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

Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (239.06 KB, 26 trang )

THIẾT KẾ MÔN HỌC
MÔN: ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT
ĐỀ BÀI: Đề số 51
Thiết kế phần nghịch lưu của bộ nguồn cho lò tôi thép
Yêu cầu công nghệ Thông số kĩ thuật
Thiết kế bộ nghịch lưu trung tần P=75kW; f
ra
= 50kHz; U
ra
=400V
Hải phòng, năm 2012
1
1
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ LÒ TÔI THÉP
1.1. Tổng quan về công nghệ lò tôi thép
1.1.1. Khái niệm
Lò tôi cảm ứng là thiết bị biến điện năng thành nhiệt năng dụa vào hiện
tượng cảm ứng điện từ của dòng điện cao tần.
1.1.2. Tính chất công nghệ
-Tính chất của lò cao tần là tải cảm:
Lò tôi cảm ứng hoạt động dựa trên hiện tượng cảm ứng điện từ, gồm các
cuộn dây được cấp nguồn có tần số cao. Khi cho tải đi qua các chi tiết bằng thép
cần tôi thì chúng được nung nóng nhờ nguồn nhiệt sinh ra trong chính bản thân
chi tiết.
Xét 1 cuộn dây quấn xung quanh lõi
thép, khi đặt vào 2 đầu của cuộn dây này 1
điện áp xoay chiều hình sin sẽ làm phát
sinh 1 dòng điện có cường độ i đi qua cuộn
cảm:
i = I
o

.sin(ωt) (1.1)
Trong cuộn cảm xuất hiện 1 suất điện
động tự cảm:
e = -L = -ωLI
o
cos(ωt) (1.2)
Giả thiết điện trở R của cuộn cảm bằng 0, khi đó ta có định luật Ôm cho
đoạn mạch sẽ là:
u = R.i - e = ωLI
o
cos(ωt) = ωLI
o
sin(ωt+π/2)
=> u = U
o
sin(ωt+π/2) (1.3)
Như vậy hiệu điện thế ở hai đầu cuộn cảm (không có điện trở) biến thiên
điều hòa cùng tần số góc với dòng điện qua cuộn cảm và sớm pha hơn dòng điện
π/2
2
dt
di
2
-Để nghiên cứu quá trình truyền năng lượng điện từ từ nguồn điện vào
thanh kim loại người ta sử dụng phương trình Macxoel trong trường điện từ:
rot H = j + ; div H = 0; (1.4)
rot E = - ; div E = 0; (1.5)
Trong đó: B = mH : Độ từ cảm [T]
H : Cường độ từ trường [H]
D = e

o
E : Điện cảm [C/m
2
]
E : Cường độ điện trường [V/m]
j = gE = E/r : Mật độ điện dẫn
r = 1/g : Điện trở suất kim loại
g : Điện dẫn suất của kim loại
Qua biến đổi ta được năng lượng cung cấp cho kim loại:
S = (1.6)
Với: : Năng lượng cấp nhiệt cho kim loại. (1.7)
: Năng lượng phản kháng. (1.8)
H
o
: Cường độ từ trường ở bề mặt kim loại.
-Phương pháp tôi bề mặt bằng dòng điện cao tần được dùng khá phổ biến
trong các xưởng nhiệt luyện. Đây là một dạng nguồn nhiệt được sinh ra trong
bản thân chi tiết nhờ dòng điện cảm ứng tập trung ở bề mặt. Vì vậy, trong một
lớp mỏng ở bề mặt lượng nhiệt tỏa ra rất lớn, nung bề mặt chi tiết với một tốc độ
rất cao. Nhiệt lượng được phát sinh chủ yếu do 2 nguyên nhân:
3
t
D
∂
∂
t
B
∂
∂
Q

P
2
2
+
γδ
δ
2
0
2
2
e
HP
z
−
=
γδ
δ
2
0
2
2
e
H
i
Q
z
−
=
3
+Xuất hiện dòng Fucô: Đây là các dòng điện khép kín (Có chiều ngược

