LỜI NÓI ĐẦU
Ngày nay, điên tử công suất đã và đang đóng một vai trò rất quan trong trong quá trình
công nghiệp hóa đất nước. sự ứng dụng của điện tử công suất trong các nghành luyện kim
như lò nấu luyện thép là rất lớn bởi sự nhỏ gọn của các phần tử bán dẫn và việc rễ dàng tự
động hóa cho các quá trình sản xuất. các lò nấu thép được điều khiển bởi điện tử công suất
đem lại hiệu quả cao, chất lượng sản phẩm thép tốt hơn.
Xuất phát từ yêu cầu thực tế đó, trong nội dung học môn điện tử công suất em đã được
giao đề tài : ‘thiết kế bộ nguồn cho lò nấu thép trung tần dùng tiristo’. Với sự hướng dẫn của
thầy Dương Văn Nghi em đã tiến hành nghiên cứu và thiết kế đề tài .
Trong quá trình thực hiện đề tài ro khả năng và kiến thức thực tế có hạn nên không chánh
khỏi sai sót kính mong thầy đóng góp y kiến để đề tài em hoàn thiện hơn.
Em xin chân thành cám ơn
Hà Nội, tháng 5 năm
2013
Sinh viên thực hiện

Trần Quốc QuỳnhChương 1:
GIỚI THIỆU CÔNG NGHỆ
 Lò nấu thép (lò cảm ứng) thực hiện biến điện năng thành nhiệt năng theo nguyên
lý cảm ứng điện từ. Lò cảm ứng được xây dựng dựa trện nguyện lý của một máy
biến áp lõi không khí. Cuộn cảm được coi như cuộn sơ cấp, còn liệu kim loại
chứa trong nồi lò được coi như cuộn thứ cấp. Khi ta cho dòng điện xoay chiều đi
qua cuộn cảm ứng thì sẽ sinh ra từ thông biến thiên. Từ thông qua kim loại sinh
ra một sức điện động cảm ứng. Kim loại ở đây coi như một cuôn dây khép kín và
thẳng góc với từ thông biến thiên. Xuất hiện trong kim loại một dòng điện cảm
ứng và năng lượng của dòng điện cảm ứng sinh ra một nhiệt lượng lớn để nung
chảy kim loại. Như vậy khi lò làm việc thì xuất hiện 2 sức điện động cảm ứng
trong cuộn cảm ứng E

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
Từ yêu cầu đề tài ta ≫ mạch chỉnh lưu phải là chỉnh lưu có điều khiển .Công suất của lò nấu
là 1000 kw, nguồn điện sử dụng trung là nguồn 3 pha lên chúng ta dùng chỉnh lưu điều khiển
3 pha (nếu dùng chỉnh lưu điều khiển 1 pha công suất tải lớn sẽ làm xấu lưới điện) ta có các
phương án sau :
• Chỉnh lưu hình tia 3 pha
• Chỉnh lưu cầu 3 pha
• Chỉnh lưu hình tia 6 pha
Nhưng chúng ta thấy rằng :
• Chỉnh lưu hình tia 3 pha co nhược điểm : chất lượng điện áp thấp , hệ số đập mạch
nhỏ, nếu công suất tải lớn sẽ ảnh hưởng xấu đến hệ số cosφ của lưới điện , làm méo
lưới điện và buộc phải dùng đến biến áp lực .
• Chỉnh lưu hình tia 6 pha tuy chất lượng điện áp tốt nhưng việc chế tạo máy biến áp
lực 6 pha tốn kém phức tạp giá thành cao lên phương án này không khả thi .
 Như vậy chúng ta sẽ thiết kế phần chỉnh lưu cho bo nguồn lò nấu thép dùng sơ đồ chỉnh
lưu cầu 3 pha điếu khiển.
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:

4
sin(2
2
Π
−=
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

Nhược điểm:
 Mạch điều khiển phức tạp do phải điều khiển đồng bộ các van với nhau.
 Điện áp rơi trên van lớn hơn so với sơ đồ hình tia.
2.2. Chỉnh lưu cầu 3 pha không đối xứng:
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

cao hơn.
Nhược điểm:
 Khi góc điều khiển α > 60
0
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
=1000 (kW)
− Điện áp trên vòng cảm ứng 1000 (V)
− Tần số làm việc: f = 0.5 (kHz)
− Hệ số công suất tải: cosφ
đm
= 0,4
Giả sử thời gian phục hồi tính chất điều khiển của van là t
k
= 50,5 (
µ
s). Tụ C phải có

