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

Đồ án môn học điện tử công suất

LỜI NÓI ĐẦU
Hiện nay các thiết bị điện tử công suất chiếm hơn 30% trong số các thiết
bị của một xí nghiệp công nghiệp hiện đại. Điện tử công suất góp phần giải
quyết những bài toán phức tạp trong lĩnh vực tự động hóa cũng như trong
đời sống hàng ngày.
Môn học Điện tử công suất là một trong những môn chủ yếu để đào tạo sinh
viên ngành tự động hóa nói riêng và sinh viên ngành kỹ thuật nói chung. Với
sự giảng dạy nhiệt tình của các thầy cô trong khoa em đã từng bước tiếp cận
môn học. Để có thể nắm vững phần lý thuyết và áp dụng kiến thức đó vào
trong thực tế, ở học kỳ này em được các thầy giao cho đồ án môn học với đề
tài :

“ Thiết kế phần nghịch lưu của bộ nguồn cho lò tôi thép “
Đây là một đề tài có quy mô và ứng dụng thực tế rất lớn. Các bộ chỉnh lưu
và nghịch lưu đã được một số nhà muáy luyện kim, nhà máy xi măng… ở
nước ta đưa vào sử dụng, lắp đặt và đã chiếm được ưu thế.
Với sự cố gắng của bản thân, cùng với sự hướng dẫn, chỉ bảo tận tình của
các thầy cô trong môn học. đặc biệt là sự hướng dẫn trực tiếp của thầy
“Trần Trọng Minh” đã giúp em hoàn thành đồ án môn học này.
Do lần đầu tiên làm đồ án môn học Điện Tử Công Suất kinh nghiệm chưa có
nên em không tránh khỏi mắc sai sót, mong các thầy giúp đỡ.
Em xin chân thành cảm ơn !
Hà nội tháng 6 năm 2006
Sinh viên thực hiện
Đặng Duy Phú
1
Đồ án môn học điện tử công suất
Mục lục

Trang
Lời nói đầu 2
Chương I Tìm hiểu về công nghệ và yêu cầu của công nghệ lò
tôi thép 4
Chương II Đề xuất và lựa chọn phương án 7
Chương III Tính toán mạch lực 10
Chương IV Thiết kế và tính toán mạch điều khiển 18
Chương V Nguyên lý hoạt động của toàn bộ hệ thống 32
Kết luận 33
Tài liệu tham khảo
Phần I TÌM HIỂU VỀ CÔNG NGHỆ VÀ YÊU CẦU KỸ
THUẬT CỦA LÒ TÔI THÉP.
2
Đồ án môn học điện tử công suất
I.Giới thiệu về lò cảm ứng.
1.1 Khái quát chung:
Hiện nay trong công nghiệp luyện kim, luyện thép trong lò điện là một khâu
quan trọng. Các loại lò điện thường dùng là
- Lò điện trở
- Lò hồ quang
- Lò cảm ứng
Trong đó lò cảm ứng được ứng dụng rất rộng rãi, đăc biệt là các lò tôi tần số
.Trong những lò này, nguyên liệu được nung nóng nhờ dòng điện xoay chiều
với tần số cao nhờ vào hiệu ứng dòng Fucô.
1.2 Lò tôi cao tần:
-Tôi thép là sự nung nóng thép đến nhiệt độ cao hơn các biến đổi pha, hãm ở
nhiệt độ đó và làm nguội nhanh với tốc độ lớn hơn tốc độ tới hạn.
-Mục đích của quá trình tôi thép:
+ Nâng cao độ cứng (HRC) bề mặt, độ bền và tính mài mòn của thép.
+ Đạt được sự phối hợp tốt các tính chất cơ khí khác.