lại với chiều của dòng kích thích) do đó được biến đổi hoàn toàn thành nhiệt
năng. Trên thực tế, tần số được sử dụng để nhiệt luyện thường từ 500Hz ÷
1MHz. Tần số càng cao thì chiều sâu nung càng nhỏ. Chiều sâu của lớp mỏng
tiêu thụ 86,5% lượng nhiệt cung cấp được gọi là chiều sâu xâm nhập của dòng
cảm ứng, được tính bằng công thức:
d = 503 (m) (1.9)
+Xuất hiện đường cong từ trễ: Dưới tác dụng của từ trường ngoài với
cường độ H [A/m], trong vật liệu dẫn điện xuất hiện cảm ứng từ (mật độ từ
thông) B [T]. Khi từ trường biến thiên, sẽ tạo nên vòng từ trễ và diện tích của
vòng từ trễ chính là năng lượng điện từ được chuyển thành nhiệt năng:
S
T
= BdH [J/m
3
] (1.10)
S
T
thể hiện lượng nhiệt được sinh ra trong một đơn vị thể tích vật liệu
dưới tác động của điện từ trường biến thiên.
-Trong quá trình tôi, chiều sâu sâm nhập của dòng cảm ứng bị thay đổi do
giá trị điện trở suất ρ và độ thẩm từ μ thay đổi theo nhiệt độ. Khi nung từ nhiệt
độ thường tới nhiệt độ Quyri (7680
o
C), điện trở suất tăng mạnh, còn độ từ gần
như không đổi. Sau nhiệt độ Quyri điện trở suất tăng chậm lại, độ thẩm từ nhanh
chóng giảm xuống tới =1, cường độ nung giảm mạnh, do đó, trên thực tế khi
nung tháp phải tính toán riêng cho hai giai đoạn nung (dưới và trên điểm Quyri).
Chiều sâu xâm nhập của dòng cảm ứng đối với thép cacbon thấp như sau:
4
f

µ
ρ
4
Dưới 700
o
C: [cm]
Trên 800
o
C: [cm]
Đối với vật liệu là thép khi nung với nguồn có tần số f=50kHz, nhiệt độ
nung thay đổi từ 20÷100
o
C thì ρ thay đổi từ 10.10
-6
÷ 130.10
-6
(Ωm) và μ thay đổi
từ 60 ÷ 1(H/m). Khi đó lớp thấm tôi cũng thay đổi δ=0,22 ÷ 6,7(mm). Với công
suất tôi là 75kW thì thích hợp cho việc tôi các vật có kích thước vừa và nhỏ
khoảng φ20 cm với lớp tôi từ 0,5 ÷ 6 mm như các bánh răng, trục khuỷu
Trong trường hợp toàn bộ lớp tôi được nung bằng dòng cảm ứng, đảm bảo
tốc độ nung cao; còn nếu chiều sâu lớp xâm nhập của dòng cảm ứng quá nhỏ so
với chiều sâu lớp tôi thì quá trình nung sẽ xảy ra chủ yếu bằng dẫn nhiệt với tốc
độ thấp.
Chiều sâu lớp tôi không những phụ thuộc vào tần số mà còn phụ thuộc
vào bản chất của vật liệu tôi, nhiệt độ nung và tốc độ nung trong khoảng chuyển
biến pha, nói chung ở nhiệt độ cao hơn điểm Quyri. Để đảm bảo chất lượng lớp
tôi với thông số đã xác định là tần số 50kHz cần lựa chọn thời gian nung tức tốc
độ phù hợp.
Để xác định tốc độ nung, cần phải biết thời gian nung lớp kim loại ở

khoảng nhiệt độ đã cho. Các phương pháp tính toán (Chủ yếu là thực nhiệm) giả
định rằng công suất riêng, tính cho một đơn vị bề mặt là không đổi. Thực tế
chúng có thể thay đổi cỡ 30-50%, cho nên ta sẽ phải dùng giá trị trung bình
q(W/m
2
).
1.2. Xác định khoảng thời gian nung
5
f
2
1
=
δ
f
60
2
=
δ
5
1.2.1. Xác định thời gian nung giai đoạn một:
Chiều sâu xâm nhập của dòng cảm ứng d
1
trong giai đoạn này thường nhỏ
hơn chiều sâu lớp tôi bề mặt (≈d
2
) nhiều lần, nên có thể coi rằng nhiệt lượng
sinh ra từ bề mặt được truyền vào trong bằng dẫn nhiệt. Vì vậy sử dụng phương
trình mô tả quá trình dẫn nhiệt với dòng nhiệt không đổi (từ bề mặt) để tính
toán, ta được:
(1.11)

