đồ án điện tử công suất trình bày về luyện thép và nguyên lý hoạt động của nó

- Tải lò nấu thép là tải có tính biến động, thông qua đồ thị dưới: Hình 1.1: Đồ thị tính biến động của tải lò Μ : là độ từ thẩm của thép Ρ : là suất điện trở của thépΩcm - Nhận thấy khi

GVHD: Đặng Xuân Quyền

Đồ án: Điện

tử công

suất

Mục Lục

Lời nói đầu………

Chương 1:Giới thiệu công nghệ và yêu cầu kỹ thuật……

I Tìm hiểu về lò nấu thép………

II Tìm hiểu về đề tài………

Chương 2: Đề xuất phương án và lựa chọn mạch lực… I Phương án mạch lực………

II Tính toán lựa chọn van………

Chương 3: Mạch điều khiển………

I Nguyên lý điều khiển………

II Thiết kế mạch điều khiển Chương 4: Kết quả mô phỏng………

Tài liệu tham khảo………

GVHD: Đặng Xuân Quyền

Lời Nói Đầu

Trong sự phát triển từng ngày của thế giới, trên từng lĩnh vực của cuộc sống, như nông nghiệp,du lịch, điện tử, công nghệ thông tin…Ngành công nghiệp nặng chiếm một vị trí hết sức quan trọng, là tiền đề của các công trình lớn, của sự phát triển cơ sở hạ tầng Ngày nay, đã và đang đánh dấu những thành quả to lớn của ngành công nghiệp: như đóng tầu, sản xuất ôtô, luyện kim… Trong đó luyện kim chiếm vai trò quan trọng, nó tạo ra rất nhiều nguyên liệu cho các ngành khác sử dụng Để tìm hiểu thêm về vấn đề này, Dưới đây là một

số trình bày về ngành luyện thép và nguyên lý hoạt động của nó.

Trong đề tài, có sự tham gia của hai sinh viên Hoàng Ngọc

Tú và Đặng xuân quyền với sự giúp đỡ của thầy.

Thiếu sót của báo cáo là không thể tránh khỏi, chúng tôi xin chân thành cảm ơn và chân trọng những ý kiến dóng góp và phê bình của các bạn, để đề tài này được hoàn thiện hơn…

CHƯƠNG 1.GIỚI THIỆU CHUNG VỀ LÒ NẤU THÉP I.Tìm hiểu về lò nấu thép

- Ngành luyện kim ra đời từ rất lâu, sản phẩm của nó đáp ứng được nhucầu trong moi lĩnh vực Trong thời gian đầu, các phưong pháp luyện thép

cổ điển như: lò cao, lò Mactanh đây là những loại lò dùng nhiên liệu đốtnhư củi than… Ngày nay, với sự sử dụng rộng rãi của điện năng thìphương pháp nấu luyện thép bằng điện chiếm ưu thế

- Nấu luyện thép bằng lò điện là phương pháp nhanh nhất, mang lại hiệuquả kinh tế cao vì phương pháp này biến đổi điện năng thành nhiệt năng

- Điều chỉnh nhiệt độ dễ dàng, khả năng tự động hoá cao và có khả năngluyện, nấu được nhiều loại thép khác nhau, dùng cho mục đích khácnhau

- Ít gây ô nhiễm môi trường

- Có các loại lò phổ biến sau: lò hồ quang, lò điện trở, lò cảm ứng

- Trong các loại lò điện trên thì lò cảm ứng có các ưu điểm nổi trội hơncả

- Nấu chảy được kim loại sạch nhất, vận hành đơn giản và có thể nấuchảy trong chân không hay trong môi trường đặc biệt So với lò điện trở

và lò hồ quang thì hiệu quả nhiệt của lò điện cảm ứng là 80% so với60%-75% của 2 lò kia và hiệu suât nhiệt lên tới 96%

