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

Đồ án điện tử công suất

GVHD: Dơng văn nghi

1. Lời nói đầu
Trải qua nhiều giai đoạn nghiên cứu và phát triển, ngành công nghiệp
điện tử đợc đánh dấu bằng sự ra đời của Thyrantron (1902) do kỹ s ngời
Anh John Fleming sáng chế và phát minh ra Transistor (1948) do hai nhà
vật lý ngời Mỹ là John Bardeen và WH Barttain sáng chế và Thyristor
(1956) do nhóm kỹ s hãng Bell sáng chế. Đến nay các nớc phát triển đẫ
sáng chế đợc những thiết bị bán dẫn công suất lớn nh Điốt, Tiristor,
Triac,Transistor chịu đợc điện áp cao. Không những thế mà cả các thiết bị
bán dẫn cực nhỏ nh: Vi mạch đa chức năng, vi xử lý cũng ra đời.
Không riêng gì ở các nớc phát triển mà cả các nớc đang phát triển
nh ở nớc ta hiện nay thiết bị bán dẫn đã và đang thâm nhập vào các nghành
công nghiệp và cả trong lĩnh vực sinh hoạt. Các xí nghiệp, các khu công
nghiệp, các nhà máy nh xi măng, thuỷ điện, giấy, đờng, dệt, sợi là những
chứng minh cụ thể nhất.
Theo xu hớng phát triển của các nghành công nghiệp, để bắt kịp tốc
độ phát triển khoa học trên thế giới, các nhà máy đã đa vào công nghệ nấu
thép mới để thay thế cho các công nghệ lạc hậu. Đó là công nghệ nấu thép
cảm ứng. Công nghệ này dùng bộ biến tần với các phần tử bán dẫn có khả
năng tự động hoá cao và điều chỉnh quá trình nấu thép dễ dàng, năng suất
nấu thép tăng, thời gian nấu nhanh Điều đó đã đáp ứng đ ợc nhu cầu sản
xuất trong nớc.
Với sinh viên tự động hoá, môn học điện tử công suất là một trong
những môn quan trọng. Với sự giảng dạy nhiệt tình của thầy Dơng Văn
Nghi, cùng các thầy giáo trong bộ môn, em đã từng bớc tiếp cận với môn
học. Để có thể nắm vững đợc môn học, em đã tham gia làm đồ án môn học
với đề tài :
" Thiết kế phần nghịch lu của bộ nguồn cho lò nấu thép.

Đây là một đề tài có quy mô và ứng dụng rất lớn trong thực tế.Với sự
cố gắng của bản thân và sự hớng dẫn nhiệt tình của thầy Dơng Văn Nghi.
Em và các bạn trong nhóm đã hoàn thành song công việc nghiên cứu.
Đây là lần đầu tiên làm đồ án môn học, với sự hiểu biết và kinh
nghiệm của bản thân em cha nhiều. Do vậy mà em không thể tránh đợc
những thiếu sót trong quá trình làm, em mong các thầy giúp đỡ em.
Em xin trân thành cảm ơn!

Chơng I
-1-


Đồ án điện tử công suất

GVHD: Dơng văn nghi

Giới thiệu công nghệ nấu thép
Đề tài thiết kế bộ biến tần cho lò nấu thép là đề tài có giá trị thực tế
rất lớn, nó đã đợc đa và sử dụng trong các nhà máy Gang Thép, nhà máy
Luyện Kim.
ở nớc ta cũng nh trên thế giới các phần tử bán dẫn điện tử công suất
đã và đang đợc áp dụng trong mọi lĩnh vực nhất là lĩnh vực công nghiệp để
có nền sản suất để có nền sản suất quy mô và khả năng tự động hoá cao.
Đó cũng là lý do phơng pháp nấu thép mới dùng lò cảm ứng dần dần
đợc thay thế các phơng pháp truyền động.
Trớc hết chúng ta tìm hiểu sơ lợc về công nghệ nấu thép trong
nghành luyện kim. Nghành luyện kim ra đời từ rất lâu đời, sản phẩm của
nó đáp ứng đợc nhu cầu trong mọi lĩnh vực. Trong thời gian đầu các phơng
pháp luyện thép cổ điển nh : Lò cao, lò Máctanh đây là những lò đun bằng
than củi. Ngày nay với sự sử dụng rộng rãi nguồn điện năng thì các phơng

pháp nấu luyện thép bằng điện đã chiếm u thế. Nấu thép bằng lò điện là
phơng pháp có thời gian nấu nhanh nhất và mang lại hiệu quả kinh tế cao
vì phơng pháp này điện năng biến thành nhiệt năng dới dạng khác nhau
nên ta có thể điều chỉnh đợc thành phần nhiệt độ một cách dễ dàng và có
thể nấu luyện đợc tất cả các loại thép khác nhau, dùng cho các mục đích
khác nhau.
Có các loại lò điện nh : Lò hồ quang, lò điện trở, lò cảm ứng
I. Lò điện trở.
Là thiết bị biến đổi điện năng thành nhiệt năng thông qua dây đốt
(dây điện trở). Từ dây đốt qua bức xạ đối lu, truyền nhiệt và dẫn nhiệt
nhiệt năng đợc truyền tới vật cần gia nhiệt. Lò điện trở thờng dùng để
nung, nhiệt luyện, nấu chảy kim loại nấu và hợp kim mầu.
Cấu tạo lò điện trở

ba

-2Vật nung (h.1)


Đồ án điện tử công suất

GVHD: Dơng văn nghi

Hình 1 1
Tuỳ theo phơng pháp nung ta có: Lò nung trực tiếp và lò nung gián tiếp.
a. Lò nung trực tiếp.
Loại này, dòng điện trực tiếp qua cuộn dây điện trở, trực tiếp nung
chảy vật phẩm.
Ưu điểm của loại lò này: nung vật phẩm đợc nhanh đều. Điều kiện
làm việc dễ dàng.