− Ký hiệu: KP 1000A/3500V
− Điện áp ngược cực đại U
n
= 2500 (V)
− Dòng điện làm việc cực đại I
đm
= 1500 (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 cuộn kháng lọc:
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

α
cần thiết.
 Dạng xung để điều khiển van là xung chùm.
 Đảm bảo phân phối xung điều khiển cấp cho các van đúng thời điểm, không để xảy ra
ngắn mạch sự cố có thể phá hủy van.
 Phát xung điều khiển có tần số lớn và có thể khuếch đại công suất xung điều khiển để
đảm bảo đủ dòng mở cho van.
4.2. Yêu cầu của mạch điều khiển:
 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).

−
Ta có:
( )
( )
0 0 0db df
U A U U A U U
+ −
= × − = × −
.
−
Khi U
df
> U
o
thì U
ra
= U
db
= U
bh
. Khi U
df
< U
o
thì U
ra
= U
db
= -U
bh

df
=
2
.5.|sinωt.|
−
Chọn R
0
= 1 (kΩ). R
2
được mắc vào để chia áp ra U
0
.
−
Chọn góc dịch pha là 5
0
. Ta có U
o
=
2
.5.sin5 = 0,62 (V)
−
Ta có
0
E
U
=
1 2
1
VR R
VR

= 2 (MΩ)
Điện áp rơi là 1,9 (V)
− Chọn nguồn cung cấp cho OPAM là 12V. Do đóU
bh
= 12-1,9 = 10,1 (V)
 Chọn Diode:
− Ta cóU
2
=5(V) nên điện áp chỉnh lưu 2 nửa chu kỳ trung bình U
d
=0,9U
2
=4,5V
− Dòng trung bình qua diode là I
v
= k
i
.
2
d
I
= k
i
.
2.
d
o
U
R
= 6,75 (mA)

4
+VR
2
) thì ta có thể coi như nhánh trên không tham gia
vào mạch. Suy ra
3
3
3
1
1 1 3 1 3
1 1
.
.
r
bh d
rc c r t t
U
U U
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

180
.0,01 = 5,6.10
-4
s =0,56 (ms)
− Chọn diode loại PMDB914 và OPAM loại LM301A như trên.
− Nguồn cung cấp cho OPAM là
±
12 (V)
 Chọn diode Zener BZX284-B10 có U
Z
=10 (V)
 Tính chọn R
3
, R
4
, VR
2
, C
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

1
.
.
Z
E T
U C
= 65 (kΩ)
− Chọn R
4
= 50 (kΩ) và biến trở VR
2
= 15 (kΩ)
− Chọn R
3
sao cho tụ nạp đến giá trị U
Z
trước khi kết thúc thời gian nạp tức tụ phải
nạp đến U
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

Hình 4.5. Sơ đồ và dạng điện áp ra của khâu tạo xung chùm
 OPAM được sử dụng như bộ so sánh 2 cửa. Tụ điện cần được tích điện ban đầu.
 Tụ liên tục phóng nạp và OPAM đảo trạng thái liên tục.
4.4.4.3. Tính toán:
 Chọn điện trở và tụ:
−
Chu kỳ dao động: T = 2R
7
C
2
ln(1+2R
6
/R
5
)
−
Chọn tần số của xung chùm là 10 (kHz) thì chu kỳ của xung là T=10
-4
(s)
−
Chọn R
6
= 13 (kΩ), R
7
=7,5 (kΩ)
−
Do đó R
7
.C
2