- Tuy nhiên lò cảm ứng có hệ số công suất giảm khi điện trở của vật liệugiảm và để tăng nhiệt số này thường người ta mắc các tụ điện song songvới lò Nhiệt độ của xỉ thấp cho nên khó có thể tinh luyện thép

- Một điểm chú ý trong lò điện cảm ứng là tần số lò càng cao khi khốilượng phối liệu nấu trong nòi mẻ thấp:

- 500 000Hz đối với lò nhỏ, nấu thí nghiệm 10g - 100g

- 8000Hz - 4000Hz đối với lò thí nghiệm nấu vài kg

- 2000Hz đối với lò công nghiệp nhỏ, một mẻ 50 kg - 500kg

- 1000Hz đối với lò một mẻ 250kg-2000kg

- 50Hz (tần số công nghiệp) với các lò nấu lớn trong công nghiệp

- Nhờ dòng xoay chiều gây ra cho từ trường nam châm của lõi sắt màkim loại rắn được nung nóng dần, cuối cùng chảy vào rãnh và có thể lấy

ra ngoài Loại này ít thông dụng vì năng suất không cao, xỉ luôn luôn bịnguội

- Loại không có lõi sắt rất thông dụng hiện nay: Đặc điểm của loại lò này

là từ trường từ cuộn dây cảm ứng được dẫn thẳng vào kim loại Tại đâysinh ra dòng điện hỗ cảm có cường độ không đều trên dây đồng Mật độdòng điện tập trung ở mặt ngoài dây, ở giữa giảm dần

Cấu tạo của lò

Gồm hai bộ phận chính là vòng cảm ứng và nồi lò:

- Vòng cảm ứng làm bằng đồng hoặc ống sắt dẹt Vì dòng qua vòng cảmứng cỡ hàng ngàn ampe nên tổn hao điện chiếm tới 25 ÷30% công suấthữu ích của thiết bị Do vậy cần làm mát vòng cảm ứng Làm mát bằngkhông khí cho phép mật độ dòng điện 2 ÷ 5A/mm2 Làm mát bằng nướctrong vòng cảm ứng rỗng cho phép dòng điện tới 50 ÷ 70A/mm2

- Nồi lò làm bằng vật liệu chịu lửa

II.Tìm hiểu về tải

1.Đặc tính tải trong quá trình nấu thép

- Tải lò nấu thép là tải có tính cảm kháng.Đầu tiên ta dễ nhận thấy tải phụthuộc nhiệt độ theo công thức:

Rt = R0 *(1 + α *t)

- Tải lò nấu thép là tải có tính biến động, thông qua đồ thị dưới:

Hình 1.1: Đồ thị tính biến động của tải lò

Μ : là độ từ thẩm của thép

Ρ : là suất điện trở của thép(Ωcm)

- Nhận thấy khi nhiệt độ khoảng 800-9000c thì tải mất tính cảm kháng chỉcòn tính thuần trở (do μ giảm mạnh ,còn ρ tăng mạnh)

- Tải lò nấu thép là tải ngắn mạch , nên nguồn cấp cho tải phải làm việc ởchế độ ngắn mạch, do đó ta chọn nguồn cấp cho tải là nghịch lưu nguồndòng

Từ công thức trên ta thấy:

- Năng lượng biến thành điện năng ở trong mẻ liệu tỉ lệ thuận với bìnhphương ampe vòng, tức tỉ lệ với cường độ từ trường và căn bình phươngđiện trở riêng và tần số

Wnhiệt ≈ H2 ≈ I2

Wnhiệt ≈ f

GVHD: Đặng Xuân Quyền

- Như vậy để tăng lượng nhiệt cung cấp cho vật liệu có thể tăng cường độdòng điện hoặc tần số Nhưng trong thực tế không thể tăng dòng điện lênmãi vì dây phải rất lớn và quá nóng, có thể nóng chảy (dù có nước làmmát)

- Thường dùng phương pháp tăng tần số, do vậy lò cảm ứng còn gọi là lòcao tần

- Mặt khác tần số còn ảnh hưởng đến kích thước của cục nguyên liệu.Năng lượng truyền từ nguồn điện (tần số), qua vòng cảm ứng, biến đổithành năng lượng trường điện từ Trong vật gia nhiệt điện năng dòngxoáy cảm ứng được chuyển thành nhiệt năng Khi truyền sâu trong kimloại, độ lớn của các vectơ E, H (hai thành phần của trường điện từ) bịgiảm dần và năng lượng trường điện từ cũng giảm dần (theo độ sâutruyền z)

Độ sâu thẩm thấu:

a 503. .

