Đồ án môn học - Điện tử công xuất

Chia sẻ: Tan Lang | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:31

0
474
lượt xem
161
download

Đồ án môn học - Điện tử công xuất

Mô tả tài liệu
  Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Đồ án môn học điện tử công suất Phần I TÌM HIỂU VỀ CÔNG NGHỆ VÀ YÊU CẦU KỸ THUẬT CỦA LÒ TÔI THÉP. I.Giới thiệu về lò cảm ứng. 1.1 Khái quát chung: Hiện nay trong công nghiệp luyện kim, luyện thép trong lò điện là một khâu quan trọng. Các loại lò điện thường dùng là - Lò điện trở - Lò hồ quang - Lò cảm ứng Trong đó lò cảm ứng được ứng dụng rất rộng rãi, đăc biệt là các lò tôi tần số .Trong những lò này, nguyên liệu được nung nóng nhờ dòng điện xoay chiều...

Chủ đề:
Lưu

Nội dung Text: Đồ án môn học - Điện tử công xuất

  1. Đồ án môn học điện tử công suất Phần I TÌM HIỂU VỀ CÔNG NGHỆ VÀ YÊU CẦU KỸ THUẬT CỦA LÒ TÔI THÉP. I.Giới thiệu về lò cảm ứng. 1.1 Khái quát chung: Hiện nay trong công nghiệp luyện kim, luyện thép trong lò điện là một khâu quan trọng. Các loại lò điện thường dùng là - Lò điện trở - Lò hồ quang - Lò cảm ứng Trong đó lò cảm ứng được ứng dụng rất rộng rãi, đăc biệt là các lò tôi tần số .Trong những lò này, nguyên liệu được nung nóng nhờ dòng điện xoay chiều với tần số cao nhờ vào hiệu ứng dòng Fucô. 1.2 Lò tôi cao tần: -Tôi thép là sự nung nóng thép đến nhiệt độ cao hơn các biến đổi pha, hãm ở nhiệt độ đó và làm nguội nhanh với tốc độ lớn hơn tốc độ tới hạn. -Mục đích của quá trình tôi thép: + Nâng cao độ cứng (HRC) bề mặt, độ bền và tính mài mòn của thép. + Đạt được sự phối hợp tốt các tính chất cơ khí khác. Tôi tần số cao (tôi cảm ứng) là phương pháp tôi công nghệ tiên tiến, chủ yếu dùng để tôi bề mặt, nó cho phép bề mặt đạt độ cứng và tính mài mòn cao hơn các phương pháp tôi thông thường, còn phần lõi vẫn đạt độ dẻo 1.2.1Nguyên lý làm việc: Khi cho dòng điện có tần số cao chạy qua vòng dây dẫn( vòng cảm ứng ) sẽ tạo ra một từ trường thay đổi mãnh liệt bên trong vòng dây.Vật cần tôi được đặt trong từ trường xoay chiều đó. Sự bố trí cuộn dây cảm ứng và chi tiết cần tôi có thể coi như một máy biến áp. Vòng cảm ứng là cuộn sơ cấp nơi dòng điện đi vào còn chi tiết cần tôi là cuộn thứ cấp ngắn mạch.Chính điều này gây ra dòng điện rất lớn chảy qua chi tiết tôi gọi là dòng điện xoáy ( dòng Fucô). Nhờ vào hiệu ứng bề mặt 1
  2. Đồ án môn học điện tử công suất mà dòng điện xoáy sẽ chỉ chảy ở lớp bề mặt mỏng của chi tiết tôi, cũng chính nhờ hiệu ứng bề mặt mà tác dụng nung nóng của dòng xoay chiều chảy trong chi tiết tăng lên rất nhiều. Nhờ vậy, bề mặt chi tiết được nung nóng đến nhiệt độ quy định trong thời gian ngắn. Sau đó bằng các phương pháp làm nguội nhanh để có được độ cứng bề mặt cần thiết. Sự phân bố dòng điện trong chi tiết tôi tuân theo quy luật: Một cách gần đúng có thể coi δ là chiều sâu của lớp có dòng điện chạy qua, cũng chính là chiều sâu lớp tôi và được tính theo công thức: ρ δ = 5030. (cm) μ. f trong đó: ρ : điện trở suất (Ω.cm) μ : độ từ thẩm f : tần số dòng điện (Hz) 2