−
Điện áp lấy từ thứ cấp biến áp đồng pha qua khâu RD có điện áp U
tx
 Chỉ khi U
tx
, U
xc
và U
ss
đều ở mức logic cao thì mới có tín hiệu ra ở đầu ra của cổng
AND là xung chùm.
 Tương tự ta dùng 1 bộ phân phối lấy điện áp ở mạch thứ cấp còn lại của biến áp đồng
pha ta sẽ được điện áp phân phối đưa vào cổng AND là điện áp tương ứng với nửa chu kỳ mở
van T
4
. Thực hiện bộ trộn xung tương tự ta sẽ có xung mở van T
4
.
4.4.5.3. Tính toán:
 Chọn cổng AND họ CMOS loại 4073 có điện áp nguồn nuôi 12V.
 Chọn loại diode Zener loại 10V.
 Chọn R
10
= 1 (kΩ)

4.4.6. Khâu khuếch đại 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:

để T
1
khoá dễ dàng hơn. Tuy nhiên điện trở này mắc nối tiếp với cuộn
sơ cấp biến áp xung nên làm giảm điện áp trên cuộn sơ cấp. Do đó cần mắc tụ C
3
để khi T
2
khoá tụ phải nhanh chóng nạp đến trị số điện áp nguồn.
4.4.6.3. Tính toán:
 Ta có: van lực CA398PA có U
dk
=3 (V) và I
dk
= 400 (mA).
 Chọn biến áp xung có hệ số biến đổi là 3
− Do đó tham số dòng điện và điện áp cuộn sơ cấp là:
U
1
= U
dk
.k = (3+0,7).3 = 11,1 (V); (điện áp rơi trên diode khoảng 0,7 V)
I
1
= I
dk
/k = 400/3 (mA)
− Biến áp xung chọn loại có công suât S ≥ U
1
.I
1

= I
1
.R
13
= 0,8 (V)
U
1
= E
cs
-U
R13
= 14,2 (V) và đạt yêu cầu.
 Tuy nhiên để tăng mạnh xung kích cho van có thể dùng thêm tụ C
3
.
− Tần số xung chùm 10 (kHz) tương ứng với chu kỳ 1 xung là:
T
xc
=
1
xc
f
= 0,1 (ms)
− Cho rằng xung đối xứng thì khoảng nghỉ bằng khoảng có xung tức là khoảng cách
giữa 2 xung là t
n
= 0,5.T
xc
= 0,05 (ms)
− Chọn C

ax
vm
vm
U
I
=
3
10
1.10
−
= 10 (kΩ)
R
11
<
1 2
1 ax
. .
.
cs
m
E
s I
β β
= 44.10
3
(Ω) = 44 (kΩ)
− Chọn R
11
=15kΩ.
 Chọn R

4.4.8. Bộ tạo luật điều khiển:
4.4.8.1. Chức năng:
 Lấy tín hiệu từ tải phản hồi về để đưa ra 1 tín hiệu điều khiển thích hợp.
4.4.8.2. Nguyên lý:
Hình 4.10. Sơ đồ bộ tạo luật điều khiển
IN
GND
OUT
LM7812C
IN
GND
OUT
LM7912C
+12V
-12V
IN
GND
OUT
LM7815C
+15V

Do dòng điện của lò nấu thép là rất lớn nên ta cần dùng biến dòng BI để giảm dòng
điện đồng thời cũng làm nhiệm vụ cách ly giữa mạch lực và mạch điều khiển.

Vì mạch phản hồi chỉ làm việc với tín hiệu một chiều nên sau BI ta sẽ dùng mạch
chỉnh lưu cầu để biến tín hiệu xoay chiều thành tín hiệu một chiều.

Sau mạch chỉnh lưu ta dùng thêm tụ để lọc.

Để đưa ra tín hiệu điều khiển U

đk
tăng lên làm góc α
giảm, mà U
d
= U
d0
.cosα nên điện áp sau bộ chỉnh lưu U
d
tăng lên và dòng I
d
cũng tăng lên.
Do vậy mà dòng điện trong lò nấu thép cũng tăng lên giúp cho lò làm việc ổn định.

Tương tự khi dòng điện trong lò tăng lên thì điện áp trên BI tăng nên U
ph
cũng tăng.
Do đó U
đk
giảm dẫn đến góc α tăng lên khiến điện áp U
d
giảm nên dòng I
d
cũng giảm. Vì vậy
mà dòng điện lò được giữ ổn định.