Thiết kế bộ biến tần cho lò tôi trung tần (phần chỉnh lưu )

* Nguyên lý : - Là dùng dòng điện cảm ứng có tần số cao để nung nóng thật nhanh các chi tiết cần tôi lên đến nhiệt độ tôi sau đó lại làm nguội nhanh bằng cách phun nớc hoặc dầu.. + Máy b

đồ án môn học

điện tử công suất

nhiệm vụ thiết kế đồ án

I - đề tài thiết kế

Thiết kế bộ biến tần cho lò tôi trung tần (phần chỉnh lu )

I – Các số liệu ban đầu :

Nguồn cung cấp

Uvào=380v R 3 pha

f = 50 Hz Đầu ra phụ tải (phần nghịch lu ) f = 20kHz

U = 750VAC

Pt = 80kW cosϕ = 0.1ữ 0.4

1- Giới thiệu chung về công nghệ tôi và máy biến tần

2- Giới thiệu chung về các bộ chỉnh lu và chọn phơng án chỉnh lu tínhtoán mạch lực

3- Thiết kế mạch điều khiển

4- Tính chọn thiết bị bảo vệ hệ thống

Phần I

- Nhiệt luyện là một khâu chiếm vị trí rất quan trọng trong nghành cơ khíchế tạo, nó ảnh hởng rất lớn đến chất lợng của chi tiết nh làm tăng tínhchống mài mòn, độ bền mỏi và các cơ tính khác

- Bất cứ mỗi cỗ máy nào cũng đều do nhiều chi tiết hợp thành Mỗi chi tiếtnằm trong một vị trí khác nhau nên yêu cầu về tính năng của chúng cũngkhác nhau Ví dụ nh trục truyền động, bánh răng, trục khuỷu… bề mặt củachúng luôn luôn tiếp xúc với bề mặt của chi tiết khác nên độ bị mài mòn rấtlớn Ngoài ra khi mở máy các chi tiết này còn phải chịu tác dụng của lực va

đập Vì vậy phần lõi của chúng phải có độ dẻo dai tốt để làm việc bình ờng Ví dụ nếu ta dùng thép có độ các bon cao để chế tạo các chi tiết thì tuy

th-có độ cứng cao về bề mặt nhng độ dẻo dai của phần lõi kém Khi chịu tácdụng của lực va đập dễ bị vỡ, nứt, gãy … và khó gia công chế tạo Nếu tadùng thép có độ các bon thấp để gia công chế tạo thì tuy có độ dẻo dai, dễchế tạo nhng tính chống mài mòn bề mặt thấp

- Để giải quyết các vấn đề trên ngời ta đã dùng phơng pháp nhiệt luyện bềmặt Đó là phơng pháp tôi bề mặt

* Bản chất của tôi bề mặt là:

- Tôi bề mặt hay còn gọi là phơng pháp nhiệt luyện bề mặt Đây là phơngpháp nung nóng chi tiết cần tôi thật nhanh ( mỗi giây có thể lên đến hàng vàitrăm độ ) làm cho chi tiết đạt đợc nhiệt độ tôi nhanh chóng Khi nhiệt độ còncha kịp chuyển vào bên trong thì ngời ta lại làm nguội nhanh bằng cách phunnớc hoặc dầu, làm cho bề mặt của chi tiết hấp thụ đợc tổ chức mactennit và

có độ cứng cao Bên trong phần lõi thì giữ nguyên đợc tổ chức ban đầu với

độ dẻo dai tơng đối tốt của nó

- Căn cứ vào phơng pháp nung bề mặt khác nhau ngời ta chia ra làm hai loạitôi bề mặt ngoài khác nhau Đó là tôi bằng ngọn lửa và tôi bằng tần số cao

* Tôi bằng tần số cao :

Hay còn gọi là phơng pháp tôi cảm ứng Đây là một phơng pháp tôi côngnghệ tiên tiến áp dụng công nghệ điện tử chủ yếu là để tôi bề mặt ngoài.Làm cho bề mặt có độ cứng và tính chống mài mòn cao Còn phần lõi thì vẫn