Khuyết điểm Vật nung phải có hình thù theo cuộn dây điện trở. Nếu
hình thù quá phức tạp thì không thể nung đợc.
b. Lò nung gián tiếp.
Loại lò này truyền nhiệt bức xạ.
Ưu điểm nung tất cả các vật phẩm có hình thù khác nhau. Nung đều
hơn so với lò nung trực tiếp.
Khuyết điểm: Không nung đợc những vật to và dài.
Trong quá trình làm việc của lò điện trở là quá trình phức tạp, dây
đốt không bao kim loại.
II. Lò điện hồ quang:
Là thiết bị biến điện năng thành nhiệt năng thông qua hồ quang điện,
dùng để nấu thép hợp kim chất lợng cao. Cấu tạo lò điện hồ quang gồm:
Vỏ lò: đợc làm bằng thép, mặt trong xây bằng vật liệu chịu lửa (1), 3
điện cực làm bằng cácbon hoặc grafit (3) theo chiều thẳng đứng để điều
chỉnh hồ quang, phế liệu đợc đa vào theo cửa 4, thép luyện xong đợc rót
qua máy (cửa) (5). ( Hình 1- 2).
Tuỳ theo cách cháy của ngọn lửa hồ quang mà lò hồ quang đợc chia làm:

-3-


Đồ án điện tử công suất

GVHD: Dơng văn nghi

a. Lò hồ quang xung nóng trực tiếp:
Là lò hồ quang điện chảy giữa điện cực và nguyên liệu rắn chất ở
trong lò, nghĩa là nguyên liệu nhân nhiệt năng thông qua hồ quang và năng
lợng đó truyền từ điện cực xuống các vật kim loại làm nóng chảy chúng.
Các điện cực đợc bố trí thẳng đứng, loại lò này dùng để nấu thép vì có

nhiệt rất cao. Hồ quang toả ra trực tiếp trên nguyên liệu rắn vì vậy bảo vệ
đợc gạch chịu nóng cửa nắp lò không bị cháy.

3

2

Hình 1-3
4

5
1

Hình 1-2

Khuyết điểm: không dùng để nung đợc vì nhiệt độ quá cao, không đồng
đều. Do nhiệt độ cao nên các khí H2, N2 hoà tan vào thép lỏng cũng nhiều
đồng thời các nguyên tố có lợi bị bay hơn cũng nhiều.
b. Lò hồ quang nung nóng gián tiếp.

-4-


Đồ án điện tử công suất

GVHD: Dơng văn nghi

Là lò hồ quanh chảy giữa các điện cực, cách nguyên liệu một khoảng
nhất định. Nhiệt đợc truyền do bức xạ lên đỉnh lò, thân lò và kim loại, các
điện cực đợc bố trí theo chiều ngang .

Ưu điểm: Điện cực bé, chế độ dòng điện tơng đối ổn định nên hồ
quang chảy đều không đoản mạch và dòng hồ quang không đứt quãng. Các
khí xâm nhập vào kim loại ít, các chất có lợi bay khỏi cũng ít vì nhiệt độ
lò không cao.
Khuyết điểm: Thờng lò luôn nóng hơn kim loại do vậy không tận
dụng hết khả năng cấp nhiệt cho vật liệu. Xỉ nguội hơn kim loại do đó tác
dụng xỉ kém, nên vấn đề khử ôxy trong kim loại là khó khăn.
III. Lò cảm ứng (lò tần số)
Là loại lò điện làm việc dựa trên nguyên lý cảm ứng điện từ. Khi cho
dòng xoay chiều đi qua cuộn dây cảm ứng, năng lợng truyền từ nguồn điện
tần số qua vòng dây cảm ứng biến đổi thành năng lợng trờng điện từ. Nhờ
năng lợng của trờng điện từ mà nguyên vật liệu chứa trong lò (kim loại) sẽ
xuất hiện dòng điện xoáy sinh ra lò nung nóng kim loại.
Lò cảm ứng thông dụng hiện nay là loại lò không lõi sắt, loại này
phần lớn dùng để nấu kim loại. Đặc điểm của loại lò này là từ trờng cuộn
dây cảm ứng đợc dẫn thẳng vào khối kim loại cần gia nhiệt. Tại đây sinh ra
dòng điện hỗ cảm. Đặc trng của dây dẫn cao tần là có cảm kháng đặc biệt
lớn do hiệu ứng bề mặt hỗ cảm và chúng phụ thuộc vào tần số, dây dẫn của
cuộn cảm trong lò cảm ứng thờng là thanh cái phẳng, ống rỗng làm mát
bằng nớc. Trong các loại lò điện trên thì lò cảm ứng là lò có u điểm nổi
trội hơn cả.
Lò cảm ứng sử dụng bộ biến tần và các phần tử bán dẫn và mạch điều
khiển điện tử nên quá trình đơn giản và điều khiển dễ dàng hơn tin cậy
hơn, nhìn chung đợc sử dụng để :
- Nấu luyện kim loại và các hợp kim ( các loại thép có chất lợng cao )
- Nhiệt luyện các chi tiết ( kể cả hoá nhiệt luyện )

-5-

Đồ án điện tử công suất

GVHD: Dơng văn nghi

- Nung kim loại trớc khi gia công nóng( cán, rèn thép, kéo dây, kéo sợi )
- Nung điện môi
* Ưu điểm cơ bản của lò cảm ứng là:
- Nung nhanh, tốc độ nung lớn
- Quán tính nhiệt nhỏ
- Có thể nung trong chân không và nung bề mặt
- Dễ cơ khí hoá và tự động hoá
- Lao động hợp vệ sinh.
1. Vậy lò cảm ứng có cấu tạo và nguyên lý hoạt động nh thế nào mà lại có
đợc u việt nh vậy? Thực chất cấu tạo của lò cảm ứng cũng đơn giản nh một
số lò điện khác.
Ta nghiên cứu một loại lò cảm ứng đó là ( lò cảm ứng kiểu kênh ).

