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

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

Mục lục:

Lời nói đầu 2

Chương I: Giới thiệu công nghệ và yêu cầu kỹ thuật 3

1 Khái niệm 3

2 ứng dụng vμ ưu nhược điểm 3

3 Tính chất công nghệ 3

4 Xác định khoảng thời gian nung 6

5 Yêu cầu chất lượng, đặc điểm nguồn cấp vμ cấu tạo thiết bị 7

Chương II: Đề xuất các phương án và lựa chọn phương án8 1 Sơ đồ nghịch lưu áp một pha 8

2 Sơ đồ nghịch lưu dòng một pha 9

3 Nghịch lưu cộng hưởng 11

Chương III: Tính toán mạch lực 14

1 Lựa chọn các van 15

2 Xét mạch bảo vệ van mạch lực tránh quá dòng, áp 16

ChươngIV: Thiết kế và tính toán mạch điều khiển 18

I Nguyên lý mạch điều khiển 18

1 Sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển 18

2 Chức năng các khâu trong mạch điều khiển 18

II Tính toán thiết kế mạch điều khiển 20

1 Tính toán khâu phát xung điều khiển khởi động 20

2 Tính toán khâu chia xung vμ phân kênh 21

3 Tính toán khâu khuếch đại sửa xung 23

4 Tính toán khâu phản hồi 25

5 Tính toán thiết kế bộ nguồn cho mạch điều khiển 26

Kết kuận

Tài liệu tham khảo

Lời nói đầu

Trong những năm gân đây, sự ra đời vμ phát triển nhanh của các thiết

bị điện tử công suất, cùng với sự phat triển của xã hội đã tạo nên thay đổi sâu sắc vμ toμn diện của ngμnh kỷ thuật điện nói chung va các ngμnh biến

đổi điện năng nói riêng

Các bộ biến đổi điện tử công suất thế hệ mới ngμy cμng thể hiện rõ các ưu việt nổi bật như: kích thước gọn nhẹ, độ tác động nhanh, lμm việc ổn

định với độ tin cậy cao, gia thμnh hạ, cũng chính nhờ những ưu điểm đó

mμ các thiết bị bán dẫn dã vμ đang xâm nhập vμo nhiều lĩnh vực như:công nghiệp dệt may, sản xuất, điện năng, sản xuất giấy, cùng với xu hướng ấy, các nhμ máy luyện kim đã đưa vμo phương pháp tôI thép mới vμ hiện đại đó

lμ tôI thép bằng phương pháp cảm ứng hay còn gọi lμ tôI tần số cao Công nghệ tôI thép cảm ứng với khản năng tự động hoá cao, quá trìng điều khiển

đơn giản, đảm bảo năng suất vμ chất lượng cua vật tôI đã vμ đang được ứng dụng trong thực tế, cung cấp phần nμo sản luợng thép đáp ứng nhu cầu người tiêu dùng

Đối với sinh viên ngμnh tự đông hoá,Điện Tử Công suất lμ một trong những môn học quan trọng, không thể thiếu Để nắm vững kiến thức biết áp dung vμo thực tế biến kiến thức của thầy cô thμnh kiến thức bản thân vμ bắt

đầu lμm quen với đồ án tạo tiền đề cho đồ án tốt nghệp sau nμy

Trong kỳ nμy đề tμi em được giao: “Thiết kế phần nghịch lưu của bộ nguồn cho lò tôi thép” lμ một đề tμi không mới, có nhiều tμi liệu tham khảo

vμ đề cập, tuy nhiên thực tế để hiểu sâu vμ phân tích thấu đáo các vấn đề của toμn bộ đề tμi lại đòi hỏi người thực hiện một quá trình lμm việc nghiêm túc, miệt mμi Hoμn thμnh đồ án nμy, em xin chân thμnh cảm ơn thầy

Dương Văn Nghi, thầy Võ Minh Chính cùng các thầy giáo đã nhiệt tình

hướng dẫn, chỉ bảo Do đây lμ lần đầu tiên thực hiện lμm đồ án nên không thể mắc phải sai sót, em mong được sự chỉ bảo tận tình của các thầy

Em xin chân thμnh cảm ơn!

