thiết kế bộ nguồn công suất cho lò nấu thép

Chơng 1.Giới thiệu chung về lò nấu thép
1.1.Tìm hiểu về lò nấu thép
- Ngnh luyn kim ra i t rt lõu, sn phm ca nú ỏp ng c nhu
cu trong moi lnh vc. Trong thi gian u, cỏc phong phỏp luyn thộp c
in nh: lũ cao, lũ Mactanh- õy l nhng loi lũ dựng nhiờn liu t nh ci
than Ngy nay, vi s s dng rng rói ca in nng thỡ phng phỏ nu
luyn thộp bng in chim u th:
Nu luyn thộp bng lũ in l phng phỏp nhanh nht, mang li
hiu qu kinh t cao vỡ phng phỏp ny bin i in nng thnh
nhit nng
iu chnh nhit d dng, kh nng t ng hoỏ cao v cú kh
nng luyn, nu c nhiu loi thộp khỏc nhau, dựng cho mc ớch
khỏc nhau.
It gõy ụ nhim mụi trng.
- Cú cỏc loi lũ ph bin sau: lũ h quang, lũ in tr, lũ cm ng.
- Trong cỏc loi lũ in trờn thỡ lũ cm ng cú cỏc u im ni tri hn c:
Nu chy c kim loi sch nht, vn hnh n gin v cú th nu
chy trong chõn khụng hay trong mụi trng c bit. So vi lũ in
tr v lũ h quang thỡ hiu qu nhit ca lũ in cm ng l 80% so
vi 60%-75% ca 2 lũ kia v hiu suõt nhit lờn ti 96%.
Tuy nhiờn lũ cm ng cú h s cụng sut gim khi in tr ca vt
liu gim v tng nh s ny thng ngi ta mc cỏc t in
song song vi lũ. Nhit ca x thp cho nờn khú cú th tinh luyn
thộp.
Mt im chỳ ý trong lũ in cm ng l tn s lũ cng cao khi khi
lng phi liu nu trong nũi m thp.
500 000Hz i vi lũ nh, nu thớ nghim 10g - 100g.
8000Hz - 4000Hz i vi lũ thớ nghim nu vi kg.
2000Hz i vi lũ cụng nghip nh, mt m 50 kg - 500kg.
1000Hz i vi lũ mt m 250kg-2000kg.
50Hz (tn s cụng nghip) vi cỏc lũ nu ln trong cụng nghip

Nói riêng về lò cảm ứng
* Lò cảm ứng Theo ứng dụng có thể chia làm 2 loại là: lò có lõi sắt và
không có lõi sắt.
- Loại lò có lõi sắt ở giữa: xuất hiện sức điện động hỗ cảm vào nguyên liệu
rắn:
E2 = 4,44.f.W2..10
-8
(V)

f - tần số (Hz), chu kỳ (s)
W2 - số vòng cuộn dây thứ cấp
- từ thông sinh ra ở lõi sắt (Wb)
1
Nhờ dòng xoay chiều gây ra cho từ trờng nam châm của lõi sắt mà kim loại
rắn đợc nung nóng dần, cuối cùng chảy vào rãnh và có thể lấy ra ngoài. Loại
này ít thông dụng vì năng suất không cao, xỉ luôn luôn bị nguội.
- Loại không có lõi sắt rất thông dụng hiện nay:
Đặc điểm của loại lò này là từ trờng từ cuộn dây cảm ứng đợc dẫn thẳng
vào kim loại. Tại đây sinh ra dòng điện hỗ cảm có cờng độ không đều trên dây
đồng. Mật độ dòng điện tập trung ở mặt ngoài dây, ở giữa giảm dần.
Ưu điểm của lò cảm ứng không có lõi thép là:
- Có thể luyện đợc hợp kim có độ sạch cao
- Luyện đợc hợp kim đồng nhất, thành phần hoá học trong bể lò đồng đều
do sự xáo trộn gây ra bởi lực điện động.
- Kim loại luyện có nhiệt độ cao và đạt đợc nhiệt độ cực đại trong toàn bộ
khối kim loại.
- Kim loại cháy ít do nung kim loại từ trong ra ngoài.
- Hiệu suất, năng suất lò cao.
- Điều chỉnh công suất và nhiệt độ đơn giản, dễ dàng, phạm vi rộng.
Lò cảm ứng đợc ứng dụng để luyện thép chất lợng cao và các hợp kim đặc

biệt khác có yêu cầu độ sạch cao, đồng đều và chính xác về thành phần hoá học.
Cấu tạo của lò
Gồm hai bộ phận chính là vòng cảm ứng và nồi lò.
- Vòng cảm ứng làm bằng đồng hoặc ống sắt dẹt. Vì dòng qua vòng cảm
ứng cỡ hàng ngàn ampe nên tổn hao điện chiếm tới 25 ữ30% công suất hữu ích
của thiết bị. Do vậy cần làm mát vòng cảm ứng.
Làm mát bằng không khí cho phép mật độ dòng điện 2 ữ 5A/mm
2
. Làm
mát bằng nớc trong vòng cảm ứng rỗng cho phép dòng điện tới 50 ữ 70A/mm
2
.
- Nồi lò làm bằng vật liệu chịu lửa.
1.2.Tìm hiểu về tải
1.2.1.Đặc tính tải trong quá trình nấu thép
Tải lò nấu thép là tải có tính cảm kháng.Đầu tiên ta dễ nhận thấy tải phụ thuộc
nhiệt độ theo công thức
R
t
= R
0
*(1 + *t) ;