0

 0 μ = 4..10-7H/m : hệ số từ thẩm chân không ρ

- Tính toán và thực tế cho thấy khi z = δ thì 0,864 phần năng lượng điện

từ có ở bề mặt kim loại bị tiêu tán để đốt nóng lớp kim loại dày δ, còn0.316 phần năng lượng tiếp tục truyền sâu vào lớp kim loại bên trong.Tần số càng lớn thì δ càng nhỏ và năng lượng điện từ càng tập trung đốtnóng ở lớp mặt ngoài của kim loại Do đó để giảm năng lượng điện mấtmát trên một tấm kim loại và quá trình nấu chảy nguyên vật liệu cần thiếtphải tính toán một cách hợp lý và tỉ mỉ những kích thước cục nguyên liệu

và chất khít chặt với tần số tương ứng

- Để có hiệu suất nấu chảy kim loại cao, khi tần số càng lớn thì kíchthước cục nguyên liệu càng phải nhỏ, còn đối với tần số thấp hơn kíchthước cục nguyên liệu có thể to hơn

d p

- Công thức trên cho thấy rằng khi công suất lò lớn, nghĩa

là khi bán kính liệu hoặc dung tích của lò lớn cũng như khiđiện trở của liệu nhỏ, tần số của dòng điện cung cấp cóthể lấy thấp hơn

- Đối với những kim loại như sắt, niken, crôm cũng nhưhợp kim của chúng người ta thường dùng tàn số trong giớihạn 1000 ÷ 3000 Hz Đối với bạc, đồng, đồng thanh, đồng

đỏ, hợp kim bạc niken, đồng niken tần số có thể dùng từ

50 ÷ 500 Hz

- Để đảm bảo cả yêu cầu kinh tế và kỹ thuật, việc lựa chọntần số phụ thuộc rất nhiều vào công suất của lò Quan hệgiũă tần số và công suất của lò được thể hiện qua những

3 Sơ đồ và nguyên lý cấu tạo của thiết bị

Sơ đồ khối của bộ biến tần cấp cho lò nấu thép:

GVHD: Đặng Xuân Quyền

Hình 1: Sơ đồ khối của bộ biến tần

Trong đó:

- Từ lí luận trên , ta thấy yêu cầu với mạch chỉnh lưu

- Mạch chỉnh lưu có chức năng cấp nguồn cho mạchnghịch lưu dòng 1 chiều cho mạch nghịch lưu, tức là giữcho Id= const

- Mạch chỉnh lưu điều chỉnh công suất trong quá trình nấu

đổi cho phù hợp

Chỉnh Lưu

3 Pha

Lọc

Nghịch Lưu

1 Pha

Chương II :Đề xuất phương án và lựa chọn

mạch lực

Do đặc điểm của lò luyện thép, ta có thể chọn phương

án dùng mạch điều áp hoặc chỉnh lưu Dưới đây là trìnhbày một số phương án…

I Phương án mạch lực

- Từ yêu cầu ta suy ra mạch chỉnh lưu phải là chỉnh lưu có điều khiển.Công suất của lò nấu là P = 140 kW, nguồn điện sử dụng là nguồn điện 3pha nên chúng ta dùng chỉnh lưu điều khiển 3 pha (nếu dùng chỉnh lưuđiều khiển 1 pha công suất tải lớn sẽ làm xấu lưới điện)

- Ta có các phương án:

• Chỉnh lưu hình tia 3 pha

• Chỉnh lưu cầu 3 pha

• Chỉnh lưu hình tia 6 pha

- Nhưng chúng ta thấy rằng:

• Chỉnh lưu hình tia 3 pha có nhược điểm: chất lượng điện áp thấp, hệ sốđập mạch nhỏ nếu công suất tải lớn sẽ ảnh hưởng xấu đến hệ số cosϕ củalưới điện, làm méo lưới điện và buộc phải dùng đến biến áp lực

• Chỉnh lưu hình tia 6 pha tuy chất lượng điện áp tốt nhưng việc chế tạomáy biến áp lực 6 pha tốn kém, phức tạp, giá thành cao nên phương ánnày cũng không khả thi

- Như vậy chúng ta sẽ thiết kế phần chỉnh lưu cho bộ nguồn lò nấu thépdùng sơ đồ chỉnh lưu cầu 3 pha có điều khiển, bao gồm:

+ Chỉnh lưu cầu 3 pha điều khiển đối xứng

+ Chỉnh lưu cầu 3 pha điều khiển không đối xứng

1 Chỉnh lưu cầu 3 pha điều khiển không đối xứng

• Sơ đồ nguyên lý:

GVHD: Đặng Xuân Quyền

Hình 2: Sơ Đồ Chỉnh lưu cầu 3 pha điều khiển không đối xứng

• Dạng điện áp và dòng điện:

- Ta có thể coi sơ đồ chỉnh lưu cầu 3 pha không đối xứng tương đương 2mạch chỉnh lưu hình tia:

- Chỉnh lưu hình tia 3 pha điều khiển gồm T1, T3, T5 có:

UK= Udotia∗cosα = 1,17U2cosα

- Chỉnh lưu hình tia 3 pha không điều khiển gồm D2, D4, D6 có:

UA = Udotia ∗ cosα = 1,17U2

Tổng hợp lại ta có: Chế độ và chức năng điện áp trên mạch tải:

GVHD: Đặng Xuân Quyền

Ud = UK + UA = 1,17U2(1 + cosα) = 2,34U2.1cos2  =Udmax.1cos2 

Chế độ hoạt động: chế độ chỉnh lưu với α = 0 ÷ π, Ud = 0 ÷ Udmax

Chức năng: Ổn định điện áp và dòng ra tải bằng cách thay đổi α

• Thông số chọn van:

Điện áp ngược lớn nhất đặt lên van: Ungmax =

3

.Udmax

Dòng trung bình qua van: Iv = Id/3

• Ưu nhược điểm của sơ đồ:

- Ưu điểm: Mạch điều khiển đơn giản

+ Làm lệch pha lưới điện khi thay đổi góc điều khiển

2 Chỉnh lưu điều khiển 3 pha đối xứng

• Sơ đồ nguyên lý:

Hình 4: Sơ Đồ Chỉnh lưu điều khiển 3 pha đối xứng

• Dạng điện áp và dòng điện

GVHD: Đặng Xuân Quyền

Ub = 2U2sin( -23 )

Uc = 2U2sin( -43 )

Hoạt động của sơ đồ:

Giả thiết T5, T6 đang cho dòng chảy qua VK = UC; VA = UB

- Khi θ =

6

+ cho xung điều khiển mở T1 Thyristor này mở vì Ua>0.Sự

mở của T1 làm cho T5 bị khoá lại một cách tự nhiên vì Ua > Uc Lúc nàyT6 và T1 cho dòng đi qua Điện áp ra trên tải: Ud=Uab=Ua-Ub

- Khi θ =

6

3 + cho xung điều khiển mở T2 Thyristor này mở vì T6dẫn

dòng, nó đặt Ub lên catot T2 mà Ub > Uc Sự mở của T2 làm cho T6 khóalại một cách tự nhiên vì Ub > Uc Lúc này T2 và T1 cho dòng đi qua.Điện áp trên tải: Ud=Uac=Ua-Uc