Hμ Nội tháng 5 năm 2006

Sinh viên thực hiện:

Ngô Trí Kỳ

2 ứng dụng và ưu nhược điểm:

Lò tôi cảm ứng hiện nay được sử dụng rất rộng rãi trong ngμnh luyện kim, đây lμ phương pháp nhiệt luyện tiên tiến, chủ yếu dùng để tôi bề mặt

Nó có những tính năng ưu việt sau :

- Có thể truyền nhiệt lượng cho vật cần tôi một cách trực tiếp, nhanh chóng không cần qua khâu trung gian do đó có thể tiến hμnh tự động hoá sâu vμ hiệu suất cao Đồng thời, do thời gian nung ngắn nên bề mặt sản phẩm không bị oxihoá

- Có thể tiến hμnh gia nhiệt trong các môi trường khác nhau như môi trường trung tính, chân không một cách dễ dμng

- Do đặc điểm của phương pháp mμ chi tiết đem tôi có độ cứng bề mặt cần thiết trong khi vẫn giữ được độ dẻo thích hợp trong lõi đảm bảo

được các yêu cầu kỹ thuật đặt ra đối với chi tiết đem tôi Mặt khác, lò tôi cảm ứng có thể tôi được các chi tiết có hình dạng phức tạp mμ các phương pháp khó có thể đáp ứng ví dụ như các trục khuỷu, bánh răng, vấu

- Do có thể tự động hoá sâu mμ năng suất lao động được nâng lên,

điều kiện lao động cũng được cải thiện

Tuy nhiên, nó cũng có những nhược điểm:

- Chủ yếu dùng cho những chi tiết có cùng tiết diện hay tiết diện thay

đổi không đáng kể Với những chi tiết phức tạp, khó đạt tổ chức mactenxit

đồng nhất, ngoμi ra hệ số hữu ích của thiết bị thấp (0,1 – 0,2)

- Không đảm bảo đủ độ bền tĩnh đối với những chi tiết lμm việc ở chế

độ nặng nề nhất ( đặc biệt chi tiết lớn trên φ30) vì lõi không được hoá bền

3 Tính chất công nghệ:

-Tính chất tải của lò cao tần lμ tải cảm:

Lò tôi cảm ứng hoạt động dựa trên hiện tượng cảm ứng điện từ, gồm các cuộn dây được cấp nguồn có tần số cao; khi cho tải đi qua lμ các chi tiết bằng thép cần tôi thì chúng được nung nóng nhờ nguồn nhiệt sinh ra trong chính bản thân chi tiết

Xét một cuộn dây quấn xung quanh

lõi thép, khi đặt vμo 2 đầu của cuộn dây

nμy một điện áp xoay chiều hình sine sẽ

lμm phát sinh một dòng điện có cường độ

i đi qua cuộn cảm:

- Để nghiên cứu quá trình truyền năng lượng điện từ từ nguồn điện vμo thanh kim loại người ta sử dụng phương trinh Macxoel trong trường

j =γE = E/ρ - mật độ điện dẫn

ρ=1/γ - điện trở suất của kim loại

γ - điện dẫn suất của kim loại

Qua biến đổi ta được năng lượng cung cấp cho kim loại:

2

2e H P

z

ư

=năng lượng phản kháng:

γδ

δ

2 0

2

2e H i Q

z

ư

=

trong đó δ ư bề dμy thẩm thấu

H0 – cường độ từ trường ở bề mặt kim loại

- Phương pháp tôi bề mặt bằng dòng điện cao tần được dùng khá phổ biến trong các xưởng nhiệt luyện Đây lμ một dạng nguồn nhiệt được sinh

trong một lớp mỏng ở bề mặt lượng nhiệt toả ra rất lớn, nung bề mặt chi tiết với một tốc độ rất cao Nhiệt lượng được phát sinh chủ yếu do hai nguyên nhân:

+ Xuất hiện dòng Fucô: đây lμ các dòng điện khép kín ( có chiều ngược với chiều của dòng kích thích) do đó được biến đổi hoμn toμn thμnh nhiệt năng Trên thực tế, tần số được sử dụng để nhiệt luyện thường từ 500Hz ữ1MHz Tần số cμng cao thì chiều sâu nung cμng nhỏ Chiều sâu

của lớp mỏng tiêu thụ 86,5% lượng nhiệt cung cấp được gọi lμ chiều sâu xâm nhập của dòng cảm ứng, được tính bằng công thức:

ST= BdH [J/m3]

ST thể hiện lượng nhiệt được sinh ra trong một đơn vị thể tích vật liệu dưới tác động của điện từ trường biến thiên