Trong đó:
J = t-t
đ
: Nhiệt độ của chi tiết tính từ nhiệt độ ban đầu t
đ
[
o
C]
l : Hệ số dẫn nhiệt của kim loại [W/mK]
a : Hệ số khuếch tán nhiệt (dẫn nhiệt độ) của kim loại [m
2
/s]
x : Khoảng cách kể từ bề mặt [m]
t : thời gian [s]
q : Công suất riêng (nhiệt suất tạo ra trong chi tiết trên một
đơn vị bề mặt của nó) [W/m
2
]
iercf(z) : Kí hiệu tích phân hàm Krampa
Khi đó nhiệt độ trên bề mặt (x=0) tính theo công thức sau:
(1.12)
Từ đó thời gian nung bề mặt chi tiết giai đoạn một được tính là:
(1.13)
1.2.2. Xác định thời gian nung giai đoạn hai:
6
τ
λ
τ
ϑ
a

x
ierfc
aq
x
2
2
=
π
τ
λ
ϑ
aq
M
2
=
2
2
2








=
qa
ϑλπ
τ

6
Đây là giai đoạn nung từ nhiệt độ Quyri đến nhiệt độ tôi. Do độ thẩm từ
giảm mạnh, chiều sâu xâm nhập dòng cảm ứng được tăng lên tương ứng với
chiều sâu lớp tôi. Do đó, để tính toán ta sử dụng phương trình vi phân mô tả quá
trình dẫn nhiệt với nguồn nhiệt phân bố đều trong lớp tôi bề mặt. Công thức tính
nhiệt độ tại điểm bất kỳ như sau (với x≤d
2
):
(1.14)
Trong đó:
J
Q
= t - t
Q
: Là nhiệt độ kim loại tính từ điểm Quyri t
Q
[
o
C]
d
2
: Chiều sâu xâm nhập dòng cảm ứng [m]
Hàm F(z) tính như sau:
F(z) = (1.15)
erfz : Hàm Krampa theo z
Khi đó:
Nhiệt đọ tại bề mặt chi tiết (x=0) trong giai đoạn hai tính như sau:
(1.16)
Nhiệt độ tại biên giới trong của lớp tôi (lấy x=d
2

) tính như sau:
(1.17)
Dựa trên các công thức này và bằng phương pháp gần đúng liên tục (cho
giá trị τ, tính và t, nếu sai số lớn thì chọn lại τ và lặp lại phép tính) có thể
tính thời gian nung từ điểm Quyri đến nhiệt độ tôi của bề mặt chi tiết và giới hạn
7
( ) ( )


















−









−
−+








−








+
+=
1
2
1
2
4

2
2
2
2
2
2
2
ττ
λ
δ
δ
δ
δ
δ
ϑ
a
x
Fx
a
x
Fx
q
Q
2
1
2
1
1
2
z

e
z
erfz
z
−
+






+
π






−








=

1
2
2
22
τ
δ
λ
δ
δ
a
F
q
QM






−








=
1

2
22
τ
δ
λ
δ
δ
a
F
q
QT
Q
ϑ
7
trong lớp tôi. Cuối cùng thời gian nung tổng thể bằng tổng thời gian nung của
giai đoạn một và hai
1.3. Yêu cầu của công nghệ
1.3.1. Yêu cầu của thép được đem tôi
Chất lượng của thép được đem tôi được đánh giá qua các thông số độ dày
lớp được tôi, độ cứng, độ dẻo nó phụ thuộc vào nhiều yếu tố như:
+Đặc điểm của thép đem tôi: thành phần cacbon, hình dạng, kích thước
+Thời gian tôi, thời gian làm nguội
+Đặc điểm của nguồn (tần số, biên độ, công suất ), môi chất làm nguội.
1.3.2. Đặc điểm của nguồn điện cấp cho lò tôi:
Bộ nguồn nghịch lưu đảm bảo cung cấp đủ năng lượng cho lò khi có tải
tức lúc đang tôi và phải đảm bảo làm việc được lúc không tải khi chi tiết đem tôi
di chuyển hết ra khỏi ống vòng dây của thiết bị nung.
Do đặc điểm làm việc của lò tôi là không tải thường xuyên lặp lại nên
nghịch lưu đòi hỏi phải làm việc được ở chế độ không tải.
1.3.3. Cấu tạo của thiết bị:

Thiết bị tôi cảm ứng dùng dòng tần số cao từ 500 ÷ 500.000Hz. Thiết bị
cao tần bao gồm hai bộ phận chính là: nguồn phát tần số vsf cuộn cảm ứng,
ngoài ra còn có các bộ phận để làm nguội.
-Nguồn phát tần số cao có các loại chính:
+Máy phát tần số trung bình (500÷10.000Hz) dùng chủ yếu để nung sâu
hoặc để nấu chảy kim loại
+Máy phát tần số từ 10.000÷20.000Hz dùng chủ yếu để nung các chi tiết
có kích thước trung bình với độ sâu thẩm thấu khoảng 0,1÷2mm
+Máy phát tần số cao (200.000÷500.000Hz) dùng bóng bán dẫn để nung
lớp mỏng bề mặt.
8
8
-Cuộn cảm ứng có nhiều loại, tùy thuộc vào hình dáng, kích thước của chi
tiết, phương pháp nung như công suất của thiết bị và yêu cầu về năng suất cần
đạt.
1.4. Phạm vi ứng dụng
Lò tôi cảm ứng hiện nay được sử dụng rất rộng rãi trong ngành luyện kim,
đây là phương pháp nhiệt luyện tiên tiến, chủ yếu dùng để tôi bề mặt. Nó có
những tính năng ưu việt sau:
-Có thể truyền nhiệt lượng cho vật cần tôi một cách trực tiếp, nhanh
chóng không cần khâu trung gian do đó có thể tiến hành tự động hóa sâu và hiệu
suất cao. Đồng thời, do thời gian nung ngắn nên bề mặt sản phẩm không bị oxi
hóa.
-Có thể tiến hành gia nhiệt trong các môi trường khác nhau như môi
trường trung tính, chân không một cách dễ dàng.
-Do đặc điểm của phương pháp mà chi tiết đem tôi có độ cứng bề mặt cần
thiết trong khi vẫn giữ được độ dẻo thích hợp trong lõi đảm bảo được các yêu
cầu kỹ thuật đặt ra đối với chi tiết đem tôi. Mặt khác, lò tôi cảm ứng có thể tôi
được các chi tiết có hình dạng phức tạp mà các phương pháp khó có thể đáp ứng
ví dụ như các trục khuỷu, bánh răng, vấu

-Do có thể tự động hóa sâu mà năng suất lao động được nâng lên, điều
kiện lao động cũng được cải thiện.
Tuy nhiên, nó cũng có những nhược điểm:
-Chủ yếu dùng cho những chi tiết có cùng tiết diện hay tiết diện thay đổi
không đáng kể. Với những chi tiết phức tạp, khó đạt tổ chức mactenxit đồng
nhất, ngoài ra hệ số hữu ích của thiết bị thấp (0,1- 0,2)
-Không đảm bảo đủ độ bền tĩnh đối với những chi tiết làm việc ở chế độ
nặng nề nhất (đặc biệt chi tiết lớn trên φ30) vì lõi không được hóa bền.
CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ VÀ TÍNH TOÁN MẠCH ĐIỀU KHIỂN
3.1. TRÌNH BÀY SƠ ĐỒ CẤU TRÚC ĐIỀU KHIỂN TỔNG QUÁT
9
9
Phát xung i u khi n kh i ngđ ề ể ở độ
Chia xung
Khu ch i s a xungế đạ ử
Van m ch l cạ ự
Khâu ph n h iả ồ
3.2. CHỨC NĂNG CÁC KHÂU TRONG MẠCH ĐIỀU KHIỂN
- Khâu tạo xung điều khiển khởi động: khâu này có chức năng tạo ra xung
điều khiển lúc khởi động và được tách ra khi đã có xung phản hồi từ mạch lực,
lúc mạch đã hoạt động.
- Khâu chia xung: khâu này có tác dụng tạo ra xung có tần số phù hợp với
yêu cầu của mạch lực bộ nguồn. Đồng thời khâu này có chức năng phân xung
điều khiển vào từng kênh cho các nhóm van trong mạch lực.
- Khâu khuếch đại sửa xung: khâu này nhằm tạo ra xung điều khiển thích
hợp với van mạch lực và cách ly hoàn toàn về điện giữa mạch lực và mạch điều
khiển đảm bảo an toàn cho người điều khiển.
- Khâu phản hồi có tác dụng tạo ra xung phản hồi điều khiển mạch (sau khi
mạch đã hoạt động). Đồng thời khâu này còn phải thực hiện chặn xung điều
khiển từ khâu phát xung khởi động.

