Nghiên cứu, chế tạo bộ chỉnh lưu cho lò nấu thép dùng bán dẫn công suất

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

KHOA KTĐK
CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập - Tự do - Hạnh phúc
-----------------------
Phê chuẩn
Ngày…..tháng…..năm 2009
CHỦ NHIỆM KHOA
Độ mật……………….…
Số………………………
NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Họ và tên: Nguyễn Văn Giang Lớp: ĐKTĐ Khoá : 3
Ngành: Điện - Điện tử Chuyên ngành: Điều khiển tự động.
1. Tên đồ án:
“Nghiên cứu, chế tạo bộ chỉnh lưu cho lò nấu thép dùng bán dẫn công suất ”
2. Các số liệu ban đầu:
…...…………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………
…………
3. Nội dung bản thuyết minh:
lời nói đầu.
Chương I: Nghiên cứu về nguồn cấp điện cho lò nấu thép.
Chương II: Phân tích và tổng hợp bộ (thuật toán điều khiển mạch) chỉnh
lưu cầu ba pha.
Chương III: Xây dựng bộ chỉnh lưu cầu ba pha.
Chương VI: Mô phỏng thực nghiệm.
2
GV hướng dẫn: TS Nguyễn Văn Thuấn
Đồ án tốt nghiệp
Lớp: TBĐ-ĐT 3.

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.

MỤC LỤC
Trang
Bìa chính
Phụ bìa
Nhiệm vụ đần án
Lời cam kết
Mục lục
Dang mục các hình vẽ và đồ thị
Mởi đầu…………………………………………………………………………..1
CHƯƠNG 1: NGHIÊN CỨU VỀ NGUỒN CẤP ĐIỆN CHO LÒ NẤU THÉP.
1.1: Tổng quan về lò nấu thép cảm ứng……….........................................1
1.2: Nguyên lý làm việc của lò nấu thép cảm ứng trung tần dùng
thyristor…………………………………………………………………………2
1.3: Yêu cầu kỹ thuật đối với mạch chỉnh lưu……………………...........3
CHƯƠNG 2: PHÂN TÍCH VÀ TỔNG HỢP THUẬT BỘ CHỈNH LƯU CẦU
BA PHA.
2.1: Khái quát chung về thyristor và chế độ làm việc……..…………………4
2.1.1: Cấu tạo và nguyên lý hoạt động……………………………………....5
2.1.2: Đặc tính Volt - Ampe và các tham số chủ yếu của thyristor………....6
2.1.3: Thyristor làm việc với vai trò chỉnh lưu điều khiển…………………..7
2.2 Nguyên lý làm việc của mạch chỉnh lưu câu ba pha…………………….8
2.3: Phân tích và tổng hợp thuật toán điều khiển mạch chỉnh lưu câu ba pha
dung thyristor………………………………………………………………….9
2.3.1: Khái quát về mạch điều khiển thyristor………………………..……10
2.3.2: Thiết kế mạch điều khiển theo nguyên tắc thẳng đứng arrccos…..…11
5
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

tin cậy và tính chính xác cao; đặc biệt là dễ dang trong việc áp dụng các tiến bộ
của các ngành khoa học kỹ thuật khác như: ngành điều khiển học, ngành công
nghệ thông tin…vv nhằm nâng cao hiệu quả sản xuất, giảm tổn thất năng lượng,
hạ giá thành sản phẩm và giải phóng sức lao động cho con người. Chính vì thế
các thiết bị điện tử công suất được ứng dụng khá rộng rãi vào việc biến đổi điện
7
GV hướng dẫn: TS Nguyễn Văn Thuấn
Đồ án tốt nghiệp
Lớp: TBĐ-ĐT 3.

