Đề tài “Thiết kế phần chỉnh lưu cho bộ nguồn
lò nấu thép”
Mục Lục
2.1. Chỉnh lưu cầu 3 pha đối xứng: 5
2.2. Chỉnh lưu cầu 3 pha không đối xứng: 7
3.1. Tính chọn van của bộ chỉnh lưu: 10
3.2. Tính toán cuộn kháng lọc: 11
3.3. Tính toán mạch bảo vệ cho van: 12
4.1. Nhiệm vụ của mạch điều khiển: 14
4.2. Yêu cầu của mạch điều khiển: 14
4.3. Sơ đồ khối của mạch điều khiển: 14
4.4. Thiết kế mạch điều khiển: 14
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 HuệChương 1:

ngựơc chiều với dòng Fucô I
2
. Nhờ có dòng
điện Fucô I
2
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. Ch nh l u c u 3 pha i x ng:ỉ ư ầ đố ứ
Sơ đồ: (với L
d
=

−=
θ
UU
c
Các van trong nhóm van lẻ thay nhau dẫn tạo nên điện áp U
KC
ở điểm đấu chung Kathode
và điện áp U
AC
ở điểm đấu chung anode khi các van chẵn thay nhau dẫn. Từ 2 điện áp này
suy ra điện áp ra là: U
d
=U
KC
-U
AC

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:

2 2
3 6
cos 2,34 .cos
d
U U U
α α
π
= =

Sơ đồ: (với L
d
=
∞
)
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 U
d
luôn lớn hơn 0, nhưng khi α > 60
0
thì có giai
đoạn 2 van thẳng hàng cùng dẫn, khi đó dòng không được trả về nguồn mà chạy quẩn trong
tải nên U
d
= 0.
Điện áp trung bình ra tải:

2
1 os
2,34 .
2
d
c
U U
α

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: P
t
= 750 (kW)
− Điện áp trên vòng cảm ứng 1500 (V)
− Tần số làm việc: f = 1 (kHz)
− Hệ số công suất tải: cosφ
đm
= 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
min
β > β
. Chọn:

đm
= 1000 (A)
− Dòng điện xung điều khiển = 150 (mA)
− Điện áp xung điều khiển = 3 (V)
− Đạo hàm điện áp dU/dt =1000 (V/s)
3.2. Tính toán cu n kháng l c:ộ ọ
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:
R
d
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 m
đm
= 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

đảm bảo đủ dòng mở cho van.
4.2. Yêu c u c a m ch i u khi n:ầ ủ ạ đ ề ể
 Đảm bảo phạm vi điều chỉnh trong khoảng
α
min
÷
α
max
và tính đối xứng của xung
điều khiển (các van có sai lệch giá trị
α
< 1
0
÷
3
0
).
 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. S kh i c a m ch i u khi n:ơ đồ ố ủ ạ đ ề ể
Hình 4.1. Sơ đồ khối của mạch điều khiển
4.4. Thi t k m ch i u khi n:ế ế ạ đ ề ể
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,

− Khi U
df
> U
o
thì U
ra
= U
db
= U
bh
. Khi U
df
< U
o
thì U
ra
= U
db
= -U
bh
− Điều chỉnh U ta có thể đưa ra U
db
= ± U
bh
= ± (E -1,5V)
4.4.1.3. Tính toán:
 Chọn biến áp 1 pha có điểm giữa. Hệ số biến áp k =
1
2
U

. Ta có U
o
=
2
.5.sin5 = 0,62 (V)
− Ta có
0
E
U
=
1 2
1
VR R
VR
+
suy ra R
2
= (
0
E
U
-1).R
1
(với E là nguồn cung cấp cho đầu
vào đảo). Chọn E = 15V suy ra R
2
= 24R
1
− Chọn R
1

2
d
I
= k
i
.
2.
d
o
U
R
= 6,75 (mA)
− Điện áp ngược đặt lên van: U
ngmax
= k
u
.2
2
U
2
= 22,6 (V)
(k
i
và k
u
là hệ số dự trữ dòng điện và điện áp,lấy k
i
= 3 và k
u
= 1,6)

U U i d d t
C C R C R
−
= = = =
∫ ∫
. Điện áp tăng tuyến tính với
độ dốc cao cho đên U
Z1
thì ngừng.
 Khi U
db
>0, D
3
khoá lại chỉ còn nguồn E tham gia vào mạch, tương tự điện áp giảm
tuyến tính theo phương trình
1
1 2 4
.( )
rc Z
E
U U t
C VR R
= −
+
. Điều chỉnh VR
2
có thể đưa U
rc
về 0
khi vừa hết nửa chu kì.