Tải lò nấu thép là tải có tính biến động, thông qua đồ thị dới
2
à

T
780
0

900
0
à: là độ từ thẩm của thép
: là suất điện trở của thép(cm)
Nhận thấy khi nhiệt độ khoảng 800-900
0
c thì tải mất tính cảm kháng ,chỉ còn
tính thuần trở (do giảm mạnh ,còn tăng mạnh)
Tải lò nấu thép là tải ngắn mạch , nên nguồn cấp cho tải phải làm việc ở chế độ
ngắn mạch, do đó ta chọn nguồn cấp cho tải là nghịch lu nguồn dòng
1.2.2.Quan hệ f,p,U
Nhiệt đôt nóng kim lọai đợc tính theo công thức
W=I
1
2
. n
2
. 2

2
.
h
d
.
9
10

f
à
(W)

Trong đó:
I
1
: dòng điện trong cuộn cảm ứng (A)
n : số vòng dây cuộn cảm ứng
d : đờng kính trong lò
h : chiều cao mẻ liệu (cm)
I
1
.n : số ampe vòng
Từ công thức trên ta thấy:
Năng lợng biến thành điện năng ở trong mẻ liệu tỉ lệ thuận với bình phơng
ampe vòng, tức tỉ lệ với cờng độ từ trờng và căn bình phơng điện trở riêng và tần
số.
W
nhit



H
2


I
2
W
nhit


f

Nh vậy để tăng lợng nhiệt cung cấp cho vật liệu có thể tăng cờng độ dòng
điện hoặc tần số. Nhng trong thực tế không thể tăng dòng điện lên mãi vì dây
phải rất lớn và quá nóng, có thể nóng chảy (dù có nớc làm mát). Thờng dùng
phơng pháp tăng tần số, do vậy lò cảm ứng còn gọi là lò cao tần.
* Mặt khác tần số còn ảnh hởng đến kích thớc của cục nguyên liệu. Năng l-
ợng truyền từ nguồn điện (tần số), qua vòng cảm ứng, biến đổi thành năng lợng
trờng điện từ. Trong vật gia nhiệt điện năng dòng xoáy cảm ứng đợc chuyển
thành nhiệt năng. Khi truyền sâu trong kim loại, độ lớn của các vectơ E, H (hai
thành phần của trờng điện từ) bị giảm dần và năng lợng trờng điện từ cũng giảm
dần (theo độ sâu truyền z).
Độ sâu thẩm thấu:
3
)(
.
503

2
m
f
a
à

à

==
Trong đó:


: tần số (rad)

a
à
=
àà
.0
: hệ số từ thẩm tuyệt đối của kim loại.

à
: hệ số từ thẩm tơng đối của kim loại

0
à
= 4.
à
.10
-7
H/m : hệ số từ thẩm chân không



1
=
: điện dẫn của kim loại
Tính toán và thực tế cho thấy khi z = thì 0,864 phần năng lợng điện từ có
ở bề mặt kim loại bị tiêu tán để đốt nóng lớp kim loại dày , còn 0.316 phần
năng lợng tiếp tục truyền sâu vào lớp kim loại bên trong. Tần số càng lớn thì
càng nhỏ và năng lợng điện từ càng tập trung đốt nóng ở lớp mặt ngoài của kim
loại. Do đó để giảm năng lợng điện mất mát trên một tấm kim loại và quá trình
nấu chảy nguyên vật liệu cần thiết phải tính toán một cách hợp lý và tỉ mỉ những
kích thớc cục nguyên liệu và chất khít chặt với tần số tơng ứng.

Để có hiệu suất nấu chảy kim loại cao, khi tần số càng lớn thì kích thớc cục
nguyên liệu càng phải nhỏ, còn đối với tần số thấp hơn kích thớc cục nguyên
liệu có thể to hơn.
Ví dụ:
Tần số (Hz) Kích thớc cục nguyên liệu (mm)
500

20
1000 10
10000 5

Nếu khi tấn số rất lớn hơn nữa thì kích thớc cục nguyên liệu nhỏ hơn 5mm.
* Tấn số cũng có quan hệ chặt chẽ với bản chất cuă vật liệu và công suất
của lò. Công thức gần đúng để tính tần số dòng điện là:
f
min


2
8
.10.25
d

Công thức trên cho thấy rằng khi công suất lò lớn, nghĩa là khi bán kính
liệu hoặcdung tích của lò lớn cũng nh khi điện trở của liệu nhỏ, tần số của dòng
điện cung cấp có thể lấy thấp hơn.
Đối với những kim loại nh sắt, niken, crôm cũng nh hợp kim của chúng ng-
ời ta thờng dùng tàn số trong giới hạn 1000 ữ 3000 Hz. Đối với bạc, đồng, đồng
thanh, đồng đỏ, hợp kim bạc niken, đồng niken tần số có thể dùng từ 50 ữ 500
Hz.