đảm bảo tính dẻo dai ban đầu của nó

* Ưu điểm của ph ơng pháp :

- Có thể khống chế nhiệt độ một cách tự động, hiệu suất cao Thao tác nhanh trong thời gian ngắn

- Có thể tôi các chi tiết có hình dạng khác nhau và kích thớc tuỳ ý

- Dùng các tần số khác nhau và tốc độ tôi khác nhau ta sẽ có đợc bề dầy tôituỳ ý

* Nguyên lý :

- Là dùng dòng điện cảm ứng có tần số cao để nung nóng thật nhanh các chi tiết cần tôi lên đến nhiệt độ tôi sau đó lại làm nguội nhanh bằng cách phun nớc hoặc dầu

- Thiết bị tôi tần số cao thờng gồm có các bộ phận sau :

+ Nguồn điện xoay chiều Ngời ta thờng dùng các loại nguồn nh lới điện

có tần số công nghiệp 50Hz, máy phát điện trung tần kiểu cơ giới, và để thu đợc tần số từ 500 ữ 1000 Hz thì ngời ta thờng dùng máy phát trung tần để làm nguồn nuôi cảm ứng

+ Vòng cảm ứng : Là cuộn dây hoặc vật dẫn có hình dạng bất kỳ tuỳ theo hình dạng của vật tôi, đây là khí cụ dùng để truyền điện năng của dòng

điện có tần số cao lên bề mặt chi tiết cần tôi nó quyết định trực tiếp đến chất lợng và hiệu suất nung cảm ứng Ngời ta thờng dùng bằng đồng đỏ nguyên chất hoặc đồng thau có độ dẫn điện không thấp hơn 96%, ngời ta chế tạo vòng cảm ứng này dựa trên nguyên lý cảm ứng điện từ của

Junlenxo

+ Máy phát trung tần kiểu đèn điện tử thì có thể thu đợc dòng có tần số từ70000Hz đến 100000Hz, thờng dùng để làm nguồn nuôi cảm ứng Loại này thờng qua nhiều lần chuyển hoá năng lợng nên thờng bị tổn thất một phần

+ Máy biến tần kiểu đèn ION: Dùng đèn ION có cực lới do hệ thống khống chế đa tín hiệu khống chế vào cực lới biến dòng điện xoay chiều 3 pha có tần số công nghiệp thành dòng trung tần ~ 1 pha, loại này có hiệu suất cao, công suất lớn nhng giá thành đắt, chế tạo phức tạp nên ít đợc sử dụng.

+ Máy biến tần Silic có khống chế : Máy biến tần loại này có hiệu suất cao trên 90% Chi tiết có giá thành rẻ, tuổi thọ sử dụng bền, chế tạo đơn giản Do đó đây là loại thiết bị đợc sử dụng rộng rãi để nhiệt luyện, nấu chảy kim loại, rèn …

Phần II

Nguyên lý cơ bản của bộ biến tần silic:

- Là biến đổi nguồn điện áp với các thông số điện áp và tần số không thay

đổi thành nguồn điện áp và tần số thay đổi đợc

- Nguyên lý của biến tần loại này đợc chia làm 2 loại cơ bản đó là :

+ Biến tần trực tiếp: Loại này tạo ra điện áp trên tải bằng các phần của

điện áp lới Mỗi lần nối tải vào nguồn bằng một phần tử đóng, ngắt duy nhất, trong một khoảng thời gian nhất định, không thông qua một khâu năng lợng trung gian nào