  3. Đồ án môn học điện tử công suất Năng lượng chuyển thành nhiệt trong khối liệu W W = I2.n2.2.л.(d/h). ( ρ.μ. f .10 -9 ) I : Cường độ dòng trong cuộn cảm n : Số vòng cảm ứng d : Đường kính nồi lò (cm) h : Chiều cao kim loại trong lò (cm) μ : Độ từ thẩm ; ρ : Điện trở suất mẻ liệu (Ωcm) Như vậy, để tăng nhiệt lượng nung nóng chi tiết, ta có thể tăng cường độ dòng điện hoặc tăng tần số dòng điện. Thực tế, tăng dòng điện quá lớn có thể gây hỏng vòng dây cảm ứng gây ra ngắn mạch nên ta thường chọn phương án tăng tần số để tăng công suất tôi. 1.2.2 Ưu điểm của lò tôi tần số: • Có thể truyền năng lượng cho vật cần gia công nhanh chóng và trực tiếp, không cần phải qua một khâu trung gian nào nên có thể tiến hành tự động hoá ở mức độ cao. Có thể gia nhiệt ở môi trường trung tính, chân không một cách dễ dàng. • Trong công nghệ tôi thép, người ta cần nung đỏ bề mặt chi tiết lên nhanh chóng, sau đó làm nguội lạnh đi cũng rất nhanh để bề mặt chi tiết có độ cứng cần thiết mà bên trong chi tiết vẫn giữ được độ mềm dẻo của thép. Khi gia nhiệt bằng dòng điện cao tần, nhờ hiệu ứng bề mặt bề mặt của chi tiết dược nung đỏ lên một cách nhanh chóng do đó chất lượng tôi cao. • Vật tôi ít biến dạng do lớp tôi rất mỏng • Có thể tôi các chi tiết có hình dáng và bề mặt bất kỳ. • Là phương pháp tôi không tiếp xúc nên chi tiết tôi được giữ sạch. • Dùng phương pháp gia nhiệt cao tần cho ta đạt được năng suất lao động cao, giảm được những lao động cực nhọc trong các phân xưởng rèn dập ở các nhà máy chế tạo cơ khí. 3
  4. Đồ án môn học điện tử công suất 1.2.3 Đặc điểm của công nghệ tôi tần số: Trong quá trình tôi thép bằng lò tôi cao tần, độ từ thẩm và điện trở suất của thép sẽ thay đổi do nhiệt độ thay đổi. Tuy nhiên nhiệt độ tôi chỉ đạt đến nhiệt độ Quire ( thép chưa chảy ) nên điện trở suất và độ từ thẩm thay đổi không đáng kể. Mặt khác tần số dòng điện rất lớn nên khi tôi, chiều sâu lớp ρ tôi thay đổi không đáng kể vì δ = 5030. (cm). Hơn nữa chiều sâu lớp μ. f tôi rất nhỏ so với đường kính vật tôi. Do đó trong quá trình tôi, vật tôi( tải) thay đổi không đáng kể và có tính chất cảm. 4
  5. Đồ án môn học điện tử công suất Phần II : ĐỀ XUẤT CÁC PHƯƠNG ÁN VÀ 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 vào là nguồn áp, nên có tụ C (C-> ∞ ) mắc song song với điện trở nguồn. Do vậy nguồn trở thành 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. 5
  6. Đồ án môn học điện tử công suất 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 và 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 là các van điều khiển hoàn toàn 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 vào công suất của van nên bị hạn chế. 6
  7. Đồ án môn học điện tử công suất • UN có dạng xung chữ nhật nên khị phân tích Furie sẽ xuất hiện nhiều thành phần sóng điều hoà bấc cao do đó làm giảm hiệu suất của BBĐ 2. Sơ đồ nghịch lưu dòng một pha: - Đặc điểm: Nguồn đầu vào là nguồn dòng, do đó nguồn được nối nối tiếp với Ld (Ld -> ∞ ) nhằm san phẳng dòng đầu vào: 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 và 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: 7