năng. Trong điều kiện đó, xây dựng lò nấu thép cảm ứng trung tần dung bán dẫn
công suất hoàn toàn có khả năng thực hiện được.
Trong thời điểm hiện nay và cả trong tương lai, nhu cầu về Lò nấu thép
kiểu Lò điện cảm ứng trung tần dung bán dẫn công suất là rất lớn, trong khi đó
nước ta chưa chế tạo được. Vì vậy việc nghiện cứu và xây dựng lò điện cảm ứng
dung bán dãn công suất nhằm phục vụ cho công tác thiết kế, chế tạo mới và cải
tạo các thiết bị cũ là rất cần thiết.
Trong các thiết bị cung cấp điện cho Lò, thì bộ chỉnh lưu giữ vai trò đặc
biệt quan trọng là nguồn cung cấp và bổ xung năng lượng cho tải,do vậy mà đã
gây sự chú ý lớn ở tôi.
Xuất phát từ các lý do đã nêu ở trên, được sự gợi ý, động viện và khích lệ
của thầy giáo Nguyễn Văn Thuấn, tôi chọn việc: “ Nghiên cứu, chế tạo bộ chỉnh
lưu cho lò nấu thép dùng bán dẫn công suất ” là đề tài cho đồ án tốt nghiệp đại
học của tôi.
Nhiệm vụ của đồ án là nghiên cứu về Lò điện cảm ứng và nghiên cứu về
bộ chỉnh lưu cầu ba pha, xây dựng thuật toán điều khiển và xây dựng cơ sở tính
chọn các phần tử cơ bản cho bộ chỉnh lưu cầu ba pha dung thyristor, từ đó tiến
đến chế tạo một bộ chỉnh lưu cầu ba pha đáp ứng được các yêu cầu đặt ra của Lò
nấu thép.
Nội dung đồ án gồm bốn chương:

- 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.

Mô tả cấu tạo sơ lược của lò nấu thép cảm ứng được trình bầy trên hình 1.1:
Hình 1.1……….
9
GV hướng dẫn: TS Nguyễn Văn Thuấn
Đồ án tốt nghiệp
Lớp: TBĐ-ĐT 3.

Trong đó cấu tạo gồm : bộ phận cơ điện (hoặc thuỷ lực) quay nghiêng lò,
khung lò, cuộn cảm ứng (1), phía trong đặt nồi lò (2) chứa liệu kim loại (3). Cuộn
cảm ứng bằng ống đồng được quấn nhiều vòng hình xoắn ốc, bên trong luôn luôn
có nước để làm nguội. Khung lò có tắc dụng cố định các vòng cảm ứng và nồi lò;
cạnh khung đặt cơ cấu nghiêng lò; khung lò được làm bằng vật liệu kim loại hoàn
toàn không có nhiễm từ.
Lò điện cảm ứng được xây dựng dự trện nguyện lý của một máy biến áp
(MBA) lõi không khí. Cuộn cảm được coi như cuộn sư cấp, còn liệu kim loại
chứa trong nồi lò được coi như cuộn thứ cấp. Khi ta cho dòng điện xoay chiều đi
qua cuộn cảm ứng thì sẽ sinh ra từ thông biến thiên. Từ thông qua kim loại sinh ra
một sức điện động (sđđ) cảm ứng. Kim loại ở đây coi như một cuôn dây khép kín
và thẳng góc với từ thông biến thiên. Xuất hiện trong kim loại một dòng điện cảm
ứng và năng lượng của dòng điện cảm ứng sinh ra một nhiệt lượng lớn để nung
chảy kim loại. Như vậy khi lò làm việc thì xuất hiện 2 sức điện động cảm ứng
trong cuộn cảm ứng (
1
E
) và trong kim loại (
2
E
). Theo [4] giá trị của
1
E

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);

2
n
: số vòng của cuộn thứ cấp (kim loại coi như là một khối thống
nhất nên có
2
n
= 1).
Các vòng của cuộn cảm ứng có khoảng cách nhất định nện từ thông biến
thiên bị mất mát lớn( từ thông tản ra ngoài không khí )do vậy sức điện động cảm
ứng
1
E
>
2
E
. Vì vậy phía cung cấp vào cuộn cảm ứng một năng lượng lớn để tạo
10
GV hướng dẫn: TS Nguyễn Văn Thuấn
Đồ án tốt nghiệp
Lớp: TBĐ-ĐT 3.