* Định nghĩa : Lò cảm ứng kiểu kênh thực ra là một biến thế đặc biệt.
Trong biến thế này, cuộn sơ cấp là cuộn cảm ứng của lò, còn cuộn thứ cấp
là kim loại đợc nấu luyện nằm trong kênh.
* Đợc cấu tạo bởi các phần chính sau:
Bộ biến tần, cuộn cảm ứng, lớp lót, khung ( vỏ lò ), cơ cấu nghiêng lò.
a) Bộ biến tần : Phần này em xin đề cập đến ở các phần sau.
b) Lớp lót : Lớp lót giới hạn không gian nấu luyện của lò.
Độ bền cao lớp lót phải đảm bảo yêu cầu
+ Độ bền nhiệt lớn
+ Đảm bảo độ bền cơ học, hoá học ở nhiệt độ cao
+ Vật liệu làm lớp lót phải duy trì tính cách điện trong khoảng nhiệt độ
tiến hành quá trình nấu luyện.
c) Khung: Khung đợc chế tạo bằng vật liệu không từ tính (đồng, thép

không từ tính .) dùng để đặt các thiết bị phụ đỡ toàn bộ lò.
Vỏ gồm hai phần :
+ Phần dới dùng để đặt và giữ biến thế lò cũng nh trong buồng đáy.
+ Phần trên là phần bao ngoài thân lò, có thể là hình trụ, hình bầu dục
hoặc hình chữ nhật đợc chế tạo bằng thép nồi hơi 6 10mm.

-6-


Đồ án điện tử công suất

GVHD: Dơng văn nghi

d) Cuộn cảm ứng : Cuộn cảm ứng là cuộn dây hình trụ quấn vòng theo
toàn bộ chiều dài của lõi thép có hình bầu dục. Cuộn cảm đợc chế tạo bằng
đồng, tiết diện tròn hoặc hình trữ nhật. Các cuộn tiết diện tròn chỉ dùng
trong trờng hợp khi đờng kính không vợt quá 6mm.
Nếu yêu cầu cần tiết diện dây lớn hơn thì dùng dây hình chữ nhật
( thờng đợc làm mát bằng nớc ).
Cuộn cảm ứng nhận điện áp có tần số rất lớn : Vài trăm đến vài nghìn HZ.
e) Cơ cấu nghiêng lò : Cơ cấu nghiêng lò có thể có tời điện, thiết bị lật và
các trục quay ở gần miệng rót hoặc đi qua trọng tâm của bình lò.
Hình vẽ cấu tạo chủ yếu của lò cảm ứng:
Vật nung

Cuộn cảm

Hình 1-4

2. Nguyên lý về dòng điện trong lò cảm ứng :

Ta đã biết một dây dẫn đặt trong từ trờng biến thiên sẽ sinh ra sức điện
động cảm ứng:
E = 4,44.m . f . n . 10-7 (V)
Trong đó : n là số vòng cảm ứng.
: từ thông
f: tần số dòng xoay chiều
Sức điện động cảm ứng này càng lớn khi các đại lợng phụ thuộc: m, f, n
càng lớn.
Vậy nguyên lý làm việc cơ bản của lò điện cảm ứng không lõi
( giống máy biến áp lõi không khí), vòng cảm ứng tơng ứng nh cuộn dây
-7-


Đồ án điện tử công suất

GVHD: Dơng văn nghi

sơ cấp máy biến áp, còn nguyên liệu nấu tơng tự cuộn dây thứ cấp máy
biến áp.
Trong lò cảm ứng khi có dòng điện tần số cao đi qua các vòng dây
cảm ứng (cuộn sơ cấp) thì khối lợng kim loại trong nồi sẽ sinh ra Sđđ cảm
ứng E2 và dòng điện cảm ứng I2, nhờ suất hiện dòng I2 mà khối lợng kim
loại đó đợc nung nóng và đến một lúc nào đó bị chảy ra.
Mặt khác ta có năng lợng chuyển thành nhiệt trong khối liệu W
W = I2 . n2 . 2 . ( d/ h ). ( .à. f .109 )
Với I : cờng độ dòng điện trong cuộn cảm
n : số vòng dây cảm ứng
d : đờng kính nồi lò ( cm)
h : chiều cao kim loại trong lò ( cm )
à : Độ từ thẩm

: điện trở suất mẻ liệu ( m )
Nh vậy năng lợng chuyển thành nhiệt trong mẻ liệu tỉ lệ với bình phơng
cờng độ dòng điện. Khi số vòng ít và cờng độ dòng điện lớn thì cuộn cảm
ứng đợc nung nóng mạnh hơn. Hay khi trong vòng cảm ứng có dòng điện
cao tần biến đổi chạy qua thì bên trong vòng cảm ứng sẽ xuất hiện từ trờng
biến đổi. Nguyên liệu lò ( kim loại .) do đó các đ ờng sức từ biến đổi
xuyên qua bên trong nên cảm ứng sinh ra điện thế biến đổi có giá trị đợc
tính theo định luật cảm ứng điện từ.
E2 = 4,44 . f . n2 . m.
Trong đó :
+ E2 : trị số điện thế cảm ứng có ích của nguyên liệu nấu
+ f : tần số dòng điện biến đổi chạy qua vòng cảm ứng
+ n2 : Số vòng của cuộn dây thứ cấp (1 cục kim loại tơng đơng với
một vòng)
+ m : Trị số lớn nhất của từ thông biến đổi.
Vì kim loại là một mạch khép kín, nên điện thế cảm ứng ngày bị đoản
mạch và tạo ra dòng điện đoản mạch thờng đợc gọi là dòng điện phu cô
-8-


