Đồ án tốt nghiệp
Lớp: TBĐ-ĐT 3. ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
1. Đề tài : Nghiên cứu, chế tạo bộ chỉnh lưu cho lò nấu thép dùng bán dẫn công
suất.
2. Thông số kỹ thuật:
P = 15 KW.
dm
U
= 500 V.
d
I
= 30 A.
3. Bố cục :
- Chương 1: Nghiên cứu về nguồn cấp điện cho lò nấu thép.
- Chương 2: Phân tích và tổng hợp bộ (thuật toán điều khiển mạch) chỉnh lưu
cầu ba pha.
- Chương 3: Xây dựng bộ chỉnh lưu cầu ba pha.
- Chương 4: Mô phỏng thực nghiệm.
4. Bản vẽ minh hoạ:
1
GV hướng dẫn: TS Nguyễn Văn Thuấn
Đồ án tốt nghiệp
Lớp: TBĐ-ĐT 3.
BỘ QUỐC PHÒNG
HỌC VIỆN KTQS
4. Số lượng, nội dung các bản vẽ ( ghi rõ loại, kích thước và cáh thực hiện các
bản vẽ ) và các sản phẩm (nếu có):
Đồ án gồm……bản vẽ
0
A
:
- Bản 1: Sơ đồ khối tổng quát.
- Bản 2: Sơ đồ nguyên lý mạch khiển.
- Bản 3: Sơ đồ nguyên lý mạch công suất.
- Bản 4:
5. Cán bộ hướn dẫn (ghi rõ họ tên, cấp bậc, chức vụ, đơn vị hướn dẫn toàn bộ
hay từng phần):
Đại tá tiến sỹ Nguyễn Văn Thuấn - Bộ môn Kỹ thuật Điện – Khoa kỹ
Thuật Điều Khiển - Học Viện Kỹ thuật Quân Sự.
3
GV hướng dẫn: TS Nguyễn Văn Thuấn
Đồ án tốt nghiệp
Lớp: TBĐ-ĐT 3.
Ngày giao: 12-01-09 Ngày hoàn thành: 25-04-09
Hà nội, Ngày 25 tháng 04 năm 2009
Chủ nhiệm bộ mộn
Đại tá, PGS.TS ĐÀO HOA VIỆT
Cán bộ hướng dẫn
Đại tá, TS NGUYỄN VĂN THUẤN
Học viện thực hiên
Đã hoàn thành và nộp đồ án ngày 25 tháng 04 năm 2009
Nguyên Văn Giang.
4
GV hướng dẫn: TS Nguyễn Văn Thuấn
Đồ án tốt nghiệp
Lớp: TBĐ-ĐT 3.
2.4: Thiết kế sơ đồ nguyên lý…………………………………………………12
CHƯƠNG 3: XÂY DỰNG BỘ CHỈNH LƯU CẦU BA PHA…….….….13
CHƯƠNG 4: MÔ PHỎNG THỰC NGHIỆM………………………...…..14
Kết luận…………………………………………………………………….…...15
Tài liệu tham khảo………………………………………………………….…...16
6
GV hướng dẫn: TS Nguyễn Văn Thuấn
Đồ án tốt nghiệp
Lớp: TBĐ-ĐT 3.
MỞ ĐẦU
Hiện nay các thiết bị lò điện nói chung, Lò điện cảm ứng trung tần nói
riêng, đang được ứng dụng rộng rãi để sản xuất các chủng loại thép phục vụ cho
các ngành kinh tế quốc dân như là: cơ khí, đóng tàu, giáo thông vân tải, xây dựng,
hóa chất…vv.Trong quân đội, các Lò điện cảm ứng chủ yếu dung để nấu luyện
các loại thép, gang phục vụ đúc vỏ đạn cối, đạn pháo, phôi chi tiết của các trang
thiết bị, khí tài.
Mặc dù các nhà máy luyện kim của cả quân sự và dân sự đã được hình
thành từ lâu, nhưng hiện nay thiết bị Lò cảm ứng trung tần đêu rất lạc hậu, chưa
đáp ứng được trước những yêu cầu của quá trình công nghiệp hóa - hiện đại hóa.