Để đảm bảo cả yêu cầu kinh tế và kỹ thuật, việc lựa chọn tần số phụ thuộc
rất nhiều vào công suất của lò. Quan hệ giũă tần số và công suất của lò đợc thể
hiện qua những số liệu sau:
4

Công suất lò (kW) Tần số (Hz)
<150 2000 ữ 3000
250 ữ 500 1000
750 ữ 1000 500
>1200 150
Hiện nay việc lựa chọn tần số dòng điện cung cấp cho lò không có lõi sắt
để luyện thép vẫn đợc lựa chọn nh trên.
Chơng 2.Phơng án thiết kế
Sơ đồ khối của bộ biến tần cấp cho là nấu thép
Trong đó:
U
21
: điện áp vào bộ chỉnh lu.
U
d1
=K
cl
*U
21
*cos : điện áp ra bộ chỉnh lu (điện áp vào bộ lọc)
U
d2
= K
nl
*U

22


cos
: điện áp vào bộ nghịch lu (sau bộ lọc)
U
2
: điện áp ra bộ nghịch lu (điện áp tải)
Phơng trình cân bằng điện áp U
d1
= U
d2

K
cl
*U
21
*cos = K
nl
*U
22
*cos
t
Với là góc mở chỉnh lu, còn
t
là góc tải
Từ lí luận trên , ta thấy yêu cầu với mạch chỉnh lu
Mạch chỉnh lu có chức năng cấp nguồn cho mạch nghịch lu dòng 1 chiều cho
mạch nghịch lu, tức là giữ cho I
d

= const
Mạch chỉnh lu điều chỉnh công suất trong quá trình nấu chảy vật liệu,vì khi góc
tải
t
thay đổi thì cũng phải thay đổi cho phù hợp.
2.1.Phân tích đề xuất phơng án.
5
Chọn nghịch lu nguồn dòng cộng hởng vì
Tạo tần số cao f = 1 30 kHz
Phụ tải có tính cảm kháng , nên ta mắc song song vào tải tụ , để tạo mạch vòng
dao động hình Sin của I hoặc U.Nhờ đó có thể sử dụng Thyristor thờng và xung
điều khiển là các xung đơn,van chuyên mạch tự nhiên
Từ công thức K
cl
*U
21
*cos = K
nl
*U
22
*cos
t
,mặt khác , quá trình nấu thép
thì tải luôn thay đổi , hay
t
luôn biến động .Để đảm bảo cho quá trình năng l-
ợng đợc tốt , ngời ta chọn nghịch lu độc lập nguồn dòng lam việc ở chế độ cộng
hởng , tức là luôn giữ cho cos
t
= const , khi đó công suất nguồn qua bộ biến

tần là max, tổn hao min
Dòng hình sin nên giúp giảm kích thớc bộ lọc
2.2.Lựa chọn phơng án chỉnh lu
Từ yêu cầu ta suy ra mạch chỉnh lu phải là chỉnh lu có điều khiển. Công
suất của lò nấu là P = 140 kW, nguồn điện sử dụng là nguồn điện 3 pha nên
chúng ta dùng chỉnh lu điều khiển 3 pha (nếu dùng chỉnh lu điều khiển 1 pha
công suất tải lớn sẽ làm xấu lới điện)
Ta có các phơng án:
Chỉnh lu hình tia 3 pha
Chỉnh lu cầu 3 pha
Chỉnh lu hình tia 6 pha
Nhng chúng ta thấy rằng:
Chỉnh lu hình tia 3 pha có nhợc điểm: chất lợng điện áp thấp, hệ số
đập mạch nhỏ nếu công suất tải lớn sẽ ảnh hởng xấu đến hệ số cos
của lới điện, làm méo lới điện và buộc phải dùng đến biến áp lực.
Chỉnh lu hình tia 6 pha tuy chất lợng điện áp tốt nhng việc chế tạo
máy biến áp lực 6 pha tốn kém, phức tạp, giá thành cao nên phơng án
này cũng không khả thi.
Nh vậy chúng ta sẽ thiết kế phần chỉnh lu cho bộ nguồn lò nấu thép dùng
sơ đồ chỉnh lu cầu 3 pha có điều khiển, bao gồm:
Chỉnh lu cầu 3 pha điều khiển đối xứng
Chỉnh lu cầu 3 pha điều khiển không đối xứng
Sau đây em xin phân tích cụ thể từng phơng án và đi đến lựa chọn phơng án
cuối cùng để thiết kế chi tiết.
2.2.1. Chỉnh lu cầu 3 pha điều khiển không đối xứng
Sơ đồ nguyên lý:
6
• D¹ng ®iÖn ¸p vµ dßng ®iÖn:
7
Phân tích sơ đồ:

Sơ đồ cầu 3 pha không đối xứng gồm 3 tiristor và 3 diode chia làm 2 nhóm:
- Nhóm catot chung : T1, T3, T5
- Nhóm anod chung : D2, D4, D6
Điện áp các pha:
U
a
=
2
U
2
sin
U
b
=
2
U
2
sin( -
3
2

)
U
c
=
2
U
2
sin( -
3

4

)
Khi làm việc các diode chuyển mạch tự nhiên còn các tiristo chuyển mạch
ở các thời điểm cấp xung điều khiển theo góc điều khiển . Khi <60
o
thì điện
áp U
d
luôn dơng. Nhng khi >60
o
sẽ xuất hiện các giai đoạn 2 van thẳng hàng
cùng dẫn điện đồng thời T1-D4, T3-D6,T5-D2; khi đó dòng điện I
d
= 0 chỉ chảy
trong tải mà không chảy về nguồn nên năng lợng đợc giữ ở tải không trả về
nguồn.
Ta có thể coi sơ đồ chỉnh lu cầu 3 pha không đối xứng tơng đơng 2 mạch
chỉnh lu hình tia:
Chỉnh lu hình tia 3 pha điều khiển gồm T1, T3, T5 có:
U
K
=

cos
U
doTia
= 1,17U
2
cos

Chỉnh lu hình tia 3 pha không điều khiển gồm D2, D4, D6 có:
U
A
=

cos
U
doTia
= 1,17U
2
Tổng hợp lại ta có:
Chế độ và chức năng
Điện áp trên mạch tải:
8
U
d
= U
K
+ U
A
= 1,17U
2
(1 + cos) = 2,34U
2
.
2
cos1

+
= U

dmax
.
2
cos1

+
Chế độ hoạt động: chế độ chỉnh lu với = 0 ữ , U
d
= 0 ữ U
dmax
Chức năng: ổn định điện áp và dòng ra tải bằng cách thay đổi
Thông số chọn van:
Điện áp ngợc lớn nhất đặt lên van:
UU
dng maxmax
3

=
Dòng trung bình qua van: I
v
= I
d
/3
Ưu nhợc điểm của sơ đồ:
- Ưu điểm: Mạch điều khiển đơn giản
Hệ số cos lớn
- Nhợc điểm:
Không hoàn trả năng lợng về nguồn đợc khi 2 van thẳng hàng cùng
dẫn điện
Chất lợng điện áp thấp, hệ số đập mạch nhỏ (m

đm
=3) nên yêu cầu cao
về bộ lọc.
Làm lệch pha lới điện khi thay đổi góc điều khiển
2.2.3. Chỉnh lu điều khiển 3 pha đối xứng
Sơ đồ nguyên lý:
9
• D¹ng ®iÖn ¸p vµ dßng ®iÖn
10
Phân tích sơ đồ:
Sơ đồ cầu 3 pha đối xứng gồm 6 Tiristor, chia làm 2 nhóm :
- Nhóm catot chung: T1, T3, T5
- Nhóm anod chung: T2, T4, T6
Điện áp các pha:
U
a
=
2
U
2
sin
U
b
=
2
U
2
sin( -
3
2

)
U
c
=
2
U
2
sin( -
3
4

)
Hoạt động của sơ đồ:
Giả thiết T5, T6 đang cho dòng chảy qua V
K
= U
C
; V
A
= U
B
- Khi



+=
6
cho xung điều khiển mở T1. Thyristor này mở vì U
a

>0. Sự
mở của T1 làm cho T5 bị khoá lại một cách tự nhiên vì U
a
> U
c
. Lúc này T6 và
T1 cho dòng đi qua. Điện áp r a trên tải:
UUUU
baabd
==
- Khi



+=
6
3
cho xung điều khiển mở T2. Thyristor này mở vì T6 dẫn
dòng, nó đặt
U
b
lên catot T2 mà U
b
> U
c
. Sự mở của T2 làm cho T6 khóa lại một
cách tự nhiên vì U
b
> U
c

. Lúc này T2 và T1 cho dòng đi qua. Điện áp trên tải:
UUUU
caacd
==
Các xung điều khiển lệch nhau
3

đợc lần lợt đa đến các cực điều khiển của
các thyristor theo thứ tự 1, 2, 3, 4, 5, 6, 1, .Trong mỗi nhóm, khi 1 thyristor mở
thì nó sẽ khoá ngay thyristor trớc nó, nh trong bảng sau:
Thời điểm Mở Khoá