+Biến tần gián tiếp : Hay còn gọi là biến tần có khâu trung gian một chiều Dùng bộ chỉnh lu biến đổi nguồn xoay chiều thành nguồn một chiều Sau đó lại dùng bộ nghịch lu biến đổi nguồn một chiều thành nguồn xoay chiều Khâu trung gian đóng vai trò tích trữ năng lợng dới dạng nguồn áp Dùng tụ diện hoặc nguồn dòng, cuộn cảm tạo ra một khâucách ly nhất định giữa phụ tải và nguồn điện áp lới

sơ đồ nguyên lý biến tần trực tiếp

Sơ đồ nguyên lý biến tần gián tiếp

Trong biến tần gián tiếp bao giờ cũng có hai phần chính đó là: Phần chỉnh

lu và phần nghịch lu

xoay chiều này thành điện áp một chiều ở đầu ra Phần này dùng các thiết

bị bằng diot (nếu phần chỉnh lu không có điều khiển ) và bằng các van Transistor, Tiristor… nếu bộ chỉnh lu có điều khiển Đầu ra của bộ chỉnh lu

đa vào đầu vào của bộ nghịch lu , có qua khâu trung gian (nếu là bộ biến tần gián tiếp ) bộ chỉnh lu có nhiều cách đấu Các sơ đồ nguyên lý đấu bộ chỉnh lu :

sơ đồ nguyên lý nghịch luu biến tần

a- sơ đồ chỉnh lu cầu 1 pha

b- sơ đồ chỉnh lu 3pha hình tia

c- sơ đồ chỉnh lu 3 pha cầu

chiều là bộ chỉnh lu có điều khiển Nếu bộ nguồn một chiều không điều khiển, ta phải có thêm bộ xung áp một chiều để điều khiển Ta có sơ đồ sau:

tử Khi có một nguyên tố nhóm V thì 4 điện tử sẽ tham gia vào liên kết với 4 điện tử tự do của Si và làm xuất hiện 1 điện tử tự do ttrong cấu trúc tinh thể, các điện tử tự do làm tăng tính dẫn điện và vì điện

tử này có điện tích (- ) nên chất này đợc gọi là bán dẫn N

đặc tính vôn am pe của đi ốt

N P

Uđt i0 0

Anot ca tot

Urơi A

V

Bán dẫn loại P : Nếu thêm vào Si 1 nguyên tố thuộc nhóm III thì

sẽ xuất hiện 1 lỗ trống trong cấu trúc tinh thể và mang điện tích (+)

và gọi là bán dẫn P

2- Đặc tính Vôn – Am pe :

Khi Diot đợc đặt bởi điện áp có chiều (+) ở anot, (-) ở catot, thì Diot phân cực thuận Tức là dẫn cho dòng chạy qua Lúc đó điện áp rơi trênDiot rất nhỏ, khoảng 1 vôn Ngợc lại Diot sẽ phân cực ngợc nếu điện

áp Un<Uđánh thủng, thì Diot sẽ không cho dòng chạy qua Lúc này chỉ có dòng ion rất nhỏ gọi là dòng rò

- Nhợc điểm của chỉnh lu Diot:

- Không khống chế đợc điện áp và dòng điện tải

- Điện áp ra điều chỉnh có cấp không trơn

- Công suất ra chỉ truyền theo một chiều từ nguồn đến tải

- Vì những nhợc điểm trên nên không thể dùng mạch Diot vào cho bộ biến tần đợc

II / chỉnh l u có điều khiển:

Cấu tạo : Tiristor là linh kiện điện tử gồm 4 lớp bán dẫn PNPN liên tiếp tạo nên các cực Anot, catot, và cực điều khiển G Về mặt cấu tạo Tiristor (T) gồm một đĩa Si từ đơn tinh thể loại N trên lớp đệm có loại bán dẫn P Các lớp tiếp xúc giữa Anot và Catot làm bằng đĩa môlipđen hay tungsten có hệ số nóng chảy gần Si Cấu tạo theo dạng đĩa kim loại nh vậy để dễ dàng tản nhiệt

