Đồ án Điện tử công suất bộ biến tần cho lò nấu thép

Trên cơ sở số liệu cho trước và yêu cầu cụ thể của đề bài ,khi thực hiện cần tiến hành trình tự các bước sau: 1.Phân tích,giải thích rõ yêu cầu và đòi hỏi của đề bài .Cụ thể: Với đề tài này thường hay gặp ở đâu trong thực tế? Những thông số kỹ thuật nào sẽ ảnh hưởng đến chỉ tiêu chất lượng của hệ thống? Biện pháp tác động như thế nào? Nêu các phương án có thể và chọn lấy một phương án phù hợp. 2. Phân tích kỹ nguyên lý hoạt động của phương án đã được lựa chọn; Vẽ đồ thị dòng điện và điện áp trên các phần tử và ở các điểm nút cần quan tâm. Trên cơ sởcác đồ thị đó ,tìm các biểu thức có sự liên quan đến những đại lượng đã biết và đại lượng cần tìm. 3. Tính chọn, thiết kế các phần tử mạch công suất: Chọn van, các điều kiện làm mát mạch, bảo vệ; Tính toán, thiết kế, kiểm tra máy biến áp, bộ lọc (nếu có yêu cầu) 4. Giới thiệu mạch điều khiển cho toàn hệ thống. Phân chia khối chức năng; Neu nguyên lý hoạt động của các khối chức năng thông qua đồ thị dạng dòng điện điện áp hoặc dạng xung ở một số điển nút chính. Chú ý: Cũng có thể làm theo phương pháp ngược lại: Chọn các khối chức năng trước , phân tích nguyên lý hoạt động của mỗi khối chức năng qua các đò thị dòng điện và điện áp, sau đó ghép thành hệ điều khiển tổng thể. 5. Tính chọn các phần tủ cơ bản của mạch điều khiển. 6. Giới thiệu các mạch phản hồi: Dòng điện, Điện áp, Tốc độ...(nếu có yêu cầu). Phân tích nguyên tắc hoạt động và tính chọn các phần tử cơ bản. 7. Toàn bộ phần viết thuyết minh được hoàn thành ở dạng quyển A4.Mẫu chi tiết sẽ có hướng dẫn cụ thể. 8.Toàn bộ sơ đồ nguyên lý ,bao gồm cả mạch lực và hệ điều khiển được vẽ trên khổ A1 có ký hiệu đầy đủ các phần tử và trình bày theo mẫu vẽ kỹ thuật.

ĐỀ CƯƠNG HƯỚNG DẪN LÀM ĐỒ ÁN MÔN HỌC ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT

Trên cơ sở số liệu cho trước và yêu cầu cụ thể của đề bài ,khi thực hiện cần tiếnhành trình tự các bước sau:

1.Phân tích,giải thích rõ yêu cầu và đòi hỏi của đề bài Cụ thể: Với đề tài nàythường hay gặp ở đâu trong thực tế? Những thông số kỹ thuật nào sẽ ảnhhưởng đến chỉ tiêu chất lượng của hệ thống? Biện pháp tác động như thế nào?Nêu các phương án có thể và chọn lấy một phương án phù hợp

2 Phân tích kỹ nguyên lý hoạt động của phương án đã được lựa chọn; Vẽ đồ thịdòng điện và điện áp trên các phần tử và ở các điểm nút cần quan tâm Trên

cơ sởcác đồ thị đó ,tìm các biểu thức có sự liên quan đến những đại lượng đãbiết và đại lượng cần tìm

3 Tính chọn, thiết kế các phần tử mạch công suất: Chọn van, các điều kiện làmmát mạch, bảo vệ; Tính toán, thiết kế, kiểm tra máy biến áp, bộ lọc (nếu cóyêu cầu)

4 Giới thiệu mạch điều khiển cho toàn hệ thống Phân chia khối chức năng; Neunguyên lý hoạt động của các khối chức năng thông qua đồ thị dạng dòng điệnđiện áp hoặc dạng xung ở một số điển nút chính

Chú ý: Cũng có thể làm theo phương pháp ngược lại: Chọn các khối chức năngtrước , phân tích nguyên lý hoạt động của mỗi khối chức năng qua các đò thịdòng điện và điện áp, sau đó ghép thành hệ điều khiển tổng thể

