Đồ án điện tử công suất

Kể từ đó đến nay, ngành công nghiệp điện tử của thiết bị bán dẫn công suất lớn, và cả những phần tử thiết bị bán dẫn cực nhỏ như vi mạch, vi mạch chức năng, vi xử lý là những phần tử thi

ĐỒ ÁN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT

Mục lục:

Trang

Chương I Giới thiệu công nghệ tôi thép bằng phương pháp lò

Lời nói đầu

Lịch sử ngành công nghiệp điện tử được đánh dấu bằng những sự kiện quan trọng như sự ra đời của Thyratron (1902) do John Fleming ( kỹ sư người Anh ) sáng chế, và sự ra đời của Tranzitor (1948) do hai người vật lý người

Mỹ là John Bardeen và W.H Brattain sáng chế, đến năm 1956 nhóm kỹ sư của hãng Bell – Telephone cho ra đời sản phẩm Thyristor đầu tiên Kể từ đó đến nay, ngành công nghiệp điện tử của thiết bị bán dẫn công suất lớn, và cả những phần tử thiết bị bán dẫn cực nhỏ như vi mạch, vi mạch chức năng, vi

xử lý là những phần tử thiết yếu trong mạch điều khiển thiết bị bán dẫn công suất

Ngày nay, không riêng gì ở các nước phát triển ngay ở nước ta các thiết bị bán dẫn đã và đang thâm nhập vào các ngành công nghiệp và cả trong lĩnh vực sinh hoạt Các xí nghiệp, nhà máy như xi măng, thuỷ điện, giấy,

đường… đang sử dụng ngày càng nhiều những thành tựu của công nghiệp điện tử

Theo xu hướng đó các nhà máy luyện kim đã đưa vào công nghệ tôi thép mới

là công nghệ tôi thép cảm ứng Công nghệ tôi thép cảm ứng dùng bộ chỉnh lưu và bộ nghịch lưu với các phần tử bán dẫn có khả năng tự động hoá cao và điều khiển quá trình tôi thép rất dễ dàng, năng suất tôi thép tăng, thời gian tôi nhanh… Điều đó đã đáp ứng được một phần nào nhu cầu sử dụng thép trong

sự nghiệp công nghiệp hoá, hiện đại hoá đất nước

Đối với sinh viên ngành tự động hoá, môn học Điện Tử Công Suất là một trong những môn quan trọng 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 lưư 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 máy 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 16 -6 - 2004

Chương I

Giới thiệu công nghệ tôi thép bằng phương pháp lò cảm ứng

Hiện nay thiết bị cao tần đã dược sử dụng rộng rãi trong nhiều ngành của nền kinh tế quốc dân, trong đó có lò cảm ứng Một trong những ứng dụng của lò cảm ứng là dùng để tôi thép

Lò cảm ứng hoạt động dựa trên nguyên lý :

Khi ta cho dòng điện xoay chiều vào một cuộn dây thì trong lòng cuộn dây đó

sẽ có một từ trường biến thiên Nếu ta đặt vào từ trường biến thiên này một thanh kim loại thì trong thanh kim loại sẽ xuất hiện một sức điện động và tạo nên dòng điện xoay chiều Nhiệt năng do dòng xoay chiều gây ra chính là nguồn nhiệt để nung nóng thanh kim loại Nguồn của dòng điện cao tần có thể

là máy phát điện đặc biệt hoặc đèn điện tử Nếu tần số dưới 10000 héc thì người ta dùng máy phát điện quay, nếu tần số lớn hơn 10000 héc thì người ta hay dùng các đèn phát điện tử Gần đây người ta đã dùng Thyristor trong các thiết bị gia nhiệt tần số có công suất nhỏ và trung bình

Ưu điểm của lò cảm ứng là:

• 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 ngoài do đó bề mặt của chi tiết dược nung đỏ lên một cách nhanh chóng

• 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.

