN Sau học đồ án với... 14V VOL = -8 V 22 Đồ án môn học điện tử công suất Tín hiệu xung có dạng hình vẽ Sơ đồ nối 23 Đồ án môn học điện tử cơng suất Tính tốn khâu phản hồi: a, Biến đổi tín hiệu biến dịng: - Ta sử dụng... tốt đồ án nμy 29 Đồ án điện tử công suất TĐH2_K48 Đặng Duy Phú – Tài liệu tham khảo : • Điện tử cơng suất - Nguyễn Bính • Giáo trình điện tử cơng suất - Trần Trọng Minh • Phân tích giải mạch điện