Các thiết bị này phần lớn là những thiết bị thuộc thế hệ cũ được viện trợ hoặc mua
sắm từ các nước Liên Xô, Trung Quốc… trong những thập kỷ cuối của thế kỷ
trước. Qua nhiều năm sử dụng đã xuống cấp hay hư hỏng, tiêu tốn nhiều điện
năng, hiệu suất không cao nên giá thành sản phẩm còn cao.
Những năng gần đay, kỹ thuật điện tử và bán dẫn công phát triển mạnh mẽ.
Các thiết bị điện tử công suất có nhiều ưu điểm như: khả năng điều khiển linh
hoạt, tính tác động nhanh; chỉ tiêu kinh tế cao, kích thước và khối lượng nhỏ; độ
- Chương 1: Nghiên cứu về nguồn cấp điện cho lò nấu thép.
- Chương 2: Phân tích và tổng hợp bộ (thuật toán điều khiển mạch) chỉnh lưu
cầu ba pha.
- Chương 3: Xây dựng bộ chỉnh lưu cầu ba pha.
- Chương 4: Mô phỏng thực nghiệm.
Vì thời gian có hạn, nhiều vấn đề đã đề cập tới sang chưa có điều kiện thực
hiện, và chắc chắn không tránh khỏi những thiếu sót. Tôi rất mong nhận được
những đống góp quý báu của các thầy và đọc giả.
8
GV hướng dẫn: TS Nguyễn Văn Thuấn
Đồ án tốt nghiệp
Lớp: TBĐ-ĐT 3.
Tôi xin chận thành cảm ơn thầy giáo hưỡng dẫn Đại tá, TS nguyễn Văn Thuấn
và các thầy trong bộ môn Kỹ thuật điện đã tận tình chỉ bảo giúp đỡ tôi hoàn thành
bản đồ án này.
Hà Nội, ngày 25 tháng 4 năm 2009
Chương 1
NGHIÊN CỨU VỀ NGUỒN CẤP ĐIỆN CHO LÒ NẤU THÉP
1.1 Tổng quan về lò nấu thép cảm ứng:
Lò điện cảm ứng thực hiện biến điện năng thành nhiệt năng theo nguyên lý
cảm ứng điện từ. Theo định luật Joule-Lentz :
Q = 0, 24. I. R. t (cal) [1.1]
Trong đó:
Q(Cal): Nhiệt lượng kim loại nhận được;
I(A) : dòng điện qua kim loại;
R(
Ω
) : điện trở của kim loại;
t(s) : thời gian tác động.
và
2
E
đựơc tính theo công thức sau:
1
E
= 4, 44. Ф. f.
1
n
.10
8
−
V [1.2]
2
E
= 4, 44. Ф. f.
2
n
.10
8
−
V [1.3]
Trong đó : Ф : từ thông biến thiên, Wb(Weber)
f : tẩn số làm việc, Hz ;
1
n
: số vòng của cuộn cảm ứng(sơ cấp);
1
I
ngựơc
chiều với dòng Foucault
2
I
.
Ta có:
2
1
E
E
=
2
1
n
n
=
1
2
I
I
→
2
I
=
1
n
.
).( In
. 2
2
π
. d. h.
9
10...
−
f
µρ
( w ) [1.6]
Trong đó :
1
n
.
1
I
: gọi là ampe vòng (mm.A) ;
d : đướng kính nồi lò chứa liệu kim loại (mm) ;
h : chiều cao nồi lò(mm) ;
ρ
: điện trở suất của kim loại (
m
mm
2
Ω
) ;
µ
- số vang của cuộn cảm ứng ( cuồn sơ cấp );
1
I
- cường độ dòng điện qua cuộn cảm ứng;
d - đường kính nồi lò chứakim loại, mm;
h - chiều cao nồi lò, mm;
µ
- hệ số từ thẩm của kim loại;
ρ
- điện trỏ suất xủa kim loại, Ω
2
mm
/m.