- Trong quá trình tôi, chiều sâu xâm nhập của dòng cảm ứng bị thay

đổi do giá trị điện trở suất ρ vμ độ thẩm từ μ thay đổi theo nhiệt độ Khi nung từ nhiệt độ thường tới nhiệt độ Quyri (7680C), điện trở suất tăng mạnh, còn độ thẩm từ gần như không đổi Sau nhiệt độ Quyri điện trở suất tăng chậm lại, độ thẩm từ nhanh chóng giảm xuống tới =1, cường độ nung giảm mạnh, do đó, trên thực tế khi nung thép phải tính toán riêng cho hai giai đoạn nung ( dưới vμ trên điểm Quyri) Chiều sâu xâm nhập của dòng cảm ứng đối với thép cacbon thấp như sau:

Trong trường hợp toμn bộ lớp tôi được nung bằng dòng cảm ứng,

đảm bảo tốc độ nung cao; còn nếu chiều sâu lớp xâm nhập của dòng cảm ứng quá nhỏ so với chiếu sâu lớp tôi thì quá trình nung sẽ xảy ra chủ yếu bằng dẫn nhiệt với tốc độ thấp

Chiều sâu lớp tôi không những phụ thuộc vμo tần số mμ còn phụ thuộc vμo bản chất của vật liệu tôi, nhiệt độ nung vμ tốc độ nung trong khoảng chuyển biến pha, nói chung ở nhiệt độ cao hơn điểm Quyri Để đảm

bảo chất lượng lớp tôi với thông số đã xác định lμ tần số f=10000Hz cần lựa chọn thời gian nung tức tốc độ nung phù hợp

Để xác định tốc độ nung, cần phải biết thời gian nung lớp kim loại ở khoảng nhiệt độ đã cho Các phương pháp tính toán ( chủ yếu lμ thực nghiệm) giả định rằng công suất riêng, tính cho một đơn vị bề mặt lμ không

đổi Thực tế chúng có thể thay đổi cỡ 30-50%, cho nên ta sẽ phải dùng giá trị trung bình q(W/m2)

4 Xác định khoảng thời gian nung

a, Xác đinh thời gian nung giai đoạn một:

Chiều sâu xâm nhập của dòng cảm ứng δ1 trong giai đoạn nμy thường nhỏ hơn chiều sâu lớp tôi bề mặt (≈δ2) nhiều lần, nên có thể coi rằng nhiệt lượng sinh ra từ bề mặt được truyền vμo trong bằng dẫn nhiệt Vì vậy sử dụng phương trình mô tả quá trình dẫn nhiệt với dòng nhiệt không đổi (từ

bề mặt) để tính toán, ta được:

τλ

τ

ierfc a q x

2

2

=

Trong đó:

ϑ = t-tđ , nhiệt độ của chi tiết tính từ nhiệt độ ban đầu tđ,0C

λ - hệ số dẫn nhiệt của kim loại, W/mK

a - hệ số khuếch tán nhiệt ( dẫn nhiệt độ ) của kim loại, m2/s

ϑλπτ

b, Xác đinh thời gian nung giai đoạn hai:

Đây lμ giai đoạn nung từ nhiệt độ Quyri đến nhiệt độ tôi Do độ thẩm

từ giảm mạnh, chiều sâu xâm nhập dòng cảm ứng được tăng lên tương ứng với chiều sâu lớp tôi Do đó, để tính toán ta sử dụng phương trình vi phân mô tả quá trình dẫn nhiệt với nguồn nhiệt phân bố đều trong toμn lớp tôi bề mặt Công thức tính nhiệt độ tại điểm bất kỳ như sau (với x≤ δ2):

2

1 2

4

2 2

2 2

2 2

x q

erfz z

2 2

τ

δλ

δ

δQM q F a

Nhiệt độ tại biên giới trong của lớp tôi (lấy x= δ2) tính như sau:

δλ

δ

δQT q F a

Dựa trên các công thức nμy vμ bằng phương pháp gần đúng liên tục (cho giá trị τ , tính ϑQ vμ t, nếu sai số lớn thì chọn lại τ vμ lặp lại phép tính)

có thể tính thời gian nung từ điểm Quyri đến nhiệt độ tôi của bề mặt chi tiết

vμ của giới hạn trong lớp tôi Cuối cùng thời gian nung tổng thể bằng tổng thời gian nung của giai đoạn một vμ hai

5 Yêu cầu chất lượng, đặc điểm nguồn cấp và cấu tạo thiết bị

- Chất lượng của thép được đem tôi được đánh giá qua các thông số

Độ dμy lớp được tôi, độ cứng, độ dẻo nó phụ thuộc vμo nhiều yếu tố như:

+ Đặc điểm của thép đem tôi: thμnh phần cacbon, hình dạng, kích thước

+ Thời gian tôi, thời gian lμm nguội

+ Đặc điểm của nguồn (tần số, biên độ, công suất ), môi chất lμm nguội

- Đặc điểm của nguồn điện cấp cho lò tôi:

Bộ nguồn nghịch lưu đảm bảo cung cấp đủ năng lượng cho lò khi có tải tức lúc đang tôi vμ phải đảm bảo lμm việc được lúc không tải khi chi tiết

đem tôi di chuyển hết ra khỏi ống vòng dây của thiết bị nung

Do đặc điểm lμm việc của lò tôi lμ không tải thường xuyên lặp lại nên nghịch lưu đòi hỏi phải lμm việc được ở chế độ không tải

- Cấu tạo của thiết bị:

Thiết bị tôi cảm ứng dùng dòng tần số cao từ 500 – 500.000 Hz Thiết bị cao tần bao gồm hai bộ phận chính lμ: nguồn phát tần số vμ cuộn cảm ứng, ngoμi ra còn có các bộ phận để lμm nguội

+ Nguồn phát tấn số cao có hai loại chính

1 Máy phát tần số trung bình (500 – 10.000 Hz) dùng chủ yếu để nung sâu hoặc để nấu chảy kim loại

2. Máy phát tần số từ 10.000 – 200.000 Hz dùng chủ yếu để nung các chi tiết có kích thươc trung bình với độ sâu thẩm thấu khoảng 0,1 – 2

Chương ii:

Đề xuất các phương án vμ lựa chọn phương án

Do đặc thù của lò tôi cảm ứng, nên ta chọn nghịch lưu một pha cho

phần nghịch lưu của bộ nguồn lò tôi thép Ta sét lần lượt các sơ đồ sau:

1 Sơ đồ nghịch lưu áp một pha

Đặc điểm: nguồn đầu vμo lμ nguồn áp, nên có tụ C (C->∞) mắc song song với điện trở nguồn Do vậy nguồn trở thμnh nguồn hai chiều: phát năng lượng cho tải đồng thời tiếp nhận năng lượng của tải trả ngược về,

được tích luỹ trong tụ C, thông qua các diode mắc song song ngược với các van động lực chính

Xét đồ thị hoạt động của mạch:

- Điện áp nghịch lưu có dạng xung vuông chữ nhật, có tần số fN tạo

ra nhờ đóng mở các cặp van T1,T2 vμ T3,T4 một cách có chu kỳ: fN=fđk

Do đó khi thay đổi tần số điều khiển fđk có thể thay đổi tần số nghịch lưu fN tuỳ ý

- Ưu nhược điểm:

+ Ưu điểm:

• Điều chỉnh được tần số fN

• Các van chủ đạo sử dụng lμ các van điều khiển hoμn toμn do

đó dễ điều khiển đóng mở các van

+ Nhược điểm:

• Số lượng van sử dụng khá nhiều

• Công suất bộ biến đổi (BBĐ) phụ thuộc vμo công suất của van nên bị hạn chế

• UN có dạng xung chữ nhật nên khị phân tích Furie sẽ xuất hiện nhiều thμnh phần sóng điều hoμ bấc cao do đó lμm giảm hiệu suất của BBĐ

2 Sơ đồ nghịch lưu dòng một pha

- Đặc điểm: Nguồn đầu vμo lμ nguồn dòng, do đó nguồn được nối nối tiếp với Ld (Ld -> ∞) nhằm san phẳng dòng đầu vμo: Td = const

- Dòng điện nghịch lưu có dạng xung chữ nhật, có tần số fN tạo ra nhờ đóng mở các cặp van T1,T2 vμ T3,T4 một cách có chu kỳ Do đó có thể thay đổi fN theo tần số điều khiển fđk

- Xét đồ thị hoạt động của mạch:

- Ưu nhược điểm:

+ Ưu điểm:

• Điều chỉnh đựơc tần số fN

• Van sử dụng lμ van Tiristor nên có công suất lớn hơn rất nhiều

so với sơ đồ trên (sử dụng van điều khiển hoμn toμn)

• Chỉ cần quan tâm đến vấn đề mở van, vì khi mở van cặp van nμy sẽ lμm cặp van kia đóng lại

o Ld<∞ dòng bị gián đoạn Khi đó trong mạch có thể xảy ra cộng hưởng L,C điện áp sẽ trở nên sine nhưng góc khoá β lμ min

3 Nghịch lưu cộng hưởng

* ở nghịch lưu dòng (hoặc áp) thì dạng dòng điên iN (hoặc điện áp

uN) đều có chứa thμnh phần sóng điều hoμ bậc cao Vì vậy sẽ lμm giảm hiệu suất của BBĐ Để tăng hiệu suất của BBĐ ta xét nghịch lưu cộng hưởng