* Nguyên lý làm việc của mạch điều khiển
- Đầu tiên, khâu phát xung điều khiển khởi động phát ra xung có tần số f
đk
,
xung này được đưa vào khâu chia xung để tạo ra xung có tần số bằng tần số của
nghịch lưu f
N
. Sau đó, xung được phân ra 2 kênh để đi vào điều khiển 2 nhóm
10
10
van của mạch lực. Xung này có dạng xung vuông chữ nhật, sau khi cho qua
mạch vi phân xung ra có dạng xung răng cưa.
- Tiếp theo, xung được đưa vào bộ phận chuyển mạch ( khi chưa có xung
phản hồi) rồi khâu khuếch đại tạo xung để tạo ra xung có điện áp phù hợp cấp
cho mạch van.
- Sau khi, mạch van làm việc, tải bắt đầu hoạt động, có dòng điện tải dạng
hình sin ( do thực hiện nghịch lưu cộng hưởng nguồn áp). Dòng điện này ta cho
đi qua biến dòng để tạo tín hiệu áp sau đó cho đi qua mạch so sánh để tạo ra
xung có điện áp phù hợp. Xung này được xử lý bằng mạch số để tạo tín hiệu
chặn xung điều khiển. Đồng thời cũng lấy xung này qua các khâu để chỉnh sửa
thành xung phù hợp và đưa vào mạch để điều khiển sau đó.
* Như vậy, sau khi xung phản hồi xuất hiện, khâu phản hồi thực hiện
chức năng của mình là chặn tín hiệu xung điều khiển khởi động và lấy tín hiệu
phản hồi về để điều khiển. Khi đó mạch sẽ làm việc ổn định ở chế độ cộng
hưởng.
3.3. TÍNH TOÁN THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN
* Các thông số cần đạt được của mạch điều khiển:
+ Điện áp điều khiển của Tristor U
đk
= 3 V

+ Dòng điện điều khiển I
đk
= 100mA
+ Tần số nghịch lưu f
N
= 10000Hz
+ Độ rộng xung răng cưa t
x
+ Mức sụt áp xung cho phép
∆
U
x
=0,2 V
+ Điện áp nguồn nuôi mạch điều khiển 15V
11
11
3.3.1. Tính toán khâu phát xung điều khiển khởi động
- Ta cần tạo ra mạch phát xung điều khiển có tần số f
đk
=2.f
N
(vì khi sau khi
đi qua khâu chia xung, phân kênh là T-Flip-Flop thì tần số sẽ bị giảm đi một
nửa)
- Ở đây ta sử dụng mạch tạo dao động dùng Op-Amp là phổ biến hiện nay:
Sơ đồ mạch:
15V
D1
DIODE
+

U1
LM318
-15V
C1
0.03uF
R
1k
R3
1k
R2
0.86k
R1
1k
Tần số dao động của mạch phù hợp với tần số xung mở Tristor là:
f
đk
= 2f
N
= 2.50000 = 100000(Hz)
Ta có chu kỳ xung của mạch là:
T = 2.RC.ln








+

1
2
21
R
R
Vì ở đây các điện trở không tham gia vào việc hạn chế dòng điện nên có
thể chọn sao cho: T= 2.RC
Do đó ta chọn: R1= 1 k
Ω
và R2= 0,86 k
Ω

12
12
Khi đó: T= 2.RC =
5
k
1 1
1.10 ( ) 10( )
100000
đ
s µs
f
−
= = =
Chọn R=1 k
Ω
=> C=
3
10

0,005( )
2.10
µF
=
Chọn khuếch đại thuật toán: do yêu cầu tạo ra xung có tần số điều khiển
f
đk
=20000 Hz nên ta cần phải chọn một IC có tốc độ nhanh. Do đó ta chọn IC
LM318. IC này chỉ gồm một con trên một vỏ nên rất thích hợp với việc làm
mạch tạo dao động:
Vì vậy ta chỉ cần chọn 1 IC cho một mạch tạo dao động duy nhất
+ Nguồn cung cấp : U
CC
=
±
15V
+ Dòng vào IC : I
vao
= 10 mA
+ Công suất : P = 500 mW
+ Nhiệt độ làm việc: t
0
C = 0 – 70
0
C
Sau mạch tạo dao động ta nắp thêm mạch R-Diode để loại bỏ phần xung
âm: ta chọn R3= 1 k
Ω
và diode 1N4448 có các thông số sau:
+ Điện áp ngược: U

ng
=20 V
+ Dòng điện max: I
max
=100mA
13
13
3.3.2. Tính toán khâu chia xung và phân kênh
- Ta sử dụng T-Flip-Flop làm mạch chia xung ( chia 2) và phân kênh.
T Flip-Flop được tạo ra từ D-Flip-Flop bằng cách nối đầu ra
Q
với đầu
vào D. Xung điều khiển được đưa vào đầu vào xung nhịp C của D Flip-Flop.
Chọn D Flip-Flop là IC 4013
3.3.3. Tính toán khâu khuếch đại sửa xung
a, Mạch vi phân:
- Ta sử dụng khâu vi phân đơn giản dùng mạch R-C. Do xung đi qua Flip-
Flop có thể bị méo dạng xung nên cần có phần hiệu chỉnh điện áp xung ở sau, vì
vậy ở đây ta chọn mạch vi phân như sau:
Khi đó ta có:
u
ra
= RC.du
vao
/dt
b, Mạch khuyếch đại:
14
14
- Thiết kế máy biến áp xung thực hiện chức năng khuếch đại tạo xung và
cách ly điện áp giữa mạch điều khiển và mạch lực.

