nghịch lưu - lò nấu thép

Đồ án điện tử công suất
Chơng IV
Giới thiệu - tính toán - thiết kế mạch điều khiển toàn hệ
thống
I. Nhiệm vụ chức năng mạch điều khiển :
Nh ta đã biết Thyristo chỉ để mở cho dòng chạy qua khi có điện áp dơng đặt
lên anốt và có xung điều khiển đặt vào cực điều khiển. Sau khi Thyristo đã mở thì
xung điều khiển không còn có tác dụng gì nữa. Dòng điện chạy qua Thyristo do
thông số ở mạch lực quyết định.
1.Mạch điều khiển có chức năng sau:
- Điều chỉnh đợc vị trí xung điều khiển trong phạm vi nửa chu kì dơng của
điện áp đặt lên a-k của T.
- Tạo các xung điều khiển có thể mở đợc Thyristo. Xung điều khiển có độ
rộng 2 ữ10V; độ rộng xung t
x
= 20 ữ 100às.
Dộ rộng xung điều khiển có thể tính đợc theo công thức:
I
dt
: dòng duy trì của Thyristo
di/dt: tốc đọ tăng trởng của dòng điện tải.
2.Cấu trúc chung của mạch điều khiển nghịch lu:
3.Yêu cầu về mạch điều khiển:
Mạch điều khiển là một khâu quan trọng trong hệ thống điều khiển Thyrisro, nó là
bộ phận chủ yếu quyết định chất lợng và độ tin cậy của bộ biến đổi.
Yêu cầu về bộ biến đổi có thể tóm tắt nh sau: Mỗi thyristo có 1 đặc tính là
quan hệ giữa điện áp trên cực điều khiển và dòng điện chạy qua cực điều khiển
U
đk
= f(I
đk

). Quan hệ giữa chúng đợc biểu diễn nh sau:
1
dt
di
t
dt
I
x
=
FX
chủ đạo
Chia
xung
KĐSX NLĐL
ND
Tín hiệu phản hồi
Đồ án điện tử công suất
Do sai lệch về thông số chế tạo và điều kiện làm việc ngay cả T cùng loại
cũng có đặc tính đầu vaò khác nhau. Với mỗi loại thyristo ta có các đặc tính này
dao động giữa 2 đặc tính giới hạn a và b.
- Yêu cầu độ lớn của điện áp và dòng điều khiển có 3 yêu cầu chủ yếu sau:
+ Các giá trị lớn nhất không vợt quá giá trị cho phép.
+ Giá trị nhỏ nhất cũng phải đảm bảo đợc tất cả các Thyristo cùng loại ở mọi
điều kiện làm việc.
+ Tổn hao công suất trung bình ở cực điều khiển nhỏ hơn giá trị cho phép.
- Yêu cầu về tính đối xứng của xung trong kêng điều khiển: Trong các bộ
biến đổi có nhiều pha, tính đối xứng của xung điều khiển rất quan trọng, nếu xung
điều khiển mất tính đối xứng sẽ làm cho dòng anốt của các pha có hìh dạng khác
nhau và giá trị khác nhau làm mất cân bằng cảu máy biến áp xung do đó giảm
công suất MBAX.

- Yêu cầu về độ rộng xung điều khiển: Thông thờng độ rộng xung không nhỏ
hơn 5 às và tăng độ rộng của xung điều khiển sẽ cho phép giảm nhỏ xung điều
khiển. Khi mạch tải có điện cảm lớn thì dòng điện tải i
t
tăng chậm nên phải tăng độ
rộng của xung điều khiển.
-Yêu cầu về độ tin cậy của mạch điều khiển: Mạch điều khiển phải làm việc
tin cậy trong mọi trờng hợp nhiẹt độ thay đổi.
-Yêu cầu về lắp ráp vân hành: Sử dụng thiết bị dễ thay thế, dễ lắp ráp, điều
chỉnh, thiết bi thay thế dễ dàng giữa các khối cho nhau nhng mối khối phải có khả
năng làm việc đập lập.
II. Tính toán mạch điều khiển:
2
Đồ án điện tử công suất
1.Khối phát xung chủ đạo: Ta dùng vi mạch 555 đây là khối phát xung chữ nhật.
Sơ đồ khối phát xung nh sau:
Để dảm bảo xung ra có T
1
=T
2
tức là đối xứng hoàn toàn thì ta thiết kế vi mạch 555
có tần số băng 2 lần tần số yêu cầu tức là f=2000Hz sua đó đầu ra của 555 đa vào
mạch đếm logic chia 2 ( Một flip-flipTrigơ). Vậy ta có chu kỳ đầu ra của vi mạch
555:
T=0,639C(R
1
+R
2
+2P
1