Qua công thức trên chúng ta thấy lượng nhiệt cung cấp cho lò tỷ lệ thuận với
bình phương ampe vòng. Như vậy lượng nhiệt này phụ thuộc vào số vòng của
cuộn dây sơ cấp
1
n
và cường độ dòng điện cảm ứng
1
I
và tần số làm việc ở mức
tối thiểu. Theo [4] tần số tối thiểu đố được xác định theo công thức 1.8:
min
f
12
GV hướng dẫn: TS Nguyễn Văn Thuấn
Đồ án tốt nghiệp
Lớp: TBĐ-ĐT 3.
1
d
= 3,5. b ; mm
Trong đó:
1
d
- đường kính cục liệu, mm ;
b - độ sấu thấm từ, mm.
Kết luận : đường kính nồi lò tỷ lệ nghịch với tần số làm việc, khi tăng tần
số làm việc thì phải giảm đường kính nồi lò. Vậy tần số làm việc quyết định dung
lượng định mức của lò (tấn/ mẻ) .
Về đặc điểm: trong quá trình nấu luyện tải luôn biến động ( khi nhiệt độ thấp µ
lớn, khi nhiệt độ cao µ nhỏ và khi đạt đến nhiệt độ Quyri µ = 0; µ là hệ số từ thẩm
của liệu ). Khi kim loại bị nấu chảy hoàn toàn có thể xem như tải bị ngắn mạch.
Theo tần số làm việc của lò, có thể cia ra làm ba loại: Lò điện cảm ứng tàn 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 tần số công nghiệp: Nhiệt cung cấp cho Lò phụ thuộc chủ
yếu vào cường độ dòng điện chạy qua cuộn cảm ứng và hiệu điện thế đặt ở hai
đầu cuộn cảm, cho nên chỉ tăng được nhiệt trong giới hạn nhất định vì còn lien
quan đến tiêt diện dây dẫn, tăng độ cách điện và công suất máy biến áp Lò. Do đó
việc cung cấp nhiệt cho Lò rất chậm, dẫn đến thời gian nấu luyện kéo dài và chi
thích hợp để nấu các mác thép các bon cao, kim loại dẽ nóng chảy ( nhiệt độ ≤
0
- Tần số 4.000 – 10.000 Hz thì cosφ = 0,25 ÷ 0,28.
Từ các công thức (1.1), (1.3) thấy rằng năng lược điện biến thành nhiệt năng
để nung chảy kim loại tỷ lệ thuật với bình phương cường độ dòng điện trong cuộn
cảm ứng. Để nung chảy kim loại nhanh cần thiết dòng điện lớn đến hang nghìn,
thậm chí hang trục nghìn ampe; đây là khó khăn trong việc cấp dòng điện cho tải
từ nguồn. Để khắc phục người ta cho các mạch L – C làm việc ở chế độ cộng
hưởng hoặc gần cộng hưởng. Chọn kiểu cộng hưởng chủ yếu ảnh hưởng đến dòng
14
GV hướng dẫn: TS Nguyễn Văn Thuấn
Đồ án tốt nghiệp
Lớp: TBĐ-ĐT 3.
– áp cần từ nguồn. Vấn đề đặt ra là cần phải cấp dòng – áp ở mước độ phù hợp,
không nên để áp quá thấp dòng quá cao hoặc ngược lại áp quá cao trong khi dòng
quá thấp.
Nếu mắc nối tiếp tụ điện với cuộn cảm ứng Lò (hình 1.2a) cho ta chế độ
cổng hưởng điện áp, khi đó thì điện áp trên L và C băng nhau về biên độ nhưng
ngựơc pha nhau, dòng điện trong mạch đạt cực đại. Dòng điện cần cung cấp rất
lớn trong khi áp lại nhỏ.
Nếu mắc song song tụ điện với cuộn cảm ứng của Lò (hình 1.2b) cho ta chế
độ cộng hưởng dòng điện, khi đó dòng điện trên L và C bằng nhau về biên độ
nhưng ngược pha nên giảm được dòng điện cung cấp.