- Tính toán biến áp xung
o Chọn vật liệu làm lõi sắt: biến áp xung luôn phải làm việc với tần số
cao do đó các lõi thép thích hợp với tần số 50Hz (lõi làm từ các lá thép kỹ thuật
bình thường) không thể đáp ứng được, mà phải sử dụng lõi sắt ferit. Ở đây lõi
sắt bị từ hóa một phần.
o Tính toán thể tích lõi sắt:
V=
HB
UtIUK
xxba
∆∆
∆
.

22
trong đó:
+ K
ba
là hệ số máy biến áp K
ba
=2
+ U
2
là điện áp điều khiển U
2
= 1,6V
+ I
2
là dòng điều khiển I
2

= 100mA
+
∆
U
x
là độ sụt áp cho phép của xung điều khiển
∆
U
x
= 0,2V
+ t
x
là độ rộng xung điều khiển, vì xung là đối xứng hay khoảng không có
xung bằng khoảng có xung nên ta có:
tx =
x
f2
1
=
1
2.50000
= 1.10
-5
(s)
Do chế độ của lõi sắt làm việc ở miền từ hoá một phần nên theo đồ thị ta
chọn:
∆
B = 0.2 T và
∆
H =30 A/m.

15
15
Thay vào cụng thức ta cú :
V =
3 5
2.1,6.100.10 .10 .0,2
0,2.30
− −
V = 0,53.10
-6
(m
3
)
Tra bảng các loại lõi sắt làm việc trong miền từ hóa một phần ta chọn lõi
sắt có dạng trụ với các thông số sau:
+ Loại lõi sắt 2213
+ Đường kính ngoài 22mm
+ Đường kính trong 13mm
+ Diện tích lõi sắt S
lõi
= 0,635 cm
2
+ Diện tích cửa sổ từ S
cửa sổ
= 0,297 cm
2
Ta cũng tính được các thông số của cuộn sơ cấp máy biến áp như sau:
+ Điện áp: U
1
= U

2
.K
ba
= 1,6.2 = 3,2 V
+ Dòng điện: I
1
= I
2
/K
ba
= 100/2 = 50 mA
Hình dạng và kích thước lõi sắt như sau:
8
2213
16
16
Tính toán số vòng dây của cuộn sơ cấp và thứ cấp biến áp xung:
W
1
=
ba
x
SB
tU
.
.
1
∆
=
5

4
3,2.10
0,2.0,635.10
−
−
= 14 (vòng)
W
2
= W
1
/K
ba
=14/2 = 7 (vòng)
o Biến áp xung cần đảm bảo nhân thành nhiều xung để điều khiển nhiều
van ( 2 van) cùng nhóm mở cùng một lúc nên cần thiết kế biến áp xung nhiều
cuộn thứ cấp, ở đây biến áp xung cấn có 2 cuộn thứ cấp. Hai cuộn thứ cấp này
có cấu tạo hoàn toàn tương tự nhau nên ta không cần tính toán thêm nữa. Như
vậy khâu khuếch đại tạo xung có cấu tạo như sau:
- Lựa chọn các van:
Xung điều khiển là dạng xung đơn nên ta lựa chọn mạch trên làm mạch
khuếch đại tạo xung (sử dụng biến áp xung).
o Hai bóng T1 và T2 đều chọn theo điều kiện điện áp như nhau là chịu
được trị số nguồn Ecs=15V. Về dòng điện, bóng T1 chọn theo dòng điện đi qua
cuộn sơ cấp của biến áp xung: I
C1
= I
1
= 50 mA.
Từ đó ta chọn bóng T1 là: ZTX300 có các thông số sau:
17

17
+ Ic max = 0,5 (A) = 500 (mA)
+ Uce max =25 V
+ β min = 50
+ Pc max = 0,3 (W)
o Dòng qua bóng T2 chính là dòng qua bazo T1 và bằng:
I
C2
=I
b1
= I
C1
/
1
β
= 50/50 =1 (mA)
Từ đó ta có thể chọn bóng T2 là: BC108 có các thông số sau:
+ Ic max = 0,1 (A) = 100 (mA)
+ Uce max =20 V
+
β
min = 110
+ Pc max = 0,3 (W)
o Vì độ rộng xung điều khiển nhỏ hơn nhiều chu kỳ phát xung nên công
suất phát nhiệt trên van không đáng kể và không phải quan tâm đến vấn đề này
khi tính toán. Điện trở R1 chọn từ điều kiện mở bão hòa tốt cho T1, T2 đồng
thời không gây quá tải cho tầng trước của khuếch đại xung:
I
s
E