5 Tính chọn các phần tủ cơ bản của mạch điều khiển

6 Giới thiệu các mạch phản hồi: Dòng điện, Điện áp, Tốc độ (nếu có yêu cầu).Phân tích nguyên tắc hoạt động và tính chọn các phần tử cơ bản

7 Toàn bộ phần viết thuyết minh được hoàn thành ở dạng quyển A4.Mẫu chi tiết

4.Cao Đức Dũng

Đề tài:

Thiết kế bộ biến tần cho lò nấu thép phần nghịch lưu có các thông sô:

-Điện áp nguồn: 3×380VAC, +10%, -10%; 50 Hz

-Vòng cảm ứng: 250 kW; 800VAC; cosϕ =0,4; f=100Hz

MỤC LỤC

Chương 0 : Lời mở đầu

Chương Ι : Giới thiệu công nghệ nấu thép bằng phương pháp lò cảm ứng

Chương II : Phân tích các phương án Lựa chọn phương án tối ưu

Chương III: Phân tích hoạt động của phương án tối ưu

Chương IV: Giới thiệu, tính toán, thiết kế mạch lực

Chương VI: Giới thiệu – Tính toán- Thiết kế mạch điều khiển toàn hệ thốngChương VII: Nguyên lý hoạt động của toàn hệ thống

• Kết luận

• Tài liệu tham khảo

Lời nói đầu

Lịch sử ngành công nghiệp điện tử được đánh dấu bằng những sự kiện quantrọng như sự ra đời của Thyratron(1902) do John Fleming(kỹ sư người Anh)sáng chế, và sự ra đời của Tranzitor(1948), do 2 nhà vật lý người Mỹ là JohnBardeen và W.H Brattain sáng chế, đến năm 1956 nhóm kỹ sư của hãng Bell -–Telephone cho ra đời sản phẩm Thyristo đầu tiên Kể từ đó đến nay, ngành côngnghiệp điện tử của thiết bị bán dẫn công suất lớn như điot, tiristor, triac, transtorchịu được điện áp cao và dòng điện lớn, và cả những phần tử thiết bị bán dẫncực nhỏ như vi mạch, vi mạch chức năng, vi xử lý là những phần tử thiết yếutrong 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 bịbán dẫn đã và đang thâm nhập vào các ngành công nghiệp và cả trong lĩnh vựcsinh 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 nấu thépmới là công nghệ nấu thép cảm ứng Công nghệ này dần dần thay thế phươngpháp nấu thép truyền thống dùng lò Mactanh Công nghệ nấu thép cảm ứngdùng bộ biến tần với các phần tử bán dẫn có khả năng tự động hoá cao và điềukhiển quá trình nấu thép rất dễ dàng, năng suất nấu thép tăng, thời gian nấunhanh Điều đó đã đáp ứng được một phần nào nhu cầu sử dụng thép trong sựnghiệp công nghiệp hoá, hiện đại hoá của đất nước

Đối với sinh viên ngành tự động hoá, môn học Điện tử công suất là mộttrong những môn quan trọng.Với sự giảng dạy nhiệt tình của các thầy cô trongkhoa 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 :Thiêt kê bộ biến tần cho lò nấu thép cảm ứng.Đây làmột đề tài có quy mô và ứng dụng thực tế rất lớn.Bộ biến tần đã được một sốnhà máy luyện kim 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 cácthầy cô trong bộ môn, đặc biệt là sụ hướng dẫn trực tiếp của thầy Dương VănNghi 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 cónên em không tránh khỏi mắc sai sót mong các thầy giúp đỡ Em xin chânthành cảm ơn !

Ơ nước ta cũng như trờn thế giới cỏc phần tử bỏn dẫn điện tử cong suất đó vàđang được ỏp dụng trong mọi lĩnh vực nhất là lĩnh vực cụng nghiệp để cú nềnsản xuất qui mụ và khả năng tự động hoỏ cao Đú cũng là lớ do phương phỏp nấuthộp mới dựng lũ cảm ứng dần dần thay thế cỏc phương phỏp truyền thống Trước hết chỳng ta tỡm hiểu sơ lược về cụng nghệ nấu thộp trong ngành luyện kim

