Đang tải... (xem toàn văn)
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
Đồ án môn học điện tử công suất LỜI NÓI ĐẦU Hiện nay các thiết bị điện tử công suất chiếm hơn 30% trong số các thiết bị của một xí nghiệp công nghiệp hiện đại. Điện tử công suất góp phần giải quyết những bài toán phức tạp trong lĩnh vực tự động hóa cũng như trong đời sống hàng ngày. Môn học Điện tử công suất là một trong những môn chủ yếu để đào tạo sinh viên ngành tự động hóa nói riêng và sinh viên ngành kỹ thuật nói chung. Với sự giảng dạy nhiệt tình của các thầy cô trong khoa 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 : “ Thiết kế phần nghịch lưu của bộ nguồn cho lò tôi thép “ Đây là một đề tài có quy mô và ứng dụng thực tế rất lớn. Các bộ chỉnh lưu và nghịch lưu đã được một số nhà muáy luyện kim, nhà máy xi măng… 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 các thầy cô trong môn học. đặc biệt là sự hướng dẫn trực tiếp của thầy “Trần Trọng Minh” 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 có nên em không tránh khỏi mắc sai sót, mong các thầy giúp đỡ. Em xin chân thành cảm ơn ! Hà nội tháng 6 năm 2006 Sinh viên thực hiện Đặng Duy Phú 1 Đồ án môn học điện tử công suất Mục lục Trang Lời nói đầu 2 Chương I Tìm hiểu về công nghệ và yêu cầu của công nghệ lò tôi thép 4 Chương II Đề xuất và lựa chọn phương án 7 Chương III Tính toán mạch lực 10 Chương IV Thiết kế và tính toán mạch điều khiển 18 Chương V Nguyên lý hoạt động của toàn bộ hệ thống 32 Kết luận 33 Tài liệu tham khảo Phần I TÌM HIỂU VỀ CÔNG NGHỆ VÀ YÊU CẦU KỸ THUẬT CỦA LÒ TÔI THÉP. 2 Đồ án môn học điện tử công suất 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 3 Đồ án môn học điện tử công suất 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 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: f. .5030 µ ρ δ = (cm) trong đó: ρ : điện trở suất (Ω.cm) μ : độ từ thẩm 4 Đồ án môn học điện tử công suất f : tần số dòng điện (Hz) Năng lượng chuyển thành nhiệt trong khối liệu W W = I 2 .n 2 .2.л.(d/h). 10 .( f µρ -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. 5 Đồ án môn học điện tử công suất • 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. 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 tôi thay đổi không đáng kể vì f. .5030 µ ρ δ = (cm). Hơn nữa chiều sâu lớp 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. 6 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. Xét đồ thị hoạt động của mạch: 7 Đồ án môn học điện tử công suất - Điện áp nghịch lưu có dạng xung vuông chữ nhật, có tần số f N tạo ra nhờ đóng mở các cặp van T1,T2 và T3,T4 một cách có chu kỳ: f N =f đk Do đó khi thay đổi tần số điều khiển f đk có thể thay đổi tần số nghịch lưu f N tuỳ ý. - Ưu nhược điểm: + Ưu điểm: • Điều chỉnh được tần số f N • 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. • U N 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: 8 Đồ án môn học điện tử công suất - Đặc điểm: Nguồn đầu vào là nguồn dòng, do đó nguồn được nối nối tiếp với L d (L d -> ∞ ) nhằm san phẳng dòng đầu vào: T d = const. - Dòng điện nghịch lưu có dạng xung chữ nhật, có tần số f N tạo ra nhờ đóng mở các cặp van T1,T2 và T3,T4 một cách có chu kỳ. Do đó có thể thay đổi f N theo tần số điều khiển f đk . - Xét đồ thị hoạt động của mạch: 9 Đồ án môn học điện tử công suất - Ưu nhược điểm: + Ưu điểm: • Điều chỉnh đựơc tần số f N • 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 L d thay đổi. Cụ thể: o L d = ∞ => i d = I d = const, dòng nghịch lưu có dạng xung chữ nhật. Và có u t biến thiên hàm mũ và góc khoá β là max. o L d < ∞ nhưng vẫn đảm bảo i d liên tục. Lúc này i N 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. o L d < ∞ 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 i N (hoặc điện áp u N ) 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: 10 [...]... 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: 11 Đồ án môn học điện tử công suất - Điện áp nghịch lưu dạng xung chữ nhật, dòng điện trên... dụng mạch chỉnh lưu cầu và vi mạch ổn áp LM7815C 29 Đồ án môn học điện tử công suất KẾT LUẬN Sau một học kỳ thực hiện đồ án với sự h−ớng dẫn tận tình của thầy giáo h−ớng dẫn Trần Trọng Minh vμ các thầy giáo trong bộ môn Tự Động Hoá Xí Nghiệp Công Nghiệp, em đã hoμn thμnh đồ án môn học Điện Tử Công Suất với đề tμi “ Thiết kế phần nghịch l−u cho bộ nguồn của lò tôi thép “ vμ đạt đ−ợc một số kết quả sau :... làm việc ở trong một khoảng nhất định có thể xác định trước.Mặt khác nghịch lưu cộng hưởng nối tiếp có thẻ làm việc ở chế độ giới hạn f=f 0, chế độ này đảm bảo dòng tải là hình sin * 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 cho bộ nguồn lò tôi thép Sơ đồ khái quát như hình vẽ 14 Đồ án môn học điện tử công suất... 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 C1 = 101pF 6.Tính toán thiết kế bộ nguồn cho mạch điều khiển: - Thiết kế nguồn một chiều... đ−ợc một số kết quả sau : 1 • Hiểu đ−ợc về công nghệ luyện kim nói chung vμ công nghệ tôi thép bằng lò cảm ứng (tôi cao tần) nói riêng 2 • Hiểu đ−ợc nguyên lý hoạt động của mạch chỉnh l−u vμ bộ biến tần vμ cách vận dụng vμo trong thực tế sản xuất công nghiệp 3 4 • Biết cánh thiết kế vμ tính toán mạch lực • Biết cách thiết kế vμ tính toán mạch điều khiển 5 Trong quá trình lμm đồ án do không đ−ợc tiếp xúc... Theo đề yêu cầu Ptôt = 30kW Ptôi = I22R nên: I2 = I1 = Ptôi R I2 3 = 3 x10 4 62.12 x10 −4 = 1529 (A) = 509.81 (A) 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 18 Đồ án môn học điện tử công suất 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:... 2 R ( T a i) C 2 L ( T a i) 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 15 Đồ án môn học điện tử công suất 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... 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: 12 Đồ án môn học điện tử công suất ω 0 = Ld + Lt 1 − Ld Lt C 4 R 2 C 2 - Xét đồ thị hoạt động của. .. 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 . m t c ch dễ dàng. • Trong c ng ngh t i th p, ngư i ta c n nung đỏ b m t chi ti t l n nhanh ch ng, sau đó l m ngu i l nh i c ng r t nhanh để b m t chi. c a chi ti t dư c nung đỏ l n m t c ch nhanh ch ng do đó ch t l ợng t i cao. • V t t i t bi n dạng do l p t i r t mỏng • C th t i c c chi ti t c hình