Với các Lò nấu thép người ta không dung cách ghép tụ nối tiếp, mà dung
phương pháp ghép tụ bù song song với cuộn cảm ứng Lò. Với cách nối này cho ta
chế độ cộng hưởng dòng điện, nhờ đó giảm được dòng điện cấp từ nguồn. Sơ đồ
hình 1.2 c là dạng cộng hưởng hỗn hợp (trung gian giữa nối tiếp và song song) khi
đó dòng điện không quá cao mà điện áp không quá thấp. Trong thực tế người ta
nối theo sơ đồ hình 1.2 b với các Lò cảm úng có P ≤ 160 kw; còn đối với các Lò
cảm ứng có P ≥ 160 kw thì người ta mắc theo sơ đồ hình 1.2c
Trong mạch L – C song song tần số cộng hưởng được xác định theo
C =
Lf ..4
1
2
0
2
π
[ 1.10]
Trước đây Lò nấu thép trung tần được xây dựng theo nguyên lý máy phát
động cơ. Trong đó máy phát trung tần được quay bởi động cơ không đồng bộ ba
pha. Sơ đồ khối chức năng Lò cảm ứng trung tần dung máy phát - động cơ được
trình bầy trên hình 1.3.
Hình 1.3………….
Hình 1.3 Sơ đồ khối chức năng Lò cảm ứng trung tần dung máy phát - động cơ
Đầu ra của máy phát được nối với cuộn cảm ứng và tụ điện bù. Hệ thống tụ
bù được chia thành hai phần; phần thứ nhất được nối cố định với cuộn cảm ứng,
phần còn lại được điều khiển nối vào cuộn cảm ứng nhờ hệ thống công tắc tơ, tuỳ
theo mức độ liệu kim loại/mẻ trong quá trình nấu luyện.
Mô hình Lò cảm ứng trung tần dùng máy phát - động cơ có nhược điểm là
tiếng ồn lớn, các bộ phận của máy phát làm việc dễ phát sinh hỏng hóc; Tần số
máy phát phát ra dao động trong phạm vi hẹp nên việc điều chỉnh công suất để
đảm bảo đạt hiệu quả cao trong từng giai đoạn nâu luyện là khó khăn. Mặt khác
khi máy phát điện khởi động dòng điện khởi động của động cơ điện kéo máy phát
thường gấp 5 ÷ 7 lần dòng điện định mức vì vậy công suất nguồn điện cần phải
lớn hơn định mức nhiều, dẫn đến chi phí đầu tư tăng.
16
GV hướng dẫn: TS Nguyễn Văn Thuấn
Đồ án tốt nghiệp
Lớp: TBĐ-ĐT 3.
là tối ưu hơn cả do có những tính năng, đặc điểm, điều kiện làm việc và giá thành
phù hợp với yêu cầu của ngành công nghiệp sản xuất thép.
Với các phân tích và lựa chon như trên, sơ đồ nguyên lý lò nấu thép cảm ứng
trung tần dùng thyristor được trình bầy trên hình H1.5.
…………….. H1.5
1.2 Nguyên lý làm việc của lò nấu thép cảm ứng trung tần dùng thyristor:
Nguyên lý làm việc cơ bản là: thông qua mạch điện chỉnh lưu cầu ba pha điều
khiển hoàn toàn, nguồn điện xoay chiều thành dòng điện một chiều; sau đó qua
mạch nghịch lưu, dòng một chiều được biến đổi thành dòng xoay chiều trung tần
một pha để cung cấp cho phụ tải. Tần số của điện áp xoay chiều trên tải do thông
số của mạch tải quyết định. Bằng cách thay đổi điện áp ra của bộ chỉnh lưu, sẽ
điều chỉnh được công suất của lò nấu thép theo yêu cầu công nghệ.
Như vậy các khâu cơ bản tạo thành mạch điện của lò nấu thép trung tần dùng
thyristor gồm có hai khâu chính là:
Mạch chỉnh lưu cầu ba pha điều khiển hoàn toàn đóng vai trò là nguồn cung
cấp, bổ sung năng lượng cho phụ tải.