+P
2
=; để xung đối xứng T
1
T
2
ta chon R
1
=R
2
; x=1/2
khi đó T=0,693C(2R
1
+2P1+P
2
)
Chon C= 0,01àF ta có:
T= 0,693.0,01.10
-6
.(2R+2P
1
+P
2
)=1/f=1/2000 = 0,0005
2R + 2P
1
+P
2
= 72150; Chon R =27k 2P
1

+P
2
=1,82k
Chon P
1
= 5,7k P
2
= 6,8k. Vậy thiết kế mạch xung có f=2000Hz dung
555 thì C = 0,01àF; R
1
= R
2
=27K; P
1
= 5,7k; P
2
=18,2k.
D
1
,D
2
là hai điốt chọn cùng loại có ký hiệu 204 I
tb
=800mA; U
đm
=100V.
Tranzito Tr
1
chon loại c828 có U
ce

=30V; I
cmax
=300mA; =30ữ100; I
c
=10A;
3
Z
V
3
s
R
5k
5k
C
1
xP
2
P
2
D
2
27kD
1
Tr
1
5k
R
1
+E 15V
P

1
5,7k
0
27k
U
c
1
Đồ án điện tử công suất
2. Thiết kế bộ chia xung:
Ta dùng 1 Flip-flop Trigơ loại T-FF tuy nhiên T-FF không bán trên thị trờng.
Muốn có ta phỉa tạo ra từ các Flip-Flop khác. ở đây ta tạo ra từ D Flìplop không
đồng bộ theo sờn lên của xung nhịp ta có thể tạo ra đợc T-FF tích cực cao lật trạng
thái ở sờn lên của xung nhịp).
Vậy xung sau khi ra khỏi bbộ chia xung có tần số f = 1000Hz.
3.Thiết kế bộ tạo độ rông xung:
Tạo ra xung đơn ( xung kim) có độ rọng t
x
=100às = 10
-4
s
Sơ đồ khối bộ tạo độ rông xung:
Hoạt động của sơ đồ:
Khi x =0; z
1
=0; z
2
=0; z
3
=0; z
4

=1; y=0
Khi x =1; z
1
=0; z
2
=1; tụ điện C
2
đợc nạp điên qua điện trở R
2
. Lúc đầu
U
R3
=1 do đó z
4
=0, y =1, sau thời gian t=R
3
C
2
thì U
R2
=0 thì z
4
=1 và
y =0. Trong đó múc lôgic o khoảng 0,4 đến 0,6V.
Độ rộng xung ra là t
x
= R
3
C
2

, thờng chọn R
3
=1k t
x
=10
-4
= 1000C
2

4
D Q
C Q
Ra
R
1
T
t
T

Q
t

&
&
& &
y
x
z
2
z

1
z
4
z
3
C
2
2,0
5,1
3,0
1
===
n
I
I
dk
SB
tU
W
s
x
.
1
1
=
)(23
10.45,0
10.100.5,10
4
4

1
vòngW ==


)(15
5,1
23
1
2
vòng
n
W
W ===
E
2
+24V
D
z
D
3
D
4
D
5
Tr
2
R
5
R
4

C828
2k
120
204
204
G
K
204
Đồ án điện tử công suất
C
2
= 0,1àF.
Vậy khâu tạo xung có sơ đồ nh hình vẽ và chọn
C
2
= 0,1àF; R
3
= 1k.
4 phần tử NAND trong sơ đồ nằm trong con IC4011 có sơ đồ chân nh sau:
4. Thiết kế máy biến áp xung:
Sử dung BAX với mục đích sau:
-Dễ dàng tạo đợc xung với biên độ phù hợp với
tải.
-Cách ly về điện giữa mạch điều khiển và hệ
thống động lực.
-Dễ dàng thay đổi cực tính của xung ra.
Khi chọn van điều khiển thì giá trị dòng và áp:
I
đk
=0,3A