1
:
− Khi điện áp U
db
âm thì U
ra
tăng tuyến tính đến giá trị của diode Zener và khi U
db
dương thì U
ra
giảm tuyến tính. Ta sẽ chọn C, R
4
+VR
2
sao cho quá trình giảm này sẽ giảm về 0
khi U
db
chuyển trạng thái từ dương sang âm.
− Đoạn U
db
dương tương ứng với 170
0
điện tức là T =
170
180
.0,01 = 9,44 (ms)
− Do đó cần U
Z
-
1 4 2

Z
trước thời gian t = 0,56 (ms) hay 0,56 < R
3
.C
1
. Do đó chọn R
3
= 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 U
rc
và U
dk
lần lượt được đưa vào đầu vào đảo và đầu vào không đảo của
khuếch đại thuật toán.
− Khi U
rc
>U
dk
thì điện áp ra là âm bão hoà.
− Khi U
rc
<U

6
= 13 (kΩ), R
7
=7,5 (kΩ)
− Do đó R
7
.C
2
=
4
6 7
10
2.ln(1 2. / )R R
−
+
= 3,34.10
-5.
− Chọn C
2
=10 (nF) thì R
7
= 3340 (Ω). Chọn R
7
= 3,3 (kΩ)
 Chọn OPAM và diode: giống như trên.
4.4.5. Bộ trộn xung:
4.4.5.1. Chức năng:
 Trộn các xung để tạo ra các xung mở van có hình dạng phù hợp với điện áp lực.
4.4.5.2. Nguyên lý:
Hình 4.6. Sơ đồ và dạng điện áp ra của bộ trộn xung

4.4.6.1. Chức năng:
 Khuếch đại xung có nhiệm vụ tăng công suất xung do khâu tạo dạng xung hình thành
đủ mạnh để mở van lực.
4.4.6.2. Nguyên lý:
Hình 4.7. Sơ đồ khâu khuếch đại xung
 Sơ đồ sử dụng biến áp xung với tầng khuếch đại Darlington sử dụng 2 transistor T
1
,
T
2
. Khi có xung chùm đặt vào cực bazo của T
2
thì T
2
mở cho dòng chảy từ nguồn nuôi qua
biến áp xung qua T
1
đến mở T
2
dẫn dòng chính chảy qua biến áp xung xuống đất. Như vậy
điện áp trên sơ cấp biến áp xung và dòng điện chảy qua nó cũng có dạng xung. Dòng điện
này cảm ứng sang cuộn thứ cấp và ở thứ cấp cũng có dòng điện xung đi vào cực điều khiển
của Tiristo. Trong mạch trên D
5
có tác dụng trả năng lượng tích luỹ trong cuộn cảm về nguồn
khi mà cuộn sơ cấp đang dẫn dòng thì T
1
, T
2
khoá lại. Điện trở R

− Biến áp xung chọn loại có công suât S ≥ U
1
.I
1
= 0,13.11,1 = 1,48 (VA)
 Chọn nguồn cung cấp E
cs
= 15 (V)
 Chọn bóng T
1
loại BD135 có tham số U
ce
=45V; I
cmax
= 1,5 (A); β
min
= 40
 Chọn điện trở R
13
>
ax
cs
cm
E
I
= 10 (Ω). Chọn R
13
= 12 (Ω)
− 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 T

= 0,5.T
xc
= 0,05 (ms)
− Chọn C
3
sao cho C
3
<
13
3.
n
t
R
= 1,4.10
-6
(F)=1,4 (µF). Chọn C
3
= 1 (µF)
 Chọn bóng T
2
loại BC107 có: U
ce
= 45 (V); I
cmax
= 0,1 (A); β
min
= 110
 Chọn điện trở R
11
.

− Chọn R
11
=15kΩ.
 Chọn R
12
= R
14
= 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

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.

đk
ta sử dụng mạch trừ. Chọn R
15
= R
16
= R
17
= R
18
nên
ta có U
đk
= U
cn
– U
ph
 Giả sử vì một lý do nào đó mà dòng điện trong lò nấu thép bị giảm đi, khi đó điện áp
trên BI cũng giảm theo qua bộ chỉnh lưu cầu và lọc thành điện áp một chiều chính là điện áp
phản hồi U
ph
. U
ph
này cũng giảm xuống, mà U
đk
= U
cn
– U
ph
do đó U
đk