Đồ án điện tử công suất

GVHD: Dơng văn nghi

( làm nóng khối kim loại ), trị số đợc tính theo công thức :
I2=

E2
r 22 + x 22

+ r2 : Điện trở đờng vòng kín do nguyên liệu lò ( kim loại ) hình thành.
+ x2 : Điện kháng đợc quyết định do số từ lọt do kim loại hình thành
Do trị số r và x của kim loại nói chung đều tơng đối nhỏ cho nên sẽ
tạo thành dòng phu cô rất mạnh, có thể làm cho kim loại nóng lên đến mức
chảy ra trong một thời gian ngắn.
Bây giờ ta xét quá trình nấu thép diễn ra trong lò và sự thay đổi đặc
tính của thép. Công suất của lò trong đồ án là 15KW tơng ứng với mỗi mẻ
nấu đợc khoảng 15Kg thép trong quá trình nấu nh sau.
Khi chất mẻ liệu vào lò và bắt đầu nấu thì phần thép ở giữa bị sụt
xuống và bị nóng chảy, phần thép ở xung quanh gần áo là bị nóng chảy trớc, sau đó phần thép ở giữa sụt xuống và bị nóng chảy và cuối cùng thép
chảy thành chất lỏng, ta rót thép ra và lại cho mẻ khác vào và cứ nh vậy
trong lò luôn có sự biến động hay nói cách khác tải của bộ biến tần luôn
thay đổi.
Đặc tính của thép trong quá trình nấu nh sau:
à,
1
2
à



O

T

780
1000 .
Hình 1-5: quan hệ à ( T0 ) và ( T0)
à: là độ từ thẩm của thép
: là điện trở suất của thép (m )

Nhìn vào đặc tính ta thấy khi nhiệt độ còn thấp thì rất nhỏ độ từ thẩm
à lớn, khi đó thép có tính điện cảm rất lớn. Trong khoảng từ 780 0 đến
0

-9-

0


Đồ án điện tử công suất

GVHD: Dơng văn nghi

10000 (đoạn 1, 2) thì thép bắt đầu chảy ra khi đó à giảm mạnh và tăng
nhanh ta nói đây là sự biến động của à và . Khi thép chảy lỏng thì thép
sẽ mất hết từ tính chỉ còn lại tức là chỉ có tính điện trở. Nh vậy khi thiết
kế bộ biến tần cho lò cảm ứng ta phải thấy tải có tính chất cảm kháng và
tải có sự biến động rất lớn. Mặt khác khi thép bắt đầu chảy thành lỏng
hoàn toàn thì lúc này coi tải ngắn mạch. Qua tham khảo một số tài liệu em
có vài một số nhận định sơ bộ để tiến hành khảo sát nghiên cứu và thiết kế
phần nghịch lu.
* Đặc điểm công nghệ nấu thép bằng lò cảm ứng :
Trong quá trình nung nóng thép sẽ bị thay đổi điện trở suất và mật
độ từ thẩm à, trong các lò nấu thép còn diễn ra sự thay đổi hình dạng của
vật thể bị nung, mức độ thay đổi các thông số của hệ thống cuộn cảm ứng
sự thay đổi các thông số ở các thiết bị nấu thép diễn ra rất phức tạp, vì nó
liên quan đến sự thay đổi hình dạng của vật thể cần nung nóng.
Trong quá trình nấu chảy, có thể chia thời gian nấu chảy thành 3 giai
đoạn sau:
* Giai đoạn 1 :

Khi cho mẻ liệu vào lò và nung mẻ liệu từ nhiệt độ ban đầu chú ý thời
gian mới chạy lò, tờng lò còn nguội cần nâng nhiệt độ chậm tránh gây h tờng lò do hiệu ứng nhiệt, đến nhiệt độ 700 ữ 8000C vật liệu lò có dạng
hình cục hay thỏi đúc, hình dạng vật nung ở giá trị đoạn này không biến
đổi. Trờng điện từ ở khe giữa các cục rời, vì mẻ vật liệu có bề mặt phát
triển và trị số à lớn nên tiêu thụ công suất đạt giá trị cực đại.
* Giai đoạn 2 :
Nung mẻ vật liệu từ 8000C đến nhiệt độ 1000 ữ 11000C. Thép có thể ở
tại thời điểm này bị nấu chảy thành một thể chung độ từ thẩm à, điện trở
suất tăng ít, trờng điện từ không còn lọt vào bên trong vật liệu nữa.
* Giai đoạn 3:
Nung từ nhiệt độ nấu chảy vật liệu tới khi nóng chảy hết, ở đây có thể
coi mẻ vật liệu nh một thể liền khối (theo hình dạng nồi nấu). Khi đó kim
loại chuyển dần sang trạng thái lỏng, điện trở suất tiếp tục tăng còn khe
hở giảm đi do nồi đợc điền đầy kim loại lỏng.

- 10 -


Đồ án điện tử công suất

GVHD: Dơng văn nghi

Đối với nấu thép trớc khi ra lò phải khử ôxy theo tỷ lệ công nghệ, sau
khử xong phải ra thép ngay. Khi ra nồi để lặng nớc thép 1 phút rồi rót vào
khuôn, chú ý gạt xỉ trên bề mặt, rồi rót thép phải đợc nung đỏ 700 đến
8000C.
Lò cảm ứng là thiết bị biến tần tải tĩnh, biến đổi năng lợng điện xoay
chiều tần số công nghiệp thành năng lợng điện một pha xoay chiều có tần
số cao, thiết bị này thích hợp để nấu luyện kim loại đen và kim loại mầu,
nhiệt độ nấu cao có thể đạt đến 16000C.

Tần số điện năng do thiết bị cấp ra có thể tự động bám sát theo tải để
điều chỉnh tần số sang, vì vậy hệ số công suất tơng đối cao, toàn bộ thiết bị
ít phần chuyển động nên có tuổi thọ cao, hiệu suất nấu luyện cao, thao tác
thuận tiện và đơn giản.
IV. Kết luận:
Qua việc phân tích nguyên lý làm việc, sự truyền nhiệt, u điểm và
nhợc điểm của từng loại lò điện trong suốt quá trình nấu luyện, kết hợp với
số liệu của đề tài, em chọn đề tài lò tần số vì nó có nhiều u điểm nổi trội
hơn cả. Theo tần số làm việc:
+ Lò cảm ứng tần số công nghiệp lấy điện từ lới hoặc qua máy biến áp.
+ Lò trung tần với tần số làm việc nhỏ hơn 10.000 HZ, dùng Tiristor.
+ Lò cao tần với tần số làm việc lớn hơn 10.000 HZ
Theo phạm vi sử dụng:
+ Lò nấu chảy kim loại và hợp kim.
+ Lò nung phôi cho rèn, dập, cán
+ Lò tôi bề mặt
+ Lò nung sấy chất điện môi và bán dẫn.
Tính chất tải của các lò nấu thép có tính chất biến động rất lớn:
+ Tải có tính chất điện cảm ( đoạn 0 ữ 1 ; hình 1 5 )
+ Tải có sự biến động nhiều ( đoạn 1 ữ 2; hình 1 5 )
+ Tải có tính chất ngắn mạch ( khi thép bị chảy hoàn toàn )
Theo số liệu của đồ án tần số ra f = 12000 HZ.
Do vậy em chọn lò nấu thép theo phơng pháp cảm ứng trung tần để
làm tải cho bộ nguồn nghịch lu ( bộ biến tần )