Ngành luyện kim ra đời từ rất lõu ,sản phẩm của nú đỏp ứng được nhu cầu trongmọi lĩnh vực Trong thời gian đầu cỏc phương phỏp luyện thộp cổ điển như :lũcao, lũ Mactanh đõy là những lũ dựn thang củi Ngày nay với sự sữ dụng rộngrói điện năng thỡ cỏc phương phỏp nấu luyện thộp bằng điện chiếm ưu thế Nờuthộp bằng lũ điện là phương phỏp cú thời gian nấu nhanh nhất mang lại hiệu quảkinh tế cao vỡ phương phỏp này điện năng biến thành nhiệt năng dưới dạng khỏcnhau nờn ta cú thể điều chỉnh được thành phần nhiệt độ dễ ràng và cú thể luyệnđược tất cả cỏc loại thộp khỏc nhau, dựng cho cỏc mục đớch khỏc nhau Cú cỏcloại lũ điện như: Lũ hồ quang, lũ điện trở, lũ cảm ứng

Trong cỏc loại lũ điện trờn thỡ lũ cảm ứng là lũ cú ưu điểm nổi trội hơn cả Lũcảm ứng sử dụng bộ biến tần với cỏc phần tử bỏn dẫn và mạch điều khiển điện

tử nờn quỏ trỡnh điều trở nờn đơn giản dễ dàng Lũ cảm ứng cú thể luyện đượccỏc loại thộp cú chất lượng cao, ngoài ra thời gian nấu luyện thộp rất ngắn, cỏc

mẻ thộp này chỉ dựng lũ cảm ứng mới nấu được

Vậy lò cảm ứng có cấu tạo và nguên lý hoạt động nh thế nào

mà lại có đợc u việt nh vậy? Thực ra cấu tạo của lò cảm ứngcũng đơn giản nh một số lò điện khác Nó gồm các bộ phậnchính sau: Bộ biến tần, cuộn cảm ứng, khung lò, áo lò Cuộncảm ứng hay còn gọi là vòng cảm ứng có dạng bầu dục làm từống đồng tiết diện của cuộn cảm có dạng:

Cuộn cảm ứng nhận điện áp có tần số rất lớn: Vài trăm đến vàinghìn Hz Nguyên lý về điện trong lò cảm ứng nh sau: Chúng

ta đã biết một dây dẫn dặt trong từ trờng biến thiên sẽ sinh ra sức điện cảm ứng:

E=4,44φm.f.n.10-7(V)

Trong đó n lá số vòng cảm ứng, φ : từ thông, f: tần số dòng xoay chiều

Sức điện động cảm ứng càng lớn khi 3 đại lợng phụ thuộc φm, f,

n càng lớn

Trong lò cảm ứng khi có dòng điện tần số cao đi qua các vòngcảm ứng(cuộn sơ cấp )thì khối lợng kim loại chất trong nồi sẻsinh ra Sdd cảm ứng E2 và dòng điện cảm ứng I2, nhờ xuấthiện dòng I2 mà khối lợng đợc nung nóng và đến một lúc nào

ρ: Điện trở suất mẻ liệu(Ωcm)

nh vậy năng lợng chuyển thành nhiệt trong mẻ liệu tỉ lệ thuậnvới bình phơng cờng độ Khi số vòng ít và cờng độ dòng

điện lớn thì cuộn cảm ứng đợc nung nóng mạnh hơn

Bây giờ ta xét quá trình nấu thép diễn ra trong lò và sự thay

đổi đặc tính cơ của thép Công suất điện của lò trong đồ

án là 250kW tơng ứng mỗi mẻ nấu đợc khoảng 250kg thép quátrình nấu thép nh sau: khi chất mẻ liệu vào lò và bắt đàu nấuthì phần thép ở giữa bị sụt xuống và bị nóng chảy , phầnthép ở xung quanh gần áo lò bị nóng chảy trớc, sau đó phầnthép ở giữa bị sụt xuống và bị nóng chảy và cuối cùng khithép chảy thành nớc thì ta rót thép và lại cho mẻ khác cứ nhvậy trong lò luôn có sự biến động hay nói cách khác tải của bộbiến tần luôn biến đổi Đặc tính của thép trong quá trìnhnấu nh sau

ρ

µ: là độ từ thẩm của thép

ρ: là suất điện trở của thép(Ωcm)

nhìn vào đặc tính ta thấy khi nhiệt độ còn thấp thì ρ rất nhỏ độ từ thẩm µ lớn khi

