Đang tải... (xem toàn văn)
Nguyên lý làm việc của lò cảm ứng dựa vào hiện tượng cảm ứng điện từ
HọC VIệN Kỹ THUậT QUÂN Sự khoa kỹ thuật điều khiển -----***----- báo cáo đồ án môn học Đề tài: Thiết kế bộ nghịch lu cộng hởng dùng cho lò nấu thép trung tần công suất 20kw Giáo viên hớng dẫn : TS. Đại tá Nguyễn Văn Thuấn Sinh viên thực hiện : Nguyễn Đức Tuấn Lớp : ĐKTĐ3 Hà Nội 2007 1 Chơng I: Lò cảm ứng 1.1. Khái niệm chung về lò cảm ứng Nguyên lý làm việc của lò cảm ứng dựa vào hiện tợng cảm ứng điện từ, khi đa một khối kim loại vào trong một từ trờng biế thiên, trong khối kim loại xuất hiện một từ trờng xoáy (Foucault), nhiệt tăng do dòng điện xoáy đốt nóng khối kim loại. Nhiệt năng truyền vào khối kim loại phụ thuộc vào các yếu tố sau: -Điện trở suất và hệ số từ thẩm của kim loại -Trị số dòng điện của nguồn cấp. Nếu tăng trị số dòng điện lên hai lần thì nhiệt năng tăng lên bốn lần. -Tần số dòng điện của nguồn cấp. Nếu tăng tần số lên bốn lần thì nhiệt năng sẽ tăng lên hai lần. Từ đó ta nhận thấy rằng: tăng dòng điện của nguồn cấp hiệu quả hơn tần số của nguồn cấp nhng thực tế trị số dòng không thể tăng lên đợcquá lớn vì lý do cách điện, trị số dòng lớn làm nóng chảy vòng cảm ứng (mặc dầu đã đợc làm mát bằng dòng nớc liên tục) cho nên thực tế ngời ta tăng tần số của nguồn cấp Cácbộ nguồn tần số cao: Các bộ nguồn tần số cao có thể tạo ra bằng các phơng pháp sau: -Dùng máy phát điện đặc biệt tần số cao do kết cấu cơ khí nên tần số của máy phát không vợt quá 2000Hz. -Bộ biến tần dùng thyristor do công nghệ chế tạo linh kiện bán dẫn cha chế tạo đợc loại thyristor tần số cao nên tần số chỉ giới hạn tới 2000Hz. -Bộ biến tần dùng đèn phát điện tử, tần số cao tới 400kHz bằng cách dùng đèn điện tử ba cực nhng hiệu suất của bộ nguồn không cao, tuổi thọ của đèn thấp. Phạm vi ứng dụng của thiết bị gia nhiệt tần số: -Nấu chảy kim loại trong môi trờng không khí (lò kiểu hở) trong môi trờng chân không hoặc khí trơ (lò kiểu kín). -Thực hiện các chuyên công nhiệt luyện nh tôi, ram; đặc biệt ứng dụng để tôi bề mặt các chi tiết nh bánh răng, cổ trục khuỷu của động cơ điêzen khi yêu 2 Tụi chi tit bng dũng cao tn 1. Chi tit cn tụi 2. Vũng cm ng cầu độ cứng bề ngoài cao. Hình dáng chi tiết cần tôi có thể có hình dáng bất kỳ. 1.2. Sơ đồ lò cảm ứng 1.2.1. Lũ c m ng trung t n dựng mỏy phỏt i n cao t n Hình: Lò trung tần cấp nguồn từ máy phát cao tần Hai lò cảm ứng trung tần lò 1 và lò 2 đợc cấp nguồn từ cùng một máy phát cao tần F. Máy phát cao tần đợc đồng cơ không đồng sơ cấp Đ kéo; các tụ C1 và C2 bù công suất vô công nhằm nâng cao hệ số công suất (cos ). Biến á đo lờng TU (biến đổi điện áp), biến dòng (TI) cấp nguồn cho các đồng hồ đo: Vôn kế (V), ampe kế (A), wat kế (W) và công tơ vô công (VAr). Đối với tần số (150-500) Hz thờng dùng máy phát đồng bộ thông thờng cực lồi, cuộn dây kích từ quấn trên rôto của máy phát . i v i t n s (150 ữ 500) H