1
E
cao phù hợp với dung lượng lò, đồng thời tạo ra
2
E
đủ lớn để làm nóng chảy
liệu trong lò. Khi kim loại bị cảm ứng thì trong kim loại lập tức sinh ra từ thông
chống lại từ thông do cuộn cảm ứng sinh ra, do đó chiều dòng điện

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
.

1
I
[1.4]
Vậy dòng điện
2
I
phụ thuộc vào nguồn cung cấp điện và phụ thuộc vào số
vòng của cuộn cảm ứng.
Nhờ có dòng điện Foucault
2
I
tạo ra một lượng nhiệt đủ lớn để nấu chảy kim
loại. Năng lượng điện để nấu chảy kim loại được tính theo công thực :
W =
2
2
I
. 2
2
π
. d. h.
9
10...
−
f
µρ
, ( w ) [1.5]
W =
2
11

).( 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

: hệ số từ thẩm của kim loại
f : tần số làm việc ( Hz)
Khi đưa dòng điện xoay chiều vào cuộn cảm ứng thì lập tức trong kim loại
sinh ra dòng điện Foucault rất mạch tạo ra nhiệt lượng lớn để nấu chảy kim loại.
Theo [4] năng lượng điện cung cấp để nấu chảy kim loại được tính theo công thức
1.7:
P =
2
11
).( nI
. 2
2
π
.d.h.
9
10...
−
f
µρ
[1.7]
Trong đó:
f - tần số dọng điện chạy qua cuộn cảm ứng Hz;
11
GV hướng dẫn: TS Nguyễn Văn Thuấn
Đồ án tốt nghiệp
Lớp: TBĐ-ĐT 3.


1
n

- 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

≥
2, 5.
9
10
2
d
ρ
Hz [1.8]
Trong đó: d – đường kính nồi lò chứa kim loại, mm;

ρ
– điện trở suất của kim loại, Ω
2
mm
/m .
Mức độ cảm ứng của khối kim loại chứa trong lò khác nhau, phụ thuộc vào
tường vùng, tính chất của liệu và tần số làm việc. Mật độ dòng điện cảm ứng phân
bố trong lò không đều. Kim loại sát tường lò, gần cuộn cảm ứng thì có mật độ
điện lớn nhất và giảm dần theo chiều hướng vào tâm lò, tức là liệu được chảy nhất
ở sát tường lò, còn ở gữa lò là chảy chậm.
Trong quá trình nấu luyện thép, khi tăng nhiệt độ thì độ sâu thẩm từ tăng
(dưới điểm Quyri t ≤
0
710 c ).Trên thực tế sản xuất thường cho lò đạt nhiệt độ
cao rồi mới chất liệu cục to vào lò, đặc biệt nên chất liệu kim loại sát tương lò hết
sức chặt, còn ở giữa lò chất vừa đảm bảo liệu được nung chảy đỏ và nấu chảy
đều, nhanh. Sau mỗi mẻ thép cần để lại ít thép lỏng trong lò để kích thích độ dẫn
từ ( cho phép ). Khi kim loại còn ở trạng thái rắn thì giá trị công suất nhiệt toả ra
trong liệu phụ thuộc vào kích thức cục liệu ban đầu đưa vào lò. Theo G.T. Badata
thì giá trị công suất toả nhiệt ra trong liệu đạt được cực đại khi kích thước liệu là:

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

1150 c).
+ Lò điện cảm ứng cao tần: Nhiệt cung cấp cho Lò với tốc độ nhanh, vì tần
số làm việc rất cao nên cảm ứng điện sinh ra trong cuộn cảm ứng Lò sẽ rất lớn.
Do đó nhiệt cung cấp co Lò để nấu chảy kim loại rất nhanh. Chính vì thế laọi Lò
này phù hợp với các công nghệ tôi các chi tiết dụng cụ má và nấu luyện các mác
thép co nhiệt độ nóng chảy cao.
+ Lò điện cảm ứng trung tần: đây là loại Lò có tần số làm việc nằm trung
gian giữa Lò điện cảm ứng tần số công nghiệp và Lò cao tần. Nhiệt lượng cung
13
GV hướng dẫn: TS Nguyễn Văn Thuấn
Đồ án tốt nghiệp
Lớp: TBĐ-ĐT 3.

cấp cho Lò để nấu chảy kim loại với tốc độ nhanh, thích hợp với việc luyện các
mác thép các bon hoặc các mác thép hợp kim trung bình và cao.
Do cấu tạo của Lò, giữa cuộn cảm ứng và liệu chứa trong lò bị ngăn cách
bởi bề dầy của nồi lò (là vất liệu chịu lửa), mặt khác cá cuộn cảm có nhiều vòng,
vòng nọ cách vòng kia từ 3 ÷ 20 mm, nên tạo nhiều khe hở dẫn tới từ thông bị tổn
hao mất bớt năng lượng điện cảm ứng trong lò; do đố hệ số tận dụng công suất
điện rất thấp. Vì vậy người ta cần phải nối với tải hệ thống tụ điện để bù cosφ. Hệ
thống tụ bù hoặc được mắc nối tiếp hoắc song song, hoặc mắc hỗn hợp (nối tiếp
và song song) với cuộn cảm ứng của lò như trinh bầy trên hình 1.2:
Hình 1.2………….

Hình 1.2: Sơ đồ các kiểu nối tụ vợi cuộn cảm ứng lò.
a) mắc nối tiếp; b + c) mắc song song; d) mắc nối tiếp – song song.
Theo [4] hệ số tận dụng công suất của các lò cảm ứng khi chưa nối tụ điện
như sau:
- Tần số 50Hz thì cosφ = 0,1 ÷ 0,12;
- Tần số 500 – 3.000 Hz thì cosφ = 0,2 ÷ 0,22;

- 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

công thức sau:

0
ω
=
LC
1
[ 1.9]
Trong đó:

0
ω
- tần số góc của dòng điện cộng hưởng, radian (
0
ω
= 2π
0
f
);
L - hệ số tự cảm, henri;
C - điện dung tụ điện, faraday;

0
f
- tần số dòng điện cộng hưởng, Hz.
Do đó điện dung của bộ tụ điện là:
15
GV hướng dẫn: TS Nguyễn Văn Thuấn
Đồ án tốt nghiệp
Lớp: TBĐ-ĐT 3.

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.

Ngày nay nhờ các thành tựu của kỹ thuật biến đổi điện năng, điện tử công suất,
kỹ thuật điều khiển…vv, Lò nấu thép cảm ứng trung tần được xây dựng dựa trên
cơ sở các biến tần bán dẫn. Sơ đồ khối chức năng lò cảm ứng trung tần dùng bán
dẫn công suất được trình bầy trên hình H1.4:
………………………H1.4
Hình 1.4 Sơ đồ khối chức năng lò nấu thép dung bán dẫn công suất
Bộ biến tần gồm hai khối cơ bản là chỉnh lưu và nghịch lưu với chứa năng và
nhiệm vụ như sau:
+ Chỉnh lưu: có nhiệm vụ biến đổi nguồn điện xoay chiều ba pha tần số công
nghiệp thành nguồn điện một chiều để cấp cho nghịch lưu.
+ Nghịch lưu: có nhiệm vụ biến đổi dòng điện một chiều thành dòng điện xoay
chiều có tần số mong muốn để cấp cho phụ tải.
Với lò nấu thép cảm ứng, để nấu chảy kim loại nhanh cần có công suất lớn, mặt
khác trong các giai đoạn nấu luyện lại cần thiết công suất điện với mức độ khác
nhau. Do vậy bộ chỉnh lưu thích hợp cho thiết bị này hơn cả là chỉnh lưu cầu ba
pha điều khiển hoàn toàn.
Như đã trình bầy ở trên, nhiệt lựơng để nung chảy vât liệu tỉ lệ thuận với bình
phương cường độ dòng điệ; vì thế để nấu chảy kim loại cần có dòng điện rất lớn.
Tuy nhiện việc cấp dòng lớn tì lưới cho phụ tải gặp nhiều khó khăn; cho nên để
hạn chế việc cấp dòng điện lớn mà vẫn đảm bảo yêu cầu nung chảy kim loại ta
17
GV hướng dẫn: TS Nguyễn Văn Thuấn
Đồ án tốt nghiệp
Lớp: TBĐ-ĐT 3.