đó thép có tính điện cảm rất lớn Trong khoảng từ 7800 đến 9000C thì thép bắtđầu chảy khi đó µ giảm mạnh và ρ tăng nhanh Ta nói đây là sự biến động của µ

và ρ khi thép chảy thành nước thì thép hết từ tính chỉ còn ρ tức là chỉ có tínhchất điện trở Như vậy khi thiết kế bộ biến tần cho lò cảm ứng ta thấy tải cótính chất cảm kháng và tải có sự biến động rất lớn Mặt khác khi thép chảy thànhnước thì coi như tải ngắn mạch

Bộ biến đổi tần có sơ đồ như sau :

øng

Lß c¶m øng

CHƯƠNG II PHÂN TÍCH CÁC PHƯƠNG ÁN LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN TỐI ƯU.

Đồ án môn học chỉ yêu cầu thiết kế phần nghịch lưu của bộ biến tần do đó ta chỉcần đưa ra các phương án lựa chọn bộ nghịch lưu Trước hết nấu thép dùng điện

1 pha do đó ta chỉ đưa ra 1 số phương án nghịch lưu 1 pha

I.Sơ đồ nghịch lưu độc lập nguồn áp tải có tính chất cảm kháng.

(Dòng điện chậm pha so với điện áp 1 góc ϕt )

1) Sơ đồ nguyên lý:

2) xác định miền dẫn của các van :

*Từ 0 →ϕt : it< 0 thế a là (+) D1D4 hoặc V1V4 thông nhưng do it< 0

Muốn khoá V1V4 bằng cách duy nhất là cưỡng bức khoá bằng xung → V1V4 làvan điều khiển hoàn toàn Nếu dùng V1V4 là van điều khiển không an toàn thìphải đấu tổ hợp của các van điều khiểnkhông hoàn toàn + tụ + điện cảm.

Khi V1V4 đã khoá thì dòng điện tải giảm về không nhưng do mạch tải có điệncảm nên sinh ra sứac điện động để tiếp

tục duy trì dòng điện theo hướng dương → khi đó D2D3 thông dòng điện tải

2

d E

> 0 Nếu tại Π + ϕt có xung điều khiển vào V2V3 →

II.Sơ đồ nghịch lưu nguồn dòng tải cảm kháng:

Giả thiết điện áp tải ra theo luật hình sin

Xét tải có tính chất cảm kháng điện áp vượt trước dòng 1 góc ϕtải

2) Xác định miền dẫn của các van.

* 0→Π : it > 0 ⇒ V1V4 thông

* Π→2Π : it < 0 ⇒ V2V3 thông

* 2Π→3Π : it > 0 ⇒ V1V4 thông

Khi V2V3 thông : UV1=Ut < 0 → V1V4 khoá lại

β là góc điện áp ngược lên van chính là thời gian khôi phục lại tính chất điềukhiển của van βmin≥ 2Πf.tq

* Xét sự chuyển mạch của các van

Ví dụ xét tại Π : V1→ V3

V4 → V2

Trước Π 1 khoảnh khắc V1V4 dang dẫn ; Ut< 0 thế (+) đặt ở b

(-) đặt ở aThông qua V1V4 đang thông Ut đặt ngược lên V2V3 ; UV2 = UV3 = Ut < 0

Như vậy đến khi phát xung điều khiển vào V2V3 thì V2V3 chưa thông được Theoyêu cầu của mạch bắt buộc phải đảo chiều dòng ở Π → phải cưỡng bức khoá

V1V4 Khi V1V4 khoá ; V2V3 chưa thông thì Uv1 =Uv2 = Uv4=

2

d E

> 0 Khi đóphát xungđiều khiển vào V2V3 thì 2 van này thông và thực hiện đảo chiều dòng

từ (+) →(-) ⇒ Chuyển mạch ở đây là chuyển mạch cưỡng bức Khi đó V1÷ V4

phải chọn van điều khiển hoàn toàn

3) Công suất nguồn và công suất tải

dự định lựa chọn sơ đồ này để giải quyết bài toán đề ra

Tuy nhiên do tải có tính chất cảm kháng do đó xungđiều khiển phải là xung chùm và V1÷ V4 là van điều khiển hoàn toàn Ta thử phân tích thêm 1 sơ đồ nưã

III Sơ đồ nghịch lưu độc lập nguồn tải dung kháng.