z t hng dựng mỏy phỏt ng b 3 thông thường c ự c l ồ i, cuộn dây kích t ừ quấn trên rôto c ủ a máy phát. Đố i vớ i t ần số (1000 ÷ 8000)Hz dùng l oạ i máy phát kiểu c ảm ứng, cuộn d â y k íc h t h ích và cuộn dây làm việ c quấn trên stato c ủ a máy phát, còn roto có dạng bánh răng. Kế t quả t ừ thông do cuộn kích thích sinh ra là t ừ thông đập mạch, c ảm ứng ra trong cuộn dây làm việ c dòng đ i ện t ần số cao. 1.2.2. Lò c ảm ứng trung t ần dùng bộ biến t ần Sợ đồ khố i chứ c năng đượ c thể hiện t r ê n h ì nh dưới Trong sơ đồ khố i c hứ c năng c ủ a lò c ảm ứng t rung t ần dùng bộ biến t ần gồm có các khâu chính sau: - Mạch l ự c gồm c ó các kh â u : * CL - B ộ chỉnh l ưu có đ i ều kh i ển dùng thyristor biến đổ i đ i ện áp xoay c h i ều c ủ a l ướ i đ i ện thành đ i ện áp mộ t chi ều. * NL - Khâu nghịch l ưu c ộng hưởng biến đ i ện áp mộ t chi ều thành đ i ện áp xo a y c h i ều cung c ấp cho vòng c ảm ứng c ủ a lò. * CKL - Khâu l ọ c đ i ện áp mộ t chi ều dùng c uộn kháng l ọ c vớ i tr ị số đ i ện c ảm (L) khá l ớn (vì bộ nguồn cung c ấp cho bộ nghịch l ưu là bộ nguồn dòng). * L ò t rung t ần: có vòng c ảm ứng quấn xung quanh nồ i lò và mộ t bộ t ụ đ i ện. Hình: Sơ đồ khố i chứ c năng c ủ a lò c ảm ứng dùng bộ biến t ần 4 - Mạch đ i ều khiển gồm có các kh âu: * KNg - khâu nguồn mộ t chi ều cung c ấp cho t ấ t c ả các khâu trong mạch đ i ều khiển. * KĐCS- khâu đ i ều chỉnh công suấ t tiêu thụ c ủ a lò c ảm ứng. * KĐK-2 - khâu đ i ều khiển bộ chỉnh l ưu * KĐK-1 - khâu đ i ều khiển bộ nghịch l ưu. * KĐK-3 - khâu đ i ều khiển công nghệ dùng rơ le - công t ắ c t ơ… đo l ường và bảo vệ. Sơ đồ nguyên lý lò trung t ần nấu thép: Hiện nay nướ c ta nhập rấ t nhiều lò trung t ần nấu thép t ừ các nướ c khác nhau, thường có các thông số công nghệ như sau: - Dung tích mỗ i mẻ nấu t ừ 50kg đến 2000kg. - Công suấ t tiêu thụ định mứ c c ủ a lò t ừ 100kW đến 1200kW. - T ần số làm việ c: f = 1000Hz. Nhìn chung dù nguồn gố c sản xuấ t khác nhau, nhưng về c ấu t ạo, nguyên lý hoạ t động sơ đồ khố i chứ c năng về c ơ bản giống nhau. Sơ đồ nguyên lý mạch l ự c lò trung t ần nấu thép KGPS -250 đượ c trình bày ở hình dưới. Trong mạch l ự c c ủ a lò c ảm ứng trung t ần nấu thép gồm các phần t ử chính sau: * CK- cuộn kháng xoay chi ều lõi không khí vớ i chứ c năng hạn chế dòng ngắn mạch và hạn c hế t ố c độ t ăng dòng anot để bảo vệ các thyristor 1T ÷ 6T. 5 * 1 T ÷ 6 T - c ầu chỉnh l ưu ba pha đ i ều khiển hoàn t oàn, đ i ện áp ra c ủ a c ầu c hỉnh l ưu (U A ) có thể thay đổ i t ừ 0 đến 500V. U A = 2,34U.cosα Trong đó U - đ i ện áp pha c ủ a nguồn c ấp (l ướ i đ i ện) α - góc mở c ủ a các thyristor * CKS B - cuộn l ọ c dòng đ i ện mộ t chi ều. * 1TC ÷ 4TC, bộ nghịch l ưu c ộng hưởng dùng t hyristor t ần số cao, nố i t h e o sơ đồ c ầu 1 pha, đ i ện áp ra trên t ả i có dạng gần hình si n. * Phụ t ả i c ủ a bộ nghịch l ưu c ộng hưởng là cuộn c ảm