Mạch nghịch lưu dòng điện dung thyristor đưa năng lượng của nguồn một
chiều cùng cấp choc ho mạch dao động L – C để giữ cho biên độ dao động không
bị tắt dần (làm việc ở chế độ cộng hưởng hoặc gần cộng hưởng)
18
GV hướng dẫn: TS Nguyễn Văn Thuấn
Đồ án tốt nghiệp
Lớp: TBĐ-ĐT 3.
Từ những phân tích ở trên, từ việc nhận thức được tầm quan trọng của bộ
chỉnh lưu - nguồn cung cấp năng lượng cho tải, đối với thiết bị Lò nấu thép trung
tầm dung thyristor. Do vậy mà tôi tập trung vào việc phân tích và tính toán xây
dựng bộ chỉng lưu cầu ba pha.
của nguồn điện xoay chiều thành năng lượng một chiều và đóng vai trò là nguồn
cung cấp, bổ sung năng lượng cho phụ tải là mạch dao động L-C ( là mạch nghịch
lưu cộng hưởng ). Ở đây, bộ chỉnh lưu cầu ba pha điều khiển hoàn toàn đóng vai
trò là nguồn dòng thông qua điện kháng của cuộn lọc
d
L
để cung cấp cho mạch
nghịch lưu cộng hưởng. Vì thế, ngoài các đặc trưng năng lượng như hiệu suất và
hệ số công suất, chất lượng của chỉnh lưu còn được đánh giá bởi tính chất của
điện áp và dòng điện một chiều ở cửa ra, trong đó hệ số hài và hệ số đập mạch là
các chỉ tiêu quan trọng.
+ Với các đặc thù của lò nấu thép là phụ tải luôn thay có sự dao động, quá
trình làm việc dễ gây sự cố, nện bộ chỉnh lưu phải được thiết kế làm việc ổn định,
tin cậy để duy trì công suất đặt cho phụ tải và lập tức ngừng làm việc khi có sự cố.
mặt khác công nghệ nấu thép cần có công suất nung chảy lớnvà điều chỉnh vô cấp
công suất đầu ra. Để có thể điều chỉnh vô cấp công suất nung chảy, bộ chỉnh lưu
đóng vai trò là nguồn cung cấp, bổ sung năng lượng cho mạch dao động nện điện
áp ra của bộ chỉnh lưu phải được điều chỉnh vô cấp từ 0 ÷
maxd
U
. Chính vì vậy
dòng điện lắp đặt của bộ chỉnh lưu phải được tính chọn đảm bảo cho chỉnh lưu
làm việc ổn định trong trường hợp nặng nề nhất với điện áp ra cao nhất đảm bảo
công suất yêu cầu. Tuy nhiên trong nấu luyện thép cũng có giai đoạn cần công
suất rất nhỏ, khi đó bộ chỉnh lưu làm việc ở chế độ điện áp ra rất nhất. Điều này
đòi hỏi cần phải khắc phục hiện tượng biên động và hàm lượng các hài bậc cao
thường khi điện áp ra thấp nhất.
+ Một vấn đề nữa đặt cần khắc phục đó là trong thực tế điện cảm, điện trở của
nguồn xoay chiều cung cấp luôn tồn tại, và làm giảm chất lượng cảu chỉnh lưu so
với kết quả tính toán trong trường hợp lý tưởng. Mặc dù điện trở thuận chỉ dẫn
1.3.3 Yêu cầu kỹ thuật về bảo vệ quá dòng, quá áp:
Thiết bị lò nấu thép cảm ứng trung tần, do phụ tải dao động và trong quá
trình làm việc có thể dẫn đến phía một chiều phát sinh hiện tượng ngắn mạch. Mặt
khác trong quá trình làm việc thiết bị không thể tránh khỏi sự hỏng hóc của cá
thyristor và các dụng cụ khác do các nguyên nhân khác nhau. Vì vậy, để đảm bảo
độ tin cậy của thiết bị, đảm bảo dòng điện trung tần vượt trước điện áp một góc β
nhất định, cần thiết phải có bảo vệ quá dòng, quá áp.