Tôi tần số cao (tôi cảm ứng) là phương pháp tôi công nghệ tiên tiến, chủ yếu
dùng để tôi bề mặt, nó cho phép bề mặt đạt độ cứng và tính mài mòn cao
hơn các phương pháp tôi thông thường, còn phần lõi vẫn đạt độ dẻo
1.2.1Nguyên lý làm việc:
Khi cho dòng điện có tần số cao chạy qua vòng dây
dẫn( vòng cảm ứng ) sẽ tạo ra một từ trường thay đổi
mãnh liệt bên trong vòng dây.Vật cần tôi được đặt
trong từ trường xoay chiều đó. Sự bố trí cuộn dây cảm
ứng và chi tiết cần tôi có thể coi như một máy biến áp.
Vòng cảm ứng là cuộn sơ cấp nơi dòng điện đi vào còn
chi tiết cần tôi là cuộn thứ cấp ngắn mạch.Chính điều
3
Đồ án môn học điện tử công suất
này gây ra dòng điện rất lớn chảy qua chi tiết tôi gọi là
dòng điện xoáy ( dòng Fucô). Nhờ vào hiệu ứng bề mặt
mà dòng điện xoáy sẽ chỉ chảy ở lớp bề mặt mỏng của chi tiết tôi, cũng
chính nhờ hiệu ứng bề mặt mà tác dụng nung nóng của dòng xoay chiều
chảy trong chi tiết tăng lên rất nhiều.
Nhờ vậy, bề mặt chi tiết được nung nóng đến nhiệt độ quy định trong thời
gian ngắn.
Sau đó bằng các phương pháp làm nguội nhanh để có được độ cứng bề mặt
cần thiết.

Sự phân bố dòng điện trong chi tiết tôi tuân theo quy luật:


Một cách gần đúng có thể coi δ là chiều sâu của lớp có dòng điện chạy qua,
cũng chính là chiều sâu lớp tôi và được tính theo công thức:

f.

.5030
µ
ρ
δ
=
(cm)
trong đó:
ρ : điện trở suất (Ω.cm)
μ : độ từ thẩm
4
Đồ án môn học điện tử công suất
f : tần số dòng điện (Hz)
Năng lượng chuyển thành nhiệt trong khối liệu W
W = I
2
.n
2
.2.л.(d/h).
10...( f
µρ
-9
)
I : Cường độ dòng trong cuộn cảm
n : Số vòng cảm ứng
d : Đường kính nồi lò (cm)
h : Chiều cao kim loại trong lò (cm)
μ : Độ từ thẩm ; ρ : Điện trở suất mẻ liệu (Ωcm)
Như vậy, để tăng nhiệt lượng nung nóng chi tiết, ta có thể tăng cường độ
dòng điện hoặc tăng tần số dòng điện. Thực tế, tăng dòng điện quá lớn có thể
gây hỏng vòng dây cảm ứng gây ra ngắn mạch nên ta thường chọn phương

án tăng tần số để tăng công suất tôi.
1.2.2 Ưu điểm của lò tôi tần số:
• Có thể truyền năng lượng cho vật cần gia công nhanh chóng và trực tiếp,
không cần phải qua một khâu trung gian nào nên có thể tiến hành tự động
hoá ở mức độ cao. Có thể gia nhiệt ở môi trường trung tính, chân không một
cách dễ dàng.
• Trong công nghệ tôi thép, người ta cần nung đỏ bề mặt chi tiết lên nhanh
chóng, sau đó làm nguội lạnh đi cũng rất nhanh để bề mặt chi tiết có độ cứng
cần thiết mà bên trong chi tiết vẫn giữ được độ mềm dẻo của thép. Khi gia
nhiệt bằng dòng điện cao tần, nhờ hiệu ứng bề mặt bề mặt của chi tiết dược
nung đỏ lên một cách nhanh chóng do đó chất lượng tôi cao.
• Vật tôi ít biến dạng do lớp tôi rất mỏng
• Có thể tôi các chi tiết có hình dáng và bề mặt bất kỳ.
• Là phương pháp tôi không tiếp xúc nên chi tiết tôi được giữ sạch.
5
Đồ án môn học điện tử công suất
• Dùng phương pháp gia nhiệt cao tần cho ta đạt được năng suất lao động
cao, giảm được những lao động cực nhọc trong các phân xưởng rèn dập ở
các nhà máy chế tạo cơ khí.
1.2.3 Đặc điểm của công nghệ tôi tần số:
Trong quá trình tôi thép bằng lò tôi cao tần, độ từ thẩm và điện trở suất
của thép sẽ thay đổi do nhiệt độ thay đổi. Tuy nhiên nhiệt độ tôi chỉ đạt đến
nhiệt độ Quire ( thép chưa chảy ) nên điện trở suất và độ từ thẩm thay đổi
không đáng kể. Mặt khác tần số dòng điện rất lớn nên khi tôi, chiều sâu lớp
tôi thay đổi không đáng kể vì
f.
.5030
µ
ρ
δ