ứng L c ủ a lò, là t ả i c ảm n ê n hệ số công suấ t rấ t thấp (cosφ = 0,1 ÷ 0,5). T ụ C nố i song song vớ i vòng c ảm ứng để t ạo thành mạch vòng c ảm ứng để t ạo thành mạch vòng dao động và nâng cao hệ số công suấ t cosφ c ủ a lò. Đ iên c ảm đầu vào L CKSB có gía tr ị l ớn. Nguồn c ấp cho bộ nghịch l ưu c ộng hưởng có thế là nguồn dòng. Đ i ện áp ra (cấp cho vòng c ảm ứng c ủ a lò) có dạng gần sin, còn dòng nghịch l ưu có dạng c hữ nhậ t như trên hình. * Các phần t ử còn l ạ i: TI 1 ÷ TI 3 l ấy tín hiệu t ỷ l ệ vớ i dòng đ i ện tiêu thụ c ủ a l ò để bảo vệ quá t ả i. Bi ến áp BA gia công tín hiệu để đo l ường (đo t ần số, đo đ i ện áp xoay chi ều trên t ả i) và đ i ều khiển bộ nghịch l ưu c ộng hưởng. * Khở i động bộ nghịch l ưu gồm các phần t ử c ầu chỉnh l ưu CL, t ụ ho á C M , Hình : Sơ đồ nguyên lý mạch l ự c lò trung t ần KGPS - 250 6 t hyr i stor khở i động T M và công t ắ c t ơ khở i động KC. Như đ ã biế t, bộ nghịch l ưu c ộng hưởng nguồn dòng chỉ làm việ c trong c hế độ mạch t ả i là mạch dao động, như vậy vấn đề đầu tiên là c ần t ạo ra ít nhấ t mộ t chu kỳ dao động trên t ả i sau đó là đ i ều khiển các thyristor 1TC ÷ 4TC để d a o động trên t ả i ti ếp t ụ c đượ c duy trì. Để cung c ấp năng l ượng cho t ả i thì nguồn vào phả i làm việ c ở chế độ nguồn dòng, như vậy lúc ban đầu phả i tạo ra nguồn dòng xác l ập. Nguy ê n l ý là m v i ệ c c ủ a mạch khở i đông như sau: khi bắ t đầu khở i động, ti ếp đ i ểm KC đóng nố i mạch chỉnh l ưu c ầu CL nạp cho t ụ đ i ện C M , đồng thờ i nố i đ i ện tr ở R vào mạch t ả i cho c ầu c hỉnh l ưu 1T ÷ 6T để t ạo ra dòng I d qu a c uộn kháng san bằng. Sau mộ t khoảng thờ i gian xung đ i ều khiển đư a đến mở thyristor T M , t ụ C M phóng qua mạch t ả i L-C t ạo n ê n d a o động t ắ t dần trên t ả i (khoảng t ừ mộ t đến hai chu kỳ) s a u ½ c hu kỳ dao động T M sẽ t ự ngắ t ra. Hệ thống đ i ều khiển các thyristor chính (1TC ÷ 4TC) sẽ hoạ t động để duy trì đ i ện áp trên t ả i. Đồ thị điện áp, dòng điện tại các điểm đo của lò cảm ứng trung tần 7 Chơng 2: Bộ nghịch lu điều khiển 2.1. Những vấn đề chung về nghịch lu Thiết bị biến đổi điện áp một chiều thành điện áp xoay chiều không phụ thuộc vào sự tồn tại của lới điện xoay chiều đợc gọi là nghịch lu độc lập. Nguyên lý chung của nghịch lu độc lập là dùng các chuyển mạch bán dẫn để đổi chiều cấp điện áp cho tải xoay chiều từ nguồn điện áp một chiều. Nguồn điện áp một chiều có thể không ổn định, các giá trị điện áp và tần số trong nhiều trờng hợp có thể thay đổi đợc. ở đây ta giả thiết là sử dụng nguồn điện áp một chiều lấy từ thiết bị chỉnh lu. Điện áp ra mong muốn của nghịch lu có dạng sin. Tuy nhiên các nghịch lu thực tế thờng cho điện áp ra không sin, ngoài thành phần cơ bản ra điện áp này còn chứa các hài bậc cao. Tính chất sin của điện áp ra đợc thể hiện ở hàm lợng và giá trị của các hài bậc cao, điện áp sin lý tởng chỉ chứa hài