Các xung điều khiển lệch nhau

3

 được lần lượt đưa đến các cực điềukhiển của các thyristor theo thứ tự 1, 2, 3, 4, 5, 6, 1,….Trong mỗi nhóm,khi 1 thyristor mở thì nó sẽ khoá ngay thyristor trước nó, như trong bảngsau:

Hình : Bảng thời điểm đóng mở của thyristor

giữa hai đường bao:

3 U cos

• Chế độ và chức năng:

Điện ỏp trờn mạch tải:

Chế độ hoạt động:

- Chế độ chỉnh lưu với α = 0 ữ2 , Ud = 0 ữ Udmax

- Chế độ nghịch lưu phụ thuộc với α = 2 ữ ,Ud = -Udmax ữ 0

Chức năng: Ổn định điện ỏp và dũng ra tải bằng cỏch thay đổi α

Với mỏy biến ỏp, ta cú:

Với mỏy biến ỏp cú chức năng nguồn ỏp một chiều

2

1 tg 

3 Điều ỏp xoay chiều ba pha

Mạch xoay chiều ba pha hiện nay trong thực tế thờng gặp gồm 3 sơ đồ

nh sau: Hình 6 a, b, c

Các loại sơ đồ n y bao gồm, tải đấu sao có trung tính μy bao gồm, tải đấu sao có trung tính (a),tải đấu sao

không trung tính (b), tải đấu tam giác (c) Tải đấu sao có trung tính, có

nhiều điểm l sơ đồ giống hệt ba mạch điều áp một pha điều khiển dịchμy bao gồm, tải đấu sao có trung tính pha theo điện áp lới, do đó điện áp trên các van bán dẫn nhỏ hơn vì điện

áp đặt v o van bán dẫn l điện áp pha Nhμy bao gồm, tải đấu sao có trung tính μy bao gồm, tải đấu sao có trung tính ợc điểm của sơ đồ l trên dâyμy bao gồm, tải đấu sao có trung tính trung tính có tồn tại dòng điện điều ho bậc cao, khi góc mở các vanμy bao gồm, tải đấu sao có trung tính khác 0 có dòng tải gián đoạn v loại sơ đồ nối n y chỉ thích hợp với loạiμy bao gồm, tải đấu sao có trung tính μy bao gồm, tải đấu sao có trung tính tải ba pha có bốn đầu dây ra

Các sơ đồ không trung tính Hình b, c có nhiều điểm khác so với sơ đồ

có trung tính ở đây dòng điện chạy giữa các pha với nhau, nên đồng thờiphải cấp xung điều khiển cho hai Tiristo của hai pha một lúc Việc cấpxung điều khiển nh thế, đôi khi gặp khó khăn trong mạch điều khiên,ngay cả việc đổi thứ tự pha nguồn lới cũng có thể l m cho sơ đồ khôngμy bao gồm, tải đấu sao có trung tính hoạt động

Thiết kế sơ đồ mạch động lực của bộ điều áp xoay chiều ba pha chúng

ta phải thực hiện h ng loạt các b i toán tổng hợp Ngay cả ở chế độ xácμy bao gồm, tải đấu sao có trung tính μy bao gồm, tải đấu sao có trung tính lập thì dòng điện v điện áp trên các van bán dẫn cũng chỉ l chế độ gầnμy bao gồm, tải đấu sao có trung tính μy bao gồm, tải đấu sao có trung tính

với xác lập Trong phần thiết kế n y chúng ta chỉ xét bộ điều áp l m việcμy bao gồm, tải đấu sao có trung tính μy bao gồm, tải đấu sao có trung tính

ở chế độ xác lập

Ở mạch ba pha khụng trung tớnh dũng điện chạy qua tải là dũng chạygiữa cỏc pha với nhau Tại mỗi thời điểm phải cú hai hoặc ba pha cú vanbỏn dẫn, khụng khi nào chỉ cú một pha cú van bỏn dẫn cả