1) Sơ đồ nguyên lý :

Tải có tính chất dung kháng , điện áp chậm sau dòng 1 góc ϕt Giả thiết điện áp tải theo luật hình sin

2) Xét sự chuyển mạch giữa các van :

Xét tại π: Có sự chuyển mạch giữa :V1→V3 :V4→V2 ;

Trước π một khoảnh khắc V1,V4 thông có Ut>0 thế(+) ở a, thế (-) ở b ;

Như vậy Ut thông qua V1,V4 đặt lên V2 và V3 ;Uv2=Uv3=ut>;

Đến khi phát xung điều khiển vào V2,V3 thì V2V3 thông Khi V2,V3 thông thì Ut

thông quaV2,V3 đặt ngược lên V1,V4 V1,V4 khoá lại Vây chuyển mạch dòng

điện là chuyễn mạch tự nhiên V1 V4 : chọn thyristo thường , xung điềukhiển cho các van thyristo là xung dương

β: là thời gian đặt điện áp ngược lên van chính là thời gian khôi phục tính chấtđiều khiển của van βmin >= 2πftq

Vây qua phân tích các phương án ta chọn ra phương án tối ưu là nghịch lưu độclập nguồn dòng tải cảm kháng và ta thấy khi nghịch lưu dòng tải có tính chất

dung kháng thì các van chuyển mạch tự nhiên và dùng thyristo thường

Do đó ta đáu thêm tụ để tạo ra tải có tính chất dung kháng và khi đó V1 ÷ V4 tadùng thyristor thường và xung điều khiển là xung đơn

Điều này có thể thực hiện khi ta nối tải song song với 1 tụ C mà không ảnhhưởng đến bản chất tải Khi đó mạch làm việc ở chế độ gần cộng hưởng vàcông suất nguồn qua bộ đếm tần tới tải là lớn nhất, tổn hao ít nhất

Sơ đồ nguyên lý của phương án tối ưu:

Tụ C có dung lượng đủ lớn để bù hết phần cảm của tải và một phần tạo ra gócvượt trước Khi đó mạch làm việc ở chế độ gần công hưởng

Vòng cảm ứng

CHƯƠNG III:

PHÂN TÍCH NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA PHƯƠNG ÁN TỐI ƯU

I.Nguyên lý hoạt động :

- T1÷T4:Thyristo thường (trong mạch không có khoá cưỡng bức )

- Lợi dụng sự thay đổi dòng điện hình sin van tự khoá khi dòng

*Nguyên lý :điều khiển T1T4T2T3 lần lượt lệch nhau 180(T/2)

+ t=0 :phát xung mở T1T4

Nếu thoả mãn điều kiện cộng hưởng mạch sẽ dao động có dạng sin với tần sốdao động riêng ω0=2πƒ0;T0=1/ƒ0; ira=iT1=iT4

+ ở t=T0/2:van khoá lại

Trong quá trinh dao động Uc thay đổi : UC=Ura=U1;ic=C.dUC/dt=C.Uc’

Ucmax=2E( Vì lúc đó T1T4 khoá →2.Ut=E-UC≤0 do Uc>E)

+Từ T0/2 đến T/2: 4 van đều khoá tụ C phóng điện qua tải Uc giảm

+ t=T/2 : cho van T2T3 dẫn mạch thay thế tương tự ,có dao động dòng điện

II Đồ thị dòng điện và điện áp:

*Nhận xét :Ut,it là xoay chiều ,i có dạng sin ,U không phải dạng sin Biên độcủa cũng như dạng điện áp ra phụ thuộc tải

+Góc khoá van δ

Sau khi T2T3 mở thì UT1=-UC; UT4=-UC; tkhoá=t1+t2

t1=(T-T0)/2 ; t2: thời gian UC phóng đến Ucmin Nhưng nếu tụ phóng nhanh giảm

về trị số bằng E trước thời điểm T/2 thì thời gian khoá thực chất là t1’<(T-T0)/2

III Các biểu thức liên quan :

Ed=ULd+Ura=Ld ira′+UC

UC=ULt

ira =ic+ilt ;

II.Tính toán chọn van :