cơ bản. Tính chất sin có thể không quan trọng đối với công suất nhỏ, nhng rất có ý nghĩa đối với công suất lớn. Tổn hao và hệ số công suất của nghịch lu phụ thuộc mạnh vào giá trị và hàm lợng hài bậc cao, tức là phụ thuộc mạnh vào tính chất sin của điện áp ra xoay chiều. Đối với công suất lớn các đại lợng này (tổn hao và hệ số công suất) ảnh hởng đáng kể đến hiệu suất và giá thành bộ biến đổi. Tính chất sin đợc nâng cao hay giá trị và hàm lợng các hài bậc cao của điện áp ra có thể đợc giảm thiểu nhờ các kỹ thuật chuyển mạch trên cơ sở các dụng cụ bán dẫn công suất tác động nhanh. Nghịch lu độc lập đợc ứng dụng trong nhiều lĩnh vực, trong cung cấp điện dự phòng, trong cung cấp điện liên tục, trong gia công nhiệt các kim loại. Trong các ứng dụng này điện áp vào một chiều có thể đợc cung cấp từ bình ắc quy, pin mặt trời, hoặc từ chỉnh lu. Điện áp ra của các nghịch lu có thể là 110V/50hz (400Hz); 220V/50Hz (400Hz). Đối với công suất lớn điện áp ra có thể là 380. Nghịch lu là phần tử cơ bản nhất của các biến tần, loại thiết bị thực hiện biến đổi, ổn định hoặc điều chỉnh tần số. Biến tần có chức năng biến điện áp xoay 8 chiều U1 tần số f1 thành điện áp xoay chiều U2 với tần số f2, trong đó U2 và f2 không phụ thuộc vào U1 và f1. Điện áp và tần số ra của biến tần có thể duy trì ổn định, đợc điều chỉnh độc lập hoặc điều chỉnh đồng thời theo quy luật định trớc. Các biến tần đợc sử dụng nhiều trong cung cấp điện chất lợng cao và trong điều khiển truyền động điện máy điện xoay chiều. *Phân loại nghịch lu: Theo số pha của điện áp ra nghịch lu đợc chia thành một pha hoặc ba pha. Mỗi loại đều có thể đợc xây dựng trên cơ sở các van điều khiển hoàn toàn (tranzitor lỡng cực BJT, tranzitor trờng công suất MOSFET, tranzitor cửa cách ly IGBT, thyristor điều khiển hoàn toàn GTO hoặc bán điều khiển SCR. 2.2. Nghịch lu dòng một pha thyristơ (Nghịch lu cộng hởng) 2.2.1. Nguyên lý hoạt động của nghịch lu: Nghịch lu cộng hởng có nhiều dạng và đợc ứng dụng nhiều trong công nghiệp, phổ biến nhất là trong công nghệ gia nhiệt cho kim loại. Cho đến nay các lò trung tần dùng trong đốt nóng hoặc nấu chảy kim loại chủ yếu đợc xây dựng trên cơ sở nghịch lu cộng hởng thyristơ. Đã có những mẫu thiết bị này đợc xây dựng trên cơ sở các tranzitor công suất nhng tính phổ biến cha cao. Trong lĩnh vực gia nhiệt cho kim loại này tần số làm việc của nghịch lu thờng khá cao, từ 0,5 đến vài chục kHz. Điểm khác căn bản của nghịch lu cộng hởng so với các loại nghịch lu đã nghiên cứu là các thyristơ đợc khóa theo nguyên lý chuyển mạch tự nhiên, tức là hiện tợng tự khóa của thyristơ sau khi dòng anot của nó tự giảm qua 0 trong quá trình làm việc của mạch. Trong các nghịch l u chuyển mạch cỡng bức năng lợng tích lũy và tổn hao trong mạch vòng chuyển mạch không nhỏ. Tần số làm việc càng cao các thành phần này càng trở nên đáng kể so với công suất tải, và do đó hiệu suất