Chơng II
Phân tích, lựa chọn và thiết kế mạch nghịch lu
- 11 -

Đồ án điện tử công suất

GVHD: Dơng văn nghi

I. Sơ đồ khối bộ biến tần cấp cho lò nấu thép:
Trong lĩnh vực biến đổi năng lợng điện rất nhiều trờng hợp phải thực
hiện quá trình biến đổi nguồn điện một chiều thành điện áp thành dòng
điện xoay chiều có thể điều chỉnh đợc giá trị và tần số của dòng hoặc áp
xoay chiều đầu ra, có một số thiết bị biến đổi thực hiện nhiệm vụ này, nhng phổ biến nhất là các bộ biến đổi một chiều xoay chiều sử dụng các
dụng cụ bán dẫn có điều khiển còn gọi là sơ đồ nghịch lu.
Sơ đồ khối nh hình 2 1 .

Hình 2-1
* Khâu I: Là bộ chỉnh lu nó làm nhiệm vụ biến điện áp xoay chiều lới điện
có tần số cố định f1 và điện áp không đổi U1 thành điện áp 1 chiều Ud.
* Khâu II: Là khâu lọc, nó có tác dụng tạo ra nguồn cung cấp cho bộ biến
đổi 1 chiều ( bộ nghịch lu ) có tính chất nguồn áp Ud = const hoặc có tính
chất nguồn dòng Id = const.
* Khâu III: Là bộ biến đổi 1 chỉều xoay chiều, đầu ra của nó ta thu đợc
điện áp hoặc dòng điện xoay chiều có giá trị và tần số điều chỉnh đợc.
Các sơ đồ bộ biến đổi 1 chiều xoay chiều có thể sử dụng các dụng cụ
bán dẫn là Tiristo hoặc Transitor.
Đề tài của em là thiết kế phần nghịch lu của bộ nguồn lò nấu thép.
Đây là một ứng dụng khá quan trọng của bộ biến đổi 1 chiều xoay
chiều, có rất nhiều kiểu sơ đồ nghịch lu khác nhau, để phân loại chúng.
Dựa vào tính chất nguồn cung cấp, số pha của các đại lợng ra, đặc trng của
thiết bị chuyển mạch, đặc tính của phụ tải, kiểu sơ đồ, dụng cụ bộ biến
đổi, sự kết hợp của một số đặc trng trên v..v.

- 12 -

Đồ án điện tử công suất

GVHD: Dơng văn nghi

ở đây với đề tài thiết kế nghịch lu cho lò nấu thép, em dựa vào đặc
tính của nguồn cung cấp và đặc tính phụ tải.
Nguồn cung cấp cho nghịch lu là nguồn một chiều lý tởng đợc nắn từ
nguồn lới xoay chiều U1,f1 qua bộ chỉnh lu sau đó qua bộ lọc để có nguồn
1 chiều lý tởng.
Tải của lò nấu thép là tải có sự biến động mạnh từ lúc tải có tính chất
điện cảm lúc bắt đầu nấu ở giai đoạn 1 cho đến khi thép chảy tải dần mang
tính trở và cuối cùng chảy hoàn toàn thành một thể lỏng tải lúc này là tải
ngắn mạch.
Nh vậy với đặc tính nguồn cung cấp cho nghịch lu, em sử dụng bộ
nghịch lu độc lập và tính chất biến động rất lớn của tải :
+ Tải có tính chất điện cảm
+ Tải có sự biến động mạnh
+ Tải có tính chất ngắn mạch
Em sử dụng nghịch lu độc lập nguồn dòng cầu 1 pha để thiết kế phần
nghịch lu của bộ nguồn lò nấu thép.
II. Chọn phơng án nghịch lu :
1. Nghịch lu độc lập nguồn dòng điện một pha
a) Tải có tính chất dung kháng:
Ld

Id

+

A

T1

T3
+

Ed

Ut

-

a

b

Uv
T2
-

(-)

(+) T4

K

Nguồn cung cấp là nguồn điện một chiều E + Ld, nguồn dòng điện 1
chiều lý tởng với giá trị Id.
- 13 -

Đồ án điện tử công suất

GVHD: Dơng văn nghi

Tải Zt : có tính chất dung kháng : Ut chậm sau so với It một góc t.
Bộ biến đổi T1 ữ T4 có thể là van điều khiển hoàn toàn hoặc là van điều
khiển không hoàn toàn.
* Nguyên lý làm việc của mạch :
Các tín hiệu điều khiển đợc đa vào đôi T2, T3 một góc 1800, tức là phát
xung điều khiển theo quy luật đóng mở các van sao cho biến đổi đợc dòng
điện một chiều Id thành dòng điện xoay chiều hình sin trên tải đó là i t và
tần số hoàn toàn do mạch điều khiển quyết định, không phụ thuộc vào điện
áp của lới, và sau 1/ 2 chu kỳ lại có sự thay đổi cặp phát xung. Để xét sự
chuyển mạch giữa các van ở thời điểm : V1 V3 và V4 V2 ta xét trớc
một khoảng khắc: Khi đa xung vào mở cặp van T1, T4 thì T1 và T4 thông
dòng điện tải khép mạch nh sau:
+ Ed Ld T1 Zt T4 - Ed.
Lúc này : it = Id > 0
thế ( + ) đặt vào a
Ut = U > 0
thế ( - ) đặt vào b
Nh vậy Ut thông qua T1 đặt thuận trực tiếp lên van T2 và Ut thông qua
T4 đặt thuận trực tiếp lên van T3
UT2 = UT3 = Ut > 0
Đến thời điểm phát xung điều khiển vào gate của T2 và T3, hai van
này đợc mồi thông, khi đó điện áp trên tải Ut thông qua T3 đặt ngợc trực
tiếp lên T1 và thông qua T2 đặt ngợc trực tiếp lên T4:
UT1 = Ut < 0 V1 và V4 khoá lại