*Điện áp lứn nhất đặt ngược lên van

Ungượcmax=√2 .U2=√2 .800=1131(V).Với giá trị Ungượcmaxta chọn các van T1T4

thuộc họ Thyristo C501 có thời gian khoá tkcủa van là 30÷75µs ta có

* Công suất của tải: Pmax=Umax(Imax/√2).cosϕtmin=U2.(2√2/∏).Id.cosβmin

P=U2.(2√2/π ).Idcosβmin Id=P./(2√2.U2cosβmin)=250.103.∏/(2√2.800.0.9877)=351(A)

I1max=4.351/3,14=477(A)

* Tính chọn tụ bù

- Công suất phản kháng của tải:

Khi chưa có tụ bù: cosϕmax=0.4 sinϕmax=0.9165

Q1=U2.I1.sinϕmax=800.316.0,156=231691(W)

Để tạo ra tải có tính chất dung kháng thì tụ bù không những phải bù hết cảmkháng của tải mà còn phải tạo ra góc vượt trước β đảm bảo thời gian phục hồitính chất điều khiển của van β≥βmin

Công suất phản kháng tối thiểu mà tụ bù dư : Q2=U2.I1.sinβmin

+ Dung lượng 30(kVAr)

+ Khối lượng 30(kg),mắc song song 9 tụ loại KM 1-1,05

*Chọn van: với lò nấu thép cảm ứng có gắn với công nghệ làm mát buồngnước Do đó Ungmaxvan=Ungmaxthuc/0,7=1131/0,7=1615(V)

-Dòng trung bình qua van : Itbvthuc= (1/2π)π∫

0

Id dθ =Id/2 =175,6(A)

Itbv=Itbvanthuc/0,7=250(A)

Vậy ta chọn van có : Ungmax=1615(V), Itbv=250(A)

Ta chọn van thyristo do hãng G.E của Mỹ chế tạo loại C501 có các thông số kỹthuật sau: Udm=700÷1700; Ug=7(V);

Udmin=(2√2/∏).U2cosϕt max=(2√2/3,14).800.0,4=288(V)

Ud max=(2√2/∏).U2.cosβmin=(2√2/3,14).800.0,9877=712(V)

IV Bảo vệ van

Bảo vệ van ta dùng mạch RC đấu song song với van nhằm bảo vệ quá áp do tích

tụ điện tích khi chuyển mạch gây nên

Tính toán RC trong mạch bảo vệ van:

Các thiết bị bán dẩn nói chung cũng như thyristo nói riêng rất nhạy cảm với điện

áp và tốc độ biến thiên điện áp(du/dt) đặt lên nó

- Các nguyên nhân gây ra quá áp được chia làm hai loại:

+ Nguyên nhân bên ngoài: do ngắt đột ngột mạch điện cảm, do biến đổi độtngột cực tính của nguồn, khi cầu chì bảo vệ đứt, khi có sấm sét

+ Nguyên nhân bên trong: khi van chuyển từ trạng thái mở sang trạng tháikhoá, do sự phân bố không đều điện áp trong các van mắc nối tiếp, ở đây ta quantâm đến việc bảo vệ quá áp cho van do các nguyên nhân bên trong.

i

Nguyên nhân quá điện áp trên van là do xuất hiện dòng chảy ngược qua mỗi vankhi nó chuyển từ trạng thái mở sang trạng thái khoá Dòng điện ngược này suygiảm rất nhanh do vậy sẽ xuất hiện sự quá áp uqda=Ldi/dt Để khắc phục hiệntượng quá áp ta dùng mạch R-L-C nhưng do tải của ta là tải có tính chất cảm nênchỉ cần dùng mạch R-C đấu song song với van như hình vẻ Khi van khoá dòngđiện ngược sẽ chuyển từ van sang mạch bảo vệ

Dùng công thức kinh nghiệm : C=0,01÷1µF

R=10÷1000Ω

Ngoài ra để bảo vệ ngắt mạch và hạn chế di/dt ta dùng sơ đồ

Điện cảm L hạn chế biên độ của dòng i=Cdu/dt

chọn theo công thức kinh nghiệm: L1=50÷100µH

*Chọn dây chảy : Loại dây chảy này làm từ bạc lá đặt trong vỏ bằng sứ cóchứa cát thạch anh hoặc nước cất:

Chọn Idc≥Id=351A .Tra bảng ta chọn loại dây chảy ∏H65 có thông số

Udm=220V; Idm =400A

Không có dây chảy

Có dây chảy

t i

CHƯƠNG V GIỚI THIỆU - TÍNH TOÁN - THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN

TOÀN HỆ THỐNG

I Nhiệm vụ chức năng mạch điều khiển :

Như ta đã biết Thyristo chỉ để mở cho dòng chạy qua khi có điện áp dương đặtlên anốt và có xung điều khiển đặt vào cực điều khiển Sau khi Thyristo đã mởthì xung điều khiển không còn có tác dụng gì nữa Dòng điện chạy qua Thyristo

do thông số ở mạch lực quyết định

1.Mạch điều khiển có chức năng sau:

- Điều chỉnh được vị trí xung điều khiển trong phạm vi nửa chu kì dươngcủa điện áp đặt lên a-k của T

- Tạo các xung điều khiển có thể mở được Thyristo Xung điều khiển có

độ rộng 2 ÷10V; độ rộng xung tx = 20 ÷ 100µs

Độ rộng xung điều khiển có thể tính được theo công thức:

Idt: dòng duy trì của Thyristo

di/dt: tốc đọ tăng trưởng của dòng điện tải

2.Cấu trúc chung của mạch điều khiển nghịch lưu:

dt di

tx = Idt

FX

Tín hiệu phản hồi

Mạch điều khiển là một khâu quan trọng trong hệ thống điều khiển Thyrisro,

nó là bộ phận chủ yếu quyết định chất lượng và độ tin cậy của bộ biến đổi.Yêu cầu về bộ biến đổi có thể tóm tắt như sau: Mỗi thyristo có 1 đặc tính

là quan hệ giữa điện áp trên cực điều khiển và dòng điện chạy qua cực điềukhiển Uđk= f(Iđk)

Do sai lệch về thông số chế tạo và điều kiện làm việc ngay cả T cùng loại cũng

có đặc tính đầu vaò khác nhau Với mỗi loại thyristo ta có các đặc tính này daođộng giữa 2 đặc tính giới hạn a và b

- Yêu cầu độ lớn của điện áp và dòng điều khiển có 3 yêu cầu chủ yếu sau:

+ Các giá trị lớn nhất không vượt quá giá trị cho phép

+ Giá trị nhỏ nhất cũng phải đảm bảo được tất cả các Thyristo cùng loại ở mọiđiều kiện làm việc

+ Tổn hao công suất trung bình ở cực điều khiển nhỏ hơn giá trị cho phép

- Yêu cầu về tính đối xứng của xung trong kêng điều khiển: Trong các bộbiến đổi có nhiều pha, tính đối xứng của xung điều khiển rất quan trọng, nếuxung điều khiển mất tính đối xứng sẽ làm cho dòng anốt của các pha có hìnhdạng khác nhau và giá trị khác nhau làm mất cân bằng cảu máy biến áp xung do

đó giảm công suất MBAX

- Yêu cầu về độ rộng xung điều khiển: Thông thường độ rộng xung khôngnhỏ hơn 5 µs và tăng độ rộng của xung điều khiển sẽ cho phép giảm nhỏ xungđiều khiển Khi mạch tải có điện cảm lớn thì dòng điện tải it tăng chậm nên phảităng độ rộng của xung điều khiển

-Yêu cầu về độ tin cậy của mạch điều khiển: Mạch điều khiển phải làmviệc tin cậy trong mọi trường hợp nhiẹt độ thay đổi

-Yêu cầu về lắp ráp vân hành: Sử dụng thiết bị dễ thay thế, dễ lắp ráp,điều chỉnh, thiết bi thay thế dễ dàng giữa các khối cho nhau nhưng mối khốiphải có khả năng làm việc đập lập

II Tính toán mạch điều khiển:

1.Khối phát xung chủ đạo: Ta dùng vi mạch 555 đây là khối phát xung chữ

nhật Sơ đồ khối phát xung như sau:

Để dảm bảo xung ra có T1=T2 tức là đối xứng hoàn toàn thì ta thiết kế vimạch 555 có tần số băng 2 lần tần số yêu cầu tức là f=2000Hz sua đó đầu ra của