dung các van điều khiển hoàn toàn như BJT, tranzitor trường công suất
MOSTFET, tranzitor cửa cách ly IGBT, thyristor điều khiển hoàn toàn GTO, hoặc
bán điều khiển (thyristor thông dụng SCR). Tuy nhiên xây dựng các lò cảm ứng
trung tần dùng bán dẫn công suất trên cơ sở dùng thyristor thong dụng (SCR) vẫn

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.

1.3 Yêu cầu kỹ thuật của Lò nấu thép cảm ứng trung tần:
1.3.1 Các yêu cầu chung:
+ Thiết bị Lò nấu thép trung tần như đã trình bầy ở trên, dung năng lượng của
dòng Foucault để nung chảy và nấu luyện thép, do vậy yêu cầu phải có hiệu suất
cao, tiêu tốn ít điện năng.
+ Vì mức độ dao động của phụ tải tương đối lớn, nên thiết bị phải đảm bảo sự
ổn định về dòng điện, điện áp và công suất trung tần. Tần số phải tự thay đổi phù
hợp với mức độ thay đổi của tải để đạt được hiệu suất năng lượng cao nhất. Yêu
câu thời gian nâu luyện phải ngắn, suât tiêu hao điện năng/ tấn phải thấp nhỏ,
nhiệt độ nug chảy cao nhất có thể đạt đến 1800
0
c.
+ Công nghệ nấu luyện các loại mác thép không giống nhau. Yêu cầu về
thành phần, thời gian xử lý thành phần, nhiệt độ rót cũng như tốc độ nâng nhiệt
của các mác thép về cơ bản là khác nhau. Giai đoạn nung chảy thường cần công
suất lớn để giảm thời gian, giai đoạn xử lý thành phần và hoàn nguyên cần có
công suất nhỏ hơn. Do đó khi nấu luyện cần phải điều chỉnh linh hoạt công suất
sao cho phù hợp với yêu cầu của từng giai đoạn. Chính vì vậy thiết bị cần cố công
suất nung chảy vật liệu đủ lớn và điều chỉnh được vô cấp công suất nung chảy.
+ Trong quá trình vận hành Lò nấu thép cảm ứng trung tần có thể xảy ra sự
cố. Vì vậy cần phải cố bảo vệ với độ nhạy cao, tác động chính xác, lập tức tác
động ngừng thiết bị để đảm bảo vận hành an toàn, chắc chắn, hiệu suất cao.
1.3.2 Yêu cầu kỹ thuật đối với mạch chỉnh lưu:
+ Như đã phân tích ở phần trên, mạch chỉnh lưu cầu ba pha điều khiển hoan
toàn trong thiết bị lò nấu thép cảm ứng trung tần là thiết bị biến đổi năng lượng
19
GV hướng dẫn: TS Nguyễn Văn Thuấn
Đồ án tốt nghiệp
Lớp: TBĐ-ĐT 3.