Bảo vệ quá dòng, quá áp có hai nhiệm vụ, đó là: duy trì sự ổn định dòng
điện, điện áp (công suất) ở một giá trị đặt nhất định và khi trị số dòng điện, điện
áp trung tần vượt quá trỉ số chỉnh định, boả vệ lập tức tác động ngắt nguồn cung
cấp cho chỉnh lưu để đảm bảo an toàn cho thiết bị. Ngoài dung các thiết bị bảo vệ
thong thường như cầu chì, áptômát,….vv; thiết bị phải được thiết kế các mạch bảo
vệ quá dòng điện, điện áp với các chức năng cụ thể sau:
+ Khống chế (kiềm chế) dòng điện, điện áp: giả sử vì một lý do nào đó làm
cho dòng điện hoặc điện áp cấp ra quá lớn so với giá trị đặt, mạch khống chế dòng
21
GV hướng dẫn: TS Nguyễn Văn Thuấn
Đồ án tốt nghiệp
Lớp: TBĐ-ĐT 3.
điện, khống chế điện áp sẽ tác động lên bộ chỉnh lưu giảm điện áp một chiều cấp
cho nghịch lưu, từ đó duy trì điện áp cấp ra tải ở giá trị đã đăt. Khi tín hiệu vượ
quá trị số đặt sẽ đi vào bộ xúc phát chỉnh lưu, sau khi tổng hợp với các tín hiệu
khác, làm xung súc phát của chỉnh lưu dịch về phía sau (tăng góc khống chế),
điện áp cấp cho chỉnh lưu sẽ giảm đi, do đó sẽ khống chế được sự gia tăng điện áp
cấp cho tải.
+ Bảo vệ quá dòng, quá điện áp: khi phu tải chỉnh lưu xuất hiện sự cố đoản
mạch, tốc độ tăng của dòng điện ra của chỉnh lưu rất nhanh, ngược lại khi cuộn
cảm ứng có sự cố hở mạch, điện áp cấp ra phía tải sẽ xảy ra qua áp. Do vậy trị số
dòng điện hoặc điện áp vượt quá trị số chỉnh định. Đối với tình trạng này, khâu
Đồ án tốt nghiệp
Lớp: TBĐ-ĐT 3.
Thyristor còn gọi là SCR (Sillcon – Controlled – Rectifier) là nhóm các
chuyển mạch bán dẫn. Cấu tạo gồm 4 lớp bán dẫn đặt tên là P
1
, N
1
, P
2
, N
2
và ba
chuyển tiếp P–N lần lượt là J
1
, J
2
, J
3
lân cận nhau. Quá trình chuyển trạng thái xảy
ra theo nguyên lý thác lũ nhờ tương tác giữa các chuyển tiếp P–N. Anốt a được
nối với P2, K được nối với N1, cực điều khiển G được nối với P1 (hình 2.1a).
Thyristor chuyển từ trạng thái khoá sang trạng thái dẫn khi điện áp anốt vượt
quá một giá trị dương lớn hơn không nào đó, được gọi là điện áp chuyển mạch và
chuyển từ trạng thái dẫn sang trạng thái khoá khi dòng điện nhỏ hơn một giá trị
dương, được gọi là dòng duy trì. Bằng cách thay đổi dòng điện cấp cho cực G có
thể điều chỉnh được giá trị điện áp chuyển mạch nêu trên.
Do thyristor mở theo nguyên lý thác lũ (động tử được phun từ hai phía của
chuyển tiếp P–N). Vì vậy muốn chuyển thyristor sang trạng thái khoá ta phải triệt
tiêu các động tử tự do, nhưng việc triệt tiêu các động tử tự do nói trên gặp rất
C2
+I
G
K
I
C1
=I
B2
I
A
=I
E2
A
G
c) Mạch tương đương
Hình 2.1: Cấu trúc, kí hiệu và mạch tương đương của thyristor
1
Q
kc
II
=
1
Copyright: Tài liệu đại học ©