càng giảm mạnh. Trong các nghịch lu cộng hởng không tồn tại giai đoạn chuyển mạch độc lập, không có mạch vòng chuyển mạch, tức là không có tổn hao phụ, do đó hiệu suất khá cao trong dải rất rộng của tần số. Nhóm nghịch lu này đợc gọi là cộng hởng vì quá trình dòng - áp trong mạch xảy ra theo tính chất cộng hởng. Tùy thuộc tính chất của mạch cộng hởng 9 (nối tiếp hoặc song song) chúng ta có các nghịch lu tơng ứng là cộng hởng áp và cộng hởng dòng. Trong khuôn khổ đồ án môn học này ta xét nghịch lu nguồn dòng. Nghịch lu dòng là nghịch lu đợc cấp năng lợng bằng nguồn dòng, nghĩa là trở kháng của nguồn rất lớn để dòng điện qua nghịch lu không gây ảnh hởng đến điện áp trên cực của nguồn. Nguồn một chiều tạo nên dòng điện vào của bộ nghịch lu dòng điện ra có thể là xoay chiều một pha (hoặc ba pha). Do đó điện áp vào phụ thuộc vào tải ở phía xoay chiều. Tải có thể là bất kỳ với điều kiện không phải là duy nhất từ một hay nhiều nguồn dòng khác. Ta giả thiết điện áp tải lý tởng, tức là điện áp hình sin. Sơ đồ mạch điện nguyên lý của nghịch lu loại này đợc trình bày trong hình dới đây. Để có nguồn dòng cuộn kháng L 0 có điện cảm tơng đối lớn đợc mắc nối tiếp với nguồn áp U 0 . Các biểu đồ tín hiệu mở các thyristơ, điện áp trên tụ chuyển mạch và dòng điện nghịch lu i trong hình giải thích nguyên lý làm việc của nghịch lu. Cặp thyristơ của mỗi đờng chéo cầu đợc mở đồng thời bằng một dãy xung hẹp, dãy g 1,2 cho các thyristơ T 1 và T 2 . Dãy g 3,4 cho các thyristơ T 3 ,và T 4 và hai dãy xung này lệch pha nhau 180 0 điện theo điện áp ra. Trong sơ đồ này dòng điện nguồn I 0 đc cấp cho tổng trở (gồm tải Z T nối song song với tụ C k ) hoặc qua cặp thyristo T 1 -T 2 , hoặc qua cặp thyristor T 3 -T 4 , nhờ đó dòng điện tải đợc đổi [...]... thành phần phản kháng cung cấp dòng cho điện cảm tải và tụ chuyển mạch Ta có thể rút ra một số quan hệ định lợng cơ bản sau: -Công suất nhận đợc từ nguồn một chiều phải bằng công suất cấp cho tải Quy luật này đúng với mọi nghịch lu và chỉnh lu trong giả thiết tổn hao không đáng kể và có thể bỏ qua Hơn nữa quy luật này còn đúng với mọi thành phần hài cũng nh công suất toàn phần Từ đó nhận đợc biểu thức:... nhằm xác định các quan hệ định lợng giữa các đại lợng vật lý cơ bản trong nghịch lu Trong đó xác định các yếu tố đảm bảo chuyển mạch chắc chắn cho các thyristor và đánh giá chất lợng của nghịch lu là các nội dung rất cần đợc quan tâm 2.2.2 Các yêu cầu cơ bản của mạch nghịch lu và đánh giá chất lợng Ta giả thiết nghịch lu là nghịch lu dòng (nguồn đầu vào là nguồn dòng) Khi đó dòng điện trong mạch xoay... hiện và nghịch lu ngừng làm việc Hiện tợng ngừng chuyển mạch của thyristor trong nghịch lu đợc gọi là đột biến nghịch lu Hiện tợng này dẫn đến ngắn mạch nguồn một chiều và sự cố lớn do hai thyristor trong một nhánh cầu cùng dẫn Nghịch lu cầu thờng đợc ứng dụng đối với công suất lớn hoặc điện áp nguồn một