U
đk
=7V
Điện áp điều khiển và dòng điện điều khiển chính là giá trị dòng và áp thứ
cấp của BAX. Theo kinh nghiệm tỷ số BAX thờng chọn từ 1ữ3 là tốt nhất. Do đó ta
chọn n=1,5. Nh vây điện áp đặt lên cuộn sơ cấp phải là:
U
1
= n.U
đk
=1,5.7 =10,5V.
Dòng điệ sơ cấp:
Ta chọn vật liệu lõi thép là pherit, làm việc trên 1 phần đặc
tính từ hoá B
s
= 0,45T; độ từ thẩm à = 6000A/m
2
, có diện tích lõi thép là 1cm
2
.
*Số vòng dây cuộn sơ cấp :
t
x: Chiều
dài xung điều truyền qua BAX , thờng chọn t
x
từ 10ữ 600às, ở đây ta
chọn t
x
=100às
*S diện tích lõi pherit lấy S =10

-4
mm
2
5
CMOS 4011
14
Vcc
13 12 11 10 9 8
76
5
4321
mm
j
I
d 357,0
3.14,3
3,0
2
.
2
2
2
===
mm
j
I
d 28,0
3.14,3
2,0
2

.
2
1
1
===

I
E
R
c
120
2,0
24
max
2
2
5
===
kR 6,1
10.1,0
10.16,0
6
3
9
==


Đồ án điện tử công suất
*Số vòng dây cuộn thứ cấp:
*Chọn mật độ dòng điện j=3A/mm

2
Đơng kính cuộn thứ cấp:
Đờng kính cuộn sơ cấp:
*Chọn R
4
=2k, chọn tranditocó I
c2mã
=I
1
=0,2A

Chọn Tr
2
là C828 có U
ce
=30V; I
c2max
=300mA; =30ữ100; D
3
, D
4
,
D
5
, chọn loại điốt 204 có I
tb
=800mA;U
m
=100V;
5. Lựa chọn khâu lệch pha:

Xung điều khiển T
1
T
4
muốn điều khiển T
3
T
2
thì ta phải dich xung đó đi một
góc do đó ta phải thiết kế khâu dịch pha:
Đây là mạch trễ pha toàn thông , để tạo ra tín hiệu dịch pha ta mắc nối tiếp 2
bộ dịch pha 90
0
Chọn R
8
= 10k. Ta có độ lệch pha :() = -2tg
-1
. RC
Với =2.10
3
(rad/s) -2arctg(2.10
3
R
9
C
10
) = -90
0
R
9

C
10
= 1/2.10
3
= 0,16.10
-3
. Chọn tụ C
10
có dung lợng C
10
= 0,1àF
6
U
v
TL081
+15
V
-
15V
u
ra
R
8
R
8
D
4
R
9
Bộ dịch pha

)(17551.
2,0
351
.1;
1
2
1
21
1
2
2
1
vòngWWW
I
I
W
W
I
I
=====
U
i
=i.R
S
Rs
Biến dòng
Tải
Đồ án điện tử công suất
Chọn R
9

là chiết áp 3k.
Ký hiệu bộ dịch pha :
6. Khâu lấy tín
hiệu về:
Tín hiệu về có hai nhiệm vụ:
- Sau khi tín hiêu dòng và áp của bộ nghịch lu ra tải ổn định thì ngắt máy
phát xung chủ đạo.
- Tín hiệu về đợc da về bộ khuyếch đại sửa xung để điều khiển quá trình
đóng mở các can của bộ nghịch lu.
Ta có U
tải
= 800V; I
tải
=351A
Vì bộ nghịch luđộc lập nguồn dòng nên dòng điện tải không phụ thuộc vào
tải do đó ta lấy tín hiệu về là tín hiệu dòng và để lấy tín hiêu điều khiển thì ta phải
sử dụng máy biến dòng và điện trở sun R
s
.
Chọn máy biến dòng có số vòng dây sơ cấp và thứ cấp
Chọn R
s
để U
i
=i.R
s
=10V R
s
=10/0,2 =50.
Tín hiệu lấy về có dạng:

7
Mở T
1
T
4
Đồ án điện tử công suất
Muốn có dạng xung vuông ta cho tín hiệu qua IC thuật toán
Chọn loại OA TL081 có V
cc
= 15V
U
d
= 30V
Đồ thị tín hiệu vào ra theo thời gian:
Ta có xung điều khiển của T
1
và T
4
phải có dạng xung dơng do đó để tạo
xung điều khiển cho T
1
và T
4
thì tín hiệu phản hồi sau khi qua bộ khuyếch đại
thuật toán ta cho qua điốt
Khi U
v
>0
U
A

