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

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

- 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:

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

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 A0:

- Bản 1: Sơ đồ khối tổng quát

- Bản 2: Sơ đồ nguyên lý mạch khiển

- Bản 3: Sơ đồ nguyên lý mạch công suất

Ngày giao: 12-01-09 Ngày hoàn thành: 25-04-09

Hà nội, Ngày 25 tháng 04 năm 2009

Đã hoàn thành và nộp đồ án ngày 25 tháng 04 năm 2009

Nguyên Văn Giang.

MỤC LỤC Trang Bìa chính

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

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……….… 15Tài liệu tham khảo……….… 16

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

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

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

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………

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 (E1) và trong kim loại (E2) Theo [4] giá trị của E1và E2

đựơc tính theo công thức sau:

E1 = 4, 44 Ф f n1.10 −8 V [1.2]

E2 = 4, 44 Ф f n2.10−8 V [1.3]Trong đó : Ф : từ thông biến thiên, Wb(Weber)

f : tẩn số làm việc, Hz ;

n1: số vòng của cuộn cảm ứng(sơ cấp);

n2: số vòng của cuộn thứ cấp (kim loại coi như là một khối thống nhất nên có n2 = 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 E1>E2 Vì vậy phía cung cấp vào cuộn cảm ứng một năng lượng lớn để tạo

E cao phù hợp với dung lượng lò, đồng thời tạo ra E2 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 I1 ngựơc chiều với dòng Foucault I2

Trong đó : n 1 I1 : 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 (

n1- số vang của cuộn cảm ứng ( cuồn sơ cấp );

I1- 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 mm2/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 n và cường độ dòng điện cảm ứng 1 I1 và tần số làm việc ở mức tối thiểu Theo [4] tần số tối thiểu đố được xác định theo công thức 1.8:

fmin ≥ 2, 5 10 9 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 mm2/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 ≤ 710 0 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:

d = 3,5 b ; mm Trong đó:

d1- 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

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

– 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:

ω0 =

LC

1 [ 1.9]

C = 4 .1f 2 L

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

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

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

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)

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 18000 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

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 L d 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 ÷ U dmax 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

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 60 0, 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 60 0, 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

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 1500, 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

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:

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 P1, N1, P2, N2 và ba chuyển tiếp P–N lần lượt là J1, J2, J3 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

N1 P1 N2 P2K

IaAK

a) Cấu trúc tương đương b) Kí hiệu

2

Q

IG

IB1=IC2+IGK

IC1=IB2 IA=IE2

A

G

c) Mạch tương đươngHình 2.1: Cấu trúc, kí hiệu và mạch tương đương của thyristor

b Nguyên lý làm việc và tính chất chuyển mạch của thyristor:

Có thể mô tả mô hình mạch điện tương đương của Thyristor gồm 2 Transistor Q1 và Q2 như trong hình 2.1c Gọi α1 và α2 là hệ số truyền đạt dòng của

Q1 và Q2 Khi đặt điện áp U lên hai đầu A và K của Thyristor, các mặt tiếp giáp J1

và J3 phân cực thuận, còn mặt tiếp giáp J2 phân cực ngược (J2 mặt tiếp giáp chung của Q1 và Q2) Do đó dòng chảy qua J2 là IJ2 Có biểu thức như sau:

Do J2 phân cực ngược nên hạn chế dòng chảy qua nó, dẫn đến α1 và α2 cùng

có giá trị nhỏ I A~ IT, cả hai transistor ở trạng thái ngắt

Từ biểu thức (1) ta thấy rằng dòng điện I A chảy qua Thyristor chẳng những phụ thuộc vào IT mà còn phụ thuộc I G Theo sơ đồ tương đương của SCR (H.2.1c) ta có thể giải thích như sau:

- Dòng IC2 chảy vào cực B của Q1 làm cho Q1 dẫn và IC1 tăng, tức IB2 cũng tăng (IC1 = IB2) khiến Q1 dẫn mạnh kết quả là IC1 tăng và cứ tiếp diễn như thế Hiện

Hình 2.2: Hệ số truyền đạt dòng điện

α1,0

0

1,0

tượng này gọi là hồi tiếp dương về dòng điện, tạo điều kiện làm tăng trưởng nhanh dòng điện chảy qua Thyristor.

- Dòng Ie1 tăng làm cho α1 tăng (H2.2), còn tăng Ie2 làm cho α2 tăng Cuối cùng thực hiện điều kiện (α1 và α2) tiến đến 1, cả hai transistor chuyển sang trạng thái mở, lúc này nội trở giữa A và K của SCR rất nhỏ

- Vậy muốn làm cho Q1, Q2 chuyển từ trạng thái ngắt chuyển sang trạng thái bão hòa (hay muốn mở Thyristor) chỉ cần làm tăng IB2 Để làm được việc này người ta thường cho một dòng điều khiển Iđk = I Gchảy vào cực khiển của Thyristor, đúng theo chiều IB1 trên H2.1c

2.1.2 Đặc tính Volt - Ampe và các tham số chủ yếu của thyristor:

+ Ta nhận thấy rằng nếu để hở mạch cực G, hay cho IG= 0, thì Thyristor trở thành Điăc, có đặc tính như trên hình 2.3 ứng với IG=0 Trong trường hợp này dòng điện áp chuyển mạch có giá trị lớn nhất bằng Ucm0.