Cấu tạo của lò cảm ứng bao gồm :

Nguyên lý về điện trong lò cảm ứng như sau :

Chúng ta biết một dây dẫn đặt trong tử trường biến thiên sẽ sinh ra suất điện động cảm ứng :

E = 4,44Фm.f.n.10-7 (V)

Trong đó : n là số vòng cảm ứng

Фm là từ thông cực đại

f là tần số dòng xoay chiều

Sức điện động cảm ứng càng lớn khi ba đại lượng phụ thuộc Фm , f , n

càng lớn Trong lò cảm ứng khi có dòng điện tần số cao đi qua các vòng cảm ứng (Cuộn sơ cấp ) thì khối lượng kim loại chất trong nồi sẽ sinh ra sức điện động cảm ứng E2 và dòng điện cảm ứng I2, nhờ xuất hiện dòng I2 mà khối lượng nung nóng và đến một lúc nào đó bị chảy ra

Mặt khác ta có năng lượng chuyển thành nhiệt trong khối liệu W

ρ : Điện trở suất mẻ liệu (Ωcm)

Như vậy năng lượng chuyển thành nhiệt trong mẻ liệu tỉ lệ thuận với bình phương cường độ Khi số vòng ít và cường độ dòng điện lớn thì cuộn cảm ứng được nung nóng mạnh hơn

Ta có sơ đồ của quá trình biến đổi điện áp như sau:

Chương II

Tính toán mạch lực

Trong đề tài này, em chọn mạch lực là mạch nghịch lưu cộng hưởng mạch này có những ưu điểm sau đây :

• Mạch sử dụng thyristor nên có thể dùng ở công suất cao

• Có phụ tải là một mạch dao động với dòng hoặc áp có dạng hình sin, do

đó các thyristor trên sơ đồ sẽ chuyển mạch tự nhiên

• Có thể tạo dòng điện, điện áp gần sin với tần số tương đối cao (từ vài trăm

Sơ đồ nghịch lưu cộng hưởng nối tiếp như hình vẽ :

Đồ thị quá trình hoạt động của mạch :

θ

θθθθ

Khi nửa chu kì điện áp kết thúc thì quá trình nạp điện cho tụ C kết thúc, lúc này UAB = E, dòng tải không thể đảo chiều một cách đột ngột Nó tiếp tục chảy theo chiều cũ nhưng theo mạch:

D1 – E - D2 - tải - D1 và suy giảm dần

D1, D2 dẫn dòng khiến T1 và T2 bị khóa lại

Khi θ= T/2, thì D1,D2 bị khóa Khi đó cho xung mở T3,T4 ;T1,T2 bị khóa lại.Khi kết thúc nửa chu kì sau của điện áp thì quá trình nạp điện cho tụ C kết thúc, lúc này UAB = -E, dòng tải không thể đảo chiều một cách đột ngột Nó tiếp tục chảy theo chiều cũ nhưng theo mạch : D3 – E – D4 - tải – D3 và suy giảm dần

D3, D4 dẫn dòng khiến T3, T4 bị khóa lại Khi θ = T thì D3, D4 bị khóa lại.Các quá trình sẽ lặp đi lặp lại như vậy, do đó dòng trên tải có dạng sin

10

= 0 ,32(Ω)biết :

cos 2 ϕ

1

= 1 + tg2φ ⇒ tgφ = 2,29

32 , 0 29 , 2

.Un = 419,8 (V)

Độ sụt áp trên van coi không đáng kể

• Tính các thông số của Thyristor :

Itb van =

π

2

2 In.(cosβ + 1) = 160 (A)

Ung max = E =

2 2

π

π

o o

Tph : 7 μs (thời gian chuyển mạch )

U điều khiển max : 3V

I điều khiển max : 200mA

I rò cực đại : 25mA

T o max : 125 o

Có các thông số :

- Dòng trung bình tối đa cho phép chảy qua van là 250A

- Áp tối đa mà van chịu được lâu dài theo cả hai chiều là 600V

- Thời gian phục hồi tính chất điều khiển của van là 7µs

- Sụt áp thuận trên van ở dòng định mức là 2V

- Điện áp điều khiển mà van mở được là 3V, ta lấy Udk = 4V

- Dòng điều khiển mà van mở là 200mA , Ta chọn là 1,5A

• Tính toán các thông số của Điốt :