UT4 = Ut < 0
Thực hiện đợc chuyển mạch dòng điện từ : T1 T3
T4 T2
Đây là quá trình chuyển mạch giữa các nhóm van.
Tơng tự cho chuyển mạch giữa các nhóm van
Tại 2 : T3 T4
T2 T4
Tại 3 : T1 T3

- 14 -


Đồ án điện tử công suất

GVHD: Dơng văn nghi

T4 T2
Các quá trình lập đi lập lại nh vậy cho ta dòng điện tải hình chữ nhật nh đồ
thị :

it

Ut

it

Ut

o
Uv1v3

2
v2 v3

tải
iv1v3

v1 v4

tải

v1 v4

iv1v3

3



uv1v3



t



t

o

uv

t

uv = Uak

o

Từ đồ thị ta thấy:
- Dạng dòng điện ra tải là dạng xung hình chữ nhật xoay chiều không phụ
thuộc tải.
- Dạng điện áp tải nhận đợc có dạng sin.
- Dòng điện sớm pha hơn điện áp một góc tải chính điều này tạo góc
khoá cho van. Chuyển mạch dòng điện giữa các van là chuyển mạch tự

- 15 -


Đồ án điện tử công suất

GVHD: Dơng văn nghi

nhiên, do đó các van V1 ữV4 có thể chọn Thyristor thờng, xung điều khiển
cho Thyristor là xung đơn.
Từ đồ thị :

Uv

Với

= Ud =

Ut =

Khi t >


2

2 2U 2
cos t


U2.sint

2

thì Ud < 0 nghĩa là mạch từ chế độ nghịch lu độc lập sang chế

độ chnh lu điều khiển (năng lợng chuyển từ phía xoay chiều sang phía
một chiều).
Góc t là thời gian đặt điện áp ngợc lên Thyristor là thời gian để van khôi
phục tính chất điều khiển.
tmin 2ftq
b. Tải có tính chất cảm kháng
( Dòng điện tải it chậm pha so với điện áp tải Ut một góc t )
Ld
Id
+
A

V1

V3
Ut

Ed

a

+

-

b

Uv
V2

(-)

(+)

V4

K
Nguồn cung cấp là nguồn một chiều lý tởng E + Ld, nguồn dòng một
chiều lý tởng với giá trị Id,
Bộ biến đổi V1 ữ V4 là van điều khiển hoàn toàn.

- 16 -


Đồ án điện tử công suất

GVHD: Dơng văn nghi

* Nguyên lý làm việc của mạch :
Các tín hiệu đa vào cực điều khiển Gate của các cặp van V1, V4 và
V2, V3 theo nguyên tắc lệch pha theo một góc 180 0, tức là phát xung điều
khiển theo quy luật đóng mở các van sao cho bộ biến đổi đợc dòng điện
một chiều Id thành dòng điện xoay chiều có dạng xung hình chữ nhật, điện
áp ra có dạng hình sin.
Xét sự chuyển mạch dòng điện tại thời điểm :
V1 V3
V2 V4
Xét tại thời điểm trớc một khoảng khắc, giả sử V1, V4 đang thông:
iV1 = i V4 = i t = id > 0
Ut < 0

thế (+) đặt vào b
thế (-) đặt vào a

Thế (-) thông qua V1 đặt ngợc trực tiếp lên V3.
Thế (+) thông qua V4 đặt ngợc trực tiếp lên V2.
Từ đồ thị ta thấy theo yêu cầu của dòng điện tải it = Id phải đổi dấu
từ (+) sang (-) ở tại thời điểm , nh vậy V2 và V3 phải thông đợc ở tại thời
điểm , vì theo phân tích ở trên V 2, V3 đang bị đặt điện áp ngợc thông qua
V1 và V4, muốn chuyển mạch cho V2 và V3 cần phải cỡng bức khoá V1 và
V4 trớc , nh vậy chuyển mạch giữa các van là chuyển mạch cỡng bức. Do

đó các van V1 đến V4 là van điều khiển hoàn toàn ( điều khiển đóng và mở
đều bằng xung điều khiển ).
Khi V1 và V4 đã khoá, ta thấy có thời điểm cả 4 van đều khoá :
UV1 = UV2 = UV3 = UV4 = Ed / 2 > 0, với điều kiện Ed >

2

U2.

Tại thời điểm ta phát xung điều khiển mở cặp van V 2 và V3 2
van này sẽ thông thực hiện đảo chu kỳ dòng điện tải .

- 17 -


Đồ án điện tử công suất

GVHD: Dơng văn nghi

Các quá trình lập đi lập lại sau mỗi chu kỳ cho ta đồ thị nh hình vẽ :

o
Iv1

Utaỉ

it

t

it



t

Iv1

o

t

Uv1
o

t

u v = u AK

o

Từ đồ thị ta thấy :
- Dạng dòng điện ra tải cũng có dạng xung chữ nhật.
- Dạng điện áp ra có dạng sin.
Mạch không có thời gian để khoá van do đó phải chuyển mạch cỡng bức.
Chuyển mạch dòng điện giữa các van là chuyển mạch cỡng bức do

đó các van V1ữ V4 là van điều khiển hoàn toàn. Nếu sử dụng Thyristor thờng thì phải đặt tụ song song với điện cảm để tạo ra tính chất tải dung
kháng.
Từ đồ thị Uv ta có :

Uv = Ud =

- 18 -

2 2U 2


cost


Đồ án điện tử công suất

GVHD: Dơng văn nghi

Do đó khi mà t > /2 thì Ud < 0 tức là đổi chiều điện áp trung bình
đầu vào nghịch lu.
3. Nghịch lu cộng hởng (song song) sơ đồ cầu 1 pha
iv