* Do tải có tính cảm kháng vì vậy ta phải đấu với tải tụ C để bù lại tính cảm kháng nhằm tạo ra cộng hưởng trong mạch Nhưng do tải thay đổi liên tục trong quá trình tôi, nên ta không thể thực hiện bù đủ được, do vậy

mμ mạch chỉ tiệm cận tới dao động cộng hưởng Sau đây ta xét các mạch dao động cộng hưởng cơ bản:

a, Sơ đồ nghịch lưu cộng hưởng nối tiếp:

- Do điện cảm tải tạo nên nguồn dòng, bộ nghịch lưu phải lμ nghịch lưu nguồn áp Ta xét sơ đồ cầu:

o Sơ đồ nμy sử dụng cộng hưởng nguồn áp nên có thể lμm việc

được ở chế độ không tải

o Tải mang tính cảm nên ta đấu với tải tụ C nhằm tạo ra dao

động cộng hưởng vμ đồng thời phải bù thừa nhằm tạo ra góc khóa β cần thiết để chắc chắn lμ khóa được van lực

o Vμ do cộng hưởng nối tiếp nên sơ đồ nμy có thể lμm việc được với tải biến thiên rộng vμ trong thực tế sơ đồ nμy được sử dụng rộng rãi

Vì vậy ta chọn sơ đồ này để thiết kế phần nghịch lưu cho bộ nguồn

lò tôi thép

*Xét hoạt động của mạch:

- Điện áp nghịch lưu dạng xung chữ nhật, dòng điện trên tải gần sine vμ dòng điện vượt trước điện áp ( do thực hiện mồi chậm để chắc chắn cặp van được khoá mới mở cặp van khác)

- Tại thời điểm θ = 0 cho xung mở van T1,T2: dòng đi từ A-> B, tụ C

được nạp Khi tụ C được nạp đầy dòng qua van T1,T2 giảm về 0 Nhưng do tải mang tính cảm nên dòng vẫn giữ nguyên chiều cũ nên khép mạch qua D3,D4 vμ C0 Khi đó điện áp uc đặt lên T1,T2 lμm chúng bị khoá chắc chắn

- Tại thời điểm θ = θ2 phát xung mở T3,T4 dòng đi từ B->A vμ tụ C

được nạp theo chiều ngược lại Khi tụ C nạp đầy dòng qua T3,T4 giảm về 0, dòng lại khép mạch qua D1,D2 vμ C0 Sau đó quá trình diễn ra lặp lại tương

tự như trên

b, Sơ đồ nghịch lưu cộng hưởng song song:

- Sử dụng nguồn dòng vì phụ tải gồm tụ điện, điện cảm vμ điện trở nối song song ở đầu ra tạo nên tải nguồn áp

- Sơ đồ sử dụng van Tiristor nên công suất cuả BBĐ lớn Ld có giá trị hữu hạn sao cho kết hợp với Lt , C tạo thμnh mạch cộng hưởng dao động với tần số riêng:

2 2

1

L

L L t d

- Do hiện tượng cộng hưởng nên uN, iN có dạng gần sine chứa ít thμnh phần sóng điều hoμ bậc cao do đó mμ nâng cao được hiệu suất của BBĐ

- Các đại lượng du/dt, di/dt có giá trị nhỏ nên phù hợp để sử dụng cho thiết bị lμm việc với tần số cao, mμ không đòi hỏi nhiều về mạch bảo vệ van tránh hiện tượng xung

- Nghịch lưu cộng hưởng có dự trữ góc β lớn để nghịch lưu lμm việc

ổn định vμ tần số f0<fN _ tần số nghịch lưu, để đảm bảo các van được khoá chắc chắn

- Ngịch lưu cộng hưởng song song sử dụng nguồn dòng nên không thể lμm việc được ở chế độ không tải

* Qua những phân tích trên ta đi đến kết luận: sử dụng sơ đồ cầu cộng hưởng nối tiếp (cộng hưởng nguồn áp) để thiết kế phần nghịch lưu

Ch−¬ng iii: TÝnh to¸n m¹ch lùc

Sè liÖu: C«ng suÊt: P= 70kW

§iÖn ¸p ra: Ura=400 V TÇn sè: fN= 10000 Hz

10 70 cos

.

3

A U

P ña

=

=ϕ

=> R= 1 , 46 ( )

75 , 218

10 70

Do 1+tg2ϕ = 1/cos2ϕ => tgϕ = 0,75