π

π β π

d

I n sin( )

2

1

2.In.(- cosβ+1 ) = 500

π

2

1

(1- cos65o) = 65(A) Ung max = E = 419,8 (V)

Tra bảng các Điốt do tây âu chế tạo

Ta chọn loại Điốt là : D100U06B Có các thông số là :

Itbmax = 80A ;Ungmax = 800V

Do kích thước, hình dạng của vật cần nung (khoảng cách vật cần nung và vòng cảm ứng ) → biến đổi từ trường trong lò

Khi đó hệ số cosφ sẽ thay đổi từ : 0,05→0,4

Để thích ứng với sự thay đổi của tải, đòi hỏi phải có sự thay đổi tương ứng của điện áp E đặt vào Sau đây ta khảo sát một số trường hợp sau :

735 , 0

C

L

Z Z

π

= 472,883 (V)

= 414,12 (V)

Do đó ta có đồ thị của I va E phụ thuộc vào cosφ như sau :

Nhận xét:

Ta thấy khi tải biến động cosω thay đổi thì giá trị của E giảm không đáng kể

so với giá trị định mức còn I tăng nhiều so với giá trị định mức

Ở chế độ định mức :

Ta có ωk =

C L.

10 7 ,

= 3,19

⇒ ωo = ωk. 2

4

1 1

Q

− = 86277(rad/s)

mặt khác ω = 2.п.10000 = 62832 (rad/s)

⇒ ω < ωo < 2.ω

Như vậy sơ đồ sử dụng hiệu quả nhất về mặt phát huy công suất trên tải

• Tính toán mạch lọc đầu vào :

0

Giả sử mạch chỉnh lưu là cầu 3 fa, lấy từ mạng điện 50Hz Bộ lọc LC cho phép thành phần 1 chiều của điện áp chỉnh lưu qua và ngăn chặn thành phần xoay chiều

Dạng điện áp ra khỏi chỉnh lưu :

U A

.

2

I m

ω = n L

U A

.

2

2 2

A

.

A

.

.

2

2 ω

Chọn KLC = 0,05

⇒ LC = 2 2 2

05 , 0 ) 100 (

6

095 , 0

mH L

độ cho phép

Mạch bảo vệ van có sơ đồ như sau :

Để bảo vệ quá áp : ta mắc với van một tụ C và R, mắc càng gần mạch van càng tốt, để dây nối ngắn tối đa Thực chất chỉ cần tụ C song vì khi van dẫn

sẽ xuất hiện dòng phóng của tụ qua van làm van nóng thêm, đặc biệt khi mạch hoạt động ở tần số cao, vì thế phải có R để giảm dòng này

Do việc tính toán rất phức tạp, do đó ta sẽ dùng các giá trị theo kinh nghiệm sau : C = 0,5μF , R = 50 Ω

Khi dẫn đột ngột thì áp thay đổi giữa hai đầu van là E = 419,8V (Lấy ở chế độ định mức), xét quá trình quá độ cho cuộn L :

Mạch điều khiển dùng để điều khiển quá trình mở các van Tiristo

là quá trình tạo ra các xung phát phù hợp đưa vào cực đièu khiển G của T khi điện áp đặt lên hai đầu anốt và catôt là dương Sau khi T mở thì xung không còn tác dụng ,sự đóng van do dòng chảy qua van do thông số mạch đọng lực quyết định

Mạch điều khiển được vị trí xung diều khiển trong pham vi nủa chu kì dương của điện áp đặt lên anôt -catôt của T

- Tạo ra các xung điiêù khiển mở được T

Độ rông xung được xác định theo biểu thức :

dt

didt

I x

5μs

4V

Cấu trúc mạch điều khiển :

II) Tính toán mạch điều khiển :

1) Khâu đo lường công suất tải :