555 đưa vào mạch đếm logic chia 2 ( Một flip-flipTrigơ) Vậy ta có chu kỳ đầu

0

27k

Uc 1

2 Thiết kế bộ chia xung:

Ta dùng 1 Flip-flop Trigơ loại T-FF tuy nhiên T-FF không bán trên thị trường.Muốn có ta phỉa tạo ra từ các Flip-Flop khác ở đây ta tạo ra từ D – Flìplopkhông đồng bộ theo sườn lên của xung nhịp ta có thể tạo ra được T-FF tích cực

cao lật trạng thái ở sườn lên của xung nhịp)

Vậy xung sau khi ra khỏi bbộ chia xung có tần số f = 1000Hz

3.Thiết kế bộ tạo độ rông xung:

Tạo ra xung đơn ( xung kim) có độ rọng tx =100µs = 10-4s

Sơ đồ khối bộ tạo độ rông xung:

D Q

C Q

Ra R

• Hoạt động của sơ đồ:

Khi x =’0’; z1 =’0’; z2 =’0’; z3 =’0’; z4 =’1’; y=’0’

Khi x =’1’; z1 =’0’; z2 =’1’; tụ điện C2 được nạp điên qua điện trở R2 Lúc đầu

UR3 =’1’ do đó z4 =’0’, y =’1’, sau thời gian t=R3C2 thì UR2 =’0’ thì z4 =’1’ và

y =’0’ Trong đó múc lôgic ‘o’ khoảng 0,4 đến 0,6V

Độ rộng xung ra là tx= R3C2, thường chọn R3 =1kΩ tx =10-4 = 1000C2

⇒ C2 = 0,1µF

Vậy khâu tạo xung có sơ đồ như hình vẽ và chọn

C2 = 0,1µF; R3 = 1kΩ

4 phần tử NAND trong sơ đồ nằm trong con IC4011 có sơ đồ chân như sau:

4 Thiết kế máy biến áp xung:

Sử dung BAX với mục đích sau:

-Dễ dàng tạo được xung với biên độ phù hợp với tải

&

&

& &

yx

2 , 0 5 , 1

3 ,

t U W

23 10

45 , 0

10 100 5 ,

15 5 , 1

π

I

3 14 , 3

3 , 0 2

2 2

mm j

I

3 14 , 3

2 , 0 2 π

-Cách ly về điện giữa mạch điều khiển và hệ thống động lực

-Dễ dàng thay đổi cực tính của xung ra

Khi chọn van điều khiển thì giá trị dòng và áp:

*Số vòng dây cuộn sơ cấp :

tx: Chiều dài xung điều truyền qua BAX , thường chọn tx từ 10÷

Ω k

10 1 , 0

10 16 ,

5 Lựa chọn khâu lệch pha:

Xung điều khiển T1T4 muốn điều khiển T3 T2 thì ta phải dich xung đó đi một góc

π do đó ta phải thiết kế khâu dịch pha:

15V

) (

1755 1

2 , 0

351

1

2

121

1

22

I

I W

6 Khâu lấy tín hiệu về:

Tín hiệu về có hai nhiệm vụ:

- Sau khi tín hiêu dòng và áp của bộ nghịch lưu ra tải ổn định thì ngắt máy phátxung chủ đạo

- Tín hiệu về được dưa về bộ khuyếch đại sửa xung để điều khiển quá trình đóng

mở các can của bộ nghịch lưu

Ta có Utải = 800V; Itải =351A

Vì bộ nghịch lưuđộc lập nguồn dòng nên dòng điện tải không phụ thuộcvào tải do đó ta lấy tín hiệu về là tín hiệu dòng và để lấy tín hiêu điều khiển thì

ta phải sử dụng máy biến dòng và điện trở sun Rs

Chọn máy biến dòng có số vòng dây sơ cấp và thứ cấp

Chọn Rs để Ui=i.Rs =10V⇒ Rs =10/0,2 =50Ω

Tín hiệu lấy về có dạng:

Më T 1 T 4

• Muốn có dạng xung vuông ta cho tín hiệu qua IC thuật toán

Chọn loại OA TL081 có Vcc = ±15V

Ud = ±30V

Đồ thị tín hiệu vào ra theo thời gian:

Ta có xung điều khiển của T1 và T4 phải có dạng xung dương do đó đểtạo xung điều khiển cho T1 và T4 thì tín hiệu phản hồi sau khi qua bộ khuyếchđại thuật toán ta cho qua điốt