+

C

V1
Ed

C

Uv

V3

Ld
A

Lt B

Zt

V2

V4

Ld

+

iv
C

V1
Ed

V3

C

Uv

Zt
V2

Lt B
V4

-

- Mạch cộng hởng gồm:
Các van V1 ữV4 là các Thyristor điều khiển hoàn toàn hoặc không hoàn
toàn. Tải gồm Z tải và L tải
- Nguồn cung cấp ( Ed + Ld ).
Tụ C có thể mắc song song hoặc nối tiếp với tải.
* Nguyên lý làm việc của mạch :
Đặc điểm cơ bản của nghịch lu cộng hởng là quá trình chuyển mạch
giữa các van dựa vào hiện tợng cộng hởng, giá trị điện cảm Ld thì không
lớn nhng nghịch lu dòng (Ld = ) và không nhỏ nh nghịch lu áp (Ld = 0), mà
chiếm một vị trí trung gian sao cho có sự kết hợp điện cảm tải ( Lt) và tụ
điện C thì trong mạch xuất hiện hiện tợng cộng hởng.
Quá trình chuyển mạch xảy ra trong mạch qua các van đợc đặc trng
bởi quá trình phóng nạp của tụ điện tạo bởỉ nguồn cung cấp và các cuộn
cảm có trong thành phần tải, quá trình phát xung vào các van V 1, V4 và V2,
V3 lệch nhau 1800 và sau mỗi chu kỳ đợc lặp lại.
- 19 -


Đồ án điện tử công suất

GVHD: Dơng văn nghi

Khi các van Tiristo ở trạng thái thông, tần số dao động riêng của
vòng cộng hởng f0 và tần số của các xung kích Tiristor, với f 0 > f, tần số
dao động riêng của mạch tải :
1
Lt C

0 =

1

= 2f0 = 2. T

0

Tần số cộng hởng :
f0 =

1
2

1
Lt C

Chính vì thế quá trình dao động phóng nạp của tụ gần với quy luật
Sin và kết thúc trớc khi mở cặp van tiếp theo, trong thời gian đó sẽ không
có dòng tải thời gian này là thời gian cần thiết để đóng toàn phần các cặp
van trớc đó, trớc khi kích thông các cặp van tiếp theo.

Tại t = 0, kích mở cặp van V1 đến V4, các cặp van này sẽ thông, tụ C
đợc nạp: (+) Ld V1 Zt V4 (-), dòng nạp cho tụ sẽ có dạng
sang hình sin ( vì mạch là dao động cộng hởng nh đã phân tích ở trên).
Tại thời điểm t = t1 dòng qua tải giảm về không do đó V 1, V4 bị
khoá lại.
Tại thời điểm t1 đến t2 tất cả các van Tiristor đều khoá lại, điện áp
trên V1 và V4 :
UV1 = UV4 =

U cm E
2

Điện áp trên tụ C trong khoảng thời gian t1 đến t2 phải lớn hơn
nguồn E để đảm bảo khoá V1 và V4 chắc chắn tại thời điểm t = t2 () phát
xung mở cặp van V2, V3. Các cặp van này mở đặt điện áp ngợc lên V1, V4
bằng điện áp của tụ C ( Uc), tụ C đợc nạp điện theo chiều ngợc lại và đảo
dấu cực tính. Dòng nạp của tụ điện C cũng mang tính chất dao động và
giảm về 0 ở thời điểm t = t 4 và và lúc này V2, V3 bị khoá, quá trình này lặp
đi lặp lại sau mỗi chu kỳ.
Điện áp lớn nhất đặt lên Tiristor bằng điện áp thuận: Uth = 2 Ut
Ta có đồ thị :

- 20 -


Đồ án điện tử công suất

GVHD: Dơng văn nghi

V14

o

T

0

V23
o
(Ue + Uld + Utải)
Uv
o

0
E
t1

t2



t3

E

2
t4

t5

3
t6

0

itải

o

0

iv

o

0

Uc
Ucm

o

0

Ucm

Uv14
Ucm + E
2
o

0

Ucm - E
2

Từ đồ thị ta thấy :
Dòng điện tải it và điện áp tải ut có dạng hình sin nên chứa ít sang
diều hoà bậc cao. Khác với nghịch lu độc lập điện áp và dòng điện, các
quá trình xảy ra trong mạch qua cách khoá các van đợc đặc trng bởi quá
trình dao động phóng- nạp của tụ điện tạo bởi nguồn cung cấp và các cuộn
cảm mắc thêm hay có sẵn trong thành phần của tải, chính vì thế mà dòng
trong mạch tải có dạng gần với hình sin.
- 21 -


Đồ án điện tử công suất

GVHD: Dơng văn nghi

Trong mạch nghịch lu này tụ điện có thể mắc song song hoặc nối tiếp
với tải, ngoài việc tạo ra đồ thị điện áp, tụ điện còn tham gia vào các quá
trình đóng Tiristor. Góc đủ lớn để nghịch lu song song làm việc ổn định
và tần số dao động f0 bao giờ cũng lớn hơn tần số nghịch lu f: f0 > f
Khi dòng dao động giảm về không V 1V4 khoá lại UV1V4 =