Theo yêu cầu của công nghệ cầcn phải có công suất đầu ra không đổi Nhưng

do các đặc điểm của tải và lò nung nên công suất của lò thường xuyên thay đổi Do vậy ta phải đo công suất đầu ra tải để có biện pháp điều chỉnh

4 6

1

7 10 9

R2 R3

I2=0,75 (A)

I

I1

2 = => W2= 200 vòng

 Chọn u =10 v =>R= 30( )

I

u2

1

2

U

300 U

Utai I

I 2 W

2) Khâu điều chỉnh nhanh

- Để phù hợp với tốc độ thay đổi công suất của tải và đảm bảo

độ chính xác thì ta sử dụng IC LM 101A mắc như hình vẽ :

- Phân tích cơ chế hoạt động của sơ đồ

Các tụ C=10 uF được mắc song song với các điện trở R có tác dụng lọc tần số cao Ta coi như chỉ có thành phần điiêù hoà bậc một đi qua

3

-

+ 1 8

2 0 K 1 %

L M 1 0 1 A

6 3

2

+

A1 làm việc như mạch chỉnh lưu 1 cực tính

Khi UI > 0 : D2 dẫn, D1 khóa ⇒ UA1 = 0

Khi UI > 0 : D2 khóa, D1 dẫn ⇒ UA1 = UI

A2 có hai đầu vào với tỷ lệ ½ làm việc như một bộ cộng

Đường đặc tính :

U

Hình minh hoạ như trên

T L 0 8 4 +

• Khuếch đại sai lệch công suất đầu vào với so với công suất đặt trước (Pđặt)

• Tạo hàm điều khiển đảm bảo chất lượng động và tĩnh của hệ

Điện dẫn suất đầu vào :

.

1

C P R

R + P + α

τ

τ +với τR = R2.C2 ;

τ

0

=

α

2 , 0

4) Khâu hạn chế :

-Khâu hạn chế sẽ phát huy tác dụng hạn chế tín hiệu áp đầu vào bộ VCO Khi bắt đầu khởi động Ptải ≈0.

- Độ sai lệch đầu vào khâu PI là ∆U = Pđặt - Ptải lớn , khâu PI sẽ khuếch đại tạo ra 1 tín hiệu áp lớn Nếu ta không hạn chế tín hiệu điện áp này thì tần số ra khỏi VCO sẽ rất lớn làm cho ω khó thỏa mãn điều kiện : ω < ωo < 2.ω

Sơ đồ sẽ không được sử dụng hiệu quả nhất về mặt phát huy công suất

• Khi UIII > U+ thì D3 mở UIV = U+

• Khi UIII < 0 mà U III > U− thì PIV mở nên UIV = U

5) Khâu khởi động và chuyển mạch

Lúc bắt đầu theo yêu cầu của mạch cần phải tăng dần tần số điều khiển Thyristor để mạch hoạt động do vậy ta phải có một thiết bị tạo ra tần số tăng dần từ thấp lên cao tới khi mạch hoạt động định mức thì bộ chuyển mạch sẽ ngắt bộ khởi động, chỉ hoạt động dựa trên tín hiệu nối tiếp về từ tải

Sơ đồ :

`

D 2

1 2

R 3 + 1 5 V

-Khi chưa đóng mạch thì UBE > 0, van T mở dẫn dòng qua van T Điện áp ở A

sẽ ở mức thấp

-Khi khởi động, nhấn khoá kép nối thông mạch thì UBE < 0, van T đóng do

van T có mức áp thấp

Đầu ra của khâu hạn chế UB lớn hơn UA van D2 mở : UC = UA

Áp UA sẽ tăng lên dần dần làm cho đầu vào VCO tăng dần nên tần số đầu ra

sẽ tăng dần Mạch được khởi động

Khi UA tăng lớn hơn UB thì D1 mở D2 đóng

Mạch khởi động sẽ được ngắt khỏi mạch hoạt động

-Chọn D2 là điot phát quang Khi không cần dòng qua D2, đèn D2

tắt , lúc đó ta có thể thả khóa cho lần khởi động tiếp theo

Tính toán :