R
I
U
CS
V
V
max1
21
1
max
max
.
ββ
≤≤
trong đó:
+ Uvmax là điện áp lớn nhất van chịu được: Uvmax = 25 V
+ Ivmax là dòng điện lớn nhất van chịu được: Ivmax = 0,5 A
+
1
β
,
2
β
lần lượt là hệ số khuếch đại của T1, T2:
1
β
= 50,
2
β
= 110

18
18
+ Ecs là điện áp nguồn cung cấp: Ecs = 15V
+ s là hệ số bão hòa s= 1,2 – 1,5 lấy: s= 1,2
Từ đó ta đựơc:
10.75
2,1
15.11050
5,0
25
3
1
.
.
−
≤≤
R
50
≤
R1
≤
917.10
3
(
Ω
)
=> Chọn R1= 500 k
Ω
o Diode D1 có tác dụng bảo vệ cho các tranzitor, chức năng của nó là
loại bỏ phần điện áp âm đi vào khuếch đại xung. Diode D2 nhằm chống quá áp

gây hỏng các bóng khi chúng chuyển từ dẫn sang khóa do ảnh hưởng của sức
điện động tự cảm trên cuộn dây biến áp xung.
Từ đó ta có thể chọn các diode như sau:
* Diode D1 và D2 là loại 1N4448 có các thông số sau:
+ Điện áp ngược: U
ng
=20 V
+ Dòng điện max: I
max
=100mA
Như vậy ta đã thiết kế xong khâu khuếch đại tạo xung.
* Để điều chỉnh được xung đầu vào khâu này nhằm đạt được xung theo
yêu cầu, ta thiết kế thêm bộ phận khuếch đại điện áp sử dụng khuếch đại thuật
toán mắc theo kiểu khuếch đại không đảo. Nhằm để điều chỉnh điện áp nên ta
thiết kế mạch khuếch đại có thể thay đổi được hệ số khuếch đại bằng cách dùng
biến trở R3 như hình vẽ:
19
19
Hoặc ta cũng có thể sử dụng diode ổn áp có U
ổn áp
= 6 (V) =U
1
. Từ đó ta
chọn loại diode ổn áp MMSZ6V2T1 có các thông số:
+ Điện áp: U
ổn áp
= 6,2 (V)
+ công suất: P= 1 (W)
Ta sẽ sử dụng diode ổn áp ở mạch phản hồi để tạo ra xung phù hợp cho
vào khâu khuếch đại tạo xung.

3.3.4. Tính toán khâu phản hồi:
a, Biến đổi tín hiệu bằng biến dòng:
- Ta sử dụng biến dòng để tạo ra tín hiệu áp phản hồi điều khiển mạch.
Chọn biến dòng loại AMC2-300 có các thông số:
+ Dòng vào: I
vao
=300 A
+ Dòng ra: I
ra
= 5 A
- Tín hiệu ra khỏi biến dòng là tín hiệu áp hình sin, để tạo ra tín hiệu xung
điều khiển ta cho tín hiệu này qua mạch so sánh sử dụng Comparator loại
LM119 có các thông số sau:
+ Nguồn cấp: U
CC
=
±
15V
+ Dòng vào lớn nhất: I
max
= 11,5 mA
20
20
+ Công suất: P = 500 mW
+ Nhiệt độ làm việc: t
0
C = 0 – 70
0
C
- IC này gồm có 2 con trong một vỏ nên rất thuận tiện cho việc thiết kế

mạch điều khiển:
b, Tạo tín hiệu chặn xung điều khiển:
- Để tạo tín hiệu chặn xung điều khiển ta thực hiện như sau:
+ Khi có tín hiệu điện áp (dạng sin) phản hồi thì nó được chỉnh lưu qua
mạch cầu Diode và được lọc bằng tụ. Nó tạo thành dòng chảy qua cực gốc phát
của Trazitor làm cho Tranzitor dẫn ở trạng thái bão hòa, do đó tín hiệu Q sẽ ở
21
21
mức thấp “0” logic ( V
Q
= 0,6 V). Ngược lại khi không có tín hiệu phản hồi thì
tín hiệu Q sẽ ở mức cao ( V
Q
= 5 V).
+ Tiếp đó tín hiệu phản hồi được đưa vào mạch có thêm phần tử NOT và
AND như hình vẽ: nếu không có tín hiệu phản hồi tương ứng với Q = “1” thì nó
sẽ cho tín hiệu xung điều khiển đi qua còn khi có tín hiệu điều khiển tương ứng
với Q= “0” thì nó sẽ không cho tín hiệu xung điều khiển đi qua và như vậy tín
hiệu điều khiển sẽ bị chặn lại.
+ Tính toán, lựa chọn cho khâu phản hồi như sau:
o Chọn cầu Diode chỉnh lưu loại 2KBP005 có các thông số như sau:
U
ng_D
= 50 (V)
I
D
= 2 (A)
o Tranzitor loại ZTX300 và Diode loại 1N4448 có các thông số đã cho ở trên.
o Các điện trở R1 = R2 = 1 k
Ω