  8. Đồ án môn học điện tử công suất - Ưu nhược điểm: + Ưu điểm: • Điều chỉnh đựơc tần số fN • Van sử dụng là van Tiristor nên có công suất lớn hơn rất nhiều so với sơ đồ trên (sử dụng van điều khiển hoàn toàn) • Chỉ cần quan tâm đến vấn đề mở van, vì khi mở van cặp van này sẽ làm cặp van kia đóng lại + Nhược điểm: • Không làm việc được ở chế độ không tải • Dòng nghịch lưu có dạng xung chữ nhật nên chứa nhiều thành phần sóng điều hoà bậc cao làm giảm hiệu suất BBĐ. • Dạng điện áp và góc khoá β _ góc khoá nghịch lưu thay đổi khi giá trị của điện cảm đầu vào Ld thay đổi. Cụ thể: o Ld= ∞ => id = Id= const, dòng nghịch lưu có dạng xung chữ nhật. Và có ut biến thiên hàm mũ và góc khoá β là max. o Ld< ∞ nhưng vẫn đảm bảo id liên tục. Lúc này iN có dạng nhấp nhô do vẫn chứa các sóng điều hoà bậc cao. Dạng điện áp gần sine hơn nhưng góc khoá β giảm đi. 8
  9. Đồ án môn học điện tử công suất 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 là min. 3. Nghịch lưu cộng hưởng: * Ở nghịch lưu dòng (hoặc áp) thì dạng dòng điên iN (hoặc điện áp uN) đều có chứa thành phần sóng điều hoà bậc cao. Vì vậy sẽ làm 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 mà 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 là nghịch lưu nguồn áp. Ta xét sơ đồ cầu: • Sơ đồ này sử dụng cộng hưởng nguồn áp nên có thể làm việc được ở chế độ không tải. • Và do cộng hưởng nối tiếp nên sơ đồ này có thể làm việc được với tải biến thiên rộng và trong thực tế sơ đồ này được sử dụng rộng rãi. • Mạch sử dụng IGBT và có tốc độ tăng dòng cũng như tăng áp nhỏ do đó có thể làm việc với tần số rất cao 9
  10. Đồ án môn học điện tử công suất • Có phụ tải là một mạch dao động với dòng và áp có dạng hình sin, tải thiết kế có tính chất điện dung do đó các thyristor trên sơ đồ sẽ chuyển mạch tự nhiên • Có thể tạo dòng điện, điện áp gần sin nên ít chứa thành phần sóng hài bậc cao • Dòng điện cảm ứng trong các vật liệu sắt từ cung cấp năng lượng làm tăng nhiệt độ của vật, không cần đến sự tiếp xúc giữa nguồn nhiệt với vật bị nung 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 và 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 và C0. Khi đó điện áp uc đặt lên T1,T2 làm chúng bị khoá chắc chắn. 10
  11. Đồ án môn học điện tử công suất - Tại thời điểm θ = θ 2 phát xung mở T3,T4 dòng đi từ B->A và 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 và 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 và 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 thành mạch cộng hưởng dao động với tần số riêng: Ld + Lt 1 ω 0 = − Ld .Lt .C 4 R 2 C 2 - Xét đồ thị hoạt động của mạch: 11
  12. Đồ án môn học điện tử công suất - Do hiện tượng cộng hưởng nên uN, iN có dạng gần sine chứa ít thành phần sóng điều hoà bậc cao do đó mà 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 làm việc với tần số cao, mà 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 làm việc ổn định và tần số f0