=
(cm). Hơn nữa chiều sâu lớp
tôi rất nhỏ so với đường kính vật tôi.
Do đó trong quá trình tôi, vật tôi( tải) thay đổi không đáng kể và có tính chất
cảm.
6
Đồ án môn học điện tử công suất
Phần II : ĐỀ XUẤT CÁC PHƯƠNG ÁN VÀ LỰA CHỌN
PHƯƠNG ÁN
Do đặc thù của lò tôi cảm ứng, nên ta chọn nghịch lưu một pha cho phần
nghịch lưu của bộ nguồn lò tôi thép. Ta sét lần lượt các sơ đồ sau:
1. Sơ đồ nghịch lưu áp một pha:
Đặc điểm: nguồn đầu vào là nguồn áp, nên có tụ C (C->
∞
) mắc song
song với điện trở nguồn. Do vậy nguồn trở thành nguồn hai chiều: phát năng
lượng cho tải đồng thời tiếp nhận năng lượng của tải trả ngược về, được tích
luỹ trong tụ C, thông qua các diode mắc song song ngược với các van động
lực chính.
Xét đồ thị hoạt động của mạch:
7
Đồ án môn học điện tử công suất
- Điện áp nghịch lưu có dạng xung vuông chữ nhật, có tần số f
N
tạo ra
nhờ đóng mở các cặp van T1,T2 và T3,T4 một cách có chu kỳ: f
N
=f
đk
Do đó khi thay đổi tần số điều khiển f

đk
có thể thay đổi tần số nghịch lưu f
N
tuỳ ý.
- Ưu nhược điểm:
+ Ưu điểm:
• Điều chỉnh được tần số f
N

• Các van chủ đạo sử dụng là các van điều khiển
hoàn toàn do đó dễ điều khiển đóng mở các van.
+ Nhược điểm:
• Số lượng van sử dụng khá nhiều
• Công suất bộ biến đổi (BBĐ) phụ thuộc vào công
suất của van nên bị hạn chế.
• U
N
có dạng xung chữ nhật nên khị phân tích Furie
sẽ xuất hiện nhiều thành phần sóng điều hoà bấc cao do đó làm giảm
hiệu suất của BBĐ
2. Sơ đồ nghịch lưu dòng một pha:
8
Đồ án môn học điện tử công suất
- Đặc điểm: Nguồn đầu vào là nguồn dòng, do đó nguồn được nối nối tiếp
với L
d
(L
d
->
∞

) nhằm san phẳng dòng đầu vào: T
d
= const.
- Dòng điện nghịch lưu có dạng xung chữ nhật, có tần số f
N
tạo ra nhờ
đóng mở các cặp van T1,T2 và T3,T4 một cách có chu kỳ. Do đó có thể thay
đổi f
N
theo tần số điều khiển f
đk
.
- Xét đồ thị hoạt động của mạch:
9
Đồ án môn học điện tử công suất
- Ưu nhược điểm:
+ Ưu điểm:
• Điều chỉnh đựơc tần số f
N
• Van sử dụng là van Tiristor nên có công suất lớn
hơn rất nhiều so với sơ đồ trên (sử dụng van điều khiển hoàn toàn)
• Chỉ cần quan tâm đến vấn đề mở van, vì khi mở
van cặp van này sẽ làm cặp van kia đóng lại
+ Nhược điểm:
• Không làm việc được ở chế độ không tải
• Dòng nghịch lưu có dạng xung chữ nhật nên chứa
nhiều thành phần sóng điều hoà bậc cao làm giảm hiệu suất BBĐ.
• Dạng điện áp và góc khoá
_
β

góc khoá nghịch lưu
thay đổi khi giá trị của điện cảm đầu vào L
d
thay đổi. Cụ thể:
o L
d
=
∞
=> i
d
= I
d
= const, dòng nghịch lưu có dạng xung chữ
nhật. Và có u
t
biến thiên hàm mũ và góc khoá
β
là max.
o L
d
<
∞
nhưng vẫn đảm bảo i
d
liên tục. Lúc này i
N
có dạng nhấp
nhô do vẫn chứa các sóng điều hoà bậc cao. Dạng điện áp gần
sine hơn nhưng góc khoá
β