- Lớp Catot: Là bán dẫn loại N rất mỏng và mật độ điện tử rất cao,

do đó nếu có dòng điện thuận chạy qua sẽ dễ dàng tạo nên nhiều điện

tử ở lớp điều khiển Lớp catot có dòng điện ngợc lớn nhng chỉ chịu đợc

điện áp ngợc thấp

- Lớp điều khiển: Là lớp bán dẫn loại P có mật độ trung bình do

đó hầu hết điện tử từ lớp Catot có thể tới đợc lớp điều khiển

- Lớp chắn : Là lớp bán dẫn loại N Đây là lớp dày nhất và có mật độ điện tử ít nhất Do đó T có dòng điện rò (dòng ngợc) nhỏ và chịu điện áp ngợc lớn hơn so với Diot

- Lớp Anot: là loại bán dẫn loại P có chiều dày và mật độ dòng

điện trung bình, lớp sát vỏ Anot có mật độ điện tích cao để giảm điện trở thuận lớp Anot có dòng điện ngợc bé và chịu gần nh toàn bộ điện

áp ngợc đặt lên Tiristor

Các đặc tính vôn am pe của Tiristor

- Từ các đặc tính V-A ta nhìn thấy đợc 4 trạng thái của Tiristor tơng ứng với 4 đoạn

* Đoạn 1- ứng với trạng thái khoá của Tiristor khi tăng điện áp U lên

đến giá trị Uch (điện áp chuyển trạng thái ) bắt đâù quá trình tăng nhanh của dòng điện

* Đoạn 2 – ứng với quá trình phân cực thuận của J2 trong giai đoạn này mỗi một lợng tăng nhỏ của dòng điện tơng ứng với việc giảm lớn của điện áp, gọi là đoạn điện trở âm

* Đoạn 3 – ứng với trạng thái mở của Tiristor khi này cả 3 mặt ghép trở thành dẫn điện Dòng điện chạy qua Tiristor đợc giữ ở trạng thái

mở chừng nào dòng điện I lớn hơn dòng duy trì Ih

* Đoạn 4 – ứng với trạng thái Tiristor bị đặt dới điện áp ngợc Un Dòng điện ngợc In rất bé (vài chục mA ) nếu Un tiến đến bằng điện áp

đánh thủng Uz thì dòng In tăng lên nhanh và các mặt ghép bị chọc thủng

Từ đó ta thấy : Bằng cách cho dòng Ig > 0 sẽ nhận đợc họ đặc tính V-Avới Uch nhỏ dần đi

- Điều kiện để mở Tiristor

Uak >1v

Ig1 Ih 3

V Uz

0

Ih 2 Uhc Uz

V 0 Uhc 1

G

A G

K

Ig2 A

ợc điểm : Chất lợng nguồn không tốt Nghĩa là độ bằng phẳng Ud,

Id thấp, điện áp đặt lên Tiristor tơng đối lớn 2.84U 2max , phải dùng máy biến áp nguồn đầu vào, vì nhợc điểm trên hai nữa lại sử dụng điện áp một pha nên cha đáp ứng đợc với biến tần loại 3 pha

II- Chỉnh l u cầu một pha

Ưu điểm : Cũng nh chỉnh lu một pha hai nửa chu kỳ hình tia và dòng điện

có đợc cải thiện

Nh

ợc điểm : Chất lợng nguồn điện một chiều sau chỉnh lu vẫn còn thấp

độ nhấp nhô vẫn còn, gián đoạn nhiều đặc biệt khi góc mở α lớn Dòng qua mỗi T theo yêu cầu của nguồn lớn It=Id ⇒ khó khăn cho việc chọn T