U c max E
2

để

khoá van hoàn toàn thì Uc > Ed

4. Kết luận :
Từ nhng phân tích ở trên ta thấy, nghịch lu dòng điện có đặc điểm cơ
bản là điện áp của nó biến thiên theo phụ tải và nghịch lu dòng không cho
phép làm việc ở chế độ không tải vì nếu Rt thì Ut và Id .
Nh vậy quá trình chuyển mạch không thể thực hiện đợc và cũng
không có thiết bị bán dẫn nào chịu đợc quá điện áp lớn nh vậy. Mặt khác
khi phụ tải biến thiên dạng điện áp trên tải sẽ có dạng gần hình chữ nhật,
góc cũng thay đổi theo ảnh hởng đến quá trình chuyển mạch của nghịch
lu nh vậy nghịch lu dòng để đảm bảo ổn định điện áp ra và cho phép nó
làm việc trong phạm vi thay đổi phụ tải cần có độ ổn định điện áp ra
nghịch lu, thực chất đây là bộ bù công suất phản kháng của tải.
Nh vậy nghịch lu dòng phải làm việc ở chế động công hởng song
song, đặc điểm cơ bản của nghịch lu cộng hởng là quá trình chuyển mạch
của van dựa vào hiện tợng cộng hởng.
Từ những phân tích các chế độ nghịch lu ta thấy trong quá trình nấu
chảy thép lại mất dần từ tính nên nghịch lu thích hợp với tải là nghịch lu
dòng điện cầu 1 pha.
Mặt khác để truyền năng lợng từ phía một chiều sang phía xoay
chiều là lớn nhất thì nghịch lu dòng điện cầu 1 pha phải làm việc ở chế độ
cộng hởng song song. Do đó ta chọn phơng án:
Nghịch lu độc lập nguồn dòng điện làm việc ở chế độ cộng hởng song song.

Sơ đồ bộ biến tần lò nấu thép
- 22 -


Đồ án điện tử công suất

GVHD: Dơng văn nghi

Ld/2
T1

T3

T1

T3

T5

C

Zt
T4

T6

Lt

T2
Ld/2
T2

T4

Nguyên lý hoạt động của toàn bộ hệ thống

I. Khởi động mạch lực

Yêu cu ca mch lc l phi c khi ng t tn s thp n tn
s cao, ta s phân tích c ch ca b phận khi ng:
Khi cp in cho c mch lc v mch iu khin, n nút khi ng
b phn khi ng. Cụng sut mch lc c o v qua khâu chnh lu
nhanh có mt tín hiu in áp dng v có giá tr t l vi giá trị công
sut . Khâu PI so sánh giá tr ca công sut t trc Pt vi giá tr hi tip
v ca công sut mch lc. Khi mch bt u hot ng thì công sut ca
ti s tng dn t giá tr 0, do vy u ra ca khâu PI s có in áp rt ln ,
tín hiu ny c hn ch qua khâu hn ch ( khâu hn ch s c thit
k sao cho tín hiu ln nht i qua nó vn tho mãn tn s to ra < 2f
mch lc hot ng hiu qu nht). B phn chuyn mch s ngt tín hiu
ln ny nh mt Đit v ly tín hiu ca phn khi ng.
Khi nhn nút khi ng, tín hiu in áp ra khi khâu khi ng tng
dn . Phn chuyn mch cho tín hiu ny i vo khâu VCO , tn s ra ca
khâu VCO s tng dn do vy xung cp cho van Thyristor có tn s tng
dn. Mch s c khi ng, khi công sut ti tng dn n giá tr nh
- 23 -


§å ¸n ®iÖn tö c«ng suÊt

GVHD: D¬ng v¨n nghi

mức, tÝn hỉệu ra khỏi PI sẽ giảm dần khi Ptai = Pdinh muc . TÝn hiệu ra từ kh©u
khởi động tăng dần. Sau thời gian khởi động kh©u chuyển mạch sẽ ngắt tÝn
hiệu kh©u khởi động và cho tÝn hiệu từ kh©u hạn chế qua.
II. Ho¹t ®éng cña lß khi t¶i thay ®æi.
Khi mạch hoạt động ở chế độ định mức mà tải cã sự thay đổi th× tÝn

hiệu hồi tiếp về thay đổi, sự thay đổi đó so với gi¸ trị định mức đặt trước
được khuyếch đại qua kh©u PI , tÝn hiệu đưa đến kh©u VCO sẽ làm thay
đổi tần số đầu ra.
VÝ dụ khi c«ng suất tải thấp hơn c«ng suất đặt trước , sẽ cã tÝn hiệu
hồi tiếp về kh©u PI, tÝn hiệu ra của kh©u này tới kh©u VCO và tần số ra
tăng lªn làm c«ng suất tải tăng lªn. Và ngược lại; dần dần mạch trở về
trạng th¸i làm việc ổn định và c«ng suất của tải sẽ ở gi¸ trị đặt.

Ch¬ng III

- 24 -


Đồ án điện tử công suất

GVHD: Dơng văn nghi

Tính toán mạch nghịch lu
Số liệu cho trớc:
Công suất tôi
: Pđm = 50 Kw
Điện áp ra
: Ura = 500 V
Tần số ra
: f = 12000 Hz
Hệ số công suất : Cos = 0,5
Theo công thức công suất tác dụng:
Pdm ( lo )

Pđm (lò) = Ura. Ira. cos Ira =

U ra . cos

=

50.103
=
500.0,5

200 (A).

Chọn van công suất nghịch lu.
Để nâng cao khả năng làm việc của van công suất, em lựa chọ phơng
án làm mát bằng nớc, để tiết kiệm và đảm bảo trong sạch môi trờng ta
dùng hệ thống bơm nớc tuần hoàn.
* Tính dòng điện chọn van :
Dòng điện tính toán qua van (cầu 1 pha )
Ittv =

I ra
2

200
=
2

=

100 (A) = Itbvtt.

+ Chọn hệ số dự trữ dòng điện với điều kiện làm mát bằng nớc
Công thức tính dòng trung bình van tính toán :
Itbvtt = ( 0,6 ữ 0,7 ) Itbvmax.
Ta chọn :
Itbvtt = 0,7 Itbvmax


Itbvmax =

I tbvtt
0,7

=

100
0, 7

= 142 (A)

* Tính điện áp ngợc cực đại đặt trên van:
Ungmaxtt = 2 Ura = 2 .500 = 700 (V)
+ Chọn hệ số dự trữ điện áp với điều kiện làm mát bằng nớc:
Ungmaxtt 0,7 Ungvmax
Ungvmax =

U ng max tt
0,7

=

700
0, 7

= 1000 (V)

* Tính toán thời gian khoá theo số liệu đã cho:
Cos = 0,5 = 600 =

60.
180

= 1,05 rad

- 25 -