1
= /6 +
T1 T5

2
=3/6 +
T2 T6

3
= 5/6 +
T3 T1

4
= 7/6 +
T4 T2

5
= 9/6 +

T5 T3

6
= 11/6 +
T6 T4
Điện áp trên tải U
d
= V
K
- V
A
là khoảng cách thẳng đứng giữa hai đờng bao:
11

+
+
=






6
5
6
2
.sin2
2
6

d
UU
d
=


cos
63
2
U
Chế độ và chức năng:
Điện áp trên mạch tải:
Chế độ hoạt động:
- Chế độ chỉnh lu với = 0 ữ /2, U
d
= 0 ữ U
dmax
- Chế độ nghịch lu phụ thuộc với = /2 ữ , U
d
= -U
dmax
ữ 0
Chức năng: ổn định điện áp và dòng ra tải bằng cách thay đổi
Thông số chọn van:
Điện áp ngợc lớn nhất đặt lên van:
UU
dng maxmax
3

=

Dòng trung bình qua van: I
v
= I
d
/3
Ưu nhợc điểm của sơ đồ:
- Ưu điểm:
Chất lợng điện áp tốt nên việc thiết kế bộ lọc đơn giản, tiết kiệm.
Có khả năng hoàn trả năng lợng về lới tốt khi tải có tính chất cảm
kháng.
Dòng điện máy biến áp đối xứng khi thay đôỉ góc
Nhợc điểm:
- Mạch điều khiển phức tạp nhng có thể khắc phục đợc.
- Dải điều chỉnh U
d
hẹp
- Hệ số sử dụng máy biến áp thấp hơn vì cos
ba
= cos
Với máy biến áp, ta có
Với máy biến áp điều chỉnh công suất S
ba
= 1,05*P
đmax
Với máy biến áp có chức năng nguồn áp một chiều
S
ba
=1,05* P
đmax
*

max
2
1

tg+
2.3. Kết luận
Qua việc phân tích hai phơng án trên, ta thấy chọn sơ đồ chỉnh l u cầu 3
pha điều khiển đối xứng là phù hợp nhất do đáp ứng đợc các yêu cầu đặt ra với
những u điểm nổi bật:
- Hiệu suất sử dụng máy biến áp tốt nhất trong các sơ đồ chỉnh lu.
- Chất lợng điện áp tốt nên thiết kế bộ lọc đơn giản, tiết kiệm.
12
- Có khả năng hoàn trả năng lợng về lới tốt nhất khi tải có tính chất cảm
kháng.
- Dòng điện thứ cấp máy biến áp đối xứng khi thay đổi góc nên không
ảnh hởng xấu tới các hộ tiêu thụ điện xung quanh.
Với các thông số
Dải điều chỉnh điện áp U
d
= 154- 277v
Điện áp định mức ra U
d
= 277v
Dòng điện ra I
d
= P/U
d
= 200000/277= 722A
CHNG III : TNH TON MCH LC
Cỏc thụng s ban u

P
t
= 200 KW
U
ra
= 500 V
U
ng

=3*380V
f
ra
= 12000 Hz
Chn thi gian phc hi ca van trong nghch lu l : t
r
= 20
à
s
Gúc nghch lu nh nht :
min
=

t
r
= 2.1000.20.10
-6
= 0,1256 rad
0,1256 rad = 7,2
0

Thng gấp 2ữ 2,5
min

Ta chn = 20
0
Ta cú :
)(422
20.500.22
22
V
Cos
Cos
ra
U
ddm
U

=

=

13
)(8,472
423
3
10.200
A
d
U
t

P
d
I ===
3.1.Tính toán bộ lọc
Lọc bằng điện cảm rất phù hợp với tải công suất lớn vì công suất càng lớn thì
điện trở tải R
t
sẽ càng nhỏ và dễ dàng thực hiện điều kiện lọc tốt là X
L
>> R
t

1
2
)(
1
2
2
+

=

tg
dm
m
dm
m
dmv
k
(116_ĐTCS)

Với m
đm
=6 chọn góc đk =10
0
k
đmv
= 0,083
Chn k
đmr
= 0,02

15,4
02,0
083,0
===
dmr
k
dmv
k
sb
k

t
R
sb
k
L .
1
.6
1

2


=
;
vi
)(1,5
5,165
846
===
d
I
d
U
t
R
Thay s vo ta c :
)(9,10)(
3
10.9,101,5.
2.50 .6
1
2
15,4
mHHL =

=

=

*Chỳ ý : B lc c lm mỏt bng nc
3.2.Tính toán máy biến áp
Chn MBA 3 fa / 3 tr u Y/Y, lm mỏt bng khụng khớ t nhiờn.
S = k
s
.P
d
= 1,05.200.10
3
= 210.10
3
(VA) = 210 (KVA)
m bo a ra n ti in ỏp 423V vi dũng in 472,8A thỡ ta cn phi
bự cỏc st ỏp , vỡ vy in ỏp U
d
thc t cn cú l :
U
d
= U
do
cos = U
dđm
+ U
lới
+ U
van
+ U
R
+ U
chn gúc = 10