  13. Đồ án môn học điện tử cô suất n c ông song song được khởi động bằng mạch khởi động Nghịch lưu cộn hưởng s ng i g khôn phù hợp với các tả hay có sự thay đổi trong quá trình làm v ng p ải ự việc, còn nghị lưu cộn hưởng n tiếp đượ khởi độ bằng cá tăng dầ tần số ịch ng nối ợc ộng ách ần và m mạch sẽ đượ sử dụng hiệu quả nhất về mặ phát huy công suất trên tả kh ợc g ặt y t hi tần s làm việc ở trong m khoảng nhất định có thể xác định trướ số c một g h c ớc.Mặt khác nghịch lư cộng hư c ưu ưởng nối tiế có thẻ là việc ở c độ giớ hạn f=f0, ếp àm chế ới chế đ này đảm bảo dòng tải là hìn sin độ m g nh * Qu những phân tích tr ta đi đế kết luận sử dụng sơ đồ cầu cộng ua p rên ến n: ưởng nguồ áp) để th kế phầ nghịch lưu cho bộ hưởn nối tiếp (cộng hư ởng p ồn hiết ần nguồ lò tôi th ồn hép. . Sơ đ khái quá như hình vẽ đồ át h 13
  14. Đồ án môn học điện tử công suất Phần III: TÍNH TOÁN MẠCH LỰC 1.Tính toán các thông số lò tôi: Số liệu cho trước: P = 30kW fra = 80kHz Chọn số vòng cảm ứng bằng 3, đường kính dây Ф = 8 c, Chi tiết tôi là lõi thép hình trụ Ф20, điện trở suất ρ = 180.10-9Ωm2/m. 5 cm Ф20 Ф8 Khoảng cách giữa vòng cảm ứng và chi tiết tôi là 5 cm. Như vậy chiều cao của chi tiết: h = 3.8 = 24 cm đường kính trong vòng cảm ứng: D = 20+5.2 = 30 cm. Dòng điện từ bề mặt vào tâm giảm dần theo công thức: −x i = i.e δ δ: Khoảng cách từ bề mạt dây dẫn theo hướng tâm đến nơi có mật độ dòng diện giảm e = 2.71 lần so với mật độ dòng bề mặt.Khoảng cách này gọi là chiều sâu thẩm thấu. ρ δ = 5030 fμ 14
  15. Đồ án môn học điện tử công suất δ: Ωcm2/cm. Với không khí μ=1. ρ 180.10 −7 δ = 5030 = 5030 = 0.075 cm f 80000 1.1.Tính điện trở của lớp dẫn điện bề mặt chi tiết tôi: l πd ' R=ρ =ρ s δh Nếu lấy theo đơn vị thực tế (ρ : Ωm2/m). π .d ' R= 2π .ρ .ω h Với d’ = d – δ = 20 - 0.075 = 19.925 cm. 3,14.19.925 -4 Thay số: R= 4.π 2 .180.10 −7.150.10 3.10 −9 = 85.5x10 2 .4 1.2.Tính cảm kháng của cuộn dây: Điện cảm của vòng dây được tính theo công thức: (π .n.D ) 2 L= x10-9 h Với n: số vòng dây. D: đường kính trong vòng cảm ứng. h: chiều cao cuộn dây. Thay số: 2 (3.14 x3 x3) L= x10-9 = 332.76x10-9 (H) 2 .4 1.3.Biến đổi sơ đồ: Theo phân tích ở trên, hệ thống coi như 1 máy biến áp lý tưởng, với tỉ số máy biến áp k = 3:1. Sơ đồ thay thế 15
  16. Đồ án môn học điện tử công suất I1 I2 L R Quy đổi máy biến áp: L R’ R’ = k2 x R = 9R = 559.08x10-4 (Ω) Biến đổi: L’ R’’ Ta có: R ' x ( j ωL ) R’’ + jωL’ = R '+ jωL Thay số ta được: 0.009 j R’’ + jωL’ = = 0.0726 + 0.016j 0.056 + 0.167 j Như vậy: R’’ = 0.0726(Ω) 0.016 L’ = = 0.032x10-6 (H) 2πx80000 1.4.Đề xuất phương án: 16
  17. Đồ án môn học điện tử công suất Theo đề yêu cầu Ptôt = 30kW Ptôi = I22R nên: Ptôi 3 x10 4 I2 = = = 1529 (A) R 62.12 x10 − 4 I2 I1 = = 509.81 (A) 3 Ta thấy công suất tôi của lò lớn, dòng tải lớn nên ta dùng sơ đồ nghịch lưu cộng hưởng nối tiếp với máy biến áp cách ly phối hợp dòng. V1 V4 E V3 In V2 C I1 L’ R’’ Sơ đồ mạch lực 1.5.Tính toán chọn van: Chỉnh lưu cầu 3 pha tạo ra nguồn một chiều có trị số: E = 2.34 x 220 = 515 (V) Đồ thị vector làm việc ở chế độ tới hạn f = f0 : 17