và tụ bù C = 100
F
µ
3.3.5. Tính toán thiết kế bộ nguồn cho mạch điều khiển
- Thiết kế nguồn một chiều có điện áp ra là
±
15V
Ta sử dụng mạch chỉnh lưu cầu và vi mạch ổn áp LM7815C
- Tính toán máy biến áp nguồn:
+ Điện áp thứ cấp của MBA nguồn lấy U
2
= 18V
+ Công suất cấp cho 2 diode ổn áp MMSZ6VT1 là:
P
D_ổn áp
= 2.1 = 2 (W)
+ Công suất biến áp xung cấp cho mạch điều khiển mở 4 van Trisistor
P
BAX
= 4.3.100.10
-3
= 1,2 (W)
22
22
+ Công suất cấp cho 2 tranzitor của mạch khuếch đại tao xung
P
tran
= 2.0,3= 0,6 (W)
+ Công suất của 3 OpAmp LM318
P

OpAmp
= 3.0,5 = 1,5 (W)
+ Công suất của 2 Comparator LM119
P
Com
= 2.0,5 = 1 (W)
+ Công suất tính toán MBA là
P
TT
= 2 + 1,2 + 0,6+ 1,5 + 1= 6,3 (W)
+ Lấy hiệu suất của MBA là
η
=0,85 thì công suất thực tế của MBA cần
thiết kế
P
BA
= 6,3/0,85 = 7,41 (W)
Ta lấy công suất của MBA là P
BA
= 8 (W)
+ Từ đó dòng sơ cấp MBA là:
23
23
I
1
= P
BA
/U
1
= 8/220 = 0,036 (A)

+ Dòng thứ cấp MBA là:
I
2
=
1
.2
P
U
BA
=
18.2
8
= 0,222 (A)
+ Thiết diện lõi thép MBA là
S = k
Q
.
mf
P
BA
= 5.
50.1
8
= 2 (cm
2
)
trong đó: k
Q
hệ số phụ thuộc phương thức làm mát lấy k
Q

= 5
m là số trụ của MBA ở đây m=1
f là tần số lưới điện f=50 Hz
+ Chuẩn hóa có S = 2cm
2
và các thông số khác của lõi thép
a = 12 mm
h = 30 mm
c = 12 mm
Thể tích thép từ: V = 25,53 cm
3
Trọng lượng thép từ: G = 210 gr
Số lượng lá thép 106 lá
Công suất MBA: P= 8W
+ Chọn mật độ từ cảm trong trụ là B = 1T, ta có số vòng dây cuộn sơ cấp
W
1
=
==
−
4
1
10.2.1.50.44,4
220
44,4 SBf
U
4955 (vòng)
24
24
+ Số vòng dây cuộn thứ cấp

W
2
= W
1
.
220
18
.4955
1
2
=
U
U
= 405(vòng)
+ Lấy mật độ dòng điện là J
1
=J
2
=2,5 (A/mm
2
), ta có tiết diện dây sơ cấp:
s
1
= I
1
/J
1
= 0,036/2,5 = 0,0144 (mm
2
)

+ Tiết diện dây thứ cấp:
s
2
= I
2
/J
2
= 0,222/2,5 = 0,0888 (mm
2
)
+ Từ đó đường kính dây sơ cấp là:
d
1
=
ππ
0144,0.4
4
1
=
s
= 0,135 (mm)
+ Đường kính dây thứ cấp
d
2
=
ππ
0888,0.4
4
2
=

s
= 0,336 (mm)
- Tính toán mạch tạo nguồn
+ Dòng trung bính qua diode là:
I
D
= I
2
/
2
= 0,222/
2
= 0,157 (A)
+ Điện áp ngược đặt lên diode là
U
ng_D
=
2
U
2
=
2
. 18 = 25 (V)
+ Từ đó ta chọn cầu diode chỉnh lưu 2KBP005 có các thông số:
U
ng_D
= 50 (V)
I
D
= 2 (A)

25
25

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

Tài liệu liên quan

Tài liệu bạn tìm kiếm đã sẵn sàng tải về