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

đến sụt áp có thể bỏ qua do giá trị nhỏ, nhưng điện cảm gây nên hiện tượng
chuyển mạch và làm cho điện áp ra sau chinh lưu giảm đi một lượng so với tính
toán trong trường hợp lý tưởng và từ đó làm giảm công suất ra của bộ chỉnh lưu.
Trong quá trình làm việc, điện áp lưới có thể dao động tăng, giảm trong một
20
GV hướng dẫn: TS Nguyễn Văn Thuấn
Đồ án tốt nghiệp
Lớp: TBĐ-ĐT 3.

phạm vi nhất định. Do vậy phải tính toán để bộ chỉnh lưu có thể đáp ứng được các
vấn đề trên.
+ Trên cơ sở những phân tích được trình bầy ở trên ta có thể thấy rằng đối với
bộ chỉnh lưu của lò nấu thép, trong một chu kỳ điện áp tải ra có 6 lần thay đổi,
hay nói cách khác là điện áp tải ra có tần số bằng 6 lần tần số điện áp nguồn cung
cấp và có chu kỳ đập mạch không thay đổi bằng
6
π
. Điện áp ra trong mỗi chu kỳ
đập mạch là một đoận của các điện áp áp dây tượng ứng. Trong mỗi thời điểm
luôn có hai thyristor ở hai nhánh cầu được mở và thời gian mở của mỗi nhánh cầu
gián cách nhau
0
60
, dòng điện tải là dòng điện chạy từ pha nay sang pha kia. Như
vậy có một yêu cầu nhất định đối với mạch tạo xung đó là gián cách thời gian
xung mạch phải bằng
0
60
, đồng thời có biện pháp bảo vệ sự cố ngắn mạch giữa
các pha khi thyristor bi hỏng cách điện.

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

kiềm chế dòng điện, điện áp không có năng lực bảo vệ nữa, khi đó phải dung
khâu bảo vệ quá dòng, quá điện áp. Khâu bảo vệ quá dòng quá điện áp lấy tín
hiệu dòng điện từ đầu nguồn vào hoặc lấy tín hiệu áp từ đầu ra của biến tần đi qua
mạch khoá xung làm cho bộ súc phát cưỡng chế, để góc α khống chế nhanh chóng
dịch tới vị trí 150
0
, mạch điện chỉnh lưu lập tức ngừng cấp điện áp ra, do đó
nhanh chóng khử được dòng đoản mạch hoặc quá điện áp.

1.4 Kết luận chương 1:
Chương 1 trình bầy các nội dung sau:
+ Tổng quan về lò điện cảm ứng .
+ Nguyên lý làm việc chung của lò nấu thép cảm ứng.
+ Các Yêu cầu kỹ thuật của Lò nấu thép cảm ứng trung tần.
Chương 1 là cơ sở quan trọng để các chưong tiếp theo phận tích tổng hợp thuật
toán điều chỉnh và xây dựng các mạch động lực, điền khiển của thiết bị.

22
GV hướng dẫn: TS Nguyễn Văn Thuấn
Đồ án tốt nghiệp
Lớp: TBĐ-ĐT 3.

Chương 2
PHÂN TÍCH VÀ TỔNG HỢP THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN MẠCH
CHỈNH LƯU CẦU BA PHA
2.1 Khái quát chung về thyristor và chế độ làm việc:
2.1.1. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động:
a. Cấu tạo:
23
GV hướng dẫn: TS Nguyễn Văn Thuấn

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

nhiều khó khăn. Biện pháp đơn giản là nguyên lý khử cưỡng bức dòng anốt được
dung phổ biến hơn cả đối với thyristor thông thường.
24
GV hướng dẫn: TS Nguyễn Văn Thuấn
Đồ án tốt nghiệp
Lớp: TBĐ-ĐT 3.

25
GV hướng dẫn: TS Nguyễn Văn Thuấn
N1 P1 N2 P2
K
J3
J2
A
G
J1
Ua
G
Ia
A
K
a) Cấu trúc tương đương
b) Kí hiệu
2
Q
I
G
I
B1
=I

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