< U
K

D khoá U
r
= U
v
Khi U
v
<0 U
A
>U
K
D thông U
r
= 0
8
-Vcc
+V
cc
U
d
T
1
T
4
T
2
T
3

T
1
T
4
T
2
T
3
U
r
U
v
D
5
204
U
r
t
t
Uv
Đồ án điện tử công suất
Để tạo xung điều khiển T
2
,T
3
ta dùng mạch gim trên song song
U
v
> 0 U
A

> U
K
D
6
thông U
r
= 0
U
v
< 0 U
A
< U
K
D
6
khoá U
r
= U
v
Vì xung điều khiển đẻ mở van là xung dơng nên ta phải cho qua 1 phần tử
bán dẫn đó là vi mạch:
Tín hiệu ở chân 10 của 4047 chính là tín hiệu qua BAX và di điều khiển
T2,T3.
7. Khâu để ngắt máy phát xung:
Sau khi tín hiệu dòng và áp ra tải ổn định thì ta ngắt máy phát xung ra khỏi
mạch điều khiển, do đó ta có thể sử dụng rơ le thời gian có hai tiếp điểm, một tiếp
điểm thờng đóng mở chậm và một tiếp điểm thờng mở đóng chậm. Chon rơ le thời
gian do liên xô cũ chế tạo loại B201 có các thông số kỹ thuật:
9
U

r
U
v
D
6
204
U
v
D
6
204
10
11
5 7 912
3
1 2
8
1464
CMOS 4047
R
6
C
3
+ V
cc
t
t
Đầu vào OA
t
Tín hiệu sau D

6
Tín hiệu ra chân
10 của 4047





=
=
=
VU
VU
VU
r
v
r
30
5,17
15
max
min





=
=
=

VU
VU
VU
r
v
r
38
27
24
max
min
Đồ án điện tử công suất
+ Diện áp định mức U
đm
=24V
+ Khoảng điều chỉnh thời gian 0,25ữ 4s.
Theo số liệu trong bài ta điều chỉnh thời gian của rơle là 1s
Tổng hợp mạch điều khiển:
Sau khi chọn các khâu và các phần tử ta gép nối các khâu lại với nhau và đợc
sơ đồ tổng quát của mạch điều khiển.
8. Thiết kế bộ nguồn cung cấp cho các vi mạch, cho biến áp xung:
Ta cần có nguồn một chiều có điện áp 15V và +24V. Do đó ta thiết kế bộ
chỉnh lu, sau bộ chỉnh lu đặt một ổn áp để ổn định điện áp ra :
Chọn dùng IC ổn áp LM7815 có:

Và IC LM7824 có :
Thiết kế mạch nguồn 15V
Ta dùng sơ đồ chỉnh lu 2 nữa chu kỳ biếnáp điểm giữa:
Chọn tụ C
4

là tụ một chiều 1000àF; C
5
= 330nF; C
6
= 10nF ;
10
D
7
3
21
LM7815
+15V
C
6
C
5
C
4
U
1
=220V
U
2
D
8
2220
V
UU
U
vv

m
75,23
2
305,17
2
minmax
2
=
+
=
+
=
7
75,23.2
2220
2
2
1
===
m
vm
U
U
a
V
UU
U
vv
m
5,32

2
3828
2
minmax
2
=
+
=
+
=
5
5,32.2
2220
2
2
2
===
m
vm
U
U
a
Đồ án điện tử công suất
Để xác định tỷ số máy biến áp ta xét điện áp vào cho phép của 7815. Nếu
điện áp vào là 220V, 50Hz thì ta có biến độ điện áp cuộn sơ cấp là
Cuộn thứ cấp có điểm giã phải có biên độ:
Vậy tỷ số biến áp :
Thiết kế mạch tạo nguồn +24V
Ta có:
Tỷ số biến áp:

Sơ đồ mạch tao nguồn +24V:
Chọn D
7
, D
8
, D
9
, D
10
, cùng loại 204 có I
tb
=800mA, U
im
=100V.
Thiết kế nguồn cung cấp -15V:
Sơ đồ nguồn cung cấp -15V nh sau:
11
D
9
3
21
LM7815
+24V
C
9
C
8
C
7
U