0
gúc dn d tr

14
* U
d®m
= 422 V
* ∆U
lưới
: Sụt áp nguồn xoay chiều dưới trị số định mức
∆U
lưới
=( 10% ÷ 20%) U
f lưới
= 10% .220=22 (V)
* ∆U
van
: Sụt áp trên các van dẫn ( lấy tương đối = 1.75)
∆U
van
= 2.1,75 = 3,5 (V) ( s¬ ®å cÇu )
* ∑∆U
r
: Sụt áp do thành phần 1 chiều dòng tải gây ra bao gồm :
+ Sụt áp trên điện trở dây quấn MBA
sơ đồ cầu ∆U
rba
= 2.I
d
.R

ba

víi R
ba
= e
r
. m U
2
2
/ S
ba
Chọn e
r
= 2% vậy : ∆U
rba
do
U
do
U
d
I
d
U
r
e
do
U
d
I
r

e
ba
S
U
d
I 01,0.
05,1.
2
34,2
02,0.3
.
10cos
1
05,1
.3
2
34,2
2
2
3
====









+ Sụt áp trên dây dẫn ( bỏ qua )
+ Sụt áp trên bộ lọc
∆U
loc
=5÷10% U
ddm
=5%.423=21,15 (V)
* ∑∆Uγ : Sụt áp do hiện tượng trùng dẫn.
Chỉ xét điện cảm MBA ( bỏ qua điện cảm lưới điện ) ta có
∑∆Uγ = Kγ.X
ba
.I
d

ba
x
S
mU
e
2
2
ba
X =

Chọn e
x
= 8% vậy :
∑∆Uγ
do
U

d
I
d
U
x
e
do
U
d
IK
x
e
ba
S
U
d
IK .
05,1.
2
34,2
08,0.3
.
10cos.
3
05,1
.3
2
34,2
2
2

3
Π
===








γγ
= 0.04U
do
VËy :
15
U
do
cos10 = 423 + 22 + 3,5 + 0,01U
do
+ 21,1 + 0,04U
do

U
do
=502 (V)
→
)(7,214
34,2

2
U V
do
U
==
Hệ số MBA :
02,1
7,214
220
2
1

ba
K ===
U
U
Dòng thứ cấp :
)(3868,472.
3
2
.
3
2

2
I A
d
I ===
Dòng sơ cấp : I
1

A
ba
K
I
5,378
02,1
386
2
===
Công suất MBA : S
ba
= 210 (kVA)
3.3. Tính chọn van lực :
* Ta cã U
2
=214,7 V
→ U
ng max
=
)(5267,214.6
2
.6 VU ==
Điện áp ngược van cần chọn :
U
ng van
=K
u
.U
ng max
Chọn K

u
= 1,7
U
ng van
= 1,7. 526 =849(V)
* Dòng trung bình qua van :
I
tb van
= I
d
/3 =472,8/ 3 = 157,6 (A)
Dòng cho phép qua van :
I
cp
= K
i
.I
tbvan

Chọn K
i
= 1,6
I
cp
= 1,6 . 157,6 = 252,16 (A)
*Trên cơ sở các thông số U
ng van
và I
cp
ta chọn 6 Thyristor loai T15-100 với các

thông số sau :
16
in ỏp ngc U
ng
=1800 V
Dũng cho phộp qua van I
cp
= 300 A
Tốc độ biến thiên điện áp
)/(500 sV
dt
dU
à
=
Tc bin thiờn dũng
)/(100 sA
dt
di
à
=
Dòng điều khiển I
GK
=300 mA
Điện áp điều khiển U
GK
= 4 V
Đin ỏp ri trờn van U =1,6 V
3.4. Tớnh toỏn bo v van :
3.4.1 . Bo v quỏ nhit :
Lm mỏt bng nc tun hon vi lu lng 10lit/phỳt , nhit nc lm

mỏt khong 25
0
C
3.4.2.Bảo vệ quá dòng
Do công nghệ chế tạo van bán dẫn phát triển nên khi chọn van ta đã chọn van
có dòng điện định mức lớn hơn nhiều so với dòng điện làm việc do đó có thể bỏ
qua sự quá dòng điện lâu dài .Vì vậy chúng ta chỉ cần xem xét các biện pháp
bảo vệ quá dòng ngắn hạn cho van bán dẫn nh trên hình và theo tính toán sau
đây:
*Dùng cầu chì bảo vệ:
Cầu chì dùng để chống sự cố ngắn mạch
1 Nhóm cc1: Đặt ở l ới điện có dòng định mức
2I
1CC
= 1,1.I
2
= 1,1.386 = 424,6 A
Chn 3 cu chỡ loi GSGB150
1 Nhóm cc2: Mắc nối tiếp van có dòng điện định mức
3I
2CC
= 1,1.I
tbvan
= 1,1. 157,6 = 173,36 A
Chn 6 cu chỡ loi GSGB75
17
1• Nhãm cc3: M¾c sau bé chØnh l u cã dßng ®Þnh møc −
4I
3CC
= 1,1.I