giảm đi.
o L
d
<
∞
dòng bị gián đoạn. Khi đó trong mạch có thể xảy ra
cộng hưởng L,C điện áp sẽ trở nên sine nhưng góc khoá
β
là
min.
3. Nghịch lưu cộng hưởng:
* Ở nghịch lưu dòng (hoặc áp) thì dạng dòng điên i
N
(hoặc điện áp u
N
) đều
có chứa thành phần sóng điều hoà bậc cao. Vì vậy sẽ làm giảm hiệu suất của
BBĐ. Để tăng hiệu suất của BBĐ ta xét nghịch lưu cộng hưởng.
* Do tải có tính cảm kháng vì vậy ta phải đấu với tải tụ C để bù lại tính cảm
kháng nhằm tạo ra cộng hưởng trong mạch. Nhưng do tải thay đổi liên tục
trong quá trình tôi, nên ta không thể thực hiện bù đủ được, do vậy mà mạch
chỉ tiệm cận tới dao động cộng hưởng. Sau đây ta xét các mạch dao động
cộng hưởng cơ bản:
a, Sơ đồ nghịch lưu cộng hưởng nối tiếp:
- Do điện cảm tải tạo nên nguồn dòng, bộ nghịch lưu phải là nghịch lưu
nguồn áp. Ta xét sơ đồ cầu:
10
Đồ án môn học điện tử công suất
• Sơ đồ này sử dụng cộng hưởng nguồn áp nên có thể làm việc được ở
chế độ không tải.

• Và do cộng hưởng nối tiếp nên sơ đồ này có thể làm việc được với tải biến
thiên rộng và trong thực tế sơ đồ này được sử dụng rộng rãi.
• Mạch sử dụng IGBT và có tốc độ tăng dòng cũng như tăng áp nhỏ do đó
có thể làm việc với tần số rất cao
• Có phụ tải là một mạch dao động với dòng và áp có dạng hình sin, tải
thiết kế có tính chất điện dung do đó các thyristor trên sơ đồ sẽ chuyển mạch
tự nhiên
• Có thể tạo dòng điện, điện áp gần sin nên ít chứa thành phần sóng hài bậc
cao
• Dòng điện cảm ứng trong các vật liệu sắt từ cung cấp năng lượng làm
tăng nhiệt độ của vật, không cần đến sự tiếp xúc giữa nguồn nhiệt với vật bị
nung Vì vậy ta chọn sơ đồ này để thiết kế phần nghịch lưu cho bộ nguồn lò
tôi thép
*Xét hoạt động của mạch:
11
Đồ án môn học điện tử công suất
- Điện áp nghịch lưu dạng xung chữ nhật, dòng điện trên tải gần sine và
dòng điện vượt trước điện áp ( do thực hiện mồi chậm để chắc chắn cặp van
được khoá mới mở cặp van khác).
- Tại thời điểm
θ
= 0 cho xung mở van T1,T2: dòng đi từ A-> B, tụ C
được nạp. Khi tụ C được nạp đầy dòng qua van T1,T2 giảm về 0. Nhưng do
tải mang tính cảm nên dòng vẫn giữ nguyên chiều cũ nên khép mạch qua
D3,D4 và C
0
. Khi đó điện áp u
c
đặt lên T1,T2 làm chúng bị khoá chắc chắn.
- Tại thời điểm

2
θθ
=
phát xung mở T3,T4 dòng đi từ B->A và tụ C được
nạp theo chiều ngược lại. Khi tụ C nạp đầy dòng qua T3,T4 giảm về 0, dòng
lại khép mạch qua D1,D2 và C
0
. Sau đó quá trình diễn ra lặp lại tương tự
như trên.
b, Sơ đồ nghịch lưu cộng hưởng song song:
- Sử dụng nguồn dòng vì phụ tải gồm tụ điện, điện cảm và điện trở nối
song song ở đầu ra tạo nên tải nguồn áp.
- Sơ đồ sử dụng van Tiristor nên công suất cuả BBĐ lớn. Ld có giá trị hữu
hạn sao cho kết hợp với Lt , C tạo thành mạch cộng hưởng dao động với tần
số riêng:
12