1
=220V
U
2
D
10
D
9
3
21
LM7815
+24V
C
9
C
8
C
7
U
1
=220V
U
2
D
10
Đồ án điện tử công suất
II. Tổng hợp mạch điều khiển cho tàon hệ thống:
1. Sơ đồ mạch điều khiển cho toàn hệ thống:
2. Nguyên lý hoạt động của toàn hệ thống:
+ Vi mạch 555 phát xung hình chữ nhật có tần số 2000Hz sau khi qua bộ

chia xung Fliplop ta đợc xung vuông có tần số 1000Hz.
12
Đồ án điện tử công suất
+ Xung tần số f =1000Hz qua bộ tạo độ rộng xung ta đợc xung có độ rộng t
x
=100às, tần số f=1000Hz, xung này qua BAX đợc khuyếch đại , sau đó đợc đa vào
cực G
1
,G
4
của các Thyristo T
1
, T
4
.
+ Xung ở đầu ra của bộ tạo độ rộng, muốn kích mở đợc T
2
, T
3
ta cho qua bộ
dịch pha 1 góc . Xung này có dạng dống xung ở đầu ra của bộ tạo độ rộng xung
nhng dịch pha 1 góc . Xung này qua BAX để khuyếch đại sau đó đa vào cực G
2
,
G
3
của thyristo T
2
,T
3

.
+ Khi các thyristo T
1
, T
2
, T
3
, T
4
đợc kích mở thì bộ nghịch lu hoạt động cấp
dòng và áp cho tải. Dạng dòng điện gần sin, có tần số f=1000Hz, biên độ dòng và
áp thoả mãn yêu cầu.
+ Để bộ nghịch lu có thể tự hoạt động ta lấy tín hiệu dong điện về để kích
mở các van. Khi đó ta ngắt máy phát xung chủ đạo 555. Để làm việc này ta dùng
rơ le thời gian. Khi tải có tín hiệu cuộn hút của rơ le R
th
có điện, sau 1 khoảng thời
gian tiếp điểm thờng đóng mở chậm mở ra, ngắt máy phát xung 555 còn tiếp điểm
thờng mở đóng chậm cũng sau một khoảng thời gian thì đóng lại, tín hiệu lấy từ tải
đợc đa vào bộ tạo độ rộng xung sau đó qua BAX và điều khiển quá trình đóng mở
các van thay cho bộ phát xung 555, chỉnh định thời gian đóng mở các tiếp điểm
của rơ le thời gian thì ta sẽ quy định đợc thời gian màbộ phát xung chủ đạo hoạt
động.
3. Dạng dòng điên và điên áp tại các điểm:
Dựa vào sơ đồ nguyên lý và những phân tích trên ta có dạng dòng điện và
điên áp tại các nút nh sau:
13
§å ¸n ®iÖn tö c«ng suÊt

14

A
B
C
D
E
F
G
5V
10V
i
ra
t
x
2T
T
§å ¸n ®iÖn tö c«ng suÊt
15
i
ra
H
M
P
D
F
N
Q
E
G
t
x

t
x
2
Đồ án điện tử công suất
Kết luận
Sau một quá trình học tập và nghiên cứu, cùng với sự hớng dẫn tận tình của
thầy giáo và sự giúp đỡ của các bạn cùng lớp, chúng em đã hoàn thành các nhiệm
vụ đợc giao của bản đồ án: Thiết kế bộ biến tần cho lò nấu thép, phần nghịch lu.
Trong quá trình thực hiện, chắc chắn bản thân chúng em không thể tránh
khỏi những thiếu sót, chúng em rất mong nhận đợc những ý kiến đóng góp của các
thầy và các bạn để bản đồ án này hoàn thiện hơn.
Chúng em xin chân thành cảm ơn!
Hà Nội ngày 20 tháng 12năm 2001
Sinh viên
Tài liệu tham khảo
1. điện tử công suất - Nguyễn Bính
2. Phân tích và giải mạch điện tử công suất
16
Đồ án điện tử công suất
Dơng Văn Nghi - Phạm Quốc Hải
3. Bài giảng điện tử công suất của thầy Phạm Quốc Hải.
4. Bài giảng điện tử công suất của thầy Dơng Văn Nghi
5. Khí cụ điện - Tô Đằng
6. Điện luyện thép - ĐHBK
7. Điện tử số - Nhà xuất bản giáo dục
17