+ Nếu tăng dòng điều khiển lên giá trị IG1>0, dòng Anốt cũng tăng dần nhưng

có giá trị nhỏ cho đến khi tổng α1+α2=1 Cứ như thế, tăng dòng điều khiển IG lên thí điện áp chuyển mạch giảm tương ứng Khi IG tăng đến một giá trị tới hạn nào

đó (IGbh) thì Thyristor chuyển sang trạng thái dẫn hay điện áp Anốt lúc này bằng 0 Sau đó dù có tăng dòng điều khiển lên nữa thì đặc tính Volt-Ampe không thay đổi nữa

+ Như vậy để đảm bảo mở chắc chắn cho mọi Thyristor với cùng một loại dòng điều khiển thì IGbh< IG (thường lấyIG> 1.5IGbh ).

b) Các tham số chủ yếu của Thyristor:

+ Điện áp thuận cực đại(Uthmax): là giá trị điện áp dương cực đại đặt lên 2 cực A và K của Thyristor mà không phá hỏng nó Nếu điện áp vượt quá ngưỡng này Thyristor sẽ hỏng

+ Điện áp ngược cực đại(Ungmax): là giá trị điên áp âm giới hạn đặt vào 2 cực

A và K của Thyristor mà không bị đánh thủng, nếu vượt quá ngưỡng trên, Thyristor sẽ hỏng

+ Điện áp định mức(Uđm): là giá trị điện áp cho phép đặt lên Thyristor theo chiều thuận và ngược

+ Điện áp rơi: là điện áp đo được trên 2 cực A và K của Thyristor khi ở trạng thái đang mở

+ Điện áp và dòng điện điều khiển(U dkvà I dk): là giá trị điện áp nhỏ nhất đặt vào 2 cực A-K và dòng điện nhỏ nhất đặt vào cực G để có thể mở được Thyristor + Thời gian mở Thyristor (Ton): là khoảng thời gian tính từ lúc bắt đầu có xung điều khiển IG đến khi dòng điện Anốt đạt giá trị xác lập Ia = U0/Ra

(hoặc=0,9Ia)

+ Thời gian khóa Thyristor (Toff): được tính từ lúc dòng anốt bắt đầu đổi dấu đến khi điện tích được tiêu tán hoàn toàn, hay Ia = IT Đó là khoảng thời gian cần thiết để thyristor hồi phục tính cách điện của nó

+ Tốc độ tăng trưởng điện áp thuận cho phép (du/dt): Là giá trị lớn nhất của tốc độ tăng áp trên Anốt mà Thyristor không chuyển từ trạng thái khóa sang trạng thái mở

+ Tốc độ tăng trưởng dòng thuận cho phép (di/dt): Là giá trị lớn nhất của tốc

độ tăng dòng trong quá trình mở Thyristor

2.1.3 Thyristor làm việc với vai trò chỉnh lưu điều khiển:

+ Ta xét chỉnh lưu điều khiển đơn giản nhất (chỉnh lưu điều khiển 1 pha, 1 bán kì) để thấy rõ vai trò của Thyristor trong chỉnh lưu và điều khiển điện áp

+ Sơ đồ chỉnh lưu một pha một bán kỳ tải thuần trở được trình bầy trong hình 2.5, biểu đồ dòng điện và điện áp giải thích nguyên lý làm việc của nó được trình bầy trong hình 2.5

udT

thế anốt của Thyristor trở lên âm so với katốt nên Thyristor chuyển sang trạng thái

α α

t

khóa Sau thời điểm này toàn bộ điên áp nguồn đặt lên Thyristor, còn dòng điện

và điện áp tải đều bằng không

+ Thyristor trong điều kiện điện thế anốt âm so với katốt được gọi là phân cực ngược Trong khoảng thời gian kể từ lúc điện áp nguồn bắt đầu dương đến thời điểm t1, khi cấp xung mồi chothyristor được gọi là thời gian giữ chậm, góc

1

α = ωt1 ứng với thời gian giữ chậm t1, được gọi là góc mở

+ Khi thay đổi góc α thì trị trung bình điên áp trên tải hay điện áp ra thay đổi theo Quan hệ giữa điện áp ra trung bình với góc mở α dược gọi là đặc tính điều chỉnh của chỉnh lưu hay đặc tính điều khiển của chỉnh lưu

Điện áp ra trung bình được xác định theo định nghĩa là:

u

0

dt t)

) 2 1

π

= 2

m

) 2

2 (

Sin

Ưu điểm:

- Điện áp ra đập mạch nhỏ do vậy mà chất lượng điện áp tốt.

- Hiệu suất sử dụng máy biến áp tốt do dòng điện chạy trong van đối xứng

- Điện áp ngược trên van lớn nhưng do Udo=2,34U2 nên nó có thể được sử dụng

với điện áp khá cao

2.2 Nguyên lý làm việc của mạch chỉnh lưu câu ba pha:

Đối với lò cảm ứng trung tần giữa mạch chỉnh lưu và mạch nghich lưu được

lắp điện kháng có điện cảm lớp nhằm duy trì dòng điện ổn định, liên tục Do vậy

ta xét nguyên lý làm việc của sơ đồ trong trường hợp điện cảm lớn

Mạch chỉnh lưu cầu ba pha điều khiển hoàn toàn có sơ đồ nguyên lý trình bầy trên hình 2.6, trong đó cả 6 van đều là thyristor được chia thành hai nhóm: nhóm katốt chung gồm T1, T3, T5; nhóm anốt chung gồm T2, T4 và T6