Sử dụng điện áp một pha

III - Sơ đồ chỉnh l u 1 pha nửa chu kỳ

+Ưu điểm của bộ chỉnh lu loại này: Đơn giản, gọn nhẹ, dễ lắp đặt

+ Nhợc điểm là dòng điện tải id bị gián đoạn (id=0)trong nửa chu kỳ

âm điện áp nguồn

Điện áp ra tải Ud cũng bị gián đoạn trong nửa chu kỳ âm điện áp

nguồn sử dụng điện áp Upha Do nhợc điểm này nên phơng pháp này

không áp dụng đợc cho biến tần gián tiếp

IV– Chỉnh l u có điều khiển ba pha sơ đồ hình tia

Ưu điểm : So với chỉnh lu cầu một pha thì số lợng Tiristor ít hơn, dòng

qua mỗi T giảm, chất lợng dòng Id cũng đợc cải thiện

Nh

ợc điểm: Sẽ xuất hiện bằng không về giá trị điện áp (dòng điện ) tải

khi góc mở α lớn Độ bằng phẳng nguồn một chiều vẫn cha tốt Sử dụng

điện áp ba pha đầu vào nhng phải sử dụng biến áp đầu vào

Ua

θ5

Ub Uc

θ

Hoặc có thể lấy trực tiếp từ nguồn điện xoay chiều 3 pha tần số công nghiệp Trong khoảng thời gian θ1 - θ2 phát xung điều khiển mở đồng thờiT1 và T4 điện áp dơng Ea đi qua tải đến T4 về nguồn Eb.

Từ khoảng θ2- θ3 , T1 vẫn duy trì mở, đồng thời phát xung mở T6 vì (Eb

<Ea) nghĩa là Ec âm hơn Tải vẫn đợc cung cấp bởi nguồn dơng Ea và âm

Ec Từ khoảng θ3 ữθ4 : Cho mở T3 và duy trì T6 Lúc này T1 tự động ngắt (vì Eb >Ea)

Quá trình xảy ra trình tự cho các nửa chu kỳ sau Tức là xung điều khiển lần lợt đa vào các cực điều khiển của T theo thứ tự 1-2-3- 4-5-6 - 1 và tại thời điểm phải có hai xung điều khiển mở

Ưu điểm: Chất lợng của nguồn một chiều đầu ra đợc nâng cao nhiều điện

áp chỉnh lu có dạng đập mạch 6 lần ttrong 1 chu kỳ, mỗi lần lặp lại trong

1 chu kỳ của điện áp dây

- Có thể đấu trực tiếp đầu vào với lới điện tần số công ngiệp

Nhợc điểm: Giá trị dòng trung bình chảy qua van Tiristor It = Id/3 lớn ⇒

đòi hỏi phải làm mát tốt, tổn thất trên van cũng lớn

Nhận xét :

Qua so sánh một số u và nhợc điểm của một số các sơ đồ chỉnh lu đã xét ta

nhận thấy chọn phơng pháp dùng chỉnh lu cầu ba pha có điều khiển

là rất phù hợp với đề tài đã cho vì nó phù hợp với yêu cầu của biến tần lò tôi trung tần Nguồn điện đầu ra một chiều có tính ổn định cao.Sơ đồ có thể mắc trực tiếp vào nguồn điện lới giảm bớt đợc khâu biến áp nguồn đỡ tốn kém, vì trị số đầu vào của mạch bằng trị số của lới điện

- Tính chất tải và phạm vi thay đổi.

- Điều kiện làm việc …

Với số liệu đã cho:

- Nguồn cung cấp U = 3pha x380 vac

- Điện áp đầu ra Ud của bộ chỉnh lu chính bằng điện áp đầu vào của bộ nghịch lu

- Công suất đầu vào bộ nghịch lu chính bằng công suất đầu ra của bộ chỉnh

lu, và chính là công suất tải +20% ( đây chính là công suất tổn hao trên nghịch lu )

Chọn cách làm mát cho van bằng quạt gió và cánh tản nhiệt Với Iđm = 214

A Theo tài liệu 3 bảng 1.3a chọn dòng 200 ữ 250 A có diện tích bề mặt tản nhiệt là 24dm 2

I/ Khái quát mạch điều khiển

Để phối hợp việc đóng mở Tiristor vấn đề đặt ra là phải thiết kế mạch

điều khiển đáp ứng đợc nhu cầu điều chỉnh :

- Nh vậy điều chỉnh phải đảm bảo đợc các chức năng sau :

1/ Phù hợp với dãy điều chỉnh điện áp ra tải

2/ Tạo đợc các xung đủ điều kiện mở đợc các Tiristor :