chiều cao Trên đây là những phân tích định tính nhằm giải thích nguyên lý làm việc của nghịch lu... pha của tải đối với hài bậc n, R là điện trở thuần của tải, U0 và I0 tơng ứng là điện áp và dòng điện vào một chiều ( từ bộ chỉnh lu) - Công suất phản kháng của hài cơ bản cũng nh của tất cả các hài dòng điện nguồn i0 phải bằng các thành phần công suất phản kháng tơng ứng của toàn bộ mạch xoay chiều Ta có biểu thức U T (1) I 0(1) cos 1 = 2 U T (1) X c( n) và U T ( n ) I 0( n ) cos n = 2 U T (n) X c(n)... vợt quá giá trị cho phép 14 + Giá trị nhỏ nhất cũng phải đảm bảo đợc tất cả các Thyristo cùng loại ở mọi điều 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 kênh điều khiển: Trong các bộ biến đổi có nhiều pha, tính đối xứng của xung điều khiển rất quan trọng, nếu xung điều khiển mất tính đối xứng sẽ làm cho dòng anốt của... 2 ữ10V; độ rộng xung tx = 20 ữ 100s Dộ rộng xung điều khiển có thể tính đợc theo công thức: I t x = dt di dt Idt: dòng duy trì của Thyristo di/dt: tốc độ tăng trởng của dòng điện tải 3.1.2.Yêu cầu về mạch điều khiển: Mạch điều khiển là một khâu quan trọng trong hệ thống điều khiển Thyrisro, nó là bộ phận chủ yếu quyết định chất lợng và độ tin cậy của bộ biến đổi Yêu cầu về bộ biến đổi có thể tóm tắt... cảm L đối với tần số của hài bậc n Hiệu điện kháng này phải dơng hay tổng trở phải mang tính dung là điều kiện bắt buộc của nghịch lu dòng Nếu không quá trình khóa các thyristơ không thể đợc thực hiện, tức là nghịch lu không thể làm việc đợc -Chế độ xác lập trong mỗi giai đoạn dẫn của thyristơ, điện áp trung bình phải bằng điện áp nguồn một chiều 12 Từ quy luật này có thể rút ra một số kết luận Nếu... Khi đó nghịch lu có cấu trúc và làm việc nh một chỉnh lu tia, từ đó suy ra quan hệ giữa U0 và góc vợt pha cũng có dạng hàm côsin Góc vợt pha , tơng ứng với khoảng thời gian trong đó điện áp âm đặt giữa anốt và katốt của thyristơ, bằng có pha ứng với hệ số công suất Trong thực tế quan niệm gần đúng ấy không dẫn đến sai số đáng kể ngay cả trong trờng hợp điện áp ra khác xa dạng sin Tính toán mạch nghịch. .. này thờng vợt quá giới hạn chịu đựng của các phần tử và thờng dẫn đến phá hỏng chúng, đặc biệt là các dụng cụ bán dẫn 13 Chơng III: tính toán - thiết kế mạch điều khiển ton hệ thống 3.1 Nhiệm vụ chức năng mạch điều khiển : Nh ta đã biết Thyristo chỉ để mở cho dòng chạy qua khi có điện áp dơng đặt lên anốt và có xung điều khiển đặt vào cực điều khiển Sau khi Thyristo đã mở thì xung điều khiển không... điện ta có thể dùng chuỗi Furiê Trớc hết phân tích dòng điện chữ nhật i0 thành các hài (chuỗi Furiê), sau đó tính điện áp gây nên ở tải bởi mỗi hài này Nh vậy ta đã coi dòng điện chữ 11 nhật i0 là tập hợp của các hài và mỗi hài này bao gồm 2 thành phần: Thành phần phản kháng lệch pha 900 so với điện áp tải và thành phần tiêu tán trùng pha với điện áp tải Thành phần tiêu tán sinh công suất tiêu tán trong