d
= 1,1.472,8 = 520,08 A
Chọn cầu chì loại GSGB200
S¬ ®å m¹ch lùc
18
*Dùng Aptomat bảo vệ
Aptomat dùng để đóng cắt mạch động lực, tự động ngắt mạch khi quá tải
và ngắn mạch Tiristo, ngắn mạch đầu vào bộ biến đổi ( ngắn mạch sơ cấp máy
biến áp).
Chn Aptomat có các thông số:
Có ba tiếp điểm chính, Đóng cắt bằng nam châm điện.
Dòng điện làm việc qua Aptomat: I
lv
= I
1
= 387,5A
Dòng điện Aptomat cần chọn:
I
dm
= 1,2.I
lv
= 1,2 . 387,5 = 465A
Chỉnh định dòng ngắn mạch.
5I
nm
= 2,5.I
lv
= 2,5. 387,5 = 968,75 A
Dòng quá tải.
6I

qt
= 1,5.I
lv
= 1,5. 387,5=581,25 A
Thi gian tác động phải nhỏ t 10 ms
Ta chn loi NS350N do hóng Mergin Gerin (Phỏp ) ch to
*Ngoài ra ng ời ta còn lắp thêm cầu dao để cách ly khi sửa chữa
Chn cầu dao có dòng điện định mức I
CD
=1,1 . I
1
=1,1 . 387,5 =426,25 A
Chn I
CD
= 500 A
3.4.3. Bo v quỏ ỏp cho van :
* Bảo vệ xung từ điện áp lới
Ta thực hiện bằng cách mắc mạch RC nh sau:

19
Chn theo kinh nghim : R
1p
= 20 ; C
1p
= 3F.
*Bảo vệ quá điện áp cho quá trình đóng cắt Tiristo
Ta thực hiện bằng cách mắc song song một mạch RC với Tiristo.

Khi có sự chuyển mạch các điện tích tích tụ trong lớp bán dẫn phóng ra
ngoài tạo thành dòng điện ng ợc trong khoảng their gian ngắn, sự biến thiên

nhanh chóng của dòng điện ng ợc gây ra sức điện động cảm ứng rất lớn
trong các điện cảm làm cho quá áp giữa Anod và Catod của Tiristo. Khi có
mạch R
2
, C
2
mắc song song với Tiristo tạo ra mạch vòng phóng điện tích
trong quá trình chuyển mạch nên Tiristo không bị quá điện áp.
Chn theo kinh nghim : R
2p
= 40 , C
2p
= 2,2F.

Chơng 4.Thiết kế mạch điều khiển
20
4.1. Yêu cầu của mạch điều khiển
1.Gii thiu chung :
- Chức năng của hệ thống điểu khiển bộ biến đổi là biến đổi tín hiệu điều khiển
thành xung điều khiển tơng ứng với góc mở của Tiristor ().
- Bộ biến đổi gồm 2 phần: mạch động lực (ta đã xét ở trên) và mạch điều
khiển.Các van của mạch động lực chỉ có thể hoạt động đợc nếu hệ điều khiển
tạo ra những xung điều khiển tơng ứng với những thời điểm thích hợp.
- Về cơ bản hệ điều khiển gồm 2 phần chính:
+ Phần chứa thông tin về quy luật điều khiển.phần này thực hiện các chức
năng khác nhau tuỳ thuộc vào cấu trúc bộ biến đổi cũng nh lĩnh vc đièu khiển.
+Phần năng lợng tạo ra tín hiệu đủ công suất để đóng mở các van động lực.
- Phân loại:Thông thờng các bộ biến đổi có thể chia ra làm 2 nhóm:
+ Bộ biến đổi phụ thuộc
+ Bộ biến đổi độc lập