  18. Đồ án môn học điện tử công suất Ura UR UL Uc URLC = UR = I1 x R’’ = 509.81x0.0726= 37 (V) Tỉ số máy biến áp: 37 K= 515 Dòng nghịch lưu: 37 In = K x I1 = 509.1 x = 35.6 (A) 515 Dòng cực đại qua van: Imax = 35.6 2 = 50.4(A) Chọn hệ số dự trữ Ki = 2 thì dòng định mức của van là: Ivan = Ki x Imax = 2x50.4 = 100.8 (A) Điện áp ngược cực đại van phải chịu: Ungmax = E =515 (V) Chọn hệ số dự trữ Ku = 2 thì: Uvan = Ku x Ungmax = 2x515 = 1030 (V) Từ các thông số trên ta chọn IGBT GA125TS120U module của hãng IR có: VCES = 1200V ICmax = 125A 1.6.Bảo vệ van: Ta dùng các mạch dập RC mắc song song với IGBT để chống quá áp: 18
  19. Đồ án môn học điện tử công suất C2 R2 Theo kinh nghiệm thường lấy C = 0.1 đến 2 μF R = 10 đến 100 Ω. Van có dòng càng lớn thì C càng lớn và R càng nhỏ. Ta lấy C2 = 10Ω R2 = 0.25 μF. Phần IV: THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN Cấu trúc mạch điều khiển 19
  20. Đồ án môn học điện tử công suất CHỨC NĂNG CÁC KHÂU TRONG MẠCH ĐIỀU KHIỂN: - Khâu khởi động : khâu này có chức năng tạo ra xung điều khiển lúc khởi động và được tách ra khi đã có xung phản hồi từ mạch lực, lúc mạch đã hoạt động. - Khâu chia xung: khâu này có tác dụng tạo ra xung có tần số phù hợp với yêu cầu của mạch lực bộ nguồn. Đồng thời khâu này có chức năng phân xung điều khiển vào từng kênh cho các nhóm van trong mạch lực. - Khâu phản hồi có tác dụng tạo ra xung phản hồi điều khiển mạch (sau khi mạch đã hoạt động). Đồng thời khâu này còn phải thực hiện chặn xung điều khiển từ khâu phát xung khởi động. - PLL : là khâu tổng hợp tần số, có chức năng đảm bảo cho tần số nghịch lưu bám theo tần số cộng hưởng( do trong quá trình làm việc, tan số cộng hưởng thay đổi) - IGBT driver : tạo ra xung điều khiển phù hợp với IGBT NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC CỦA MẠCH ĐIỀU KHIỂN Đầu tiên, khâu phát xung điều khiển khởi động phát ra xung có tần số fđk, xung này được đưa vào khâu chia xung để tạo ra xung có tần số bằng tần số của nghịch lưu fN. Sau đó xung được phân làm 2 kênh để đi vào các IGBT Driver và cho ra xung điều khiển quá trình đóng cắt các van. Sau khi van làm việc, tải bắt đầu hoạt động, dòng điện tải có dạng hình sin. Dong nghịch lưu qua khâu phản hồi để tạo tín hiệu phản hồi điện áp. Tín hiêu. phản hồi làm 2 nhiêm vụ + Dùng làm tín hiệu chặn xung điều khiển của khâu khởi động + Dùng làm tín hiệu so sánh cho bọ dò pha của hệ thống PLL Như vậy sau khi được khởi động, mạch sẽ hoạt động với tín hiệu hồi tiếp từ mạch lực về. TÍNH TOÁN THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN 1. Tính toán khâu phát xung điều khiển khởi động: - Ta cần tạo ra mạch phát xung điều khiển có tần số fđk=2.fN (vì khi sau khi đi qua khâu chia xung, phân kênh là T-Flip-Flop thì tần số sẽ bị giảm đi một nửa) 20
Đồng bộ tài khoản