Cấp xung điều khiển cho điện ỏp xoay chiều cú thể cấp bằng xung đơnhoặc xung chum Cấp xung điều khiển loại nào tựy thuộc vào chế độ làmviệc của tải Thường gặp hiện nay trong điều ỏp ba pha là cú hai loại

- Xung điều khiển cấp đơn nhưng phải đệm xung điều khiển

- Xung điều khiển cấp bằng xung chựm

Trong đề tài này ta sử dụng tải là tải thuần trở như hỡnh 7, nờn ta sẽ chọnphương ỏn điền khiển là điều khiển điều ỏp ba pha bằng xung đơn

Hỡnh 7 : Mạch lực điều ỏp xoay chiều ba pha tải thuần trở

Khi gúc điều khiển  của cỏc van bỏn dẫn lớn và đồng thời cú haivan cựng dẫn, như vậy xung điều khiển phải được cấp đồng thời cho cảhai van, hơn nữa hai van được dẫn ấy phải được cấp xung theo kiểu mộtxung chớnh cần mở với một xung đệm, nguyờn tắc đệm xung phải theođỳng thứ tự pha Như việc cấp xung ở hỡnh 8

GVHD: Đặng Xuân Quyền

Hình 8: Hình dạng đường cong điện áp tải với các xung điều khiển van

X1 : Một chữ số xung Cần mở T1

X6-1 : Xung đệm từ T6 sang T1

Trên hình 8 vẽ lại đường cong điện áp tải với góc mở van bán dẫn 

lớn ( =46 ) Để có đường cong điện áp pha A như hình vẽ, chúng tacần cấp xung điều khiển theo thứ tự như hình 8 Mỗi thyristor trong mộtchu kỳ được cấp hai xung điều khiển, trong đó Xung trước X1 là xungquyết định chính góc mở của nó, còn xung thứ hai X6-1 là xung đệm đượcnhận từ thyristor cần mở của pha khác tới Điện áp và dòng điện ở đâygián đoạn, vì vậy không có xung đệm X1-4 T1 không thể một van trongđiều áp ba pha được

Tại t2 góc  =46 của T1 ( UA>0) phát xung X1 điều khiển T1 đồngthời đệm xung T4 – T1-4 ( xung thứ hai của T4) lúc này với điện áp pha Adương hơn pha B (UA>>UB) T1 và T4 cùng dẫn, chừng nào UA còn dươnghơn UB, điện á trên tải pha A nếu coi tải đối xứng thì UA=1/2UAB Đến '

Đến T3 góc  46 của T6 (UC<0), phát xung X6 điều khiển T6 đồngthời theo đúng thứ tự pha đệm xung X6-1 cùng dẫn Tương tự như trên,hai thyristor này sẽ cùng dẫn chừng nào UC còn âm hơn UA Như vậy, đến

'

3

t khi điện áp UA trở nên âm hơn UC,T6,T1 phân cực ngược sẽ tự khóa, ta

có điện áp trên tải UA1=1/2UAC

Tương tự như T1,T2 được mở bởi xung chính tại t5 cùng với T3 vàđược mở với xung đệm của T5 tại t6

Từ những khảo sát trên ta thấy : Tại thời điểm phát lệnh mở thyristor

mà không có xung đệm cho thyristor ở pha kế tiếp theo thứ tự pha và ởnhóm ngược lại, thì các thyristor không thể dẫn

Khi góc mở van nhỏ, dòng điện tải ít gián đoạn hơn, lúc này xungđệm chỉ có ý nghĩa tại thời điểm khởi động ban đầu thôi Do dòng điệnliên tục đến cuối chu kỳ, nên xung đệm của các van là không có ý nghĩakhi đã khởi động xong Điều này có thể giải thích cho một vài trường hợpthiết kế không đúng, mạch điều khiển không đệm xung điều khiển, nhưngđôi khi thyristor vẫn dẫn được trong một số lần đóng điện nào đó Hiệntượng dẫn không bình thường của thyristor là do nhiễu

“a