Do đó ta cũng có 2 loại hệ điều khiển:
+Hệ điều khiển bộ biến đổi phụ thuộc (chỉnh lu,bộ BĐXA xuay chiều).
+Hệ điều khiển bộ biến đổi độc lập (nghịch lu đôc lập và BBĐXA 1 chiều)
cũng có thể chia hệ ĐK thành hệ điểu khiển tơng tự và hệ điều khiển số.
2.Yờu cu mch iu khin chnh lu :
Mạch điều khiển cho bộ nguồn lò nấu thép thuộc hệ điếu khiển bộ biến đổi
phụ thuộc.ở đây ta sử dụng mạch điểu khiển tơng tự. Những yêu cầu cần thực
hiện đối với mạch là:
Phát xung điều khiển đến các van lực theo đúng pha va với góc điều
khiển cần thiết.
Đảm bảo phạm vi góc điều khiển min ữ max tơng ứng với phạm vi
thay đổi điện áp ra tải của mạch lực.
Có độ đối xứng xung điều khiển tốt.không vợt quá 1ữ3 độ điện.
Đảm bảo cách ly tốt giữa mạch lực và mạch điều khiển.
Đảm bảo mạch hoạt động ổn định và tin cậy khi lới điện xuay chiều
dao động cả về tần số và giá trị.
Có khả năng chống nhiễu công nghiệp tốt.
Đảm bảo độ tác động của mạch điều khiển nhanh ,dới 1ms.
Đảm bảo xung điều khiển phát tới các van phù hợp để mở chắc chắn
van , tức phải thoả mãn:
+ Đủ công suất : về điện áp và dòng điện điều khiển.
+ Có sờn xung dốc đứng để mở van vào đúng thời điểm qui định.
+ Độ rộng xung điều khiển đủ cho dòng qua van kịp vợt trị số dòng
điện duy trì I
dt
của nó,để khi ngất xung van vẫn giữ trạng thái dẫn.
21
+ Xung có dạng phù hợp với sơ đồ chỉnh lu và tính chất tải,
Do đó:
Lựa chọn xung điều khiển:

Vì mạch điều khiển sơ đồ cầu 3 pha có những điểm khác so với
nhng sơ đồ khác là trong sơ đồ luôn có hai van dẫn điện: một van
ở nhom catot chung và một van ở nhóm anot chung. Theo lý
thuyết thì chỉ cần 6 xung đơn để mở 6 van tơng ứng , nhng do đặc
tính phụ tải cng nh đặc điểm chuyển mạch có thể làm cho van
đang dẫn trớc đó khoá lại => ta sẽ tạo ra các xung chùm có độ
rộng phù hợp để điêù khiển van cũng nh giảm kích thớc máy biến
áp xung.
4.2.Cấu trúc mạch điều khiển
*Có hai nguyên lý điều khiển cơ bản:
Nguyên lý điều khiển dịch pha
Nguyên lý điều khiển dọc( điều khiển thẳng đứng)
* Trong 2 nguyên lý kể trên thì nguyên lý điều khiển dọc (thẳng đứng) đảm
bảo độ tác động nhanh cao nhất ,nên ta lựa chọn nguyên lý điều khiển dọc này.
Ta có sơ đồ khối mạch điều khiển chỉnh lu nh sau:
Khâu đồng pha : có nhiện vụ tạo ra điện áp tựa đồng bộ với điện áp
l ới, cho phép xác định đ ợc góc điều khiển . điện áp tựa có thể là
dạng arcos hoặc dạng răng ca.
Dạng arcos cho điện áp chỉnh lu tuyến tính với điện áp điều khiển :
U
d

= U
do
.cos = U
do
.( U
dk
/U
rc max

).
Tuy nhiên với dạng điện áp này có nhợc điểm là phụ thuộc vào lới
điện và bị nhiễu theo đờng nguồn. Nên thc tế ít dùng mà ngời ta
đồng
pha
điện
áp tựa
so sánh
và tạo
xung
KĐ
xung
Biến
tần
Tải
Bộ điều
chỉnh
U
đ
U
đk
U
ph
22
hay sử dụng điện áp tựa dạng răng ca có :
U
d
= U
do
.cos[ (1- U

dk
/ U
rc max
.) ]
Khâu tạo điện áp tựa: Tạo ra điện áp tựa để so sánh với điện áp điều
khiển tạo ra tín hiệu điều khiển phù hợp
Khâu so sánh : So sánh điện áp điều khiển với điện áp tựa để xác định
góc điều khiển . Tại thời điểm U
dk
=U
rc
thì phát xung điều khiển để
mở các van tơng ứng.
Khâu phản hồi : Đo dòng điện ra trên tải và chuyển thành tín hiệu áp
qua về kết hợp với U
cụng ngh
để tạo nên điện áp U
đk
. Nhờ có khâu phản
hồi mà mạch làm việc chính xác hơn, thoản mãn dòng áp do công
nghệ đặt ra.
Khâu tạo xung và khuyếch đại xung : mạch tạo xung có nhiệm vụ
tạo ra các xung có độ rộng nhất định và phân phối xung đến đúng các
van. Mạch khuyếch đại xung có nhiệm vụ khuyếch đại để đảm bảo về
biên độ, công suất xung điều khiển đồng thời cách ly mạch lực và
mạch điều khiển.
4.3. Sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển và hoat động.
23
4.3.1. S¬ ®å nguyªn lý m¹ch ®iÒu khiÓn
24

U1
0
π
2π
3π
U2
U
v
U3
U4
α
α α
U5
U6
U7
U8
U9
α
α
α
α
U
dk
θ
θ
θ
θ
θ
θ
θ

θ
α
θ
α
θ
S¬ ®å ®iÒu khiÓn c¸c thyristor
TOR

25