+ Biên độ xung Uđk =3 V

+ Dòng điều khiển I đk = 100 mA = 0.1 A

3/ Điều khiển đợc vị trí xung điều khiển trong phạm vi nửa chu kỳ

d-ơng điện áp đặt trên Anôt – Catôt của Tiristor

4/ Dừng đợc việc phát xung khi có sự cố

* Nguyên tắc điều khiển mở Tiristor

a/ Nguyên tắc điều khiển thẳng đứng tuyến tính : Đợc sử dụng phổ

biến cho nguyên tắc này ngời ta sử dụng 2 điện áp:

1 / Điện áp đồng bộ ( Ur) có dạng răng ca đồng bộ với điện áp đặt lên

Anot – Catot của Tiristor

2 / Điện áp điều khiển (Uđk) là điện áp một chiều có thể điều chỉnh

đ-ợc biên độ :

Nội dung ph ơng pháp :

Tại thời điểm xuất hiện sự cân bằng giữa điện áp điều khiển (Uđk) và

điện áp răng ca (Ur) thì phát xung điều khiển Tiristor

Nh vậy thay đổi điện áp điều khiển (Uđk) sẽ làm thay đổi thời điểm

cân bằng của (Uđk) và (Ur) Dẫn đến việc thay đổi thời điểm phát

xung điều khiển, nghĩa là góc α đợc thay đổi

Góc mở α là hàm tuyến tính của điện áp điều khiển

b / Nguyên tắc điều khiển thẳng đứng Arcos

Nguyên tắc này dùng 2 điện áp :

1- điện áp đồng bộ Ur vợt trớc Anot – Catot Tiristor một góc Π/2

nếu U akT = Asin ωt

Uđk = ± Uđk max ↔ (-Uđk max ≤ Uđk ≤ +Uđk max )

Nh vậy thay đổi góc α

Bằng cách thay đổi Uđk

II/ Cấu trúc mạch điều khiển :

Hệ thống điều khiển mạch chỉnh lu Tiristor thờng gồm các khâu chính 1- Khâu đồng pha và tạo điện áp tựa

2- Khâu so sánh

3- Khâu khuếch đại tạo xung

Ngày nay nhờ sự phát triển của kỹ thuật điện tử (công nghệ tích hợp )

đã cho ra đời nhiều loại IC có chức năng điều khiển mở Tiristor Điều này làm đợc phần lớn kích thớc và trọng , dễ dàng lắp đặt vàg cung cấp nguồn nuôi

Song nhu cầu sử dụng thực tế vẫn cha nhiều và phổ biến, số lợng ít Vìvậy việc xây dựng các mạch rời vẫn chiếm phần lớn, vì linh kiện phong phú, có khả năng sửa chữa và thay thế Độ tin cậy vẫn cao

III- Xây d ng các khâu trong mạch điều khiển :

1- Khâu đồng pha và tạo điện áp tựa

a/ Đồng pha : Là tạo ra điện áp tựa đồng pha với điện áp Anot – Catôt của Tiristor Ta có thể dùng bằng biến áp vì nó có khả năng thoả mãn yêu cầu, ngoài ra nó còn đạt thêm các yếu tố khác

- Chuyển đổi đợc điện áp cao xuống điện áp thấp phù hợp với mạch điều khiển thờng dùng làm nguồn nuôi

- Cách ly hoàn toàn với điện áp lới do đó đảm bảo an toàn cho ngời sử dụng và thiết bị

Do mạch điều khiển cũng có nhiều khâu cần dùng điện áp thấp nên chỉ cần dùng một biến áp có nhiều cuộn dây thứ cấp khác nhau Mỗi cuộn phục vụ cho một khâu riêng Trong đó khâu đồng bộ cũng cần dùng một trong những cuộn này Nếu cuộn sơ cấp dấu ∆ thì ta sẽ đạt

đồng pha tạo U tựa

tạo xung

So sánh Uđk

T

B A

B b

c a

Uđb