Chọn

V U

mA I

T: C828 có UCE =30V ,ICmax =0,3A , β =100

6 Khâu điều chỉnh tần số dựa vào điện áp (VCO)

Chức năng : tạo ra 2 tín hiệu có tần số tỉ lệ với mức điện áp đầu ra vào

3 -

+ 1

U IV

R 2

A 1 2

3 -

+ 1

3 -

+ 1

U R

U R

U IV IV 4

1 1

−

R R

U

2 1 24

-Khiđiện áp tích phân đạt giá trị :

4 2

4

R R

R U

1 1 4

4 4

2

4 max 2

R R

R U

R R

R U

+

−

=+

−

=

Mạch so sánh lật giá trị âm => dương

Điot D3 khoá Mở khoá A3 Quá trình lại lập lại

- Thời gian tích phân :

T1= T2 =

1 1

1 1 2 4

4 max

4

U

K U

C R R R

11

T T T

4 2

8

R R K

U

Ta thấy mạch trên giống mạch chỉnh lưu nhanh ở khâu 2

Dể đảm bảo chính xác mạch biến đổi thì giá trị các linh kiện và tụ điện phải chính xác cao

Ta chọn thiết bị VCO có sẵn trong vi mạch 4046

Sơ đồ dạng :

Tần số đầu ra UV phải gấp đôi tần số điều khiển các van Để được tần số đến mõi van là f = 1500 và có góc lệch giữa các van là π thì ta sử dụng 1 bộ chia xung

7 ) Bộ chia xung

Ta sử dụng bộ vi mạch CMOS4013:

15V

4 UV

16 6 7 VCO

12 11 5

50KΩ 100KΩ

10KΩ 150pF

t

t

t Qua tụ lọc nối đất T/2 T

UIV

mỗi đầu ra Q2 , Q2 sẽ nhận ½ xung ra của VCO là Uv như vậy xung sẽ có tần

số f và độ lệch pha của 2 xung là π

.

.

.

Ur 20pF

§i tíi van T1, T2

§i tíi van T3, T4

2 56

Un được đặt lên cuộn sơ cấp của biến áp xung

D3 mở đưa dòng đến cực G của Thyristor D4 có tác dụng làm giảm điện áp ngược đặt giữa Catốt và cực điều khiển của Thyristor đảm bảo an toàn cho tiếp giáp G-K ở chế độ khoá

Điốt D1,2 hạn chế quá điện áp trên hai cực collector và êmitơ của Tranzitor khi Thyristor khoá

Điện trở R hạn chế dòng từ hoá biến áp xung Giá trị của R được tính để đảm bảo dòng qua van không vượt quá Ic max

Với dòng yêu cầu là IG = 1,5A ta chọn biến áp xung loại có sẵn ITShaffer :

IT362 với tỷ số dây là 1:1:1, điện cảm Lp = 3mH

Dòng sơ cấp máy biến áp xung là I1 = IG + Iµ

Vì điện áp đặt lên cuộn dây có giá trị không đổi nên dòng từ hoá iµ thay đổi tuyến tính theo thời gian

iµ = U1.t/ LpVậy Iµmax = U1.tx/Lp

V U

U

2

30 5 ,

17 2

minmax

10 5

U

5 , 1

5 15

Chọn R = 70 ς

 Vậy Ucemax = 15+12+1 = 28V

Và Icemax >1,2 A

Chọn diốt ổn áp là KC216 có Uon ap=12V và dòng cho phép tốI da là 11mA

chọn Tranzitor là loạI ZTX651 có các thông số:

=

=

100

V 60 U

A 2 I

max ce

max c

10

) Thiết kế nguồn một chiều cho mạch điều khiển:

Nguồn trong hệ thống điều khiển là các nguồn 15V lấy từ lướI điện nhờ biến

cuộn thứ cấp phải có biên độ là:

lướidiện

220V

7 75 , 23 2

2 220 U

2

U n

m 2

=

Tỷ số máy biến áp là: